吉林省干旱对玉米产量的影响分析

刘玉英 李宇凡 王丽伟

（1.吉林省气象信息网络中心，吉林长春 130062；2.吉林省气候中心，吉林长春 130062）

1 引言

近年来，受全球气候变暖影响，吉林省气候趋于暖干化[1]，干旱频率趋于增加，并成为制约农业增产的主要气象灾害[2]。 如1989 年和1997 年，春旱连夏旱造成粮豆减产分别达35 亿公斤和50 亿公斤以上。 2007 年夏季全省持续高温少雨，出现的大范围、高强度的严重干旱仅次于1997 年。 对于吉林省“靠天吃饭”的农业种植制度，掌握干旱变化规律，规避干旱风险，减轻灾害损失，对于粮食增产更为重要。

国内外有关干旱时空变化规律的研究较多，但针对吉林省的研究较少[3-6]，对干旱的分析侧重在降水量方面。刘玉英等[7]利用农田水分平衡方程建立了春旱和夏旱的干旱指数， 确定了春旱和夏旱的分级标准， 分析了全省春旱和夏旱的时空分布规律。本文在此基础上，进一步分析了春旱和夏旱对吉林省玉米产量的影响，为防灾减灾、趋利避害提供科学依据。

2 资料与方法

2.1 资料来源

1951—2014 年吉林省46 个气象站的逐日气温、降水、水汽压、风速数据来源于吉林省气象档案馆；1951—2014 年全省各县（市）玉米产量数据来源于吉林省农委。

2.2 方法

干旱指数用0—20cm 深土壤水分盈亏量W来表示，W 为负表示干旱，W 为正表示不旱。 具体的计算方法见参考文献[7]。

3 建立干旱对产量影响评估模型

3.1 产量资料的处理

由于吉林省旱田作物以玉米为主， 所以本产量评估模型建立的是干旱对玉米产量影响的评估模型。首先对玉米产量序列进行处理，把实际单产分解为时间趋势产量和气象产量，即：

式中，Y为实际单产；Yt为时间趋势产量；Yw为气象产量。模拟趋势产量的方法很多，本文采用分段直线回归法。 气象产量看成是由气象要素综合作用的结果。将气象产量除以趋势产量，就可得到相对气象产量：

3.2 干旱年的提取

首先利用干旱指数提取历史上的干旱年份。当某年春季干旱指数W1≤-10mm 时，该年就作为春季干旱年份提取出来， 这样就建立了全省各站春旱年份的时间序列。 当某年夏季干旱指数W2≤-30 mm 时，该年就作为夏季干旱年份提取出来， 这样也建立了全省各站夏季干旱年份的时间序列。实际上在上面提取的干旱年份中，有一些年份既发生了干旱，也出现了其他灾害，如洪涝、低温冷害、霜冻、冰雹、大风等，这些灾害也对产量造成了不同程度的影响。 由于本文研究的是干旱对产量的影响， 所以为使建立的模型客观反映干旱单方面对产量的影响，应该对产量资料进行处理，即在每年的单产中减去其他灾害对产量的影响后，再与干旱指数求关系模型，从而得到干旱对产量影响的评价模式。但问题是到目前为止，尚未有其他灾害对产量影响的定量化模式， 因而也无法真正从最终产量中减去其他灾害对产量的影响。为解决这个问题， 本文考虑选择只发生干旱的年份来建模型。 即从1951—2014 年的干旱年份里，去掉其他灾害的年份， 用剩余年份的干旱指数同产量建立模型。 为保证一定的干旱年份的样本数量使建立的模型具有一定的可信度， 决定对其他气象灾害， 只考虑影响面积较大同时引起明显减产的，这样的灾害主要是洪涝和低温冷害。

对于洪涝年，本文采用文献[8]的指标分别计算了春季洪涝频率和夏季洪涝频率。 对于低温冷害年， 一般冷害指标和严重冷害指标均采用文献[8]的指标。出现一般冷害年时，作物生长发育期延长，后期如果霜冻出现得晚，还可以使作物成熟，不会引起减产；如果霜冻早，贪青晚熟的作物难以成熟，会引起明显减产。所以在计算一般低温冷害年时，加入了霜冻害这一限制因子。霜冻害的计算方法采用文献[8]的研究成果，用稳定通过10℃的活动积温达到某种作物所需要的积温以前， 日最低气温出现0℃时，作为发生霜冻害的指标。 这种利用一般冷害指标加霜冻指标、 严重冷害指标来剔除冷害年。 由此分别提取出了以干旱为主的春季干旱和夏季干旱年份。

3.3 建立干旱对玉米产量影响评价模式

首先建立夏旱对玉米产量影响评价模式。 由于有的站干旱年份少，样本代表性差，难以建立可信度较好的统计模型， 这样本文选择干旱年数在5 年以上的站建立夏季干旱指数与玉米气象产量的回归模型。从物理意义上说，水分条件与产量的关系呈近抛物线型。即当水分过多时，产量是较低的；随着水分的逐渐减少，产量逐渐增加；当逐日水分累计量开始亏损时，产量接近最大值；之后随着亏损量的增加，产量又逐渐减少。根据水分与产量的这种关系，本文用一次、二次或三次曲线来拟合， 得到各站的夏季干旱指数与玉米产量的曲线回归模型（表1）。 因篇幅所限，表1 中仅列出部分站点的模型。可见，吉林省西部地区的夏旱对产量影响模型是线性的。说明在西部地区，当夏季出现轻旱时， 产量基本上随水分累计亏缺量的增加呈线性减少的趋势。 这与西部地区生产力水平低及水资源状况差直接相关。 其他地区的夏旱对产量影响模型大多呈二次或三次曲线型。 本文计算了这些模型的峰值点处的干旱指数值，见表2。

表1 夏旱对玉米产量影响模型

由表2 可见， 大多数站点的模型峰值点的干旱指数在-60～-110mm， 即当水分开始发生亏缺时，随着亏缺量的增加，这些站点的产量呈增加趋势。 当水分亏缺量接近中等干旱或达到中等干旱时，产量达最大值。 之后随着水分亏缺量的增加，产量呈减少的趋势。 究其原因中部地区是吉林省重点产粮区，也是生产力水平最高的地区，当轻、中度干旱发生时，可采取灌溉等措施来补充水分，同时少雨常伴随高温，在良好的热量条件下，经灌溉的农作物往往长势好于常年，产量也就比较高。对于东南部地区， 发生夏旱的频率低， 而且以轻旱、中旱为主，制约粮食增产的主要因子是热量条件的不足，而夏季干旱常常伴随着高温，热量条件的充足在一定程度上弥补了水分条件的不足，最终促成高产。

表3 为各站夏旱对产量影响模型计算的多年平均相对气象产量与实际多年平均相对气象产量的对比。 因篇幅所限， 表中仅列出部分站点的模型。由表3 可见，大部分站的模型产量相对误差在5%以下。 若以相对误差在5%以下为容许误差范围，那么拟合正确率在78%。说明本文所建的这些模型可以用来评价夏季不同程度干旱年份的产量。 由表3 中的实际产量可见，在西部地区，当出现严重夏旱时， 各地均是减产的， 相对气象产量在-12.2%～-22.2%，镇赉减产幅度最小，乾安减产幅度最大，西部地区平均相对气象产量为-16.6%。当出现中等夏旱时， 西部地区除大安气象产量为负，在-2.4%外，其他地方均为正，松原为0.6%，洮南、乾安在2.0%～2.4%，其他地方在5.0%～9.3%，西部地区平均为3.9%。 当出现轻度夏旱时，西部地区除前郭的相对气象产量为负， 即-2.0%外，其他地方均为正，洮南、松原在0.3%～0.5%，大安、乾安在1.7%～1.8%，其他地方在4.9%～11.5%，西部地区平均为3.4%。 从西部地区发生严重、中等、轻度夏旱年的平均相对气象产量看， 减产主要以严重夏旱为主，而中等夏旱和轻度夏旱是增产的，增产幅度相近。 其他站点的中等和轻度夏旱年的平均相对气象产量大多是增加的， 重旱年大多是减少的，但各站的增、减幅度不同。

在计算春旱对玉米产量影响评价模式时，去掉洪涝、低温冷害年的同时，也去掉了轻度程度以上的夏旱的年份。因为当某一年既发生春旱，又发生夏旱时，夏旱对产量的影响要大于春旱。经上述剔除过程， 东南部地区大部分地方发生单纯性春旱的年份在5 年以下，样本太少，难以建立统计模型。 这样本文建立了单纯性春旱的年份在5 年以上地方的春旱对产量影响模型。 能够达到5 年以上单纯性春旱的站主要分布在中西部地区， 这些地区也是吉林省春季干旱发生频率最高的地方。先进行春季模型计算的相对气象产量与实际相对气象产量的对比，拟合确率为94%，比夏旱产量模型的拟合确率高。这是由于在所选的春旱年份中，没有夏涝、 冷害、 夏旱这些对产量影响大的灾害年， 这些春旱年份在作物生长发育关键期气象条件没有明显异常，因而其产量也没有太大差异，拟合误差不大。 这同时也说明春季干旱对最终产量的影响要小于夏旱。

表2 模型峰值点的夏季干旱指数

4 干旱出现时段对夏旱年玉米产量的影响分析

由以上分析可见， 春旱对最终玉米产量影响不大。 下面分析夏旱（已经排除了洪涝和冷害，下同）出现时段对玉米产量的影响。

在玉米的整个生育期中， 对产量影响最大的是玉米需水临界期干旱。 为此本文进行了玉米需水临界期（7 月中旬至8 月上旬）干旱对产量的影响分析。

4.1 白城、松原地区

对白城、松原地区来说，自建站至2014 年共有109 站次出现轻旱，其中有57 站次产量是减少的（占52%）。同时在这109 站次中有29 站次的干旱是发生在玉米需水临界期。在这29 站次的需水临界期干旱中， 有17 站次产量是减产的 （占59%）。 也就是说，当发生轻旱时，其发生时期即使是处于需水临界期，减产频率也没有明显增加。

对于中等程度干旱， 西部地区出现56 站次，其中有48 站次出现在需水临界期， 发生频率达86%。 说明当夏季出现中等程度干旱时，由于旱期持续时间较长，通常都经过需水临界期。从减产的站次看，56 个站次中有29 站次是减产的，占52%。

对于严重干旱，西部地区出现61 站次，而且均出现需水临界期干旱。 其中有42 站次是减产的，占69%。

可见，当西部地区出现严重夏旱时，同时也出现需水临界期干旱，将对产量构成明显不利影响。发生轻旱或中等程度干旱时， 即使干旱出现在需水临界期，也未对产量构成明显不利影响，产量丰歉还取决于该年作物各发育期的气象条件和生产管理情况。

表3 夏旱模型计算气象产量与实际气象产量对比（%）

4.2 长春、四平、辽源地区

对于长春、四平、辽源地区，自建站至2014 年共有104 站次出现轻旱，其中41 站次产量是减少的（占39%）。 在这104 站次轻旱中，有31 站次出现玉米需水临界期干旱，其中有12 站次产量是减少的（占39%）。可见当中部地区发生轻旱时，其干旱发生时期对最终产量影响不大。

对于中等程度干旱， 中部地区共发生38 站次，其中有33 站次出现玉米需水临界期干旱。 即当中部地区夏季出现中等程度干旱时， 一般都经过需水临界期，这一点与西部地区相同。从减产的站次看，38 个站次中有13 站次是减产的，占34%。

对于严重夏旱，共发生27 站次，而且均出现需水临界期干旱，这一点也同西部地区相同。其中有17 站次是减产的，占63%。 可见对于中部地区来说， 干旱所引起的减产主要表现在夏季出现严重干旱时，同时也发生需水临界期干旱。但是因严重夏旱引起的减产频率要小于西部地区。

4.3 吉林、通化、延边地区

对于吉林、通化、延边地区，自建站至2014 年共有86 站次出现轻旱， 其中25 站次产量是减少的（占29%）。在这86 站次轻旱中，有31 站次出现玉米需水临界期干旱，其中有12 站次产量是减少的（占39%）。 可见当东南部地区发生需水临界期轻旱时，减产频率有所增加。这一点与中西部地区不同。

对于中等程度干旱，东南部地区共发生33 站次，而且均出现玉米需水临界期干旱，这一点与中西部地区相同。 从减产的站次看，33 个站次中有12 站次是减产的，占36%。

对于严重夏旱，仅发生8 站次，均出现需水临界期干旱。 可见吉林、通化、延边地区出现严重夏旱的可能性很小。

综上分析可见，对于中西部地区，发生在作物需水临界期的轻旱致作物减产的频率并不高于发生在其他时期；对全省来说，当发生中等程度以上的夏旱时，往往也出现作物需水临界期干旱；发生中等程度夏旱的减产频率， 并不比发生轻度夏旱的减产频率高；当发生严重夏旱时，减产频率有明显增加。

5 小结

（1）通过建立夏旱对产量影响评估模型，发现吉林省西部地区的夏季干旱与产量之间呈线性关系，气象产量随夏季干旱程度的增加而减少；其他地区夏旱与产量大多呈二次或三次曲线关系，当干旱指数接近或达到中等干旱时， 气象产量达到峰值点。

（2）通过建立春旱对产量影响评价模型，发现春旱不是影响气象产量的主要因素，无论是轻旱、中等旱还是重旱，最终对气象产量影响不大。

（3） 通过分析当年干旱出现时段对产量的影响发现，对于中西部地区，发生在作物需水临界期的轻旱致作物减产的频率并不高于发生在其他时期；对全省来说，当发生中等程度以上的夏旱时，往往也出现作物需水临界期干旱； 发生中等程度夏旱的减产频率， 并不比发生轻度夏旱的减产频率高。

（4） 由于本文所建模型仅排除了洪涝和低温冷害（加霜冻）的影响，其他人为等因素未考虑，故一些站点的干旱对产量影响评价模型通不过信度检验。 若加入灌溉因子，模型更准确一些。 但灌溉量是最不易被模型化的因子，它与生产力水平、政府决策着重点等都有关系， 所以用干旱指数作为因子不可能精确评价最终产量的高低。 今后有必要加强农作物生长发育过程中的生理因子及环境因子不断变化所引起的一系列物理、 化学过程的研究，使评价产量更准确。