东北地区不同降水保证率下玉米水分亏缺和干旱强度分析

郭安红,李召祥,何 亮,张 蕾

(1 中国气象局国家气象中心，北京 100081；2 农业农村部工程建设服务中心，北京 100081)

东北地区是我国春玉米主产区，2012年黑龙江、吉林和辽宁三省春玉米播种面积超过1 000万hm2，并逐年增长，到2016年超过1 200万hm2；2011—2016年三省玉米总产平均超过7 000万t，占全国春玉米总产量的30%左右[1]。东北地区玉米种植基本上还是旱作雨养农业[2,3]。高晓荣等[4]研究表明，东北地区春玉米播种～七叶期需水量约为30～100 mm，七叶～抽雄阶段为100～165 mm，抽雄～乳熟阶段为80～140 mm，乳熟～成熟阶段为30～100 mm；由于东北地区降水时空分布差异较大，特别是西部产区降水不足严重影响春玉米生长发育和产量形成。2017、2018年黑龙江西部、吉林西部和辽宁西北部玉米播种阶段降水不足，部分地区玉米不能及时下种或播种后无法出苗；2014、2015年辽宁中西部玉米抽雄吐丝阶段降水持续偏少，干旱影响了玉米产量形成。因此，及时监测评估旱情对玉米生长发育的影响，采取针对性的防旱抗旱措施对于确保东北地区玉米生产至关重要。

作物水分亏缺指数(CWDI)作为农业干旱的综合性指标之一，综合考虑了作物不同生育阶段水分需求、不同水温条件下蒸散发等因素，对监测评估农业干旱具有较好的适用性[5-6]。董朝阳等[7]利用CWDI研究了我国北方春玉米各生育阶段干旱年代际演变特征及空间分布规律，得出我国北方地区春玉米CWDI年代间波动以华北、东北地区较为剧烈，且从20世纪80年代以来有波动上升的趋势。董秋婷等[8]利用CWDI分析了近50年东北地区春玉米干旱的时空演变特征，得出在生长季内玉米的需水量与降水量均呈先增加后减少的变化趋势、7月下旬达到峰值，CWDI值在4—6月和9月较高，易发生干旱。张淑杰等[9-10]利用CWDI研究了东北地区玉米生长季内干旱的季节性和区域性特点，得出玉米苗期、拔节期、抽雄开花期、灌浆成熟期干旱发生频率均呈东北向西南逐渐增加的分布趋势,辽宁西部和南部、吉林西部和黑龙江西南部地区干旱频率较高。此外，还有一些其他干旱气候指标被用于东北地区干旱发生频率和危险性分析[11-15]。

降水保证率表示某一界限降水量出现的可靠程度，在农业气候分析中广泛被应用。一般分别把保证率为75%、50%和25%的降雨年份作为干旱年、平水年和湿润年。马有绚等[16]分析了不同降水保证率下我国棉花全生育期的需水特征；张秋平等[17]分析了不同降水保证率下北京地区旱稻作物需水与降水的耦合关系以及各种情况下需要补充的灌溉量；魏新光等[18]分析了不同降水保证率下辽宁地区玉米全生育期水分盈亏时空分布特征，并据此将辽宁玉米灌溉模式进行了分区。上述研究表明，不同降水保证率下作物水分需求盈亏的分析对合理安排作物生产用水具有很强的指导作用。

本文通过分析春玉米播种期、苗期、拔节吐丝期和灌浆期保证率分别为25%、50%和75%情况下自然降水与玉米水分需求之间的盈亏情况；同时，利用逐日水分亏缺距平指数(CWDIa)监测旱情的持续和发展，通过累计水分亏缺定义玉米不同生长发育阶段干旱强度，并基于不同干旱强度等级发生频率分析干旱风险，为准确监测评估东北地区玉米各生长发育阶段旱情，科学制定生产用水计划，有效规避干旱风险提供理论支撑。

1 资料来源与研究方法

1.1 研究区概况及资料来源

气象资料是采用1981—2016年辽宁、吉林、黑龙江3个省玉米主产区154个气象站的逐日资料，其中包括降水量、最高气温、最低气温、平均温度、日照时数、相对湿度和风速等，玉米发育期的确定是利用3省48个农业气象观测站春玉米发育期观测资料，见表1。3个省玉米平均成熟时间基本相同，黑龙江玉米播种较晚、发育期较短与玉米品种熟性有一定关系。

表1 东北三省春玉米发育期(m-d)

1.2 春玉米不同生长发育阶段降水保证率计算

某界限降水量在一定时段内出现的次数与同时段降水总次数的百分比称为降水频率，高于( 或低于) 某界限降水量的频率总和称为降水保证率。降水保证率表示某一界限降水量出现的可靠程度。本文采用经验频率法进行计算。

利用1981—2016年东北三省逐日降水资料，根据表1春玉米发育期以及生产实际上关注的主要阶段，选取播种期(黑龙江：4月21日至5月20日；吉林和辽宁：4月11日至5月10日)、苗期(黑龙江：5月21日至6月30日；吉林和辽宁：5月11日至6月30日)、拔节吐丝期(7月1日至8月10日)以及灌浆期(8月11日至9月20日)计算保证率分别为25%、50%和75%条件下春玉米各发育期降水量。

1.3 累计水分亏缺和干旱强度计算

1.3.1 逐日水分亏缺距平计算 玉米逐日水分亏缺距平指数(CWDIa)根据国家标准《GBT 32136-2015 农业干旱等级》[19]，由式(1)计算：

(1)

CWDI=a×CWDIj+b×CWDIj-1+c

×CWDIj-2+d×CWDIj-3+e×CWDIj-4

(2)

式中,CWDIj为第j时间单位(由计算当日向前取10 d为一个时间单位)的水分亏缺指数(%)，CWDIj-1为第j-1时间单位的水分亏缺指数(%)，CWDIj-2为第j-2时间单位的水分亏缺指数(%)，依此类推；a、b、c、d、e为权重系数，各地可根据当地实际情况确定相应系数值。第j时间单位的水分亏缺指数CWDIj计算公式如式：

(3)

式中，Pj为第j时间单位的降水量(mm)；Ij为第j时间单位的灌溉量(mm)。由于东北地区农业生产主要依赖于自然降水，本文在计算的时候Ij取值为0；ETcj为第j时间单位作物实际蒸散量(mm),也是玉米第j时间单位的需水量，由ETcj=Kc×ET0计算。其中ET0为第j时间单位作物可能蒸散量，采用Penman-Monteith公式计算，具体方法见气象干旱标准[20]；Kc为第j时间单位玉米所处发育阶段的作物系数，确定方法见农业干旱国家标准[19]。

1.3.2 干旱评判和干旱强度计算 干旱的持续和发展是一个累积和渐进的过程，结束则可因有效的降水即刻解除。玉米干旱过程的评判参照农业干旱国家标准[19]，当分析时段内某日CWDIa大于阈值0.4则干旱开始，CWDIa计入该时段累计水分亏缺，至某日CWDIa小于阈值0.4则干旱结束。根据游程理论统计时段内累计水分亏缺，如图1所示：CWDI0取0.4，ts为一个干旱过程的开始，ta为干旱过程的结束，D为干旱持续时间，图中大于CWDI0的面积为统计时段内累计水分亏缺Sd。累计水分亏缺Sd是一个数值化指标，可表征任意时段的干旱强度，通过将累计水分亏缺分级可以表征各生长发育阶段的干旱强度等级(表2)。

计算1981—2016年东北三省玉米播种期、苗期、拔节吐丝期以及灌浆期累计水分亏缺Sd，将各发育期Sd历史数据由大到小进行有序排列，按照样本数5%、15%、30%，50%对应的Sd值由高至低划分5级干旱强度等级；其中Sd为0时，干旱等级为0(见表2)。例如播种期当Sd为5.41～10.00时，干旱强度为3级、偏强；Sd为10. 01～17.20时，干旱强度为4级、极强。

图1 时段累计水分亏缺计算图示Fig.1 Calculation diagram of accumulated water deficit at certain time period

表2 东北地区春玉米不同生育期干旱强度分级

1.4 不同降水保证率下玉米水分盈亏计算

玉米播种期、苗期、拔节吐丝期和灌浆期需水量ETc由各发育期内的ETcj累加计算，取30年平均值作为该生长阶段的需水量。然后用1.2节的方法计算出的各生长阶段保证率分别为75%、50%和25%下的降水量与需水量差值来表示玉米水分盈亏，正值表示盈余，负值表示亏缺。

1.5 干旱气候危险性指数构建

统计1981—2016年各生长发育期不同干旱强度等级发生频率作为干旱气候危险性致灾指标，对不同等级致灾指标给予不同的权重，对干旱致灾等级加权构建干旱综合气候危险性指数：

式中，Sr为春玉米干旱气候危险性指数，Si为各发育期内不同干旱强度等级发生频率，di为不同强度等级的权重，这里考虑等级越大贡献越大的原则，分别给5个强度等级权重1/15、2/15、3/15、4/15、5/15。根据危险性指数将危险性划分为高、较高、中等、中等偏低和低危险区。

2 结果与分析

2.1 不同生育期不同降水保证率下春玉米水分盈亏分析

图2为东北地区春玉米播种期、苗期、拔节吐丝期和灌浆期降水保证率为75%时水分需求盈亏情况，可以看出，此情景下大部地区降水不能满足玉米生长发育所需。播种期东北大部地区的水分亏缺量为10～30 mm，吉林西部和黑龙江松嫩平原西南部等地为30～40 mm(图2a)；苗期辽宁西部、吉林西部水分亏缺量为50～80 mm，辽宁东部、吉林中部以及黑龙江大部地区亏缺量为10～50 mm，吉林东部降水基本能够满足玉米生长所需(图2b)；拔节吐丝期玉米耗水量较大，辽宁西部、吉林中西部、黑龙江大部水分亏缺量为50～80 mm，部分地区达80～130 mm，其余地区亏缺量为10～50 mm(图2c)；灌浆期辽宁西部、吉林中西部和东北部、黑龙江西南部和东部部分地区水分亏缺量为50～80 mm，部分地区达80～130 mm(图2d)。

图3为播种期、苗期、拔节吐丝期和灌浆期降水保证率为50%时玉米水分需求盈亏情况。此情况下，东北地区西部大部降水不能满足玉米生长发育所需。播种期黑龙江、吉林和辽宁三省的西部地区水分亏缺量为0～30 mm(图3a)；苗期三省西部地区水分亏缺的范围较播种阶段缩小，但局地亏缺量增加，为0～50 mm(图3b)；拔节吐丝期水分亏缺主要出现在黑龙江东部、松嫩平原西南部以及吉林西部和辽宁西部局地，亏缺量为10～80 mm(图3c)；灌浆期黑龙江大部、吉林中西部和东北部、辽宁西部存在不同程度水分亏缺，其中三省的西部地区水分亏缺量在10～80 mm(图3d)。

在播种期、苗期、拔节吐丝期和灌浆期降水保证率为25%的情况下，东北地区大部降水能够满足玉米生长水分需求，部分地区还存在100～200 mm的盈余，仅在吉林西部、黑龙江松嫩平原西南部以及辽宁西部的局地在播种期和灌浆期存在水分亏缺(图4)，亏缺量一般不足50 mm。

2.2 春玉米不同生育期干旱强度分析

图5～8为1981—2016年东北地区玉米4个生育期平均干旱强度、最大干旱强度以及2000、2014年典型年的干旱强度分布，并根据表2评判干旱强度等级。玉米播种阶段，东北大部地区平均干旱强度为1.01～5.20，其中西部地区略强，为2.23～5.20，东部黑龙江牡丹江、吉林通化、辽宁宽甸等地不足1.0(图5a)。最大干旱强度在三省的西部地区为10.01～15.00，吉林白城、黑龙江龙江局地可达15.01～17.20，达到极强等级(4级)；东部地区普遍为5.41～10.00，为偏强等级(3级)，吉林桦甸等地局地不足5.40，为2级(图5b)。2000年播种期，仅在吉林西部以及辽宁阜新、大连出现了中等偏弱、局地偏强(1～3级)的旱情，强度值多为1.01～8.10，其余大部地区无明显旱情(图5c)；而2014年播种期，在黑龙江松嫩平原中西部、吉林西部以及辽宁大部地区出现了3级以上强度的旱情，强度值为5.41～15.60，其中黑龙江松嫩平原西北部、吉林白城西部以及辽宁中部平原等地达到或接近历史最强旱情(图5d)。

图2 东北春玉米播种期、苗期、拔节吐丝期和灌浆期降水保证率为75%时水分盈亏量/mmFig.2 Water deficit at sowing, seedling, jointing to silking and filling stage of spring maize under 75%precipitation guarantee rate in Northeast China

图3 东北春玉米播种期、苗期、拔节吐丝期和灌浆期降水保证率为50%时水分盈亏量/mmFig.3 Water deficit at sowing, seedling, jointing to silking and filling stages of spring maize under 50% of precipitation guarantee rate in Northeastern China.

图4 东北春玉米播种期、苗期、拔节吐丝期和灌浆期降水保证率为25%时水分盈亏量/mmFig.4 Water deficit at sowing, seedling, jointing to silking, and filling stages of spring maize under 25% of precipitation guarantee rate in Northeastern China.

苗期生长阶段，平均干旱强度由西北部向东南部减弱，辽宁中西部、吉林中西部、黑龙江大部地区为0.51～4.85(图6a)。最大干旱强度在三省的西部地区和黑龙江三江平原为4级，强度值为7.83～15.00，其中吉林白城、辽宁阜新等地达15.01～24.70；其余地区最大干旱强度为2～3级，强度值0.51～7.82(图6b)。2000年苗期，东北三省西部的部分地区出现了2～3级强度的干旱，强度值为0.51～7.32，中东部大部地区旱情较弱或无旱情(图6c)；2014年苗期，黑龙江松嫩平原西部局地、吉林西部和东北部、辽宁大部出现了2～3级强度的干旱，其余地区旱情较弱或无旱情(图6d)。

拔节～吐丝期，三省的西部地区平均干旱强度为1.34～2.40，其余大部地区为0.04～1.33(图7a)。最大干旱强度在辽宁西部、吉林西部以及黑龙江的大部地区为4级，强度值5.81～15.00，黑龙江松嫩平原部分地区可达15.01～17.50；辽宁东部、吉林东部大部和黑龙江东南部为3级，强度值1.34～5.80(图7b)。2000年拔节～吐丝期，辽宁大部、吉林西部和黑龙江大部出现了3～4级强度的干旱，其中三省的西部地区为4级，强度值为5.81～10.00，辽宁西部和黑龙江西部的部分地区达10.01～17.40(图7c)；而2014年仅在辽宁中西部、吉林西南部、黑龙江东南部等地的部分地区出现了2级强度的旱情，辽宁西南部局地达到3级，其余地区旱情较弱或无旱情(图7d)。

灌浆期，平均干旱强度自西向东南部减弱，黑龙江松嫩平原西部、吉林西部和辽宁西部的部分地区为1.77～3.70；吉林东南部和辽宁东北部不足0.30(图8a)。最大干旱强度在辽宁西部、吉林西部以及黑龙江大部为4级，强度值5.76～15.00，局地可达18.70；其余地区多为3级，强度值1.77～5.75(图8b)。2000年灌浆期，在辽宁中部、吉林西部和黑龙江松嫩平原等地出现了2～3级干旱，强度值为0.31～5.75，其余地区旱情较弱或无旱情(图8c)；而2014年灌浆期，辽宁和吉林大部以及黑龙江的南部地区出现了不同强度干旱，其中辽宁中西部、吉林中部和东北部等地达到3～4级，强度值1.77～18.00(图8d)。

2.3 春玉米不同发育期干旱气候危险性评估

图9给出了基于干旱强度分级频率计算的东北三省玉米播种期、苗期、拔节～吐丝期和灌浆期干旱气候危险性指数分布。可以看出，东北三省西部在所有生育期内干旱危险性都相对较高；黑龙江东部在播种期、拔节吐丝期和灌浆期也存在一定程度干旱危险，吉林东部和辽宁东部多为干旱低危险区。

3 结论与讨论

本文通过分析东北地区春玉米播种期、苗期、拔节吐丝期和灌浆期在75%、50%和25%保证率下自然降水与玉米水分需求之间的盈亏、水分亏缺强度和干旱风险，得出以下主要结论：

1)4个生育期降水保证率为75%的干旱情况下，东北地区大部自然降水不能满足玉米水分需求，4个生育期的亏缺量分别为10～40、10～80、10～130 mm和10～130 mm；在保证率为50%的情况下，东北地区西部自然降水不能满足玉米水分需求，4个生育期水分需求亏缺量分别为0～30、0～50、0～80 mm和0～80 mm，且拔节～吐丝期和灌浆期在黑龙江东部地区也存在0～30 mm的水分亏缺；在保证率为25%的湿润情况下，仅播种期和灌浆期在吉林西部、黑龙江松嫩平原西南部和辽宁西部局地存在0～50 mm的水分亏缺。

2)1981—2016年，在玉米4个生育期，最大干旱强度的空间分布多是西部高、东南部低。辽宁西部、吉林西部和黑龙江松嫩平原大部以及三江平原部分地区在4个发育期最大干旱强度均可达到极强4级，而辽宁东部和吉林东部最大干旱强度为中等至偏强(2～3级)。2000年玉米拔节～吐丝期，辽宁大部、吉林西部和黑龙江大部出现了偏强至极强(3～4级)干旱，其中三省的西部地区为4级，强度值为5.81～10.00，辽宁西部和黑龙江西部的部分地区达10.01～17.40；由于拔节～吐丝阶段为玉米水分需求关键期，干旱胁迫导致玉米穗发育不良、结实率下降，最终导致较大幅度减产。2014年玉米播种期，黑龙江松嫩平原中西部、吉林西部以及辽宁大部地区出现了偏强至极强(3～4级)的旱情，强度值为5.41～15.60，其中黑龙江松嫩平原西北部、吉林白城西部以及辽宁中部平原等地达到或接近历史最强；干旱造成玉米播种困难，出现毁、补种或改种现象；在灌浆期旱情再度发展，在辽宁中西部、吉林中部和东北部等地达到3～4级，导致玉米灌浆不充分，造成一定程度的产量损失。

图6 东北春玉米苗期平均干旱强度、最大干旱强度以及2000、2014年干旱强度Fig.6 Average drought intensity, maximum drought intensity and drought intensity in 2000 and 2014 at seedling stage of spring maize in Northeastern China

图7 东北春玉米拔节～吐丝期平均干旱强度、最大干旱强度以及2000、2014年干旱强度Fig.7 Average drought intensity, maximum drought intensity, and drought intensity in 2000 and 2014 at jointing to silking stage of spring maize in Northeastern China.

图8 东北春玉米灌浆期平均干旱强度、最大干旱强度以及2000、2014年干旱强度Fig.8 Average drought intensity, maximum drought intensity, and drought intensity in 2000 and 2014 at filling stage of spring maize in Northeastern China.

图9 东北春玉米播种期、苗期、拔节～吐丝期和灌浆期干旱气候风险Fig.9 Drought climatic risk at sowing, seedling, jointing to silking, and filling stage of spring maize in Northeastern China

3)基于干旱强度等级频率分析的玉米干旱气候风险与不同降水保证率下玉米水分盈亏分析的结果相一致。东北三省西部在4个发育期干旱的危险性都相对较高，出现水分亏缺的可能性在50%以上，特别是吉林西部、黑龙江松嫩平原西南部以及辽宁西部地区，在播种期和灌浆期出现水分亏缺的可能性要大于75%；黑龙江东部在拔节吐丝期和灌浆期也存在一定程度干旱危险，出现水分亏缺的可能性在50%以上；吉林东部和辽宁东部干旱危险性较低，出现水分亏缺的可能性约为25%左右。

综合上述分析，可将东北地区玉米生产防旱抗旱的策略分为四级区域。一级区域主要包括吉林西部、黑龙江松嫩平原西南部和辽宁西部的阜新等地，在玉米各发育期降水正常的年份里都存在一定程度水分亏缺，且即使在播种期和灌浆期湿润年份里自然降水仍不能完全满足该阶段生长发育需求，最大干旱强度达到4级，干旱风险高，因而在无灌溉条件下种植玉米减产的风险是非常高的，防旱抗旱工作需要常年进行。二级区域是东北地区西部除一级区域以外的其他地区，在玉米各发育期湿润年份不会出现水分亏缺，但在正常年份存在水分亏缺、需要进行补充灌溉，干旱年份最大干旱强度可达到4级，干旱风险较高；该区域要做好玉米各发育期正常至偏旱年份的防旱抗旱工作。三级区域是在黑龙江东部地区，在玉米各发育期干旱年份里存在水分亏缺，且拔节吐丝期和灌浆期在降水正常年份也存在一定程度的水分亏缺，在极端干旱年份干旱强度也可达到4级；该区域除了抓好干旱年份玉米的防旱抗旱工作，也需要关注拔节吐丝期和灌浆期降水正常年份的水分亏缺，及时灌溉补水，保证玉米正常生长发育。四级区域主要位于吉林东部和辽宁东部地区，仅在干旱年份部分地区存在水分亏缺，最大干旱强度一般为2～3级，干旱风险比较低，这个区域仅需要在干旱年份进行补充灌溉；但是需要关注苗期、拔节～吐丝期和灌浆期在湿润年份会出现100～200 mm的水分盈余，低洼农田的玉米可能会出现渍涝害，影响玉米的生长发育。