吉林省糧食主產(chǎn)區(qū)玉米生長季水分盈虧及其對產(chǎn)量的影響

付焱焱，李云峰,2，韓 冬，馬樹慶,3

（1吉林省氣象服務(wù)中心，長春 130062；2吉林省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，長春 130062；3吉林省氣象臺，長春 130062）

0 引言

吉林省中西部是玉米主產(chǎn)區(qū)，是中國東北玉米帶的腹地，2016—2020年期間年產(chǎn)玉米2310萬t左右。該區(qū)玉米栽培主要依靠雨養(yǎng)，由于生長季降雨量不足且時空分布不均，每年都有一些縣市發(fā)生不同程度的旱災(zāi)[1-3]，經(jīng)濟(jì)損失較重。當(dāng)?shù)赜衩赘珊荡杭竞拖那锛径加邪l(fā)生，春旱影響播種出苗，夏秋季干旱影響生長、開花授粉和灌漿成熟，都會導(dǎo)致減產(chǎn)。在全球氣候變暖的背景下，1990—2018年當(dāng)?shù)貧夂蚺苫厔菝黠@，作物干旱發(fā)生趨于頻繁和嚴(yán)重[2,4]，因此，玉米干旱的監(jiān)測、評估和預(yù)警是氣象服務(wù)主要業(yè)務(wù)內(nèi)容，也是干旱防御的科學(xué)基礎(chǔ)。農(nóng)田水分脅迫對作物影響研究一直是農(nóng)業(yè)氣象科研的核心內(nèi)容和難點。姚玉璧等[5]介紹了多種農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)。張淑杰[3]、李春梅[6]、董秋婷[7]、黃晚華[8]等基于雨量、水分虧缺和無雨日數(shù)等指標(biāo)分析了北方地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱的時空變化特征，證明干旱的時空變化大，且不同指標(biāo)的分析結(jié)果趨勢相近。馬樹慶[9-10]建立了東北地區(qū)農(nóng)田水分評估模式，揭示東北玉米帶內(nèi)各縣市玉米等旱田作物雨量盈虧差異較大。陳莉[2]、董朝陽[11]等研究了東北不同等級干旱對春玉米產(chǎn)量的影響，表明各地干旱影響差異較大。李秀芬等[12]編制了春玉米干旱等級氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過田間試驗揭示土壤水分脅迫對玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響研究也較多[13-14]，表明田間試驗獲得的干旱指標(biāo)與以往采用歷年產(chǎn)量的統(tǒng)計分析結(jié)果差異較大。農(nóng)業(yè)氣候研究成果有很強(qiáng)的地域性和時代性特點，隨著氣候、作物品種和耕作方式變化，多年前的玉米干旱及農(nóng)田水分研究結(jié)果多數(shù)不能適應(yīng)當(dāng)今玉米生產(chǎn)和氣象服務(wù)需求[15-16]，即使是相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其干旱時段劃分、干旱等級劃分以及干旱指標(biāo)和干旱風(fēng)險區(qū)域格局等，也不是何時何地都一成不變的，都有進(jìn)一步修訂和完善的必要，以適應(yīng)具體區(qū)域和現(xiàn)階段的氣象業(yè)務(wù)和防減災(zāi)需求。因此，筆者用最新氣象和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，分析在現(xiàn)代氣候和玉米生產(chǎn)條件下不同生長時期雨量虧缺狀況及其對玉米產(chǎn)量的影響，以期客觀揭示現(xiàn)階段玉米干旱氣候風(fēng)險，并提升現(xiàn)代氣象為農(nóng)服務(wù)和防減災(zāi)能力。

1 資料與方法

1.1 研究范圍和資料

研究區(qū)域為吉林省中、西部平原區(qū)，包括長春、四平、白城和松原4個市的18個縣（市、區(qū)），位于中國東北玉米帶的腹地，其西半部屬半干旱氣候區(qū)，東半部（吉林省中部）屬半濕潤氣候區(qū)，各縣市農(nóng)業(yè)氣候干燥度大于1.0[10]。年平均氣溫6℃左右，無霜期155天左右，≥10℃積溫3000～3100℃·d，5—9月日照1350 h左右，日照百分率60%左右，溫光條件均滿足玉米生長需要。各縣市平均年雨量372～565 mm，5—9月雨量330～475 mm，地域差異較大。除全面分析各縣水分盈虧外，考慮到縣域分布和玉米主產(chǎn)縣，側(cè)重分析其中8個縣市（表2）水分盈虧率對玉米產(chǎn)量的影響。各縣市氣象資料年限為1961—2018年，包括逐日雨量和氣溫等。采用省統(tǒng)計局年鑒的聯(lián)產(chǎn)承包后的玉米單產(chǎn)資料，年限為1983—2018年。

1.2 干旱時段劃分

研究區(qū)域玉米4月下旬播種，5月下旬出苗，6月中旬進(jìn)入7葉期，而后拔節(jié)，7月末抽雄和開花授粉，而后進(jìn)入灌漿期，至9月中旬（20日前后）黃熟停止灌漿，9月下旬籽粒散水并完熟。玉米黃熟后少雨對產(chǎn)量無影響，因此玉米旱災(zāi)發(fā)生階段為4月下旬—9月中旬。以往通常把當(dāng)?shù)赜衩赘珊捣譃榇汉担?—6月）和夏秋旱（8—9月）2個階段[10]，比較粗放，生長進(jìn)程分異不清晰，時段不連續(xù)；也有劃分春夏秋3個階段的[7,16]，把8月中下旬也歸為秋，與作物生育進(jìn)程和自然季節(jié)都不符，且易概念混淆；有的研究按主要生育期劃分為5個干旱階段[15-16]，每個時段偏短，界限節(jié)點較多，分析結(jié)果易出現(xiàn)偏差。鑒于此，本研究充分考慮玉米生長階段、進(jìn)程節(jié)點和階段長度，并遵循玉米發(fā)育期觀測規(guī)范，將玉米生長季分為生長前期、中期和后期3個干旱階段，每個階段50或51天，對應(yīng)的時間范圍和生長發(fā)育階段見表1。

表1 玉米干旱時段劃分及生長階段

1.3 雨量盈虧計算方法

根據(jù)農(nóng)田水分平衡原理建立簡化的農(nóng)田水分平衡方程，如式(1)～(3)。

式中，Pij為某地某時期的玉米田間水量盈虧額，Hij為同期農(nóng)田有效供水量，Wij為同期玉米田需水量。Rij為降雨量，Lij為徑流量?？紤]到研究區(qū)域為半干旱半濕潤平原區(qū)，即使出現(xiàn)大雨也基本不產(chǎn)生徑流，徑流主要由暴雨等強(qiáng)降雨產(chǎn)生，參考相關(guān)文獻(xiàn)[9,17-19]，在出現(xiàn)暴雨以上強(qiáng)降雨或連續(xù)大雨時，平原區(qū)徑流系數(shù)一般為降雨量的3%～10%。Eij是草地蒸發(fā)力，采用彭曼[12,18,21]的方法計算。aj是不同生長階段作物系數(shù)，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12,20-21]確定。半干旱半濕潤平原區(qū)農(nóng)田土壤滲漏水很少，可以忽略不計。受基礎(chǔ)資料不足限制，本研究忽略春季部分玉米田抗旱播種補(bǔ)水量（可能產(chǎn)生的不確定性影響僅在討論中說明）。因此，農(nóng)田水分盈虧率(FP)簡化計算如式(4)。

1.4 氣象產(chǎn)量分解

根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象學(xué)原理，作物實際單產(chǎn)可分解為趨勢產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量與隨機(jī)誤差（略）之和，由氣象條件決定的每年玉米氣象單產(chǎn)等于實際單產(chǎn)與社會趨勢單產(chǎn)之差[10,22]，如式(5)。

式中，Yqi為某地某年的氣象單產(chǎn)；Yai為實際單產(chǎn)；Ybi為趨勢單產(chǎn)，是受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)等社會因素影響的產(chǎn)量分量。正常情況下，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，趨勢產(chǎn)量是逐年增長的，但由于政策因素影響，趨勢產(chǎn)量也可出現(xiàn)較大的拐點。1982年前各地玉米單產(chǎn)很低，波動也很小，客觀性也較差，因此本研究不采用。1983年聯(lián)產(chǎn)承包和2009年以來的種田補(bǔ)助等政策性影響，導(dǎo)致當(dāng)?shù)赜衩讍萎a(chǎn)出現(xiàn)較明顯的階段性變化態(tài)勢，因此采用分段線性方法分析趨勢產(chǎn)量[22]。氣象產(chǎn)量變率(FY)計算如式(6)。

1.5 影響分析方法

研究區(qū)域光熱條件均滿足玉米生長和產(chǎn)量形成需求[7,10]，玉米氣象產(chǎn)量主要取決于農(nóng)田雨水虧缺，因此用相關(guān)分析和多元分析方法分析不同季節(jié)農(nóng)田水分盈虧率與氣象產(chǎn)量變率間的關(guān)系，以揭示水分盈虧對玉米產(chǎn)量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 各縣市水分盈虧及其比較

計算研究區(qū)域各縣市玉米生長前期、中期、后期的Wi，其常年值分別為114、195、154 mm左右，全生長季是463 mm左右，白城、洮南等西部縣市季節(jié)玉米需水量稍多于榆樹、九臺等中部縣市，高溫年份玉米需水量略多于低溫年份。各地玉米主要生長期內(nèi)有效雨量年變化很不穩(wěn)定，多數(shù)年份生長季Hi小于同期需水量，不少年份春夏季的Hi不及Wi的一半；只有少數(shù)年份Hi明顯大于同期Wi，個別縣市極少數(shù)年份中期（汛期）Hi是同期Wi的2倍。各縣市Hi有明顯差異，研究區(qū)域西部縣市多年平均有效雨量明顯少于東部縣市的。各縣市常年的Pi值差異也較大，西部縣市玉米生長前期、中期、后期和全季的多年平均Pi均為負(fù)值，水分虧額依次在60、30、50、150 mm左右；東部縣市依次為25、0、10、30 mm左右，夏季水分供求基本平衡或有余。圖1顯示研究區(qū)域各縣市的多年平均FP，其主要特征：（1）多數(shù)縣市普遍缺水，多年平均FP的地域變化較大。研究區(qū)域西部（長嶺、雙遼、鎮(zhèn)賚、洮南等）縣市（也是吉林省西部）少雨干旱年更頻繁和嚴(yán)重，水分虧缺率明顯大于東部（吉林省中部）縣市（農(nóng)安、公主嶺、九臺、榆樹等），其中玉米全生長季西部縣市常年水分虧缺36%左右，東部縣市虧缺10%左右，個別縣市水分供求基本平衡。（2）FP季節(jié)變化較大。各縣市均表現(xiàn)為玉米生長前期（春季）水分虧缺最多，其次是后期，中期水分虧缺較少，其中東部縣市中期水分供求基本平衡。

圖1 研究區(qū)域多年平均水分盈虧率的地理分布

西部縣市前期、中期和后期平均水分虧缺為50%、15%和35%左右，夏季水分也不足；東部平均虧缺30%、0%和10%左右，中、后期水分供求基本平衡。圖2是代表縣市FP的歷年變化情況，主要特征：（1）玉米水分盈虧的年變化很大，前中后3個階段的FP極值多在±80%上下，自然供水條件很不穩(wěn)定，且階段水分盈虧年變幅的區(qū)域差異不大，相對多雨的東部縣市FP波動幅度也較大。（2）多數(shù)縣市水分虧缺年份明顯多于盈余年份，表明當(dāng)?shù)乜傮w看是常年缺水易旱。（3）各縣市前、后期常年缺水，西部縣市多數(shù)年份中期（多雨季節(jié)）也缺水，而東部縣市中期雨量有余，個別年份FP達(dá)到80%左右。（4）前期嚴(yán)重缺水的年份往往中期不十分缺水，中期缺水的年份往往后期不十分缺水，存在前—中期連旱或中—后期連旱，但頻率不太大，發(fā)生前中后期連旱的年份更少。（5）各縣市季節(jié)水分盈虧率在時期上有一定同步性，即旱、澇都往往是區(qū)域性的。（6）FP的年代變化趨勢無明顯規(guī)律，但多數(shù)縣市1983—1993年間水分虧缺略小于2008—2018年和1994—2007年。

2.2 氣象產(chǎn)量與水分盈虧率相關(guān)分析

各縣市玉米氣象產(chǎn)量變率較大，年極值可達(dá)到±50%，西部縣市多數(shù)年份在±30%之間，東部縣市多在±20%之間。氣象產(chǎn)量變率與水分盈虧率的相關(guān)系數(shù)如表2。

表2 玉米氣象產(chǎn)量與不同生長期水分盈虧率的相關(guān)系數(shù)

可以看出：（1）研究區(qū)域絕大部分縣市相關(guān)系數(shù)為正值，因常年水分不足，氣象產(chǎn)量與水分盈虧缺率呈正比。（2）西部和北部縣市的相關(guān)性大于中南部縣市，其中農(nóng)安、洮南、榆樹、雙遼等縣市部分玉米生長階段相關(guān)達(dá)到顯著水平，而九臺、梨樹、公主嶺等中南部縣市相關(guān)多為不顯著。（3）部分縣市全生長季水分影響也較顯著，顯示不同時段水分影響存在一定的互補(bǔ)性。

以研究區(qū)域中部的農(nóng)安縣為例（圖3），其氣象產(chǎn)量與前期水分盈虧率的關(guān)系更密切，與后期的關(guān)系不密切。該縣多數(shù)欠收年都是春旱引起的，豐收年多數(shù)是春季水分充足所致，但也有一些年產(chǎn)量與水分盈虧關(guān)系不大。農(nóng)安縣全部歉收年的FY與對應(yīng)年份的春季FP相關(guān)方程為如式(7)。

圖3 農(nóng)安縣玉米氣象產(chǎn)量與不同時段水分盈虧的關(guān)系

式中，相關(guān)系數(shù)0.55，極顯著，春季水分每虧缺10%，減產(chǎn)2.4%；水分虧缺30%、40%、50%、60%和70%以上分別減產(chǎn)12%、14%、16%、19%和21%以上。農(nóng)安市FY對前(FP1)、中(FP2)、后期(FP3)水分盈虧的綜合反應(yīng)如式(8)。

復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.54?？梢钥闯?，農(nóng)安縣的玉米氣象產(chǎn)量與生長季前、中、后期水分盈虧率都是正相關(guān)，有效雨水越多產(chǎn)量越高，氣象產(chǎn)量與水分的關(guān)系是前期＞中期＞后期（表2），單位水分變化對產(chǎn)量的影響系數(shù)也是前期＞中期＞后期。農(nóng)安縣前、中、后期FP虧50%、60%和70%的情況下，按照干旱減產(chǎn)等級[12,21]，分別發(fā)生中度、重度和特旱。

再以西部半干旱區(qū)的洮南為例，F(xiàn)Y與FP1、FP2、FP3的多元相關(guān)方程如式(9)所示。

復(fù)相關(guān)也顯著，產(chǎn)量與前中后期水分盈虧也都是正相關(guān)，但表現(xiàn)為后期干旱導(dǎo)致減產(chǎn)較多，其次是前期干旱，中期減產(chǎn)較少，原因可能是當(dāng)?shù)卮杭究购的芰^強(qiáng)。在FP1、FP2、FP3都分別為-50%、-60%、-70%的情況下，對應(yīng)的FY依次為-4.4%、-8.6%、-12.2%。洮南比農(nóng)安更少雨干旱，但同等干旱減產(chǎn)幅度略小于農(nóng)安，主要是因為洮南市旱田灌溉補(bǔ)水條件好于農(nóng)安。2006年以來洮南旱田有水源和灌溉設(shè)施的面積比例在48%左右，抗春旱能力較強(qiáng)，而農(nóng)安旱田可水澆地僅10%左右，抗旱水源不足，機(jī)井較少，抗旱能力弱。必須說明的是，各地水分虧損20%以下并不是不減產(chǎn)，而是作物產(chǎn)量變化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和自然天氣情況十分復(fù)雜，難以客觀甄別水分小幅變化對產(chǎn)量的影響。

3 結(jié)論與討論

吉林省中西部糧食主產(chǎn)區(qū)各縣市玉米田自然供水很不穩(wěn)定，各縣市生長季水分盈虧率極值多在±80%上下，多數(shù)年份玉米生長前期和后期分別缺水55%和35%左右，其中西部縣市多在40%～60%，大于東部縣市的20%～30%。水分盈虧地理變化大，多年平均虧缺率表現(xiàn)為西部＞中部＞東部，東部縣市水分供求基本平衡，西部縣市多數(shù)年份夏季雨量也顯不足。各縣市水分虧缺率季節(jié)變化大，表現(xiàn)為前期＞后期＞中期，中期處于夏季汛期，多數(shù)縣市常年不缺水。各縣市還有春夏連旱或夏秋連旱，但春夏秋連旱的年份很少。各縣市階段水分盈虧在時期上有同步性，旱、澇都往往是區(qū)域性的。FP的年代變化趨勢無明顯規(guī)律。域內(nèi)絕大部分縣市玉米氣象產(chǎn)量與水分虧缺正相關(guān)，水分虧缺30%以上會產(chǎn)生玉米干旱災(zāi)害，水分虧缺50%以上一般導(dǎo)致減產(chǎn)10%以上。西部和北部縣市的相關(guān)性大于南部縣市，中部縣市春季缺水對產(chǎn)量影響較大，水分每虧缺10%約減產(chǎn)2.4%，西部縣市中后期干旱影響較大。

本研究分析了吉林省玉米主產(chǎn)區(qū)不同生長期水分盈虧狀況及其對玉米產(chǎn)量的影響，結(jié)果符合生產(chǎn)實際，也符合玉米氣象、生態(tài)學(xué)原理，可為當(dāng)?shù)赜衩赘珊当O(jiān)測、災(zāi)損評估和確定抗旱灌溉量提供科學(xué)依據(jù)。本研究的局限性：（1）受資料限制，忽略了大風(fēng)、冰雹、病蟲害以及田間滲漏和春季人工補(bǔ)水等因素影響，水分盈虧和產(chǎn)量分析會存在一定誤差；（2）統(tǒng)計局的產(chǎn)量數(shù)據(jù)也不是完全正確，進(jìn)而對趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量的客觀性有一定影響，是導(dǎo)致部分縣市產(chǎn)量與水分盈虧的相關(guān)性不十分顯著的主要原因。在多種復(fù)雜因素干擾下，本研究仍提煉出水分盈虧對產(chǎn)量豐欠的客觀影響，足見研究區(qū)域內(nèi)水分條件對玉米生長和產(chǎn)量豐欠的影響之大。今后需通過開展相關(guān)試驗研究盡可能充分考慮其他相關(guān)因素，以便更客觀、細(xì)致地揭示當(dāng)?shù)赜衩咨L水分條件及其影響。