鄒旭東，楊洪斌，汪宏宇，張云海，劉玉徹

（中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166）

1951—2013年丹東地區(qū)氣象條件的變化及其與玉米產(chǎn)量的相關分析

鄒旭東，楊洪斌，汪宏宇，張云海，劉玉徹

（中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166）

為了解氣象條件對農(nóng)作物產(chǎn)量的作用，探討氣候變化背景下農(nóng)作物產(chǎn)量受到的影響，利用1951—2013年丹東地區(qū)氣溫、0 cm地溫、降水、相對濕度、日照、蒸發(fā)資料，分析丹東地區(qū)氣象要素的變化趨勢。利用2002—2012年丹東玉米年平均每667 m2產(chǎn)量和氣象要素資料分析丹東玉米產(chǎn)量受氣象條件的相關影響。結果表明，1951—2013年丹東地區(qū)氣溫、0 cm地溫變化呈上升趨勢，降水、相對濕度、日照、蒸發(fā)的變化呈下降趨勢；相對濕度和丹東玉米產(chǎn)量的變化呈負相關，氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)和丹東玉米產(chǎn)量的變化呈正相關，其中氣溫和丹東玉米產(chǎn)量的相關度最高。建立氣溫、0 cm地溫、降水、相對濕度、日照、蒸發(fā)對丹東玉米產(chǎn)量的回歸預測模型，預測模型對丹東玉米產(chǎn)量模擬值和實測值的相關度高達0.9496。

氣象條件；玉米產(chǎn)量；相關分析；丹東地區(qū)

糧食生產(chǎn)關系國計民生、社會發(fā)展和穩(wěn)定、國家與地區(qū)安全，一直受到世界各國政府和農(nóng)業(yè)部門的高度重視。我國是全球最主要的糧食生產(chǎn)大國和消費大國，中國的糧食安全問題在全球起著舉足輕重的作用。糧食生產(chǎn)對氣候條件的依賴性非常大，氣候的任何波動均將直接影響到糧食生產(chǎn)，還有可能導致世界性的糧食危機產(chǎn)生。氣候變暖導致多種極端天氣氣候災害頻繁出現(xiàn)，靠天吃飯的農(nóng)業(yè)首當其沖受到影響。氣候變暖可能會導致某些極端天氣氣候事件變得頻率更高、強度更大、范圍更廣、災情更重，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和結構出現(xiàn)調(diào)整和變動，從而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和投資需求將大幅度增加。氣候變化對水資源、林業(yè)以及農(nóng)業(yè)環(huán)境影響的綜合結果可能進一步增大農(nóng)業(yè)的脆弱性。

遼寧是我國糧食生產(chǎn)的主要省份之一，關于氣象條件對遼寧農(nóng)業(yè)的影響，一些學者已開展了研究。趙春雨等［1］對遼寧省1956—2005年農(nóng)業(yè)氣候條件的長期變化情況和空間分布特征進行分析，指出50年間遼寧省生長季日照時數(shù)明顯減少，生長季降水量呈微弱的減少趨勢，蒸發(fā)量明顯減少。蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和潛在蒸發(fā)量都呈明顯減少趨勢。孫鳳華等［2］研究認為，近44年來，東北地區(qū)平均氣溫存在明顯的變暖傾向，氣候變暖趨勢存在著季節(jié)性和地域性差異。冬季增溫最強，秋季增溫最弱。紀瑞鵬等［3］指出1971—2000年遼寧省增溫趨勢明顯，熱量資源更加豐富，降水量出現(xiàn)減少趨勢，太陽輻射和日照時數(shù)一直呈下降趨勢；遼寧省總體農(nóng)業(yè)氣候變化呈現(xiàn)以“氣溫顯著升高，降水、日照減少”為主要特點的暖干化趨勢。汪宏宇等［4］對東北地區(qū)生長季的降水做了研究，認為東北地區(qū)生長季降水存在減少趨勢，旱災略多于澇災。金文巖［5］指出，氣候變暖對遼寧農(nóng)作物種植結構、土壤質(zhì)量、農(nóng)業(yè)水分資源、農(nóng)作物病蟲害、農(nóng)作物生產(chǎn)能力、農(nóng)田管理和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)生影響。

氣候與農(nóng)業(yè)息息相關，氣候變暖對農(nóng)業(yè)和糧食保障的影響更是令人矚目，但針對農(nóng)業(yè)氣候條件長期變化的研究還很少［6-8］。丹東地處黃海之濱、鴨綠江畔，位于遼寧省東南部，是一個以工業(yè)、商貿(mào)、物流、旅游為主的沿江沿海沿邊城市。本研究通過分析近63年丹東溫度、0 cm地溫、降水、相對濕度、日照、蒸發(fā)的變化，闡明氣象條件和農(nóng)作物產(chǎn)量的相關性，探索氣候變化背景下氣象條件的變化對農(nóng)作物產(chǎn)量產(chǎn)生的影響，為增進氣候變化背景下農(nóng)作物產(chǎn)量變化的認識提供參考。

1 材料與方法

氣象和玉米產(chǎn)量資料來源于國家氣象信息中心。玉米產(chǎn)量監(jiān)測點的地理坐標為40.43°E、124.47°N，位于丹東境內(nèi)（圖1）。按季節(jié)統(tǒng)計丹東1951—2013年氣溫、0 cm地溫、降水、相對濕度、日照、蒸發(fā)的年際變化和線性趨勢。

圖1 玉米產(chǎn)量監(jiān)測點站點位置

統(tǒng)計丹東玉米1999—2013年平均每667 m2產(chǎn)量的逐年變化。將丹東農(nóng)作物產(chǎn)量的變化趨勢和氣溫、0 cm地溫、降水、相對濕度、日照、蒸發(fā)變化趨勢進行對比，分析農(nóng)作物產(chǎn)量和各氣象要素的相關程度。利用多元線性回歸方法，建立各氣象要素對農(nóng)作物產(chǎn)量的多元線性回歸模擬模型，并對模型模擬結果進行了檢驗。氣象要素資料和農(nóng)作物產(chǎn)量資料均來自國家氣象信息中心。

多元線性回歸模型為：

式中，ε為隨機誤差，φi( u )，i = 1，2，m為已知變量，根據(jù)n組y和φi( u )，i = 1，2，m的觀測值用最小二乘估計法確定線性回歸系數(shù)β1，β2，βm和ε。

2 結果與分析

2.1 氣象條件變化

2.1.1 氣溫 溫度對農(nóng)作物生長發(fā)育及產(chǎn)量有重要影響。近百年來，全球氣候變暖并日趨加劇已是公認的事實［9］。1951—2013年丹東氣溫均呈上升趨勢，其中氣溫上升最明顯的是冬季和春季，趨勢傾向率分別是0.0288、0.0248，然后是夏季和秋季，趨勢傾向率分別是0.0134、0.0190。1952年冬季平均氣溫為-9.2℃，2006年冬季平均氣溫達到-2.5℃，冬季氣溫年際變化幅度最大，1953、1980、1981、2001、2006、2013年冬季平均氣溫較上一年的變化值超過3℃，其中，1953、1981年變化值超過了4℃（圖2）。

圖2 1951—2013年丹東季節(jié)平均氣溫年際變化

2.1.2 地表地溫 地溫對大氣環(huán)流和氣候變化有重要影響，在氣候變化背景下，地溫變化研究已成為熱點［10］。淺層地溫直接影響大田，但由于距離地表近，受太陽輻射、土壤濕度、土壤性質(zhì)等多種因子影響［11］。由于人類活動和氣候變化，引起了近地表溫度發(fā)生變化，改變了原有的地溫變化規(guī)律，影響了地下及地面生態(tài)系統(tǒng)對作物生長的正常作用［12］。1954—2013年丹東一年四季地溫有明顯上升趨勢，其中冬季平均地溫上升趨勢最明顯，趨勢傾向率為0.0409，然后是秋季、春季、夏季，趨勢傾向率分別是0.0213、0.0151、0.0094。1956年冬季平均地溫為-9.4℃，2006年冬季平均地溫為-2.3℃。冬季平均地溫的年際變化幅度最大，1956、1957、1980、1981、1986、2001、2006年冬季平均地溫較上一年的變化值超過3℃（圖3）。

圖3 1954—2013年丹東季節(jié)平均0cm地溫年際變化

圖4 1951—2013年丹東季節(jié)降水量年際變化

2.1.3 降水量 降水是一個地區(qū)氣候變化最直接、最敏感的因素，降水量變化直接影響當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)［13］。丹東地區(qū)年平均雨量多為800～1 200 mm，是我國北方雨量最多的地區(qū)，降水2/3集中于夏季［14］。1951—2013年丹東一年四季降水變化趨勢分別是：春季降水是上升趨勢，趨勢傾向率為1.0089；夏季、秋季、冬季降水呈下降趨勢，趨勢傾向率分別是-1.8397、-0.2463、-0.0420，夏季降水下降趨勢最明顯。1951—1970年夏季降水量超過800 mm有9年，1994—2013年夏季降水量超過800 mm僅有3年（圖4）。夏季降水量的年際變化值最大，然后是秋季、春季，冬季降水量年際變化值最小，1952—2013年中夏季降水量年際變化超過300 mm有14年。

2.1.4 相對濕度 相對濕度是空氣中實際水汽壓與當時氣溫下的飽和水汽壓之比，表征大氣中水汽的飽和程度。相對濕度能反映出氣溫、降水等要素的綜合影響及氣候變化對區(qū)域水循環(huán)的影響。相對濕度是影響地表水分、能量收支、氣溶膠、霧霾形成、生態(tài)系統(tǒng)動植物生長及人類舒適度等的重要因素［15］。1951—2013年丹東四季平均相對濕度的逐年變化均呈下降趨勢，趨勢傾向率分別是，冬季-0.0863、秋季-0.0657、春季-0.0486、夏季-0.0250，其中冬季下降趨勢最明顯（圖5）。1951—1960年冬季平均濕度超過60%的有9年，其中1958年冬季平均濕度超過63%。2004—2013年冬季平均濕度超過60%的有3年，其中2011年冬季平均濕度不到50%。季節(jié)平均濕度年際變化值最大的也是冬季，1951—2013年年際變化值超過10%的有7年。

圖5 1951—2013年丹東季節(jié)平均相對濕度年際變化

2.1.5日照時數(shù) 日照是氣候形成的重要因素，是太陽輻射最直觀的表現(xiàn)，也是農(nóng)作物生長發(fā)育不可缺少的條件。研究日照的變化趨勢，對合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和調(diào)整農(nóng)業(yè)結構有重要作用［16-17］。1951—2013年丹東四季平均日照都是呈下降趨勢，趨勢傾向率分別是，春季-0.0159、夏季-0.0174、秋季-0.0126、冬季-0.0083，其中夏季平均日照下降最明顯（圖6）。1958年夏季平均日照最長，為8.4 h，1952、 1955、1957—1958、1962—1963、1965、1968年夏季平均日照都超過7 h，2005年夏季平均日照最短、為3.7 h，1985、1990、1993—1996、1998、2004—2013年夏季平均日照均不足6 h。夏季平均日照年際變化幅度最大。

圖6 1951—2013年丹東季節(jié)平均日照時數(shù)年際變化

2.1.6 蒸發(fā)量 蒸散在水分運動過程中占有重要地位，是水量平衡和能量平衡的重要組成部分。蒸散過程涉及土壤、植被和大氣等與大氣、氣候密切相關的多種過程，是地表水量平衡計算、干旱監(jiān)測及作物產(chǎn)量模擬中的一個關鍵變量，更是水資源管理的重要參數(shù)。東北地區(qū)處于北半球中高緯度地區(qū)，是氣候變暖的強增溫區(qū)域，暖干化趨勢明顯，干旱趨勢嚴重，水資源短缺的局面難以改變，在這種氣候背景下，研究參考蒸散量變化及氣象要素變化對它們的影響，對深入了解氣候變化對水資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響有重要意義。1951—2013年丹東夏季、冬季平均日蒸發(fā)量呈上升趨勢，春季、秋季平均日蒸發(fā)量是下降趨勢，因為近10年夏季的資料缺失，所以總體上平均日蒸發(fā)量是下降趨勢。趨勢傾向率分別是，春季-0.0026、秋季-0.0095、夏季0.0185、冬季0.0039。其中，秋季平均日蒸發(fā)量下降最明顯（圖7）。秋季平均日蒸發(fā)量最大值出現(xiàn)在1988年、為4.1 mm，1961—2001年秋季平均日蒸發(fā)量都超過3 mm。2002—2013年秋季平均日蒸發(fā)量明顯下降，2002年出現(xiàn)秋季平均日蒸發(fā)量最小值、為1.7 mm，2009、2010、2012、2013年秋季平均日蒸發(fā)量都不到2 mm。值得注意的是，2000年后春季和秋季的平均日蒸發(fā)量都處于明顯的低值。

圖7 1951—2013年丹東季節(jié)平均日蒸發(fā)量年際變化

相關研究結果表明，近幾十年遼寧的氣溫處于上升趨勢［18］，地溫升溫明顯［19］，遼寧南部地區(qū)降水明顯減少［20］，相對濕度呈顯著下降趨勢［21］，日照時數(shù)變化有下降趨勢［22-23］，大部分地區(qū)蒸發(fā)量也呈下降趨勢［24］。經(jīng)分析表明，丹東地區(qū)氣象條件變化和遼寧保持一致。1951—2013年丹東氣溫、地溫變化趨勢是明顯上升，降水變化趨勢明顯下降，相對濕度變化趨勢也是明顯下降，日照、蒸發(fā)呈下降趨勢。因此，溫度升高和降水減少造成了丹東的氣候變化有暖干化趨勢。

2.2 氣象條件變化與玉米產(chǎn)量的關系

統(tǒng)計2002—2012年丹東地溫、日照、蒸發(fā)、相對濕度、降水、氣溫和玉米產(chǎn)量的變化趨勢以及各種氣象條件和玉米產(chǎn)量的相關系數(shù)。2002—2012年丹東玉米年平均每667 m2產(chǎn)量總體呈下降趨勢，趨勢傾向率為-5.8091。2003年平均每667 m2產(chǎn)量最高、為590 kg，2008—2012年平均每667 m2產(chǎn)量都不到510 kg。在相同時段內(nèi)，降水、日照變化是上升趨勢，趨勢傾向率分別是降水11.6236、日照0.0200。氣溫、0 cm地溫、蒸發(fā)、濕度變化是下降趨勢，趨勢傾向率分別是氣溫-0.0845、0 cm地溫-0.0527、蒸發(fā)-0.0364、濕度-0.0318。相對濕度和玉米年平均每667 m2產(chǎn)量變化是負相關，相關系數(shù)為-0.0681。氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)和玉米年平均每667 m2產(chǎn)量變化是正相關，相關系數(shù)分別是氣溫0.6108、0 cm地溫0.5047、日照0.2758、降水0.0619、蒸發(fā)0.2228，其中氣溫和玉米年平均每667 m2產(chǎn)量的相關度最高（圖8）。

圖8 2002—2012年丹東玉米產(chǎn)量和各氣象要素的逐年變化及相關系數(shù)

因為丹東玉米產(chǎn)量和相對濕度的變化是負相關，和氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)的變化是正相關。由前面分析結果可知，1951—2013年丹東地區(qū)氣溫、0 cm地溫的變化呈上升趨勢，降水、相對濕度、日照時數(shù)、蒸發(fā)量的變化是下降趨勢。所以，丹東地區(qū)氣溫、0 cm地溫、相對濕度的變化趨勢對丹東玉米產(chǎn)量增加是有利的，降水、日照、蒸發(fā)的變化趨勢對丹東玉米產(chǎn)量增加是不利的。氣候變暖導致東北地區(qū)氣象條件有暖干化趨勢，但是丹東地區(qū)因其處于長白山脈向西南延伸的支脈，南臨黃海，有利于形成降水，降水減少并不明顯，水資源相對豐富，總體上氣象條件變化有利于玉米產(chǎn)量增加。

2.3 線性擬合模擬及檢驗

用多元線性回歸的方法建立濕度、氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)對丹東玉米產(chǎn)量的多元線性回歸預測模型：

式中，y為農(nóng)作物每667 m2產(chǎn)量，x1為濕度，x2為氣溫，x3為0 cm地溫，x4為日照，x5為降水，x6為蒸發(fā)。

將線性回歸模擬值和實測值相對比（圖9），丹東玉米年產(chǎn)量的模擬值和實測值的相關度較高，r值為0.9496。由于玉米產(chǎn)量資料有限，只有11年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，而且除了氣象條件之外農(nóng)作物產(chǎn)量變化還受人工管理、施肥等多種因素的影響，所以農(nóng)作物產(chǎn)量模擬值和實際值會不可避免地出現(xiàn)偏差。

圖9 丹東玉米平均每667 m2產(chǎn)量線性回歸模擬值和實測值（kg）

3 結論

1951—2013年丹東氣溫、0 cm地溫變化呈上升趨勢，降水、濕度、日照、蒸發(fā)的變化是下降趨勢；2002—2012年丹東玉米平均每667 m2產(chǎn)量是下降趨勢。在各氣象要素對玉米產(chǎn)量的相關影響中，氣溫對玉米產(chǎn)量的相關影響最大。

（1）近63年丹東氣象條件的變化分別為：季節(jié)平均氣溫均呈上升趨勢，其中冬、春季的上升趨勢更為明顯；季節(jié)平均0 cm地溫的變化都是呈上升趨勢，其中冬季上升趨勢最明顯；降水量是下降趨勢，其中春季降水有上升趨勢，夏、秋、冬季降水是下降趨勢，夏季降水下降趨勢最明顯；各季節(jié)平均相對濕度都是下降趨勢，其中冬季下降趨勢最明顯；各季節(jié)平均日照時數(shù)都是下降趨勢，其中夏季下降趨勢最明顯；平均日蒸發(fā)量是下降趨勢，其中夏、冬季平均日蒸發(fā)量是上升趨勢，春、秋季平均日蒸發(fā)量是下降趨勢，秋季下降趨勢最明顯。

（2）在各氣象條件和玉米產(chǎn)量的相關分析中，相對濕度和玉米產(chǎn)量的變化呈負相關；氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)和玉米產(chǎn)量的變化呈正相關。其中氣溫和玉米產(chǎn)量的相關程度最高，相關系數(shù)達到0.6108。建立濕度、氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)對丹東玉米產(chǎn)量的多元線性回歸預測模型。檢驗得出，預測模型對丹東玉米產(chǎn)量的模擬值和實測值的相關度高達0.9496。

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（責任編輯 白雪娜）

Changes of meteorological conditions in Dandong area during 1951—2013 and its correlation with corn yield

ZOU Xu-dong，YANG Hong-bin，WANG Hong-yu，ZHANG Yun-hai，LIU Yu-che
（Institute of Atmospheric Environment，China Meteorological Administration，Shenyang 110166，China）

In order to understand the effects of meteorological conditions on the yield of crops，and to discuss the impact on crop yield under climate change，based on the temperature，ground temperature，precipitation，relative humidity，sunshine and evaporation data of Dandong area in 1951-2013，the changing trend of meteorological factors in Dandong area was analyzed，and the effects of meteorological conditions on the yield of maize in Dandong based on the data of annual average yield per 667 m2and meteorological conditions in 2002-2012 were analyzed. The results showed that the changes of temperature and ground temperature showed an upward trend in Dandong area during 1951-2013，precipitation，relative humidity，sunshine，evaporation showed a downward trend，the change of relative humidity was negatively correlated with corn yield in Dandong area，temperature，ground temperature，sunshine，precipitation，evaporation had positive correlation with corn yield，in while the correlation of temperature and corn yield in Dandong area was the highest. The regression forecasting model of corn production in Dandong area was established with temperature，ground temperature，precipitation，relative humidity，sunshine and evaporation. The correlation degree between simulation and measured value of corn yield in Dandong area was 0.9496.

meteorological conditions；corn yield；correlation analysis；Dandong area

S513.047

A

1004-874X（2016）11-0007-07

2016-08-11

國家自然科學基金（41240034）；中國氣象局山洪地質(zhì)災害項目（2015）；遼寧省氣象局項目（2015）

鄒旭東（1979-），男，碩士，助理研究員，E-mail: zouxd_163.com@163.com

鄒旭東，楊洪斌，汪宏宇，等. 1951—2013年丹東地區(qū)氣象條件的變化及其與玉米產(chǎn)量的相關分析［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學，2016，43（11）：7-13.