张家口地区气候特征及其对玉米生产的影响

胡雪

摘要 基于张家口地区近50年（1965—2014）的气温和降水等气象资料，以及近34年（1981—2014）玉米产量资料，研究了张家口地区气候变化特征，并分析了气候变化对张家口玉米生产的影响。结果表明，近50年平均气温呈上升趋势，并在1986/1987年发生突变，降水量变化表现为年际间波动性大，存在稳定的9年左右变化周期。干旱具有明显变化特征，自气温发生突变后，夏季干旱的空间范围、持续时间和干旱程度均有所增加。各县玉米产量变化与气候要素变化具有很强的相关性，其中降水是影响产量变化的主要因素，玉米产量与降水量呈正相关关系。

关键词 气候变化;降水;玉米;张家口

中图分类号：S513 文献标识码：A 文章编号：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

在全球变暖的背景下，气候变化对农业生产的影响越来越明显，未来气候变化将成为制约我国农业可持续发展的重大环境问题[1]。玉米是全球重要的粮食、饲料、医药以及新型能源的原料作物，具有重要的经济意义。我国是世界上仅次于美国的第2大玉米生产国，气候变化对玉米生产的影响直接关系到我国的粮食安全和能源战略。国内外学者针对气候变化对玉米生产的影响进行了诸多研究。Kucharik等[2]分析了美国威斯康辛州气候变化对玉米和大豆产量趋势的影响，认为夏季升温可使玉米和大豆分别减产13%和16%，如果降水增加50 mm，作物产量可增加5%～10%。Lobell等[3]基于大量的田间试验资料，应用统计方法分析了非洲气候变化对玉米产量的影响，发现温度变化对玉米产量具有显著影响，高于30℃的气温对玉米产量具有负影响，且白天增温比夜间增温的危害更大。苏喜福等[4]应用统计回归方法，分析了山西忻州气候变化对玉米气象产量的影响，发现玉米生长期的平均气温是玉米产量的主要影响因子，其次是年降水量或日照时数、积温。针对华北和河北玉米生产，一些学者[5-7]也探讨了气象因子、土壤水分变化等对玉米产量的影响，得到了有指导意义的结果。笔者应用数理统计方法，分析张家口地区影响玉米生产的气温、降水和干旱变化特征，探讨气候变化对当地玉米生产的主要影响，以期为张家口地区玉米生产适应气候变化的对策措施提供指导性意见。

1 資料与方法

1.1 资料

研究数据主要包括气象资料和玉米产量统计资料等。考虑资料的完整性和代表性，选取的14个代表站为张家口、张北、康保、尚义、沽源、崇礼、赤城、怀安、万全、阳原、宣化、涿鹿、怀来和蔚县;气象要素主要为气温和降水;气象资料长度为1965—2014年。气象资料来自河北省气象信息中心。玉米产量资料来自河北省统计局，资料长度为1981—2014年。

1.2 方法

气候变化趋势分析采用线性倾向估计法。用xi表示样本量为n的某一气候变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归方程：

xi=a+bti，i=1，2，…，n（1）

时间序列趋势分析采用Mann Kendall非参数检验。如果UFk和UBk 2条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

小波分析（Wavelet Analysis）在时域和频域上同时具有良好的局部特性，可以分析时间序列周期变化的局部特征，从而能更清楚地看到各周期随时间变化情况。

标准化降水指数（SPI）是表征干旱的优秀指标，基于降水量服从Γ分布，将累积概率经过正态分布标准化变换而得出。

2 气温和降水年代际变化特征

2.1 气温变化特征

从图1可以看出，张家口市年平均气温总体表现为波动式上升。在20世纪80年代中期之前，张家口地区年平均气温变化缓慢，此后逐渐处于以升高为主的阶段，其中在1998年和2007年分别达到最高值，但自1999年以来气温变化基本以稳中有降为主，升温变化趋势趋缓，平均气温依然处于较高状态，这一现象与全球诸多地区出现的气温变暖停滞基本一致[8-10]。

通过M-K突变检验（图2），发现张家口年平均气温呈显著升高趋势，且在20世纪80年代中后期发生了突变，年平均气温在20世纪70年代初开始升高，在1986/1987年UF和BF相交于2条α=0.05的信度线（Uα=±1.96）之内，之后仍保持迅速升高的趋势，超过了1.96的置信线，即年平均气温在1986、1987年发生了突变。

2.2 降水变化特征

图3为张家口年降水量序列Morlet小波变换系数平面图和方差变化图，小波系数正值表示降水量偏多，为多雨时期，小波系数负值表示降水量偏少，为少雨时期。分析表明，张家口的旱涝存在17～19年的长周期变化，由尺度周期可以清晰看出，张家口1965—2014年经历了“少雨-多雨-少雨-多雨-少雨-多雨”6個阶段。降水量还存在稳定的9年左右周期，反映了降水量的年代际变化特征。并且在2014年17～19年的长周期时小波系数为正值且未闭合，这种多雨趋势可能仍将继续。

3 玉米产量与气候变化的联系

基于收集整理的坝下9县近34年（1981—2014年）的玉米产量资料（图4），可以看出各县玉米产量变化总体趋势相似，20世纪80年代至90年代中后期，产量呈波动式增加趋势，1999—2003年玉米产量大幅下降，2004年后大部分县产量开始回升，但各县间产量差距增大，并时有波动。

5月1日至9月20日是张家口地区玉米的主要生育期，故分别计算玉米实际产量与玉米全生育期间的积温、降水和9月的SPI6（6个月时间尺度的标准化降水指数）间的相关系数（表1）。结果表明，各县产量对气象要素的响应基本一致，但相关性的大小在各县间也有一定差异。生育期间积温越高，玉米产量越低，反映了气温高导致玉米生育期缩短，产量降低。玉米产量与全生育期的降水量和9月的SPI6呈显著正相关，除赤城的降水量外，其他各县的降水量与产量、SPI6 9与产量均通过0.05置信度的显著性检验，表明降水量越多，产量越高，可见干旱少雨是影响张家口地区玉米产量的重要气象因素。

4 结论

该文基于统计方法，应用张家口地区14个气象站近50年（1965—2014）的资料，分析了该区域气候变化特征和干旱的时空变化特征。在此基础上，定量分析了气候要素对玉米产量的影响，主要结果如下。

（1）张家口地区近50年平均气温均呈波动式增加趋势，并在1986、1987年发生了突变。近50年降水量变化表现为年际间波动性大，总体上年降水量具有减少趋势，但不显著。

（2）张家口地区各县玉米产量变化与气候变化具有相关关系，其中降水变化和干旱是影响玉米产量变化的主要因素，玉米产量与降水量和9月份的SPI6相关显著（通过0.05信度检验）;气温突变之后，即1988年以来，玉米产量的变化波动与干旱变化基本同步，干旱发生概率增加，从而引起大面积玉米产量波动下降。但在降水偏多、气候湿润年份，玉米产量则明显偏高。气温和积温的增加对玉米产量不利，易导致生育期缩短，从而产量降低。

5 讨论

该文采用标准化降水指数对张家口地区干旱特征进行分析，仅考虑了水分的收入分量（降水），而未考虑水分的支出分量（如作物蒸腾、土壤蒸发等）及下垫面状况等因素的影响，因此还需要在此基础上综合考虑水分收支，探讨张家口地区干旱发生的规律性特征，同时还需关注极端天气气候事件和气象灾害对农业生产的影响，为农业生产适应气候变化、合理利用气候资源提供科学依据。

参考文献

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[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] 苏喜福，李芬，张岳军.气候变化对忻州玉米气象产量的影响[J].山西农业科学，2013，41（6）：599-604.

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责任编辑：郑丹丹