塔城市近53年玉米生育期气候要素变化趋势分析*

罗那那，巴特尔·巴克，薛亚荣，康丽娟，王孟辉

(新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

IPCC报告中表明，过去100多年，全世界地表温度平均上涨幅度为0.74℃，到2100年预计在不同区域将上升2.0～5.4℃。中国大多数耕地位于季风区，天气条件年际变化造成粮食产量波动大，研究粮食作物生产潜力特征对粮食生产具有指导意义[1]。从1970年初开始，气候变化已成为中国的一个重要课题，多年来中国各地区的温度呈逐年上升的趋势。粮食作物发育生长和产量都离不开环境条件，气象因素是重要的环境条件之一。21世纪以来，虽然农业生产条件有了很大改善，作物产量明显提高，但是人类很难控制和改变恶劣气象条件对农业生产的不良影响，气象条件引起粮食产量年际间波动[2-3]。庞艳梅[4]、陈剑雄[5]等研究结果表明，全球气候变暖对我国农业生产产生了一系列的重大影响，在农作物生育期的改变方面尤为突出，玉米生育期种植受地理和气象要素的影响[6]。气候变化将使农作物种植制度和农业生产布局发生改变，农业生产成本和投资成本增加[7]，对粮食安全生产有重要影响[8]。在气候变暖的影响研究中，前人基于气象站的历史观测数据或未来情景数据，对中国农业气候资源[9]和主要玉米种植区玉米生产潜力[10]的时空分布特征进行了详细研究。针对气温、降水、日照等气候要素变化特征及对农业生产的影响，国内学者从两方面开展了研究，一是开展生育期气候要素的时空演变特征[11]； 二是生育期内气候变化对作物生长发育与产量的影响[12]。而目前针对未来塔城市玉米生育期气象要素变化特征的研究较少。因此，探究作物生育期气候要素演变具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆位于高纬度地区，幅员辽阔，且地形繁杂，属于温带大陆性干旱半干旱气候，区域年均气温-4～9℃，热量条件较差，且年际和地域差异较大，属气候敏感区域，有诸多不稳定性因素，所发生的气象灾害较频繁，对实际农业生产影响大。塔城市隶属于新疆的县级市，位于新疆维吾尔自治区的西北部、伊犁哈萨克自治州的中部，地处东经82°16′～87°21′、北纬43°25′～47°15′之间，属中温带干旱和半干旱气候区，四季交替不分明，春季升温快而不稳定，夏季短促而炎热，冬季漫长而酷冷。日照充足，蒸发强烈，气温日较差大，降水较少且时空分布不均。由于其地形、地貌以及下垫面状况的复杂多样性，塔城市的气候存在明显的区域差异。

图1 塔城市研究区域位置分布

1.2 数据来源及处理

气象数据来源于中国气象科学共享网(http：//cdc.nmic.cn/home.do)，选取数据记录较完整的塔城市地面气象站1961～2013年逐日气象资料(图1)，其中包括平均气温(℃)、最高气温(℃)、最低气温(℃)、日照时数(h)、降水量(mm)、风速(m/s)、平均相对湿度(%)，由于站点资料的时间长度不一致，为确保资料的可靠性和一致性，各气候要素采用1961～2013年气象数据进行均值处理，数据来源可靠且经过严格的质量检验。相对湿润指数是指年降水量与同期潜在蒸散之比，可作为判别某一地区气候干旱程度的指标。

该文采用的1961～2013年塔城市玉米的全生育期时段为研究时段，玉米生育期数据为日期型数据，在已有的主要农作物生育期研究工作的基础上，以适应当地的农作物种植制度，塔城市玉米生育期阶段的划分引用周金龙[13]的研究结果进行划分(表1)。

表1 塔城市玉米各生育期时间节点

生育期播种—幼苗幼苗—拔节拔节—抽穗抽穗—成熟全生长期起止时间(日/月)17/04～05/0606/06～03/0704/07～26/0827/08～19/0917/04～19/09

1.3 研究方法

采用Mann-Kendall 非参数检验方法[14]进行突变分析。气象要素的长期变化趋势采用线性回归分析[15]。回归系数表示气候变量的趋势倾向，回归系数为正时，说明随时间的增加气候变量呈上升趋势； 反之亦然，回归系数的大小反映了上升或下降的速率。气候趋势系数表示某气候要素的长期趋势变化的方向和程度，即时间和气候要素的相关系数。此外，基于小波分析探究了年潜在蒸散量的周期特征[16]，利用FAO在1998 年推荐的Penman-Monteith 公式[17]计算ET0，该公式以能量平衡和水汽扩散理论为基础，较全面地考虑了影响潜在蒸散的各种因素，有较好的物理依据，应用较广泛。

2 结果分析

2.1 塔城市玉米生育期主要气象因子的年际变化特征

图2可看出，总体来讲，塔城市玉米生育期降水、温度和相对湿润指数都呈增加趋势，其中，降水增加趋势最为明显，趋势系数达到2.883mm/年，且有明显的偏丰期和偏枯期，但是年际交替变化频繁(图2a)。说明塔城市玉米生育期年际差异较大，极端多雨期和少雨期交替频发。积温(AT)的气候倾向率为11.82℃/年(图2j)，其中，在1961～1990年增势较弱(气候倾向率为6.84 ℃/年)， 1991～2013年增势较强(气候倾向率为20.11℃/年)。1968年玉米生育期积温最低，为2 841.09℃； 1996年玉米生育期积温最低，为4 064.12℃。图2d表征了1961～2013塔城市玉米生育期干湿的年际变化特征，玉米生育期略有湿润化。过去53年相对湿润指数的气候倾向率为0.002 7/年，增势较微弱。但是，湿润指数有明显的时段性特征， 1961～1981年整体偏干， 1981～2013年整体偏湿润。日照时数、作物蒸散量、平均风俗和相对湿度呈显著下降趋势。日照时数(图2b)呈变短趋势(气候倾向率为-1.15℃/年)。其中， 1976年日照时数达到研究时段的最小值为1 776.12℃， 1995年达到研究时段的最大值，为2 298.90℃。图2c可以看出，玉米生育期潜在蒸散量波动强烈， 1961～1993年，总体呈减少趋势； 1993～2013年，总体呈增加趋势。其中， 1972年，玉米生育期潜在蒸散量达到研究时段的最小值，为778.28mm， 2000年达到研究时段的最大值，为995.55mm。

图2 1961～2013塔城市玉米生育期气象因子的年际变化特征注：a.降水量(P)、b.日照时数(SH)、c.潜在蒸散量(ET0)、d.相对湿润指数(MI)、e.风速(WS)、f.相对湿度(RH)、g.最高气温(Tmax)、h.最低气温(Tmin)、i.平均气温(Tmean)、j.积温(AT)

2.2 塔城市玉米生育期主要气象因子的突变特征

为了探究塔城市玉米生育期降水量的突变特征，基于Mann-Kendall 法计算塔城市降水量的时间序列的正序列的UFk(黑色粗线)和反序列的UBk(黑色细线)。取显著水平α=0.05情况下临界值为±1.96(图中黑色虚线)。图3a、3b、3c可以看出，玉米生育期降雨量、日照时数和潜在蒸散量不存在明显的突变。这是由于UFk和反序列的UBk曲线虽然有多个交点，但未达到显著水平。图3d可以看出，塔城市玉米生育期在1980年发生湿润化突变。图3e表明平均风速在1997年发生突变。相对湿度(图3f)在2008年发生减少突变，这与文中相对湿润指数的研究结果有所不同。由于相对湿润指数是基于降水量和潜在蒸散量计算而得，是多种气象因子共同作用的结果，而相对湿度仅仅是指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比，两者截然不同。平均最高气温在1996年发生增加突变，随后在2001年达到0.05显著水平(图3g)。平均最低气温未达到显著水平，因此未发生明显的突变(图3h)； 平均气温在1995年发生增加突变，随后在1997年达到0.05显著水平(图3i)； 玉米生育期积温在1995年发生增加突变，随后在1997年达到0.05显著水平(图3j)。

图3 1961～2013塔城市玉米生育期气象因子的突变特征注：a.降水量(P)、b.日照时数(SH)、c.潜在蒸散量(ET0)、d.相对湿润指数(MI)、e.风速(WS)、f.相对湿度(RH)、g.最高气温(Tmax)、h.最低气温(Tmin)、i.平均气温(Tmean)、j.积温(AT)

图4 1961～2013年塔城市玉米生育期各气象因子的小波分析注：a.降水量(P)、b.日照时数(SH)、c.潜在蒸散量(ET0)、d.相对湿润指数(MI)、e.风速(WS)、f.相对湿度(RH)、g.最高气温(Tmax)、h.最低气温(Tmin)、i.平均气温(Tmean)、j.积温(AT)

2.3 塔城市玉米生育期主要气象因子的周期特征

为探究玉米生育期各个气候要素的年际和年内周期变换特征，采用 Morlet小波变换进行分析研究，其分布如图4，图中实线表示正位相，即实部值大于0，虚线则反之，小波的实线和虚线波动表征了玉米生育期的降水量偏丰和偏枯交替变化特征。图4a、图4b、图4c和图4f可以看出，塔城市玉米生育期降水、日照时数、潜在蒸散量和相对湿度存在30年的大周期和16年的小周期，其中， 30的大周期贯穿整个研究时段，经过了偏长—偏短—偏长一次周期变换，日照时数处于偏长期，在1975～1995年处于偏短期。15年的小周期仅存在于1970～2005年，经历了偏短—偏长—偏短的一次周期变换过程。玉米生育期干湿(图4d)存在17年的大周期和3～5年的小周期。17年的大周期经历了偏湿—偏干—偏湿的两次变换过程，其中，在1961～1971年、1981～1991年和2003～2013年处于偏湿期，在其他研究时段处于偏干期。3～5年的周期则存在多次的变换。风速(图4e)存在30年的大周期和15年的小周期特征。其中， 30年的周期为第一主周期，表征了风速偏大—偏小的变换过程。在1961～1975年和1995～2010年， 15年的小周期存在于1970～2005年，且经过了一次周期变换过程。平均最高气温存在两个尺度的周期特征(图4g)； 其中， 30年的大周期经历了偏高(1961～1975年)—偏低(1975～1995年)—偏高(1995～2014年)的变化过程； 同时，在1965～2005年还存在15年的小周期。平均最低气温具有独特的周期特征，存在15～20年的周期和6～7年的周期特征(图4h)； 其中， 15～20年的周期经历了偏高—偏低—偏高两次变换过程，在1961～1966年、1975～1987年和2000～2013年处于偏高期，其他研究时段处于偏低期； 6～7年的小周期经历了多次变换。平均气温(图4i)30年周期尺度在1961～1975年和1995～2013年处于偏低期，在1975～1995年处于偏高期； 在1961～2005年，生育期平均气温存在11～15年的周期，其中，经历了偏高—偏低—偏高两次循环变化的过程，小尺度周期上，生育期平均气温存在5～7年的周期特征。与生育期平均气温周期尺度大致相当，积温也存在30年的大周期和15年的小周期特征(图4j)； 30年周期来看，积温经历了偏大(1961～1976年)—偏小(1976～1996年)—偏大(1996～2013年)的变化过程。中尺度周期(15年)可以看出，塔城市的积温经历了偏小—偏大—偏小的变化过程。基于积温的周期尺度变化，可以看出，未来几年，塔城市积温仍处在偏大期，但在周期内呈现逐渐减少的变化特征。

3 结论和讨论

1961～2013年塔城市的温度(平均最高气温、平均最低气温、平均气温)都呈明显的增加趋势，气候倾向率分别为0.03℃/年、0.03℃/年和0.09mm/年； 积温也呈明显的增加趋势，其中，在1993年达到研究时段的最低值，为14.79℃/年； 在1997年达到研究时段的最大值，为18.99℃/年； 降水量有微弱增势，气候倾向率仅为0.09℃/年； 日照时数波动特征有明显的时段性，在1961～2000年波动较大，在2000～2013年波动较短； 相对湿度减少趋势明显，但具有明显的时段性； 在1961～1990年，略有减少趋势，在1991～2013年，减少趋势明显； 干湿的年际变化特征表现为玉米生育期略有湿润化。

过去52年来，主要气象因子降雨量、日照时数、潜在蒸散量无明显的突变发生，平均风速在1997年发生突变，而相对湿度在2008年发生减少突变趋势； 塔城市玉米生育期平均最高气温、积温大致存在两个尺度的周期特征， 30年的大周期和15年的小周期； 平均最低气温和平均气温存在大周期变化嵌套着小周期的变化，存在15～20的周期和6～7年的周期特征； 生育期相对湿度存在30年的大周期和16年的小周期，其中， 30年的大周期贯穿整个研究时段，经过了偏大—偏小—偏大一次周期变换。15年的周期仅仅存在于1970～2005年，经历了偏小—偏大—偏小的一次周期变换过程。

在全球变暖特别是20 世纪后半叶变暖异常突出的背景下，区域响应明显，积温增加、气候带北移、作物生长期变长[18-19]。热量是植物生长发育过程中最为重要的因素之一，因此农业成为了气候变化反应最为敏感的行业之一。作物生育期气象因子变化与作物生育期的长短、产量等密切相关。气候变化为塔城市玉米种植提供了有利条件，种植玉米成为一项有效的适应措施。气象因子对作物存在一定的影响，积温关乎作物的生长发育，影响作物熟制。塔城市积温呈明显的增加趋势，这与阿布都克日木·阿巴司等[20]的研究结果取得一致，使得塔城市发展玉米种植具有很大的生产潜力，有利于塔城市复播玉米或套种玉米的耕作制度的实施，提高玉米产量[21-22]。此外，风速、气温、日照时数、降水等因素的变化关系着潜在蒸散量的变化，进而与区域干湿演变，尤其是作物生育期作物水分匮缺、灌溉等密切相关，进而影响作物的生长发育。生育期是玉米生长发育的重要和基本特征。经过对玉米生育期干湿的年际变化特征分析得到，过去53年相对湿润指数的气候倾向率为0.002 7/年，增势较微弱。但是，湿润指数有明显的时段性特征，玉米生育期略有湿润化有助于玉米种植生长，也有利于塔城的社会经济效益提高。在此基础上研究塔城市玉米生育期变化的影响，并制定出有针对性的气象服务方案，确保玉米生产过程中能趋利避害，以期实现玉米生产过程高产和稳产。但是，该研究仅探究了玉米生育期气候要素的变化，而未考虑对作物生育期和产量有至关重要作用的水分匮缺、干旱等要素的演变。因此，综合考虑下垫面要素和气象要素以及作物特性，探究生育期气候要素变化以及产量的影响，有待进一步研究。

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