羅那那，巴特爾·巴克，薛亞榮，康麗娟，王孟輝

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

IPCC報告中表明，過去100多年，全世界地表溫度平均上漲幅度為0.74℃，到2100年預(yù)計在不同區(qū)域?qū)⑸仙?.0～5.4℃。中國大多數(shù)耕地位于季風(fēng)區(qū)，天氣條件年際變化造成糧食產(chǎn)量波動大，研究糧食作物生產(chǎn)潛力特征對糧食生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義[1]。從1970年初開始，氣候變化已成為中國的一個重要課題，多年來中國各地區(qū)的溫度呈逐年上升的趨勢。糧食作物發(fā)育生長和產(chǎn)量都離不開環(huán)境條件，氣象因素是重要的環(huán)境條件之一。21世紀(jì)以來，雖然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件有了很大改善，作物產(chǎn)量明顯提高，但是人類很難控制和改變惡劣氣象條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不良影響，氣象條件引起糧食產(chǎn)量年際間波動[2-3]。龐艷梅[4]、陳劍雄[5]等研究結(jié)果表明，全球氣候變暖對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了一系列的重大影響，在農(nóng)作物生育期的改變方面尤為突出，玉米生育期種植受地理和氣象要素的影響[6]。氣候變化將使農(nóng)作物種植制度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局發(fā)生改變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和投資成本增加[7]，對糧食安全生產(chǎn)有重要影響[8]。在氣候變暖的影響研究中，前人基于氣象站的歷史觀測數(shù)據(jù)或未來情景數(shù)據(jù)，對中國農(nóng)業(yè)氣候資源[9]和主要玉米種植區(qū)玉米生產(chǎn)潛力[10]的時空分布特征進(jìn)行了詳細(xì)研究。針對氣溫、降水、日照等氣候要素變化特征及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，國內(nèi)學(xué)者從兩方面開展了研究，一是開展生育期氣候要素的時空演變特征[11]； 二是生育期內(nèi)氣候變化對作物生長發(fā)育與產(chǎn)量的影響[12]。而目前針對未來塔城市玉米生育期氣象要素變化特征的研究較少。因此，探究作物生育期氣候要素演變具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于高緯度地區(qū)，幅員遼闊，且地形繁雜，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，區(qū)域年均氣溫-4～9℃，熱量條件較差，且年際和地域差異較大，屬氣候敏感區(qū)域，有諸多不穩(wěn)定性因素，所發(fā)生的氣象災(zāi)害較頻繁，對實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響大。塔城市隸屬于新疆的縣級市，位于新疆維吾爾自治區(qū)的西北部、伊犁哈薩克自治州的中部，地處東經(jīng)82°16′～87°21′、北緯43°25′～47°15′之間，屬中溫帶干旱和半干旱氣候區(qū)，四季交替不分明，春季升溫快而不穩(wěn)定，夏季短促而炎熱，冬季漫長而酷冷。日照充足，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣溫日較差大，降水較少且時空分布不均。由于其地形、地貌以及下墊面狀況的復(fù)雜多樣性，塔城市的氣候存在明顯的區(qū)域差異。

圖1 塔城市研究區(qū)域位置分布

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)共享網(wǎng)(http：//cdc.nmic.cn/home.do)，選取數(shù)據(jù)記錄較完整的塔城市地面氣象站1961～2013年逐日氣象資料(圖1)，其中包括平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)、日照時數(shù)(h)、降水量(mm)、風(fēng)速(m/s)、平均相對濕度(%)，由于站點(diǎn)資料的時間長度不一致，為確保資料的可靠性和一致性，各氣候要素采用1961～2013年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，數(shù)據(jù)來源可靠且經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗。相對濕潤指數(shù)是指年降水量與同期潛在蒸散之比，可作為判別某一地區(qū)氣候干旱程度的指標(biāo)。

該文采用的1961～2013年塔城市玉米的全生育期時段為研究時段，玉米生育期數(shù)據(jù)為日期型數(shù)據(jù)，在已有的主要農(nóng)作物生育期研究工作的基礎(chǔ)上，以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物種植制度，塔城市玉米生育期階段的劃分引用周金龍[13]的研究結(jié)果進(jìn)行劃分(表1)。

表1 塔城市玉米各生育期時間節(jié)點(diǎn)

生育期播種—幼苗幼苗—拔節(jié)拔節(jié)—抽穗抽穗—成熟全生長期起止時間(日/月)17/04～05/0606/06～03/0704/07～26/0827/08～19/0917/04～19/09

1.3 研究方法

采用Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗方法[14]進(jìn)行突變分析。氣象要素的長期變化趨勢采用線性回歸分析[15]?；貧w系數(shù)表示氣候變量的趨勢傾向，回歸系數(shù)為正時，說明隨時間的增加氣候變量呈上升趨勢； 反之亦然，回歸系數(shù)的大小反映了上升或下降的速率。氣候趨勢系數(shù)表示某氣候要素的長期趨勢變化的方向和程度，即時間和氣候要素的相關(guān)系數(shù)。此外，基于小波分析探究了年潛在蒸散量的周期特征[16]，利用FAO在1998 年推薦的Penman-Monteith 公式[17]計算ET0，該公式以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，較全面地考慮了影響潛在蒸散的各種因素，有較好的物理依據(jù)，應(yīng)用較廣泛。

2 結(jié)果分析

2.1 塔城市玉米生育期主要?dú)庀笠蜃拥哪觌H變化特征

圖2可看出，總體來講，塔城市玉米生育期降水、溫度和相對濕潤指數(shù)都呈增加趨勢，其中，降水增加趨勢最為明顯，趨勢系數(shù)達(dá)到2.883mm/年，且有明顯的偏豐期和偏枯期，但是年際交替變化頻繁(圖2a)。說明塔城市玉米生育期年際差異較大，極端多雨期和少雨期交替頻發(fā)。積溫(AT)的氣候傾向率為11.82℃/年(圖2j)，其中，在1961～1990年增勢較弱(氣候傾向率為6.84 ℃/年)， 1991～2013年增勢較強(qiáng)(氣候傾向率為20.11℃/年)。1968年玉米生育期積溫最低，為2 841.09℃； 1996年玉米生育期積溫最低，為4 064.12℃。圖2d表征了1961～2013塔城市玉米生育期干濕的年際變化特征，玉米生育期略有濕潤化。過去53年相對濕潤指數(shù)的氣候傾向率為0.002 7/年，增勢較微弱。但是，濕潤指數(shù)有明顯的時段性特征， 1961～1981年整體偏干， 1981～2013年整體偏濕潤。日照時數(shù)、作物蒸散量、平均風(fēng)俗和相對濕度呈顯著下降趨勢。日照時數(shù)(圖2b)呈變短趨勢(氣候傾向率為-1.15℃/年)。其中， 1976年日照時數(shù)達(dá)到研究時段的最小值為1 776.12℃， 1995年達(dá)到研究時段的最大值，為2 298.90℃。圖2c可以看出，玉米生育期潛在蒸散量波動強(qiáng)烈， 1961～1993年，總體呈減少趨勢； 1993～2013年，總體呈增加趨勢。其中， 1972年，玉米生育期潛在蒸散量達(dá)到研究時段的最小值，為778.28mm， 2000年達(dá)到研究時段的最大值，為995.55mm。

圖2 1961～2013塔城市玉米生育期氣象因子的年際變化特征注：a.降水量(P)、b.日照時數(shù)(SH)、c.潛在蒸散量(ET0)、d.相對濕潤指數(shù)(MI)、e.風(fēng)速(WS)、f.相對濕度(RH)、g.最高氣溫(Tmax)、h.最低氣溫(Tmin)、i.平均氣溫(Tmean)、j.積溫(AT)

2.2 塔城市玉米生育期主要?dú)庀笠蜃拥耐蛔兲卣?/h3>

為了探究塔城市玉米生育期降水量的突變特征，基于Mann-Kendall 法計算塔城市降水量的時間序列的正序列的UFk(黑色粗線)和反序列的UBk(黑色細(xì)線)。取顯著水平α=0.05情況下臨界值為±1.96(圖中黑色虛線)。圖3a、3b、3c可以看出，玉米生育期降雨量、日照時數(shù)和潛在蒸散量不存在明顯的突變。這是由于UFk和反序列的UBk曲線雖然有多個交點(diǎn)，但未達(dá)到顯著水平。圖3d可以看出，塔城市玉米生育期在1980年發(fā)生濕潤化突變。圖3e表明平均風(fēng)速在1997年發(fā)生突變。相對濕度(圖3f)在2008年發(fā)生減少突變，這與文中相對濕潤指數(shù)的研究結(jié)果有所不同。由于相對濕潤指數(shù)是基于降水量和潛在蒸散量計算而得，是多種氣象因子共同作用的結(jié)果，而相對濕度僅僅是指空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比，兩者截然不同。平均最高氣溫在1996年發(fā)生增加突變，隨后在2001年達(dá)到0.05顯著水平(圖3g)。平均最低氣溫未達(dá)到顯著水平，因此未發(fā)生明顯的突變(圖3h)； 平均氣溫在1995年發(fā)生增加突變，隨后在1997年達(dá)到0.05顯著水平(圖3i)； 玉米生育期積溫在1995年發(fā)生增加突變，隨后在1997年達(dá)到0.05顯著水平(圖3j)。

圖3 1961～2013塔城市玉米生育期氣象因子的突變特征注：a.降水量(P)、b.日照時數(shù)(SH)、c.潛在蒸散量(ET0)、d.相對濕潤指數(shù)(MI)、e.風(fēng)速(WS)、f.相對濕度(RH)、g.最高氣溫(Tmax)、h.最低氣溫(Tmin)、i.平均氣溫(Tmean)、j.積溫(AT)

圖4 1961～2013年塔城市玉米生育期各氣象因子的小波分析注：a.降水量(P)、b.日照時數(shù)(SH)、c.潛在蒸散量(ET0)、d.相對濕潤指數(shù)(MI)、e.風(fēng)速(WS)、f.相對濕度(RH)、g.最高氣溫(Tmax)、h.最低氣溫(Tmin)、i.平均氣溫(Tmean)、j.積溫(AT)

2.3 塔城市玉米生育期主要?dú)庀笠蜃拥闹芷谔卣?/h3>

為探究玉米生育期各個氣候要素的年際和年內(nèi)周期變換特征，采用 Morlet小波變換進(jìn)行分析研究，其分布如圖4，圖中實線表示正位相，即實部值大于0，虛線則反之，小波的實線和虛線波動表征了玉米生育期的降水量偏豐和偏枯交替變化特征。圖4a、圖4b、圖4c和圖4f可以看出，塔城市玉米生育期降水、日照時數(shù)、潛在蒸散量和相對濕度存在30年的大周期和16年的小周期，其中， 30的大周期貫穿整個研究時段，經(jīng)過了偏長—偏短—偏長一次周期變換，日照時數(shù)處于偏長期，在1975～1995年處于偏短期。15年的小周期僅存在于1970～2005年，經(jīng)歷了偏短—偏長—偏短的一次周期變換過程。玉米生育期干濕(圖4d)存在17年的大周期和3～5年的小周期。17年的大周期經(jīng)歷了偏濕—偏干—偏濕的兩次變換過程，其中，在1961～1971年、1981～1991年和2003～2013年處于偏濕期，在其他研究時段處于偏干期。3～5年的周期則存在多次的變換。風(fēng)速(圖4e)存在30年的大周期和15年的小周期特征。其中， 30年的周期為第一主周期，表征了風(fēng)速偏大—偏小的變換過程。在1961～1975年和1995～2010年， 15年的小周期存在于1970～2005年，且經(jīng)過了一次周期變換過程。平均最高氣溫存在兩個尺度的周期特征(圖4g)； 其中， 30年的大周期經(jīng)歷了偏高(1961～1975年)—偏低(1975～1995年)—偏高(1995～2014年)的變化過程； 同時，在1965～2005年還存在15年的小周期。平均最低氣溫具有獨(dú)特的周期特征，存在15～20年的周期和6～7年的周期特征(圖4h)； 其中， 15～20年的周期經(jīng)歷了偏高—偏低—偏高兩次變換過程，在1961～1966年、1975～1987年和2000～2013年處于偏高期，其他研究時段處于偏低期； 6～7年的小周期經(jīng)歷了多次變換。平均氣溫(圖4i)30年周期尺度在1961～1975年和1995～2013年處于偏低期，在1975～1995年處于偏高期； 在1961～2005年，生育期平均氣溫存在11～15年的周期，其中，經(jīng)歷了偏高—偏低—偏高兩次循環(huán)變化的過程，小尺度周期上，生育期平均氣溫存在5～7年的周期特征。與生育期平均氣溫周期尺度大致相當(dāng)，積溫也存在30年的大周期和15年的小周期特征(圖4j)； 30年周期來看，積溫經(jīng)歷了偏大(1961～1976年)—偏小(1976～1996年)—偏大(1996～2013年)的變化過程。中尺度周期(15年)可以看出，塔城市的積溫經(jīng)歷了偏小—偏大—偏小的變化過程?；诜e溫的周期尺度變化，可以看出，未來幾年，塔城市積溫仍處在偏大期，但在周期內(nèi)呈現(xiàn)逐漸減少的變化特征。

3 結(jié)論和討論

1961～2013年塔城市的溫度(平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均氣溫)都呈明顯的增加趨勢，氣候傾向率分別為0.03℃/年、0.03℃/年和0.09mm/年； 積溫也呈明顯的增加趨勢，其中，在1993年達(dá)到研究時段的最低值，為14.79℃/年； 在1997年達(dá)到研究時段的最大值，為18.99℃/年； 降水量有微弱增勢，氣候傾向率僅為0.09℃/年； 日照時數(shù)波動特征有明顯的時段性，在1961～2000年波動較大，在2000～2013年波動較短； 相對濕度減少趨勢明顯，但具有明顯的時段性； 在1961～1990年，略有減少趨勢，在1991～2013年，減少趨勢明顯； 干濕的年際變化特征表現(xiàn)為玉米生育期略有濕潤化。

過去52年來，主要?dú)庀笠蜃咏涤炅俊⑷照諘r數(shù)、潛在蒸散量無明顯的突變發(fā)生，平均風(fēng)速在1997年發(fā)生突變，而相對濕度在2008年發(fā)生減少突變趨勢； 塔城市玉米生育期平均最高氣溫、積溫大致存在兩個尺度的周期特征， 30年的大周期和15年的小周期； 平均最低氣溫和平均氣溫存在大周期變化嵌套著小周期的變化，存在15～20的周期和6～7年的周期特征； 生育期相對濕度存在30年的大周期和16年的小周期，其中， 30年的大周期貫穿整個研究時段，經(jīng)過了偏大—偏小—偏大一次周期變換。15年的周期僅僅存在于1970～2005年，經(jīng)歷了偏小—偏大—偏小的一次周期變換過程。

在全球變暖特別是20 世紀(jì)后半葉變暖異常突出的背景下，區(qū)域響應(yīng)明顯，積溫增加、氣候帶北移、作物生長期變長[18-19]。熱量是植物生長發(fā)育過程中最為重要的因素之一，因此農(nóng)業(yè)成為了氣候變化反應(yīng)最為敏感的行業(yè)之一。作物生育期氣象因子變化與作物生育期的長短、產(chǎn)量等密切相關(guān)。氣候變化為塔城市玉米種植提供了有利條件，種植玉米成為一項有效的適應(yīng)措施。氣象因子對作物存在一定的影響，積溫關(guān)乎作物的生長發(fā)育，影響作物熟制。塔城市積溫呈明顯的增加趨勢，這與阿布都克日木·阿巴司等[20]的研究結(jié)果取得一致，使得塔城市發(fā)展玉米種植具有很大的生產(chǎn)潛力，有利于塔城市復(fù)播玉米或套種玉米的耕作制度的實施，提高玉米產(chǎn)量[21-22]。此外，風(fēng)速、氣溫、日照時數(shù)、降水等因素的變化關(guān)系著潛在蒸散量的變化，進(jìn)而與區(qū)域干濕演變，尤其是作物生育期作物水分匱缺、灌溉等密切相關(guān)，進(jìn)而影響作物的生長發(fā)育。生育期是玉米生長發(fā)育的重要和基本特征。經(jīng)過對玉米生育期干濕的年際變化特征分析得到，過去53年相對濕潤指數(shù)的氣候傾向率為0.002 7/年，增勢較微弱。但是，濕潤指數(shù)有明顯的時段性特征，玉米生育期略有濕潤化有助于玉米種植生長，也有利于塔城的社會經(jīng)濟(jì)效益提高。在此基礎(chǔ)上研究塔城市玉米生育期變化的影響，并制定出有針對性的氣象服務(wù)方案，確保玉米生產(chǎn)過程中能趨利避害，以期實現(xiàn)玉米生產(chǎn)過程高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。但是，該研究僅探究了玉米生育期氣候要素的變化，而未考慮對作物生育期和產(chǎn)量有至關(guān)重要作用的水分匱缺、干旱等要素的演變。因此，綜合考慮下墊面要素和氣象要素以及作物特性，探究生育期氣候要素變化以及產(chǎn)量的影響，有待進(jìn)一步研究。

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