山东省气候变化及其对冬小麦-夏玉米产量的影响

刘 昌, 张红日, 赵相伟, 李明杰

(山东科技大学, 山东 青岛 266590)

在全球气候变暖的背景下，山东省气候产生了显著的变化，同时气温、降水和日照时数的时空格局分布也随之变化。农业作为我国国民经济发展的重要基础，对气候的变化具有很强的敏感性，气候变化对作物的生长和产量都将产生较大的影响[1]。IPCC第五次研究报告指出，未来平均气温还会持续升高，强降雨的强度和密度都将会上涨[2]，这也引起了国内外众多专家学者的关注。这不仅影响到农产品产量，还关系到国家粮食生产和粮食安全。

近些年，关于气候变化对农作物产量影响的研究有很多，Paul等[3]运用开顶式气室(OTC)方法验证了观测试验法在研究气候变化对农作物影响中的可行性。Easterling等[4]在EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)模型中加入CO2对作物光合作用和蒸散作用的影响，探讨美国MINK (Missouri-Iowa-Nebraska-Kansas)气候变化对地区作物影响。王馥棠[5]利用3 种大气环流模式预测未来气候情境下，农作物减产的主要原因是大气中二氧化碳浓度倍增时，气温升高、农作物发育速度加快以及生育期缩短。Murat Isik等[6]采用随机生产函数的计量经济模型，利用生产函数参数及其弹性的估计来分析预测的气候变化对农业的影响，结果表明，气候变化对平均作物产量的影响不大，但会大大减少大部分作物的方差和协方差，这些结果影响到作物之间的农业用地分配和作物生产组合。黄维等[7]利用已有的气象和产量数据，揭示气候因子对农作物产量的影响，得出在一定幅度内气温升高和降水量增加对中国农作物产量具有正效应。张洁等[8]在研究河西走廊中部30 a来的气候变化特征及其对主要农作物生育期和产量的影响时发现，气温、降水等气候因子均不用程度影响春小麦、玉米的生育期及产量，且地域性差异明显。以往的研究多集中在较大区域上的定性研究上，作物模型法本身具有一定的局限性，而采用历史观测资料统计分析法研究较大区域的气候变化情况又无法真实反映省份的气候变化情况，很难明确省级行政单元气候变化对农作物产量的影响，为确保粮食安全提出具有针对性的建议。

山东省地处我国东部沿海，属温带季风性气候，降水集中，雨热同期，光照资源充足，热量条件能够满足农作物一年两作的需要，且全年无霜期较长，是我国的粮食主产区之一，冬小麦—夏玉米是其主要复种方式[9]。作为我国的一个产粮大省，研究山东省气候变化对冬小麦夏玉米产量的影响具有重要意义。故本文基于现有历史数据，采用线性回归、非线性回归及敏感性分析等方法定量研究山东省气候变化及其对冬小麦、夏玉米产量的影响，以期为山东省冬小麦—夏玉米种植模式的管理调整、种植结构的合理布局以及应对气候变化提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本研究所需气象数据包括研究区内34个国家基准气象站(图1)1983—2015年平均气温、降水量和日照时数的月值数据，气象数据由中国气象数据网国家气象科学数据共享服务平台提供。1983—2015年山东省冬小麦、夏玉米的产量数据来源于《山东统计年鉴》的统计数据。

图1 气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 小波分析 气候变化过程通常表现为一种周期性波动，其变化造成的损坏也随之波动[10]。具有时—频多分辨功能的小波分析(Wavelet Analysis)能够更好的揭示时间序列问题。Morlet小波函数的一般形式见公式(1) 。

φ(t)=eicte-t2/2

(1)

式中：c为常数。选择好合适的基小波函数后，通过小波变换获得小波系数，利用Surfer软件绘制小波系数等值线图。

1.2.2 HP滤波法分离气候产量 HP 滤波法是一种状态空间中分解时间序列的方法，其假设产出是由长期趋势分量和短期波动分量两部分组成[11]。从时间变化角度来看，农作物产量可以分为长时间尺度的平稳变化分量和短时间尺度偏离时间变化的显著波动分量。因此农作物的产量y可分解为趋势产量yt、气候产量yw和随机产量Δy，即：

y=yt+yw+Δy

(2)

由于Δy为随机噪音，对农作物产量的影响无规律可循，不能用某种固定的函数来定量估计并列入模型，故忽略不计。因此认为农作物产量由趋势产量(yt)和气候产量(yw)两部分组成，即：

y=yt+yw

(3)

因此，可以采用HP 滤波法将其分离。

1.2.3 Lobell多元非线性回归模型 Lobell多元非线性回归模型考虑了气温、降水量、日照时数、技术进步以及政策等因子，其中技术进步所带来的产量增加的趋势以年份的线性趋势和二次趋势来代替。Lobell多元非线性回归模型如下：

lnY=c+d1t+d2t2+β1T+β2P+β3S+ε

(4)

式中：Y是农作物的单产；c为固定效应；d是时间趋势效应；β是自变量参数；T表示生长期内平均气温；P表示生长期内降水量；S表示生长期内日照时数；ε为误差项。

2 结果与分析

2.1 1983-2015年山东省气候变化

通过对山东省年平均气温趋势分析(图2A)发现。1983—2015年山东省年平均气温最低出现在1985年为11.76℃，最高出现在2007年为13.79℃，相差达2.03℃。山东省年平均气温以较快速度增长，气候倾向率为0.33℃/10 a。

从山东省降水量变化曲线(图2B)可以看出，全省降水量在448.52～981.77 mm波动，但总体趋势是增加的，气候倾向率达到19.4 mm/10 a。其中，降水最少的一年是出现在2002年，为448.52 mm，降水最丰沛的一年是出现在1990年，为981.77 mm。

图2C是山东省近33 a日照时数变化曲线图，日照时数最多和最少分别出现在1997年和2007年，分别为2 745.07 h和2 187.46 h。通过线性倾向估计分析得出，山东省日照时数呈较快速度减少，气候倾向率为-99.5 h/10 a。

2.2 气候变化的多时间尺度分析

2.2.1 年平均气温的多时间尺度分析 图3A为1983—2015年山东省年平均气温的小波系数实部等值线图，其中横坐标为年份，纵坐标为时间尺度。图中实线表示正相位，即实部大于0，气温处于升高阶段；虚线表示负相位，即实部小于0，气温正在降低阶段，等值线间隔为0.1。近33 a来，山东省的气温变化的周期振荡较为明显，主要存在4～8 a，10～16 a的变化周期。其中10～16 a的周期振荡最明显，振荡强度最强，为第一主周期；4～8 a为第二主周期。若以小波系数实部的零值点来划分冷暖阶段，山东省近33 a平均气温在10～16 a尺度上大致经历了四次由冷转暖再由暖转冷的过程。

图2 1983-2015年山东省年平均气温、降水量、日照时数逐年变化过程

从图3A中还可以推断出未来山东省气温的演变趋势，可以看出，除去边界外，小波系数实部的正负中心几乎是成对出现，并且周期大致相同(10～16 a尺度上约为7.5 a)。因此，目前的暖期在一定时间内还将持续发展下去。

2.2.2 年平均降水量的多时间尺度分析 通过对1983—2015年山东省降水量的小波系数实部等值线图(图3B)分析，可以看出，山东省近33 a降水量主要存在4～5 a，6～8 a，10～13 a，13～16 a的振荡周期。由小波方差图可以辨别出13～16 a振荡在各个阶段是最明显的，是第一主周期，其次是6～8 a，为第二主周期，4～5 a是第三主周期，10～13 a是第四主周期。山东省降水量近33 a在13～16 a尺度上大致经历了升降交替的准三次振荡，且在整个研究时段内表现非常稳定，具有全域性。因此从图3B中推断未来山东省降水量在经历短暂的增加之后将转入减少的阶段。

图3 1983-2015年山东省年平均气温、降水量和日照时数小波系数实部等值线

2.2.3 年平均日照时数的多时间尺度分析 由1983—2015年山东省日照时数的小波系数实部等值线图(图3C)可以得出：这33 a山东省年平均日照时数主要存在3～4 a，6～8 a，9～12 a的变化周期。其中9～12 a尺度的周期振荡最明显，振荡强度最强；3～4 a尺度上的振荡周期主要存在于2000年以前；6～8 a尺度上的振荡周期在整个研究身段内表现稳定，且具有全域性。根据振荡强度最强的9～12 a尺度上小波系数实部振荡情况可以推测，山东省在未来一段时间内日照时数还将继续减少。

2.3 冬小麦、夏玉米产量变化分析

通过HP滤波法得到冬小麦和夏玉米的气候产量，通过其变化分析(图4)发现，冬小麦、夏玉米的单产在2005年之前波动较大，而2005年之后产量比较稳定。冬小麦单产自1983—1997年一直保持较快速度增长；1997—2002年遭遇较大减产，2002年相比1997年减产997 kg/hm2；2002—2015年又恢复增产态势，2015年冬小麦单产达到最高值6 176 kg/hm2。相对于冬小麦，夏玉米在2005年之前单产波动更大，单产呈现波动增长的趋势，其中1997年减产严重，相比1996年，减产达1 499 kg/hm2；2005—2015年玉米单产呈现平稳增产的态势。冬小麦—夏玉米周年单产同样在2005年之前波动较大，2002年周年单产相比前一年减少1 029 kg/hm2,2005年之后平稳增长。

图4 冬小麦-夏玉米单产、趋势产量以及气候产量年际变化

通过分析还可以看出，冬小麦、夏玉米以及周年单产的趋势产量都呈现上升趋势，与实际产量总体变化趋势相似，这是各种自然和社会因素综合作用的结果，其中社会因素占主导地位。冬小麦、夏玉米的气候产量波动较大，振荡幅度也非常明显，这主要是受其生长期内各气候因素影响。山东省近33 a小麦气候产量在-578.62～547.31 kg/hm2之间波动变化，特别是2005年之前波动较大。夏玉米气候产量变化同样在2005年之前波动较大，在-1 309.27～536.98 kg/hm2之间波动变化。冬小麦—夏玉米周年气候产量在-1 241.12～635.55 kg/hm2之间波动变化，最小值出现在2002年。冬小麦、夏玉米以及冬小麦—夏玉米气候产量在2005年之后都呈现振幅较小的波动下降。

图5是冬小麦、夏玉米的气候产量及其生长期内气候因子的年际变化图。从图5A得知，冬小麦气候产量波动与其生长期内平均气温、降水量、日照时数波动趋势都基本相同。平均气温、降水量的增加有利于小麦增产，日照时数的减少导致光照不足，不利于小麦进行光合作用，影响抽穗结实，不利于小麦的增产。

图5 冬小麦-夏玉米气候产量及其生长期内气候因子年际变化

从图5B得知，夏玉米气候产量变化与其生长期内平均气温变化趋势大致相同，但步调不一致，与生长期内降水量变化趋势相同，与日照时数变化趋势相反。夏玉米的生长需水较多，只有满足它对水分的要求才能获得高产。夏玉米是短日照植物，在短日照条件下可以正常开花结实，太阳光中的光谱成分对夏玉米影响较大，据研究白天以蓝色等短波光为主，玉米发育较慢，而早晨和傍晚以红色等长波光为主玉米发育较快。

图5C是冬小麦—夏玉米周年气候产量与气候因子年际变化的响应。气候产量波动仅与降水量波动趋势一致。不论是冬小麦还是夏玉米生长期内降水量增加都有利于作物增产，而生长期内平均气温增加有利于冬小麦增产，却导致夏玉米减产，日照时数对冬小麦和夏玉米产量影响同样如此。因此，平均气温和日照时数对冬小麦—夏玉米周年气候产量的影响并不明显。

2.4 冬小麦、夏玉米对气候变化的敏感性分析

农作物产量受多种因素影响，本研究利用Lobell多元非线性回归模型对山东省冬小麦、夏玉米单产及周年单产对气温、降水量和日照时数的敏感性进行分析，气温每升高1℃、降水每增加100 mm、日照时数每增加100 h，冬小麦—夏玉米产量变化结果如图6所示。

平均气温升高对冬小麦、夏玉米单产的影响明显不同。冬小麦单产对平均气温升高表现为正响应，平均气温每升高1℃，小麦增产2.2%；最高气温和最低气温的升高对冬小麦的单产表示为负影响，但影响程度不大。夏玉米单产对平均气温和最低气温的升高表现为负响应，平均气温每升高1℃，减产1.83%，最低气温每升高1℃，减产2.69%，最高气温的升高对夏玉米单产的影响是正向的，每升高1℃增产2.8%。平均气温升高对山东省冬小麦—夏玉米周年单产仅有小幅促进作用，这主要是由于小麦增产和玉米减产相抵消。相比气温，降水量的增加对于冬小麦、夏玉米的增产效果较为明显。降水量每增加100 mm，冬小麦增产达5.76%，夏玉米增产达3.36%，但是对山东省冬小麦—夏玉米周年单产的增产效果仅为1.16%。日照时数每增加100 h，冬小麦单产增加3.33%，而夏玉米单产对日照时数增加表现为负响应，日照时数每增加100 h，夏玉米减产3.36%。日照时数增加会山东省冬小麦—夏玉米周年单产有小幅减产，但影响并不明显，这同样是由小麦增产和玉米减产相抵消造成。

图6 山东省冬小麦—夏玉米对气温(+1℃)、降水量(+100 mm)和日照时数(+100 h)的敏感性分析

3 结 论

(1) 1983—2015年山东省年平均气温、降水量呈上升趋势，但日照时数呈现下降的趋势。其中年平均气温以0.33 ℃/10 a的速度上升，降水量的10 a变化率为19.4 mm，日照时数以99.5 h/10 a 的速度减少。

(2) 气候变化的多时间尺度分析显示，年平均气温、降水量和日照时数都存在多时间尺度变化特征。1983—2015年山东省年平均气温主要存在4～8 a，10～16 a的变化周期，其中在10～16 a尺度上大致经历了4次由冷转暖再由暖转冷的过程，目前正处于暖期，这一趋势仍将持续发展。降水量主要存在4～5 a，6～8 a，10～13 a，13～16 a的振荡周期，13～16 a振荡在各个阶段是最明显的，是第一主周期。日照时数主要存在3～4 a，6～8 a，9～12 a的变化周期，在9～12 a尺度上显示日照时数减少的趋势将持续发展。

(3) 通过对产量变化分析发现，1983—2015年山东省冬小麦、夏玉米单产及冬小麦—夏玉米周年单产呈明显的上升趋势，但气候产量波动较大，呈波动下降的趋势，这主要是受生长期内气候因子的影响。

(4) 敏感性分析显示，平均气温、降水量、日照时数的增加对冬小麦单产都有促进作用，其中降水量的增加对冬小麦的增产影响最显著，降水量每增加100 mm，冬小麦增产5.76%。夏玉米对平均气温、最低气温、日照时数的增加表现为负响应，而最高气温和降水量的增加均有利于夏玉米增产。冬小麦—夏玉米周年单产对最高气温、最低气温的响应表现为负效应，降水量的增加能够小幅提升周年单产。

全球气候变化以变暖为主要特征已得到各界学者的公认。山东省是中国气候变化的敏感区之一，农业气候资源也发生显著变化。

通过分析，3个气象因子对于冬小麦都存在正向相关性。因此在冬小麦成长期内，要保证水资源的及时供给，避免因干旱而造成的减产。并且在全球变暖的背景下，气温的升高以及日照时数的增加对冬小麦都有正向的影响，起到增产的作用。而夏玉米对于降水和最高气温的敏感性较强。可见水对于农作物的重要性，这也就启发我们要加强水资源的保护及其利用，要加强基础灌溉设施的建设，进一步对接国家高标准农田建设的政策，实现旱能灌、涝能排，有效改善农业生产条件，争取得到国家资金的支持，保证基本农田水利建设。

但是文章仍有不足之处，本文只研究了冬小麦、夏玉米整个生长期内的气候变化，对于其具体生育阶段的气候变化没有过多研究。另外气候变化导致的极端天气增加，灾害性事件频率和强度增加对农作物的影响也极为突出，这都是今后研究的重点方向。只有深刻认识气候变化特征，才能不断提高农业生产适应气候变化，抵御气候灾害的能力，保障国家粮食安全。