河北省玉米高溫熱害的時空特征及變化趨勢分析

代立芹，王 猛，董航宇，康西言，李春強

（1.河北省氣象科學研究所/河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 石家莊 050021；2.唐山市氣象局,河北 唐山 063000）

高溫熱害是玉米生長期間常見的農業(yè)氣象災害。受氣候變暖的影響，高溫事件頻繁發(fā)生，對玉米生產的影響日益加重［1-4］。河北省既是玉米生產大省，也是高溫熱害多發(fā)區(qū)域［5］。近年來，高溫熱害頻繁發(fā)生，如2013、2017、2018年均出現了高溫熱害，造成了玉米不同程度的減產，高溫熱害逐漸成為影響玉米生產的重要農業(yè)氣象災害之一。因此，科學地分析氣候變化背景下高溫熱害的時空分布特征及其變化規(guī)律，對防御和降低高溫熱害所造成的不利影響具有重要意義。

有部分學者對玉米高溫熱害的分布特征及其變化規(guī)律進行了研究［6-9］，也有學者對未來氣候情景下溫度條件對玉米生長的影響［10-13］、高溫災害風險［14］等進行了分析，主要針對的是夏玉米花期高溫熱害，缺乏對玉米拔節(jié)期和灌漿期高溫熱害的相關研究。在分析高溫熱害和氣象要素變化趨勢時，多采用線性分析方法得到線性趨勢或線性傾向率，但由于氣候系統具有不連續(xù)性、階段性、跳躍性的特征，采用線性趨勢或氣候傾向率的方法無法預測未來的變化趨勢和轉換點。

目前，關于河北省玉米高溫熱害的研究主要針對河北省中南部夏玉米花期的高溫熱害變化規(guī)律［7-9］，缺乏對北部春玉米拔節(jié)期—灌漿期的高溫熱害研究，同時存在時空尺度過大、缺乏未來變化趨勢的定量化分析等問題。河北省玉米拔節(jié)—灌漿期均為高溫熱害多發(fā)期［5］，隨著氣候變暖，高溫致災因子發(fā)生了顯著變化，因此了解高溫熱害及其致災因子的變化趨勢對我們科學地認識高溫熱害的演變規(guī)律和合理安排玉米生產具有重要意義。因此，筆者利用河北省142個氣象站的逐日氣象資料和農業(yè)氣象觀測站的玉米生育期觀測資料，采用線性分析、Mann-Kendall(M-K)趨勢檢驗、R/S分析和非周期循環(huán)分析等多種方法，全面地分析了河北省玉米拔節(jié)—灌漿期的高溫熱害及其致災因子的時空分布特征、變化規(guī)律和未來變化趨勢，以期為適應氣候變化、防御和減輕高溫危害提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河 北 省 位 于113°11′～119°45′E、36°05′～ 42°37′N之間，地處春玉米和夏玉米種植的交錯帶。張家口和承德2市壩下、秦皇島北部、保定西北部地區(qū)是春玉米的主要種植區(qū)；秦皇島和唐山2市的中南部為春玉米和夏玉米種植的過渡區(qū)，近年來，以種植夏玉米為主；其他地區(qū)是夏玉米的主要種植區(qū)。

1.2 數據來源

選取玉米種植區(qū)142個氣象站1971—2020年的逐日氣象資料(包括平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫等)；26個農業(yè)氣象觀測站1981—2020年的玉米生育期觀測資料。資料來源于河北省氣象局。

1.3 研究方法

1.3.1 高溫熱害的評估指標

1.3.1.1 高溫熱害等級與強度的計算依據代立芹等［5］關于玉米拔節(jié)—灌漿期的高溫熱害指標(32 ℃以上日高溫時長達4 h和5 h以上累積出現的天數和積溫、日最高氣溫33 ℃以上累積出現的天數)進行高溫熱害的判識及其強度和等級的計算。

1.3.1.2 高溫熱害發(fā)生概率的計算采用偏度系數、峰度系數對數據序列進行正態(tài)分布檢驗，對不遵從正態(tài)分布的序列進行偏態(tài)分布正態(tài)化處理［15-16］后，以新的均值和方差進行概率估算。

1.3.2 高溫熱害的變化趨勢分析

1.3.2.1 M-K趨勢檢驗和突變分析M-K趨勢檢驗屬非參數檢驗法，適用于類型變量和順序變量，其標準化統計量Z值的正、負反映了要素上升或下降的變化趨勢，當顯著性水平為0.1、0.05、0.01時，Z1-α/2分別為1.28、1.64、2.32；通過分析要素順序，統計曲線UF、逆序統計曲線UB和要素累積距平值的變化情況，可找到要素序列的突變點［17］。

1.3.2.2 R/S分析和非周期循環(huán)分析R/S分析又稱重標極差分析，其Hurst指數H值能反映未來變化的總體趨勢與過去的變化趨勢之間的關系。H=0.50表示序列是完全獨立的隨機過程，未來與過去沒有關系；H=1.00表示序列具有較強的自相似性，是一條直線；0.50＜H＜1.00表示未來的變化趨勢與過去的變化趨勢一致；0.50＜H≤0.55、0.55＜H≤0.65、0.65＜H≤0.75、0.75＜H≤0.80、0.80＜H＜1.00則分別表示趨勢的持續(xù)性很弱、較弱、較強、強、很強；0＜H＜0.50表示未來變化趨勢與過去相反，0.45≤H＜0.50、0.35≤H＜0.45、0.25≤H＜0.35、0.20≤H＜0.25、0＜H＜0.20則分別表示反持續(xù)性很弱、較弱、較強、強、很強。通過檢驗R/S穩(wěn)定性的統計量V可以判斷序列是否有非周期性循環(huán)，并能測定出其平均循環(huán)長度，即過去趨勢對未來趨勢影響的時間長度［18］。

2 結果與分析

筆者依據玉米各生育期的平均起止日期［19］，統計并分析了142個氣象站1971—2020年玉米拔節(jié)—灌漿期高溫熱害的站次、強度以及災情的等級和發(fā)生概率。

2.1 高溫熱害的時間演變特征

1971—2020年玉米拔節(jié)—灌漿期高溫熱害的站次和強度的分析結果顯示，春玉米區(qū)以抽雄期高溫的站次和強度最大，拔節(jié)期次之，灌漿期最小；夏玉米區(qū)以拔節(jié)期高溫的站次和強度最大，抽雄期次之，灌漿期最小，這與玉米生長期間高溫熱害致災因子的時間分布特征一致。

由圖1可知：春玉米區(qū)7月中下旬為致災因子的高值期，此時正值玉米的抽雄開花期；6月下旬—7月上旬為致災因子的次高值期，此時正值玉米的拔節(jié)期；6月上中旬為致災因子的中值期，此時正值玉米苗期；其他時段的致災因子值相對較低。夏玉米區(qū)6月中旬—7月上旬為致災因子高值期，此時正值玉米苗期；7月中下旬為致災因子的次高值期（受汛期降水較多影響，極端高溫天氣減少），此時為玉米的拔節(jié)—抽雄初期；6月上旬和8月上中旬為致災因子的中值期，分別為玉米的播種初期和抽雄開花—灌漿初期；其他時段的致災因子值相對較低。玉米的生殖生長階段［20］對高溫熱害比較敏感，苗期受致災因子的影響較小，因此春玉米區(qū)、夏玉米區(qū)高溫熱害的主要危害時段分別為6月下旬—7月下旬、7月中旬—8月上旬。

圖1 玉米生長期的逐旬高溫熱害的時間演變特征

對不同年代的高溫熱害的站次和強度分析顯示（圖2），春玉米區(qū)1971—1990年的高溫站次較少；1991—2000年的高溫站次明顯增多。從逐年變化情況來看，1999年開始顯著增多，以抽雄期增幅最大，拔節(jié)期次之，灌漿期最小；2001—2010、2011—2020年的高溫站次基本一致，均少于1991—2000年的，但明顯多于1971—1990年的；高溫強度以拔節(jié)期上升較為明顯，抽雄和灌漿期無明顯變化。夏玉米區(qū)1971—1990年的高溫站次相對較少；1991—2000年的高溫站次明顯增多，從逐年變化情況看，1997年開始顯著增多。以拔節(jié)期增幅最大，抽雄期次之，灌漿期最小；2001—2010年的高溫站次有所減少，2011—2020年又有所增加，其中2011—2020年與1991—2000年的高溫站次相當；高溫強度以灌漿期上升最明顯，拔節(jié)和抽雄期無明顯變化。

圖2 玉米拔節(jié)—灌漿期的高溫站次和強度的年代變化特征

M-K、R/S和非周期循環(huán)分析顯示(表1)，拔節(jié)—灌漿期的高溫熱害站次和強度均隨年代的變化而呈上升趨勢，以夏玉米的高溫站次上升最明顯。各階段高溫熱害站次和強度的H值均≥0.65，未來變化趨勢與過去變化趨勢一致，即呈上升趨勢，且趨勢持續(xù)性強或很強。高溫站次和強度的平均循環(huán)長度相同，春玉米拔節(jié)、抽雄和灌漿期的平均循環(huán)長度分別為10、11、12 a，即未來上升趨勢將持續(xù)10～12 a；夏玉米拔節(jié)、抽雄和灌漿期的平均循環(huán)長度分別為8、10、10 a，即未來上升趨勢將持續(xù)8～10 a。

表1 玉米拔節(jié)—灌漿期的高溫站次和強度的年代變化趨勢

2.2 高溫熱害的空間演變特征

不同年代高溫熱害的分布區(qū)域分析顯示（圖3），1971—1980年高溫熱害僅出現在邯鄲、邢臺2市的局部地區(qū)；1981—1990、1991—2000年主要出現在承德局部地區(qū)、廊坊南部、保定東南部及其以南地區(qū)；2001—2010年則主要出現在邯鄲、邢臺、衡水3市的大部地區(qū)，石家莊東部地區(qū)，保定和張家口局部地區(qū)；2011—2020年出現在廊坊中南部、保定東南部及以南地區(qū)。總體上，以邯鄲和邢臺2市的中東部、衡水西部和南部、石家莊東南部地區(qū)為高溫熱害多發(fā)區(qū)。

圖3 不同年代玉米拔節(jié)—灌漿期高溫熱害總站次的空間分布特征

對玉米不同生育階段各區(qū)域高溫熱害發(fā)生的概率和強度分析顯示，春玉米拔節(jié)—灌漿期高溫熱害主要發(fā)生在張家口、承德2市中部的懷來、涿鹿、宣化、承德縣、灤平等地，概率多在6%以下，以輕度熱害為主。夏玉米拔節(jié)期高溫熱害以邯鄲和邢臺2市的中東部、衡水、石家莊東部、保定東南部、滄州西部的發(fā)生概率較大，為6%～19%；抽雄期以邢臺和邯鄲2市的中東部、衡水南部、石家莊東部的發(fā)生概率較大，為6%～12%；灌漿期以石家莊、邢臺、邯鄲地區(qū)的發(fā)生概率較大，為4%～8%，上述區(qū)域也是中度以上熱害的主要發(fā)生區(qū)域；其他區(qū)域的發(fā)生概率較低，以輕度熱害為主。

2.3 高溫熱害的氣候致災因子分析

高溫熱害的致災因子突變分析顯示，不同玉米的生長發(fā)育階段的致災因子突變特征有所差異，但拔節(jié)—灌漿期的致災因子累積值突變規(guī)律基本一致，以32 ℃以上高溫時長為例(圖4)，各因子均在1971—1995年出現多次弱的突變，低值期與高值期交替，并以低值期為主；在1996年出現明顯的突變，之后各因子進入高值期，這是春玉米區(qū)1999年、夏玉米區(qū)1997年開始出現高溫熱害站次明顯增多的原因。

圖4 高溫熱害的致災因子M-K突變及其累積距平分析

分析顯示，1971—2020年玉米生長期間的逐旬高溫熱害的致災因子均隨年代的變化而呈上升的趨勢，且H值均大于0.5，其中，春玉米區(qū)6月下旬—7月上旬、7月下旬—9月上旬，以及夏玉米區(qū)7月上旬、7月下旬—9月上旬均顯著上升且H值大于0.65，春玉米區(qū)和夏玉米區(qū)致災因子的平均循環(huán)長度分別為8～13、7～12 a。可見，6月下旬—9月上旬大部分時段的致災因子顯著上升，且未來10 a 左右仍呈上升趨勢。受此影響，玉米拔節(jié)—灌漿期高溫熱害的致災因子、站次和強度在過去50 a和未來10 a左右呈上升趨勢(表2)，并以夏玉米區(qū)的上升趨勢較為明顯；春玉米區(qū)由于氣候原因，其致災因子的基數較低，雖然致災因子的上升趨勢明顯，但是大部分地區(qū)尚未達到高溫熱害指標的標準，因此，高溫站次和強度的上升趨勢未達顯著水平。

表2 拔節(jié)—灌漿期的高溫熱害致災因子的年代變化趨勢

3 小結與討論

（1）春玉米區(qū)位于河北北部熱量相對較低的區(qū)域，高溫熱害的概率、站次和強度均低于位于中南部熱量相對較高的夏玉米區(qū)。春玉米區(qū)6月下旬—7月下旬為高溫熱害的主要危害時段，以抽雄期高溫熱害的概率和強度最大，拔節(jié)期次之，灌漿期最小，張家口、承德2市的中部為高溫熱害的多發(fā)區(qū)域。夏玉米區(qū)7月中旬—8月中旬為高溫熱害的主要危害時段，以拔節(jié)期高溫熱害的概率和強度最大，抽雄期次之，灌漿期最小，邯鄲和邢臺2市的中東部、衡水西部和南部、石家莊東南部地區(qū)為高溫熱害的多發(fā)區(qū)域，這與玉米生長期間的熱量時空分布特征［21］基本一致。

（2）受氣候變暖影響，在過去的50 a，河北省玉米生長期間6月下旬—9月上旬大部分時段的高溫熱害的致災因子隨年代的變化而顯著上升，導致玉米拔節(jié)—灌漿期高溫熱害致災因子顯著上升，高溫熱害站次和強度也呈上升趨勢，以夏玉米區(qū)上升較為明顯，這與劉哲等［7-8］的研究結論一致。

（3）拔節(jié)—灌漿期高溫熱害的致災因子累積值在1996年出現了明顯的突變，之后各致災因子進入高值期，受其影響，拔節(jié)—灌漿期的高溫熱害總站次在1996年之后出現了明顯的增加。

（4）6月下旬—9月上旬大部分時段的高溫熱害致災因子在未來10 a左右呈現明顯的上升趨勢，導致拔節(jié)—灌漿期高溫熱害致災因子、站次和強度在未來10 a左右呈現較強的上升趨勢，高溫熱害的風險增加，這體現了未來氣候變暖對玉米生產帶來的不利影響，與張勇等［11-14］得出的未來高溫熱害風險增加的研究結論一致。