气候变化背景下辽宁省春玉米生育期低温冷害时空特征

乔 鹤

(辽宁师范大学地理科学学院 辽宁 大连 116029)

低温冷害是指作物生长期间出现的一个或者多个低温天气过程，是造成农作物减产的重要气象灾害之一[1]。1909-2011年，中国陆地区域平均气温上升0.9-1.5℃，且在未来时段气温将持续上升[2]。东北地区是我国重要的商品粮生产基地之一，因其纬度位置偏高，热量条件不稳定，年际变化较大，农业发展受限较大。相关研究表明，气候变暖大背景下，低温冷害等极端气候事件发生渐趋增多，已造成东北地区不同熟性的作物种植界限北移东扩，中、晚熟品种种植风险不断扩大，且受低温冷害影响中国东北地区已成为全国粮食产量波动的显著区域[3]。因此，开展区域性低温冷害研究，对该地区农业的可持续发展有重要意义。

目前，国内外对低温冷害的研究主要涉及评价指标、分布规律、风险评估与区划及对策等方面。国外方面，Janda[4]研究了低温冷害对作物光合作用和光因子影响的机理，认为低温冷害对作物光合作用影响远大于其他作物生育阶段。Lidon[5]探讨了低温冷害对作物的影响机理，认为低温冷害在作物生长后期对作物影响程度最大。国内方面，王颖[6]对东北地区低温冷害的风险评价与区划进行了初步研究，认为东北地区低温冷害频率均在30%左右。孟祥君[7]对吉林省作物生育期内各月低温冷害发生频次、发生规律进行分析，发现生育期内各月低温冷害发生频次没有发生突变，并且为逐渐降低趋势。

虽然现阶段学者对低温冷害研究较广泛，但主要局限于年际尺度，对月尺度低温冷害研究相对较少。且当前研究主要局限于对单一低温冷害变化规律及特征的分析，对气候变化下低温冷害发生类型的综合研究较少。鉴于此，本文基于国家气象局低温冷害气象指标，对气候变化背景下辽宁省生长季各月低温冷害发生频次、变化特征及影响因子进行系统分析，以期为低温冷害准确预报、降低冷害损失提供一定参考。

一、数据来源及研究方法

(一)研究区概况

辽宁省位于我国东北地区南部，总面积14.8万km2。地势东西两侧较高，中部偏低，南部沿海地区海拔较低。属温带季风气候，年平均气温7-11°C，年降水量600-1100mm。日照资源较丰富，全省年日照时数为2100-2600h。受大气环流及地形等因素的影响，气候地域性差异很大，灾害性天气较多，低温冷害等灾害频度大，对农业生产危害严重[8]。

(二)数据来源

基于中国气象数据共享服务网(http://data.cma.cn/)的辽宁省1964-2017年的逐日气象站点气象数据资料，选取辽宁省省内数据资料完整且分布均匀的24个站点进行分析。剔除缺测数据，对其他不完整数据按照线性插补法进行填充整理，得到各站点逐日气象因子数据集合，在此基础上进行统计。辽宁省气象站点分布状况详见图1。

图1 气象站点选取情况

二、研究方法

(一)研究指标

根据国家气象局低温冷害的气象指标，作物生育期内的任意月份月平均气温低于历年同期月平均气温值1°C以上即定义为一次低温冷害[7]。辽宁省作物为一年一季型，作物播种一般在4月15日前后，成熟期在9月中下旬[8]。因此可以利用5-9月各月平均气温来评价作物生长季的热量条件及低温冷害发生的可能性[9]。参考国家气象数据平台(http://www.nmic.cn/)提供的“中国农作物生长发育和农田湿度旬值数据集合”，辽宁省内春玉米生长发育主要经过播种、苗期、拔节期、抽穗期、成熟期等5个生育阶段。整理得到辽宁省春玉米生育期划分见表1。

表1 辽宁省春玉米生育期育期划分

(二)R/S分析

重标极差分析法(R/S)是一种由水文学家Hurst[10]提出的定量反映非稳态时间序列波动的长程相关性的有效方法。计算公式如下：

设有均值序列{ξ(t)}，t=1，2,…对于任意正整数t≥1，

(1)

(2)

(3)

标准差：

(4)

式中：a为常数、R(τ)S(τ)为重标极差、H为Hurst指数，根据方程(5)求得：

log(R/S)τ=log(c)+H·log(τ)

(5)

计算出的Hurst指数居于0-1之间，以0.5为间隔，时间序列在不同区间表现为不同特征：0

(三)小波分析

小波分析是一种多分辨率分析方法，其原理是用一簇函数来表示或者逼近某一变化值，即可以更为有效地提取气候变化的趋势[12]，被广泛应用到水文、气象的相关研究。本文应用算法较为简单的Morlet小波来分析研究时段内辽宁省各月低温冷害频次周期变化特征。

三、结果与分析

(一)低温冷害时空分布特征

1.时间变化特征

基于1964-2017年辽宁省生长季平均气温及国家气象局关于低温冷害评定标准，统计出近54年内低温冷害时间变化特征。整体上看，辽宁省1964-2017年5-9月低温冷害发生次数呈显著波动趋势，各月低温冷害变化速率分别为-0.01/10a、-0.45/10a、-1.55/10a、-0.28/10a、-5.98/10a，下降趋势最明显的为9月，最不明显的为5月。从年代变化上看，20世纪60年代、70年代、80年代低温冷害发生频次总体较高，1980年达到研究时段最高值，20世纪90年代后，低温冷害总体发生频次逐渐降低，在进入21世纪10年代后，低温冷害发生频次有小幅增高，但仍处于低温冷害发生的较小时期。具体来看，低温冷害在7月发生频次最多，占21.77%，6月、8月次之，5月、9月最低。

参考EXCEL中宏的计算原理，可以在EXCEL中实现对各月间低温冷害发生频次的Hurst指数的计算，结果显示，5月、6月、8月各月低温冷害序列Hurst指数分别为0.53、0.62和0.56，均大于0.5，说明未来低温冷害发生频次依然保持下降趋势，且具有较强的持续性，低温冷害程度可能有所减轻；而7月和9月冷害发生序列Hurst指数分别为0.47和0.46，小于0.5，说明7月和9月低温冷害发生具有反持续性，即发生频次呈现上升趋势，未来低温冷害发生频次存在增强的可能性，需要引起高度重视。

2.空间变化特征

对辽宁省各月低温冷害发生频次的空间分布进行整理，结果显示，1964-2017年辽宁省生长季各月低温冷害发生频次并不相同，具有明显空间变异性。总体上看，辽东山区和辽北地区低温冷害发生频次相对较高，南部沿海地区低温冷害发生频次较少，针对辽宁省低温冷害发生频次空间分布特点，应重点加强沈阳、本溪、开源、丹东地区的低温冷害监测和防御。

具体来看，辽宁省5月低温冷害发生频次呈现北部偏多，东南及南部沿海等地偏少的空间变化特征，东南部大连、庄河等地低温冷害发生频次相对较少，中部的鞍山、沈阳等地处辽中平原，海拔较低，平均气温偏高，低温冷害发生频次偏低；6月、7月低温冷害发生频次呈现全面多发趋势；8月、9月低温冷害发生频次适中。

3.周期变化特征

分别对生长季各月低温冷害发生频次进行Morlet小波周期分析，结果表明，各月间辽宁省低温冷害发生频率有着较复杂的震荡周期变化，存在多重时间尺度上的多重嵌套结构。小波变换系数显示，5月低温冷害发生频次在近54年内发生频次相对较低，波动最强的年份为1975年、1985年、1992年。6月低温冷害在23-25年尺度上震荡最为明显，其次还存在7-8年左右小型变化周期。低温冷害频次在7月上呈现明显20-28年大尺度变化。8月低温冷害发生频次存在较为明显的30-49年较大尺度周期变化，小尺度变化表现尚不明显。9月冷害频次出现12-18年变化周期。

(二)低温冷害发生月份与气象要素间相互关系

1.气象因子年变化特征

基于1964-2017年逐日各项气象数据。分别对降水量、平均气温及日照时数进行线性统计，并计算各气象因子距平变动，以明确各气象因子在研究时段内年际变化趋势。可知，平均降水量及平均日照时数均表现为非显著性下降趋势，而平均气温则成逐渐递增趋势，且均通过了0.05显著性水平检验。平均气温变化趋势为0.16℃/10a，5-9月多年平均气温为20.54℃，增强的大气温室效应可能是气候变暖的主要原因[11]。日照时数及降水量多年递减率为0.20h/10a和4.10mm/10a。近50年来东北大部分地区的日照时数和生长季日照时数呈减少趋势[13]，日照时数偏低可能造成作物光量接收不足，影响作物生长发育。降水量多年均值为563.49mm，研究表明，我国年降水量呈逐年降低趋势，年降水量每10年变化为-90-23mm，平均减少10.6mm/10a，华北、东北和西南地区全年降水不断减少[14],本文研究与前人研究保持一致。

整体上看，未来辽宁省春玉米生育期内，当地气候可能呈现出“暖干化、日照时数减少”的变动趋势。在气候增暖大背景下，由于气温的增高和日照时数的降低，可能造成不同地区热量条件发生较大改变，出现热量带分布格局的改变，进而影响到作物的种植结构及地域分配问题。而降水量的减少，可能影响作物生长时节对水分的需求及下垫面土层含水量的变化。对农业灌溉需水量也会随之增大。因此，在农业生产过程中，各地要密切关注未来日照、热量、水资源等条件的改变以及相应气候资源的新格局，加深对新型低温冷害的整体把握。

2.相关性分析

低温冷害发生时可表现为低温多雨和低温少日照等特征，不同类型的低温冷害对农业生产造成的影响是不同的[7]，为深入揭示辽宁省低温冷害发生年份各月间气候因子间配合及作用程度，利用SPSS及ArcGIS软件，计算出辽宁省低温冷害发生年份内5-9月各月平均气温与降水量、日照时数间相关系数。

(1)平均气温与降水量相关系数分布特征

平均气温与降水量从一定程度上代表着某地区水热资源的配比状况，二者配比的优劣对作物生长影响较大。平均气温与降水量相关系数空间分布结果显示，平均气温与降水量相关系数在省内分布不均，差异较大。5月，平均气温与降水量在辽宁省大部分地区呈正相关，此时平均气温与降水量同向变化，即气温越低，降水量越少，表现为低温少雨的特征，仅在中部及北部少部分地区负相关，气温及降水呈现负向变化，即气温越低，降水量越多，表现为低温多雨的气候变化特征；6月，相关系数空间差异分明，低温冷害发生年份月平均气温与降水量的负相关区域逐渐缩小，南部及东北部小面积地区相关系数为负值，西部及辽中大部分地区相关系数为正值；7月，冷害发生年份的月平均气温与月降水量在阜新、鞍山等地表现为负相关，而在叶柏寿、阜新等地表现为正相关；8月，除在朝阳、鞍山、庄河地相关系数为负值外，全省大部分地区相关系数为正；9月，在西北角及南部沿海部表现为负相关，中部大部分地区为正相关。

(2)平均气温与日照时数相关系数分布特征

气温的降低易造成近地面温度的降低，而日照时数的减少可能会造成光量的亏损，二者叠加易造成低温冷害现象。平均气温与日照时数相关系数空间分布结果显示，二者相关系数呈现明显区域差异，变化较大。总体上看，大部分地区气温与日照时数相关系数为正值，主要表现为平均气温越低，日照时数越少，呈现低温少日照特点，负值区主要出现在东北、中部及东南部，大体呈西北-东南线性排列，主要表现为平均气温越低，日照时数越高，呈现低温多日照特点。5月，相关系数在东西两侧为正值，偏北部、中部小部分地区及南部偏东地区相关系数为负；6月，负值区域稍有缩小，但中部及东南部地区低温灾害仍表现为低温多日照型，东部及西部地区表现为低温少日照型；7-8月相关系数负值区域进一步缩小，相关系数低值中心仅表现阜新、鞍山等地区；9月，负相关范围增大，东北桓仁及东南部庄河等地相关系数为负值，由原来月份的低温少日照转化为低温多日照型。

四、结论和讨论

(一)讨论

有学者认为东北夏季低温冷害发生频次从20世纪50年代开始减少[15]，与本研究结论保持一致。也有学者认为，东北地区20世纪70年代低温冷害发生频次较重[16]，与本文20世纪80年代低温冷害发生频次最多的结论稍有不同，研究区大小及站点选取不同可能是造成研究结果差异的主要原因。本文在前人研究基础上，基于国家气象中心低温冷害发生标准，对1964-2017年辽宁省生长季低温冷害发生频次、空间分布特征及变化周期进行分析，并结合降水量、平均气温、日照时数三种气象因子，对辽宁省气候变化特点进行分析。该研究成果有助于加深对局部地域层面上对气候变化的理解，对气候变化背景下作物生育期低温冷害研究及灾害预防有重要作用。但由于作物生长特性，综合考虑各生育时段的差异及温度等条件对后期的补偿作用，提高作物低温冷害判断的准确性，尚有待进一步深入研究。

(二)结论

1.从年代变化上看，近54年辽宁省生长季低温冷害发生次数为逐渐降低趋势，20世纪60年代、70年代、80年代发生频次总体较高，20世纪90年代后，总体发生频次逐渐降低，21世纪10年代后，发生频次有小幅增高，但仍处于频次较小时期。从春玉米生育期内变化来看，5-9月低温冷害变化速率分别为-0.01/10a、-0.45/10a、-1.55/10a、-0.28/10a、-5.98/10a。未来5月、6月、8月低温冷害发生频次将依然保持下降趋势，且具有较强持续性，7月、9月低温冷害发生频次存在增强的可能性。

2.辽宁省低温冷害发生频次相对较高的地区为辽东山区和辽北地区，该地区冷害发生较为频繁，在春玉米生育期内的各月发生频次都相对较高，而辽宁省南部沿海地区低温冷害发生频次则相对较少。

3.1964-2017年辽宁省春玉米生育期内低温冷害基本表现为低温少雨、低温偏干以及低温少日照型，5月平均气温与降水量、相对湿度、日照时数在辽宁省中部整体表现为负相关，6月负相关发生范围有向中心缩减趋势，7月变化趋势及特点基本与6月持平，8-9两个月份相关系数变动相对较大，负值中心有向北、向西扩大趋势。