辽宁玉米生长季气候特征分析及对产量的影响

胡春丽，林 蓉，郭婷婷，李 菲，张微玮，康潆文

（1.辽宁省生态气象和卫星遥感中心，辽宁 沈阳 110016；2.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110016；3.辽宁省本溪县气象局，辽宁 本溪 117000）

0 引言

辽宁省地处玉米黄金生产带［1］，是全国主要玉米生产省之一。据2019年《辽宁省统计年鉴》，辽宁玉米种植面积超粮食作物种植面积的70%，2019年粮食总产量2430万t，其中玉米产量1884.4万t，占粮食总产量的77.5%，辽宁粮食生产总量主要依靠玉米产量调节平衡，加之玉米增产潜力大，玉米生产对确保粮食安全具有重要的作用。气象条件是玉米产量波动的主要影响因素，气象条件的匹配与否、气象灾害的轻重程度决定了玉米收成丰歉、品质优劣和成本高低［2-4］。在气候变暖背景下，我国各类极端天气事件逐渐增多，气候变化对玉米生产的影响越发显著［5-17］，因此，开展辽宁省玉米生长季气候特征分析对科学制定宏观调控政策、合理安排农业布局、规避玉米生产风险和保障粮食安全具有重要的实践意义和经济意义。

1 资料与方法

1.1 资料

气象数据来源于辽宁省气象信息中心提供的62个国家气象站点1961—2019年辽宁省逐日降水量、平均气温、日照时数资料；玉米单产数据来源于2019年《辽宁省统计年鉴》，辽宁省玉米种植区域如图1所示。

1.2 方法

选取5年滑动平均法对辽宁玉米气象产量进行分离［17］。采用标准差［18］表示气象要素稳定性，线性倾向估计法［19］分析气象要素的变化趋势，蒙特卡洛方法对空间变化趋势进行显著性检验。

1.2.1 累计距平 用累计距平曲线来确定气象要素的突变性，公式为：

式（1）中，xi为历年值，x为历年平均值，绝对值最大年对应突变时间。

利用信噪比公式确定突变年是否达到突变标准，公式为：

式（2）中，x1、x2和S1、S2代表转折前后2个阶段的平均值和标准差；d＞1代表存在气候突变，对应时间为气候突变时间。

1.2.2 相关性分析 利用单因子相关系数R来检验影响玉米产量的气象因子，当R＞Rα时（α为显著性水平），说明该因子为显著因子，否则为不显著因子，公式为：

式（3）中：n为样本数，Xi、X、Yi、Y分别代表自变量、自变量平均值、因变量、因变量平均值。

1.2.3 气象要素评价等级 根据辽宁省现行气候评价业务规范，气温异常等级根据各站的气温距平（△T）评价指标进行划分，异常偏低：△T＜-4.0，明显偏低：-4.0≤△T＜-2.0，偏低：-2.0≤△T＜-1.0，正常：-1.0≤△T≤1.0，偏高：1.0＜△T≤ 2.0，明显偏高：2.0＜△T≤4.0，异常偏高：△T＞4.0。降水异常等级根据各站的降水量距平百分率（△R%）进行划分，异常偏多：80%≤△R%，显著偏多：50%≤△R%＜80%，偏多：25%＜△R%＜50%，正常：-25%≤△R%≤25%，偏少：50%＜ △R%＜-25%，显著偏少：-80%＜△R%≤-50%，异常偏少：△R%≤-80%。日照时数异常等级根据各站的日照时数距平（△H）与标准差（σ）的比值进行划分，异常偏高：2.0σ≤△H，显著偏高：1.5 σ≤△H＜2.0σ，偏高：σ＜△H＜1.5σ，正常： -σ≤△H≤σ，偏低：-1.5σ＜△H＜-σ，显著偏低：-2.0σ＜△H≤-1.5σ，异常偏低：△H≤-2.0σ。

2 玉米生长季气象条件基本特征

表1和图2显示了辽宁省玉米生长季平均气温、降水量、日照时数的分布情况：平均气温呈现西高东低的分布，气温分布受纬度影响不明显，南北温差小，受地势高低和海陆影响较大，高值区位于辽阳、盘锦和营口地区，平均值介于21.5～21.7 ℃，低值区位于抚顺、本溪和丹东地区，平均气温不足20 ℃，东西部生长季温差可达2.5 ℃。各地市气温标准差为0.54～0.68 ℃，辽东山区气温标准差小，气温稳定性高于平原地区。玉米生长季降水量呈现东南沿海多，西北区域明显少的趋势，丹东生长季降水量为826.1 mm，阜新降水量最少，为417.1 mm，辽宁省玉米生长季节降水空间差异明显，这主要因地理位置引起，辽宁东部地区南临黄海和渤海，西北部地区在大陆内部，水循环自东南向西北逐渐减弱。另外，东部有呈东北向西南走向的龙岗山、千山山脉阻挡，夏季风难以进入内陆［5］。标准差空间分布与降水量相似，降水偏多地区降水不稳定性大。玉米生长季日照时数与降水量空间分布相类似，呈西高东低的径向分布，辽西朝阳为1387.1 h，辽东本溪为1111.1 h，标准差为102.4～140.7 h，盘锦的标准差最大，日照时数最少的朝阳的标准差最小。

表1 1961—2019年辽宁省玉米生长季气象要素统计特征

3 玉米生长季气候变化特征

3.1 年际变化

1961—2019 年辽宁省玉米生长季平均气温呈增加趋势（图3a），增加速率为0.2 ℃/10 a，增加趋势系数为0.59，通过了99.9%的信度检验，气温偏高的5年分别为2019、2007、2017、2018和2000年，均发生在21世纪00年代后，气温偏低的5年为1976、1969、1986、1972和1974年，均发生在20世纪80年代及以前，表明在气候变暖的背景下，辽宁省玉米生长季易出现气温异常偏高的情况。辽宁省玉米生长季的平均降水量为559.1 mm，占全年总降水量的86.3%，1961—2019年降水量呈减少趋势（图3b），减少速率为9.7 mm/10 a，减少趋势系数为-0.15，未通过95%的信度检验。降水量偏多的5年 分 别 为2012、1964、1985、1994和2010年，降水量偏少的5年分别为2000、1999、2014、2009和2002年，70%的降水异常年发生在21世纪00年代后，表明在气候变暖背景下易出现极端降水事件。1961—2019年辽宁省玉米生长季日照时数呈减少趋势（图3c），减少速率为25.3 h/10 a，趋势系数为0.52，通过了99.9%的信度检验，日照时数偏多的5年分别为1965、1963、1968、1978和1969年，日照时数偏少的5年分别为2010、1985、2008、2005和1998年，表明在20世纪80年代以前易出现日照时数异常偏多的情况。

3.2 年代际变化

由辽宁省玉米生长季气温（图4a）的累计距平曲线可以看出，气温的阶段性变化主要经历了2个阶段，20世纪60年代至90年代为气温偏低期，20世纪90年代至21世纪10年代为气温偏高期，气温转折时间为1996年，信噪比为0.92，未达到气候突变判定标准，即1996年为气温偏低向气温偏高的转折年，不是气候突变年。玉米生长季降水量（图4b）的阶段性变化比较复杂，累积距平曲线呈波动性变化，表明降水量具有明显的周期性变化特征，累计距平的绝对值在1998年达到最大，计算其对应的信噪比，结果小于1，未达到气候突变标准。从日照时数（图4c）的累积距平曲线可以看出，日照时数的阶段性变化主要经历了3个阶段，20世纪60年代至80年代初为日照时数偏多期，20世纪80年代初期至21世纪00年代初为日照时数相对稳定期，21世纪00年代初至10年代为日照时数偏少期，累积距平的绝对值在2002年达到最大，信噪比小于1，未达到气候突变的标准。

3.3 空间变化

从1961—2019年辽宁省玉米生长季气象要素趋势系数（表2）可以看出，平均气温均呈显著的增加趋势，除朝阳通过99%的信度检验外，其他地区均通过99.9%的信度检验，其中营口、沈阳、鞍山、盘锦地区趋势系数达0.6以上。全省降水量均呈现减少趋势，系数均呈负值，但数值较小，均未通过显著性检验。日照时数均呈减少趋势，但区域性较为明显，50%的区域减少趋势通过了99.9%的信度检验，28.6%的区域减少趋势通过了99%的信度检验，仅21.4%的区域减少趋势未达到信度检验，主要位于鞍山、抚顺、本溪的辽北地区。

表2 1961—2019年辽宁省玉米生长季气象要素趋势系数

4 玉米生长季气象条件对产量的影响

4.1 玉米产量变化特征

从1985—2019年辽宁省玉米平均单产的年际变化（图5）可以看出，近35年辽宁玉米实际产量呈显著增加趋势，趋势系数为0.447，通过了99.9%的信度检验，且年际变化较大，为3735～7365 kg/hm2，产量最小的3年分别为1985、1989、2000年，产量最大的3年分别为1998、2004、2019年。社会生产力贡献最大的趋势产量一直呈增长态势，线性趋势为50.55 kg/（hm2.年），趋势产量与实际产量的相关系数为0.76，通过了α＝0.001的显著性检验。气象产量在2000年以前的年际波动幅度明显大于2000年以后的，该结论与胡春丽等［20］对水稻气象产量分析的结论相似，可能原因为2000年以前导致玉米减产的气象灾害频发，出现的低温冷害事件明显较2000年以后偏多，造成气象产量波动明显。气象产量与实际产量的相关系数为0.79，通过了α＝0.001的显著性检验，说明气象产量能基本反映实际单产的变化趋势，也间接反映了气象因子的影响至关重要。

4.2 玉米生长季气象条件对产量影响

玉米生长季节气温与气象产量呈负相关关系，相关系数为-0.26；降水量与之呈正相关，相关系数为0.15；日照时数与之呈负相关，相关系数为-0.35，该结论与曹永强等［8］的研究基本一致，即全生育期适当的低温有利于玉米发育和高产，极端低温和高温对玉米气象产量的影响有待深入研究。玉米生长过程中对水分要求较高，充足的水分可加快玉米体内的物质转换与运移，有利于玉米的生长发育，促进产量形成。日照时数对玉米产量影响显著，相关系数通过了95%信度检验，辽宁省光照充足，可以完全满足玉米生长的需求。但日照强度超过玉米的光饱和点时，光合速率会降低，不利于产量形成。表3、表4分别为辽宁省玉米气象产量异常偏少（多）年的气象因子特征。玉米气象产量偏少年的降水量普遍偏少、日照时数普遍偏多、气温普遍偏高；玉米气象产量偏多年降水量普遍正常多、日照时数偏少、气温普遍偏低。

表3 辽宁省玉米气象产量偏少年气象要素评价

表4 辽宁省玉米气象产量偏多年气象要素评价

5 结论

（1）辽宁玉米生长季平均气温分布受纬度影响不明显，受地势高低和海陆影响较大，南北温差小，呈西高东低的分布特征；玉米生长季降水量自东南向西北逐渐减少，日照时数与降水量空间分布相类似，呈西高东低的径向分布。

（2）1961—2019年辽宁省玉米生长季平均气温呈显著增加趋势，趋势系数为0.59，降水量呈弱减少趋势，趋势系数为-0.15，日照时数呈显著减少趋势，趋势系数为-0.52。在气候变暖的背景下，玉米生长季易出现气温异常偏高、极端降水偏多（偏少）事件。玉米生长季气温在1996年发生了气候转折，降水量具有明显的周期性变化特征，日照时数主要经历了偏多期-稳定期-偏少期3个主要阶段。

（3）近35年辽宁玉米实际产量呈显著增加趋势，实际产量与趋势产量、气象产量相关系数分别为0.76和0.79，通过了99.9%信度检验。玉米气象产量2000年以前年际波动明显大于2000年以后。

（4）辽宁省玉米气象产量与气温和日照时数均呈负相关关系，相关系数分别为-0.26和-0.35，气象产量与降水量呈正相关关系，相关系数为0.15。玉米气象产量偏少年降水普遍偏少、日照普遍偏多、气温普遍偏高；玉米气象产量偏多年降水普遍正常多、日照时数偏少、气温普遍偏低。