厄爾尼諾對寧夏干旱山區農作物的影響初探

馬力文，劉 靜

(1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室， 寧夏 銀川 750002； 2.寧夏氣象防災減災重點實驗室， 寧夏 銀川 750002)

厄爾尼諾現象造成赤道太平洋海溫異常,直接影響熱帶太平洋地區的氣候變化,也對其它地區的區域氣候乃至全球大氣環流的異常都有重要作用[1]。中國位于東亞季風區，東亞夏季風和冬季風的異常直接導致中國氣候的異常[2-3]，厄爾尼諾通過大氣環流以“遙相關”的形式影響東亞季風系統，對氣溫、降水造成顯著影響[4]。氣溫、降水是農作物賴以生存的重要因素，氣溫和降水異常可導致農業生態環境的改變，對農業有重要影響[5-6]。

國內外對ENSO導致氣候異常、作物產量豐歉關注已久。JN Ferris分析了Enso對全球作物產量的影響[7]。S Yokoyama研究了歷年El Nino對亞洲和太平洋地區糧食作物產量的影響[8]。SA Mauget、DR Upchurch研究了ENSO與美國中西部大平原的氣候和農業的關系[9]。JW Hansen、A Irmak、JW Jones研究了ENSO對弗羅里達州作物產量的影響[10]。陶福祿、Masayuki、Yokozawa等分析了中國農業生產與東亞季風和EL NINO的關系[11]。Adams RM, Houston LL,McCarl BA等通過墨西哥農業與ENSO的關系建立了干旱早期預警模型[12]。

厄爾尼諾不僅影響中低緯度的氣候，引起華南干旱[13]，也對全國乃至青藏高原的氣候產生影響[14]。曹蓉研究了東北夏季降水與大氣環流和太平洋海溫的關系[15]。王敬方、吳國雄、胡娜娜發現厄爾尼諾現象發生后，我國東北容易出現持續性冷夏[16]和干旱[17]。李恩菊,趙景波發現山東省在厄爾尼諾年氣溫升高，降水減少，容易出現干旱[18]。山西雁北地區厄爾尼諾年氣溫偏低，與黃土高原區增溫趨勢相反，旱災加重[19]，但在厄爾尼諾發生次年降水偏多[20-21]。內蒙古在厄爾尼諾發生年降水減少，出現大旱、特旱的概率高[22]。西北地區東部厄爾尼諾發生年夏季降水減少，秋季降水增多[23]。陳朝基發現甘肅1950—2000年農作物受旱面積與厄爾尼諾和拉尼娜密切相關[24]。雷治平認為ENSO是影響陜西農業干旱災害的影響因子[25]，厄爾尼諾發生當年秋季至次年春季易出現連旱,次年秋季降水較多,次年夏糧產量偏歉的概率增大,秋糧容易豐產[26]。程相坤、徐東進、曾國良等發現EL NINO、LA NINA可導致葉爾羌河流域出現枯水年和豐水年[27]。白慶梅等認為厄爾尼諾年由于西風減弱和印度季風增強,輸送到干旱/半干旱區的水汽更多，冬季降水比常年偏多有共性[28]。與寧夏毗鄰的毛烏素沙地在厄爾尼諾年降水減少，但次年降水增加[29]。周雙燕將NINO因子引入重慶北碚柑橘旱情預警模型，實現了干旱早期預警[30]。

寧夏處在我國東部季風區和西北干旱區的過渡地帶，受冬季風影響大且時間長，夏季風的強弱影響汛期降水的多寡，影響農業生產，對雨水依賴性極強的中南部山區農業生產更是受氣候異常的影響。上述大多數文獻集中在ENSO對當地氣候的影響和預測上，對農作物產量的影響研究相對薄弱，特別是缺乏針對寧夏旱作農業區的影響研究。自2014年開始的厄爾尼諾事件持續了20個月以上，造成2016年寧夏南部山區玉米、馬鈴薯大幅減產。了解厄爾尼諾對寧夏農業氣候資源及農作物產量影響是當地政府制定相應對策的迫切需求。本文根據1961年以來發生的典型厄爾尼諾年份氣象要素、農業氣候資源和產量的動態距平，探討了厄爾尼諾對寧夏中南部山區氣候要素、農業氣候資源以及糧食作物產量的影響，可為農業生產趨利避害、科學決策提供依據。

1 資料和方法

1.1 厄爾尼諾影響年份、指數及程度

國家氣候中心在業務上以赤道太平洋綜合區連續6個月海溫距平是否超過0.5℃或連續5個月累積距平超過4.0℃作為厄爾尼諾發生的標準(均允許有1個月的間斷)。按此標準，1961—2012年共發生12次厄爾尼諾事件，我們將發生年份、生長季、SSTA峰值、累計值、二者乘積及程度列于表1，便于資料年代選取和程度評價。氣象資料選自寧夏中南部山區各氣象觀測站1961—2014年地面逐日氣象觀測資料，產量資料選自寧夏調查總隊1961—2014年統計年鑒中各市縣小麥、玉米和馬鈴薯播種面積和產量數據。

根據表1，將赤道3.4區SSTA指數的峰值和正距平0.5℃的累計值相乘表示海溫異常的強度，劃分厄爾尼諾的強度(圖1)。可看出，1997—1998年、1982—1983年為極強，1987—1988年為強，1965—1966年、1972—1973年、1991—1992年、2002—2003年和2009—2010年為中度，其余年份強度較弱。

1.2 氣候資料趨勢分離

以往在分析厄爾尼諾對氣候的影響時，一般以發生厄爾尼諾當年和次年氣候要素與多年平均值進行比較，以距平值作為評價指標。分析發現，由于受氣候變暖的影響，寧夏南部山區冬季氣溫逐年上升，氣候傾向率0.4℃·10a-1(圖2a)，在1992年以前的厄爾尼諾發生年份冬季平均氣溫均為負距平，之后均為正距平，與觀測到的暖冬等事實有出入，用當年氣溫與30年平均值的距平很難客觀評價厄爾尼諾的影響(圖2b)。

表1 1961—2012年歷次厄爾尼諾事件發生時間、程度及生長季(摘自國家氣候中心)

注：程度按照SSTA峰值與累計值的乘積分級標準，1為極弱，2為弱，3為中，4為強，5為極強。

Note: according to the level of the SSTA peak value and the cumulative value of the product classification standards, 1 is extremely weak, the other is weak, the 3 is the middle, the 4 is the strong and the 5 is very strong.

圖1 厄爾尼諾年3.4區SSTA強度

圖2南部山區冬季平均氣溫年際變化與線性趨勢擬合

Fig.2 The annual variations and linear trend of winter average temperature in the southern mountainous region

為消除氣候變暖的干擾，得到厄爾尼諾對氣溫、降水影響的真實情況，對1961—2012年間氣溫進行線性趨勢分離，代表氣候變化的系統增溫作用，以平均氣溫與當年氣溫趨勢值的離差作為當年氣溫的動態距平值，濾除了氣候變化本身對溫度的影響，使厄爾尼諾對氣溫的真實影響凸顯出來(圖2b)。

設氣溫多年序列為T，可以把T分解為時間趨勢項Tt和當年氣候波動項Tw，即：

T=Tt+Tw

(1)

Tt是時間t的函數，反映了氣候變化對溫度的影響，稱為趨勢氣溫，可用線性、非線性、滑動平均或者周期函數等描述，即：

Tt=f(t)

(2)

因此，逐年氣候波動Tw可被分離出來：

Tw=T-f(t)

(3)

厄爾尼諾發生當年、次年氣溫動態距平可用(3)求算，如果大部分樣本傾向正距平，證明厄爾尼諾造成升溫。如果f(t)為不隨時間而變的常數，則f(t)轉換為溫度序列的均值，即：

f(t)=(∑Ti)/n

(4)

此時Tw為傳統距平法得到的距平值，是本文動態距平法的一種特例。因此，在一個數據序列中，如果該數據序列隨著時間呈現增減趨勢，可采用動態距平法客觀反映序列的波動；當該數據序列不隨時間出現趨勢變化時，才能采用距平法反映序列的波動。

1.3 產量趨勢分離

農作物產量序列受當年氣候條件影響，也受生產力水平、農業技術進步影響，產量呈逐步上升趨勢。一般把產量序列Y分解為隨品種改良、農業技術進步逐年上升的趨勢產量Yt和當年氣象條件影響的氣象產量Yw，即：

Y=Yt+Yw+ε

(5)

ε為隨機影響，如發生病蟲害、洪澇等偶發性災害，難以用氣象因素表示的產量干擾項。本文認為，Yt不僅包含品種、管理、肥力等農業技術進步造成的產量隨時間增長的趨勢，也包含了氣候變化造成的產量單向增減趨勢。因此，在分析厄爾尼諾對作物產量的影響時，對1961—2014年各市縣小麥、水稻、玉米和馬鈴薯進行趨勢產量分離，獲得氣象產量(圖3)。其氣象產量Yw除了濾除農業技術進步對產量的影響外，也濾除了氣候變化對產量的系統影響，可反映厄爾尼諾發生次年氣象條件本身的變化對產量的影響程度，也相當于產量動態距平法。由于時間跨度大，產量基數前后相差好幾倍，采用相對氣象產量可以消除產量水平對增減產幅度的影響，即：

(6)

式中，YRW為相對氣象產量；Y為產量；Yt為趨勢產量。

圖3寧夏山區小麥、玉米和馬鈴薯單產趨勢擬合

Fig.3 The yield trends of wheat, rice, corn and potato in Ningxia

2 結 果

2.1 厄爾尼諾事件對氣溫的影響

2.1.1 暖冬的概率加大 冬季風強弱是導致我國冬季冷暖變化的直接原因，厄爾尼諾造成赤道東太平洋海溫持續偏高，冬季風強度偏弱，常常導致我國暖冬[2]。采用趨勢溫度分離的動態氣溫距平發現，寧夏在厄爾尼諾發生的12年中，中南部山區當年冬季平均氣溫偏高的有6年，其中,異常偏高的年份中部干旱帶有4年，南部山區有5年；冬季平均最低氣溫偏高的年份，中部干旱帶有8年，南部山區有7年，暖冬幾率占58.3%以上；12年中，中部干旱帶出現冷冬的只有1964、1983年，南部山區只有1964、1983和1992年出現異常低溫，冷冬概率在25%以下(圖4)。

2.1.2 作物生長季氣溫偏低 對寧夏中南部山區1961—2012年逐月氣象資料進行線性趨勢擬合，以厄爾尼諾發生次年4—9月逐月趨勢離差評價寧夏中南部山區氣溫的變化(圖5)，發現厄爾尼諾次年各月氣溫負距平居多，特別是1984、1988、1992和1995年，中部干旱帶和南部山區大多為負距平。按照12次厄爾尼諾發生次年逐月平均動態距平來看，氣溫偏低出現在6、7、8月份，整個夏季偏低明顯，5月、9月偏低不明顯，4月份氣溫偏高(圖6)。

圖4 厄爾尼諾發生年冬季平均氣溫(左)和最低氣溫(右)的動態距平

圖5 厄爾尼諾發生次年4—9月平均氣溫動態距平

圖6厄爾尼諾發生次年逐月平均氣溫動態距平多年平均

Fig.6 The multi-year average dynamic difference of monthly average temperature the following year El Nino occurred

2.1.3 作物生長季熱量資源減少 厄爾尼諾發生次年，我區中南部作物生長季(5—9月)不同界限溫度的積溫均呈減少趨勢，中部干旱帶≥0℃、≥10℃和≥15℃活動積溫比常年減少35℃d以內，南部山區≥15℃積溫減少50～80℃d，即厄爾尼諾使高海拔地區≥15℃積溫明顯減少，造成熱量強度不足，影響玉米成熟(圖7)。

2.2 厄爾尼諾對降水的影響

厄爾尼諾發生次年，中部干旱帶4—5月份降水比常年同期偏多，6月、8月和9月偏少，7月持平；南部山區4—5月份降水與其他年份無差異，與常年相比持平，6—8月份降水均比常年同期偏少，尤以8月份偏少為巨，9月份降水偏多(圖8c)。

從各站分布來看，作物播種至出苗期(4—5月份)，中部干旱帶各站降水均偏多，南部山區除涇源偏多外，其余均在均值附近；作物營養生長期間(6月份)，中南部山區各站降水均偏少，降水一致性偏少趨勢明顯；作物抽穗楊花期間(7份)，韋州、興仁、六盤山降水偏多，其他地區均偏少；作物灌漿期間(8月份)，中部干旱帶鹽池、麻黃山降水偏多，其他地區偏少，南部山區各站一致明顯偏少；作物灌漿成熟期間(9月份)，除鹽池降水略偏多外，中部干旱帶其他地區降水偏少；南部山區除西吉略偏少外，其余各站降水偏多(圖8a、圖8b)。

圖7 厄爾尼諾發生次年中南部(左)及各縣(右)5—9月不同界限溫度積溫動態距平

圖8寧夏厄爾尼諾發生次年作物生育期間降水距平逐月變化特征

Fig.8 The monthly precipitation difference variation during the following year El Nino occurred in Ningxia

2.3 厄爾尼諾對日照的影響

分析歷次厄爾尼諾發生次年逐月日照時數距平發現，厄爾尼諾發生次年6月、8月日照顯著減少，5月、9月日照略偏多，7月與歷年持平，中部干旱帶和南部山區日照變化基本相似(圖9)。

2.4 厄爾尼諾對作物產量的影響

比較厄爾尼諾發生當年、次年相對氣象產量的增減幅度，發現厄爾尼諾發生當年小麥、玉米和馬鈴薯均表現減產，小麥減產幅度最大。厄爾尼諾發生次年山區三大作物均表現增產，山區冬小麥、玉米和

馬鈴薯單產12次過程平均增產幅度分別為8.9%、7.8%和8.4%(圖10a)。自2014年開始的嚴重厄爾尼諾持續到2016年，山區玉米、馬鈴薯因2016年6—8月份的嚴重干旱而顯著減產。

以單產增減5%作為豐、平、歉年分型標準，分析12次厄爾尼諾發生次年3大作物增產、平產和減產所占比例，發現小麥、馬鈴薯增產年份多，玉米增減產年數相同，呈兩極化分布，可能與降水出現時段有關，如大降水出現在玉米抽雄吐絲期，容易出現受精障礙，影響結實率，反而對增產不利，但如出現在大喇叭口期，旱作玉米更容易顯著增產(圖10b)。

圖9 寧夏發生厄爾尼諾的次年作物生育期間逐月日照距平

圖10厄爾尼諾發生的當年、次年作物單產增減幅(左)及增減產年份所占比例(右)

Fig.10 The average crop relative climatic yields the following year of El Nino occurred (left) and the percentage of increase or decrease years (right)

3 結 論

厄爾尼諾現象與寧夏氣候關系比較密切，厄爾尼諾發生當年冬季和次年作物生長季，氣溫、降水時空分布發生一定的改變，從而對農業產生了一定的影響，歸納如下：

1) 厄爾尼諾造成寧夏冬季氣溫偏高，形成暖冬的概率大，降低極端寒冷天氣的持續時間和程度，有利于減少冬季設施農業生產能源消耗，對設施農業生產十分有利。

2) 厄爾尼諾發生年份，氣溫偏高由冬季可以延伸到春季，但夏季平均氣溫明顯偏低。中南部山區作物生長季(5—9月)≥0℃、≥10℃和≥15℃活動積溫均呈減少趨勢，中部干旱帶減少相對較少，南部山區減少較多，特別是≥15℃積溫減少明顯，這些高海拔地區熱量強度本身不足，厄爾尼諾造成熱量強度更不足，影響玉米成熟。

3) 厄爾尼諾發生次年，寧夏中部干旱帶春季降水偏多，有利于保障春播和苗期作物生長，但夏季、秋季降水偏少。南部山區春季、秋季降水偏多，夏季降水偏少，特別是作物開花、灌漿初期降水偏少，有利于玉米、馬鈴薯生長，但灌漿中后期、成熟期降水偏多，容易引起馬鈴薯晚疫病等病害。

4) 厄爾尼諾對寧夏糧食作物產量有一定影響，厄爾尼諾發生次年山區冬小麥、玉米和馬鈴薯均顯著增產。

本文針對2016年發生厄爾尼諾后對2017年產量預估的需求，初步分析了厄爾尼諾對寧夏南部山區農業氣象條件和作物產量的影響，但未分析拉尼娜年份對山區農業的影響。今后可將兩者結合起來，以NINO3、NINO4、NINO3.4區SSTA逐月、3月滑動平均值與小麥、玉米和馬鈴薯的相對氣象產量進行相關分析，也可結合熱帶印度洋海溫、南方濤動(SOI)等研究造成產量變化的海溫指數和代表區域，更進一步研究海溫異常對寧夏農業的影響，為產量年景豐歉預測提供依據。

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