氣候變化對黑龍江省生育期內玉米產量的影響

戚 穎 白雪峰 李鐵男

(1.黑龍江省水利科學研究院， 哈爾濱 150006； 2.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030；3.東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

近年來，隨著氣候變化和大氣溫度、二氧化碳濃度的升高，主要水文要素的循環也會發生改變。同時，全球溫度的持續升高還可能增加干旱、強降水等極端氣候事件的發生強度和發生頻率[1]，對農業生產力產生影響。世界糧農組織指出氣候變化對全球農作物產量和糧食安全將產生巨大影響[2]。由于氣候變暖，明顯增加了寒冷地區的有效氣溫，使無霜期延長，可能會造成種植區的北遷[3]，氣候帶向北移動，導致寒區的糧食生產與種植結構發生重大改變。一般來說，氣溫的升高會縮短作物的生育期，尤其是作物的灌漿期會縮短，這大大影響了作物的品質[4]，而且還可能會導致干旱和病蟲害的發生[5]。寒區氣溫的升高，有利于提高糧食產量，ZHOU等[6]的研究表明，在寒地地區，水稻產量與氣溫呈正相關關系，最低溫度上升1℃，水稻產量會提高3.6%，MENG等[7]的研究表明，如果不改變玉米品種，氣溫的升高不會提高玉米產量，但由于無霜期的增加，更換更為合適的高產量玉米品種，則產量將會發生明顯提高。盡管技術和作物品種不斷改進，但天氣和氣候仍然是影響農業生產的主要不可控制因素。

中國是世界上最大的農業國，雖然近些年農業機械化水平不斷提高，但是仍以雨養農業為主，作物產量高度依賴于降水地區的氣象干濕狀況。如果作物長時間處于不利的干濕狀況，就會影響作物的生長發育和最終的產量，進而影響糧食安全。因此研究區域的干濕狀況引起世界眾多科研工作者和決策者關注。用于評價區域干濕狀況的指標比較多，常用的有標準化降水指數(SPI)[8]、標準化降水蒸散發指數(SPEI)[9]、帕默爾干旱指數(PDSI)[10]等，SPI和SPEI均可用于描述不同尺度的干濕事件，但SPI僅通過降水數據來描述區域干濕狀況，而SPEI綜合了氣溫和降水評價干濕變化。PDSI和SPEI都考慮了降水和氣溫對干濕狀況的影響，但PDSI的計算過于繁瑣，而SPEI廣泛應用于區域干濕狀況的研究[11-13]。

黑龍江省是中國重要的糧食生產基地，玉米是我國北方主要糧食作物之一，雖然黑龍江省農業機械化水平比較高，但仍以雨養農業為主，糧食產量主要受氣象因素影響。FU等[14]對多年來黑龍江省的干濕變化進行了研究，但該地區的干濕條件與糧食產量的關系尚不明確。因此，本文分析1961—2016年黑龍江省降水和氣溫的變化情況和特定作物生長期的氣象干濕狀況，以確定影響產量最主要的干濕狀況并確定降水、氣溫和干濕狀況對產量的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

黑龍江省位于中國東北部，是中國緯度最高的地區(圖1)。東部和北部接壤俄羅斯，西鄰內蒙古自治區，南鄰吉林省，占地面積47.3萬km2。屬于溫帶大陸性季風氣候，由南向北可分為溫帶和寒溫帶，由東向西可分為濕潤地區、半濕潤地區和半干旱地區。多年平均降水量為400～800 mm，多年平均氣溫為-4～6℃。黑龍江省是中國耕地面積最大的省份之一，也是世界三大黑土帶之一，農業機械化水平較高，是中國糧食產量最高的省份之一。

圖1 研究區域及站點分布Fig.1 Study area and distribution of stations

1.2 數據來源

研究區域內氣象資料的數據來源于中國氣象數據網，共選擇了數據較為完整的26個站點1961—2016年的月平均降水量、溫度(最高氣溫、平均氣溫和最低氣溫)、風速、相對濕度、平均氣壓和日照時數。1986—2016年玉米產量數據來源于《黑龍江省統計年鑒》。

1.3 標準化降水蒸散發指數

本文利用VICENTE-SERRANO等[15]提出的標準化降水蒸散發指數(SPEI)來描述區域干濕變化特征，該指數用降水量減去蒸發量的差值來表示水分的盈虧，以此來判斷干濕程度。

采用FAO-56PM法計算每個月的潛在蒸散量(PET)，具體公式為

(1)

式中Δ——飽和水汽壓曲線，kPa/K

Rn——地表凈輻射量，MJ/m2

G——土壤熱通量，MJ/m2

γ——干濕表常數，kPa/K

T——日均溫度，℃

u2——2 m高處風速，m/s

es——飽和水汽壓，kPa

ea——實際水汽壓，kPa

本文各分量計算根據王麗君[16]所采用的公式。

降水量與潛在蒸散量的差值可定義為

Di=Pi-PETi

(2)

式中Pi——某月降水量，mm

PETi——某月潛在蒸散量，mm

Di——某月水分盈虧量[17]，mm

然后對Di進行正態化處理就可得到每個差值對應的SPEI指數。由于Di序列中可能存在負值，因此利用3個參數的Log-logistic概率分布進行擬合

(3)

式中α、β、γ′——尺度參數、形狀參數和初始狀態參數

其中α、β、γ′可用線性矩的方法擬合獲得，因此SPEI計算公式為

(4)

其中，c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

概率加權矩w的公式為

(5)

SPEI具體計算過程見文獻[15]。

1.4 Mann-Kendall分析法

Mann-Kendall(MK)分析法是世界氣象組織推薦的趨勢分析方法，已在水文和氣象領域得到廣泛應用[18-19]。該方法的優點是不需要樣本服從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，計算公式為

(6)

其中

(7)

假設各變量獨立同分布，則統計變量S服從正態分布，均值為0，方差為

(8)

其中，ti為任意給定結點的范圍，當n>10時，MK統計量為

(9)

在給定α置信度水平上，查正態分布表，若Z≥Z1-α/2或Z≤Z1-α/2則原始時間序列存在明顯上升或者下降趨勢。

1.5 主成分分析法

主成分分析是一種常用的降維方法，常用來對水文和氣象領域的原始數據進行降維[20-21]。通過將原始的相關變量減少到幾個不相關的新的變量來解釋總方差，新的變量稱為主成分(PC)，由原始變量的線性組合組成。本文應用了26個SPEI6的序列，因此有26個主成分，線性關系為

(10)

其中(a11,a12,…,akk)是系數矩陣元素，(Xi,1,Xi,2,…,Xi,k)為各氣象站的原始序列，Y(Yi,1,Yi,2,…,Yi,k)是可以解釋所有方差的重要變量。為了獲得更穩定的局部干/濕模式，用方差最大的旋轉方法[22]來選擇所有主成分(PCs)，已被證明是更好的降維方法[23]。

2 結果與分析

2.1 生長季氣候變化特征

利用1.4節提到的MK趨勢分析法來描述黑龍江省降水量、平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫的變化趨勢，MK趨勢分析計算所得的Z值，正值代表時間序列呈現上升趨勢，負值代表時間序列呈現下降趨勢，當Z>1.96或Z<-1.96，趨勢在95%的置信度水平上顯著。黑龍江省26個氣象站點玉米生育期內降水量和氣溫的變化趨勢如表1所示。

如表1所示，總體而言，除大興安嶺地區的漠河站降水量呈現顯著增長趨勢外，其余地區降水量變化趨勢均不顯著，大部分地區降水量呈現不顯著增加趨勢，中部部分地區降水量多呈現減小趨勢。總體上來看，除黑龍江省各地區的平均氣溫呈現顯著增長趨勢且絕大部分地區的增長趨勢超過了99%水平的置信度檢驗，黑龍江省各地區最高氣溫均呈現增長趨勢，西部齊齊哈爾、泰來等地區增長趨勢不顯著；除漠河站最低氣溫呈現減小趨勢外，黑龍江省所有地區最低氣溫呈現增加趨勢，僅呼瑪站最低氣溫增長趨勢不顯著，其他地區氣溫增長趨勢同平均氣溫增長趨勢相似，增長趨勢顯著。

表1 黑龍江省氣候要素MK統計量Tab.1 Changing trend of climatic factors in Heilongjiang Province

玉米生育期內，黑龍江省各地區的多年平均降水量在164.8～1 004.6 mm之間，降水空間分布不均勻，總體格局為中部和南部降水量最大，東部降水量較大，西部和北部降水量最小。生育期內降水主要集中在6—9月，與黑龍江省雨季時間吻合。在氣溫變化過程中，隨著全球的氣候變暖，位于寒地地區的黑龍江省玉米生育期內各地區氣溫也呈現顯著增長且變暖率高于全球平均值。

2.2 基于SPEI6的黑龍江干濕狀況分析

降水和氣溫所決定的氣候干濕狀況，是農業發展的重要限制因素，因此對區域水資源干濕評價和確定旱澇發生狀況非常重要。為了確定黑龍江省玉米生長季的區域干濕變化特征，基于玉米生長的全生育期，選擇4—9月尺度的SPEI6描述區域的干濕變化。利用旋轉主成分分析法對玉米生育期內各站點的SPEI6進行劃分，將具有相似干濕變化特征的站點劃分到一起，在主成分個數的選取上，通常旋轉主成分的累計方差達到70%以上是合理的，如表2所示，累計方差超過了70%，因此，選擇劃分成5個主成分是合理的。旋轉荷載表示SPEI序列和其對應的旋轉主成分的相關性，對區域內經歷相似干濕變化的子區間進行空間劃分時，通常旋轉荷載的閾值超過0.6被認為是合理的，因此，利用Arcgis中的反距離權重法在空間中展示，如圖2所示。

表2 前5個主成分的累計方差Tab.2 Explained variance of the first five principal components %

圖2 1961—2016年前5個旋轉荷載(子區域)和相應的SPEI6系列Fig.2 The first five rotary loads (sub-region) and corresponding SPEI6 series from 1961 to 2016

如圖2a、2c、2e、2g、2i所示，主成分分析法將黑龍江省分為了西部、中部、東部、西北部以及東南部5個子區域(第1～5子區域)，為更好地了解各子區域的干濕變化情況，統計了各子區域內包含的站點，對區域的干濕狀況進行了分析，如圖2b、2d、2f、2h、2j所示。在玉米生育期內，濕潤化的趨勢主要集中在黑龍江省西北部和東南部，黑龍江省自東向西大部分地區主要呈現干旱化趨勢。干濕變化特征的不同可能是由于黑龍江省復雜的地形特征影響，黑龍江省內全年主要受西南風、東南風和南風的影響，位于東南部的長白山脈，西北部的大興安嶺山脈和東北部的小興安嶺山脈對這些盛行風的屏障作用，使得高海拔山區產生豐富的降水，而位于距離山地較遠的地區，尤其是中部平原地區，降水相對較少，因此形成如圖2a、2c、2e、2g、2i所示的黑龍江省獨特的干濕變化特征，主成分分析法能很好地將黑龍江省分為5個子區域，因此，在制定玉米種植規劃或玉米生育期內的水資源規劃時，應該分開考慮這些子區域。

2.3 影響黑龍江省氣象產量的主要月SPEI3的選擇

根據黑龍江省玉米的單位面積產量資料，通過滑動平均法將單位面積產量分離成趨勢產量和氣象產量[24-25]，通過計算所得的氣象產量和干旱指數SPEI進行相關性分析，研究1961—2016年玉米生育期內SPEI指數和氣象產量之間的關系。根據玉米不同的生育階段特點，將玉米生長期分為4個階段：生育前期、出苗期-吐絲期、孕穗期-灌漿期和吐絲期-成熟期。東北地區玉米通常在4月下旬到5月初進行播種，所以生育前期對應玉米的生育期為3—5月，用SPEI3-5表示。玉米通常在7月吐絲，所以出苗期-吐絲期對應玉米生育期5—7月，用SPEI3-7表示。孕穗期-灌漿期，對應玉米生育期6—8月，用SPEI3-8表示。吐絲期-成熟期，對應玉米生育期7—9月，用SPEI3-9表示。不同玉米生育期SPEI3與氣象產量的關系如圖3所示。

圖3 氣象產量與干旱指數關系Fig.3 Relationship between meteorological yield and drought index

如圖3所示，有4個地區(大慶、伊春、綏化和大興安嶺)的氣象產量與SPEI3-8相關系數最大，有4個地區(哈爾濱、佳木斯、雞西和黑河)的氣象產量與SPEI3-8相關系數比較大。而且，由于東北玉米灌漿期較南方稍晚一點(8月左右)，這是玉米需水的關鍵時期，此期間比正常濕潤的條件對籽粒灌漿更有利，因此6—8月的干濕狀況SPEI3-8是影響玉米產量的主要因素。

由圖3還可知，氣象產量與不同時期干濕狀況呈現負相關的地區(哈爾濱、佳木斯、雞西和伊春)主要分布在黑龍江省東部地區，由于玉米是耐旱喜溫作物，黑龍江省東部地區的降水較多，可能影響了玉米的生長發育。氣象產量與不同時期干濕狀況呈現正相關的地區(齊齊哈爾、牡丹江、大慶和綏化)主要分布在黑龍江省的西部地區，該地區屬于干旱-半干旱化地區，降水較少，因此可能更適合玉米的生長發育。

2.4 降水、氣溫、干旱狀況與作物產量的關系

2.4.1干濕狀況對產量的影響

為進一步探究氣象產量與干旱之間的關系，根據2.3節得知不同地區氣象產量與其關系最密切的干旱指數SPEI，對氣象產量與關系最密切的SPEI進行回歸分析。SPEI與氣象產量的回歸結果如表3所示。大慶和綏化地區的氣象產量與干旱指數的回歸方程顯著(P<0.01)，齊齊哈爾、黑河和大興安嶺地區的氣象產量與干旱指數的回歸方程顯著(P<0.05)。

當二次項系數為負值時，曲線與x軸的兩交點分別代表旱、澇閾值，x軸正方向與曲線相交的區域為玉米增產區，負軸方向為旱澇災害造成產量損失的區域，頂點為旱澇最優狀況值[26]，其縱坐標值為可能的最大增產量。齊齊哈爾地區SPEI3-8值位于[-0.20，2.73]區間時增產，當SPEI3-8為1.27時達到旱澇最優狀況，玉米最大增產量為267.03 kg/hm2。綏化地區SPEI3-8值位于[-0.99，1.17]區間時增產，當SPEI3-8為0.09 時達到旱澇最優狀況，玉米最大增產量為295.83 kg/hm2。大慶地區SPEI3-8值位于[-0.71，1.69]區間時增產，當SPEI3-8為0.49時達到旱澇最優狀況，玉米最大增產量為 575.48 kg/hm2。黑河地區SPEI3-8值位于[-2.19，0.34]區間時增產，當SPEI3-8為-0.9時達到旱澇最優狀況，玉米最大增產量為 327.61 kg/hm2。

表3 1986—2016年黑龍江省SPEI與玉米氣象產量回歸分析Tab.3 Regression analysis of meteorological yield of maize and SPEI in Heilongjiang Province in 1986—2016

注：*表示95%的置信度水平，** 表示99%的置信度水平。

綏化地區的回歸方程對稱軸SPEI在0附近，說明綏化地區玉米的生長發育與當地的氣候比較匹配，能夠保證正常的生產或增產，若進一步提高水資源利用效率和更高效的水資源優化配置則可進一步提高玉米產量。齊齊哈爾、雞西、大慶、伊春和大興安嶺地區對稱軸的SPEI值為正值，說明這些地區的玉米生產與當地氣候不匹配，雞西、伊春、大興安嶺地區對稱軸SPEI值很大，為保證玉米正常產量可能需要投入大量水資源。哈爾濱、牡丹江、佳木斯、黑河地區對稱軸的SPEI值為負值，這些地區的玉米生產與當地氣候也不匹配，和齊齊哈爾等地區不同，為保證區域玉米正常的生產或增產，需進行良好的田間管理措施和合理的水資源優化配置。

2.4.2降水量和氣溫對產量的影響

降水量和氣溫是影響作物生長發育的重要因素，因此對降水量和氣溫與玉米氣象產量進行相關性分析，確定影響作物產量更為主要的因素。降水量和氣溫與玉米氣象產量關系如圖4所示。

圖4 降水量和氣溫與玉米氣象產量關系Fig.4 Relationship between precipitation, temperature and maize meteorological yield

由圖4可以得出，哈爾濱、齊齊哈爾、大慶、綏化和牡丹江地區與降水量呈正相關，佳木斯、雞西、伊春、黑河、大興安嶺地區呈負相關，由于玉米是耐旱作物，佳木斯等地區位于黑龍江省降水多值區，因此降水比較多，可能會影響玉米的生長發育，而哈爾濱、齊齊哈爾、大慶、綏化等地區位于黑龍江省西部干旱-半干旱化地區，降水偏少，因此可能更適合玉米的生長發育。

大部分地區玉米氣象產量與平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均呈現正相關關系，哈爾濱地區玉米氣象產量與平均氣溫和最低氣溫相關關系顯著，與最高氣溫相關系數也很大；牡丹江地區與平均氣溫和最高氣溫相關關系顯著；大興安嶺地區與最高氣溫相關關系顯著。大慶和綏化地區玉米氣象產量與氣溫相關關系不大，說明該地區溫度比較適宜玉米生長。由于玉米是喜溫作物，所以大部分地區玉米氣象產量與氣溫呈現正相關關系，氣溫的增長可能利于黑龍江省玉米的生長。

3 討論

一般來說，玉米作為喜溫作物，在不同的生育階段對溫度有不同的要求，玉米種子在10～12℃時發芽；開花期不僅要求溫度達到25～28℃，還要求濕度適宜；在籽粒形成階段和灌漿階段最適宜的溫度是20～24℃。玉米生育期內溫度過高或過低均會在不同程度上影響玉米的最終產量。LIU等[27]對黃淮海地區玉米產量的研究發現，短期的極端氣溫變化對作物生長至關重要，尤其是極端氣溫變化發生在作物主要生育時期時。陳鵬獅等[28]的研究表明，玉米在三葉-七葉期的葉面積指數與平均氣溫相關性顯著。王曉群等[29]的研究表明，在玉米的吐絲至乳熟期最低溫度、平均溫度和最高溫度的升高使玉米的禿尖比減小，穗粒數和顆粒質量增加。本研究中發現黑龍江省氣溫變化是影響玉米產量的關鍵因素。

玉米的生長發育也需要大量的水，而且很容易形成田間水澇，尤其在玉米的孕穗灌漿期，需水量達到最大，此時氣溫較高，若在此時發生大雨，則可能會造成玉米根系缺氧，對產量的影響很大。WAHA等[30]研究表明，在撒哈拉以南的非洲地區，雨季降水的減少將嚴重影響玉米的產量，甚至超過氣溫對玉米產量的影響。梁烜赫等[31]利用灰色關聯法分析了吉林省氣象因子與作物產量之間的關系，發現在吉林省西部干旱地區，降水量與作物產量相關關系顯著。陳鵬獅等[28]的研究發現，遼寧省玉米地上干質量與降水量相關關系最顯著。本研究中，發現降水對黑龍江省玉米產量的影響比較小，這可能是由于位于高緯度寒區的黑龍江省在大多數情況下，由于氣溫相對較低，降水量通常大于植被的蒸散發量，因此造成降水對作物影響比較小，氣溫是影響作物生長的主要因素[32]。

國內外已有一些專家學者進行了區域干濕狀況對作物產量影響的研究，LI等[33]利用SPEI確定了影響伊犁河流域小麥產量的最主要的月份及尺度，SPEI值增加0.5，伊犁地區小麥產量約上升3%。MING等[34]研究結果表明6—8月干旱是影響華北平原玉米產量的主要時期。PENA-GALLARDO等[35]利用SPEI分析了美國5種主要旱地作物的年產量對不同時間尺度干旱的響應，得出在潮濕環境中，作物產量與干旱嚴重程度之間的關系較弱，而且這種反應往往發生在較長的時間尺度上。本研究中，發現黑龍江省玉米產量主要與6—8月的SPEI3-8關系密切，由于6—8月是玉米需水量最高的時期也是生長最旺盛的時期，而且黑龍江省降水主要集中在6—8月，所以用來反映這一階段干濕狀況的SPEI3-8能夠準確地量化區域干濕狀況對玉米產量的影響[36]。

本研究以黑龍江省玉米為研究對象，主要研究了玉米生育期內氣候變量的時空變化和氣候變量與玉米氣象產量之間的關系，研究結果為黑龍江省玉米生產適應未來氣候變化提供了科學依據，為地方政府部門制定抗旱減災和作物空間布局規劃提供了科學技術支持。但研究中也存在不足，除降水、氣溫以及干濕狀況以外的影響玉米產量的因素，如生育期內霜凍[37]、覆膜條件的不同[38]、不同類型土壤[39]、不同時期的補充灌溉[40]都會對玉米的產量產生影響，張耘銓等[41]研究結果表明，除豐水年外，有效降雨量難以滿足玉米的需水要求,在農業生產中應根據不同降雨年型在抽雄期和灌漿期進行適量灌溉。聶堂哲等[42]的研究指出, 黑龍江省玉米生育期內有效降水量和玉米需水量總體呈下降趨勢, 但有效降水量的下降幅度大于玉米需水量下降幅度, 使得玉米灌溉需水形勢愈發嚴峻。因此，應在玉米生育期對黑龍江省玉米進行補充灌溉，以保證玉米正常的生長發育，但黑龍江省玉米補充灌溉的研究不足，有待進一步研究。此外，不同的玉米品種對當地氣候[43]和灌溉制度[44]的響應也不盡相同。因此，準確分析氣候變量對玉米產量的影響，構建多因素評價模型來評價氣候變量及其對產量影響，是未來重要的研究方向。

4 結論

(1)黑龍江省大部分地區降水呈現增長趨勢，中部部分地區降水多呈現減小趨勢。除大興安嶺地區的漠河站降水呈現顯著增長趨勢外，其余地區降水變化趨勢均不顯著。

(2)在玉米生育期內，濕潤化的趨勢主要集中在黑龍江省西北部和東南部，黑龍江省自東向西大部分地區主要呈現干旱化趨勢。

(3)黑龍江省大部分地區玉米氣象產量與SPEI3-8相關關系顯著。負相關站點主要分布在降水量較大的東部地區，正相關主要分布在降水量較小的西部地區，黑龍江省西部地區氣候條件更適合玉米生長。

(4)綏化地區玉米的生長發育與當地的氣候比較匹配，能夠保證正常的生產或增產；齊齊哈爾、雞西、大慶、伊春和大興安嶺地區為保證玉米正常產量可能需要投入大量水資源；哈爾濱、牡丹江、佳木斯、黑河地區為保證區域玉米正常的生產或增產，需進行良好的田間管理措施和合理的水資源優化配置。

(5)相對于氣溫與玉米氣象產量的相關關系，降水對玉米產量的影響較小，由于黑龍江省地處高緯度寒區，受全球氣候變化影響，氣溫增長比較顯著，降水變化相對較小，且由于玉米的喜溫耐旱性，因此黑龍江省氣溫變化是影響玉米產量的主要因素。