黑龍江省玉米苗期低溫冷害與干旱混發(fā)特征及其對(duì)產(chǎn)量的影響

姜麗霞，李秀芬，朱海霞，高 明，王秋京，閆 平，宮麗娟，翟 墨，紀(jì)仰慧，王 萍

(1.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，中國(guó)氣象局東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省氣象院士工作站，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象局，黑龍江 哈爾濱 150030)

黑龍江省為中國(guó)最大的玉米產(chǎn)區(qū)，近年其玉米種植面積和產(chǎn)量均居于全國(guó)首位，年種植面積和總產(chǎn)量均占全國(guó)15%以上，在保障全國(guó)糧食安全中占有舉足輕重的地位。但黑龍江省處于中國(guó)最北部，受特殊地理位置和氣候暖干化雙重影響，極易發(fā)生低溫冷害和干旱，對(duì)玉米生產(chǎn)影響較為顯著[1-3]，常常造成玉米產(chǎn)量下降，其中僅低溫冷害就導(dǎo)致玉米減產(chǎn)15%以上[4-7]，而低溫冷害與干旱疊加的影響問題更為突出。

氣候變暖及其引發(fā)災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)、生態(tài)等領(lǐng)域造成的影響倍受各國(guó)政府、學(xué)術(shù)界乃至社會(huì)公眾的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者一直致力于低溫冷害、干旱等災(zāi)害及其對(duì)玉米的影響研究，并已取得顯著成果[8-20]。大量研究明確了不同時(shí)期兩種災(zāi)害變化趨勢(shì)及演變特征[11]，修訂完善了災(zāi)害指標(biāo)[12-13]，建立了災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)模型及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型[14-16]，分析探討了兩種災(zāi)害對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[17-20]。研究表明，在氣候變暖影響下，低溫冷害的發(fā)生存在不確定性特征，其在未來(lái)任何年份發(fā)生的可能性依然存在[21]，同時(shí)，全球干旱大幅增加[8]，21世紀(jì)干旱風(fēng)險(xiǎn)仍在升高[9]，而與氣候變暖相伴發(fā)生的低溫冷害、季節(jié)性干旱等頻率的增大更是對(duì)糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性造成巨大影響，使糧食生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加[22]。從低溫冷害、干旱對(duì)玉米影響來(lái)看，苗期低溫脅迫抑制玉米生長(zhǎng)，并最終導(dǎo)致玉米生物量與產(chǎn)量下降[6]，低溫冷害嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)死苗現(xiàn)象[20]，當(dāng)溫度低于下限溫度(10℃)2℃時(shí)，玉米灌漿時(shí)間推后1～6 d，減產(chǎn)6.29%～23.56%，低于4℃玉米灌漿時(shí)間推后1～7 d，減產(chǎn)率升高，為6.82%～28.12%，可見低溫強(qiáng)度越大、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，玉米減產(chǎn)越嚴(yán)重[23]；干旱影響也體現(xiàn)在諸多方面，春末夏初干旱影響玉米播種、出苗，苗期干旱則抑制秧苗生長(zhǎng)，造成植株矮小，發(fā)育不良[24]，玉米生長(zhǎng)期受旱會(huì)導(dǎo)致發(fā)育期延遲甚至全生育期延長(zhǎng)，且較易引發(fā)減產(chǎn)[25]，出苗期延遲1d即導(dǎo)致玉米單產(chǎn)下降2.9%[7]，而2003年黑龍江省的春夏連旱更是導(dǎo)致玉米單產(chǎn)下降至該省1994—2014年間的最低值[24]。

縱觀以往關(guān)于低溫冷害、干旱及其對(duì)玉米的影響研究，發(fā)現(xiàn)研究者多選擇單一災(zāi)害進(jìn)行分析，獲得的結(jié)論一般為一種災(zāi)害對(duì)玉米的影響評(píng)估。事實(shí)上，在高緯度寒地玉米生長(zhǎng)的同一時(shí)期，常常會(huì)出現(xiàn)低溫冷害、干旱混合發(fā)生現(xiàn)象，而兩種災(zāi)害混合發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響狀況仍未十分明確，并且利用更新氣象數(shù)據(jù)、采用中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研究黑龍江省低溫冷害、干旱混合發(fā)生特征及其對(duì)玉米產(chǎn)量影響的研究報(bào)道基本未見?；诖?，針對(duì)最易發(fā)生低溫冷害及春末夏初干旱的黑龍江地區(qū)，分析玉米生長(zhǎng)初期低溫冷害、干旱混合發(fā)生的時(shí)空演變特征，研究低溫冷害、干旱疊加對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，為深入探討產(chǎn)量損失的量化細(xì)化、揭示多種災(zāi)害對(duì)作物產(chǎn)量的影響機(jī)制提供理論基礎(chǔ)，以期為農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)及作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供參考。

1 資料來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為中國(guó)高緯度寒區(qū)(47.80°—44.90°N，123.18°—131.12° E)，處于東北平原的松嫩平原和三江平原，為一季農(nóng)作物種植區(qū)，主要大宗糧食作物包括玉米、水稻、大豆。氣候?qū)俑呔暥却箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，為典型的雨熱同季，且地勢(shì)平坦、土壤肥沃，對(duì)發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有明顯優(yōu)勢(shì)。春末夏初(5—6月)平均氣溫和降水變率大，常常出現(xiàn)低溫、少水天氣并易形成低溫冷害和干旱，玉米出苗～七葉期恰處于該時(shí)間段，生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成受到影響[24]。該區(qū)5—6月平均氣溫為16.6 ℃～18.6 ℃，降水量110.6～158.9 mm，日照時(shí)數(shù)為448.6～537.0 h。

1.2 資料來(lái)源

受玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)資料限制，選取黑龍江省15個(gè)玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站進(jìn)行研究，15站均勻分布在黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)內(nèi)，玉米年種植面積基本在1.0×105hm2以上，可代表黑龍江省玉米生產(chǎn)實(shí)際狀況，并能夠很好反映熱量、水分等分布概況和趨勢(shì)，保證了研究的客觀性，同時(shí)為了更加細(xì)致分析低溫冷害、干旱對(duì)不同區(qū)域玉米的影響，根據(jù)研究站點(diǎn)的地理位置和氣候特征，將研究區(qū)劃分為松嫩平原和三江平原，并再將松嫩平原細(xì)劃為4個(gè)區(qū)域，具體見表1。所用資料包括15站1981—2016年逐日平均氣溫、降水資料及玉米發(fā)育期觀測(cè)數(shù)據(jù)，均來(lái)自黑龍江省氣象局整編資料。15站玉米單產(chǎn)來(lái)自黑龍江省統(tǒng)計(jì)局。玉米發(fā)育期觀測(cè)資料按照中國(guó)氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》[26]的要求進(jìn)行，為保證資料的連續(xù)性，作物觀測(cè)保持了觀測(cè)方法的一致性，所觀測(cè)品種的熟期在研究期間基本保持一致，田間管理與當(dāng)?shù)卮筇锉３忠恢?，且耕作方式不變?/p>

表1 研究站點(diǎn)概況

1.3 研究方法

1.3.1 玉米低溫冷害、干旱判識(shí) 楊霏云等、李秀芬等分別研究制定了中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)北方春玉米冷害評(píng)估技術(shù)規(guī)范(QX/T167-2012)[27]、北方春玉米干旱等級(jí)(QX/T259-2015)[28](以下簡(jiǎn)稱為標(biāo)準(zhǔn)[27]、[28])，2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了玉米生長(zhǎng)季內(nèi)關(guān)鍵發(fā)育期冷害、干旱的評(píng)估指標(biāo)，本文以≥10℃積溫距平(H)作為指示玉米冷害的指標(biāo)，以水分虧缺指數(shù)(KCWDI)作為判識(shí)玉米干旱的指標(biāo)，以玉米出苗～七葉期為研究時(shí)間段，該發(fā)育期采用中國(guó)氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》[26]中規(guī)定觀測(cè)的普遍發(fā)育期。參照上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，確定玉米出苗～七葉期低溫冷害、干旱判識(shí)指標(biāo)：對(duì)于冷害，當(dāng)積溫距平H<-30℃·d、H<-35℃·d、H<-40℃·d時(shí)，判識(shí)玉米早熟、中熟、晚熟品種分別發(fā)生延遲型冷害[27]；對(duì)于干旱，標(biāo)準(zhǔn)[28]中未考慮作物熟型，即所定指標(biāo)普適于任意熟型品種，則參考標(biāo)準(zhǔn)[28]規(guī)定當(dāng)水分虧缺指數(shù)KCWDI>50%時(shí)即發(fā)生干旱。本文依據(jù)如上指標(biāo)對(duì)玉米出苗～七葉期的低溫冷害、干旱分別進(jìn)行判識(shí)，若在同一站點(diǎn)同一年份內(nèi)，玉米出苗～七葉期低溫冷害、干旱均有發(fā)生，則規(guī)定為低溫冷害、干旱混合發(fā)生，若僅有一種災(zāi)害發(fā)生，則視為無(wú)低溫冷害、干旱混合發(fā)生。

1.3.2 玉米產(chǎn)量分析 研究表明, 一定區(qū)域內(nèi)由于鄰近年份內(nèi)農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)、田間管理措施、品種熟型均變化不大，則作物單位面積產(chǎn)量的變化主要是由氣象條件差異引起[29]。一般情況下，氣象部門在日常業(yè)務(wù)和科研工作中常以產(chǎn)量比較值評(píng)價(jià)產(chǎn)量的增(減)幅度。本文采用產(chǎn)量比較值分析玉米單產(chǎn)變化狀況，公式如下：

式中,ΔYi為某站點(diǎn)第i個(gè)低溫冷害和干旱混合發(fā)生年份的玉米單產(chǎn)增(減)百分率(%)，正值(或負(fù)值)代表產(chǎn)量增加(或減少)；Yi為某站點(diǎn)第i個(gè)低溫冷害和干旱混合發(fā)生年份的玉米單產(chǎn)(kg·hm-2)；YN為某站點(diǎn)某時(shí)間段的玉米平均單產(chǎn)(kg·hm-2)，在計(jì)算平均單產(chǎn)時(shí)，本文參考?xì)庀蟛块T在日常業(yè)務(wù)和科研工作中對(duì)年數(shù)的取值，即取時(shí)間步長(zhǎng)為5 a，本文起始年為1981年，終止年為2015年，期間每5 a求算一個(gè)單產(chǎn)平均值。由于較為鄰近年份內(nèi)產(chǎn)量可比性更佳，因此，當(dāng)某站點(diǎn)第i個(gè)低溫冷害和干旱混合發(fā)生年份出現(xiàn)于1981—1985年之間時(shí)，YN取1981—1985年的平均值，出現(xiàn)于1986—1990年之間時(shí)，YN取1986—1990年的平均值，以此類推，當(dāng)2016年出現(xiàn)時(shí)，YN取2011—2015年的平均值。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理及分析 玉米出苗～七葉期≥10℃積溫距平及水分虧缺指數(shù)的計(jì)算方法見中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[27]、[28]。利用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的方法計(jì)算H及KCWDI并進(jìn)行判識(shí)。將低溫冷害、干旱混合發(fā)生年數(shù)與資料序列總年數(shù)的比值作為低溫冷害和干旱混合發(fā)生頻率。本文常年值取1981—2010年的平均值。利用氣候統(tǒng)計(jì)方法對(duì)所有研究站點(diǎn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，以SPSS statistics 17.0處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、氣候傾向率、Mann-Kendall檢測(cè)法[5]、墨西哥帽小波分析[30]等方法，研究玉米≥10℃積溫距平和水分虧缺指數(shù)的變化趨勢(shì)以及低溫冷害、干旱混合發(fā)生的變化特征。利用逐步回歸方法分析≥10℃積溫距平、水分虧缺指數(shù)與玉米產(chǎn)量的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 ≥10℃積溫距平變化及冷害判識(shí)

2.1.1 ≥10℃積溫距平時(shí)空變化 1981—2016年，研究區(qū)玉米出苗～七葉期≥10℃積溫距平總體呈顯著升高趨勢(shì)，增幅為18.3℃·d·10a-1(P<0.01)，積溫距平呈少—多—少變化趨勢(shì)，負(fù)距平集中于1980年代至1990年代初期；1990年代中期至2000年代，積溫距平多為正值；2010年代為轉(zhuǎn)折時(shí)期，積溫距平有所減少，說明近幾年溫度存在下降趨勢(shì)(圖1)。利用Mann-Kendall法對(duì)各區(qū)域≥10℃積溫距平進(jìn)行突變檢驗(yàn)表明，僅全研究區(qū)和松嫩平原西部分別在1993、1994年發(fā)生1次突變。

在空間上，研究區(qū)≥10℃積溫距平總體呈北低南高趨勢(shì)，積溫距平由北至南“跳躍式” 升高，峰值出現(xiàn)在安達(dá)站，谷值出現(xiàn)在泰來(lái)站；≥10℃積溫距平在經(jīng)向上不存在明顯的變化規(guī)律，處于西部的站點(diǎn)多為負(fù)距平，中東部站點(diǎn)積溫距平表現(xiàn)為低—高的間隔式分布(圖略)。從兩大平原分區(qū)平均積溫距平大小來(lái)看，表現(xiàn)為松嫩平原西部<三江平原<松嫩平原東部<松嫩平原南部<松嫩平原北部。

圖1 研究區(qū)玉米出苗～七葉期≥10℃積溫距平時(shí)間變化Fig.1 Temporal change of accumulated temperature anomaly ≥10℃ during maize seedling to seventh leaf period in the study area

2.1.2 ≥10℃積溫距平周期變化 小波分析方法對(duì)于分析時(shí)間序列在不同尺度上的演變特征非常有效。圖2為玉米出苗～七葉期研究區(qū)≥10℃積溫距平變化的小波變換結(jié)果。圖2(a)中正等值線用實(shí)線表示，代表積溫距平偏高，負(fù)等值線用虛線表示，代表積溫距平偏低。由圖2可見，研究區(qū)1981—2016年玉米出苗～七葉期積溫距平存在明顯的周期變化，較大尺度變化嵌套著復(fù)雜的小尺度變化。由圖2(a)可見，在10～15 a時(shí)間尺度上，玉米出苗～七葉期積溫距平周期振蕩表現(xiàn)為明顯的低—高2個(gè)變化過程，1995年以前偏冷，之后轉(zhuǎn)暖。在小尺度上，2～5 a左右的周期振蕩也很顯著，且最近幾年處于偏冷期。從積溫距平序列存在的主要周期來(lái)看，圖2(b)中積溫距平小波方差有1個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度為14 a，說明在1981—2016年整個(gè)時(shí)間域內(nèi)，玉米出苗～七葉期積溫距平14 a左右的周期振蕩最強(qiáng)，為積溫距平變化的主要周期。

2.1.3 冷害判識(shí) 選取泰來(lái)、哈爾濱、青岡、巴彥、集賢站分析單站積溫距平變化及對(duì)冷害的判識(shí)情況，該5站分別位于研究區(qū)松嫩平原的西部、南部、北部、東部以及三江平原，地理位置具有明顯的代表性，且均為玉米產(chǎn)區(qū)內(nèi)主要種植市(縣)。由圖3可見，研究期間5站≥10℃積溫距平與研究區(qū)同步振蕩，基本呈少—多—少變化，各站部分年份的距平值低于指標(biāo)閾值，即形成冷害，冷害年主要密集于1990年代中期前，1990年代中期至21世紀(jì)初，積溫距平多為正值或高于指標(biāo)閾值，形成冷害的年份明顯減少；進(jìn)入2010年代，冷害發(fā)生又呈回升趨勢(shì)。

圖2 1981—2016年研究區(qū)玉米出苗～七葉期積溫距平小波變換(a)及方差(b)Fig.2 Wavelet (a) and variance (b) of accumulated temperature anomaly ≥10℃ during maize seedling to seventh leaf period in the study area from 1981 to 2016

圖3 1981—2016年代表站玉米出苗～七葉期≥10℃積溫距平變化及與指標(biāo)閾值比較Fig.3 Temporal change of accumulated temperature anomaly ≥10℃ and comparison with index value during maize seedling to seventh leaf period in the representative station from 1981 to 2016

2.2 水分虧缺指數(shù)(KCWDI)變化及干旱判識(shí)

2.2.1KCWDI時(shí)空變化 1981—2016年，研究區(qū)玉米出苗～七葉期KCWDI總體為波動(dòng)式變化，不存在明顯下降趨勢(shì)(P>0.05)。年際間波動(dòng)幅度大，不同時(shí)間段呈現(xiàn)不同變化態(tài)勢(shì)，1980年代KCWDI波動(dòng)較大，1990年代相對(duì)穩(wěn)定，為小幅變化，21世紀(jì)以來(lái)，KCWDI振蕩較強(qiáng)，年際間變幅大，2003年的最高值與2011年的最低值偏差高達(dá)56.0%，而最近幾年波動(dòng)有所減弱(圖4)。Mann-Kendall法突變檢驗(yàn)表明，各區(qū)域KCWDI在研究期間未發(fā)生突變。

在空間上，KCWDI在緯向上不存在明顯的變化規(guī)律，總體上呈高—低—高—低—高的分布趨勢(shì)；在經(jīng)向上呈明顯的西高東低態(tài)勢(shì)，基本由西向東逐漸減小，峰值出現(xiàn)在泰來(lái)站，谷值出現(xiàn)在方正站(圖略)。

圖4 1981—2016年研究區(qū)玉米出苗～七葉期水分虧缺指數(shù)的變化Fig.4 Change of KCWDI during maize seedling to seventh leaf in the study area in 1981-2016

比較分區(qū)的KCWDI，表現(xiàn)為松嫩平原西部>松嫩平原南部>松嫩平原北部>松嫩平原東部>三江平原。

2.2.2KCWDI周期變化 圖5為玉米出苗～七葉期研究區(qū)KCWDI變化的小波變換結(jié)果。圖5(a)中正等值線用實(shí)線表示，代表KCWDI偏大，負(fù)等值線用虛線表示，代表KCWDI偏小。由圖5可見，研究區(qū)1981—2016年玉米出苗～七葉期KCWDI存在明顯的周期變化，較大尺度變化嵌套著復(fù)雜的小尺度變化。由圖5(a)可見，在5～10 a時(shí)間尺度上，玉米出苗～七葉期KCWDI周期振蕩表現(xiàn)為明顯的大—小2個(gè)循環(huán)交替，2005年以前KCWDI偏大，之后偏小，直到2016年等值線未閉合，說明在2016年以后的一段時(shí)間內(nèi)KCWDI仍將偏小。在小尺度上，2～5 a左右的周期振蕩較活躍。從KCWDI存在的主要周期來(lái)看，圖5(b)中KCWDI小波方差有1個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度為8 a，說明在1981—2016年整個(gè)時(shí)間域內(nèi)，玉米出苗～七葉期KCWDI8 a左右的周期振蕩最強(qiáng)，為KCWDI變化的主要周期。

2.2.3 干旱判識(shí) 以泰來(lái)、哈爾濱、青岡、巴彥、集賢站分析單站KCWDI變化及對(duì)干旱的判識(shí)。由圖6可見，研究期間5站KCWDI下降趨勢(shì)均不明顯(P>0.05)，比較而言，松嫩平原東部的巴彥站和南部的哈爾濱站下降幅度相對(duì)較大，青岡站次之，而泰來(lái)站、集賢站則較微弱。各站部分年份KCWDI高于指標(biāo)閾值，即形成干旱。干旱年在研究期間呈“發(fā)散狀”分布，不存在明顯集中時(shí)期，但2010年代以來(lái)，KCWDI下降較多，干旱發(fā)生減少。另外，位于松嫩平原的站點(diǎn)干旱年數(shù)明顯多于三江平原的站點(diǎn)。

圖5 1981—2016年研究區(qū)玉米出苗～七葉期KCWDI小波變換(a)及方差(b)Fig.5 Wavelet (a) and variance (b) of KCWDI during maize seedling to seventh leaf period in the study area from 1981 to 2016

圖6 1981—2016年代表站玉米出苗～七葉期KCWDI變化及與指標(biāo)閾值比較Fig.6 Temporal change of KCWDI and comparison with index value during maize seedling to seventh leaf in the representative station from 1981 to 2016

2.3 低溫冷害、干旱混合發(fā)生特征

如表2所示。由表2可見，1981—2016年間，研究區(qū)各站玉米冷害、干旱混合發(fā)生年數(shù)為0～10 a，全研究區(qū)累計(jì)59 a，總體來(lái)看，冷害、干旱混合發(fā)生呈減少趨勢(shì)，其發(fā)生年份主要密集于1990年代中期以前，之后呈零散分布狀態(tài)，大部分站點(diǎn)1990年代中期至2000年代末期未發(fā)生。在空間上，存在由西至東的減少趨勢(shì)，發(fā)生年數(shù)的高值中心處于松嫩平原西部，年數(shù)為8～10a；五常站、方正站一線以東區(qū)域?yàn)榈椭祬^(qū)，年數(shù)在0～1 a，其中佳木斯站、方正站未發(fā)生；其他區(qū)域處于中間狀態(tài)，年數(shù)為2～6 a。

從年代際變化趨勢(shì)看，研究期間，玉米出苗～七葉期冷害、干旱混合發(fā)生頻率總體呈減少趨勢(shì)，1980年代是冷害、干旱集中高發(fā)期，大部站點(diǎn)發(fā)生頻率在2.8%～19.4%，1990年代發(fā)生頻率下降，2000年代持續(xù)偏少，但進(jìn)入2010年代，部分站點(diǎn)冷害、干旱混合發(fā)生呈回升趨勢(shì)(表3)。

表2 研究區(qū)玉米出苗～七葉期冷害、干旱混合發(fā)生年份

2.4 ≥10℃積溫距平、KCWDI與玉米單產(chǎn)的關(guān)系

采用逐步回歸方法分析≥10℃積溫距平、KCWDI與玉米單產(chǎn)的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見表4，表中回歸方程y為玉米單產(chǎn)，x1為≥10℃積溫距平，x2為水分虧缺指數(shù)。由表4可見，研究區(qū)≥10℃積溫距平、KCWDI與玉米單產(chǎn)相關(guān)性呈區(qū)域性分布特征，不同區(qū)域、不同站點(diǎn)存在差異，相關(guān)顯著或極顯著(P<0.05或P<0.01)的區(qū)域或單站，除全研究區(qū)外，其余均分布于松嫩平原，分析其原因，可能是由于春末夏初三江平原較松嫩平原溫度、水分條件相對(duì)適宜而引起。部分區(qū)域或單站僅1種因子與玉米單產(chǎn)相關(guān)顯著。位于松嫩平原西部的安達(dá)站相關(guān)性最好，R2高達(dá)0.508。表4中相關(guān)關(guān)系一方面表征出玉米出苗～七葉期≥10℃積溫距平、KCWDI2種因子對(duì)不同區(qū)域玉米產(chǎn)量影響不同，另一方面，由表4還可看出≥10℃積溫距平對(duì)玉米單產(chǎn)為正效應(yīng)影響作用，KCWDI則為負(fù)效應(yīng)影響作用，隨著≥10℃積溫距平下降、KCWDI增大，玉米單產(chǎn)呈減少趨勢(shì)。

表3 研究區(qū)玉米出苗～七葉期冷害和干旱混發(fā)頻率年代際變化/%

表4 研究區(qū)玉米出苗～七葉期≥10℃積溫距平(x1)、水分虧缺指數(shù)(x2)與玉米單產(chǎn)的相關(guān)關(guān)系

注：*和**分別為通過0.05和0.01顯著性檢驗(yàn)， “/”表示未通過0.05或0.01顯著性檢驗(yàn)。

Note: * and ** have passing through the test atα=0.05 andα=0.01 significance level, respectively. “/” indicates not significant at the test levels.

2.5 低溫冷害、干旱混合發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

以1.3.2節(jié)中產(chǎn)量比較值方法分析研究區(qū)各站低溫冷害、干旱混合發(fā)生年份的產(chǎn)量增(減)狀況，進(jìn)而分析兩種災(zāi)害混發(fā)的逆境條件對(duì)玉米產(chǎn)量的影響趨勢(shì)。由圖7可見(剔除研究區(qū)未出現(xiàn)低溫冷害、干旱混合發(fā)生的年份)，大部站點(diǎn)ΔY<0%的年份居多，表明低溫冷害、干旱混合發(fā)生年份的玉米產(chǎn)量與鄰近5年平均產(chǎn)量相比，多數(shù)年份產(chǎn)量表現(xiàn)為下降，ΔY<0%的累計(jì)年份較ΔY>0%的年份偏多36%。統(tǒng)計(jì)各減產(chǎn)年玉米七葉期至成熟期間氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象災(zāi)害大典[31]分析，除1982、1989、1992年等減產(chǎn)年外，大部站點(diǎn)多數(shù)冷害、干旱混合發(fā)生年份玉米七葉期后總體的光、溫、水條件基本正常，未出現(xiàn)嚴(yán)重災(zāi)害，則在一定程度上可以說明玉米出苗～七葉期低溫冷害、干旱的混發(fā)逆境對(duì)玉米產(chǎn)量的影響以負(fù)效應(yīng)為主，總體為減產(chǎn)趨勢(shì)。

注：不同站點(diǎn)同一年份的ΔY偏差很小，在圖中有重疊現(xiàn)象Note: The difference of ΔY between different stations in the same year was small and there was overlap in the figure.圖7 研究區(qū)玉米出苗～七葉期低溫冷害、干旱混合發(fā)生年份增(減)產(chǎn)百分率/%Fig.7 Increase (decrease) percentage of maize yield in colddamage and drought years during maize seedling to seventhleaf stage in the study area

進(jìn)一步分析低溫冷害、干旱混發(fā)的逆境條件，因泰來(lái)站在2012年出現(xiàn)最大減產(chǎn)率，則以泰來(lái)站為例，考慮同一站具有更好可比性，再選擇該站最小減產(chǎn)率的1987年，比較分析上述2年玉米出苗～七葉期的氣溫、KCWDI，由圖8可見，泰來(lái)站2012年玉米出苗～七葉期低溫累計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，偏低幅度大，≥10℃積溫距平達(dá)-209.6℃·d，KCWDI持續(xù)偏大，均高于57.0%，即低溫冷害、干旱混發(fā)的逆境條件表現(xiàn)為持續(xù)干旱伴隨嚴(yán)重低溫同步發(fā)生(圖8a)；1987年則表現(xiàn)為低溫時(shí)間短，偏低幅度小，≥10℃積溫距平為-95.5℃·d，KCWDI波動(dòng)較大，有部分時(shí)間在50.0%左右變化，即低溫冷害、干旱混發(fā)的逆境條件表現(xiàn)為間斷性干旱與低溫同時(shí)發(fā)生(圖8b)，由此可見，玉米出苗～七葉期低溫冷害、干旱混發(fā)的逆境條件不同，對(duì)玉米生長(zhǎng)影響不同，在一定程度上，持續(xù)干旱伴隨嚴(yán)重低溫同步發(fā)生的逆境條件對(duì)玉米影響較大。

圖8 泰來(lái)站減產(chǎn)代表年份玉米出苗～七葉期氣溫與KCWDI的變化Fig.8 The change of temperature and KCWDI in the typical years of maize yield reduction during maizeseedling to seven leaves stage in Tailai station

3 討 論

本文以氣候—作物—災(zāi)害間的相互影響關(guān)系為著眼點(diǎn)，引進(jìn)中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的≥10℃積溫距平、水分虧缺指數(shù)判識(shí)玉米冷害、干旱，2個(gè)指標(biāo)同時(shí)具備生物學(xué)、農(nóng)學(xué)和氣象學(xué)意義，使作物災(zāi)害辨識(shí)性及科學(xué)性顯著提升。

以往研究多以氣溫升降、降水多少等直接表達(dá)氣候的“暖、冷、濕、干”，氣溫、降水等因子的距平、傾向率、氣候變率等在表達(dá)氣候變化特征上極為有效[4-5，11-12]。與之比較，本文采用的≥10℃積溫距平、KCWDI更具有雙重作用。2個(gè)指標(biāo)對(duì)冷害、干旱判識(shí)效果理想，與郭建平等[12]、姜麗霞等[5]、楊衛(wèi)東[24]、李廷全等[32]采用其他研究方法的判識(shí)結(jié)果基本一致，對(duì)1983、1987、1989、1992年等比較有代表性的冷害年以及1982、2001、2003、2006年等干旱年判識(shí)較為準(zhǔn)確。另一方面，積溫距平對(duì)氣候變暖存在明顯的指示作用，從本文研究結(jié)果看，1990年代初期以來(lái)，≥10℃積溫距平顯著增加，在一定程度上表明自1990年代開始?xì)鉁孛黠@升高，這與姜麗霞等[5]分析提出的1992年氣溫明顯升高的研究結(jié)論一致。充分印證了氣候變暖態(tài)勢(shì)。同時(shí)，KCWDI能夠較好反映研究區(qū)水資源分布狀況，其由西向東逐漸減小的變化形勢(shì)及分區(qū)KCWDI的高低變化準(zhǔn)確表達(dá)了黑龍江省玉米生長(zhǎng)初期松嫩平原西部和南部偏干易旱特點(diǎn)，與已有研究所提出的該區(qū)素有“十年九旱”之說相吻合[33]。由此可見，≥10℃積溫距平、KCWDI是氣候變化及災(zāi)害分析方面較為精準(zhǔn)的指標(biāo)，其在甄別氣候變化態(tài)勢(shì)及農(nóng)業(yè)氣候資源分布配置上效果顯著，可為科學(xué)合理地進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供技術(shù)指標(biāo)。

本文探討了≥10℃積溫距平、KCWDI與玉米產(chǎn)量的關(guān)系，與過去單一災(zāi)害的影響分析相比[6-7，17-20]，初步建立了同一區(qū)域同一時(shí)期2種災(zāi)害混發(fā)逆境對(duì)作物產(chǎn)量的影響模式。對(duì)于低溫冷害、干旱出現(xiàn)在玉米不同生長(zhǎng)期時(shí)對(duì)玉米的影響，從以往大量研究來(lái)看，玉米在生長(zhǎng)過程中先后出現(xiàn)低溫冷害或干旱時(shí)，其對(duì)最終產(chǎn)量的影響往往體現(xiàn)出2種因素的共同影響。研究表明，玉米抽雄時(shí)僅遭遇低溫冷害會(huì)減產(chǎn)25.80%，僅受干旱影響會(huì)減產(chǎn)25.51%，而抽雄前干旱、抽雄時(shí)低溫卻導(dǎo)致玉米減產(chǎn)高達(dá)61.12%，由此可見，在玉米不同生長(zhǎng)期先后出現(xiàn)低溫冷害或干旱對(duì)玉米的影響存在一定的關(guān)聯(lián)性[24-25，34-38]，換言之，玉米在不同生長(zhǎng)時(shí)期先后遭遇不同災(zāi)害的影響，玉米產(chǎn)量損失在一定程度上可能會(huì)加重，但不同災(zāi)害出現(xiàn)的間隔時(shí)間不同、發(fā)育時(shí)段不同，其影響也不同，且其影響機(jī)制也較為復(fù)雜，此部分工作有待進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

1)1981—2016年間，研究區(qū)玉米出苗～七葉期≥10℃積溫距平的上升變化(P<0.01)對(duì)氣候變暖趨勢(shì)具有明顯的響應(yīng)，表現(xiàn)為1990年代中期以前偏冷、之后偏暖，但最近幾年處于偏冷期，全區(qū)及松嫩平原西部分別在1993、1994年發(fā)生一次突變。在空間上，≥10℃積溫距平緯向上的北低南高趨勢(shì)反映了研究區(qū)熱量資源的空間配置。KCWDI隨時(shí)間呈波動(dòng)式變化(P>0.05)，不同時(shí)間段變化幅度不同，21世紀(jì)以來(lái)振蕩較劇烈，但在整個(gè)研究期內(nèi)未發(fā)生突變，在空間上，KCWDI分布表現(xiàn)為明顯的經(jīng)向規(guī)律，其由西至東逐漸減小的特征準(zhǔn)確表達(dá)了研究區(qū)水資源分布狀況。

2)1981—2016年間，基于2種指標(biāo)判識(shí)研究區(qū)各站玉米出苗～七葉期冷害、干旱混合發(fā)生年數(shù)為0～10 a，全區(qū)累計(jì)59 a。在時(shí)間上，冷害、干旱混合發(fā)生呈減少趨勢(shì)，1990年代中期以前為高發(fā)期， 1990年代中期至2000年代末期為低發(fā)期，2010年代開始有回升趨勢(shì)。在空間上呈由西至東減少趨勢(shì)，松嫩平原西部為頻發(fā)區(qū)，其他區(qū)域發(fā)生較少甚至未發(fā)生。

3)研究期間，≥10℃積溫距平、KCWDI與玉米單產(chǎn)存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05或P<0.01)，2 種因子對(duì)玉米單產(chǎn)呈反向性影響作用，≥10℃積溫距平為正效應(yīng)，KCWDI則為負(fù)效應(yīng)，表明在一定溫度、水分條件范圍內(nèi)，≥10℃積溫距平升高、KCWDI減小，則玉米產(chǎn)量呈升高趨勢(shì)。從產(chǎn)量增(減)狀況來(lái)看，玉米出苗～七葉期低溫冷害、干旱的混發(fā)逆境對(duì)玉米產(chǎn)量的影響以負(fù)效應(yīng)為主，總體為減產(chǎn)趨勢(shì)。

目前，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整是深入實(shí)施“藏糧于地，藏糧于技”戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要工作。在進(jìn)行作物種植格局優(yōu)化時(shí)，應(yīng)基于作物生育特性及對(duì)氣象條件需求，細(xì)致分析氣候持續(xù)變暖背景下區(qū)域氣候資源匹配特征，開展區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，探索作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)域，以充分發(fā)揮區(qū)域資源優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而保障國(guó)家糧食安全，這部分內(nèi)容應(yīng)在今后工作中進(jìn)行深入研究。