宁夏沙坡头区气候变化对玉米产量及生产潜力的影响

庞婷婷，毛万众，康文娟，李保华

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002；3.中卫市气象局，宁夏 中卫 755000)

气候变化特别是全球气候变暖对许多自然和生物系统在不同程度上产生了影响[1]。其中，农业是对气候变化响应系统中最敏感的一个[2]。因为辐射、温度和水分等农业气象要素是粮食作物生长发育不可或缺的重要因子，它们的变化将迫使粮食作物生产系统内部光、热、水等农业气候资源在时间和空间模式上发生变化，从而影响粮食生产[3～4]。近年来，国内外关于气候变化对农业生产、粮食生产影响研究方向主要体现在以下几个方面：首先，是对农作物产量、产能的影响研究。如史文娇等[5]研究表明，全球气候变暖已经并将继续对非洲农业和粮食安全产生较大的负面影响；Jones等人[6]预测，到2055年在高温少雨的背景下, 玉米单产在非洲和拉丁美洲将减产10%左右；同时，大量研究表明，气候变化导致了农作物种类、地理分布和种植制度发生了变化[1，4]。其次，是对作物生长环境、物候学、病虫害等的效果研究。如：史本林等人[7]研究表明，气温、降水、蒸发和极端温度是不利于商丘市冬小麦成熟和高产的主要气候因素；赖荣生等[8]研究表明，降水量变化是制约宁夏中部干旱带春玉米气候生产潜力的关键因子；另一项研究发现，全球变暖可以加速病虫害的发育、繁殖和扩散[9～10]。

这些研究主要集中在大、中区域气候背景下，而对小区域范围气候变化对作物产量的研究规模尚不多见，尤其是宁夏地区这方面做的工作甚少，研究仍不能适应生产需要。沙坡头区位于宁夏中西部，是典型的传统农业区，玉米作为农民增产增收的主要经济作物之一，每年种植面积达到1.2万hm2左右。气候变化对玉米的种植制度、布局结构、生产潜力以及发展远景起着决定性作用。鉴于此，笔者研究使用近30 a沙坡头区的气象数据和玉米单产资料，对沙坡头区这一小区域长时间序列下局地小气候变化对当地玉米产量和生产潜力影响做定量分析，旨在为该地玉米优化布局及高效生产经营提供科学依据，进一步提高为农服务水平。

1 资料和方法

1.1 资料来源

气象资料源自中卫国家基本气象站1990-2019年玉米生育期(4-9月)的逐月平均气温、极端最高气温、极端最低气温、降水量、蒸发量及日照时数；玉米单产资料取自中卫市统计局。

1.2 研究方法

1.2.1 气候变化分析方法 该方法用χi表示某一气候变量，用ti表示χi所对应的(1)，建立χi与ti的一元线性回归方程：

χi=a+btii=1,2,3...n

(1)

此方程是用一条合理的直线表示因变量χ与自变量t之间的关系，其中n为30年，a为常数，b为回归系数，b×10为气候倾向率。回归系数b代表气候变量χ的趋势倾向，b的符号为正，即当b>0时，表明随时间t的增加χ呈现上升趋势；当b<0时，说明随时间t的增加χ呈现下降趋势。︱b︱的大小表示变化的快慢程度，︱b︱越大，则趋势越明显，否则无明显变化趋势。

1.2.2 气象产量计算方法 农作物的产量是在各种自然与非自然因素综合作用下形成的，通常将实际产量分解为趋势产量、气象产量和随机产量[11]，即：

Y=Yt+Yw+е

(2)

式中,Y代表玉米的实际产量；Yt代表玉米的趋势产量，是农业技术能力以及其他非气象因素对作物产量的贡献[12]；Yw代表玉米的气象产量，是气象因素对作物产量的贡献；e为受社会动荡、病虫害等随机因素造成作物产量波动的产量分量[13]，一般情况下所占比例很小，可忽略不计，故上式简化为：

Y=Yt+Yw

(3)

对实际单产数据进行5a滑动平均法求得趋势产量[14],即：

(4)

式中,Yt(1)表示第i年沙坡头区玉米趋势产量，Y(1-k)表示第i年及第i年的前k年沙坡头区玉米单产(实际产量)，k=0,1,2,3,4

从实际产量中除去趋势产量,即得气象产量，即：

Yw=Y-Yt

(5)

1.2.3 气候生产潜力计算方法 气候生产潜力是指一个地区当土壤肥力和农业技术措施等指标都在最适宜条件下，单位面积可能获得的最高产量；Lieth根据世界各地作物产量与生育期内的年均温度、年降水量之间的关系,提出了用实际蒸散量来估算气候生产潜力，即Thornthwaite Memoriae模型[15-16]：

Pυ=30 000×[1-e-0.0009695(υ-20)]

(6)

其中:

(7)

L=300+25t+0.05t3

(8)

式中，Pυ为玉米气候生产潜力(kg·hm-2·a-1)；υ为玉米年均蒸散量(mm)；r为玉米生育期内的年降水量(mm)；L为年均最大蒸散量(mm)；30 000是经验系数(g)；e=2.7183。

所用数据处理使用SPSS 21.0和Excel 2010软件。

2 玉米生长期内主要气候要素变化特征

通过对沙坡头区180户农民市场调查，将每年的4～9月划定为玉米的生育期，绘制1990-2019年玉米生育期内的年平均温度、降水量、蒸发量和日照时数的变化趋势(图1)。

由图1可知，近30 a来，沙坡头区玉米生育期内平均气温以0.73℃·10 a-1的倾向率呈极显著的上升趋势(相关系数R=0.865，通过了a=0.001的显著性检验)，说明该地区玉米生长期内均温变化趋势很明显，这与该地区年均气温上升的趋势一致[17]。其中，2004年之前均温整体低于平均值，2004年之后整体高于平均值。

生育期内的降水量整体以每10年0.17 mm的速率在波动中上升，但这种上升趋势不明显。其中，降水量最小值出现在2005年，为41.1mm，最大值出现在2003年，为248.3 mm，后者是前者的6倍。这是因为2005年宁夏遭遇了四季连旱的特大干旱，包括沙坡头区在内的多地区1～10月的降水量为历史同期最少。

生育期内的蒸发量以10年265.7 mm的倾向率呈极显著的下降趋势(相关系数R=0.866，通过了a=0.001的显著性检验)，说明该地区玉米生长期内蒸发量变化趋势十分明显。其中，2004年之前蒸发量整体高于平均值，2004年之后整体低于平均值。

生育期内日照时数整体以每10年14.18 h的速率在波动中上升，但这种上升趋势同降水量一样表现的不明显。其中，1992年日照时数出现急剧下降，降至30年来最低值1 375.7h，其他年份日照时数增减幅度不大，基本围绕平均值上下波动。

图1 沙坡头区1990-2019年玉米生育期内平均气温、降水量、蒸发量、日照时数变化

3 气候变化对玉米产量的影响分析

3.1 1990-2019年玉米单产变化趋势

图2 沙坡头区1990-2019年玉米单产量变化

根据沙坡头区1990-2019年每公顷玉米的产量绘制图2。由图2可知，近30年来， 玉米实际单产量呈极显著的上升趋势(相关系数R=0.796，通过了a=0.001的显著性检验)， 每年增产约105.68 kg·hm-2。其中2017年较2016年增长了18%，是30年来的最大增长值；2000年较1999年增长了-15%，二者增幅相差33%。从增产的稳定性来看，2004年之前表现为波动上升，单产变化幅度较大，2004年开始单产稳步增加，其中2004年单产量是近30年来的最低值。这是因为2004年开始宁夏大面积推广种植优质玉米新品种，优质品种播种面积占到了玉米种植面积的71%，而优质品质在产量水平上普遍较一般品种增产增收[18]。同时，2008年国家适时采取玉米、油菜籽、大豆等临时收储政策，促使农民种植玉米积极性高涨[19]。

3.2 各气候因子与气象产量的相关性分析

根据玉米的单产量，利用公式(4)(5)求得玉米的气象产量，进行玉米气象产量与生育期内各月平均气温、极端最高气温、极端最低气温、降水量、蒸发量、日照时数6个气候因子相关分析，如表1。

通过表1，从全生育期而言，玉米的气象产量与均温、降水量呈正相关关系，其中与均温的相关性最强(相关系数为0.123)；与极端气温、蒸发量、日照时数呈负相关，其中与蒸发量的相关性最强(相关系数为-0.334)。从月尺度而言，4月、8月的蒸发量对玉米气象产量的影响最大(相关系数均通过了0.05的显著性检验)，其它月份的各气候因子与气象产量无太大的相关性，未达到显著性水平检验(P<0.05)。

表1 1990-2019年沙坡头区玉米气象产量与生育期内各月气温、降水量、蒸发量和日照时数的相关关系

玉米是喜温、喜水、高光效的大春作物，在不同的生长期因植株长势、田间覆盖状况、叶面蒸腾和株间蒸发量等的改变对水分、光照、温度等要素的要求不同。

通过表1，从气温与玉米气象产量的相关系数而言，9月均温对玉米气象产量影响为负效应，其他月份表现为正效应。这是由于玉米的喜温特性，对温度反应比较敏感，4-5月玉米处于播种-出苗阶段，过低的温度会造成玉米种子发芽缓慢甚至停止发育(T<6℃)，且容易受到土壤中的有害敌生物的侵染而霉烂(粉籽)，适当的升温反而有利于发芽加快(最适宜温度为28-35℃)。尤其是出苗后，随温度的升高而加速生长，相对范围内温度越高，生长越快。6月玉米处于拔节-孕穗期，是营养与生殖生长并进阶段，温度越高，植株生长较旺，发育越好。7月玉米处于抽雄-开花期，可以看出7月极端气温负作用于玉米气象产量，这是因为开花期是玉米生长中对温度要求最高的阶段[20]，温度过高、过低都会影响正常授粉。8月是玉米籽粒形成的阶段，仍然需要较高的温度以促进同化作用。而9月玉米正处于灌浆-成熟期，温度逐渐降低可以加长玉米灌浆持续时间，有利于营养物质向籽粒运转和积累，助于玉米的粒重和产量提升[21]。

从降水量与玉米气象产量的相关系数而言，4月、5月、6月、9月降水量对玉米气象产量影响为负效应，其他月份表现为正效应。这是因为玉米是需水较多的作物之一，玉米的耐寒性主要表现在苗期。4-6月是玉米出苗到拔节的阶段，由于植株矮小、生长缓慢，适当的干旱对玉米生长发育有利，可以促进根系深扎，为壮苗高产奠定基础，相反过多的降水会抑制玉米发育甚至停止生长。玉米拔节以后便失去了抗旱能力，随着植株的迅速增长，需水量逐渐增多，尤其是抽雄前后半个月左右是玉米对水分需水量最大的“临界期”，如果缺水，会影响雌雄穗正常发育、开花、授粉而导致减产，因此7月、8月降水量增多有利于玉米气象产量的提升。而9月玉米正处于灌浆-成熟期，需水量稍减，尤其是乳熟以后，籽粒基本定型，对水分要求大减，过多的降水会造成光合作用减弱，不利于千粒重和结果颗粒的提高，从而造成玉米产量降低。

从蒸发量与玉米气象产量的相关系数而言，整体上蒸发量对玉米气象产量的影响是负效应，且4月、8月表现的特别显著，表明蒸发量的增加会使得玉米作物田间持水量下降、缺水严重、光合作用减弱、有机物运输受阻，进而影响产量提升。

从日照时数与玉米气象产量的相关系数而言，4-5月(播种-出苗)和9月(灌浆-成熟期)日照时数对玉米气象产量影响为正效应，其他月份表现为负效应。这是因为玉米是一种喜光的短日性作物[22]，光的饱和点较高，充足的光照可以促进玉米苗期发育以及灌浆期干物质积累[23]。但是玉米出苗后，日照过长会造成玉米生长缓慢，表现为抽雄开花期延迟、甚至不能开花结实、植株高密、茎叶繁茂，光合作用减弱，从而导致产量下降。

4 影响玉米气象产量的气候要素筛选

利用主成分分析法对玉米生育期均温(χ1)、极端最高气温(χ2)、降水量(χ3)、极端最低气温(χ4)、蒸发量(χ5)、日照时数(χ6)这6个变量进行标准化处理，得出主成分因子的特征值、贡献率和因子载荷，结果见表2。

依据主成分对应的累计贡献率大于80%及特征值大于1的原则综合考虑[24]，文中选择了3个主成分因子。从表2可以看出，第一主成分因子与年均温(χ1)有较大的正相关(因子载荷为0.908)，体现了温度因子对玉米产量的影响；第二主成分因子与降水量(χ3)和蒸发量(χ5)有较大的正相关(因子载荷分别为0.799、0.735)，体现了水分因子对玉米产量的影响；第三主成分因子与日照时数(χ6)有较大的正相关(因子载荷为0.783)，体现了日照因子对玉米产量的影响。

从各成分的贡献率而言，前三个因子的贡献率分别为：38.690%、21.816%、20.090%，累计贡献率达到了80.596%。综上所述，温度、水分和日照是影响玉米产量的主要气候因子，且在一定程度上，温度越高、水分越充沛、日照越充足，越有利于玉米产量的提高。表明合理利用气候条件调整农作物区域布局，从而有效提高玉米产量和品质十分重要。

表2 1990-2019年沙坡头区玉米生育期气候变化主成分因子特征值、贡献率、累计贡献率及因子载荷

5 气候变化背景下对玉米生产潜力的预测

5.1 玉米气象产量与气候生产潜力的年际变化

根据近30年来(1990-2019年)沙坡头区玉米生育期的气象数据，利用公式(6)-(8)计算出气候生产潜力Pυ，绘制气象产量Yw和气候生产潜力Pυ的变化趋势图3。

由图3可知，沙坡头区近30年来玉米单位面积的气象产量Yw整体以89.05 kg·hm-2·(10a)-1的速率在波动中上升，但这种上升趋势并不明显。从年代变化而言，Yw值在1990-1995年、1995-2000年、2000-2019年这三个阶段出现了大的波动，其中在1990-1995年及2000-2019年这两个阶段Yw值呈极显著的上升趋势(相关系数R均通过了a=0.001的显著性检验)，在1995-2000年阶段Yw值呈极显著的下降趋势(相关系数R通过了a=0.001的显著性检验)。最小值出现在2000年为-821.7 kg·hm-2，最大值出现在1995年为1 132.5 kg·hm-2，两者相差1 954.2 kg·hm-2；从影响效应而言，Yw值在1990-1989年及2005-2019年这两个阶段基本为正值，表明此阶段气候对玉米的影响为正效应。Yw值在1990-2004年均为负值，表明此阶段气候对玉米的影响为负效应。与Yw值变化趋势相同，玉米气候生产潜力Pυ以36.87 kg·hm-2·(10a)-1的线性倾向率呈波动上升趋势，但这种变化趋势同样不明显。从稳定性而言，2005年之前Pυ值波动频繁，2005年开始稳步上升，其中2003年出现了最大值为6 072.64 kg·hm-2·a-1，2005年出现最小值为665.11 kg·hm-2·a-1，前者是后者的9倍。其中，2005年Pυ值最低，可能与该年降水量为历史同期最少，造成了四季连旱的特大旱情现象有关。

图3 沙坡头区1990-2019年玉米气象产量及气候生产潜力变化

5.2 未来气候变化对玉米气候生产潜力的影响

从公式(6)-(8)可知，气候生产潜力Pυ是随着其生育期的气温和降水量的变化而增减的。依据相关研究，假设未来气温升高或下降1℃、2℃、3℃，降水量增多或者减少10%、20%、30%，形成未来气候变化的49种情况，计算玉米的气候生产潜力Pυ值变化百分率，结果见表3。

表3 沙坡头区玉米生育期内年均温、降水量变化下气候生产潜力Pυ值变化百分率 (%)

由表3可知，当气温恒定时，气候生产潜力Pυ值随降水量的增多而增加；当降水量恒定时，气候生产潜力Pυ值随气温的升高而增加。从Pυ的变化百分率来看，整体Pυ值的增减幅度不大，但明显降水量对玉米生产潜力的影响大于气温。当气温和降水量同时发生改变，若仅考虑气温升高或者下降2℃的情况，很明显，当气温升高2℃，降水量增多10%、20%、30%时，玉米的气候生产潜力Pυ值随之分别增加10.56%、20.59%、30.40%，增幅较大，说明“暖湿型”气候有利于玉米产量的提高；当气温升高2℃，降水量减少10%、20%、30%时，玉米的气候生产潜力Pυ值随之分别减少10.17%、20.87%、31.80%，减幅较大，说明“暖干型”气候加速了水分的流失，造成气候生产潜力下降；当气温下降2℃，降水量增多10%、20%、30%时，玉米的气候生产潜力Pυ值随之分别增加9.63%、19.41%、28.94%，反映出“冷湿型”气候环境下玉米气候生产潜力增幅最不显著；当气温下降2℃，降水量减少10%、20%、30%时，玉米的气候生产潜力Pυ值随之分别减少10.70%、21.25%、32.06%，减幅最大，说明“冷干型”气候环境最不利于玉米生产，这与常耀杰[1]等人研究结论一致。可见，在气温和降水量同时发生改变时，降水量的变化对玉米气候生产潜力的影响作用比温度更加显著。

综上所述，未来沙坡头区气候变化对玉米生产潜力的影响排序为：“暖湿型”>“冷湿型”>“暖干型”>“冷干型”。

6 结论

(1)近30年来，沙坡头区玉米生育期内平均气温和蒸发量分别以每10年0.73℃、265.7 mm的倾向率呈极显著的上升和下降趋势；而降水量和日照时数分别以每10年0.17 mm、14.18的速率呈波动上升趋势。

(2)近30年来，沙坡头区玉米单产整体呈极显著的上升趋势，每年增产约105.68 kg·hm-2；气候生产潜力以每10年36.87 kg·hm-2的线性倾向率呈波动上升趋势。

(3)通过主成分分析可知：影响玉米产量的主要气候因子是温度、水分和日照，且在一定程度上，温度越高、水分越充沛、日照越充足，越有助于提高玉米产量。

(4)通过沙坡头区未来气候环境变化下玉米生产潜力的预测分析，可知：气温升高、降水增多的“暖湿型”与气温下降、降水增多的“冷湿型”气候可以促进玉米生产，且“暖湿型”气候下的增产幅度高于“冷湿型”；气温升高、降水较少的“暖干型”与气温下降、降水减少的“冷干型”气候不利于玉米生产，且“冷干型”气候>“暖干型”气候。根据樊宽等[25]研究发现，沙坡头区气候“暖干型”趋势减弱，逐渐呈现“暖湿型”气候趋势，表明未来一段时间的气候资源条件可以促进玉米产量大力提升。