基于降水量的黑龍江省玉米種植適宜性研究

孫彥坤，高松陽，曹義娜，許佳琦，王振華

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

基于降水量的黑龍江省玉米種植適宜性研究

孫彥坤，高松陽，曹義娜，許佳琦，王振華

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

利用黑龍江省63個氣象站點(diǎn)1965～2014年降水資料，運(yùn)用降水距平百分率、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)等研究方法，分析黑龍江省近50年來不同區(qū)域間降水變化趨勢和特點(diǎn)，結(jié)合玉米生長需水特征判斷玉米易缺水時(shí)段。結(jié)果表明，近50年全省玉米生長季降水量平均值約457.7 mm，可滿足玉米生長發(fā)育對水分基本需求；黑龍江省各區(qū)域中，中南部地區(qū)、三江平原區(qū)和北部地區(qū)生長季降水量高于全省平均值，西部地區(qū)低于全省平均值，特別是泰來和肇源，生長季降水量平均值低于375 mm，必須依靠灌溉維持玉米正常生長；黑龍江省中南部地區(qū)和北部地區(qū)生長季降水量年際間變化較小，三江平原地區(qū)和西部地區(qū)則波動較大，易發(fā)生水旱災(zāi)害；黑龍江省近50年生長季降水量主要發(fā)生2次突變，分別在20世紀(jì)80年代初期和90年代中后期；黑龍江省西部地區(qū)玉米生長期基本均處于缺水狀態(tài)，需灌溉補(bǔ)充水分，其他地區(qū)缺水期主要在6月和7月。研究可為黑龍江省降水研究和玉米種植區(qū)水資源配置等提供參考。

黑龍江?。唤邓?；突變；玉米

水分是限制玉米氣候生產(chǎn)潛力主要因素，玉米生育期耗水量大，且對水分脅迫反應(yīng)敏感，干旱對玉米生長發(fā)育、形態(tài)特征、生理生化及產(chǎn)量品質(zhì)均有重要影響[1]。研究表明，春玉米全生育期需水量約為500～600 mm；如低于375 mm，滿足底墑條件下播種，籽粒和秸稈產(chǎn)量顯著減少[2-3]。黑龍江省是重要玉米生產(chǎn)基地，但降水時(shí)空分布不均，氣象災(zāi)害多發(fā)，隨生長季平均氣溫升高，玉米光溫生產(chǎn)潛力總體呈上升趨勢；但由于降水量減少，玉米氣候生產(chǎn)潛力總體呈下降趨勢[4]。黑龍江省玉米生產(chǎn)以雨養(yǎng)為主，降水量和時(shí)空分布決定干旱發(fā)生程度。研究表明，黑龍江省東部地區(qū)和中部地區(qū)降水量較充足，西部地區(qū)干旱少雨，常出現(xiàn)旱澇災(zāi)害[5]。黑龍江省玉米種植面積不斷擴(kuò)大，但農(nóng)業(yè)排灌設(shè)施建設(shè)相對滯后，亟待準(zhǔn)確、定量評估黑龍江省降水特點(diǎn)，為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水旱災(zāi)害防御提供依據(jù)。本文采用黑龍江省63個氣象站點(diǎn)50年逐日降水量數(shù)據(jù)資料，研究分析黑龍江省近50年降水分布和變化情況，為黑龍江省玉米生產(chǎn)及旱澇災(zāi)害防御提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)處理

為便于統(tǒng)計(jì)與比較，根據(jù)黑龍江省玉米分布區(qū)域范圍、地理位置和種植制度特點(diǎn)，結(jié)合各產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)自然資源狀況，將各氣象站點(diǎn)分4個區(qū)域分析：①中南部玉米產(chǎn)區(qū)（以下簡稱“中南部玉米區(qū)”），包括哈爾濱市所轄市縣（除依蘭縣）、牡丹江市所轄市縣、綏化市東部肇東市、慶安等共20個站點(diǎn)；②松嫩平原西部干旱半干旱玉米產(chǎn)區(qū)（以下簡稱“西部玉米區(qū)”），包括齊齊哈爾市所轄市縣、大慶市所轄市縣、綏化市西部安達(dá)縣、明水縣、望奎縣、青岡縣等共17個站點(diǎn)；③三江平原溫和半濕潤玉米產(chǎn)區(qū)（以下簡稱“三江平原玉米區(qū)”），包括佳木斯市所轄市縣、鶴崗市所轄市縣、雙鴨山市所轄市縣、雞西市所轄市縣、依蘭縣等共15個站點(diǎn)[6]；④黑龍江省北部地區(qū)，包括黑河、伊春及大興安嶺地區(qū)等共11個站點(diǎn)。分區(qū)情況如圖1所示。黑龍江省北部地區(qū)非玉米主產(chǎn)區(qū)，但隨全球變暖，玉米種植界限北移，故本文引入黑龍江省北部地區(qū)部分市縣資料一并分析。

圖1 黑龍江省玉米產(chǎn)區(qū)分區(qū)Fig.1Partition of the maize growing areas in Heilongjiang Province

本文以黑龍江省63個氣象站點(diǎn)1965～2014年逐日降水量數(shù)據(jù)為研究對象，資料來源于黑龍江省氣象臺，利用Excel軟件對數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理及統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各市縣月降水量、年降水量及生長季降水量，計(jì)算各區(qū)域月降水量、年降水量及生長季降水量平均值。黑龍江省春玉米播種期一般為4月下旬至5月中旬，由于在雨養(yǎng)環(huán)境中播種前段降水影響播種期和苗期土壤水分，受全球氣候變暖等因素影響，黑龍江省農(nóng)業(yè)界限溫度起始日期提前[7]，所以文中將4～9月作為黑龍江省玉米生長季分析。

1.2 方法

1.2.1 降水量距平百分率

降水量距平百分率是表征某時(shí)段降水量較常年值偏差程度指標(biāo)之一，直觀反映降水異常引起氣象干旱[8]。降水量距平百分率因其計(jì)算簡單、物理意義明確，被廣泛應(yīng)用于氣象干旱監(jiān)測和評估[9]，其表達(dá)式為：

1.2.2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

氣候突變是指兩個穩(wěn)定氣候階段之間統(tǒng)計(jì)特征量發(fā)生顯著變化現(xiàn)象。Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[10]，不需樣本遵從一定分布，也不受少數(shù)異常值影響[11]。本文應(yīng)用Mann-Kendall法突變檢驗(yàn)，通過構(gòu)造秩序列：

秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個數(shù)累計(jì)數(shù)。

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立假定下，定義統(tǒng)計(jì)量

式中，UF1=0，E(Sk)、var（Sk）是累計(jì)數(shù)Sk均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時(shí)，由下式算出：

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是按時(shí)間序列x順序x1，x2，…，xn計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平α，若|UFi|＞UFα，則表明序列存在明顯趨勢變化。

按照時(shí)間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，重復(fù)上述過程得到逆序統(tǒng)計(jì)量值

UB1=-UFi（k=n，n-1，…，1）

其中，UB1=0。

繪制UFk和UBk曲線圖，若UFk＞0，則表明序列呈上升趨勢，UFk＜0則呈下降趨勢。當(dāng)其超過臨界線時(shí)，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，交點(diǎn)在臨界線之間，交點(diǎn)對應(yīng)時(shí)刻即突變發(fā)生時(shí)間。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）是通過計(jì)算某時(shí)段內(nèi)降水量Г分布概率，正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累計(jì)頻率分布劃分干旱等級研究方法；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)在不同地區(qū)和時(shí)段均具有良好計(jì)算穩(wěn)定性，可有效反映旱澇狀況[12]，適于月以上尺度氣候狀況的干旱監(jiān)測與評估[13]。

SPI計(jì)算公式為：

G(x)為與Г函數(shù)相關(guān)降水分布概率；x為降水量樣本值；S為概率密度正負(fù)系數(shù)。

當(dāng)G(x)＞0.5時(shí)，S=1；當(dāng)G(x)≤0.5時(shí)，S=-1。G (x)可由以下Г分布函數(shù)概率密度積分公式得到

式中，β和γ分別為Г分布函數(shù)尺度和形狀參數(shù)；c0、c1、c2和d1、d2、d3分別為Г分布函數(shù)轉(zhuǎn)換為累計(jì)頻率簡化近似求解公式計(jì)算參數(shù)，取值如下：c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

SPI計(jì)算涉及較復(fù)雜Г分布函數(shù)[14-15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省全省及各區(qū)域降水基本情況

黑龍江省近50年（1965～2014年）全省年平均降水量約519.9 mm，最大值為2013年690.9 mm，最小值為2001年385.5 mm；全省生長季（4～9月）降雨量平均值為457.7 mm，低于玉米生長季正常需水量，其中最大值為603.0 mm（1994年），最小值為333.7 mm（2001年）。近50年全省玉米生長季平均降水量低于500 mm年份多達(dá)36年，其中7年少于375 mm；大于600 mm僅1年（1994年）。

2.1.1 中南部玉米區(qū)降水基本情況

神華大準(zhǔn)鐵路田家石畔特大橋位于大準(zhǔn)線點(diǎn)岱溝至龍王渠區(qū)間，中心里程K3+332，橋梁全長1254m，采用2101-Ⅱ-26《人行道支架構(gòu)造圖》制作的寬度為1.55m角鋼支架人行道，在多年的運(yùn)營過程中，由于列車震動、銹蝕等原因，造成橋上部分拖架螺栓折斷。從人行道托架螺栓的折斷形式、托架支撐結(jié)構(gòu)的失效形態(tài)以及托架螺栓銹蝕、外觀質(zhì)量較差的情況可作出如下推斷：托架承擔(dān)了較大的人行道靜荷載，而螺栓銹蝕導(dǎo)致其自身強(qiáng)度和承載能力不斷降低，造成托架螺栓折斷的主要原因是在長期交變動應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。

中南部玉米區(qū)玉米種植面積大、產(chǎn)量高，是全省玉米高產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域地勢平坦，土壤多為黑鈣土，土質(zhì)肥沃，是全省溫度、土壤條件和生產(chǎn)水平最優(yōu)越地區(qū)。中南部玉米種植區(qū)年降雨量平均值約547.3 mm，最高值793.6 mm（1994年），最低值409.4 mm（1999年）。其中年降水量最大值1994年出現(xiàn)在尚志市，為1 024.6 mm，同年木蘭縣年降水量也超過1 000 mm，達(dá)1 017 mm；全區(qū)最小年降水量1989年出現(xiàn)在雙城區(qū)，當(dāng)年年降水量為246.9 mm。全區(qū)生長季降水量平均值約為475.8 mm，最大值為704.5 mm（1994年），最小值為333.8 mm（1999年）。其中生長季最大降水量出現(xiàn)在尚志市，為934.7 mm（1994年），同年木蘭縣和賓縣生長季降雨量也超過900 mm，分別為919.4 mm和909.5 mm；最小值在雙城1989年，為215.1 mm。全區(qū)平均生長季降雨量低于500 mm年份為31年，多于500 mm年份為19年，其中僅1年超過600 mm（1994年）。本區(qū)域內(nèi)近50年生長季降水量平均值不少于500 mm市縣有5個，分別為：五常519.4 mm、延壽504.7 mm、木蘭527.0 mm、巴彥518.4 mm、尚志547.2 mm；區(qū)域內(nèi)無生長季降水量平均值低于375 mm市縣。

2.1.2 松嫩平原西部玉米區(qū)降水基本情況

松嫩平原西部玉米種植區(qū)是黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)之一，該區(qū)域南部降水量少，土壤多為風(fēng)沙土，熱量資源充足；中北部地區(qū)土壤多為黑土，土質(zhì)肥沃。西部玉米區(qū)年降雨量平均值約459.9 mm，最高值為692.4 mm（1998年），最低值為2001年407.4 mm。其中年降水量最大值為1998年甘南縣981.3 mm，最小值在2001年泰來縣，僅189.2 mm。全區(qū)生長季降水量平均值約為421.6 mm，最大值為631.8 mm（1998年），最小值為275.4 mm（2004年）。其中生長季最大降雨量出現(xiàn)在甘南縣，為926.7 mm（1998年），最小值在2004年龍江縣，僅為158.7 mm，且西區(qū)各市縣生長季降水量最低值均低于300 mm。全區(qū)平均生長季降雨量低于500 mm年份多達(dá)39年，其中低于375 mm年份多達(dá)16年；超過600 mm年份為1年（1998年）。本區(qū)域內(nèi)無近50年生長季降雨量平均值達(dá)500 mm市縣，其中泰來356.9 mm和肇源374.1 mm生長季降雨量平均值低于375 mm。

2.1.3 三江平原玉米區(qū)降水基本情況

三江平原玉米種植區(qū)土壤多為草甸土，土質(zhì)肥沃；由于該區(qū)域地勢較低，易受澇災(zāi)。三江平原玉米區(qū)年降雨量平均值約539.7 mm，最大值為796.8 mm（1994年），最小值為351.7 mm（1975年）。其中年降水量最大值為1994年鶴崗市965 mm，且全區(qū)各市縣年降水量最大值均超過700 mm；最小值1975年出現(xiàn)在樺南縣，為276.2 mm。全區(qū)生長季降水量平均值約464.0 mm，最大值為702.8 mm（1994年），最小值為313.2 mm（1977年）。其中生長季最大降雨量出現(xiàn)在鶴崗市，為859.4 mm（1994年），最小值2003年出現(xiàn)在寶清，為226.7 mm，且全區(qū)各市縣最低生長季降水量除虎林市為301.1 mm外均少于300 mm。本區(qū)域內(nèi)生長季降雨量低于500 mm年份有30年，降雨量500～600 mm有18年，有2年高于600 mm。本區(qū)域內(nèi)鶴崗（553.2 mm）和蘿北（505.8 mm）近50年生長季降雨量平均值不少于500 mm，且其余13個市縣生長季降雨量平均值均不少于400 mm。

2.1.4 黑龍江省北部地區(qū)降水基本情況

黑龍江省北部地區(qū)年降雨量平均值約535.7 mm，最大值為715.3 mm（2013年），最小值399.2 mm（2007年）。本區(qū)域內(nèi)降水量最大值為1985年伊春市995.5 mm，最小值同樣出現(xiàn)在伊春市，為1979年274.3 mm。本區(qū)域生長季降水量平均值約為471.8 mm，最大值為625.4 mm（2013年），最小值為327.6 mm（2007年）。其中生長季最大降雨量1985年出現(xiàn)在伊春市，為875.9 mm；最小降雨量出現(xiàn)在漠河，為203.7 mm（2002年）。本區(qū)域內(nèi)生長季降雨量少于500 mm年份為35年，少于375 mm年份為2年，多于600 mm年份為2年。區(qū)域內(nèi)伊春546.9 mm、鐵力546.4 mm、五營532.7 mm近50年生長季降雨量平均值超過500 mm，無低于375 mm市縣。

2.2 全省及各區(qū)域近50年降水變化情況

2.2.1 全省及各區(qū)域年降水量變化情況

近50年黑龍江省全省及各區(qū)域年降水量變化形式見圖2，由圖2可見，全省年降雨量均值和各分區(qū)年降雨量值近50年中大多數(shù)年份在400～600 mm，全省年降雨量1965～1975年在500 mm線附近浮動，1976～1980年降雨量減少，2009～2014年又呈波動上升趨勢，2013年達(dá)最大值。省內(nèi)各區(qū)域年降水量變化趨勢與全省年降水量變化趨勢一致，中南部玉米區(qū)年降水量曲線變化情況與全省年降水量曲線接近，在1985～1989年有略高于全省線時(shí)段；西部玉米區(qū)在近50年中大部分年降水量均低于全省平均值，僅1998年出現(xiàn)高于全省平均值高值點(diǎn)（692.4 mm），有15年年降水量低于400mm；三江平原玉米區(qū)年降水量波動范圍較大，兩個年降水量高值點(diǎn)均出現(xiàn)在三江平原玉米區(qū)（1981和1994年），年降水量接近800 mm，而該區(qū)域年降水量低值則低至351.7 mm（1975年）；北部地區(qū)年降水量總體上略高于全省年降水量，僅在2003年達(dá)到高值（660.6 mm），高于全省及其他各區(qū)域年降水量值。

2.2.2 全省及各區(qū)域生長季降水量變化情況

近50年黑龍江省全省及各分區(qū)玉米生長季降水量變化形式如圖3所示，各分區(qū)玉米生長季降水量變化趨勢與全省范圍玉米生長季降水量總體上保持一致，全省玉米生長季降水量在1965～1980年處在降水量較低時(shí)期，低于500 mm；1981～1998年全省玉米生長季降水量值在500 mm浮動；在1999～2011年又經(jīng)歷降水量低于500 mm相對少雨期，從2012年開始又呈上升趨勢。最高值在三江平原區(qū)（702.8mm），最低值在西部玉米區(qū)（275.4 mm）。近50年生長季降水量波動變化幅度?。蝗皆衩讌^(qū)在1975～1979年生長季降水量明顯下降。

圖2 1965～2014年黑龍江省全省及各分區(qū)年降水量變化特征Fig.2 Annual precipitation of Heilongjiang Province and each region in 1965-2014

圖3 1965～2014年黑龍江省全省及各分區(qū)4～9月降水量變化特征Fig.3Precipitation in April to September of Heilongjiang Province and each region in 1965-2014

2.3各區(qū)域生長季降水距平百分率變化情況

如圖4所示，中南部玉米區(qū)生長季降水量平穩(wěn)，降水距平百分率波動不大，僅1年距平百分率超40%（1994年），有10年距平百分率絕對值略高于20%，其余均低于20%?？梢姡心喜坑衩讌^(qū)在1974～1980年處于生長季降水量下降時(shí)期，1983～1988年處于生長季降水量上升時(shí)期，1994年降水量達(dá)高值后距平百分率不斷波動，且負(fù)值多于正值，說明降水量下降年份多于上升年份。西部玉米區(qū)降水距平百分率波動幅度較大，該區(qū)域前15年（1965～1979年）間僅4年降水距平百分率為正值，說明該時(shí)期西部玉米區(qū)處于生長季降水量下降時(shí)期；1983～1988年，距平百分率均為正，降水量處于上升階段；在1998年達(dá)到高值后，距平百分率連續(xù)4年為負(fù)值，降水量再次下降，此后距平百分率不斷波動，2012～2014年再次出現(xiàn)降水量上升期。三江平原玉米區(qū)總體降水距平百分率波動不大，但該區(qū)域高值和低值絕對值很大，高值約為51.5%、低值約為-32.5%，說明該區(qū)域在氣候異常時(shí)易出現(xiàn)降水，導(dǎo)致旱澇災(zāi)害發(fā)生，該區(qū)域降水不斷波動，僅1975～1980年降水量持續(xù)下降。北部地區(qū)近50年生長季降水量變化較為平穩(wěn)，距平百分率無絕對值超過40%極值，2013和2007年分別超過30%高值和低值（其余大多年份降水距平百分率絕對值小于20%；該區(qū)域1973～1980年降水距平百分率為負(fù)值，生長季降水量處于下降期，此后降水距平百分率不斷波動變化，多為負(fù)值。

圖4 各區(qū)域生長季降水距平百分率變化趨勢Fig.4Variation trends of each region's growth season precipitation anomaly percentage

2.4 各區(qū)域多年生長季降水量突變分析

利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法研究黑龍江省各玉米種植區(qū)多年降水量突變性，結(jié)果表明，除西部玉米區(qū)個別年份有顯著上升趨勢外，四個區(qū)域近50年生長季降水量未出現(xiàn)顯著變化。各區(qū)域Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由于M-K方法不適用于多點(diǎn)突變檢驗(yàn)，故采用滑動T檢驗(yàn)法確定突變點(diǎn)。結(jié)果結(jié)合Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果，可判斷各區(qū)域生長季降水量突變點(diǎn)分別為：中南部玉米區(qū)突變點(diǎn)在1984和1995年附近，西部玉米區(qū)突變點(diǎn)在1981和1998年附近，三江平原玉米區(qū)突變點(diǎn)在1981和1994年附近，北部地區(qū)突變點(diǎn)在1981年和1997年附近。黑龍江省近50年玉米生長季降水量突變主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代初期和90年代中后期，與靳春香[16]等研究結(jié)果一致。

圖5 各區(qū)域Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.5Results of Mann-Kendall tests in each region

表1 各區(qū)域突變點(diǎn)Table 1 Abrupt changes of precipitation in each region

2.5 各區(qū)域年尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)變化情況

黑龍江省各區(qū)域以年為尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI12）變化情況如圖6所示?？傮w上，各區(qū)域SPI值與其年降水量變化趨勢一致。-0.5＜SPI＜0.5為正常；-1.0＜SPI≤-0.5、-1.5＜SPI≤-1.0、 -2.0＜SPI≤-1.5和SPI≤-2.0分別代表輕度干旱、中度干旱、重度干旱和特別干旱；0.5≤SPI＜1.0、1.0≤SPI＜1.5、1.5≤SPI＜2.0和SPI≥2.0分別代表輕度濕潤、中度濕潤、重度濕潤和特別濕潤。由圖6可知，4個區(qū)域各出現(xiàn)1次特別干旱和特別濕潤情況，三江平原玉米區(qū)特別干旱年出現(xiàn)在1975年，中南部玉米區(qū)、西部玉米區(qū)和北部地區(qū)特別干旱年則比較接近，分別出現(xiàn)在1999、2001和2007年；另一方面，中南部玉米區(qū)和三江平原玉米區(qū)特別濕潤年份均出現(xiàn)在1994年，西部玉米區(qū)為1998年，北部地區(qū)則出現(xiàn)在2013年。上述情況與各區(qū)域年降水量變化情況吻合，說明標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)體現(xiàn)不同地區(qū)年際間干濕程度變化。特別干旱年和特別濕潤年除三江平原區(qū)特別干旱年出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代外，其余均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后，表明20世紀(jì)90年代中期以來黑龍江省極端氣候頻繁。

由于SPI計(jì)算特性，即假定所有地點(diǎn)發(fā)生極端旱澇時(shí)間概率相同，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)無法標(biāo)識旱澇頻發(fā)地區(qū)；但由于其本身注重標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布，可體現(xiàn)旱澇年際變化。由圖5結(jié)合SPI旱澇等級標(biāo)準(zhǔn)可見，黑龍江省在20世紀(jì)70年代處于比較干旱時(shí)期，80年代呈濕潤趨勢，90年代末至21世紀(jì)初處較干旱階段，2012年始再次進(jìn)入相對濕潤時(shí)期。

圖6 各區(qū)域年度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)變化情況Fig.6SPI12of each region

2.6 各區(qū)域生長季降水量月均變化特征

黑龍江省各區(qū)域多年生長季降水量逐月平均值曲線見圖7。由圖7可知，4個區(qū)域月均降水量變化趨勢基本一致，均為4～6月逐漸增加，在7月時(shí)達(dá)最大值，8和9月逐漸下降。西部玉米區(qū)除7月外其他各月降水量均少于另外3個區(qū)域，特別是5、8和9月；中南部玉米區(qū)和北部地區(qū)在生長季中各月降水量較接近；三江平原玉米區(qū)7月降水量明顯少于另外3個區(qū)域，其余5個月降水量與中南部玉米區(qū)和北部地區(qū)接近。

玉米在不同生長期需水量不同，生育期干旱導(dǎo)致玉米減產(chǎn)，其中抽雄吐絲期水分脅迫造成減產(chǎn)最嚴(yán)重[17]。黑龍江省西部半干旱區(qū)玉米4～9月需水量依次為：25～40.8、45～51.5、115～136.5、185～215.8、130～158.7和65～72 mm，其他地區(qū)玉米生長季需水量接近或略低于該參考值[18-19]。

圖7 黑龍江省各區(qū)域生長季降水量逐月平均值Fig.7Average value of monthly precipitation in growth season of each region in Heilongjiang Province

由圖5可知，黑龍江省各區(qū)域6和7月降水量明顯低于玉米當(dāng)月需水量，說明各區(qū)域在正常年份兩月降水無法滿足玉米正常生長發(fā)育需要；中南部玉米區(qū)、三江平原玉米區(qū)和北部地區(qū)在4、5、8和9月降水量均可達(dá)到或接近需水量參考值，說明這3個地區(qū)4、5、8、9月降水量可滿足玉米正常生長需要；西部玉米區(qū)在整個生長季降水量均低于需水量參考值，說明西部玉米區(qū)在正常年份玉米生長整體上處于缺水狀態(tài)。各區(qū)域生長季每月玉米灌溉水量參考值見表2。由于黑龍江省各地區(qū)玉米播種時(shí)間不同，統(tǒng)一自5月始計(jì)算各區(qū)域玉米生長季灌溉需水量。

表2 黑龍江省各區(qū)域玉米生長季灌溉需水量Table 2Irrigation water requirement of each region in Heilongjiang Province in maize growth season

3 討論

作物產(chǎn)量與氣候條件相關(guān)，玉米生長發(fā)育受水分、溫度、光照、營養(yǎng)物質(zhì)等自然條件變化和干旱和洪澇等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害影響。本文重點(diǎn)分析降水因素對黑龍江省玉米生產(chǎn)影響，但未考慮玉米品種差異、研究區(qū)地理特點(diǎn)和人為因素等影響，有待后續(xù)研究深入探討。

前人研究通常未將黑龍江省北部地區(qū)作為玉米種植區(qū)影響，本文重點(diǎn)討論降水對玉米種植適宜性影響，考慮全球氣候變暖、黑龍江省玉米種植界限北擴(kuò)等原因，將北部地區(qū)納入研究范圍，全面分析黑龍江省降水資源分布情況。

4 結(jié)論

a.近50年黑龍江省范圍年降水量未出現(xiàn)大幅波動，總體上在400～600 mm變動；玉米生長季降水量在400～500 mm波動，平均值約457.7 mm。在降水量正常年份，可滿足玉米生長基本需要，但無法滿足玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)所需水分，需灌溉補(bǔ)充。

b.從各分區(qū)看，中南部玉米區(qū)、三江平原玉米區(qū)和黑龍江省北部地區(qū)生長季降水量高于全省平均值，分別為475.8、464.0和471.8 mm。其中，中南部玉米區(qū)和北部地區(qū)生長季降水量變化趨勢較平穩(wěn)；而三江平原地區(qū)年際間波動幅度較大，最大值達(dá)702.8 mm，最小值為313.2 mm，說明該地區(qū)降水量年際分布不均，出現(xiàn)降水異常時(shí)易發(fā)生水旱災(zāi)害。松嫩平原西部玉米區(qū)是4個區(qū)域中生長季降水量最少地區(qū)，生長季降水量平均值約421.6 mm，低于全省平均值；特別是泰來和肇源生長季降水量平均值低于375 mm，無法滿足玉米生長對水分基本需求，須灌溉維持玉米正常生長。

c.根據(jù)降水距平百分率和Mann-Kendall突變分析結(jié)果，西部玉米區(qū)生長季降水量波動強(qiáng)烈，其次為三江平原地區(qū)，中南部玉米區(qū)和黑龍江省北部地區(qū)生長季降水量年際間分布均勻。Mann-Kendall突變分析表明，4個區(qū)域均存在2次突變，發(fā)生時(shí)間接近，分別在20世紀(jì)80年代初期和90年代中后期，第一次突變由降轉(zhuǎn)升，第二次突變由升轉(zhuǎn)降。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)變化情況則顯示20世紀(jì)90年代以來黑龍江省極端氣候頻繁出現(xiàn)。

d.各區(qū)域生長季逐月降水量分析顯示，黑龍江省內(nèi)4個區(qū)域玉米生長季月均降水量變化趨勢一致，均從4月始逐漸增加，至7月達(dá)最大值，8和9月下降。與玉米生長季需水量參考值比較說明，中南部玉米區(qū)、三江平原玉米區(qū)和北部地區(qū)玉米缺水發(fā)生時(shí)段主要集中在6和7月，5、8、9月自然降水量可滿足玉米正常生長需要；西部玉米區(qū)整個生長季處于缺水狀態(tài)，須灌溉維持玉米正常生長。

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Study on planting suitability of maize in Heilongjiang Province based

on precipitation

/SUN Yankun,GAO Songyang,CAO Yina,XU Jiaqi,WANG Zhenhua(School of

Resources and Environmental Sciences,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

This paper was based on the precipitation data of 63 meteorological stations in Heilongjiang Province,from 1965 to 2014,the variation trend and characteristics of precipitation in recent 50 years among different regions in Heilongjiang Province by using the methods of precipitation anomaly percentage,Mann-Kendall method and SPI,and estimate the short periods of water in combination with the water demand characteristics of maize.Results showed that,In recent 50 years,the average precipitation of Heilongjiang Province during maize growth season was about 457.7 mm,that could satisfy the basic needs of maize growth and development on water.In Heilongjiang Province,the growing season precipitations of the central and southern region,the Sanjiang Plain region and the northern region were higher than the average precipitation of the whole province,but the precipitation of the western region was lower,especially in Tailai and Zhaoyuan,the average growing season precipitations were lower than 375 mm,irrigation must be used to maintain normal growth of maize.The inter-annual change of growing season precipitations in thenorthern region and the central and southern region were small;but in the Sanjiang Plain region and the western region were unstable,floods and droughts were likely to occur.There were two abrupt changes of growing season precipitations in Heilongjiang Province,in early 1980s and mid and late 1990s.In the western region,almost the whole maize growth period was in lack of water,irrigation was needed to add moisture;in the other regions,the main water shortage period was in June and July.The results provided reference for the precipitation research and water resources allocation in maize planting areas in Heilongjiang Province.

Heilongjiang Province;precipitation;abrupt change;maize

S513

A

1005-9369（2017）01-0033-09

2016-11-07

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署綠色發(fā)展項(xiàng)目（CPR/06/209-02）

孫彥坤（1966-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣象學(xué)。E-mail:511064380@qq.com

時(shí)間2017-1-9 15:46:12[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170109.1546.020.html

孫彥坤,高松陽,曹義娜,等.基于降水量的黑龍江省玉米種植適宜性研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(1):33-41.

Sun Yankun,Gao Songyang,Cao Yina,et al.Study on planting suitability of maize in Heilongjiang Province based on precipitation[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(1):33-41.(in Chinese with English abstract)