黑龍江省旱作玉米生產降水利用效率潛力演變特征

趙 放, 王 銳, 田寶星, 趙慧穎, 林偉楠, 李秀芬

(1.寧夏大學 農學院, 銀川 750021; 2.哈爾濱市氣象局, 哈爾濱 150028;3.中國氣象局 東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開放實驗室, 哈爾濱 150030; 4.黑龍江省氣象科學研究所, 哈爾濱 150030;5.成都信息工程大學 大氣科學學院, 成都 610225; 6.內蒙古自治區(qū)陳巴爾虎旗氣象局, 內蒙古 巴彥庫仁鎮(zhèn) 021500)

黑龍江省地處中高緯度、地球環(huán)境變率最大的季風氣候區(qū)，亦是典型的雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，氣候變化非常劇烈，對作物生長影響較大[1]，作物生長季(5—9月)降雨量為310～510 mm，時空分布極不均勻，且與作物需水關鍵期之間出現嚴重供需錯位[2-3]，是制約旱作農業(yè)區(qū)糧食生產的主要因素。黑龍江省旱作玉米生長期需水量大，在氣候變暖的背景下，水分則是控制玉米生長發(fā)育主要生態(tài)因子。因此，研究旱作玉米生產降水利用效率演變特征，提高玉米產量、無效降水的有效轉化已成為目前倍受關注的研究內容[4-6]。

玉米是全球最重要的糧食作物之一，為全球94個國家超過45億人口提供了30%的食物熱量[7]。玉米(ZeamaysL)是我國第一大糧食作物，而北方地區(qū)玉米在我國玉米產業(yè)中占有舉足輕重的地位，其中，黑龍江省玉米播種面積占全國玉米總播種面積的10%，產量占全國玉米總產量的9%左右，玉米產量的波動不僅影響黑龍江的糧食總產量，還與國家糧食安全息息相關[8-9]。已有研究成果表明，氣溫的升高和降水量的減少必然會導致干旱化程度的加重，直接導致玉米產量下降[10-12]。黑龍江省是我國降水量減少趨勢明顯的地區(qū)之一[13]，氣候變化背景下因降水量偏少使干旱呈現常態(tài)化，隨著全球變暖，干旱對玉米的影響程度加重趨勢明顯[14-15]。目前，關于旱作玉米降水利用效率的成果報道較多，一類從品種、種植方式和農技措施改變的角度研究水分利用率[16-17]，另一類從玉米實際單產和農業(yè)氣候資源利用率的角度分析水分利用率[18-19]，但基于氣候生產潛力的角度研究降水利用效率的成果十分鮮見。因此，本文利用黑龍江省玉米生育期數據、玉米生長季內的氣象數據計算玉米氣候生產潛力及降水利用效率潛力，旨在揭示旱作玉米生產降水利用效率潛力時空演變特征，明確北方地區(qū)旱作玉米對降雨量響應程度，為有效制定旱作玉米種植規(guī)劃和農業(yè)氣候資源高效利用及保障糧食安全提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于我國最東北部，北緯43°26′—53°33′，東經121°11′—135°05′，總面積4.73×105km2。地勢大致是西北部、北部和東南部高，東北部、西南部低，主要由山地、臺地、平原和水域構成。屬溫帶大陸性季風氣候。農業(yè)界限溫度≥10℃積溫為1 800～2 800℃，年降水量為400～650 mm，6—8月為集雨期，無霜期為100～150 d。以旱作為主的農業(yè)主要分布在西部的松嫩平原和東北部的三江平原，適宜玉米、水稻、大豆生產。在氣候變暖的背景下，干旱是糧食安全的最大威脅。

1.2 資料來源

本文所用氣象資料來源于黑龍江省氣象局83個基本氣象站，剔除觀測年代不足10 a及數據不連續(xù)的3個臺站的資料。最終選取80個氣象站1961—2017年逐日氣象資料及玉米生育期資料，各縣級單元玉米產量資料，1∶250 000地理信息數據，所有資料分別來自黑龍江省氣象局、統計局和國家基礎地理信息中心(NGCC)(研究區(qū)氣象站點分布見圖1)。

1.3 研究方法

1.3.1 降水利用效率潛力計算 作物降水利用效率一般為作物實際單產與作物生長季降水量總和之比[20]，而本研究把降水利用效率定義為降水利用效率潛力，即作物氣候生產潛力與作物生長季降水量總和之比[21]。計算公式：

WUE=YW/∑R

式中:WUE為玉米生長季內的降水利用效率潛力；YW為玉米氣候生產潛力(kg/hm2)；∑R為玉米生長季內的降水總量(mm)。

1.3.2 氣候生產潛力(YW)計算模型 本研究采用聯合國糧食和農業(yè)組織(FAO)推薦的逐步訂正法來計算玉米氣候生產潛力[1,21-22]，本研究選定玉米生長季為5—9月。氣候生產潛力的計算公式如下:

YW=Q×f(Q)×f(t)×f(W)
=YQ×f(t)×f(W)
=YT×f(W)

式中:YW為氣候生產潛力(kg/hm2)；Q為作物生長季(5—9月)的太陽總輻射(MJ/m2)；f(Q)為光合有效系數；YQ為單位面積光合生產力(kg/hm2)；f(t)為作物光合作用的溫度訂正系數；f(W)為水分訂正系數;YT為光溫生產力(kg/hm2)。

圖1 研究區(qū)氣象站點分布

1.3.3 EOF經驗正交函數 EOF經驗正交函數[23]又稱為主分量分析方法，在對變量場特征進行分解時能將多個變量大部分信息最大限度地集中在有限個獨立變量的主分量上，即將m個空間點n次觀測值構成變量Xm×n分解為p個空間特征向量和對應的時間權重系數的線性組合：Xm×n=Vm×pTp×n

A=X·XT

VTAV=Λ

式中：V，Λ分別是A陣特征向量組成的正交陣和特征值組成的對角陣。時間函數滿足T·TT=Λ，則T=VT·X。本文用于分析降水利用效率潛力空間變化特征。

1.3.4 小波分析方法 本文采用小波分析理論[24-25]分析玉米氣候生產潛力序列隨時間的變化和周期變化。

令滿足一定條件的小波函數ψ(t)，時間序列f(t)∈L2(R)的小波變換為：

為了判斷各序列的主要周期，即對氣候序列變化起主要作用的周期，采用小波方差檢驗：

式中：Wp(a)為小波方差。在一定的時間尺度下，小波方差表示時間序列在該尺度中周期波動的強弱，對應峰值處的尺度即為該序列的主要時間尺度，即主要周期。

2 結果與分析

2.1 玉米降水利用效率潛力時間變化特征

由圖2和表1可知，近60 a來，黑龍江省玉米降水利用率潛力變化總趨勢為“M”型曲線，呈現兩高兩低態(tài)勢，6階主旨方程通過了0.001的信度檢驗(p≤0.001)。1961—2017年平均玉米降水利用效率潛力為46.0 kg/(hm2·mm),最大值為58.2 kg/(hm2·mm)，最小值33.4 kg/(hm2·mm)。玉米降水利用效率潛力階段性變化顯著，1961—1979年和1992—1998年為上升階段，玉米降水利用效率潛力平均值、最大值、最小值分別為47.1，58.2，34.8，46.7，51.8，38.5 kg/(hm2·mm)；1980—1991年和1999—2017年為下降階段，玉米降水利用效率潛力平均值、最大值、最小值分別為43.6，50.5，37.8，48.5，58.1，33.4 kg/(hm2·mm)。如果將圖2“M”型曲線沿對稱軸切開，1988年為對稱點，分割成兩個時間段為1961—1988年和1989—2017年，前28 a和后29 a演變趨勢一致，玉米降水利用效率潛力平均值后29 a比前28 a偏多1.5 kg/(hm2·mm)，最大值和最小值相差不大，前后兩個時間段變化趨于穩(wěn)定，呈現微升態(tài)勢。

圖2 1961-2017年玉米降水利用效率潛力變化

時段WUEavgWUEmaxWUEmin變化特征1961—197947.158.234.8上升期1980—199143.650.537.8下降期1992—199846.751.838.5上升期1999—201748.558.133.4下降期1961—198846.058.234.8一升一降1989—201747.558.133.4一升一降1961—201746.858.233.4兩升兩降

2.2 玉米降水利用效率潛力周期變化特征

小波分析顯示，黑龍江省1961—2017年旱作玉米降水利用效率潛力存在不同時間尺度的周期變化特征(圖3)，這種變化主要體現在28，15，5，8 a共4種時間尺度的周期變化，最高峰值為尺度和主周期依次為28,15,5,8 a，且在其左右的周期振蕩最強。這4個周期波動控制著整個時域內的旱作玉米降水利用效率潛力變化特征。

圖3 1961-2017年旱作玉米降水利用效率潛力小波方差

2.3 玉米降水利用效率潛力空間變化特征

EOF分析得出研究區(qū)玉米降水利用效率潛力的前3個特征向量的方差貢獻依次為44.5%，10.9%，7.6%，累計方差貢獻為63.0%，因此，可以反映該區(qū)域玉米降水利用效率潛力的空間分布特征。第1特征向量方差貢獻率為44.5%，體現該區(qū)域玉米降水利用效率潛力變化的顯著空間分布狀態(tài)。如圖4所示，黑龍江省玉米降水利用效率潛力呈現一致的正變化趨勢，并形成閉合的高值區(qū)域，大致位置為黑河—齊齊哈爾東南部—大慶—哈爾濱—七臺河—雙鴨山—佳木斯—鶴崗—伊春，區(qū)內高值中心在黑河的德都和鶴崗市附近且等值線密集，低值中心在大興安嶺地區(qū)的呼瑪以北地區(qū)及牡丹江市的寧安和東寧一帶，且等值線相對稀疏。高值區(qū)域玉米降水利用效率潛力振幅變化不大，其他區(qū)域以高值區(qū)域為中心向外側逐漸遞減。第1特征向量所對應的時間序列圖4表征的研究區(qū)域玉米降水利用效率潛力年際趨勢變化，可以看出第1特征向量的時間系數為-118～139，絕對值最大，表示這一時刻玉米降水利用效率潛力年際趨勢變化差異較大，最大值出現在2001年，最小值出現在1966年。

圖4 黑龍江省玉米降水利用率潛力第1特征向量和時間系數

第2特征向量方差貢獻率為10.9%，也是研究區(qū)玉米降水利用率潛力一種較顯著的空間分布狀態(tài)。如圖5所示，黑龍江省玉米降水利用效率潛力空間分布呈現正、負相間的變化趨勢，區(qū)內高值中心在克山、龍江附近，中心特征值絕對值在0.2以上且等值線密集，低值中心在虎林、林口附近且等值線密集。第2特征向量值為正負相間，玉米降水利用效率潛力變化呈相反位相的分布型式，這種分布類型，突出呈現了玉米降水利用效率潛力更小地理單元分布狀況差異。由圖5可以看出，特征向量時間系數絕對值為0～90，年際變化相對平緩，最大值出現在2003年，最小值出現在2001年，分布型式相反特征明顯。

圖5 黑龍江省玉米降水利用效率潛力第2特征向量和時間系數

第3特征向量方差貢獻率為7.6%，與第2特征向量空間模態(tài)基本相似，只是等值線密集程度降低，對研究區(qū)玉米降水利用效率潛力空間分布具有一定的指示意義。如圖6所示，黑龍江省玉米降水利用效率潛力空間分布呈現正、負相間的變化趨勢，區(qū)內高值中心在黑河的孫吳附近，低值中心在齊齊哈爾的泰來附近且等值線密集。由圖6可以看出，特征向量時間系數絕對值為0～66，年際變化相對減小，最大值出現在1994年，最小值出現在1999年，分布型式相反特征明顯。

圖6 黑龍江省玉米降水利用效率潛力第3特征向量和時間系數

2.4 玉米降水利用率潛力與實際降水利用率對比分析

分析玉米降水利用率潛力與實際降水利用率的差值，可以反映不同區(qū)域玉米生產能力提升的程度。由圖7可知，黑龍江省玉米降水利用率潛力與實際降水利用率的差值分布與玉米降水利用效率潛力分布基本一致，全省差值為6～52 kg/(hm2·mm)，大、小興安嶺偏北地區(qū)為6～30 kg/(hm2·mm)，其他地區(qū)為30～52 kg/(hm2·mm)，高值區(qū)域大致位置為齊齊哈爾東南部—大慶—哈爾濱閉合區(qū)域，區(qū)內高值中心在齊齊哈爾的泰來[52 kg/(hm2·mm)]和大慶市的杜爾伯特[50 kg/(hm2·mm)]附近，且等值線趨于密集，低值中心在大興安嶺地區(qū)的呼中[6 kg/(hm2·mm)]以北地區(qū)及伊春市的烏伊嶺[16 kg/(hm2·mm)]一帶，且等值線相對稀疏。

圖7 黑龍江省玉米降水利用效率潛力與實際降水利用率差值

3 討論與結論

黑龍江省地區(qū)幅員遼闊，地形及氣候變化復雜，灌溉條件較差，旱作農業(yè)占有相當比重，農用耕地1.2×107hm2，在氣候變暖背景下，旱作農業(yè)的控制因子主要是降水量，其次是生長季前期的土壤水分，在基本無灌溉條件下，降水利用效率則是農田生產效果的重要評價指標[4]。以往研究農田氣候資源利用效率成果，大多采用作物實際單產與各級產量潛力的比率表征氣候資源利用效果[1]，該指標能整體反映一個地區(qū)可以利用的氣候資源，但不能單獨針對降水利用效率進行分析，而本文選取的是王曉煜等[21]的研究方法，計算單位面積上單位旱作玉米氣候生產潛力與降水量的比值，重點揭示了旱作玉米降水利用效率潛力時空演變特征及降水量對玉米產量的貢獻，為提高玉米降水利用效率和產量提供科學依據。

黑龍江省玉米降水利用效率潛力空間分布呈現閉合的高值區(qū)域，大致位置為黑河—齊齊哈爾東南部—大慶—哈爾濱—七臺河—雙鴨山—佳木斯—鶴崗—伊春，區(qū)內高值中心在黑河的德都和鶴崗市附近，低值中心在大興安嶺地區(qū)的呼瑪以北地區(qū)及牡丹江市的寧安和東寧一帶，高值區(qū)域玉米降水利用效率潛力振幅變化穩(wěn)定，其他區(qū)域以高值區(qū)域為中心向外側逐漸遞減。這一趨勢與東北地區(qū)作物生長季內降水量的空間分布特征一致[26]。1961—2017年玉米降水利用效率潛力呈現階段性微升態(tài)勢，1961—1979年和1992—1998年為上升階段，1980—1991年和1999—2017年為下降階段，上升和下降幅度在33～59 kg/(hm2·mm)之間，玉米降水利用效率潛力平均值后29 a比前28 a偏多1.5 kg/(hm2·mm)，且存在4種時間尺度的周期變化，主周期依次為28，15，5，8 a。對于玉米降水利用率潛力提升空間而言，齊齊哈爾東南部—大慶—哈爾濱閉合區(qū)域尚有30～52 kg/(hm2·mm)潛力可以挖掘，在大興安嶺地區(qū)的呼中[6 kg/(hm2·mm)]以北地區(qū)及伊春市的烏伊嶺[16 kg/(hm2·mm)]一帶挖掘潛力較小。

玉米各生育期對水分都十分敏感，干旱是影響玉米生長發(fā)育和產量的最主要災害，在黑龍江省玉米中晚熟品種全生育期總耗水量一般為500～1 000 mm[27]，而實際作物生長季(5—9月)降雨量為310～510 mm，時空分布極不均勻，且與作物需水關鍵期之間出現嚴重供需錯位[2-3]，玉米生理需水量常常虧缺，因降水量少導致干旱是制約旱作玉米農業(yè)區(qū)糧食生產的主要因素。降水又是黑龍江省旱作玉米主要水分來源[21]。盡管研究區(qū)旱作玉米降水利用效率潛力[46.8 kg/(hm2·mm)]較東北地區(qū)[33 kg/(hm2·mm)]偏高[21]，但玉米降水利用效率潛力還有10～50 kg/(hm2·mm)的提升空間。要想提高玉米降水利用效率潛力，對于玉米生長嚴重缺水地區(qū)，灌溉無疑是解決玉米生理干旱的有效方法，但黑龍江省自然降水量多少在短期內無法改變，又不具備大面積灌溉條件，挖掘玉米降水利用效率潛力唯一途徑，只能采取農業(yè)技術措施。如可以采取改良土壤、提高地力、增加農業(yè)技術投入、加強蓄水保墑耕作、培育和推廣新品種以及優(yōu)化作物布局等措施[21]。不同的玉米種植區(qū)域，可以根據玉米生長所需要的耗水量，結合短期氣候預測，選擇適宜品種及品種搭配布局，采用集雨種植、覆膜種植和密植種植方式，推廣免耕和深松耕保水保墑技術，優(yōu)化施肥和秸稈還田等增加土壤肥力措施，有效提高玉米產量及降水量利用效率[2-3,5,16-17]。

本研究分析旱作玉米降水利用效率潛力的目的旨在了解當地玉米在雨養(yǎng)條件下能夠達到的最高產量，在氣候變暖的背景下，理想認為降水量多少及其有效利用是驅動玉米產量高低的重要因子，而沒有考慮玉米生長前期土壤水分的作用、光溫水資源有效匹配及其氣象災害的限制,雖然本研究結論可為黑龍江省優(yōu)化農業(yè)結構布局提供參考依據,但暖干化氣候對旱作農業(yè)穩(wěn)產高產帶來的正效應能否獲得最大發(fā)揮,還需要精細的、高分辨率的數據和嚴謹的、多元的試驗驗證以及更深層面的研究。