氣候變化對河北省寧晉縣夏玉米產量的影響

楊 麗，劉海軍，唐曉培

(北京師范大學水科學研究院城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京 100875)

在全球氣候變化背景下，區域極端天氣增多，極端高溫、強降水、干旱等氣象災害頻發[1-2]。相較于長期的氣候平均值變化，短期的極端天氣事件對生態和人類活動的影響更為顯著[3-5]。氣候變化以及極端氣候，如氣溫升高、干旱、洪水等會顯著影響小麥、甘蔗、棉花、菠蘿等農作物產量[6-9]。

玉米作為我國的主要糧食作物之一，2019年我國玉米播種面積為4 128.4萬公頃，其中河北省玉米播種面積為340.82萬公頃，占全國總播種面積的8.3%[10]。關于氣候變化以及極端氣候對玉米產量的影響，已有學者進行了相關研究。Chen等[11]研究發現氣溫升高使得我國長江流域玉米減產，極端高溫、極端干旱和強降水對玉米產量影響較大。Liu等[12]研究發現極端低溫以及玉米開花和灌漿期降水較少會導致我國華北地區玉米減產。李崇瑞等[13]研究了干旱對東北地區春玉米生長的影響，發現5月為干旱高發月份。Srivastava等[14]研究發現氣溫升高、尤其是最高氣溫升高使得印度東部玉米減產。Ahmad等[15]發現對于巴基斯坦的玉米種植，在溫度升高和降水減少的氣候背景下，玉米生產會受到負面影響。Ureta等[16]研究了氣候變化對墨西哥玉米產量的影響，發現在雨養區，溫度是玉米產量的主要影響因子，在灌溉區，降水是玉米產量的主要影響因子。

不同地區氣候變化以及極端氣候條件對玉米產量的影響不盡相同。國內外氣候變化對作物產量影響的研究中，大多基于較大的空間尺度，對于縣尺度的研究較少。寧晉縣作為河北平原區最大的產糧縣，其玉米產量在2018年達到40.2萬噸，占河北省玉米總產量的21%[17]。因此研究影響該地玉米種植的氣候要素，對指導當地玉米生產，減小極端天氣對玉米產量的影響具有重要意義。在長時間尺度下，玉米產量除了受氣候因素影響外，還受育種耕作水平等人為因素的影響，因此本文利用HP濾波法，將產量分離為由人為因素影響的產量和由氣候因素影響的產量，以便更好地分析氣候對玉米產量的影響。

1 材料與方法

1.1 數據來源

河北省寧晉(37°38′N，114°555′E，海拔30.1 m)的氣象數據從國家氣象局氣象信息中心獲取，包括降水量、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、平均相對濕度、日照時數和平均風速等，數據以日為單位，玉米產量數據從《河北農村統計年鑒》[18]獲取。氣象和產量數據時間尺度均為1982—2018年。根據中國氣象網的農業氣象站數據資料和實際觀察，總結研究區夏玉米的生育期情況，如表1所示。

表1 寧晉縣夏玉米生育期Table 1 Growth period of summer maize in Ningjin

1.2 研究方法

1.2.1 參考作物蒸散量(ET0) 利用FAO56推薦的Penman-Monteith公式計算參考作物蒸散量(ET0)，其只受氣候因素影響，能夠反映研究區的整體蒸散發能力[19]。

1.2.2 Mann-Kendall(M-K)趨勢檢驗和Sen斜率計算 Mann-Kendall趨勢檢驗是一種非參數統計方法，不要求樣本遵從一定的分布，少數異常值對檢驗結果基本沒有影響，被廣泛應用于數據的趨勢檢測[20-21]。對于具有線性趨勢的時間序列，可以用Sen[22]給出的簡單非參數計算方法估計真實斜率。本文使用Salmi等[23]基于Excel開發的MAKESENS 1.0軟件進行M-K趨勢檢驗和Sen斜率計算。

1.2.3 突變檢驗 利用Mann-Kendall(M-K)突變檢驗法來檢驗氣象要素在研究時段內是否存在突變[20]，對于該檢驗方法得出的不確定的突變點，利用累計距平法和滑動T檢驗法對突變點進行校核[24]。

1.2.4 HP濾波法分解產量 將玉米實際產量(y)分解為由人為因素，即育種、機械水平等農業種植水平影響的趨勢產量(yt)，由氣候因素影響的氣候產量(yw)，以及由隨機因素影響的隨機產量(Δy)。

玉米產量計算公式為：

y=yt+yw+Δy

(1)

隨機產量無規律可循，且對產量影響較小，故可忽略不計，因此玉米產量計算公式可簡化為：

y=yt+yw

(2)

Hodrick等[25]提出的HP濾波法類似一個高通濾波器，可以把時間序列看作是不同頻率成分的疊加。利用HP濾波法可以將序列數據分離為高頻成分和低頻成分，在本研究中為氣候產量和趨勢產量。具有分離出的趨勢產量無滯后性，序列的兩端沒有缺損等優點[26]。

2 結果與分析

2.1 氣象要素變化趨勢

河北省寧晉縣夏玉米種植時間為6月17日—10月5日(表1)，1982—2018年夏玉米生育期氣象因子的年際變化趨勢如圖1所示，其多年平均值和Sen斜率如表2所示。

表2 1982—2018年夏玉米生育期氣候要素的多年平均值和Sen斜率Table 2 Perennial average values and Sen slope of climatic factors of summer maize growth period from 1982 to 2018

圖1 夏玉米生育期氣候要素年際變化趨勢Fig.1 Interannual variation trends of climate factors in summer maize planting season

1982—2008年總降水量和總參考作物蒸散量多年平均值分別為296 mm和454 mm，均呈不顯著下降趨勢。總日照時數、相對濕度以及風速多年平均值分別為754 h、74.9%和1.9 m·s-1，均呈顯著下降趨勢，下降幅度分別為3.76 h·a-1、0.10%·a-1和0.01 m·s-1·a-1。平均氣溫、最高氣溫以及最低氣溫多年平均值分別為24.2 ℃、30.1 ℃和19.3 ℃，其中平均氣溫和最低氣溫呈顯著上升趨勢，上升幅度為0.03 ℃·a-1和0.05 ℃·a-1，最高氣溫呈不顯著上升趨勢。

對具有顯著變化趨勢的氣象要素進行M-K突變檢驗(圖2)，發現日照時數在1990、2006、2007年和2009年存在突變點，進一步利用累計距平法和滑動T檢驗法來判斷突變點，發現2009年為日照時數突變發生年份；平均氣溫突變發生年份為2015年；最低氣溫的突變點為2012年，但并未通過0.05顯著性檢驗，結合累計距平法和滑動T檢驗法，發現2012年不是最低氣溫的突變發生年份；根據圖2(d)，平均風速突變發生年份為1990年。

圖2 氣象要素M-K突變檢驗Fig.2 M-K mutation test of climate factors

2.2 夏玉米產量變化

將夏玉米的實際產量分離為趨勢產量和氣候產量，如圖3所示。1982—2018年，夏玉米的實際產量多年平均值為4 997 kg·hm-2，總體呈顯著上升趨勢，上升幅度達到6.06 kg·hm-2·a-1。趨勢產量上升幅度達到7.70 kg·hm-2·a-1，尤其在20世紀90年代，隨著水利設施完善、良種快速推廣和施肥量增加，產量增速較快，進入2010年后，該區域的產量變化較小，說明目前的產量已經進入到了穩定時期。氣候產量呈不顯著下降趨勢，但其波動較大，變化范圍為-1 649～932 kg·hm-2，說明不同年份氣候要素對玉米產量影響較大。

圖3 夏玉米實際產量、趨勢產量以及氣候產量年際變化Fig.3 Interannual variation of actual yield,trend yield and climatic yield of summer maize

2.3 低產年氣候要素對夏玉米產量的影響

選取夏玉米氣候產量最低的3個年份，即1986、1991年和2009年為典型低產年，這3個年份氣候產量分別為-1 496、-964 kg·hm-2和-1 649 kg·hm-2，相對于對應年份的趨勢產量分別降低了56%、29%和25%。典型低產年氣候要素變化情況如圖4所示。

1986年玉米生育期降水210 mm(圖4)，比玉米生育期多年平均降水量(296 mm)少29%，日照時數967 h(圖4)，比多年平均值(754 h)多28%，且該年玉米的每個生育期，降水均比多年平均值少，日照時數均比多年平均值多，播種～拔節期、拔節～抽雄期以及抽雄～成熟期降水分別比多年平均值少20%、34%和32%，日照時數分別比多年平均值多30%、17%和31%，較少的降水和較高的日照時數使得該年總ET0比多年平均值多10%。ET0增加在一定程度上加劇了降水量較少的影響，使得玉米長期處于缺水狀態，造成最終產量下降56%。

圖4 夏玉米典型低產年全生育期氣候變化Fig.4 Variation of climatic variables during the whole growth period of summer maize in typical low yield years

與1986年類似，1991年降水量也較少，累積降水量為239 mm(圖4)，比多年平均降水量少19%，尤其在玉米的抽雄～成熟期，降水量僅為73 mm，比多年平均值(128 mm)少43%。

2009年日照時數為849 h(圖4)，比多年平均值多13%，尤其在夏玉米的播種～拔節期，日照時數為299 h，比多年平均值多42%，平均每天日照時數比多年平均值多3 h。由圖4可知，2009年在玉米播種～苗期，氣溫較高，最高氣溫和平均氣溫分別為35.6℃和28.7℃，比最高氣溫和平均氣溫的多年平均值(32.9℃和26.9℃)分別高2.7℃和1.8℃。尤其在6月24—29日，日最高氣溫在40℃左右。玉米播種～苗期，植株較為脆弱，極易受到高溫脅迫。8月20日以后，降水量達到了207 mm，這時玉米處于灌漿期，較多的降水量使得空氣濕度增加，易引起玉米絲黑穗病和灰色斑病等；同時較多的降水使得玉米根系層內的養分淋失到更深土層而不能利用，使得玉米易受到養分脅迫影響，因此病蟲害增加和養分脅迫最終造成玉米減產。

2.4 高產年氣候要素對夏玉米產量的影響

選取夏玉米氣候產量最高的3個年份，即1985、1995年和2001年為典型高產年，這3個年份氣候產量分別為745、932 kg·hm-2和744 kg·hm-2，增產百分比分別為28%、21%和11%。典型高產年氣候要素變化情況如圖5所示。

圖5 夏玉米典型高產年全生育期氣候變化Fig.5 Variation of climatic variables during the whole growth period of summer maize in typical high yield years

可以看出，3個夏玉米高產年份的氣象要素變化特點較為相似：(1)降水量接近或高于多年平均值，說明降水量充足，不是產量的限制因子；(2)氣溫要稍微低于多年平均值。1985年夏玉米的抽雄～成熟期，日最高氣溫26.4℃，比該時期多年平均值低1.7℃，尤其在9月份，日最高氣溫23.2℃，比多年平均值(26.8℃)低3.6℃。1995年夏玉米的拔節～抽雄期，最高氣溫、平均氣溫和最低氣溫分別比多年平均值低2.5℃、2.0℃和1.4℃，抽雄～成熟期，最高氣溫、平均氣溫和最低氣溫分別比多年平均值低1.4℃、1.1℃和0.6℃。2001年夏玉米的拔節～抽雄期最高氣溫、平均氣溫和最低氣溫分別比多年平均值低1.2℃、0.91℃和0.34℃，抽雄～成熟期最高氣溫、平均氣溫和最低氣溫分別比多年平均值低0.13℃、0.4℃和0.42℃。較低的氣溫使得ET0略低于多年平均值，與ET0多年平均值相比，1985年抽雄～成熟期ET0減少19 mm，1995年拔節～抽雄期ET0減少12 mm，抽雄～成熟期ET0減少15 mm，2001年拔節～抽雄期ET0減少2.9 mm。因此高產年份雖然降水量與多年平均值接近，但耗水量較少，使得作物可利用的水分增加，從而對增產有利。

3 討 論

氣象數據分析表明，1982—2018年玉米生育期內平均氣溫和最低氣溫呈顯著上升趨勢，最高氣溫上升趨勢不顯著，相關研究也表明，華北平原具有明顯的氣候變暖現象[27-28]；降水量呈不顯著下降趨勢，多年平均值為296 mm，Liu等[29]研究發現華北平原1995—2000年夏玉米平均耗水量為423 mm，Zhang等[30]研究發現華北平原夏玉米耗水量為376～396 mm。可以看出河北省寧晉縣玉米生育期多年平均降水(296 mm)不能滿足玉米需水(376～423 mm)，因此在缺水年份需要進行補灌；總日照時數、相對濕度以及風速均呈顯著下降趨勢，這與孟林等[28]和張紅麗等[31]在華北地區的研究結論一致。說明研究區的氣候變化趨勢與較大空間尺度下的氣候變化規律具有一致性。

1982—2018年，夏玉米的實際產量和趨勢產量均呈顯著上升趨勢，上升幅度分別為6.06 kg·hm-2·a-1和7.70 kg·hm-2·a-1。陸偉婷等[32]研究了河北省1989—2010年夏玉米產量變化，發現產量增長趨勢為19 kg·hm-2·a-1，高于寧晉縣1982—2018年夏玉米產量的增長趨勢，這與本研究夏玉米產量在20世紀90年代增速較快，2010年后，產量變化較小的規律相符。東北地區的玉米產量也呈現出類似的變化趨勢[33]。說明20世紀90年代，我國的玉米種植水平有顯著提升。

研究區降水量對玉米產量的影響較大，如1986年和1991年玉米生育期降水較少，僅為210 mm和239 mm，使得玉米氣候產量分別降低了1 496 kg·hm-2和964 kg·hm-2，降低幅度達到29%～56%。其中，1991年玉米抽雄～成熟期降水顯著低于多年平均值，抽雄～成熟期需要大量的水分來進行干物質積累，降水量的降低使得干物質積累降低，從而導致玉米減產[34]。相關研究表明，河北省夏玉米降水適宜度最低且變異系數最大，對干旱強度反應極為敏感[35-36]。因此在降水量較少的年份建議對玉米進行補灌。相關研究表明，華北地區夏玉米全生育期耗水量在400 mm左右[29-30]，根據實際調研，研究區在玉米缺水年份會澆出苗水和拔節灌漿水來彌補降水的不足，灌水量不少于50 mm，因此夏玉米降水量大于350 mm時基本不會造成水分脅迫。故選擇降水量小于350 mm的年份進行氣候要素與氣象產量相關分析(圖6)，發現在缺水年份，氣候產量隨著降水量的提高而提高，這與Wang等[37]

圖6 少雨年份降水量對氣候產量的影響Fig.6 Effect of precipitation on climatic yield in less rainy years

和徐昆等[36]的研究結論一致。當玉米幼苗受到高溫脅迫時，玉米幼苗的株高、主根長、單株鮮質量和根冠比均受到不同程度的影響，使得玉米減產[38]。而在生育期降水過多使玉米受到澇災影響，降低玉米產量[39]。因此2009年玉米播種～拔節期的極端高溫天氣以及生長后期過多的降水造成玉米減產25%。

玉米生育期氣溫的降低有利于玉米產量提高,尤其在夏玉米抽雄～成熟期，溫度的降低使得夏玉米呼吸作用減弱，有利于有機物積累[40]，因此1985、1995年以及2001年較低的氣溫均使得玉米產量提高。曹永強等[34]對河北省夏玉米產量的影響因子研究中，也發現6—9月份河北省最高、最低和平均氣溫均與產量呈負相關。因此研究區顯著的氣候變暖現象不利于玉米產量的提高，這與其他相關研究的結論一致[41-42]。在夏玉米未受到水分脅迫時，即在夏玉米生育期降水量大于350 mm的年份，氣候產量隨著氣溫的升高而降低(圖7)，其中日最高氣溫對氣候產量的影響最為顯著。這與Wu等[42]和Liu等[43]的研究結論一致。

圖7 多雨年份氣溫對氣候產量的影響Fig.7 Effect of temperature on climatic yield in rainy years

本研究采用河北省寧晉縣單站點的氣象和夏玉米產量數據進行研究，基于縣域尺度揭示了氣候變化對河北省寧晉縣夏玉米產量的影響，是對已有研究的有益補充。但單站點的數據不能充分地反映出區域和更大空間尺度的變化規律，基于多站點數據研究區域氣候變化對夏玉米產量的影響是未來進一步研究的內容。

4 結 論

1)1982—2018 年河北省寧晉縣夏玉米生育期各氣象要素變化趨勢為：總降水量、最高氣溫和總參考作物蒸散量變化趨勢不顯著，總日照時數、相對濕度以及風速均呈顯著下降趨勢，平均氣溫和最低氣溫呈顯著上升趨勢。總降水量和總參考作物蒸散量多年平均值分別為296 mm和454 mm。

2)1982—2018年，夏玉米的實際產量多年平均值為4 997 kg·hm-2，氣候產量變化范圍為-1 649～932 kg·hm-2，實際產量和趨勢產量均呈顯著上升趨勢，氣候產量呈不顯著下降趨勢。

3)夏玉米生育期降水不足、播種～拔節期極端高溫、以及在少雨或高溫的年份，日照時數較高，導致蒸騰較大，使得玉米受到干旱脅迫，影響玉米產量。

4)在降水充足的年份，夏玉米生育期氣溫降低，尤其是拔節～成熟期較低的氣溫有利于玉米增產。

致謝：非常感謝河北嬰泊種業科技有限公司國家級種子試驗站張文杰站長和河北省寧晉縣農業局技術推廣站站長高瑞波高級農藝師提供的數據幫助。