近57年松嫩平原春玉米生育期干旱特征分析

焦文慧, 張 勃, 崔艷強, 邢立亭, 黃 浩, 王曉丹

(西北師范大學 地理與環境科學學院, 蘭州 730070)

干旱是一種常見又普遍的自然災害，特點是發生頻率高、持續時間長、影響范圍廣，能給農業生產造成巨大的損失[1-2]。近年來隨著氣候變暖，干旱的頻率和強度呈增加的趨勢[3-5]，有研究表明未來40 a，我國氣候總體上向暖干化的趨勢發展，半干旱地區干旱化趨勢以及范圍呈增大趨勢，同時我國北方主要農業區不同程度的干旱面積也有擴大的趨勢[6-7]。松嫩平原位于東北地區中西部，本是半濕潤地區，但也受到干旱的嚴重影響，已有研究表明松嫩平原春旱頻發，成為影響當地糧食產量的主要災害之一[8-9]。近年來松嫩平原的氣候明顯趨向干旱，干旱逐年加重且范圍逐漸增大[10-11]。松嫩平原糧食以春玉米為主，其產量占該區糧食總產量的72.88%[12]。紀瑞鵬等[13]指出干旱對玉米生產的影響不但取決于干旱程度，還取決于干旱發生的時期，眾多學者對玉米不同發育期的干旱開展了大量研究，并得出生育期的干旱狀況直接影響春玉米的生長發育及其產量[14-15]，研究松嫩平原夏玉米生育期內的干旱情況，對保障松嫩平原農業經濟持續穩定發展具有重大意義。

前人對松嫩平原干旱的研究主要是對年、季節及春玉米生長季干旱的研究[10-11]，而對春玉米各生育期干旱的研究較少，本研究利用相對濕潤度作為春玉米干旱指標，分析了松嫩平原春玉米生育期干旱特征，明確春玉米生育期干旱的發生規律，在春玉米不同生育階段采取適宜的措施對防旱減災具有重要的現實意義，以期為農業干旱預報及農業生產規劃、服務決策等提供科學依據。

1 研究區概況

松嫩平原位于東北地區中西部，地理位置為121°38′—128°33′E，42°49′—49°12′N(圖1)，由松花江和嫩江沖積而成，略呈菱形，總面積約為22.35萬km2，是東北三大平原(三江平原、松嫩平原、遼河平原)之一；區內大體可分為東部高平原區、中部低平原區、西部山前傾斜平原區及北部崗狀平原區[16]；屬溫帶大陸性半濕潤、半干旱季風氣候，雨熱同季，年均降水量400～600 mm；松嫩平原在東北地區自然資源最為優越[12]，是我國主要的糧食主產區之一。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

選用松嫩平原及周邊42個站點1960—2016年逐日氣象數據(降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風速、日照時數)和中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集，數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn)。研究區及所選氣象站點分布見圖1。

圖1 松嫩平原氣象站點分布

2.2 研究方法

2.2.1 春玉米生育期劃分 松嫩平原春玉米主要生育時間參照中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集1991—2013年松嫩平原各農業氣象站春玉米年平均生育時間并結合文獻[17]，具體生育時間見表1。本研究將春玉米的生育期劃分為：營養生長期(從播種到拔節)、營養生長與生殖生長并進期(簡稱并進期，從拔節到抽雄)、生殖生長期(從抽雄到成熟)3個階段[17]。

表1 1991-2013年松嫩平原春玉米年平均生育時間

2.2.2 相對濕潤度的計算 干旱指標的計算采用《氣象干旱等級》(GB/T20481～2006)標準中提供的相對濕潤度計算方法[18]，其計算公式為：

(1)

式中：M為日相對濕潤度指數；P為日降水量(mm)；ET0為某日的參考作物蒸散量(mm)，采用采用聯合國糧農組織(FAO)1998年推薦的Penman-Monteith模型計算[19]，其計算公式為：

(2)

式中：ET0為日潛在蒸散量(mm/d)；Δ為溫度隨飽和水汽壓變化的斜率(kPa/℃)；U2為離地2 m高處風速(m/s)；es為空氣飽和水汽壓(kPa)；ea為空氣實際水汽壓(kPa)；T為平均氣溫(℃)；γ為濕度表常數(kPa/℃)；Rn為到達地面的凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量密度[MJ/(m2·d)]。

2.2.3 干旱過程確定 相對濕潤度指數氣象干旱等級劃分標準[18]見表2，當M連續10 d為輕旱及以上等級，則認為發生一次干旱過程。干旱過程開始日期為第1天M值達到輕旱等級以上的日期，結束日期為最后一天M值為無旱的日期，干旱過程從開始到結束的天數為干旱持續時間，用干旱過程內各日M指數絕對值之和表示干旱過程的強度，值越大干旱程度越強。

表2 相對濕潤度氣象干旱等級劃分標準

采用線性傾向估計分析松嫩平原春玉米各生育期相對濕潤度及各干旱指標的年際變化趨勢[20]，顯著性檢驗為Mann-Kendall(M-K)趨勢檢驗[21-22]。采用反距離加權(IDW)插值法對各生育期相對濕潤度和各干旱指標進行空間化處理，采用SPASS軟件對生育期相對濕潤度和各氣候要素進行相關分析。

3 結果與分析

3.1 干旱事件時間變化特征

3.1.1 相對濕潤度時間變化特征 由表3可知，1960—2016年松嫩平原春玉米全育期內相對濕潤度呈下降趨勢，傾向率為-0.01/10 a，并進期和生殖生長期相對濕潤度也呈下降趨勢，即干旱化趨勢，傾向率分別為-0.10/10 a和-0.04/10 a；營養生長期相對濕潤度呈顯著的上升趨勢(p<0.05)，即濕潤化趨勢，傾向率為0.05/10 a。

表3 1960-2016年松嫩平原春玉米生育期相對濕潤度年際變化趨勢

3.1.2 干旱指標的時間變化特征 為進一步研究干旱變化特征，本研究對松嫩平原春玉米生育期干旱頻率、強度和持續時間進行了分析(圖2)。全育期干旱頻率、強度和持續時間均呈增加趨勢，年際傾向率分別為0.07次/10 a，1.0/10 a，0.95 d/10 a，表明春玉米全育期干旱呈加重趨勢。全育期在2007年干旱較嚴重，干旱頻率、強度和持續時間分別為4次，64，66 d。

營養生長期干旱頻率、強度和持續時間均呈下降趨勢，年際傾向率分別為-0.04次/10 a，-0.65/10 a，-0.69 d/10 a。1982年干旱發生較頻繁，干旱頻率、強度和持續時間分別為2.1次，40，41 d。并進期干旱頻率、強度和持續時間均呈上升趨勢，年際傾向率分別為0.03次/10 a，0.32/10 a，0.32 d/10 a，在2000年干旱較嚴重，干旱頻率、強度和持續時間分別為0.7次，9，9 d。生殖生長期干旱頻率、強度和持續時間均呈上升趨勢，年際傾向率分別為0.06次/10 a，1.03/10 a，1.01 d/10 a，干旱程度在1977年較嚴重，干旱頻率、強度和持續時間分別為2.0次，30，30 d。

綜上松嫩平原全育期、并進期和生殖生長期干旱程度呈加重趨勢，生殖生長期加重較明顯；營養生長期干旱程度雖呈減輕趨勢，但干旱較嚴重，各生育期干旱嚴重程度為：營養生長期>生殖生長期>并進期。

3.1.3 干旱事件的年代際演變 表4列出了近57 a松嫩平原春玉米生育期各年代出現干旱事件的次數、強度和持續天數。從整個生育期看，松嫩平原春玉米全育期在1990s干旱程度較嚴重，1960s和1970s次之，2000s為近57 a最嚴重的時段。從各生育期看，營養生長期在1960s干旱程度較嚴重，干旱程度在1960s—1990s呈下降—上升—下降的波動趨勢，在2000s干旱程度又加重；并進期在1990s干旱程度較嚴重，1960s—1990s干旱程度呈上升—下降—上升的波動趨勢，2000s轉為下降；生殖生長期在1970s干旱程度較嚴重，之后為下降—上升，2000s進一步上升。綜上，1990s為并進期干旱最嚴重的時段，而其他生育期和全育期均在2000s干旱最嚴重。

3.2 干旱事件空間變化特征

3.2.1 相對濕潤度空間變化特征 圖3是1960—2016年松嫩平原春玉米生育期相對濕潤度變化趨勢的空間分布，在全育期，除中部地區和雙遼站附近相對濕潤度呈上升趨勢，其他地區為下降趨勢，故近57 a松嫩平原春玉米全育期中部地區和雙遼站附近有微弱的濕潤化趨勢，而其他地區為干旱化趨勢。在營養生長期，相對濕潤度為上升趨勢，表現為濕潤化趨勢，其中內部有11個站點通過了顯著性檢驗，大部分區域相對濕潤度的升幅為0.05～0.10/10 a，安達站升幅最大(0.11/10 a)；在并進期，相對濕潤度除明水站表現為微弱上升趨勢，其他區域為下降趨勢，降幅由東北向西南增大，其中有10個站點通過了顯著性檢驗，大部分區域相對濕潤度的降幅為-0.15～-0.10/10 a，龍江站降幅最大(-0.32/10 a)；在生殖生長期，相對濕潤度除克山、明水和雙遼站為微弱上升趨勢，其他區域均為下降趨勢，大部分區域相對濕潤度的變幅為-0.05～0/10 a。綜合春玉米生育期相對濕潤度的空間變化，西南部相對濕潤度降幅較大，干旱較嚴重。

圖2 松嫩平原春玉米生育期內干旱事件頻率、強度和持續時間的年際變化

表4 松嫩平原春玉米生育期干旱特征年代際變化

3.2.2 干旱指標的空間變化特征 松嫩平原近57 a春玉米生育期年平均干旱頻率、強度和持續時間的空間分布見圖4，松嫩平原春玉米全育期及各生育期各地多年平均干旱頻率、強度和持續時間分布差異明顯且呈帶狀分布，并呈東北向西南遞增的趨勢，說明從東北向西南干旱加強。近57 a來，松嫩平原春玉米全育期平均干旱頻率、干旱強度和持續時間分別為3次，44，46 d，位于西南部的泰來、白城、通榆和齊齊哈爾地區干旱較嚴重，干旱頻率、強度和持續時間平均為3.9次，62，64 d；營養生長期多年平均干旱頻率、強度和持續時間分別為1.5次，23，24 d，西南部的泰來、白城、通榆、乾安和龍江、齊齊哈爾地區干旱較嚴重，干旱頻率、強度和持續時間平均為1.8次，31，32 d；并進期多年平均干旱頻率、強度和持續時間分別為0.2次，2.2，2.3 d，西南部的泰來、大安、前郭爾羅斯、通榆、雙遼和齊齊哈爾地區干旱較嚴重，干旱頻率、強度和持續時間平均為0.3次，3.4，3.6 d；生殖生長期多年平均干旱頻率、強度和持續時間分別為1.2次，16，17 d，西南部的泰來、白城、乾安、通榆和雙遼地區干旱較嚴重，干旱頻率、強度和持續時間平均為1.6次，24，25 d。綜上，全育期及各生育期多年平均干旱頻率、強度和持續時間在西南部較高，即松嫩平原春玉米生育期內西南部干旱較嚴重。

圖3 松嫩平原春玉米生育期相對濕潤度變化趨勢空間分布

3.3 干旱特征對氣候變化的響應

由表5可知，近57 a春玉米全育期及各生育期內平均氣溫呈顯著上升趨勢(p<0.01)，其中營養生長期升溫最快(0.31℃/10 a)，全育期及各生育期內的平均日照時數和風速呈下降趨勢，風速下降趨勢較顯著(p<0.01)，日照時數在全育期和營養生長期下降顯著(p<0.01)，日照時數和風速在營養生長期降幅最大，分別為-0.22 h/10 a和-0.26(m/s)/10 a，平均相對濕度和降水量在全育期、并進期和生殖生長期為下降趨勢，在營養生長期為上升趨勢，其中降水量在并進期呈顯著下降趨勢(p<0.05)，在營養生長期呈顯著上升趨勢(p<0.01)，生殖生長期平均相對濕度降幅最大最顯著(p<0.01)，為-0.71%/10 a，生殖生長期降水量降幅最大，為-6.5 mm/10 a。

春玉米全育期及各生育期內相對濕潤度與相同時段各氣候因子之間的相關性分析得出：全育期及各生育期相對濕潤度與降水量的相關性均較高且較顯著(p<0.01)，在全育期及各生育期，相對濕潤度與平均氣溫、日照時數呈負相關，與降水量和相對濕度呈顯著正相關(p<0.01)，全育期、營養生長期和并進期的相對濕潤度與平均風速呈負相關，生殖生長期的相對濕潤度與平均風速呈正相關。營養生長期相對濕潤度與平均日照時數和風速相關性最高，分別為-0.80和-0.35(p<0.01)；并進期相對濕潤度與平均氣溫和降水的相關性最高，分別為-0.46，0.98(p<0.01)；生殖生長期相對濕潤度與降水量和平均相對濕度的相關性最高，分別為0.98，0.81(p<0.01)。同時發現，全育期及各生育期內相對濕潤度與的相關性最大最顯著(p<0.01)，即松嫩平原春玉米生育期內的干旱變化特征對降水量、日照時數和相對濕度的變化最敏感。

圖4 松嫩平原春玉米生育期多年平均干旱頻率、強度和持續時間空間分布

表5 松嫩平原春玉米生育期干旱對氣候變化的響應

4 討論與結論

4.1 討 論

基于相對濕潤度分析了1960—2016年松嫩平原春玉米生育期的干旱特征，研究結果對保障松嫩平原農業經濟持續穩定發展具有重大意義。近57 a松嫩平原在氣溫顯著上升，降水減少的背景下干旱化趨勢顯著，這與我國北方氣候變化的大背景是相似的[23]，但是在2000s以后該區域干旱指標的變化均表明，該區域干旱化趨勢更加顯著。松嫩平原春玉米營養生長期雖呈濕潤化趨勢但干旱最嚴重，其他生育期呈干旱化趨勢，干旱由前期向后期轉移，這與前人的研究相符[9,11,13]，因此，不僅應預防前期春旱，還應重視后期日漸嚴重的夏旱對玉米產量造成的損失。松嫩平原西南部干旱較嚴重這在一定程度上佐證了前人的研究[10-11,24]。

采用FAO推薦的Penman-Monteith法計算ET0，該方法考慮因素多、計算復雜且要求資料有較高的完整度，在物理意義上更加嚴謹可靠，并在農業方面具有較大的現實意義，能夠更加客觀真實地反映農作物生育期實際氣候的干濕狀況，但在一定區域內，該方法還存在參數的誤差[25]，因此可能會造成濕潤度指數與實際干濕情況的地區性偏差，如本研究未考慮當地土壤、灌溉、耕作、社會經濟等因素，因此為進一步識別春玉米生育期的干旱變化特征，應從農業干旱角度入手，在計算相對濕潤度時將潛在蒸散量訂正為作物實際蒸散量[26]。由本研究以及前人的研究[10,27-28]可得出干旱變化受氣候因子的影響，因此在今后的研究中，要建立氣候變化與干旱的早期預警系統，完善農業干旱預報及農業生產規劃、服務決策等支撐體系，也應選擇抗旱能力強的玉米品種，并調整耕種方法和管理措施，對保障松嫩平原農業經濟持續穩定發展具有重大意義。

4.2 結 論

(1) 近57 a松嫩平原春玉米全育期、并進期和生殖生長期呈干旱化趨勢，營養生長期呈濕潤化趨勢。

(2) 春玉米各生育期干旱嚴重程度為：營養生長期>生殖生長期>并進期。全育期、并進期和生殖生長期干旱頻率、強度和持續時間呈增加趨勢，營養生長期干旱頻率、強度和持續時間呈下降趨勢；年代際尺度上，1990s為并進期干旱最嚴重的時段，而其他生育期和全育期均在2000s干旱最嚴重。

(3) 空間上，全育期及各生育期多年平均干旱頻率、強度和持續時間分布差異明顯且呈帶狀分布，從東北向西南干旱逐漸加強。

(4) 近57 a松嫩平原春玉米營養生長期呈暖濕化趨勢，全育期及其他生育期呈暖干化趨勢；松嫩平原春玉米生育期內相對濕潤度指數的變化與降水量、日照時數和相對濕度表現出較強的相關性，因此松嫩平原春玉米生育期內干旱變化特征對降水量、日照時數和相對濕度的變化最敏感。