氣候變化對(duì)黑龍江省生育期內(nèi)玉米產(chǎn)量的影響

戚 穎 白雪峰 李鐵男

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院， 哈爾濱 150006； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

近年來，隨著氣候變化和大氣溫度、二氧化碳濃度的升高，主要水文要素的循環(huán)也會(huì)發(fā)生改變。同時(shí)，全球溫度的持續(xù)升高還可能增加干旱、強(qiáng)降水等極端氣候事件的發(fā)生強(qiáng)度和發(fā)生頻率[1]，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力產(chǎn)生影響。世界糧農(nóng)組織指出氣候變化對(duì)全球農(nóng)作物產(chǎn)量和糧食安全將產(chǎn)生巨大影響[2]。由于氣候變暖，明顯增加了寒冷地區(qū)的有效氣溫，使無(wú)霜期延長(zhǎng)，可能會(huì)造成種植區(qū)的北遷[3]，氣候帶向北移動(dòng)，導(dǎo)致寒區(qū)的糧食生產(chǎn)與種植結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變。一般來說，氣溫的升高會(huì)縮短作物的生育期，尤其是作物的灌漿期會(huì)縮短，這大大影響了作物的品質(zhì)[4]，而且還可能會(huì)導(dǎo)致干旱和病蟲害的發(fā)生[5]。寒區(qū)氣溫的升高，有利于提高糧食產(chǎn)量，ZHOU等[6]的研究表明，在寒地地區(qū)，水稻產(chǎn)量與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，最低溫度上升1℃，水稻產(chǎn)量會(huì)提高3.6%，MENG等[7]的研究表明，如果不改變玉米品種，氣溫的升高不會(huì)提高玉米產(chǎn)量，但由于無(wú)霜期的增加，更換更為合適的高產(chǎn)量玉米品種，則產(chǎn)量將會(huì)發(fā)生明顯提高。盡管技術(shù)和作物品種不斷改進(jìn)，但天氣和氣候仍然是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要不可控制因素。

中國(guó)是世界上最大的農(nóng)業(yè)國(guó)，雖然近些年農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平不斷提高，但是仍以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主，作物產(chǎn)量高度依賴于降水地區(qū)的氣象干濕狀況。如果作物長(zhǎng)時(shí)間處于不利的干濕狀況，就會(huì)影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和最終的產(chǎn)量，進(jìn)而影響糧食安全。因此研究區(qū)域的干濕狀況引起世界眾多科研工作者和決策者關(guān)注。用于評(píng)價(jià)區(qū)域干濕狀況的指標(biāo)比較多，常用的有標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[8]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)[9]、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)[10]等，SPI和SPEI均可用于描述不同尺度的干濕事件，但SPI僅通過降水?dāng)?shù)據(jù)來描述區(qū)域干濕狀況，而SPEI綜合了氣溫和降水評(píng)價(jià)干濕變化。PDSI和SPEI都考慮了降水和氣溫對(duì)干濕狀況的影響，但PDSI的計(jì)算過于繁瑣，而SPEI廣泛應(yīng)用于區(qū)域干濕狀況的研究[11-13]。

黑龍江省是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，玉米是我國(guó)北方主要糧食作物之一，雖然黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平比較高，但仍以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主，糧食產(chǎn)量主要受氣象因素影響。FU等[14]對(duì)多年來黑龍江省的干濕變化進(jìn)行了研究，但該地區(qū)的干濕條件與糧食產(chǎn)量的關(guān)系尚不明確。因此，本文分析1961—2016年黑龍江省降水和氣溫的變化情況和特定作物生長(zhǎng)期的氣象干濕狀況，以確定影響產(chǎn)量最主要的干濕狀況并確定降水、氣溫和干濕狀況對(duì)產(chǎn)量的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于中國(guó)東北部，是中國(guó)緯度最高的地區(qū)(圖1)。東部和北部接壤俄羅斯，西鄰內(nèi)蒙古自治區(qū)，南鄰吉林省，占地面積47.3萬(wàn)km2。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，由南向北可分為溫帶和寒溫帶，由東向西可分為濕潤(rùn)地區(qū)、半濕潤(rùn)地區(qū)和半干旱地區(qū)。多年平均降水量為400～800 mm，多年平均氣溫為-4～6℃。黑龍江省是中國(guó)耕地面積最大的省份之一，也是世界三大黑土帶之一，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平較高，是中國(guó)糧食產(chǎn)量最高的省份之一。

圖1 研究區(qū)域及站點(diǎn)分布Fig.1 Study area and distribution of stations

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域內(nèi)氣象資料的數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，共選擇了數(shù)據(jù)較為完整的26個(gè)站點(diǎn)1961—2016年的月平均降水量、溫度(最高氣溫、平均氣溫和最低氣溫)、風(fēng)速、相對(duì)濕度、平均氣壓和日照時(shí)數(shù)。1986—2016年玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)

本文利用VICENTE-SERRANO等[15]提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)來描述區(qū)域干濕變化特征，該指數(shù)用降水量減去蒸發(fā)量的差值來表示水分的盈虧，以此來判斷干濕程度。

采用FAO-56PM法計(jì)算每個(gè)月的潛在蒸散量(PET)，具體公式為

(1)

式中Δ——飽和水汽壓曲線，kPa/K

Rn——地表凈輻射量，MJ/m2

G——土壤熱通量，MJ/m2

γ——干濕表常數(shù)，kPa/K

T——日均溫度，℃

u2——2 m高處風(fēng)速，m/s

es——飽和水汽壓，kPa

ea——實(shí)際水汽壓，kPa

本文各分量計(jì)算根據(jù)王麗君[16]所采用的公式。

降水量與潛在蒸散量的差值可定義為

Di=Pi-PETi

(2)

式中Pi——某月降水量，mm

PETi——某月潛在蒸散量，mm

Di——某月水分盈虧量[17]，mm

然后對(duì)Di進(jìn)行正態(tài)化處理就可得到每個(gè)差值對(duì)應(yīng)的SPEI指數(shù)。由于Di序列中可能存在負(fù)值，因此利用3個(gè)參數(shù)的Log-logistic概率分布進(jìn)行擬合

(3)

式中α、β、γ′——尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和初始狀態(tài)參數(shù)

其中α、β、γ′可用線性矩的方法擬合獲得，因此SPEI計(jì)算公式為

(4)

其中，c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

概率加權(quán)矩w的公式為

(5)

SPEI具體計(jì)算過程見文獻(xiàn)[15]。

1.4 Mann-Kendall分析法

Mann-Kendall(MK)分析法是世界氣象組織推薦的趨勢(shì)分析方法，已在水文和氣象領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[18-19]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算公式為

(6)

其中

(7)

假設(shè)各變量獨(dú)立同分布，則統(tǒng)計(jì)變量S服從正態(tài)分布，均值為0，方差為

(8)

其中，ti為任意給定結(jié)點(diǎn)的范圍，當(dāng)n>10時(shí)，MK統(tǒng)計(jì)量為

(9)

在給定α置信度水平上，查正態(tài)分布表，若Z≥Z1-α/2或Z≤Z1-α/2則原始時(shí)間序列存在明顯上升或者下降趨勢(shì)。

1.5 主成分分析法

主成分分析是一種常用的降維方法，常用來對(duì)水文和氣象領(lǐng)域的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降維[20-21]。通過將原始的相關(guān)變量減少到幾個(gè)不相關(guān)的新的變量來解釋總方差，新的變量稱為主成分(PC)，由原始變量的線性組合組成。本文應(yīng)用了26個(gè)SPEI6的序列，因此有26個(gè)主成分，線性關(guān)系為

(10)

其中(a11,a12,…,akk)是系數(shù)矩陣元素，(Xi,1,Xi,2,…,Xi,k)為各氣象站的原始序列，Y(Yi,1,Yi,2,…,Yi,k)是可以解釋所有方差的重要變量。為了獲得更穩(wěn)定的局部干/濕模式，用方差最大的旋轉(zhuǎn)方法[22]來選擇所有主成分(PCs)，已被證明是更好的降維方法[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長(zhǎng)季氣候變化特征

利用1.4節(jié)提到的MK趨勢(shì)分析法來描述黑龍江省降水量、平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫的變化趨勢(shì)，MK趨勢(shì)分析計(jì)算所得的Z值，正值代表時(shí)間序列呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，負(fù)值代表時(shí)間序列呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)Z>1.96或Z<-1.96，趨勢(shì)在95%的置信度水平上顯著。黑龍江省26個(gè)氣象站點(diǎn)玉米生育期內(nèi)降水量和氣溫的變化趨勢(shì)如表1所示。

如表1所示，總體而言，除大興安嶺地區(qū)的漠河站降水量呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)外，其余地區(qū)降水量變化趨勢(shì)均不顯著，大部分地區(qū)降水量呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(shì)，中部部分地區(qū)降水量多呈現(xiàn)減小趨勢(shì)?？傮w上來看，除黑龍江省各地區(qū)的平均氣溫呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)且絕大部分地區(qū)的增長(zhǎng)趨勢(shì)超過了99%水平的置信度檢驗(yàn)，黑龍江省各地區(qū)最高氣溫均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，西部齊齊哈爾、泰來等地區(qū)增長(zhǎng)趨勢(shì)不顯著；除漠河站最低氣溫呈現(xiàn)減小趨勢(shì)外，黑龍江省所有地區(qū)最低氣溫呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，僅呼瑪站最低氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)不顯著，其他地區(qū)氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)同平均氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)相似，增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著。

表1 黑龍江省氣候要素MK統(tǒng)計(jì)量Tab.1 Changing trend of climatic factors in Heilongjiang Province

玉米生育期內(nèi)，黑龍江省各地區(qū)的多年平均降水量在164.8～1 004.6 mm之間，降水空間分布不均勻，總體格局為中部和南部降水量最大，東部降水量較大，西部和北部降水量最小。生育期內(nèi)降水主要集中在6—9月，與黑龍江省雨季時(shí)間吻合。在氣溫變化過程中，隨著全球的氣候變暖，位于寒地地區(qū)的黑龍江省玉米生育期內(nèi)各地區(qū)氣溫也呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)且變暖率高于全球平均值。

2.2 基于SPEI6的黑龍江干濕狀況分析

降水和氣溫所決定的氣候干濕狀況，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要限制因素，因此對(duì)區(qū)域水資源干濕評(píng)價(jià)和確定旱澇發(fā)生狀況非常重要。為了確定黑龍江省玉米生長(zhǎng)季的區(qū)域干濕變化特征，基于玉米生長(zhǎng)的全生育期，選擇4—9月尺度的SPEI6描述區(qū)域的干濕變化。利用旋轉(zhuǎn)主成分分析法對(duì)玉米生育期內(nèi)各站點(diǎn)的SPEI6進(jìn)行劃分，將具有相似干濕變化特征的站點(diǎn)劃分到一起，在主成分個(gè)數(shù)的選取上，通常旋轉(zhuǎn)主成分的累計(jì)方差達(dá)到70%以上是合理的，如表2所示，累計(jì)方差超過了70%，因此，選擇劃分成5個(gè)主成分是合理的。旋轉(zhuǎn)荷載表示SPEI序列和其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)主成分的相關(guān)性，對(duì)區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷相似干濕變化的子區(qū)間進(jìn)行空間劃分時(shí)，通常旋轉(zhuǎn)荷載的閾值超過0.6被認(rèn)為是合理的，因此，利用Arcgis中的反距離權(quán)重法在空間中展示，如圖2所示。

表2 前5個(gè)主成分的累計(jì)方差Tab.2 Explained variance of the first five principal components %

圖2 1961—2016年前5個(gè)旋轉(zhuǎn)荷載(子區(qū)域)和相應(yīng)的SPEI6系列Fig.2 The first five rotary loads (sub-region) and corresponding SPEI6 series from 1961 to 2016

如圖2a、2c、2e、2g、2i所示，主成分分析法將黑龍江省分為了西部、中部、東部、西北部以及東南部5個(gè)子區(qū)域(第1～5子區(qū)域)，為更好地了解各子區(qū)域的干濕變化情況，統(tǒng)計(jì)了各子區(qū)域內(nèi)包含的站點(diǎn)，對(duì)區(qū)域的干濕狀況進(jìn)行了分析，如圖2b、2d、2f、2h、2j所示。在玉米生育期內(nèi)，濕潤(rùn)化的趨勢(shì)主要集中在黑龍江省西北部和東南部，黑龍江省自東向西大部分地區(qū)主要呈現(xiàn)干旱化趨勢(shì)。干濕變化特征的不同可能是由于黑龍江省復(fù)雜的地形特征影響，黑龍江省內(nèi)全年主要受西南風(fēng)、東南風(fēng)和南風(fēng)的影響，位于東南部的長(zhǎng)白山脈，西北部的大興安嶺山脈和東北部的小興安嶺山脈對(duì)這些盛行風(fēng)的屏障作用，使得高海拔山區(qū)產(chǎn)生豐富的降水，而位于距離山地較遠(yuǎn)的地區(qū)，尤其是中部平原地區(qū)，降水相對(duì)較少，因此形成如圖2a、2c、2e、2g、2i所示的黑龍江省獨(dú)特的干濕變化特征，主成分分析法能很好地將黑龍江省分為5個(gè)子區(qū)域，因此，在制定玉米種植規(guī)劃或玉米生育期內(nèi)的水資源規(guī)劃時(shí)，應(yīng)該分開考慮這些子區(qū)域。

2.3 影響黑龍江省氣象產(chǎn)量的主要月SPEI3的選擇

根據(jù)黑龍江省玉米的單位面積產(chǎn)量資料，通過滑動(dòng)平均法將單位面積產(chǎn)量分離成趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量[24-25]，通過計(jì)算所得的氣象產(chǎn)量和干旱指數(shù)SPEI進(jìn)行相關(guān)性分析，研究1961—2016年玉米生育期內(nèi)SPEI指數(shù)和氣象產(chǎn)量之間的關(guān)系。根據(jù)玉米不同的生育階段特點(diǎn)，將玉米生長(zhǎng)期分為4個(gè)階段：生育前期、出苗期-吐絲期、孕穗期-灌漿期和吐絲期-成熟期。東北地區(qū)玉米通常在4月下旬到5月初進(jìn)行播種，所以生育前期對(duì)應(yīng)玉米的生育期為3—5月，用SPEI3-5表示。玉米通常在7月吐絲，所以出苗期-吐絲期對(duì)應(yīng)玉米生育期5—7月，用SPEI3-7表示。孕穗期-灌漿期，對(duì)應(yīng)玉米生育期6—8月，用SPEI3-8表示。吐絲期-成熟期，對(duì)應(yīng)玉米生育期7—9月，用SPEI3-9表示。不同玉米生育期SPEI3與氣象產(chǎn)量的關(guān)系如圖3所示。

圖3 氣象產(chǎn)量與干旱指數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between meteorological yield and drought index

如圖3所示，有4個(gè)地區(qū)(大慶、伊春、綏化和大興安嶺)的氣象產(chǎn)量與SPEI3-8相關(guān)系數(shù)最大，有4個(gè)地區(qū)(哈爾濱、佳木斯、雞西和黑河)的氣象產(chǎn)量與SPEI3-8相關(guān)系數(shù)比較大。而且，由于東北玉米灌漿期較南方稍晚一點(diǎn)(8月左右)，這是玉米需水的關(guān)鍵時(shí)期，此期間比正常濕潤(rùn)的條件對(duì)籽粒灌漿更有利，因此6—8月的干濕狀況SPEI3-8是影響玉米產(chǎn)量的主要因素。

由圖3還可知，氣象產(chǎn)量與不同時(shí)期干濕狀況呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的地區(qū)(哈爾濱、佳木斯、雞西和伊春)主要分布在黑龍江省東部地區(qū)，由于玉米是耐旱喜溫作物，黑龍江省東部地區(qū)的降水較多，可能影響了玉米的生長(zhǎng)發(fā)育。氣象產(chǎn)量與不同時(shí)期干濕狀況呈現(xiàn)正相關(guān)的地區(qū)(齊齊哈爾、牡丹江、大慶和綏化)主要分布在黑龍江省的西部地區(qū)，該地區(qū)屬于干旱-半干旱化地區(qū)，降水較少，因此可能更適合玉米的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.4 降水、氣溫、干旱狀況與作物產(chǎn)量的關(guān)系

2.4.1干濕狀況對(duì)產(chǎn)量的影響

為進(jìn)一步探究氣象產(chǎn)量與干旱之間的關(guān)系，根據(jù)2.3節(jié)得知不同地區(qū)氣象產(chǎn)量與其關(guān)系最密切的干旱指數(shù)SPEI，對(duì)氣象產(chǎn)量與關(guān)系最密切的SPEI進(jìn)行回歸分析。SPEI與氣象產(chǎn)量的回歸結(jié)果如表3所示。大慶和綏化地區(qū)的氣象產(chǎn)量與干旱指數(shù)的回歸方程顯著(P<0.01)，齊齊哈爾、黑河和大興安嶺地區(qū)的氣象產(chǎn)量與干旱指數(shù)的回歸方程顯著(P<0.05)。

當(dāng)二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)值時(shí)，曲線與x軸的兩交點(diǎn)分別代表旱、澇閾值，x軸正方向與曲線相交的區(qū)域?yàn)橛衩自霎a(chǎn)區(qū)，負(fù)軸方向?yàn)楹禎碁?zāi)害造成產(chǎn)量損失的區(qū)域，頂點(diǎn)為旱澇最優(yōu)狀況值[26]，其縱坐標(biāo)值為可能的最大增產(chǎn)量。齊齊哈爾地區(qū)SPEI3-8值位于[-0.20，2.73]區(qū)間時(shí)增產(chǎn)，當(dāng)SPEI3-8為1.27時(shí)達(dá)到旱澇最優(yōu)狀況，玉米最大增產(chǎn)量為267.03 kg/hm2。綏化地區(qū)SPEI3-8值位于[-0.99，1.17]區(qū)間時(shí)增產(chǎn)，當(dāng)SPEI3-8為0.09 時(shí)達(dá)到旱澇最優(yōu)狀況，玉米最大增產(chǎn)量為295.83 kg/hm2。大慶地區(qū)SPEI3-8值位于[-0.71，1.69]區(qū)間時(shí)增產(chǎn)，當(dāng)SPEI3-8為0.49時(shí)達(dá)到旱澇最優(yōu)狀況，玉米最大增產(chǎn)量為 575.48 kg/hm2。黑河地區(qū)SPEI3-8值位于[-2.19，0.34]區(qū)間時(shí)增產(chǎn)，當(dāng)SPEI3-8為-0.9時(shí)達(dá)到旱澇最優(yōu)狀況，玉米最大增產(chǎn)量為 327.61 kg/hm2。

表3 1986—2016年黑龍江省SPEI與玉米氣象產(chǎn)量回歸分析Tab.3 Regression analysis of meteorological yield of maize and SPEI in Heilongjiang Province in 1986—2016

注：*表示95%的置信度水平，** 表示99%的置信度水平。

綏化地區(qū)的回歸方程對(duì)稱軸SPEI在0附近，說明綏化地區(qū)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育與當(dāng)?shù)氐臍夂虮容^匹配，能夠保證正常的生產(chǎn)或增產(chǎn)，若進(jìn)一步提高水資源利用效率和更高效的水資源優(yōu)化配置則可進(jìn)一步提高玉米產(chǎn)量。齊齊哈爾、雞西、大慶、伊春和大興安嶺地區(qū)對(duì)稱軸的SPEI值為正值，說明這些地區(qū)的玉米生產(chǎn)與當(dāng)?shù)貧夂虿黄ヅ?，雞西、伊春、大興安嶺地區(qū)對(duì)稱軸SPEI值很大，為保證玉米正常產(chǎn)量可能需要投入大量水資源。哈爾濱、牡丹江、佳木斯、黑河地區(qū)對(duì)稱軸的SPEI值為負(fù)值，這些地區(qū)的玉米生產(chǎn)與當(dāng)?shù)貧夂蛞膊黄ヅ?，和齊齊哈爾等地區(qū)不同，為保證區(qū)域玉米正常的生產(chǎn)或增產(chǎn)，需進(jìn)行良好的田間管理措施和合理的水資源優(yōu)化配置。

2.4.2降水量和氣溫對(duì)產(chǎn)量的影響

降水量和氣溫是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，因此對(duì)降水量和氣溫與玉米氣象產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，確定影響作物產(chǎn)量更為主要的因素。降水量和氣溫與玉米氣象產(chǎn)量關(guān)系如圖4所示。

圖4 降水量和氣溫與玉米氣象產(chǎn)量關(guān)系Fig.4 Relationship between precipitation, temperature and maize meteorological yield

由圖4可以得出，哈爾濱、齊齊哈爾、大慶、綏化和牡丹江地區(qū)與降水量呈正相關(guān)，佳木斯、雞西、伊春、黑河、大興安嶺地區(qū)呈負(fù)相關(guān)，由于玉米是耐旱作物，佳木斯等地區(qū)位于黑龍江省降水多值區(qū)，因此降水比較多，可能會(huì)影響玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，而哈爾濱、齊齊哈爾、大慶、綏化等地區(qū)位于黑龍江省西部干旱-半干旱化地區(qū)，降水偏少，因此可能更適合玉米的生長(zhǎng)發(fā)育。

大部分地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量與平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，哈爾濱地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量與平均氣溫和最低氣溫相關(guān)關(guān)系顯著，與最高氣溫相關(guān)系數(shù)也很大；牡丹江地區(qū)與平均氣溫和最高氣溫相關(guān)關(guān)系顯著；大興安嶺地區(qū)與最高氣溫相關(guān)關(guān)系顯著。大慶和綏化地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量與氣溫相關(guān)關(guān)系不大，說明該地區(qū)溫度比較適宜玉米生長(zhǎng)。由于玉米是喜溫作物，所以大部分地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量與氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，氣溫的增長(zhǎng)可能利于黑龍江省玉米的生長(zhǎng)。

3 討論

一般來說，玉米作為喜溫作物，在不同的生育階段對(duì)溫度有不同的要求，玉米種子在10～12℃時(shí)發(fā)芽；開花期不僅要求溫度達(dá)到25～28℃，還要求濕度適宜；在籽粒形成階段和灌漿階段最適宜的溫度是20～24℃。玉米生育期內(nèi)溫度過高或過低均會(huì)在不同程度上影響玉米的最終產(chǎn)量。LIU等[27]對(duì)黃淮海地區(qū)玉米產(chǎn)量的研究發(fā)現(xiàn)，短期的極端氣溫變化對(duì)作物生長(zhǎng)至關(guān)重要，尤其是極端氣溫變化發(fā)生在作物主要生育時(shí)期時(shí)。陳鵬獅等[28]的研究表明，玉米在三葉-七葉期的葉面積指數(shù)與平均氣溫相關(guān)性顯著。王曉群等[29]的研究表明，在玉米的吐絲至乳熟期最低溫度、平均溫度和最高溫度的升高使玉米的禿尖比減小，穗粒數(shù)和顆粒質(zhì)量增加。本研究中發(fā)現(xiàn)黑龍江省氣溫變化是影響玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

玉米的生長(zhǎng)發(fā)育也需要大量的水，而且很容易形成田間水澇，尤其在玉米的孕穗灌漿期，需水量達(dá)到最大，此時(shí)氣溫較高，若在此時(shí)發(fā)生大雨，則可能會(huì)造成玉米根系缺氧，對(duì)產(chǎn)量的影響很大。WAHA等[30]研究表明，在撒哈拉以南的非洲地區(qū)，雨季降水的減少將嚴(yán)重影響玉米的產(chǎn)量，甚至超過氣溫對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。梁烜赫等[31]利用灰色關(guān)聯(lián)法分析了吉林省氣象因子與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在吉林省西部干旱地區(qū)，降水量與作物產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系顯著。陳鵬獅等[28]的研究發(fā)現(xiàn)，遼寧省玉米地上干質(zhì)量與降水量相關(guān)關(guān)系最顯著。本研究中，發(fā)現(xiàn)降水對(duì)黑龍江省玉米產(chǎn)量的影響比較小，這可能是由于位于高緯度寒區(qū)的黑龍江省在大多數(shù)情況下，由于氣溫相對(duì)較低，降水量通常大于植被的蒸散發(fā)量，因此造成降水對(duì)作物影響比較小，氣溫是影響作物生長(zhǎng)的主要因素[32]。

國(guó)內(nèi)外已有一些專家學(xué)者進(jìn)行了區(qū)域干濕狀況對(duì)作物產(chǎn)量影響的研究，LI等[33]利用SPEI確定了影響伊犁河流域小麥產(chǎn)量的最主要的月份及尺度，SPEI值增加0.5，伊犁地區(qū)小麥產(chǎn)量約上升3%。MING等[34]研究結(jié)果表明6—8月干旱是影響華北平原玉米產(chǎn)量的主要時(shí)期。PENA-GALLARDO等[35]利用SPEI分析了美國(guó)5種主要旱地作物的年產(chǎn)量對(duì)不同時(shí)間尺度干旱的響應(yīng)，得出在潮濕環(huán)境中，作物產(chǎn)量與干旱嚴(yán)重程度之間的關(guān)系較弱，而且這種反應(yīng)往往發(fā)生在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上。本研究中，發(fā)現(xiàn)黑龍江省玉米產(chǎn)量主要與6—8月的SPEI3-8關(guān)系密切，由于6—8月是玉米需水量最高的時(shí)期也是生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期，而且黑龍江省降水主要集中在6—8月，所以用來反映這一階段干濕狀況的SPEI3-8能夠準(zhǔn)確地量化區(qū)域干濕狀況對(duì)玉米產(chǎn)量的影響[36]。

本研究以黑龍江省玉米為研究對(duì)象，主要研究了玉米生育期內(nèi)氣候變量的時(shí)空變化和氣候變量與玉米氣象產(chǎn)量之間的關(guān)系，研究結(jié)果為黑龍江省玉米生產(chǎn)適應(yīng)未來氣候變化提供了科學(xué)依據(jù)，為地方政府部門制定抗旱減災(zāi)和作物空間布局規(guī)劃提供了科學(xué)技術(shù)支持。但研究中也存在不足，除降水、氣溫以及干濕狀況以外的影響玉米產(chǎn)量的因素，如生育期內(nèi)霜凍[37]、覆膜條件的不同[38]、不同類型土壤[39]、不同時(shí)期的補(bǔ)充灌溉[40]都會(huì)對(duì)玉米的產(chǎn)量產(chǎn)生影響，張?jiān)陪尩萚41]研究結(jié)果表明，除豐水年外，有效降雨量難以滿足玉米的需水要求,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同降雨年型在抽雄期和灌漿期進(jìn)行適量灌溉。聶堂哲等[42]的研究指出, 黑龍江省玉米生育期內(nèi)有效降水量和玉米需水量總體呈下降趨勢(shì), 但有效降水量的下降幅度大于玉米需水量下降幅度, 使得玉米灌溉需水形勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻。因此，應(yīng)在玉米生育期對(duì)黑龍江省玉米進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，以保證玉米正常的生長(zhǎng)發(fā)育，但黑龍江省玉米補(bǔ)充灌溉的研究不足，有待進(jìn)一步研究。此外，不同的玉米品種對(duì)當(dāng)?shù)貧夂騕43]和灌溉制度[44]的響應(yīng)也不盡相同。因此，準(zhǔn)確分析氣候變量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，構(gòu)建多因素評(píng)價(jià)模型來評(píng)價(jià)氣候變量及其對(duì)產(chǎn)量影響，是未來重要的研究方向。

4 結(jié)論

(1)黑龍江省大部分地區(qū)降水呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，中部部分地區(qū)降水多呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。除大興安嶺地區(qū)的漠河站降水呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)外，其余地區(qū)降水變化趨勢(shì)均不顯著。

(2)在玉米生育期內(nèi)，濕潤(rùn)化的趨勢(shì)主要集中在黑龍江省西北部和東南部，黑龍江省自東向西大部分地區(qū)主要呈現(xiàn)干旱化趨勢(shì)。

(3)黑龍江省大部分地區(qū)玉米氣象產(chǎn)量與SPEI3-8相關(guān)關(guān)系顯著。負(fù)相關(guān)站點(diǎn)主要分布在降水量較大的東部地區(qū)，正相關(guān)主要分布在降水量較小的西部地區(qū)，黑龍江省西部地區(qū)氣候條件更適合玉米生長(zhǎng)。

(4)綏化地區(qū)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育與當(dāng)?shù)氐臍夂虮容^匹配，能夠保證正常的生產(chǎn)或增產(chǎn)；齊齊哈爾、雞西、大慶、伊春和大興安嶺地區(qū)為保證玉米正常產(chǎn)量可能需要投入大量水資源；哈爾濱、牡丹江、佳木斯、黑河地區(qū)為保證區(qū)域玉米正常的生產(chǎn)或增產(chǎn)，需進(jìn)行良好的田間管理措施和合理的水資源優(yōu)化配置。

(5)相對(duì)于氣溫與玉米氣象產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，降水對(duì)玉米產(chǎn)量的影響較小，由于黑龍江省地處高緯度寒區(qū)，受全球氣候變化影響，氣溫增長(zhǎng)比較顯著，降水變化相對(duì)較小，且由于玉米的喜溫耐旱性，因此黑龍江省氣溫變化是影響玉米產(chǎn)量的主要因素。