朱海霞，陳莉，王秋京，呂佳佳，曲輝輝

(1.黑龍江省氣象科學研究所，黑龍江哈爾濱150030;2.黑龍江省哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱150030)

玉米低溫冷害是指玉米在生長期內(nèi)遭受低于其生長發(fā)育所需的環(huán)境溫度(但仍在0℃以上)導致玉米減產(chǎn)的自然災(zāi)害。在1950年代至1970年代，東北地區(qū)低溫冷害平均2～3年發(fā)生一次，造成農(nóng)作物的嚴重減產(chǎn)［1－2］;由于黑龍江省地處中高緯，溫度是限制作物生長的重要因子，夏季低溫冷害的發(fā)生頻率和危害程度在東北地區(qū)都是最嚴重的。隨著全球氣候變暖，黑龍江省自1980年代以來氣候明顯變暖，近50年來氣溫上升1.0℃，黑龍江省成為全國氣候變暖中心［3］，低溫冷害出現(xiàn)的頻率和強度降低［4－5］。但由于氣溫升高所導致的活動積溫的增加，各地選擇的品種較當?shù)卦缙诘钠贩N熟型偏晚［6］，這在一定程度上抵消了積溫增加的效應(yīng)，所以，低溫冷害對農(nóng)作物的正常生長發(fā)育和糧食安全生產(chǎn)仍然存在威脅。玉米是黑龍江省主要的農(nóng)作物之一，2009年播種面積占全省糧食作物總播種面積的37%，占糧食作物總產(chǎn)量的44%，可見玉米對黑龍江省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有很重要的保障作用。因此，研究黑龍江省玉米低溫冷害的變化，進而制定相應(yīng)的防御對策，對保障黑龍江省的糧食安全，推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展以及新農(nóng)村建設(shè)中具有重要意義。

關(guān)于低溫冷害的指標、預測方法方面的研究已有許多研究［7－12］，近些年對低溫冷害指標的研究中主要有六大類:生長季溫度距平指標、生長季積溫指標、生長發(fā)育關(guān)鍵期冷積溫指標、作物發(fā)育期的距平指標、熱量指數(shù)指標和玉米低溫冷害的綜合指標［13］。但大多數(shù)指標缺少與作物發(fā)育期的緊密聯(lián)系，不能很有效地與作物遭受冷害的過程聯(lián)系起來，缺乏農(nóng)學和生物學意義。本文采用氣溫與玉米生育進程相結(jié)合的指標，充分考慮玉米發(fā)育進程的變化，對氣候變暖背景下的1980年代以來玉米種植期間低溫冷害年進行了判識分析，以期為低溫冷害的后續(xù)研究提供一定的基礎(chǔ)。

1 資料和方法

1.1 資料和研究站點

資料包括黑龍江省24個觀測站1980－2009年5－10月的逐日平均氣溫資料、1980－2009年玉米品種及發(fā)育期資料(出苗期、七葉期、抽雄期和成熟期資料)，來自黑龍江省氣象局。

黑龍江省玉米種植區(qū)主要位于48°N以南地區(qū)，幅員遼闊，區(qū)域氣候差異較大，為了準確分析冷害地域分布特征，本文在玉米產(chǎn)區(qū)選取了24個氣象站作為研究站點，并根據(jù)研究站點的地理位置和熱量特征，將玉米種植區(qū)劃分為北部地區(qū)、西部地區(qū)、中部地區(qū)、南部地區(qū)、東部地區(qū)。選取站點均勻分布在玉米種植區(qū)，玉米種植面積較大，具有一定的代表性，能夠較好反映出玉米種植區(qū)的氣候特征和生產(chǎn)特點(圖1)。

圖1 玉米低溫冷害年研究站點相關(guān)信息示意圖

1.2 研究方法

本文借鑒李祎君［14］等提出的具有氣象、農(nóng)學和生物學意義的“長春玉米低溫冷害綜合指標”的建立過程，建立適用于黑龍江省玉米低溫冷害識別的綜合指標。李祎君的“玉米低溫冷害綜合指標”的核心是主導指標和輔助指標:將玉米整個生育期劃分為三個時段(前期:出苗期－七葉期，中期:七葉期－抽雄期，后期:抽雄期－成熟期)，分別計算各站逐年玉米前、中、后期≥10℃活動積溫負距平，以此作為玉米低溫冷害的主導指標，劃分各時段低溫冷害等級;輔助指標由前、中、后三期逐日負積溫累積指數(shù)(SPT)和各個發(fā)育時段的發(fā)育延遲日數(shù)構(gòu)成，其中負積溫累積指數(shù)(SPT)可以反映各時段的低溫分布情況和低溫積累以及高溫補償效應(yīng)，這樣就與玉米和農(nóng)業(yè)氣象條件結(jié)合起來，具有較好的生物學與農(nóng)學意義。

1.2.1 主導指標的計算

式中:T為玉米兩生育期之間的活動積溫;t為逐日平均氣溫(≥10℃)。

式中:ΔT為兩生育期之間積溫距平;Ti為某一年兩生育期之間積溫;為多年積溫平均值。

1.2.2 輔助指標的計算

(1)輔助指標:發(fā)育期延遲日數(shù):

式中:ΔD為兩生育期之間的發(fā)育期日數(shù)距平;Di為兩生育期之間的發(fā)育日數(shù);為發(fā)育日數(shù)多年平均值。(2)輔助指標:負積溫累積指數(shù):

式中:ISPT負積溫累積指數(shù);Ii=(ti－toi)/toi;ti為某發(fā)育階段的逐日平均溫度;toi為此發(fā)育階段的逐日適宜溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省“玉米低溫冷害綜合指標體系”的建立

王遠皓［13］指出，該方法雖然能將玉米生育期間溫度的變化和玉米發(fā)育期及高溫的補償效應(yīng)相互結(jié)合，但該方法獲得的指標因其中所涉及的一些因子具有局域性，只適用于小范圍小尺度研究。因此，考慮黑龍江省各地玉米種植的實際情況，借鑒李祎君的“長春玉米低溫冷害綜合指標體系”建立過程，獲得了適合黑龍江省玉米早、中、晚熟品種的低溫冷害綜合指標體系，見表1～表4。

表1～表3中分別給出了玉米生育的前、中、后期發(fā)生一般冷害和嚴重冷害的主導指標和輔助指標臨界指示值。由于黑龍江省種植玉米的南北界限廣，氣候資源復雜，玉米品種熟性多，所以本研究選擇了早、中、晚熟性的多站點資料進行分析，而李祎君選擇單站點(吉林長春市)玉米為研究對象，根據(jù)不同熟性玉米對熱量資源需求的差異，以及多站點資料分析方法與單站點資料分析方法的不同，因此，黑龍江省獲得的玉米低溫冷害綜合指標體系與李祎君獲得的長春玉米低溫冷害綜合指標體系在主導指標和輔助指標上有所差異。

利用表1～表3中的指標體系來判定黑龍江省24個氣象站玉米前期、中期、后期的冷害程度，并利用表4中綜合指標體系來判定1980－2009年的玉米低溫冷害年。

表1 黑龍江玉米晚熟品種的冷害年判定指標體系

表2 黑龍江玉米中熟品種的冷害年判定指標體系

表3 黑龍江玉米早熟品種的冷害年判定指標體系

表4 黑龍江省玉米低溫冷害年綜合指標判定體系

為了體現(xiàn)主導指標和輔助指標之間在判定冷害等級時的主次地位，研究中規(guī)定若主導指標和輔助指標均達到冷害標準，冷害的等級程度則以主導指標判定為準。

文中規(guī)定24代表站點中若有6個或6個以上站點發(fā)生了低溫冷害，即判定該年玉米種植期間，黑龍江省發(fā)生了低溫冷害。

2.2 1980－2009年玉米低溫冷害年時空分析

根據(jù)表1～表4的黑龍江省玉米低溫冷害綜合指標體系，對1980年以來黑龍江省各地玉米種植期間進行低溫冷害判定，結(jié)果見表5。自1980年以來的30年中黑龍江省各地玉米在生長發(fā)育期間，共有14年發(fā)生了不同程度的低溫冷害。1980－1989年，玉米種植期間發(fā)生了6年冷害，基本屬于一般型冷害，發(fā)生低溫冷害范圍較廣的是1981、1985、1987、1989年，其中1987年低溫冷害的程度較重，達到了嚴重冷害的程度，對玉米發(fā)育及產(chǎn)量形成造成了較大的影響。1990－1999年，玉米種植期間發(fā)生了5年的低溫冷害，其中1990、1992、1995屬于一般型低溫冷害，1996、1999年是低溫冷害程度較輕的輕微冷害年，雖然玉米生長后期，積溫量不充足，但對玉米的后期灌漿和籽粒成熟影響較小，玉米畝產(chǎn)的波動不大，只造成了輕微的危害。2000－2009年，發(fā)生了3年的玉米輕微低溫冷害，而2009年低溫主要集中于黑龍江北部。以每10年進行比較，冷害的發(fā)生頻次和程度都呈下降趨勢。

表5 黑龍江省各區(qū)域在近30年中玉米低溫冷害年判定結(jié)果

黑龍江省北部地區(qū)由于地理位置偏北，緯度較高，主要處于黑龍江省的第5、第6積溫帶，但嫩江和北安位于第4積溫帶北端，該區(qū)域較其它區(qū)域更易發(fā)生低溫冷害。結(jié)果表明:在玉米種植期間共有12年黑龍江省北部地區(qū)發(fā)生了不同程度的低溫冷害，其中1981、1987年達到了玉米的嚴重低溫冷害程度。在30年中，若以每10年進行比較，冷害程度降低，發(fā)生頻次也趨于下降。

黑龍江省中部地區(qū)在松嫩平原的東北部，主要處于黑龍江省的第3、第4積溫帶，該區(qū)域與北部地區(qū)連接，在玉米種植期間也較易受到冷害的威脅。結(jié)果表明:中部地區(qū)共有8年發(fā)生了不同程度的低溫冷害，而1981和1987年發(fā)生的低溫較重。在30年中，冷害程度的變化與北部地區(qū)狀況較一致。

黑龍江省的東部地區(qū)主要位于三江平原及牡丹江地區(qū)，處于黑龍江省的第2、第3、第4積溫帶，該地區(qū)森林覆蓋率較高、水資源豐富，且土壤濕度大，即土壤的熱容量大，對氣候具有一定的調(diào)節(jié)作用。結(jié)果表明:共有10年東部地區(qū)發(fā)生了不同程度的低溫冷害，而1980－1989年間發(fā)生的低溫冷害為一般型冷害程度，自1990年以來發(fā)生的均是輕微程度的冷害。

黑龍江省的西部地區(qū)位于松嫩平原西部，處于黑龍江省的第2、第3積溫帶。結(jié)果表明:共有8年西部地區(qū)發(fā)生了不同程度的低溫冷害，其中1987年冷害程度較嚴重，1992年為一般型低溫冷害，其它幾年均為輕微型低溫冷害。

黑龍江省的南部地區(qū)位于松嫩平原南部，處于黑龍江省的第1積溫帶，由于緯度高，且全年積溫在2 700℃以上，與其它區(qū)域比較，玉米種植期間冷害的發(fā)生程度輕，發(fā)生頻次少。只有1992、1995年南部地區(qū)發(fā)生了輕微型低溫冷害。

2.31980 －2009年黑龍江省玉米低溫冷害年時空特征分析

綜上分析，玉米種植期間，1980－1989年發(fā)生低溫冷害頻次最多，冷害程度以一般型為主，未出現(xiàn)輕微型冷害;1990－1999年間，玉米冷害年頻次減少，冷害程度為一般型至輕微型;2000－2009年間，冷害頻次最少，冷害程度均為輕微型?？傮w來看，自1980年以來，低溫冷害在發(fā)生頻次、發(fā)生程度上呈逐漸下降和減輕趨勢。

從地域來看，在同一冷害年內(nèi)，冷害程度具有明顯的區(qū)域差異，表現(xiàn)為北部重于中部，中部重于南部，西部、中部略重于東部的特點，反映了黑龍江省各區(qū)域的熱量資源特征，說明緯度越高，溫度對玉米正常成熟的限制作用越顯著，冷害越易發(fā)生。黑龍江省玉米種植區(qū)冷害的發(fā)生頻次在空間分布上呈現(xiàn)由北向南、由東向西減少的趨勢，北部最多，中部次之，南部最少;東部較西部略多的特點。

3 討論

本文借鑒李祎君的“長春玉米低溫冷害綜合指標體系”建立過程，結(jié)合黑龍江省實際情況，建立了黑龍江省玉米低溫冷害綜合指標，具有氣象學、農(nóng)學及生物學意義。該綜合指標沒有考慮低溫冷害年糧食是否減產(chǎn)情況，主要原因是由于影響糧食產(chǎn)量波動的因素較多，從技術(shù)上分離出由低溫冷害所造成的減產(chǎn)量存在很大的困難;同時由于防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)的進步和管理水平的提高，發(fā)生輕微或一般型低溫冷害所造成的產(chǎn)量損失比較有限，更增加了年際之間產(chǎn)量波動在判識、驗證玉米低溫冷害年過程中的難度。

根據(jù)該指標，黑龍江省自1980年以來的30年中黑龍江省各地玉米在生長發(fā)育期間，共有14年發(fā)生了不同程度的低溫冷害，其中1987年為嚴重低溫冷害。1980年以來，玉米低溫冷害發(fā)生頻次、發(fā)生程度呈逐漸下降和減輕趨勢;黑龍江省玉米種植區(qū)冷害的發(fā)生頻次在空間分布上呈現(xiàn)由北向南、由東向西減少的趨勢，北部最多，中部次之，南部最少;東部較西部略多的特點。

從文中的分析來看，1980年以來黑龍江省玉米種植所面臨的低溫冷害風險有所降低;但盡管全球變暖的趨勢沒有改變，氣候波動仍在所難免，黑龍江省玉米種植在進行氣候變暖適應(yīng)的情況下，也要提防由于氣候波動所帶來的巨大風險。

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