河北省玉米高温热害的时空特征及变化趋势分析

代立芹，王 猛，董航宇，康西言，李春强

（1.河北省气象科学研究所/河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄 050021；2.唐山市气象局,河北 唐山 063000）

高温热害是玉米生长期间常见的农业气象灾害。受气候变暖的影响，高温事件频繁发生，对玉米生产的影响日益加重［1-4］。河北省既是玉米生产大省，也是高温热害多发区域［5］。近年来，高温热害频繁发生，如2013、2017、2018年均出现了高温热害，造成了玉米不同程度的减产，高温热害逐渐成为影响玉米生产的重要农业气象灾害之一。因此，科学地分析气候变化背景下高温热害的时空分布特征及其变化规律，对防御和降低高温热害所造成的不利影响具有重要意义。

有部分学者对玉米高温热害的分布特征及其变化规律进行了研究［6-9］，也有学者对未来气候情景下温度条件对玉米生长的影响［10-13］、高温灾害风险［14］等进行了分析，主要针对的是夏玉米花期高温热害，缺乏对玉米拔节期和灌浆期高温热害的相关研究。在分析高温热害和气象要素变化趋势时，多采用线性分析方法得到线性趋势或线性倾向率，但由于气候系统具有不连续性、阶段性、跳跃性的特征，采用线性趋势或气候倾向率的方法无法预测未来的变化趋势和转换点。

目前，关于河北省玉米高温热害的研究主要针对河北省中南部夏玉米花期的高温热害变化规律［7-9］，缺乏对北部春玉米拔节期—灌浆期的高温热害研究，同时存在时空尺度过大、缺乏未来变化趋势的定量化分析等问题。河北省玉米拔节—灌浆期均为高温热害多发期［5］，随着气候变暖，高温致灾因子发生了显著变化，因此了解高温热害及其致灾因子的变化趋势对我们科学地认识高温热害的演变规律和合理安排玉米生产具有重要意义。因此，笔者利用河北省142个气象站的逐日气象资料和农业气象观测站的玉米生育期观测资料，采用线性分析、Mann-Kendall(M-K)趋势检验、R/S分析和非周期循环分析等多种方法，全面地分析了河北省玉米拔节—灌浆期的高温热害及其致灾因子的时空分布特征、变化规律和未来变化趋势，以期为适应气候变化、防御和减轻高温危害提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

河 北 省 位 于113°11′～119°45′E、36°05′～ 42°37′N之间，地处春玉米和夏玉米种植的交错带。张家口和承德2市坝下、秦皇岛北部、保定西北部地区是春玉米的主要种植区；秦皇岛和唐山2市的中南部为春玉米和夏玉米种植的过渡区，近年来，以种植夏玉米为主；其他地区是夏玉米的主要种植区。

1.2 数据来源

选取玉米种植区142个气象站1971—2020年的逐日气象资料(包括平均气温、日最高气温、日最低气温等)；26个农业气象观测站1981—2020年的玉米生育期观测资料。资料来源于河北省气象局。

1.3 研究方法

1.3.1 高温热害的评估指标

1.3.1.1 高温热害等级与强度的计算依据代立芹等［5］关于玉米拔节—灌浆期的高温热害指标(32 ℃以上日高温时长达4 h和5 h以上累积出现的天数和积温、日最高气温33 ℃以上累积出现的天数)进行高温热害的判识及其强度和等级的计算。

1.3.1.2 高温热害发生概率的计算采用偏度系数、峰度系数对数据序列进行正态分布检验，对不遵从正态分布的序列进行偏态分布正态化处理［15-16］后，以新的均值和方差进行概率估算。

1.3.2 高温热害的变化趋势分析

1.3.2.1 M-K趋势检验和突变分析M-K趋势检验属非参数检验法，适用于类型变量和顺序变量，其标准化统计量Z值的正、负反映了要素上升或下降的变化趋势，当显著性水平为0.1、0.05、0.01时，Z1-α/2分别为1.28、1.64、2.32；通过分析要素顺序，统计曲线UF、逆序统计曲线UB和要素累积距平值的变化情况，可找到要素序列的突变点［17］。

1.3.2.2 R/S分析和非周期循环分析R/S分析又称重标极差分析，其Hurst指数H值能反映未来变化的总体趋势与过去的变化趋势之间的关系。H=0.50表示序列是完全独立的随机过程，未来与过去没有关系；H=1.00表示序列具有较强的自相似性，是一条直线；0.50＜H＜1.00表示未来的变化趋势与过去的变化趋势一致；0.50＜H≤0.55、0.55＜H≤0.65、0.65＜H≤0.75、0.75＜H≤0.80、0.80＜H＜1.00则分别表示趋势的持续性很弱、较弱、较强、强、很强；0＜H＜0.50表示未来变化趋势与过去相反，0.45≤H＜0.50、0.35≤H＜0.45、0.25≤H＜0.35、0.20≤H＜0.25、0＜H＜0.20则分别表示反持续性很弱、较弱、较强、强、很强。通过检验R/S稳定性的统计量V可以判断序列是否有非周期性循环，并能测定出其平均循环长度，即过去趋势对未来趋势影响的时间长度［18］。

2 结果与分析

笔者依据玉米各生育期的平均起止日期［19］，统计并分析了142个气象站1971—2020年玉米拔节—灌浆期高温热害的站次、强度以及灾情的等级和发生概率。

2.1 高温热害的时间演变特征

1971—2020年玉米拔节—灌浆期高温热害的站次和强度的分析结果显示，春玉米区以抽雄期高温的站次和强度最大，拔节期次之，灌浆期最小；夏玉米区以拔节期高温的站次和强度最大，抽雄期次之，灌浆期最小，这与玉米生长期间高温热害致灾因子的时间分布特征一致。

由图1可知：春玉米区7月中下旬为致灾因子的高值期，此时正值玉米的抽雄开花期；6月下旬—7月上旬为致灾因子的次高值期，此时正值玉米的拔节期；6月上中旬为致灾因子的中值期，此时正值玉米苗期；其他时段的致灾因子值相对较低。夏玉米区6月中旬—7月上旬为致灾因子高值期，此时正值玉米苗期；7月中下旬为致灾因子的次高值期（受汛期降水较多影响，极端高温天气减少），此时为玉米的拔节—抽雄初期；6月上旬和8月上中旬为致灾因子的中值期，分别为玉米的播种初期和抽雄开花—灌浆初期；其他时段的致灾因子值相对较低。玉米的生殖生长阶段［20］对高温热害比较敏感，苗期受致灾因子的影响较小，因此春玉米区、夏玉米区高温热害的主要危害时段分别为6月下旬—7月下旬、7月中旬—8月上旬。

图1 玉米生长期的逐旬高温热害的时间演变特征

对不同年代的高温热害的站次和强度分析显示（图2），春玉米区1971—1990年的高温站次较少；1991—2000年的高温站次明显增多。从逐年变化情况来看，1999年开始显著增多，以抽雄期增幅最大，拔节期次之，灌浆期最小；2001—2010、2011—2020年的高温站次基本一致，均少于1991—2000年的，但明显多于1971—1990年的；高温强度以拔节期上升较为明显，抽雄和灌浆期无明显变化。夏玉米区1971—1990年的高温站次相对较少；1991—2000年的高温站次明显增多，从逐年变化情况看，1997年开始显著增多。以拔节期增幅最大，抽雄期次之，灌浆期最小；2001—2010年的高温站次有所减少，2011—2020年又有所增加，其中2011—2020年与1991—2000年的高温站次相当；高温强度以灌浆期上升最明显，拔节和抽雄期无明显变化。

图2 玉米拔节—灌浆期的高温站次和强度的年代变化特征

M-K、R/S和非周期循环分析显示(表1)，拔节—灌浆期的高温热害站次和强度均随年代的变化而呈上升趋势，以夏玉米的高温站次上升最明显。各阶段高温热害站次和强度的H值均≥0.65，未来变化趋势与过去变化趋势一致，即呈上升趋势，且趋势持续性强或很强。高温站次和强度的平均循环长度相同，春玉米拔节、抽雄和灌浆期的平均循环长度分别为10、11、12 a，即未来上升趋势将持续10～12 a；夏玉米拔节、抽雄和灌浆期的平均循环长度分别为8、10、10 a，即未来上升趋势将持续8～10 a。

表1 玉米拔节—灌浆期的高温站次和强度的年代变化趋势

2.2 高温热害的空间演变特征

不同年代高温热害的分布区域分析显示（图3），1971—1980年高温热害仅出现在邯郸、邢台2市的局部地区；1981—1990、1991—2000年主要出现在承德局部地区、廊坊南部、保定东南部及其以南地区；2001—2010年则主要出现在邯郸、邢台、衡水3市的大部地区，石家庄东部地区，保定和张家口局部地区；2011—2020年出现在廊坊中南部、保定东南部及以南地区。总体上，以邯郸和邢台2市的中东部、衡水西部和南部、石家庄东南部地区为高温热害多发区。

图3 不同年代玉米拔节—灌浆期高温热害总站次的空间分布特征

对玉米不同生育阶段各区域高温热害发生的概率和强度分析显示，春玉米拔节—灌浆期高温热害主要发生在张家口、承德2市中部的怀来、涿鹿、宣化、承德县、滦平等地，概率多在6%以下，以轻度热害为主。夏玉米拔节期高温热害以邯郸和邢台2市的中东部、衡水、石家庄东部、保定东南部、沧州西部的发生概率较大，为6%～19%；抽雄期以邢台和邯郸2市的中东部、衡水南部、石家庄东部的发生概率较大，为6%～12%；灌浆期以石家庄、邢台、邯郸地区的发生概率较大，为4%～8%，上述区域也是中度以上热害的主要发生区域；其他区域的发生概率较低，以轻度热害为主。

2.3 高温热害的气候致灾因子分析

高温热害的致灾因子突变分析显示，不同玉米的生长发育阶段的致灾因子突变特征有所差异，但拔节—灌浆期的致灾因子累积值突变规律基本一致，以32 ℃以上高温时长为例(图4)，各因子均在1971—1995年出现多次弱的突变，低值期与高值期交替，并以低值期为主；在1996年出现明显的突变，之后各因子进入高值期，这是春玉米区1999年、夏玉米区1997年开始出现高温热害站次明显增多的原因。

图4 高温热害的致灾因子M-K突变及其累积距平分析

分析显示，1971—2020年玉米生长期间的逐旬高温热害的致灾因子均随年代的变化而呈上升的趋势，且H值均大于0.5，其中，春玉米区6月下旬—7月上旬、7月下旬—9月上旬，以及夏玉米区7月上旬、7月下旬—9月上旬均显著上升且H值大于0.65，春玉米区和夏玉米区致灾因子的平均循环长度分别为8～13、7～12 a。可见，6月下旬—9月上旬大部分时段的致灾因子显著上升，且未来10 a 左右仍呈上升趋势。受此影响，玉米拔节—灌浆期高温热害的致灾因子、站次和强度在过去50 a和未来10 a左右呈上升趋势(表2)，并以夏玉米区的上升趋势较为明显；春玉米区由于气候原因，其致灾因子的基数较低，虽然致灾因子的上升趋势明显，但是大部分地区尚未达到高温热害指标的标准，因此，高温站次和强度的上升趋势未达显著水平。

表2 拔节—灌浆期的高温热害致灾因子的年代变化趋势

3 小结与讨论

（1）春玉米区位于河北北部热量相对较低的区域，高温热害的概率、站次和强度均低于位于中南部热量相对较高的夏玉米区。春玉米区6月下旬—7月下旬为高温热害的主要危害时段，以抽雄期高温热害的概率和强度最大，拔节期次之，灌浆期最小，张家口、承德2市的中部为高温热害的多发区域。夏玉米区7月中旬—8月中旬为高温热害的主要危害时段，以拔节期高温热害的概率和强度最大，抽雄期次之，灌浆期最小，邯郸和邢台2市的中东部、衡水西部和南部、石家庄东南部地区为高温热害的多发区域，这与玉米生长期间的热量时空分布特征［21］基本一致。

（2）受气候变暖影响，在过去的50 a，河北省玉米生长期间6月下旬—9月上旬大部分时段的高温热害的致灾因子随年代的变化而显著上升，导致玉米拔节—灌浆期高温热害致灾因子显著上升，高温热害站次和强度也呈上升趋势，以夏玉米区上升较为明显，这与刘哲等［7-8］的研究结论一致。

（3）拔节—灌浆期高温热害的致灾因子累积值在1996年出现了明显的突变，之后各致灾因子进入高值期，受其影响，拔节—灌浆期的高温热害总站次在1996年之后出现了明显的增加。

（4）6月下旬—9月上旬大部分时段的高温热害致灾因子在未来10 a左右呈现明显的上升趋势，导致拔节—灌浆期高温热害致灾因子、站次和强度在未来10 a左右呈现较强的上升趋势，高温热害的风险增加，这体现了未来气候变暖对玉米生产带来的不利影响，与张勇等［11-14］得出的未来高温热害风险增加的研究结论一致。