基于小波分析法的氣象因子對河南省夏玉米單產(chǎn)的影響

邵云,劉玘,李春喜,楊俊華,王嵐,侯盟,閆廣軒

(河南師范大學(xué) a.生命科學(xué)學(xué)院;b.環(huán)境學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453007)

光、熱、水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要環(huán)境條件,也是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要?dú)夂蛸Y源.聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報(bào)告指出,全球表面氣溫將在未來20年內(nèi)上升超過1.5 ℃[1].氣候變暖對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量都將造成顯著影響.中國的糧食安全也受到了嚴(yán)重的威脅,甚至在未來的幾十年,中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可能還會受到氣候變化更嚴(yán)重的沖擊.氣候變化過程通常表現(xiàn)為周期性的波動,其變化所導(dǎo)致的損壞也隨之波動[2].具有時(shí)頻多分辨功能的小波分析,有助于分析氣候變化對農(nóng)作物影響的差異.已有研究利用小波分析方法研究了氣候變化對水稻單產(chǎn)的影響[3],長周期氣象因子對冬小麥-夏玉米的影響[4],以及玉米苗期低溫與干旱對其產(chǎn)量的影響[5].上述研究結(jié)果并未揭示氣象因子的周期變化特征對于農(nóng)作物產(chǎn)量的影響,且在氣候變暖的大背景下,極端天氣頻發(fā),氣象因子的周期變化對于農(nóng)作物產(chǎn)量的影響不可忽視.

河南省地處我國中東部地區(qū),屬于亞熱帶-溫帶季風(fēng)氣候,降水和熱量豐沛,氣候資源豐富多樣.玉米作為河南省糧食種植的第二大作物,其播種面積和產(chǎn)量占全國的9%[6].利用小波分析法分析河南省氣候變化對夏玉米產(chǎn)量的影響未見報(bào)道.本研究基于1988-2018年河南省13個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù),利用連續(xù)小波變換分析法探討了河南省31 a夏玉米全生育期的平均溫度、降水量、日照時(shí)數(shù)、氣象單產(chǎn)的周期變化特征,利用相干小波變換分析方法探討了氣象因子與夏玉米氣象單產(chǎn)間的相互影響關(guān)系,為河南省夏玉米生產(chǎn)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象因子數(shù)據(jù)來自中國氣象局網(wǎng)站河南省1988-2018年13個(gè)氣象站點(diǎn)信息逐日平均溫度、降水量、日照時(shí)數(shù),如附表Ⅰ所示.以旬為單位(每10 d為1旬)分段計(jì)算31 a夏玉米生育期(6月至9月)內(nèi)平均溫度、降水量、日照時(shí)數(shù)的平均值.糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自中國統(tǒng)計(jì)年鑒的1988-2018年河南省夏玉米單位面積產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).河南省夏玉米生育期階段根據(jù)中國氣象網(wǎng)的農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)資料和實(shí)際觀察劃分,如附表Ⅱ所示.

1.2 氣象單產(chǎn)和小波分析

在研究氣象因子對單產(chǎn)的影響時(shí),通常需要將單產(chǎn)進(jìn)行分離,其中由于年際間氣象條件差異造成作物單產(chǎn)波動的產(chǎn)量稱為氣象單產(chǎn).作物的氣象單產(chǎn)可通過模擬計(jì)算獲得,參考文獻(xiàn)[7]模擬計(jì)算.

小波分析方法是建立在泛函分析、傅里葉分析、調(diào)和分析以及數(shù)值分析方法基礎(chǔ)上的信號分析工具[8].小波分析方法分為連續(xù)小波、交叉小波及相干小波分析方法.本研究主要利用連續(xù)小波變換分析方法和相干小波變換分析方法.Morlet復(fù)數(shù)小波是Gauss包絡(luò)下的單頻率復(fù)正弦函數(shù),在時(shí)域和頻域內(nèi)具有較好的局部聚集性.Morlet復(fù)數(shù)小波函數(shù)與其小波變換公式見參考文獻(xiàn)[9].相干小波變換方法是研究2個(gè)時(shí)間序列多尺度相互關(guān)系的方法,相干小波可度量二者在低能量區(qū)的相關(guān)性[10].本文使用Matlab中具有的 wcoherence函數(shù)對氣象因子和單產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相干小波變換分析.

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Matlab和GraphPad棱鏡8.0.2軟件進(jìn)行作圖,利用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省1988-2018年夏玉米生育期氣候變化

圖1是由相干小波變換分析方法篩選出的對夏玉米氣象單產(chǎn)影響顯著的氣象因子的線性分析.圖1(a)是6月上旬平均溫度變化,呈現(xiàn)緩慢上升趨勢,最低值出現(xiàn)在2004年,為21.91 ℃;最高值出現(xiàn)在2002年,為27.62 ℃,相差達(dá)5.71 ℃.圖1(b)是8月中旬平均溫度變化,呈現(xiàn)緩慢上升趨勢,最低值出現(xiàn)在2003年,為21.90 ℃;最高值出現(xiàn)在2013年,為30.79 ℃,相差達(dá)8.89 ℃.圖1(c)是7月下旬降水量變化,波動較大呈現(xiàn)下降趨勢,最低值出現(xiàn)在1994年,為6.29 mm;最高值出現(xiàn)在2001年,為172.63 mm,相差達(dá)166.34 mm.圖1(d)是8月中旬日照時(shí)數(shù)變化,呈現(xiàn)緩慢上升趨勢,最低值出現(xiàn)在2003年,為19.71 h;最高值出現(xiàn)在2013年,為96.59 h,相差達(dá)76.88 h.

2.2 河南省1988-2018年夏玉米氣象單產(chǎn)分解

2.2.1實(shí)際單產(chǎn)

圖2(a)是實(shí)際單產(chǎn)變化,呈現(xiàn)波動上升趨勢,波動范圍為3 273.90～6 000.00 kg/hm2,相差2 726.10 kg/hm2.運(yùn)用SPSS 17.0對夏玉米年份與實(shí)際單產(chǎn)進(jìn)行線性回歸分析可知:F=32.77,R=0.73,R2=0.53,P=0.00,表明線性回歸可解釋53%的產(chǎn)量信息.

2.2.2時(shí)間趨勢單產(chǎn)

圖2(b)是時(shí)間趨勢單產(chǎn)變化,發(fā)現(xiàn)其有3個(gè)不同的增速波動階段,分別在1988-1996年,1997-2003年和2004-2018年.

①第一階段(1988-1996年):變化范圍為3 967.62～4 842.87 kg/hm2,相差875.25 kg/hm2.自1978年以來,隨著家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的推行,河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值明顯地增長.但全省農(nóng)業(yè)呈現(xiàn)地域上發(fā)展不均衡現(xiàn)象,這些差異的產(chǎn)生與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、農(nóng)業(yè)技術(shù)水平和區(qū)域經(jīng)濟(jì)態(tài)勢有著密切的聯(lián)系.

②第二階段(1997-2003年):變化范圍為4 559.10～5 122.17 kg/hm2,相差563.07 kg/hm2.時(shí)間趨勢單產(chǎn)的變化波動較大,一是因?yàn)樽?001年之后,大力實(shí)施科教興農(nóng)戰(zhàn)略,加快“農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程”的改革,使河南省整體農(nóng)業(yè)管理水平有了一定的提高,二是化肥農(nóng)藥的大量使用.

③第三階段(2004-2018年):變化范圍為5 307.60～6 000.00 kg/hm2,相差692.40 kg/hm2.自2007年以來,中央一號文件的發(fā)布,河南省大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè),緊緊抓住農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收、農(nóng)民工就業(yè)這個(gè)中心,全面落實(shí)惠民政策,時(shí)間趨勢單產(chǎn)穩(wěn)步提升.

2.2.3氣象單產(chǎn)

圖2(c)是氣象單產(chǎn)變化,1988-2006年波動較大,波動范圍為-1 593.60～616.29 kg/hm2,相差2 209.89 kg/hm2,2007-2018年波動較小,波動范圍為-299.80～184.95 kg/hm2,相差484.75 kg/hm2,說明氣象因子對氣象單產(chǎn)的影響程度在減弱.

2.2.4各成分對實(shí)際單產(chǎn)的貢獻(xiàn)

圖2(d)是時(shí)間趨勢單產(chǎn)和氣象單產(chǎn)之間的比例關(guān)系.在夏玉米實(shí)際單產(chǎn)中,時(shí)間趨勢產(chǎn)量占主要成分,其中時(shí)間趨勢單產(chǎn)和氣象單產(chǎn)在31 a間對實(shí)際單產(chǎn)的貢獻(xiàn)率分別為93.5%和6.5%.

2.3 河南省1988-2018年夏玉米生育期氣象因子和氣象單產(chǎn)的周期變化特征

圖3是由相干小波變換分析方法篩選出的對夏玉米氣象單產(chǎn)影響顯著的氣象因子和夏玉米氣象單產(chǎn)的連續(xù)小波功率譜.圖中粗黑線顯示的范圍通過了α=0.05顯著性水平紅色噪音標(biāo)準(zhǔn)譜的檢驗(yàn)(下同),細(xì)黑線為影響錐曲線.

圖3(a)為6月上旬平均溫度連續(xù)小波功率譜,6月上旬平均氣溫存在6 a顯著周期變化,主要集中在2001-2008年.圖3(b)為8月中旬平均溫度連續(xù)小波功率譜,8月中旬平均溫度存在2～3 a顯著周期變化,主要集中在2010-2014年間.圖3(c)為7月下旬降水量連續(xù)小波功率譜,7月下旬降水量存在2～6 a顯著周期變化,主要集中在1994-2005年間.圖3(d)為8月中旬日照時(shí)數(shù)連續(xù)小波功率譜,8月中旬日照時(shí)數(shù)存在2 a和3 a顯著周期變化,分別主要集中在1993-1995年和2009-2015年.圖3(e)為氣象單產(chǎn)連續(xù)小波功率譜,氣象單產(chǎn)存在2a顯著周期變化,主要集中在1994-1997年.圖3的周期變化均通過α=0.05顯著性水平的檢驗(yàn).通過對上述結(jié)果進(jìn)一步分析可知,氣象單產(chǎn)周期與8月中旬平均溫度、7月下旬降水量、8月中旬日照時(shí)數(shù)的周期有部分重合的變化,說明氣象單產(chǎn)與氣象因子有相同間隔重復(fù)出現(xiàn)的可能性.

2.4 河南省1988-2018年夏玉米生育期氣象因子對夏玉米氣象單產(chǎn)的影響

圖4是將以旬為單位的氣象因子與夏玉米氣象單產(chǎn)做相干小波變換分析,其中6月上旬平均溫度、8月中旬平均溫度、7月下旬降水量和8月中旬日照時(shí)數(shù)對夏玉米氣象單產(chǎn)的影響最大.

2.4.1種子萌發(fā)期平均溫度對氣象單產(chǎn)的影響

圖4(a)為6月上旬平均溫度與氣象單產(chǎn)距平的相干小波變換譜,6月上旬平均溫度與氣象單產(chǎn)在2000-2011年間存在3～6 a共振周期變化,兩者相位譜呈現(xiàn)反相位變化,為負(fù)相關(guān)關(guān)系.6月上旬平均溫度與氣象單產(chǎn)相位差約π/4.

2.4.2灌漿期平均溫度對氣象單產(chǎn)的影響

圖4(b)為8月中旬平均溫度與氣象單產(chǎn)距平的相干小波變換譜,8月中旬平均溫度與氣象單產(chǎn)在1997-2009年間存在5～10 a共振周期變化,兩者相位譜呈現(xiàn)反相位變化,為負(fù)相關(guān)關(guān)系.8月中旬平均溫度與氣象單產(chǎn)相位差約π.

2.4.3抽雄期降水量對氣象單產(chǎn)的影響

圖4(c)為7月下旬降水量與氣象單產(chǎn)距平的相干小波變換譜,7月下旬降水量與氣象單產(chǎn)在1995-2010年間存在2～4 a共振周期變化,兩者相位譜呈現(xiàn)同相位變化,為正相關(guān)關(guān)系.7月下旬降水量與氣象單產(chǎn)的相位差約π/4.

2.4.4灌漿期日照時(shí)數(shù)對氣象單產(chǎn)的影響

圖4(d)為8月中旬日照時(shí)數(shù)與氣象單產(chǎn)距平的相干小波變換譜,8月中旬日照時(shí)數(shù)與氣象單產(chǎn)在1998-2004年間存在6 a共振周期變化,在1992-2018年間有8～10 a共振周期變化,兩者相位譜呈現(xiàn)正相位變化,為正相關(guān)關(guān)系;在1991-1997年有2 a共振周期變化,兩者相位譜呈現(xiàn)反相位變化,為負(fù)相關(guān)關(guān)系.8月中旬日照時(shí)數(shù)與氣象單產(chǎn)相位差約(π/2)～(π/4).

通過上述結(jié)果進(jìn)一步分析可知,種子萌發(fā)期平均溫度和灌漿期平均溫度與氣象單產(chǎn)呈反相位差變化,抽雄期降水量與氣象單產(chǎn)呈同相位差變化,灌漿期日照時(shí)數(shù)與氣象單產(chǎn)主要呈同相位差變化.6月上旬處于種子萌發(fā)期,當(dāng)溫度為25 ℃～30 ℃時(shí),種子發(fā)芽速度明顯增快,但當(dāng)溫度高于35 ℃或者低于20 ℃時(shí),種子發(fā)芽的速度變慢,根系脆弱細(xì)小,容易形成細(xì)弱高腳苗,從而造成單產(chǎn)的下降[11].8月中旬處于灌漿早期,灌漿早期屬于夏玉米籽粒庫建成的關(guān)鍵時(shí)期,籽粒庫的建成有助于粒質(zhì)量的增加,在籽粒形成和灌漿期間,日平均溫度以22 ℃～24 ℃最適宜,當(dāng)氣溫高于30 ℃或低于15 ℃,則酶活性受阻,會造成籽粒灌漿不良,從而影響單產(chǎn)[12].夏玉米是具有高光效的C4作物,在灌漿期間,保證每天8 h～12 h的日照條件,有利于光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn),增加穗粒質(zhì)量;而在陰雨寡照下,光照嚴(yán)重不足,產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)無法滿足玉米灌漿的需要,從而造成粒重降低,并影響單產(chǎn)[13].7月下旬處于抽雄期,是生長的關(guān)鍵時(shí)期,此階段的降水與單產(chǎn)的相關(guān)性最強(qiáng),此時(shí)土壤田間持水量應(yīng)達(dá)到80%;若在抽雄期前后受到嚴(yán)重的干旱脅迫,會造成植株所累積的營養(yǎng)物質(zhì)分配到籽粒中的比例明顯下降,從而阻礙吐絲和受精,最終影響單產(chǎn)[14].

3 討 論

3.1 溫度對氣象單產(chǎn)的影響

溫度是決定作物生長發(fā)育狀況和產(chǎn)量的非生物因素之一.與前人研究相比,本研究獲得了精細(xì)化的結(jié)果,可為研究河南省夏玉米具體生育期的氣候要求提供依據(jù).孫揚(yáng)越[15]利用CERES-Maize模型以及偏相關(guān)分析方法探究了河南省不同地區(qū)氣象因素對夏玉米產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)平均溫度的增加對產(chǎn)量有負(fù)效應(yīng),本研究結(jié)果與其一致.同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn)6月上旬種子萌發(fā)期的平均溫度與氣象單產(chǎn)存在3～6 a的共振周期變化,表現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系;8月中旬灌漿期平均溫度與氣象單產(chǎn)存在5～10 a共振周期變化,表現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系.說明平均溫度越高,越不利于夏玉米種子萌發(fā)和灌漿,最終影響產(chǎn)量.

3.2 降水量對氣象單產(chǎn)的影響

水分是作物生產(chǎn)中的主要限制因素,抽雄期是營養(yǎng)生長到生殖生長過渡的關(guān)鍵時(shí)期.閆旖君等[16]利用BCC/RCG-WG 3.0 天氣發(fā)生器構(gòu)建區(qū)域氣候變化情景的方法研究發(fā)現(xiàn)河南省玉米全生育期內(nèi)需水量增加5.1%,尤其在拔節(jié)期前后的需水量更多,本研究結(jié)果與其相似.同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn),7月下旬抽雄期的降水量與氣象單產(chǎn)存在2～4 a的共振周期變化,表現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系.進(jìn)入7月下旬之后,溫度持續(xù)升高,田間水分蒸發(fā)和葉片蒸騰作用都開始加劇,植株發(fā)生復(fù)雜的生理生化變化,對降水的需求增加.根據(jù)河南省的氣候特點(diǎn),夏玉米抽雄期前后易發(fā)生干旱,此時(shí)保證充足的灌溉水,也是夏玉米高產(chǎn)的一項(xiàng)重要的農(nóng)管措施.

3.3 日照時(shí)數(shù)對氣象單產(chǎn)的影響

日照是夏玉米產(chǎn)量形成的能源,灌漿期是籽粒質(zhì)量增加的關(guān)鍵時(shí)期.李文旭等[17]研究發(fā)現(xiàn)河南省日照時(shí)數(shù)的增加使玉米單產(chǎn)明顯下降,與本研究結(jié)果不一致.原因是:灌漿期光照充足,有利于光合產(chǎn)物的積累,能有效促進(jìn)籽粒灌漿的進(jìn)程,從而提高產(chǎn)量.

3.4 極端氣候事件對氣象單產(chǎn)的影響

玉米產(chǎn)量對極端氣候事件高度敏感,玉米產(chǎn)量的變化可以直接或間接地反映氣候變化和極端氣候情況.圖4(d)中1991-1997年出現(xiàn)短暫幾年負(fù)相關(guān)的原因有:①極端干旱事件.據(jù)冀航[18]的研究,河南省最大無降水日數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢,在1997年達(dá)到最高,為27.6 d.②極端高溫事件.據(jù)閆振華等[19]的研究,極端高溫事件會對玉米的光合反應(yīng)過程、光合產(chǎn)物積累和產(chǎn)量形成造成不良影響.③極端降水事件.據(jù)劉金秋[20]對華北夏玉米極端降水事件的研究可知,極端降水會使土壤含水量升高,而土壤水分狀況會直接影響群體光飽和點(diǎn)的范圍,較高的土壤相對含水量(SRWC=130%)會降低夏玉米群體光飽和點(diǎn),并降低高光強(qiáng)下的光合能力,極端降水會也降低夏玉米農(nóng)田的光能利用率,從而影響玉米生長,導(dǎo)致玉米減產(chǎn).④品種因素.玉米光合作用的強(qiáng)弱不僅受到太陽輻射、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響,還受到品種本身遺傳特性的影響.⑤田間管理因素.合理的耕作方式能有效地改善土壤水、肥、氣、熱條件,提高資源利用率,達(dá)到作物增產(chǎn)提質(zhì)效果.

綜上,利用小波分析不僅可以得到氣象因子的年際變化特征以及氣象因子與氣象單產(chǎn)間的關(guān)系,還可得到一些極端天氣事件的信息.氣候變化將會使河南省的熱量資源更加豐富,可在農(nóng)業(yè)上采用合理的措施來提高糧食產(chǎn)量.一是加強(qiáng)水利建設(shè):①灌溉方式多樣化,可進(jìn)行畦灌、溝灌、噴灌、管道滲灌等;②生育期灌溉,播前(冬季前進(jìn)行)貯備灌溉以及在抽雄開花期根據(jù)土壤水肥利用情況進(jìn)行灌溉,對全生育期進(jìn)行定額灌溉;③排澇措施,修建明溝和暗管以及豎井排水系統(tǒng)進(jìn)行排水.二是優(yōu)化種植制度:①利用夏玉米生長季開始日期提前的特點(diǎn),適時(shí)早播;②合理密植,增加光合效率;③開展耐旱、耐澇、耐高溫、抗病蟲害等品種的研究,選育適應(yīng)氣候變化的夏玉米新品種.三是加強(qiáng)農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào):①加強(qiáng)氣象災(zāi)害防御系統(tǒng)的建設(shè);②加強(qiáng)病蟲害防御技術(shù)的研究;③提高農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)的能力.

4 展 望

本研究提供了一種采用小波分析的方法研究氣象因子與夏玉米氣象單產(chǎn)間的相互影響關(guān)系,還存在一定的局限性.一是采用了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置了豫北、豫中、豫南、豫東和豫西的夏玉米生育期分布階段,忽視了農(nóng)業(yè)的地域特征.二是忽視了氣象災(zāi)害對夏玉米生產(chǎn)的影響.三是以旬為單位沒有突出極端天氣對夏玉米生產(chǎn)的影響.因此,在今后的研究工作中將著重細(xì)化全省各地夏玉米生育期分布階段,研究氣象災(zāi)害周期性的變化規(guī)律,揭示氣候變暖對夏玉米、小麥等糧食生產(chǎn)的影響.

附 錄

附表Ⅰ～Ⅱ見電子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.06.013).