辽宁西部地区玉米作物生长季降水特征及对作物的影响

韩秀君　杨青　孙晓巍　等

摘要：利用1961—2012年辽宁西部地区16个气象观测站的历史逐日降水资料，应用降水趋势分析、降水距平百分率和莫莱（Morlet）小波函数，对玉米作物各生长阶段及整个生长季的降水特征及其对作物的影响进行分析。结果表明：辽西地区在玉米作物播种期、苗期的降水呈增加趋势，发生春旱的概率降低；拔节孕穗期、抽雄吐丝期、灌浆成熟期降水均呈减少趋势，发生夏旱、秋旱的概率增大；玉米作物在整个生长季内的降水总体上呈减少趋势；玉米作物各生长期和整个生长季均存在小尺度为2～3年的短周期，大尺度为14～16年的长周期。综合大尺度的周期变化嵌套小尺度的周期变化，结合降水年际、年代际变化特点，得出玉米作物在整个生长季的降水量在近2年处于偏多期，有利于玉米作物增产；播种期和苗期降水在近2年处于偏多期，对玉米播种非常有利；拔节孕穗期降水在近2年处于偏少期，应加强灌溉及人工增雨作业；抽雄吐丝期降水虽呈加速减少趋势，但综合分析显示，近2年的降水处于偏多期，对玉米增产至关重要；灌浆成熟期降水在近2年处于偏少期，缺水可造成穗粒质量降低，进而导致减产，因此应根据玉米作物需水情况，科学制定需水管理措施。

关键词：（Morlet）小波函数；多时间尺度；玉米作物；降水周期；辽宁西部

中图分类号： S161.6文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0077-05

收稿日期：2014-06-12

资助项目：公益性行业（气象）科研专项（编号：GYHY201206024）；中国气象局关键技术集成与应用项目（编号：CMAGJ2013M11）。

作者简介：韩秀君（1961—），女，辽宁沈阳人，副研级高级工程师，主要从事决策气象服务。E-mail：xiujun_h@sina.com。

通信作者：杨青，硕士，副研级高级工程师，主要从事暴雨预报方面的研究。E-mail：yangqingchdd@163.com。辽宁西部地区（以下简称辽西地区）是辽宁省内严重的资源性缺水地区，素有10年9旱之说。受气候条件的限制，该区主要以种植玉米为主，相关资料表明，玉米在整个生长发育期的适宜需水上限为556～741 mm，适宜需水下限为361～451 mm，可见除苗期应适当控水外，其他阶段都必须满足玉米对水分的要求，才能获得高产[1]。肖俊夫等探讨不同水分处理方法对春玉米生态指标、耗水量及产量的影响，为辽宁西部地区春玉米增产节水栽培提供了科学依据[2]。由于玉米各生长阶段降水的多少将直接影响玉米产量，而以往的研究大多是对辽宁地区春、夏、秋、冬4季的降水趋势进行分析，对玉米作物生长季降水趋势变化的分析并不多。汪宏宇等对东北地区作物生长季降水的异常特征进行了分析[3]；孙凤华等对辽宁西部地区的气候变化及干湿状况年代际变化特征进行了研究[4-5]。因此，了解和掌握玉米作物生长季降水趋势变化，针对作物需水关键期改变作物需水主要依靠自然降水的现状，充分利用云水资源，适时开展人工增雨作业、科学制定抗旱措施、合理制定耕作制度并提供科学依据是非常必要的。本研究应用1961—2012年辽西地区16个气象观测站的降水资料，对玉米作物各生长阶段的降水趋势进行分析，以期能够把握玉米作物生长季的降水趋势变化。

1材料与方法

1.1资料来源

本研究数据采用辽宁省气象信息中心归档整编的《1961—2012年历史逐日降水资料》。为了保证数据完整无缺，排除资料长度不一对分析结果的影响，笔者从辽西地区18个气象观测站中选取16个站作为代表站（羊山站和凌海站由于历史资料不连续而没有被采用）。玉米作物生长季划分为：播种期（4月18日至5月8日）、苗期（5月9日至6月25日）、拔节孕穗期（6月26日至7月18日）、抽雄吐丝期（7月19日至7月31日）、灌浆成熟期（8月1日至9月20日），该资料根据1981—2009年辽西地区实际观测发育期的平均值计算所得。

1.2分析方法

计算1961—2012年辽西地区播种期、苗期、拔节孕穗期、抽雄吐丝期及灌浆成熟期玉米逐年平均降水量、降水量常年值和对应的距平百分率；整个生长季（4月18日至9月20日）逐年降水量、降水量常年值和对应的距平百分率；再分别对5个生长阶段和整个生长季的降水序列进行直线拟合，拟合直线斜率为降水倾向率，代表降水变化的总趋势。应用线性倾向估计、距平百分率、常年值及小波分析等方法分析52年以来辽西地区玉米作物生长季（4至9月）的降水变化特征[6]。

2结果与分析

2.1玉米播种期降水变化特征

2.1.1玉米播种期降水年际、年代际变化1961—2012年辽西地区玉米播种期（4月18日至5月8日）的降水年际变化详见图1、图2。

从图1可以看出，播种期降水呈增加趋势，降水倾向率为3.816 mm/10年，需水上、下限一般分别为47.6、10.0 mm，且1983年、1994年、1998年、2009年、2010年、2012年显著偏

多；1970年、1972年、1980年、1989年、1997你、1999年、2007年显著偏少。降水年代距平百分率见图2，可以看出，20世纪60、70年代的降水距平百分率为负，表明降水偏少；20世纪80年代、90年代、21世纪初降水距平百分率均为正值，表明其间降水连续偏多。整体看来，20世纪70年代降水严重偏少，80年代趋于正常，90年代以后开始呈现逐渐增多趋势。

2.1.2播种期降水小波分析运用小波变换法对春播期降水的周期变化进行分析[7-9]。图3为近52年来辽西地区春播期降水在不同时间尺度下随时间正负交替变化的周期特性。小波系数为正，用实线表示，代表降水偏多，且值越大，降水量越大；小波系数为负，用虚线表示，代表降水偏少，且值越小，降水量越小，小波系数为零则对应着突变点。由图3可见，图的上部等值线相对稀疏，对应较长时间尺度周期振荡；而下部等值线相对密集，对应较短时间尺度周期振荡。分析可知，辽西地区春播期降水短周期以2年为主，随着时间尺度的增加，20世纪80年以后以10～15年的周期较明显，表现为“多—少”“多—少”“多”3个循环交替，且到2012年降水增多的等值线还没有闭合，说明降水增多的趋势在近几年还将继续。研究结果表明，玉米播种期适宜的气象条件是，平均气温稳定通过 5 ℃，土壤相对湿度为60%～70%。降水过少，易发生春旱，进而影响出苗率；降水过多，易出现低温、寡照，已播种地块易出现粉种、烂种情况。由于轻度干旱有利于根系的发育和下扎，因此只要保证出苗，一般不需要浇灌，在极度干旱时进行浇灌即可。

2.2玉米苗期降水变化特征分析

2.2.1苗期降水年际、年代际变化从图4可以看出，苗期降水呈缓慢增加趋势，降水倾向率为2.317 mm/10年，需水上、下限一般分别为37.3、18.4 mm。由图4还可以看出，1971年、1976年、1984年、1991年、2003年、2005年的降水量明显偏多，1981年、1983年、1994年明显偏少。

由图5可知，20世纪60年代降水距平百分率为负值，表明降水偏少；20世纪70年代降水距平百分率为正值，表明降水偏多；20世纪80、90年代均为负值，表明降水偏少；21世纪初降水距平百分率为正值，表明降水偏多。

2.2.2苗期降水小波分析由图6可见，上部等值线相对稀疏，对应较长时间尺度的周期振荡；下部等值线相对密集，对应较短时间尺度周期振荡。分析可知，玉米苗期降水短周期以2年为主，1985年以前存在8年显著周期，1985年以后存在14年显著周期，表现为“多—少”“多—少”2个循环交替，且到2012年降水减少的等值线即将闭合，说明近几年降水减少趋势将向增多趋势转变。研究结果表明，与中后期相比，玉米苗期有较强的抗旱能力，适当干旱（蹲苗）有增产作用。

2.3玉米拔节孕穗期降水变化特征分析

2.3.1玉米拔节孕穗期降水年际、年代际变化从图7可以看出，玉米拔节孕穗期降水呈正常或略减少趋势，降水倾向率为-1.503 mm/10年，需水上、下限一般分别为148.0、72.0 mm，且1967年、1973年、1979年、1991年、1994年、2007年、2008年明显偏多；1972年、1982年、1992年、1996年、1999年、2002年、2003年、2011年明显偏少。由图8的降水年代距平百分率可知，20世纪60年代降水距平百分率为正值，降水基本接近常年；20世纪70、90年代降水距平百分率为正值，表明降水偏多；20世纪80年代、21世纪初降水距平百分率为负值，表明降水偏少。

2.3.2拔节孕穗期降水小波分析由图9可见，在拔节孕穗期（6月26日至7月18日），短周期以2年为主，1980年以前存在6年显著周期，1980年以后存在14年显著周期，表现为“少—多”“少—多”“少”3个循环交替，且到2012年降水减少的等值线没有闭合，说明降水量减少趋势在近几年仍将持续。而玉米拔节孕穗期需水量越来越大，特别是孕穗期耗水强度最大，对缺水的敏感程度仅次于吐丝期，此时缺水对幼穗发育不好，严重时导致雄穗抽不出，雌穗吐丝迟而不能正常受精，会出现缺粒、秃顶多、空秆多，造成玉米减产。因此，拔节孕穗期雨水不足的地区要及时灌水，并抓住有利时机，积极开展人工增雨作业。

2.4玉米抽雄吐丝期降水变化特征分析

2.4.1玉米抽雄吐丝期降水年际、年代际变化由图10可以看出，玉米抽雄吐丝期降水量呈加速减少趋势，降水倾向率为-11.556 mm/10年，需水上、下限一般分别为237.3、115.2 mm，且1962年、1963年、1975年、1977年、1991年、1994年、1995年明显偏多；1965年、1968年、1972年、1980年、1984年、1988年、1996年、1997年、1999年、2001年、2003年、2006年、2009年明显偏少，进入21世纪后降水偏少年份有增多趋势。由图11的降水年代距平百分率可知，20世纪60、70年代降水距平百分率为正值，表明降水偏多；20世纪80年代降水距平百分率为负值，表明降水偏少；20世纪90年代降水距平百分率为正值，表明降水偏多；21世纪初降水距平百分率为负值，表明降水偏少，根据年代变化规律，近几年抽雄吐丝期降水有可能向增多趋势转变。

2.4.2抽雄吐丝期降水小波分析由图12可见，在玉米抽雄吐丝期（7月19日至7月31日）较明显地存在大尺度的周期变化嵌套着小尺度的周期变化。短周期以2年为主，长周期以14～16年为显著周期，表现为“少—多”“少—多”“少—多”3个循环交替，且到2012年降水增多的等值线没有闭合，说明近几年仍可能维持降水增多趋势。研究结果表明，抽雄前10 d至抽雄后20 d（大喇叭口期-灌浆期）玉米需水达一生高峰，缺水对产量影响最大，而且干旱靠近抽雄期则减产明显，特别是“卡脖旱”（发生在玉米大喇叭口期至抽雄期），因此有“春旱不算旱，夏旱减一半”的农谚。此外，2009年的夏秋连旱造成玉米产量下降可以证实抽雄吐丝期降水对玉米产量的影响。

2.5玉米灌浆成熟期降水变化特征分析

2.5.1玉米灌浆成熟期降水年际、年代际变化从图13可以看出，玉米灌浆成熟期降水呈正常或略减少趋势，降水倾向率为-1.562 mm/10年，需水上、下限一般分别为185.3、64.8 mm，且1964年、1965年、1969年、1974年、1984年、1986年、1987年、1994年、1997年、2010年、2012年表现为明显偏多；1989年、2009年表现为明显偏少。由图14的降水年代距平百分率可知，20世纪60年代的降水距平百分率为正值，表明降水偏多；20世纪70年代降水距平百分率为负值，表明降水偏少；20世纪80、90年代降水距平百分率为正值，表明降水偏多；21世纪初降水距平百分率为负值，表明降水偏少。

2.5.2玉米灌浆成熟期降水小波分析由图15可见，在灌浆成熟期，图的上部等值线稀疏，对应较长时间尺度周期振荡；而下部等值线相对密集，对应较短时间尺度周期振荡。20世纪80年代之前存在3年显著周期，80年代以后存在8～15年显著周期，表现为“少—多”“少—多”“少—多”3个循环交替，且2012降水增多的等值线没有闭合，说明降水仍可能保持偏多趋势。但也不能忽视大尺度的周期变化嵌套着小尺度的周期变化，且21世纪初降水距平百分率为负距平，因此短期降水出现偏少的可能性是非常大的。研究结果表明，从乳熟期到完熟，耗水强度降低，但此时仍然需要大量的水分，缺水可造成穗粒质量降低而减产，因而有“春旱盖仓房，秋吊断种粮”的说法。

2.6玉米作物生长季降水变化特征分析

2.6.1玉米作物生长季降水年际、年代际变化玉米整个生长季需水较多，除苗期应适当控水外，其后都必须满足玉米对水分的要求，才能获得高产。需水高峰期为7月中旬至8月上旬，即拔节-抽穗阶段。从1961—2012年辽西地区玉米作物生长季（4月18日至9月20日）的降水年际变化（图16）可以看出，玉米作物整个生长季降水呈减少趋势，降水倾向率为-8.488mm/10年；玉米需水量的变化在5415.0～

11 115.0 mm/hm2，而降水量在1969年、1994年、1998年明显偏多，在1972年、1980年、1982年、1992年、1999年明显偏少。由图17降水年代距平百分率可知，20世纪60、70年代降水距平百分率为正值，表明降水偏多；20世纪80年代降水距平百分率为负值，表明降水偏少；20世纪90年代降水距平百分率为正值，表明降水偏多；21世纪初降水距平百分率为负值，表明降水偏少。

2.6.2玉米生长季降水小波分析由图18可见，在玉米整个生长季，图的上部等值线稀疏，对应较长时间尺度的周期振荡；而下部等值线相对密集，对应较短时间尺度的周期振荡。年际特征主要以2年为主，20世纪90年代以前存在5～10年周期，20世纪90年代以后存在15～20年周期，表现为“多—少”“多”循环交替，且2012年降水增多的等值线没有闭合，说明降水继续保持增多趋势。玉米整个生长季降水特点是两头少、中间多，即4、5月份少，6、7、8月较多，9月份又较少。据统计，辽西地区玉米生长季总降水量为535.6 mm，低于玉米需水量，因此应根据具体情况科学灌溉，同时根据辽西地区夏秋季降水趋于减少的特点，加强夏、秋季人工增雨作业，确

保玉米产量。

3结论与讨论

辽西地区玉米生长季降水量总体呈减少趋势，降幅为 8.488 mm/10年；播种期、苗期降水均呈增加趋势，增幅分别为3.816、2.317 mm/10年，说明发生春旱的概率正逐渐减小；玉米拔节孕穗期、抽雄吐丝期、灌浆成熟期降水均呈减少趋势，降幅分别为1.503、11.556、1.562 mm/10年，说明发生夏、秋旱的概率正逐渐增大。

综合玉米作物各生长期和整个生长季的降水分析，均存在多时间尺度特征，大尺度的周期变化嵌套着小尺度的周期变化。小尺度为2～3年的短周期，大尺度为14～16年长周期。

综上所述，玉米作物整个生长季降水在近2年处于偏多期，有利于玉米作物增产；播种期和苗期降水在近2年处于偏多期，对玉米播种非常有利；拔节孕穗期降水在近2年处于偏少期，应加强灌溉及人工增雨作业；抽雄吐丝期降水虽呈加速减少趋势，但综合分析显示，近2年降水处于偏多期，对玉米增产至关重要；灌浆成熟期降水在近2年处于偏少期，缺水可造成穗粒质量降低而减产，因此应根据玉米作物需水情况，科学制定需水管理措施，积极开展人工增雨作业。

参考文献：

[1]肖俊夫，刘战东，陈玉民. 中国玉米需水量与需水规律研究[J]. 玉米科学，2008，16（4）：21-25.

[2]肖俊夫，刘战东，南纪琴，等. 不同水分处理对春玉米生态指标、耗水量及产量的影响[J]. 玉米科学，2010，18（6）：94-97，101.

[3]汪宏宇，龚强. 东北地区作物生长季降水异常特征分析[J]. 气象科技，2005，33（4）：345-349，354.

[4]孙凤华，吴志坚，李丽光. 辽宁西部地区的气候变化及干湿状况年代际变化特征[J]. 中国沙漠，2006，26（6）：969-975.

[5]姜晓艳，刘树华，马明敏，等. 东北地区近百年降水时间序列变化规律的小波分析[J]. 地理研究，2009，28（2）：354-362.

[6]朱珠，陶福禄，娄运生. 1980—2009年江苏省气温变化特征及水稻高温热害变化规律[J]. 江苏农业科学，2013，41（6）：311-315.

[7]邱海军，曹明明，曾彬. 基于小波分析的西安降水时间序列的变化特征[J]. 中国农业气象，2011，32（1）：23-27.

[8]曹永强，张兰霞，都晓博，等. 基于小波分析的大伙房水库流域降水周期分析[J]. 水力发电，2011，37（4）：24-27，50.

[9]张卉，郭慕萍，赵双巧，等. 1960—2008年山西省气温变化特征[J]. 气象与环境学报，2012，28（2）：16-21.石姣姣，江晓东，邱思齐. 昼夜不同增温处理对小麦生长发育和产量的影响[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：82-84.