塔城市近53年玉米生育期氣候要素變化趨勢分析*

羅那那，巴特爾·巴克，薛亞榮，康麗娟，王孟輝

(新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052)

0 引言

IPCC報告中表明，過去100多年，全世界地表溫度平均上漲幅度為0.74℃，到2100年預計在不同區域將上升2.0～5.4℃。中國大多數耕地位于季風區，天氣條件年際變化造成糧食產量波動大，研究糧食作物生產潛力特征對糧食生產具有指導意義[1]。從1970年初開始，氣候變化已成為中國的一個重要課題，多年來中國各地區的溫度呈逐年上升的趨勢。糧食作物發育生長和產量都離不開環境條件，氣象因素是重要的環境條件之一。21世紀以來，雖然農業生產條件有了很大改善，作物產量明顯提高，但是人類很難控制和改變惡劣氣象條件對農業生產的不良影響，氣象條件引起糧食產量年際間波動[2-3]。龐艷梅[4]、陳劍雄[5]等研究結果表明，全球氣候變暖對我國農業生產產生了一系列的重大影響，在農作物生育期的改變方面尤為突出，玉米生育期種植受地理和氣象要素的影響[6]。氣候變化將使農作物種植制度和農業生產布局發生改變，農業生產成本和投資成本增加[7]，對糧食安全生產有重要影響[8]。在氣候變暖的影響研究中，前人基于氣象站的歷史觀測數據或未來情景數據，對中國農業氣候資源[9]和主要玉米種植區玉米生產潛力[10]的時空分布特征進行了詳細研究。針對氣溫、降水、日照等氣候要素變化特征及對農業生產的影響，國內學者從兩方面開展了研究，一是開展生育期氣候要素的時空演變特征[11]； 二是生育期內氣候變化對作物生長發育與產量的影響[12]。而目前針對未來塔城市玉米生育期氣象要素變化特征的研究較少。因此，探究作物生育期氣候要素演變具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆位于高緯度地區，幅員遼闊，且地形繁雜，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，區域年均氣溫-4～9℃，熱量條件較差，且年際和地域差異較大，屬氣候敏感區域，有諸多不穩定性因素，所發生的氣象災害較頻繁，對實際農業生產影響大。塔城市隸屬于新疆的縣級市，位于新疆維吾爾自治區的西北部、伊犁哈薩克自治州的中部，地處東經82°16′～87°21′、北緯43°25′～47°15′之間，屬中溫帶干旱和半干旱氣候區，四季交替不分明，春季升溫快而不穩定，夏季短促而炎熱，冬季漫長而酷冷。日照充足，蒸發強烈，氣溫日較差大，降水較少且時空分布不均。由于其地形、地貌以及下墊面狀況的復雜多樣性，塔城市的氣候存在明顯的區域差異。

圖1 塔城市研究區域位置分布

1.2 數據來源及處理

氣象數據來源于中國氣象科學共享網(http：//cdc.nmic.cn/home.do)，選取數據記錄較完整的塔城市地面氣象站1961～2013年逐日氣象資料(圖1)，其中包括平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)、日照時數(h)、降水量(mm)、風速(m/s)、平均相對濕度(%)，由于站點資料的時間長度不一致，為確保資料的可靠性和一致性，各氣候要素采用1961～2013年氣象數據進行均值處理，數據來源可靠且經過嚴格的質量檢驗。相對濕潤指數是指年降水量與同期潛在蒸散之比，可作為判別某一地區氣候干旱程度的指標。

該文采用的1961～2013年塔城市玉米的全生育期時段為研究時段，玉米生育期數據為日期型數據，在已有的主要農作物生育期研究工作的基礎上，以適應當地的農作物種植制度，塔城市玉米生育期階段的劃分引用周金龍[13]的研究結果進行劃分(表1)。

表1 塔城市玉米各生育期時間節點

生育期播種—幼苗幼苗—拔節拔節—抽穗抽穗—成熟全生長期起止時間(日/月)17/04～05/0606/06～03/0704/07～26/0827/08～19/0917/04～19/09

1.3 研究方法

采用Mann-Kendall 非參數檢驗方法[14]進行突變分析。氣象要素的長期變化趨勢采用線性回歸分析[15]?；貧w系數表示氣候變量的趨勢傾向，回歸系數為正時，說明隨時間的增加氣候變量呈上升趨勢； 反之亦然，回歸系數的大小反映了上升或下降的速率。氣候趨勢系數表示某氣候要素的長期趨勢變化的方向和程度，即時間和氣候要素的相關系數。此外，基于小波分析探究了年潛在蒸散量的周期特征[16]，利用FAO在1998 年推薦的Penman-Monteith 公式[17]計算ET0，該公式以能量平衡和水汽擴散理論為基礎，較全面地考慮了影響潛在蒸散的各種因素，有較好的物理依據，應用較廣泛。

2 結果分析

2.1 塔城市玉米生育期主要氣象因子的年際變化特征

圖2可看出，總體來講，塔城市玉米生育期降水、溫度和相對濕潤指數都呈增加趨勢，其中，降水增加趨勢最為明顯，趨勢系數達到2.883mm/年，且有明顯的偏豐期和偏枯期，但是年際交替變化頻繁(圖2a)。說明塔城市玉米生育期年際差異較大，極端多雨期和少雨期交替頻發。積溫(AT)的氣候傾向率為11.82℃/年(圖2j)，其中，在1961～1990年增勢較弱(氣候傾向率為6.84 ℃/年)， 1991～2013年增勢較強(氣候傾向率為20.11℃/年)。1968年玉米生育期積溫最低，為2 841.09℃； 1996年玉米生育期積溫最低，為4 064.12℃。圖2d表征了1961～2013塔城市玉米生育期干濕的年際變化特征，玉米生育期略有濕潤化。過去53年相對濕潤指數的氣候傾向率為0.002 7/年，增勢較微弱。但是，濕潤指數有明顯的時段性特征， 1961～1981年整體偏干， 1981～2013年整體偏濕潤。日照時數、作物蒸散量、平均風俗和相對濕度呈顯著下降趨勢。日照時數(圖2b)呈變短趨勢(氣候傾向率為-1.15℃/年)。其中， 1976年日照時數達到研究時段的最小值為1 776.12℃， 1995年達到研究時段的最大值，為2 298.90℃。圖2c可以看出，玉米生育期潛在蒸散量波動強烈， 1961～1993年，總體呈減少趨勢； 1993～2013年，總體呈增加趨勢。其中， 1972年，玉米生育期潛在蒸散量達到研究時段的最小值，為778.28mm， 2000年達到研究時段的最大值，為995.55mm。

圖2 1961～2013塔城市玉米生育期氣象因子的年際變化特征注：a.降水量(P)、b.日照時數(SH)、c.潛在蒸散量(ET0)、d.相對濕潤指數(MI)、e.風速(WS)、f.相對濕度(RH)、g.最高氣溫(Tmax)、h.最低氣溫(Tmin)、i.平均氣溫(Tmean)、j.積溫(AT)

2.2 塔城市玉米生育期主要氣象因子的突變特征

為了探究塔城市玉米生育期降水量的突變特征，基于Mann-Kendall 法計算塔城市降水量的時間序列的正序列的UFk(黑色粗線)和反序列的UBk(黑色細線)。取顯著水平α=0.05情況下臨界值為±1.96(圖中黑色虛線)。圖3a、3b、3c可以看出，玉米生育期降雨量、日照時數和潛在蒸散量不存在明顯的突變。這是由于UFk和反序列的UBk曲線雖然有多個交點，但未達到顯著水平。圖3d可以看出，塔城市玉米生育期在1980年發生濕潤化突變。圖3e表明平均風速在1997年發生突變。相對濕度(圖3f)在2008年發生減少突變，這與文中相對濕潤指數的研究結果有所不同。由于相對濕潤指數是基于降水量和潛在蒸散量計算而得，是多種氣象因子共同作用的結果，而相對濕度僅僅是指空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比，兩者截然不同。平均最高氣溫在1996年發生增加突變，隨后在2001年達到0.05顯著水平(圖3g)。平均最低氣溫未達到顯著水平，因此未發生明顯的突變(圖3h)； 平均氣溫在1995年發生增加突變，隨后在1997年達到0.05顯著水平(圖3i)； 玉米生育期積溫在1995年發生增加突變，隨后在1997年達到0.05顯著水平(圖3j)。

圖3 1961～2013塔城市玉米生育期氣象因子的突變特征注：a.降水量(P)、b.日照時數(SH)、c.潛在蒸散量(ET0)、d.相對濕潤指數(MI)、e.風速(WS)、f.相對濕度(RH)、g.最高氣溫(Tmax)、h.最低氣溫(Tmin)、i.平均氣溫(Tmean)、j.積溫(AT)

圖4 1961～2013年塔城市玉米生育期各氣象因子的小波分析注：a.降水量(P)、b.日照時數(SH)、c.潛在蒸散量(ET0)、d.相對濕潤指數(MI)、e.風速(WS)、f.相對濕度(RH)、g.最高氣溫(Tmax)、h.最低氣溫(Tmin)、i.平均氣溫(Tmean)、j.積溫(AT)

2.3 塔城市玉米生育期主要氣象因子的周期特征

為探究玉米生育期各個氣候要素的年際和年內周期變換特征，采用 Morlet小波變換進行分析研究，其分布如圖4，圖中實線表示正位相，即實部值大于0，虛線則反之，小波的實線和虛線波動表征了玉米生育期的降水量偏豐和偏枯交替變化特征。圖4a、圖4b、圖4c和圖4f可以看出，塔城市玉米生育期降水、日照時數、潛在蒸散量和相對濕度存在30年的大周期和16年的小周期，其中， 30的大周期貫穿整個研究時段，經過了偏長—偏短—偏長一次周期變換，日照時數處于偏長期，在1975～1995年處于偏短期。15年的小周期僅存在于1970～2005年，經歷了偏短—偏長—偏短的一次周期變換過程。玉米生育期干濕(圖4d)存在17年的大周期和3～5年的小周期。17年的大周期經歷了偏濕—偏干—偏濕的兩次變換過程，其中，在1961～1971年、1981～1991年和2003～2013年處于偏濕期，在其他研究時段處于偏干期。3～5年的周期則存在多次的變換。風速(圖4e)存在30年的大周期和15年的小周期特征。其中， 30年的周期為第一主周期，表征了風速偏大—偏小的變換過程。在1961～1975年和1995～2010年， 15年的小周期存在于1970～2005年，且經過了一次周期變換過程。平均最高氣溫存在兩個尺度的周期特征(圖4g)； 其中， 30年的大周期經歷了偏高(1961～1975年)—偏低(1975～1995年)—偏高(1995～2014年)的變化過程； 同時，在1965～2005年還存在15年的小周期。平均最低氣溫具有獨特的周期特征，存在15～20年的周期和6～7年的周期特征(圖4h)； 其中， 15～20年的周期經歷了偏高—偏低—偏高兩次變換過程，在1961～1966年、1975～1987年和2000～2013年處于偏高期，其他研究時段處于偏低期； 6～7年的小周期經歷了多次變換。平均氣溫(圖4i)30年周期尺度在1961～1975年和1995～2013年處于偏低期，在1975～1995年處于偏高期； 在1961～2005年，生育期平均氣溫存在11～15年的周期，其中，經歷了偏高—偏低—偏高兩次循環變化的過程，小尺度周期上，生育期平均氣溫存在5～7年的周期特征。與生育期平均氣溫周期尺度大致相當，積溫也存在30年的大周期和15年的小周期特征(圖4j)； 30年周期來看，積溫經歷了偏大(1961～1976年)—偏小(1976～1996年)—偏大(1996～2013年)的變化過程。中尺度周期(15年)可以看出，塔城市的積溫經歷了偏小—偏大—偏小的變化過程?；诜e溫的周期尺度變化，可以看出，未來幾年，塔城市積溫仍處在偏大期，但在周期內呈現逐漸減少的變化特征。

3 結論和討論

1961～2013年塔城市的溫度(平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均氣溫)都呈明顯的增加趨勢，氣候傾向率分別為0.03℃/年、0.03℃/年和0.09mm/年； 積溫也呈明顯的增加趨勢，其中，在1993年達到研究時段的最低值，為14.79℃/年； 在1997年達到研究時段的最大值，為18.99℃/年； 降水量有微弱增勢，氣候傾向率僅為0.09℃/年； 日照時數波動特征有明顯的時段性，在1961～2000年波動較大，在2000～2013年波動較短； 相對濕度減少趨勢明顯，但具有明顯的時段性； 在1961～1990年，略有減少趨勢，在1991～2013年，減少趨勢明顯； 干濕的年際變化特征表現為玉米生育期略有濕潤化。

過去52年來，主要氣象因子降雨量、日照時數、潛在蒸散量無明顯的突變發生，平均風速在1997年發生突變，而相對濕度在2008年發生減少突變趨勢； 塔城市玉米生育期平均最高氣溫、積溫大致存在兩個尺度的周期特征， 30年的大周期和15年的小周期； 平均最低氣溫和平均氣溫存在大周期變化嵌套著小周期的變化，存在15～20的周期和6～7年的周期特征； 生育期相對濕度存在30年的大周期和16年的小周期，其中， 30年的大周期貫穿整個研究時段，經過了偏大—偏小—偏大一次周期變換。15年的周期僅僅存在于1970～2005年，經歷了偏小—偏大—偏小的一次周期變換過程。

在全球變暖特別是20 世紀后半葉變暖異常突出的背景下，區域響應明顯，積溫增加、氣候帶北移、作物生長期變長[18-19]。熱量是植物生長發育過程中最為重要的因素之一，因此農業成為了氣候變化反應最為敏感的行業之一。作物生育期氣象因子變化與作物生育期的長短、產量等密切相關。氣候變化為塔城市玉米種植提供了有利條件，種植玉米成為一項有效的適應措施。氣象因子對作物存在一定的影響，積溫關乎作物的生長發育，影響作物熟制。塔城市積溫呈明顯的增加趨勢，這與阿布都克日木·阿巴司等[20]的研究結果取得一致，使得塔城市發展玉米種植具有很大的生產潛力，有利于塔城市復播玉米或套種玉米的耕作制度的實施，提高玉米產量[21-22]。此外，風速、氣溫、日照時數、降水等因素的變化關系著潛在蒸散量的變化，進而與區域干濕演變，尤其是作物生育期作物水分匱缺、灌溉等密切相關，進而影響作物的生長發育。生育期是玉米生長發育的重要和基本特征。經過對玉米生育期干濕的年際變化特征分析得到，過去53年相對濕潤指數的氣候傾向率為0.002 7/年，增勢較微弱。但是，濕潤指數有明顯的時段性特征，玉米生育期略有濕潤化有助于玉米種植生長，也有利于塔城的社會經濟效益提高。在此基礎上研究塔城市玉米生育期變化的影響，并制定出有針對性的氣象服務方案，確保玉米生產過程中能趨利避害，以期實現玉米生產過程高產和穩產。但是，該研究僅探究了玉米生育期氣候要素的變化，而未考慮對作物生育期和產量有至關重要作用的水分匱缺、干旱等要素的演變。因此，綜合考慮下墊面要素和氣象要素以及作物特性，探究生育期氣候要素變化以及產量的影響，有待進一步研究。

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