氣候變化背景下東北三省大豆干旱時空特征

解文娟，楊曉光，楊 婕，劉利民，葉 清,3，董朝陽，劉志娟，趙 錦

(1. 沈陽農業大學農學院， 沈陽 110866；2. 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；3. 江西農業大學園林與藝術學院，南昌 330045)

氣候變化背景下東北三省大豆干旱時空特征

解文娟1,2，楊曉光2,*，楊 婕2，劉利民1，葉 清2,3，董朝陽2，劉志娟2，趙 錦2

(1. 沈陽農業大學農學院， 沈陽 110866；2. 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；3. 江西農業大學園林與藝術學院，南昌 330045)

利用1961—2010年東北三省大豆種植區71個氣象站點地面氣象觀測資料，基于農業干旱指標作物水分虧缺指數(CWDI)及干旱等級，分析了氣候變化背景下近50年來我國東北地區大豆干旱發生頻率演變趨勢及干旱程度演變特征，研究結果表明：東北三省大豆干旱頻率空間差異較大，呈明顯的西高東低的經向帶狀分布特征；大豆全生育期干旱頻率以輕旱最高，中旱次之，重旱和特嚴重干旱頻率最低；輕旱及以上干旱頻率以播種到分枝階段最高，分枝到開花階段次之，開花到成熟階段最低；作物水分虧缺指數年際變化趨勢各地不同，總體而言以播種到分枝期干旱為主向開花到成熟期干旱轉變的特點；大豆全生育干旱等級存在明顯的年代際變化，20世紀80年代干旱范圍最小、程度最輕，2000年以后重旱及中旱范圍增加明顯，干旱趨于嚴重。

東北三省；大豆；干旱；作物水分虧缺指數；時空特征

IPCC(2007)第四次報告指出，氣候變暖已成為不爭的事實[1]。中國氣候變暖趨勢與全球基本一致[2]，特別是東北地區，最近50年增溫最為明顯，平均每10a增溫0. 34 ℃，約為全國增溫率的3倍[3- 4]。氣候變暖會引起田間蒸散加劇，并伴隨著降水格局的變化，導致洪澇和干旱的加劇[5]。東北地區受東亞大陸季風氣候的控制，降水量時空分布不均，年際變動較大，干旱為該地區主要的農業氣象災害之一[6]。已有研究表明，氣候變化背景下東北地區年降水量呈減少趨勢，20世紀90年代末以來最為明顯[7]，而降水時空分布的不均衡性，導致干旱日趨嚴重[8]。頻繁發生的干旱對東北地區農業生產造成嚴重影響，2000年至2007年期間，我國東北地區平均每年因旱受災面積高達853.3萬hm2，成災面積506.7萬hm2，因旱受災面積占全國同期因旱受災面積比例從20世紀80年代的19.5%增加到2000年以來的32.9%[9]，農業干旱的加劇已對我國東北地區糧食生產構成嚴重威脅。

大豆是我國東北地區的主要油料作物，年種植面積和產量占全國的1/3[10]。大豆的蒸騰系數較高，需水量大，抗旱能力相對較弱，干旱加劇對其生長發育及產量、品質產生很大影響[11]。前人在干旱脅迫對大豆生理生化影響方面做了很多研究，如利用生理指標、形態與發育指標研究了大豆的抗旱性[12- 14]，表明不同生育時期的干旱對大豆生理生態、光合生產能力及產量構成因子造成影響，而基于干旱指標的大豆干旱時空分布特征的研究尚未見報道。

作物水分虧缺指數(CWDI)是常用的農業干旱指標之一，綜合考慮了土壤、植物和氣象因素的影響，相對于用單一的環境指標表征干旱程度而言，在反映作物水分收支平衡方面有其獨到的優勢[15]。前人基于此指標已經得出了大量的研究成果[16- 19]，但主要集中在玉米等其他作物，還未有利用作物水分虧缺指數研究大豆干旱的報道。本文基于作物水分虧缺指數(CWDI)，分析了近50年東北地區大豆干旱時空演變特征，旨在揭示東北大豆各生育階段干旱發生頻率和時空演變特征，以期為我國大豆生產管理及抗災避災提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

我國東北三省地處北緯38°43′—53°24′、東經115°20′—135°，屬溫帶大陸性季風氣候，夏季溫涼濕潤，冬季漫長寒冷，近47年氣候資料統計結果，年平均降水量為350—1200 mm，平均氣溫為-4.8—11.3 ℃，年總輻射量為4100—5400 MJ/m2[4]，種植制度以一年一熟為主。大豆是東北三省的主要油料作物，本文參考前人對大豆種植區劃研究結果[20]，計算1961—2010年東北三省≥10 ℃積溫，在80%保證率條件下，積溫大于1900℃·d的地區作為東北三省春大豆可種植區，確定為研究區域，其范圍如圖1所示。

圖1 研究區域及氣象站點和其海拔分布圖Fig.1 Coverage of study region and distribution of stations and elevation

1.2 數據來源

氣象數據來源于中國氣象局氣象信息中心，包括東北三省大豆種植區空間代表性好、資料年限長的71個氣象站點(圖1)。氣候資料為1961—2010年逐日氣象觀測數據，包括：平均氣溫、最高及最低氣溫、降水量、平均相對濕度、平均氣壓、日照時數和風速等。

大豆生育期資料來自中國農業氣象觀測站及全國縣級農戶調查結果，為東北各地2008—2010年平均生育期，包括大豆播種、分枝、開花和成熟日期。由于地形、緯度等方面的差異，東北三省熱量條件明顯不同，3個省大豆生育時期存在明顯差異(表1)，播種期大致在4月下旬到5月中旬之間，在6月中下旬分枝，7月中旬開花，到9月中下旬成熟。

表1 東北三省大豆生育期

1.3 研究方法

1.3.1 參考作物蒸散量(ET0)

(1)

式中,Rn為地表凈輻射(MJ·m-1·d-1)，G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)，T為平均氣溫(℃)，u2為2 m高處風速(m/s)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實際水汽壓(kPa)，Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)，γ為干濕表常數(kPa/℃)。Rn、Δ和γ可利用公式計算，G有時候可忽略。其中T、u2、ea等項為氣象站觀測資料。

1.3.2 作物系數(Kc)

(2)

式中,Kcmid為訂正后大豆生育中期作物系數；Kcend為訂正后大豆生育后期作物系數；U2為2m高度處的日平均風速；RHmin為日最低相對濕度；h為該生育階段內作物的平均高度。

對于播種前處于裸地狀態時的作物系數，參照FAO推薦的方法，用作物生育前期的作物系數值代替，即東北地區大豆播種前4旬的作物系數取值為0.4。

1.3.3 作物需水量(ETc)

作物需水量是指在水分供應充足且沒有其他因素限制的條件下，作物為獲得最高產量所需要的水分總量。本文采用目前公認的FAO推薦的間接方法計算，即先計算出參考作物蒸散量再乘以作物系數得到，公式如下：

ETc=Kc×ET0

(3)

式中，ETc為逐日作物需水量；ET0逐日參考作物蒸散量；Kc為逐日作物系數。

1.3.4 作物水分虧缺指數(CWDI)

作物水分虧缺指數(CWDI)是表征作物水分虧缺程度的指標之一。考慮前期水分盈虧所造成的累積效應，水分虧缺指數一般計算連續5旬的累積作物水分虧缺指數，公式如下[22]：

CWDI=a×CWDIi+b×CWDIi-1+c×CWDIi-2+ d×CWDIi-3+e×CWDIi-4

(4)

式中,CWDI為作物生長季內按旬時段計算的累積水分虧缺指數；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別為該旬及其前4旬的水分虧缺指數。a、b、c、d、e為對應旬的累計權重系數，一般a取值為0.3，b取值為0.25，c取值為0.2，d取值為0.15，e取值為0.1。

式(4)中，CWDIi的計算公式如下：

(5)

式中,Pi為第i旬的累積降水量(mm)，ETci為第i旬的累積作物需水量(mm)，分別由第i旬內逐日降水量(P)和需水量(ETc)累計得到。

本文在計算大豆各生育階段的作物水分虧缺指數時，對于旬的劃分是從不同生育階段開始的第1天起，每10 d作為1旬，至生育階段停止，最后不足5 d則合并為上一旬，超過5 d則單獨作為新的一旬，再分別按照公式(4)和公式(5)計算得到各生育階段內各旬累計作物水分虧缺指數，最后，大豆各生育階段的作物水分虧缺指數值為該生育階段內各旬累計作物水分虧缺的平均值。

1.3.5 干旱頻率(Fi)

根據文中確定的作物水分虧缺指標，計算作物不同生育階段干旱發生頻率Fi，即某站發生某等級干旱的年次數與統計資料的總年數之比，計算公式如下：

Fi=n/N×100%

(6)

式中,Fi為某等級干旱發生的頻率；n為該生育階段發生某等級干旱的年數；N為研究資料總年數。

1.3.6 氣候傾向率(TR)

某氣候要素的變化趨勢可用一次線性方程表示。用xi表示樣本量為n的某一氣候要素變量，用ti表示xi所對應的時間，建立xi與ti的一元線性回歸方程：

xi=ati+b

式中,a為回歸系數，b為回歸常數，可用最小二乘法進行估計[23]。以a的10倍作為氣候傾向率(TR)，表示氣候要素每10a的變化規律，正值表示氣候要素呈增加趨勢，負值表示呈減少趨勢。

1.3.7 變異系數(CV)

變異系數是標準差與平均數的比值，可用以比較不同觀測數列離差程度的大小，計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 干旱指標等級訂正

本文結合東北三省大豆生產實際資料，參照氣象行業標準《農業干旱等級》及已有的研究結果[22,16- 19]，對東北大豆干旱等級標準進行訂正，訂正后的結果如表2。

表2 東北三省大豆作物水分虧缺指數(CWDI)的干旱分級

Table 2 Classification of drought of soybean in Northeast China based on CWDI

等級Grade類型Type作物水分虧缺指數CropWaterDeficitIndex/%0無旱CWDI≤351輕旱3565

為了檢驗本文為對大豆干旱等級的訂正是否合理，在此利用《中國氣象災害大典》的黑龍江卷、吉林卷和遼寧卷，選取典型站點的災情資料進行驗證。本文選取了黑龍江省的黑河、吉林省的白城、遼寧省的朝陽為代表站點，依據公式4計算了1961—2010年大豆全生育期作物水分虧缺指數，采用表2的指標劃定干旱等級，3個典型站點大豆作物水分虧缺指數時間演變特征如圖2。

圖2 1961—2010年黑河、白城、朝陽大豆全生育期作物水分虧缺指數(CWDI)變化Fig.2 Variations of CWDI during the growing season of soybean in Heihe, Baicheng, and Chaoyang stations during 1961—2010

圖2為3個典型站點依據CWDI計算的干旱發生年份和干旱等級，從圖中可以看出近50年來，黑河發生干旱19a，1986年和2000年重旱；白城發生干旱49a，1967、1968、1972、2001和2004年特旱；朝陽發生干旱43a，1980年和1981年特旱。《中國氣象災害大典》[25- 27]記載的干旱實際發生情況為黑河市1986年出現嚴重春旱，0.27萬hm2大豆種子未出苗，農作物成災面積4.53萬hm2，占播種面積的94%。白城市1968年春夏少雨，大豆開花不結莢，農作物普遍減產80%，旱情十分嚴重。1972年白城地區春季少雨，干旱面積40.67萬hm2，占耕地面積的1/3，農作物減產5成左右。朝陽地區1980年春夏降水極少，干旱面積46.67萬hm2，絕收面積8.67萬hm2，旱情嚴重。1981年朝陽地區春夏秋三季連旱，全區嚴重干旱18萬hm2，絕收面積16.67萬hm2，從上面比較分析可以看出，利用CWDI計算得到的等級和實際干旱災情記載基本相符，表明本文CWDI的計算和干旱等級是合理的。

2.2 東北三省大豆干旱頻率特征

2.2.1 大豆全生育期干旱頻率特征

圖3a為東北三省大豆全生育期輕旱發生頻率空間分布圖，從圖中可以看出，大豆全生育期輕旱發生頻率總體較高，全區56%的站點輕旱頻率高于25%(4年一遇)，主要集中在黑龍江省的西部、三江平原北部、吉林省中部以及遼寧省西部和南部地區；其中，以哈爾濱附近輕旱發生頻率最高，為58%，相當于2年一遇，黑龍江省中部的伊春、尚志一帶以及遼寧省東北部的本溪、丹東一帶輕旱頻率相對較低，在10%—25%之間，相當于5年或4年一遇，只有吉林省東南部的敦化、通化一帶地區輕旱頻率在10%(10年一遇)以下，不易發生輕旱。

圖3b為東北三省大豆全生育期中旱發生頻率空間分布圖。從圖中可以看出，中旱發生頻率呈明顯的西高東低的空間分布特征，黑龍江省西南部、吉林省西部以及遼寧省西部和南部地區，中旱頻率較高，可達25%(4年一遇)以上，黑龍江省西北部、三江平原北部、吉林省中部以及遼寧省中部的大豆中旱頻率則有所降低，在10%—25%之間，而黑龍江省中部及東南部、吉林省東部和遼寧省東部地區，中旱頻率在10%(10年一遇)以下，不易發生中旱。

圖3 東北三省大豆全生育期輕旱(a)、中旱(b)、重級以上干旱(c)頻率的空間分布Fig.3 Frequency of light (a), middle (b), and heavy or above (c) drought during the growing season of soybean in Northeast China

圖3c為東北三省大豆全生育期重旱以上發生頻率空間分布圖。從圖中可以看出，重旱以上干旱發生頻率總體較低，除黑龍江省的泰來、吉林省的白城、通榆和乾安以外，其它地區均小于25%(4年一遇)，其中，黑龍江省西南部、遼寧省西部以及吉林西部地區重旱頻率在10%—25%之間，約有71% 的站點重旱以上干旱頻率低于10%(10年一遇)，44%的站點從未發生過重旱。

總體來看，分析東北三省大豆全生育期干旱頻率呈明顯的西高東低的空間分布特征，與降水的空間分布特征基本一致。干旱發生頻率以輕旱最高，中旱次之，重旱以上干旱頻率最低；黑龍江省西部、遼寧省西部及南部地區發生輕旱和中旱的頻率相對較高，而吉林西部地區雖然不易發生輕旱，但卻存在較高的中旱及重旱以上干旱風險。

2.2.2 大豆不同生育階段干旱頻率特征

前面分析大豆全生育階段干旱頻率分布特征，而大豆各生育階段需水量和降水分布不同，各生育階段的干旱特征也不同，具體結果，大豆播種到分枝、分枝到開花、開花到成熟階段干旱(指輕旱以上，下同)頻率空間分布如圖4所示，各生育階段干旱頻率空間分布情況基本相似，呈由東北向西南逐漸增加的趨勢，三江平原北部、黑龍江省西南部、吉林省西部、遼寧省西部及南部地區干旱發生頻率較高，為干旱的主發區。從研究區域來看，干旱發生頻率為播種到分枝最高，分枝到開花次之，開花到成熟最低。

(1)東北三省大豆播種到分枝階段干旱頻率特征

東北三省大豆播種到分枝階段干旱頻率較高(圖4a)，研究區域內，吉林白城地區干旱頻率最高，為100%，即年年都有干旱發生；干旱頻率最低的地區位于吉林省東崗地區，為10%，每10年一遇。56%的站點干旱頻率超過50%(為2年一遇)，這些區域包括黑龍江省的三江平原北部和呼瑪→吉林省的長春→遼寧的沈陽→大連一線以西地區；31%的站點干旱頻率超過80%(為5年四遇)，這些區域包括黑龍江省的齊齊哈爾、大慶地區，吉林省的乾安、通榆、雙遼、長嶺一帶和遼寧省的朝陽、阜新、錦州、大連一帶；播種到分枝階段干旱頻率較低(4年一遇)的站點主要分布在吉林省東南部地區。

(2)東北三省大豆分枝到開花階段干旱頻率特征

大豆從分枝到開花階段干旱頻率明顯低于播種到分枝階段干旱頻率(圖4b)，除吉林省的乾安、通榆兩地干旱頻率為80%之外，其他地區均為80%以下；全區約有48%的站點超過50%(2年一遇)，包括黑龍江省西南部及三江平原北部、吉林省西部和中部、遼寧省西部、南部及中部的部分地區。吉林省臨江和靖宇兩地干旱頻率最低，小于10%(10年一遇)。

(3)東北三省大豆開花到成熟階段干旱頻率特征

大豆開花到成熟階段干旱頻率又進一步下降(圖4c)，但在黑龍江省西南部及三江平原北部、吉林省西部、遼寧省西部及南部地區干旱頻率仍然較高，為50%—80%，約為2—3年一遇，尤以吉林省通榆地區干旱頻率最高(80%)，而吉林省東南部和遼寧省東北部部分地區干旱頻率較低，小于10%。

2.3 東北三省大豆干旱程度演變特征

2.3.1 大豆作物水分虧缺指數年際變化特征

根據前面的研究結果，在大豆干旱發生頻率不同地區，分別選擇遼寧省的朝陽(研究區域西部)、黑龍江省的綏化(研究區域中部)、吉林省的通化(研究區域東部)3個代表站作為典型站點，分析氣候變化背景下大豆不同生育階段作物水分虧缺指數(CWDI)的年際變化特征，分析結果見圖5。

1961—2010年3個站點大豆從播種到分枝階段的CWDI均呈波動下降趨勢，其中遼寧的朝陽干旱最為嚴重，作物水分虧缺指數平均為56%，且年際間波動較?。缓邶埥〉慕椈魑锼痔澣敝笖稻又?，年際間波動較大；吉林省的通化作物水分虧缺指數最小，下降趨勢也最不明顯，但年際間的波動最大。

圖4 東北三省大豆播種到分枝(a)、分枝到開花(b)、開花到成熟(c)干旱頻率的空間分布Fig.4 Frequency of drought during the stage of sowing to branch (a), branch to flowering (b), and flowering to maturation (c) of soybean in Northeast China

研究時段內大豆分枝至開花階段3個站點作物水分虧缺指數年際間波動最大，其中遼寧的朝陽、黑龍江的綏化兩個站點干旱作物水分虧缺指數在波動中呈下降趨勢，吉林省的通化作物水分虧缺指數上升，表明該生育階段內干旱呈加重趨勢。

研究時段內大豆開花至成熟階段3個站點作物水分虧缺指數是3個生育階段中最小的，年際間的波動較大；其中，遼寧省的朝陽、黑龍江省的綏化均呈上升趨勢，通化站點的年際變化不明顯。

大豆全生育期3個站點作物水分虧缺指數年際間波動最小，通化年平均CWDI最小，為21%，其次是綏化，為37%；朝陽和通化呈微弱的下降趨勢，綏化則呈微弱的上升趨勢。

2.3.2 大豆干旱等級演變特征

圖6反映了1961—2010年5個年代80%保證率下干旱等級的空間演變特征。從圖中可以看出，干旱等級由東向西逐漸加重。重旱區主要位于松嫩平原西部地區，覆蓋面積在1961—2010年的5個年代中表現為先減小后增加的趨勢，以80年代面積最小，近10年區域最廣(達1.04×105km2)，已延伸至富?！病p遼一線；中旱區主要位于除重旱區外的遼寧西部、吉林西部和黑龍江西南部地區，不同年代間面積增加趨勢明顯，近10年覆蓋面積從20世紀60年代的1.84×105km2增加到3.55×105km2，較90年代增加了1.23×105km2，已延伸至海倫→長春→沈陽→大連一線；輕旱區主要分布于遼寧中部、吉林中部和黑龍江中部及東部地區，其覆蓋面積演變趨勢與中旱相反，呈減少趨勢，60年代區域最廣，最近10年面積最??；無旱區主要分布在吉林省東部地區，其覆蓋面積呈先增加后減少的趨勢，與重旱相反，80年代面積最大，近10年面積最小。綜上分析，近10年東北大豆種植區重旱及中旱范圍增加明顯，干旱趨于嚴重。

圖5 1961—2010年朝陽(Ⅰ)、綏化(Ⅱ)、通化(Ⅲ)大豆不同生育階段作物水分虧缺指數年際變化Fig.5 The time series of CWDI during the different growing stages of soybean in Chaoyang (Ⅰ), Suihua (Ⅱ), and Tonghua (Ⅲ) stations during 1961—2010a： 播種到分枝；b：分枝到開花；c：開花到成熟；d：全生育期；TR：氣候傾向率；CV：變異系數

3 討論

本研究通過對東北地區大豆各生育階段干旱發生頻率的分析結果可以看出，播種到分枝階段大豆干旱發生頻率最高，即春旱在大多數年份制約著東北大豆的生產，筆者利用《中國氣象災害大典——遼寧卷》記載的東北三省歷史上大豆災害資料，統計結果顯示東北作物生產多受春旱制約，更有成災嚴重的季節性連旱發生，如遼寧省朝陽地區1980年春夏降水極少，干旱面積46.67萬hm2，絕收面積8.67萬hm2，旱情嚴重。關于大豆不同生育時期受水分脅迫影響機制的研究已屢見報道，如韓曉增[28]等研究認為營養生長期干旱使大豆產量下降19.42%—21.11%，花期干旱導致減產17.70%—25.92%，莢期干旱導致減產23.77%—33.89%，鼓粒期干旱減產12.25%—40.61%。而開花到成熟階段干旱仍不能忽視，在東北西部地區此階段干旱一直保持高發趨勢，作為大豆水分關鍵期，適時的灌溉措施對保障大豆生產至關重要。陳莉等[29]對我國東北近50年作物干旱發生情況的統計分析得出，1997—2007年干旱成災面積與絕收面積分別是之前的20a干旱成災面積和絕收面積的1.99和5.58倍，魏鳳英等[8]利用氣象資料分析同樣得出了近期的1996—2007年是57年來干旱發生頻次最多的時期。本文針對大豆干旱空間分布的年代際分析得到最近10 a來，東北大豆生產面臨的干旱威脅加重。

本研究得出了東北三省各等級干旱頻率的空間分布有從東到西逐漸加重的趨勢，這與研究區域降水特征相一致，東北地區從東向西依次為濕潤地區、亞濕潤地區、亞干旱地區。而前人關于東北三省作物干旱空間分布的研究中，所得結果基本符合從東向西干旱逐漸加重的空間格局[17- 18]。本文通過分析得到東北三省各站點大豆干旱發生變率與程度，為當地大豆生產因地制宜、因時制宜的優化管理提供科學依據。

圖6 東北三省1961—2010年干旱等級分布演變趨勢Fig.6 Evolution tendency of drough degree in Northeast China during 1961—2010

本文綜合分析了氣候變化背景下我國東北三省近50年大豆干旱發生頻率、覆蓋范圍以及干旱等級的演變趨勢，對研究區域大豆生產中防旱避災具有一定的指導意義。由于作物水分虧缺指數綜合考慮了前期水分影響，在反應干旱對作物的持續影響上更具實際意義，但前期干旱對后期影響有待進一步的細化和精確；東北地區大豆生產基本依靠雨養，本研究僅考慮降水作為大豆生產中水分供給的唯一來源，未考慮灌溉和土壤底墑的影響，這在今后研究中還有待進一步分析。

4 結論

東北三省大豆全生育期干旱頻率以輕旱最高，中旱次之，重旱以上干旱頻率最低，不同等級干旱頻率總體上均呈明顯的西高東低的帶狀空間分布特征，與該地區降水的空間分布特征基本一致；大豆各生長發育階段干旱特征來看，3個生育階段干旱頻率分布都呈從東北向西南逐漸增加的趨勢，其中播種到分枝階段的干旱頻率最高，其次為分枝到開花階段，開花到成熟階段的干旱頻率最低，此時為大豆的需水關鍵期，若遇干旱則會對大豆產量造成很大影響，適時適量的灌溉是保證大豆高產的重要措施。從研究區域黑龍江綏化、吉林的通化、遼寧的朝陽3個站點作物水分虧缺指數年際變化來看，播種到分枝階段干旱程度較高但波動幅度較小，總體呈下降趨勢，分枝到開花和開花到成熟兩階段干旱程度較低但其年際間波動較大，總體呈從播種到分枝期干旱為主向開花到成熟期為主轉變的特點；東北三省大豆全生育干旱等級存在明顯的年代際變化，20世紀80年代干旱范圍最小、程度最輕，最近10年重旱及中旱范圍增加明顯，干旱趨于嚴重。

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Spatio-temporal characteristics of drought for soybean under climate change in the three provinces of Northeast China

XIE Wenjuan1,2，YANG Xiaoguang2,*，YANG Jie2，LIU Limin1，YE Qing2,3，DONG Chaoyang2，LIU Zhijuan2，ZHAO Jin2

1CollegeofAgronomy,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China2CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China3CollegeofLandscapeArchitectureandArt,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China

Climate data from seventy-one meteorological stations in the soybean planting areas in three provinces of Northeast China (NEC) during 1961 to 2010 were used to calculate the reference crop evapotranspiration using the Penman-Monteith formula. Then combined with the revised crop coefficient, soybean water requirement can be obtained during each growth stage. Finally, we calculated the Crop Water Deficit Index (CWDI) by considering cumulative effects of moisture surplus condition during the soybean growing season. and obtained the degree of drought Based on this index and the degree of drought, the characteristics of spatio-temporal variation for occurrence frequency and degree of soybean drought in NEC during the study period were analyzed. Result shows that there is a significant spatial variation in the occurrence frequency of soybean drought, which was increased from east to west. Light drought is the most frequent drought, followed by the middle drought and heavy drought during the whole soybean growing season. There could be relatively higher frequency of light drought in the western regions of Heilongjiang Province and the western and southern regions of Liaoning Province. In the western regions of Jilin Province, there is relatively less frequency of light drought, but the frequencies of middle drought and heavy drought are higher. We also found the basic vegetative phase (sowing to branching) experienced the most severe drought and the frequency of drought exceed 50% (once every 2 years) at the 56% of the selected sites in the study areas, the frequency of drought exceed 80% (four every 5 years) at the 31% of the selected sites in the study areas. The drought during the panical formation phase (branching to flowering) is lighter, drought frequency was lower than 80% in most regions in the study area except Qian′an and Tongyu of Jilin Province, and drought frequency was higher than 50% (once every 2 years) at the 48% of the selected sites in the study area. The drought during the reproductive phase (flowering to maturity) is lightest, but there could be still high drought frequency (50%—80%) in the southwest regions of Heilongjiang Province, northern of Sanjiang Plain, western of Jilin Province, and western and southern of Liaoning Province. Interannual variability in CWDI differs from regions. The CWDI showed a downward trend during the sowing to branching stage in all three representatives sites. We can find a maximum inter-annual fluctuation during the branching to flowering stage, it showed a downward trend in Liaoning Chaoyang and Heilongjiang Suihua during this stage, and a upward trend in Jilin Tonghua. There is least value of CWDI during the flowering to maturity stage, and showed an upward trend in Liaoning Chaoyang and Heilongjiang Suihua during this stage; interannual variability is not significant in Jilin Tonghua. In other words, generally the drought threat is progressively more severe during reproductive phase. There is also obvious decadal variability of drought degrees during whole growing period. In 1980s, either drought degree and range were the smallest, from 2000 years, the range of medium drought and heavy drought increased significantly.

the three provinces of Northeast China; soybean; drought; Crop Water Deficit Index (CWDI); spatio-temporal characteristics

國家科技支撐計劃(2012BAD20B04); 公益性行業(農業)科研專項項目(200903007)

2013- 02- 01; 網絡出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201302020219

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yangxg@cau.edu.cn

解文娟，楊曉光，楊婕，劉利民，葉清，董朝陽，劉志娟，趙錦.氣候變化背景下東北三省大豆干旱時空特征.生態學報,2014,34(21):6232- 6243.

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