气候变化背景下中国主要作物农业气象灾害时空分布特征[Ⅰ]：东北春玉米延迟型冷害*

张梦婷, 刘志娟, 杨晓光, 董朝阳, 刘子琪



气候变化背景下中国主要作物农业气象灾害时空分布特征[Ⅰ]：东北春玉米延迟型冷害*

张梦婷1, 2, 刘志娟1**, 杨晓光1, 董朝阳1, 刘子琪1

（1.中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 北京 100081）

基于东北三省春玉米潜在种植区内65个气象站点1961-2010年逐日气象数据，以气象行业标准5-9月逐月平均气温之和与其多年平均值的距平作为春玉米冷害等级判断指标，分析东北三省春玉米生育期冷害发生概率的空间分布和年代际演变特征，并利用每月逐日平均气温与其多年平均值的距平值明确了春玉米生长时段内低温事件发生风险较大的月份。结果表明：（1）近50a（1961-2010年）东北三省春玉米冷害发生区域范围大小表现为重度＞轻度＞中度，其中轻度冷害的高发区位于吉林省西部，低发区位于辽宁省南部地区；中度冷害主要发生于黑龙江和吉林省部分地区，辽宁省发生较少；重度冷害高发区位于黑龙江省北部、东南部以及吉林省东部地区，发生频率在25%以上，低发区位于辽宁省中西部，发生频率低于5%。各等级冷害发生频率年际间总体呈下降趋势，近20a（1991-2010年），各等级冷害的发生范围明显缩小。（2）东北三省春玉米各等级冷害低温事件主要发生在5月和6月，生产实际中需关注5月和6月的温度变化及冷害发生。

冷害；温度距平；站次比；频率

IPCC第五次评估报告指出，1880-2012年，全球平均地表温度上升了0.85℃（0.65～1.06℃），1951-2012年全球地表平均增温速率几近1880年以来升温速率的两倍[1]。第三次气候变化国家评估报告指出，近百年来（1909-2011年），中国陆地区域平均气温上升0.9～1.5℃，中国区域在未来时段气温将持续上升，至21世纪末温度将上升1.3～5.0℃[2]，东北三省是中国受全球气候变化影响最显著的地区之一[3]，年平均气温每10a上升0.30℃[4]。气候变化背景下东北三省热量资源增加，热量条件的改善有利于粮食生产，而气候变化背景下干旱、洪涝和低温冷害等极端天气气候事件发生频率增加[5]。近60a，与日最低气温相关的极端气候事件强度和频率明显减弱、减少，但是气温的波动幅度明显增加，且在东北地区随着纬度的升高，发生极端低温事件频率也逐渐增大[6]，使农业生产的不稳定性增加，导致东北三省已成为中国粮食产量波动最大的区域之一[5]。

统计资料显示，2010年全国玉米种植面积为2.45×107hm2，为中国种植面积最大的粮食作物，玉米总产量达1.23×108t[7-9]。东北三省是全国玉米商品粮基地，其中部地区为中国黄金玉米带，2010年春玉米播种面积超过8.0×106hm2，产量近3.89×107t，约占全国的31%[10]。该地区玉米产量丰欠直接关系到全国玉米总产和国家粮食安全。冷害指作物生长期间出现日平均气温10～23℃（有时低于10℃）的低温天气过程，引起农作物生育期延迟，或使其生殖器官生理活动受阻，而导致减产的一种农业气象灾害[11]。东北地区春玉米冷害主要分为延迟型冷害、障碍型冷害和混合型冷害[12]。低温冷害是东北地区主要农业气象灾害之一，是导致玉米产量不稳、品质不高的主要原因[3]。当水分条件基本适应时，玉米生育期内积温减少100℃·d，单产下降约6.3%，在抽雄-成熟阶段，平均气温下降1℃，单产下降约550kg·hm-2[13]，且相应地也将导致玉米品质的下降[14]。

低温冷害发生的时空分布规律是研究灾害的基础，可为进一步对低温冷害的监测预警以及风险评估的研究提供理论基础[15]，从而为各地区制定合理的防灾减灾技术提供科学依据。目前各地研究玉米冷害时空分布特征有多种指标，包括生长季≥10℃活动积温[16]、积温距平指标[17]、发育期距平指标[18]、与发育期结合的热量指数[19]以及综合指标[20]等。由于指标多样，且地区适应性不一致，在各地区进行玉米冷害评估时，无法进行时空对比分析，这就给农业气象防灾减灾、救灾对策制定实施和种植结构合理调整带来了不利。因此，国家气象局为促进玉米冷害评估业务的标准化，参照2009年颁布的《QX/T 101-2009水稻、玉米冷害的等级》[11]，并结合相应玉米冷害研究文献，在2012年重新颁布了《QX/167-2012北方春玉米冷害评估技术规范》[21]。因此，本文依据新的冷害标准，选择春玉米生长季5-9月温度距平作为冷害指标，基于东北三省65个气象站点1961-2010年50a逐日气象资料，研究东北三省春玉米冷害的时间演变趋势和空间分布特征，并进一步明确玉米生长阶段内低温事件可能发生的月份，以期为东北三省春玉米种植及应对冷害采取适宜的措施，为防灾减灾提供科学合理的依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域

研究区域为东北三省，即黑龙江、吉林和辽宁，据研究[22]，东北春玉米生长所需≥10℃积温为2000～3600℃·d。考虑80%的气候保证率，采用五日滑动平均法计算玉米生物学下限温度10℃的起止日期，逐日累计起止日期内≥10℃活动积温，以80%保证率下≥10℃活动积温大于2000℃·d为标准，确定东北三省春玉米的可能种植区域[23]，结果如图1所示。

1.2 气象数据

气象数据来源于中国气象局科学数据共享服务网，包括65个气象站点（黑龙江省23个、吉林省19个和辽宁省23个）1961-2010年的逐日平均气温资料，站点分布如图1所示。

1.3 指标与计算方法

1.3.1 春玉米延迟型冷害指标

参照《QX/167-2012 北方春玉米冷害评估技术规范》[21]，结合赵俊芳等[16,24-25]在研究中对低温冷害指标使用的解释，以5-9月逐月平均气温之和的多年平均值（T，℃），以及当年5-9月逐月平均气温之和（T5-9，℃）与T的距平值（△T，℃）两个指标，作为春玉米延迟型冷害指标，具体如表1。依据致灾因子的量值大小确定级别，将东北三省春玉米延迟型冷害分为轻度、中度和重度3个等级。如，若研究区域内某一站点5-9月50a平均气温之和（T）为84.5℃，计算得到该站点5-9月逐月平均气温之和（T5-9）与T的距平（△T）低于-2.4℃，则该站点在这一年发生重度冷害，若△T在-2.4～-1.9℃，则发生中度冷害，若△T在-1.9～-1.4℃，则发生轻度冷害，若大于-1.4℃，则未发生冷害。

表1 东北三省玉米延迟型冷害等级的判断标准

注：T为5-9月逐月均温之和的多年平均值（℃），∆T为当年5-9月逐月均温之和与T的距平值（℃）。

Note: T is the annual average of sum of monthly mean temperature from May to September (℃), ∆T is the anomaly between sum of monthly mean temperature from May to September and T (℃).

1.3.2 冷害发生频率计算

根据表1中春玉米延迟型冷害指标，计算不同等级冷害每年各站点的发生情况，并计算某站点在春玉米生育阶段的冷害频率（Fi）。

Fi=n/N×100% （1）

式中，Fi为某等级冷害发生的频率；n为发生某等级冷害的年数；N为资料总年数。

1.3.3 站次比计算

站次比是指某一区域内满足研究条件下的台站数占全部台站数的比例，可用来评价影响范围的大小，计算式为

Pj=m/M×100% （2）

式中，Pj为站次比(%)；m为区域内满足某条件的台站数；M为研究区域内总的气象台站数。

1.3.4 低温事件发生风险较大月份判别

首先，根据春玉米冷害指标确定冷害发生与等级，筛选出不同等级冷害的发生年份，将该年份5-9月逐日平均气温与该站点50a中5-9月逐日平均气温对比，依据低温强度和持续时间筛选出与多年平均气温差异最大的月份；然后从中筛选该站点各等级冷害发生年对应的出现概率最大的月份，即为不同等级冷害低温事件的可能发生月份。

2 结果与分析

2.1 研究区域冷害指标的适应性验证

选取黑龙江省哈尔滨站、吉林省白城站和辽宁省本溪站为代表性站点，对分析期春玉米实际低温冷害发生情况进行调查，资料来源于《中国气象灾害大典（黑龙江卷、吉林卷和辽宁卷）》[26-28]，结果见表2。由于记录资料的限制，存在一些缺少该年记录和该年记录中未提及相应区域的情况，均视为无记录处理，研究中不予考虑。文献[26-28]中数据记录以县为单位，因此在验证时，若记录显示该站点辖区内发生冷害，则也作为符合情况处理。另外《中国气象灾害大典（吉林卷）》中直至1980年仅记录了水稻的冷害，故1980年以前年份均作无记录处理。

表2为根据《中国气象灾害大典（黑龙江卷、吉林卷和辽宁卷）》中记录的冷害与基于冷害指标计算的冷害匹配情况。由表可知，黑龙江省哈尔滨站符合实际情况的年份占全部有记录年份的58%，吉林省白城站为62.5%，辽宁省本溪站为59%，符合率较高。由此可见，该指标可以用于东北三省春玉米冷害的发生特征分析。

表2 各省典型站点实际冷害调查结果与利用指标判断结果的匹配情况

（续continued）

典型站点Typical stations年份Year实际冷害情况Chilling damage records匹配结果Yes or No 本溪站Benxi19875月温度低，对作物产生影响A low temperature in May and effected yieldü 19926、8月温度偏低，受灾严重A low temperature in June and August，and caused a serious effect ü 19945月出现霜冻Frost in May× 19955、7、9月气温持续偏低，低温灾害严重A low temperature in May, July and September and caused a severe chilling damageü 19968月气温明显下降，受低温灾害A temperature dropping in August and caused a chilling damage×

注：ü为结果符合，×为结果不符合。E-为上旬，M-为中旬，L-为下旬。

Note:ü：match, ×：not match. E- is the first ten-day of a month；M- is the middle ten-day of a month；L- is the last ten-day of a month.

2.2 区域内不同等级冷害发生频率的空间分布

2.2.1 轻度冷害

由图2a可见，研究区域内轻度冷害发生频率最高值为吉林省长岭站，达22%；在黑龙江省的东部虎林、宝清、富锦和佳木斯一带，吉林省中部桦甸、梅河口、桓仁周边以及辽宁省南部大连等地，近50a轻度冷害发生频率为10%～20%；黑龙江中西部、吉林东部以及辽宁大部分地区轻度冷害发生频率低于10%，其中海伦、朝阳、黑山等9个站点50a来未发生轻度冷害。

图2b-图2f分别为各年代春玉米轻度冷害发生频率的空间分布图。由图中可见，20世纪60年代轻度冷害发生频率总体呈北高南低的空间分布特征。其高值区集中在黑龙江省东部佳木斯和宝清、吉林省西部的长岭和乾安以及辽宁南部大连站等地，轻度冷害发生频率大于40%，最大值在乾安站，为50%；其次为黑龙江省西南部地区及吉林省中部地区在60年代春玉米冷害发生频率为20%～40%；低值区主要集中在黑龙江中部、吉林东部和辽宁省大部分地区，轻度冷害发生频率低于10%，其中28个站点10a未发生轻度冷害。70年代研究区域轻度冷害高发区位于吉林省中西部和辽宁省北部地区，发生频率为20%～40%；在黑龙江省中东部、吉林省东部及辽宁省西南部部分地区轻度冷害发生频率较低，均低于10%。80年代轻度冷害主要发生在黑龙江省东北部和吉林省中西部地区。90年代研究区域春玉米轻度冷害发生频率较前几个年代明显减小，嫩江、虎林、桦甸和彰武4个站点发生频率为20%，36个站点10a未发生轻度冷害。21世纪初，整个研究区域内春玉米轻度冷害发生频率均低于10%，且其中60个站点10a未发生轻度冷害。

可见，研究区域春玉米轻度冷害的高发区在吉林省西部地区，低发区在辽宁省南部地区。

2.2.2 中度冷害

由图3a可见，研究区内50a来中度冷害发生频率较小。仅4个站点发生频率高于10%，分别为克山站、泰来站、前郭尔罗斯站和桓仁站。

图3b-图3f分别为各年代春玉米中度冷害发生频率的空间分布。由图中可见，20世纪60年代，中度冷害主要发生在黑龙江省以及吉林省北部的前郭尔罗斯等地区，最大值出现在前郭尔罗斯站，为40%。70年代，中度冷害主要发生在克山站、东岗站和桓仁站，发生频率达30%。80年代，高值区分布在黑龙江东北部、南部地区和吉林省北部地区，发生频率为10%～20%。90年代，发生频率普遍较低，在伊春站、长春站和桓仁站发生频率达20%，其中有45个站点此期未发生中度冷害。进入21世纪后，研究区域10a内未发生春玉米中度冷害。

可见，春玉米生长季中度冷害整体而言发生频率较小，分布范围不广，主要发生在黑龙江和吉林地区，辽宁省发生较少。

2.2.3 重度冷害

由图4a可见，研究区内重度冷害频率分布总体呈东北向西南递减的特征。黑龙江北部的北安、东南部的绥芬河以及吉林省东部敦化地区为高值区，近50a重度冷害发生频率高于25%；黑龙江省中东部以及吉林省中北部地区为次高值区，重度冷害发生频率高于10%；低值区主要集中在辽宁省中西部的朝阳、锦州、营口和熊岳等地，重度冷害发生频率低于5%。

图4b-图4f分别为各年代春玉米重度冷害发生频率的空间分布。由图中可见，20世纪60年代，重度冷害发生频率总体呈东北向西南递减的空间分布特征。高值区主要分布在黑龙江省北部的嫩江、东部的绥芬河以及吉林省东部的延吉地区，重度冷害发生频率为50%；其次在黑龙江省东部和吉林省中部地区，重度冷害发生频率为20%～40%；低值区主要集中在吉林省西部及辽宁省地区，发生频率低于10%，其中有14个站点在60年代未发生重度冷害。70年代，高值区在吉林省东部敦化、东岗地区，发生频率高于40%；其次在黑龙江大部分地区和吉林中东部地区，发生频率高于20%；低值区主要分布在辽宁省中西部地区。80年代，高值区分布在黑龙江西北部、东部地区和吉林省东部地区，发生频率高于20%；其次在黑龙江省中部、吉林省北部地区，发生频率在10%～20%；低值区主要集中在吉林省南部地区及辽宁省全省，发生频率低于10%。90年代，发生频率普遍较低，高值区在东南部地区，发生频率高于10%，其中有35个站点此期未发生重度冷害。进入21世纪之后，研究区域内春玉米重度冷害发生明显减少，10a内仅哈尔滨站在2009年发生过重度冷害。

可见，分析期内和各年代春玉米重度冷害高发区均在黑龙江北部、东部以及吉林东部地区，低发区在辽宁省西南部地区。

2.3 区域冷害年及冷害发生站次比的变化趋势

2.3.1 区域冷害年

参考朱海霞等[29]黑龙江省1980-2009年春玉米低温冷害年研究成果，若研究区域内65个站点中24%以上的站点发生低温冷害，本文即判定该年为春玉米种植期间发生区域性冷害的冷害年。表3统计了1961-2010年各年代不同等级区域性冷害的冷害年，可以看出，低温冷害主要发生在20世纪60、70和80年代，90年代有所减少，而在21世纪前10a，仅个别站点发生低温冷害，可见春玉米低温冷害发生频率在21世纪初有所减低。此外中度冷害在1961-2010年，未见发生区域性冷害，因此表中未统计其冷害年。

表3 各年代发生区域性春玉米冷害的年份统计

Note: SL is slight chilling damage, SE is severe chilling damage.

2.3.2 站次比变化

由图5a可见，过去50a（1961-2010年）东北三省春玉米轻度、中度和重度冷害站次比分别在0～33.8%、0～20.0%和0～76.9%，发生范围为重度>轻度>中度。各等级冷害站次比均呈减少趋势，轻度冷害站次比由20世纪60年代的11.23%降至21世纪初的0.8%；中度冷害站次比由60年代的8%降至21世纪初的0；重度冷害站次比由60年代的16.7%降至21世纪初的0.2%。过去50a黑龙江省（图5b）春玉米轻度、中度和重度等级冷害站次比分别在0～43.5%、0～43.5%和0～100%，且各等级冷害站次比亦呈现减少趋势。过去50a吉林省（图5c）春玉米一般冷害与严重冷害站次比分别在0～52.6%、0～42.1%和0～100%，轻度冷害站次比呈减少趋势，中度和重度冷害站次比在20世纪70年代有所增加，自80年代起呈减少趋势。辽宁省（图5d）春玉米一般冷害与严重冷害站次比分别在0～39.1%、0～26.1%和0～69.6%，其中各等级冷害站次比在70年代有明显增加，而在20世纪90年代和21世纪初明显减少。

2.4 春玉米低温事件发生风险较大月份分析

图6为东北三省春玉米各等级冷害低温事件发生风险较大月份的空间分布。由图可见，东北三省春玉米各等级冷害低温事件主要发生在5月和6月。图6a显示，黑龙江大部、吉林北部，轻度低温冷害事件6月发生的可能性较高，吉林省西南部7月发生的可能性较大，辽宁省大部5月发生的可能性较大。图6b显示，黑龙江省大部中度冷害低温事件6月发生的可能性最大，黑龙江省中部的哈尔滨等站以及吉林省大部和辽宁省北部5月发生的可能性最大。图6c显示，黑龙江西北部、吉林中部以及辽宁北部地区重度冷害低温事件在5月发生的可能性最大，黑龙江中东部、吉林西部6月发生的可能性较大，辽宁南部7月发生的可能性最大。总体而言，东北三省各等级冷害低温事件主要出现在5月和6月，部分地区在7月，仅少数站点可能会出现在8月。

5月正值东北三省春玉米播种-出苗阶段，冷害可能导致玉米出苗推迟，苗弱、瘦小等，且低温持续时间越长，生长受抑制程度越大，玉米生长恢复过程也就越长[30-31]。6月多为春玉米七叶-拔节期，冷害使春玉米发育速率降低，生育期延迟，尤其对植株功能叶片的生长有阻碍作用，造成植株生物量降低[26,32]。从以上分析可以看出，东北三省玉米冷害主要发生在5-6月，因此，玉米生产应关注5月和6月的温度变化，做好低温冷害的防御和应急预案。此外，曹永华等[33]从试验角度探究低温对玉米生产的影响，其结果表明，低温对生长发育的影响不仅表现在处理期间，在后期生育进程中还表现出影响的后效，营养生长期受到低温影响的玉米，无论后期生长条件如何，均会引起减产。因此，生产实际中需重点关注5月和6月的温度变化及冷害发生。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）1961-2010年东北三省春玉米冷害发生区域范围大小表现为重度＞轻度＞中度，其中轻度冷害的高发区位于吉林省西部，低发区位于辽宁省南部；中度冷害主要发生在黑龙江和吉林部分地区，辽宁省发生较少；重度冷害高发区位于黑龙江北部、东南部以及吉林东部地区，发生频率在25%以上，低发区位于辽宁省中西部，发生频率低于5%。本研究有关重度冷害的空间分布特征的结果，与赵俊芳等[16，34]研究结果较为一致，轻度冷害的结果在吉林省西部地区与杨若子等的研究结果相似[35]，但与灾害大典上记载结果有所偏差，说明指标的适用性仍存在地域差异，未来应用中还需进一步改进。各等级冷害受害程度年际间总体呈下降趋势，与20世纪60-80年代比较，近20a来3个等级冷害的发生频率在空间上的减少趋势更为明显。

（2）东北三省春玉米各等级低温冷害事件主要发生在5月和6月，生产实际中需关注5月和6月的温度变化及冷害发生。本研究与孟祥君等[36]关于吉林省春玉米低温冷害可能发生月份和空间分布的研究结果较为一致。

3.2 讨论

本文研究可为东北地区春玉米种植制定冷害防灾减灾措施提供科学依据，但由于条件限制，仍存在一些不足：（1）指标选择上，本文采用春玉米生育期5-9月逐月平均气温之和的距平值作为致灾因子，该指标采用单一温度阈值作为玉米是否发生低温冷害指标[37]，指标计算简单，且整体准确性不高，因此今后应当对该低温冷害指标进行逐步完善，使指标能更好地体现冷害对各区域不同玉米品种不同生育期的影响，以提高指标的针对性。（2）本研究采用5-9月逐月平均气温之和的距平值作为冷害指标，但计算多年平均值，应适当考虑冷暖年的影响。自20世纪80年代中期以后，气温升高明显[34]，所以在60和70年代，若采用50a的均值计算距平值，可能会存在一定误差。（3）东北三省春玉米遭受冷害的频率整体上呈降低趋势，地区之间存在明显差异，但东北地区近50a（1961-2010）极端低温事件呈增加趋势[38]，其波动性导致冷害发生不确定性增加，故低温冷害仍是东北三省玉米生产中应关注的重要问题。在气候变化背景下，应结合冷害发生的新特征做好灾害的预警以及灾害应急和灾后补救预案，并根据天气预报采取田间管理措施动态调节春玉米生长，防灾减灾，减小冷害对玉米产量的影响[39-41]。（4）气候变化背景下，作物的物候期也发生了改变，且农作物作为灾害受体存在脆弱性，也同样增加了低温对作物的影响。因此，本文进一步明确了东北三省春玉米春玉米延迟型冷害可能发生在5-6月，但仍需进一步结合具体春玉米生育期资料及产量资料，明确不同时期冷害对产量的可能影响，这也是未来有关冷害对东北玉米影响研究的重点方向之一。

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Temporal and Spatial Variations of Agro-meteorological Disasters of Major Crops in China under the Background of Climate Change[I]: Delayed Chilling Damage of Spring Maize in Northeast China

ZHANG Meng-ting1, 2, LIU Zhi-juan1, YANG Xiao-guang1, DONG Chao-yang1, LIU Zi-qi1

(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, CAAS, Beijing 100081)

Based on daily meteorological data from 65 meteorological stations from 1961 to 2010 in the potential areas of spring maize in Northeast China, the spatial and temporal distribution of chilling damage for spring maize was analyzed. The deviations of total monthly mean temperature from May to September were used as the chilling damage index, according to meteorological standard. Meanwhile, the highest risk of occurrence for chilling damage during entire growing season was also identified. The results showed that: (1) During the past 50 years (1961-2010), the area suffered chilling damage was severe＞slight＞moderate. The higher occurrence of slight chilling damage was in the west of Jilin province and the lower value located in the south of Liaoning province. The higher occurrence of moderate chilling damage distributed in several regions of Heilongjiang province and Jilin province, and the lower values located in Liaoning province. The higher occurrence (more than 25%) of severe chilling damage was in the north and south-east of Heilongjiang province and the east of Jilin province, and the lower values (less than 5%) located in the west and middle of Liaoning province. The frequency of all levels of chilling damage decreased during the past 5 decades. In recent 20 years (1991-2010), disaster occurred area decreased significantly. (2) All levels of chilling damage for spring maize mainly occurred in May and June in the study areas. Therefore, the temperature changes and the chilling damage in May and June should be paid more attentions in maize production.

Chilling damage; Temperature deviations; Station proportion; Frequency

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.05.012

2016-01-21**

。E-mail：zhijuanliu@cau.edu.cn

国家科技支撑计划（2012BAD20B04）

张梦婷（1992-），女，硕士生，研究方向为气候变化与农业气候资源。E-mail：mengting_zh@163.com