黑龙江省大豆不同生育阶段干旱时空特征

宫丽娟 李秀芬 田宝星 王 萍 姜蓝齐 赵慧颖*

1)(黑龙江省气象科学研究所， 哈尔滨 150030)

2)(中国气象局东北地区生态气象创新开放实验室， 哈尔滨 150030)

引 言

大豆是黑龙江省重要的粮油作物之一，种植面积和总产量居全国前列，播种面积仅次于水稻和玉米，位居第三。近几年，黑龙江省农业产品结构进行了新的调整，大豆种植面积逐渐增加，至2017年，大豆播种面积达到3.9821×106hm2，占总播种面积的4.96%[1]。2018年《中共中央国务院关于坚持农业农村优先发展做好“三农”工作的若干意见》中进一步强调调整优化农业结构，实施大豆振兴计划，多途径扩大种植面积。中国计划把东北地区建成世界最大的非转基因高油大豆生产区。国家政策的实施，将使黑龙江省成为我国大豆生产的重要基地。但由于大豆蒸腾系数大，需水量大，加之黑龙江省农业生产主要以雨养为主，降水量年际变化大，时空分布不均，致使干旱成为大豆生产中主要农业气象灾害之一[2-4]。目前判识干旱的指标较多，包括基于遥感监测的干旱指标[5]和基于观测站点的降水量指标[6-8]、土壤含水量指标[9]、Palmer干旱指标[10-11]、综合性干旱指标[12-14]等。降水量指标适用于平原且无法反映作物遭受干旱的程度，土壤含水量指标不受地域限制但无法直观反映作物受旱状况[15]，Palmer干旱指标可用于不同区域的干旱监测，但受时间尺度的限制[16]，综合性干旱指标中的作物水分亏缺指数是目前应用较广的指标之一，如薛昌颖等[17]根据作物水分亏缺指数分析了黄淮海地区春玉米生长季干旱时空特征，邱美娟等[13]分析吉林省玉米不同生育阶段干旱特征，并划分了玉米不同生育阶段的干旱风险区，解文娟等[18]应用该指数分析了东北三省大豆近50年干旱发生频率及干旱程度，李雅善等[19]选取作物水分亏缺指数，分析了宁夏酿酒葡萄生育期内的干旱时空差异，隋月等[20]分析了中国南方地区越冬作物冬小麦和油菜季节性干旱的时空特征。关于北方春玉米干旱指标的研究起步较早且方法较多，形成了玉米生长季的干旱等级指标体系[21]，但对北方大豆干旱指标的研究不仅起步较晚且方法较少，直到2018年中国气象局颁布了大豆干旱等级标准。本文选取2018年大豆干旱等级标准，确定1981—2017年黑龙江省大豆干旱等级，分析大豆不同生育期干旱频率和强度的时空变化特征，并基于该标准进行大豆干旱风险分区，以期为黑龙江省农业生产结构优化和防灾避灾提供参考。

1 资料与方法

1.1 资 料

本研究选用1981—2017年黑龙江省32个农业气象观测站点资料，包括32个固定观测地段的土壤性质、田间持水量(单位：%)、土壤容重(单位：g·cm-3)、土壤重量含水率(单位：%)、土壤相对湿度(单位：%)和26个站点大豆播种至成熟期的观测资料，以上资料来自黑龙江省气象数据中心。研究区东西、南北跨度大，根据气候特点和服务需求将全省(不包括大兴安岭地区)划分为东区、西区、南区、北区和中区5个区[22]，具体区域划分与所选站点分布见图1。

1.2 研究方法

1.2.1 大豆水分亏缺量及干旱等级

根据中国气象局2018年发布的气象行业标准大豆干旱等级中水分亏缺量(Qd)确定干旱等级[23]。Qd值的高低反映大豆水分盈亏状况，亦反映大豆干旱程度，为避免误解，本文将Qd统称为水分盈亏量。即当Qd>0，表明土壤中水分充足，满足大豆生长所需；当Qd≤0，表明土壤水分亏缺，不能满足大豆生长需求，当Qd值下降到一定程度时，干旱发生。基于Qd值将大豆生育期按照播种-出苗期、三真叶-分枝期、开花-结荚期、鼓粒期、成熟期分为5个生育阶段，前2个生育阶段计算0～30 cm土层深度水分盈亏量累计值，开花-结荚期至成熟期3个阶段计算0～50 cm土层深度水分盈亏量，根据水分盈亏量指标确定大豆干旱等级(表1)。实际计算中，由于部分站点土壤重量含水率缺测，利用同时段土壤相对湿度与田间持水量的乘积代替。Qd土壤质地分类参考美国制土壤质地分类三角坐标图[24]，得到32个站点的土质信息，其中安达站土质是黏土，其余站点土质均为壤土。由于本文仅从大豆干旱角度，未就无旱或涝的情况进行分析，所以表1仅列出大豆在壤土和黏土上不同生育期的干旱等级。

图1 研究区观测站点分布

表1 不同生育期大豆干旱等级(单位：mm)

1.2.2 干旱频率和强度

某站点某一时段发生干旱的年数与资料总年数的比值为干旱发生频率[13],即

F=n/N×100%，

(1)

式(1)中，F为某时段干旱发生频率(单位：%)，n为某时段发生干旱年数，N为资料总年数。本文定义F≥50%为干旱高发区，25%≤F<50%为干旱中等发生区，10%≤F<25%为干旱低发区，F<10%为干旱少发区。将干旱等级数字化，即将轻旱赋值为1，中旱赋值为2，重旱赋值为3，特旱赋值为4，数值越大，表示干旱强度越大。某站点干旱发生强度为不同等级干旱赋值之和与该站干旱发生总次数之比，即

(2)

式(2)中，T为某时段干旱强度，n为某时段干旱出现的年数，Ti为干旱等级值。

1.2.3 干旱风险指数

干旱风险指数是一种表征干旱风险程度的指标，它将干旱强度和干旱发生频率有机结合在一起，能较客观反映干旱的风险性大小[13]。将全省各站分为轻旱、中旱、重旱和特旱4组，计算每组干旱频率与该组Qd中值乘积之和，即

(3)

式(3)中,k为干旱风险指数(单位：mm)，Di为第i组出现的频数，n为资料总年数，Hi为第i组Qd的中值(单位：mm)，A为组数。

2 结果与分析

2.1 大豆生长季水分盈亏量变化特征

图2和表2为黑龙江省大豆各生育期平均水分盈亏量及其气候倾向率，1981—2017年大豆全生育期水分盈亏量为7.21～146.62 mm，全省平均为88.63 mm，其空间分布为东多西少，从小到大排列，依次为西区、南区、北区、中区和东区；全省大豆水分盈亏量的气候倾向率为-0.42 mm·10 a-1，总体呈下降趋势，各区水分盈亏量气候倾向率从小到大排列，依次为中区、南区、北区、西区和东区，其中，中区、南区和北区为减小趋势，且中区和南区达到0.05 和0.01显著性水平，东区和西区为增大趋势。从各生育期看，全省大豆三真叶-分枝期水分盈亏量最少，为7.09 mm，成熟期最多，达到25.72 mm； 西区在各生育期均为最小。水分盈亏量在各生育期上表现为播种-出苗期后减少，至三真叶-分枝期达到最小，后又上升，呈“V”字型。从时间变化上看，鼓粒期和成熟期全省水分盈亏量的气候倾向率为负值，其余生育期为正值，其中成熟期的减少趋势明显，达到0.05显著性水平。东区在播种-出苗期至开花-结荚期水分盈亏量气候倾向率均为正值，其中播种-出苗期、三真叶-分枝期达到0.01显著性水平，即增加趋势明显；南区在开花-结荚期至成熟期，中区在鼓粒期和成熟期呈减小趋势，达到0.05或0.01显著性水平，其他各区各生育期变化趋势不明显。除南区外，全省及各区的水分盈亏量气候倾向率表现为播种-出苗期后先增加至三真叶-分枝期或开花-结荚期最大，后又下降，呈倒“V”字型(图略)。综合来看，空间上西区大豆水分盈亏量最小，时间上大豆三真叶-分枝期水分盈亏量普遍较小，即空间上西区发生干旱的可能性较大，时间上大豆三真叶-分枝期发生干旱的可能性较大。

图2 1981—2018年黑龙江省大豆全生育期水分盈亏量

表2 不同生育期大豆水分盈亏量(Qd)及气候倾向率

注：*，**分别表示达到0.05，0.01显著性水平。

2.2 大豆干旱频率的时空变化

图3为黑龙江省大豆全生育期不同干旱等级频率的空间变化，干旱总频率从高到低，分别是西区、中区、南区、北区和东区，且西区发生频率明显高于其他4个区域，全生育期平均达25.0%以上(4年1遇)，比东区10.0%(10年1遇)高15.0%，为干旱中等发生区。从不同干旱等级看，轻旱频率为10.5%，中旱次之，为3.6%，特旱最低，仅为0.5%；轻旱频率和干旱总发生频率的空间分布类似，最高的西区和最低的东区分别达18.1%(低发区)和7.3%(少发区)；中旱、重旱和特旱全生育期干旱发生频率均为西区最高，北区最低，中旱发生频率高于6.0%的地区集中在西区和中区西部，即松嫩平原西部；重旱发生频率低于中旱，频率高于2.0% 的地区集中在西区东南部、南区西部和中区西部；特旱发生频率更低，东区最高达1.0%，高于2.0%的地区集中在东区、北区和中区交界处及松嫩平原的零星地区。

图3 1981—2017年黑龙江省大豆全生育期不同干旱等级频率分布

续图3

由大豆干旱频率的时间变化(图4)可知，对于干旱总发生频率，东区在开花-结荚期最高，达到19.0%以上，播种-出苗期最低，在6.0%以下；西区在三真叶-分枝期最高，达到38.7%，鼓粒期和成熟期最低，约20.0%，且该区大豆各生育期干旱发生总频率均大于其他4个区域，即西区为干旱发生最频繁；南区在三真叶-分枝期最高，播种-出苗期最低；北区与西区类似，均为三真叶-分枝期最高，播种-出苗期最低；中区开花-结荚期最高，播种-出苗期最低。对于轻旱发生频率，东区在开花-结荚期最高，播种-出苗期最低；西区在三真叶-分枝期最高，达26.1%，鼓粒期最低为11.7%；南区和北区均在三真叶-分枝期最高，为15.0%以上，鼓粒期最低；中区在开花-结荚期最高，播种-出苗期最低。对于中旱发生频率，各区在三真叶-分枝期最高，为5.0% 以上，东区在播种-出苗期和成熟期最低；西区在开花-结荚期最低；南区在播种-出苗期最低；北区在成熟期为0，即未发生中旱；中区在播种-出苗期最低。对于重旱发生频率，除南区在鼓粒期(1.7%)最高外，其他各区均在开花-结荚期最高，为1.5%以上，播种-出苗期除西区(0.9%)外，均未发生重旱。对于特旱，仅东区在大豆各生育期发生频率为0.5%以上，其余各区很少或未发生。

图4 1981—2017年黑龙江省不同生育期大豆干旱频率

综合大豆干旱发生频率的时空特征，轻旱发生频率最高，特旱最低。不同等级干旱在大豆三真叶-分枝期和开花-结荚期发生频率较高，而大豆生长前后期，发生频率较低。从各区域看，西区相较于其他区域干旱发生更频繁，东区、北区和南区为干旱少发区域。

2.3 大豆干旱强度时空变化

图5为黑龙江省大豆干旱强度的时空分布。由图5可见，大豆全生育期干旱强度从高到低分别是中区、西区、南区、东区和北区，其中,中区强度最高,为1.08～1.69；北区最低，为0.84～1.57；平均强度大于1.40的区域集中在东区西南部、西区东部、南区西部、北区东部和中区大部。从大豆各生育期(图略)看，鼓粒期干旱强度最高，其次开花-结荚期，播种-出苗期最低。从区域看(图略)，东区和中区干旱强度时间变化特征相同，均在开花-结荚期最高，达到1.63和1.69，其中五大连池、汤原和饶河最高，强度在2.00以上，播种-出苗期最低，分别为0.91和0.84；西区在鼓粒期干旱强度最高，达到1.61，开花-结荚期最低为1.40；南区在鼓粒期最高，为1.61，播种-出苗期最低，为1.05；北区在开花-结荚期最高，达1.57，播种-出苗期最低，为0.84。综合看，大豆干旱强度发生较高的地区集中在黑龙江省的中西部，时间上看，东区、北区和中区大豆在三真叶-分枝期至鼓粒期阶段干旱发生强度高于播种-出苗期和成熟期，西区和南区鼓粒期至成熟期干旱发生强度高于播种-出苗期到开花-结荚期。

图5 1981—2018年黑龙江省大豆生育期干旱强度

2.4 大豆干旱风险指数的时空变化

大豆干旱风险指数为负值，-11.00 mm～0范围内指数越小，风险越大。大豆全生育期干旱风险指数从小到大分别为西区、中区、东区、南区和北区(图6)，其中西区干旱风险指数为-3.76～-2.21 mm，干旱风险高，北区干旱风险指数为-2.81～-0.59 mm，干旱风险最低。从干旱风险指数的时间变化上看，全省大豆干旱风险指数在开花-结荚期最小，在播种-出苗期最大，但各区干旱风险指数变化不同，东区、南区和中区变化趋势相似，均为播种-出苗期风险最大，之后逐渐减少，开花-结荚期达到最小，随后又逐渐升高，说明这3个区域在开花-结荚期干旱风险高，在播种-出苗期干旱风险低；西区和北区干旱风险指数在播种-出苗期最大，三真叶-分枝期最小，即在三真叶-分枝期干旱风险高，播种-出苗期干旱风险低。

图6 1981—2017年黑龙江省大豆干旱风险指数

以大豆干旱风险指数为依据，利用统计软件SPSS中的K-mean聚类分析方法将风险指数进行区域划分，将黑龙江省大豆各发育期干旱分为高、次高、中等、次低和低5类风险区，具体见表3和图7。

表3 黑龙江省大豆干旱指数等级划分(单位：mm)

2.4.1 低风险区

黑龙江省大豆全生育期干旱低风险区集中在东区的勃力，南区的牡丹江中东部、鸡西西部，北区的嫩江；播种-出苗期低风险区分布在除西区中南部，东区、北区和中区相邻地区外的全省大部地区；三真叶-分枝期低风险区明显减少，仅在东区的虎林、勃力，西区龙江，南区哈尔滨、五常、穆林、宁安，北区嫩江和中区巴彦等地零星分布；开花-结荚期进一步减少，仅在南区穆棱和北区嫩江；鼓粒期分布于东区的东北部、佳木斯、宝清，西区克山、南区五常、穆棱、宁安，北区呼玛、嫩江和中区的巴彦；成熟期低风险区面积扩大，主要集中在东区大部，西区克山、拜泉，南区五常、穆棱、宁安，北区中西部及嘉荫，中区巴彦和方正。

2.4.2 次低风险区

大豆全生育期干旱次低风险区分布在东区大部、西区北部和龙江、南区中西部、北区和中区大部；播种-出苗期集中部分在三江平原西部、西区大部、南区西南部和北区的五大连池；三真叶-分枝期集中在黑龙江省中东部，包括东区、南区和中区大部，西区面积缩小至龙江一地，北区范围北移扩大，包括呼玛、黑河、嫩江；开花-结荚期相较于三真叶-分枝期在西区和北区范围基本不变，但中东部明显缩小，东区仅包括勃力和抚远，南区包括牡丹江、哈尔滨、五常，中区仅包括青冈；鼓粒期范围扩大，分布在东区大部、西区北部和龙江、南区中东部、北区西部、中区南部；成熟期集中分布在黑龙江中部。

2.4.3 中等风险区

从大豆全生育期看，干旱中等风险区集中东区、北区和中区相邻的汤原、勃力、依兰，西区中部和南区西南部；播种-出苗期是大豆各生育期干旱中等风险面积最小的阶段，仅分布在东区汤原、西区富裕、泰来和安达；三真叶-分枝期面积扩大，包括西区和北区大部，中区和南区西部，东区新增抚远和饶河；开花-结荚期比三真叶-分枝期范围进一步扩大，囊括了东区东北角、西区龙江、南区东部和北区西部外全省大部地区；鼓粒期范围缩小，包括东区西部、北区东部、中区北部相邻部分，西区大部、南区西南部及尚志；成熟期集中在西区大部、南区西南部和三江平原西部的东区、北区和中区三区相邻地区。

2.4.4 次高风险区

大豆干旱次高风险区在东区、北区和中区相邻的汤原、勃力和依兰，西区的泰来、安达；从各生育期看，播种-出苗期仅分布在东区的汤原；三真叶-分枝期在东部范围不变，西区分布在安达和克山，南区的肇源，北区的五大连池；开花-结荚期相较于三真叶-分枝期在东区、北区和中区范围明显扩大，西区和南区的安达、肇源连成片，新增北区黑河和中区的海伦；成熟期范围缩小，仅剩西区富裕、泰来，东区、北区和中区相邻地区和中区海伦；成熟期在大豆上一生育期基础上，新增安达、肇源。

2.4.5 高风险区

黑龙江省大豆干旱高风险区范围很小，由图7可见，仅东区汤原一地出现干旱高风险；从各生育阶段看，大豆干旱高风险区主要出现在开花-结荚期，鼓粒期和成熟期，播种-出苗期和三真叶-分枝期无干旱高风险区。

图7 黑龙江省大豆不同生育期干旱风险分布

3 结论与讨论

本文基于2018年大豆干旱等级标准，利用黑龙江省土壤相对湿度和大豆生育期资料，分析了大豆不同生育期干旱发生的时空分布特征，主要结论如下：

1) 黑龙江省大豆轻旱发生的频率最高，中旱次之，重旱及特旱低；干旱总频率、轻旱和中旱频率空间上呈自西南向东北逐渐减少的趋势，而重旱、特旱分别集中在松嫩平原中部和三江平原西部的相对较小区域，不同等级干旱在大豆三真叶至结荚期发生频率较高，而大豆播种-出苗期和成熟期发生频率较低。

2) 从黑龙江省大豆干旱发生强度看，中区干旱发生强度最高，为1.08～1.69；西区次之；北区最低，为0.84～1.57。从时间变化看，大豆三真叶至鼓粒期在东部、北区和中区干旱发生强度高于播种-出苗期和成熟期，而鼓粒期至成熟期在西区和南区干旱发生强度高，播种-出苗期低。

3) 黑龙江省大豆干旱风险指数，西区风险指数为-3.76～-2.21 mm，干旱风险高；中区次之；北区风险指数为-0.59～-2.81 mm，干旱风险最低。全省大豆在开花-结荚期干旱风险最高，播种-出苗期最低，干旱风险中等以上的区域集中在松嫩平原西部和三江平原西南部，其他大部地区为次低或低风险区。

本研究采用大豆干旱等级最新标准对黑龙江省大豆各生育阶期干旱进行分析，结果可见，大豆各生育期干旱时间变化和空间分布与解文娟等[18]研究结果基本一致，同时本文的大豆干旱中等以上风险区与胡惠杰等[25]发现的降水不能满足需水的区域基本吻合，这在一定程度上说明利用大豆干旱等级分析黑龙江省大豆干旱的科学性。值得注意的是，由于与解文娟等[18]的作物水分亏缺指数(CWDI)标准不同，本文中得到的大豆干旱程度普遍偏轻，另外，西区尤其是松嫩平原西部是春旱频发区，该区在大豆播种时一般通过延迟播种或坐水种等措施抗旱避灾，这在土壤湿度指标上反映不明显，故与本文中该区干旱风险分析存在差异。本文综合分析了黑龙江省大豆干旱发生频率、强度以及干旱风险区，对大豆生产有一定的指导意义。由于大豆干旱等级标准综合考虑了不同土壤质地的土壤底墒和大豆生长阻滞湿度，排除了降水和灌溉时由于地表径流和地面蒸发的水分流失，对研究干旱对大豆生长影响更具有实际意义，但研究区观测土壤重量含水量的站点较少，影响精细化分析，同时大豆干旱等级指标与其他干旱指标未进行对比。因此，大豆干旱等级标准与其他干旱指标的差异，结合不同指标弥补单一方法的局限性，综合分析干旱对大豆生产的影响，有待进一步分析。