黑龙江省玉米生长期冷害与干旱混合发生对产量的影响*

姜丽霞，吕佳佳，曲辉辉，杨晓强，季生太，李秀芬，张雪梅，王 铭，王 萍

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳110166；2.黑龙江省气象科学研究所/中国气象局东北地区生态气象创新开放实验室/黑龙江省气象院士工作站，黑龙江 哈尔滨 150030；3.黑龙江省生态气象中心，黑龙江 哈尔滨 150030；4.哈尔滨市气象局，黑龙江 哈尔滨 150028)

黑龙江省为全国最大的农业省份，其玉米总产占全国玉米总产近30%，目前已成为“藏粮于地”的主要区域。然而，黑龙江省位于中国最北部，在全球气候变暖及大陆性季风气候影响下，该省在作物生长季内极易发生低温冷害和干旱灾害[1-2]，两种灾害恰为影响玉米生产的最大因素[3-4]，常常造成玉米减产[5-6]，混合发生时所造成的影响和损失更为严重[7-8]，尤其，与气候变暖相伴发生的低温冷害、季节性干旱气候变率增大对黑龙江省玉米生产稳定性造成巨大影响，使玉米生产风险进一步增加。因此，研究明确黑龙江省玉米生产关键时期低温冷害和干旱混合发生特点及其对玉米产量的影响，对玉米生产趋利避害及保障国家粮食安全具有重要意义。

1980年代以来，国内外相关领域专家和学者对低温冷害、干旱等灾害的研究愈显全面化和精细化[9-12]。研究表明，两种灾害的发生存在明显区域性、季节性特征[11，13]，低温冷害此种特征表现更强，多发于中国北部的作物生长季节，尤以黑龙江省最为频发[1，5，12，14]。不同区域、不同季节、不同作物发育期内，灾害指标也不尽相同，在气候变化持续影响下，研究者不断修订、完善、更新两种灾害指标[14-15]，并建立了两种灾害监测预测模型及风险评估模型[16-18]，以适应不同时期粮食生产和气象服务保障需求。从低温冷害、干旱对玉米的具体影响来看，短时低温危害对玉米生长影响不大[19]，每天持续1～4 h的14～20°C的温度能够有效减少5°C低温对玉米最终产量的不利影响[20]，但低温时间延长则会导致玉米生育期推迟，产量出现不同程度下降，且温度越低、低温持续时间越长，影响越大[21-22]；不同时期低温的影响也不同，表现为灌浆初期>抽雄期>苗期，减产率在2.1%～16.99%之间[23]；干旱抑制玉米生长，常导致发育期延迟、发育不良、植株矮小[24-25]，出苗期延迟1d，玉米单产即下降2.9%[6]，不同季节、不同程度干旱对玉米生长和产量影响不同，严重夏旱导致大幅度减产，减产率为39.6%，而春、夏、秋连旱几乎造成绝产，减产率高达70.5%[26]。

前人多选择单一灾害进行研究分析，所得结论通常为一种灾害对玉米的影响评估。而在黑龙江省玉米生长的同一时期，经常会出现低温冷害、干旱混合发生现象，而两种灾害混合发生对玉米产量的影响状况仍未十分明确，且相关研究报道仍较少见，基于此，利用更新气象数据、采用国家气象行业标准，分析黑龙江省玉米生长期低温冷害、干旱混合发生时空演变特征，研究低温冷害、干旱交叉逆境对玉米产量的影响，为深入探讨产量损失的量化细化，进而揭示多种灾害对作物产量影响机制提供技术支撑，以期为玉米安全生产、防灾减灾及高产稳产田的布局提供气象参考。

1 资料和方法

1.1 资料来源

选取黑龙江省龙江、双城、五常、集贤、勃利等15个玉米农业气象观测站进行研究，15站玉米农业气象观测资料较完整，且均匀分布在黑龙江省玉米主产区内，玉米年种植面积多在10万hm2以上，能够代表黑龙江省玉米生产实际状况，15站的地理位置也能够很好反映热量、水分等气候因子分布概况和趋势，保证了研究的客观性。根据研究站点的地理位置和气候特征，将研究区划分为松嫩平原和三江平原，并再将松嫩平原细划为4个区域，具体见表1。所用资料包括15站1981-2016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站玉米单产来自黑龙江省统计局。玉米发育期观测资料按照中国气象局《农业气象观测规范》的要求进行，为保证资料的连续性，作物观测保持了观测方法的一致性，所观测品种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 玉米低温冷害、干旱判识

本文选择玉米出苗-抽雄期为研究时间段，该时间段内的玉米出苗期、拔节期和抽雄期采用中国气象局《农业气象观测规范》中规定观测的普遍发育期。国家气象行业标准《北方春玉米冷害评估技术规范(QX/T167-2012)》[27]、《北方春玉米干旱等级(QX/T259-2015)》[28]中规定了玉米冷害、干旱的评估指标，参照两个标准，本文分别以≥10℃积温距平(H)、水分亏缺指数(KCWDI)作为判识玉米冷害、干旱的指标。对于冷害：在玉米出苗-抽雄期，当积温距平H<-40℃·d、H<-45℃·d、H<-50℃·d时，判识玉米早熟、中熟、晚熟品种分别发生延迟型冷害[27]；对于干旱，文献[28]中将出苗-抽雄期划分为出苗-拔节期、拔节-抽雄期，且未考虑作物熟型，即所定指标普适于任意熟型品种，则参考该标准，本文规定在玉米出苗-拔节期，水分亏缺指数KCWDI>50%时发生干旱，拔节-抽雄期水分亏缺指数KCWDI>35%时发生干旱，并规定两个发育时段均发生干旱或任一时段发生干旱即为出苗-抽雄期发生干旱。

本文依据如上指标对玉米出苗-抽雄期的低温冷害、干旱分别进行判识，若在同一站点同一年份内，玉米出苗-抽雄期低温冷害、干旱均有发生，则规定为低温冷害、干旱混合发生，若仅有一种灾害发生，则视为无低温冷害、干旱混合发生。

1.2.2 数据处理及分析

文献[27-28]中对玉米出苗-抽雄期≥10℃积温距平及水分亏缺指数的计算方法阐述详细，本文不再赘述。利用两个标准中的方法计算H及KCWDI并进行判识。将低温冷害、干旱混合发生年数与资料序列总年数的比值作为低温冷害和干旱混合发生频率。本文常年值取1981-2010年的平均值。利用气候统计方法对所有研究站点各项数据进行统计处理，以SPSS statistics 17.0处理软件进行数据分析。采用数理统计、气候倾向率、Mann-Kendall检测法[30]等方法，研究玉米≥10℃积温距平和水分亏缺指数的变化趋势以及低温冷害、干旱混合发生的变化特征。利用逐步回归方法分析≥10℃积温距平、水分亏缺指数与玉米产量的关系。

2 结果与分析

2.1 ≥10℃积温距平变化及冷害判识

2.1.1 ≥10℃积温距平时空变化

1981-2016年，研究区玉米出苗-抽雄期≥10℃积温距平呈显著升高趋势，增幅为88.8℃·d/10年(P<0.01)，积温距平呈明显的少-多变化，负距平集中于1990年代中期之前；之后出现急转式升高变化。年代际变化表征为先增后减，表明最近几年的积温距平与21世纪初相比有所减少。Mann-Kendall法对各区域≥10℃积温距平突变检验表明，全研究区、松嫩平原、松嫩平原西部均在1994年发生1次突变，松嫩平原北部、东部、南部分别在1993、1997、1996年分别发生1次突变，三江平原未发生突变。

在空间上，研究区≥10℃积温距平在经向上不存在明显的变化规律，表现出低-高的间隔式分布，在纬向上呈北低南高趋势，峰值出现在哈尔滨站，谷值出现在泰来站。从两大平原分区平均积温距平大小来看，表现为松嫩平原南部>三江平原>松嫩平原北部>松嫩平原西部>松嫩平原东部。

2.1.2 冷害判识

选取泰来、哈尔滨、海伦、巴彦、集贤站分析单站积温距平变化及对冷害的判识情况。5站为玉米主要种植市(县)，地理位置较具代表性，分别位于松嫩平原的西部、南部、北部、东部以及三江平原。由图1可见，研究期间，5站≥10℃积温距平与研究区同步振荡，呈少-多变化，各站部分年份的距平值低于指标阈值，形成冷害，冷害年主要密集于1990年代中期以前，之后积温距平多为正值或高于指标阈值，形成冷害的年份骤减，但部分区域2010年代以来冷害有回升趋势。

图1 1981-2016年代表站玉米出苗-抽雄期≥10℃积温距平变化及与指标阈值比较

图2 1981-2016年代表站玉米出苗-拔节期、拔节期-抽雄期KCWDI变化及与指标阈值比较

2.2 水分亏缺指数(KCWDI)变化及干旱判识

2.2.1KCWDI时空变化

1981-2016年，研究区玉米出苗-抽雄期KCWDI总体为波动式变化，不存在明显下降趋势(P>0.05)，峰值、谷值分别出现在1982、1983年。年际间波动幅度不稳定，呈阶段式变化，1980年代前期，KCWDI波动较大；1980年代后期至1990年代呈小幅波动；21世纪以来，最初几年KCWDI振荡剧烈，后期明显下降且波动趋于平稳，期间2001的最高值比2014年的最低值偏高达150%。年代际变化呈先增加后减少趋势，最近几年KCWDI有所下降。Mann-Kendall法突变检验表明，各区域KCWDI在研究期间未发生突变。

在空间上，KCWDI在纬向上表现为“高-低-高-低-高”的波浪式分布特征；在经向上呈西高东低态势，基本由西向东逐渐减小，峰值出现在泰来站，谷值出现在方正站。比较分区的KCWDI，表现为松嫩平原西部>松嫩平原南部>松嫩平原北部>三江平原>松嫩平原东部。

2.2.2 干旱判识

再以泰来、哈尔滨、海伦、巴彦、集贤站分析单站KCWDI变化及对干旱的判识。由图2可见，分析期内，5站玉米出苗-拔节期、拔节-抽雄期KCWDI呈波动式下降变化，下降趋势均不明显(P>0.05)，比较而言，松嫩平原南部的哈尔滨站和东部的巴彦站下降幅度相对较大，海伦站次之，而泰来站、集贤站则较微弱。在两个发育阶段内，各站部分年份KCWDI高于指标阈值，即形成干旱。干旱的发生存在区域差异，且松嫩平原站点的干旱年数明显多于三江平原。松嫩平原西部和南部干旱年呈离散式分布态势，不存在明显集中时期，而松嫩平原北部、东部以及三江平原干旱年在1980年代初期及21世纪2000年代较为集中，但2010年代以来，各区KCWDI均下降较多，干旱发生有所减少。

2.3 低温冷害、干旱混合发生特征

为了更加清晰直观地表达1981-2016年间玉米出苗-抽雄期冷害、干旱混合发生的年份，取1～15做为冷害、干旱混合发生年份的示意值，如图3所示，即以图3中图例站名前标示的数值作为各站两种灾害混发年的示意值。由图3可见，1981-2016年间，研究区各站玉米冷害、干旱混合发生年数为2～12年，全研究区累计94年，总体来看，冷害、干旱混合发生呈减少趋势，发生年份主要密集于1990年代中期以前，之后呈零散发生或未发生状态。在空间上，存在由西至东减少趋势，发生年数的高值中心处于松嫩平原西部，年数为9～12年；五常站、勃利站一线以东区域为低值区，年数在2～4年；其他区域处于中间状态，年数为5～8年。

从年代际变化趋势看，研究期间，玉米出苗-抽雄期冷害、干旱混合发生频率总体呈减少趋势，1980年代是冷害、干旱集中高发期，大部站点发生频率在2.8%～22.2%，1990年代发生频率有所下降，2000年代后持续较少，但部分站点2010年代以来有回升趋势。

2.4 ≥10℃积温距平、KCWDI与玉米单产关系

采用逐步回归方法分析≥10℃积温距平、KCWDI与玉米单产的相关关系，结果见表2，表中回归方程y为玉米单产，x1为≥10℃积温距平，x2为水分亏缺指数。由表2可见，研究区全区、各分区及73%单站≥10℃积温距平、KCWDI与玉米单产呈显著或极显著(P<0.05或P<0.01)的相关关系，全研究区、5个分区及27%单站为双因子相关，而三江平原及47%单站为单因子相关，且单因子均为≥10℃积温距平，这在一定程度上可以说明≥10℃积温距平与玉米单产相关性更好。不同区域、不同站点相关显著性存在差异，总体上松嫩平原好于三江平原，双因子相关性最好为全研究区，R2高达0.679，单因子相关性最好出现于松嫩平原东部的巴彦站。由表2可见，玉米出苗-抽雄期两种因子对玉米产量影响不同，≥10℃积温距平与玉米单产呈正相关，表明温度对玉米产量的影响为正效应作用，KCWDI则恰好相反，说明水分亏缺量越大，对玉米产量负效应影响越大，总体来看，在一定温度、水分范围内，随着≥10℃积温距平减少、KCWDI升高，玉米单产呈下降趋势。

图3 研究区玉米出苗-抽雄期冷害、干旱混合发生年份示意图

表2 研究区玉米出苗-抽雄期≥10℃积温距平、水分亏缺指数与玉米单产的相关关系

注：*和**分别为通过0.05和0.01显著性检验， “/”表示未通过0.05或0.01显著性检验。

3 讨论

本文基于国家气象行业标准规定的≥10℃积温距平、水分亏缺指数判识玉米冷害、干旱，判识效果理想，与已有采用其他方法的研究结果基本一致，对1983、1987、1989、1992年等冷害年以及1982、2005、2006、2016年等干旱年判识较为准确[14，25，30]。与单纯气温、降水因子比较，≥10℃积温距平、KCWDI具有双向指示作用，一方面，2个指标可用于判识冷害和干旱，另一方面，积温距平前低后高的时间特征指示了气候变暖趋势，北低南高的空间分布准确表征了研究区热量配置，而KCWDI由西向东逐渐减小的变化特征及分区KCWDI的高低变化则较好反映了研究区水资源分布状况。

与过去单一灾害的影响分析相比[5-6，21，26]，本文探讨分析了同一区域、同一时期两种灾害混发逆境对作物产量的影响模式，由表2的回归方程可知，积温距平下降幅度越大(即表征低温程度越重)、KCWDI增大幅度越大(表明干旱程度越重)，玉米单产下降越多，这在一定程度上可以说明玉米出苗-抽雄期低温冷害、干旱的混发逆境对玉米产量影响以负效应为主，且低温冷害、干旱程度愈重，负效应影响愈大。进一步分析低温冷害、干旱混发的温水逆境条件，以龙江县为例，龙江县位于黑龙江省松嫩平原，为玉米产粮大县，玉米年种植面积达27.6万hm2，代表性较强，考虑同一站、邻近年份具有更好可比性，选择龙江站两种灾害混发年份1981、1982年分析玉米出苗-抽雄期的气温、KCWDI，由图4可见，龙江站1981年玉米出苗-抽雄期≥10℃积温距平为-112.4℃·d，KCWDI呈波动式变化，期间KCWDI>指标阈值的日数总计44d，占出苗-抽雄期总日数的79%，为非持续干旱状态，KCWDI平均值为53.9%(图4a)；1982年≥10℃积温距平为-263.3℃·d，KCWDI持续偏大，出苗-抽雄期KCWDI持续大于指标阈值，表现为持续干旱特征，KCWDI平均值为75.1%(图4b)，比较两年逆境条件可见，1982年低温偏低幅度大，比1981年偏低150.9℃·d，持续干旱时间长，KCWDI平均值为1981年的1.39倍，即1981年表现为非持续干旱与低温同步发生，而1982年表现为持续干旱伴随严重低温同步发生，可见1982年两种灾害混发程度重于1981年，再比较两年产量发现，1982年产量较1981年下降308Kg·hm-2，即减产15.6%，统计两年玉米抽雄后至成熟期间气象数据，1981、1982年平均气温分别为17.4℃、19.1℃，降水量分别为145.0 mm、147.6 mm，日照时数分别为568.9 h、619.3 h，可见两年在玉米抽雄期后总体光、温、水条件基本相当，1982年甚至略好于1981年，但由于其前期低温冷害、干旱混发程度重于1981年，后期弥补作用相对较弱，因此产量较1981年有所下降，由此可见，玉米出苗-抽雄期低温冷害、干旱混发逆境条件不同，对玉米生长和产量影响不同，在一定程度上，持续干旱伴随严重低温同步发生的逆境条件对玉米影响更大。

图4 龙江站代表年份1981年(a)、1982年(b)玉米出苗-抽雄期气温与KCWDI变化比较

4 结论

(1)1981-2016年间，研究区玉米出苗-抽雄期≥10℃积温距平明显增加(P<0.01)，空间上呈北低南高趋势，KCWDI随时间呈波动式下降变化(P>0.05)，空间分布表现为明显的西高东低经向规律，两种指标变化态势与已有研究结论一致，对气候变暖趋势具有明显的响应[30]，并准确反映了研究区热量资源、水分资源的空间配置。

(2)1981-2016年间，研究区各站玉米出苗-抽雄期冷害、干旱混合发生年数为2～12年，全区累计94年。冷害、干旱混合发生总体呈减少趋势，1990年代中期以前为高发期，之后骤然减少，但部分站点2010年代开始有回升趋势。在空间上存在由西至东减少趋势，松嫩平原西部为频发区，其他区域发生较少。

(3)研究期间，玉米出苗-抽雄期≥10℃积温距平、KCWDI与玉米单产存在显著或极显著的相关关系(P<0.05或P<0.01)，2个因子对玉米产量影响表现为正、负反向性作用，在一定温度、水分条件范围内，≥10℃积温距平升高、KCWDI减小，玉米产量呈升高趋势，反之呈下降趋势，表明温度升高、水分充沛利于玉米增产。

(4)玉米出苗-抽雄期自然条件下低温冷害、干旱混发逆境对玉米产量影响表征为复杂性，总体以负效应为主，两种灾害混合发生时程度不同、时间相同或不同等情况，均会对产量造成不同影响，在一定程度上，严重低温伴随持续干旱混合发生的逆境条件对玉米影响更大。目前来看，黑龙江省仍为“靠天吃饭”的农业大省，在进行作物种植布局时，应基于作物生育特性及对气象条件需求，重新分析气候持续变暖背景下区域气候资源匹配特征，开展区域易发频发农业气象灾害风险区划，研究评估气候条件及气象灾害对作物的影响，探索作物高产稳产区域，以充分发挥区域资源优势，进而保障国家粮食安全，这部分内容应在今后工作中进行深入研究。