厄尔尼诺对宁夏干旱山区农作物的影响初探

马力文，刘 静

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室， 宁夏 银川 750002； 2.宁夏气象防灾减灾重点实验室， 宁夏 银川 750002)

厄尔尼诺现象造成赤道太平洋海温异常,直接影响热带太平洋地区的气候变化,也对其它地区的区域气候乃至全球大气环流的异常都有重要作用[1]。中国位于东亚季风区，东亚夏季风和冬季风的异常直接导致中国气候的异常[2-3]，厄尔尼诺通过大气环流以“遥相关”的形式影响东亚季风系统，对气温、降水造成显著影响[4]。气温、降水是农作物赖以生存的重要因素，气温和降水异常可导致农业生态环境的改变，对农业有重要影响[5-6]。

国内外对ENSO导致气候异常、作物产量丰歉关注已久。JN Ferris分析了Enso对全球作物产量的影响[7]。S Yokoyama研究了历年El Nino对亚洲和太平洋地区粮食作物产量的影响[8]。SA Mauget、DR Upchurch研究了ENSO与美国中西部大平原的气候和农业的关系[9]。JW Hansen、A Irmak、JW Jones研究了ENSO对弗罗里达州作物产量的影响[10]。陶福禄、Masayuki、Yokozawa等分析了中国农业生产与东亚季风和EL NINO的关系[11]。Adams RM, Houston LL,McCarl BA等通过墨西哥农业与ENSO的关系建立了干旱早期预警模型[12]。

厄尔尼诺不仅影响中低纬度的气候，引起华南干旱[13]，也对全国乃至青藏高原的气候产生影响[14]。曹蓉研究了东北夏季降水与大气环流和太平洋海温的关系[15]。王敬方、吴国雄、胡娜娜发现厄尔尼诺现象发生后，我国东北容易出现持续性冷夏[16]和干旱[17]。李恩菊,赵景波发现山东省在厄尔尼诺年气温升高，降水减少，容易出现干旱[18]。山西雁北地区厄尔尼诺年气温偏低，与黄土高原区增温趋势相反，旱灾加重[19]，但在厄尔尼诺发生次年降水偏多[20-21]。内蒙古在厄尔尼诺发生年降水减少，出现大旱、特旱的概率高[22]。西北地区东部厄尔尼诺发生年夏季降水减少，秋季降水增多[23]。陈朝基发现甘肃1950—2000年农作物受旱面积与厄尔尼诺和拉尼娜密切相关[24]。雷治平认为ENSO是影响陕西农业干旱灾害的影响因子[25]，厄尔尼诺发生当年秋季至次年春季易出现连旱,次年秋季降水较多,次年夏粮产量偏歉的概率增大,秋粮容易丰产[26]。程相坤、徐东进、曾国良等发现EL NINO、LA NINA可导致叶尔羌河流域出现枯水年和丰水年[27]。白庆梅等认为厄尔尼诺年由于西风减弱和印度季风增强,输送到干旱/半干旱区的水汽更多，冬季降水比常年偏多有共性[28]。与宁夏毗邻的毛乌素沙地在厄尔尼诺年降水减少，但次年降水增加[29]。周双燕将NINO因子引入重庆北碚柑橘旱情预警模型，实现了干旱早期预警[30]。

宁夏处在我国东部季风区和西北干旱区的过渡地带，受冬季风影响大且时间长，夏季风的强弱影响汛期降水的多寡，影响农业生产，对雨水依赖性极强的中南部山区农业生产更是受气候异常的影响。上述大多数文献集中在ENSO对当地气候的影响和预测上，对农作物产量的影响研究相对薄弱，特别是缺乏针对宁夏旱作农业区的影响研究。自2014年开始的厄尔尼诺事件持续了20个月以上，造成2016年宁夏南部山区玉米、马铃薯大幅减产。了解厄尔尼诺对宁夏农业气候资源及农作物产量影响是当地政府制定相应对策的迫切需求。本文根据1961年以来发生的典型厄尔尼诺年份气象要素、农业气候资源和产量的动态距平，探讨了厄尔尼诺对宁夏中南部山区气候要素、农业气候资源以及粮食作物产量的影响，可为农业生产趋利避害、科学决策提供依据。

1 资料和方法

1.1 厄尔尼诺影响年份、指数及程度

国家气候中心在业务上以赤道太平洋综合区连续6个月海温距平是否超过0.5℃或连续5个月累积距平超过4.0℃作为厄尔尼诺发生的标准(均允许有1个月的间断)。按此标准，1961—2012年共发生12次厄尔尼诺事件，我们将发生年份、生长季、SSTA峰值、累计值、二者乘积及程度列于表1，便于资料年代选取和程度评价。气象资料选自宁夏中南部山区各气象观测站1961—2014年地面逐日气象观测资料，产量资料选自宁夏调查总队1961—2014年统计年鉴中各市县小麦、玉米和马铃薯播种面积和产量数据。

根据表1，将赤道3.4区SSTA指数的峰值和正距平0.5℃的累计值相乘表示海温异常的强度，划分厄尔尼诺的强度(图1)。可看出，1997—1998年、1982—1983年为极强，1987—1988年为强，1965—1966年、1972—1973年、1991—1992年、2002—2003年和2009—2010年为中度，其余年份强度较弱。

1.2 气候资料趋势分离

以往在分析厄尔尼诺对气候的影响时，一般以发生厄尔尼诺当年和次年气候要素与多年平均值进行比较，以距平值作为评价指标。分析发现，由于受气候变暖的影响，宁夏南部山区冬季气温逐年上升，气候倾向率0.4℃·10a-1(图2a)，在1992年以前的厄尔尼诺发生年份冬季平均气温均为负距平，之后均为正距平，与观测到的暖冬等事实有出入，用当年气温与30年平均值的距平很难客观评价厄尔尼诺的影响(图2b)。

表1 1961—2012年历次厄尔尼诺事件发生时间、程度及生长季(摘自国家气候中心)

注：程度按照SSTA峰值与累计值的乘积分级标准，1为极弱，2为弱，3为中，4为强，5为极强。

Note: according to the level of the SSTA peak value and the cumulative value of the product classification standards, 1 is extremely weak, the other is weak, the 3 is the middle, the 4 is the strong and the 5 is very strong.

图1 厄尔尼诺年3.4区SSTA强度

图2南部山区冬季平均气温年际变化与线性趋势拟合

Fig.2 The annual variations and linear trend of winter average temperature in the southern mountainous region

为消除气候变暖的干扰，得到厄尔尼诺对气温、降水影响的真实情况，对1961—2012年间气温进行线性趋势分离，代表气候变化的系统增温作用，以平均气温与当年气温趋势值的离差作为当年气温的动态距平值，滤除了气候变化本身对温度的影响，使厄尔尼诺对气温的真实影响凸显出来(图2b)。

设气温多年序列为T，可以把T分解为时间趋势项Tt和当年气候波动项Tw，即：

T=Tt+Tw

(1)

Tt是时间t的函数，反映了气候变化对温度的影响，称为趋势气温，可用线性、非线性、滑动平均或者周期函数等描述，即：

Tt=f(t)

(2)

因此，逐年气候波动Tw可被分离出来：

Tw=T-f(t)

(3)

厄尔尼诺发生当年、次年气温动态距平可用(3)求算，如果大部分样本倾向正距平，证明厄尔尼诺造成升温。如果f(t)为不随时间而变的常数，则f(t)转换为温度序列的均值，即：

f(t)=(∑Ti)/n

(4)

此时Tw为传统距平法得到的距平值，是本文动态距平法的一种特例。因此，在一个数据序列中，如果该数据序列随着时间呈现增减趋势，可采用动态距平法客观反映序列的波动；当该数据序列不随时间出现趋势变化时，才能采用距平法反映序列的波动。

1.3 产量趋势分离

农作物产量序列受当年气候条件影响，也受生产力水平、农业技术进步影响，产量呈逐步上升趋势。一般把产量序列Y分解为随品种改良、农业技术进步逐年上升的趋势产量Yt和当年气象条件影响的气象产量Yw，即：

Y=Yt+Yw+ε

(5)

ε为随机影响，如发生病虫害、洪涝等偶发性灾害，难以用气象因素表示的产量干扰项。本文认为，Yt不仅包含品种、管理、肥力等农业技术进步造成的产量随时间增长的趋势，也包含了气候变化造成的产量单向增减趋势。因此，在分析厄尔尼诺对作物产量的影响时，对1961—2014年各市县小麦、水稻、玉米和马铃薯进行趋势产量分离，获得气象产量(图3)。其气象产量Yw除了滤除农业技术进步对产量的影响外，也滤除了气候变化对产量的系统影响，可反映厄尔尼诺发生次年气象条件本身的变化对产量的影响程度，也相当于产量动态距平法。由于时间跨度大，产量基数前后相差好几倍，采用相对气象产量可以消除产量水平对增减产幅度的影响，即：

(6)

式中，YRW为相对气象产量；Y为产量；Yt为趋势产量。

图3宁夏山区小麦、玉米和马铃薯单产趋势拟合

Fig.3 The yield trends of wheat, rice, corn and potato in Ningxia

2 结 果

2.1 厄尔尼诺事件对气温的影响

2.1.1 暖冬的概率加大 冬季风强弱是导致我国冬季冷暖变化的直接原因，厄尔尼诺造成赤道东太平洋海温持续偏高，冬季风强度偏弱，常常导致我国暖冬[2]。采用趋势温度分离的动态气温距平发现，宁夏在厄尔尼诺发生的12年中，中南部山区当年冬季平均气温偏高的有6年，其中,异常偏高的年份中部干旱带有4年，南部山区有5年；冬季平均最低气温偏高的年份，中部干旱带有8年，南部山区有7年，暖冬几率占58.3%以上；12年中，中部干旱带出现冷冬的只有1964、1983年，南部山区只有1964、1983和1992年出现异常低温，冷冬概率在25%以下(图4)。

2.1.2 作物生长季气温偏低 对宁夏中南部山区1961—2012年逐月气象资料进行线性趋势拟合，以厄尔尼诺发生次年4—9月逐月趋势离差评价宁夏中南部山区气温的变化(图5)，发现厄尔尼诺次年各月气温负距平居多，特别是1984、1988、1992和1995年，中部干旱带和南部山区大多为负距平。按照12次厄尔尼诺发生次年逐月平均动态距平来看，气温偏低出现在6、7、8月份，整个夏季偏低明显，5月、9月偏低不明显，4月份气温偏高(图6)。

图4 厄尔尼诺发生年冬季平均气温(左)和最低气温(右)的动态距平

图5 厄尔尼诺发生次年4—9月平均气温动态距平

图6厄尔尼诺发生次年逐月平均气温动态距平多年平均

Fig.6 The multi-year average dynamic difference of monthly average temperature the following year El Nino occurred

2.1.3 作物生长季热量资源减少 厄尔尼诺发生次年，我区中南部作物生长季(5—9月)不同界限温度的积温均呈减少趋势，中部干旱带≥0℃、≥10℃和≥15℃活动积温比常年减少35℃d以内，南部山区≥15℃积温减少50～80℃d，即厄尔尼诺使高海拔地区≥15℃积温明显减少，造成热量强度不足，影响玉米成熟(图7)。

2.2 厄尔尼诺对降水的影响

厄尔尼诺发生次年，中部干旱带4—5月份降水比常年同期偏多，6月、8月和9月偏少，7月持平；南部山区4—5月份降水与其他年份无差异，与常年相比持平，6—8月份降水均比常年同期偏少，尤以8月份偏少为巨，9月份降水偏多(图8c)。

从各站分布来看，作物播种至出苗期(4—5月份)，中部干旱带各站降水均偏多，南部山区除泾源偏多外，其余均在均值附近；作物营养生长期间(6月份)，中南部山区各站降水均偏少，降水一致性偏少趋势明显；作物抽穗杨花期间(7份)，韦州、兴仁、六盘山降水偏多，其他地区均偏少；作物灌浆期间(8月份)，中部干旱带盐池、麻黄山降水偏多，其他地区偏少，南部山区各站一致明显偏少；作物灌浆成熟期间(9月份)，除盐池降水略偏多外，中部干旱带其他地区降水偏少；南部山区除西吉略偏少外，其余各站降水偏多(图8a、图8b)。

图7 厄尔尼诺发生次年中南部(左)及各县(右)5—9月不同界限温度积温动态距平

图8宁夏厄尔尼诺发生次年作物生育期间降水距平逐月变化特征

Fig.8 The monthly precipitation difference variation during the following year El Nino occurred in Ningxia

2.3 厄尔尼诺对日照的影响

分析历次厄尔尼诺发生次年逐月日照时数距平发现，厄尔尼诺发生次年6月、8月日照显著减少，5月、9月日照略偏多，7月与历年持平，中部干旱带和南部山区日照变化基本相似(图9)。

2.4 厄尔尼诺对作物产量的影响

比较厄尔尼诺发生当年、次年相对气象产量的增减幅度，发现厄尔尼诺发生当年小麦、玉米和马铃薯均表现减产，小麦减产幅度最大。厄尔尼诺发生次年山区三大作物均表现增产，山区冬小麦、玉米和

马铃薯单产12次过程平均增产幅度分别为8.9%、7.8%和8.4%(图10a)。自2014年开始的严重厄尔尼诺持续到2016年，山区玉米、马铃薯因2016年6—8月份的严重干旱而显著减产。

以单产增减5%作为丰、平、歉年分型标准，分析12次厄尔尼诺发生次年3大作物增产、平产和减产所占比例，发现小麦、马铃薯增产年份多，玉米增减产年数相同，呈两极化分布，可能与降水出现时段有关，如大降水出现在玉米抽雄吐丝期，容易出现受精障碍，影响结实率，反而对增产不利，但如出现在大喇叭口期，旱作玉米更容易显著增产(图10b)。

图9 宁夏发生厄尔尼诺的次年作物生育期间逐月日照距平

图10厄尔尼诺发生的当年、次年作物单产增减幅(左)及增减产年份所占比例(右)

Fig.10 The average crop relative climatic yields the following year of El Nino occurred (left) and the percentage of increase or decrease years (right)

3 结 论

厄尔尼诺现象与宁夏气候关系比较密切，厄尔尼诺发生当年冬季和次年作物生长季，气温、降水时空分布发生一定的改变，从而对农业产生了一定的影响，归纳如下：

1) 厄尔尼诺造成宁夏冬季气温偏高，形成暖冬的概率大，降低极端寒冷天气的持续时间和程度，有利于减少冬季设施农业生产能源消耗，对设施农业生产十分有利。

2) 厄尔尼诺发生年份，气温偏高由冬季可以延伸到春季，但夏季平均气温明显偏低。中南部山区作物生长季(5—9月)≥0℃、≥10℃和≥15℃活动积温均呈减少趋势，中部干旱带减少相对较少，南部山区减少较多，特别是≥15℃积温减少明显，这些高海拔地区热量强度本身不足，厄尔尼诺造成热量强度更不足，影响玉米成熟。

3) 厄尔尼诺发生次年，宁夏中部干旱带春季降水偏多，有利于保障春播和苗期作物生长，但夏季、秋季降水偏少。南部山区春季、秋季降水偏多，夏季降水偏少，特别是作物开花、灌浆初期降水偏少，有利于玉米、马铃薯生长，但灌浆中后期、成熟期降水偏多，容易引起马铃薯晚疫病等病害。

4) 厄尔尼诺对宁夏粮食作物产量有一定影响，厄尔尼诺发生次年山区冬小麦、玉米和马铃薯均显著增产。

本文针对2016年发生厄尔尼诺后对2017年产量预估的需求，初步分析了厄尔尼诺对宁夏南部山区农业气象条件和作物产量的影响，但未分析拉尼娜年份对山区农业的影响。今后可将两者结合起来，以NINO3、NINO4、NINO3.4区SSTA逐月、3月滑动平均值与小麦、玉米和马铃薯的相对气象产量进行相关分析，也可结合热带印度洋海温、南方涛动(SOI)等研究造成产量变化的海温指数和代表区域，更进一步研究海温异常对宁夏农业的影响，为产量年景丰歉预测提供依据。

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