第29卷第2期2022年4月
水土保持研究
R e s e a r c ho f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n
V o l .29,N o .2
A p
r .,2022
收稿日期:2021-04-08 修回日期:2021-04-17
资助项目：国家重点研发计划子课题 全球典型区域农作物高时空动态监测应用示范 (2016Y F B 0501505
) 第一作者：王蔚丹(1985 )，女，河南开封人，博士，主要从事农业干旱研究㊂E -m a i l :w a n g w d 52@m a i l .b n u .e d u .c n 通信作者：孙丽(1978 )，女，辽宁辽阳人，博士，高级工程师，主要从事农情监测研究㊂E -m a i l :s u n l i 0618@163.c o m
王蔚丹1,
2，孙丽1,2，裴志远1,2，陈媛媛1,2，孙娟英1,2，董沫1,2
(1.农业农村部耕地利用遥感重点实验室，北京100121;2.农业农村部规划设计研究院，北京100121
)摘 要：为了明确气候变化对辽宁省春玉米产量的影响，基于1968 2017年气象站点数据，结合标准化降水蒸散指数(S t a n d a r d i z e dP r e c i p i t a t i o nE v a p o t r a n s p
i r a t i o n I n d e x ,S P E I )，运用M -K 趋势分析㊁相关分析及回归分析等数理统计方法研究了辽宁省春玉米生长季各气候要素㊁干湿变化特征及其与春玉米产量的关系㊂结果表明：降水量除丹东呈增加趋势外，其它地区呈现减少趋势；大部分地区温度呈现升高趋势，风速呈显著减弱趋势，相对湿度变化趋势不显著；日照时数除辽阳㊁本溪呈不显著增加外，其他地区呈减少趋势㊂降水㊁最高温和平均温是影响辽宁省春玉米产量的重要因子，尤其是朝阳㊁葫芦岛㊁锦州㊁阜新和大连地区，春玉米对这些要素更敏感，与降水量正相关，与最高温㊁平均温负相关，未来降水量减少㊁温度升高将不利于这些地区春玉米生长㊂随着位置东移降水量逐渐以负效应为主，温度逐渐表现为正效应㊂除阜新㊁抚顺㊁本溪等部分地区呈现干旱化外，其他地区表现为不显著的湿润化趋势㊂朝阳㊁葫芦岛㊁阜新等地区春玉米产量对6月㊁7月的干湿变化较敏感，易受旱减产；干旱化将使阜新春玉米生产形势变得严峻，朝阳㊁锦州㊁大连地区湿润化对春玉米生长有利；沈阳㊁鞍山㊁辽阳和营口地区5 9月的干湿状况均对春玉米产量有影响，
抚顺㊁本溪㊁铁岭等地区则易受6 8月的干湿状况影响，这些地区当前较适宜春玉米生长；丹东地区易受涝减产,
且湿润化趋势将会对该地区玉米生产造成不利影响㊂辽宁省不同气候要素及干湿变化对不同地区春玉米产量的影响效应有正有负，程度也各不相同，各地应因地制宜采取合理措施促进玉米丰产㊂关键词：气候变化;S P E I
；产量；春玉米；辽宁省中图分类号:P 467;S 513;S 162.5+3 文献标识码:A 文章编号:1005-3409(2022)02-0281-06C l i m a t eC h a n g eD u r i n g G r o w i n g S e a s o na n d I t sE f f e c t s o n S p r i n g M a i z eY i e l d i nL i a o n i n g P
r o v i n c e WA N G W e i d a n 1,
2,S U N L i 1,
2,P E I Z h i y u a n 1,
2,C H E N Y u a n y u a n 1,
2,S U NJ u a n y i n g 1,
2,
D O N G M o 1,
2
(1.K e y L a b o r a t o r y o f C u l t i v a t e dL a n dU s e ,M i n i s t r y o f A g r i c u l t u r e a n dR u r a lA f f a i r s ,B e i j i n g 1
00121,C h i n a ;2.A c a d e m y o f A g r i c u l t u r a lP l a n n i n g &E n g i n e e r i n g ,M i n i s t r y o f A g r i c u l t u r e a n dR u r a lA f f a i r s ,B e i j i n g 1
00121,C h i n a )A b s t r a c t :I n o r d e r t o c l a r i f y t h e i m p a c t o f c l i m a t e c h a n g e o n s p r i n g m a i z e y i e l d i nL i a o n i n g P
r o v i n c e ,b a s e d o n t h em e t e o r o l o g i c a l d a t a o f 30s t a t i o n s f r o m1968t o 2017,a n d t h e S t a n d a r d i z e dP r e c i p i t a t i o nE v a p o t r a n s p i r a -t i o n I n d e x ,M -Kt r e n d a n a l y s i s ,c o r r e l a t i o n a n a l y s i s a n d r e g r e s s i o n a n a l y s i sw e r e u s e d t o a n a l y
z e t h e c h a r a c -t e r i s t i c s o f c l i m a t i c f a c t o r s ,d r y /w e t c h a n g e sd u r i n gg r o w i n g s e a s o na n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h o s e a n d s p r i n g m a i z e y i e l d .T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e p r e c i p i t a t i o n p r e s e n t e d a d e c r e a s i n g t r e n d e x c e p t D a n d o n g
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K e y w o r d s:c l i m a t e c h a n g e;s t a n d a r d i z e d p r e c i p i t a t i o ne v a p o t r a n s p i r a t i o n i n d e x;s p r i n g m a i z e y i e l d;L i a o n i n g P r o v i n c e
政府间气候变化专门委员会第四次评估报告(I P C CA R4)指出，受全球变化影响，干旱㊁强降水等极端气候事件的发生范围和频率有增加风险[1]㊂农业是对气候变化反应最敏感的部门[2]，气候变化对粮食安全的影响越发显著[3]㊂研究气候变化背景下不同气候要素对农作物生产的影响，以及区域干湿变化与农作物产量之间的关系，对减少粮食危机十分重要㊂目前针对气候变化对产量影响的研究有很多，刘昌等[4]探究了气候变化对山东省冬小麦㊁夏玉米单产的影响，结果表明不同气候要素对作物的影响效应及影响程度可能有所不同㊂陈等[5]分析东北三省春玉米生长季的气候因子(温度和降水量)与春玉米生育进程数据和历史产量数据之间的关系，结果表明平均温㊁最高温和最低温的变化均会影响春玉米的产量㊂车晓翠等[2]以吉林省为研究对象，选取年均降水量㊁年均气温㊁年均日照时数为气候指标，建立气候因素与玉米产量的关系模型㊂陈霞燕等[6]发现降水量是影响吉林省西部生产潜力的主要因子，气温对东部地区更为关键㊂戚颖等[7]研究黑龙江省玉米生长季内降水㊁气温以及区域干湿变化对玉米产量的影响，发现气温对黑龙江省玉米产量的影响大于降水㊂曹永强等[8]认为辽宁省春玉米气象产量与生长季内平均温㊁日照时数呈负相关，与降水量呈正相关㊂已有研究多集中在省级行政单元上，而各气候要素具有地域性差异，农作物对气候变化的响应也可能存在地域特征㊂同时伴随着气候变化，极端天气气候事件频发[4]，气象干湿状况(旱涝)对农作物产量的影响不容忽视㊂标准化降水蒸散指数(S t a n d a r d i z e dP r
e c i p i t a-t i o nE v a p o t r a n s p i r a t i o n I n d e x,S P E I)考虑水分平衡，具有较强的数学统计机理，且易于实现，被广泛应用于描述多时间尺度的干湿状况[9-11]㊂
辽宁省是我国重要的粮食生产基地，春玉米是该地区广泛种植的粮食作物之一，气候条件的变化导致年际间产量波动明显[12]㊂已有的气候变化对农作物产量影响的研究多为省级尺度，而该地区水分㊁热量等气候条件存在明显空间差异[13-14]，基于地市级尺度的干湿条件与春玉米产量之间的关系尚不明确[15-16]㊂本研究通过分析降水㊁气温㊁日照时数等气候因素变化情况，结合标准化降水蒸散指数(S P E I)，基于M-K趋势分析㊁相关分析及回归分析等数理统计方法，探究辽宁省地市级尺度春玉米生长季的气候要素㊁干湿状况变化规律及其与历史产量数据之间的关系，以期为该地区春玉米安全生产管理和农田基础设施建设提供科学依据㊂
1研究区概况
以辽宁省为研究区(图1)，该地区位于东北地区南部,38ʎ43' 43ʎ26'N和118ʎ53' 125ʎ46'E，夏季温和湿润，冬季严寒漫长，属于温带大陆性季风气候㊂辽宁省是东北地区降水量最多的省份，年降水量为600~1100mm，年日照时数2100~2600h，年平均温为7~11ħ，最高温达零上30ħ，极端高温可达40ħ以上，最低温零下30ħ㊂受地理位置和季风气候影响，各地水热差异较大㊂
2数据来源及研究方法
2.1数据来源及处理
气象数据来自 中国地面气候资料日值数据集(V3.0) (h t t p s:ʊd a t a.c m a.c n/d a t a)，该数据集已经过严格的质量控制㊂具体包括1968 2017年降水量㊁最高温㊁最低温㊁平均风速㊁日照时数㊁相对湿度等日值数据，选取具有较完整时间序列的台站30个(图1)㊂春玉米单产数据来源于辽宁省统计局，时间为1993 2017年㊂其中盘锦春玉米占比少，不参与分析㊂
2.2研究方法
2.2.1标准化降水蒸散指数本文利用F A O推荐的P e n m a n-M o n t e i t h蒸散模型计算潜在蒸散(E T0)，得到逐
282水土保持研究第29卷
月降水量与潜在蒸散量的差值，对累计概率密度进行正态标准化求得S P E I，具体计算方法参见文献[17]㊂指数值越小表示越干旱，反之越湿润㊂本文计算研究区4 9月1~6个月时间尺度的S P E I，得到的指数分别记为S P E I n M,n表示时间尺度,M表示月份㊂如S P E I6 9表示9月份6个月时间尺度的S P E I值㊂
图1辽宁省气象站点分布
2.2.2相对气象产量作物统计产量一般包括趋势产量㊁气候波动产量和随机产量，气候波动产量是气候波动的贡献[18]㊂为了研究气候波动与作物产量之间的关系一般将随机 噪声 略去，对趋势产量进行分离[12,19]㊂本文利用相对气象产量来表示气候波动对春玉米产量的影响㊂
Y i=Y i q+Y i r(1)
Y i t=Y i q/Y i r(2)式中:Y i为统计产量(k g/h m2);Y i q为气象产量(k g/ h m2);Y i r为趋势产量(k g/h m2)，由实际产量序列拟合方程得出;Y i t为相对气象产量㊂本文采用H P滤波方法模拟春玉米趋势产量，具体计算方法参照文献[20]㊂2.2.3 M a n n-K e n d a l l趋势分析M a n n-K e n d a l l法是世界气象组织推荐并广泛使用的趋势分析方法，属于非参数统计检验方法，不需要样本服从一定的分布，也不受少数异常值的干扰㊂M-K趋势检验的具体计算过程见文献[7]㊂
3结果与分析
3.1生长季气候要素㊁S P E I变化趋势分析
3.1.1生长季气候要素变化趋势分析利用M-K 趋势分析方法计算辽宁省生长季降水量㊁最高温㊁最低温㊁平均温以及日照时数等的变化趋势，得到对应统计量Z，当Z>0时，气候要素呈现上升趋势,Z<0时呈现下降趋势，当|Z|>1.96，达到95%的置信度水平㊂辽宁省降水量和气温等变化趋势如图2所示㊂结果显示，
各地区降水量变化趋势均不显著，除丹东呈增加趋势外，大部分地区降水量呈现减少趋势㊂各地区的平均温均呈现显著升高趋势；最高温呈现升高趋势，朝阳㊁阜新㊁锦州㊁营口等地区升高趋势不显著；最低温除阜新㊁沈阳变化不显著外，其他地区呈现显著升高趋势㊂日照时数除辽阳㊁本溪呈不显著增加外，其他地区呈减少趋势，其中朝阳㊁阜新㊁沈阳㊁鞍山㊁营口和丹东地区显著减少㊂除鞍山㊁辽阳呈显著减小外，其他地区相对湿度变化不显著㊂风速除阜新㊁丹东变化不显著外，其他地区呈显著减弱趋势㊂
图2辽宁省各地市气候要素M-K趋势分析统计量3.1.2S P E I变化趋势分析干湿状况是影响区域农业发展的重要因素㊂为研究辽宁省春玉米生长季的干湿变化特征，选取9月份6个月时间尺度的S P E I (S P E I6 9)表征该区域的干湿变化㊂利用M-K趋势分析计算各个站点的Z值，再基于反距离权重法进行空间插值，得到辽宁省干湿变化趋势空间分布(图3)㊂可以看出，大部分地区S P E I表现为上升趋势，即湿润化，阜新㊁抚顺㊁本溪等部分地区呈现干旱化趋势，但均不显著㊂3.2气候要素㊁S P E I与春玉米相对产量关系分析3.2.1气候要素与春玉米相对产量关系分析为研究主要气象因子在不同地区对气象产量的影响情况，对降水㊁气温㊁日照时数等与春玉米相对气象产量进行相关分析，以确定各地区影响春玉米产量更显著的因素，其关系见表1㊂
从降水情况看，朝阳㊁葫芦岛㊁锦州㊁阜新㊁大连等地区春玉米气象产量与降水量呈正相关，表明这些地区降水对产量产生的正效应多于负效应，降水量减少对春玉米增产不利㊂沈阳㊁鞍山㊁抚顺㊁本溪㊁
丹东等地区春玉
382
第2期王蔚丹等：辽宁省生长季气候变化及其对春玉米产量的影响
米相对气象产量与降水呈负相关但不显著，表明这些地区降水满足玉米生长需要，不是影响产量的制约性因子㊂辽阳春玉米相对气象产量与降水呈显著负相关，表明降水对该地玉米产量的影响以负效应为主㊂
图3春玉米生长季S P E I指数M-K趋势空间分布
从气温情况看，最高温㊁平均温与春玉米气象产量呈负相关关系，夏季温度过高不利于玉米的开花授粉及水分积累[8]㊂朝阳㊁葫芦岛㊁锦州㊁阜新㊁大连与最高温㊁平均温呈显著负相关关系，表明这些地区对最高温㊁平均温比较敏感，最高温和平均温的升高可能不利于这些地区春玉米的生长㊂营口表现出类似的特征㊂抚顺㊁本溪平均温与玉米相对气象产量呈正相关关系，随着气温升高产量可能提高㊂辽阳和丹东地区春玉米相对气象产量与平均温的相关系数接近0，表明这些地区平均温不是限制玉米生长的因子㊂最低温与各地区相对气象产量的关系均不显著，表明最低温对辽宁省玉米产量影响有限㊂
chexiao从日照时数情况看，整体上玉米产量与日照时数负相关，尤其是阜新㊁大连地区达到99%的置信水平，
这些地区日照时数呈现减小趋势，有利于玉米正常生长㊂丹东地区玉米产量与日照时数以正效应为主，日照时数减小可能导致玉米减产㊂鞍山㊁辽阳㊁本溪㊁抚顺一线日照时数与相对气象产量相关性低，说明这些地区日照适宜玉米生长㊂
表1气候要素与春玉米相对气象产量的关系
生长季朝阳葫芦岛锦州阜新大连沈阳鞍山辽阳营口铁岭抚顺本溪丹东降水量0.54**0.36*0.240.55**0.26-0.26-0.33-0.51**0.05-0.03-0.22-0.32-0.29最高温-0.49**-0.38*-0.47*-0.64**-0.40*-0.18-0.110.15-0.31-0.240.150.050.08最低温0.070.260.13-0.05-0.31-0.11-0.36-0.17-0.01-0.30-0.010.00-0.18平均温-0.45*-0.40*-0.46*-0.47*-0.47*-0.25-0.210.06-0.43*-0.270.360.26-0.03日照时数-0.31-0.26-0.24-0.65**-0.51**-0.15-0.10-0.07-0.34-0.250.09-0.010.30
注:*表示95%的置信度水平,**表示99%的置信度水平，下同㊂3.2.2 S P E I与春玉米相对气象产量关系分析由于气象干湿状况对作物的生长发育及产量的影响不一定表现为线性关系，因此，用二次回归方程Y i t= a x2+b x+c对相对气象产量Y i t与多时间尺度S P E I 进行拟合㊂拟合方程的决定系数越大，表明拟合效果越好，即产量对干湿变化的敏感性越强㊂选取9个有代表性的地级市，拟合方程的决定系数见图4㊂在朝阳㊁葫芦岛等西部地区，春玉米气象产量与S P E I1 8决定系数普遍偏小，与S P E I1 7决定系数比较大，表明其对8月份干湿状况不敏感,6 7月的干湿状况对春玉米产量影响最大，尤其是7月份㊂位于南
部的大连也表现出相似特征㊂在沈阳㊁鞍山㊁营口等中部地区，相对气象产量与S P E I1 8二次曲线拟合显著，决定系数随月份及时间尺度的增加整体上表现出增大趋势㊂抚顺㊁铁岭等地区相对气象产量与S P E I3 8拟合方程的决定系数最大㊂丹东地区相对气象产量与S P E I1 8拟合系数最大，表明该地区玉米产量对8月份干湿状况敏感㊂
为进一步探究产量与S P E I之间的关系，根据得到的不同地区相对气象产量和与其关系比较密切的S P E I，将二者回归方程列出(表2)㊂S P E I与相对气象产量的回归方程均显著,a<0，呈开口向下的抛物线，其与x轴的两个交点为旱㊁涝阈值，当S P E I位于交点之间时增产，顶点对应的横坐标值为最优水分状况，纵坐标值为最高相对气象产量㊂朝阳㊁阜新㊁大连等地区回归方程对称轴S P E I大于1.0，说明这些地区的春玉米易受旱减产㊂沈阳㊁鞍山㊁辽阳㊁营口㊁铁岭㊁抚顺㊁本溪等地区回归方程对称轴S P E I在-0.5~0.5之间，表明这些地区干湿状况较适宜春玉米生长，正常年份即可高产增收，但偏旱㊁偏涝都可能造成玉米减产㊂丹东地区回归方程对称轴S P E I值为负值，表明过湿影响了春玉米生长，易受涝减产，宜加强农田基础设施建设并采取合理的田间管理措施以保证春玉米正常生产㊂阜新地区主要受旱减产，由于同时表现出干旱化趋势，未来可能面临更严峻的形势，而西部其他地区的湿润化趋势对玉米增产有利㊂丹东湿润化趋势对玉米生产不利㊂
482水土保持研究第29卷
图4 多时间尺度S P E I 与相对气象产量拟合方程的决定系数
表2 辽宁省S P E I 与春玉米相对气象产量回归分析
S P E I 地区回归方程
显著性
R 2
涝阈值旱阈值最优水分状况最高相对气象产量
朝阳
-0.11x 2+0.28x +0.04
**0.48
2.63
-0.14
1.24
0.22
葫芦岛-0.12x 2
+0.24x +0.09
**0.472.26-0.330.970.20S P E I 2 7
锦州-0.07x 2
+0.14x +0.05
**0.482.35-0.301.030.12阜新-0.05x 2
+0.17x +0.05
**0.503.52-0.261.630.18大连-0.02x 2
+0.12x +0.03
**0.355.27-0.222.520.18S P E I 5 9
沈阳-0.09x 2
+0.01x +0.09
**0.371.05-0.930.060.09鞍山-0.13x 2
-0.03x +0.11
**0.460.81-1.08-0.140.12辽阳-0.16x 2
-0.05x +0.16
**0.670.84-1.18-0.170.16营口-0.09x 2
+0.06x +0.08
**0.421.34-0.680.330.09S P E I 3 8铁岭-0.10x 2
+0.05x +0.10
**0.391.21-0.760.230.10抚顺-0.13x 2
+0.03x +0.12
**0.561.10-0.860.120.12本溪-0.06x 2
+0.01x +0.06
**0.421.03-0.850.090.06S P E I 1 8
丹东
-0.04x 2
-0.08x +0.03
**
0.32
0.31
-2.56
-
1.12
0.08
4 讨论与结论
(1
)各地区降水量变化趋势均不显著，降水的年际间变异差异较大㊂除丹东呈增加趋势外，其他地区降水量呈现减少趋势㊂大部分地区的平均温㊁最高温㊁最低温均呈现显著升高趋势㊂日照时数除辽阳㊁
本溪呈不显著增加外，其他地区呈减少趋势㊂大部分地区相对湿度变化不显著，风速呈显著减弱趋势㊂(2
)大部分地区表现出湿润化趋势，阜新㊁抚顺㊁本溪等部分地区呈现干旱化趋势，但均不显著㊂
(3
)降水㊁最高温㊁平均温是影响辽宁省春玉米产量的重要因子，日照时数次之，与最低温关系不显著㊂
5
82第2期 王蔚丹等：辽宁省生长季气候变化及其对春玉米产量的影响
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