張家口地區(qū)氣候特征及其對(duì)玉米生產(chǎn)的影響

胡雪

摘要 基于張家口地區(qū)近50年（1965—2014）的氣溫和降水等氣象資料，以及近34年（1981—2014）玉米產(chǎn)量資料，研究了張家口地區(qū)氣候變化特征，并分析了氣候變化對(duì)張家口玉米生產(chǎn)的影響。結(jié)果表明，近50年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，并在1986/1987年發(fā)生突變，降水量變化表現(xiàn)為年際間波動(dòng)性大，存在穩(wěn)定的9年左右變化周期。干旱具有明顯變化特征，自氣溫發(fā)生突變后，夏季干旱的空間范圍、持續(xù)時(shí)間和干旱程度均有所增加。各縣玉米產(chǎn)量變化與氣候要素變化具有很強(qiáng)的相關(guān)性，其中降水是影響產(chǎn)量變化的主要因素，玉米產(chǎn)量與降水量呈正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞 氣候變化;降水;玉米;張家口

中圖分類(lèi)號(hào)：S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2019）04-064-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.04.025

Abstract Based on the meteorological data of temperature and precipitation from 1965 to 2014 and maize yield data from 1981 to 2014 in Zhangjiakou area，the characteristics of climate change in Zhangjiakou area were studied，and the impacts of climate change on maize production in Zhangjiakou area were analyzed. The results showed that the average temperature in the past 50 years had shown an upward trend，and a sudden change occurred in 1986/1987. The precipitation changes showed a large inter annual fluctuation，with a stable 9 year change cycle. The results showed that the mean air temperature had increased trends in Zhangjiakou district during the last 50 years and a mutation occurred in 1986/1987. The precipitation had a stable 9 years’ period，which reflected the large fluctuations of rainfall inter decadal feature. The drought had a notable variation. Since the air temperature had changed suddenly，the spatial extent，duration and severity of summer drought had extended. The corn yields variation was significantly related to the climate change and rainfall variation was the main factor to impact the crop yield. There was a positive correlation between corn yield and precipitation.

Key words ? Climate characteristics;Precipitation;Corn;Zhangjiakou

在全球變暖的背景下，氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響越來(lái)越明顯，未來(lái)氣候變化將成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問(wèn)題[1]。玉米是全球重要的糧食、飼料、醫(yī)藥以及新型能源的原料作物，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。我國(guó)是世界上僅次于美國(guó)的第2大玉米生產(chǎn)國(guó)，氣候變化對(duì)玉米生產(chǎn)的影響直接關(guān)系到我國(guó)的糧食安全和能源戰(zhàn)略。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)氣候變化對(duì)玉米生產(chǎn)的影響進(jìn)行了諸多研究。Kucharik等[2]分析了美國(guó)威斯康辛州氣候變化對(duì)玉米和大豆產(chǎn)量趨勢(shì)的影響，認(rèn)為夏季升溫可使玉米和大豆分別減產(chǎn)13%和16%，如果降水增加50 mm，作物產(chǎn)量可增加5%～10%。Lobell等[3]基于大量的田間試驗(yàn)資料，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法分析了非洲氣候變化對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)溫度變化對(duì)玉米產(chǎn)量具有顯著影響，高于30℃的氣溫對(duì)玉米產(chǎn)量具有負(fù)影響，且白天增溫比夜間增溫的危害更大。蘇喜福等[4]應(yīng)用統(tǒng)計(jì)回歸方法，分析了山西忻州氣候變化對(duì)玉米氣象產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)玉米生長(zhǎng)期的平均氣溫是玉米產(chǎn)量的主要影響因子，其次是年降水量或日照時(shí)數(shù)、積溫。針對(duì)華北和河北玉米生產(chǎn)，一些學(xué)者[5-7]也探討了氣象因子、土壤水分變化等對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，得到了有指導(dǎo)意義的結(jié)果。筆者應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析張家口地區(qū)影響玉米生產(chǎn)的氣溫、降水和干旱變化特征，探討氣候變化對(duì)當(dāng)?shù)赜衩咨a(chǎn)的主要影響，以期為張家口地區(qū)玉米生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化的對(duì)策措施提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。

1 資料與方法

1.1 資料

研究數(shù)據(jù)主要包括氣象資料和玉米產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)資料等。考慮資料的完整性和代表性，選取的14個(gè)代表站為張家口、張北、康保、尚義、沽源、崇禮、赤城、懷安、萬(wàn)全、陽(yáng)原、宣化、涿鹿、懷來(lái)和蔚縣;氣象要素主要為氣溫和降水;氣象資料長(zhǎng)度為1965—2014年。氣象資料來(lái)自河北省氣象信息中心。玉米產(chǎn)量資料來(lái)自河北省統(tǒng)計(jì)局，資料長(zhǎng)度為1981—2014年。

1.2 方法

氣候變化趨勢(shì)分析采用線性傾向估計(jì)法。用xi表示樣本量為n的某一氣候變量，用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程：

xi=a+bti，i=1，2，…，n（1）

時(shí)間序列趨勢(shì)分析采用Mann Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)。如果UFk和UBk 2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開(kāi)始的時(shí)間。

小波分析（Wavelet Analysis）在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部特性，可以分析時(shí)間序列周期變化的局部特征，從而能更清楚地看到各周期隨時(shí)間變化情況。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）是表征干旱的優(yōu)秀指標(biāo)，基于降水量服從Γ分布，將累積概率經(jīng)過(guò)正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)化變換而得出。

2 氣溫和降水年代際變化特征

2.1 氣溫變化特征

從圖1可以看出，張家口市年平均氣溫總體表現(xiàn)為波動(dòng)式上升。在20世紀(jì)80年代中期之前，張家口地區(qū)年平均氣溫變化緩慢，此后逐漸處于以升高為主的階段，其中在1998年和2007年分別達(dá)到最高值，但自1999年以來(lái)氣溫變化基本以穩(wěn)中有降為主，升溫變化趨勢(shì)趨緩，平均氣溫依然處于較高狀態(tài)，這一現(xiàn)象與全球諸多地區(qū)出現(xiàn)的氣溫變暖停滯基本一致[8-10]。

通過(guò)M-K突變檢驗(yàn)（圖2），發(fā)現(xiàn)張家口年平均氣溫呈顯著升高趨勢(shì)，且在20世紀(jì)80年代中后期發(fā)生了突變，年平均氣溫在20世紀(jì)70年代初開(kāi)始升高，在1986/1987年UF和BF相交于2條α=0.05的信度線（Uα=±1.96）之內(nèi)，之后仍保持迅速升高的趨勢(shì)，超過(guò)了1.96的置信線，即年平均氣溫在1986、1987年發(fā)生了突變。

2.2 降水變化特征

圖3為張家口年降水量序列Morlet小波變換系數(shù)平面圖和方差變化圖，小波系數(shù)正值表示降水量偏多，為多雨時(shí)期，小波系數(shù)負(fù)值表示降水量偏少，為少雨時(shí)期。分析表明，張家口的旱澇存在17～19年的長(zhǎng)周期變化，由尺度周期可以清晰看出，張家口1965—2014年經(jīng)歷了“少雨-多雨-少雨-多雨-少雨-多雨”6個(gè)階段。降水量還存在穩(wěn)定的9年左右周期，反映了降水量的年代際變化特征。并且在2014年17～19年的長(zhǎng)周期時(shí)小波系數(shù)為正值且未閉合，這種多雨趨勢(shì)可能仍將繼續(xù)。

3 玉米產(chǎn)量與氣候變化的聯(lián)系

基于收集整理的壩下9縣近34年（1981—2014年）的玉米產(chǎn)量資料（圖4），可以看出各縣玉米產(chǎn)量變化總體趨勢(shì)相似，20世紀(jì)80年代至90年代中后期，產(chǎn)量呈波動(dòng)式增加趨勢(shì)，1999—2003年玉米產(chǎn)量大幅下降，2004年后大部分縣產(chǎn)量開(kāi)始回升，但各縣間產(chǎn)量差距增大，并時(shí)有波動(dòng)。

5月1日至9月20日是張家口地區(qū)玉米的主要生育期，故分別計(jì)算玉米實(shí)際產(chǎn)量與玉米全生育期間的積溫、降水和9月的SPI6（6個(gè)月時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)）間的相關(guān)系數(shù)（表1）。結(jié)果表明，各縣產(chǎn)量對(duì)氣象要素的響應(yīng)基本一致，但相關(guān)性的大小在各縣間也有一定差異。生育期間積溫越高，玉米產(chǎn)量越低，反映了氣溫高導(dǎo)致玉米生育期縮短，產(chǎn)量降低。玉米產(chǎn)量與全生育期的降水量和9月的SPI6呈顯著正相關(guān)，除赤城的降水量外，其他各縣的降水量與產(chǎn)量、SPI6 9與產(chǎn)量均通過(guò)0.05置信度的顯著性檢驗(yàn)，表明降水量越多，產(chǎn)量越高，可見(jiàn)干旱少雨是影響張家口地區(qū)玉米產(chǎn)量的重要?dú)庀笠蛩亍?/p>

4 結(jié)論

該文基于統(tǒng)計(jì)方法，應(yīng)用張家口地區(qū)14個(gè)氣象站近50年（1965—2014）的資料，分析了該區(qū)域氣候變化特征和干旱的時(shí)空變化特征。在此基礎(chǔ)上，定量分析了氣候要素對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，主要結(jié)果如下。

（1）張家口地區(qū)近50年平均氣溫均呈波動(dòng)式增加趨勢(shì)，并在1986、1987年發(fā)生了突變。近50年降水量變化表現(xiàn)為年際間波動(dòng)性大，總體上年降水量具有減少趨勢(shì)，但不顯著。

（2）張家口地區(qū)各縣玉米產(chǎn)量變化與氣候變化具有相關(guān)關(guān)系，其中降水變化和干旱是影響玉米產(chǎn)量變化的主要因素，玉米產(chǎn)量與降水量和9月份的SPI6相關(guān)顯著（通過(guò)0.05信度檢驗(yàn)）;氣溫突變之后，即1988年以來(lái)，玉米產(chǎn)量的變化波動(dòng)與干旱變化基本同步，干旱發(fā)生概率增加，從而引起大面積玉米產(chǎn)量波動(dòng)下降。但在降水偏多、氣候濕潤(rùn)年份，玉米產(chǎn)量則明顯偏高。氣溫和積溫的增加對(duì)玉米產(chǎn)量不利，易導(dǎo)致生育期縮短，從而產(chǎn)量降低。

5 討論

該文采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)對(duì)張家口地區(qū)干旱特征進(jìn)行分析，僅考慮了水分的收入分量（降水），而未考慮水分的支出分量（如作物蒸騰、土壤蒸發(fā)等）及下墊面狀況等因素的影響，因此還需要在此基礎(chǔ)上綜合考慮水分收支，探討張家口地區(qū)干旱發(fā)生的規(guī)律性特征，同時(shí)還需關(guān)注極端天氣氣候事件和氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適應(yīng)氣候變化、合理利用氣候資源提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王馥棠，趙宗慈，王石立，等.氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)的影響[M].北京：氣象出版社，2003.

[2] KUCHARIK J C，SHAWN P S . Impact of recent climate change on Wisconsin corn and soybean yield trends[J]. Environmental Research Letters， 2008， 3（3）： 10. Doi：10.1088/1748-9326/3/3/034003.

[3] LOBELL D B，MARIANNE B，COSMOS M，et al. Nonlinear heat effects on African maize as evidenced by historical yield trials[J]. Nature Climate Change，2011（1）：42-45.

[4] 蘇喜福，李芬，張?jiān)儡?氣候變化對(duì)忻州玉米氣象產(chǎn)量的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（6）：599-604.

[5] 張睿昊，劉海軍.氣象因子和土壤水分變化對(duì)河北省夏玉米產(chǎn)量的影響[J].南水北調(diào)與水利科技，2012，10（4）：133-136.

[6] 孫宏勇，張喜英，陳素英，等.氣象因子變化對(duì)華北平原夏玉米產(chǎn)量的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2009，30（2）：215-218.

[7] 崔彥生，孟建，王月芬，等，河北省玉米生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策探討[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，25（20）：354-356.

[8] KNIGHT J，KENNEDY J J，F(xiàn)OLLAND C，et al. Do global temperature trends over the last decade falsify climate predictions？ In state of the climate in 2008[J]. BAMS （Bulletin of American Meteorological Society），2009，90（8）：22-23.

[9] KERR R A. What happened to global warming？ Scientists say just wait a bit[J].Science，2009，326：28-29.

[10] WANG S W，WEN X Y，LUO Y，et al. Does the global warming pause in the last decade： 1999-2008[J]. Advances in Climate Change Research，2010，1（1）：49-54.

責(zé)任編輯：鄭丹丹