黑龍江省基于降雨的干旱時(shí)空分布及玉米灌溉需水規(guī)律研究

朱偉峰，劉　瀟，李芳花，鄭文生

(1.黑龍江省農(nóng)田水利管理中心，哈爾濱 150040；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

黑龍江省是中國重要的商品糧生產(chǎn)基地，在保障國家糧食安全方面具有戰(zhàn)略地位,近年來也是干旱災(zāi)害發(fā)生比較頻繁的地區(qū)之一。旱災(zāi)造成了糧食減產(chǎn)，影響了區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，因此，研究農(nóng)業(yè)干旱時(shí)空分布，為政府部門抗旱決策，防災(zāi)減災(zāi)起到技術(shù)支撐[1,2]。

黑龍江省享有“北大倉”的美譽(yù)，種植作物有玉米、水稻、豆類等，多半為“雨養(yǎng)”農(nóng)業(yè)，玉米種植在黑龍江地區(qū)有悠久的歷史，是當(dāng)?shù)刂匾募Z食和飼料作物。由于水資源時(shí)空分布不均，農(nóng)作物生長的季節(jié)性與降雨供給不匹配，春季降水量僅占全年總量的20%，造成該區(qū)域極易發(fā)生季節(jié)性干旱[3,4]。黑龍江省春季和夏季易出現(xiàn)干旱，尤其以春旱居多，影響了玉米苗齊、苗全、苗壯，導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)[5]。研究黑龍江省降雨時(shí)空分布規(guī)律及干旱空間分布，確定干旱對(duì)玉米需水量的影響，對(duì)黑龍江省主要作物玉米有效抗旱減災(zāi)措施具有重要作用[6]。

干旱按類型分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱4種[7]，氣象干旱指蒸發(fā)和降水不均衡導(dǎo)致水分短缺；農(nóng)業(yè)干旱是以土壤濕度和植物生長態(tài)勢為指標(biāo)，反映土壤濕度低于植物需水量的程度；水文干旱是河川徑流低于正常值或含水層水位降落的現(xiàn)象；社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱指在自然、人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，因水分短缺影響生產(chǎn)、消費(fèi)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的現(xiàn)象[7]。降水距平百分率的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單[9]，只考慮降水，沒有考慮其他干旱影響因子。在以往的研究中，往往是根據(jù)實(shí)際的降雨數(shù)據(jù)來求某實(shí)際年的降雨距平，很少有人通過降雨頻率來研究某地區(qū)的干旱分布規(guī)律[8]。

目前，研究黑龍江省干旱研究在干旱與氣象因子關(guān)系、干旱演變趨勢、干旱時(shí)空特征上[8]，對(duì)玉米各生育階段的研究很少，此外，結(jié)合黑龍江省不同時(shí)段降雨規(guī)律以及降雨距平來研究不同降雨頻率下玉米需水規(guī)律的研究還少見報(bào)道。本文主要根據(jù)黑龍江地區(qū)72個(gè)站點(diǎn)1990-2015年的降雨數(shù)據(jù)，分析了各地區(qū)5-9月的降雨時(shí)空分布，并根據(jù)計(jì)算的降雨距平，計(jì)算了50%、75%、90%降雨概率下的干旱情況，同時(shí)，得到了不同降雨概率下的全省各地區(qū)玉米凈灌溉需水的空間分布。據(jù)此，全面地分析了黑龍江各地區(qū)旱情以及玉米在生育期的需水情況，將研究尺度細(xì)化到縣域尺度，為黑龍江省的玉米種植提供了理論支持。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1　研究區(qū)概況

黑龍江省在我國東北邊疆，東部、北部隔烏蘇里江、黑龍江與俄羅斯相望，南部接壤吉林省，西部毗鄰內(nèi)蒙古?？偼恋孛娣e45.4 萬km2，其中山地占24.7%，丘陵占35.8%，平原占37.0%，水面及其他占2.5%。地貌特征是西北部大興安嶺山地，北部小興安嶺山地，東南部由老爺嶺、張廣才嶺、太平嶺和完達(dá)山組成山地；東北部為三江平原，東部興凱湖平原，西南部松嫩平原；丘陵主要分布在山地與平原的過渡地帶。地勢特征是西北部、北部和東南部高，東北部和西南部低。

黑龍江省地處歐亞大陸的東側(cè)，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季多風(fēng)少雨干旱，夏季短促濕熱多雨，秋季冷涼霜凍頻繁，冬季漫長干燥嚴(yán)寒。多年平均降水量531.4 mm，多年平均水面蒸發(fā)量E601為900 mm，年平均氣溫2.2 ℃，大于10 ℃年積溫1 900～2 800 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 482 h，無霜期100～140 d。

黑龍江省水資源十分短缺，水資源總量占全國的2.7%，耕地平均占有水資源量6 900 m3/hm2，僅相當(dāng)于全國平均水平的23%。降雨時(shí)空分布不均，多半集中在6-9月，約占全年降雨量60%～80%。且東部多、西部少、山區(qū)多、平原少。

1.2　數(shù)據(jù)來源與處理

利用黑龍江省1990-2015年各市縣72個(gè)站點(diǎn)的逐月月降雨資料，推求各站點(diǎn)5-9月各月平均雨量，以及玉米全生育期(5-9月)的平均雨量。同時(shí)，使用適線法得到5-9月各月，以及玉米全生育期(5-9月)的50%、75%、90%降雨頻率下的降雨量。

1.3　研究方法

1.3.1降雨距平百分率及干旱等級(jí)劃分

降雨距平百分率可直觀反映因降雨異常引起的干旱，是表征某時(shí)段降雨量較常年同期值偏多或偏少的重要指標(biāo)之一，為氣象干旱評(píng)估參數(shù)之一。

某時(shí)段降雨距平百分率(Pa)按式(1)計(jì)算：

(1)

參考前人研究[9, 13-16]，基于降雨距平百分率的氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)，見表1所示。

表1　基于降水距平百分率的氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)

注：連續(xù)月距平指標(biāo)為各單月降水距平百分率，累積月距平指標(biāo)為多月累積降水距平百分率。

1.3.2研究框架

本文的研究框架如圖1所示。

2　結(jié)果與分析

2.1　黑龍江地區(qū)降雨時(shí)空分布規(guī)律

利用1990-2015年的降雨數(shù)據(jù)，計(jì)算5-9月各月以及玉米全生育期的多年平均降雨量，見圖2～圖7，分析得出：從時(shí)間尺度來看，以7月降雨最為豐富，各地降雨多集中在120～150 mm,6、8月次之，各地降雨多集中在60～120 mm，而5月、9月降雨最少，各地降雨多集中在30～60 mm。在玉米的生育期(5-9月)，從空間尺度來看，黑龍江中部地區(qū)(伊春、綏化、哈爾濱及其所屬各縣)、東部地區(qū)(佳木斯、鶴崗、雙鴨山及其所屬各縣)在各月降雨均較豐富，黑龍江西部(齊齊哈爾、大慶及其所屬各縣)、北部地區(qū)(大興安嶺地區(qū))降雨較少。5月，黑龍江西部地區(qū)降雨最少，在30 mm左右，黑龍江南部及東部地區(qū)降雨最多，在60 mm左右。6月，大興安嶺地區(qū)及撫遠(yuǎn)、饒河、同江、綏濱地區(qū)降雨最少，在70 mm左右，伊春、鶴崗地區(qū)降雨最多，能夠達(dá)到110 mm以上。7月，大興安嶺、佳木斯西部地區(qū)以及牡丹江降雨最少，降雨量在120 mm左右，伊春降雨量最多，能夠達(dá)到160 mm以上。8月，大興安嶺、大慶地區(qū)降雨量最少，在80 mm左右，伊春、綏化以及哈爾濱地區(qū)降雨量最多，在130 mm左右。9月，各地降雨量差別不大，降雨量集中在40～60 mm。從全生育期來看，黑龍江地區(qū)的降雨量以黑龍江中部為中心向四周遞減，在中部降雨量較多地區(qū)，可以達(dá)到500 mm左右，在西部以及大興安嶺降雨較少地區(qū)，降雨量在350 mm左右。

圖1　黑龍江省基于降雨的干旱時(shí)空分布及玉米灌溉需水規(guī)律研究框架

圖2　5月多年平均降雨量分布(單位：mm)

圖3　6月多年平均降雨量分布(單位：mm)

圖4　7月多年平均降雨量分布(單位：mm)

圖5　8月多年平均降雨量分布(單位：mm)

圖6　9月多年平均降雨量分布(單位：mm)

圖7　5-9月(玉米全生育期)多年平均降雨量分布(單位：mm)

將黑龍江玉米的生育階段劃分為苗期(5月11日-6月20日)、拔節(jié)-孕穗期(6月21日-7月15日)、抽穗-開花期(7月16日-8月10日)和灌漿-成熟期(8月11日-9月30日)。黑龍江省西部半干旱玉米5-9月需水量依次為：45～51.5、115～136.5、185～215.8、130～158.7和65～72 mm[9, 13-16]。其他地區(qū)玉米生長季需水量接近或略低于該參考值。其中由圖2～圖7可知，5月，黑龍江西部齊齊哈爾及大慶地區(qū)，需要灌溉10～20 mm。東部地區(qū)及中部地區(qū)基本可以超過需水量，北部地區(qū)基本也可以達(dá)到需水量。6月，需水較多，但是黑龍江省整體降雨量較少，因此除伊春等中部地區(qū)，其他地區(qū)均需進(jìn)行灌溉，降雨較少的大興安嶺地區(qū)需要灌溉40 mm左右，其他地區(qū)大概需灌溉30 mm。7月各地區(qū)降水較豐富，但玉米需水量也較多，因此西部地區(qū)需灌溉30～50 mm，其他地區(qū)需要灌溉20～40 mm。8月各地降雨量增多，但玉米需水量減少，除西部地區(qū)需灌溉20 mm左右，其他地區(qū)均不需要灌溉。9月，黑龍江除西部地區(qū)需灌溉15 mm左右，其他地區(qū)均不需要灌溉。

2.2　黑龍江地區(qū)干旱空間分布規(guī)律

利用1990-2015年的降雨數(shù)據(jù)，針對(duì)玉米全生育期(5-9月)降雨量，計(jì)算得到50%、75%以及90%降雨頻率下的降雨距平百分率分布數(shù)據(jù)，見圖8-圖11。分析得出：在50%降雨頻率下，全省各地降雨距平百分率大部分集中在-10%～0%，在該降雨條件下，全省各地基本處于非干旱狀態(tài)。在75%降雨頻率下，全省各地降雨距平百分率大部分集中在-30%～10%區(qū)間，此時(shí)，黑龍江西部地區(qū)，東北部地區(qū)，均出現(xiàn)干旱情況，但旱情并不嚴(yán)重。大慶、齊齊哈爾地區(qū)降雨距平百分率較低，在25%左右，剛剛達(dá)到干旱水平，其他地區(qū)降雨距平百分率在15%左右。在90%降雨頻率下，全省各地降雨距平百分率大部分集中在-50%～30%區(qū)間，黑龍江中部、西部以及佳木斯地區(qū)均達(dá)到干旱標(biāo)準(zhǔn)，且以龍江、泰來、明水、黑河以及鶴崗地區(qū)最為嚴(yán)重。而牡丹江地區(qū)降雨距平百分率最低，東寧、綏芬河等地在此降雨頻率下也未達(dá)到干旱標(biāo)準(zhǔn)。

圖8　50%降雨頻率下黑龍江地區(qū)降雨距平百分率(單位：%)

圖9　75%降雨頻率下黑龍江地區(qū)降雨距平百分率(單位：%)

圖10　90%降雨頻率下黑龍江地區(qū)降雨距平百分率(單位：%)

2.3　不同降雨頻率下玉米灌溉需水量空間分布特征

參考前人的研究成果[19](劉鈺在《中國主要作物灌溉需水量空間分布特征》中，通過氣象數(shù)據(jù)采用作物系數(shù)法計(jì)算得到的作物需水量)，對(duì)黑龍江省全生育期玉米需水量進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)結(jié)果如表2所示，結(jié)合得到的50%、75%以及90%降雨頻率下的各地區(qū)降雨量，得到黑龍江各地區(qū)的玉米灌溉需水量空間分布圖，如圖11～圖13所示。根據(jù)所得到結(jié)果可知：在50%降雨頻率下，只有黑龍江西部的泰來、杜蒙、肇源等地需要灌溉，且需水量均在50 mm以下，大部分均可以采取雨養(yǎng)方式。在75%降雨概率下，缺水程度增加，需要灌溉的地區(qū)增多，灌溉需水量整體增加，以黑龍江西部以及佳木斯、雙鴨山、七臺(tái)河部分地區(qū)灌溉需水量最多，西部的泰來、杜蒙、林甸、肇源達(dá)到100 mm以上，東部的富錦、寶清、友誼在70 mm左右。大興安嶺地區(qū)以及黑龍江中部地區(qū)需水量較少，雨養(yǎng)即可。在90%降雨頻率下，全黑龍江地區(qū)都需要對(duì)于玉米進(jìn)行灌溉。黑龍江西部需水最多，泰來、龍江、肇源、杜蒙、林甸以及富裕等地，灌溉需水量在170 mm左右，大興安嶺地區(qū)灌溉需水量最少，在30 mm左右。

表2　黑龍江省需水量分區(qū)

圖11　50%降雨頻率下玉米灌溉需水分布(單位：mm)

圖12　75%降雨頻率下玉米灌溉需水分布(單位：mm)

圖13　90%降雨頻率下玉米灌溉需水分布(單位：mm)

3　結(jié)　語

研究結(jié)果表明，黑龍江地區(qū)在75%及以上的降雨概率下，玉米的生長就會(huì)受到干旱的威脅。本文基于降水距平指數(shù)分析了1990-2015年黑龍江地區(qū)春玉米全生育期在不同降雨頻率下的干旱分布空間特征，同時(shí)得到了玉米的灌溉需水量分布情況。結(jié)果表明：

(1)在空間分布上，黑龍江省比較易發(fā)生干旱的地區(qū)為黑龍江西部的齊齊哈爾、龍江、杜蒙、泰來、大慶、肇州、肇源等地以及黑龍江東北部的鶴崗、樺川等地。從降雨量來說，降雨量較多的是黑龍江的中部以及南部地區(qū)，主要包括佳木斯、哈爾濱以及牡丹江及其所屬市縣。

(2)在時(shí)間尺度上，7、8月是降雨較多的月份，但同時(shí)也是玉米需水量最多的月份，因此，該時(shí)間段也是灌溉需水量最多的月份。需水最多的黑龍江西部地區(qū)7月灌溉水量為30～50 mm，8月灌溉水量在20 mm左右。與前人研究結(jié)果相符[20]。

(3)考慮不同降雨頻率，在50%降雨頻率下，黑龍江大部分地區(qū)都沒有發(fā)生干旱，除黑龍江西部的齊齊哈爾、富裕、林甸、杜蒙、泰來、肇源以及東部的富錦、友誼以及寶清等地基本不需要進(jìn)行灌溉；在75%降雨概率下，黑龍江有少部分地區(qū)發(fā)生干旱，包括龍江、肇州、明水、鶴崗，此時(shí)，黑龍江西部大部分地區(qū)及黑龍江東部的佳木斯、雙鴨山及其所屬市縣需要進(jìn)行灌溉；在90%降雨頻率下，除東寧、海林、哈爾濱、巴彥、樺南等少部分地區(qū)，黑龍江大部分地區(qū)都達(dá)到了干旱標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有地區(qū)均需要進(jìn)行灌溉。

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