解文娟，楊曉光，楊 婕，劉利民，葉 清,3，董朝陽，劉志娟，趙 錦

(1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 沈陽 110866；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；3. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院，南昌 330045)

氣候變化背景下東北三省大豆干旱時空特征

解文娟1,2，楊曉光2,*，楊 婕2，劉利民1，葉 清2,3，董朝陽2，劉志娟2，趙 錦2

(1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 沈陽 110866；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；3. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院，南昌 330045)

利用1961—2010年東北三省大豆種植區(qū)71個氣象站點(diǎn)地面氣象觀測資料，基于農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)及干旱等級，分析了氣候變化背景下近50年來我國東北地區(qū)大豆干旱發(fā)生頻率演變趨勢及干旱程度演變特征，研究結(jié)果表明：東北三省大豆干旱頻率空間差異較大，呈明顯的西高東低的經(jīng)向帶狀分布特征；大豆全生育期干旱頻率以輕旱最高，中旱次之，重旱和特嚴(yán)重干旱頻率最低；輕旱及以上干旱頻率以播種到分枝階段最高，分枝到開花階段次之，開花到成熟階段最低；作物水分虧缺指數(shù)年際變化趨勢各地不同，總體而言以播種到分枝期干旱為主向開花到成熟期干旱轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)；大豆全生育干旱等級存在明顯的年代際變化，20世紀(jì)80年代干旱范圍最小、程度最輕，2000年以后重旱及中旱范圍增加明顯，干旱趨于嚴(yán)重。

東北三??；大豆；干旱；作物水分虧缺指數(shù)；時空特征

IPCC(2007)第四次報告指出，氣候變暖已成為不爭的事實(shí)[1]。中國氣候變暖趨勢與全球基本一致[2]，特別是東北地區(qū)，最近50年增溫最為明顯，平均每10a增溫0. 34 ℃，約為全國增溫率的3倍[3- 4]。氣候變暖會引起田間蒸散加劇，并伴隨著降水格局的變化，導(dǎo)致洪澇和干旱的加劇[5]。東北地區(qū)受東亞大陸季風(fēng)氣候的控制，降水量時空分布不均，年際變動較大，干旱為該地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一[6]。已有研究表明，氣候變化背景下東北地區(qū)年降水量呈減少趨勢，20世紀(jì)90年代末以來最為明顯[7]，而降水時空分布的不均衡性，導(dǎo)致干旱日趨嚴(yán)重[8]。頻繁發(fā)生的干旱對東北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，2000年至2007年期間，我國東北地區(qū)平均每年因旱受災(zāi)面積高達(dá)853.3萬hm2，成災(zāi)面積506.7萬hm2，因旱受災(zāi)面積占全國同期因旱受災(zāi)面積比例從20世紀(jì)80年代的19.5%增加到2000年以來的32.9%[9]，農(nóng)業(yè)干旱的加劇已對我國東北地區(qū)糧食生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

大豆是我國東北地區(qū)的主要油料作物，年種植面積和產(chǎn)量占全國的1/3[10]。大豆的蒸騰系數(shù)較高，需水量大，抗旱能力相對較弱，干旱加劇對其生長發(fā)育及產(chǎn)量、品質(zhì)產(chǎn)生很大影響[11]。前人在干旱脅迫對大豆生理生化影響方面做了很多研究，如利用生理指標(biāo)、形態(tài)與發(fā)育指標(biāo)研究了大豆的抗旱性[12- 14]，表明不同生育時期的干旱對大豆生理生態(tài)、光合生產(chǎn)能力及產(chǎn)量構(gòu)成因子造成影響，而基于干旱指標(biāo)的大豆干旱時空分布特征的研究尚未見報道。

作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)是常用的農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)之一，綜合考慮了土壤、植物和氣象因素的影響，相對于用單一的環(huán)境指標(biāo)表征干旱程度而言，在反映作物水分收支平衡方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢[15]。前人基于此指標(biāo)已經(jīng)得出了大量的研究成果[16- 19]，但主要集中在玉米等其他作物，還未有利用作物水分虧缺指數(shù)研究大豆干旱的報道。本文基于作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)，分析了近50年東北地區(qū)大豆干旱時空演變特征，旨在揭示東北大豆各生育階段干旱發(fā)生頻率和時空演變特征，以期為我國大豆生產(chǎn)管理及抗災(zāi)避災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

我國東北三省地處北緯38°43′—53°24′、東經(jīng)115°20′—135°，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季溫涼濕潤，冬季漫長寒冷，近47年氣候資料統(tǒng)計結(jié)果，年平均降水量為350—1200 mm，平均氣溫為-4.8—11.3 ℃，年總輻射量為4100—5400 MJ/m2[4]，種植制度以一年一熟為主。大豆是東北三省的主要油料作物，本文參考前人對大豆種植區(qū)劃研究結(jié)果[20]，計算1961—2010年東北三省≥10 ℃積溫，在80%保證率條件下，積溫大于1900℃·d的地區(qū)作為東北三省春大豆可種植區(qū)，確定為研究區(qū)域，其范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及氣象站點(diǎn)和其海拔分布圖Fig.1 Coverage of study region and distribution of stations and elevation

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象信息中心，包括東北三省大豆種植區(qū)空間代表性好、資料年限長的71個氣象站點(diǎn)(圖1)。氣候資料為1961—2010年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，包括：平均氣溫、最高及最低氣溫、降水量、平均相對濕度、平均氣壓、日照時數(shù)和風(fēng)速等。

大豆生育期資料來自中國農(nóng)業(yè)氣象觀測站及全國縣級農(nóng)戶調(diào)查結(jié)果，為東北各地2008—2010年平均生育期，包括大豆播種、分枝、開花和成熟日期。由于地形、緯度等方面的差異，東北三省熱量條件明顯不同，3個省大豆生育時期存在明顯差異(表1)，播種期大致在4月下旬到5月中旬之間，在6月中下旬分枝，7月中旬開花，到9月中下旬成熟。

表1 東北三省大豆生育期

1.3 研究方法

1.3.1 參考作物蒸散量(ET0)

(1)

式中,Rn為地表凈輻射(MJ·m-1·d-1)，G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)，T為平均氣溫(℃)，u2為2 m高處風(fēng)速(m/s)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實(shí)際水汽壓(kPa)，Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)，γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。Rn、Δ和γ可利用公式計算，G有時候可忽略。其中T、u2、ea等項為氣象站觀測資料。

1.3.2 作物系數(shù)(Kc)

(2)

式中,Kcmid為訂正后大豆生育中期作物系數(shù)；Kcend為訂正后大豆生育后期作物系數(shù)；U2為2m高度處的日平均風(fēng)速；RHmin為日最低相對濕度；h為該生育階段內(nèi)作物的平均高度。

對于播種前處于裸地狀態(tài)時的作物系數(shù)，參照FAO推薦的方法，用作物生育前期的作物系數(shù)值代替，即東北地區(qū)大豆播種前4旬的作物系數(shù)取值為0.4。

1.3.3 作物需水量(ETc)

作物需水量是指在水分供應(yīng)充足且沒有其他因素限制的條件下，作物為獲得最高產(chǎn)量所需要的水分總量。本文采用目前公認(rèn)的FAO推薦的間接方法計算，即先計算出參考作物蒸散量再乘以作物系數(shù)得到，公式如下：

ETc=Kc×ET0

(3)

式中，ETc為逐日作物需水量；ET0逐日參考作物蒸散量；Kc為逐日作物系數(shù)。

1.3.4 作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)

作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)是表征作物水分虧缺程度的指標(biāo)之一。考慮前期水分盈虧所造成的累積效應(yīng)，水分虧缺指數(shù)一般計算連續(xù)5旬的累積作物水分虧缺指數(shù)，公式如下[22]：

CWDI=a×CWDIi+b×CWDIi-1+c×CWDIi-2+ d×CWDIi-3+e×CWDIi-4

(4)

式中,CWDI為作物生長季內(nèi)按旬時段計算的累積水分虧缺指數(shù)；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別為該旬及其前4旬的水分虧缺指數(shù)。a、b、c、d、e為對應(yīng)旬的累計權(quán)重系數(shù)，一般a取值為0.3，b取值為0.25，c取值為0.2，d取值為0.15，e取值為0.1。

式(4)中，CWDIi的計算公式如下：

(5)

式中,Pi為第i旬的累積降水量(mm)，ETci為第i旬的累積作物需水量(mm)，分別由第i旬內(nèi)逐日降水量(P)和需水量(ETc)累計得到。

本文在計算大豆各生育階段的作物水分虧缺指數(shù)時，對于旬的劃分是從不同生育階段開始的第1天起，每10 d作為1旬，至生育階段停止，最后不足5 d則合并為上一旬，超過5 d則單獨(dú)作為新的一旬，再分別按照公式(4)和公式(5)計算得到各生育階段內(nèi)各旬累計作物水分虧缺指數(shù)，最后，大豆各生育階段的作物水分虧缺指數(shù)值為該生育階段內(nèi)各旬累計作物水分虧缺的平均值。

1.3.5 干旱頻率(Fi)

根據(jù)文中確定的作物水分虧缺指標(biāo)，計算作物不同生育階段干旱發(fā)生頻率Fi，即某站發(fā)生某等級干旱的年次數(shù)與統(tǒng)計資料的總年數(shù)之比，計算公式如下：

Fi=n/N×100%

(6)

式中,Fi為某等級干旱發(fā)生的頻率；n為該生育階段發(fā)生某等級干旱的年數(shù)；N為研究資料總年數(shù)。

1.3.6 氣候傾向率(TR)

某氣候要素的變化趨勢可用一次線性方程表示。用xi表示樣本量為n的某一氣候要素變量，用ti表示xi所對應(yīng)的時間，建立xi與ti的一元線性回歸方程：

xi=ati+b

式中,a為回歸系數(shù)，b為回歸常數(shù)，可用最小二乘法進(jìn)行估計[23]。以a的10倍作為氣候傾向率(TR)，表示氣候要素每10a的變化規(guī)律，正值表示氣候要素呈增加趨勢，負(fù)值表示呈減少趨勢。

1.3.7 變異系數(shù)(CV)

變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值，可用以比較不同觀測數(shù)列離差程度的大小，計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱指標(biāo)等級訂正

本文結(jié)合東北三省大豆生產(chǎn)實(shí)際資料，參照氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)干旱等級》及已有的研究結(jié)果[22,16- 19]，對東北大豆干旱等級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行訂正，訂正后的結(jié)果如表2。

表2 東北三省大豆作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)的干旱分級

Table 2 Classification of drought of soybean in Northeast China based on CWDI

等級Grade類型Type作物水分虧缺指數(shù)CropWaterDeficitIndex/%0無旱CWDI≤351輕旱3565

為了檢驗(yàn)本文為對大豆干旱等級的訂正是否合理，在此利用《中國氣象災(zāi)害大典》的黑龍江卷、吉林卷和遼寧卷，選取典型站點(diǎn)的災(zāi)情資料進(jìn)行驗(yàn)證。本文選取了黑龍江省的黑河、吉林省的白城、遼寧省的朝陽為代表站點(diǎn)，依據(jù)公式4計算了1961—2010年大豆全生育期作物水分虧缺指數(shù)，采用表2的指標(biāo)劃定干旱等級，3個典型站點(diǎn)大豆作物水分虧缺指數(shù)時間演變特征如圖2。

圖2 1961—2010年黑河、白城、朝陽大豆全生育期作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)變化Fig.2 Variations of CWDI during the growing season of soybean in Heihe, Baicheng, and Chaoyang stations during 1961—2010

圖2為3個典型站點(diǎn)依據(jù)CWDI計算的干旱發(fā)生年份和干旱等級，從圖中可以看出近50年來，黑河發(fā)生干旱19a，1986年和2000年重旱；白城發(fā)生干旱49a，1967、1968、1972、2001和2004年特旱；朝陽發(fā)生干旱43a，1980年和1981年特旱?！吨袊鴼庀鬄?zāi)害大典》[25- 27]記載的干旱實(shí)際發(fā)生情況為黑河市1986年出現(xiàn)嚴(yán)重春旱，0.27萬hm2大豆種子未出苗，農(nóng)作物成災(zāi)面積4.53萬hm2，占播種面積的94%。白城市1968年春夏少雨，大豆開花不結(jié)莢，農(nóng)作物普遍減產(chǎn)80%，旱情十分嚴(yán)重。1972年白城地區(qū)春季少雨，干旱面積40.67萬hm2，占耕地面積的1/3，農(nóng)作物減產(chǎn)5成左右。朝陽地區(qū)1980年春夏降水極少，干旱面積46.67萬hm2，絕收面積8.67萬hm2，旱情嚴(yán)重。1981年朝陽地區(qū)春夏秋三季連旱，全區(qū)嚴(yán)重干旱18萬hm2，絕收面積16.67萬hm2，從上面比較分析可以看出，利用CWDI計算得到的等級和實(shí)際干旱災(zāi)情記載基本相符，表明本文CWDI的計算和干旱等級是合理的。

2.2 東北三省大豆干旱頻率特征

2.2.1 大豆全生育期干旱頻率特征

圖3a為東北三省大豆全生育期輕旱發(fā)生頻率空間分布圖，從圖中可以看出，大豆全生育期輕旱發(fā)生頻率總體較高，全區(qū)56%的站點(diǎn)輕旱頻率高于25%(4年一遇)，主要集中在黑龍江省的西部、三江平原北部、吉林省中部以及遼寧省西部和南部地區(qū)；其中，以哈爾濱附近輕旱發(fā)生頻率最高，為58%，相當(dāng)于2年一遇，黑龍江省中部的伊春、尚志一帶以及遼寧省東北部的本溪、丹東一帶輕旱頻率相對較低，在10%—25%之間，相當(dāng)于5年或4年一遇，只有吉林省東南部的敦化、通化一帶地區(qū)輕旱頻率在10%(10年一遇)以下，不易發(fā)生輕旱。

圖3b為東北三省大豆全生育期中旱發(fā)生頻率空間分布圖。從圖中可以看出，中旱發(fā)生頻率呈明顯的西高東低的空間分布特征，黑龍江省西南部、吉林省西部以及遼寧省西部和南部地區(qū)，中旱頻率較高，可達(dá)25%(4年一遇)以上，黑龍江省西北部、三江平原北部、吉林省中部以及遼寧省中部的大豆中旱頻率則有所降低，在10%—25%之間，而黑龍江省中部及東南部、吉林省東部和遼寧省東部地區(qū)，中旱頻率在10%(10年一遇)以下，不易發(fā)生中旱。

圖3 東北三省大豆全生育期輕旱(a)、中旱(b)、重級以上干旱(c)頻率的空間分布Fig.3 Frequency of light (a), middle (b), and heavy or above (c) drought during the growing season of soybean in Northeast China

圖3c為東北三省大豆全生育期重旱以上發(fā)生頻率空間分布圖。從圖中可以看出，重旱以上干旱發(fā)生頻率總體較低，除黑龍江省的泰來、吉林省的白城、通榆和乾安以外，其它地區(qū)均小于25%(4年一遇)，其中，黑龍江省西南部、遼寧省西部以及吉林西部地區(qū)重旱頻率在10%—25%之間，約有71% 的站點(diǎn)重旱以上干旱頻率低于10%(10年一遇)，44%的站點(diǎn)從未發(fā)生過重旱。

總體來看，分析東北三省大豆全生育期干旱頻率呈明顯的西高東低的空間分布特征，與降水的空間分布特征基本一致。干旱發(fā)生頻率以輕旱最高，中旱次之，重旱以上干旱頻率最低；黑龍江省西部、遼寧省西部及南部地區(qū)發(fā)生輕旱和中旱的頻率相對較高，而吉林西部地區(qū)雖然不易發(fā)生輕旱，但卻存在較高的中旱及重旱以上干旱風(fēng)險。

2.2.2 大豆不同生育階段干旱頻率特征

前面分析大豆全生育階段干旱頻率分布特征，而大豆各生育階段需水量和降水分布不同，各生育階段的干旱特征也不同，具體結(jié)果，大豆播種到分枝、分枝到開花、開花到成熟階段干旱(指輕旱以上，下同)頻率空間分布如圖4所示，各生育階段干旱頻率空間分布情況基本相似，呈由東北向西南逐漸增加的趨勢，三江平原北部、黑龍江省西南部、吉林省西部、遼寧省西部及南部地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高，為干旱的主發(fā)區(qū)。從研究區(qū)域來看，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。

(1)東北三省大豆播種到分枝階段干旱頻率特征

東北三省大豆播種到分枝階段干旱頻率較高(圖4a)，研究區(qū)域內(nèi)，吉林白城地區(qū)干旱頻率最高，為100%，即年年都有干旱發(fā)生；干旱頻率最低的地區(qū)位于吉林省東崗地區(qū)，為10%，每10年一遇。56%的站點(diǎn)干旱頻率超過50%(為2年一遇)，這些區(qū)域包括黑龍江省的三江平原北部和呼瑪→吉林省的長春→遼寧的沈陽→大連一線以西地區(qū)；31%的站點(diǎn)干旱頻率超過80%(為5年四遇)，這些區(qū)域包括黑龍江省的齊齊哈爾、大慶地區(qū)，吉林省的乾安、通榆、雙遼、長嶺一帶和遼寧省的朝陽、阜新、錦州、大連一帶；播種到分枝階段干旱頻率較低(4年一遇)的站點(diǎn)主要分布在吉林省東南部地區(qū)。

(2)東北三省大豆分枝到開花階段干旱頻率特征

大豆從分枝到開花階段干旱頻率明顯低于播種到分枝階段干旱頻率(圖4b)，除吉林省的乾安、通榆兩地干旱頻率為80%之外，其他地區(qū)均為80%以下；全區(qū)約有48%的站點(diǎn)超過50%(2年一遇)，包括黑龍江省西南部及三江平原北部、吉林省西部和中部、遼寧省西部、南部及中部的部分地區(qū)。吉林省臨江和靖宇兩地干旱頻率最低，小于10%(10年一遇)。

(3)東北三省大豆開花到成熟階段干旱頻率特征

大豆開花到成熟階段干旱頻率又進(jìn)一步下降(圖4c)，但在黑龍江省西南部及三江平原北部、吉林省西部、遼寧省西部及南部地區(qū)干旱頻率仍然較高，為50%—80%，約為2—3年一遇，尤以吉林省通榆地區(qū)干旱頻率最高(80%)，而吉林省東南部和遼寧省東北部部分地區(qū)干旱頻率較低，小于10%。

2.3 東北三省大豆干旱程度演變特征

2.3.1 大豆作物水分虧缺指數(shù)年際變化特征

根據(jù)前面的研究結(jié)果，在大豆干旱發(fā)生頻率不同地區(qū)，分別選擇遼寧省的朝陽(研究區(qū)域西部)、黑龍江省的綏化(研究區(qū)域中部)、吉林省的通化(研究區(qū)域東部)3個代表站作為典型站點(diǎn)，分析氣候變化背景下大豆不同生育階段作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)的年際變化特征，分析結(jié)果見圖5。

1961—2010年3個站點(diǎn)大豆從播種到分枝階段的CWDI均呈波動下降趨勢，其中遼寧的朝陽干旱最為嚴(yán)重，作物水分虧缺指數(shù)平均為56%，且年際間波動較?。缓邶埥〉慕椈魑锼痔澣敝笖?shù)居中，年際間波動較大；吉林省的通化作物水分虧缺指數(shù)最小，下降趨勢也最不明顯，但年際間的波動最大。

圖4 東北三省大豆播種到分枝(a)、分枝到開花(b)、開花到成熟(c)干旱頻率的空間分布Fig.4 Frequency of drought during the stage of sowing to branch (a), branch to flowering (b), and flowering to maturation (c) of soybean in Northeast China

研究時段內(nèi)大豆分枝至開花階段3個站點(diǎn)作物水分虧缺指數(shù)年際間波動最大，其中遼寧的朝陽、黑龍江的綏化兩個站點(diǎn)干旱作物水分虧缺指數(shù)在波動中呈下降趨勢，吉林省的通化作物水分虧缺指數(shù)上升，表明該生育階段內(nèi)干旱呈加重趨勢。

研究時段內(nèi)大豆開花至成熟階段3個站點(diǎn)作物水分虧缺指數(shù)是3個生育階段中最小的，年際間的波動較大；其中，遼寧省的朝陽、黑龍江省的綏化均呈上升趨勢，通化站點(diǎn)的年際變化不明顯。

大豆全生育期3個站點(diǎn)作物水分虧缺指數(shù)年際間波動最小，通化年平均CWDI最小，為21%，其次是綏化，為37%；朝陽和通化呈微弱的下降趨勢，綏化則呈微弱的上升趨勢。

2.3.2 大豆干旱等級演變特征

圖6反映了1961—2010年5個年代80%保證率下干旱等級的空間演變特征。從圖中可以看出，干旱等級由東向西逐漸加重。重旱區(qū)主要位于松嫩平原西部地區(qū)，覆蓋面積在1961—2010年的5個年代中表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢，以80年代面積最小，近10年區(qū)域最廣(達(dá)1.04×105km2)，已延伸至富?！病p遼一線；中旱區(qū)主要位于除重旱區(qū)外的遼寧西部、吉林西部和黑龍江西南部地區(qū)，不同年代間面積增加趨勢明顯，近10年覆蓋面積從20世紀(jì)60年代的1.84×105km2增加到3.55×105km2，較90年代增加了1.23×105km2，已延伸至海倫→長春→沈陽→大連一線；輕旱區(qū)主要分布于遼寧中部、吉林中部和黑龍江中部及東部地區(qū)，其覆蓋面積演變趨勢與中旱相反，呈減少趨勢，60年代區(qū)域最廣，最近10年面積最??；無旱區(qū)主要分布在吉林省東部地區(qū)，其覆蓋面積呈先增加后減少的趨勢，與重旱相反，80年代面積最大，近10年面積最小。綜上分析，近10年東北大豆種植區(qū)重旱及中旱范圍增加明顯，干旱趨于嚴(yán)重。

圖5 1961—2010年朝陽(Ⅰ)、綏化(Ⅱ)、通化(Ⅲ)大豆不同生育階段作物水分虧缺指數(shù)年際變化Fig.5 The time series of CWDI during the different growing stages of soybean in Chaoyang (Ⅰ), Suihua (Ⅱ), and Tonghua (Ⅲ) stations during 1961—2010a： 播種到分枝；b：分枝到開花；c：開花到成熟；d：全生育期；TR：氣候傾向率；CV：變異系數(shù)

3 討論

本研究通過對東北地區(qū)大豆各生育階段干旱發(fā)生頻率的分析結(jié)果可以看出，播種到分枝階段大豆干旱發(fā)生頻率最高，即春旱在大多數(shù)年份制約著東北大豆的生產(chǎn)，筆者利用《中國氣象災(zāi)害大典——遼寧卷》記載的東北三省歷史上大豆災(zāi)害資料，統(tǒng)計結(jié)果顯示東北作物生產(chǎn)多受春旱制約，更有成災(zāi)嚴(yán)重的季節(jié)性連旱發(fā)生，如遼寧省朝陽地區(qū)1980年春夏降水極少，干旱面積46.67萬hm2，絕收面積8.67萬hm2，旱情嚴(yán)重。關(guān)于大豆不同生育時期受水分脅迫影響機(jī)制的研究已屢見報道，如韓曉增[28]等研究認(rèn)為營養(yǎng)生長期干旱使大豆產(chǎn)量下降19.42%—21.11%，花期干旱導(dǎo)致減產(chǎn)17.70%—25.92%，莢期干旱導(dǎo)致減產(chǎn)23.77%—33.89%，鼓粒期干旱減產(chǎn)12.25%—40.61%。而開花到成熟階段干旱仍不能忽視，在東北西部地區(qū)此階段干旱一直保持高發(fā)趨勢，作為大豆水分關(guān)鍵期，適時的灌溉措施對保障大豆生產(chǎn)至關(guān)重要。陳莉等[29]對我國東北近50年作物干旱發(fā)生情況的統(tǒng)計分析得出，1997—2007年干旱成災(zāi)面積與絕收面積分別是之前的20a干旱成災(zāi)面積和絕收面積的1.99和5.58倍，魏鳳英等[8]利用氣象資料分析同樣得出了近期的1996—2007年是57年來干旱發(fā)生頻次最多的時期。本文針對大豆干旱空間分布的年代際分析得到最近10 a來，東北大豆生產(chǎn)面臨的干旱威脅加重。

本研究得出了東北三省各等級干旱頻率的空間分布有從東到西逐漸加重的趨勢，這與研究區(qū)域降水特征相一致，東北地區(qū)從東向西依次為濕潤地區(qū)、亞濕潤地區(qū)、亞干旱地區(qū)。而前人關(guān)于東北三省作物干旱空間分布的研究中，所得結(jié)果基本符合從東向西干旱逐漸加重的空間格局[17- 18]。本文通過分析得到東北三省各站點(diǎn)大豆干旱發(fā)生變率與程度，為當(dāng)?shù)卮蠖股a(chǎn)因地制宜、因時制宜的優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

圖6 東北三省1961—2010年干旱等級分布演變趨勢Fig.6 Evolution tendency of drough degree in Northeast China during 1961—2010

本文綜合分析了氣候變化背景下我國東北三省近50年大豆干旱發(fā)生頻率、覆蓋范圍以及干旱等級的演變趨勢，對研究區(qū)域大豆生產(chǎn)中防旱避災(zāi)具有一定的指導(dǎo)意義。由于作物水分虧缺指數(shù)綜合考慮了前期水分影響，在反應(yīng)干旱對作物的持續(xù)影響上更具實(shí)際意義，但前期干旱對后期影響有待進(jìn)一步的細(xì)化和精確；東北地區(qū)大豆生產(chǎn)基本依靠雨養(yǎng)，本研究僅考慮降水作為大豆生產(chǎn)中水分供給的唯一來源，未考慮灌溉和土壤底墑的影響，這在今后研究中還有待進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

東北三省大豆全生育期干旱頻率以輕旱最高，中旱次之，重旱以上干旱頻率最低，不同等級干旱頻率總體上均呈明顯的西高東低的帶狀空間分布特征，與該地區(qū)降水的空間分布特征基本一致；大豆各生長發(fā)育階段干旱特征來看，3個生育階段干旱頻率分布都呈從東北向西南逐漸增加的趨勢，其中播種到分枝階段的干旱頻率最高，其次為分枝到開花階段，開花到成熟階段的干旱頻率最低，此時為大豆的需水關(guān)鍵期，若遇干旱則會對大豆產(chǎn)量造成很大影響，適時適量的灌溉是保證大豆高產(chǎn)的重要措施。從研究區(qū)域黑龍江綏化、吉林的通化、遼寧的朝陽3個站點(diǎn)作物水分虧缺指數(shù)年際變化來看，播種到分枝階段干旱程度較高但波動幅度較小，總體呈下降趨勢，分枝到開花和開花到成熟兩階段干旱程度較低但其年際間波動較大，總體呈從播種到分枝期干旱為主向開花到成熟期為主轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)；東北三省大豆全生育干旱等級存在明顯的年代際變化，20世紀(jì)80年代干旱范圍最小、程度最輕，最近10年重旱及中旱范圍增加明顯，干旱趨于嚴(yán)重。

[1] IPCC. Summary for Policymakers of Climate Change 2007: The Physical Science Basis Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[2] The Compiling Committee of the Second China′s National Assessment Report on Climate Change. The Second China′s National Assessment Report on Climate Change. Beijing: Science Press, 2011.

[3] Sun F H, Yuan J, Lu S. The change and test of climate in northeast China over the last 100 years. Climatic and Environmental Research, 2006, 11(1): 101- 108.

[4] Liu Z J, Yang X G, Wang W F, Li K N, Zhang X Y. Characteristics of agricultural climate resources in three provinces of Northeast China under global climate change. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(9): 2199- 2206.

[5] Sheffield J, Wood E F. Projected changes in drought occurrence under future global warming from multi-model, multi-scenario, IPCC AR4 simulations. Climate Dynamics, 2008, 31(1): 79- 105.

[6] Sun F H, Qu Z J, Yang S Y. Temporal and spatial variations of extreme precipitation and dryness events in Northeast China in last 50 years. Chinese Journal of Ecology, 2006, 25(7): 779- 784.

[7] Xie A, Sun Y G, Bai R H. Arid climate trend over northeastern China and its response to global warming. Acta Geographica Sinica, 2003, 58(S1): 75- 82.

[8] Wei F Y, Zhang T. Frequency distribution of drought intensity in northeast China and relevant circulation background. Journal of Natural Disasters, 2009, 18(3): 1- 7.

[9] Zhang J T, Qu Y P. Drought discipline and strategy of drought relief in recent 30 years in China. China Flood and Drought Management, 2008, 18(5): 47- 52.

[10] Zheng X L, Zhang B S, Kou H. Main problems and developing countermeasures of soybean in northeast China. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2012, (2): 146- 149.

[11] Hao X Y, Han X, Ju H, Lin E D. Impact of climatic change on soybean production: A review. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(10): 2697- 2706.

[12] Dong X Y, Lin H, Liu X J, Tang X F, Wei L. Influence of drought stress on soybean physiological indexes. Soybean Science, 2011, 30(1): 83- 88.

[13] Xie F T, Dong Z, Sun Y H, Wang X G. Influence of drought on growth and yield of soybeans at different growth stages. Journal of Shengyang Agricultural University, 1994, 25(1): 13- 16.

[14] Liu L J, Lin H, Tang X F, Pu G F. Drought stress influence soybean yield morphogenesis in different growth stages. Soybean Science, 2011, 30(3): 405- 411.

[15] Zhang Y H, Lu H Q, Li Sen. Applicability of crop water deficit index in agricultural drought monitoring. Meteorological Science and Technology, 2008, 36(5): 596- 600.

[16] Huang W H, Yang X G, Qu H H, Feng L P, Hang B X, Wang J, Shi S J, Wu Y F, Zhang X Y, Xiao X P, Yang G L, Li M S. Analysis of spatio-temporal characteristic on seasonal drought of spring maize based on crop water deficit index. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(8): 28- 34.

[17] Zhang S J, Zhang Y S, Ji R P, Cai F, Wu J W. Analysis of spatio-temporal characteristics of drought for maize in Northeast China. Agricultural Research in the Arid Areas, 2011, 29(1): 231- 236.

[18] Dong Q T, Li M S, Liu J, Wang C Y. Spatio-temporal evolution characteristics of drought of spring maize in northeast China in recent 50 years. Journal of Natural Disasters, 2011, 20(4): 52- 59.

[19] Sui Y, Huang W H, Yang X G, Li M S. Characteristics and adaption of seasonal drought in southern China under the background of global climate changeⅡ. Spatiotemporal characteristics of drought for wintering grain and oil crops based on crop water deficit index. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(9): 2467- 2476.

[20] Pan T F, Zhang D R, Zhang W G. The climatic regiionaization of soybean in northeast China. Soybean Science, 1983, 2(1): 1- 13.

[21] Allen R G, Luis S P, Raes D, Smith M. Crop Evapotranspiration-Guidelines for Computing Crop Water Requirements. Rome: FAO Irrigation and Drainage Paper 56, 1998: 15- 86.

[22] Lu H Q, Zhang Y S, Wang J L, Zhang S J, Lou X R, Zhang Y H. GB/T- 2009, Classification of agricultural drought category(Examination vision).

[23] Wei F Y. Modern diagnosis and prediction of climate statistics. Beijing: China Meteorological Press, 2007: 37- 41.

[24] Ma K Y, Ding Y G, Tu Q P, Yao Z S. Climate statistics principles and method. Beijing: China Meteorological Press, 1993: 43- 45.

[25] Wen K G, Li B, Meng Q N. China′s Meteorological Disasters Ceremony. Liaoning Province. Beijing: China Meteorological Press, 2005: 103- 135.

[26] Wen K G, Qin Y M. China′s Meteorological Disasters Ceremony. Jilin Province. Beijing: China Meteorological Press, 2008: 174- 201.

[27] Wen K G, Sun Y G. China′s Meteorological Disasters Ceremony. Heilongjiang Province. Beijing: China Meteorological Press, 2007: 167- 203.

[28] Han X Z, Qiao Y F, Zhan Q Y, Wang S Y, Song C Y. Effects of various soil moisture on the yield of soybean. Soybean Science, 2003, 22(4): 269- 272.

[29] Chen L, Fang L J, Li S. Study on drought trend of crop growing season in northeast China in recent 50 years. Journal of Catastrophology, 2010, 25(4): 6- 10.

參考文獻(xiàn):

[2] 《第二次氣候變化國家評估報告》編寫委員會. 第二次氣候變化國家評估報告. 北京: 科學(xué)出版社, 2011.

[3] 孫鳳華, 袁健, 路爽. 東北地區(qū)近百年氣候變化及突變檢測. 氣候與環(huán)境研究, 2006, 11(1): 101- 108.

[4] 劉志娟, 楊曉光, 王文峰, 李克南, 張曉煜. 氣候變化背景下我國東北三省農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2009, 20(9): 2199- 2206.

[6] 孫鳳華, 吳志堅, 楊素英. 東北地區(qū)近50年來極端降水和干燥事件時空演變特征. 生態(tài)學(xué)雜志, 2006, 25(7): 779- 784.

[7] 謝安, 孫永罡, 白人海. 中國東北近50年干旱發(fā)展及對全球氣候變暖的響應(yīng). 地理學(xué)報, 2003, 58(增刊): 75- 82.

[8] 魏鳳英, 張婷. 東北地區(qū)干旱強(qiáng)度頻率分布特征及其環(huán)流背景. 自然災(zāi)害學(xué)報, 2009, 18(3): 1- 7.

[9] 張家團(tuán), 屈艷萍. 近30年來中國干旱災(zāi)害演變規(guī)律及抗旱減災(zāi)對策探討. 中國防汛抗旱, 2008, 18(5): 47- 52.

[10] 鄭新利, 張丙雙, 寇賀. 東北地區(qū)大豆生產(chǎn)主要問題及發(fā)展對策. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, (2): 146- 149.

[11] 郝興宇, 韓雪, 居煇, 林而達(dá). 氣候變化對大豆影響的研究進(jìn)展. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2010, 21(10): 2697- 2706.

[12] 董興月, 林浩, 劉麗君, 唐曉飛, 魏崍. 干旱脅迫對大豆生理指標(biāo)的影響. 大豆科學(xué), 2011, 30(1): 83- 88.

[13] 謝甫綈, 董鉆, 孫艷環(huán), 王曉光. 不同生育時期干旱對大豆生長和產(chǎn)量的影響. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1994, 25(1): 13- 16.

[14] 劉麗君, 林浩, 唐曉飛, 蒲國峰. 干旱脅迫對不同生育階段大豆產(chǎn)量形態(tài)建成的影響. 大豆科學(xué), 2011, 30(3): 405- 412.

[15] 張艷紅, 呂厚荃, 李森. 作物水分虧缺指數(shù)在農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測中的適用性. 氣象科技, 2008, 36(5): 596- 600.

[16] 黃晚華, 楊曉光, 曲輝輝, 馮利平, 黃彬香, 王靖, 施生錦, 武永峰, 張曉煜, 肖小平, 楊光立, 李茂松. 基于作物水分虧缺指數(shù)的春玉米季節(jié)性干旱時空特征分析. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2009, 25(8): 28- 34.

[17] 張淑杰, 張玉書, 紀(jì)瑞鵬, 蔡福, 武晉雯. 東北地區(qū)玉米干旱時空特征分析. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2011, 29(1): 231- 236.

[18] 董秋婷, 李茂松, 劉江, 王春艷. 近50年東北地區(qū)春玉米干旱的時空演變特征. 自然災(zāi)害學(xué)報, 2011, 20(4): 52- 59.

[19] 隋月, 黃晚華, 楊曉光, 李茂松. 氣候變化背景下中國南方地區(qū)季節(jié)性干旱特征與適應(yīng) Ⅱ. 基于作物水分虧缺指數(shù)的越冬糧油作物干旱時空特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2012, 23(9): 2467- 2476.

[20] 潘鐵夫, 張德榮, 張文廣. 東北地區(qū)大豆氣候區(qū)劃的研究. 大豆科學(xué), 1983, 2(1): 1- 13.

[22] 呂厚荃, 張玉書, 王建林, 張淑杰, 婁秀榮, 張艷紅. GB/T- 2009, 農(nóng)業(yè)干旱等級(審定稿).

[23] 魏鳳英. 現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù). 北京: 氣象出版出版社, 2007: 37- 41.

[24] 馬開玉, 丁裕國, 屠其璞, 么枕生. 氣候統(tǒng)計原理與方法. 北京: 氣象出版社, 1993: 43- 45.

[25] 溫克剛, 李波, 孟慶楠. 中國氣象災(zāi)害大典 遼寧卷. 北京: 氣象出版社, 2005: 103- 135.

[26] 溫克剛, 秦元明. 中國氣象災(zāi)害大典 吉林卷. 北京: 氣象出版社, 2008: 174- 201.

[27] 溫克剛, 孫永罡. 中國氣象災(zāi)害大典 黑龍江卷. 北京: 氣象出版社, 2007: 167- 203.

[28] 韓曉增, 喬云發(fā), 張秋英, 王守宇, 宋春雨. 不同土壤水分條件對大豆產(chǎn)量的影響. 大豆科學(xué), 2003, 22(4): 269- 272.

[29] 陳麗, 方麗娟, 李帥. 東北地區(qū)近50年農(nóng)作物生長季干旱趨勢研究. 災(zāi)害學(xué), 2010, 25(4): 6- 10.

Spatio-temporal characteristics of drought for soybean under climate change in the three provinces of Northeast China

XIE Wenjuan1,2，YANG Xiaoguang2,*，YANG Jie2，LIU Limin1，YE Qing2,3，DONG Chaoyang2，LIU Zhijuan2，ZHAO Jin2

1CollegeofAgronomy,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China2CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China3CollegeofLandscapeArchitectureandArt,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China

Climate data from seventy-one meteorological stations in the soybean planting areas in three provinces of Northeast China (NEC) during 1961 to 2010 were used to calculate the reference crop evapotranspiration using the Penman-Monteith formula. Then combined with the revised crop coefficient, soybean water requirement can be obtained during each growth stage. Finally, we calculated the Crop Water Deficit Index (CWDI) by considering cumulative effects of moisture surplus condition during the soybean growing season. and obtained the degree of drought Based on this index and the degree of drought, the characteristics of spatio-temporal variation for occurrence frequency and degree of soybean drought in NEC during the study period were analyzed. Result shows that there is a significant spatial variation in the occurrence frequency of soybean drought, which was increased from east to west. Light drought is the most frequent drought, followed by the middle drought and heavy drought during the whole soybean growing season. There could be relatively higher frequency of light drought in the western regions of Heilongjiang Province and the western and southern regions of Liaoning Province. In the western regions of Jilin Province, there is relatively less frequency of light drought, but the frequencies of middle drought and heavy drought are higher. We also found the basic vegetative phase (sowing to branching) experienced the most severe drought and the frequency of drought exceed 50% (once every 2 years) at the 56% of the selected sites in the study areas, the frequency of drought exceed 80% (four every 5 years) at the 31% of the selected sites in the study areas. The drought during the panical formation phase (branching to flowering) is lighter, drought frequency was lower than 80% in most regions in the study area except Qian′an and Tongyu of Jilin Province, and drought frequency was higher than 50% (once every 2 years) at the 48% of the selected sites in the study area. The drought during the reproductive phase (flowering to maturity) is lightest, but there could be still high drought frequency (50%—80%) in the southwest regions of Heilongjiang Province, northern of Sanjiang Plain, western of Jilin Province, and western and southern of Liaoning Province. Interannual variability in CWDI differs from regions. The CWDI showed a downward trend during the sowing to branching stage in all three representatives sites. We can find a maximum inter-annual fluctuation during the branching to flowering stage, it showed a downward trend in Liaoning Chaoyang and Heilongjiang Suihua during this stage, and a upward trend in Jilin Tonghua. There is least value of CWDI during the flowering to maturity stage, and showed an upward trend in Liaoning Chaoyang and Heilongjiang Suihua during this stage; interannual variability is not significant in Jilin Tonghua. In other words, generally the drought threat is progressively more severe during reproductive phase. There is also obvious decadal variability of drought degrees during whole growing period. In 1980s, either drought degree and range were the smallest, from 2000 years, the range of medium drought and heavy drought increased significantly.

the three provinces of Northeast China; soybean; drought; Crop Water Deficit Index (CWDI); spatio-temporal characteristics

國家科技支撐計劃(2012BAD20B04); 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項項目(200903007)

2013- 02- 01; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201302020219

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yangxg@cau.edu.cn

解文娟，楊曉光，楊婕，劉利民，葉清，董朝陽，劉志娟，趙錦.氣候變化背景下東北三省大豆干旱時空特征.生態(tài)學(xué)報,2014,34(21):6232- 6243.

Xie W J，Yang X G，Yang J，Liu L M，Ye Q，Dong C Y，Liu Z J，Zhao J.Spatio-temporal characteristics of drought for soybean under climate change in the three provinces of Northeast China.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6232- 6243.