黑龍江省玉米干旱與低溫冷害復(fù)合發(fā)生的溫水特征及產(chǎn)量分析*

姜麗霞，李樹(shù)嶺，張雪梅，曹 蕾，劉艷華，閆 平，韓俊杰，姜藍(lán)齊，初 征

(1.中國(guó)氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2.黑龍江省氣象科學(xué)研究所，哈爾濱 150030；3.哈爾濱市氣象臺(tái)，哈爾濱 150028；4.黑龍江省氣象服務(wù)中心， 哈爾濱 150036)

干旱、低溫冷害對(duì)玉米生產(chǎn)影響較大，研究表明，玉米在生育期間遭遇單一干旱或單一低溫冷害均可導(dǎo)致玉米生長(zhǎng)受到抑制，生物量減少[1-3]，產(chǎn)量出現(xiàn)不同程度下降，減產(chǎn)率可達(dá)15%以上[4-6]，則其復(fù)合發(fā)生所造成的影響將更巨大，因此研究分析玉米生長(zhǎng)期干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生的氣候條件特征，揭示災(zāi)害復(fù)合發(fā)生對(duì)產(chǎn)量的影響，對(duì)保障國(guó)家糧食安全、促進(jìn)鄉(xiāng)村振興具有重要意義。

氣象災(zāi)害對(duì)糧食生產(chǎn)的影響一直是國(guó)內(nèi)外氣象和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域關(guān)注熱點(diǎn)[7-9]，許多專家和學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量研究工作，不同類別、不同形式的研究均取得顯著進(jìn)展。前人對(duì)干旱和低溫冷害研究較為充分，逐步完善災(zāi)害指標(biāo)[10-11]，探索災(zāi)害演變特征及監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)方法[12-14]，開(kāi)展災(zāi)害對(duì)玉米影響的量化研究等[15-16]。研究指出，不同生育期干旱脅迫對(duì)玉米產(chǎn)量影響不同，以抽穗-乳熟期減產(chǎn)最顯著，拔節(jié)-灌漿期次之，苗期最小[16]，冷害對(duì)玉米產(chǎn)量影響與干旱影響趨勢(shì)基本一致[3]，可見(jiàn)從玉米拔節(jié)開(kāi)始，隨著生育進(jìn)程推進(jìn)，兩種災(zāi)害單一發(fā)生對(duì)玉米產(chǎn)量影響呈加重趨勢(shì)。關(guān)于干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生對(duì)玉米影響的相關(guān)研究，目前所見(jiàn)報(bào)道尚少[17-18]。

近年來(lái)，黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，目前已成為保障國(guó)家糧食安全的壓艙石，可見(jiàn)黑龍江省玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)是端牢“中國(guó)飯碗”的基本保障之一，而干旱和低溫冷害發(fā)生無(wú)疑對(duì)玉米安全生產(chǎn)造成威脅，同時(shí)，現(xiàn)今黑龍江省新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體經(jīng)營(yíng)規(guī)模大、單產(chǎn)水平高，受災(zāi)損失大，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[18]?；诖?，利用更新氣象數(shù)據(jù)、采用國(guó)家氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研究干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生的溫水特征及對(duì)產(chǎn)量的影響，以期為相關(guān)部門開(kāi)展災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估與影響預(yù)報(bào)提供重要技術(shù)支撐，為農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)及“藏糧于技”戰(zhàn)略實(shí)施提供氣象參考。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

根據(jù)黑龍江省玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站分布，考慮資料完整性，選取15個(gè)玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站作為研究區(qū)，該15站均勻分布在黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)內(nèi)，其玉米年種植面積多在10×104hm2以上，能夠代表黑龍江省玉米生產(chǎn)實(shí)際情況，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)為更好探究干旱、低溫冷害對(duì)不同區(qū)域玉米的影響，根據(jù)15站地理位置和氣候特征，將研究區(qū)劃分為5個(gè)區(qū)域，具體見(jiàn)表1。所用資料包括15站1981—2018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)數(shù)據(jù)來(lái)自黑龍江省統(tǒng)計(jì)局。玉米發(fā)育期觀測(cè)按照中國(guó)氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》[19]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)玉米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

1.2 研究方法

1.2.1 玉米干旱、低溫冷害判識(shí)

本文研究時(shí)間段為玉米出苗-乳熟期，玉米出苗期、拔節(jié)期、抽雄期和乳熟期采用中國(guó)氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》中規(guī)定觀測(cè)的普遍發(fā)育期。利用國(guó)家氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QX/T259—2015北方春玉米干旱等級(jí)》[20]和《QX/T167—2012北方春玉米冷害評(píng)估技術(shù)規(guī)范》[21]中水分虧缺指數(shù)(KCWDI)、≥10 ℃積溫距平(H)分別判識(shí)玉米干旱、低溫冷害，并參照2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)做如下規(guī)定：對(duì)于干旱，分三個(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)-抽雄期、抽雄期-乳熟期，水分虧缺指數(shù)KCWDI>35%時(shí)分別發(fā)生干旱，并規(guī)定三個(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)干旱時(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)積溫距平H<-45 ℃·d、H<-50 ℃·d、H<-55 ℃·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。

對(duì)玉米出苗-乳熟期干旱、低溫冷害分別進(jìn)行判識(shí)后，規(guī)定在同一站點(diǎn)同1年內(nèi)，玉米出苗-乳熟期干旱、低溫冷害均有發(fā)生為干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生，僅有一種災(zāi)害發(fā)生則視為無(wú)干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

利用2個(gè)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)方法對(duì)單站各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，再統(tǒng)計(jì)獲取區(qū)域及全省平均數(shù)據(jù)，最后根據(jù)研究需求以SPSS statistics 17.0處理軟件分別進(jìn)行單站或區(qū)域數(shù)據(jù)分析。

研究表明，總降水量中只有能夠保存在作物根系層中的那部分降水量，才能用于滿足作物蒸發(fā)蒸騰需要，此部分降水量稱為有效降水量[22]，本文采用逐日有效降水量分析降水條件，逐日有效降水量計(jì)算公式為：

Pdi=ai×Pi。

(1)

式中：Pdi為第i日有效降水量(mm)，Pi為第i日降水量(mm)，ai為有效利用系數(shù)。一般情況下，ai取值如下：當(dāng)Pi≤5 mm 時(shí)，ai=0；當(dāng)5 mm50 mm 時(shí)，ai=0.75[22]。根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《降水量等級(jí)》[23]，本文規(guī)定有效降水量Pd的等級(jí)，即0.1 mm≤Pd≤9.9 mm、10.0 mm≤Pd≤24.9 mm、25.0 mm≤Pd≤49.9 mm、Pd≥50.0 mm時(shí)分別為小雨、中雨、大雨、暴雨，按照此等級(jí)對(duì)有效降水量進(jìn)行分析。

1.2.3 產(chǎn)量分析方法

在農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)、田間管理措施、品種熟型變化不大的情況下，作物單產(chǎn)的變化主要是由氣象條件差異引起[17]。本文玉米相對(duì)產(chǎn)量變化率(%)表達(dá)為:

(2)

式中：YW為某站點(diǎn)研究期內(nèi)所有干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份的平均玉米單產(chǎn)(kg/hm2)，Y0為某站點(diǎn)研究期內(nèi)所有未發(fā)生干旱和低溫冷害復(fù)合災(zāi)害年份的平均玉米單產(chǎn)(kg/hm2),ΔY為某站點(diǎn)的玉米相對(duì)產(chǎn)量變化率(%)，ΔY<0表示發(fā)生復(fù)合災(zāi)害年份與未發(fā)生復(fù)合災(zāi)害年份相比產(chǎn)量下降，ΔY>0為產(chǎn)量升高。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱和低溫冷害發(fā)生概況

1981—2018年間，研究區(qū)玉米出苗-乳熟期各站發(fā)生干旱較為頻繁，發(fā)生年數(shù)為19～34年，占研究期50%或以上，泰來(lái)站發(fā)生最多，占89%，五常站最少，占50%。低溫冷害發(fā)生少于干旱，各站發(fā)生年數(shù)為9～16年，富裕站發(fā)生最多，占研究期42%，青岡站、勃利站最少，占24%，發(fā)生年份主要集中于1990年代中期前。為了更加清晰直觀地表達(dá)1981—2018年間玉米出苗-乳熟期干旱、低溫冷害復(fù)合發(fā)生的年份(圖1)，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)為各站干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生的年份，如龍江站干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生的年份分別為1981、1982、1988、1989、1991、1992、1993、1995年。由圖1可見(jiàn)，分析期內(nèi)，研究區(qū)干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份累計(jì)110站年，干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生呈減少趨勢(shì)，各站發(fā)生年數(shù)為3～11年，主要多發(fā)于1980年代，大部站點(diǎn)發(fā)生年數(shù)為4～7年；1990年代發(fā)生年數(shù)下降，為1～4年；2000年代以后持續(xù)減少，但部分站點(diǎn)2010年代干旱和低溫冷害復(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)處于松嫩平原西南部，年數(shù)為10～11年；低值中心位于五常，年數(shù)為3年；其他區(qū)域處于中間狀態(tài)，年數(shù)為5～9年。

圖1 研究區(qū)玉米出苗-乳熟期干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份示意圖注：1龍江；2富裕；3海倫；4泰來(lái)；5青岡；6安達(dá)；7巴彥；8佳木斯；9集賢；10哈爾濱；11肇源；12雙城；13方正；14勃利；15五常

2.2 干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生的溫水特征

2.2.1 溫度特征

1981—2018年間，研究區(qū)干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份玉米出苗-乳熟期間平均氣溫呈波動(dòng)變化，年際間小幅震蕩，峰值出現(xiàn)于龍江站1982年，谷值出現(xiàn)于勃利站1983年。71站年平均氣溫低于常年，占比為65%，偏低幅度為0.1～2.3 ℃，其中有20站年偏低幅度達(dá)到1.0 ℃以上。干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份平均氣溫的高值區(qū)位于松嫩平原西部，低值區(qū)處于松嫩平原北部。

進(jìn)一步分析玉米出苗-乳熟期逐日平均氣溫變化，受篇幅限制，本文在所劃分的5個(gè)區(qū)域分別選取龍江、青岡、哈爾濱、巴彥及勃利站，在5站分別選取干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份1992、1986、1992、1986、1986年，鑒于2018年研究區(qū)未出現(xiàn)干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生情況，生長(zhǎng)季熱量條件好，降水量適宜[24]，則選取其為比較年，上述所選的站點(diǎn)及年份均具有較好代表性、可比性及普適性。由圖2可見(jiàn)，在玉米出苗-乳熟期，研究區(qū)干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份的日均溫并非持續(xù)偏低，而呈波動(dòng)式升高-下降的震蕩變化，進(jìn)一步分析低溫情況，以ΔT2018、ΔT分別代表干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份的日均溫與比較年和常年的差值，與2018年相比，研究區(qū)各站干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份的低溫日數(shù)(ΔT2018<0 ℃日數(shù))在21～72 d之間波動(dòng)，占玉米出苗-乳熟期總?cè)諗?shù)(70～121 d)的29%～80%，86站年低溫日數(shù)占比在50%以上，即出苗-乳熟期內(nèi)超過(guò)50%時(shí)間的日均溫較2018年偏低，低溫日數(shù)峰值出現(xiàn)于富裕站1981年，低溫日數(shù)為66 d；與常年比較，研究區(qū)各站低溫日數(shù)(ΔT<0℃日數(shù))為16～70 d，占比為20%～77%，有64站年低溫日數(shù)占比在50%以上，峰值出現(xiàn)于龍江站1993年，低溫日數(shù)高達(dá)70 d。

2.2.2 水分特征

1981—2018年間，研究區(qū)干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份玉米出苗-乳熟期有效降水量在47.0～458.3 mm之間大幅震蕩，88站年有效降水不足300 mm，降水年際間變化劇烈，峰值出現(xiàn)于巴彥站1987年，谷值出現(xiàn)于富裕站1982年。鑒于降水局地性、突發(fā)性、異常性等特征較強(qiáng)，而常年有效降水量為多年平均值，較大或較小降水量被平均處理后，其值代表意義不大，因此本文只將有效降水量與2018年進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示，研究區(qū)有86站年有效降水量比2018年少1.0%～87.4%，占總復(fù)合發(fā)生年數(shù)的78%，平均偏少36.5%，其中有25站年偏少幅度達(dá)到50%以上。各站干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份的平均有效降水量為180.2～310.4 mm，高值區(qū)位于松嫩平原東部，經(jīng)松嫩平原南部向北部、西部呈減少趨勢(shì)，低值中心處于三江平原，平均有效降水量不足200 mm。

圖3給出了代表站龍江、青岡、哈爾濱、巴彥及勃利站玉米出苗-乳熟期逐日有效降水量變化，由圖3可見(jiàn)，在干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份里，有效降水出現(xiàn)頻次較少，降水量量級(jí)相對(duì)較小，大部分日數(shù)的有效降水量少于2018年。

圖2 研究區(qū)代表站干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生代表年份玉米出苗-乳熟期日均溫與2018年和常年比較

圖3 研究區(qū)代表站干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生代表年份玉米出苗-乳熟期日有效降水量與2018年比較

表2 研究區(qū)干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份出苗-乳熟期不同等級(jí)有效降水量日數(shù)與2018年比較

不同量級(jí)有效降水量出現(xiàn)日數(shù)不同，隨著量級(jí)增大，有效降水量出現(xiàn)日數(shù)呈減小趨勢(shì)，研究區(qū)各站干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份出現(xiàn)有效降水量的總?cè)諗?shù)為6～27 d，方正站1984年最多，富裕站1982最少，80站年有效降水日數(shù)比2018年少1～19 d，松嫩平原西部偏少較為明顯，多在10 d以上；有效降水量達(dá)小雨量級(jí)的日數(shù)為0～17 d，方正站1984年最多，而泰來(lái)站1984年則為0 d，64站年比2018年偏少1～10 d；有效降水量達(dá)到中雨的日數(shù)為1～15 d，龍江站1991年、泰來(lái)站1983年出現(xiàn)了15 d中雨天氣，而富裕站、佳木斯站僅出現(xiàn)1 d，與2018年相比，59站年中雨日數(shù)偏少1～9 d；有效降水量達(dá)到大雨的日數(shù)減少，為0～6 d，僅3站3年出現(xiàn)6 d大雨，分別為泰來(lái)站1988年、肇源站1985年、方正站1988年，20站年未出現(xiàn)大雨天氣，其中除方正站外，其余站均有未出現(xiàn)大雨天氣的年份，與2018年比較，81站年大雨日數(shù)偏少1～6 d；全研究區(qū)有效降水量達(dá)到暴雨的站數(shù)為10站(表2)，日數(shù)為1～4 d，累計(jì)僅19 d，92站年暴雨日數(shù)為0 d，泰來(lái)站、青岡站、集賢站、勃利站、五常站的全部復(fù)合發(fā)生年份均未出現(xiàn)暴雨天氣。表2中ΔDL2018、ΔDM2018、ΔDH2018、ΔDR2018分別代表干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份有效降水量達(dá)小雨、中雨、大雨、暴雨的日數(shù)與比較年日數(shù)的差值。

2.3 玉米產(chǎn)量對(duì)比分析

利用(2)式計(jì)算研究區(qū)各站干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份平均玉米單產(chǎn)與未發(fā)生復(fù)合災(zāi)害年份平均玉米單產(chǎn)比較的ΔY,由表3可見(jiàn)，研究區(qū)93.3%站點(diǎn)ΔY為負(fù)值，表明在研究期間，同一站點(diǎn)內(nèi)發(fā)生干旱和低溫冷害復(fù)合災(zāi)害年份與未發(fā)生年份相比，玉米產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，其中有87%站點(diǎn)在-50.1%～-22.8%之間，產(chǎn)量下降幅度較大。這與姜麗霞等[17-18]研究結(jié)論相一致。

表3 研究區(qū)玉米出苗-乳熟期干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份ΔY(%)

3 結(jié)論與討論

本文基于國(guó)家氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)對(duì)1983、1986、1987、1989、1992年等冷害年以及1982、2005、2007、2016年等干旱年做出了較為準(zhǔn)確地判識(shí)，并進(jìn)一步研究了兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生情況，從研究結(jié)果看，玉米干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生總體呈減少趨勢(shì)，空間上呈西多東少分布，與兩種災(zāi)害單一發(fā)生趨勢(shì)呈一致變化[12-13，25-26]。

目前多數(shù)研究基本探明了單一干旱、低溫冷害對(duì)玉米影響規(guī)律，研究表明，干旱或低溫冷害持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)、程度越重，產(chǎn)量下降幅度越大[3，6]。本文采用對(duì)比分析方法，探討了同一區(qū)域、同一發(fā)育期兩種災(zāi)害復(fù)合發(fā)生的溫水變化特征及對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，綜合分析可見(jiàn)，玉米出苗-乳熟期干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生的溫水條件總體表征為日均溫非持續(xù)偏低，而呈波動(dòng)-間隔式偏低，有效降水量為0 mm的日數(shù)平均73.2 d，有效降水量少，88站年不足300 mm，大雨以上等級(jí)有效降水頻次少，平均僅2.1 d。從玉米相對(duì)產(chǎn)量變化率看，干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生年份與未發(fā)生年份相比，平均玉米單產(chǎn)有所下降，這在一定程度上可以說(shuō)明玉米出苗-乳熟期干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生逆境對(duì)玉米產(chǎn)量影響存在負(fù)效應(yīng)，干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生將引起玉米單產(chǎn)下降。

實(shí)際上，玉米出苗-乳熟期干旱和低溫冷害復(fù)合發(fā)生及其對(duì)玉米的影響較為復(fù)雜，復(fù)合發(fā)生所表現(xiàn)的形式不同(如兩種災(zāi)害先后發(fā)生亦或相伴發(fā)生)、出現(xiàn)在玉米的發(fā)育時(shí)段不同、發(fā)生程度不同、玉米品種不同等等，其所造成的影響可能均不相同(如表3中佳木斯站發(fā)生干旱和低溫冷害復(fù)合災(zāi)害年份與未發(fā)生年份相比，產(chǎn)量反而略有增加)，上述內(nèi)容本文未做深入探討，后續(xù)可利用田間試驗(yàn)、模擬控制試驗(yàn)等方法進(jìn)一步研究災(zāi)害復(fù)合發(fā)生對(duì)作物的影響機(jī)制及產(chǎn)量損失評(píng)估指標(biāo)和模型，以期為災(zāi)害影響的精細(xì)化、定量化評(píng)估提供技術(shù)支撐。