氣候變化背景下中國主要作物農業氣象災害時空分布特征[Ⅰ]：東北春玉米延遲型冷害*

張夢婷, 劉志娟, 楊曉光, 董朝陽, 劉子琪

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氣候變化背景下中國主要作物農業氣象災害時空分布特征[Ⅰ]：東北春玉米延遲型冷害*

張夢婷1, 2, 劉志娟1**, 楊曉光1, 董朝陽1, 劉子琪1

（1.中國農業大學資源與環境學院, 北京 100193；2.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所, 北京 100081）

基于東北三省春玉米潛在種植區內65個氣象站點1961-2010年逐日氣象數據，以氣象行業標準5-9月逐月平均氣溫之和與其多年平均值的距平作為春玉米冷害等級判斷指標，分析東北三省春玉米生育期冷害發生概率的空間分布和年代際演變特征，并利用每月逐日平均氣溫與其多年平均值的距平值明確了春玉米生長時段內低溫事件發生風險較大的月份。結果表明：（1）近50a（1961-2010年）東北三省春玉米冷害發生區域范圍大小表現為重度＞輕度＞中度，其中輕度冷害的高發區位于吉林省西部，低發區位于遼寧省南部地區；中度冷害主要發生于黑龍江和吉林省部分地區，遼寧省發生較少；重度冷害高發區位于黑龍江省北部、東南部以及吉林省東部地區，發生頻率在25%以上，低發區位于遼寧省中西部，發生頻率低于5%。各等級冷害發生頻率年際間總體呈下降趨勢，近20a（1991-2010年），各等級冷害的發生范圍明顯縮小。（2）東北三省春玉米各等級冷害低溫事件主要發生在5月和6月，生產實際中需關注5月和6月的溫度變化及冷害發生。

冷害；溫度距平；站次比；頻率

IPCC第五次評估報告指出，1880-2012年，全球平均地表溫度上升了0.85℃（0.65～1.06℃），1951-2012年全球地表平均增溫速率幾近1880年以來升溫速率的兩倍[1]。第三次氣候變化國家評估報告指出，近百年來（1909-2011年），中國陸地區域平均氣溫上升0.9～1.5℃，中國區域在未來時段氣溫將持續上升，至21世紀末溫度將上升1.3～5.0℃[2]，東北三省是中國受全球氣候變化影響最顯著的地區之一[3]，年平均氣溫每10a上升0.30℃[4]。氣候變化背景下東北三省熱量資源增加，熱量條件的改善有利于糧食生產，而氣候變化背景下干旱、洪澇和低溫冷害等極端天氣氣候事件發生頻率增加[5]。近60a，與日最低氣溫相關的極端氣候事件強度和頻率明顯減弱、減少，但是氣溫的波動幅度明顯增加，且在東北地區隨著緯度的升高，發生極端低溫事件頻率也逐漸增大[6]，使農業生產的不穩定性增加，導致東北三省已成為中國糧食產量波動最大的區域之一[5]。

統計資料顯示，2010年全國玉米種植面積為2.45×107hm2，為中國種植面積最大的糧食作物，玉米總產量達1.23×108t[7-9]。東北三省是全國玉米商品糧基地，其中部地區為中國黃金玉米帶，2010年春玉米播種面積超過8.0×106hm2，產量近3.89×107t，約占全國的31%[10]。該地區玉米產量豐欠直接關系到全國玉米總產和國家糧食安全。冷害指作物生長期間出現日平均氣溫10～23℃（有時低于10℃）的低溫天氣過程，引起農作物生育期延遲，或使其生殖器官生理活動受阻，而導致減產的一種農業氣象災害[11]。東北地區春玉米冷害主要分為延遲型冷害、障礙型冷害和混合型冷害[12]。低溫冷害是東北地區主要農業氣象災害之一，是導致玉米產量不穩、品質不高的主要原因[3]。當水分條件基本適應時，玉米生育期內積溫減少100℃·d，單產下降約6.3%，在抽雄-成熟階段，平均氣溫下降1℃，單產下降約550kg·hm-2[13]，且相應地也將導致玉米品質的下降[14]。

低溫冷害發生的時空分布規律是研究災害的基礎，可為進一步對低溫冷害的監測預警以及風險評估的研究提供理論基礎[15]，從而為各地區制定合理的防災減災技術提供科學依據。目前各地研究玉米冷害時空分布特征有多種指標，包括生長季≥10℃活動積溫[16]、積溫距平指標[17]、發育期距平指標[18]、與發育期結合的熱量指數[19]以及綜合指標[20]等。由于指標多樣，且地區適應性不一致，在各地區進行玉米冷害評估時，無法進行時空對比分析，這就給農業氣象防災減災、救災對策制定實施和種植結構合理調整帶來了不利。因此，國家氣象局為促進玉米冷害評估業務的標準化，參照2009年頒布的《QX/T 101-2009水稻、玉米冷害的等級》[11]，并結合相應玉米冷害研究文獻，在2012年重新頒布了《QX/167-2012北方春玉米冷害評估技術規范》[21]。因此，本文依據新的冷害標準，選擇春玉米生長季5-9月溫度距平作為冷害指標，基于東北三省65個氣象站點1961-2010年50a逐日氣象資料，研究東北三省春玉米冷害的時間演變趨勢和空間分布特征，并進一步明確玉米生長階段內低溫事件可能發生的月份，以期為東北三省春玉米種植及應對冷害采取適宜的措施，為防災減災提供科學合理的依據。

1 資料與方法

1.1 研究區域

研究區域為東北三省，即黑龍江、吉林和遼寧，據研究[22]，東北春玉米生長所需≥10℃積溫為2000～3600℃·d。考慮80%的氣候保證率，采用五日滑動平均法計算玉米生物學下限溫度10℃的起止日期，逐日累計起止日期內≥10℃活動積溫，以80%保證率下≥10℃活動積溫大于2000℃·d為標準，確定東北三省春玉米的可能種植區域[23]，結果如圖1所示。

1.2 氣象數據

氣象數據來源于中國氣象局科學數據共享服務網，包括65個氣象站點（黑龍江省23個、吉林省19個和遼寧省23個）1961-2010年的逐日平均氣溫資料，站點分布如圖1所示。

1.3 指標與計算方法

1.3.1 春玉米延遲型冷害指標

參照《QX/167-2012 北方春玉米冷害評估技術規范》[21]，結合趙俊芳等[16,24-25]在研究中對低溫冷害指標使用的解釋，以5-9月逐月平均氣溫之和的多年平均值（T，℃），以及當年5-9月逐月平均氣溫之和（T5-9，℃）與T的距平值（△T，℃）兩個指標，作為春玉米延遲型冷害指標，具體如表1。依據致災因子的量值大小確定級別，將東北三省春玉米延遲型冷害分為輕度、中度和重度3個等級。如，若研究區域內某一站點5-9月50a平均氣溫之和（T）為84.5℃，計算得到該站點5-9月逐月平均氣溫之和（T5-9）與T的距平（△T）低于-2.4℃，則該站點在這一年發生重度冷害，若△T在-2.4～-1.9℃，則發生中度冷害，若△T在-1.9～-1.4℃，則發生輕度冷害，若大于-1.4℃，則未發生冷害。

表1 東北三省玉米延遲型冷害等級的判斷標準

注：T為5-9月逐月均溫之和的多年平均值（℃），?T為當年5-9月逐月均溫之和與T的距平值（℃）。

Note: T is the annual average of sum of monthly mean temperature from May to September (℃), ?T is the anomaly between sum of monthly mean temperature from May to September and T (℃).

1.3.2 冷害發生頻率計算

根據表1中春玉米延遲型冷害指標，計算不同等級冷害每年各站點的發生情況，并計算某站點在春玉米生育階段的冷害頻率（Fi）。

Fi=n/N×100% （1）

式中，Fi為某等級冷害發生的頻率；n為發生某等級冷害的年數；N為資料總年數。

1.3.3 站次比計算

站次比是指某一區域內滿足研究條件下的臺站數占全部臺站數的比例，可用來評價影響范圍的大小，計算式為

Pj=m/M×100% （2）

式中，Pj為站次比(%)；m為區域內滿足某條件的臺站數；M為研究區域內總的氣象臺站數。

1.3.4 低溫事件發生風險較大月份判別

首先，根據春玉米冷害指標確定冷害發生與等級，篩選出不同等級冷害的發生年份，將該年份5-9月逐日平均氣溫與該站點50a中5-9月逐日平均氣溫對比，依據低溫強度和持續時間篩選出與多年平均氣溫差異最大的月份；然后從中篩選該站點各等級冷害發生年對應的出現概率最大的月份，即為不同等級冷害低溫事件的可能發生月份。

2 結果與分析

2.1 研究區域冷害指標的適應性驗證

選取黑龍江省哈爾濱站、吉林省白城站和遼寧省本溪站為代表性站點，對分析期春玉米實際低溫冷害發生情況進行調查，資料來源于《中國氣象災害大典（黑龍江卷、吉林卷和遼寧卷）》[26-28]，結果見表2。由于記錄資料的限制，存在一些缺少該年記錄和該年記錄中未提及相應區域的情況，均視為無記錄處理，研究中不予考慮。文獻[26-28]中數據記錄以縣為單位，因此在驗證時，若記錄顯示該站點轄區內發生冷害，則也作為符合情況處理。另外《中國氣象災害大典（吉林卷）》中直至1980年僅記錄了水稻的冷害，故1980年以前年份均作無記錄處理。

表2為根據《中國氣象災害大典（黑龍江卷、吉林卷和遼寧卷）》中記錄的冷害與基于冷害指標計算的冷害匹配情況。由表可知，黑龍江省哈爾濱站符合實際情況的年份占全部有記錄年份的58%，吉林省白城站為62.5%，遼寧省本溪站為59%，符合率較高。由此可見，該指標可以用于東北三省春玉米冷害的發生特征分析。

表2 各省典型站點實際冷害調查結果與利用指標判斷結果的匹配情況

（續continued）

典型站點Typical stations年份Year實際冷害情況Chilling damage records匹配結果Yes or No 本溪站Benxi19875月溫度低，對作物產生影響A low temperature in May and effected yieldü 19926、8月溫度偏低，受災嚴重A low temperature in June and August，and caused a serious effect ü 19945月出現霜凍Frost in May× 19955、7、9月氣溫持續偏低，低溫災害嚴重A low temperature in May, July and September and caused a severe chilling damageü 19968月氣溫明顯下降，受低溫災害A temperature dropping in August and caused a chilling damage×

注：ü為結果符合，×為結果不符合。E-為上旬，M-為中旬，L-為下旬。

Note:ü：match, ×：not match. E- is the first ten-day of a month；M- is the middle ten-day of a month；L- is the last ten-day of a month.

2.2 區域內不同等級冷害發生頻率的空間分布

2.2.1 輕度冷害

由圖2a可見，研究區域內輕度冷害發生頻率最高值為吉林省長嶺站，達22%；在黑龍江省的東部虎林、寶清、富錦和佳木斯一帶，吉林省中部樺甸、梅河口、桓仁周邊以及遼寧省南部大連等地，近50a輕度冷害發生頻率為10%～20%；黑龍江中西部、吉林東部以及遼寧大部分地區輕度冷害發生頻率低于10%，其中海倫、朝陽、黑山等9個站點50a來未發生輕度冷害。

圖2b-圖2f分別為各年代春玉米輕度冷害發生頻率的空間分布圖。由圖中可見，20世紀60年代輕度冷害發生頻率總體呈北高南低的空間分布特征。其高值區集中在黑龍江省東部佳木斯和寶清、吉林省西部的長嶺和乾安以及遼寧南部大連站等地，輕度冷害發生頻率大于40%，最大值在乾安站，為50%；其次為黑龍江省西南部地區及吉林省中部地區在60年代春玉米冷害發生頻率為20%～40%；低值區主要集中在黑龍江中部、吉林東部和遼寧省大部分地區，輕度冷害發生頻率低于10%，其中28個站點10a未發生輕度冷害。70年代研究區域輕度冷害高發區位于吉林省中西部和遼寧省北部地區，發生頻率為20%～40%；在黑龍江省中東部、吉林省東部及遼寧省西南部部分地區輕度冷害發生頻率較低，均低于10%。80年代輕度冷害主要發生在黑龍江省東北部和吉林省中西部地區。90年代研究區域春玉米輕度冷害發生頻率較前幾個年代明顯減小，嫩江、虎林、樺甸和彰武4個站點發生頻率為20%，36個站點10a未發生輕度冷害。21世紀初，整個研究區域內春玉米輕度冷害發生頻率均低于10%，且其中60個站點10a未發生輕度冷害。

可見，研究區域春玉米輕度冷害的高發區在吉林省西部地區，低發區在遼寧省南部地區。

2.2.2 中度冷害

由圖3a可見，研究區內50a來中度冷害發生頻率較小。僅4個站點發生頻率高于10%，分別為克山站、泰來站、前郭爾羅斯站和桓仁站。

圖3b-圖3f分別為各年代春玉米中度冷害發生頻率的空間分布。由圖中可見，20世紀60年代，中度冷害主要發生在黑龍江省以及吉林省北部的前郭爾羅斯等地區，最大值出現在前郭爾羅斯站，為40%。70年代，中度冷害主要發生在克山站、東崗站和桓仁站，發生頻率達30%。80年代，高值區分布在黑龍江東北部、南部地區和吉林省北部地區，發生頻率為10%～20%。90年代，發生頻率普遍較低，在伊春站、長春站和桓仁站發生頻率達20%，其中有45個站點此期未發生中度冷害。進入21世紀后，研究區域10a內未發生春玉米中度冷害。

可見，春玉米生長季中度冷害整體而言發生頻率較小，分布范圍不廣，主要發生在黑龍江和吉林地區，遼寧省發生較少。

2.2.3 重度冷害

由圖4a可見，研究區內重度冷害頻率分布總體呈東北向西南遞減的特征。黑龍江北部的北安、東南部的綏芬河以及吉林省東部敦化地區為高值區，近50a重度冷害發生頻率高于25%；黑龍江省中東部以及吉林省中北部地區為次高值區，重度冷害發生頻率高于10%；低值區主要集中在遼寧省中西部的朝陽、錦州、營口和熊岳等地，重度冷害發生頻率低于5%。

圖4b-圖4f分別為各年代春玉米重度冷害發生頻率的空間分布。由圖中可見，20世紀60年代，重度冷害發生頻率總體呈東北向西南遞減的空間分布特征。高值區主要分布在黑龍江省北部的嫩江、東部的綏芬河以及吉林省東部的延吉地區，重度冷害發生頻率為50%；其次在黑龍江省東部和吉林省中部地區，重度冷害發生頻率為20%～40%；低值區主要集中在吉林省西部及遼寧省地區，發生頻率低于10%，其中有14個站點在60年代未發生重度冷害。70年代，高值區在吉林省東部敦化、東崗地區，發生頻率高于40%；其次在黑龍江大部分地區和吉林中東部地區，發生頻率高于20%；低值區主要分布在遼寧省中西部地區。80年代，高值區分布在黑龍江西北部、東部地區和吉林省東部地區，發生頻率高于20%；其次在黑龍江省中部、吉林省北部地區，發生頻率在10%～20%；低值區主要集中在吉林省南部地區及遼寧省全省，發生頻率低于10%。90年代，發生頻率普遍較低，高值區在東南部地區，發生頻率高于10%，其中有35個站點此期未發生重度冷害。進入21世紀之后，研究區域內春玉米重度冷害發生明顯減少，10a內僅哈爾濱站在2009年發生過重度冷害。

可見，分析期內和各年代春玉米重度冷害高發區均在黑龍江北部、東部以及吉林東部地區，低發區在遼寧省西南部地區。

2.3 區域冷害年及冷害發生站次比的變化趨勢

2.3.1 區域冷害年

參考朱海霞等[29]黑龍江省1980-2009年春玉米低溫冷害年研究成果，若研究區域內65個站點中24%以上的站點發生低溫冷害，本文即判定該年為春玉米種植期間發生區域性冷害的冷害年。表3統計了1961-2010年各年代不同等級區域性冷害的冷害年，可以看出，低溫冷害主要發生在20世紀60、70和80年代，90年代有所減少，而在21世紀前10a，僅個別站點發生低溫冷害，可見春玉米低溫冷害發生頻率在21世紀初有所減低。此外中度冷害在1961-2010年，未見發生區域性冷害，因此表中未統計其冷害年。

表3 各年代發生區域性春玉米冷害的年份統計

Note: SL is slight chilling damage, SE is severe chilling damage.

2.3.2 站次比變化

由圖5a可見，過去50a（1961-2010年）東北三省春玉米輕度、中度和重度冷害站次比分別在0～33.8%、0～20.0%和0～76.9%，發生范圍為重度>輕度>中度。各等級冷害站次比均呈減少趨勢，輕度冷害站次比由20世紀60年代的11.23%降至21世紀初的0.8%；中度冷害站次比由60年代的8%降至21世紀初的0；重度冷害站次比由60年代的16.7%降至21世紀初的0.2%。過去50a黑龍江省（圖5b）春玉米輕度、中度和重度等級冷害站次比分別在0～43.5%、0～43.5%和0～100%，且各等級冷害站次比亦呈現減少趨勢。過去50a吉林省（圖5c）春玉米一般冷害與嚴重冷害站次比分別在0～52.6%、0～42.1%和0～100%，輕度冷害站次比呈減少趨勢，中度和重度冷害站次比在20世紀70年代有所增加，自80年代起呈減少趨勢。遼寧省（圖5d）春玉米一般冷害與嚴重冷害站次比分別在0～39.1%、0～26.1%和0～69.6%，其中各等級冷害站次比在70年代有明顯增加，而在20世紀90年代和21世紀初明顯減少。

2.4 春玉米低溫事件發生風險較大月份分析

圖6為東北三省春玉米各等級冷害低溫事件發生風險較大月份的空間分布。由圖可見，東北三省春玉米各等級冷害低溫事件主要發生在5月和6月。圖6a顯示，黑龍江大部、吉林北部，輕度低溫冷害事件6月發生的可能性較高，吉林省西南部7月發生的可能性較大，遼寧省大部5月發生的可能性較大。圖6b顯示，黑龍江省大部中度冷害低溫事件6月發生的可能性最大，黑龍江省中部的哈爾濱等站以及吉林省大部和遼寧省北部5月發生的可能性最大。圖6c顯示，黑龍江西北部、吉林中部以及遼寧北部地區重度冷害低溫事件在5月發生的可能性最大，黑龍江中東部、吉林西部6月發生的可能性較大，遼寧南部7月發生的可能性最大。總體而言，東北三省各等級冷害低溫事件主要出現在5月和6月，部分地區在7月，僅少數站點可能會出現在8月。

5月正值東北三省春玉米播種-出苗階段，冷害可能導致玉米出苗推遲，苗弱、瘦小等，且低溫持續時間越長，生長受抑制程度越大，玉米生長恢復過程也就越長[30-31]。6月多為春玉米七葉-拔節期，冷害使春玉米發育速率降低，生育期延遲，尤其對植株功能葉片的生長有阻礙作用，造成植株生物量降低[26,32]。從以上分析可以看出，東北三省玉米冷害主要發生在5-6月，因此，玉米生產應關注5月和6月的溫度變化，做好低溫冷害的防御和應急預案。此外，曹永華等[33]從試驗角度探究低溫對玉米生產的影響，其結果表明，低溫對生長發育的影響不僅表現在處理期間，在后期生育進程中還表現出影響的后效，營養生長期受到低溫影響的玉米，無論后期生長條件如何，均會引起減產。因此，生產實際中需重點關注5月和6月的溫度變化及冷害發生。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）1961-2010年東北三省春玉米冷害發生區域范圍大小表現為重度＞輕度＞中度，其中輕度冷害的高發區位于吉林省西部，低發區位于遼寧省南部；中度冷害主要發生在黑龍江和吉林部分地區，遼寧省發生較少；重度冷害高發區位于黑龍江北部、東南部以及吉林東部地區，發生頻率在25%以上，低發區位于遼寧省中西部，發生頻率低于5%。本研究有關重度冷害的空間分布特征的結果，與趙俊芳等[16，34]研究結果較為一致，輕度冷害的結果在吉林省西部地區與楊若子等的研究結果相似[35]，但與災害大典上記載結果有所偏差，說明指標的適用性仍存在地域差異，未來應用中還需進一步改進。各等級冷害受害程度年際間總體呈下降趨勢，與20世紀60-80年代比較，近20a來3個等級冷害的發生頻率在空間上的減少趨勢更為明顯。

（2）東北三省春玉米各等級低溫冷害事件主要發生在5月和6月，生產實際中需關注5月和6月的溫度變化及冷害發生。本研究與孟祥君等[36]關于吉林省春玉米低溫冷害可能發生月份和空間分布的研究結果較為一致。

3.2 討論

本文研究可為東北地區春玉米種植制定冷害防災減災措施提供科學依據，但由于條件限制，仍存在一些不足：（1）指標選擇上，本文采用春玉米生育期5-9月逐月平均氣溫之和的距平值作為致災因子，該指標采用單一溫度閾值作為玉米是否發生低溫冷害指標[37]，指標計算簡單，且整體準確性不高，因此今后應當對該低溫冷害指標進行逐步完善，使指標能更好地體現冷害對各區域不同玉米品種不同生育期的影響，以提高指標的針對性。（2）本研究采用5-9月逐月平均氣溫之和的距平值作為冷害指標，但計算多年平均值，應適當考慮冷暖年的影響。自20世紀80年代中期以后，氣溫升高明顯[34]，所以在60和70年代，若采用50a的均值計算距平值，可能會存在一定誤差。（3）東北三省春玉米遭受冷害的頻率整體上呈降低趨勢，地區之間存在明顯差異，但東北地區近50a（1961-2010）極端低溫事件呈增加趨勢[38]，其波動性導致冷害發生不確定性增加，故低溫冷害仍是東北三省玉米生產中應關注的重要問題。在氣候變化背景下，應結合冷害發生的新特征做好災害的預警以及災害應急和災后補救預案，并根據天氣預報采取田間管理措施動態調節春玉米生長，防災減災，減小冷害對玉米產量的影響[39-41]。（4）氣候變化背景下，作物的物候期也發生了改變，且農作物作為災害受體存在脆弱性，也同樣增加了低溫對作物的影響。因此，本文進一步明確了東北三省春玉米春玉米延遲型冷害可能發生在5-6月，但仍需進一步結合具體春玉米生育期資料及產量資料，明確不同時期冷害對產量的可能影響，這也是未來有關冷害對東北玉米影響研究的重點方向之一。

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Temporal and Spatial Variations of Agro-meteorological Disasters of Major Crops in China under the Background of Climate Change[I]: Delayed Chilling Damage of Spring Maize in Northeast China

ZHANG Meng-ting1, 2, LIU Zhi-juan1, YANG Xiao-guang1, DONG Chao-yang1, LIU Zi-qi1

(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, CAAS, Beijing 100081)

Based on daily meteorological data from 65 meteorological stations from 1961 to 2010 in the potential areas of spring maize in Northeast China, the spatial and temporal distribution of chilling damage for spring maize was analyzed. The deviations of total monthly mean temperature from May to September were used as the chilling damage index, according to meteorological standard. Meanwhile, the highest risk of occurrence for chilling damage during entire growing season was also identified. The results showed that: (1) During the past 50 years (1961-2010), the area suffered chilling damage was severe＞slight＞moderate. The higher occurrence of slight chilling damage was in the west of Jilin province and the lower value located in the south of Liaoning province. The higher occurrence of moderate chilling damage distributed in several regions of Heilongjiang province and Jilin province, and the lower values located in Liaoning province. The higher occurrence (more than 25%) of severe chilling damage was in the north and south-east of Heilongjiang province and the east of Jilin province, and the lower values (less than 5%) located in the west and middle of Liaoning province. The frequency of all levels of chilling damage decreased during the past 5 decades. In recent 20 years (1991-2010), disaster occurred area decreased significantly. (2) All levels of chilling damage for spring maize mainly occurred in May and June in the study areas. Therefore, the temperature changes and the chilling damage in May and June should be paid more attentions in maize production.

Chilling damage; Temperature deviations; Station proportion; Frequency

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.05.012

2016-01-21**

。E-mail：zhijuanliu@cau.edu.cn

國家科技支撐計劃（2012BAD20B04）

張夢婷（1992-），女，碩士生，研究方向為氣候變化與農業氣候資源。E-mail：mengting_zh@163.com