馬曉玲，周焱博，袁杰，張建軍，賈立亭

（1山西省晉城市氣象局，山西晉城 048000；2山西省陽泉市氣象局，山西陽泉 045000）

0 引言

近年來，全球氣溫持續(xù)升高，極端氣候事件頻發(fā)，對區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展影響很大，特別是給糧食安全帶來巨大挑戰(zhàn)[1-2]。氣象要素的突變會引起熱量及水分的變化，影響當?shù)氐乃疅崞胶?，氣候條件對糧食產(chǎn)能的制約作用明顯[3]。

玉米是中國的主要作物之一，也是重要的動物飼料，研究氣候要素變化對玉米產(chǎn)量的影響，對保證糧食安全具有重要意義。為探究氣候變化對玉米生長的影響，專家學者進行了大量研究。王蔚丹等[4]研究發(fā)現(xiàn)，降水量、最高氣溫和平均氣溫是影響遼寧省春玉米產(chǎn)量的重要因素；車向軍等[5]發(fā)現(xiàn)1990—2016 年的平均氣溫與積溫有增加趨勢，平均降水量有減少趨勢，氣候變化對玉米種植有利，可以提高產(chǎn)量、擴大種植范圍；劉行等[6]認為全國玉米生育期熱量資源有增加趨勢，光照資源減少，高溫脅迫會對玉米生長產(chǎn)生抑制作用，同時加快水分的消耗；江銘諾等[7]探究氣象條件對玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)溫度升高對產(chǎn)量增加的影響遠大于太陽輻射減少造成的減產(chǎn)效應；楊麗等[8]研究認為，抽雄—成熟期降水量偏少及播種—拔節(jié)期極端高溫天氣會造成玉米產(chǎn)量下降；宋利兵[9]研究發(fā)現(xiàn)，夏玉米苗期長期受到嚴重水分脅迫時可能會導致不可恢復的產(chǎn)量損失，溫度的持續(xù)增加導致玉米各生育期的生長積溫和高溫危害積溫增加。

目前，針對氣候變化對玉米產(chǎn)量的影響多集中于東北、華北、華南等農(nóng)業(yè)種植區(qū)，缺少對市縣尺度的研究。因此，本研究采用統(tǒng)計學分析方法，研究陽泉市玉米氣象產(chǎn)量及6 個主要氣象要素的變化趨勢，并探討玉米氣象產(chǎn)量與氣象要素之間的相關(guān)性及作用程度，總結(jié)氣候變化對玉米產(chǎn)量的影響，旨在為優(yōu)化本地農(nóng)業(yè)資源結(jié)構(gòu)、促進地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

陽泉市位于山西中東部，與太原、石家莊相鄰，整體地形呈現(xiàn)“兩山夾一溝”的特征，地處中緯度東亞季風氣候區(qū)，屬暖溫帶半濕潤，大陸性季風氣候，氣候變率大，多年平均氣溫9.6～11.5℃，無霜期171 d，年均日照時數(shù)2551.4 h，年均降水量525.5 mm，主要糧食作物為玉米、大豆、薯類。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

氣象觀測數(shù)據(jù)主要包括2002—2021 年玉米生育期（4—9月）的平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、降水量、日照時數(shù)、相對濕度等，取陽泉市3 個國家氣象觀測站的平均值；玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于陽泉市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局。

采用Mann-Kendall(M-K)突變檢驗法檢驗氣象要素在研究時段內(nèi)是否存在突變。該方法通過UF和UB2 條曲線檢驗序列的變化趨勢進行分析，若UF和UB出現(xiàn)交點且交點在臨界值之間，則表示該時刻為突變開始的時刻；若M-K 檢驗結(jié)果有多個交點，則采用滑動t檢驗法對突變點進行校訂。采用Theil-Sen估算法確定斜率m，取yi-mxi的中位數(shù)為擬合直線的截距，確定各氣象要素的線性變化趨勢。利用HP濾波法將玉米產(chǎn)量分為趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量（隨機產(chǎn)量對產(chǎn)量影響較小，且無規(guī)律可循，故忽略不計），用于研究玉米氣象產(chǎn)量與氣象要素之間的相關(guān)性及作用程度。

為探究氣象要素在不同玉米生育期時變化對玉米產(chǎn)量的影響，劃分陽泉市玉米生育期，如表1所示[6]。

表1 陽泉市玉米生育期

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期氣象要素變化趨勢

2.1.1 平均氣溫、日最高最低氣溫變化趨勢因陽泉氣象站2012 年遷站，遷站前后溫度差異明顯，故溫度變化趨勢分析選用其他2 個國家站的氣溫數(shù)據(jù)[10]。對2002—2021年陽泉市氣溫變化分析發(fā)現(xiàn)，近20年陽泉市玉米生育期平均氣溫均值為19.1℃，低于玉米生長期適宜溫度[11]；平均氣溫、日最高最低氣溫均呈上升趨勢，但增高幅度存在差異。近20 a陽泉市平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫分別以0.49、0.27、0.36℃/10 a的速度變化，升溫幅度高于華北地區(qū)平均水平，可能與21世紀開始增溫幅度加快有關(guān)[12]。日最高氣溫的上升速率最小，說明陽泉市近20 a升溫明顯，且夜間增溫明顯高于白天，氣溫日較差減小。

由平均氣溫的UF曲線發(fā)現(xiàn)，平均氣溫在2005 年后呈現(xiàn)明顯的增溫趨勢，在2018年之后超過顯著性水平0.05 臨界線，升溫趨勢顯著。平均氣溫的UF和UB曲線在2015年存在交點，2015年為平均氣溫的突變年份，2015年開始平均氣溫的上升速率明顯快于2015年之前（圖1a）。最高氣溫的變化也以升溫為主，UF曲線始終處于置信區(qū)間之間，升溫趨勢不顯著，UF和UB曲線在2004、2009、2014 年相交，通過滑動t檢驗法判斷最高氣溫的突變點為2014 年（圖1b）。最低氣溫從2015年開始升溫速度加快，2018年開始超過顯著性水平0.05 臨界線，增暖趨勢顯著；最低氣溫的UF和UB曲線在2015年相交，說明最低氣溫在2015年發(fā)生突變（圖1c）。

圖1 生育期內(nèi)平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫變化趨勢和突變檢驗

2.1.2 相對濕度、降水量變化趨勢2002—2021年陽泉市4—9 月相對濕度以1.20%/10 a 的速率下降。M-K檢驗發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期平均相對濕度在2004年發(fā)生突變；由UF曲線可以看出，相對濕度始終處于下降狀態(tài)，在2007、2011年下降顯著，超過了顯著性水平0.05臨界線（圖2a），可能受到全球變暖氣候背景的影響，蒸發(fā)加快，說明陽泉氣候正在向“暖干型”變化的趨勢，與邱陽陽等[13]的研究結(jié)論一致。

圖2 生育期內(nèi)平均相對濕度、總降水量變化趨勢和突變檢驗

過去20 a陽泉市4—9月降水量為295.9～676.0 mm，平均降水量為480.5 mm，能夠滿足玉米生育期內(nèi)降水量的需求，但陽泉市降水量變異系數(shù)較大，需要在缺水年份進行補灌[14]。2002—2021 年降水量以每19.52 mm/10 a的速度增加，體現(xiàn)了降水量與相對濕度的非一致性變化趨勢[15]。UF和UB曲線在2005、2017、2018、2019 年相交，經(jīng)滑動t檢驗發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期降水量無明顯突變（圖2b）。

2.1.3 日照時數(shù)變化趨勢由圖3 可知，2002—2021 年陽泉市4—9 月日照時數(shù)為1195.6～1623.8 h，以17.63 h/10 a的速度下降，與學者提出的“全球變暗”效應一致[16]。日照時數(shù)的最大波動范圍出現(xiàn)在2020—2021年，分別出現(xiàn)了日照時數(shù)的最大值（2020年）和最小值（2021年），2021年日照時數(shù)偏少可能與利用光電式日照計開展日照自動觀測有關(guān)[17]。由M-K 檢驗和滑動t檢驗發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期內(nèi)日照時數(shù)在2009 年發(fā)生突變。

圖3 生育期內(nèi)日照時數(shù)變化趨勢和突變檢驗

2.2 玉米產(chǎn)量變化趨勢

將玉米的實際產(chǎn)量采用HP濾波法分離為趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量2 個部分，如圖4 所示。2002—2021 年陽泉市玉米平均實際產(chǎn)量為4657 kg/hm2，總體呈現(xiàn)出波動上升的變化趨勢，趨勢產(chǎn)量則表現(xiàn)為先快速增加再緩慢減少，2011年前受品種優(yōu)化、科學管理等影響，趨勢產(chǎn)量增長較快，2011年后進入產(chǎn)量穩(wěn)定期。氣象產(chǎn)量總體呈緩慢增長趨勢，每10 a增加44.5 kg/hm2，但年際差異大，變化范圍為-881.23～592.08 kg/hm2。平均氣溫、最低氣溫在2005 年出現(xiàn)異常偏暖現(xiàn)象，實際產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量偏高；2019 年降水量較常年異常偏少，實際產(chǎn)量與氣象產(chǎn)量也表現(xiàn)為偏低，說明氣象要素的波動對玉米產(chǎn)量的影響較大。

圖4 玉米實際產(chǎn)量、趨勢產(chǎn)量及氣候產(chǎn)量變化

2.3 氣象要素對氣象產(chǎn)量的影響分析

對2002—2021 年玉米各生育期的氣象要素與氣象產(chǎn)量進行相關(guān)性檢驗，結(jié)果見表2。平均相對濕度和最高氣溫對氣象產(chǎn)量影響最大，達到極顯著相關(guān)水平；其次為降水量和平均氣溫，為顯著性相關(guān)；最低氣溫和日照時數(shù)與氣象產(chǎn)量相關(guān)性不顯著。

表2 玉米各生育階段氣象因子與氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫在穗期和花粒期與玉米氣象產(chǎn)量均呈負相關(guān)關(guān)系，其中最高氣溫和平均氣溫對氣象產(chǎn)量的影響較大，最高氣溫和平均氣溫在穗期與氣象產(chǎn)量呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，最高氣溫在花粒期與氣象產(chǎn)量呈極顯著的負相關(guān)關(guān)系。溫度越高，玉米的呼吸作用和葉片的蒸騰作用越強，營養(yǎng)物質(zhì)積累越少，不利于玉米雌穗的發(fā)育與開花授粉，使得氣象產(chǎn)量下降[18]。

降水量除苗期外，均與玉米氣象產(chǎn)量均呈正相關(guān)關(guān)系。苗期玉米需水量較小，僅為全生育期需水量的8.5%，降水量過多易出現(xiàn)壞芽現(xiàn)象[19]。在穗期，平均相對濕度與玉米氣象產(chǎn)量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，降水量與氣象產(chǎn)量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。在玉米的生長過程中，穗期根莖葉的生長速度極快，幼穗在這個階段分化，生命活動最為旺盛，也是水分需求最多的階段，充足的降水有利于作物生長[20]。穗期正處于陽泉市的汛期，較高的相對濕度一般伴有降水天氣，因此相對濕度與降水量對氣象產(chǎn)量的影響基本一致。花粒期時氣象產(chǎn)量與相對濕度和降水量的相關(guān)性不顯著，可能是因為抽雄—灌漿期玉米耗水量大，但成熟期時降水過多會增加玉米的病蟲害發(fā)病率。

各生育期的日照時數(shù)除播種期外，均與玉米氣象產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。玉米各生育階段對日照的需求較高，過去20 a陽泉市日照時數(shù)減少，玉米光合作用速率減小，有機質(zhì)積累量減少，造成氣象產(chǎn)量的下降。

3 結(jié)論

（1）2002—2021 年陽泉市玉米生育期內(nèi)平均氣溫、日最高最低氣溫均呈上升趨勢，氣溫日較差逐漸減?。幌鄬穸?、光照時數(shù)呈下降趨勢，降水量呈上升趨勢，變化趨勢均不顯著。突變檢驗發(fā)現(xiàn)，氣溫突變發(fā)生在2014、2015 年，2018 年以后平均氣溫和最低氣溫增溫顯著；相對濕度在2004 年發(fā)生突變，日照時數(shù)在2009年發(fā)生突變，降水量無明顯突變。

（2）2002—2021 年陽泉市玉米實際產(chǎn)量總體呈現(xiàn)出波動上升的變化趨勢，趨勢產(chǎn)量則表現(xiàn)為先快速增加再緩慢減少，2011年后進入產(chǎn)量穩(wěn)定期。氣象產(chǎn)量總體呈緩慢增長趨勢，氣象要素的波動對玉米產(chǎn)量的影響較大。

（3）平均相對濕度和最高氣溫對氣象產(chǎn)量影響最大，達到極顯著相關(guān)水平，其次為降水量和平均氣溫，為顯著性相關(guān)，而最低氣溫和日照時數(shù)與氣象產(chǎn)量相關(guān)性不顯著。