宁夏春小麦干热风变化特征与影响因素分析及预测

2023-10-10李鑫龙谭军利董立霞王西娜

干旱地区农业研究 2023年5期

李鑫龙,谭军利,2,3,董立霞,王西娜

(1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川 750021;2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,宁夏银川 750021;3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,宁夏银川 750021;4. 宁夏大学农学院,宁夏银川 750021)

宁夏位于中国西北内陆,属典型大陆性气候,最南端的六盘山区属半湿润区,卫宁平原以北属干旱区,其他地区为半干旱区。小麦是宁夏灌区重要的粮食作物之一,宁夏地区小麦产量达34.6万t,占粮食总产量的9%。干热风是造成宁夏春小麦减产甚至绝产的主要气象灾害。因此,研究宁夏干热风灾害变化特征及干热风气象的预测和预防是宁夏春小麦生产上亟需解决的问题。

目前,针对干热风形成机理与变化规律取得了一定的研究成果。肖登攀等[1]认为,由于气候变暖,中国北方春小麦物候发生了显著变化,春小麦的开花期和成熟期提前平均1.8 d和1.7 d,而品种转换和播种日期调整都可能是适应春小麦对气候变暖的战略;Zhao等[2]发现平均最高温度对春小麦重点物候期的影响大于平均最低温度,其次是相对湿度和太阳辐射。最不敏感的气候因素是降水、风速和参考作物蒸散量。Ortiz等[3]提出了减缓气候变化对小麦产量影响的方法。

在气候变暖的背景下,我国大部分地区的干热风天气日数在20世纪80～90年代出现突变,近30年来总体上呈加重和扩大趋势[4]。武万里等[5]研究发现,1961—2004年引黄灌区春小麦干热风次数呈增加趋势,干热风发生区域呈扩大趋势;由于气候偏暖造成干热风影响的时段也相应提前。喇永昌等[6]通过分析宁夏地区1981—2014年小麦干热风的时空变化,认为春小麦干热风日数呈上升趋势,在1995年发生突变,干热风天气过程在2008年之前呈扩大趋势,之后呈减小趋势。刘静等[7]提出了春小麦青枯型干热风发生的气象指标,以及适时播种、化学制剂处理、适量灌水等农业防御措施。上述研究对干热风对小麦籽粒影响的类型与指标、形成原因、防御技术与应对策略等方面均具有指导作用[8-9]。然而,针对宁夏不同地区干热风发生的时空变化规律以及热风气象的预测研究仍显不足。

本研究利用近40年的气象资料,结合宁夏不同地区春小麦生长周期,选取春小麦受干热风天气影响的关键生育期时段,依据干热风气象灾害标准,统计分析宁夏不同区域干热风的时空变化规律,构建了各地区基于气象因子的干热风天数预报模型,以期为区域性春小麦高产稳产与干热风气象灾害的预防和预报提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

根据地貌、气候、植被和农业生产类型来看,宁夏可划分为三大农业生态类型区,即引黄灌区、中部干旱区和南部山区,见图1(见286页)。本文统计了宁夏春小麦主要种植区12个气象站(表1)1980—2019年春小麦生长发育期平均气温T、最高气温Tm、平均相对湿度F、最小相对湿度Fn、平均风速U、平均日照时数S、累积降水量R等气象数据,并依据干热风气象灾害标准整理了宁夏各地区干热风过程及年型。气象数据来源于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn)。

图1 宁夏农业生态区分布Fig.1 Distribution of agro-ecological regions in Ningxia

表1 宁夏各气象站站点及经纬度信息Table 1 Meteorological stations and latitude and longitude information in Ningxia

表2 宁夏各地区春小麦生育期(m-d)Table 2 Growth period of spring wheat in various regions of Ningxia

1.2 干热风判别标准

根据于培彦、雷水玲等的研究[10-11],宁夏灌区干热风多发生在6月中旬—7月中旬之间,干热风致使小麦的扬花、成熟期提前、生育期缩短,灌浆中后期至籽粒成熟前期受危害更重,导致产量降低。早期国内对干热风的研究形成了普遍流行的“三三”制指标[12-13];在此基础上,刘静等[14-15]运用产量逐级分离模拟、聚类分析等统计学方法,确定了宁夏引黄灌区春小麦干热风、雨后青枯型灾害等级判别指标。

依据宁夏干热风气候特点及危害实质,确定干热风指标为:春小麦扬花期、乳熟中后期至蜡熟期,当日最高气温Tm≥32℃、14∶00相对湿度r14≤30%、风速v14≥2 m·s-1,确定为一个轻型干热风日;若Tm≥34℃,r14≤25%,v14≥3 m·s-1,则确定为1个重型干热风日。干热风日数为轻型干热风日数与重型干热风日数的总和。若连续出现2 d以上轻型干热风日、出现1 d重型干热风日或连续2 d 一重一轻型干热风日为1次轻干热风过程,若轻型干热风日持续4 d以上,或连续2 d重型干热风日为1次重干热风过程。在1次干热风过程中有不连续2 d重干热风日,或一重二轻干热风日也为1次重干热风过程。干热风天气过程次数为重干热风过程和轻干热风过程的次数总和。1次降雨过程累积降水量R≥7 mm,雨后2～3 d内最高气温Tm≥29℃,则为1次轻度青干过程。若1次降雨过程累积降水量R≥20 mm,雨后2～3 d内最高气温Tm≥32℃,记为1次重度雨后青枯型过程。

1.3 宁夏各地区春小麦生育期划分

资料来源于宁夏各气象站点已观测记录的春小麦生育期资料,经汇总和加权平均,给出一个经验性确值,便于各农业生态区和各年代间进行分析比较,同时也能较好反映当地春小麦生长实际情况。

1.4 数据处理

Mann-Kendall非参数检验法被广泛应用于气候、水文分析中,它具有不要求样本遵从一定的分布、也不受少数异常值干扰的优点,更适用于时间序列变化分析[16-18]。

本文采用MK检验方法检验各地区干热风天数变化趋势并判定突变点,在MK突变检验曲线中,若UF(k)(顺序秩序列统计量)在临界区间内变化,说明这组时间序列变化不明显;若UF(k)曲线在临界区间之外,则说明这组时间序列具有明显的增长或下降趋势[19]。采用GIS分析方法分析干热风空间分布特征及变化规律;利用反距离权重空间插值法对宁夏地区年均干热风天数拟合,同时利用国家地理空间数据云下载的DEM高程数据进行空间插值分析干热风发生与海拔高程的关系;用Pearson’s相关性分析方法分析干热风的影响因素,用多元回归方程方法构建干热风预测模型。

2 结果与分析

2.1 宁夏干热风空间变化特征分析

根据整理的数据发现,宁夏地区12个气象站点40年的春小麦灌浆期内共计发生干热风天气1 486 d,其中重型干热风天气213 d,干热风气象过程415次(其中重型干热风气象过程33次)。宁夏各地区干热风天数变化差异较大,其中引黄灌区北部的惠农、陶乐以及中部干旱区的中宁、同心发生干热风的天数较多,总天数在200 d左右,也是轻重型干热风气象过程出现最频繁的地区,总数在60 d左右,其中同心40年总干热风天数达到了276 d,年均6.9 d,干热风气象过程共出现97次,年均2.4次;而南部山区海源、固原受干热风天气影响较小,西吉、六盘山甚至没有干热风出现。从干热风年型来看,轻型以上干热风年在同心地区每2.4年一遇,中宁、陶乐、惠农地区每3年一遇,吴忠、银川、盐池地区每4年一遇,中卫地区每5.7年一遇(图2)。对各气象站干热风年均天数与通过国家地理信息系统得到的宁夏DEM海拔高程数据进行空间插值分析,对比发现年均干热风天数的分布受海拔因素影响较大,高海拔地区年均干热风天数较少;年均干热风天数较多的区域集中于低海拔的环山区(图3)。

注:等值线数字表示年均干热风天数,下同。Note: Contour numbers represent the average number of dry-hot wind days per year. The same below.图3 宁夏地区DEM数据海拔图及干热风年均天数GIS统计图Fig.3 Elevation map of DEM data and GIS statistic map of annual average days of dry-hot wind in Ningxia

分析宁夏地区干热风空间变化(图4,见289页),发现中宁、中卫、银川、惠农和同心地区干热风天数呈增加趋势,陶乐、盐池、吴忠地区干热风天数近年来有减少的趋势;干热风影响最大的地区逐渐从北部地区转移到中部地区,但影响范围逐渐扩大,说明干热风总体分布情况在空间区域上有范围扩大和重心逐渐南移的趋势,也就是说,由于受气候变暖的影响,北方地区春小麦种植受干热风影响的范围有逐渐扩大的趋势,这与黄峰等[20]研究结论大致相同。

图4 1990、1995、1997、2000、2001、2005、2008、2010、2017年宁夏地区干热风天数统计图Fig.4 Statistics of dry-hot wind days in Ningxia in 1990, 1995, 1997, 2000, 2001, 2005, 2008, 2010 and 2017

2.2 宁夏干热风时间变化特征分析

从图5A可以看出,全区站均干热风天数极值出现在2008年,为9.1 d,变化幅度较大,但总体上呈波动上升的趋势。利用Man-Kendall检验原理检验变化趋势,通过了可信度99%的显著性检验。用MK突变检验方法做进一步检验,得到UF(k)和UB(k)统计量曲线情况见图5B,表明近20年内全区站均干热风天数总体呈上升趋势,UF值在2001—2020年内超越了临界值,通过了可信度95%的显著性检验(U0.05=1.96),两条曲线交点位于1993年,在临界值之间,即干热风天数站均变化的时间突变点出现在1993年。

图5 宁夏地区站均干热风变化趋势及MK统计量曲线Fig.5 Variation trend and MK statistic curve of station average dry-hot wind in Ningxia

具体对各个气象站进行分析,得到各站点的Z值(表3),可以看出各气象站MK统计量Z值基本都大于0,说明各站干热风天数均有增加趋势,在中卫出现高值中心,达到了4.24,惠农、银川、中卫、中宁、同心5站Z值大于1.96,增长趋势较为明显,吴忠、陶乐、盐池三站呈不明显的增加趋势。

表3 Man-Kendall干热风天数变化趋势检验Table 3 Man-Kendall dry-hot wind days change trend test

从图6(A、C、D、F、H)可知,同心、中宁、中卫、银川、惠农地区干热风天数M-K检测顺序统计曲线UF统计值分别在1986年、1990年、1995年、1991年、1990年后呈上升趋势,分别在2005、2002、2006、2005、2002年超过临界值1.96,存在显著性增加趋势。甚至中卫地区2010—2014、2016—2019年内超临界值2.58,存在极显著增加趋势,UF曲线和UB曲线在临界线之间分别交于1999、1996、2002、1997、1995年。反映出上述地区干热风天数呈增加趋势,分别在1999、1996、2002、1997、1995年发生突变。由图6B可知盐池地区干热风天数M-K检测顺序统计曲线UF统计值在1990—2009年呈增加趋势,在1980—1990年、2009—2019年呈减少趋势,但未通过显著性检验临界线,也未检测出突变特征。由图6E、G可知,陶乐、吴忠地区干热风天数M-K检测顺序统计曲线UF值在1980—1990、2003—2019年和2004—2019年内呈减少趋势,在1990—2003年和1990—2004年内呈增加趋势,均未检验出突变特征。

图6 8个气象站干热风天数M-K突变检验图Fig.6 M-K mutation test map for the number of dry-hot wind days at 8 meteorological stations

2.3 宁夏干热风影响因素分析

通过整理40年各气象站小麦灌浆期内的发生干热风时平均气温T、最高气温Tm、平均相对湿度F、最小相对湿度Fn、平均风速U、平均日照时数S、累积降水量R,用Pearson’s相关分析方法分析影响因素与干热风天数的相关性。从图7可以看出,干热风天数与这7个气象因素之间存在极显著相关性(P<0.01)。其中干热风发生天数(HD)与T、Tm、U、S呈正相关,其中与Tm的相关系数最大;与F、Fn和R呈负相关,其中与F的相关系数绝对值最大。这说明宁夏影响干热风天数的因素中Tm和F影响程度最大。R与高温低湿型干热风天气呈显著负相关,日照时长和平均风速的影响程度居中,属于中度相关,这与干热风的判别标准也比较一致。类似地,分析雨后青枯型干热风的影响因素,发现T、Tm、R的影响最为显著。

2.4 基于多元线性回归方程对干热风灾害的分析预测

以干热风天数(HD)为因变量,T、Tm、F、Fn、U、S与R为自变量,进行最优尺度回归分析,得到的结果如表4所示,表明在5%置信度下,T、Fn、R因素对模型的影响并不显著,Tm、F、U和S对模型均有显著统计学意义。对干热风天数的影响具有统计学意义。经检验,这些变量间不存在共线性问题,说明可以进行多元回归分析。

表4 最优尺度回归分析系数Table 4 Optimal-scale regression analysis coefficients

拟合的回归方程如下:

HD=-33.107+1.077Tm-0.089F+1.967U

(R2=0.594)

模型显著性的检验:F=128.641,P<0.001,R2值说明在本模型中Tm、F、U这3个因子能解释干热风天数变化的59.4%。

应用此回归方程对惠农、银川、中卫地区40年实测数据中各随机抽取10年数据进行检验,发现得到的结果与实际值偏差最大不超过3.9 d;80.14%的样本偏差值不超过2 d,说明该方程可以有效判断宁夏地区干热风天数与气象因素之间的关系,再分别对各个地区数据样本做相同处理,得到的回归方程模型系数及对模型的评价结果如表5所示,其中对中部干旱区的拟合效果最好,在全区层面上模型拟合的精度有所下降,但在合理范围内。

表5 各地区回归方程模型拟合系数及评价结果Table 5 Regression equation model fitting coefficients and evaluation results in Ningixa

3 讨论

3.1 宁夏灌区春小麦干热风时空变化分析

本文结果表明宁夏地区干热风在20世纪90年代末至21世纪初影响最为严重,整体上呈增加趋势,发生最频繁的地区是中部干旱区,最不频繁的是南部山区;其中同心近40年总干热风天数达到了276 d,年均6.9 d,干热风气象过程共出现97次,年均2.4次;受干热风天气影响的区域范围呈扩大趋势,这与武万里[5]、喇永昌[6]等的研究结果是一致的,但本研究发现盐池、陶乐、银川、吴忠等部分地区近年来干热风天数呈下降趋势,且干热风发生的重心从宁夏北部地区逐渐转移至中部地区,对比发现,北部地区惠农陶乐一带以及中部地区中宁同心一带受干热风影响大;同心与海源在海拔高度上差距较大,干热风影响程度差异也大,分析发现干热风气象情况受海拔因素影响大,海拔较高的南部山区几乎没有受到干热风气象影响;而同心县由于其周边四面环山,从东南方向来的暖湿气流不容易进入同心地区形成降雨,又由于该地区毗邻沙漠,且河流湖泊较少,难以达到气候调节的作用,来自沙漠地区的热风不容易消散[21],此类地区受干热风的影响较为严重。

分析上述现象出现的原因,宁夏地区春小麦干热风空间分布特征由于受气候变暖影响,近年来呈整体范围扩大、重心南移的趋势,高温期出现时间逐步提前,可利用的热量资源呈极显著增加趋势,武万里等[5]研究认为,造成宁夏灌区干热风次数显著增加的原因是气温升高,而高海拔地区不易形成持续性高温天气,减缓了干热风的影响,通过对不同省份的干热风年际变化的研究也得出了相似的结论[22-27]。此外,春小麦生长季内引黄灌区的日照时数值均为最大,南部山区始终为低值区,近年来呈显著增加趋势,降水量空间分布不均,南部山区降水量相对较高,引黄灌区和中部干旱带降水较少,这导致宁夏春小麦干旱高发区在引黄灌区和中部干旱区,南部山区干旱风险低。因此春小麦干热风发生风险表现为引黄灌区>中部干旱区>南部山区,重度干热风主要发生在引黄灌区和中部干旱区小部。

而近年来宁夏部分地区干热风天数呈波动下降趋势,喇永昌等[6]研究认为,这主要与这些地区多年大规模植树造林、绿化治沙等改善环境有关。良好的生态环境对气候灾害起着一定的控制作用,例如贺兰山拦截着西伯利亚寒流的东进,阻止着腾格里沙漠的东侵,阻断了沙尘东进的西部通道[28],背靠贺兰山的宁夏平原地区相对于沙漠地区干热风气象发生频率就相对较少。赵娜等[29]研究认为,人为改善环境也可以有效减少干热风天气的影响。随着生态环境的改善问题不断地被重视起来,银川、吴忠、盐池等地区2015—2019年土地绿化程度逐渐增高[30],在连续干旱气候下进行人工降雨调控,植被覆盖、水土保持和荒漠化治理取得明显成效,环境质量处于较好水平,上述地区近年来干热风出现的频率和等级均有所下降,但宁夏偏北部地区和中部干旱区的生态治理任务仍然艰巨[31]。在实际生产生活中,在遇到大范围极端干旱天气出现时,可采用火箭和飞机人工增雨短期缓解,保证粮食安全的同时保证农户经济效益;同时进行长期的农业气候资源区划、气候变化对作物种植结构调整和水资源的影响评估[32],以此为宁夏经济增长、环境保护和维持粮食安全稳定做出积极的贡献。

3.2 干热风天数影响因素拟合模型及应用模型预测

本文采用Person相关因素分析法发现,宁夏地区高温低湿型干热风天数的影响因素中Tm和F影响程度最大,呈显著正相关;R与高温低湿型干热风天气呈显著负相关,与雨后青枯型干热风天气呈显著正相关;U和S的影响程度居中,属于中度相关。这与Zhao等[2]应用APSIM模型模拟春小麦生育期,发现平均最高气温对春小麦关键物候期的影响大于平均最低温度,其次是相对湿度。最不敏感的气候因素是降水量、风速的结论基本相符。可以说明,温度上升将导致春小麦生育期提前,尤其是在春小麦抽穗期、分蘖期极端的高温低湿性天气对干物质积累和发育进程的影响极大,进而影响小麦产量。这与黄峰等[20]的研究结果对比,气暖上升、降水分布变化对春小麦发育进程产生重要影响的结论是一致的。所以干热风整体影响范围扩大的主要原因是气温的升高和降水的减少[33],但是降水变化对春麦发育进程影响较为复杂,对不同的农业区域及不同的气象条件下的影响也不尽相同。

在研究过程中发现,单纯依靠降雨量和雨后温度来判断雨后青枯型干热风天气是不够合理的,尤其是气候变暖的大环境影响下,干旱地区春小麦生育期高温天气气温常保持在30°左右,只要有少量降雨就会引发青枯型干热风天气,但是从小麦损伤机理来看,温度的小范围波动并不会对麦穗颗粒造成很大影响,因此在研究雨后青枯型干热风天气时需要将降雨量大小与雨后升温快慢作为主要指标[34]。

本文以春小麦生育期内气象因素为自变量、干热风天数为因变量进行多元线性回归分析,最终模型显著性的检验:F=46.514;P<0.001,说明该方程可以有效判断宁夏地区干热风天数与气象因素之间的关系。类似的,对宁夏不同农业区域进行多元回归分析得到的回归方程拟合度均大于70%。在实际生产生活中,可以根据不同农业区域近些年天气的变化情况进行回归分析,以对下一年春小麦生育期内的气温、相对湿度、风速进行预测,根据预测值回带方程来对下一年干热风天数进行预测,再结合前文介绍的宁夏地区各地区干热风情况变化情况进行调整,达到对春小麦种植结构改变及确保粮食安全提供参考的目的。