宁夏北部引黄灌区玉米生长季气候变化及其对气候产量影响.pdf
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1、2023,45(4)DOI:10.13836/j.jjau.2023078江西农业大学学报 Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensishttp:/宁夏北部引黄灌区玉米生长季气候变化及其对气候产量影响栾文杰1,申晓晶1*,李王成1,2,3,王洁1,马东祥1,王拓1(1.宁夏大学 土木与水利工程学院,宁夏 银川 750021;2.省部共建西北土地退化与生态恢复国家重点实验室,宁夏 银川 750021;3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,宁夏 银川 750021)摘要:【目的】为明确气候变化对宁夏北部引黄灌区玉米产量的影响,合理有效利用气候
2、资源提供科学依据,保障粮食安全。【方法】选取19612020年气象站点数据和产量数据,结合气候倾向率,MK趋势分析,自回归分布滞后(ARDL)模型等数理统计方法,分析玉米生长季气候变化特征,研究了引黄灌区玉米生长季各气候要素与玉米产量的关系。【结果】1)各个区域最高温、最低温、平均温均呈现明显上升趋势。除陶乐呈下降趋势外,其他地区大气压均呈升高趋势。风速和日照时数大致呈现西南高东北低。各地区降雨量变化趋势均不显著,除中宁、惠农呈减少趋势外,大部分地区降雨量呈升高趋势。各地区的相对湿度均呈显著下降趋势。2)引黄灌区各个市(县)玉米单产总体均呈上升趋势,用5年滑动平均法拟合出的趋势产量能较好地反映
3、出引黄灌区各市(县)玉米产量增长特征,从而进一步反映因生产力和国家政策变化等因素引起的实际产量变化情况。在空间分布上,产量中心虽有部分年份出现南移现象,但整体仍保持向东北方向移动的趋势。3)最高温、最低温、平均温、相对湿度是影响引黄灌区玉米产量的重要因素,风速次之。【结论】宁夏北部引黄灌区各气象因素对不同地区玉米产量的影响效应有正有负,程度也各不相同,因此,应根据当地实际情况,制定科学的增产对策,以达到增产目的。关键词:气候变化;引黄灌区;玉米产量;Mann-kendall检验;自回归分布滞后模型(ARDL)中图分类号:S16;S513 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID):
4、文章编号:1000-2286(2023)04-0841-14Climate Change in the Growing Season of Maize in Northern Ningxia Yellow Irrigation Area and its Impact on Climate YieldLUAN Wenjie1,SHEN Xiaojing1*,LI Wangcheng1,2,3,WANG Jie1,MA Dongxiang1,WANG Tuo1收稿日期:20230602 修回日期:20230618基金项目:国家自然科学基金项目(52169010、51869023)和国家重点研发计划
5、项目(2021YFD1900600)Project supported by the National Natural Science Foundation of China(52169010,51869023)and National Key Research and Development Plan(2021YFD1900600)作者简介:栾文杰,硕士生,orcid.org/0009-0002-4154-9246,;*通信作者:申晓晶,讲师,博士,主要从事气候变化与水资源安全调控研究,orcid.org/0000-0001-8423-4338,。栾文杰,申晓晶,李王成,等.宁夏北部引黄灌区
6、玉米生长季气候变化及其对气候产量影响 J.江西农业大学学报,2023,45(4):841-854.LUAN W J,SHEN X J,LI W C,et al.Climate change in the growing season of maize in Northern Ningxia Yellow Irrigation Area and its impact on climate yieldJ.Acta agriculturae universitatis Jiangxiensis,2023,45(4):841-854.江 西 农 业 大 学 学 报第 45 卷(1.School of
7、Civil and Water Conservancy Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwest China,Yinchuan 750021,China;3.Engineering Research Center of Ministry of Education for Efficient Utilization of Water Resources in Moder
8、n Agriculture in Arid Zone,Yinchuan 750021,China)Abstract:ObjectiveThis study aims to clarify the impact of climate change on maize yield in the Yellow River Irrigation Area of northern Ningxia,thus providing a scientific basis for rational and effective use of climate resources,as well as ensure fo
9、od security.MethodsThis study analyzed the climate change characteristics of maize growing season and studied the relationship between climate factors and maize yield in the Yellow River Irrigation Area by combining the data of meteorological stations and yield data from 1961 to 2020,and combining c
10、limatic tendency rate,M-K trend analysis,autoregressive distribution lag(ARDL)model and other mathematical and statistical methods.Results The results showed that 1)the maximum temperature,minimum temperature and average temperature in each region showed a significant upward trend.The atmospheric pr
11、essure showed an increasing trend in all regions except Taole,which showed a decreasing trend.Wind speed and sunshine hours were generally high in southwest and low in northeast.The change trend of rainfall in each region was not significant.In addition to the decreasing trend of Zhongning and Huino
12、ng,the rainfall in most areas showed an increasing trend.The relative humidity of each region showed a significant downward trend.(2)The overall maize yield in all cities(counties)in the Yellow River Irrigation Area showed an increasing trend,and the trend yield fitted by the 5a sliding average meth
13、od could reflect better the growth characteristics of maize yield in all cities(counties)in the Yellow River Irrigation Area,thus reflecting the actual yield changes caused by factors such as productivity and national policy changes.In terms of spatial distribution,although the yield center has shif
14、ted southward in some years,the overall trend still maintained a northeastern direction.(3)The maximum temperature,minimum temperature,average temperature,and relative humidity were the most important factors affecting maize yield in the Yellow River Irrigation Area,followed by wind speed.Conclusion
15、The effect of each meteorological factor on maize yield in the northern Ningxia Yellow River Irrigation Area has both positive and negative effects in different areas,and the degree is also different,Therefore,scientific countermeasures to increase yield should be developed according to the actual l
16、ocal situation to achieve yield increase.Keywords:climate change;yellow irrigation district;maize yield;mann-kendall test;autoregressive distributional lag(ARDL)model从20世纪开始,全球变暖的趋势越来越显著,IPCC在2020年的第6次评估中也提到,自从工业革命以来,全球地表平均温度已上升1 1-2。气候变暖会导致生态环境进而遭到一定程度的破坏。强降雨、洪水、气温上升等对粮食作物生长及产量造成一定的影响,可见,气候变化不仅加剧了生
17、态环境的恶化,同时还影响着农业生产3。粮食是人类赖以生存的重要物质基础4,中国作为世界第二大玉米生产的农业大国,玉米总产量和种植面积仅次于美国,占我国粮食总产量的22%5。近年来,国内外学者开展了大量关于气候变化对玉米的生理生长、产量等方面的研究6。在未来全球气候变暖背景下,中国地区干旱的强度分布及玉米产量损失由西北地区至东南地区递减,干旱对北方春播玉米区和黄淮海夏播玉米的产量影响较大7。19882017年,极端干热气候和极端湿冷气候对中国玉米主产区春-夏玉米产量下降影响最大,气候资源直接影响玉米光温生产潜力和产量。戚颖等8分析了黑龙江省降水、气温、干旱状况对玉米产量的影响,指出利用SPEI指
18、数能够精准量化干湿状况对玉米产量的影响,相对于降水,气温是影响玉米生长的主要因素。江铭诺等9研究发现温度是华北平原夏玉米潜在产量上升的主要因素,太阳总辐射是潜在产量下降的主导因子。Cudjoe等10发现加纳Ejura-Sekyedumase市玉米产量与温度呈负相关关系,降雨量和频率及其在时间和空间尺度上的分布影响较大。Abdoulaye等11认为19902020年非洲马里6月和7月的 842第 4 期栾文杰等:宁夏北部引黄灌区玉米生长季气候变化及其对气候产量影响降水和气温对玉米产量具有显著的负效应。Gudko等12分析了位于罗斯托夫地区不同农业气候区(Zimovnikovsky和Rostov)
19、生长季温度与降雨对玉米产量的影响,表明20112019年玉米产量对水热因素的依赖性较强,Zimovnikovsky地区9月份的平均温度与产量呈负相关,Rostov地区6月份的平均温度与产量呈正相关,两个地区7月份的降水量与产量呈正相关。综上,玉米在整个生长发育过程中对气候变化的响应较敏感。宁夏引黄灌区是西北内陆地区重要的粮食生产基地之一13,玉米在粮食生产中占据十分重要地位14。宁夏地区以粮食作物种植农业为主,其中玉米位于粮食作物之首,其产量占粮食生产总值的50%以上,目前,关于宁夏地区气候变化及其对玉米产量影响的研究相对较少,需进一步深入研究。该研究利用19612020年宁夏引黄灌区气象数据
20、和玉米产量数据作为样本资料,选取最高温、最低温、平均温等8个气象因子,分析玉米生长期气候变化特征及玉米产量变化趋势,采用自回归分布滞后模型(ARDL)分析明确影响玉米产量的主要气候因子,以期为应对宁夏地区气候变化条件下农业生产的指导提供参考。1 研究区概况宁夏引黄灌区位于中温带干旱区,属于大陆性气候,降水稀少,蒸发量大,光照丰富,昼夜温差大,无霜时间长15。灌区年均蒸发量为1 1001 600 mm;年均降水量180200 mm;降水年内分配不均,干、湿季节明显;年均气温89;作物生长季节49月大于等于10 的积温为3 2003 400;年均日照时长2 8003 100 h;无霜期长达164
21、h。2 材料与方法2.1数据来源研究区域内气象资料的数据来源于国家气象科学数据共享平台发布的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)(https:/ 宁夏农村统计资料汇编、宁夏回族自治区国民经济统计资料 19882004年玉米产量数据来源于 宁夏农村社会经济调查年鉴(2004)16,20052020年数据来源于宁夏回族自治区统计局官网(https:/)。其中由于行政区划的变动,致使惠农、彭阳两县的历史数据无法分化出来,故在19611987年缺少惠农地区玉米产量数据。图1宁夏气候分区及气象站点分布Fig.1Distribution of climate zones and meteorologic
22、al stations in Ningxia 843江 西 农 业 大 学 学 报第 45 卷2.2研究方法2.2.1气候倾向率CCTR通常被用来对气象因素变化趋势进行定量分析,一般用一元线性回归模型来描述17-18:y=a+bx(1)式(1)中,y为气象要素序列,x为时间序列,a为回归常数,b为回归系数,一般采用10b表示某要素气候变化倾向率。b0时,表明随时间x的增加,y呈上升趋势,反之,b0时,y呈下降趋势。2.2.2Mann-Kendall趋势分析Mann-Kendall趋势检验法(M-K)是一种对数据分布无特定要求的非参数统计检验方法,异常值对其干扰程度不明显,定量化程度高,检测范围
23、宽,干扰度小,广泛应用于水文气象统计分析中,方法如下19:设x1,x2,xn为时间序列变量,对于样本容量为n的独立同分布时间序列,建立统计量S:S=i=1n-1j=i+1nsgn(xj-xi)1i 00,xj-xi=0-1,xj-xi10时,服从标准正态分布的统计量Z可由下式计算:Z=S-1Var(S),S 00,S=0S+1Var(S),S 0(4)式(4)中:Var(S)为统计量S的方差,可以通过下式计算:Var(Sk)=n(n-1)(2n+5)18(5)式(5)中:xi与xj表示时间序列中第i个和第j位时间序列值;n为序列总个数。衡量变化趋势大小则由倾斜度表示:=median(xj-xi
24、j-i)1ijn(6)式(6)中:是表示对任意2个序列值的斜率进行统计后的中值,作为描述序列总体上的变化趋势大小;其他同上。2.2.3气候产量分离作物产量主要会受到人类活动和气象因素的影响,同时伴随着随机因素的影响。在进行研究玉米产量变化归因分析时,通常会将作物实际产量(Y)进行处理,分解为趋势产量(Yt)、气候产量(Yc)和随机产量(Y):Y=Yt+Yc+Y(7)趋势产量(Yt)指受社会因素对作物产量的影响;气候产量(Yc)指受温度、降水、光照等气候变化造成的作物产量变化;随机产量(Y)是由于偶然因素对产量造成的影响,一般其随机性极大,无法用函数关系式估算,且多年均值为零,因此可忽略不计。故
25、认为从实际产量中剔除趋势产量即为气候产量:Yc=Y-Yt(8)一般来说,趋势产量的影响因素具有周期性,例如国家有关税收政策的推行往往以3年、5年为一个周期。因此,本文基于上述理论依据和房世波20提出的产量分离方法,选择5年滑动平均方法模拟趋势产量,具体方法如下。滑动平均法的原理是在简单平均法的基础上,通过顺序对相邻年份依次加减计算平滑值,然后以计算出的平均值表示其发展趋势,5年滑动平均法计算公式如下:844第 4 期栾文杰等:宁夏北部引黄灌区玉米生长季气候变化及其对气候产量影响Yt=1ki=1kxi+j-1(j=1,2,3,n-k+1)(9)式(9)中:k滑动长度,取k=5;Yt5年滑动平均序
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