基于小波分析法的氣象因子對河南省夏玉米單產的影響

邵云,劉玘,李春喜,楊俊華,王嵐,侯盟,閆廣軒

(河南師范大學 a.生命科學學院;b.環境學院,河南 新鄉 453007)

光、熱、水是農業生產發展的重要環境條件,也是制約農業生產發展的重要氣候資源.聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告指出,全球表面氣溫將在未來20年內上升超過1.5 ℃[1].氣候變暖對農業生產環境、農作物生長發育和產量都將造成顯著影響.中國的糧食安全也受到了嚴重的威脅,甚至在未來的幾十年,中國農業生產可能還會受到氣候變化更嚴重的沖擊.氣候變化過程通常表現為周期性的波動,其變化所導致的損壞也隨之波動[2].具有時頻多分辨功能的小波分析,有助于分析氣候變化對農作物影響的差異.已有研究利用小波分析方法研究了氣候變化對水稻單產的影響[3],長周期氣象因子對冬小麥-夏玉米的影響[4],以及玉米苗期低溫與干旱對其產量的影響[5].上述研究結果并未揭示氣象因子的周期變化特征對于農作物產量的影響,且在氣候變暖的大背景下,極端天氣頻發,氣象因子的周期變化對于農作物產量的影響不可忽視.

河南省地處我國中東部地區,屬于亞熱帶-溫帶季風氣候,降水和熱量豐沛,氣候資源豐富多樣.玉米作為河南省糧食種植的第二大作物,其播種面積和產量占全國的9%[6].利用小波分析法分析河南省氣候變化對夏玉米產量的影響未見報道.本研究基于1988-2018年河南省13個氣象站點的氣象數據,利用連續小波變換分析法探討了河南省31 a夏玉米全生育期的平均溫度、降水量、日照時數、氣象單產的周期變化特征,利用相干小波變換分析方法探討了氣象因子與夏玉米氣象單產間的相互影響關系,為河南省夏玉米生產、高產、穩產提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 數據來源

氣象因子數據來自中國氣象局網站河南省1988-2018年13個氣象站點信息逐日平均溫度、降水量、日照時數,如附表Ⅰ所示.以旬為單位(每10 d為1旬)分段計算31 a夏玉米生育期(6月至9月)內平均溫度、降水量、日照時數的平均值.糧食產量數據來自中國統計年鑒的1988-2018年河南省夏玉米單位面積產量統計數據.河南省夏玉米生育期階段根據中國氣象網的農業氣象數據資料和實際觀察劃分,如附表Ⅱ所示.

1.2 氣象單產和小波分析

在研究氣象因子對單產的影響時,通常需要將單產進行分離,其中由于年際間氣象條件差異造成作物單產波動的產量稱為氣象單產.作物的氣象單產可通過模擬計算獲得,參考文獻[7]模擬計算.

小波分析方法是建立在泛函分析、傅里葉分析、調和分析以及數值分析方法基礎上的信號分析工具[8].小波分析方法分為連續小波、交叉小波及相干小波分析方法.本研究主要利用連續小波變換分析方法和相干小波變換分析方法.Morlet復數小波是Gauss包絡下的單頻率復正弦函數,在時域和頻域內具有較好的局部聚集性.Morlet復數小波函數與其小波變換公式見參考文獻[9].相干小波變換方法是研究2個時間序列多尺度相互關系的方法,相干小波可度量二者在低能量區的相關性[10].本文使用Matlab中具有的 wcoherence函數對氣象因子和單產數據進行相干小波變換分析.

1.3 數據處理

使用Matlab和GraphPad棱鏡8.0.2軟件進行作圖,利用SPSS 17.0進行數據分析.

2 結果與分析

2.1 河南省1988-2018年夏玉米生育期氣候變化

圖1是由相干小波變換分析方法篩選出的對夏玉米氣象單產影響顯著的氣象因子的線性分析.圖1(a)是6月上旬平均溫度變化,呈現緩慢上升趨勢,最低值出現在2004年,為21.91 ℃;最高值出現在2002年,為27.62 ℃,相差達5.71 ℃.圖1(b)是8月中旬平均溫度變化,呈現緩慢上升趨勢,最低值出現在2003年,為21.90 ℃;最高值出現在2013年,為30.79 ℃,相差達8.89 ℃.圖1(c)是7月下旬降水量變化,波動較大呈現下降趨勢,最低值出現在1994年,為6.29 mm;最高值出現在2001年,為172.63 mm,相差達166.34 mm.圖1(d)是8月中旬日照時數變化,呈現緩慢上升趨勢,最低值出現在2003年,為19.71 h;最高值出現在2013年,為96.59 h,相差達76.88 h.

2.2 河南省1988-2018年夏玉米氣象單產分解

2.2.1實際單產

圖2(a)是實際單產變化,呈現波動上升趨勢,波動范圍為3 273.90～6 000.00 kg/hm2,相差2 726.10 kg/hm2.運用SPSS 17.0對夏玉米年份與實際單產進行線性回歸分析可知:F=32.77,R=0.73,R2=0.53,P=0.00,表明線性回歸可解釋53%的產量信息.

2.2.2時間趨勢單產

圖2(b)是時間趨勢單產變化,發現其有3個不同的增速波動階段,分別在1988-1996年,1997-2003年和2004-2018年.

①第一階段(1988-1996年):變化范圍為3 967.62～4 842.87 kg/hm2,相差875.25 kg/hm2.自1978年以來,隨著家庭聯產承包責任制的推行,河南省農業生產總值明顯地增長.但全省農業呈現地域上發展不均衡現象,這些差異的產生與當地農業生產條件、農業技術水平和區域經濟態勢有著密切的聯系.

②第二階段(1997-2003年):變化范圍為4 559.10～5 122.17 kg/hm2,相差563.07 kg/hm2.時間趨勢單產的變化波動較大,一是因為自2001年之后,大力實施科教興農戰略,加快“農業現代化進程”的改革,使河南省整體農業管理水平有了一定的提高,二是化肥農藥的大量使用.

③第三階段(2004-2018年):變化范圍為5 307.60～6 000.00 kg/hm2,相差692.40 kg/hm2.自2007年以來,中央一號文件的發布,河南省大力發展現代農業,緊緊抓住農業增產、農民增收、農民工就業這個中心,全面落實惠民政策,時間趨勢單產穩步提升.

2.2.3氣象單產

圖2(c)是氣象單產變化,1988-2006年波動較大,波動范圍為-1 593.60～616.29 kg/hm2,相差2 209.89 kg/hm2,2007-2018年波動較小,波動范圍為-299.80～184.95 kg/hm2,相差484.75 kg/hm2,說明氣象因子對氣象單產的影響程度在減弱.

2.2.4各成分對實際單產的貢獻

圖2(d)是時間趨勢單產和氣象單產之間的比例關系.在夏玉米實際單產中,時間趨勢產量占主要成分,其中時間趨勢單產和氣象單產在31 a間對實際單產的貢獻率分別為93.5%和6.5%.

2.3 河南省1988-2018年夏玉米生育期氣象因子和氣象單產的周期變化特征

圖3是由相干小波變換分析方法篩選出的對夏玉米氣象單產影響顯著的氣象因子和夏玉米氣象單產的連續小波功率譜.圖中粗黑線顯示的范圍通過了α=0.05顯著性水平紅色噪音標準譜的檢驗(下同),細黑線為影響錐曲線.

圖3(a)為6月上旬平均溫度連續小波功率譜,6月上旬平均氣溫存在6 a顯著周期變化,主要集中在2001-2008年.圖3(b)為8月中旬平均溫度連續小波功率譜,8月中旬平均溫度存在2～3 a顯著周期變化,主要集中在2010-2014年間.圖3(c)為7月下旬降水量連續小波功率譜,7月下旬降水量存在2～6 a顯著周期變化,主要集中在1994-2005年間.圖3(d)為8月中旬日照時數連續小波功率譜,8月中旬日照時數存在2 a和3 a顯著周期變化,分別主要集中在1993-1995年和2009-2015年.圖3(e)為氣象單產連續小波功率譜,氣象單產存在2a顯著周期變化,主要集中在1994-1997年.圖3的周期變化均通過α=0.05顯著性水平的檢驗.通過對上述結果進一步分析可知,氣象單產周期與8月中旬平均溫度、7月下旬降水量、8月中旬日照時數的周期有部分重合的變化,說明氣象單產與氣象因子有相同間隔重復出現的可能性.

2.4 河南省1988-2018年夏玉米生育期氣象因子對夏玉米氣象單產的影響

圖4是將以旬為單位的氣象因子與夏玉米氣象單產做相干小波變換分析,其中6月上旬平均溫度、8月中旬平均溫度、7月下旬降水量和8月中旬日照時數對夏玉米氣象單產的影響最大.

2.4.1種子萌發期平均溫度對氣象單產的影響

圖4(a)為6月上旬平均溫度與氣象單產距平的相干小波變換譜,6月上旬平均溫度與氣象單產在2000-2011年間存在3～6 a共振周期變化,兩者相位譜呈現反相位變化,為負相關關系.6月上旬平均溫度與氣象單產相位差約π/4.

2.4.2灌漿期平均溫度對氣象單產的影響

圖4(b)為8月中旬平均溫度與氣象單產距平的相干小波變換譜,8月中旬平均溫度與氣象單產在1997-2009年間存在5～10 a共振周期變化,兩者相位譜呈現反相位變化,為負相關關系.8月中旬平均溫度與氣象單產相位差約π.

2.4.3抽雄期降水量對氣象單產的影響

圖4(c)為7月下旬降水量與氣象單產距平的相干小波變換譜,7月下旬降水量與氣象單產在1995-2010年間存在2～4 a共振周期變化,兩者相位譜呈現同相位變化,為正相關關系.7月下旬降水量與氣象單產的相位差約π/4.

2.4.4灌漿期日照時數對氣象單產的影響

圖4(d)為8月中旬日照時數與氣象單產距平的相干小波變換譜,8月中旬日照時數與氣象單產在1998-2004年間存在6 a共振周期變化,在1992-2018年間有8～10 a共振周期變化,兩者相位譜呈現正相位變化,為正相關關系;在1991-1997年有2 a共振周期變化,兩者相位譜呈現反相位變化,為負相關關系.8月中旬日照時數與氣象單產相位差約(π/2)～(π/4).

通過上述結果進一步分析可知,種子萌發期平均溫度和灌漿期平均溫度與氣象單產呈反相位差變化,抽雄期降水量與氣象單產呈同相位差變化,灌漿期日照時數與氣象單產主要呈同相位差變化.6月上旬處于種子萌發期,當溫度為25 ℃～30 ℃時,種子發芽速度明顯增快,但當溫度高于35 ℃或者低于20 ℃時,種子發芽的速度變慢,根系脆弱細小,容易形成細弱高腳苗,從而造成單產的下降[11].8月中旬處于灌漿早期,灌漿早期屬于夏玉米籽粒庫建成的關鍵時期,籽粒庫的建成有助于粒質量的增加,在籽粒形成和灌漿期間,日平均溫度以22 ℃～24 ℃最適宜,當氣溫高于30 ℃或低于15 ℃,則酶活性受阻,會造成籽粒灌漿不良,從而影響單產[12].夏玉米是具有高光效的C4作物,在灌漿期間,保證每天8 h～12 h的日照條件,有利于光合產物向籽粒的轉運,增加穗粒質量;而在陰雨寡照下,光照嚴重不足,產生的營養物質無法滿足玉米灌漿的需要,從而造成粒重降低,并影響單產[13].7月下旬處于抽雄期,是生長的關鍵時期,此階段的降水與單產的相關性最強,此時土壤田間持水量應達到80%;若在抽雄期前后受到嚴重的干旱脅迫,會造成植株所累積的營養物質分配到籽粒中的比例明顯下降,從而阻礙吐絲和受精,最終影響單產[14].

3 討 論

3.1 溫度對氣象單產的影響

溫度是決定作物生長發育狀況和產量的非生物因素之一.與前人研究相比,本研究獲得了精細化的結果,可為研究河南省夏玉米具體生育期的氣候要求提供依據.孫揚越[15]利用CERES-Maize模型以及偏相關分析方法探究了河南省不同地區氣象因素對夏玉米產量的影響,發現平均溫度的增加對產量有負效應,本研究結果與其一致.同時本研究還發現6月上旬種子萌發期的平均溫度與氣象單產存在3～6 a的共振周期變化,表現負相關關系;8月中旬灌漿期平均溫度與氣象單產存在5～10 a共振周期變化,表現負相關關系.說明平均溫度越高,越不利于夏玉米種子萌發和灌漿,最終影響產量.

3.2 降水量對氣象單產的影響

水分是作物生產中的主要限制因素,抽雄期是營養生長到生殖生長過渡的關鍵時期.閆旖君等[16]利用BCC/RCG-WG 3.0 天氣發生器構建區域氣候變化情景的方法研究發現河南省玉米全生育期內需水量增加5.1%,尤其在拔節期前后的需水量更多,本研究結果與其相似.同時本研究還發現,7月下旬抽雄期的降水量與氣象單產存在2～4 a的共振周期變化,表現正相關關系.進入7月下旬之后,溫度持續升高,田間水分蒸發和葉片蒸騰作用都開始加劇,植株發生復雜的生理生化變化,對降水的需求增加.根據河南省的氣候特點,夏玉米抽雄期前后易發生干旱,此時保證充足的灌溉水,也是夏玉米高產的一項重要的農管措施.

3.3 日照時數對氣象單產的影響

日照是夏玉米產量形成的能源,灌漿期是籽粒質量增加的關鍵時期.李文旭等[17]研究發現河南省日照時數的增加使玉米單產明顯下降,與本研究結果不一致.原因是:灌漿期光照充足,有利于光合產物的積累,能有效促進籽粒灌漿的進程,從而提高產量.

3.4 極端氣候事件對氣象單產的影響

玉米產量對極端氣候事件高度敏感,玉米產量的變化可以直接或間接地反映氣候變化和極端氣候情況.圖4(d)中1991-1997年出現短暫幾年負相關的原因有:①極端干旱事件.據冀航[18]的研究,河南省最大無降水日數呈現增加的趨勢,在1997年達到最高,為27.6 d.②極端高溫事件.據閆振華等[19]的研究,極端高溫事件會對玉米的光合反應過程、光合產物積累和產量形成造成不良影響.③極端降水事件.據劉金秋[20]對華北夏玉米極端降水事件的研究可知,極端降水會使土壤含水量升高,而土壤水分狀況會直接影響群體光飽和點的范圍,較高的土壤相對含水量(SRWC=130%)會降低夏玉米群體光飽和點,并降低高光強下的光合能力,極端降水會也降低夏玉米農田的光能利用率,從而影響玉米生長,導致玉米減產.④品種因素.玉米光合作用的強弱不僅受到太陽輻射、溫度、濕度等環境因素的影響,還受到品種本身遺傳特性的影響.⑤田間管理因素.合理的耕作方式能有效地改善土壤水、肥、氣、熱條件,提高資源利用率,達到作物增產提質效果.

綜上,利用小波分析不僅可以得到氣象因子的年際變化特征以及氣象因子與氣象單產間的關系,還可得到一些極端天氣事件的信息.氣候變化將會使河南省的熱量資源更加豐富,可在農業上采用合理的措施來提高糧食產量.一是加強水利建設:①灌溉方式多樣化,可進行畦灌、溝灌、噴灌、管道滲灌等;②生育期灌溉,播前(冬季前進行)貯備灌溉以及在抽雄開花期根據土壤水肥利用情況進行灌溉,對全生育期進行定額灌溉;③排澇措施,修建明溝和暗管以及豎井排水系統進行排水.二是優化種植制度:①利用夏玉米生長季開始日期提前的特點,適時早播;②合理密植,增加光合效率;③開展耐旱、耐澇、耐高溫、抗病蟲害等品種的研究,選育適應氣候變化的夏玉米新品種.三是加強農業氣象預報:①加強氣象災害防御系統的建設;②加強病蟲害防御技術的研究;③提高農業氣象災害預報的能力.

4 展 望

本研究提供了一種采用小波分析的方法研究氣象因子與夏玉米氣象單產間的相互影響關系,還存在一定的局限性.一是采用了統一的標準,設置了豫北、豫中、豫南、豫東和豫西的夏玉米生育期分布階段,忽視了農業的地域特征.二是忽視了氣象災害對夏玉米生產的影響.三是以旬為單位沒有突出極端天氣對夏玉米生產的影響.因此,在今后的研究工作中將著重細化全省各地夏玉米生育期分布階段,研究氣象災害周期性的變化規律,揭示氣候變暖對夏玉米、小麥等糧食生產的影響.

附 錄

附表Ⅰ～Ⅱ見電子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.06.013).