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(qiáng), 邢立亭, 黃 浩, 王曉丹

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070)

干旱是一種常見又普遍的自然災(zāi)害，特點(diǎn)是發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣，能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(qiáng)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(fā)展，半干旱地區(qū)干旱化趨勢以及范圍呈增大趨勢，同時(shí)我國北方主要農(nóng)業(yè)區(qū)不同程度的干旱面積也有擴(kuò)大的趨勢[6-7]。松嫩平原位于東北地區(qū)中西部，本是半濕潤地區(qū)，但也受到干旱的嚴(yán)重影響，已有研究表明松嫩平原春旱頻發(fā)，成為影響當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)量的主要災(zāi)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(chǎn)量占該區(qū)糧食總產(chǎn)量的72.88%[12]。紀(jì)瑞鵬等[13]指出干旱對玉米生產(chǎn)的影響不但取決于干旱程度，還取決于干旱發(fā)生的時(shí)期，眾多學(xué)者對玉米不同發(fā)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(fā)育及其產(chǎn)量[14-15]，研究松嫩平原夏玉米生育期內(nèi)的干旱情況，對保障松嫩平原農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)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(jié)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(biāo)，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(fā)生規(guī)律，在春玉米不同生育階段采取適宜的措施對防旱減災(zāi)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，以期為農(nóng)業(yè)干旱預(yù)報(bào)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃、服務(wù)決策等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

松嫩平原位于東北地區(qū)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(qū)內(nèi)大體可分為東部高平原區(qū)、中部低平原區(qū)、西部山前傾斜平原區(qū)及北部崗狀平原區(qū)[16]；屬溫帶大陸性半濕潤、半干旱季風(fēng)氣候，雨熱同季，年均降水量400～600 mm；松嫩平原在東北地區(qū)自然資源最為優(yōu)越[12]，是我國主要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選用松嫩平原及周邊42個(gè)站點(diǎn)1960—2016年逐日氣象數(shù)據(jù)(降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù))和中國農(nóng)作物生長發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)。研究區(qū)及所選氣象站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 松嫩平原氣象站點(diǎn)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(shí)間參照中國農(nóng)作物生長發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集1991—2013年松嫩平原各農(nóng)業(yè)氣象站春玉米年平均生育時(shí)間并結(jié)合文獻(xiàn)[17]，具體生育時(shí)間見表1。本研究將春玉米的生育期劃分為：營養(yǎng)生長期(從播種到拔節(jié))、營養(yǎng)生長與生殖生長并進(jìn)期(簡稱并進(jìn)期，從拔節(jié)到抽雄)、生殖生長期(從抽雄到成熟)3個(gè)階段[17]。

表1 1991-2013年松嫩平原春玉米年平均生育時(shí)間

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

(1)

式中：M為日相對濕潤度指數(shù)；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(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)1998年推薦的Penman-Monteith模型計(jì)算[19]，其計(jì)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(fēng)速(m/s)；es為空氣飽和水汽壓(kPa)；ea為空氣實(shí)際水汽壓(kPa)；T為平均氣溫(℃)；γ為濕度表常數(shù)(kPa/℃)；Rn為到達(dá)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(shù)氣象干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[18]見表2，當(dāng)M連續(xù)10 d為輕旱及以上等級，則認(rèn)為發(fā)生一次干旱過程。干旱過程開始日期為第1天M值達(dá)到輕旱等級以上的日期，結(jié)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(jié)束的天數(shù)為干旱持續(xù)時(shí)間，用干旱過程內(nèi)各日M指數(shù)絕對值之和表示干旱過程的強(qiáng)度，值越大干旱程度越強(qiáng)。

表2 相對濕潤度氣象干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

采用線性傾向估計(jì)分析松嫩平原春玉米各生育期相對濕潤度及各干旱指標(biāo)的年際變化趨勢[20]，顯著性檢驗(yàn)為Mann-Kendall(M-K)趨勢檢驗(yàn)[21-22]。采用反距離加權(quán)(IDW)插值法對各生育期相對濕潤度和各干旱指標(biāo)進(jìn)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(jìn)行相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 干旱事件時(shí)間變化特征

3.1.1 相對濕潤度時(shí)間變化特征 由表3可知，1960—2016年松嫩平原春玉米全育期內(nèi)相對濕潤度呈下降趨勢，傾向率為-0.01/10 a，并進(jìn)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(yǎng)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(biāo)的時(shí)間變化特征 為進(jìn)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(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了分析(圖2)。全育期干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(yán)重，干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間分別為4次，64，66 d。

營養(yǎng)生長期干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(fā)生較頻繁，干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間分別為2.1次，40，41 d。并進(jìn)期干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(yán)重，干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間分別為0.7次，9，9 d。生殖生長期干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(yán)重，干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間分別為2.0次，30，30 d。

綜上松嫩平原全育期、并進(jìn)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(yǎng)生長期干旱程度雖呈減輕趨勢，但干旱較嚴(yán)重，各生育期干旱嚴(yán)重程度為：營養(yǎng)生長期>生殖生長期>并進(jìn)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(xiàn)干旱事件的次數(shù)、強(qiáng)度和持續(xù)天數(shù)。從整個(gè)生育期看，松嫩平原春玉米全育期在1990s干旱程度較嚴(yán)重，1960s和1970s次之，2000s為近57 a最嚴(yán)重的時(shí)段。從各生育期看，營養(yǎng)生長期在1960s干旱程度較嚴(yán)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(jìn)期在1990s干旱程度較嚴(yán)重，1960s—1990s干旱程度呈上升—下降—上升的波動趨勢，2000s轉(zhuǎn)為下降；生殖生長期在1970s干旱程度較嚴(yán)重，之后為下降—上升，2000s進(jìn)一步上升。綜上，1990s為并進(jìn)期干旱最嚴(yán)重的時(shí)段，而其他生育期和全育期均在2000s干旱最嚴(yán)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(qū)和雙遼站附近相對濕潤度呈上升趨勢，其他地區(qū)為下降趨勢，故近57 a松嫩平原春玉米全育期中部地區(qū)和雙遼站附近有微弱的濕潤化趨勢，而其他地區(qū)為干旱化趨勢。在營養(yǎng)生長期，相對濕潤度為上升趨勢，表現(xiàn)為濕潤化趨勢，其中內(nèi)部有11個(gè)站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn)，大部分區(qū)域相對濕潤度的升幅為0.05～0.10/10 a，安達(dá)站升幅最大(0.11/10 a)；在并進(jìn)期，相對濕潤度除明水站表現(xiàn)為微弱上升趨勢，其他區(qū)域?yàn)橄陆第厔?，降幅由東北向西南增大，其中有10個(gè)站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn)，大部分區(qū)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(qū)域均為下降趨勢，大部分區(qū)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(yán)重。

圖2 松嫩平原春玉米生育期內(nèi)干旱事件頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(biāo)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(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(qiáng)。近57 a來，松嫩平原春玉米全育期平均干旱頻率、干旱強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(qū)干旱較嚴(yán)重，干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間平均為3.9次，62，64 d；營養(yǎng)生長期多年平均干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(qū)干旱較嚴(yán)重，干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間平均為1.8次，31，32 d；并進(jìn)期多年平均干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(qū)干旱較嚴(yán)重，干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(qū)干旱較嚴(yán)重，干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間在西南部較高，即松嫩平原春玉米生育期內(nèi)西南部干旱較嚴(yán)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(yīng)

由表5可知，近57 a春玉米全育期及各生育期內(nèi)平均氣溫呈顯著上升趨勢(p<0.01)，其中營養(yǎng)生長期升溫最快(0.31℃/10 a)，全育期及各生育期內(nèi)的平均日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速呈下降趨勢，風(fēng)速下降趨勢較顯著(p<0.01)，日照時(shí)數(shù)在全育期和營養(yǎng)生長期下降顯著(p<0.01)，日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速在營養(yǎng)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(jìn)期和生殖生長期為下降趨勢，在營養(yǎng)生長期為上升趨勢，其中降水量在并進(jìn)期呈顯著下降趨勢(p<0.05)，在營養(yǎng)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(nèi)相對濕潤度與相同時(shí)段各氣候因子之間的相關(guān)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(guān)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(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)，與降水量和相對濕度呈顯著正相關(guān)(p<0.01)，全育期、營養(yǎng)生長期和并進(jìn)期的相對濕潤度與平均風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，生殖生長期的相對濕潤度與平均風(fēng)速呈正相關(guān)。營養(yǎng)生長期相對濕潤度與平均日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速相關(guān)性最高，分別為-0.80和-0.35(p<0.01)；并進(jìn)期相對濕潤度與平均氣溫和降水的相關(guān)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(guān)性最高，分別為0.98，0.81(p<0.01)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，全育期及各生育期內(nèi)相對濕潤度與的相關(guān)性最大最顯著(p<0.01)，即松嫩平原春玉米生育期內(nèi)的干旱變化特征對降水量、日照時(shí)數(shù)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(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(yīng)

4 討論與結(jié)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(jié)果對保障松嫩平原農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)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(qū)域干旱指標(biāo)的變化均表明，該區(qū)域干旱化趨勢更加顯著。松嫩平原春玉米營養(yǎng)生長期雖呈濕潤化趨勢但干旱最嚴(yán)重，其他生育期呈干旱化趨勢，干旱由前期向后期轉(zhuǎn)移，這與前人的研究相符[9,11,13]，因此，不僅應(yīng)預(yù)防前期春旱，還應(yīng)重視后期日漸嚴(yán)重的夏旱對玉米產(chǎn)量造成的損失。松嫩平原西南部干旱較嚴(yán)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(jì)算ET0，該方法考慮因素多、計(jì)算復(fù)雜且要求資料有較高的完整度，在物理意義上更加嚴(yán)謹(jǐn)可靠，并在農(nóng)業(yè)方面具有較大的現(xiàn)實(shí)意義，能夠更加客觀真實(shí)地反映農(nóng)作物生育期實(shí)際氣候的干濕狀況，但在一定區(qū)域內(nèi)，該方法還存在參數(shù)的誤差[25]，因此可能會造成濕潤度指數(shù)與實(shí)際干濕情況的地區(qū)性偏差，如本研究未考慮當(dāng)?shù)赝寥?、灌溉、耕作、社會?jīng)濟(jì)等因素，因此為進(jìn)一步識別春玉米生育期的干旱變化特征，應(yīng)從農(nóng)業(yè)干旱角度入手，在計(jì)算相對濕潤度時(shí)將潛在蒸散量訂正為作物實(shí)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(yù)警系統(tǒng)，完善農(nóng)業(yè)干旱預(yù)報(bào)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃、服務(wù)決策等支撐體系，也應(yīng)選擇抗旱能力強(qiáng)的玉米品種，并調(diào)整耕種方法和管理措施，對保障松嫩平原農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重大意義。

4.2 結(jié) 論

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

(2) 春玉米各生育期干旱嚴(yán)重程度為：營養(yǎng)生長期>生殖生長期>并進(jìn)期。全育期、并進(jìn)期和生殖生長期干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間呈增加趨勢，營養(yǎng)生長期干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間呈下降趨勢；年代際尺度上，1990s為并進(jìn)期干旱最嚴(yán)重的時(shí)段，而其他生育期和全育期均在2000s干旱最嚴(yán)重。

(3) 空間上，全育期及各生育期多年平均干旱頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)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(qiáng)。

(4) 近57 a松嫩平原春玉米營養(yǎng)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(nèi)相對濕潤度指數(shù)的變化與降水量、日照時(shí)數(shù)和相對濕度表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，因此松嫩平原春玉米生育期內(nèi)干旱變化特征對降水量、日照時(shí)數(shù)和相對濕度的變化最敏感。