李玖穎 王欣亮 王忠波,3 聶堂哲

(1.黑龍江省灌溉排水與節(jié)約用水技術(shù)中心， 哈爾濱 150040； 2.東北農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030； 4.黑龍江大學水利電力學院， 哈爾濱 150080)

0 引言

黑龍江省是我國糧食生產(chǎn)大省，大豆在全省范圍內(nèi)廣泛種植，截止2017年大豆種植面積達373.5萬hm2，占黑龍江省種植面積的25.3%[1]。黑龍江省是氣候變化的敏感地區(qū)，氣候變化導致作物生長發(fā)育和需水量產(chǎn)生相應的變化，各地氣候、降雨和作物生長期的分布差異也導致作物水分供需的空間差異[2-4]，因此，區(qū)域尺度下作物水分供需時空分布特征研究得到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[5-8]。已有學者對黑龍江省作物水分供需規(guī)律進行了研究[9-13]，隨著黑龍江省大豆種植面積和大豆出口占比的增加，研究確定大豆水分供需情況對制定農(nóng)業(yè)灌溉方案、合理利用農(nóng)業(yè)水資源和作物生產(chǎn)決策與保障糧食安全具有借鑒和指導意義[14-16]。胡惠杰等[17]對東北大豆需水量進行了分區(qū)分析，但分區(qū)范圍過大，且研究區(qū)未包括黑龍江省西北部大豆種植地區(qū)，因此難以對黑龍江省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行指導。解文娟等[18]對東北三省大豆干旱時空特征進行了分析，但并未對黑龍江省大豆生育期內(nèi)有效降雨量和需水量的時空分布特征進行分析。

黑龍江省屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，春季干旱頻繁，春夏連旱高發(fā)，干旱已經(jīng)成為威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的主要農(nóng)業(yè)災害[19-20]，研究黑龍江省大豆生育期內(nèi)的干旱情況對預防旱災和保證糧食安全具有重要意義。在干旱研究和旱情評價中，關(guān)鍵是明確干旱指標[21]，目前常用的兩類指標為：①反映水分供應狀況的降水指標，如降雨距平百分率[22]、Z指數(shù)、標準化降雨指數(shù)[23-24]、連續(xù)無降水日[25]等。②反映水分供需變化的指標，如氣象干旱指數(shù)(CI)[26]、Palmer指標、相對濕潤指數(shù)[27]、作物水分虧缺指數(shù)[28]、作物水分盈虧指數(shù)。作物水分盈虧指數(shù)能夠較好地反映植物、土壤和氣象三者的綜合影響，已有一些學者利用水分盈虧指數(shù)對作物干旱進行評價研究[29-31]。

本文基于黑龍江省28個氣象站1966—2015年的逐日氣象資料和20個農(nóng)業(yè)氣象站1991—2008年大豆生育期的觀測資料，計算大豆生育期內(nèi)有效降雨量、需水量和水分盈虧指數(shù)及三者的氣候傾向率，并繪制相應的分布圖；利用水分盈虧指數(shù)制定黑龍江省大豆干旱等級，并利用《中國氣象災害大典黑龍江卷》[32]進行驗證，計算黑龍江省大豆各生育階段發(fā)生干旱頻率；選取省內(nèi)不同地區(qū)的典型站對有效降雨量、需水量、水分盈虧指數(shù)、干旱頻率和干旱強度進行分析。旨在為黑龍江省合理分配灌溉水資源和預防旱災提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取黑龍江省28個氣象站1966—2015年的逐日氣象資料：降雨量、最高氣溫、最低氣溫、平均風速、平均相對濕度、日照時數(shù)，20個農(nóng)業(yè)氣象站1991—2008年大豆的生育期觀測資料，以上資料均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/site/index.html)，干旱災害資料來源于《中國氣象災害大典黑龍江卷》[32]。圖1為研究區(qū)域及氣象站和農(nóng)業(yè)氣象站的分布情況。

1.2 研究方法

1.2.1生育期的劃分

依據(jù)FAO-56將大豆生育期劃分為4個階段，即生長前期、快速發(fā)育期、生長中期和生長后期[33]，根據(jù)黑龍江省20個農(nóng)業(yè)氣象站1991—2008年的生育期觀測資料，假定在研究時段內(nèi)大豆的品種和作物系數(shù)不變，確定各地區(qū)大豆播種日期、成熟日期和各生育階段平均天數(shù)，對于沒有生育期觀測資料的氣象站，選取臨近的并與其在同一積溫帶內(nèi)的農(nóng)業(yè)氣象站觀測數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)，如表1所示。

表1 氣象站點劃分Tab.1 Division of weather stations

1.2.2有效降雨量

對于旱田作物，有效降雨量指總降雨量能夠保存在作物根系層中的降雨量，用于滿足作物需要水分，不包括地表徑流和滲漏至作物根系吸水層以下的部分，本文有效降雨量采用美國農(nóng)業(yè)土壤保持局(USDA)推薦的方法計算，公式為

(1)

式中P——月降雨量，mm

Pe——月有效降雨量，mm

1.2.3作物需水量

大豆作物需水量采用單作物系數(shù)法計算，大豆各生育階段及生育期內(nèi)總需水量由生育期內(nèi)逐日需水量累加得出，根據(jù)大豆不同生育期內(nèi)的作物系數(shù)可以計算大豆需水量，公式為

ETc=KcET0

(2)

式中ET0——參照作物需水量，mm

Kc——作物系數(shù)

ETc——作物實際需水量，mm

采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式計算參考作物需水量ET0，計算公式為

(3)

式中Rn——作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)

G——土壤通熱量密度，MJ/(m2·d)

T——2 m高度處的日平均氣溫，℃

es——飽和水氣壓，kPa

ea——實際水氣壓，kPa

u2——生長中期2 m高度處平均風速，m/s

Δ——飽和水氣壓與溫度曲線斜率，kPa/K

γ——溫度計常數(shù)，kPa/K

根據(jù)FAO-56的推薦，在最小相對濕度為45%、平均風速為2 m/s、無水分脅迫、管理水平較高條件下大豆生長前期、生長中期和生長后期的作物系數(shù)Kcini、Kcmid(Tab)和Kcend(Tab)分別為0.4、1.15和0.5。由于黑龍江省春季降雨頻率較低、降雨量較少和大氣蒸發(fā)強度較弱，故對Kcini未進行修正，Kcmid和Kcend修正公式為[33]

Kcmid=Kcmid(Tab)+ [0.04(u2-2)-0.004(RHmin-45)](3/h)0.3

(4)

(5)

式中Kcmid——修正后大豆生長中期作物系數(shù)

Kcend——修正后大豆生長后期作物系數(shù)

RHmin——日最低相對濕度，%

h——生育階段內(nèi)作物平均高度，m

1.2.4生育階段水分盈虧指數(shù)

為了更加準確地反映研究區(qū)內(nèi)大豆4個生育期的需水特性及水分供應狀況，以各生育階段需水量為需水標準，以有效降雨量為供水標準，基于作物水分虧缺指數(shù)及濕潤指數(shù)構(gòu)建大豆生育階段水分盈虧指數(shù)(Crop water surplus deficit index,CWSDI)表征水分盈虧程度[29]，計算公式為

(6)

式中i——生育階段，1～4分別為生長前期、快速發(fā)育期、生長中期、生長后期

Pei——i階段有效降雨量

ETci——i階段作物需水量

1.2.5生育階段水分盈虧指數(shù)干旱等級標準

參照相對濕潤指數(shù)及水分虧缺指數(shù)干旱等級和已有的研究結(jié)果[18,34-37]制定大豆水分盈虧指數(shù)干旱強度等級，同時利用代表氣象站災害資料進行驗證，確定大豆生育階段水分盈虧指數(shù)的干旱等級標準。

1.2.6干旱頻率和干旱強度

統(tǒng)計大豆各生育階段不同等級的作物干旱級別和次數(shù)，得到各站點相應等級作物發(fā)生干旱的頻率F和干旱強度T[38]，公式為

(7)

(8)

式中Hi——1966—2015年相應等級干旱次數(shù)

N——總年數(shù)，為50

Ei——大豆第i個生育階段的50年干旱強度之和

1.2.7氣候傾向率

將氣候變化趨勢用一次線性方程表示，即

y(t)=b0+bt

(9)

式中y(t)——氣象要素擬合值

t——對應年份b、b0——回歸系數(shù)

把10b稱作氣候傾向率。

則趨勢變化率方程為

(10)

1.2.8趨勢檢驗

2、加強栽培管理：適當增施有機肥，提高土壤肥力，促進植株健壯生長。適時灌溉，提高土壤濕度，創(chuàng)造一個不利于線蟲生存的土壤環(huán)境，可減輕植株受害。已經(jīng)發(fā)病的地塊及時灌水和適當追肥，可使植株恢復正常生長

Mann-Kendall檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計方法，對于非正態(tài)分布的水文氣象數(shù)據(jù)Mann-Kendall秩序相關(guān)檢驗具有更加突出的適用性。Z為統(tǒng)計變量，正負值表示數(shù)據(jù)變化趨勢，Z的絕對值高于2.56、2.32、1.64和1.28時，表示通過置信度99.9%、99%、95%和90%顯著性檢驗[39]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用CROPWAT 8.0軟件計算黑龍江省28個氣象站有效降雨量、需水量進而計算大豆水分盈虧指數(shù)，根據(jù)制定的干旱指標計算干旱頻率，利用Matlab 2014b計算氣候傾向率，并進行Mann-Kendall趨勢檢驗，利用ArcMap 10.2工具箱的空間分析功能對有效降雨量、需水量、水分盈虧和干旱頻率進行空間插值并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆生育期有效降雨量的變化趨勢

1966—2015年黑龍江省大豆生育期內(nèi)年平均有效降雨量及氣候傾向率空間分布如圖2所示。由圖2a可知，大豆生育期內(nèi)年均有效降雨量為253～370 mm，平均值為321 mm，自西向東表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，高值主要集中在中部地區(qū)的伊春、鐵力、鶴崗、尚志、通河和慶安一帶，均大于330 mm，低值主要集中在西部地區(qū)的泰來、齊齊哈爾和安達，均小于280 mm，東部的寶清、富錦、雞西和牡丹江一帶接近平均值。由圖2b可知，大豆生育期有效降雨量的氣候傾向率為-6.16～9.09 mm/(10a)，平均值為2.41 mm/(10a)，克山、北安、明水和綏芬河等地升高速率較快，分別為8.3、8.7、9.5、9.1 mm/(10a)，雞西、呼瑪、富裕和依蘭變化趨勢不明顯，分別為-0.2、0.02、0.01、0.09 mm/(10a)，有16個站點呈上升趨勢，9個站點呈下降趨勢，安達、北安通過了α=0.1顯著性檢驗，克山、明水和綏芬河通過了α=0.05顯著性檢驗。

圖2 年平均有效降雨量及其氣候傾向率空間分布Fig.2 Distributions of effective precipitation and climatic trend rate

圖3 各生育階段有效降雨量分布Fig.3 Distributions of effective precipitation at each growth stage

1966—2015年黑龍江省大豆生育期各階段內(nèi)有效降雨量如圖3所示，生長前期年均有效降雨量為24～51 mm，平均值為40 mm，由西部到東部呈遞增趨勢；快速發(fā)育期年均有效降雨量為55～76 mm，平均值為64 mm；生長中期年均有效降雨量為122～164 mm，平均值為143 mm；生長后期年均有效降雨量為48～89 mm，平均值為72 mm?？傮w上看，快速發(fā)育期、生長中期、生長后期有效降雨量空間分布均呈中部高，西部和東部低的趨勢，南北差異不大。從生育前期到生育末期有效降雨量呈先增加后減小的趨勢，有效降雨量在生長中期最大，占平均有效降雨量總量的44.5%。

各生育階段有效降雨量氣候傾向率的空間分布如圖4所示，生長前期有效降雨量的氣候傾向率為0.62～6.06 mm/(10a)，平均值為2.92 mm/(10a)，研究區(qū)域內(nèi)所有站點有效降雨量均呈上升趨勢，上升速率較高的在綏芬河、牡丹江、泰來和呼瑪?shù)鹊?，安達、北安、牡丹江、嫩江、泰來和鐵力均通過α=0.1顯著性檢驗，鶴崗、呼瑪和綏芬河均通過α=0.05顯著性檢驗；快速發(fā)育期有效降雨量氣候傾向率為-2.46～4.11 mm/(10a)，平均值為0.61 mm/(10a)，西部地區(qū)泰來、齊齊哈爾、安達和富裕有效降雨量呈上升趨勢，東部12個站點有效降雨量呈小幅度下降趨勢，占總站點的42.9%，傾向率零值線在尚志、慶安、伊春和孫吳一帶，僅鶴崗在α=0.05水平上顯著上升；生長中期有效降雨量氣候傾向率為-5.19～5.17 mm/(10a)，平均值為0.25 mm/(10a)，14個站點有效降雨量呈下降趨勢，西部地區(qū)的克山、明水和海倫等地有效降雨量呈上升趨勢，南部的通河、尚志一帶和東部地區(qū)的鶴崗、富錦、佳木斯一帶有效降雨量均呈下降趨勢，鶴崗地區(qū)在α=0.05水平上顯著下降，綏芬河地區(qū)在α=0.05水平上顯著上升，牡丹江在α=0.1的水平上顯著上升；生長后期有效降雨量氣候傾向率為-5.15～3.35 mm/(10a)，平均值為-1.34 mm/(10a)，21個站點有效降雨量呈下降趨勢，占總站點的75%，西部地區(qū)有效降雨量呈下降趨勢，東部地區(qū)有效降雨量呈上升趨勢，有效降雨量氣候傾向率零值主要分布在通河、牡丹江和依蘭等地，變化趨勢不明顯，富裕、嫩江、鶴崗和安達等地在α≤0.1的水平上顯著下降。生長前期有效降雨量總體呈上升趨勢，生長中期有效降雨量總體呈下降趨勢，除生長后期外，其他時段西部地區(qū)有效降雨量均呈上升趨勢，除快速發(fā)育期，東南部地區(qū)有效降雨量均呈上升趨勢。

圖4 各生育階段有效降雨量氣候傾向率分布Fig.4 Distributions of climatic trend rate of effective precipitation at each growth stage

2.2 大豆生育期內(nèi)需水量的變化趨勢

圖5 大豆需水量及其氣候傾向率空間分布Fig.5 Spatial distributions of soybean water requirement and climatic trend rate

1966—2015年黑龍江省大豆需水量及其氣候傾向率空間分布如圖5所示。由圖5a可知，大豆年均需水量為336～465 mm，平均值為388 mm，西部需水量由南到北呈遞減趨勢，而東部由南到北呈遞增趨勢，高值主要集中在西南地區(qū)的泰來、齊齊哈爾和安達等地。由圖5b可知，需水量的氣候傾向率為-16.01～2.42 mm/(10a)，平均值為-5.17 mm/(10a)，總體呈下降趨勢，西部的安達、明水，北部的鶴崗等地需水量下降趨勢明顯，西北部的呼瑪、黑河和嫩江等地下降趨勢不明顯，下降速率接近于零，有18個站點通過顯著性檢驗，占總站點的64.3%，其中安達、哈爾濱、克山、明水、綏化和慶安在α=0.001上顯著下降。

1966—2015年黑龍江省大豆各生育階段需水量空間分布如圖6所示，生長前期大豆年均需水量為38～55 mm，平均值為46 mm，自西向東呈遞減的變化趨勢；快速發(fā)育期大豆年均需水量為69～102 mm，平均值為87 mm，西部地區(qū)自南向北呈遞減的趨勢，而東部自南向北呈遞增趨勢；生長中期年均需水量為160～213 mm，平均值為180 mm；生長后期年均需水量為63～95 mm，平均值為76 mm。總體上看，各時期大豆需水量高值主要集中在西南地區(qū)的泰來、齊齊哈爾、富裕和安達一帶，低值主要集中在中部的伊春和北部的孫吳、黑河一帶，各生育階段東部地區(qū)富錦、鶴崗和依蘭等地均高于東部其他地區(qū)，生長中期、生長后期自西向東均呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢。

圖6 各生育階段大豆需水量空間分布Fig.6 Spatial distributions of soybean water requirement at each growth stage

圖7 各生育階段大豆需水量氣候傾向率分布Fig.7 Distributions of soybean water requirement climatic trend rate at each growth stage

2.3 大豆生育期內(nèi)水分盈虧指數(shù)的變化趨勢

1966—2015年黑龍江省大豆生育期內(nèi)水分盈虧指數(shù)及其氣候傾向率空間分布如圖8所示，大豆年均水分盈虧指數(shù)為-44.5%～8.9%，均值為-15%，自西向東呈先增大后減小的趨勢，其中低值主要集中在西部的泰來、齊齊哈爾、安達和東部的富錦、寶清、佳木斯等地，水分盈虧指數(shù)均小于-17%，高值主要集中在鐵力、伊春等地，水分盈虧指數(shù)均大于零。大豆水分盈虧指數(shù)的氣候傾向率為-1.89～4.92%/(10a)，平均值為1.64%/(10a)，22個站點水分盈虧指數(shù)有上升趨勢，占總站點的78.6%，8個站點通過顯著性檢驗，總體呈上升的趨勢，高值主要在安達、克山、明水和綏芬河等地，其中安達在α=0.01水平上、克山和明水在α=0.05水平上、綏芬河在α=0.1水平上均顯著上升。

圖8 大豆水分盈虧指數(shù)及其氣候傾向率空間分布Fig.8 Spatial distributions of soybean CDSDI and climatic trend rate

圖9 各生育階段大豆水分盈虧指數(shù)的空間分布Fig.9 Spatial distributions of soybean CDSDI at each growth stage

1966—2015年黑龍江省大豆各生育階段水分盈虧指數(shù)空間分布如圖9所示，大豆生長前期的水分盈虧指數(shù)為-52.3%～39.2%，平均值為-3.8%，自西向東呈逐漸升高的趨勢，中部地區(qū)南北差異不大，西部地區(qū)自南向北呈遞增趨勢，而東北地區(qū)自南向北呈遞減趨勢，水分盈虧指數(shù)零值主要在黑河、孫吳、海倫和綏化一帶；大豆快速發(fā)育期水分盈虧指數(shù)為-38.5%～8.1%，平均值為-19.7%；生長中期大豆水分盈虧指數(shù)為-42.4%～0.27%，平均值為-18.9%；生長后期大豆水分盈虧指數(shù)為-47.3%～36.7%，平均值為-0.1%，自西向東呈先增加后減小的趨勢，西部水分盈虧指數(shù)零值主要在嫩江、克山和綏化等一帶，東部水分盈虧指數(shù)零值主要在富錦、佳木斯、依蘭和牡丹江一帶。大豆快速發(fā)育期、生長中期兩個時段，低值主要集中在西部的齊齊哈爾、富裕、安達和東部的富錦、寶清一帶，分別有26、27個站點水分盈虧指數(shù)小于零，此兩個時段黑龍江省大部分地區(qū)有效降雨量難以滿足大豆的需水要求。

1966—2015年黑龍江省大豆各生育階段水分盈虧指數(shù)氣候傾向率如圖10所示，大豆生長前期水分盈虧指數(shù)氣候傾向率為5.55～16.43%/(10a)，研究區(qū)內(nèi)10個站點通過α≤0.1顯著性檢驗，占總站點的35.73%，綏芬河增加趨勢最大；快速發(fā)育期水分盈虧指數(shù)氣候傾向率為-4.32～6.78%/(10a)，平均值為1.4%/(10a)，西南部地區(qū)增加趨勢較大，東部地區(qū)減小趨勢較大，寶清、鶴崗和佳木斯等地氣候傾向率趨近于零，只有安達地區(qū)通過α=0.1顯著性檢驗；生長中期大豆水分盈虧指數(shù)氣候傾向率為-2.93～5.61%/(10a)，平均值為1.4%/(10a)，研究區(qū)內(nèi)21個站點大豆水分盈虧指數(shù)呈增加趨勢，8個站點通過α≤0.1顯著性檢驗，占總站點的28.6%，慶安、鐵力和綏化等地氣候傾向率趨近于零；生長后期大豆水分盈虧指數(shù)氣候傾向率為-8.49～5.52%/(10a)，研究區(qū)內(nèi)22個站點大豆水分盈虧指數(shù)均呈下降的趨勢，氣候傾向率零值線在伊春和通河一帶，哈爾濱、海倫、黑河、呼瑪、嫩江、尚志和孫吳等地均在α=0.1水平上顯著下降。

圖10 各生育階段大豆水分盈虧指數(shù)氣候傾向率的空間分布Fig.10 Spatial distributions of climatic trend rate of soybean CWSDI at each growth stage

2.4 大豆生育期內(nèi)干旱情況分析

2.4.1大豆生育期內(nèi)水分盈虧指數(shù)及干旱等級標準

本文依據(jù)黑龍江省大豆實際生產(chǎn)資料，參考相對濕潤指數(shù)和水分盈虧指數(shù)干旱等級指標制定干旱等級標準，得到適宜黑龍江地區(qū)大豆作物的干旱等級標準，如表2所示。

利用《中國氣象災害大典黑龍江卷》[32]提供的干旱資料對干旱等級標準進行驗證，選取齊齊哈爾、黑河、牡丹江、富錦和鐵力5個典型站點，分別位于西部、北部、南部、東部和中部，5個典型站點的水分盈虧指數(shù)1966—2015年演變特征如圖11所示。

表2 基于水分盈虧指數(shù)的干旱等級標準Tab.2 Drought classification criteria based on CWSDI

圖11 1966—2015年5個典型站點的水分盈虧指數(shù)演變特征Fig.11 Evolution characteristics of CWSDI of five typical stations from 1966 to 2015

以生長前期為例，根據(jù)《中國氣象災害大典黑龍江卷》[32]干旱資料，齊齊哈爾分別在1968、1978、1979、1980年，黑河分別在1986、1992年，牡丹江分別在1979、1984年，寶清分別在1978、1979年，鐵力分別在1978、1979年，出現(xiàn)嚴重春旱，1978年5月寶清縣降雨不足30 mm，大豆減產(chǎn)11%，1979年全省干旱面積達453萬hm2，1984年春牡丹江大旱，河溝干涸，1986年黑河發(fā)生嚴重旱災，全市0.27萬hm2大豆因種子播在干旱土層內(nèi)而沒有出土，1992年黑河4—7月連續(xù)發(fā)生旱情，全市受災面積達1.5萬hm2。通過本文方法計算5個典型站點發(fā)生干旱的時間均與干旱災害資料相符。

2.4.2大豆生育期內(nèi)干旱頻率

1966—2015年黑龍江省大豆各生育階段中旱及以上的頻率如圖12所示，大豆生長前期中旱及以上的頻率為16%～78%，平均值為36.3%，干旱頻率自西向東呈下降趨勢，高值主要集中在泰來、安達、明水、齊齊哈爾和富裕一帶，均大于50%，低值主要集中在中部的伊春、通河、尚志和東部的虎林等地，均小于20%；大豆快速發(fā)育期中旱及以上的頻率為14%～54%，平均值為36.9%，這個時段各地區(qū)干旱差異較大，自西向東呈先減小后增加的趨勢，低值主要集中在伊春、鐵力和綏芬河一帶，均小于25%，高值主要集中在泰來、富裕、齊齊哈爾和三江平原地區(qū)的富錦、寶清一帶，均大于40%；生長中期中旱及以上的頻率為6%～62%，平均值為25%，西部地區(qū)自北向南呈遞減的趨勢，而東部地區(qū)自北向南呈遞增的趨勢，高值主要集中在西部地區(qū)，低值主要集中在中部地區(qū)，與快速發(fā)育期相比西部高值區(qū)有收縮的趨勢，中部低值區(qū)有擴大的趨勢；生長后期中旱及以上的頻率為6%～62%，平均值為23.7%，自西向東呈遞減的趨勢，高值主要集中在西部地區(qū)的安達、富裕、齊齊哈爾和泰來等地，均大于35%，西部地區(qū)自北向南呈遞減的趨勢，中部和東部地區(qū)南北差異不大?？傮w上看，各生育階段松嫩平原西部地區(qū)干旱頻發(fā)，其次是三江平原地區(qū)的富錦、鶴崗和佳木斯等地，同一地區(qū)不同階段發(fā)生干旱的頻率也不相同，生長前期和快速發(fā)育期干旱頻率大于生長中期和生長后期。

圖12 1966—2015年黑龍江省大豆各生育階段中旱及以上的頻率空間分布Fig.12 Spatial frequency distributions of middle-drought grade and above in each growth stage of soybean in Heilongjiang Province from 1966 to 2015

2.4.3大豆生育期內(nèi)干旱強度分布

圖13 1966—2015年黑龍江省大豆各生育階段干旱強度空間分布Fig.13 Spatial distributions of drought intensity in different growth stages of soybean in Heilongjiang Province from 1966 to 2015

1966—2015年黑龍江省大豆各生育階段干旱強度如圖13所示，生長前期干旱強度為0.5～2.7級，平均值為1.3級，干旱強度自西向東呈減小的趨勢；快速發(fā)育期干旱強度為0.6～1.8級，平均值為1.3級，低值主要集中在中部地區(qū)，高值主要集中在西部地區(qū)和東南部的富錦和寶清一帶；生長中期干旱強度為0.2～2.2級，平均值為0.8；生長后期干旱強度為0.3～2.2級，平均值為0.8級。后3個階段干旱強度自西向東均表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢，高值主要集中在西部的泰來、齊齊哈爾、富裕和安達一帶，東部的富錦、寶清和佳木斯均高于中部地區(qū)。總體上看，生長前期和快速發(fā)育期兩個階段發(fā)生的干旱強度大于生長中期和生長后期兩個階段，表明黑龍江省大豆春季和夏初發(fā)生干旱的強度較大。

2.5 典型氣象站大豆需水規(guī)律及干旱情況

典型站點各生育階段有效降雨量、需水量、水分盈虧指數(shù)、干旱頻率和干旱強度如表3所示。由表3可知，全生育期內(nèi)有效降雨量由小到大依次為齊齊哈爾、寶清、牡丹江、黑河、鐵力，需水量由小到大依次為鐵力、黑河、牡丹江、寶清、齊齊哈爾，與有效降雨量相反。生長中期的需水量和有效降雨量均最多，隨著生育期的推移有效降雨量和需水量均呈先升高后減小的趨勢，生長前期齊齊哈爾有效降雨量最小，為25 mm，需水量最大，為52 mm，其他站點相差不大；除生長中期外，其他階段各站點水分盈虧指數(shù)均小于零，快速發(fā)育期水分盈虧指數(shù)均小于生長后期，快速發(fā)育期缺水較為嚴重；牡丹江和寶清生長前期干旱頻率較小，其他站點隨著生育期的推移，干旱頻率均呈下降的趨勢，各生育階段齊齊哈爾發(fā)生干旱頻率均最高，鐵力干旱頻率最低；各站點干旱強度變化趨勢與干旱頻率相同?？傮w看，西部地區(qū)齊齊哈爾常年有效降雨量小、需水量大導致干旱頻率和強度均大于其他地區(qū)，而中部地區(qū)的鐵力由于常年有效降雨量大、需水量小，干旱發(fā)生的頻率和強度均較小。

表3 典型站點各生育階段水分供需和干旱情況Tab.3 Water supply and demand and drought conditions of each typical station at each stage

3 討論

本研究結(jié)果表明，1966—2015年大豆年均需水量為336～465 mm，平均值為388 mm，高值主要集中在西南地區(qū)的泰來、齊齊哈爾和安達等地，需水量氣候傾向率為-16.01～2.42 mm/(10a)，平均值為-5.17 mm/(10a)，總體呈下降的趨勢。胡惠杰等[17]研究表明，1961—2010年東北大豆全生育期平均需水量在327.02～464.14 mm，平均值為398.29 mm，高值主要集中在松嫩平原西南部，東北地區(qū)需水量氣候傾向率在-10.77～8.02 mm/(10a)之間，全區(qū)平均值-0.83 mm/(10a)，呈下降趨勢，黑龍江地區(qū)年需水量與東北地區(qū)大豆年均需水量相似，高值分布地區(qū)相同，需水量氣候傾向率絕對值高于東北地區(qū)。本文與黑龍江省大豆2004年甘南地區(qū)蒸滲儀實驗、2008年甘南盆栽實驗、2001—2004肇州小區(qū)實驗和2009年杜蒙小區(qū)實驗對比，差異分別為7.5%、3.7%、5.3%和1.6%，差異較小，與實際值較為接近[40-43]?！吨袊饕r(nóng)作物需水量等值線圖研究》[44]指出，黑龍江省17個縣1961—1980年大豆需水量平均值為450.8 mm，本研究1966—1980年大豆需水量的平均值為402 mm，相差48.8 mm，文獻[40]所取大豆生育期為4月25日—9月20日，作物系數(shù)取0.78，而本文所取生育期為5月5日—9月24日，作物系數(shù)為FAO推薦，且進行了修正，生育期的長短和作物系數(shù)的取值導致了二者需水量的不同。近年來大豆非傳統(tǒng)耕作方式如秸稈還田、秸稈覆蓋、免耕、深松、覆膜和一些新興的灌溉方式如噴灌、滴灌、水肥一體化等會影響耕地土壤環(huán)境進而影響大豆的作物系數(shù)，減小大豆的需水量，本文假定研究時段內(nèi)作物系數(shù)不變會導致研究時段后期需水量偏高，大豆需水量氣候傾向率可能高于實際情況。各地生育期長短也是需水量空間分布不同的原因之一，根據(jù)文獻[45]：南部第一積溫帶為晚熟品種，北部第四積溫帶為中熟品種，第二、三積溫帶種植品種為中熟品種，第五、六積溫帶為早熟和超早熟品種，1991—2008年20個農(nóng)業(yè)氣象站大豆的生育期觀測資料顯示，西南地區(qū)大豆播種期最早，成熟期最晚，生育期較長，也導致了西南部地區(qū)的需水量高于其他地區(qū)。

解文娟等[18]研究表明，東北地區(qū)干旱頻率呈明顯的西高東低的空間分布，各生育階段干旱頻率空間分布相似，呈由東北向西南增加的趨勢，黑龍江西南部、三江平原北部干旱發(fā)生頻率較高，為干旱的主發(fā)區(qū)，干旱發(fā)生頻率為播種到分枝最高，分枝到開花次之，開花到成熟最低，與本文黑龍江研究區(qū)結(jié)果相似，文獻[18]還指出大豆開花到成熟期黑龍江省西南部干旱頻率較大，為50%～80%，而本文研究結(jié)果表明在生長后期黑龍江省西南部干旱頻率為36%～62%，主要因為文獻[18]計算了輕旱及以上的干旱頻率，而本文計算了中旱及以上的干旱頻率。朱海霞等[25]研究表明，1971—2016年間，黑龍江省大豆春旱、伏旱和秋旱頻率較高，而本文研究表明秋旱頻率較低，文獻[25]在制定干旱強度等級時采用連續(xù)無有效降雨天數(shù)作為干旱等級指標，而本文在制定干旱強度等級時除考慮降雨因素外還考慮大豆本身的需水要求。

本文研究表明，黑龍江省大豆生育期內(nèi)有效降雨量中部地區(qū)最大，其次為東部地區(qū)，西南部地區(qū)最小，需水量和水分盈虧指數(shù)的空間分布呈相反趨勢，有效降雨量和需水量空間分布的差異導致各地區(qū)干旱強度和干旱頻率的差異。在生長前期，各地有效降雨量均呈升高趨勢，需水量呈降低趨勢，導致水分盈虧指數(shù)有上升的趨勢，隨著時間的推移大豆生長前期干旱強度有一定的降低，但由于全省春季常年有效降雨量較小，生長前期的干旱強度和頻率仍然較大，此階段為預防春旱的重要時段；在快速發(fā)育期，雖然此階段有效降雨量增多，仍不能彌補缺水狀況，有效降雨量西部有升高的趨勢東部有減小趨勢，而需水量東部和西部均有減小趨勢，西部水分盈虧指數(shù)有上升趨勢，但缺水的狀況仍非常嚴重，水分盈虧指數(shù)較其他地區(qū)仍然較??；生長中期，水分盈虧指數(shù)與前兩個階段相比較大，但仍小于零，此時段由于需水量較大，對應灌水量增多，生長中期又包含開花與結(jié)莢兩個重要的需水時期，雖然降雨較多，仍需要注意補充灌溉；生長后期，大豆需水量較小，但研究區(qū)內(nèi)西部和東部仍有12個站點水分盈虧指數(shù)小于零，鼓粒期干旱仍能造成大豆產(chǎn)量下降。總體上看，在生長前期和快速發(fā)育期應加強灌溉預防干旱，在生長中期應注意及時補充灌溉，同時在水資源缺乏的地區(qū)推廣近些年來的非充分灌溉、噴灌、滴灌和水肥結(jié)合等適宜的節(jié)水灌溉技術(shù)，有利于保障糧食安全。

4 結(jié)論

(1)1966—2015年，黑龍江省大豆生育期內(nèi)年平均有效降雨量為253～370 mm之間，平均值為321 mm，生長前期有效降雨量自西向東表現(xiàn)為升高趨勢，其他各生育階段均表現(xiàn)為中部高和東、西部較低的分布趨勢。大豆生育期有效降雨量氣候傾向率為-6.16～9.09 mm/(10a)，平均值為2.41 mm/(10a)，生長前期和快速發(fā)育期有效降雨量均呈上升趨勢，生長中期西部克山、明水和海倫等地有效降雨量呈上升趨勢，南部的通河、尚志一帶和鶴崗、富錦、佳木斯一帶有效降雨量均呈下降趨勢，生長后期有效降雨量呈下降的趨勢。

(2)1966—2015年，黑龍江省大豆年均需水量為336～465 mm，平均值為388 mm，各生育階段需水量均呈中部低、東西部高的空間分布規(guī)律，與有效降雨量的空間分布規(guī)律相反。大豆生育期內(nèi)需水量氣候傾向率為-16.01～2.42 mm/(10a)，平均值為-5.17 mm/(10a)，各生育階段需水量總體呈下降的趨勢，快速發(fā)育期下降速率較大。

(3)1966—2015年，大豆各生育階段干旱頻率分布均為西部地區(qū)最高，其次為東部地區(qū)，中部地區(qū)最低，其中東部三江平原地區(qū)在快速發(fā)育期和生長中期干旱頻率較高，易發(fā)生夏旱；生長前期和快速發(fā)育期干旱頻率高于生長中期和生長后期，易發(fā)生春旱。研究區(qū)內(nèi)各生育階段干旱強度表現(xiàn)為西部地區(qū)最大，除西部外，快速發(fā)育期和生長中期東部的三江平原地區(qū)干旱強度較大。

(4)總體上看，各生育階段黑龍江省西部地區(qū)降雨量少、需水量較大、發(fā)生干旱的頻率和強度較高，其次為東部的富錦、寶清和佳木斯等地區(qū)，中部降雨量多、需水量少，發(fā)生干旱的頻率和強度均較小。因此，黑龍江省西部地區(qū)和東部的三江平原地區(qū)是加強灌溉、預防災害的主要地區(qū)。