黑龙江省旱作玉米生产降水利用效率潜力演变特征

赵 放, 王 锐, 田宝星, 赵慧颖, 林伟楠, 李秀芬

(1.宁夏大学 农学院, 银川 750021; 2.哈尔滨市气象局, 哈尔滨 150028;3.中国气象局 东北地区生态气象创新开放实验室, 哈尔滨 150030; 4.黑龙江省气象科学研究所, 哈尔滨 150030;5.成都信息工程大学 大气科学学院, 成都 610225; 6.内蒙古自治区陈巴尔虎旗气象局, 内蒙古 巴彦库仁镇 021500)

黑龙江省地处中高纬度、地球环境变率最大的季风气候区，亦是典型的雨养农业区，气候变化非常剧烈，对作物生长影响较大[1]，作物生长季(5—9月)降雨量为310～510 mm，时空分布极不均匀，且与作物需水关键期之间出现严重供需错位[2-3]，是制约旱作农业区粮食生产的主要因素。黑龙江省旱作玉米生长期需水量大，在气候变暖的背景下，水分则是控制玉米生长发育主要生态因子。因此，研究旱作玉米生产降水利用效率演变特征，提高玉米产量、无效降水的有效转化已成为目前倍受关注的研究内容[4-6]。

玉米是全球最重要的粮食作物之一，为全球94个国家超过45亿人口提供了30%的食物热量[7]。玉米(ZeamaysL)是我国第一大粮食作物，而北方地区玉米在我国玉米产业中占有举足轻重的地位，其中，黑龙江省玉米播种面积占全国玉米总播种面积的10%，产量占全国玉米总产量的9%左右，玉米产量的波动不仅影响黑龙江的粮食总产量，还与国家粮食安全息息相关[8-9]。已有研究成果表明，气温的升高和降水量的减少必然会导致干旱化程度的加重，直接导致玉米产量下降[10-12]。黑龙江省是我国降水量减少趋势明显的地区之一[13]，气候变化背景下因降水量偏少使干旱呈现常态化，随着全球变暖，干旱对玉米的影响程度加重趋势明显[14-15]。目前，关于旱作玉米降水利用效率的成果报道较多，一类从品种、种植方式和农技措施改变的角度研究水分利用率[16-17]，另一类从玉米实际单产和农业气候资源利用率的角度分析水分利用率[18-19]，但基于气候生产潜力的角度研究降水利用效率的成果十分鲜见。因此，本文利用黑龙江省玉米生育期数据、玉米生长季内的气象数据计算玉米气候生产潜力及降水利用效率潜力，旨在揭示旱作玉米生产降水利用效率潜力时空演变特征，明确北方地区旱作玉米对降雨量响应程度，为有效制定旱作玉米种植规划和农业气候资源高效利用及保障粮食安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑龙江省位于我国最东北部，北纬43°26′—53°33′，东经121°11′—135°05′，总面积4.73×105km2。地势大致是西北部、北部和东南部高，东北部、西南部低，主要由山地、台地、平原和水域构成。属温带大陆性季风气候。农业界限温度≥10℃积温为1 800～2 800℃，年降水量为400～650 mm，6—8月为集雨期，无霜期为100～150 d。以旱作为主的农业主要分布在西部的松嫩平原和东北部的三江平原，适宜玉米、水稻、大豆生产。在气候变暖的背景下，干旱是粮食安全的最大威胁。

1.2 资料来源

本文所用气象资料来源于黑龙江省气象局83个基本气象站，剔除观测年代不足10 a及数据不连续的3个台站的资料。最终选取80个气象站1961—2017年逐日气象资料及玉米生育期资料，各县级单元玉米产量资料，1∶250 000地理信息数据，所有资料分别来自黑龙江省气象局、统计局和国家基础地理信息中心(NGCC)(研究区气象站点分布见图1)。

1.3 研究方法

1.3.1 降水利用效率潜力计算 作物降水利用效率一般为作物实际单产与作物生长季降水量总和之比[20]，而本研究把降水利用效率定义为降水利用效率潜力，即作物气候生产潜力与作物生长季降水量总和之比[21]。计算公式：

WUE=YW/∑R

式中:WUE为玉米生长季内的降水利用效率潜力；YW为玉米气候生产潜力(kg/hm2)；∑R为玉米生长季内的降水总量(mm)。

1.3.2 气候生产潜力(YW)计算模型 本研究采用联合国粮食和农业组织(FAO)推荐的逐步订正法来计算玉米气候生产潜力[1,21-22]，本研究选定玉米生长季为5—9月。气候生产潜力的计算公式如下:

YW=Q×f(Q)×f(t)×f(W)
=YQ×f(t)×f(W)
=YT×f(W)

式中:YW为气候生产潜力(kg/hm2)；Q为作物生长季(5—9月)的太阳总辐射(MJ/m2)；f(Q)为光合有效系数；YQ为单位面积光合生产力(kg/hm2)；f(t)为作物光合作用的温度订正系数；f(W)为水分订正系数;YT为光温生产力(kg/hm2)。

图1 研究区气象站点分布

1.3.3 EOF经验正交函数 EOF经验正交函数[23]又称为主分量分析方法，在对变量场特征进行分解时能将多个变量大部分信息最大限度地集中在有限个独立变量的主分量上，即将m个空间点n次观测值构成变量Xm×n分解为p个空间特征向量和对应的时间权重系数的线性组合：Xm×n=Vm×pTp×n

A=X·XT

VTAV=Λ

式中：V，Λ分别是A阵特征向量组成的正交阵和特征值组成的对角阵。时间函数满足T·TT=Λ，则T=VT·X。本文用于分析降水利用效率潜力空间变化特征。

1.3.4 小波分析方法 本文采用小波分析理论[24-25]分析玉米气候生产潜力序列随时间的变化和周期变化。

令满足一定条件的小波函数ψ(t)，时间序列f(t)∈L2(R)的小波变换为：

为了判断各序列的主要周期，即对气候序列变化起主要作用的周期，采用小波方差检验：

式中：Wp(a)为小波方差。在一定的时间尺度下，小波方差表示时间序列在该尺度中周期波动的强弱，对应峰值处的尺度即为该序列的主要时间尺度，即主要周期。

2 结果与分析

2.1 玉米降水利用效率潜力时间变化特征

由图2和表1可知，近60 a来，黑龙江省玉米降水利用率潜力变化总趋势为“M”型曲线，呈现两高两低态势，6阶主旨方程通过了0.001的信度检验(p≤0.001)。1961—2017年平均玉米降水利用效率潜力为46.0 kg/(hm2·mm),最大值为58.2 kg/(hm2·mm)，最小值33.4 kg/(hm2·mm)。玉米降水利用效率潜力阶段性变化显著，1961—1979年和1992—1998年为上升阶段，玉米降水利用效率潜力平均值、最大值、最小值分别为47.1，58.2，34.8，46.7，51.8，38.5 kg/(hm2·mm)；1980—1991年和1999—2017年为下降阶段，玉米降水利用效率潜力平均值、最大值、最小值分别为43.6，50.5，37.8，48.5，58.1，33.4 kg/(hm2·mm)。如果将图2“M”型曲线沿对称轴切开，1988年为对称点，分割成两个时间段为1961—1988年和1989—2017年，前28 a和后29 a演变趋势一致，玉米降水利用效率潜力平均值后29 a比前28 a偏多1.5 kg/(hm2·mm)，最大值和最小值相差不大，前后两个时间段变化趋于稳定，呈现微升态势。

图2 1961-2017年玉米降水利用效率潜力变化

时段WUEavgWUEmaxWUEmin变化特征1961—197947.158.234.8上升期1980—199143.650.537.8下降期1992—199846.751.838.5上升期1999—201748.558.133.4下降期1961—198846.058.234.8一升一降1989—201747.558.133.4一升一降1961—201746.858.233.4两升两降

2.2 玉米降水利用效率潜力周期变化特征

小波分析显示，黑龙江省1961—2017年旱作玉米降水利用效率潜力存在不同时间尺度的周期变化特征(图3)，这种变化主要体现在28，15，5，8 a共4种时间尺度的周期变化，最高峰值为尺度和主周期依次为28,15,5,8 a，且在其左右的周期振荡最强。这4个周期波动控制着整个时域内的旱作玉米降水利用效率潜力变化特征。

图3 1961-2017年旱作玉米降水利用效率潜力小波方差

2.3 玉米降水利用效率潜力空间变化特征

EOF分析得出研究区玉米降水利用效率潜力的前3个特征向量的方差贡献依次为44.5%，10.9%，7.6%，累计方差贡献为63.0%，因此，可以反映该区域玉米降水利用效率潜力的空间分布特征。第1特征向量方差贡献率为44.5%，体现该区域玉米降水利用效率潜力变化的显著空间分布状态。如图4所示，黑龙江省玉米降水利用效率潜力呈现一致的正变化趋势，并形成闭合的高值区域，大致位置为黑河—齐齐哈尔东南部—大庆—哈尔滨—七台河—双鸭山—佳木斯—鹤岗—伊春，区内高值中心在黑河的德都和鹤岗市附近且等值线密集，低值中心在大兴安岭地区的呼玛以北地区及牡丹江市的宁安和东宁一带，且等值线相对稀疏。高值区域玉米降水利用效率潜力振幅变化不大，其他区域以高值区域为中心向外侧逐渐递减。第1特征向量所对应的时间序列图4表征的研究区域玉米降水利用效率潜力年际趋势变化，可以看出第1特征向量的时间系数为-118～139，绝对值最大，表示这一时刻玉米降水利用效率潜力年际趋势变化差异较大，最大值出现在2001年，最小值出现在1966年。

图4 黑龙江省玉米降水利用率潜力第1特征向量和时间系数

第2特征向量方差贡献率为10.9%，也是研究区玉米降水利用率潜力一种较显著的空间分布状态。如图5所示，黑龙江省玉米降水利用效率潜力空间分布呈现正、负相间的变化趋势，区内高值中心在克山、龙江附近，中心特征值绝对值在0.2以上且等值线密集，低值中心在虎林、林口附近且等值线密集。第2特征向量值为正负相间，玉米降水利用效率潜力变化呈相反位相的分布型式，这种分布类型，突出呈现了玉米降水利用效率潜力更小地理单元分布状况差异。由图5可以看出，特征向量时间系数绝对值为0～90，年际变化相对平缓，最大值出现在2003年，最小值出现在2001年，分布型式相反特征明显。

图5 黑龙江省玉米降水利用效率潜力第2特征向量和时间系数

第3特征向量方差贡献率为7.6%，与第2特征向量空间模态基本相似，只是等值线密集程度降低，对研究区玉米降水利用效率潜力空间分布具有一定的指示意义。如图6所示，黑龙江省玉米降水利用效率潜力空间分布呈现正、负相间的变化趋势，区内高值中心在黑河的孙吴附近，低值中心在齐齐哈尔的泰来附近且等值线密集。由图6可以看出，特征向量时间系数绝对值为0～66，年际变化相对减小，最大值出现在1994年，最小值出现在1999年，分布型式相反特征明显。

图6 黑龙江省玉米降水利用效率潜力第3特征向量和时间系数

2.4 玉米降水利用率潜力与实际降水利用率对比分析

分析玉米降水利用率潜力与实际降水利用率的差值，可以反映不同区域玉米生产能力提升的程度。由图7可知，黑龙江省玉米降水利用率潜力与实际降水利用率的差值分布与玉米降水利用效率潜力分布基本一致，全省差值为6～52 kg/(hm2·mm)，大、小兴安岭偏北地区为6～30 kg/(hm2·mm)，其他地区为30～52 kg/(hm2·mm)，高值区域大致位置为齐齐哈尔东南部—大庆—哈尔滨闭合区域，区内高值中心在齐齐哈尔的泰来[52 kg/(hm2·mm)]和大庆市的杜尔伯特[50 kg/(hm2·mm)]附近，且等值线趋于密集，低值中心在大兴安岭地区的呼中[6 kg/(hm2·mm)]以北地区及伊春市的乌伊岭[16 kg/(hm2·mm)]一带，且等值线相对稀疏。

图7 黑龙江省玉米降水利用效率潜力与实际降水利用率差值

3 讨论与结论

黑龙江省地区幅员辽阔，地形及气候变化复杂，灌溉条件较差，旱作农业占有相当比重，农用耕地1.2×107hm2，在气候变暖背景下，旱作农业的控制因子主要是降水量，其次是生长季前期的土壤水分，在基本无灌溉条件下，降水利用效率则是农田生产效果的重要评价指标[4]。以往研究农田气候资源利用效率成果，大多采用作物实际单产与各级产量潜力的比率表征气候资源利用效果[1]，该指标能整体反映一个地区可以利用的气候资源，但不能单独针对降水利用效率进行分析，而本文选取的是王晓煜等[21]的研究方法，计算单位面积上单位旱作玉米气候生产潜力与降水量的比值，重点揭示了旱作玉米降水利用效率潜力时空演变特征及降水量对玉米产量的贡献，为提高玉米降水利用效率和产量提供科学依据。

黑龙江省玉米降水利用效率潜力空间分布呈现闭合的高值区域，大致位置为黑河—齐齐哈尔东南部—大庆—哈尔滨—七台河—双鸭山—佳木斯—鹤岗—伊春，区内高值中心在黑河的德都和鹤岗市附近，低值中心在大兴安岭地区的呼玛以北地区及牡丹江市的宁安和东宁一带，高值区域玉米降水利用效率潜力振幅变化稳定，其他区域以高值区域为中心向外侧逐渐递减。这一趋势与东北地区作物生长季内降水量的空间分布特征一致[26]。1961—2017年玉米降水利用效率潜力呈现阶段性微升态势，1961—1979年和1992—1998年为上升阶段，1980—1991年和1999—2017年为下降阶段，上升和下降幅度在33～59 kg/(hm2·mm)之间，玉米降水利用效率潜力平均值后29 a比前28 a偏多1.5 kg/(hm2·mm)，且存在4种时间尺度的周期变化，主周期依次为28，15，5，8 a。对于玉米降水利用率潜力提升空间而言，齐齐哈尔东南部—大庆—哈尔滨闭合区域尚有30～52 kg/(hm2·mm)潜力可以挖掘，在大兴安岭地区的呼中[6 kg/(hm2·mm)]以北地区及伊春市的乌伊岭[16 kg/(hm2·mm)]一带挖掘潜力较小。

玉米各生育期对水分都十分敏感，干旱是影响玉米生长发育和产量的最主要灾害，在黑龙江省玉米中晚熟品种全生育期总耗水量一般为500～1 000 mm[27]，而实际作物生长季(5—9月)降雨量为310～510 mm，时空分布极不均匀，且与作物需水关键期之间出现严重供需错位[2-3]，玉米生理需水量常常亏缺，因降水量少导致干旱是制约旱作玉米农业区粮食生产的主要因素。降水又是黑龙江省旱作玉米主要水分来源[21]。尽管研究区旱作玉米降水利用效率潜力[46.8 kg/(hm2·mm)]较东北地区[33 kg/(hm2·mm)]偏高[21]，但玉米降水利用效率潜力还有10～50 kg/(hm2·mm)的提升空间。要想提高玉米降水利用效率潜力，对于玉米生长严重缺水地区，灌溉无疑是解决玉米生理干旱的有效方法，但黑龙江省自然降水量多少在短期内无法改变，又不具备大面积灌溉条件，挖掘玉米降水利用效率潜力唯一途径，只能采取农业技术措施。如可以采取改良土壤、提高地力、增加农业技术投入、加强蓄水保墒耕作、培育和推广新品种以及优化作物布局等措施[21]。不同的玉米种植区域，可以根据玉米生长所需要的耗水量，结合短期气候预测，选择适宜品种及品种搭配布局，采用集雨种植、覆膜种植和密植种植方式，推广免耕和深松耕保水保墒技术，优化施肥和秸秆还田等增加土壤肥力措施，有效提高玉米产量及降水量利用效率[2-3,5,16-17]。

本研究分析旱作玉米降水利用效率潜力的目的旨在了解当地玉米在雨养条件下能够达到的最高产量，在气候变暖的背景下，理想认为降水量多少及其有效利用是驱动玉米产量高低的重要因子，而没有考虑玉米生长前期土壤水分的作用、光温水资源有效匹配及其气象灾害的限制,虽然本研究结论可为黑龙江省优化农业结构布局提供参考依据,但暖干化气候对旱作农业稳产高产带来的正效应能否获得最大发挥,还需要精细的、高分辨率的数据和严谨的、多元的试验验证以及更深层面的研究。