大连1951—2020年玉米生长季旱涝分析
时间：2023-01-18 16:05:12 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张 萌，林文忠
(1.大连市甘井子区农业发展服务中心，辽宁大连 116039；
2.大连市普兰店区农业发展服务中心，辽宁大连 116200)
近年来气候异常变化，极端气象灾害频发，严重影响粮食生产安全[1-3]。由于降水极端事件增多，旱涝灾害对农业生产构成威胁[4-6]。所以，研究降水变化规律，掌握旱涝成因，提高风险防控意识，对防灾减灾确保粮食生产安全具有重要意义。近半个世纪以来受气候变化的影响，除新疆、西藏等极少数地区降水量呈增加趋势[7-8]，我国绝大多数区域降水呈减少趋势，致使干旱频率和强度增加，干旱面积显著扩大[9-11]。据王春乙等[12-13]的研究，我国农业气象灾害面积平均每年高达40%，而干旱面积在2 200万km2以上。我国北方地区半干旱区域在扩大，并在不同尺度上干旱频率、干旱严重程度更为明显[14-16]。张淑杰等[17-18]研究了东北地区干旱现状，认为干旱频率明显增加。李鹏程等[19]研究京津地区降水量变化发现，非汛期降水变化平稳，而汛期降水量明显减少；
张丽艳等[20]研究认为从20世纪80年代以来京津冀地区干旱频率增加、范围在扩大。赵海燕等[21]研究表明农业干旱具有明显的南轻北重特征，而且北方农业干旱更加频繁。就大连地区来说，降水量和降水日数明显减少[22-23]，严重影响农作物生长及粮食生产安全。因此，笔者以主要粮食作物玉米为例，选用旱涝指数方法[24]作为气象旱涝指标，分析大连地区1951—2020年玉米生长季旱涝特征变化，以期为该地区干旱灾害防御、减轻重大干旱对农业的影响提供参考。
1.1 研究区概况大连位于辽宁省辽东半岛最南端，西北、东南面向黄渤海之滨，背依我国东北腹地。地理位置在38°43′～40°10′N、120°58′～123°31′E。全市耕地面积占土地总面积的22.8%。碧流河是境内最大的流域。大连属暖温带亚湿润季风气候，四季分明，冬无严寒，夏无酷暑。年平均日照时数在2 710 h左右，年平均气温10.5 ℃左右，无霜期175～201 d，年降水量在540～950 mm。
1.2 数据来源采用1951—2020年大连气象监测站平均气温和降水量日值资料，分别统计玉米生长季(4月15日—9月30日)及玉米各个发育期不同时间尺度的平均气温、≥10 ℃积温、降水等相关量。
1.3 研究方法
1.3.1趋势分析。采用一元线性方程的一次项系数(a)表征气象要素的变化趋势，也称之为气候倾向率[25]，见公式(1)。
y=ax+b
(1)
式中，y为气象要素，x为时间序列号(x=1951，1952，…，2020年)，b为常数项，a为斜率(也称倾向率)，一般用10a来表示。a<0表示y随时间x呈下降趋势；
a>0表示y随时间x呈上升趋势。
1.3.2显著性检验。气候要素趋势变化显著性检验采用序列相关系数法[25]，根据相关系数检验表确定显著性，见公式(2)。
(2)
式中，r为相关系数；
xi为时间序列号(x=1951，1952，…，2020年)；
yi为气象要素；
n为样本数n=70。
1.3.3旱涝分析。采用亓来福[24]研究的旱涝指数来分析大连玉米生长期旱涝特征。旱涝指数等于同期降水量(R)与玉米需水量(Q)之比，见公式(3)、(4)。
K=R/Q
(3)
Q=0.16∑ti
(4)
式中，K为旱涝指数；
∑ti为同期≥10 ℃积温。依据干旱指数将K值分为7个旱涝判别等级，见表1。
2.1 玉米生长季及各发育期降水变化特征
2.1.1玉米生长季降水量。近70年大连地区玉米生长季(4月15日—9月30日)降水量平均值为541.2 mm，占年降水量的90.5%，最多降水量为843.6 mm(1951年)，最少降水量为202.5 mm(1999年)，降水极差为641.1 mm。标准偏差为±172.2 mm，异常偏多(>713.4 mm)有11 年，频率为15.7%，异常偏少(<369.0 mm)有13年，频率为18.6%。图1显示，近70年大连地区玉米生长季降水量呈减少趋势，序列相关系数为-0.134(P>0.05)，气候倾向率为-10.60 mm/10 a，降水量线性减少74.2 mm。从各个年代平均降水量(表2)可以看出，20世纪80、90年代降水量较少，分别为479.6、495.8 mm，20世纪60、70年代降水量较多，分别为574.7、576.7 mm。
2.1.2玉米各个发育期降水特征。播种—苗期(4月15日—5月31日)降水量累年平均值为75.7 mm，占玉米生长季的14.0%。最多降水量为216.7 mm(2009年)，最少降水量为18.7 mm(1981年)，标准偏差为±43.7 mm；
降水正常值在32.0～119.4 mm，异常偏少(<32.0 mm)有10年，频率为14.3%；
异常偏多(>119.4 mm)有9年，频率为12.9%。近70年大连地区降水量呈弱增加趋势，序列相关系数0.177(P>0.05)，气候倾向率为3.88 mm/10 a，即近70年播种—苗期降水量线性增加27.2 mm。各个年代平均降水量见表2，其中2001—2010、2011—2020年降水量较多，分别为102.2、97.9 mm，20世纪80、90年代降水量较少，分别为58.1、64.6 mm。
拔节—吐丝期(6月1日—8月15日)降水量累年平均值为372.5 mm，占农作物生长季的68.8%。最多降水量为676.8 mm(2011年)，最少降水量为132.1 mm(1999年)；
标准偏差为±132.0 mm；
降水正常值在240.5～504.5 mm，异常偏少(<240.5 mm)有13年，频率为18.6%；
异常偏多(>504.5 mm)有12年，频率为17.1%。近70年大连地区降水量呈减少趋势，气候倾向率为-8.67 mm/10 a，序列相关系数-0.133(P>0.05)，拔节—吐丝期降水量线性减少60.7 mm。各个年代平均降水量见表2，其中20世纪60、70年代降水量较多，分别为412.6、396.5 mm，20世纪90年代和2001—2010年降水量较少，分别为337.2、320.9 mm。
吐丝—成熟期(8月16日—9月30日)降水量累年平均值为93.0 mm，占农作物生长季的17.2%。最多降水量为328.7 mm(1992年)，最少降水量为6.7 mm(1982年)，标准偏差为±58.4 mm；
降水正常值在34.6～154.4 mm，异常偏少(<34.6 mm)有8年，频率为11.4%；
异常偏多(>154.4 mm)有7年，频率为10.0%。近70年大连地区降水量呈减少趋势，气候倾向率为-3.47 mm/10 a，序列相关系数-0.133(P>0.05)，吐丝—成熟期降水量线性减少24.3 mm。各个年代平均降水量见表2，其中20世纪50年代降水量最多(114.3 mm)，20世纪80年代降水量最少(75.7 mm)。
2.2 玉米生长季水平衡及旱涝分析
2.2.1玉米生长季。水平衡(R-Q)等于同时期降水量(R)与需水量(Q)之差。玉米生长季水平衡为-38.9 mm，降水略显不足，占生长季需水量的6.7%。1951—2020年，有34年降水盈余，频率为48.6%，有36年降水亏缺，频率为51.4%。水平衡<-100 mm有23年，频率为32.9%；
水平衡<-200 mm有14年，频率为20.0%；
水平衡<-300 mm有2年，频率为2.9%；
1999年缺水最多，高达-426.1 mm。水平衡>100 mm有21年，频率为30.0%，水平衡>200 mm有8年，频率为11.4%，1951年降水最多，盈余311.0 mm。由表2可知，20世纪50年代降水略显不足，60、70年代降水盈余明显，进入80、90年代和2001—2010年降水亏缺突出，2011—2020年降水略有回升。由图2可知，近70年大连地区玉米生长季水平衡呈下降趋势，气候倾向率为-10.14 mm/10 a，序列相关系数为-0.120(P>0.05)，未达到显著水平。
图2 1951—2020年大连地区玉米生长季水平衡变化趋势
经旱涝指数(K值)分析(表2)，近70年大连地区玉米生长季旱涝程度总体表现为正常类型(K=0.93)；
其中，20世纪50、60、70年代、2011—2020年为正常类型，20世纪80、90年代、2001—2010年为轻旱类型。从图3可以看出，近70年大连地区玉米生长季旱涝指数呈下降趋势，序列相关系数-0.188，气候倾向率为-0.027/10 a，说明玉米生长期气候湿润度朝着干燥方面发展。表3显示，玉米生长期中涝、重涝出现频率为14.3%，中旱、重旱出现频率则为22.9%，重旱出现频率为4.3%，约20年1遇。1951—1980年K值平均为1.04，湿润度表现为正常；
1981—2020年K值平均为0.89，湿润度下降为轻旱类型。
图3 1951—2020年大连地区玉米生长季旱涝指数(K值)变化趋势
2.2.2玉米各发育期。播种—苗期水平衡为-21.1 mm，降水不足，占播种—苗期需水量的21.8%。在1951—2020年中有23年降水盈余，频率为32.9%，有47年降水亏缺，频率为67.1%。表2显示，只有2001—2010年降水盈余(3.7 mm)，其余各个年代降水均亏缺，20世纪80、90年代水平衡分别为-41.6、-41.4 mm，降水亏缺较多。播种—苗期总体表现为轻旱类型，其中2001—2010、2011—2020年表现为正常类型，20世纪80、90年代干旱最为严重，为中旱类型。旱涝指数(K值)气候倾向率为0.022/10 a，呈上升趋势，即玉米播种—苗期湿润程度有所增加，这与春季降水量增加有直接关系。表3显示，近70年播种—苗期中涝、重涝出现频率为14.3%，轻旱、正常、湿润为38.6%，中旱、重旱出现概率为47.1%，而重旱出现频率高达25.7%，4年1遇。
拔节—吐丝期水平衡为57.6 mm，降水盈余，占拔节—吐丝期需水量的18.3%。在1951—2020年中有46年降水盈余，频率为65.7%，有24年降水亏缺，频率为34.3%。表2显示，除2001—2010年降水量与需水量相一致外，其余各个年代降水均盈余，20世纪60、70年代水平衡分别为105.6、87.3 mm，降水盈余较多。拔节—吐丝期总体表现为湿润类型，1951—1980年K值变化在1.10～1.38，表现为湿润、中涝类型，而1981—2020年K值为0.90～1.10，表现为正常。K值气候倾向率为-0.029/10 a，说明拔节—吐丝期气候向干燥方面发展。表3显示，拔节—吐丝期中旱、重旱出现概率为11.4%，约10年1遇；
中涝、重涝出现频率为35.7%，重涝出现频率22.8%，约4年1遇。
吐丝—成熟期水平衡为-57.6 mm，降水不足，占吐丝—成熟期需水量的38.2%。在1951—2020年中有12年降水盈余，频率为17.1%，有58年降水亏缺，频率为82.9%。从各个年代平均水平衡(表2)来看，20世纪50年代降水亏缺最少，为-28.9 mm，最多出现在20世纪80年代，为-73.0 mm。吐丝—成熟期旱涝指数为中旱类型，K值气候倾向率为-0.037/10 a，说明吐丝—成熟期气候向干燥方面发展。从各个年代分析结果看，除20世纪50年代表现为轻旱类型，其他各年代均表现为中旱类型。表3显示，吐丝—成熟期中涝、重涝出现频率为10.0%；
中旱、重旱出现频率则为60.0%；
重旱出现频率为38.6%，约5年2遇。
表3 大连玉米生长季各发育时段不同旱涝等级出现频率
该研究引用前人研究成果旱涝指数和旱涝等级划分标准[24]，分析了大连玉米生长季节需水量与降水量的关系，利用水平衡真实客观地反映了大连地区旱、涝变化特征和发生频率。玉米生长季旱、涝状况的分析结果与王静等[26]的研究结果一致，并与历史记载旱、涝发生状况基本吻合。玉米苗期和吐丝—成熟期干旱频率较6—8月玉米旺盛生长期严重，而玉米旺盛生长期的6—8月湿涝灾害较苗期和吐丝—成熟期突出。该研究结果可为大连地区指导玉米栽培管理提供水平衡分析以及出现干旱时间段，为抗旱、防涝的早期灾害预警等提供依据。大连干旱灾害重于涝灾，并且旱灾多出现在玉米的苗期和吐丝乳熟期，因此，大连地区在防灾减灾体系建设中，应着重防御春秋两季的旱灾以及夏季的涝灾。
(1)近70年大连玉米生长季各个时间尺度降水量历年变化趋势各不相同，播种—苗期降水量呈弱增加趋势，拔节—吐丝—成熟期降水量呈减少趋势。经线性分析，播种—苗期降水量增加27.2 mm，拔节—吐丝降水量减少60.7 mm，吐丝—成熟期降水量减少24.3 mm。玉米生长季降水量总体表现出下降趋势，减少74.2 mm。
(2)经水平衡分析，播种—苗期降水亏缺21.8%，拔节—吐丝期降水盈余18.3%，吐丝—成熟期亏缺38.2%，玉米生长期降水亏缺6.7%。
(3)大连地区旱灾、涝灾同时存在，播种—苗期中涝、重涝频率为14.3%，中旱、重旱频率为47.1%；
拔节—吐丝期中涝、重涝频率为35.7%，中旱、重旱频率为11.4%；
吐丝—成熟期中涝、重涝频率为10.0%，中旱、重旱频率为60.0%；
玉米全生长期中涝、重涝频率为14.3%，中旱、重旱频率为22.9%。
