黑龙江省近50年大豆需水量与干旱时空分布特征研究

李玖颖 王欣亮 王忠波,3 聂堂哲

(1.黑龙江省灌溉排水与节约用水技术中心， 哈尔滨 150040； 2.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030；3.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030； 4.黑龙江大学水利电力学院， 哈尔滨 150080)

0 引言

黑龙江省是我国粮食生产大省，大豆在全省范围内广泛种植，截止2017年大豆种植面积达373.5万hm2，占黑龙江省种植面积的25.3%[1]。黑龙江省是气候变化的敏感地区，气候变化导致作物生长发育和需水量产生相应的变化，各地气候、降雨和作物生长期的分布差异也导致作物水分供需的空间差异[2-4]，因此，区域尺度下作物水分供需时空分布特征研究得到了国内外学者的广泛关注[5-8]。已有学者对黑龙江省作物水分供需规律进行了研究[9-13]，随着黑龙江省大豆种植面积和大豆出口占比的增加，研究确定大豆水分供需情况对制定农业灌溉方案、合理利用农业水资源和作物生产决策与保障粮食安全具有借鉴和指导意义[14-16]。胡惠杰等[17]对东北大豆需水量进行了分区分析，但分区范围过大，且研究区未包括黑龙江省西北部大豆种植地区，因此难以对黑龙江省的农业生产进行指导。解文娟等[18]对东北三省大豆干旱时空特征进行了分析，但并未对黑龙江省大豆生育期内有效降雨量和需水量的时空分布特征进行分析。

黑龙江省属典型的旱作雨养农业区，春季干旱频繁，春夏连旱高发，干旱已经成为威胁农业生产安全的主要农业灾害[19-20]，研究黑龙江省大豆生育期内的干旱情况对预防旱灾和保证粮食安全具有重要意义。在干旱研究和旱情评价中，关键是明确干旱指标[21]，目前常用的两类指标为：①反映水分供应状况的降水指标，如降雨距平百分率[22]、Z指数、标准化降雨指数[23-24]、连续无降水日[25]等。②反映水分供需变化的指标，如气象干旱指数(CI)[26]、Palmer指标、相对湿润指数[27]、作物水分亏缺指数[28]、作物水分盈亏指数。作物水分盈亏指数能够较好地反映植物、土壤和气象三者的综合影响，已有一些学者利用水分盈亏指数对作物干旱进行评价研究[29-31]。

本文基于黑龙江省28个气象站1966—2015年的逐日气象资料和20个农业气象站1991—2008年大豆生育期的观测资料，计算大豆生育期内有效降雨量、需水量和水分盈亏指数及三者的气候倾向率，并绘制相应的分布图；利用水分盈亏指数制定黑龙江省大豆干旱等级，并利用《中国气象灾害大典黑龙江卷》[32]进行验证，计算黑龙江省大豆各生育阶段发生干旱频率；选取省内不同地区的典型站对有效降雨量、需水量、水分盈亏指数、干旱频率和干旱强度进行分析。旨在为黑龙江省合理分配灌溉水资源和预防旱灾提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

选取黑龙江省28个气象站1966—2015年的逐日气象资料：降雨量、最高气温、最低气温、平均风速、平均相对湿度、日照时数，20个农业气象站1991—2008年大豆的生育期观测资料，以上资料均来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/site/index.html)，干旱灾害资料来源于《中国气象灾害大典黑龙江卷》[32]。图1为研究区域及气象站和农业气象站的分布情况。

1.2 研究方法

1.2.1生育期的划分

依据FAO-56将大豆生育期划分为4个阶段，即生长前期、快速发育期、生长中期和生长后期[33]，根据黑龙江省20个农业气象站1991—2008年的生育期观测资料，假定在研究时段内大豆的品种和作物系数不变，确定各地区大豆播种日期、成熟日期和各生育阶段平均天数，对于没有生育期观测资料的气象站，选取临近的并与其在同一积温带内的农业气象站观测数据作为计算依据，如表1所示。

表1 气象站点划分Tab.1 Division of weather stations

1.2.2有效降雨量

对于旱田作物，有效降雨量指总降雨量能够保存在作物根系层中的降雨量，用于满足作物需要水分，不包括地表径流和渗漏至作物根系吸水层以下的部分，本文有效降雨量采用美国农业土壤保持局(USDA)推荐的方法计算，公式为

(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单作物系数法计算，大豆各生育阶段及生育期内总需水量由生育期内逐日需水量累加得出，根据大豆不同生育期内的作物系数可以计算大豆需水量，公式为

ETc=KcET0

(2)

式中ET0——参照作物需水量，mm

Kc——作物系数

ETc——作物实际需水量，mm

采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith公式计算参考作物需水量ET0，计算公式为

(3)

式中Rn——作物表面净辐射量，MJ/(m2·d)

G——土壤通热量密度，MJ/(m2·d)

T——2 m高度处的日平均气温，℃

es——饱和水气压，kPa

ea——实际水气压，kPa

u2——生长中期2 m高度处平均风速，m/s

Δ——饱和水气压与温度曲线斜率，kPa/K

γ——温度计常数，kPa/K

根据FAO-56的推荐，在最小相对湿度为45%、平均风速为2 m/s、无水分胁迫、管理水平较高条件下大豆生长前期、生长中期和生长后期的作物系数Kcini、Kcmid(Tab)和Kcend(Tab)分别为0.4、1.15和0.5。由于黑龙江省春季降雨频率较低、降雨量较少和大气蒸发强度较弱，故对Kcini未进行修正，Kcmid和Kcend修正公式为[33]

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

(4)

(5)

式中Kcmid——修正后大豆生长中期作物系数

Kcend——修正后大豆生长后期作物系数

RHmin——日最低相对湿度，%

h——生育阶段内作物平均高度，m

1.2.4生育阶段水分盈亏指数

为了更加准确地反映研究区内大豆4个生育期的需水特性及水分供应状况，以各生育阶段需水量为需水标准，以有效降雨量为供水标准，基于作物水分亏缺指数及湿润指数构建大豆生育阶段水分盈亏指数(Crop water surplus deficit index,CWSDI)表征水分盈亏程度[29]，计算公式为

(6)

式中i——生育阶段，1～4分别为生长前期、快速发育期、生长中期、生长后期

Pei——i阶段有效降雨量

ETci——i阶段作物需水量

1.2.5生育阶段水分盈亏指数干旱等级标准

参照相对湿润指数及水分亏缺指数干旱等级和已有的研究结果[18,34-37]制定大豆水分盈亏指数干旱强度等级，同时利用代表气象站灾害资料进行验证，确定大豆生育阶段水分盈亏指数的干旱等级标准。

1.2.6干旱频率和干旱强度

统计大豆各生育阶段不同等级的作物干旱级别和次数，得到各站点相应等级作物发生干旱的频率F和干旱强度T[38]，公式为

(7)

(8)

式中Hi——1966—2015年相应等级干旱次数

N——总年数，为50

Ei——大豆第i个生育阶段的50年干旱强度之和

1.2.7气候倾向率

将气候变化趋势用一次线性方程表示，即

y(t)=b0+bt

(9)

式中y(t)——气象要素拟合值

t——对应年份b、b0——回归系数

把10b称作气候倾向率。

则趋势变化率方程为

(10)

1.2.8趋势检验

2、加强栽培管理：适当增施有机肥，提高土壤肥力，促进植株健壮生长。适时灌溉，提高土壤湿度，创造一个不利于线虫生存的土壤环境，可减轻植株受害。已经发病的地块及时灌水和适当追肥，可使植株恢复正常生长

Mann-Kendall检验法是一种非参数统计方法，对于非正态分布的水文气象数据Mann-Kendall秩序相关检验具有更加突出的适用性。Z为统计变量，正负值表示数据变化趋势，Z的绝对值高于2.56、2.32、1.64和1.28时，表示通过置信度99.9%、99%、95%和90%显著性检验[39]。

1.3 数据处理

利用CROPWAT 8.0软件计算黑龙江省28个气象站有效降雨量、需水量进而计算大豆水分盈亏指数，根据制定的干旱指标计算干旱频率，利用Matlab 2014b计算气候倾向率，并进行Mann-Kendall趋势检验，利用ArcMap 10.2工具箱的空间分析功能对有效降雨量、需水量、水分盈亏和干旱频率进行空间插值并作图。

2 结果与分析

2.1 大豆生育期有效降雨量的变化趋势

1966—2015年黑龙江省大豆生育期内年平均有效降雨量及气候倾向率空间分布如图2所示。由图2a可知，大豆生育期内年均有效降雨量为253～370 mm，平均值为321 mm，自西向东表现为先增加后减小的趋势，高值主要集中在中部地区的伊春、铁力、鹤岗、尚志、通河和庆安一带，均大于330 mm，低值主要集中在西部地区的泰来、齐齐哈尔和安达，均小于280 mm，东部的宝清、富锦、鸡西和牡丹江一带接近平均值。由图2b可知，大豆生育期有效降雨量的气候倾向率为-6.16～9.09 mm/(10a)，平均值为2.41 mm/(10a)，克山、北安、明水和绥芬河等地升高速率较快，分别为8.3、8.7、9.5、9.1 mm/(10a)，鸡西、呼玛、富裕和依兰变化趋势不明显，分别为-0.2、0.02、0.01、0.09 mm/(10a)，有16个站点呈上升趋势，9个站点呈下降趋势，安达、北安通过了α=0.1显著性检验，克山、明水和绥芬河通过了α=0.05显著性检验。

图2 年平均有效降雨量及其气候倾向率空间分布Fig.2 Distributions of effective precipitation and climatic trend rate

图3 各生育阶段有效降雨量分布Fig.3 Distributions of effective precipitation at each growth stage

1966—2015年黑龙江省大豆生育期各阶段内有效降雨量如图3所示，生长前期年均有效降雨量为24～51 mm，平均值为40 mm，由西部到东部呈递增趋势；快速发育期年均有效降雨量为55～76 mm，平均值为64 mm；生长中期年均有效降雨量为122～164 mm，平均值为143 mm；生长后期年均有效降雨量为48～89 mm，平均值为72 mm。总体上看，快速发育期、生长中期、生长后期有效降雨量空间分布均呈中部高，西部和东部低的趋势，南北差异不大。从生育前期到生育末期有效降雨量呈先增加后减小的趋势，有效降雨量在生长中期最大，占平均有效降雨量总量的44.5%。

各生育阶段有效降雨量气候倾向率的空间分布如图4所示，生长前期有效降雨量的气候倾向率为0.62～6.06 mm/(10a)，平均值为2.92 mm/(10a)，研究区域内所有站点有效降雨量均呈上升趋势，上升速率较高的在绥芬河、牡丹江、泰来和呼玛等地，安达、北安、牡丹江、嫩江、泰来和铁力均通过α=0.1显著性检验，鹤岗、呼玛和绥芬河均通过α=0.05显著性检验；快速发育期有效降雨量气候倾向率为-2.46～4.11 mm/(10a)，平均值为0.61 mm/(10a)，西部地区泰来、齐齐哈尔、安达和富裕有效降雨量呈上升趋势，东部12个站点有效降雨量呈小幅度下降趋势，占总站点的42.9%，倾向率零值线在尚志、庆安、伊春和孙吴一带，仅鹤岗在α=0.05水平上显著上升；生长中期有效降雨量气候倾向率为-5.19～5.17 mm/(10a)，平均值为0.25 mm/(10a)，14个站点有效降雨量呈下降趋势，西部地区的克山、明水和海伦等地有效降雨量呈上升趋势，南部的通河、尚志一带和东部地区的鹤岗、富锦、佳木斯一带有效降雨量均呈下降趋势，鹤岗地区在α=0.05水平上显著下降，绥芬河地区在α=0.05水平上显著上升，牡丹江在α=0.1的水平上显著上升；生长后期有效降雨量气候倾向率为-5.15～3.35 mm/(10a)，平均值为-1.34 mm/(10a)，21个站点有效降雨量呈下降趋势，占总站点的75%，西部地区有效降雨量呈下降趋势，东部地区有效降雨量呈上升趋势，有效降雨量气候倾向率零值主要分布在通河、牡丹江和依兰等地，变化趋势不明显，富裕、嫩江、鹤岗和安达等地在α≤0.1的水平上显著下降。生长前期有效降雨量总体呈上升趋势，生长中期有效降雨量总体呈下降趋势，除生长后期外，其他时段西部地区有效降雨量均呈上升趋势，除快速发育期，东南部地区有效降雨量均呈上升趋势。

图4 各生育阶段有效降雨量气候倾向率分布Fig.4 Distributions of climatic trend rate of effective precipitation at each growth stage

2.2 大豆生育期内需水量的变化趋势

图5 大豆需水量及其气候倾向率空间分布Fig.5 Spatial distributions of soybean water requirement and climatic trend rate

1966—2015年黑龙江省大豆需水量及其气候倾向率空间分布如图5所示。由图5a可知，大豆年均需水量为336～465 mm，平均值为388 mm，西部需水量由南到北呈递减趋势，而东部由南到北呈递增趋势，高值主要集中在西南地区的泰来、齐齐哈尔和安达等地。由图5b可知，需水量的气候倾向率为-16.01～2.42 mm/(10a)，平均值为-5.17 mm/(10a)，总体呈下降趋势，西部的安达、明水，北部的鹤岗等地需水量下降趋势明显，西北部的呼玛、黑河和嫩江等地下降趋势不明显，下降速率接近于零，有18个站点通过显著性检验，占总站点的64.3%，其中安达、哈尔滨、克山、明水、绥化和庆安在α=0.001上显著下降。

1966—2015年黑龙江省大豆各生育阶段需水量空间分布如图6所示，生长前期大豆年均需水量为38～55 mm，平均值为46 mm，自西向东呈递减的变化趋势；快速发育期大豆年均需水量为69～102 mm，平均值为87 mm，西部地区自南向北呈递减的趋势，而东部自南向北呈递增趋势；生长中期年均需水量为160～213 mm，平均值为180 mm；生长后期年均需水量为63～95 mm，平均值为76 mm。总体上看，各时期大豆需水量高值主要集中在西南地区的泰来、齐齐哈尔、富裕和安达一带，低值主要集中在中部的伊春和北部的孙吴、黑河一带，各生育阶段东部地区富锦、鹤岗和依兰等地均高于东部其他地区，生长中期、生长后期自西向东均呈现先减小再增加的趋势。

图6 各生育阶段大豆需水量空间分布Fig.6 Spatial distributions of soybean water requirement at each growth stage

图7 各生育阶段大豆需水量气候倾向率分布Fig.7 Distributions of soybean water requirement climatic trend rate at each growth stage

2.3 大豆生育期内水分盈亏指数的变化趋势

1966—2015年黑龙江省大豆生育期内水分盈亏指数及其气候倾向率空间分布如图8所示，大豆年均水分盈亏指数为-44.5%～8.9%，均值为-15%，自西向东呈先增大后减小的趋势，其中低值主要集中在西部的泰来、齐齐哈尔、安达和东部的富锦、宝清、佳木斯等地，水分盈亏指数均小于-17%，高值主要集中在铁力、伊春等地，水分盈亏指数均大于零。大豆水分盈亏指数的气候倾向率为-1.89～4.92%/(10a)，平均值为1.64%/(10a)，22个站点水分盈亏指数有上升趋势，占总站点的78.6%，8个站点通过显著性检验，总体呈上升的趋势，高值主要在安达、克山、明水和绥芬河等地，其中安达在α=0.01水平上、克山和明水在α=0.05水平上、绥芬河在α=0.1水平上均显著上升。

图8 大豆水分盈亏指数及其气候倾向率空间分布Fig.8 Spatial distributions of soybean CDSDI and climatic trend rate

图9 各生育阶段大豆水分盈亏指数的空间分布Fig.9 Spatial distributions of soybean CDSDI at each growth stage

1966—2015年黑龙江省大豆各生育阶段水分盈亏指数空间分布如图9所示，大豆生长前期的水分盈亏指数为-52.3%～39.2%，平均值为-3.8%，自西向东呈逐渐升高的趋势，中部地区南北差异不大，西部地区自南向北呈递增趋势，而东北地区自南向北呈递减趋势，水分盈亏指数零值主要在黑河、孙吴、海伦和绥化一带；大豆快速发育期水分盈亏指数为-38.5%～8.1%，平均值为-19.7%；生长中期大豆水分盈亏指数为-42.4%～0.27%，平均值为-18.9%；生长后期大豆水分盈亏指数为-47.3%～36.7%，平均值为-0.1%，自西向东呈先增加后减小的趋势，西部水分盈亏指数零值主要在嫩江、克山和绥化等一带，东部水分盈亏指数零值主要在富锦、佳木斯、依兰和牡丹江一带。大豆快速发育期、生长中期两个时段，低值主要集中在西部的齐齐哈尔、富裕、安达和东部的富锦、宝清一带，分别有26、27个站点水分盈亏指数小于零，此两个时段黑龙江省大部分地区有效降雨量难以满足大豆的需水要求。

1966—2015年黑龙江省大豆各生育阶段水分盈亏指数气候倾向率如图10所示，大豆生长前期水分盈亏指数气候倾向率为5.55～16.43%/(10a)，研究区内10个站点通过α≤0.1显著性检验，占总站点的35.73%，绥芬河增加趋势最大；快速发育期水分盈亏指数气候倾向率为-4.32～6.78%/(10a)，平均值为1.4%/(10a)，西南部地区增加趋势较大，东部地区减小趋势较大，宝清、鹤岗和佳木斯等地气候倾向率趋近于零，只有安达地区通过α=0.1显著性检验；生长中期大豆水分盈亏指数气候倾向率为-2.93～5.61%/(10a)，平均值为1.4%/(10a)，研究区内21个站点大豆水分盈亏指数呈增加趋势，8个站点通过α≤0.1显著性检验，占总站点的28.6%，庆安、铁力和绥化等地气候倾向率趋近于零；生长后期大豆水分盈亏指数气候倾向率为-8.49～5.52%/(10a)，研究区内22个站点大豆水分盈亏指数均呈下降的趋势，气候倾向率零值线在伊春和通河一带，哈尔滨、海伦、黑河、呼玛、嫩江、尚志和孙吴等地均在α=0.1水平上显著下降。

图10 各生育阶段大豆水分盈亏指数气候倾向率的空间分布Fig.10 Spatial distributions of climatic trend rate of soybean CWSDI at each growth stage

2.4 大豆生育期内干旱情况分析

2.4.1大豆生育期内水分盈亏指数及干旱等级标准

本文依据黑龙江省大豆实际生产资料，参考相对湿润指数和水分盈亏指数干旱等级指标制定干旱等级标准，得到适宜黑龙江地区大豆作物的干旱等级标准，如表2所示。

利用《中国气象灾害大典黑龙江卷》[32]提供的干旱资料对干旱等级标准进行验证，选取齐齐哈尔、黑河、牡丹江、富锦和铁力5个典型站点，分别位于西部、北部、南部、东部和中部，5个典型站点的水分盈亏指数1966—2015年演变特征如图11所示。

表2 基于水分盈亏指数的干旱等级标准Tab.2 Drought classification criteria based on CWSDI

图11 1966—2015年5个典型站点的水分盈亏指数演变特征Fig.11 Evolution characteristics of CWSDI of five typical stations from 1966 to 2015

以生长前期为例，根据《中国气象灾害大典黑龙江卷》[32]干旱资料，齐齐哈尔分别在1968、1978、1979、1980年，黑河分别在1986、1992年，牡丹江分别在1979、1984年，宝清分别在1978、1979年，铁力分别在1978、1979年，出现严重春旱，1978年5月宝清县降雨不足30 mm，大豆减产11%，1979年全省干旱面积达453万hm2，1984年春牡丹江大旱，河沟干涸，1986年黑河发生严重旱灾，全市0.27万hm2大豆因种子播在干旱土层内而没有出土，1992年黑河4—7月连续发生旱情，全市受灾面积达1.5万hm2。通过本文方法计算5个典型站点发生干旱的时间均与干旱灾害资料相符。

2.4.2大豆生育期内干旱频率

1966—2015年黑龙江省大豆各生育阶段中旱及以上的频率如图12所示，大豆生长前期中旱及以上的频率为16%～78%，平均值为36.3%，干旱频率自西向东呈下降趋势，高值主要集中在泰来、安达、明水、齐齐哈尔和富裕一带，均大于50%，低值主要集中在中部的伊春、通河、尚志和东部的虎林等地，均小于20%；大豆快速发育期中旱及以上的频率为14%～54%，平均值为36.9%，这个时段各地区干旱差异较大，自西向东呈先减小后增加的趋势，低值主要集中在伊春、铁力和绥芬河一带，均小于25%，高值主要集中在泰来、富裕、齐齐哈尔和三江平原地区的富锦、宝清一带，均大于40%；生长中期中旱及以上的频率为6%～62%，平均值为25%，西部地区自北向南呈递减的趋势，而东部地区自北向南呈递增的趋势，高值主要集中在西部地区，低值主要集中在中部地区，与快速发育期相比西部高值区有收缩的趋势，中部低值区有扩大的趋势；生长后期中旱及以上的频率为6%～62%，平均值为23.7%，自西向东呈递减的趋势，高值主要集中在西部地区的安达、富裕、齐齐哈尔和泰来等地，均大于35%，西部地区自北向南呈递减的趋势，中部和东部地区南北差异不大。总体上看，各生育阶段松嫩平原西部地区干旱频发，其次是三江平原地区的富锦、鹤岗和佳木斯等地，同一地区不同阶段发生干旱的频率也不相同，生长前期和快速发育期干旱频率大于生长中期和生长后期。

图12 1966—2015年黑龙江省大豆各生育阶段中旱及以上的频率空间分布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大豆生育期内干旱强度分布

图13 1966—2015年黑龙江省大豆各生育阶段干旱强度空间分布Fig.13 Spatial distributions of drought intensity in different growth stages of soybean in Heilongjiang Province from 1966 to 2015

1966—2015年黑龙江省大豆各生育阶段干旱强度如图13所示，生长前期干旱强度为0.5～2.7级，平均值为1.3级，干旱强度自西向东呈减小的趋势；快速发育期干旱强度为0.6～1.8级，平均值为1.3级，低值主要集中在中部地区，高值主要集中在西部地区和东南部的富锦和宝清一带；生长中期干旱强度为0.2～2.2级，平均值为0.8；生长后期干旱强度为0.3～2.2级，平均值为0.8级。后3个阶段干旱强度自西向东均表现为先减小后增加的趋势，高值主要集中在西部的泰来、齐齐哈尔、富裕和安达一带，东部的富锦、宝清和佳木斯均高于中部地区。总体上看，生长前期和快速发育期两个阶段发生的干旱强度大于生长中期和生长后期两个阶段，表明黑龙江省大豆春季和夏初发生干旱的强度较大。

2.5 典型气象站大豆需水规律及干旱情况

典型站点各生育阶段有效降雨量、需水量、水分盈亏指数、干旱频率和干旱强度如表3所示。由表3可知，全生育期内有效降雨量由小到大依次为齐齐哈尔、宝清、牡丹江、黑河、铁力，需水量由小到大依次为铁力、黑河、牡丹江、宝清、齐齐哈尔，与有效降雨量相反。生长中期的需水量和有效降雨量均最多，随着生育期的推移有效降雨量和需水量均呈先升高后减小的趋势，生长前期齐齐哈尔有效降雨量最小，为25 mm，需水量最大，为52 mm，其他站点相差不大；除生长中期外，其他阶段各站点水分盈亏指数均小于零，快速发育期水分盈亏指数均小于生长后期，快速发育期缺水较为严重；牡丹江和宝清生长前期干旱频率较小，其他站点随着生育期的推移，干旱频率均呈下降的趋势，各生育阶段齐齐哈尔发生干旱频率均最高，铁力干旱频率最低；各站点干旱强度变化趋势与干旱频率相同。总体看，西部地区齐齐哈尔常年有效降雨量小、需水量大导致干旱频率和强度均大于其他地区，而中部地区的铁力由于常年有效降雨量大、需水量小，干旱发生的频率和强度均较小。

表3 典型站点各生育阶段水分供需和干旱情况Tab.3 Water supply and demand and drought conditions of each typical station at each stage

3 讨论

本研究结果表明，1966—2015年大豆年均需水量为336～465 mm，平均值为388 mm，高值主要集中在西南地区的泰来、齐齐哈尔和安达等地，需水量气候倾向率为-16.01～2.42 mm/(10a)，平均值为-5.17 mm/(10a)，总体呈下降的趋势。胡惠杰等[17]研究表明，1961—2010年东北大豆全生育期平均需水量在327.02～464.14 mm，平均值为398.29 mm，高值主要集中在松嫩平原西南部，东北地区需水量气候倾向率在-10.77～8.02 mm/(10a)之间，全区平均值-0.83 mm/(10a)，呈下降趋势，黑龙江地区年需水量与东北地区大豆年均需水量相似，高值分布地区相同，需水量气候倾向率绝对值高于东北地区。本文与黑龙江省大豆2004年甘南地区蒸渗仪实验、2008年甘南盆栽实验、2001—2004肇州小区实验和2009年杜蒙小区实验对比，差异分别为7.5%、3.7%、5.3%和1.6%，差异较小，与实际值较为接近[40-43]。《中国主要农作物需水量等值线图研究》[44]指出，黑龙江省17个县1961—1980年大豆需水量平均值为450.8 mm，本研究1966—1980年大豆需水量的平均值为402 mm，相差48.8 mm，文献[40]所取大豆生育期为4月25日—9月20日，作物系数取0.78，而本文所取生育期为5月5日—9月24日，作物系数为FAO推荐，且进行了修正，生育期的长短和作物系数的取值导致了二者需水量的不同。近年来大豆非传统耕作方式如秸秆还田、秸秆覆盖、免耕、深松、覆膜和一些新兴的灌溉方式如喷灌、滴灌、水肥一体化等会影响耕地土壤环境进而影响大豆的作物系数，减小大豆的需水量，本文假定研究时段内作物系数不变会导致研究时段后期需水量偏高，大豆需水量气候倾向率可能高于实际情况。各地生育期长短也是需水量空间分布不同的原因之一，根据文献[45]：南部第一积温带为晚熟品种，北部第四积温带为中熟品种，第二、三积温带种植品种为中熟品种，第五、六积温带为早熟和超早熟品种，1991—2008年20个农业气象站大豆的生育期观测资料显示，西南地区大豆播种期最早，成熟期最晚，生育期较长，也导致了西南部地区的需水量高于其他地区。

解文娟等[18]研究表明，东北地区干旱频率呈明显的西高东低的空间分布，各生育阶段干旱频率空间分布相似，呈由东北向西南增加的趋势，黑龙江西南部、三江平原北部干旱发生频率较高，为干旱的主发区，干旱发生频率为播种到分枝最高，分枝到开花次之，开花到成熟最低，与本文黑龙江研究区结果相似，文献[18]还指出大豆开花到成熟期黑龙江省西南部干旱频率较大，为50%～80%，而本文研究结果表明在生长后期黑龙江省西南部干旱频率为36%～62%，主要因为文献[18]计算了轻旱及以上的干旱频率，而本文计算了中旱及以上的干旱频率。朱海霞等[25]研究表明，1971—2016年间，黑龙江省大豆春旱、伏旱和秋旱频率较高，而本文研究表明秋旱频率较低，文献[25]在制定干旱强度等级时采用连续无有效降雨天数作为干旱等级指标，而本文在制定干旱强度等级时除考虑降雨因素外还考虑大豆本身的需水要求。

本文研究表明，黑龙江省大豆生育期内有效降雨量中部地区最大，其次为东部地区，西南部地区最小，需水量和水分盈亏指数的空间分布呈相反趋势，有效降雨量和需水量空间分布的差异导致各地区干旱强度和干旱频率的差异。在生长前期，各地有效降雨量均呈升高趋势，需水量呈降低趋势，导致水分盈亏指数有上升的趋势，随着时间的推移大豆生长前期干旱强度有一定的降低，但由于全省春季常年有效降雨量较小，生长前期的干旱强度和频率仍然较大，此阶段为预防春旱的重要时段；在快速发育期，虽然此阶段有效降雨量增多，仍不能弥补缺水状况，有效降雨量西部有升高的趋势东部有减小趋势，而需水量东部和西部均有减小趋势，西部水分盈亏指数有上升趋势，但缺水的状况仍非常严重，水分盈亏指数较其他地区仍然较小；生长中期，水分盈亏指数与前两个阶段相比较大，但仍小于零，此时段由于需水量较大，对应灌水量增多，生长中期又包含开花与结荚两个重要的需水时期，虽然降雨较多，仍需要注意补充灌溉；生长后期，大豆需水量较小，但研究区内西部和东部仍有12个站点水分盈亏指数小于零，鼓粒期干旱仍能造成大豆产量下降。总体上看，在生长前期和快速发育期应加强灌溉预防干旱，在生长中期应注意及时补充灌溉，同时在水资源缺乏的地区推广近些年来的非充分灌溉、喷灌、滴灌和水肥结合等适宜的节水灌溉技术，有利于保障粮食安全。

4 结论

(1)1966—2015年，黑龙江省大豆生育期内年平均有效降雨量为253～370 mm之间，平均值为321 mm，生长前期有效降雨量自西向东表现为升高趋势，其他各生育阶段均表现为中部高和东、西部较低的分布趋势。大豆生育期有效降雨量气候倾向率为-6.16～9.09 mm/(10a)，平均值为2.41 mm/(10a)，生长前期和快速发育期有效降雨量均呈上升趋势，生长中期西部克山、明水和海伦等地有效降雨量呈上升趋势，南部的通河、尚志一带和鹤岗、富锦、佳木斯一带有效降雨量均呈下降趋势，生长后期有效降雨量呈下降的趋势。

(2)1966—2015年，黑龙江省大豆年均需水量为336～465 mm，平均值为388 mm，各生育阶段需水量均呈中部低、东西部高的空间分布规律，与有效降雨量的空间分布规律相反。大豆生育期内需水量气候倾向率为-16.01～2.42 mm/(10a)，平均值为-5.17 mm/(10a)，各生育阶段需水量总体呈下降的趋势，快速发育期下降速率较大。

(3)1966—2015年，大豆各生育阶段干旱频率分布均为西部地区最高，其次为东部地区，中部地区最低，其中东部三江平原地区在快速发育期和生长中期干旱频率较高，易发生夏旱；生长前期和快速发育期干旱频率高于生长中期和生长后期，易发生春旱。研究区内各生育阶段干旱强度表现为西部地区最大，除西部外，快速发育期和生长中期东部的三江平原地区干旱强度较大。

(4)总体上看，各生育阶段黑龙江省西部地区降雨量少、需水量较大、发生干旱的频率和强度较高，其次为东部的富锦、宝清和佳木斯等地区，中部降雨量多、需水量少，发生干旱的频率和强度均较小。因此，黑龙江省西部地区和东部的三江平原地区是加强灌溉、预防灾害的主要地区。