1967~2020年黑河中游绿洲气候变化对玉米产量的影响

Climate change and its impact on maize yield in oasis in the middle reaches of the Heihe River from 1967 to 2020 ——A case study of Linze County

摘要

目的 探究黑河中游绿洲气候变化特征对玉米产量的影响，并提出相应管理对策。 方法 采用线性回归分析、产量分解等方法分析了张掖市临泽县1967~2020年气候变化和玉米产量变化的趋势，并运用多元线性回归分析方法建立了玉米气象产量与各气象因子的相关性模型。 结果 1967~2020年黑河中游绿洲平均气温、累计降水量和累计日照时长均呈上升趋势，上升幅度分别为0.38 ℃/10 a、3.01 mm/10 a、2.02 h/10 a；玉米气象产量呈现出不规则且幅度较大的波动，玉米气象产量与降水量、累计日照时长2个气象因子呈现正相关关系，与气温呈现负相关关系，偏回归系数分别为0.295，0.354和-0.405；根据多元回归分析模型预测，至2030年玉米气象产量将达到-47.85 kg/hm²，气象条件将成为制约玉米产量提高的主要因素。 结论 在黑河中游绿洲特殊的区域气候条件下，提高灌溉效率、引进抗逆抗旱品种、加强田间管理技术研究等是玉米产量稳步提高最为有效的措施。

Abstract

Objective To study the characteristics of climate change and its impact on maize yield in the oasis in the middle reaches of the Heihe River，and to propose management countermeasures. Method The trend of climate change and maize yield change in Linze County，Zhangye City from 1967 to 2020 was analyzed by linear regression analysis and yield decomposition，and the correlation model between maize meteorological yield and various meteorological factors was established by using multiple linear regression analysis. Result From 1967 to 2020，the average temperature，cumulative precipitation and cumulative sunshine duration in the oasis in the middle reaches of the Heihe River showed an increasing trend，with the increasing ranges of 0.38 ℃/10a，3.01 mm/10a and 2.02 h/10a respectively.The meteorological yield of maize showed irregular and large fluctuations. The meteorological yield of maize showed positive correlation with precipitation and cumulative sunshine duration，and negative correlation with temperature.The partial regression coefficients were 0.295，0.354 and -0.405 respectively.According to the prediction of the multiple regression analysis model，the meteorological yield of maize will reach -47.85 kg/hm² by 2030.Meteorological conditions will become the main factor limiting the increase of maize yield. Conclusion Under the special regional climatic conditions of the Heihe middle reaches oasis，improving irrigation efficiency，developing and introducing stress resistant and drought-resistant varieties，and strengthening the research into field management technology are the most effective measures to steadily improve the maize yield.

Graphical abstract

关键词

气候变化 / 玉米产量 / 多元线性回归分析 / 黑河中游绿洲

Key words

climate change / maize yield / multiple linear regression analysis / oasis in the middle reaches of Heihe River

20世纪50年代以来，气候变化引起了世界各国多领域的关注；IPCC（intergovernmental panel on climate change）第5次评价报告指出，过去130年全球升温0.85 ℃，1901~2015年亚洲地区地表平均温度上升了1.45 ℃，在全球变暖的背景下，我国年平均气温升高了0.50~0.80 ℃^［1-3］。而位于中国西北的河西走廊绿洲区也面临着气候变化带来的诸多影响，与其他自然生态系统不同，干旱区内的绿洲生态系统受到气象因素的干扰和影响程度更大。有研究表明气候变暖使干旱区绿洲作物生长季延长，作物种植区增加，同时也造成了灾害天气的极端性增加^［4］。河西绿洲是中国西北内陆重要的灌溉农业区以及主要的商品粮生产基地，近58 a河西绿洲区平均气温及降水量均呈现上升趋势^［5］。气候变化给该地区的农业生产带来了多方面的影响，气候的平均状态决定了粮食生产的结构，直接或间接对粮食安全产生影响^［6］。研究区域气候变化并进行合理预测能够给予农业生产活动一定程度的保障，并降低气候变化给农业生产带来的负面影响^［7］。

综合国内外诸多文献，目前研究气候变化产生影响的方法主要分为3类：一是田间观测试验或是实验室动态模拟各气象因子的变化，其中环境控制试验在野外设立封闭或顶部开放温室，通过人为控制气候变量来研究对作物的影响^［8-10］，而直接田间试验得到的数据稳定性高、误差小，但财力人力消耗较大，不适用于长期观测，且该方法不能联系到区域性地理环境，局限性比较大；二是建立作物模型，结合农田管理和种植制度分析气候条件对农业生产的影响，多数借助GIS技术的支持来评估分析土地生产力^［11-13］；三是利用计算机建立相关气象因子统计模型，运用统计学中多元回归分析、线性回归分析等方法进行数值模拟^［14-17］。鉴于田间试验方法的局限性，利用计算机进行数值模拟和预测研究是目前定量化研究气候变化及其影响较为科学和理想的方法^［18］。由于气候变化具有非常强的区域性特征，所以从地区角度对气候变化进行分析对当地农林业发展具有较强的指导作用。

黑河流域是我国第二大内陆河流域，黑河水系在干旱的荒漠生态背景下孕育了一系列绿洲，形成了很多独特的山地-荒漠-绿洲复合生态系统^［19-21］。黑河中游地区除了自然生长的温带小灌木和半灌木等荒漠植被，还有主要分布在绿洲地区人工栽培的农作物和人工林植被类型^［22］，该地区也是我国重要的商品粮生产基地。由于地处西北干旱地区，生态系统相对脆弱且复杂多变，气候变化使黑河中游绿洲面临较高的极端灾害风险和更强的气候变化影响，严重影响粮食生产安全和农业可持续发展。因此分析研究气象条件对农业生产力的影响、找到各气象要素中的关键要素，对保障农民收益、农业部门可持续健康发展有着重要意义。目前有关气候变化及农业生产的研究多集中在大、中区域气候背景下，而小区域范围气候变化对农作物产量影响的研究尚不多见，特别是黑河中游地区这方面的工作开展甚少，气候变化方面的科研工作尚不能更好服务于农业生产需要。玉米作为该地区增产增收的主要经济作物之一，种植面积达到了10.50万 hm²左右，而气候变化会对玉米的物候期、种植制度、布局结构以及发展潜力等产生不可忽视的影响。基于此，本研究利用近64 a黑河中游绿洲的气象数据和26 a玉米单产资料，利用滑动平均、产量分解及多元线形回归分析法定量分析了区域气候变化对玉米产量的影响，旨在为黑河中游地区农业生产活动、水资源高效利用及农业可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑河是中国第二大内陆河，发源于祁连山中段，黑河莺落峡至正义峡之间为中游，中游干流全长185 km，行政上包括甘肃省张掖市的山丹、民乐、甘州、临泽、高台以及肃南明花区，总面积19 578 km²，耕地面积3 018.58 km²，集中了全流域80%的绿洲和95%的耕地，为典型绿洲农业地区，玉米是该区域种植面积最大、生长期需水量最大的农作物^［23］。临泽县地处东经N 38°57′~39°42′，E 99°51′~100°30′之间，为温带大陆性气候，海拔高度1 380~1 600 m，南部为祁连山区，中部是黑河水系冲积形成的走廊平原区，北部为合黎山剥蚀残山区。多年平均气温为8.0~10.0 ℃，多年平均降水量为85~130 mm，多年平均日照时数为3 116 h。冬季寒冷漫长，夏季炎热短暂，昼夜温差大，降水多集中在6~9月，年蒸发量2 390 mm，≥10 ℃年积温约3 085 ℃，无霜期165 d^［24-25］，主要灾害性天气有大风、沙尘暴、干旱、低温冻害、干热风、局地暴雨、霜冻等。境内地势平坦，土地肥沃，为典型灌溉农业地区，农业耗水量占80%以上，黑河及其一级支流梨园河是绿洲农业灌溉的主要水源^［26］。主要种植农作物为玉米、小麦、高原夏菜等，临泽县耕地面积为3.11万 hm²，玉米的播种面积约2.39万 hm²，占全县农作物总播种面积的77.1%^［27］，近年来随着产业结构的调整，追求更高的经济效益，制种玉米已取代传统的大田玉米种植模式。

1.2 资料来源

本文气象数据来源于甘肃省气象局临泽气象站历年的观测资料，玉米产量数据来源于1995~2020年《张掖市统计年鉴》。

1.3 研究方法

1.3.1 气候变化分析方法

统计平均气温、累计降水量、累计日照时长，采用一元线性回归分析法，以时间（x）为自变量，气象要素（y）为因变量，建立一元线性回归方程：

y=a+b{x}_ii=1，2，…，n（1）

式中：b为气象要素倾向率，b值符号代表变化趋势的正负，｜b｜越大代表变化趋势越大，否则代表变化趋势不明显。

1.3.2 产量分解分析方法

在农作物生长过程中不仅有气象因子产生的影响，经济社会发展、技术进步等因素同样也会对农作物产量产生较大的影响。由于产量研究时间跨度较长，故社会因素不能忽略。在本次研究中，将由社会因素影响的产量规定为趋势产量，由气候因素影响的产量规定为气象产量^［28-29］：

Y=Y_i+Y_w+e（2）

式中：Y为单位面积玉米产量（kg/hm²）；Y_i 为趋势产量（kg/hm²）；Y_w 为气象产量（kg/hm²）；e为随机因素造成的产量波动，影响较小，本次研究忽略不计。

趋势产量一般代表产量历史演变，本研究中使用5 a滑动平均法进行模拟。由公式（2）得到能够定量分析的气象产量：

Y_w=Y-Y_i（3）

相对气象产量较于气象产量更加直观的表达气候因子对农作物产量的影响^［30-31］，计算公式为：

Y_r(\mathrm{\%})=\frac{Y_w}{Y_i}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（4）

式中：Y_r 为相对气象产量（%），当-10%≤Y_r ≤10%时为正常年份，否则当Y_r >10%时，气象因素对产量有较明显的提升作用，Y_r<-10%时气象因素与产量之间则表现为较强的负反馈作用。

1.3.3 相关性分析方法

本研究使用SPSS 23.0软件建立各气象因子与玉米产量之间的多元线性回归分析模型，该数学模型为：

s_i={\alpha }_i+{\alpha }_{\mathrm{1}i}{m}_{\mathrm{1}i}+{\alpha }_{\mathrm{21}}{m}_{\mathrm{2}i}+{\alpha }_{\mathrm{31}}{m}_{\mathrm{3}i}+{\beta }_i（5）

式中：s_i 为因变量，表示第i年的气象产量；m_1i，m_2i，m_3i 分别为第i年的平均气温、累计降水量、累计日照时数；ɑ表示第i年的常数项；β_i 表示第i年的误差项；α_1i，α_2i，α_3i 分别表示第i年自变量的回归系数。

2 结果与分析

2.1 气候变化特征分析

2.1.1 气温变化

由图1可知，1967~2020年黑河中游绿洲的平均气温呈现上升趋势，多年平均气温为8.26 ℃，最高年均气温为9.70 ℃，最低年均气温为6.62 ℃，近64 a中气温上升约2.4 ℃，线性拟合方程为y=-0.038 1x-67.665 （R²=0.696 1），线性变化倾向率为0.38 ℃/10 a，2017年平均气温达到了64 a中最高值。滑动平均曲线是一种相对年平均变化更能体现气温变化特征的一种统计方法，可以减弱年份异常气温和观测误差给统计结果带来的误差^［32］。结合5 a滑动平均曲线与年平均气温变化曲线可将64 a气温变化分为3个部分，第1阶段为1967~1982年，平均气温7.65 ℃，整体高于64 a平均气温，且该阶段气温波动较大，整体呈现上升趋势；第2阶段为1983~1999年，平均气温8.05 ℃，但大部分年份年均气温低于64 a平均水平；第3阶段为2000~2020年，平均气温8.90 ℃，且呈现上升趋势，2017年出现了最高年均气温9.70 ℃。

2.1.2 降水变化

由图2可知，1967~2020年累计降水为54.00~210.50 mm，平均年累计降水量为116.86 mm。1967~2020累计降水量呈现小幅度上升趋势，线性拟合方程为y=0.300 5x-482.24 （R²=0.022 8），线性变化倾向率3.01 mm/10a。由线性变化趋势分析，在过去64 a里，年累计降水量上升19.26 mm，上升趋势不明显。结合5 a滑动曲线分析可知，1967~2020年累计降水量变化可以分为3个阶段，1967~1983年累计降水量总体高于平均水平且波动较大，1979年累计降水量达到了64 a的峰值，为210.50 mm，该阶段平均年累计降水量120.37 mm，整体呈现上升趋势；1984~2009年累计降水量则整体低于平均水平，相对前一阶段较为稳定，该阶段平均年累计降水107.94 mm，1984年为极端干旱年份，年累计降水量仅54.00 mm，且该阶段中出现了2次降水量下降时期；第3阶段为2010~2020年，平均年累计降水量132.50 mm，整体高于平均水平，其中2010~2015年间出现小幅度下降，2015~2020年则转变为上升趋势。

2.1.3 日照时数变化

由图3可知，1967~2020年累计日照时数为3 003~3 292 h，平均年累计日照时数为3 116 h，近64年累计日照时数总体呈现上升趋势，线性拟合方程为y=0.202 1x+2 713.2 （R²=0.001 9），线性变化倾向率为2.02 h/10a。由线性拟合方程分析，64 a中累计日照时数增加了12.93 h，整体上升趋势不明显。结合5 a滑动平均曲线分析，1967~1982年累计日照时数呈现上升趋势，其中1974~1977年出现了日照时数的下降，且1976出现了该阶段中累计日照时数的最低值，为3 015 h；1978~1987年累计日照时数呈现出较大幅度的下降，由1978年的3 270 h下降到1987年的3 007 h，平均累计日照时数为3 113 h，总体高于平均值，累计日照时数最高值出现在1980年，为3 292 h；1 988~2 020年累计日照时数总体呈现小幅度上升趋势，平均日照时数为3 116 h，2020年日照时数为3 003 h，是64 a中的日照时数最低值。该地区年累计日照时数在这64 a中呈现出增加的趋势，太阳总辐射对玉米气象产量的影响为正相关效应^［33］。

2.2 玉米产量变化特征分析

根据公式（2）~（4）计算可得玉米趋势产量、气象产量以及相对气象产量。由表1和图4可知，1995~2020年玉米的实际单产波动较大，波动范围为7 432~9 808 kg/hm²，平均玉米单产为8 793 kg/hm²，产量最高年份为2012年，因为2001年夏季出现了大面积旱灾，2001年玉米产量为26 a年最低值，26 a内玉米单产总体呈现明显的上升趋势，玉米实际产量的线性拟合方程为y=20.447x-3231 5（R²=0.068 9），线性变化倾向率为204.47 h/10 a。26 a里趋势产量从8 200 kg /hm²上升到9 318 kg /hm²，农药、化肥、田间管理、育种等科技进步特别是生物科技进步会给农业生产带来相当大的影响，也是当前农产品产量增加的主要动力^［33］。而气象产量并未呈现出上升或是下降的趋势，反而表现出较大的波动，最低气象产量为-116 6 kg/hm²，而最高气象产量达到了101 5 kg/hm²，气象因素对黑河中游绿洲玉米的气象产量产生了相当大的影响。

由图4可知，1995~2020年玉米的相对气象产量与气象产量变化一致，相对气象产量大于10%的年份为气候丰年，反之小于-10%的年份为气候歉年。分析得出，气象产量的丰歉与气象条件密切相关，相对来说，低温、多雨、日照时间长的年份均为气象丰年，高温、少雨、日照时间短的年份均为气象歉年，26 a中，气候丰年有1 a，气候歉年有2 a，其他均为正常的年份。

由图4可知，1995~2020年玉米的相对气象产量与气象产量变化一致，相对气象产量大于10%的年份为气候丰年，反之小于-10%的年份为气候欠年。分析得出，气象产量的丰欠与气象条件密切相关，相对来说，低温、多雨、日照时间长的年份均为气象丰年，高温、少雨、日照时间短的年份均为气象欠年，26 a中，气候丰年有1 a，气候欠年有2 a，其他均为正常年份。

2.3 气候变化与玉米气象产量的相关性分析

使用SPSS 23.0软件进行相关性分析，以期建立玉米气象产量和各气象因子的多元线性回归模型。将平均气温、累计降水量以及累计日照时数作为自变量，玉米气象产量作为因变量进行分析，得到的线性回归模型为s_i =-524.644m_1i +6.938m_2i +1.98m_3i -2 293.449，由回归模型可知，黑河中游绿洲地区玉米的气象产量与降水量、日照时数均呈现正相关关系，而与气温呈现负相关关系，由表2可知，气温、降水量和日照时数对玉米气象产量影响的显著性P值分别为0.024、0.104和0.058，各气象因子对于玉米产量影响的程度由大到小依次为平均气温，累计日照时数，累计降水量，且累计降水量和累计日照时数的影响为不显著，平均气温的影响为显著，总结为以下几个方面的原因：研究显示，玉米作物为短日照作物，日照时数平均每天达到12 h时就能够提早成熟^［34］，该地区日照充足，对玉米产量不构成显著的影响；由于该地区处于西北干旱地区，为满足玉米生长的水分需求，必须采取人工灌溉方式，导致降水量对于玉米产量影响的显著性不高^［35］。

2.4 未来10 a玉米气象产量趋势分析

根据气温、降水量及日照时数变化趋势，结合多元回归分析模型，预测未来10 a玉米气象产量（图5）。结果表明，预测到2030年玉米气象产量为-47.85 kg /hm²，且呈现出下降趋势，黑河中游气温升高以及日照时长增加的趋势会使蒸发速率增加，易形成干旱^［36］，预测未来气象条件将会制约黑河中游玉米产量的提高。

3 讨论

黑河中游绿洲作为河西绿洲的一部分，是重要的商品粮生产基地，保证其粮食生产安全尤为重要，如何在气候变化造成气象产量波动的情况下使玉米产量得到稳步提高，是该地区农业生产中亟需讨论解决的问题。

灌溉农业是我国西北干旱地区最典型的农业生产方式，因其降水量一直保持在较低的水平，自然降水难以为农作物提供足量的生长所需水分，农业生产是依赖人工灌溉而得到发展的^［37］，依据张掖市统计局2020年统计年鉴，临泽县有效灌溉面积已经达到3.09万hm²，农业用水超过总用水量的85%。尽管近64 a来黑河中游降水量呈现微小的上升趋势，但是相对于该地区的高蒸散发量来说显得微不足道，如何提高黑河中游作物用水效率已经成为近些年该地区农业生产研究的重点^［38-39］。采用效率更高的灌溉方式是提高作物用水效率最有效的方法，在相同用水量的情况下，相对于传统沟灌，采用喷灌方式的玉米干物质积累量是传统沟灌的1.08倍，而采用滴灌方式的玉米干物质积累量则是沟灌的1.17倍^［40］，因此在农业生产中采用滴灌或喷灌的方式会更有利于玉米产量的增加。要做到以较少的水资源消耗生产更多粮食，不仅仅需要进行灌溉方式的改进，还需要结合灌区实际情况，合理修建农田水利工程，增加政府补助资金，及时进行老旧设备维护，只有多措并举，才能真正实现节水增产。

趋势产量的提高是保证黑河中游绿洲玉米产量稳步提高的关键。社会经济水平的发展是提高趋势产量最重要的动力，提高当地农业从业人员的相关知识水平，对农民开展种植方面的专业指导，以及政府推出相关利好政策等都会对提高玉米趋势产量产生积极的影响。科技水平的进步也是农业生产力提升的重要支撑，相关研究表明，河西绿洲灌区灌漠土长期施用秸秆或秸秆氮磷肥配施，土壤培肥效果均显著优于单施化肥^［41］，因此，合理秸秆还田可以提升绿洲灌区土壤有机质、全氮、全磷含量，持续增加土壤肥力，有利于玉米产量增加。黑河中游绿洲日照辐射强，且昼夜温差大，可利用此优点研究、引进光热需求大、抗逆抗旱的农作物品种，同时加强田间管理技术研究，采用合理密植、覆膜等栽培技术，规避冷害及干旱等极端天气带来的风险，可缓解气候变化对黑河中游绿洲玉米生产的负面影响^［42］。

4 结论

1967~2020年黑河中游绿洲平均气温、累计降水量、累计日照时数的年际变化均呈现上升趋势，变化倾向率分别为0.38 ℃/10 a、3.01 mm/10 a、2.02 h/10 a；平均气温变化显著，而累计降水量和累计日照时长的年际变化幅度非常小，且呈现较大程度的波动，气候变化表现为暖湿化趋势。过去64 a中玉米实际单产和趋势产量呈现出上升趋势，社会经济的发展对农业生产的影响非常大，是农业发展的主要推动力。而由于气候变化造成的影响，玉米的气象产量则呈现出不规则且幅度较大的波动，相对气象产量的变化趋势与气象产量基本保持一致。黑河中游绿洲玉米气象产量与降水量、日照时长两个气象因子呈现正相关关系，而和气温之间呈现负相关关系，偏回归系数分别为0.295，0.354和-0.405。

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基金资助

国家自然科学基金项目(41561102)

国家自然科学基金项目(41867074)

甘肃省水利厅水资源费预算项目(甘水建管发〔2019〕255 号)