氣候變化對遼寧省玉米產量的影響

曹永強，李玲慧，路 潔，張若凝，寧 月

(遼寧師范大學地理科學學院，遼寧 大連 116029)

0 引 言

中國是世界上氣候變化較為顯著的地區之一。近50年來，中國地表約增溫1.1 ℃，速率達0.25 ℃/10 a，日照時數總體減少，東部地區降水量南多北少，西部地區降水量顯著增多[1,2]。氣溫、日照和降水等氣候因素與農業生產關系密切，農業生產在較大程度上受到氣候條件的制約。玉米作為中國三大糧食作物之一，是近百年來全球種植范圍擴展最廣、產量增加最迅速的農作物之一[3]。玉米是典型的喜溫、短日照及高需水量作物，其生長發育對氣溫、日照及降水要求較高，氣候的變化必然導致玉米產量受到影響。因此，在全球氣候變化的背景下研究氣象因子對作物產量的影響，對實現糧食高產和農業生產可持續發展意義重大。

當前，國內外學者在氣象因子對作物生產的影響方面研究頗豐。Darwin等[4]研究發現，氣候變暖使得高緯度地區的可耕作面積有所擴增，有利于作物提高產量。而在低緯度地區，氣候變暖加快水分蒸發使得土壤含水量減少，使糧食產量有所降低。Asseng等[5]研究表明，升溫2 ℃會使小麥單產減少一半。Lobell和Field[6]構建了產量和氣象要素一階差分的回歸模型，發現全球小麥產量與生育期最低、最高氣溫均呈負相關，且這種關系不受時間影響。郝立生等[7]采用生物學模型Logistic函數分離小麥趨勢產量，發現近56年海河低平原地區冬小麥氣象產量受春季氣溫和降水影響顯著。李永華等[8]運用貝爾產量模式分離氣象產量，探究了氣象因子對重慶地區玉米產量的影響，發現1960-2001年重慶地區旱澇災害對玉米產量有嚴重影響。陳霞燕等[9]在研究吉林省玉米生產潛力時發現降水量與玉米生產潛力呈正相關。以往關于氣象因子對作物產量作用及影響的研究大都停留在較大尺度，針對遼寧省的研究較少且研究時間尺度較短無法反應現狀，因此本文參閱已有研究方法及成果，分析長時間序列下(1960-2017年)遼寧省平均氣溫、日照時數和降水量的變化趨勢，并在分析玉米氣象產量變化趨勢的基礎上，研究不同生育期內各氣象因子對玉米產量的影響關系，以期為合理利用氣候因素以促進當地農業生產的發展等提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與數據來源

遼寧省地處歐亞大陸東岸、東北三省南部，屬溫帶大陸性季風氣候，年日照時數1 800～2 400 h，平均氣溫6～10 ℃，年降水量200～1 000 mm。近年來，遼寧省變暖趨勢越來越明顯，是我國氣候變化幅度最大的地區之一，其變暖程度遠超過全球的增溫水平。遼寧省是我國13個糧食主產區之一，其降水和日照資源十分豐富，且積溫較高，氣候條件非常適宜玉米的生長發育。省內玉米種植面積較廣，2017年玉米播種面積2 179.7 hm2，占糧食總播種面積的68.08%[10-14]。

本文所需氣象資料來自中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/wa)，包括1960-2017年遼寧省平均氣溫、日照時數、降水量等逐日氣象數據。遼寧省玉米種植面積及總產量數據取自《遼寧省統計年鑒》，時間尺度為1998-2017年。為保證空間插值精度，選取遼寧省內分布均勻且連續性較好的23個氣象站點進行分析。遼寧省地理位置及站點分布情況如圖1所示。

圖1 遼寧省氣象站點分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Liaoning Province

1.2 研究方法

1.2.1 氣象產量分離

在長時間序列作物產量與氣象因子關系的研究中，一般把作物實際產量Y分解為趨勢產量Yt、氣象產量Ym和隨機產量Ye3個部分[14]。計算公式如下：

Y=Yt+Ym+Ye

(1)

其中，Ye較小，一般忽略不計，則：

Ym=Y-Yt

(2)

此方法被廣泛應用于作物氣象產量的研究，因此本文根據公式(2)分離玉米氣象產量。

1.2.2 Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法是一種非參數統計檢驗方法，由于其樣本分布形式多樣并受突變值影響較小，因而常被用于計算類型變量和順序變量。其操作方法及具體計算步驟如下：

對于時間序列Xt先構造秩序列Sk：

(3)

(4)

其次，計算統計量UFk：

(5)

其中，E(Sk)和Var(Sk)是秩序列Sk的期望和方差。本文借助MATLAB軟件繪制UF和UB曲線，給定顯著性水平α=0.05(u0.05=±1.96)，當曲線超過臨界值線時，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為突變的時間區域。若兩條曲線在臨界線之間出現交點，則該點對應的時間為突變開始時間[15]。以此方法對近58年遼寧省主要氣象因子變化趨勢進行突變檢驗。

2 結果與分析

2.1 遼寧省氣候變化趨勢

2.1.1 平均氣溫變化趨勢

1960-2017年遼寧省平均氣溫變化趨勢及Mann-Kendall突變檢驗如圖2、3所示，分析可知，近58年遼寧省平均氣溫以0.21 ℃/10 a的速率顯著增長(p<0.05)。其中，最高值出現在2007年，為9.83 ℃；1969年為最低值6.97 ℃，二者相差超過3 ℃。由圖3可知，1995年后UF曲線超過0.05顯著性水平臨界線，表明此增暖趨勢開始顯著。另外，由UF和UB曲線的交點可知1988年起增暖速率是突變上升的。此突變時間點與周曉宇[17]等研究結果總體一致，顯著增暖變化時間點與其相差一年，這可能與所選氣象站點數據資料有關。

圖2 平均氣溫年際間變化趨勢Fig.2 The annual variation trend of average temperature

圖3 平均氣溫Mann-Kendall突變檢驗Fig.3 The Mann-Kendall mutation test of average temperature

2.1.2 日照時數變化趨勢

1960-2017年遼寧省日照時數年際間變化趨勢及Mann-Kendall突變檢驗如圖4、5所示，分析可知，近58年遼寧省日照時數顯著下降(p<0.05)，幅度達23.42 h/10 a，且在1982年發生突變。此突變發生時間與虞海燕等[18]分析所得的中國日照時數于1980年左右發生突變的結論一致。1993年開始UF曲線超過顯著性水平0.05臨界線，再次說明下降趨勢十分顯著。空氣污染愈加嚴重造成氣溶膠粒子濃度增加是導致日照時數減少的主要原因之一，另外低云量、水汽壓等也有不同程度的影響[19]。

圖4 日照時數年際間變化趨勢Fig.4 The annual variation trend of sunshine hours

圖5 日照時數Mann-Kendall突變檢驗Fig.5 The Mann-Kendall mutation test of sunshine hours

2.1.3 降水量變化趨勢

由1960-2017年遼寧省降水量年際間變化趨勢(圖6)及其Mann-Kendall突變檢驗分析(圖7)可知，近58年遼寧省降水量有多次較大幅度波動，但變化趨勢并不顯著，總體表現為以3.37 mm/10 a的速率減少。其中，1964年和2013年達到該序列峰值，兩年降水量均高于1 000 mm。結合歷史資料可知，2013年受“尤特”、“天兔”等臺風的影響，8月中旬遼寧省北部地區降大到暴雨，局部地區降特大暴雨，累計過程最大點雨量為撫順紅透山站465 mm，由此引發的山洪災害造成全省巨大損失[20]。另外，曲線在臨界線內有多處交點，但只結合其年際間變化趨勢無法確定是否發生突變。武曉航等[21]利用Pettitt突變檢驗法對1958-2008年遼寧省降水量序列進行分析，結果表明期間降水量并未達到顯著突變上升或下降水平。說明近50年來遼寧省降水量未發生明顯突變。

圖6 降水量年際間變化趨Fig. 6 The inter-annual variation trend of precipitation

圖7 降水量Mann-Kendall突變檢驗Fig.7 The Mann-Kendall mutation test of precipitation

2.2 遼寧省玉米產量變化趨勢

從上文分析可知，總體上看，遼寧省近58年平均氣溫顯著上升，而日照時數和降水量均呈下降趨勢。玉米是喜光作物，在不同的生育期對于溫度變化較為敏感，同時作為需水量較大的作物[22]，這樣的氣候變化必然會影響其產量。為進一步探究該氣象條件對玉米生長的影響程度，本文基于遼寧省1998-2017年玉米總產量及播種面積等統計數據，運用5年線性調和滑動平均法繪制其單產量時間擬合趨勢圖，結果如圖8所示。在此基礎上分離出玉米氣象產量，其年際間變化趨勢如圖9所示。

圖8 1998-2017年遼寧省玉米趨勢產量模擬Fig.8 The corn trend yield simulation in Liaoning Province from 1998 to 2017

圖9 1998-2017年玉米氣象產量年際間變化趨勢Fig.9 The interannual trend of corn meteorological yield from 1998 to 2017

由圖9可知，從總體上看，玉米單產量變化趨勢并不明顯，整體表現為以59.12 kg/10 a速率減少。其在年際間有很大波動，如1998-2000年單產量減少近7 000 kg/hm2。結合遼寧省氣候變化情況，在此期間降水量和氣溫驟減，對玉米產量有很大影響。另外，21世紀前玉米單產量持續上升，2000年后增加幅度逐漸放緩。2000-2010年玉米總產量增產較快主要是由于種植面積的擴大，單產量的貢獻并不突出。這與穆佳[23]的研究結果一致。另外，近20年來玉米氣象產量相對離散，總體上以135.28 kg/10 a速率增加。從其絕對值來看，最高值為2 295.22 kg/hm2，出現在2000年；最低值為2.30 kg/hm2，出現于2006年，兩者差值略大。同時，近20年氣象產量處于±600 kg/hm2之間，僅有極個別年份超過此區間，說明1998-2017年玉米氣象產量無顯著變化趨勢，再次證明氣象產量的分布形式是隨機離散的。

總的來說，近20年遼寧省玉米單產量在年際間波動較大，變化趨勢并不明顯；氣象產量較為離散，總體呈上升趨勢。

2.3 各氣象因子對玉米產量的影響

2.3.1 玉米生育期的劃分

為了研究各氣象因子在玉米各生長時段對其氣象產量的影響情況，本文依據實際生產經驗，將遼寧省玉米生育期劃分為：播種-出苗期(4-5月)、出苗-拔節期(5-6月)、喇叭口期(6-7月)、抽雄期(7-8月)和成熟期(8-9月)5個階段[24]。運用SPSS軟件，分析1998-2017年遼寧省玉米各生育期平均氣溫、日照時數及降水量與氣象產量的相關性，結果如表1所示。

表1 玉米各生育期氣象因子與氣象產量相關系數Tab.1 Correlation coefficients of meteorological factors and meteorological yield in each growth period of corn

2.3.2 氣溫對玉米產量的影響

結合玉米氣象產量與平均氣溫相關關系圖(圖10)及表1可知，從總體上看，平均氣溫與玉米氣象產量呈負相關關系，其標準化回歸系數為39.75，并達到顯著水平(p<0.05)，說明平均氣溫對玉米產量影響顯著。從各生育階段看，喇叭口期和抽雄期是平均氣溫影響較大的時期，達到0.05顯著性水平。玉米在此期間進行抽雄吐絲及灌漿，對溫度要求較高。夏季溫度過高不利于玉米的開花授粉及水分的積累，而適度低溫天氣有利于玉米生長發育進而實現高產。因此喇叭口期和抽雄期是平均氣溫影響遼寧省玉米氣象產量的主要時段。另外，經統計分析，近16年(2000-2015年)時有極端高溫天氣，造成了玉米產量不同程度的減少[25]。盡管近20年(1998-2017年)玉米生育期內極端高溫天氣出現率不高，但其對玉米產量的影響不容忽視。近年來，氣候變化導致遼寧省增溫，極端高溫天氣的發生也越來越頻繁，但極端低溫天氣的出現率相對降低。近20年未出現極端低溫天氣，其對玉米產量的影響有待深入研究。

圖10 氣象產量與平均氣溫相關關系Fig.10 The correlation between meteorological yield and average temperature

2.3.3 日照時數對玉米產量的影響

玉米氣象產量與日照時數的相關關系如圖11所示，其標準化回歸系數為22.71，并達到顯著水平(p<0.05)，說明日照時數對玉米產量影響顯著。結合表1可知，除播種-出苗期外，其余各生長時段內日照時數與玉米氣象產量均呈負相關。這是因為在播種-出苗期玉米生長需要大量日照以吸收養分，適當長時間日照和高強度輻射有利于玉米進行光合作用，提高凈光合生產率，加快細胞內物質和能量的輸送及轉化，從而提高產量。此外，日照時數在喇叭口期對玉米氣象產量的影響尤為顯著(p<0.05)。當日照時數在2 000～2 300 h區間內變化時，對玉米氣象產量產生正效應；當超出這個范圍時則為負效應。這是由于當日照強度超過玉米的光飽和點時，光合速率會降低，并在氣溫的共同作用下消耗大量有機物和能量，不利于玉米的生長[24]。近58年遼寧省日照時數基本處于2 000～2 300 h之間，總體上有利于玉米生長。

圖11 氣象產量與日照時數相關關系Fig.11 The correlation between meteorological yield and sunshine hours

2.3.4 降水量對玉米產量的影響

結合表1及降水量與玉米氣象產量相關關系圖(圖12)可以看出，玉米生育期間降水量對氣象產量產生的正效應多于負效應。利用SPSS軟件計算出降水量與玉米氣象產量的標準化回歸系數為6.50，并達到顯著水平(p<0.05)，說明降水量是影響玉米氣象產量的關鍵因子。除播種-出苗期降水量與氣象產量的相關系數為負數外，其余各時段均為正數，說明玉米自播種至成熟整個生長過程期間對水分要求較高。充足的水分可以加快玉米體內的物質轉換與運移，有益于玉米的生長發育，從而使其產量相應提高。喇叭口期其相關系數達到顯著水平(p<0.05)，說明在此期間玉米對水量要求較高。雨水充足不僅有利于玉米高產，還會提升甜度及顆粒飽滿度[24]。

圖12 氣象產量與降水量相關關系Fig.12 The correlation between meteorological yield and precipitation

3 結 語

本文分析了近58年(1960-2017年)遼寧省氣候變化規律以及近20年(1998-2017年)玉米產量的變化趨勢，并針對重疊周期內各氣象因子對玉米產量的影響關系進行了分析，研究結果與前人研究成果基本保持一致。但對于近58年的歷史氣候變化對近20年的玉米產量的影響尚未深入；另外，通過分析可知，平均氣溫、日照時數及降水量對玉米產量有著顯著影響，但尚不能全面地反映氣候變化對玉米產量的影響關系。下一步應綜合考慮風速、濕度等其他氣象因子以及研究區自然條件和人類活動等因素的影響，深入研究長時間序列下的歷史氣候變化對近年來玉米產量的影響關系。本文主要研究結論如下：

(1)從氣候變化趨勢方面來看，近58年遼寧省平均氣溫以0.21 ℃/10 a的速率顯著增長(p<0.05)，且1995年后此趨勢十分顯著(p<0.05)；日照時數顯著下降(p<0.05)，達23.42 h/10 a，1993年后這種趨勢逐漸顯著(p<0.05)；降水量減少速率為3.37 mm/10 a。

(2)從玉米產量變化方面來看，近20年遼寧省玉米單產量變化趨勢并不明顯，整體表現為以59.12 kg/10 a速率減少，但年際間仍有很大波動；氣象產量相對離散，總體呈上升趨勢。

(3)從各氣象因子對玉米產量的影響來看，玉米生育期內平均氣溫與氣象產量呈負相關關系；日照時數與氣象產量總體呈負相關關系(播種-出苗期除外)；降水量對氣象產量產生的正效應多于負效應。三者對玉米產量均有顯著影響(p<0.05)且喇叭口期為主要影響時期。