黑龍江省玉米生育期內(nèi)氣象干旱對(duì)產(chǎn)量的影響

馬軍波

（臨朐縣嵩山水庫(kù)運(yùn)行維護(hù)中心，山東 濰坊 261000）

全球氣候變暖導(dǎo)致高溫?zé)崂恕?極端降水事件與水旱災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響人類(lèi)生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面[1，2]。 與其他類(lèi)型的極端災(zāi)害相比，干旱出現(xiàn)的范圍更廣，影響更大，幾乎在所有氣候區(qū)都有干旱事件的發(fā)生， 氣候變化可能增加干旱頻率和嚴(yán)重程度， 特別是在一些適應(yīng)能力較差的脆弱地區(qū)或是在糧食產(chǎn)量貢獻(xiàn)是有重要作用的地區(qū)，氣候變化可能對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生非常不利的影響[3，4]?？紤]到氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)可能產(chǎn)生的影響， 決策者和科學(xué)家迫切需要更深入地了解氣候變化和作物產(chǎn)量之間的關(guān)系。

玉米是目前世界上產(chǎn)量最高的糧食作物，玉米生產(chǎn)對(duì)中國(guó)乃至全世界的食品安全都至關(guān)重要。 東北地區(qū)是具有戰(zhàn)略意義的商品糧基地，春玉米產(chǎn)量占全國(guó)玉米總產(chǎn)量的30%以上。 近幾十年來(lái)， 氣候變化對(duì)東北地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量的長(zhǎng)期影響引起了人們的關(guān)注。 蔡福[5]等的研究表明，水旱災(zāi)害是影響東北地區(qū)玉米產(chǎn)量的主要災(zāi)害。 吳海燕等[6]的研究表明，干旱已成為東北地區(qū)的主要?dú)庀鬄?zāi)害。 劉志娟等[7]的研究表明由于1961—2015 年?yáng)|北地區(qū)春玉米生長(zhǎng)季降水的減少與玉米產(chǎn)量的減少密切相關(guān)。 在氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量的影響研究中，提取氣象產(chǎn)量是非常重要的。 一般來(lái)說(shuō)，由于受到氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響， 作物的產(chǎn)量可以分為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量[8，9]，氣候變化導(dǎo)致的作物產(chǎn)量被稱(chēng)為氣象產(chǎn)量，也成為波動(dòng)產(chǎn)量，主要用于反映氣候因子變化引起的產(chǎn)量波動(dòng)。 戚穎等[8]利用滑動(dòng)平均法將單位面積產(chǎn)量分為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量。 郝立生等[9]將冬小麥產(chǎn)量分為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量。 ZHAO[10]等的研究發(fā)現(xiàn)logistics回歸模型能夠更好的將東北地區(qū)春玉米的產(chǎn)量分離成趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量。

因此，本文以黑龍江省為研究區(qū)域，通過(guò)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)（Standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI）表示氣象干旱，運(yùn)用線性?xún)A向估計(jì)法分析了氣象干旱的變化趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)了區(qū)域氣象干旱發(fā)生頻率， 對(duì)區(qū)域氣象干旱的變化情況進(jìn)行了分析。通過(guò)logistics 曲線從玉米單位面積產(chǎn)量分離出氣象產(chǎn)量， 利用Person 相關(guān)性分析分析了玉米不同的生育階段內(nèi)降水， 氣溫和氣象干旱與玉米氣象產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系。 本研究旨在為在全球氣候變化背景下高緯度寒區(qū)干旱研究和玉米育種管理提供了理論依據(jù)， 對(duì)區(qū)域水資源管理和作物空間布局規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

黑龍江省位于中國(guó)東北部， 占地面積47.3 萬(wàn)km2[8]。 黑龍江省的耕地面積居全國(guó)前列，其糧食產(chǎn)量也穩(wěn)居全國(guó)前列，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。黑龍江省主要種植的農(nóng)作物有玉米， 水稻， 大豆等， 玉米的播種面積占全省糧食播種面積的1/3，全省玉米產(chǎn)量占全國(guó)玉米產(chǎn)量的1/10。

本研究使用了黑龍江省內(nèi)26 個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2018 年的氣象數(shù)據(jù)（包括降水，氣溫，風(fēng)速，相對(duì)濕度等）來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）[11]。1986—2018 年玉米的單位面積產(chǎn)量由黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒獲得[8，11]。

3 研究方法

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)

在本研究中， 我們利用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)（SPEI）來(lái)代表干旱。SPEI 的具體計(jì)算步驟包括：（1）利用彭曼公式計(jì)算參考作物騰發(fā)量；（2）根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間尺度（例如，3 個(gè)月的時(shí)間尺度常用來(lái)描述季節(jié)性干旱，12 個(gè)月的時(shí)間尺度常用來(lái)描述年干旱），確定累計(jì)水分虧缺量；（3）利用log-logistic 概率分布擬合累計(jì)水分虧缺量的序列，然后將累計(jì)概率密度正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化即可得到SPEI。干旱等級(jí)劃分如表1[12]。 具體的計(jì)算過(guò)程可參考黃婷婷等人的研究[13]。

表1 干旱等級(jí)表

3.2 產(chǎn)量分離

一般來(lái)說(shuō)， 由于受到氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，作物的產(chǎn)量可以分趨勢(shì)產(chǎn)量（Yt）和氣象產(chǎn)量（Yc）[9]，作物管理水平改變而導(dǎo)致的產(chǎn)量變化被稱(chēng)為趨勢(shì)產(chǎn)量， 由于氣候變化導(dǎo)致的作物產(chǎn)量被稱(chēng)為氣象產(chǎn)量，也成為波動(dòng)產(chǎn)量，主要用于反映氣候因子變化引起的產(chǎn)量波動(dòng)。 Logistic 回歸模型是一種用來(lái)模擬作物生長(zhǎng)的S 型曲線， 它的生長(zhǎng)過(guò)程是先逐漸增加，中間較快，最后緩慢增加，一段時(shí)間后達(dá)到最大值。 本研究選擇Logistic 回歸模型對(duì)玉米單位面積產(chǎn)量進(jìn)行分離。 具體計(jì)算公式如下：

首先利用回歸分析， 得到玉米單位面積產(chǎn)量線性擬合方程：

式中：Y1為線性擬合值，kg/hm2；t為年份，單位：年；a和b為常數(shù)。

采用Logistic regression 模擬玉米單位面積產(chǎn)量趨勢(shì)項(xiàng)，建立玉米單位面積產(chǎn)量的非線性方程。令Y0為一個(gè)時(shí)段內(nèi)最大可能產(chǎn)量的極限值。Ymax為歷史最高單產(chǎn)實(shí)測(cè)值，Yl為線性擬合的趨勢(shì)產(chǎn)量。d為線性擬合方程中歷史擬合的平均誤差值：

式中，Y是實(shí)際單產(chǎn)，kg/hm2；

則Y0=Ymax+d，

利用logistics 擬合方程則有：

式中，Y1為趨勢(shì)產(chǎn)量，kg/hm2；Y0為一個(gè)時(shí)段內(nèi)最大可能產(chǎn)量的極限值，kg/hm2。

c，d為待定參數(shù)，兩邊同取對(duì)數(shù)，則

將Yt用實(shí)際產(chǎn)量Y帶入，利用最小二乘法即可求得參數(shù)c和d的值，從而得到趨勢(shì)產(chǎn)量（Yt）的擬合方程。最后利用實(shí)際產(chǎn)量Y減去趨勢(shì)產(chǎn)量Yt，即可得到氣象產(chǎn)量Yc，kg/hm2。

更具體的計(jì)算過(guò)程可參考郝立生等[9]和ZHOU等[11]的研究。

3.3 其他方法

此外， 我們利用線性?xún)A向估計(jì)法分析了干旱的變化趨勢(shì)，利用Person 相關(guān)性分析探究了降水，氣溫和干旱與玉米產(chǎn)量的關(guān)系。

4 結(jié)果

4.1 黑龍江省玉米生長(zhǎng)期內(nèi)氣象干旱的時(shí)間變化特征

根據(jù)戚穎等[8]對(duì)黑龍江省玉米生育期的劃分，我們將玉米的生育期劃分為生育前期 （3—5 月），生育中期（5—7 月）和生育后期（7—9 月）。 由于作物的生長(zhǎng)具有明顯的季節(jié)性， 所以我們用SPEI3來(lái)表示氣候情況。 圖1 為生育期內(nèi)黑龍江省氣象干旱的年際變化，由圖1 可知，黑龍江省玉米生育期內(nèi)氣象干旱的變化存在明顯的階段性。 1960—1979 年， 呈現(xiàn)干旱化趨勢(shì)，1980—1983 呈現(xiàn)濕潤(rùn)化趨勢(shì)，1984—2001 年呈現(xiàn)干旱化趨勢(shì)， 之后到2013 年呈現(xiàn)濕潤(rùn)化趨勢(shì)，最近幾年直到2018 年呈現(xiàn)干旱化趨勢(shì)。 由多年氣象干旱的擬合方程可以看出 （圖1），SPEI 指數(shù)的變化率為-0.0055/年，黑龍江省的氣候總體呈現(xiàn)干旱化趨勢(shì)。

圖1 黑龍江省玉米生育期內(nèi)干旱的時(shí)間變化特征

4.2 黑龍江省玉米生長(zhǎng)期內(nèi)氣象干旱特征評(píng)估

為分析黑龍江省玉米生長(zhǎng)期內(nèi)的氣象干旱特征， 表2 為不同生育期各站點(diǎn)的干旱指數(shù)的變化率， 當(dāng)變化率大于0 時(shí)， 表明氣象干旱呈現(xiàn)增長(zhǎng)（濕潤(rùn)化）趨勢(shì)，當(dāng)變化率小于0 時(shí)，表明氣象干旱呈現(xiàn)減小（干旱化）趨勢(shì)。 由表2 可以看出在玉米生育前期， 呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)和減小趨勢(shì)的站點(diǎn)各占一半，綏芬河站增長(zhǎng)趨勢(shì)最大0.22/10 年，海倫站減小趨勢(shì)最大，為-0.08/10 年；在玉米生育中期，呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)的站點(diǎn)有9 個(gè)， 呈現(xiàn)減小趨勢(shì)的站點(diǎn)有17 個(gè)，綏芬河站增長(zhǎng)趨勢(shì)最大，為0.16/10 年，尚志站減小趨勢(shì)最大，為-0.16/10 年；在玉米生育后期，全部呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，哈爾濱站和尚志站減小趨勢(shì)最大，為-0.22/10 年?？偟膩?lái)說(shuō)，從玉米的生育前期到生育后期，干旱化趨勢(shì)逐漸增多，并且不論在哪一個(gè)生育期， 干旱化趨勢(shì)的站點(diǎn)占比都比較多， 表明黑龍江省各地區(qū)在玉米不同生育期內(nèi)的氣象干旱主要呈現(xiàn)干旱化趨勢(shì)。

表2 黑龍江省各站點(diǎn)SPEI 變化趨勢(shì)

為進(jìn)一步分析氣象干旱特征， 以-0.5 為干旱閾值， 統(tǒng)計(jì)了各地區(qū)不同生育期內(nèi)的氣象干旱發(fā)生頻率。 各地區(qū)的氣象干旱頻率分布如表3 所示，在生育前期，氣象干旱頻率最大的是在呼瑪站，發(fā)生頻率40.7%；在生育中期，北安站和呼瑪站的氣象干旱頻率最大，發(fā)生頻率為40.7%；在生育后期，齊齊哈爾站的氣象干旱發(fā)生頻率最大， 為42.4%?？偟膩?lái)說(shuō)， 黑龍江省各地區(qū)不同生育期內(nèi)的氣象干旱發(fā)生比較大，基本都大于30%。 從不同生育期的氣象干旱發(fā)生頻率來(lái)看， 氣象干旱頻率由大到小依次為生育后期，生育中期，生育前期。

表3 不同生育期內(nèi)各站點(diǎn)的氣象干旱頻率

4.3 氣象干旱對(duì)產(chǎn)量的影響

降水和氣溫的變化是引起干旱發(fā)生的重要影響因素，同時(shí)也是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。因此，本篇文章中我們利用logistics 回歸模型從玉米的單位面積產(chǎn)量分離出氣象產(chǎn)量， 然后與玉米各生育階段的氣象產(chǎn)量與降水， 氣溫和氣象干旱進(jìn)行了相關(guān)性分析。如圖2 所示。圖2 中P1，P2，P3分別代表生育前期， 生育中期和生育后期降水與氣象產(chǎn)量之間的相關(guān)系數(shù)。 T1，T2，T3 分別代表生育前期， 生育中期和生育后期氣溫與氣象產(chǎn)量之間的相關(guān)系數(shù)。 D1，D2，D3 分別代表生育前期，生育中期和生育后期氣象干旱與氣象產(chǎn)量之間的相關(guān)系數(shù)。 圖中“*”代表降水，氣溫或者氣象干旱與氣象產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系超過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)，“**” 代表降水， 氣溫或者氣象干旱與氣象產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系超過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)。

圖2 降水， 氣溫和氣象干旱與玉米氣象產(chǎn)量關(guān)系

由圖2 結(jié)果可以得到，哈爾濱、齊齊哈爾、大慶、 綏化和黑河地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量與降水呈現(xiàn)正相關(guān)， 其中綏化地區(qū)在玉米生育前期降水與氣象產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系顯著， 大慶地區(qū)在玉米生育前期和中期的降水和氣象產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系顯著。 牡丹江、佳木斯、雞西、伊春和大興安嶺地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量與降水多呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。 雖然黑龍江省西部屬于干旱半干旱地區(qū)，但由于玉米是耐旱作物，所以玉米在黑龍江省西部地區(qū)受降水影響不大。 但在黑龍江省東部地區(qū)和南部地區(qū)， 屬于黑龍江省的降水高值區(qū)，且由于雨季多集中于6—8 月，因此東部和南部地區(qū)氣象產(chǎn)量與降水呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

大部分地區(qū)玉米的氣象產(chǎn)量與氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系， 哈爾濱地區(qū)在玉米生育前期的氣溫和氣象產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系顯著。 雞西和牡丹江地區(qū)在玉米生育中期和后期的氣溫和氣象產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系顯著。 大興安嶺地區(qū)在玉米生育后期的氣溫和氣象產(chǎn)量正相關(guān)關(guān)系顯著。 其他地區(qū)氣象產(chǎn)量與氣溫相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系但不顯著。 大部分地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量與氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系， 說(shuō)明黑龍江省氣溫比較適宜玉米生長(zhǎng)， 氣候變化背景下的黑龍江省氣溫的增長(zhǎng)可能有利于黑龍江省玉米的種植。

在生育前期，哈爾濱，齊齊哈爾和雞西地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量與氣象干旱呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。 生育中期和后期牡丹江，雞西，伊春和大興安嶺地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量與氣象干旱呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系， 其中雞西地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量在生育中期受氣象干旱影響顯著。 其他地區(qū)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中，大慶地區(qū)氣象產(chǎn)量受氣象干旱影響顯著。 從這些我們可以發(fā)現(xiàn)，玉米氣象產(chǎn)量受降水和氣象干旱的影響相似。

5 結(jié)論

本研究分析了黑龍江省的氣象干旱變化特征， 并探究了氣象干旱和玉米氣象產(chǎn)量之間的關(guān)系。 具體結(jié)論如下：

（1） 1960—2018 年黑龍江省玉米生育期內(nèi)氣候呈現(xiàn)干旱化趨勢(shì)。

（2） 從玉米的生育前期到生育后期，干旱化趨勢(shì)的站點(diǎn)逐漸增多，并且不論在哪一個(gè)生育期，干旱化趨勢(shì)的站點(diǎn)占比都比較多。

（3） 黑龍江省各地區(qū)不同生育期內(nèi)的氣象干旱發(fā)生頻率比較大，基本都大于30%。 從不同生育期的氣象干旱發(fā)生頻率來(lái)看， 氣象干旱頻率由大到小依次為生育后期，生育中期，生育前期。

（4） 相對(duì)于氣象干旱對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，不同生育期內(nèi)， 各地區(qū)氣溫與玉米氣象干旱關(guān)系更密切，降水和氣象干旱對(duì)玉米氣象產(chǎn)量的影響相似，氣候變暖可能有利于黑龍江省玉米的種植。 □