黑龙江省玉米干旱与低温冷害复合发生的温水特征及产量分析*

姜丽霞，李树岭，张雪梅，曹 蕾，刘艳华，闫 平，韩俊杰，姜蓝齐，初 征

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，郑州 450003；2.黑龙江省气象科学研究所，哈尔滨 150030；3.哈尔滨市气象台，哈尔滨 150028；4.黑龙江省气象服务中心， 哈尔滨 150036)

干旱、低温冷害对玉米生产影响较大，研究表明，玉米在生育期间遭遇单一干旱或单一低温冷害均可导致玉米生长受到抑制，生物量减少[1-3]，产量出现不同程度下降，减产率可达15%以上[4-6]，则其复合发生所造成的影响将更巨大，因此研究分析玉米生长期干旱和低温冷害复合发生的气候条件特征，揭示灾害复合发生对产量的影响，对保障国家粮食安全、促进乡村振兴具有重要意义。

气象灾害对粮食生产的影响一直是国内外气象和农业等领域关注热点[7-9]，许多专家和学者对此开展了大量研究工作，不同类别、不同形式的研究均取得显著进展。前人对干旱和低温冷害研究较为充分，逐步完善灾害指标[10-11]，探索灾害演变特征及监测预测和风险评估技术方法[12-14]，开展灾害对玉米影响的量化研究等[15-16]。研究指出，不同生育期干旱胁迫对玉米产量影响不同，以抽穗-乳熟期减产最显著，拔节-灌浆期次之，苗期最小[16]，冷害对玉米产量影响与干旱影响趋势基本一致[3]，可见从玉米拔节开始，随着生育进程推进，两种灾害单一发生对玉米产量影响呈加重趋势。关于干旱和低温冷害复合发生对玉米影响的相关研究，目前所见报道尚少[17-18]。

近年来，黑龙江省现代农业快速发展，目前已成为保障国家粮食安全的压舱石，可见黑龙江省玉米稳产高产是端牢“中国饭碗”的基本保障之一，而干旱和低温冷害发生无疑对玉米安全生产造成威胁，同时，现今黑龙江省新型农业经营主体经营规模大、单产水平高，受灾损失大，其对气象灾害和防灾减灾技术研究的需求十分迫切[18]。基于此，利用更新气象数据、采用国家气象行业标准，研究干旱和低温冷害复合发生的温水特征及对产量的影响，以期为相关部门开展灾害监测评估与影响预报提供重要技术支撑，为农业防灾减灾及“藏粮于技”战略实施提供气象参考。

1 资料和方法

1.1 资料来源

根据黑龙江省玉米农业气象观测站分布，考虑资料完整性，选取15个玉米农业气象观测站作为研究区，该15站均匀分布在黑龙江省玉米主产区内，其玉米年种植面积多在10×104hm2以上，能够代表黑龙江省玉米生产实际情况，也能够很好反映温度、水分等气候因子分布概况和趋势，保证了研究的客观性及科学性，同时为更好探究干旱、低温冷害对不同区域玉米的影响，根据15站地理位置和气候特征，将研究区划分为5个区域，具体见表1。所用资料包括15站1981—2018年逐日平均气温、降水资料及玉米发育期观测数据，均来自黑龙江省气象局整编资料。15站玉米单产数据来自黑龙江省统计局。玉米发育期观测按照中国气象局《农业气象观测规范》[19]的要求进行，为保证资料连续性，作物观测保持了观测方法的一致性，所观测玉米的熟期在研究期间基本保持一致，田间管理与当地大田保持一致，且耕作方式不变。

表1 研究站点概况

1.2 研究方法

1.2.1 玉米干旱、低温冷害判识

本文研究时间段为玉米出苗-乳熟期，玉米出苗期、拔节期、抽雄期和乳熟期采用中国气象局《农业气象观测规范》中规定观测的普遍发育期。利用国家气象行业标准《QX/T259—2015北方春玉米干旱等级》[20]和《QX/T167—2012北方春玉米冷害评估技术规范》[21]中水分亏缺指数(KCWDI)、≥10 ℃积温距平(H)分别判识玉米干旱、低温冷害，并参照2个标准做如下规定：对于干旱，分三个发育时段进行判识，在玉米出苗-拔节期，当水分亏缺指数KCWDI>50%时判识发生干旱，在拔节-抽雄期、抽雄期-乳熟期，水分亏缺指数KCWDI>35%时分别发生干旱，并规定三个发育时段均发生干旱或任一时段发生干旱即为出苗-乳熟期发生干旱，标准中未规定作物熟型，因此本文在判识干旱时不考虑作物熟型，即所定指标普适于任意熟型品种。对于低温冷害，在玉米出苗-乳熟期，当积温距平H<-45 ℃·d、H<-50 ℃·d、H<-55 ℃·d时，判识玉米早熟、中熟、晚熟品种分别发生延迟型冷害。

对玉米出苗-乳熟期干旱、低温冷害分别进行判识后，规定在同一站点同1年内，玉米出苗-乳熟期干旱、低温冷害均有发生为干旱和低温冷害复合发生，仅有一种灾害发生则视为无干旱和低温冷害复合发生。

1.2.2 数据处理及分析

利用2个标准中的方法计算KCWDI及H并进行判识。本文常年值取1981—2010年的平均值。利用气候统计方法对单站各项数据进行统计处理，再统计获取区域及全省平均数据，最后根据研究需求以SPSS statistics 17.0处理软件分别进行单站或区域数据分析。

研究表明，总降水量中只有能够保存在作物根系层中的那部分降水量，才能用于满足作物蒸发蒸腾需要，此部分降水量称为有效降水量[22]，本文采用逐日有效降水量分析降水条件，逐日有效降水量计算公式为：

Pdi=ai×Pi。

(1)

式中：Pdi为第i日有效降水量(mm)，Pi为第i日降水量(mm)，ai为有效利用系数。一般情况下，ai取值如下：当Pi≤5 mm 时，ai=0；当5 mm50 mm 时，ai=0.75[22]。根据中华人民共和国国家标准《降水量等级》[23]，本文规定有效降水量Pd的等级，即0.1 mm≤Pd≤9.9 mm、10.0 mm≤Pd≤24.9 mm、25.0 mm≤Pd≤49.9 mm、Pd≥50.0 mm时分别为小雨、中雨、大雨、暴雨，按照此等级对有效降水量进行分析。

1.2.3 产量分析方法

在农业栽培技术、田间管理措施、品种熟型变化不大的情况下，作物单产的变化主要是由气象条件差异引起[17]。本文玉米相对产量变化率(%)表达为:

(2)

式中：YW为某站点研究期内所有干旱和低温冷害复合发生年份的平均玉米单产(kg/hm2)，Y0为某站点研究期内所有未发生干旱和低温冷害复合灾害年份的平均玉米单产(kg/hm2),ΔY为某站点的玉米相对产量变化率(%)，ΔY<0表示发生复合灾害年份与未发生复合灾害年份相比产量下降，ΔY>0为产量升高。

2 结果与分析

2.1 干旱和低温冷害发生概况

1981—2018年间，研究区玉米出苗-乳熟期各站发生干旱较为频繁，发生年数为19～34年，占研究期50%或以上，泰来站发生最多，占89%，五常站最少，占50%。低温冷害发生少于干旱，各站发生年数为9～16年，富裕站发生最多，占研究期42%，青冈站、勃利站最少，占24%，发生年份主要集中于1990年代中期前。为了更加清晰直观地表达1981—2018年间玉米出苗-乳熟期干旱、低温冷害复合发生的年份(图1)，取纵坐标1～15代表研究站点，如纵坐标1代表龙江站，横坐标为各站干旱和低温冷害复合发生的年份，如龙江站干旱和低温冷害复合发生的年份分别为1981、1982、1988、1989、1991、1992、1993、1995年。由图1可见，分析期内，研究区干旱和低温冷害复合发生年份累计110站年，干旱和低温冷害复合发生呈减少趋势，各站发生年数为3～11年，主要多发于1980年代，大部站点发生年数为4～7年；1990年代发生年数下降，为1～4年；2000年代以后持续减少，但部分站点2010年代干旱和低温冷害复合发生有回升趋势。空间分布呈西多东少态势，发生年数的高值区处于松嫩平原西南部，年数为10～11年；低值中心位于五常，年数为3年；其他区域处于中间状态，年数为5～9年。

图1 研究区玉米出苗-乳熟期干旱和低温冷害复合发生年份示意图注：1龙江；2富裕；3海伦；4泰来；5青冈；6安达；7巴彦；8佳木斯；9集贤；10哈尔滨；11肇源；12双城；13方正；14勃利；15五常

2.2 干旱和低温冷害复合发生的温水特征

2.2.1 温度特征

1981—2018年间，研究区干旱和低温冷害复合发生年份玉米出苗-乳熟期间平均气温呈波动变化，年际间小幅震荡，峰值出现于龙江站1982年，谷值出现于勃利站1983年。71站年平均气温低于常年，占比为65%，偏低幅度为0.1～2.3 ℃，其中有20站年偏低幅度达到1.0 ℃以上。干旱和低温冷害复合发生年份平均气温的高值区位于松嫩平原西部，低值区处于松嫩平原北部。

进一步分析玉米出苗-乳熟期逐日平均气温变化，受篇幅限制，本文在所划分的5个区域分别选取龙江、青冈、哈尔滨、巴彦及勃利站，在5站分别选取干旱和低温冷害复合发生年份1992、1986、1992、1986、1986年，鉴于2018年研究区未出现干旱和低温冷害复合发生情况，生长季热量条件好，降水量适宜[24]，则选取其为比较年，上述所选的站点及年份均具有较好代表性、可比性及普适性。由图2可见，在玉米出苗-乳熟期，研究区干旱和低温冷害复合发生年份的日均温并非持续偏低，而呈波动式升高-下降的震荡变化，进一步分析低温情况，以ΔT2018、ΔT分别代表干旱和低温冷害复合发生年份的日均温与比较年和常年的差值，与2018年相比，研究区各站干旱和低温冷害复合发生年份的低温日数(ΔT2018<0 ℃日数)在21～72 d之间波动，占玉米出苗-乳熟期总日数(70～121 d)的29%～80%，86站年低温日数占比在50%以上，即出苗-乳熟期内超过50%时间的日均温较2018年偏低，低温日数峰值出现于富裕站1981年，低温日数为66 d；与常年比较，研究区各站低温日数(ΔT<0℃日数)为16～70 d，占比为20%～77%，有64站年低温日数占比在50%以上，峰值出现于龙江站1993年，低温日数高达70 d。

2.2.2 水分特征

1981—2018年间，研究区干旱和低温冷害复合发生年份玉米出苗-乳熟期有效降水量在47.0～458.3 mm之间大幅震荡，88站年有效降水不足300 mm，降水年际间变化剧烈，峰值出现于巴彦站1987年，谷值出现于富裕站1982年。鉴于降水局地性、突发性、异常性等特征较强，而常年有效降水量为多年平均值，较大或较小降水量被平均处理后，其值代表意义不大，因此本文只将有效降水量与2018年进行比较分析，结果显示，研究区有86站年有效降水量比2018年少1.0%～87.4%，占总复合发生年数的78%，平均偏少36.5%，其中有25站年偏少幅度达到50%以上。各站干旱和低温冷害复合发生年份的平均有效降水量为180.2～310.4 mm，高值区位于松嫩平原东部，经松嫩平原南部向北部、西部呈减少趋势，低值中心处于三江平原，平均有效降水量不足200 mm。

图3给出了代表站龙江、青冈、哈尔滨、巴彦及勃利站玉米出苗-乳熟期逐日有效降水量变化，由图3可见，在干旱和低温冷害复合发生年份里，有效降水出现频次较少，降水量量级相对较小，大部分日数的有效降水量少于2018年。

图2 研究区代表站干旱和低温冷害复合发生代表年份玉米出苗-乳熟期日均温与2018年和常年比较

图3 研究区代表站干旱和低温冷害复合发生代表年份玉米出苗-乳熟期日有效降水量与2018年比较

表2 研究区干旱和低温冷害复合发生年份出苗-乳熟期不同等级有效降水量日数与2018年比较

不同量级有效降水量出现日数不同，随着量级增大，有效降水量出现日数呈减小趋势，研究区各站干旱和低温冷害复合发生年份出现有效降水量的总日数为6～27 d，方正站1984年最多，富裕站1982最少，80站年有效降水日数比2018年少1～19 d，松嫩平原西部偏少较为明显，多在10 d以上；有效降水量达小雨量级的日数为0～17 d，方正站1984年最多，而泰来站1984年则为0 d，64站年比2018年偏少1～10 d；有效降水量达到中雨的日数为1～15 d，龙江站1991年、泰来站1983年出现了15 d中雨天气，而富裕站、佳木斯站仅出现1 d，与2018年相比，59站年中雨日数偏少1～9 d；有效降水量达到大雨的日数减少，为0～6 d，仅3站3年出现6 d大雨，分别为泰来站1988年、肇源站1985年、方正站1988年，20站年未出现大雨天气，其中除方正站外，其余站均有未出现大雨天气的年份，与2018年比较，81站年大雨日数偏少1～6 d；全研究区有效降水量达到暴雨的站数为10站(表2)，日数为1～4 d，累计仅19 d，92站年暴雨日数为0 d，泰来站、青冈站、集贤站、勃利站、五常站的全部复合发生年份均未出现暴雨天气。表2中ΔDL2018、ΔDM2018、ΔDH2018、ΔDR2018分别代表干旱和低温冷害复合发生年份有效降水量达小雨、中雨、大雨、暴雨的日数与比较年日数的差值。

2.3 玉米产量对比分析

利用(2)式计算研究区各站干旱和低温冷害复合发生年份平均玉米单产与未发生复合灾害年份平均玉米单产比较的ΔY,由表3可见，研究区93.3%站点ΔY为负值，表明在研究期间，同一站点内发生干旱和低温冷害复合灾害年份与未发生年份相比，玉米产量呈下降趋势，其中有87%站点在-50.1%～-22.8%之间，产量下降幅度较大。这与姜丽霞等[17-18]研究结论相一致。

表3 研究区玉米出苗-乳熟期干旱和低温冷害复合发生年份ΔY(%)

3 结论与讨论

本文基于国家气象行业标准规定的指标对1983、1986、1987、1989、1992年等冷害年以及1982、2005、2007、2016年等干旱年做出了较为准确地判识，并进一步研究了两种灾害复合发生情况，从研究结果看，玉米干旱和低温冷害复合发生总体呈减少趋势，空间上呈西多东少分布，与两种灾害单一发生趋势呈一致变化[12-13，25-26]。

目前多数研究基本探明了单一干旱、低温冷害对玉米影响规律，研究表明，干旱或低温冷害持续时间越长、程度越重，产量下降幅度越大[3，6]。本文采用对比分析方法，探讨了同一区域、同一发育期两种灾害复合发生的温水变化特征及对玉米产量的影响，综合分析可见，玉米出苗-乳熟期干旱和低温冷害复合发生的温水条件总体表征为日均温非持续偏低，而呈波动-间隔式偏低，有效降水量为0 mm的日数平均73.2 d，有效降水量少，88站年不足300 mm，大雨以上等级有效降水频次少，平均仅2.1 d。从玉米相对产量变化率看，干旱和低温冷害复合发生年份与未发生年份相比，平均玉米单产有所下降，这在一定程度上可以说明玉米出苗-乳熟期干旱和低温冷害复合发生逆境对玉米产量影响存在负效应，干旱和低温冷害复合发生将引起玉米单产下降。

实际上，玉米出苗-乳熟期干旱和低温冷害复合发生及其对玉米的影响较为复杂，复合发生所表现的形式不同(如两种灾害先后发生亦或相伴发生)、出现在玉米的发育时段不同、发生程度不同、玉米品种不同等等，其所造成的影响可能均不相同(如表3中佳木斯站发生干旱和低温冷害复合灾害年份与未发生年份相比，产量反而略有增加)，上述内容本文未做深入探讨，后续可利用田间试验、模拟控制试验等方法进一步研究灾害复合发生对作物的影响机制及产量损失评估指标和模型，以期为灾害影响的精细化、定量化评估提供技术支撑。