大連1951—2020年玉米生長季旱澇分析

張 萌，林文忠

(1.大連市甘井子區農業發展服務中心，遼寧大連 116039；2.大連市普蘭店區農業發展服務中心，遼寧大連 116200)

近年來氣候異常變化，極端氣象災害頻發，嚴重影響糧食生產安全[1-3]。由于降水極端事件增多，旱澇災害對農業生產構成威脅[4-6]。所以，研究降水變化規律，掌握旱澇成因，提高風險防控意識，對防災減災確保糧食生產安全具有重要意義。近半個世紀以來受氣候變化的影響，除新疆、西藏等極少數地區降水量呈增加趨勢[7-8]，我國絕大多數區域降水呈減少趨勢，致使干旱頻率和強度增加，干旱面積顯著擴大[9-11]。據王春乙等[12-13]的研究，我國農業氣象災害面積平均每年高達40%，而干旱面積在2 200萬km2以上。我國北方地區半干旱區域在擴大，并在不同尺度上干旱頻率、干旱嚴重程度更為明顯[14-16]。張淑杰等[17-18]研究了東北地區干旱現狀，認為干旱頻率明顯增加。李鵬程等[19]研究京津地區降水量變化發現，非汛期降水變化平穩，而汛期降水量明顯減少；張麗艷等[20]研究認為從20世紀80年代以來京津冀地區干旱頻率增加、范圍在擴大。趙海燕等[21]研究表明農業干旱具有明顯的南輕北重特征，而且北方農業干旱更加頻繁。就大連地區來說，降水量和降水日數明顯減少[22-23]，嚴重影響農作物生長及糧食生產安全。因此，筆者以主要糧食作物玉米為例，選用旱澇指數方法[24]作為氣象旱澇指標，分析大連地區1951—2020年玉米生長季旱澇特征變化，以期為該地區干旱災害防御、減輕重大干旱對農業的影響提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況大連位于遼寧省遼東半島最南端，西北、東南面向黃渤海之濱，背依我國東北腹地。地理位置在38°43′～40°10′N、120°58′～123°31′E。全市耕地面積占土地總面積的22.8%。碧流河是境內最大的流域。大連屬暖溫帶亞濕潤季風氣候，四季分明，冬無嚴寒，夏無酷暑。年平均日照時數在2 710 h左右，年平均氣溫10.5 ℃左右，無霜期175～201 d，年降水量在540～950 mm。

1.2 數據來源采用1951—2020年大連氣象監測站平均氣溫和降水量日值資料，分別統計玉米生長季(4月15日—9月30日)及玉米各個發育期不同時間尺度的平均氣溫、≥10 ℃積溫、降水等相關量。

1.3 研究方法

1.3.1趨勢分析。采用一元線性方程的一次項系數(a)表征氣象要素的變化趨勢，也稱之為氣候傾向率[25]，見公式(1)。

y=ax+b

(1)

式中，y為氣象要素，x為時間序列號(x=1951，1952，…，2020年)，b為常數項，a為斜率(也稱傾向率)，一般用10a來表示。a<0表示y隨時間x呈下降趨勢；a>0表示y隨時間x呈上升趨勢。

1.3.2顯著性檢驗。氣候要素趨勢變化顯著性檢驗采用序列相關系數法[25]，根據相關系數檢驗表確定顯著性，見公式(2)。

(2)

式中，r為相關系數；xi為時間序列號(x=1951，1952，…，2020年)；yi為氣象要素；n為樣本數n=70。

1.3.3旱澇分析。采用亓來福[24]研究的旱澇指數來分析大連玉米生長期旱澇特征。旱澇指數等于同期降水量(R)與玉米需水量(Q)之比，見公式(3)、(4)。

K=R/Q

(3)

Q=0.16∑ti

(4)

式中，K為旱澇指數；∑ti為同期≥10 ℃積溫。依據干旱指數將K值分為7個旱澇判別等級，見表1。

2 結果與分析

2.1 玉米生長季及各發育期降水變化特征

2.1.1玉米生長季降水量。近70年大連地區玉米生長季(4月15日—9月30日)降水量平均值為541.2 mm，占年降水量的90.5%，最多降水量為843.6 mm(1951年)，最少降水量為202.5 mm(1999年)，降水極差為641.1 mm。標準偏差為±172.2 mm，異常偏多(>713.4 mm)有11 年，頻率為15.7%，異常偏少(<369.0 mm)有13年，頻率為18.6%。圖1顯示，近70年大連地區玉米生長季降水量呈減少趨勢，序列相關系數為-0.134(P>0.05)，氣候傾向率為-10.60 mm/10 a，降水量線性減少74.2 mm。從各個年代平均降水量(表2)可以看出，20世紀80、90年代降水量較少，分別為479.6、495.8 mm，20世紀60、70年代降水量較多，分別為574.7、576.7 mm。

2.1.2玉米各個發育期降水特征。播種—苗期(4月15日—5月31日)降水量累年平均值為75.7 mm，占玉米生長季的14.0%。最多降水量為216.7 mm(2009年)，最少降水量為18.7 mm(1981年)，標準偏差為±43.7 mm；降水正常值在32.0～119.4 mm，異常偏少(<32.0 mm)有10年，頻率為14.3%；異常偏多(>119.4 mm)有9年，頻率為12.9%。近70年大連地區降水量呈弱增加趨勢，序列相關系數0.177(P>0.05)，氣候傾向率為3.88 mm/10 a，即近70年播種—苗期降水量線性增加27.2 mm。各個年代平均降水量見表2，其中2001—2010、2011—2020年降水量較多，分別為102.2、97.9 mm，20世紀80、90年代降水量較少，分別為58.1、64.6 mm。

拔節—吐絲期(6月1日—8月15日)降水量累年平均值為372.5 mm，占農作物生長季的68.8%。最多降水量為676.8 mm(2011年)，最少降水量為132.1 mm(1999年)；標準偏差為±132.0 mm；降水正常值在240.5～504.5 mm，異常偏少(<240.5 mm)有13年，頻率為18.6%；異常偏多(>504.5 mm)有12年，頻率為17.1%。近70年大連地區降水量呈減少趨勢，氣候傾向率為-8.67 mm/10 a，序列相關系數-0.133(P>0.05)，拔節—吐絲期降水量線性減少60.7 mm。各個年代平均降水量見表2，其中20世紀60、70年代降水量較多，分別為412.6、396.5 mm，20世紀90年代和2001—2010年降水量較少，分別為337.2、320.9 mm。

吐絲—成熟期(8月16日—9月30日)降水量累年平均值為93.0 mm，占農作物生長季的17.2%。最多降水量為328.7 mm(1992年)，最少降水量為6.7 mm(1982年)，標準偏差為±58.4 mm；降水正常值在34.6～154.4 mm，異常偏少(<34.6 mm)有8年，頻率為11.4%；異常偏多(>154.4 mm)有7年，頻率為10.0%。近70年大連地區降水量呈減少趨勢，氣候傾向率為-3.47 mm/10 a，序列相關系數-0.133(P>0.05)，吐絲—成熟期降水量線性減少24.3 mm。各個年代平均降水量見表2，其中20世紀50年代降水量最多(114.3 mm)，20世紀80年代降水量最少(75.7 mm)。

2.2 玉米生長季水平衡及旱澇分析

2.2.1玉米生長季。水平衡(R-Q)等于同時期降水量(R)與需水量(Q)之差。玉米生長季水平衡為-38.9 mm，降水略顯不足，占生長季需水量的6.7%。1951—2020年，有34年降水盈余，頻率為48.6%，有36年降水虧缺，頻率為51.4%。水平衡<-100 mm有23年，頻率為32.9%；水平衡<-200 mm有14年，頻率為20.0%；水平衡<-300 mm有2年，頻率為2.9%；1999年缺水最多，高達-426.1 mm。水平衡>100 mm有21年，頻率為30.0%，水平衡>200 mm有8年，頻率為11.4%，1951年降水最多，盈余311.0 mm。由表2可知，20世紀50年代降水略顯不足，60、70年代降水盈余明顯，進入80、90年代和2001—2010年降水虧缺突出，2011—2020年降水略有回升。由圖2可知，近70年大連地區玉米生長季水平衡呈下降趨勢，氣候傾向率為-10.14 mm/10 a，序列相關系數為-0.120(P>0.05)，未達到顯著水平。

圖2 1951—2020年大連地區玉米生長季水平衡變化趨勢

經旱澇指數(K值)分析(表2)，近70年大連地區玉米生長季旱澇程度總體表現為正常類型(K=0.93)；其中，20世紀50、60、70年代、2011—2020年為正常類型，20世紀80、90年代、2001—2010年為輕旱類型。從圖3可以看出，近70年大連地區玉米生長季旱澇指數呈下降趨勢，序列相關系數-0.188，氣候傾向率為-0.027/10 a，說明玉米生長期氣候濕潤度朝著干燥方面發展。表3顯示，玉米生長期中澇、重澇出現頻率為14.3%，中旱、重旱出現頻率則為22.9%，重旱出現頻率為4.3%，約20年1遇。1951—1980年K值平均為1.04，濕潤度表現為正常；1981—2020年K值平均為0.89，濕潤度下降為輕旱類型。

圖3 1951—2020年大連地區玉米生長季旱澇指數(K值)變化趨勢

2.2.2玉米各發育期。播種—苗期水平衡為-21.1 mm，降水不足，占播種—苗期需水量的21.8%。在1951—2020年中有23年降水盈余，頻率為32.9%，有47年降水虧缺，頻率為67.1%。表2顯示，只有2001—2010年降水盈余(3.7 mm)，其余各個年代降水均虧缺，20世紀80、90年代水平衡分別為-41.6、-41.4 mm，降水虧缺較多。播種—苗期總體表現為輕旱類型，其中2001—2010、2011—2020年表現為正常類型，20世紀80、90年代干旱最為嚴重，為中旱類型。旱澇指數(K值)氣候傾向率為0.022/10 a，呈上升趨勢，即玉米播種—苗期濕潤程度有所增加，這與春季降水量增加有直接關系。表3顯示，近70年播種—苗期中澇、重澇出現頻率為14.3%，輕旱、正常、濕潤為38.6%，中旱、重旱出現概率為47.1%，而重旱出現頻率高達25.7%，4年1遇。

拔節—吐絲期水平衡為57.6 mm，降水盈余，占拔節—吐絲期需水量的18.3%。在1951—2020年中有46年降水盈余，頻率為65.7%，有24年降水虧缺，頻率為34.3%。表2顯示，除2001—2010年降水量與需水量相一致外，其余各個年代降水均盈余，20世紀60、70年代水平衡分別為105.6、87.3 mm，降水盈余較多。拔節—吐絲期總體表現為濕潤類型，1951—1980年K值變化在1.10～1.38，表現為濕潤、中澇類型，而1981—2020年K值為0.90～1.10，表現為正常。K值氣候傾向率為-0.029/10 a，說明拔節—吐絲期氣候向干燥方面發展。表3顯示，拔節—吐絲期中旱、重旱出現概率為11.4%，約10年1遇；中澇、重澇出現頻率為35.7%，重澇出現頻率22.8%，約4年1遇。

吐絲—成熟期水平衡為-57.6 mm，降水不足，占吐絲—成熟期需水量的38.2%。在1951—2020年中有12年降水盈余，頻率為17.1%，有58年降水虧缺，頻率為82.9%。從各個年代平均水平衡(表2)來看，20世紀50年代降水虧缺最少，為-28.9 mm，最多出現在20世紀80年代，為-73.0 mm。吐絲—成熟期旱澇指數為中旱類型，K值氣候傾向率為-0.037/10 a，說明吐絲—成熟期氣候向干燥方面發展。從各個年代分析結果看，除20世紀50年代表現為輕旱類型，其他各年代均表現為中旱類型。表3顯示，吐絲—成熟期中澇、重澇出現頻率為10.0%；中旱、重旱出現頻率則為60.0%；重旱出現頻率為38.6%，約5年2遇。

表3 大連玉米生長季各發育時段不同旱澇等級出現頻率

3 討論

該研究引用前人研究成果旱澇指數和旱澇等級劃分標準[24]，分析了大連玉米生長季節需水量與降水量的關系，利用水平衡真實客觀地反映了大連地區旱、澇變化特征和發生頻率。玉米生長季旱、澇狀況的分析結果與王靜等[26]的研究結果一致，并與歷史記載旱、澇發生狀況基本吻合。玉米苗期和吐絲—成熟期干旱頻率較6—8月玉米旺盛生長期嚴重，而玉米旺盛生長期的6—8月濕澇災害較苗期和吐絲—成熟期突出。該研究結果可為大連地區指導玉米栽培管理提供水平衡分析以及出現干旱時間段，為抗旱、防澇的早期災害預警等提供依據。大連干旱災害重于澇災，并且旱災多出現在玉米的苗期和吐絲乳熟期，因此，大連地區在防災減災體系建設中，應著重防御春秋兩季的旱災以及夏季的澇災。

4 結論

(1)近70年大連玉米生長季各個時間尺度降水量歷年變化趨勢各不相同，播種—苗期降水量呈弱增加趨勢，拔節—吐絲—成熟期降水量呈減少趨勢。經線性分析，播種—苗期降水量增加27.2 mm，拔節—吐絲降水量減少60.7 mm，吐絲—成熟期降水量減少24.3 mm。玉米生長季降水量總體表現出下降趨勢，減少74.2 mm。

(2)經水平衡分析，播種—苗期降水虧缺21.8%，拔節—吐絲期降水盈余18.3%，吐絲—成熟期虧缺38.2%，玉米生長期降水虧缺6.7%。

(3)大連地區旱災、澇災同時存在，播種—苗期中澇、重澇頻率為14.3%，中旱、重旱頻率為47.1%；拔節—吐絲期中澇、重澇頻率為35.7%，中旱、重旱頻率為11.4%；吐絲—成熟期中澇、重澇頻率為10.0%，中旱、重旱頻率為60.0%；玉米全生長期中澇、重澇頻率為14.3%，中旱、重旱頻率為22.9%。