近年来, 气象灾害频繁多发, 对我国农业经济的发展造成了极大影响。尤其是有“黄金玉米带”之称的东北地区, 仅2017年, 黑龙江、吉林、辽宁省的作物受灾总面积约为3.48×10⁶ hm², 其中干旱灾害受灾面积达2.25×10⁶ hm², 洪涝灾害受灾面积约7.53×10⁴ hm², 共占总受灾面积的86.2%, 可见旱涝灾害严重影响了东北地区春玉米(Zea mays)的生产。对区域旱涝趋势的演变进行研究, 探究旱涝趋势在时间和空间上的发展变化, 有助于因地制宜地制定防灾减灾措施, 优化资源配置, 从而削弱旱涝灾害对区域农业造成的损失。

研究表明, 考虑水分供需关系的旱涝指标更能真正反映农田湿润程度和旱涝状况^[1]。曹永强等^[2]计算河北省典型作物的有效降雨量及作物需水量, 借助水分盈亏指数分析了不同水文年作物的缺水情况。Zhang等^[3]选取4个干旱风险指数, 用现有模型进行校正, 构建吉林省1981—2014年玉米干旱动态风险评估模型来分析玉米生育阶段内水分胁迫对玉米的影响。Wang等^[4]利用SPEIbass v2.4数据集提取内蒙古标准化降水蒸散指数, 利用加性季节与趋势断点分析技术(breaks for additive seasonal and trend, BFAST)研究了干旱的时空变化和干旱聚集特征。Supit等^[5]根据作物生长监测系统的蒸散模型, 结合Penman-Monteith公式分析了气候变化下欧洲大田作物水分亏缺的时空变化。黄晚华等^[6]利用水分亏缺指数探讨了湖南省春玉米干旱情况的季节性和空间区域性。但作物需水量受土壤、气候、作物生长状况和管理方式等诸多因素影响^[7], 不同区域作物系数具有一定差异, 不能一概而论。且作物旱涝灾害的发生, 不仅与同时段的水分条件有关, 还与前一时段的水分盈亏量有关。因此本文按照作物生长系数特征将东北地区划为14个分区, 利用1958—2017年78个站点的气象数据, 计算累积水分盈亏指数, 结合M-K检验法, 分析研究区近60年春玉米各生育期内旱涝程度及旱涝频率的时空演变, 以期为东北地区玉米种植区的农业灌排和防灾减灾提供理论依据。

1 研究区概况

东北农作区耕地面积约占全国耕地面积的15%, 是我国主要的商品粮种植基地。东北地区也是中国玉米主产区之一, 包括黑龙江省、吉林省、辽宁省及内蒙东部的通辽市和赤峰市, 该区多年平均降水量在500~800 mm, 雨热同期, 在春玉米生育期内较易发生旱涝灾害。故本文以东北地区为研究区, 依据春玉米生长特征, 对研究区进行分区, 如图 1所示。

2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源 2.1.1 气象数据

本文选取东北玉米产区内78个气象台站1958—2017年的逐日气象数据, 包括平均气温、最高气温、最低气温、降水量、平均风速、日照时数、相对湿度(图 1)。数据资料均来自国家气象信息中心(https://data.cma.cn/)中国地面气候资料日值数据集(V3.0), 并对个别缺测值和突变值进行空间插补、同期均值代替和异常值剔除等处理(异常值占比 < 0.1%)。

2.1.2 春玉米作物系数

国际粮农组织(FAO)建议玉米生育期划分为初始生长期、发育期、生育中期和生育后期。结合东北地区春玉米的品种和生长特点, 根据文献[8-9]和田间数据, 确定了东北地区春玉米各生育阶段的起止时间(表 1)。参考FAO计算的和前人修订的玉米作物系数^{[7, 10]}, 根据北方春玉米干旱等级标准^[11]中列出的北方春玉米作物系数, 以及研究区的地理位置, 以月为单位确定研究区各地区的春玉米作物系数值(表 2), 逐日计算春玉米需水量, 累加得出各个生育阶段内的阶段需水量。

2.2 研究方法 2.2.1 春玉米生育期内累积水分盈亏指数的计算

水分盈亏指数(crop water surplus deficit index, CWSDI)是以某时段参考作物蒸散量为需水指标, 以同一时段有效降雨量为供水指标, 该指数能准确地表征作物各生育期及全生育期的水分盈亏程度, 公式如下:

$ {\rm{CWSD}}{{\rm{I}}_i} = \frac{{{P_{{\rm{e}}i}} - {\rm{E}}{{\rm{T}}_{{\rm{c}}i}}}}{{{\rm{E}}{{\rm{T}}_{{\rm{c}}i}}}} \times 100{\rm{\% }} $

(1)

一个时段的水分盈亏程度, 不仅取决于当期水分供需条件, 还受到前期水分盈亏量的影响。考虑到前期水分状况对后期影响的大小和持续时间有限, 故在公式中加入前10日的水分盈亏量作为盈亏累积部分, 计算累积水分盈亏指数, 公式如下:

$ {\rm{CWSD}}{{\rm{I}}_i}^\prime = \frac{{\left( {{p_{{\rm{e}}10}} - {\rm{E}}{{\rm{T}}_{{\rm{c}}10}}} \right) + \left( {{p_{{\rm{e}}i}} - {\rm{E}}{{\rm{T}}_{{\rm{c}}i}}} \right)}}{{{\rm{E}}{{\rm{T}}_{{\rm{c}}i}}}} \times 100{\rm{\% }} $

(2)

式中: $\text{CWSD}{{\text{I}}_{i}}^{\prime }$为某一时段内累积水分盈亏指数; ${{p}_{\text{e}i}}$为i生育阶段内日有效降雨量的总和, mm; ET_ci为i生育阶段内作物总需水量, mm; p_e10为研究时段前10日累积降水量, mm; ET_c10为研究时段前10日累积需水量, mm。其中P_e采用降雨有效利用系数法^[1]进行计算, ET_c采用FAO推荐的Penman- Monteith公式^[12]和作物系数法计算^[13]。

2.2.2 旱涝标准的确立

根据王蕊等^[14]的研究, 基于北方春玉米干旱等级标准^[11]中以水分亏缺指数划分干旱等级的基础, 根据累积水分盈亏指数值的大小划分旱涝等级标准, 并选择较易受干旱影响的辽宁西北部和吉林西部的部分站点作为验证数据, 将验证数据的结果与统计年鉴中的灾情数据对比, 来验证作物系数值及旱涝标准确定的合理性, 最终确定了研究区玉米旱涝等级划分标准(表 3)。

2.2.3 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法是由Mann和Kendall提出并发展起来的一种非参数统计方法, 亦称无分布检验, 其不要求样本遵从一定的分布, 且检验结果基本不受少数异常值的干扰。在进行突变检验时, 本文取显著性水平α=0.05, 利用MATLAB软件进行编程计算, 得到UF、UB两列数据, 将UF、UB两条曲线和U_0.05=±1.96两条直线绘在同一张图上。若UF的值大于0, 则表明序列呈上升趋势, 如果UF和UB出现交点, 且交点在U_0.05=±1.96之间, 那么交点时刻即为突变开始的时间, 当UF的值超出U_0.05=±1.96的区间时, 表明上升或下降趋势显著。在Mann-Kendall趋势检验中, 当M-K统计变量Z值大于0时, 表示时间序列数据随着时间的推移呈增加趋势, 小于0时表示呈减少趋势, 且Z的绝对值超过1.64或2.32时, 分别对应趋势检验的显著性水平为0.05、0.01^[15]。M-K趋势检验已被世界气象组织推荐并已广泛应用于降水、径流、气温和水质等的分析研究^[16]。

3 结果与分析 3.1 东北地区春玉米不同生育阶段旱涝时空分布特征 3.1.1 基于累积水分盈亏指数的春玉米生育期内旱涝分布时间变化

为分析CWSDI′的变化特征, 基于M-K突变检验法, 绘图分析了近60年春玉米各生育期内CWSDI′的变化趋势(图 2)。

春玉米全生育期内, 60年间CWSDI′普遍小于0, 最低值是1999年的-39.63%, UF和UB曲线的交点出现在1965年、2011年和2014年, 但未超过U_0.05=±1.96, 没有发生重大突变。自1965年起, CWSDI′整体呈下降趋势。播种—出苗阶段, 突变发生在1999—2001年间, 大多数年份水分亏缺, 1983年和2010年CWSDI′较高, 水分盈余情况严重, 整体呈不显著上升趋势; 出苗—拔节阶段的水分亏缺最严重, 其中1994年CWSDI'仅为-86.17%, 无明显突变; 拔节—抽穗阶段CWSDI′值在1964—1983年间呈下降趋势, 最低值出现在1997年; 抽穗—乳熟阶段在1967年以前, UF值大于0, CWSDI′值呈上升趋势, 1970年之后CWSDI′值年际间波动较大, 最大值是1985年的108.66%, 1995年左右出现水分盈余情况; 乳熟—成熟阶段, 研究区内65%的年份出现水分亏缺, 突变点发生在1965—1970年和1987年, 最大值和最小值分别是1987年和1977年。即在春玉米整个生育期内的前3个生育阶段CWSDI′值大体呈上升趋势, 后两个生育阶段呈下降趋势。

为进一步分析研究区内近60年旱涝情况的变化特征, 基于表 3的玉米旱涝等级划分标准, 从78个站点中分别筛选出CWSDI′值达到干旱标准和洪涝标准的站点, 分别计算出各年每个生育阶段CWSDI′值达到旱、涝标准的站点的均值, 并基于M-K检验法分别对旱、涝均值序列进行趋势检验, 绘图分析各生育期内旱涝情况的变化趋势(图 3)。

由图 3可知, 全生育期内, 自20世纪90年代末期, 干旱略有加重, 洪涝最大值出现在2014年(124.84%), 中涝及以上的发生频率占50%。播种—出苗阶段, 洪涝CWSDI′呈周期性上升趋势, 表明洪涝加重, 干旱情况自1991年有所缓解; 出苗—拔节阶段, 干旱年际间波动较大; 拔节—抽穗阶段, 干旱和洪涝CWSDI′的60年均值分别为-66.53%和76.10%, 旱涝程度是5个生育阶段中最轻的; 抽穗—乳熟阶段的干旱情况自1965年起呈加重趋势; 乳熟—成熟阶段干旱CWSDI′的60年均值低至-83.36%, 该阶段洪涝程度相比其他阶段也较重。总体来看, 研究区内干旱情况自20世纪90年代逐渐加重, 较重的阶段是出苗—拔节和乳熟—成熟阶段; 而洪涝情况除播种—出苗阶段发生洪涝的趋势明显上升外, 其余4个阶段均呈波动变化无明显趋势。

3.1.2 东北地区近60年累积水分盈亏指数变化趋势空间分布特征

对各站点1958—2017年东北春玉米各生育期的CWSDI'值进行M-K趋势检验, 并根据M-K统计量Z值进行空间插值, 得到研究区CWSDI'时间变化趋势的空间分布图(图 4)。

全生育期内, 研究区内88.6%的区域CWSDI'都呈下降趋势, 仅黑龙江省内的部分地区呈上升趋势。吉林中部部分地区的M-K统计量Z值超过了显著性α=0.01时的临界值-2.32, 表明CWSDI'呈极显著下降趋势。播种—出苗阶段, 仅黑龙江北部春玉米CWSDI'呈下降趋势, 其他地区呈上升趋势, 研究区内大部分地区水分盈亏指数的变化趋势都较显著, 研究区内自西向东, CWSDI'上升趋势逐渐加重; 出苗—拔节阶段, 研究区内92.2%的区域CWSDI'都呈上升趋势, 黑龙江中部、西部和北部的变化趋势较为显著; 拔节—抽穗阶段, 大部分地区CWSDI'都没有明显变化趋势; 抽穗—乳熟阶段, 研究区的中部、西南部和黑龙江东部CWSDI'有显著下降趋势; 乳熟—成熟阶段, CWSDI'整体呈下降趋势, 其中下降趋势超过95%置信水平的面积达52%, 这是由于近年来气候变化, 极端天气增加, 春玉米生长季温度增高加快^[17], 导致了干旱。越到生育后期, 下降趋势越为明显, 研究区内仅播种—出苗阶段存在CWSDI'大面积显著上升趋势的情况。

3.2 东北地区春玉米各生育期不同旱涝等级发生频率时空变化特征 3.2.1 近60年不同旱涝等级发生频率的时间变化特征

根据近60年东北地区各站点的水分盈亏指数确定玉米的旱涝等级(表 3), 统计各站点各生育阶段及全生育期发生不同等级旱涝的次数, 与总年数之比即为旱涝发生频率。计算各生育期内20世纪60年代、70年代、80年代、90年代和21世纪00年代、10年代(以下简称60年代、70年代、80年代、90年代、00年代、10年代)各旱涝等级的发生频率, 年代间变化趋势见图 5。

全生育期内发生轻旱的频率最高, 约为16.5%~25.5%(约4~6年一遇), 其次是中旱和轻涝, 70年代和00年代发生旱涝灾害的频率整体较高。播种—出苗阶段, 各等级干旱的发生频率均呈下降趋势, 洪涝频率上升, 上升最明显的是特涝。出苗—拔节阶段, 特旱的发生频率波动较大。抽穗—乳熟阶段, 除特旱、特涝的发生频率较高外, 其余旱涝等级的频率均在0~10%内波动。乳熟—成熟阶段的特旱发生频率最高, 在00年代达到38.2%。整体看, 播种—出苗、乳熟—成熟阶段的干旱发生频率高于其他3个生育期, 故应在玉米刚刚种植的生育初期和后期及时结合各分区情况进行及时灌溉。发生轻旱和特旱的频率高于其他旱级, 00年代干旱情况最严重。各等级的洪涝发生频率中, 特涝频率明显高于其他洪涝等级, 其次是轻涝, 即洪涝的发生较为极端, 且年代间波动较大。

3.2.2 近60年不同旱涝程度发生频率空间分布特征

分别计算春玉米各生育阶段发生轻、中、重、特旱, 轻、中、重、特涝的频率并进行插值, 结果见图 6。全生育期内, 内蒙东部、黑龙江西部、吉林西部、辽西北地区的轻旱频率和内蒙地区的中旱频率在30%以上, 研究区内约1/2地区小概率发生重旱, 仅吉林西部和黑龙江西部的部分地区有1.66%的频率发生特旱, 研究区内干旱发生的严重性及频率均自西向东递减。辽宁东部、吉林东部、黑龙江南部和中部轻涝的发生频率较高, 大部分地区不易发生洪涝。

轻旱在春玉米抽穗—乳熟和乳熟—成熟阶段的发生频率均较低; 中旱和重旱在各生育阶段内的频率分布差异不大; 播种—出苗阶段, 特旱频率超过20%的区域主要集中在研究区的西部, 出苗—抽穗阶段, 该等级开始由西向东扩展, 至抽穗—乳熟阶段, 研究区内特旱频率大于20%的区域达到研究区总面积的45.6%, 乳熟—成熟阶段, 研究区东部的特旱情况有所缓解, 西部持续加重, 是旱情最重的阶段。播种—出苗及拔节—抽穗阶段, 吉林东部和黑龙江中部的轻涝频率相比较大, 其余地区各生育阶段的轻、中、重涝发生频率基本都小于5%, 吉林东部、辽宁东部和黑龙江中、北部的特涝发生频率较高, 整个研究区的东北和东南部较易发生洪涝灾害。总的来说, 研究区内春玉米前3个生育阶段较易发生轻旱, 在各生育阶段中, 吉林西部和辽宁西部玉米的中旱及重旱发生频率均比其他地区高, 研究区西部特旱发生频率最高, 特旱的发生频率分布呈现最明显的区域性, 轻涝集中在黑龙江中、南部、吉林东部和辽宁东部, 中、重涝几乎不发生, 特涝发生频率的空间分布与特旱的空间分布相反。

4 结论

在全球气候变暖的大背景下, 农区旱涝灾害对我国粮食作物的影响和给农业经济带来的损失不断加剧, 因此, 如何有效地掌握农业旱涝灾害发展趋势引起越来越多学者们的关注^[18-20]。本文以东北地区春玉米为研究对象, 基于综合考虑水分供需平衡的累积水分盈亏指数划分旱涝等级, 以分析近60年春玉米各生育阶段旱涝发生情况的时空演变, 结果如下:

1958—2017年, 研究区内春玉米初始生长期和发育期的3个生育阶段CWSDI'值大体呈上升趋势, 生育中后期的两个生育阶段呈下降趋势。仅播种—出苗阶段, 研究区东南部存在CWSDI'大面积显著上升的情况, 整体来看, 越到生育后期, 下降趋势越明显, 与前人研究结果大体一致^[21], 乳熟—成熟阶段的下降趋势最重, 但无明显区域性。研究区内干旱情况自20世纪90年代逐渐加重, 拔节—成熟干旱程度年际间波动较大, 出苗—拔节和乳熟—成熟阶段干旱较为严重。这是由于气候变化导致降水量无法补偿由增温引起的蒸散量增加, 造成近年来春玉米缺水加剧^[22]。而研究区玉米洪涝情况在播种—出苗阶段呈上升趋势, 其余阶段均呈波动变化无明显趋势。拔节—抽穗阶段和乳熟—成熟阶段分别是旱涝最轻和最重的阶段。

从旱涝灾害的发生频率来看, 研究区内干旱频率远高于洪涝频率。轻旱较易发生在前3个生育阶段, 各生育阶段轻涝的频率在0~8%内波动, 春玉米各生育阶段发生中、重旱, 中、重涝的频率整体较低。特旱、特涝频率最高的分别为乳熟—成熟阶段和抽穗—乳熟阶段, 时间序列上, 20世纪70年代和21世纪00年代干旱整体较重。空间上, 研究区中西部(内蒙东部、辽宁西北部、吉林西部)发生严重干旱的频率较高且整体较易受旱灾影响。轻涝集中在黑龙江中、南部, 吉林东部和辽宁东部, 中、重涝几乎不发生, 特涝发生频率的空间分布与特旱的空间分布大体相反。

农业是对气候变化反映最为敏感的产业, 近年来东北地区气候的显著变化, 进一步扩大了该区农业水资源供应不足的缺口。为抓住制定防灾措施的重难点, 今后应更加关注主要粮食作物在面对旱涝灾害时的内在响应。本研究仅从春玉米水分供需的角度上宏观地考虑区域内春玉米旱涝情况, 并未考虑其内在生长机理对气候变化的响应, 今后还需结合作物生长模型, 模拟春玉米生长过程以动态分析其与环境因子的相互作用。