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，使無霜期延長，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。

中國是世界上最大的農(nóng)業(yè)國，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。如果作物長時(shí)間處于不利的干濕狀況，就會(huì)影響作物的生長發(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]。

黑龍江省是中國重要的糧食生產(chǎn)基地，玉米是我國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

黑龍江省位于中國東北部，是中國緯度最高的地區(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地區(qū)、半濕潤地區(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Di進(jìn)行正態(tài)化處理就可得到每個(gè)差值對應(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。

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 生長季氣候變化特征

利用1.4節(jié)提到的MK趨勢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，MK趨勢分析計(jì)算所得的Z值，正值代表時(shí)間序列呈現(xiàn)上升趨勢，負(fù)值代表時(shí)間序列呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)Z>1.96或Z<-1.96，趨勢在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)顯著增長趨勢外，其余地區(qū)降水量變化趨勢均不顯著，大部分地區(qū)降水量呈現(xiàn)不顯著增加趨勢，中部部分地區(qū)降水量多呈現(xiàn)減小趨勢?？傮w上來看，除黑龍江省各地區(qū)的平均氣溫呈現(xiàn)顯著增長趨勢且絕大部分地區(qū)的增長趨勢超過了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)增長趨勢，西部齊齊哈爾、泰來等地區(qū)增長趨勢不顯著；除漠河站最低氣溫呈現(xiàn)減小趨勢外，黑龍江省所有地區(qū)最低氣溫呈現(xiàn)增加趨勢，僅呼瑪站最低氣溫增長趨勢不顯著，其他地區(qū)氣溫增長趨勢同平均氣溫增長趨勢相似，增長趨勢顯著。

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季的區(qū)域干濕變化特征，基于玉米生長的全生育期，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序列和其對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)主成分的相關(guān)性，對區(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)，濕潤化的趨勢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。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-吐絲期對應(yīng)玉米生育期5—7月，用SPEI3-7表示。孕穗期-灌漿期，對應(yīng)玉米生育期6—8月，用SPEI3-8表示。吐絲期-成熟期，對應(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，此期間比正常濕潤的條件對籽粒灌漿更有利，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)的回歸方程對稱軸SPEI在0附近，說明綏化地區(qū)玉米的生長發(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降水量和氣溫對產(chǎn)量的影響

降水量和氣溫是影響作物生長發(fā)育的重要因素，因此對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。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，氣溫的增長可能利于黑龍江省玉米的生長。

3 討論

一般來說，玉米作為喜溫作物，在不同的生育階段對溫度有不同的要求，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作物生長至關(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，由于氣溫相對較低，降水量通常大于植被的蒸散發(fā)量，因此造成降水對作物影響比較小，氣溫是影響作物生長的主要因素[32]。

國內(nèi)外已有一些專家學(xué)者進(jìn)行了區(qū)域干濕狀況對作物產(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5種主要旱地作物的年產(chǎn)量對不同時(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)域干濕狀況對玉米產(chǎn)量的影響[36]。

本研究以黑龍江省玉米為研究對象，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, 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愈發(fā)嚴(yán)峻。因此，應(yīng)在玉米生育期對黑龍江省玉米進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，以保證玉米正常的生長發(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)增長趨勢，中部部分地區(qū)降水多呈現(xiàn)減小趨勢。除大興安嶺地區(qū)的漠河站降水呈現(xiàn)顯著增長趨勢外，其余地區(qū)降水變化趨勢均不顯著。

(2)在玉米生育期內(nèi)，濕潤化的趨勢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。

(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。

(4)綏化地區(qū)玉米的生長發(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)相對于氣溫與玉米氣象產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，降水對玉米產(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，氣溫增長比較顯著，降水變化相對較小，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。