氣候變化下遼寧省春玉米水熱時空特征及干旱風險

曹永強,馮興興,李玲慧,路 潔

遼寧師范大學 地理科學學院, 大連 116029

玉米作為世界第一大糧食作物,種植面積廣泛、生產(chǎn)潛力巨大,其在糧食安全及國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)重要地位[1- 2]。IPCC第五次評估報告指出,預計21世紀全球平均氣溫增幅可能超過1.5—2℃,以全球氣候變暖為主要特征的氣候要素變化已對世界環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展造成了巨大威脅[3- 4]。氣候變化條件下,農(nóng)業(yè)氣候資源也相應發(fā)生變化[5- 7]。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對氣候條件的依賴程度很高,任何程度的氣候變化都將給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來顯著影響,特別是作物生長季內(nèi)水熱條件的變化[8]。玉米生產(chǎn)受氣候變化的影響十分顯著,因此,如何應對氣候變化對農(nóng)作物帶來的影響成為當前研究的熱點話題。

近年來,國內(nèi)外學者關(guān)于氣候變化對糧食生產(chǎn)的影響進行了廣泛研究,其方法主要是利用不同作物生長模型以及統(tǒng)計學方法研究不同時空尺度、作物類型生育期的溫度、降水、日照、蒸散量等氣候變量的時空特征及其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)性評價[9- 12]。如何奇瑾等[13]利用ArcGIS空間分析對我國春玉米潛在種植分布區(qū)進行研究,并進行了玉米種植區(qū)劃；余會康等[14]研究表明增溫效應對東北地區(qū)水稻生育過程產(chǎn)生重要影響,水稻冷害發(fā)生頻率逐年減少；薛亞榮等[15]認為降水是影響塔城地區(qū)棉花灌溉需水量最大的氣象因子；Golovko等[16]研究了在相對寒冷潮濕的土壤和氣候條件下培育早熟玉米雜交種的可能性和前景；Labell等[17]認為極端高溫對非洲玉米生產(chǎn)影響顯著,日最高溫度大于30℃的積溫每增加1℃,將導致玉米減產(chǎn)1.7%；同時,Otkin和Wu等[18- 19]研究認為,干旱對玉米種植產(chǎn)生巨大影響。綜合來看,以往研究缺乏對作物各生育期內(nèi)氣溫和降水時空特征的協(xié)同研究,致使難以明確氣候變化背景下的區(qū)域水熱協(xié)同變異過程對作物生育的影響；另外,對年代際間春玉米水熱變化趨勢及差異水平的研究鮮有發(fā)現(xiàn),而這在指導地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)與穩(wěn)定發(fā)展、中長期規(guī)劃與種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中具有潛在價值。

遼寧省作為國家重點糧食產(chǎn)區(qū)之一,在《全國新增1000億斤糧食生產(chǎn)能力規(guī)劃(2009—2020年)》中,被定位為糧食生產(chǎn)核心區(qū)[20]。遼寧省玉米種植面積較廣闊,在遼寧省14個地級市中,12個以玉米為第一種植作物[21- 22]。近年來,隨著全球氣候變化的不斷發(fā)展,東北地區(qū)氣候總體存在以“氣溫顯著增高,降水、日照時數(shù)減少”為主要特點的暖干化趨勢,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動受到影響[23]。選取遼寧省1970—2018年近49年春玉米生育期內(nèi)19個氣象站點逐日氣象數(shù)據(jù),劃分為1970—1979、1980—1989、1990—1999、2000—2009、2010—2018年5個研究區(qū)間,從年代際尺度上分析氣候變化背景下遼寧省玉米生育期內(nèi)氣溫和降水氣候資源的時空變化特征及差異水平,旨在為優(yōu)化其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局,調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)提供理論與決策支持。

1 研究區(qū)域概況

遼寧省位于我國東北地區(qū)的東南部,38°43′—43°26′N,118°53′—125°46′E之間,南瀕黃海、渤海,總面積為14.8萬km2(圖1)。遼寧省是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是遼寧省發(fā)展規(guī)劃的重要部分,其中玉米種植占據(jù)重要地位。遼寧省屬溫帶大陸性季風氣候,且受海洋性氣候影響顯著；年平均氣溫7—11℃,年降水量為600—1100 mm,時空分布不均,東部多西部少,且多集中7—8月。遼寧省氣候自東南向西北由溫帶的半濕潤向半干旱過渡,具有日照豐富、雨熱同季、積溫較高、降水較少的特征[24]。近年來,氣候變暖下東北地區(qū)因緯度偏高,增暖明顯,降水量減少,熱量指數(shù)和水分虧缺指數(shù)隨年代呈波動上升趨勢,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到較大影響[25]。

圖1 遼寧省地理位置示意圖Fig.1 Location map of Liaoning Province

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),主要包括遼寧省近49年(1970—2018年)春玉米全育期內(nèi)19個標準氣象站點的逐日氣象數(shù)據(jù)(圖2),主要包括日最高氣溫,日平均氣溫以及日降水量和各個站點的經(jīng)緯度等地理特征數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析基于 Excel 2010 和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,采用 ANOVA 進行方差分析,顯著性水平P=0.05。空間分析采用 ArcGIS 10.0 軟件的克里金插值方法(Kriging)對氣象數(shù)據(jù)進行插值,生成空間柵格數(shù)據(jù),按掩膜提取后得到相應的空間分布圖。

2.2 研究方法

2.2.1遼寧省春玉米生育期劃分及作物系數(shù)KC

根據(jù)實際生產(chǎn)實踐經(jīng)驗并結(jié)合遼寧省水利電力廳編制的《遼寧省抗旱資料匯編》及相關(guān)資料[26- 28],玉米生產(chǎn)經(jīng)歷播種、出苗、拔節(jié)、抽雄、灌漿、乳熟、成熟等主要發(fā)育時期,將遼寧省春玉米全育期劃分為5個階段(表1),具體劃分時間為播種期、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期,共歷時163 d。根據(jù)李晶等[29]對已有對遼寧玉米作物系數(shù)的研究,結(jié)合靳春香[30]對遼寧省春玉米作物系數(shù)的總結(jié),故本文選取KC(表2)。

圖2 遼寧省氣象站點分布圖Fig.2 Distribution map of meteorological stations in Liaoning Province

表1 遼寧省春玉米全育期劃分

表2 遼寧省春玉米作物系數(shù)統(tǒng)計表

2.2.2熱量指標

氣溫是影響玉米生長的重要條件之一,不僅影響作物的發(fā)育速度,同時也影響作物的產(chǎn)量。玉米為喜溫作物,氣溫的變化會直接影響玉米的整個生長過程,玉米生長的最低溫度為10—12℃,適宜溫度為25—31℃[31- 33]。積溫學說或者有效積溫學說(≥10℃)是評價作物生長期內(nèi)熱量的有效依據(jù),目前學者多使用平均氣溫作為判斷熱量的主要指標。然而在作物實際生長過程中,過高或過低的溫度都會對作物生長產(chǎn)生不利影響[34]。為更好地分析玉米生育期內(nèi)的熱量條件,本文將采用度日指標[35- 37]。

生長度日(Growing degree days,GDD)是分析作物生長期內(nèi)的熱量指標,文中是指日平均氣溫≥10℃的有效積溫。高溫度日(Heat degree days, HDD)是分析作物極端高溫的熱量指標,文中是指日平均氣溫≥31℃的積累溫度。本文利用度日指標衡量春玉米全育期及各生育期的溫度累積程度,分析遼寧省春玉米不同生育期受溫度累積的可能程度及變化趨勢。

(1)

(2)

式中,Tave代表日平均氣溫,Tbase代表玉米全育期下限溫度,文中取值為10℃；Tmax代表日最高氣溫,Topt代表玉米生育期的上限溫度,文中取值為31℃。

2.2.3氣候傾向率

氣候傾向率是指氣候要素多年變化,xi表示樣本量為n的某氣候變量,ti表示xi對應的時間,建立xi與ti的一元回歸方程。

xi=a+bti(i=1,2,...n)

(3)

式中,a指回歸常數(shù),b指回歸系數(shù),通常以b的10倍作為各氣候要素的氣候傾斜率。利用氣候傾向率分析1970—2018年5個不同年代際間遼寧省春玉米全育期及各個生育期的GDD、HDD和降水量的變化趨勢。

2.2.4干燥度指數(shù)

干燥度指數(shù)(Aridity index)是評價一個地區(qū)干濕程度的重要指標,通常以某地區(qū)水分收支與熱量平衡來計算[2]。計算公式如下：

Aridity=1-P/ET0

(4)

式中,Aridity代表玉米在生育期內(nèi)的干燥度,P代表玉米在生育期內(nèi)的相應累積降水量；ET0代表玉米在生育期內(nèi)的相應作物蒸散量之和。如果Atidity小于0,表明該時段里降水量大于蒸散量,干旱不會發(fā)生,因此可以用0代替所有負值；如果Aridity大于0,表明該時段里干旱可能發(fā)生, 并且Aridity越大,干旱越嚴重。

農(nóng)作物蒸散量通常指農(nóng)作物在生長期間蒸發(fā)蒸騰所消耗的水資源量,通常采用FAO(聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織)推薦的Penman-Monteith模型。

(5)

式中,Rn為凈輻射MJ m-2d-1；G為熱通量密度MJ m-2d-1；T(℃)為日平均溫度；u2為2m高處風速(m/s)；es為飽和空氣水汽壓(kPa)；ea為空氣水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的梯度(kPa/℃)；γ為濕度計常數(shù)；Gn、Gd為固定常數(shù),在估算逐日潛在蒸散發(fā)量時取值分別為900和0.34。

由于不同地區(qū)地貌地形條件的不同,根據(jù)不同地區(qū)作物系數(shù)KC對蒸散量ET0進行修訂,得到作物需水量ETc。因此,采用修訂后的干燥度指數(shù)公式為：

ETC=KC×ET0

(6)

Aridity=1-P/ETc

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同年代遼寧省春玉米全育期生長度日GDD時空特征分析

遼寧省不同年代際間春玉米各個生育階段GDD平均值及氣候傾向率見表3。總體來看,1970—2018年遼寧省春玉米全育期GDD以44.23℃·d/10a的速率上升,不同年代際春玉米生長度日(GDD)在苗期、成熟期以及全育期存在顯著差異,且顯著性水平通過0.05檢驗；表明不同年代際溫度在苗期、成熟期以及全育期變化幅度存在明顯差異。此外,各個生育階段內(nèi)春玉米GDD呈現(xiàn)遞增趨勢,在播種期增長速率最高,氣候傾向率均呈正向變化。其中,2010—2018年間春玉米GDD在各個生育階段增長趨勢明顯大于其他階段,將意味著春玉米播種期的提前,生長期的延長[38]。同時,近年來GDD增幅明顯,2000—2018年苗期春玉米GDD明顯大于1970—1979年(P<0.05),1970—1979年成熟期春玉米GDD明顯低于1990—2018年,2000—2009年GDD值顯著高于其他年際(P<0.05),2000—2018年全育期內(nèi)春玉米GDD明顯大于1970—1989年(P<0.05),表明春玉米全育期生長熱量總體在持續(xù)增加。

遼寧省春玉米1970—2018年不同年代際全育期GDD空間分布如圖3所示。近49年,遼寧省春玉米全育期GDD范圍在1317.23—1980.53℃·d之間；GDD空間分布上由西北向東南沿海遞增,局部地區(qū)顯著增長。GDD高值區(qū)范圍主要分布在遼寧省西部和中部地區(qū),低值范圍主要分布在遼寧省東部地區(qū),與王培娟[39]對東北地區(qū)春玉米生育期熱量研究的結(jié)果一致,同時與整個東北春玉米冷害危險性指數(shù)呈自西南向東北方向遞增的空間分布格局相呼應[40]。由圖3可以看出,1970—1979年GDD差值不大,1980—1999年西北部地區(qū)GDD增加明顯,2000—2018年遼寧省GDD整體增加,高值區(qū)主要向朝陽、鞍山及營口等地區(qū)集中,其主要原因是朝陽、鞍山及營口等地區(qū)溫度增大于其他地區(qū),為0.5—1℃,其他地區(qū)平均增幅多為0—0.5℃[41]；低值區(qū)主要出現(xiàn)在清原、寬甸及周圍地區(qū),溫度的區(qū)域分布特點可能受地形及海洋影響[42]。總體上,GDD呈現(xiàn)上升趨勢,空間分布上由西北向東南擴增,同時地區(qū)間差異逐漸減小,遼寧省春玉米全育期的熱量增加有利于春玉米發(fā)育及產(chǎn)量增加。

表3 1970—2018年各個年代際遼寧省春玉米不同生育期GDD平均值及氣候傾向率

圖3 1970—2018不同年代春玉米全育期生長度日(GDD)空間分布Fig.3 Growing degree days (GDD) spatial distribution of growing day of spring maize in 1970—2018 from different eras

3.2 不同年代遼寧省春玉米全育期高溫度日HDD時空特征分析

遼寧省不同年代際間春玉米各個生育階段HDD平均值及氣候傾向率見表4。總體來看,1970—2018年遼寧省春玉米全育期HDD以4.77 ℃·d/10a的速率上升,在2010—2018年變化速率最為明顯,且不同年代際間春玉米高溫度日(HDD)在相同生育階段內(nèi)未達到顯著差異水平,表明HDD在不同年代際不同生育期雖有差異,但差異顯著性水平未達到0.05。整體上春玉米HDD在拔節(jié)期的均值明顯大于其他生育階段,在2000—2009年表現(xiàn)尤為顯著,其次為成熟期。同時,從各個生育階段來,近49年春玉米HDD增長期主要在抽穗期和拔節(jié)期,在抽穗期HDD的增長最為明顯。據(jù)歷史資料顯示,2000—2009年,遼寧省干旱發(fā)生頻繁,2000,2001年、2007年、2009年均出現(xiàn)了較大旱情,可能與氣溫升高、降水減少有關(guān)。

遼寧省春玉米1970—2018年不同年代際全育期高溫度日HDD空間分布如圖4所示。近49年來,HDD在不同年代際的范圍變化幅度明顯,在空間上整體表現(xiàn)出不斷增大的趨勢,遼西北地區(qū)增長顯著；在空間變化上由西北地區(qū)向東南沿海增大,其主要原因可能是西部、中部地區(qū)高溫日數(shù)普遍于沿海和東部山區(qū)[43]。1970—1999年間HDD增長趨勢較2000年后的增長趨勢低；2000—2018年HDD增長趨勢明顯上升,其中2010—2018年間HDD顯著高于其他階段；高值區(qū)主要在朝陽和葉柏壽地區(qū)集中,可能與其降水少、蒸發(fā)大、植被少等因素有關(guān)[24],其次在遼寧中部地區(qū),主要是鞍山一帶,與其地區(qū)氣溫增加幅度顯著有關(guān)；整體來看,以朝陽為中心的遼西北地區(qū)高值區(qū)變化范圍明顯,80年代末開始突變的氣候變暖持續(xù)影響至今,朝陽地區(qū)氣溫整體呈現(xiàn)波動上升趨勢且最高和最低增溫的強弱在時間上表現(xiàn)出不一致性[44]。HDD的增長不僅表明春玉米全育期內(nèi)熱量的增加,也意味著蒸發(fā)加劇,作物生育期水分虧缺指數(shù)增加,高溫干旱的風險將大大增強[2]。總體上,近49年來HDD呈現(xiàn)增長趨勢,在空間上與生長度日GDD分布趨勢大體一致。

3.3 不同年代遼寧省春玉米全育期降水量時空特征分析

遼寧省不同年代際間春玉米各個生育階段降水量平均值及氣候傾向率見表5。1970—2018年遼寧省春玉米全育期降水量以4.93 mm/10 a的速率下降,年際變化大,波動性強；且均值間差異沒有達到顯著水平,表明降水量在不同年代際不同生育期差異顯著性水平未達到0.05。其中,2000—2009年降水量明顯低于其他年代,減少時期主要在抽穗期和成熟期,春玉米全育期內(nèi)降水量在2010—2018年變化速率最為明顯；從不同玉米生育期階段來,近49年春玉米生育期降水量增長主要表現(xiàn)在播種期和苗期,而春玉米在拔節(jié)期、抽穗期以及成熟期的降水量存在不同程度的降低,隨著降水減少、氣溫升高將對作物生物量積累和產(chǎn)量形成都有不利影響。

表4 1970—2018年各個年代際遼寧省春玉米不同生育期(HDD)平均值及氣候傾向率

表5 1970—2018年各個年代際遼寧省春玉米不同生育期降水量平均值及氣候傾向率

圖4 1970—2018不同年代春玉米全育期生長度日(HDD)空間分布Fig.4 Heat degree days (HDD) spatial distribution of growing day of spring maize in 1970—2018 from different eras

遼寧省春玉米1970—2018年不同年代際全育期降水量空間分布如圖5所示。近49年,遼寧省春玉米全育期降水量在不同年代際間變率大,空間上呈東南—西北遞減趨勢,其中中部地區(qū)年降水量變化較大,而西部和東部變化較小[45],主要是487.56—628.35 mm降水量的空間分布變化較大。遼寧省春玉米降水量在346.75—909.94 mm,高值區(qū)主要分布在寬甸和丹東等東南地區(qū),低值區(qū)主要分布葉柏壽和朝陽等西北地區(qū),主要與遼寧省地形有關(guān),西北地區(qū)受海洋性氣候影響較小,氣溫高,蒸發(fā)旺盛[40,46]。不同年代際間遼寧省春玉米生育期年均降水量空間分布明顯變化,地區(qū)間存在明顯差異,與韓叢利對遼寧省洪澇災害時間變化特征分析中提到的降水在時空上分布差異的研究結(jié)果一致[47]；1990—1999年遼寧省春玉米全育期內(nèi)整體降水量高于其他年代際；而2000—2009年降水量顯著減少。總體而言,近49年遼寧省春玉米生育期降水量空間分布差異不明顯,但與遼寧省春玉米生育期生長度日GDD、高溫度日HDD的空間分布呈相反趨勢。

圖5 1970—2018不同年代春玉米全生育期降水量空間分布Fig.5 Spatial Distribution of precipitation in each growth period of spring maize in 1970—2018 from different eras

4 討論

以溫度升高和降水減少為主要標志的遼寧省氣候暖干化現(xiàn)象對當?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)生了重要影響,高溫和干旱是限制農(nóng)作物生產(chǎn)的重要因子,其危害的嚴重度很大程度上取決于溫度[48- 49]。由于氣溫變化是導致作物生育期內(nèi)活動積溫變化的直接原因,因此本文的熱量條件重點考慮了溫度,并未考慮日照輻射的影響。本文通過對遼寧省春玉米全育期GDD、HDD以及降水量在年代際上的時空變化特征及差異水平研究發(fā)現(xiàn),遼寧省春玉米全育期GDD、HDD呈不斷上升的趨勢,雖然未來春玉米生產(chǎn)能夠獲得良好的熱量資源,但葉柏壽、朝陽及鞍山等地極端高溫、干旱的風險極有可能大大增加,氣溫升高會加劇土壤蒸發(fā),引起土壤干旱,從而嚴重影響玉米產(chǎn)量[50]。此外,遼寧省春玉米全育期內(nèi)降水量呈現(xiàn)降低趨勢,且西北部降水量較少,未來春玉米干旱風險加大。

4.1 不同年代際遼寧省春玉米干燥度指數(shù)時空特征分析

農(nóng)業(yè)作為受干旱影響最顯著的部門之一,由于氣溫升高或者降水減少,作物不能從土壤或者空氣中獲得生長發(fā)育足夠的水分,造成農(nóng)作物生長發(fā)育不良,導致作物減產(chǎn)或者品質(zhì)下降的一種災害現(xiàn)象[51]。前人對遼寧省玉米干旱研究頗多,但多集中在以Penman-Monteith、Z指數(shù)、標準化降水指數(shù)(SPI)、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)等方法為基礎(chǔ)上的干旱風險研究[27,52],通過重點研究氣溫和降水組合條件下遼寧省春玉米生產(chǎn)的氣候條件,雖然春玉米全育期的熱量資源增加,但降水量在減少,表明遼寧省春玉米全育期水熱時空變化給玉米生產(chǎn)帶來了極端高溫、干旱等風險變化。在此背景下引入干燥度指數(shù)(Aridity index),對氣候變化下遼寧省春玉米在1970—2018年全育期發(fā)生干旱的風險性進行研究。

利用修訂后干燥度指數(shù)公式分析1970—2018年5個年代際遼寧省春玉米全育期干旱發(fā)生的時空變化特征,干燥度指數(shù)時空變化分布如圖6所示。近49年來,遼寧省春玉米全育期在不同年代際干燥度指數(shù)空間分布不同,總體上由東南地區(qū)向西北地區(qū)增大,其中,東部地區(qū)整體變化不明顯,西部及中部地區(qū)在不同年代際分布不同；此外,遼西北地區(qū)干燥度指數(shù)最為顯著,高值中心出現(xiàn)在朝陽、葉柏壽等地及周邊地區(qū)。其中,1970—1979年、2000—2009年干燥度指數(shù)空間分布特征基本一致；1980—1989年、2010—2018年干燥度指數(shù)空間分布特征基本一致；1990—1999年干燥度指數(shù)整體較低。據(jù)史料記載,1994、1997、2001以及2014年遼寧中部地區(qū)發(fā)生不同程度干旱事件,2000年遼寧省出現(xiàn)大面積干旱事件,2007年遭受了嚴重夏旱,2009年遼西北發(fā)生特大干旱事件[53-54]。結(jié)合GDD、HDD以及降水量的時空變化特征,1970—1989年間遼寧省春玉米全育期干燥度指數(shù)變化不大,高值區(qū)主要集中在西北地區(qū)。其中,1980—1989年瓦房店以南地區(qū)變化明顯,大連及周邊地區(qū)變化顯著。在此階段,西北地區(qū)GDD、HDD增高,降水量整體上變化不顯著。1990—1999年整體干燥度指數(shù)為近49年最低。在此階段,西北地區(qū)GDD增大,HDD由西北地區(qū)向東北增加,降水量整體由東南向西北增加,為近49年最多,因此干燥度指數(shù)較低。2000—2018年間干燥度指數(shù)較1990—1999年明顯增加,仍以遼西北地區(qū)最為顯著。在此階段,GDD以及HDD總體由西北向東南方向繼續(xù)增加,2000—2009年降水量明顯減少,2010—2018年降水量較上個階段有所增加,干燥度指數(shù)明顯增加。

圖6 1970—2018年不同年代春玉米全育期干燥度指數(shù)空間分布Fig.6 Spatial Distribution of aridity index in growing day of spring maize in 1970—2018 from different eras

綜上所述,遼寧省春玉米全育期干燥度指數(shù)在不同年代際存在差異,但GDD、HDD的持續(xù)增加并未使得干旱風險范圍發(fā)生明顯變化；同時,降水量大范圍的減少,干燥度指數(shù)會產(chǎn)生一定變化,結(jié)果表明GDD、HDD的升高以及降水量的減少可能帶來干旱風險；總體而言,遼寧省西北部地春玉米發(fā)生干旱風險性最高。

4.2 干燥度指數(shù)與GDD、HDD以及降水量的聚合分析

散點圖可以清晰展示數(shù)據(jù)的分布和聚合情況。1970—2018年遼寧省春玉米全育期干燥度指數(shù)和GDD、HDD以及降水量的散點分布圖如圖7所示。由圖7可知,干燥度指數(shù)和GDD沒有明顯聚合分布,GDD的升高不能引起干燥度指數(shù)的明顯變化,結(jié)果表明遼寧省春玉米全育期GDD的增長引發(fā)干旱風險的可能性較低。干燥度指數(shù)和HDD呈現(xiàn)一定聚合分布,隨著HDD的增大,干燥度指數(shù)隨之增大,結(jié)果表明遼寧省春玉米全育期HDD的增高會造成一定程度的干旱事件。干燥度指數(shù)和降水量的聚合分布程度較高,降水量的減少會引起干燥度指數(shù)的明顯變化,結(jié)果表明遼寧省春玉米全育期降水量的減少引發(fā)干旱的風險較大。

圖7 干燥度指數(shù)和GDD、HDD及降水量散點分布圖Fig.7 Scatter plot of aridity index and GDD、HDD and precipitation

綜上所述,遼寧省春玉米全育期GDD的增加引發(fā)干旱的風險性較低,而HDD的增長以及降水量的減少對干旱發(fā)生的影響較大。因此,遼寧省應通過優(yōu)化作物布局,調(diào)整種植結(jié)構(gòu),培育栽種技術(shù)以及改進管理模式等措施應對干旱風險,例如,調(diào)整播種期,培育新品種,改進灌溉技術(shù)等。而未來遼寧省春玉米如何應對氣候變化,降低干旱風險的對策與措施還需要進一步深入研究。

5 結(jié)論

(1)近49年春玉米全育期GDD以44.23 ℃·d/10a的速率上升,范圍在1317.29—1980.53 ℃·d之間波動,同時苗期、成熟期及全育期GDD在不同年代際間存在顯著差異；在空間分布上,1979—1999年間地區(qū)差異不大；從2000年開始,地區(qū)間差異逐漸縮小,高值區(qū)向朝陽、鞍山等地集中,低值區(qū)以清原、寬甸地區(qū)為中心。良好的熱量條件的增加有利于玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的提升。

(2)近49年春玉米全育期HDD以4.77 ℃·d/10a的速率上升,2000—2018年增長趨勢明顯,增長期主要集中在抽穗期；在空間分布上,高值區(qū)主要集中在葉柏壽、朝陽、鞍山等地,整體上以朝陽為中心的遼西北地區(qū)高值區(qū)變化范圍明顯。HDD的增加將不利于春玉米生長,遼西北地區(qū)干旱風險發(fā)生可能性增加。

(3)近49年遼寧省春玉米全育期降水量整體以4.93 mm/10a的減少趨勢,各個年代際間變化明顯,拔節(jié)期、抽穗期及成熟期降水年際變化大,波動性強；空間上,降水量由東南沿海向西北方向遞減,其中中部地區(qū)年降水量變化較大,不同年代際間地區(qū)差異明顯,1990—1999年降水量分布變化較大。

(4)遼寧省春玉米全育期干燥度指數(shù)在不同年代際存在差異。從空間分布上,GDD、HDD的對干旱風險范圍變化不明顯,但降水量大范圍的減少,干燥度指數(shù)會產(chǎn)生一定變化；從干燥度指數(shù)與GDD、HDD以及降水量的聚合分析看,遼寧省春玉米生育期GDD的升高對干旱風險影響較小,而HDD的升高和降水量的減少引發(fā)干旱的風險性較高。

(5)雖遼寧省春玉米全育期GDD、HDD近49年來呈現(xiàn)不斷上升的趨勢,高值區(qū)多集中在朝陽、葉柏壽等西部地區(qū)；但降水量呈現(xiàn)降低趨勢,且西北部降水量較少,未來西部地區(qū)春玉米干旱風險加大。下一步有必要針對農(nóng)業(yè)氣候變化及其對農(nóng)業(yè)影響等開展分區(qū)研究,在相對干旱地區(qū),可以通過擴大旱田水澆地面積防御干旱威脅,減輕干旱影響；未來應重點加強對遼寧省春玉米生產(chǎn)氣象條件的監(jiān)測,同時提高玉米生產(chǎn)用水利用率和利用效率,降低干旱帶來的危害。