新源县1981-2018年气候变化特征及其对春玉米的影响

严 华 晏中文 雷 杰

（新源县气象局，835800，新疆新源）

气候变暖已经是公认的事实。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次评估报告（2013年）指出，过去30年地球表面温度比1850年以来的任何一个10年都高，未来高温极端事件可能会大幅增加[1]；降水多的地区和降水少的地区之间的差异与季节上的差异会有所增加[2]。中国从20世纪70年代开始全国平均气温呈明显上升趋势，全国平均降水量变化趋势不明显，但降水量的变化有明显的区域特征[3]。中国西北地区是全国气候变暖最明显的地区之一，降水量趋势变化空间差异明显[3-4]。有学者[5]研究表明新疆气温及降水在时空上呈增长趋势，日照时数近几十年呈减少趋势[6]。自20世纪80-90年代以来，北疆大部分地区气温显著上升，热量资源明显增加，降水量和日照变化与新疆整体变化趋势相同[7-10]。

农业易受气候变化影响，农业生产关系着国计民生，其中粮食作物安全尤为重要。气候变化影响并制约着粮食作物的生长与产量。我国幅员辽阔，南北和东西气候差异较大，各地气候变化及其对当地粮食作物的影响也呈现出地域性和多样性。黄耀[11]指出，温度升高利于中、高纬度水稻生产，但导致低纬度地区水稻减产；玉米对气候变暖的敏感性高于小麦。崔耀平等[12]分析认为，2000-2013年中国夏玉米和冬小麦各主要发育期呈一定程度延后，全国多数站点这两种作物生育期历时与平均气温呈负相关关系，与年均降水量呈正相关关系。吴海燕等[13]指出东北主要农作物生长季温度升高为作物的光温生产潜力及产量的提高提供了潜在的可能，但水资源和光照的限制及CO2浓度的增加引发的温室效应对农作物的产量和品质也产生了负面效应。玉米是我国重要的三大粮食作物之一，不少学者针对当地气候变化对玉米的影响做了专门研究。王润元等[14]研究西北干旱区玉米对气候变暖的响应表现在生长季提前和生长期缩短，但营养生长期缩短，生殖生长前期延长，后期缩短。马雪晴等[15]研究结果表明，降水和光照是华北平原夏玉米气象产量的主要影响因子。张涛[16]对西北干旱区春玉米利用Box-Behnken试验法，建立了各气象因子与产量和生物量的回归模型（P＜0.0001），认为气温对春玉米产量和生物量影响大于降雨量的影响。干旱、高温单一气候因素的变化会造成春玉米产量下降，但减产率不显著，复合胁迫的影响超过单一变量[17]。

新疆是我国最大的自治区，山脉与盆地相间排列，地貌独特，各地气候差异明显，变化趋势不一而足。素有“草原明珠”美誉的新源县位于降水较多的北疆伊犁河谷，是灌溉农业生产区，玉米是新源县重要的粮食作物。本研究就新源县气候、春玉米生育期及产量特点，对影响春玉米的关键气候因子作了分析，以期为当地玉米应对气候变化与稳产高产提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新源县（82°28′～84°57′E、43°01′～43°40′N）位于新疆北部的伊犁哈萨克自治州东部，素有“天山湿岛”之称。地形东高西低、三面环山、西部敞开，全县总面积7 581km2，海拔792～4 621m，属于温带大陆半干旱气候。

1.2 材料来源及分析方法

选用新源县国家一般气象站（83°18′E，43°27′N）1981-2018年不同时段的平均气温、平均最高最低气温、极端最高最低气温、降水量、日照时数等观测资料。春玉米发育期数据来自该站观测资料，采用人工目测和百分比统计方法记录，选取播种期、出苗期、拔节期、抽雄期、乳熟期、成熟期6个主要发育期分析。春玉米产量数据来自新源县统计局。

玉米品种：20世纪80年代本站观测玉米品种主要是维尔系列双交种。90年代前期品种为伊单5号（A619×武105），属于改良Reid群×330亚群杂优模式。1997-2013年主要品种伊单10号（242×Mo17）和2014年后的新玉38号（1006×B284）都属于改良Reid群×Mo17亚群杂优模式。伊单和新玉38号系列均是伊犁州农业科学研究所自育品种，具有高产、稳产、抗倒伏、适应性强等特点。

通过线性回归系数求出各气象要素的气候倾向率。采用M-K突变检验方法[18-19]进行气象要素变化趋势检验。玉米的气象产量等于实际产量减去时间趋势产量，时间趋势产量用的是5年滑动平均值[20]，滤去了波动。

2 结果与分析

2.1 新源县气候特征

2.1.1 新源县气候年变化 新源县1981-2018年多年平均气温9.5℃，年降水量529.1mm，年日照时数2 748.0h。近38年气温、年降水量、日照时数总体呈上升趋势（图1），气候倾向率分别为0.43℃/10a（R2=0.4068，P＜0.001）、22.98mm/10a（R2=0.0451，P=0.20）、15.51h/10a（R2=0.0209，P=0.386）。气温变化最显著，38年上升了1.6℃；年降水量与日照时数增加不明显。

图1 新源县1981-2018年平均气温（a）、年降水量（b）、年日照时数（c）变化Fig.1 Changes of annual average temperature (a), annual precipitation (b) and annual sunshine hours (c) in Xinyuan County during 1981-2018

M-K趋势检验可以检验要素是否发生突变以及突变发生时间。温度突变检验图中（图2a）UF(k)与UB(k)两线于1997年和1999年相交，随后UF(k)线于2002年以后超过了a=0.05显著性水平临界线（U0.05=±1.96），2005年开始超过a=0.01水平临界线（U0.01=±2.58）。结合滑动t检验法检验1997年前后气温的平均值，确定新源县年平均气温于1997年发生了突变，突变前是8.9℃，突变后为9.9℃，上升了1.0℃。

对降水量进行M-K趋势检验，图2b中UF(k)与UB(k)线在a=0.05显著水平临界线内有多个交点，说明针对降水该检验方法不合适。从图3降水量累积距平图可以看出，新源县年降水量在20世纪80年代前期、1989-1997年呈减少趋势，1998年后降水量开始增加。1997年降水量累积距平绝对值最大，存在突变可能，对1997年前后降水量均值做t检验，未通过显著性检验，说明降水量没有发生突变。

图2 1981-2018年新源县气象要素 M-K检验Fig.2 M-K test of meteorological factors in Xinyuan County during 1981-2018

图3 1981-2018年新源县降水累积距平Fig.3 Precipitation accumulation anomaly in Xinyuan County during 1981-2018

图2c中日照时数特征值的UF(k)与UB(k)两线在a=0.05显著水平临界线内相交于1988年与1994年，计算日照时数的累积距平值，确定1994年开始日照发生突变，2005年UF(k)值突破1.96界限值，2005-2015年日照时数增加显著，近几年增加趋势减弱。

结合温度、降水、日照等要素，20世纪90年代后期新源县气候逐渐向暖湿多光照转变。

2.1.2 近38年玉米生长季气候变化 新源县春玉米平均播种期是4月下旬，9月中旬成熟，故可视其生长季为4月下旬-9月中旬。春玉米生长季内月平均气温、平均最高最低气温、极端最高最低气温均呈上升趋势（表1），月平均气温、平均最低气温上升明显，尤其是平均最低气温上升极显著（P＜0.01），4月-9月升温幅度达到0.561～0.749℃/10a。月平均最高气温、极端最低气温于5月-7月上升显著（P＜0.05)。各月极端最高气温上升趋势未通过显著性检验。

表1 新源县1981-2018年气温、降水量、日照线性倾向率Table 1 Linear tendency rates of temperature, precipitation and sunshine in Xinyuan County during 1981-2018

春玉米生长季降水量和日照时数变化趋势不明显，总体上均略有增加，降水量增减趋势未通过显著性检验，日照时数仅7月增加显著（P＜0.05）。

新源县春玉米生长季≥10℃的平均积温为2 942.3℃·d，近38年生长季积温明显增多（图4），增加速率为85.81℃·d/10a（P＜0.001）。

图4 1981-2018年新源县春玉米生长季≥10℃积温Fig.4 Growing season ≥10℃ accumulated temperature of spring maize in Xinyuan County during 1981-2018

2.2 春玉米变化特征

2.2.1 春玉米发育期变化特征 春玉米从播种期到乳熟的各主要发育期均表现出不同程度的提前趋势（表2），提前幅度为3.00～4.53d/10a，播种期、抽雄期提前趋势显著（P＜0.01），出苗期、拔节期、乳熟期提前趋势非常显著（P＜0.001），只有成熟期以1.24d/10a的倾向率呈不显著延迟趋势。

新源县春玉米全生育期平均为142d，其中营养生长期（播种到抽雄）平均82d，1981-2018年间变化不显著。生殖生长期（抽雄到成熟）平均为60d，以4.22d/10a的倾向率显著延长（P＜0.01）。全生育期呈显著延长趋势，延长速率为4.79d/10a（P＜0.01）。

2.2.2 春玉米产量变化特征 随着生产技术提高、品种改良，玉米实际产量每年增速为296.77kg/hm2（P＜0.001），但因为气候条件导致实际产量表现为波动上升（图5）。气候对产量的影响即为气象产量，用实际产量-趋势产量可以得到。春玉米的气象产量年际变化大，为-669～769kg/hm2，天气气候的影响导致玉米产量差别达到近1 500kg/hm2。气象产量多年来变化趋势不明显，为正值的年份有15年，19年为负值，平均值为-20.69kg/hm2，说明新源县气候条件对玉米总体上略不利。

表2 新源县春玉米主要发育期的变化趋势Table 2 Change trend of main development period of spring maize in Xinyuan County

图5 新源县1981-2018年春玉米产量变化Fig.5 Yield change of spring maize in Xinyuan County during 1981-2018

2.3 气象要素对春玉米的影响

2.3.1 气象因子对春玉米发育期的影响 从表3可以看出玉米发育期受温度影响比较明显，播种期与4月平均气温、平均最低气温、平均最高气温、极端最低气温呈显著负相关关系（P＜0.001），即4月各温度越高，播期越早。出苗期与4月-5月、拔节期与4月-6月、抽雄期和乳熟期与4月-7月平均气温、平均最高气温、平均最低气温均呈显著负相关关系（P＜0.05和P＜0.001）；乳熟期与8月平均最低气温显著负相关（P＜0.001）。从播种期到乳熟期，4月到当月的平均最低气温对各发育期的影响最显著，相关系数达到-0.7224～-0.5245（P＜0.001）。玉米生长季各月气温呈增加趋势，而播种至乳熟各发育期与气温呈显著负相关关系，这促使春玉米播种期、出苗期、拔节期、抽雄期、乳熟期均会提前。

成熟期与5月平均气温、平均最低气温显著负相关（P＜0.05），与9月降水量呈显著正相关（P＜0.05），可以理解为5月出苗期，温度高出苗早，后期各发育期均提前，相应的成熟期也会提前，而9月降水多则成熟期推迟，实际上新源县春玉米成熟期是不显著推迟。38年来5月平均气温、平均最低气温升温趋势明显（P＜0.01），9月降水量却呈现减少趋势（P＞0.05），未来成熟期可能提前。

表3 春玉米主要发育期与气象要素的相关系数Table 3 Correlation coefficient between meteorological factors and main growth stages of spring maize

4月-8月的降水量对玉米发育期影响不显著。日照时数与各发育期总体上呈负相关关系，即日照长则发育期提前，但未通过显著性检验。

2.3.2 气象因子对春玉米气象产量的影响 近38年来新源县气温、日照时数、≥10℃积温总体上呈上升趋势，极端高温无显著变化，这对于玉米等喜温作物有利。统计玉米气象产量与玉米生长季温度、降水量、日照时数、≥10℃积温的相关系数（表4），可以看出温度中仅6月的极端高温对玉米气象产量有显著影响（R2=0.3417，P＜0.05），其他月份的温度、生长季≥10℃积温与玉米气象产量相关性未通过显著性检验，说明新源县的温度与热量条件基本可以满足春玉米需求。6月极端高温变化趋势不明显，该要素不会引起玉米气象产量大的波动。不过6月-7月春玉米拔节期-抽雄期的平均气温、平均最高最低气温与春玉米气象产量均为负相关关系（P＞0.05），而6月-7月这些气温要素呈明显上升趋势，二者不匹配，这一时期的温度条件可能会对玉米气象产量造成不利影响。

表4 气象产量与各气象要素相关系数Table 4 Correlation coefficient between meteorological yield and meteorological factors

生长季各月降水量与玉米气象产量相关关系不明显，降水量对玉米气象产量影响也不大。

5月日照时数和玉米气象产量的相关性较明显（P＜0.05）。5月正处于春玉米出苗期，玉米是喜光作物，苗期对光照很敏感[21]，日照越充足发育越块，利于长壮苗。可是新源县5月日照时数增加不显著。8月日照与气象产量的相关系数为0.4323，且为显著正相关关系，8月正是玉米灌浆期，光照充足光合作用强利于光合产物的形成，增加有效穗数和百粒重，玉米籽粒饱满，但8月日照时数变化趋势不显著，对于玉米增产不利。

3 讨论

6月是新源县春玉米拔节期前后，也是春玉米生长季增温最明显的月份（0.60℃/10a），该月温度过高对春玉米的气象产量会产生不利影响。拔节期春玉米需要大量的水分，鉴于此月降水变化趋势不明显，可以在拔节期间通过人工灌溉一方面满足春玉米对水分的需求，另一方面也可以降低田间温度利于增产。

气候变化既有温度、湿度、日照时数的变化，还有蒸发、风速等要素的变化，本研究仅考虑了前者对新源县春玉米的影响，其他要素的影响有待于进一步研究。新源县属于灌溉农业生产区，可能削弱了降水对农作物的影响，这一点在研究中需要注意。

4 结论

新源县1981-2018年气候向温热多光照转变，气温与日照出现突然增加现象，降水变化趋势不明显，积温显著增加。玉米生长季的月温度增加趋势大多明显，降水量无明显变化，个别月份日照时数明显增加。

新源县春玉米播种期到乳熟期各发育期均呈显著提前趋势，成熟期不显著推迟，全生育期显著延长。温度对播种期-乳熟期发育期的影响最大，温度越高，发育期越早；各种不同指标的气温对玉米发育期的影响也不同，其中月平均最低气温影响最大。降水量和日照时数对春玉米发育期影响较小。春玉米的实际产量明显增加，但气象产量年变化大，平均气象产量为负值。6月极端最高温度、5月和8月的日照时数对春玉米气象产量影响显著，新源县气候条件总体来说对春玉米产量略不利。