黑龍江省玉米干旱與低溫冷害復(fù)合逆境對(duì)產(chǎn)量的影響*

姜麗霞 趙慧穎 曲輝輝 閆 平 李秀芬 翟 墨 于瑛楠

1 黑龍江省氣象科學(xué)研究所，哈爾濱 150030 2 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，哈爾濱 150030 3 黑龍江省氣象院士工作站， 哈爾濱 150030

提 要： 利用1981—2016年黑龍江省玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的資料，引入中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中水分虧缺指數(shù)(KCWDI)、≥10℃積溫距平(H)指標(biāo)，分別對(duì)玉米出苗—乳熟期干旱、低溫冷害進(jìn)行判識(shí)，規(guī)定同一站、同一年內(nèi)干旱、冷害均有發(fā)生為兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生，并分析其時(shí)空分布特征，以數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)建KCWDI和H與玉米產(chǎn)量的關(guān)系模型，同時(shí)應(yīng)用比較方法探討兩種災(zāi)害單一發(fā)生及復(fù)合發(fā)生的溫水逆境對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。研究結(jié)果表明：1981—2016年，研究區(qū)玉米出苗—乳熟期KCWDI、H的變化較好表達(dá)了研究區(qū)水資源空間配置特征及氣候變暖趨勢(shì)；分析期內(nèi)，研究區(qū)玉米出苗—乳熟期累計(jì)發(fā)生單一干旱242站年，單一冷害76站年，干旱、冷害復(fù)合發(fā)生91站年；干旱、冷害復(fù)合發(fā)生隨時(shí)間呈減少趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代中期以前密集發(fā)生，之后發(fā)生頻率下降，空間上呈西多東少趨勢(shì)，松嫩平原西部為頻發(fā)區(qū)；玉米出苗—乳熟期H和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)，在一定溫度、水分范圍內(nèi)，H減少、KCWDI增大，玉米單產(chǎn)呈下降趨勢(shì)；總體上，存在干旱、低溫冷害單一發(fā)生或復(fù)合發(fā)生程度愈重則單產(chǎn)愈低的趨勢(shì)。比較干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生和單一發(fā)生對(duì)玉米單產(chǎn)的影響可見，復(fù)合發(fā)生中干旱(低溫冷害)的時(shí)間、日數(shù)、程度等與單一發(fā)生的干旱(低溫冷害)相當(dāng)時(shí)，則干旱(低溫冷害)與低溫冷害(干旱)復(fù)合發(fā)生對(duì)玉米單產(chǎn)的影響呈加重趨勢(shì)。

引 言

黑龍江省土地條件居全國(guó)之首，境內(nèi)松嫩和三江平原地勢(shì)平坦，土壤肥沃，加之氣候溫涼，利于一季作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成，因此糧食生產(chǎn)逐年發(fā)展，現(xiàn)已成為保障國(guó)家糧食安全的壓艙石。玉米為黑龍江省主栽作物，總產(chǎn)量占全國(guó)玉米總產(chǎn)量近30%，在全國(guó)糧食產(chǎn)量中處于重要地位。黑龍江省玉米生產(chǎn)受干旱和低溫冷害影響巨大(楊衛(wèi)東，2017)，兩種災(zāi)害單一發(fā)生時(shí)常常造成玉米減產(chǎn)在15%以上(高松陽(yáng)，2017；馬樹慶等，2003)，進(jìn)而導(dǎo)致全國(guó)產(chǎn)量波動(dòng)并影響糧食安全。隨著全球氣候變暖的持續(xù)，黑龍江省生長(zhǎng)季干旱發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)加大(楊曉晨等，2015)，程度加重(高蓓等，2014)，低溫冷害雖總體減少，但21世紀(jì)以來(lái)有回升趨勢(shì)(姜麗霞等，2016)，且區(qū)域性嚴(yán)重冷害發(fā)生頻率加大(趙俊芳等，2009)，這種情況下兩種災(zāi)害對(duì)玉米生產(chǎn)的威脅即隨之加大，生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)也進(jìn)一步增加。干旱和低溫冷害單一發(fā)生時(shí)的影響已然較大，那么兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生的影響將更為突出，因此研究玉米生長(zhǎng)期干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生特征，明確兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響機(jī)制，對(duì)于保障國(guó)家糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)及影響評(píng)估方法的研究不斷發(fā)展(謝五三等，2019；左冰潔和孫玉軍，2019)，形成多元化模式(郭建平，2016；姜麗霞等，2019；金燕等，2018；Dai，2013；Anjum et al，2017；Ali et al，2017；Yin et al，2016；Beck et al，2007)，在災(zāi)害指標(biāo)(毛留喜和魏麗，2015；李秀芬等，2017)、監(jiān)測(cè)評(píng)估(di Fenza et al，2017)、風(fēng)險(xiǎn)研究(曹雯等，2019)、災(zāi)害影響(高素華和劉玲，2007)等方面取得長(zhǎng)足進(jìn)展。研究表明，玉米在不同發(fā)育期均可能會(huì)遭受干旱或低溫冷害的威脅，災(zāi)害發(fā)生區(qū)域、程度及時(shí)期不同，對(duì)玉米所造成的負(fù)效應(yīng)影響也不盡相同，但總體趨勢(shì)基本一致，多數(shù)表現(xiàn)為玉米生長(zhǎng)受到抑制，發(fā)育期延長(zhǎng)，并最終導(dǎo)致玉米產(chǎn)量下降(張建平等，2012；王靜等，2011)。單從一種災(zāi)害對(duì)玉米產(chǎn)量的影響來(lái)看，馬樹慶等(2015)研究指出，干旱致使玉米出苗期延遲1 d，單產(chǎn)即下降2.9%，而季節(jié)性干旱影響更重，2003年黑龍江省春夏連旱導(dǎo)致玉米單產(chǎn)下降為該省1994—2014年谷值(楊衛(wèi)東，2017)，且最新研究表明，一季輕旱、中旱導(dǎo)致玉米減產(chǎn)率在20%以下，旺盛生長(zhǎng)時(shí)期的重旱導(dǎo)致玉米減產(chǎn)在40%～50%，而春、夏、秋三季連旱則使玉米幾乎絕產(chǎn)，減產(chǎn)率高達(dá)70.5%(馬曉剛等，2019)。對(duì)于低溫冷害而言，張建平等(2012)分析不同發(fā)育期冷害對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)灌漿初期低溫影響最大，苗期最小，減產(chǎn)率在2.1%～16.99%，郭春明等(2018)試驗(yàn)表明，冷害導(dǎo)致玉米穗長(zhǎng)和穗粒數(shù)顯著減少，穗粒重顯著降低，且溫度越低，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，影響越重。

黑龍江省位于中國(guó)最北部，大陸性季風(fēng)氣候明顯，干旱和低溫冷害常常在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)復(fù)合發(fā)生，但兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響機(jī)制仍未十分明確，同時(shí)，隨著黑龍江省新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展，經(jīng)營(yíng)主體規(guī)模大、單產(chǎn)水平高，受多種災(zāi)害影響損失更大，其對(duì)氣象災(zāi)害和防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究的需求十分迫切(陳莉等，2019)，但現(xiàn)有研究多側(cè)重于單一災(zāi)害對(duì)玉米生產(chǎn)的影響，而對(duì)兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生的影響研究較少。基于此，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)，分析玉米生長(zhǎng)期內(nèi)干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生的時(shí)空演變特征，研究干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，為深入探討多種災(zāi)害造成作物產(chǎn)量損失的量化細(xì)化及其影響機(jī)制提供技術(shù)支撐，以期為“藏糧于技”戰(zhàn)略及農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)提供氣象參考。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

黑龍江省現(xiàn)有22個(gè)玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站，考慮資料完整一致性，選取其中15個(gè)站作為研究區(qū)，該15個(gè)站均勻分布在黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)內(nèi)，玉米年種植面積多在1×105hm2以上，能夠代表黑龍江省玉米生產(chǎn)實(shí)際情況，其地理位置也能夠很好反映溫度、水分等氣候因子分布概況和趨勢(shì)，保證了研究的客觀性及科學(xué)性，同時(shí)為了更加細(xì)致分析干旱、低溫冷害對(duì)不同區(qū)域玉米的影響，根據(jù)15個(gè)站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個(gè)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個(gè)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》(中國(guó)氣象局，2016)的要求進(jìn)行，為保證資料連續(xù)性，作物觀測(cè)保持了觀測(cè)方法的一致性，所觀測(cè)品種的熟型在研究期間基本保持一致，田間管理與當(dāng)?shù)卮筇锉３忠恢拢腋鞣绞讲蛔儭?/p>

1.2 研究方法

1.2.1 玉米干旱、低溫冷害判識(shí)

研究選擇玉米出苗—乳熟期為研究時(shí)間段，該時(shí)間段內(nèi)的玉米出苗期、拔節(jié)期、抽雄期和乳熟期采用《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》(中國(guó)氣象局，2016)中規(guī)定觀測(cè)的普遍發(fā)育期?！侗狈酱河衩赘珊档燃?jí)》(中國(guó)氣象局，2015)、《北方春玉米冷害評(píng)估技術(shù)規(guī)范》(中國(guó)氣象局，2012)中規(guī)定了玉米干旱、低溫冷害的評(píng)估指標(biāo)，本文以上述標(biāo)準(zhǔn)中水分虧缺指數(shù)(KCWDI)、≥10℃積溫距平(H)作為判識(shí)玉米干旱、低溫冷害的指標(biāo)，并參照2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)做如下規(guī)定：對(duì)于干旱，分兩個(gè)發(fā)育時(shí)段進(jìn)行判識(shí)，在玉米出苗—拔節(jié)期，當(dāng)水分虧缺指數(shù)KCWDI>50%時(shí)判識(shí)發(fā)生干旱，在拔節(jié)—乳熟期，水分虧缺指數(shù)KCWDI>35%時(shí)發(fā)生干旱，并規(guī)定兩個(gè)發(fā)育時(shí)段均發(fā)生干旱或任一時(shí)段發(fā)生干旱即為出苗—乳熟期發(fā)生干旱，標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定作物熟型，因此本文在判識(shí)時(shí)不考慮作物熟型，即所定指標(biāo)普適于任意熟型品種。對(duì)于低溫冷害，在玉米出苗—乳熟期，當(dāng)H<-45℃·d、H<-50℃·d、H<-55℃·d時(shí)，分別判識(shí)玉米早熟、中熟、晚熟品種發(fā)生延遲型冷害。

本文依據(jù)如上指標(biāo)對(duì)玉米出苗—乳熟期干旱、低溫冷害分別進(jìn)行判識(shí)，若在同一站點(diǎn)、同一年份內(nèi)，玉米出苗—乳熟期干旱、低溫冷害均有發(fā)生，則規(guī)定為干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生，若僅有一種災(zāi)害發(fā)生，則視為無(wú)干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生。

表1 研究站點(diǎn)概況

1.2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(中國(guó)氣象局，2012；2015)已對(duì)玉米出苗—乳熟期KCWDI及H的計(jì)算方法闡述詳細(xì)，本文不再贅述。利用上述標(biāo)準(zhǔn)中的方法計(jì)算KCWDI及H并進(jìn)行判識(shí)。本文常年值取1981—2010年的平均值。利用氣候統(tǒng)計(jì)方法先對(duì)所有研究站點(diǎn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，再根據(jù)表1將15個(gè)研究站點(diǎn)進(jìn)行平均處理獲取全研究區(qū)數(shù)據(jù)，同時(shí)依照表1分區(qū)情況分別進(jìn)行區(qū)域平均處理，計(jì)算得到松嫩平原、三江平原及松嫩平原西部、松嫩平原北部等區(qū)域數(shù)據(jù)，最后根據(jù)研究需求以SPSS Statistics 17.0軟件分別進(jìn)行單站或區(qū)域數(shù)據(jù)分析。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法研究玉米干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生的變化特征。利用逐步回歸方法分析KCWDI和H與玉米產(chǎn)量的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱、低溫冷害單一發(fā)生特征

基于KCWDI對(duì)玉米干旱進(jìn)行判識(shí)，結(jié)果顯示：1981—2016年，研究區(qū)玉米出苗—乳熟期累計(jì)發(fā)生干旱333站年，各站發(fā)生干旱為16～30 a，肇源站發(fā)生最多，海倫站、方正站、五常站最少。時(shí)間分布上，不同區(qū)域干旱年分布略有差異，大部分站點(diǎn)干旱年相對(duì)密集于21世紀(jì)00年代，21世紀(jì)10年代以來(lái)，KCWDI有所下降，干旱發(fā)生減少。空間上，以松嫩平原西部和南部站點(diǎn)的干旱年數(shù)居多，平均每站在23 a 以上。

利用H對(duì)玉米低溫冷害進(jìn)行判識(shí)，結(jié)果表明：1981—2016年，研究區(qū)玉米出苗—乳熟期累計(jì)發(fā)生低溫冷害167站年，各站發(fā)生低溫冷害為9～16 a，富裕站發(fā)生最多，青岡站、勃利站最少。研究期間，H基本呈少到多的變化，各站部分年份的距平值低于指標(biāo)閾值，形成低溫冷害，低溫冷害年主要密集于20世紀(jì)90年代中期前，之后積溫距平多為正值或高于指標(biāo)閾值，形成低溫冷害的年份驟然減少，但21世紀(jì)10年代以來(lái)積溫距平呈下降態(tài)勢(shì)，低溫冷害發(fā)生出現(xiàn)回升趨勢(shì)?？臻g上，不存在明顯變化規(guī)律，松嫩平原西部較多，平均每站在12 a以上。

2.2 干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生特征

為了更加清晰直觀地表達(dá)1981—2016年玉米出苗—乳熟期的干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份，如圖1 所示，取縱坐標(biāo)1～15代表研究站點(diǎn)，如縱坐標(biāo)1 代表龍江站，橫坐標(biāo)為各站干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生的年份，如龍江站干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生的年份分別為1981、1982、1988、1991、1992、1993、1995年。由圖1可見，1981—2016年，研究區(qū)玉米干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生共計(jì)91站年，各站發(fā)生年數(shù)為3～9 a，總體來(lái)看，干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生呈減少趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代是干旱、低溫冷害集中高發(fā)期，大部站點(diǎn)發(fā)生年數(shù)為3～6 a；90年代發(fā)生年數(shù)下降，多數(shù)為1～3 a；21世紀(jì)00年代以后持續(xù)偏少，但部分站點(diǎn)21世紀(jì)10年代干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生有回升趨勢(shì)?？臻g分布呈西多東少態(tài)勢(shì)，發(fā)生年數(shù)的高值區(qū)處于松嫩平原西部，年數(shù)為9 a；低值中心處于五常、方正一帶，年數(shù)為3 a；其他區(qū)域處于中間狀態(tài)，年數(shù)為4～7 a。

圖1 研究區(qū)玉米出苗—乳熟期干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份示意圖

2.3 干旱、低溫冷害對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

2.3.1H和KCWDI與玉米單產(chǎn)關(guān)系

首先探究?jī)蓚€(gè)判識(shí)指標(biāo)與玉米產(chǎn)量的關(guān)系，采用逐步回歸方法分別分析H和KCWDI與玉米單產(chǎn)的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見表2，表中y為玉米單產(chǎn)(單位：kg·hm-2)，x1為H(單位：℃·d)，x2為KCWDI(單位：%)。由表可見，研究區(qū)全區(qū)、各分區(qū)及73%單站的H和KCWDI與玉米單產(chǎn)呈顯著或極顯著(P<0.05或P<0.01)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性表征不盡相同，從相關(guān)因子來(lái)看，全研究區(qū)、松嫩平原、松嫩平原4個(gè)分區(qū)及20%單站為雙因子相關(guān)，而三江平原及53%單站為單因子相關(guān)，且單因子相關(guān)因子多為H；從相關(guān)顯著性看，不同區(qū)域、不同站點(diǎn)存在差異，龍江、海倫、佳木斯、方正4站不存在顯著相關(guān)關(guān)系，富裕站、勃利站通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，其余均通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)，且總體上區(qū)域好于單站，松嫩平原多數(shù)站點(diǎn)好于三江平原，雙因子相關(guān)性最好為松嫩平原，R2高達(dá)0.721，單因子相關(guān)性最好為集賢站，R2為0.440。由表2還可看出，在一定溫度、水分范圍內(nèi)，隨著H的下降、KCWDI的增大，玉米單產(chǎn)呈下降趨勢(shì)，即在H、KCWDI均達(dá)到災(zāi)害閾值指標(biāo)值的情況下，H下降幅度越大(表征低溫程度越重)，KCWDI增大幅度越大(表明干旱程度越重)，玉米單產(chǎn)下降越多。在一定水分條件下，H每下降1℃·d，玉米單產(chǎn)下降1.6～16.5 kg·hm-2；在一定溫度條件下，KCWDI每增加1%，玉米單產(chǎn)下降55.3～174.7 kg·hm-2。

2.3.2 干旱、低溫冷害對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

如上分析，KCWDI和H與玉米單產(chǎn)相關(guān)關(guān)系能夠直接反映干旱、低溫冷害對(duì)玉米的影響，為進(jìn)一步明晰兩種災(zāi)害對(duì)玉米產(chǎn)量的影響機(jī)制，本文分別對(duì)單一干旱、單一低溫冷害及兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生的溫水逆境條件對(duì)玉米影響進(jìn)行深入探討?？紤]同一站、臨近年份具有更好可比性，因此篩選各站連續(xù)發(fā)生單一干旱、單一低溫冷害以及干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份的資料進(jìn)行分析。

2.3.2.1 干旱、低溫冷害單一發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

2000—2004年安達(dá)站連續(xù)5年出現(xiàn)干旱，未出現(xiàn)冷害，為典型的連續(xù)單一干旱年，較具代表性，另?yè)?jù)氣象災(zāi)害大典(溫克剛，2007)記載，期間安達(dá)站未發(fā)生其他重大氣象災(zāi)害，因此其他氣象條件視為正常。由表3可見，2000年的出苗—乳熟期平均KCWDI最大，最長(zhǎng)連續(xù)干旱日數(shù)最多，最長(zhǎng)連續(xù)干旱期間平均水分虧缺指數(shù)較大，產(chǎn)量最低；而2002年各項(xiàng)數(shù)據(jù)均為最小，產(chǎn)量最高。2000年相對(duì)于2001年，總干旱時(shí)間略短，但持續(xù)干旱時(shí)間長(zhǎng)且KCWDI大，產(chǎn)量低；2003年相對(duì)于2004年，總干旱時(shí)間較短，持續(xù)干旱時(shí)間僅少2 d，但其持續(xù)干旱期間KCWDI偏高10.5%，產(chǎn)量低。分析其他站點(diǎn)連續(xù)干旱年的情況與此基本一致。因此，從單一干旱影響來(lái)看，基本表現(xiàn)為干旱時(shí)間長(zhǎng)、水分虧缺量大，玉米產(chǎn)量低，期間持續(xù)干旱時(shí)間愈長(zhǎng)，程度愈重，則影響愈大。

從單一低溫冷害對(duì)玉米的影響來(lái)看，以1983—1986年的龍江站為例，該站連續(xù)4年出現(xiàn)冷害，未出現(xiàn)干旱，為典型的連續(xù)單一冷害年，據(jù)氣象災(zāi)害大典(溫克剛，2007)記載，其間未發(fā)生其他重大氣象災(zāi)害。由表4可見，1983年出苗—乳熟期H較低，總低溫日數(shù)最長(zhǎng)，最長(zhǎng)連續(xù)低溫日數(shù)最多，且最長(zhǎng)連續(xù)低溫期間氣溫距平較低，18 d中有17 d氣溫距平低于-3.0℃，產(chǎn)量最低，1984—1986年，各年總低溫日數(shù)、最長(zhǎng)連續(xù)低溫日數(shù)相差較?。?984年的H較高，表明其低溫程度相對(duì)較小，其產(chǎn)量最高；1985年相對(duì)于1986年，最長(zhǎng)連續(xù)低溫日數(shù)略多，且H偏低78.2 ℃·d，其產(chǎn)量低于1986年。分析其他站點(diǎn)連續(xù)冷害年的情況與此基本一致。由此可見，單一低溫冷害對(duì)玉米影響與干旱相似，基本表現(xiàn)為低溫時(shí)間長(zhǎng)、低溫程度重，玉米產(chǎn)量低，期間持續(xù)低溫時(shí)間愈長(zhǎng)，程度愈重，則影響愈大。

表2 研究區(qū)玉米出苗—乳熟期H、KCWDI與玉米單產(chǎn)的相關(guān)關(guān)系

表3 2000—2004年安達(dá)站玉米出苗—乳熟期干旱代表年份的水分逆境概況及產(chǎn)量表現(xiàn)

表4 同表3，但為1983—1986年龍江站低溫冷害代表年份

2.3.2.2 干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

從各站干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份的溫水條件看，其逆境形式一般表現(xiàn)為先干旱后低溫冷害，或先低溫冷害后干旱，或兩種災(zāi)害伴隨發(fā)生。龍江站在1991—1993年連續(xù)出現(xiàn)干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生逆境，代表性較強(qiáng)，分析龍江站1991—1993年玉米出苗—乳熟期的KCWDI、氣溫，結(jié)合表5、圖2可見，在3個(gè)代表年份中，KCWDI均呈波動(dòng)式變化，1991年、1993年KCWDI波動(dòng)減小，玉米拔節(jié)后基本無(wú)旱，而1992年則呈減小—增大的交替式變化，其平均KCWDI、總干旱日數(shù)、總干旱日數(shù)占出苗—乳熟期總?cè)諗?shù)的比率以及最長(zhǎng)連續(xù)干旱日數(shù)均為最大，總干旱日數(shù)超出了出苗—乳熟期間總?cè)諗?shù)的50%以上，且最長(zhǎng)連續(xù)干旱時(shí)間達(dá)1月之久，并出現(xiàn)于較為關(guān)鍵的發(fā)育時(shí)段拔節(jié)—乳熟期內(nèi)，可見1992年的干旱程度相對(duì)較重，而1991年、1993年次之；從溫度變化看，1992年日均溫波動(dòng)最劇烈，部分時(shí)間溫度偏低幅度較大，H最低，為-227.5 ℃·d，即1992年低溫程度相對(duì)最重，其次為1991年、1993年。另外1992年的逆境形式表現(xiàn)為先低溫后低溫、干旱伴隨發(fā)生。再比較3年的產(chǎn)量可見，1992年較1991年減產(chǎn)20.6%，1991年較1993年減產(chǎn)5.7%，1992年較1993年下降更多，減產(chǎn)25.1%。統(tǒng)計(jì)龍江站3 a玉米出苗—乳熟期間的日照及乳熟至成熟期間氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象災(zāi)害大典(溫克剛，2007)分析，3年的日照及后期總體光、溫、水條件基本相當(dāng)，差異不大，且未出現(xiàn)其他重大氣象災(zāi)害，因此日照、后期條件及其他災(zāi)害所造成的產(chǎn)量差異也不大。分析其他站點(diǎn)連續(xù)復(fù)合發(fā)生年份的情況與此基本一致。由此可見，玉米出苗—乳熟期干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生逆境條件不同，對(duì)玉米產(chǎn)量影響不同，總體上表現(xiàn)為干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生程度重則產(chǎn)量低的趨勢(shì)，這與表2所體現(xiàn)的結(jié)論相一致，因此在一定程度上可以說(shuō)明，較重干旱伴隨較重低溫冷害復(fù)合發(fā)生的逆境條件對(duì)玉米影響更大。

表5 1991—1993年玉米出苗—乳熟期龍江站干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生代表年份的溫水逆境概況及產(chǎn)量表現(xiàn)

圖2 1991年(a)、1992年(b)和1993年(c)龍江站玉米出苗—乳熟期干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生代表年份的溫度與KCWDI變化

2.3.2.3 干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生與單一發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量影響比較

研究區(qū)干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生共計(jì)91站年，與單一干旱比較，91站年中，有12站年的產(chǎn)量損失高于全部單一干旱年的產(chǎn)量損失，有56站年的產(chǎn)量損失高于單一干旱年中50%年份的產(chǎn)量損失，其余23站年的產(chǎn)量損失高于單一干旱年中8%～46%年份的產(chǎn)量損失；與單一冷害比較，91站年中，有16站年的產(chǎn)量損失高于全部單一冷害年的產(chǎn)量損失，有35站年的產(chǎn)量損失高于單一冷害年中50%年份的產(chǎn)量損失，其余40站年的產(chǎn)量損失高于單一冷害年中14%～43%年份的產(chǎn)量損失。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生與單一發(fā)生相比的產(chǎn)量損失表征較為復(fù)雜，并非所有復(fù)合發(fā)生年份產(chǎn)量損失最大，而部分單一干旱或單一冷害年的產(chǎn)量損失高于兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生年的產(chǎn)量損失。再對(duì)干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生與單一發(fā)生狀態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生機(jī)制十分復(fù)雜，發(fā)生形式多樣，因此其對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響機(jī)制也較為復(fù)雜，這可能是造成其影響不同的主要原因之一。

根據(jù)上文分析，與單一干旱、低溫冷害比較，分別有12和16站年復(fù)合發(fā)生年份的產(chǎn)量損失最高，其中有8站年為重復(fù)年份，即青岡站的1989年，巴彥站的1982年、1984年和1989年，方正站的1996年，哈爾濱站的1982年，雙城站的1985年，集賢站的1983年，因此總計(jì)20站年，進(jìn)一步分析該20站年溫水逆境，由表6可見，總體存在兩種災(zāi)害發(fā)生程度均較重或干旱(冷害)時(shí)間長(zhǎng)、程度重的特征。

表6 產(chǎn)量損失最高的復(fù)合發(fā)生年份的溫水逆境

深入比較分析干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生與單一發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，鑒于臨近年份比較性更強(qiáng)，本文選取15個(gè)單站連續(xù)3年均發(fā)生災(zāi)害的年份，選取模式為2年干旱1年復(fù)合發(fā)生、2年低溫冷害1年復(fù)合發(fā)生、1年干旱1年低溫冷害1年復(fù)合發(fā)生，共選出所有符合條件的59例。分析表明，59例中25例復(fù)合發(fā)生年份產(chǎn)量最低，24例干旱年份產(chǎn)量最低，10例低溫冷害年份產(chǎn)量最低。受篇幅限制，本文給出6個(gè)代表站的比較情況(表7)，當(dāng)發(fā)生單一干旱(或低溫冷害)時(shí)，表中關(guān)于低溫冷害(或干旱)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)未統(tǒng)計(jì)。由表7可見，單一干旱年和低溫冷害年產(chǎn)量最低年份的逆境條件存在干旱和低溫總?cè)諗?shù)長(zhǎng)，或持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，或程度重的趨勢(shì)，而其中的復(fù)合發(fā)生年份逆境條件則表現(xiàn)為干旱和低溫總時(shí)間相對(duì)短，或持續(xù)時(shí)間相對(duì)短或其伴隨發(fā)生時(shí)間相對(duì)短或程度輕；25例產(chǎn)量最低的復(fù)合發(fā)生年份逆境條件與表6相似，也表現(xiàn)為干旱和低溫較重發(fā)生，或其中的干旱(或低溫冷害)較重發(fā)生的趨勢(shì)，表7中青岡站兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生年份產(chǎn)量較單一災(zāi)害年份產(chǎn)量下降幅度高達(dá)50%以上，細(xì)致分析其溫水條件可見，青岡站1989年6月9日至7月30日出現(xiàn)4個(gè)低溫時(shí)段，各段低溫持續(xù)時(shí)間分別為14、9、7和7 d，8月3—27日出現(xiàn)干旱，干旱持續(xù)近1月之久，干旱期間又出現(xiàn)階段性低溫，此種復(fù)合發(fā)生特征表現(xiàn)為先低溫冷害后干旱且后期相伴發(fā)生，其具體逆境條件表征為H達(dá)-262.5 ℃·d，低溫日數(shù)為53 d，最長(zhǎng)連續(xù)干旱時(shí)間達(dá)25 d，且處于需水量較大的開花—吐絲期；1989年與1988年低溫冷害相比，冷害程度、總低溫日數(shù)、持續(xù)低溫日數(shù)等相差較少；1989年與1990年干旱相比，1990年總干旱日數(shù)較長(zhǎng)，但5月18日至8月9日為間斷性干旱，且6月12日至7月21日的關(guān)鍵生長(zhǎng)期無(wú)旱，8月10—31日持續(xù)干旱22 d，期間平均KCWDI為57.3%，1989年5月30日至8月2日未出現(xiàn)干旱，8月3日至8月27日持續(xù)干旱25 d，期間平均KCWDI為58.2%，可見這兩年的干旱狀態(tài)較為相似?？傮w來(lái)看，青岡站1989年低溫程度重，關(guān)鍵期干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在低溫逆境已造成負(fù)效應(yīng)影響前提下，后期干旱及干旱、低溫相伴發(fā)生的逆境繼續(xù)產(chǎn)生不利影響，造成負(fù)效應(yīng)影響加重，這可能是導(dǎo)致1989年較1988年、1990年產(chǎn)量大幅度下降的主要原因之一。

如上文分析，自然條件下干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生、單一發(fā)生的隨機(jī)性較強(qiáng)，發(fā)生機(jī)制復(fù)雜，其對(duì)玉米的影響機(jī)制也較為復(fù)雜，因此復(fù)合發(fā)生與單一發(fā)生對(duì)玉米影響的可比性偏弱，但總體上存在這樣的趨勢(shì)，即當(dāng)與單一干旱(低溫冷害)比較時(shí)，復(fù)合災(zāi)害中干旱(低溫冷害)的時(shí)間、日數(shù)、程度等與之相當(dāng)時(shí)，則干旱(低溫冷害)與低溫冷害(干旱)復(fù)合發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響呈加重趨勢(shì)。

表7 研究區(qū)代表站玉米出苗—乳熟期連續(xù)3年干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生及單一發(fā)生的溫水逆境及產(chǎn)量比較

3 結(jié) 論

(1)1981—2016年，研究區(qū)玉米出苗—乳熟期KCWDI變化準(zhǔn)確表達(dá)了研究區(qū)水資源空間分布狀況。H對(duì)氣候變暖具有極強(qiáng)指示性，并能夠較好反映研究區(qū)熱量資源的空間配置。

(2)分析期內(nèi)，研究區(qū)玉米出苗—乳熟期累計(jì)發(fā)生干旱333站年，其中單一干旱242站年；累計(jì)低溫冷害167站年，其中單一低溫冷害76站年；累計(jì)干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生91站年。干旱、冷害復(fù)合發(fā)生總體呈減少趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代中期以前密集發(fā)生，之后明顯減少，但部分站點(diǎn)21世紀(jì)10年代開始有回升趨勢(shì)。空間分布呈西多東少趨勢(shì)，松嫩平原西部為頻發(fā)區(qū)。

(3)研究期間，H和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)，在一定溫度、水分條件范圍內(nèi)，H降低、KCWDI增大，玉米單產(chǎn)呈減少趨勢(shì)，反之呈增加趨勢(shì)，換言之，溫度、水分適宜與否對(duì)玉米單產(chǎn)的形成具有重要影響，溫度降低、水分虧缺量增大對(duì)玉米增產(chǎn)不利。

(4)比較干旱、低溫冷害單一發(fā)生和復(fù)合發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響可見，復(fù)合發(fā)生中干旱(低溫冷害)的時(shí)間、日數(shù)、程度等與單一發(fā)生的干旱(低溫冷害)相當(dāng)時(shí)，則干旱(低溫冷害)與低溫冷害(干旱)復(fù)合發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量的影響呈加重趨勢(shì)。在一定程度上，較重干旱伴隨較重低溫復(fù)合發(fā)生的逆境條件對(duì)玉米影響更大。

4 討 論

本文基于中華人民共中國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《北方春玉米干旱等級(jí)》(中國(guó)氣象局，2015)、《北方春玉米冷害評(píng)估技術(shù)規(guī)范》(中國(guó)氣象局，2012)中規(guī)定的KCWDI、H判識(shí)玉米干旱、低溫冷害，兩個(gè)指標(biāo)均考慮了玉米生育期及主要?dú)夂蛞蜃樱x予了指標(biāo)生物學(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KCWDI、H對(duì)干旱、低溫冷害判識(shí)效果較為理想，與高松陽(yáng)(2017)、楊衛(wèi)東(2017)、郭建平和馬樹慶(2009)采用其他研究方法的判識(shí)結(jié)果基本一致，對(duì)1982、2000、2001、2003、2016年等有代表性的干旱年以及1983、1987、1989、1992年等比較典型的低溫冷害年判識(shí)較為準(zhǔn)確。另外，從KCWDI、H變化看，KCWDI具有西高東低的空間分布特征，這準(zhǔn)確表達(dá)了研究區(qū)水資源分布狀況，體現(xiàn)出黑龍江省松嫩平原西部和南部偏干易旱特點(diǎn)，與陳立亭和孫玉亭(2000)研究所指出的該區(qū)素有“十年九旱”之說(shuō)相吻合。同時(shí)，H呈顯著增加趨勢(shì)，此種變化對(duì)氣候變暖趨勢(shì)存在極強(qiáng)的指示性，充分體現(xiàn)積溫距平具有判識(shí)低溫冷害和評(píng)價(jià)氣溫變化趨勢(shì)性的雙重指標(biāo)作用?？梢?，KCWDI、H是干旱和低溫冷害分析及氣候變化方面較為可靠的指標(biāo)，它們?cè)诒孀R(shí)作物災(zāi)害及甄別氣候變化趨勢(shì)及農(nóng)業(yè)氣候資源時(shí)空分布上效果顯著。

與過去單一災(zāi)害的影響分析相比(姜麗霞等，2016；曹雯等，2019)，本文利用KCWDI和H與玉米單產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立了同一區(qū)域、同一時(shí)期氣候-作物-兩種災(zāi)害間的相互影響關(guān)系，通過KCWDI和H兩個(gè)氣候因子的變化趨勢(shì)反映產(chǎn)量變化趨勢(shì)，并進(jìn)而體現(xiàn)干旱、低溫冷害兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生逆境對(duì)玉米產(chǎn)量的影響模式，結(jié)合干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生逆境對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，分析可見，在玉米出苗—乳熟期總體存在干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生程度愈重、負(fù)效應(yīng)影響愈大的趨勢(shì)。另從兩個(gè)因子與玉米單產(chǎn)的相關(guān)關(guān)系可見，H與玉米單產(chǎn)相關(guān)性更好，可見在黑龍江省，就熱量與水分比較而言，熱量條件為制約玉米生產(chǎn)的相對(duì)關(guān)鍵因素，這與陳立亭和孫玉亭(2000)的研究結(jié)論一致。

玉米出苗—乳熟期干旱和低溫冷害兩種災(zāi)害單一發(fā)生、復(fù)合發(fā)生以及對(duì)玉米的影響情況較為復(fù)雜，兩種災(zāi)害單一發(fā)生或復(fù)合發(fā)生的形式不同、程度不同、出現(xiàn)時(shí)間不同、出現(xiàn)的發(fā)育時(shí)段不同、持續(xù)時(shí)間不同等，其影響均不相同，如龍江站1992年最長(zhǎng)連續(xù)干旱出現(xiàn)時(shí)間不同于1991年和1993年，其出現(xiàn)于拔節(jié)—乳熟期，該發(fā)育期包含玉米水分臨界期，此時(shí)期干旱對(duì)玉米會(huì)造成巨大的負(fù)效應(yīng)影響，這可能也是導(dǎo)致玉米大幅度減產(chǎn)的原因之一，因此玉米在不同生長(zhǎng)時(shí)期遭遇不同災(zāi)害的影響，玉米產(chǎn)量損失不盡相同，且其影響機(jī)制較為復(fù)雜，后續(xù)可采取田間試驗(yàn)、模擬試驗(yàn)等方法進(jìn)一步探索災(zāi)害復(fù)合發(fā)生對(duì)作物的影響，研究提煉復(fù)合災(zāi)害產(chǎn)量損失的臨界閾值，并研究更新作物適宜氣象指標(biāo)，分析區(qū)域氣候資源最新匹配特征，開展區(qū)域易發(fā)頻發(fā)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃及災(zāi)害影響的精細(xì)化評(píng)估，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，此部分內(nèi)容應(yīng)在今后工作中進(jìn)行深入研究。