1980年代以来气候变化对吉林省玉米产量的影响

车晓翠, 李洪丽, 张春燕, 郭 聃, 沈海鸥

(吉林农业大学 资源与环境学院, 长春 130118)

20世纪中后期以来，以温度升高为代表的气候变化成为各相关领域研究的热点问题[1-3]。农业是对气候变化反应最敏感的部门，气候变化对农业生产的影响已经引起各国政府、社会和科学界的高度重视，成为重要的研究课题[4-5]。光照、热量、降水等农业气候要素发生变化，必然导致农业生产条件与生产水平发生改变，最终影响农业的量与质[6]。研究气候变化对农业作物生产的影响，分析不同气候要素对生产力影响的大小，探究其机理，剖析影响作物产量的关键因素，对增加农作物产量，保障农业可持续发展具有重要的理论意义。

目前，国内外针对气候变化对农业的影响已开展了多方面研究。研究内容主要围绕4个方面：一是气候变化对农业自然资源要素时空分布的影响及特征[7-9]，二是气候变化影响下农作物育种改良适应[10-11]，三是气候变化对农作物生产布局与种植制度的影响[12-13]，四是气候变化对病虫害、旱涝等灾害的影响[14]。研究方法主要有3种，一是经验统计模型方法，即通过确定合理指标，运用统计学的多元回归、线性相关分析等方法构建气候变化与作物产量之间的关系模型[15-16]；二是农业生态地带模型分析方法，即将作物模型运用到土地管理决策中，基于农业生态区域的划分，分析不同区域作物生长随气候因素变化的研究方法，一般结合GIS技术评估土地生产力[17]；三是观测试验方法，即通过试验方法，动态模拟气候因素变化与农作物产量的相关关系，探究气候变化对农作物生产影响的内在机理[18]，研究多以全球或国家为尺度[19-20]。已有的研究成果为进一步研究气候变化对农业生产的影响奠定了重要的理论基础与方法指导。然而，气候变化具有地域性特征，从地区角度分析气候变化对农业产量的影响具有重要的实践意义。

吉林省是我国重要的粮食生产基地，在保障我国粮食安全和农业生产中具有举足轻重的地位。2017年，吉林省耕地面积约占全国耕地面积的5.18%，人均耕地面积是全国平均水平的3.3倍，粮食产量约占全国粮食产量的6.28%。吉林省地处享誉世界的“黄金玉米带”，玉米总产量占粮食总产量的比重高达78.3%。然而，气候变化将使吉林省面临着较高的极端灾害风险和更脆弱的气候变化影响，严重影响到吉林省乃至全国的粮食安全和农业可持续发展。以往的研究主要体现在气候变化对农产品品质影响的研究[21-23]，结合玉米产量的研究报道较少。基于此，本文以省域为研究尺度，以吉林省为研究对象，选取年均降水量、年均气温、年均日照时数等为气候指标，利用5 a滑动平均法，分析20世纪80年代以来吉林省气候变化特征，运用数据统计分析方法，建立气候因素与玉米产量的关系模型，定量分析气候变化对吉林省玉米产量的影响及作用机理与特征，基于关系模型，预测未来10 a吉林省玉米气象产量的发展趋势，并提出建议与措施，为推进吉林省应对气候变化的玉米生产提供理论依据及决策支持。

1 研究区概况

吉林省地处东经121°38′—131°19′，北纬40°50′—46°19′，位于中纬度欧亚大陆东侧，属于温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，气温、降水、温度具有明显的季节变化和地域差异。多年平均气温5.1～6.1℃，多年平均降水量400～600 mm，多年平均日照时数为2 259～3 016 h，正常年份，光、热、水分条件可以满足作物生长需要，是国家重要的商品粮生产基地。下辖9个地市(州)，面积约18.74万km2，约占中国国土面积的2%，2017年有耕地689.67万hm2。吉林省中西部地区是粮食主要产区，主要种植玉米、大豆、水稻等温带农作物和其他经济作物。多年来，吉林省粮食占有量、商品量、玉米出口量和粮食商品率等一直处于全国领先地位[24]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文的气象数据来源于历年的《吉林年鉴》、《吉林统计年鉴》和吉林省气候公报。玉米产量数据来源于历年的《吉林统计年鉴》。

2.2 研究方法

2.2.1 产量分解 粮食产量受各种自然和经济社会因素的综合影响。综合粮食产量与气候因子关系的研究，一般将由技术进步、经济社会发展等因素引起的粮食单产定义为趋势产量，由气候因素影响波动的粮食单产定义为气象产量[25-27]。将玉米单产分解为3部分：

Y=Xt+Xw+Xe

(1)

式中:Y为玉米实际单产(kg/hm2);Xt为趋势产量(kg/hm2);Xw为气象产量(kg/hm2);Xe为随机波动产量(kg/hm2)，因影响相对较小,可忽略不计。

2.2.2 趋势产量模拟 趋势产量表示玉米产量的历史演变趋势，一般认为随着技术水平进步、经济社会发展而逐渐上升，本文采用5 a滑动平均法模拟。

2.2.3 气象产量 为定量分析气候因素对玉米产量的影响，由公式(1)分离气象产量得到：

Xw=Y-Xt

(2)

式中:Xw为气象产量(kg/hm2);Y为玉米实际单产(kg/hm2)，用统计年鉴中玉米单位面积产量的实际数据表示;Xt为趋势产量(kg/hm2)，用5 a滑动平均方法计算获得。

2.2.4 相对气象产量 相对气象产量能较直观地表征气候变化对玉米产量的影响程度[28-29]，公式如下：

(3)

式中:Xr为相对气象产量(%),定义当Xr>10%时表示当年的气候因素有利于农作物生长,为气候丰年;当Xr<-10%时表示当年的气候因素不利于农作物生长,为气候歉年;其他为正常年份。Xt为趋势产量(kg/hm2);Xw为气象产量(kg/hm2)。

2.2.5 多元线性回归模型 模型计算使用SPSS 21.0软件。多元线性回归数学模型为：

yi=βi+β1ix1i+β2ix2i+β3ix3i+εi

(4)

式中:yi为因变量,即第i年粮食的气象产量;x1i，x2i，x3i为自变量,分别为第i年的年均气温、年均降水量、年均日照时数;βi为第i年的常数项；εi为第i年的误差项;ß1i，ß2i，ß3i为第i年各自变量的回归系数。

3 结果与分析

3.1 气候变化特征

3.1.1 气温变化特征 由图1可知，1980—2017年，吉林省年平均气温为3.6～6.9℃，平均值为5.5℃，最高年均气温6.9℃(1990年)比最低年均气温3.6℃(1980年)高3.3℃，气温变化波动明显。38 a间，气温变化绝大多数以正增长为主，其中，有30个年份表现为气温较上一年份升高。平均气温整体上升趋势显著，由1980年3.6℃上升到2017年的6.1℃，拟合曲线的斜率为0.019 9。结合5 a滑动平均进一步分析，吉林省气温变化可以划分3个阶段，1980—1988年为第一阶段，此阶段气温最低，平均气温4.8℃，低于平均气温水平，但上升趋势明显；1989—2008年为第二阶段，此阶段整体气温最高，绝大多数年份均高于平均气温水平，平均气温5.9℃，最高达到6.9℃；2009—2017年为第3个阶段，连续几年出现气温较低情况，低于平均气温水平，但整体气温呈现明显上升趋势，平均气温为5.2℃。温度升高会使农作物生长季节积温增加，无霜期延长，适栽作物适宜种植区域明显扩大。

图1 1980-2017年吉林省气温变化特征

3.1.2 降水量变化特征 由图2可知，1980—2017年，吉林省年均降水量为469～821 mm，平均值620 mm，最高降水量821 mm(1985年)比最低降水量469 mm(2001年)高352 mm，降水量变化波动明显。38 a间，约有22个年份较上一年份降水量变化率为负，且年际变化量较大，年均降水量整体下降趋势明显，拟合曲线斜率为-1.34。结合5 a滑动平均进一步分析，吉林省降水量变化可划分为3个阶段，1980—1998年为降水量充沛阶段，虽然整体上呈现急剧下降趋势，但其平均降水量(648 mm)高于1980—2017年降水量平均值(620 mm)；1999—2009年，降水量最低，大多数年份降水量均低于1980—2017年降水量平均值，到2001年下降到最低值，平均降水量仅为562 mm；2010年以后降水量有所回升，平均降水量654 mm。但是，降水量总的趋势是减少，并且降水量波动幅度增大，干旱与降水丰富的年份交替，年际变化降水量差值在增大。

图2 1980-2017年吉林省降水量变化特征

3.1.3 日照时数变化特征 由图3可知，1980—2017年，吉林省年平均日照时数为1 492～3 399 h，平均值为2 525 h，最高年平均时数3 398 h(1980年)比最低年平均时数2 026 h(2008年)多1 362 h。38 a间，有20个年份的日照时数年变化率为负，拟合曲线斜率为-9.79，说明吉林省年平均日照时数整体表现为下降趋势，但趋势不显著。结合5 a滑动平均进一步分析日照时数变化特征，可将其变化分为3个阶段，第一阶段为1980—1996年，日照时数急速下降，从3 399 h下降到2 479 h，11个年份的平均日照时数低于1980—2017年日照时数平均值；第二阶段为1997—2004年，表现为日照时数平稳阶段，日照时数基本与1980—2017年日照时数平均值相当；第三阶段为2005—2017年，日照时数显著下降，平均日照时数2 362 h，整体低于1980—2017年日照时数平均值。

3.2 玉米产量变化特征

3.2.1 实际产量、趋势产量与气象产量变化特征 从表1和图4可看出，1980—2017年，吉林省玉米实际产量年际间不尽相同，在3 015～7 948 kg/hm2波动，总体呈现上升趋势，但期间波动较大。1980—1984年吉林省玉米实际产量呈现快速上升趋势，但1985年又急剧下降，由1984年的5 955 kg/hm2下降到1985年的4 725 kg/hm2，从1986年以后整体上呈现快速上升趋势，最高产量达到7 948 kg/hm2。趋势产量呈现明显上升趋势，由1985年的4 308 kg/hm2稳定上升到2017年7 662 kg/hm2，说明技术进步、社会经济发展促使玉米单产产量增加作用显著[30]。气象产量差异较大，在-1 400～1 638 kg/hm2波动，说明气候因素对吉林省玉米产量的影响很大[31]。

图3 1980-2017年吉林省日照时数变化特征

表1 1985-2017年吉林省玉米实际产量、趋势产量和气象产量 kg/hm2

3.2.2 相对产量变化特征 由图5可知，1985—2017年吉林省玉米相对产量与气象产量变化趋势一致，变化幅度较大。粮食产量的丰歉与气象条件密切相关，高温、少雨、多日照的年份表现为丰年，而低温、多雨、少日照的年份是歉年。33 a间，吉林省玉米产量气候丰年9个，气候歉年3个，其他为正常年份。

图4 1980-2017年吉林省玉米产量变化特征

图5 1985-2017年吉林省玉米气象产量与相对产量变化特征

3.3 气候变化与吉林省玉米产量相关性分析

3.3.1 气候因子与玉米产量相关性 使用SPSS 21.0软件，将气象产量作为因变量，年均气温、年均降水量、年均日照时数作为协变量进行线性回归分析，得到的回归模型为yi=9.745x1i+0.34x2i+0.007x3i-262.613，即气象产量与年均气温、年均降水量、年均日照时数之间呈现正相关关系。

由表2可知，气温、降水量、日照对于玉米气象产量影响均不显著。可能的原因归于以下几方面：气温是农作物生长的重要因素[32]，虽然吉林省气温整体上升趋势明显，但年际间波动幅度不大，所以气象产量对气温变化响应不显著；由于降水量增减变化逐年更替，所以降水量对气象产量的影响表现为不显著[33]；充分的日照有利于农作物的生长，虽然吉林省日照时数呈下降趋势，但由于玉米为短日照作物，日照时数在12 h内，成熟提早，所以下降的日照时数对玉米气象产量影响不显著[34]。

表2 吉林省玉米气象产量多元线性回归结果

3.3.2 未来10 a吉林省玉米产量趋势分析 根据吉林省气温、降水量和日照时数变化趋势，并结合拟合回归模型，可以预测未来10 a吉林省玉米气象产量(图6)。结果表明，到2030年气象产量为9.7 kg/hm2，因此，吉林省的气温升高、降水量与日照减少的变化趋势会使蒸发量速率加大，带来的一系列变化导致农作物水分亏缺，易形成干旱，将制约吉林省玉米产量的提高[35-36]。

图6 吉林省玉米气象产量变化趋势

4 结论与建议

4.1 结 论

(1) 1980年以来吉林省年均气温波动上升，整体上升趋势显著。年均降水量总体呈减少趋势，波动亦明显。年均日照时数的多年平均值为2 525 h，38 a间年均日照时数整体呈下降趋势，但趋势不明显。吉林省气候总体以“气温明显升高、降水量、日照时数减少”为特征的暖干化趋势。

(2) 吉林省玉米单产呈现上升趋势，且上升趋势明显。趋势产量呈现快速上升趋势，说明技术进步、社会经济发展促使玉米单产产量增加作用显著。气象产量差异较大，说明气候因素对吉林省玉米产量的影响很大。相对产量与气象产量变化趋势一致，1985—2017年气候丰年9个、气候歉年3个，其他为正常年份。

(3) 吉林省玉米气象产量与年均气温、年均降水量、年均日照时数之间呈现正相关关系。根据气温、降水量和日照变化趋势，并结合拟合回归模型，预测未来10 a吉林省玉米气象产量将呈下降趋势。

4.2 建 议

(1) 气候变暖对吉林省农业生产具有正效应，应充分适应和利用这一变化趋势，通过适时调整玉米品种布局及种植比例，从而达到增产增收的目的。

(2) 吉林省气候变暖、降水量与日照减少会产生气候变干、水资源减少、病虫害严重等不利因素，需通过选育抗逆性强的作物品种，调整播期等适应性措施，缓解未来气候变化对吉林省玉米生长发育的负面影响。