1980－2009年期间黑龙江省玉米低温冷害年判定*

2012-01-26朱海霞陈莉王秋京吕佳佳曲辉辉

灾害学 2012年1期

朱海霞，陈莉，王秋京，吕佳佳，曲辉辉

(1.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江哈尔滨150030;2.黑龙江省哈尔滨市气象局，黑龙江哈尔滨150030)

玉米低温冷害是指玉米在生长期内遭受低于其生长发育所需的环境温度(但仍在0℃以上)导致玉米减产的自然灾害。在1950年代至1970年代，东北地区低温冷害平均2～3年发生一次，造成农作物的严重减产［1－2］;由于黑龙江省地处中高纬，温度是限制作物生长的重要因子，夏季低温冷害的发生频率和危害程度在东北地区都是最严重的。随着全球气候变暖，黑龙江省自1980年代以来气候明显变暖，近50年来气温上升1.0℃，黑龙江省成为全国气候变暖中心［3］，低温冷害出现的频率和强度降低［4－5］。但由于气温升高所导致的活动积温的增加，各地选择的品种较当地早期的品种熟型偏晚［6］，这在一定程度上抵消了积温增加的效应，所以，低温冷害对农作物的正常生长发育和粮食安全生产仍然存在威胁。玉米是黑龙江省主要的农作物之一，2009年播种面积占全省粮食作物总播种面积的37%，占粮食作物总产量的44%，可见玉米对黑龙江省的农业生产具有很重要的保障作用。因此，研究黑龙江省玉米低温冷害的变化，进而制定相应的防御对策，对保障黑龙江省的粮食安全，推动农业经济可持续发展以及新农村建设中具有重要意义。

关于低温冷害的指标、预测方法方面的研究已有许多研究［7－12］，近些年对低温冷害指标的研究中主要有六大类:生长季温度距平指标、生长季积温指标、生长发育关键期冷积温指标、作物发育期的距平指标、热量指数指标和玉米低温冷害的综合指标［13］。但大多数指标缺少与作物发育期的紧密联系，不能很有效地与作物遭受冷害的过程联系起来，缺乏农学和生物学意义。本文采用气温与玉米生育进程相结合的指标，充分考虑玉米发育进程的变化，对气候变暖背景下的1980年代以来玉米种植期间低温冷害年进行了判识分析，以期为低温冷害的后续研究提供一定的基础。

1 资料和方法

1.1 资料和研究站点

资料包括黑龙江省24个观测站1980－2009年5－10月的逐日平均气温资料、1980－2009年玉米品种及发育期资料(出苗期、七叶期、抽雄期和成熟期资料)，来自黑龙江省气象局。

黑龙江省玉米种植区主要位于48°N以南地区，幅员辽阔，区域气候差异较大，为了准确分析冷害地域分布特征，本文在玉米产区选取了24个气象站作为研究站点，并根据研究站点的地理位置和热量特征，将玉米种植区划分为北部地区、西部地区、中部地区、南部地区、东部地区。选取站点均匀分布在玉米种植区，玉米种植面积较大，具有一定的代表性，能够较好反映出玉米种植区的气候特征和生产特点(图1)。

图1 玉米低温冷害年研究站点相关信息示意图

1.2 研究方法

本文借鉴李祎君［14］等提出的具有气象、农学和生物学意义的“长春玉米低温冷害综合指标”的建立过程，建立适用于黑龙江省玉米低温冷害识别的综合指标。李祎君的“玉米低温冷害综合指标”的核心是主导指标和辅助指标:将玉米整个生育期划分为三个时段(前期:出苗期－七叶期，中期:七叶期－抽雄期，后期:抽雄期－成熟期)，分别计算各站逐年玉米前、中、后期≥10℃活动积温负距平，以此作为玉米低温冷害的主导指标，划分各时段低温冷害等级;辅助指标由前、中、后三期逐日负积温累积指数(SPT)和各个发育时段的发育延迟日数构成，其中负积温累积指数(SPT)可以反映各时段的低温分布情况和低温积累以及高温补偿效应，这样就与玉米和农业气象条件结合起来，具有较好的生物学与农学意义。

1.2.1 主导指标的计算

式中:T为玉米两生育期之间的活动积温;t为逐日平均气温(≥10℃)。

式中:ΔT为两生育期之间积温距平;Ti为某一年两生育期之间积温;为多年积温平均值。

1.2.2 辅助指标的计算

(1)辅助指标:发育期延迟日数:

式中:ΔD为两生育期之间的发育期日数距平;Di为两生育期之间的发育日数;为发育日数多年平均值。(2)辅助指标:负积温累积指数:

式中:ISPT负积温累积指数;Ii=(ti－toi)/toi;ti为某发育阶段的逐日平均温度;toi为此发育阶段的逐日适宜温度。

2 结果与分析

2.1 黑龙江省“玉米低温冷害综合指标体系”的建立

王远皓［13］指出，该方法虽然能将玉米生育期间温度的变化和玉米发育期及高温的补偿效应相互结合，但该方法获得的指标因其中所涉及的一些因子具有局域性，只适用于小范围小尺度研究。因此，考虑黑龙江省各地玉米种植的实际情况，借鉴李祎君的“长春玉米低温冷害综合指标体系”建立过程，获得了适合黑龙江省玉米早、中、晚熟品种的低温冷害综合指标体系，见表1～表4。

表1～表3中分别给出了玉米生育的前、中、后期发生一般冷害和严重冷害的主导指标和辅助指标临界指示值。由于黑龙江省种植玉米的南北界限广，气候资源复杂，玉米品种熟性多，所以本研究选择了早、中、晚熟性的多站点资料进行分析，而李祎君选择单站点(吉林长春市)玉米为研究对象，根据不同熟性玉米对热量资源需求的差异，以及多站点资料分析方法与单站点资料分析方法的不同，因此，黑龙江省获得的玉米低温冷害综合指标体系与李祎君获得的长春玉米低温冷害综合指标体系在主导指标和辅助指标上有所差异。

利用表1～表3中的指标体系来判定黑龙江省24个气象站玉米前期、中期、后期的冷害程度，并利用表4中综合指标体系来判定1980－2009年的玉米低温冷害年。

表1 黑龙江玉米晚熟品种的冷害年判定指标体系

表2 黑龙江玉米中熟品种的冷害年判定指标体系

表3 黑龙江玉米早熟品种的冷害年判定指标体系

表4 黑龙江省玉米低温冷害年综合指标判定体系

为了体现主导指标和辅助指标之间在判定冷害等级时的主次地位，研究中规定若主导指标和辅助指标均达到冷害标准，冷害的等级程度则以主导指标判定为准。

文中规定24代表站点中若有6个或6个以上站点发生了低温冷害，即判定该年玉米种植期间，黑龙江省发生了低温冷害。

2.2 1980－2009年玉米低温冷害年时空分析

根据表1～表4的黑龙江省玉米低温冷害综合指标体系，对1980年以来黑龙江省各地玉米种植期间进行低温冷害判定，结果见表5。自1980年以来的30年中黑龙江省各地玉米在生长发育期间，共有14年发生了不同程度的低温冷害。1980－1989年，玉米种植期间发生了6年冷害，基本属于一般型冷害，发生低温冷害范围较广的是1981、1985、1987、1989年，其中1987年低温冷害的程度较重，达到了严重冷害的程度，对玉米发育及产量形成造成了较大的影响。1990－1999年，玉米种植期间发生了5年的低温冷害，其中1990、1992、1995属于一般型低温冷害，1996、1999年是低温冷害程度较轻的轻微冷害年，虽然玉米生长后期，积温量不充足，但对玉米的后期灌浆和籽粒成熟影响较小，玉米亩产的波动不大，只造成了轻微的危害。2000－2009年，发生了3年的玉米轻微低温冷害，而2009年低温主要集中于黑龙江北部。以每10年进行比较，冷害的发生频次和程度都呈下降趋势。

表5 黑龙江省各区域在近30年中玉米低温冷害年判定结果

黑龙江省北部地区由于地理位置偏北，纬度较高，主要处于黑龙江省的第5、第6积温带，但嫩江和北安位于第4积温带北端，该区域较其它区域更易发生低温冷害。结果表明:在玉米种植期间共有12年黑龙江省北部地区发生了不同程度的低温冷害，其中1981、1987年达到了玉米的严重低温冷害程度。在30年中，若以每10年进行比较，冷害程度降低，发生频次也趋于下降。

黑龙江省中部地区在松嫩平原的东北部，主要处于黑龙江省的第3、第4积温带，该区域与北部地区连接，在玉米种植期间也较易受到冷害的威胁。结果表明:中部地区共有8年发生了不同程度的低温冷害，而1981和1987年发生的低温较重。在30年中，冷害程度的变化与北部地区状况较一致。

黑龙江省的东部地区主要位于三江平原及牡丹江地区，处于黑龙江省的第2、第3、第4积温带，该地区森林覆盖率较高、水资源丰富，且土壤湿度大，即土壤的热容量大，对气候具有一定的调节作用。结果表明:共有10年东部地区发生了不同程度的低温冷害，而1980－1989年间发生的低温冷害为一般型冷害程度，自1990年以来发生的均是轻微程度的冷害。

黑龙江省的西部地区位于松嫩平原西部，处于黑龙江省的第2、第3积温带。结果表明:共有8年西部地区发生了不同程度的低温冷害，其中1987年冷害程度较严重，1992年为一般型低温冷害，其它几年均为轻微型低温冷害。

黑龙江省的南部地区位于松嫩平原南部，处于黑龙江省的第1积温带，由于纬度高，且全年积温在2 700℃以上，与其它区域比较，玉米种植期间冷害的发生程度轻，发生频次少。只有1992、1995年南部地区发生了轻微型低温冷害。

2.31980 －2009年黑龙江省玉米低温冷害年时空特征分析

综上分析，玉米种植期间，1980－1989年发生低温冷害频次最多，冷害程度以一般型为主，未出现轻微型冷害;1990－1999年间，玉米冷害年频次减少，冷害程度为一般型至轻微型;2000－2009年间，冷害频次最少，冷害程度均为轻微型。总体来看，自1980年以来，低温冷害在发生频次、发生程度上呈逐渐下降和减轻趋势。

从地域来看，在同一冷害年内，冷害程度具有明显的区域差异，表现为北部重于中部，中部重于南部，西部、中部略重于东部的特点，反映了黑龙江省各区域的热量资源特征，说明纬度越高，温度对玉米正常成熟的限制作用越显著，冷害越易发生。黑龙江省玉米种植区冷害的发生频次在空间分布上呈现由北向南、由东向西减少的趋势，北部最多，中部次之，南部最少;东部较西部略多的特点。

3 讨论

本文借鉴李祎君的“长春玉米低温冷害综合指标体系”建立过程，结合黑龙江省实际情况，建立了黑龙江省玉米低温冷害综合指标，具有气象学、农学及生物学意义。该综合指标没有考虑低温冷害年粮食是否减产情况，主要原因是由于影响粮食产量波动的因素较多，从技术上分离出由低温冷害所造成的减产量存在很大的困难;同时由于防灾减灾技术的进步和管理水平的提高，发生轻微或一般型低温冷害所造成的产量损失比较有限，更增加了年际之间产量波动在判识、验证玉米低温冷害年过程中的难度。

根据该指标，黑龙江省自1980年以来的30年中黑龙江省各地玉米在生长发育期间，共有14年发生了不同程度的低温冷害，其中1987年为严重低温冷害。1980年以来，玉米低温冷害发生频次、发生程度呈逐渐下降和减轻趋势;黑龙江省玉米种植区冷害的发生频次在空间分布上呈现由北向南、由东向西减少的趋势，北部最多，中部次之，南部最少;东部较西部略多的特点。

从文中的分析来看，1980年以来黑龙江省玉米种植所面临的低温冷害风险有所降低;但尽管全球变暖的趋势没有改变，气候波动仍在所难免，黑龙江省玉米种植在进行气候变暖适应的情况下，也要提防由于气候波动所带来的巨大风险。

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