气候变化对辽宁省玉米产量的影响

曹永强，李玲慧，路 洁，张若凝，宁 月

(辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029)

0 引 言

中国是世界上气候变化较为显著的地区之一。近50年来，中国地表约增温1.1 ℃，速率达0.25 ℃/10 a，日照时数总体减少，东部地区降水量南多北少，西部地区降水量显著增多[1,2]。气温、日照和降水等气候因素与农业生产关系密切，农业生产在较大程度上受到气候条件的制约。玉米作为中国三大粮食作物之一，是近百年来全球种植范围扩展最广、产量增加最迅速的农作物之一[3]。玉米是典型的喜温、短日照及高需水量作物，其生长发育对气温、日照及降水要求较高，气候的变化必然导致玉米产量受到影响。因此，在全球气候变化的背景下研究气象因子对作物产量的影响，对实现粮食高产和农业生产可持续发展意义重大。

当前，国内外学者在气象因子对作物生产的影响方面研究颇丰。Darwin等[4]研究发现，气候变暖使得高纬度地区的可耕作面积有所扩增，有利于作物提高产量。而在低纬度地区，气候变暖加快水分蒸发使得土壤含水量减少，使粮食产量有所降低。Asseng等[5]研究表明，升温2 ℃会使小麦单产减少一半。Lobell和Field[6]构建了产量和气象要素一阶差分的回归模型，发现全球小麦产量与生育期最低、最高气温均呈负相关，且这种关系不受时间影响。郝立生等[7]采用生物学模型Logistic函数分离小麦趋势产量，发现近56年海河低平原地区冬小麦气象产量受春季气温和降水影响显著。李永华等[8]运用贝尔产量模式分离气象产量，探究了气象因子对重庆地区玉米产量的影响，发现1960-2001年重庆地区旱涝灾害对玉米产量有严重影响。陈霞燕等[9]在研究吉林省玉米生产潜力时发现降水量与玉米生产潜力呈正相关。以往关于气象因子对作物产量作用及影响的研究大都停留在较大尺度，针对辽宁省的研究较少且研究时间尺度较短无法反应现状，因此本文参阅已有研究方法及成果，分析长时间序列下(1960-2017年)辽宁省平均气温、日照时数和降水量的变化趋势，并在分析玉米气象产量变化趋势的基础上，研究不同生育期内各气象因子对玉米产量的影响关系，以期为合理利用气候因素以促进当地农业生产的发展等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与数据来源

辽宁省地处欧亚大陆东岸、东北三省南部，属温带大陆性季风气候，年日照时数1 800～2 400 h，平均气温6～10 ℃，年降水量200～1 000 mm。近年来，辽宁省变暖趋势越来越明显，是我国气候变化幅度最大的地区之一，其变暖程度远超过全球的增温水平。辽宁省是我国13个粮食主产区之一，其降水和日照资源十分丰富，且积温较高，气候条件非常适宜玉米的生长发育。省内玉米种植面积较广，2017年玉米播种面积2 179.7 hm2，占粮食总播种面积的68.08%[10-14]。

本文所需气象资料来自中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/wa)，包括1960-2017年辽宁省平均气温、日照时数、降水量等逐日气象数据。辽宁省玉米种植面积及总产量数据取自《辽宁省统计年鉴》，时间尺度为1998-2017年。为保证空间插值精度，选取辽宁省内分布均匀且连续性较好的23个气象站点进行分析。辽宁省地理位置及站点分布情况如图1所示。

图1 辽宁省气象站点分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Liaoning Province

1.2 研究方法

1.2.1 气象产量分离

在长时间序列作物产量与气象因子关系的研究中，一般把作物实际产量Y分解为趋势产量Yt、气象产量Ym和随机产量Ye3个部分[14]。计算公式如下：

Y=Yt+Ym+Ye

(1)

其中，Ye较小，一般忽略不计，则：

Ym=Y-Yt

(2)

此方法被广泛应用于作物气象产量的研究，因此本文根据公式(2)分离玉米气象产量。

1.2.2 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法是一种非参数统计检验方法，由于其样本分布形式多样并受突变值影响较小，因而常被用于计算类型变量和顺序变量。其操作方法及具体计算步骤如下：

对于时间序列Xt先构造秩序列Sk：

(3)

(4)

其次，计算统计量UFk：

(5)

其中，E(Sk)和Var(Sk)是秩序列Sk的期望和方差。本文借助MATLAB软件绘制UF和UB曲线，给定显著性水平α=0.05(u0.05=±1.96)，当曲线超过临界值线时，表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围确定为突变的时间区域。若两条曲线在临界线之间出现交点，则该点对应的时间为突变开始时间[15]。以此方法对近58年辽宁省主要气象因子变化趋势进行突变检验。

2 结果与分析

2.1 辽宁省气候变化趋势

2.1.1 平均气温变化趋势

1960-2017年辽宁省平均气温变化趋势及Mann-Kendall突变检验如图2、3所示，分析可知，近58年辽宁省平均气温以0.21 ℃/10 a的速率显著增长(p<0.05)。其中，最高值出现在2007年，为9.83 ℃；1969年为最低值6.97 ℃，二者相差超过3 ℃。由图3可知，1995年后UF曲线超过0.05显著性水平临界线，表明此增暖趋势开始显著。另外，由UF和UB曲线的交点可知1988年起增暖速率是突变上升的。此突变时间点与周晓宇[17]等研究结果总体一致，显著增暖变化时间点与其相差一年，这可能与所选气象站点数据资料有关。

图2 平均气温年际间变化趋势Fig.2 The annual variation trend of average temperature

图3 平均气温Mann-Kendall突变检验Fig.3 The Mann-Kendall mutation test of average temperature

2.1.2 日照时数变化趋势

1960-2017年辽宁省日照时数年际间变化趋势及Mann-Kendall突变检验如图4、5所示，分析可知，近58年辽宁省日照时数显著下降(p<0.05)，幅度达23.42 h/10 a，且在1982年发生突变。此突变发生时间与虞海燕等[18]分析所得的中国日照时数于1980年左右发生突变的结论一致。1993年开始UF曲线超过显著性水平0.05临界线，再次说明下降趋势十分显著。空气污染愈加严重造成气溶胶粒子浓度增加是导致日照时数减少的主要原因之一，另外低云量、水汽压等也有不同程度的影响[19]。

图4 日照时数年际间变化趋势Fig.4 The annual variation trend of sunshine hours

图5 日照时数Mann-Kendall突变检验Fig.5 The Mann-Kendall mutation test of sunshine hours

2.1.3 降水量变化趋势

由1960-2017年辽宁省降水量年际间变化趋势(图6)及其Mann-Kendall突变检验分析(图7)可知，近58年辽宁省降水量有多次较大幅度波动，但变化趋势并不显著，总体表现为以3.37 mm/10 a的速率减少。其中，1964年和2013年达到该序列峰值，两年降水量均高于1 000 mm。结合历史资料可知，2013年受“尤特”、“天兔”等台风的影响，8月中旬辽宁省北部地区降大到暴雨，局部地区降特大暴雨，累计过程最大点雨量为抚顺红透山站465 mm，由此引发的山洪灾害造成全省巨大损失[20]。另外，曲线在临界线内有多处交点，但只结合其年际间变化趋势无法确定是否发生突变。武晓航等[21]利用Pettitt突变检验法对1958-2008年辽宁省降水量序列进行分析，结果表明期间降水量并未达到显著突变上升或下降水平。说明近50年来辽宁省降水量未发生明显突变。

图6 降水量年际间变化趋Fig. 6 The inter-annual variation trend of precipitation

图7 降水量Mann-Kendall突变检验Fig.7 The Mann-Kendall mutation test of precipitation

2.2 辽宁省玉米产量变化趋势

从上文分析可知，总体上看，辽宁省近58年平均气温显著上升，而日照时数和降水量均呈下降趋势。玉米是喜光作物，在不同的生育期对于温度变化较为敏感，同时作为需水量较大的作物[22]，这样的气候变化必然会影响其产量。为进一步探究该气象条件对玉米生长的影响程度，本文基于辽宁省1998-2017年玉米总产量及播种面积等统计数据，运用5年线性调和滑动平均法绘制其单产量时间拟合趋势图，结果如图8所示。在此基础上分离出玉米气象产量，其年际间变化趋势如图9所示。

图8 1998-2017年辽宁省玉米趋势产量模拟Fig.8 The corn trend yield simulation in Liaoning Province from 1998 to 2017

图9 1998-2017年玉米气象产量年际间变化趋势Fig.9 The interannual trend of corn meteorological yield from 1998 to 2017

由图9可知，从总体上看，玉米单产量变化趋势并不明显，整体表现为以59.12 kg/10 a速率减少。其在年际间有很大波动，如1998-2000年单产量减少近7 000 kg/hm2。结合辽宁省气候变化情况，在此期间降水量和气温骤减，对玉米产量有很大影响。另外，21世纪前玉米单产量持续上升，2000年后增加幅度逐渐放缓。2000-2010年玉米总产量增产较快主要是由于种植面积的扩大，单产量的贡献并不突出。这与穆佳[23]的研究结果一致。另外，近20年来玉米气象产量相对离散，总体上以135.28 kg/10 a速率增加。从其绝对值来看，最高值为2 295.22 kg/hm2，出现在2000年；最低值为2.30 kg/hm2，出现于2006年，两者差值略大。同时，近20年气象产量处于±600 kg/hm2之间，仅有极个别年份超过此区间，说明1998-2017年玉米气象产量无显著变化趋势，再次证明气象产量的分布形式是随机离散的。

总的来说，近20年辽宁省玉米单产量在年际间波动较大，变化趋势并不明显；气象产量较为离散，总体呈上升趋势。

2.3 各气象因子对玉米产量的影响

2.3.1 玉米生育期的划分

为了研究各气象因子在玉米各生长时段对其气象产量的影响情况，本文依据实际生产经验，将辽宁省玉米生育期划分为：播种-出苗期(4-5月)、出苗-拔节期(5-6月)、喇叭口期(6-7月)、抽雄期(7-8月)和成熟期(8-9月)5个阶段[24]。运用SPSS软件，分析1998-2017年辽宁省玉米各生育期平均气温、日照时数及降水量与气象产量的相关性，结果如表1所示。

表1 玉米各生育期气象因子与气象产量相关系数Tab.1 Correlation coefficients of meteorological factors and meteorological yield in each growth period of corn

2.3.2 气温对玉米产量的影响

结合玉米气象产量与平均气温相关关系图(图10)及表1可知，从总体上看，平均气温与玉米气象产量呈负相关关系，其标准化回归系数为39.75，并达到显著水平(p<0.05)，说明平均气温对玉米产量影响显著。从各生育阶段看，喇叭口期和抽雄期是平均气温影响较大的时期，达到0.05显著性水平。玉米在此期间进行抽雄吐丝及灌浆，对温度要求较高。夏季温度过高不利于玉米的开花授粉及水分的积累，而适度低温天气有利于玉米生长发育进而实现高产。因此喇叭口期和抽雄期是平均气温影响辽宁省玉米气象产量的主要时段。另外，经统计分析，近16年(2000-2015年)时有极端高温天气，造成了玉米产量不同程度的减少[25]。尽管近20年(1998-2017年)玉米生育期内极端高温天气出现率不高，但其对玉米产量的影响不容忽视。近年来，气候变化导致辽宁省增温，极端高温天气的发生也越来越频繁，但极端低温天气的出现率相对降低。近20年未出现极端低温天气，其对玉米产量的影响有待深入研究。

图10 气象产量与平均气温相关关系Fig.10 The correlation between meteorological yield and average temperature

2.3.3 日照时数对玉米产量的影响

玉米气象产量与日照时数的相关关系如图11所示，其标准化回归系数为22.71，并达到显著水平(p<0.05)，说明日照时数对玉米产量影响显著。结合表1可知，除播种-出苗期外，其余各生长时段内日照时数与玉米气象产量均呈负相关。这是因为在播种-出苗期玉米生长需要大量日照以吸收养分，适当长时间日照和高强度辐射有利于玉米进行光合作用，提高净光合生产率，加快细胞内物质和能量的输送及转化，从而提高产量。此外，日照时数在喇叭口期对玉米气象产量的影响尤为显著(p<0.05)。当日照时数在2 000～2 300 h区间内变化时，对玉米气象产量产生正效应；当超出这个范围时则为负效应。这是由于当日照强度超过玉米的光饱和点时，光合速率会降低，并在气温的共同作用下消耗大量有机物和能量，不利于玉米的生长[24]。近58年辽宁省日照时数基本处于2 000～2 300 h之间，总体上有利于玉米生长。

图11 气象产量与日照时数相关关系Fig.11 The correlation between meteorological yield and sunshine hours

2.3.4 降水量对玉米产量的影响

结合表1及降水量与玉米气象产量相关关系图(图12)可以看出，玉米生育期间降水量对气象产量产生的正效应多于负效应。利用SPSS软件计算出降水量与玉米气象产量的标准化回归系数为6.50，并达到显著水平(p<0.05)，说明降水量是影响玉米气象产量的关键因子。除播种-出苗期降水量与气象产量的相关系数为负数外，其余各时段均为正数，说明玉米自播种至成熟整个生长过程期间对水分要求较高。充足的水分可以加快玉米体内的物质转换与运移，有益于玉米的生长发育，从而使其产量相应提高。喇叭口期其相关系数达到显著水平(p<0.05)，说明在此期间玉米对水量要求较高。雨水充足不仅有利于玉米高产，还会提升甜度及颗粒饱满度[24]。

图12 气象产量与降水量相关关系Fig.12 The correlation between meteorological yield and precipitation

3 结 语

本文分析了近58年(1960-2017年)辽宁省气候变化规律以及近20年(1998-2017年)玉米产量的变化趋势，并针对重叠周期内各气象因子对玉米产量的影响关系进行了分析，研究结果与前人研究成果基本保持一致。但对于近58年的历史气候变化对近20年的玉米产量的影响尚未深入；另外，通过分析可知，平均气温、日照时数及降水量对玉米产量有着显著影响，但尚不能全面地反映气候变化对玉米产量的影响关系。下一步应综合考虑风速、湿度等其他气象因子以及研究区自然条件和人类活动等因素的影响，深入研究长时间序列下的历史气候变化对近年来玉米产量的影响关系。本文主要研究结论如下：

(1)从气候变化趋势方面来看，近58年辽宁省平均气温以0.21 ℃/10 a的速率显著增长(p<0.05)，且1995年后此趋势十分显著(p<0.05)；日照时数显著下降(p<0.05)，达23.42 h/10 a，1993年后这种趋势逐渐显著(p<0.05)；降水量减少速率为3.37 mm/10 a。

(2)从玉米产量变化方面来看，近20年辽宁省玉米单产量变化趋势并不明显，整体表现为以59.12 kg/10 a速率减少，但年际间仍有很大波动；气象产量相对离散，总体呈上升趋势。

(3)从各气象因子对玉米产量的影响来看，玉米生育期内平均气温与气象产量呈负相关关系；日照时数与气象产量总体呈负相关关系(播种-出苗期除外)；降水量对气象产量产生的正效应多于负效应。三者对玉米产量均有显著影响(p<0.05)且喇叭口期为主要影响时期。