近57年松嫩平原春玉米生育期干旱特征分析

2020-10-21焦文慧崔艳强邢立亭王晓丹

水土保持研究 2020年6期

焦文慧, 张勃, 崔艳强, 邢立亭, 黄浩, 王晓丹

(西北师范大学地理与环境科学学院, 兰州 730070)

干旱是一种常见又普遍的自然灾害，特点是发生频率高、持续时间长、影响范围广，能给农业生产造成巨大的损失[1-2]。近年来随着气候变暖，干旱的频率和强度呈增加的趋势[3-5]，有研究表明未来40 a，我国气候总体上向暖干化的趋势发展，半干旱地区干旱化趋势以及范围呈增大趋势，同时我国北方主要农业区不同程度的干旱面积也有扩大的趋势[6-7]。松嫩平原位于东北地区中西部，本是半湿润地区，但也受到干旱的严重影响，已有研究表明松嫩平原春旱频发，成为影响当地粮食产量的主要灾害之一[8-9]。近年来松嫩平原的气候明显趋向干旱，干旱逐年加重且范围逐渐增大[10-11]。松嫩平原粮食以春玉米为主，其产量占该区粮食总产量的72.88%[12]。纪瑞鹏等[13]指出干旱对玉米生产的影响不但取决于干旱程度，还取决于干旱发生的时期，众多学者对玉米不同发育期的干旱开展了大量研究，并得出生育期的干旱状况直接影响春玉米的生长发育及其产量[14-15]，研究松嫩平原夏玉米生育期内的干旱情况，对保障松嫩平原农业经济持续稳定发展具有重大意义。

前人对松嫩平原干旱的研究主要是对年、季节及春玉米生长季干旱的研究[10-11]，而对春玉米各生育期干旱的研究较少，本研究利用相对湿润度作为春玉米干旱指标，分析了松嫩平原春玉米生育期干旱特征，明确春玉米生育期干旱的发生规律，在春玉米不同生育阶段采取适宜的措施对防旱减灾具有重要的现实意义，以期为农业干旱预报及农业生产规划、服务决策等提供科学依据。

1 研究区概况

松嫩平原位于东北地区中西部，地理位置为121°38′—128°33′E，42°49′—49°12′N(图1)，由松花江和嫩江冲积而成，略呈菱形，总面积约为22.35万km2，是东北三大平原(三江平原、松嫩平原、辽河平原)之一；区内大体可分为东部高平原区、中部低平原区、西部山前倾斜平原区及北部岗状平原区[16]；属温带大陆性半湿润、半干旱季风气候，雨热同季，年均降水量400～600 mm；松嫩平原在东北地区自然资源最为优越[12]，是我国主要的粮食主产区之一。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

选用松嫩平原及周边42个站点1960—2016年逐日气象数据(降水量、平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数)和中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集，数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)。研究区及所选气象站点分布见图1。

图1 松嫩平原气象站点分布

2.2 研究方法

2.2.1 春玉米生育期划分松嫩平原春玉米主要生育时间参照中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集1991—2013年松嫩平原各农业气象站春玉米年平均生育时间并结合文献[17]，具体生育时间见表1。本研究将春玉米的生育期划分为：营养生长期(从播种到拔节)、营养生长与生殖生长并进期(简称并进期，从拔节到抽雄)、生殖生长期(从抽雄到成熟)3个阶段[17]。

表1 1991-2013年松嫩平原春玉米年平均生育时间

2.2.2 相对湿润度的计算干旱指标的计算采用《气象干旱等级》(GB/T20481～2006)标准中提供的相对湿润度计算方法[18]，其计算公式为：

(1)

式中：M为日相对湿润度指数；P为日降水量(mm)；ET0为某日的参考作物蒸散量(mm)，采用采用联合国粮农组织(FAO)1998年推荐的Penman-Monteith模型计算[19]，其计算公式为：

(2)

式中：ET0为日潜在蒸散量(mm/d)；Δ为温度随饱和水汽压变化的斜率(kPa/℃)；U2为离地2 m高处风速(m/s)；es为空气饱和水汽压(kPa)；ea为空气实际水汽压(kPa)；T为平均气温(℃)；γ为湿度表常数(kPa/℃)；Rn为到达地面的净辐射[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量密度[MJ/(m2·d)]。

2.2.3 干旱过程确定相对湿润度指数气象干旱等级划分标准[18]见表2，当M连续10 d为轻旱及以上等级，则认为发生一次干旱过程。干旱过程开始日期为第1天M值达到轻旱等级以上的日期，结束日期为最后一天M值为无旱的日期，干旱过程从开始到结束的天数为干旱持续时间，用干旱过程内各日M指数绝对值之和表示干旱过程的强度，值越大干旱程度越强。

表2 相对湿润度气象干旱等级划分标准

采用线性倾向估计分析松嫩平原春玉米各生育期相对湿润度及各干旱指标的年际变化趋势[20]，显著性检验为Mann-Kendall(M-K)趋势检验[21-22]。采用反距离加权(IDW)插值法对各生育期相对湿润度和各干旱指标进行空间化处理，采用SPASS软件对生育期相对湿润度和各气候要素进行相关分析。

3 结果与分析

3.1 干旱事件时间变化特征

3.1.1 相对湿润度时间变化特征由表3可知，1960—2016年松嫩平原春玉米全育期内相对湿润度呈下降趋势，倾向率为-0.01/10 a，并进期和生殖生长期相对湿润度也呈下降趋势，即干旱化趋势，倾向率分别为-0.10/10 a和-0.04/10 a；营养生长期相对湿润度呈显著的上升趋势(p<0.05)，即湿润化趋势，倾向率为0.05/10 a。

表3 1960-2016年松嫩平原春玉米生育期相对湿润度年际变化趋势

3.1.2 干旱指标的时间变化特征为进一步研究干旱变化特征，本研究对松嫩平原春玉米生育期干旱频率、强度和持续时间进行了分析(图2)。全育期干旱频率、强度和持续时间均呈增加趋势，年际倾向率分别为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趋势。全育期在2007年干旱较严重，干旱频率、强度和持续时间分别为4次，64，66 d。

营养生长期干旱频率、强度和持续时间均呈下降趋势，年际倾向率分别为-0.04次/10 a，-0.65/10 a，-0.69 d/10 a。1982年干旱发生较频繁，干旱频率、强度和持续时间分别为2.1次，40，41 d。并进期干旱频率、强度和持续时间均呈上升趋势，年际倾向率分别为0.03次/10 a，0.32/10 a，0.32 d/10 a，在2000年干旱较严重，干旱频率、强度和持续时间分别为0.7次，9，9 d。生殖生长期干旱频率、强度和持续时间均呈上升趋势，年际倾向率分别为0.06次/10 a，1.03/10 a，1.01 d/10 a，干旱程度在1977年较严重，干旱频率、强度和持续时间分别为2.0次，30，30 d。

综上松嫩平原全育期、并进期和生殖生长期干旱程度呈加重趋势，生殖生长期加重较明显；营养生长期干旱程度虽呈减轻趋势，但干旱较严重，各生育期干旱严重程度为：营养生长期>生殖生长期>并进期。

3.1.3 干旱事件的年代际演变表4列出了近57 a松嫩平原春玉米生育期各年代出现干旱事件的次数、强度和持续天数。从整个生育期看，松嫩平原春玉米全育期在1990s干旱程度较严重，1960s和1970s次之，2000s为近57 a最严重的时段。从各生育期看，营养生长期在1960s干旱程度较严重，干旱程度在1960s—1990s呈下降—上升—下降的波动趋势，在2000s干旱程度又加重；并进期在1990s干旱程度较严重，1960s—1990s干旱程度呈上升—下降—上升的波动趋势，2000s转为下降；生殖生长期在1970s干旱程度较严重，之后为下降—上升，2000s进一步上升。综上，1990s为并进期干旱最严重的时段，而其他生育期和全育期均在2000s干旱最严重。

3.2 干旱事件空间变化特征

3.2.1 相对湿润度空间变化特征图3是1960—2016年松嫩平原春玉米生育期相对湿润度变化趋势的空间分布，在全育期，除中部地区和双辽站附近相对湿润度呈上升趋势，其他地区为下降趋势，故近57 a松嫩平原春玉米全育期中部地区和双辽站附近有微弱的湿润化趋势，而其他地区为干旱化趋势。在营养生长期，相对湿润度为上升趋势，表现为湿润化趋势，其中内部有11个站点通过了显著性检验，大部分区域相对湿润度的升幅为0.05～0.10/10 a，安达站升幅最大(0.11/10 a)；在并进期，相对湿润度除明水站表现为微弱上升趋势，其他区域为下降趋势，降幅由东北向西南增大，其中有10个站点通过了显著性检验，大部分区域相对湿润度的降幅为-0.15～-0.10/10 a，龙江站降幅最大(-0.32/10 a)；在生殖生长期，相对湿润度除克山、明水和双辽站为微弱上升趋势，其他区域均为下降趋势，大部分区域相对湿润度的变幅为-0.05～0/10 a。综合春玉米生育期相对湿润度的空间变化，西南部相对湿润度降幅较大，干旱较严重。

图2 松嫩平原春玉米生育期内干旱事件频率、强度和持续时间的年际变化

表4 松嫩平原春玉米生育期干旱特征年代际变化

3.2.2 干旱指标的空间变化特征松嫩平原近57 a春玉米生育期年平均干旱频率、强度和持续时间的空间分布见图4，松嫩平原春玉米全育期及各生育期各地多年平均干旱频率、强度和持续时间分布差异明显且呈带状分布，并呈东北向西南递增的趋势，说明从东北向西南干旱加强。近57 a来，松嫩平原春玉米全育期平均干旱频率、干旱强度和持续时间分别为3次，44，46 d，位于西南部的泰来、白城、通榆和齐齐哈尔地区干旱较严重，干旱频率、强度和持续时间平均为3.9次，62，64 d；营养生长期多年平均干旱频率、强度和持续时间分别为1.5次，23，24 d，西南部的泰来、白城、通榆、乾安和龙江、齐齐哈尔地区干旱较严重，干旱频率、强度和持续时间平均为1.8次，31，32 d；并进期多年平均干旱频率、强度和持续时间分别为0.2次，2.2，2.3 d，西南部的泰来、大安、前郭尔罗斯、通榆、双辽和齐齐哈尔地区干旱较严重，干旱频率、强度和持续时间平均为0.3次，3.4，3.6 d；生殖生长期多年平均干旱频率、强度和持续时间分别为1.2次，16，17 d，西南部的泰来、白城、乾安、通榆和双辽地区干旱较严重，干旱频率、强度和持续时间平均为1.6次，24，25 d。综上，全育期及各生育期多年平均干旱频率、强度和持续时间在西南部较高，即松嫩平原春玉米生育期内西南部干旱较严重。

图3 松嫩平原春玉米生育期相对湿润度变化趋势空间分布

3.3 干旱特征对气候变化的响应

由表5可知，近57 a春玉米全育期及各生育期内平均气温呈显著上升趋势(p<0.01)，其中营养生长期升温最快(0.31℃/10 a)，全育期及各生育期内的平均日照时数和风速呈下降趋势，风速下降趋势较显著(p<0.01)，日照时数在全育期和营养生长期下降显著(p<0.01)，日照时数和风速在营养生长期降幅最大，分别为-0.22 h/10 a和-0.26(m/s)/10 a，平均相对湿度和降水量在全育期、并进期和生殖生长期为下降趋势，在营养生长期为上升趋势，其中降水量在并进期呈显著下降趋势(p<0.05)，在营养生长期呈显著上升趋势(p<0.01)，生殖生长期平均相对湿度降幅最大最显著(p<0.01)，为-0.71%/10 a，生殖生长期降水量降幅最大，为-6.5 mm/10 a。

春玉米全育期及各生育期内相对湿润度与相同时段各气候因子之间的相关性分析得出：全育期及各生育期相对湿润度与降水量的相关性均较高且较显著(p<0.01)，在全育期及各生育期，相对湿润度与平均气温、日照时数呈负相关，与降水量和相对湿度呈显著正相关(p<0.01)，全育期、营养生长期和并进期的相对湿润度与平均风速呈负相关，生殖生长期的相对湿润度与平均风速呈正相关。营养生长期相对湿润度与平均日照时数和风速相关性最高，分别为-0.80和-0.35(p<0.01)；并进期相对湿润度与平均气温和降水的相关性最高，分别为-0.46，0.98(p<0.01)；生殖生长期相对湿润度与降水量和平均相对湿度的相关性最高，分别为0.98，0.81(p<0.01)。同时发现，全育期及各生育期内相对湿润度与的相关性最大最显著(p<0.01)，即松嫩平原春玉米生育期内的干旱变化特征对降水量、日照时数和相对湿度的变化最敏感。

图4 松嫩平原春玉米生育期多年平均干旱频率、强度和持续时间空间分布

表5 松嫩平原春玉米生育期干旱对气候变化的响应

4 讨论与结论

4.1 讨论

基于相对湿润度分析了1960—2016年松嫩平原春玉米生育期的干旱特征，研究结果对保障松嫩平原农业经济持续稳定发展具有重大意义。近57 a松嫩平原在气温显著上升，降水减少的背景下干旱化趋势显著，这与我国北方气候变化的大背景是相似的[23]，但是在2000s以后该区域干旱指标的变化均表明，该区域干旱化趋势更加显著。松嫩平原春玉米营养生长期虽呈湿润化趋势但干旱最严重，其他生育期呈干旱化趋势，干旱由前期向后期转移，这与前人的研究相符[9,11,13]，因此，不仅应预防前期春旱，还应重视后期日渐严重的夏旱对玉米产量造成的损失。松嫩平原西南部干旱较严重这在一定程度上佐证了前人的研究[10-11,24]。

采用FAO推荐的Penman-Monteith法计算ET0，该方法考虑因素多、计算复杂且要求资料有较高的完整度，在物理意义上更加严谨可靠，并在农业方面具有较大的现实意义，能够更加客观真实地反映农作物生育期实际气候的干湿状况，但在一定区域内，该方法还存在参数的误差[25]，因此可能会造成湿润度指数与实际干湿情况的地区性偏差，如本研究未考虑当地土壤、灌溉、耕作、社会经济等因素，因此为进一步识别春玉米生育期的干旱变化特征，应从农业干旱角度入手，在计算相对湿润度时将潜在蒸散量订正为作物实际蒸散量[26]。由本研究以及前人的研究[10,27-28]可得出干旱变化受气候因子的影响，因此在今后的研究中，要建立气候变化与干旱的早期预警系统，完善农业干旱预报及农业生产规划、服务决策等支撑体系，也应选择抗旱能力强的玉米品种，并调整耕种方法和管理措施，对保障松嫩平原农业经济持续稳定发展具有重大意义。