阳泉市玉米生育期气象要素变化特征及相关性分析

马晓玲，周焱博，袁杰，张建军，贾立亭

（1山西省晋城市气象局，山西晋城 048000；2山西省阳泉市气象局，山西阳泉 045000）

0 引言

近年来，全球气温持续升高，极端气候事件频发，对区域农业的可持续发展影响很大，特别是给粮食安全带来巨大挑战[1-2]。气象要素的突变会引起热量及水分的变化，影响当地的水热平衡，气候条件对粮食产能的制约作用明显[3]。

玉米是中国的主要作物之一，也是重要的动物饲料，研究气候要素变化对玉米产量的影响，对保证粮食安全具有重要意义。为探究气候变化对玉米生长的影响，专家学者进行了大量研究。王蔚丹等[4]研究发现，降水量、最高气温和平均气温是影响辽宁省春玉米产量的重要因素；车向军等[5]发现1990—2016 年的平均气温与积温有增加趋势，平均降水量有减少趋势，气候变化对玉米种植有利，可以提高产量、扩大种植范围；刘行等[6]认为全国玉米生育期热量资源有增加趋势，光照资源减少，高温胁迫会对玉米生长产生抑制作用，同时加快水分的消耗；江铭诺等[7]探究气象条件对玉米产量的影响，发现温度升高对产量增加的影响远大于太阳辐射减少造成的减产效应；杨丽等[8]研究认为，抽雄—成熟期降水量偏少及播种—拔节期极端高温天气会造成玉米产量下降；宋利兵[9]研究发现，夏玉米苗期长期受到严重水分胁迫时可能会导致不可恢复的产量损失，温度的持续增加导致玉米各生育期的生长积温和高温危害积温增加。

目前，针对气候变化对玉米产量的影响多集中于东北、华北、华南等农业种植区，缺少对市县尺度的研究。因此，本研究采用统计学分析方法，研究阳泉市玉米气象产量及6 个主要气象要素的变化趋势，并探讨玉米气象产量与气象要素之间的相关性及作用程度，总结气候变化对玉米产量的影响，旨在为优化本地农业资源结构、促进地区农业可持续发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

阳泉市位于山西中东部，与太原、石家庄相邻，整体地形呈现“两山夹一沟”的特征，地处中纬度东亚季风气候区，属暖温带半湿润，大陆性季风气候，气候变率大，多年平均气温9.6～11.5℃，无霜期171 d，年均日照时数2551.4 h，年均降水量525.5 mm，主要粮食作物为玉米、大豆、薯类。

1.2 数据来源与方法

气象观测数据主要包括2002—2021 年玉米生育期（4—9月）的平均气温、日最高气温、日最低气温、降水量、日照时数、相对湿度等，取阳泉市3 个国家气象观测站的平均值；玉米产量数据来源于阳泉市农业农村局。

采用Mann-Kendall(M-K)突变检验法检验气象要素在研究时段内是否存在突变。该方法通过UF和UB2 条曲线检验序列的变化趋势进行分析，若UF和UB出现交点且交点在临界值之间，则表示该时刻为突变开始的时刻；若M-K 检验结果有多个交点，则采用滑动t检验法对突变点进行校订。采用Theil-Sen估算法确定斜率m，取yi-mxi的中位数为拟合直线的截距，确定各气象要素的线性变化趋势。利用HP滤波法将玉米产量分为趋势产量和气象产量（随机产量对产量影响较小，且无规律可循，故忽略不计），用于研究玉米气象产量与气象要素之间的相关性及作用程度。

为探究气象要素在不同玉米生育期时变化对玉米产量的影响，划分阳泉市玉米生育期，如表1所示[6]。

表1 阳泉市玉米生育期

2 结果与分析

2.1 玉米生育期气象要素变化趋势

2.1.1 平均气温、日最高最低气温变化趋势因阳泉气象站2012 年迁站，迁站前后温度差异明显，故温度变化趋势分析选用其他2 个国家站的气温数据[10]。对2002—2021年阳泉市气温变化分析发现，近20年阳泉市玉米生育期平均气温均值为19.1℃，低于玉米生长期适宜温度[11]；平均气温、日最高最低气温均呈上升趋势，但增高幅度存在差异。近20 a阳泉市平均气温、日最高气温、日最低气温分别以0.49、0.27、0.36℃/10 a的速度变化，升温幅度高于华北地区平均水平，可能与21世纪开始增温幅度加快有关[12]。日最高气温的上升速率最小，说明阳泉市近20 a升温明显，且夜间增温明显高于白天，气温日较差减小。

由平均气温的UF曲线发现，平均气温在2005 年后呈现明显的增温趋势，在2018年之后超过显著性水平0.05 临界线，升温趋势显著。平均气温的UF和UB曲线在2015年存在交点，2015年为平均气温的突变年份，2015年开始平均气温的上升速率明显快于2015年之前（图1a）。最高气温的变化也以升温为主，UF曲线始终处于置信区间之间，升温趋势不显著，UF和UB曲线在2004、2009、2014 年相交，通过滑动t检验法判断最高气温的突变点为2014 年（图1b）。最低气温从2015年开始升温速度加快，2018年开始超过显著性水平0.05 临界线，增暖趋势显著；最低气温的UF和UB曲线在2015年相交，说明最低气温在2015年发生突变（图1c）。

图1 生育期内平均气温、最高气温、最低气温变化趋势和突变检验

2.1.2 相对湿度、降水量变化趋势2002—2021年阳泉市4—9 月相对湿度以1.20%/10 a 的速率下降。M-K检验发现，玉米全生育期平均相对湿度在2004年发生突变；由UF曲线可以看出，相对湿度始终处于下降状态，在2007、2011年下降显著，超过了显著性水平0.05临界线（图2a），可能受到全球变暖气候背景的影响，蒸发加快，说明阳泉气候正在向“暖干型”变化的趋势，与邱阳阳等[13]的研究结论一致。

图2 生育期内平均相对湿度、总降水量变化趋势和突变检验

过去20 a阳泉市4—9月降水量为295.9～676.0 mm，平均降水量为480.5 mm，能够满足玉米生育期内降水量的需求，但阳泉市降水量变异系数较大，需要在缺水年份进行补灌[14]。2002—2021 年降水量以每19.52 mm/10 a的速度增加，体现了降水量与相对湿度的非一致性变化趋势[15]。UF和UB曲线在2005、2017、2018、2019 年相交，经滑动t检验发现，玉米全生育期降水量无明显突变（图2b）。

2.1.3 日照时数变化趋势由图3 可知，2002—2021 年阳泉市4—9 月日照时数为1195.6～1623.8 h，以17.63 h/10 a的速度下降，与学者提出的“全球变暗”效应一致[16]。日照时数的最大波动范围出现在2020—2021年，分别出现了日照时数的最大值（2020年）和最小值（2021年），2021年日照时数偏少可能与利用光电式日照计开展日照自动观测有关[17]。由M-K 检验和滑动t检验发现，玉米全生育期内日照时数在2009 年发生突变。

图3 生育期内日照时数变化趋势和突变检验

2.2 玉米产量变化趋势

将玉米的实际产量采用HP滤波法分离为趋势产量和气象产量2 个部分，如图4 所示。2002—2021 年阳泉市玉米平均实际产量为4657 kg/hm2，总体呈现出波动上升的变化趋势，趋势产量则表现为先快速增加再缓慢减少，2011年前受品种优化、科学管理等影响，趋势产量增长较快，2011年后进入产量稳定期。气象产量总体呈缓慢增长趋势，每10 a增加44.5 kg/hm2，但年际差异大，变化范围为-881.23～592.08 kg/hm2。平均气温、最低气温在2005 年出现异常偏暖现象，实际产量和气象产量偏高；2019 年降水量较常年异常偏少，实际产量与气象产量也表现为偏低，说明气象要素的波动对玉米产量的影响较大。

图4 玉米实际产量、趋势产量及气候产量变化

2.3 气象要素对气象产量的影响分析

对2002—2021 年玉米各生育期的气象要素与气象产量进行相关性检验，结果见表2。平均相对湿度和最高气温对气象产量影响最大，达到极显著相关水平；其次为降水量和平均气温，为显著性相关；最低气温和日照时数与气象产量相关性不显著。

表2 玉米各生育阶段气象因子与气象产量的相关系数

平均气温、最高气温、最低气温在穗期和花粒期与玉米气象产量均呈负相关关系，其中最高气温和平均气温对气象产量的影响较大，最高气温和平均气温在穗期与气象产量呈显著的负相关关系，最高气温在花粒期与气象产量呈极显著的负相关关系。温度越高，玉米的呼吸作用和叶片的蒸腾作用越强，营养物质积累越少，不利于玉米雌穗的发育与开花授粉，使得气象产量下降[18]。

降水量除苗期外，均与玉米气象产量均呈正相关关系。苗期玉米需水量较小，仅为全生育期需水量的8.5%，降水量过多易出现坏芽现象[19]。在穗期，平均相对湿度与玉米气象产量呈极显著的正相关关系，降水量与气象产量呈显著的正相关关系。在玉米的生长过程中，穗期根茎叶的生长速度极快，幼穗在这个阶段分化，生命活动最为旺盛，也是水分需求最多的阶段，充足的降水有利于作物生长[20]。穗期正处于阳泉市的汛期，较高的相对湿度一般伴有降水天气，因此相对湿度与降水量对气象产量的影响基本一致。花粒期时气象产量与相对湿度和降水量的相关性不显著，可能是因为抽雄—灌浆期玉米耗水量大，但成熟期时降水过多会增加玉米的病虫害发病率。

各生育期的日照时数除播种期外，均与玉米气象产量呈正相关关系。玉米各生育阶段对日照的需求较高，过去20 a阳泉市日照时数减少，玉米光合作用速率减小，有机质积累量减少，造成气象产量的下降。

3 结论

（1）2002—2021 年阳泉市玉米生育期内平均气温、日最高最低气温均呈上升趋势，气温日较差逐渐减小；相对湿度、光照时数呈下降趋势，降水量呈上升趋势，变化趋势均不显著。突变检验发现，气温突变发生在2014、2015 年，2018 年以后平均气温和最低气温增温显著；相对湿度在2004 年发生突变，日照时数在2009年发生突变，降水量无明显突变。

（2）2002—2021 年阳泉市玉米实际产量总体呈现出波动上升的变化趋势，趋势产量则表现为先快速增加再缓慢减少，2011年后进入产量稳定期。气象产量总体呈缓慢增长趋势，气象要素的波动对玉米产量的影响较大。

（3）平均相对湿度和最高气温对气象产量影响最大，达到极显著相关水平，其次为降水量和平均气温，为显著性相关，而最低气温和日照时数与气象产量相关性不显著。