任宗悅, 劉曉靜, 劉家福, 陳 鵬

近60年?yáng)|北地區(qū)春玉米旱澇趨勢(shì)演變研究*

任宗悅, 劉曉靜**, 劉家福, 陳 鵬

(吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院 四平 136000)

區(qū)域作物旱澇趨勢(shì)的演變是區(qū)域應(yīng)對(duì)氣候變化、制定防災(zāi)減災(zāi)決策的理論依據(jù), 是保證我國(guó)糧食安全的基礎(chǔ)。本文以東北地區(qū)為研究區(qū),依據(jù)春玉米的生長(zhǎng)特征將其劃分為14個(gè)分區(qū), 利用研究區(qū)1958—2017年78個(gè)站點(diǎn)的逐日氣象數(shù)據(jù), 計(jì)算春玉米生育期內(nèi)的累積水分盈虧指數(shù)(CWSDI￠), 并將其劃分為8個(gè)旱澇等級(jí), 結(jié)合M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變檢驗(yàn)法及GIS空間分析技術(shù),揭示了東北地區(qū)春玉米生長(zhǎng)期旱澇趨勢(shì)的時(shí)空演變規(guī)律。結(jié)果表明: 在春玉米生育期內(nèi), 播種—抽穗期的3個(gè)生育階段, CWSDI￠值大體呈上升趨勢(shì), 抽穗—成熟期CWSDI￠值呈下降趨勢(shì), 其中乳熟—成熟階段的下降趨勢(shì)最重, 但無(wú)明顯區(qū)域性。研究區(qū)內(nèi)春玉米干旱的發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于洪澇的發(fā)生頻率, 干旱自20世紀(jì)90年代逐漸加重, 洪澇情況無(wú)明顯變化趨勢(shì); 拔節(jié)—抽穗階段和乳熟—成熟階段分別是旱澇災(zāi)害最輕和最重的階段, 春玉米各生育階段各旱澇等級(jí)的發(fā)生頻率大體上是特旱>輕旱>其余旱澇等級(jí); 吉林省西部和遼寧省西部的中旱及重旱頻率高于其他地區(qū), 特旱主要集中在研究區(qū)西部, 輕澇集中在黑龍江省中、南部, 吉林省東部和遼寧省東部, 研究區(qū)內(nèi)幾乎不發(fā)生中、重澇。應(yīng)在春玉米的生育初期和后期注意旱澇災(zāi)害的預(yù)防, 研究區(qū)西部的旱情較重應(yīng)重點(diǎn)防范, 做到適時(shí)有效灌溉。研究結(jié)果可為區(qū)域預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害、優(yōu)化水資源配置提供決策依據(jù)。

東北地區(qū); 春玉米; 水分盈虧指數(shù); 旱澇頻率; 時(shí)空變化; M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

近年來(lái), 氣象災(zāi)害頻繁多發(fā), 對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成了極大影響。尤其是有“黃金玉米帶”之稱(chēng)的東北地區(qū), 僅2017年, 黑龍江、吉林、遼寧省的作物受災(zāi)總面積約為3.48×106hm2, 其中干旱災(zāi)害受災(zāi)面積達(dá)2.25×106hm2, 洪澇災(zāi)害受災(zāi)面積約7.53×104hm2, 共占總受災(zāi)面積的86.2%, 可見(jiàn)旱澇災(zāi)害嚴(yán)重影響了東北地區(qū)春玉米()的生產(chǎn)。對(duì)區(qū)域旱澇趨勢(shì)的演變進(jìn)行研究, 探究旱澇趨勢(shì)在時(shí)間和空間上的發(fā)展變化, 有助于因地制宜地制定防災(zāi)減災(zāi)措施, 優(yōu)化資源配置, 從而削弱旱澇災(zāi)害對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)造成的損失。

研究表明, 考慮水分供需關(guān)系的旱澇指標(biāo)更能真正反映農(nóng)田濕潤(rùn)程度和旱澇狀況[1]。曹永強(qiáng)等[2]計(jì)算河北省典型作物的有效降雨量及作物需水量, 借助水分盈虧指數(shù)分析了不同水文年作物的缺水情況。Zhang等[3]選取4個(gè)干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù), 用現(xiàn)有模型進(jìn)行校正, 構(gòu)建吉林省1981—2014年玉米干旱動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型來(lái)分析玉米生育階段內(nèi)水分脅迫對(duì)玉米的影響。Wang等[4]利用SPEIbass v2.4數(shù)據(jù)集提取內(nèi)蒙古標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù), 利用加性季節(jié)與趨勢(shì)斷點(diǎn)分析技術(shù)(breaks for additive seasonal and trend, BFAST)研究了干旱的時(shí)空變化和干旱聚集特征。Supit等[5]根據(jù)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的蒸散模型, 結(jié)合Penman-Monteith公式分析了氣候變化下歐洲大田作物水分虧缺的時(shí)空變化。黃晚華等[6]利用水分虧缺指數(shù)探討了湖南省春玉米干旱情況的季節(jié)性和空間區(qū)域性。但作物需水量受土壤、氣候、作物生長(zhǎng)狀況和管理方式等諸多因素影響[7], 不同區(qū)域作物系數(shù)具有一定差異, 不能一概而論。且作物旱澇災(zāi)害的發(fā)生, 不僅與同時(shí)段的水分條件有關(guān), 還與前一時(shí)段的水分盈虧量有關(guān)。因此本文按照作物生長(zhǎng)系數(shù)特征將東北地區(qū)劃為14個(gè)分區(qū), 利用1958—2017年78個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù), 計(jì)算累積水分盈虧指數(shù), 結(jié)合M-K檢驗(yàn)法, 分析研究區(qū)近60年春玉米各生育期內(nèi)旱澇程度及旱澇頻率的時(shí)空演變, 以期為東北地區(qū)玉米種植區(qū)的農(nóng)業(yè)灌排和防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

東北農(nóng)作區(qū)耕地面積約占全國(guó)耕地面積的15%, 是我國(guó)主要的商品糧種植基地。東北地區(qū)也是中國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)之一, 包括黑龍江省、吉林省、遼寧省及內(nèi)蒙東部的通遼市和赤峰市, 該區(qū)多年平均降水量在500~800 mm, 雨熱同期, 在春玉米生育期內(nèi)較易發(fā)生旱澇災(zāi)害。故本文以東北地區(qū)為研究區(qū), 依據(jù)春玉米生長(zhǎng)特征, 對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū), 如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1.1 氣象數(shù)據(jù)

本文選取東北玉米產(chǎn)區(qū)內(nèi)78個(gè)氣象臺(tái)站1958—2017年的逐日氣象數(shù)據(jù), 包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度(圖1)。數(shù)據(jù)資料均來(lái)自國(guó)家氣象信息中心(https:// data.cma.cn/)中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0), 并對(duì)個(gè)別缺測(cè)值和突變值進(jìn)行空間插補(bǔ)、同期均值代替和異常值剔除等處理(異常值占比<0.1%)。

2.1.2 春玉米作物系數(shù)

國(guó)際糧農(nóng)組織(FAO)建議玉米生育期劃分為初始生長(zhǎng)期、發(fā)育期、生育中期和生育后期。結(jié)合東北地區(qū)春玉米的品種和生長(zhǎng)特點(diǎn), 根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]和田間數(shù)據(jù), 確定了東北地區(qū)春玉米各生育階段的起止時(shí)間(表1)。參考FAO計(jì)算的和前人修訂的玉米作物系數(shù)[7,10], 根據(jù)北方春玉米干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]中列出的北方春玉米作物系數(shù), 以及研究區(qū)的地理位置, 以月為單位確定研究區(qū)各地區(qū)的春玉米作物系數(shù)值(表2), 逐日計(jì)算春玉米需水量, 累加得出各個(gè)生育階段內(nèi)的階段需水量。

圖1 研究區(qū)分區(qū)情況及氣象站點(diǎn)分布示意圖

表1 東北地區(qū)春玉米各生育階段起止時(shí)間

表2 東北地區(qū)不同區(qū)域春玉米各月作物系數(shù)值

2.2 研究方法

2.2.1 春玉米生育期內(nèi)累積水分盈虧指數(shù)的計(jì)算

水分盈虧指數(shù)(crop water surplus deficit index, CWSDI)是以某時(shí)段參考作物蒸散量為需水指標(biāo), 以同一時(shí)段有效降雨量為供水指標(biāo), 該指數(shù)能準(zhǔn)確地表征作物各生育期及全生育期的水分盈虧程度, 公式如下:

一個(gè)時(shí)段的水分盈虧程度, 不僅取決于當(dāng)期水分供需條件, 還受到前期水分盈虧量的影響?？紤]到前期水分狀況對(duì)后期影響的大小和持續(xù)時(shí)間有限,故在公式中加入前10日的水分盈虧量作為盈虧累積部分, 計(jì)算累積水分盈虧指數(shù), 公式如下:

2.2.2 旱澇標(biāo)準(zhǔn)的確立

根據(jù)王蕊等[14]的研究, 基于北方春玉米干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]中以水分虧缺指數(shù)劃分干旱等級(jí)的基礎(chǔ), 根據(jù)累積水分盈虧指數(shù)值的大小劃分旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 并選擇較易受干旱影響的遼寧西北部和吉林西部的部分站點(diǎn)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù), 將驗(yàn)證數(shù)據(jù)的結(jié)果與統(tǒng)計(jì)年鑒中的災(zāi)情數(shù)據(jù)對(duì)比, 來(lái)驗(yàn)證作物系數(shù)值及旱澇標(biāo)準(zhǔn)確定的合理性, 最終確定了研究區(qū)玉米旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

2.2.3 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall 檢驗(yàn)法是由Mann和Kendall提出并發(fā)展起來(lái)的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法, 亦稱(chēng)無(wú)分布檢驗(yàn), 其不要求樣本遵從一定的分布, 且檢驗(yàn)結(jié)果基本不受少數(shù)異常值的干擾。在進(jìn)行突變檢驗(yàn)時(shí), 本文取顯著性水平=0.05, 利用MATLAB軟件進(jìn)行編程計(jì)算, 得到UF、UB兩列數(shù)據(jù), 將UF、UB兩條曲線(xiàn)和0.05=±1.96兩條直線(xiàn)繪在同一張圖上。若UF的值大于0, 則表明序列呈上升趨勢(shì), 如果UF和UB出現(xiàn)交點(diǎn), 且交點(diǎn)在0.05=±1.96之間, 那么交點(diǎn)時(shí)刻即為突變開(kāi)始的時(shí)間, 當(dāng)UF的值超出0.05=±1.96的區(qū)間時(shí), 表明上升或下降趨勢(shì)顯著。在Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)中, 當(dāng)M-K統(tǒng)計(jì)變量值大于0時(shí), 表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移呈增加趨勢(shì), 小于0時(shí)表示呈減少趨勢(shì), 且的絕對(duì)值超過(guò)1.64或2.32 時(shí), 分別對(duì)應(yīng)趨勢(shì)檢驗(yàn)的顯著性水平為0.05、0.01[15]。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)已被世界氣象組織推薦并已廣泛應(yīng)用于降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等的分析研究[16]。

表3 基于累積水分盈虧指數(shù)的東北地區(qū)春玉米旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 東北地區(qū)春玉米不同生育階段旱澇時(shí)空分布特征

3.1.1 基于累積水分盈虧指數(shù)的春玉米生育期內(nèi)旱澇分布時(shí)間變化

為分析CWSDI′的變化特征, 基于M-K突變檢驗(yàn)法, 繪圖分析了近60年春玉米各生育期內(nèi)CWSDI′的變化趨勢(shì)(圖2)。

圖2 1958—2017年?yáng)|北地區(qū)春玉米各生育階段內(nèi)累積水分盈虧指數(shù)(CWSDI￠)變化趨勢(shì)

春玉米全生育期內(nèi), 60年間CWSDI′普遍小于0, 最低值是1999年的-39.63%, UF和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)出現(xiàn)在1965年、2011年和2014年, 但未超過(guò)0.05=±1.96, 沒(méi)有發(fā)生重大突變。自1965年起, CWSDI′整體呈下降趨勢(shì)。播種—出苗階段, 突變發(fā)生在1999—2001年間, 大多數(shù)年份水分虧缺, 1983年和2010年CWSDI′較高, 水分盈余情況嚴(yán)重, 整體呈不顯著上升趨勢(shì); 出苗—拔節(jié)階段的水分虧缺最嚴(yán)重, 其中1994年CWSDI￠僅為-86.17%, 無(wú)明顯突變; 拔節(jié)—抽穗階段CWSDI′值在1964—1983年間呈下降趨勢(shì), 最低值出現(xiàn)在1997年; 抽穗—乳熟階段在1967年以前, UF值大于0, CWSDI′值呈上升趨勢(shì), 1970年之后CWSDI′值年際間波動(dòng)較大, 最大值是1985年的108.66%, 1995年左右出現(xiàn)水分盈余情況; 乳熟—成熟階段, 研究區(qū)內(nèi)65%的年份出現(xiàn)水分虧缺, 突變點(diǎn)發(fā)生在1965—1970年和1987年, 最大值和最小值分別是1987年和1977年。即在春玉米整個(gè)生育期內(nèi)的前3個(gè)生育階段CWSDI′值大體呈上升趨勢(shì), 后兩個(gè)生育階段呈下降趨勢(shì)。

為進(jìn)一步分析研究區(qū)內(nèi)近60年旱澇情況的變化特征, 基于表3的玉米旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn), 從78個(gè)站點(diǎn)中分別篩選出CWSDI′值達(dá)到干旱標(biāo)準(zhǔn)和洪澇標(biāo)準(zhǔn)的站點(diǎn), 分別計(jì)算出各年每個(gè)生育階段CWSDI′值達(dá)到旱、澇標(biāo)準(zhǔn)的站點(diǎn)的均值, 并基于M-K檢驗(yàn)法分別對(duì)旱、澇均值序列進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn), 繪圖分析各生育期內(nèi)旱澇情況的變化趨勢(shì)(圖3)。

由圖3可知, 全生育期內(nèi), 自20世紀(jì)90年代末期, 干旱略有加重, 洪澇最大值出現(xiàn)在2014年(124.84%),中澇及以上的發(fā)生頻率占50%。播種—出苗階段, 洪澇CWSDI′呈周期性上升趨勢(shì), 表明洪澇加重, 干旱情況自1991年有所緩解; 出苗—拔節(jié)階段, 干旱年際間波動(dòng)較大; 拔節(jié)—抽穗階段, 干旱和洪澇CWSDI′的60年均值分別為-66.53%和76.10%, 旱澇程度是5個(gè)生育階段中最輕的; 抽穗—乳熟階段的干旱情況自1965年起呈加重趨勢(shì); 乳熟—成熟階段干旱CWSDI′的60年均值低至-83.36%, 該階段洪澇程度相比其他階段也較重?？傮w來(lái)看, 研究區(qū)內(nèi)干旱情況自20世紀(jì)90年代逐漸加重, 較重的階段是出苗—拔節(jié)和乳熟—成熟階段; 而洪澇情況除播種—出苗階段發(fā)生洪澇的趨勢(shì)明顯上升外, 其余4個(gè)階段均呈波動(dòng)變化無(wú)明顯趨勢(shì)。

圖3 1958—2017年?yáng)|北地區(qū)春玉米各生育階段內(nèi)累積水分盈虧指數(shù)(達(dá)到干旱及洪澇標(biāo)準(zhǔn)地區(qū))變化趨勢(shì)

3.1.2 東北地區(qū)近60年累積水分盈虧指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布特征

對(duì)各站點(diǎn)1958—2017年?yáng)|北春玉米各生育期的CWSDI￠值進(jìn)行M-K趨勢(shì)檢驗(yàn), 并根據(jù)M-K統(tǒng)計(jì)量值進(jìn)行空間插值, 得到研究區(qū)CWSDI￠時(shí)間變化趨勢(shì)的空間分布圖(圖4)。

全生育期內(nèi), 研究區(qū)內(nèi)88.6%的區(qū)域CWSDI￠都呈下降趨勢(shì), 僅黑龍江省內(nèi)的部分地區(qū)呈上升趨勢(shì)。吉林中部部分地區(qū)的M-K統(tǒng)計(jì)量值超過(guò)了顯著性=0.01時(shí)的臨界值-2.32, 表明CWSDI￠呈極顯著下降趨勢(shì)。播種—出苗階段, 僅黑龍江北部春玉米CWSDI￠呈下降趨勢(shì), 其他地區(qū)呈上升趨勢(shì), 研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)水分盈虧指數(shù)的變化趨勢(shì)都較顯著,研究區(qū)內(nèi)自西向東, CWSDI￠上升趨勢(shì)逐漸加重; 出苗—拔節(jié)階段, 研究區(qū)內(nèi)92.2%的區(qū)域CWSDI￠都呈上升趨勢(shì), 黑龍江中部、西部和北部的變化趨勢(shì)較為顯著; 拔節(jié)—抽穗階段, 大部分地區(qū)CWSDI￠都沒(méi)有明顯變化趨勢(shì); 抽穗—乳熟階段, 研究區(qū)的中部、西南部和黑龍江東部CWSDI￠有顯著下降趨勢(shì); 乳熟—成熟階段, CWSDI￠整體呈下降趨勢(shì), 其中下降趨勢(shì)超過(guò)95%置信水平的面積達(dá)52%, 這是由于近年來(lái)氣候變化, 極端天氣增加, 春玉米生長(zhǎng)季溫度增高加快[17], 導(dǎo)致了干旱。越到生育后期, 下降趨勢(shì)越為明顯, 研究區(qū)內(nèi)僅播種—出苗階段存在CWSDI￠大面積顯著上升趨勢(shì)的情況。

3.2 東北地區(qū)春玉米各生育期不同旱澇等級(jí)發(fā)生頻率時(shí)空變化特征

3.2.1 近60年不同旱澇等級(jí)發(fā)生頻率的時(shí)間變化特征

根據(jù)近60年?yáng)|北地區(qū)各站點(diǎn)的水分盈虧指數(shù)確定玉米的旱澇等級(jí)(表3), 統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)各生育階段及全生育期發(fā)生不同等級(jí)旱澇的次數(shù), 與總年數(shù)之比即為旱澇發(fā)生頻率。計(jì)算各生育期內(nèi)20世紀(jì)60年代、70年代、80年代、90年代和21世紀(jì)00年代、10年代(以下簡(jiǎn)稱(chēng)60年代、70年代、80年代、90年代、00年代、10年代)各旱澇等級(jí)的發(fā)生頻率, 年代間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖4 1958—2017年?yáng)|北地區(qū)春玉米各生育階段內(nèi)累積水分盈虧指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布圖

全生育期內(nèi)發(fā)生輕旱的頻率最高, 約為16.5%~25.5%(約4~6年一遇), 其次是中旱和輕澇, 70年代和00年代發(fā)生旱澇災(zāi)害的頻率整體較高。播種—出苗階段, 各等級(jí)干旱的發(fā)生頻率均呈下降趨勢(shì), 洪澇頻率上升, 上升最明顯的是特澇。出苗—拔節(jié)階段, 特旱的發(fā)生頻率波動(dòng)較大。抽穗—乳熟階段, 除特旱、特澇的發(fā)生頻率較高外, 其余旱澇等級(jí)的頻率均在0~10%內(nèi)波動(dòng)。乳熟—成熟階段的特旱發(fā)生頻率最高, 在00年代達(dá)到38.2%。整體看, 播種—出苗、乳熟—成熟階段的干旱發(fā)生頻率高于其他3個(gè)生育期, 故應(yīng)在玉米剛剛種植的生育初期和后期及時(shí)結(jié)合各分區(qū)情況進(jìn)行及時(shí)灌溉。發(fā)生輕旱和特旱的頻率高于其他旱級(jí), 00年代干旱情況最嚴(yán)重。各等級(jí)的洪澇發(fā)生頻率中, 特澇頻率明顯高于其他洪澇等級(jí), 其次是輕澇, 即洪澇的發(fā)生較為極端, 且年代間波動(dòng)較大。

3.2.2 近60年不同旱澇程度發(fā)生頻率空間分布特征

分別計(jì)算春玉米各生育階段發(fā)生輕、中、重、特旱, 輕、中、重、特澇的頻率并進(jìn)行插值, 結(jié)果見(jiàn)圖6。全生育期內(nèi), 內(nèi)蒙東部、黑龍江西部、吉林西部、遼西北地區(qū)的輕旱頻率和內(nèi)蒙地區(qū)的中旱頻率在30%以上, 研究區(qū)內(nèi)約1/2地區(qū)小概率發(fā)生重旱, 僅吉林西部和黑龍江西部的部分地區(qū)有1.66%的頻率發(fā)生特旱, 研究區(qū)內(nèi)干旱發(fā)生的嚴(yán)重性及頻率均自西向東遞減。遼寧東部、吉林東部、黑龍江南部和中部輕澇的發(fā)生頻率較高, 大部分地區(qū)不易發(fā)生洪澇。

輕旱在春玉米抽穗—乳熟和乳熟—成熟階段的發(fā)生頻率均較低; 中旱和重旱在各生育階段內(nèi)的頻率分布差異不大; 播種—出苗階段, 特旱頻率超過(guò)20%的區(qū)域主要集中在研究區(qū)的西部, 出苗—抽穗階段, 該等級(jí)開(kāi)始由西向東擴(kuò)展, 至抽穗—乳熟階段, 研究區(qū)內(nèi)特旱頻率大于20%的區(qū)域達(dá)到研究區(qū)總面積的45.6%, 乳熟—成熟階段, 研究區(qū)東部的特旱情況有所緩解, 西部持續(xù)加重, 是旱情最重的階段。播種—出苗及拔節(jié)—抽穗階段, 吉林東部和黑龍江中部的輕澇頻率相比較大, 其余地區(qū)各生育階段的輕、中、重澇發(fā)生頻率基本都小于5%, 吉林東部、遼寧東部和黑龍江中、北部的特澇發(fā)生頻率較高, 整個(gè)研究區(qū)的東北和東南部較易發(fā)生洪澇災(zāi)害?？偟膩?lái)說(shuō), 研究區(qū)內(nèi)春玉米前3個(gè)生育階段較易發(fā)生輕旱, 在各生育階段中, 吉林西部和遼寧西部玉米的中旱及重旱發(fā)生頻率均比其他地區(qū)高, 研究區(qū)西部特旱發(fā)生頻率最高, 特旱的發(fā)生頻率分布呈現(xiàn)最明顯的區(qū)域性, 輕澇集中在黑龍江中、南部、吉林東部和遼寧東部, 中、重澇幾乎不發(fā)生, 特澇發(fā)生頻率的空間分布與特旱的空間分布相反。

圖5 1958—2017年?yáng)|北地區(qū)各年代春玉米不同生育階段各旱澇程度的發(fā)生頻率

4 結(jié)論

在全球氣候變暖的大背景下, 農(nóng)區(qū)旱澇災(zāi)害對(duì)我國(guó)糧食作物的影響和給農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的損失不斷加劇,因此, 如何有效地掌握農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)引起越來(lái)越多學(xué)者們的關(guān)注[18-20]。本文以東北地區(qū)春玉米為研究對(duì)象, 基于綜合考慮水分供需平衡的累積水分盈虧指數(shù)劃分旱澇等級(jí), 以分析近60年春玉米各生育階段旱澇發(fā)生情況的時(shí)空演變, 結(jié)果如下:

1958—2017年, 研究區(qū)內(nèi)春玉米初始生長(zhǎng)期和發(fā)育期的3個(gè)生育階段CWSDI￠值大體呈上升趨勢(shì), 生育中后期的兩個(gè)生育階段呈下降趨勢(shì)。僅播種—出苗階段, 研究區(qū)東南部存在CWSDI￠大面積顯著上升的情況, 整體來(lái)看, 越到生育后期, 下降趨勢(shì)越明顯, 與前人研究結(jié)果大體一致[21], 乳熟—成熟階段的下降趨勢(shì)最重, 但無(wú)明顯區(qū)域性。研究區(qū)內(nèi)干旱情況自20世紀(jì)90年代逐漸加重, 拔節(jié)—成熟干旱程度年際間波動(dòng)較大, 出苗—拔節(jié)和乳熟—成熟階段干旱較為嚴(yán)重。這是由于氣候變化導(dǎo)致降水量無(wú)法補(bǔ)償由增溫引起的蒸散量增加, 造成近年來(lái)春玉米缺水加劇[22]。而研究區(qū)玉米洪澇情況在播種—出苗階段呈上升趨勢(shì), 其余階段均呈波動(dòng)變化無(wú)明顯趨勢(shì)。拔節(jié)—抽穗階段和乳熟—成熟階段分別是旱澇最輕和最重的階段。

從旱澇災(zāi)害的發(fā)生頻率來(lái)看, 研究區(qū)內(nèi)干旱頻率遠(yuǎn)高于洪澇頻率。輕旱較易發(fā)生在前3個(gè)生育階段, 各生育階段輕澇的頻率在0~8%內(nèi)波動(dòng), 春玉米各生育階段發(fā)生中、重旱, 中、重澇的頻率整體較低。特旱、特澇頻率最高的分別為乳熟—成熟階段和抽穗—乳熟階段, 時(shí)間序列上, 20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)00年代干旱整體較重?？臻g上, 研究區(qū)中西部(內(nèi)蒙東部、遼寧西北部、吉林西部)發(fā)生嚴(yán)重干旱的頻率較高且整體較易受旱災(zāi)影響。輕澇集中在黑龍江中、南部, 吉林東部和遼寧東部, 中、重澇幾乎不發(fā)生, 特澇發(fā)生頻率的空間分布與特旱的空間分布大體相反。

農(nóng)業(yè)是對(duì)氣候變化反映最為敏感的產(chǎn)業(yè), 近年來(lái)東北地區(qū)氣候的顯著變化, 進(jìn)一步擴(kuò)大了該區(qū)農(nóng)業(yè)水資源供應(yīng)不足的缺口。為抓住制定防災(zāi)措施的重難點(diǎn), 今后應(yīng)更加關(guān)注主要糧食作物在面對(duì)旱澇災(zāi)害時(shí)的內(nèi)在響應(yīng)。本研究?jī)H從春玉米水分供需的角度上宏觀(guān)地考慮區(qū)域內(nèi)春玉米旱澇情況, 并未考慮其內(nèi)在生長(zhǎng)機(jī)理對(duì)氣候變化的響應(yīng), 今后還需結(jié)合作物生長(zhǎng)模型, 模擬春玉米生長(zhǎng)過(guò)程以動(dòng)態(tài)分析其與環(huán)境因子的相互作用。

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Evolution of drought and flood trend in the growth period of spring maize in Northeast China in the past 60 years*

REN Zongyue, LIU Xiaojing**, LIU Jiafu, CHEN Peng

(College of Tourism and Geographic Science, Jilin Normal University, Siping 136000, China)

The evolution of regional drought and flood trend provides a theoretical basis for understanding crop response to climate change, decision making on disaster prevention and reduction, and ensuring China’s food security. Here, the northeast region of China was used as the research area, which was divided into 14 parts based on the growth characteristics of spring maize. The daily meteorological data from 78 stations in the study area from 1958 to 2017 were used to calculate the crop water surplus deficit index (CWSDI′) of spring maize during the growing period. The CWSDI′ values were divided into eight drought and flood levels. The results revealed the temporal and spatial trend of drought and flood during the growth period of spring maize in the northeast region using Mann-Kendall trend test, mutation test, and geographic information system spatial analysis technology. During the growth period of spring maize, CWSDI′ generally increased in the three growth stages of sowing–heading period and decreased in the heading–maturation stage, and the decreasing trend was the most significant in the milk-maturation stage, but without any obvious regional difference. The frequency of drought in the growth period of spring maize in the research area was considerably higher than that of flood. The drought situation had gradually worsened since the 1990s, but the flood situation showed no obvious change. The jointing–heading and milk–maturation stages were the least and most affected stages by drought and flood, respectively. The frequency of drought and flood in each growth stage of spring maize was as follows: extreme drought > light drought > other drought and flood levels. The frequency of moderate drought and heavy drought in the western part of Liaoning was higher than that in other areas. Extreme drought mostly occurred in the western part of the study site, whereas light flood mostly occurred in Heilongjiang. Moderate flood and heavy flood rarely occurred in the study site. In the future, efforts should be made to prevent drought and flood in the early and late growth stages of spring maize. Furthermore, more attention should be paid to the western part of the study site owing to the more severe drought situation in order to achieve timely and effective irrigation. The results will provide a basis for the prediction of agricultural drought and flood disasters and optimization of water resource allocation on a regional scale.

Northeast China; Spring maize; Crop water surplus deficit index; Drought and flood frequency; Spatio-temporal Change; M-K trend test

K90

10.13930/j.cnki.cjea.190684

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41501559, 41977411)和吉林師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(研創(chuàng)新201945)資助

劉曉靜, 主要從事自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理方面的工作。E-mail: liuxj@jlnu.edu.cn

任宗悅, 研究方向?yàn)樽匀粸?zāi)害監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理。E-mail: Zorinrzy@163.com

2019-09-20

2019-11-13

* This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41501559, 41977411) and the Graduate Innovation Foundation of Jilin Normal University (201945).

, E-mail: liuxj@jlnu.edu.cn

Nov. 13, 2019

Sep. 20, 2019;

任宗悅, 劉曉靜, 劉家福, 陳鵬. 近60年?yáng)|北地區(qū)春玉米旱澇趨勢(shì)演變研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(2): 179-190

REN Z Y, LIU X J, LIU J F, CHEN P. Evolution of drought and flood trend in the growth period of spring maize in Northeast China in the past 60 years[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(2): 179-190