东北玉米低温冷害时空分布与多时间尺度变化规律分析*

高晓容，王春乙，张继权

(1.南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京210044;2.中国气象科学研究院，北京100081; 3.东北师范大学城市与环境科学学院/自然灾害研究所，吉林长春130024)

东北玉米低温冷害时空分布与多时间尺度变化规律分析*

高晓容1，王春乙2，张继权3

(1.南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京210044;2.中国气象科学研究院，北京100081; 3.东北师范大学城市与环境科学学院/自然灾害研究所，吉林长春130024)

利用东北地区48个农业气象观测站1961－2010年逐日温度资料和近20多年玉米生育期资料，基于热量指数构建生育阶段冷害指数，采用EOF分析、Mann-Kendall法、子波变换等方法系统分析了近50年东北玉米4个生育阶段低温冷害时空分布及周期特征。结果表明:整个生育期全区平均冷害强度呈极显著的减弱趋势，地区间冷害变化趋势呈现差异化特征，冷害强度减弱趋势由西南向东北方向呈阶梯状递增;4个生育阶段冷害指数EOF第一模态均呈冷害空间变化趋势一致的特征;冷害强度呈较明显的减弱趋势，第1到第4生育阶段减弱趋势逐渐增大，突变均发生在1990年代中期;冷害强度具有较强的周期性，出苗—七叶、出苗—抽雄存在明显的23、25年周期，出苗—乳熟、出苗—成熟均具有较明显的3年周期振荡。

低温冷害;生育阶段;冷害指数;时空分布;周期振荡;东北地区

0 引言

东北地区是我国最大的玉米商品粮生产基地，产量约占全国玉米总产量的40%，其粮食生产直接关系到国家的粮食安全［1］。然而，东北地区地理纬度较高，年平均温度偏低，积温不足，且生长季热量条件的年际波动较大，玉米在生长过程中极易受到低温冷害的影响，造成产量下降、品质降低。低温冷害成为东北地区最主要的农业气象灾害，低温冷害年农作物平均减产13%～35%，其中1969、1972、1976年3年的严重低温冷害均使东北三省的粮豆总产量比上年减产50亿kg左右［2］。因此，东北地区低温冷害成为众多研究者关注的热点。

近几十年来，东北低温冷害研究取得了许多成果，建立了多种低温冷害判别指标。应用比较广泛的指标主要有四大类:第一类是基于温度的积温、积温距平指标［3－7］，这一类指标属于气候学指标，没有与作物生长发育相结合。第二类是作物发育期距平指标［8－9］，一般用主要发育期延迟天数来判断是否发生延迟性冷害。第三类是热量指数［10－11］，与作物发育期相结合，直接反映了热量条件对作物生长发育的影响程度。郭建平等［12－13］分别建立了东北玉米热量指数时间变化趋势的GM (1，1)预测模型、均生函数预测模型。第四类是由几种指标组成的综合指标［14－15］，一般用于冷害监测与评估。

目前东北低温冷害时空分布研究大多是基于5－9月整个生育期［6－7］，作物在不同生育期或生育阶段遭受冷害，对最终产量的影响明显不同［16］，东北玉米不同生育阶段低温冷害时空分布及多时间尺度变化的研究还比较少见。现有的生育阶段冷害监测积温距平指标［17］只给出了4个品种熟型区的大致距平范围，适用于冷害监测，无法对生育阶段冷害进行定量分析。本文根据玉米生长发育与热量条件的关系，基于具有生物学意义的热量指数构建生育阶段冷害指数，利用经验正交函数(EOF)分析、突变分析、子波变换等方法研究东北玉米生育阶段低温冷害的时空分布特征及多时间尺度变化规律，以期为东北玉米生产管理提供科学依据，为制定相应的防御对策以保障国家的粮食安全提供科学的指导。

1 资料与研究方法

1.1 资料及处理

选取东北地区48个农业气象观测站为研究站点，1961－2010年逐日温度资料及1980－2010年玉米生育期资料均来自国家信息中心资料室。对温度数据的缺测值利用邻近站点进行了线性插补。

由于作物生长发育期间低温具有累积延迟效应，冷害指标一般采用从出苗到某一生育期的累积指标。本文选取出苗、七叶、抽雄、乳熟、成熟为主要生育期，考察出苗—七叶、出苗—抽雄、出苗—乳熟、出苗—成熟4个生育阶段的低温冷害。采用生育期多年平均值表示当地一般生育期［18－19］。

1.2 研究方法

1.2.1 冷害指数的建立及合理性检验

热量指数结合了作物的生长发育特性，考虑了作物不同生育时期的适宜温度、下限温度和上限温度，可以反映不同时期的热量条件对玉米生长发育的影响，作为低温冷害指标具有生物学意义［11］。郭建平等［10］利用作物整个生育期热量指数对低温冷害进行判别，但并不清楚冷害究竟发生在哪个生育阶段。本文把生育期内逐日热量指数的平均值作为生育期热量指数，对生育阶段内几个生育期热量指数累加得到生育阶段热量指数，其大小可以直接反映不同生育阶段热量条件对作物生长发育的影响程度。

热量指数公式为［11，20］:

式中:T为日平均温度;T0、T1、T2分别为某日所在生育期的适宜温度、下限温度和上限温度，且当T≤T1或T≥T2时，F(T)=0。

根据王春乙等［7］的东北地区一般、严重低温冷害判别指标式(3)、(4)判断研究站点一般、严重冷害发生年份。式中:ΔT5－9为5－9月月平均温度和的距平(℃); X为纬度(°N);H为海拔高度(m)。当CDY≤0时，出现一般低温冷害;CDW≤0时，出现严重冷害。

然后，利用马树庆［17］的生育阶段低温冷害积温距平监测指标，判断一般、严重冷害年的冷害具体发生在哪个生育阶段。对各站点4个生育阶段出现的冷害，把生育阶段热量指数的最大值作为该站点相应生育阶段冷害的临界值Hi，j(i=1，2，3;j=1，2，…，48)，将各站点4个生育阶段热量指数Fi，j减去临界值Hi，j定义为冷害指数CIi，j:

当CIi，j≤0时，则站点j在生育阶段i出现低温冷害，且CIi，j越小，表明冷害强度越大。

对48个站点历年4个生育阶段积温距平、冷害指数的判断结果进行对比，发现基本相似，但还存在一些差异。随机抽取黑龙江安达站的判别结果进行比较(图1)，出苗—抽雄两个指标的判别结果完全一致，出苗—七叶、出苗—乳熟判别结果也基本相同。出苗—七叶冷害指数判断1997－1999、2009年均发生冷害，出苗—乳熟2002、2009年发生冷害，而积温距平指标判断没有冷害发生。

图11961 －2010年黑龙江安达生育阶段积温距平、冷害指数判断结果

下面以安达1997年出苗—七叶为例，根据逐日平均温度、热量指数的变化趋势对两个指标的指示值进行具体分析(图2)。安达1997年5月底6月初日平均温度降至营养生长期的下限温度11～12℃，热量指数接近于0;6月中旬，高达30℃的日平均温度接近营养生长期的上限温度，热量指数同样接近于0，导致出苗—七叶平均热量指数仅为0.718，明显低于临界值0.740。同期积温为620℃·d，与多年平均值616℃·d十分接近，积温距平指标没有判断出低温的发生，而冷害指数的判别结果反映了真实情况，同时验证了冷害指数的合理性、准确性。

图2 1997年黑龙江安达出苗—七叶逐日平均温度、热量指数变化

1.2.2 分析方法

对生育阶段冷害指数采用的主要分析方法有:趋势分析、经验正交函数(EOF)分析、Mann-Kendall(M-K)检验［21－22］、小波变换［23－24］等。

EOF分析将某一区域的要素场序列分解成相互正交的空间函数与时间函数的乘积。利用经验正交函数(EOF)分解48个站点1961－2010年4个生育阶段的冷害指数矩阵，利用Mann-Kendall(M-K)方法对EOF分析主要模态时间系数的变化趋势进行检验，可以得到近50年东北玉米生育阶段冷害主导分布型的时间突变点。采用墨西哥帽子波变换对EOF分析第一模态(EOF1)时间系数分析，可以得到生育阶段冷害主导分布型在时域和频域上的多时间尺度变化规律。

2 结果与分析

2.1 生育期低温冷害的长期变化趋势

图3为东北玉米出苗—成熟冷害指数全区平均值随时间的变化曲线，近50年冷害指数呈明显的上升趋势，相关系数0.521，通过0.01显著性水平检验，表明冷害强度呈极显著的减弱趋势。出苗—成熟东北全区冷害比较严重的年份有1964、1966、1969、1972、1992。不同地区冷害的长期变化并不一致，48个站点中有46个站的冷害指数有上升趋势，其中36个站达到0.05显著性水平，冷害指数上升趋势基本上由西南向东北方向呈阶梯状递增(图4)，黑龙江研究区中南部及吉林东部的上升趋势最明显，上升趋势的大值中心主要位于尚志、方正，绥化地区的海伦、青冈，吉林东部的敦化、磐石、宁安、东宁等地，表明这些地区冷害强度的下降趋势最大;辽宁大部分地区的冷害指数上升趋势较小，南部的绥中、瓦房店略呈下降趋势，表明冷害强度略有增加趋势，究其原因，这一地区生育后期有的日平均温度超过玉米正常生长发育的适宜温度，从而导致整个生育期热量指数降低［11］。

图31961 －2010年东北玉米出苗—成熟冷害指数全区平均值变化

图41961 －2010年东北玉米出苗—成熟冷害指数线性趋势空间分布

2.2 生育阶段低温冷害的时空变化特征

对东北地区48个站点1961－2010年4个生育阶段冷害指数矩阵(48×50)分别进行EOF分析得到生育阶段冷害指数的主要空间振荡型及变化敏感区域。第一模态(EOF1)的方差贡献率均超过了50%，分别为55.6%、58.4%、60.8%、58.5%，远大于其它各个主分量的方差贡献，集中了东北玉米生育阶段冷害最主要的信息，第一模态的空间振荡型基本上代表了东北玉米生育阶段冷害最主要的空间振荡模态(图5)。由于篇幅所限，这里仅对第一模态进行分析。4个生育阶段第一模态的特征向量均为正值，反映了生育阶段冷害空间变化趋势基本一致的特点。东北地区冷害一致的特征占总体方差的50%以上，显然与大尺度天气系统的影响有关。研究表明，低温冷害与夏季低温有关［25］，而东北地区夏季低温是大尺度环流异常的结果，并与全球气温异常有密切的关系［26］。图中荷载量最大值区的冷害发生较重，前3个生育阶段的荷载量大值区基本分布在黑龙江中南部、吉林绝大部分及辽宁北部地区，出苗—成熟的荷载量大值区明显北伸，且范围为4个生育阶段最大，可见乳熟—成熟期黑龙江研究区大部分地区冷害发生较重;4个生育阶段的荷载量低值区位于辽宁南部和西部，说明这些地区冷害发生较轻。

图51961 －2010年东北玉米生育阶段冷害指数第一模态(EOF1)分布

图6为生育阶段第一特征向量对应的时间系数变化曲线，代表了东北玉米生育阶段冷害主导分布型的年际变化。4个生育阶段第一模态的时间系数均呈较明显的上升趋势，且从第1到第4阶段上升趋势逐渐增大，表明东北玉米生育阶段冷害强度呈较明显的减弱趋势，从第1到第4阶段减弱趋势逐渐增大，但均没有通过0.05的显著性水平检验。生育阶段第一特征向量在东北全区均为正值，若某年时间系数为负，某点空间函数与时间函数的乘积便为负，即冷害指数为负，表明此年发生冷害;负值越大，冷害越严重，定义时间系数≤－5.0为严重冷害。50年中4个生育阶段冷害发生年数为22～24年(表1)，基本是2年一遇; 1980年代，全区冷害次数有所减少，严重冷害次数明显减少，表明冷害强度明显减弱;进入21世纪，东北全区只发生过1～2次一般冷害。

图61961 －2010年东北玉米生育阶段冷害空间分布第一模态(EOF1)时间系数变化(图中实线为高斯九点平滑滤波;虚线为线性趋势)

表1 近50年东北玉米生育阶段低温冷害统计

从图6高斯九点平滑滤波可以看到，出苗—七叶，1960年代中期到1970年代中期冷害强度处于年代际变化的偏重期，1970年代末至1980年代中期、21世纪之后为年代际变化的偏轻期;出苗—抽雄、出苗—乳熟，1960年代中期到1970年代中期、1980年代中期到1990年代初冷害强度处于年代际变化的偏重期，1990年代中期到2010年为偏轻期;出苗—成熟，1960年代中期到1970年代末、1980年代末到1990年代初冷害强度处于年代际变化的偏重期，1990年代末到2010年为偏轻期。进一步说明了东北玉米生育阶段冷害强度随着全球变暖呈减弱趋势。利用Mann-Kendall方法分别对4个生育阶段第一模态时间系数的变化趋势进行检测(图略)，突变均发生在1990年代中期，突变之后冷害强度明显减小，2000年以后减小趋势通过0.05显著性水平检验。

2.3 生育阶段低温冷害周期特征

图7为1961－2010年东北玉米生育阶段冷害指数EOF1时间系数的小波分析。可见出苗—七叶存在明显的准20年周期振荡，且通过0.05显著性水平检验，从小波功率谱分析可见主要周期平均为23年。出苗—抽雄具有明显的准25年及50年周期振荡，25年周期虽然没有通过0.05显著性水平检验，但十分接近，可以认为25年是这一生育阶段的主要周期;虽然50年周期达到0.01显著性水平，但由于资料长度的原因，50年的周期并不可靠。出苗—乳熟1963－1968、1992－2003年存在明显的3～4年周期，出苗—成熟1967－1982年具有3～4年的周期振荡，同时两个生育阶段1970年代后期到1990年代中期存在较明显的准20年周期，小波功率谱分析表明这两个阶段的主要周期平均为准3年。

图7 东北玉米生育阶段冷害指数EOF1时间系数的小波分析(左)与小波功率谱(右) (图中阴影区表示达到0.10显著性水平，两边的交叉区域表示边界效应的影响域)

3 结论

本文基于生育阶段冷害指数，运用气候学统计方法对生育阶段冷害的变化趋势、分布特征、周期性变化特征等进行分析，揭示了生育阶段低温冷害的时空分布规律及冷害变化的时间尺度及周期性振荡特征。研究结论如下。

(1)整个生育期全区平均冷害强度呈减弱趋势，但没有通过0.05显著性水平检验。地区间冷害变化趋势呈现差异化的特征，冷害强度减弱趋势由西南向东北方向呈阶梯状递增。

(2)4个生育阶段冷害指数EOF第一模态均表现出冷害空间变化趋势基本一致的特点，冷害发生较重地区在黑龙江研究区的大部分地区、吉林绝大部分及辽宁北部地区，较轻地区位于辽宁南部、西部。

(3)生育阶段冷害主导分布型(EOF1)的冷害强度呈较明显的减弱趋势，第1到第4生育阶段减弱趋势逐渐增大，突变均发生在1990年代中期。

(4)生育阶段冷害强度具有较强的周期性，出苗—七叶存在23年周期，出苗—抽雄存在准25年周期振荡，出苗—乳熟、出苗—成熟均具有较明显的3年周期振荡。

文中玉米生育期采用多年平均值，由于受气象、经济、人为等因素的影响，各地每年玉米的种植品种、播种日期都会不同，导致研究结果与生产实际会有一定的差异。本文从玉米不同生育时期对热量需求的角度出发，基于热量指数建立生育阶段冷害指数，分析了生育阶段冷害的时空特征及周期性特点。由于玉米产量及受灾面积、成灾面积资料的不完备，对不同生育阶段冷害导致的作物减产情况没有涉及。农业气象灾害的发生，最终需要利用作物的减产情况来确认，还有待于今后的工作中进一步研究。

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Spatial-temporal Distribution and Multiple-temporal Scale Variation Laws of Chilling Damage of Maize in Northeast China

Gao Xiaorong1，Wang Chunyi2and Zhang Jiquan3
(1.College of Applied Meteorology，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;2.Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China;
3.College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

By using daily temperature data of 48 agro-meteorological stations from 1961 to 2010 and the maize growth records over the recent 20 years in northeast China，a chilling damage index of growing stages of maize is defined on the basis of heat index．The temporal-spatial distribution and periodic features of chilling damage of maize during their 4 growing stages over the past 50 years are analyzed with the methods of EOF，Mann-Kendall，and wavelet analysis．The results show that the average chilling damage intensity of maize in the whole growing stage in all areas exhibits in a significant decreasing trend，but the chilling damage trend varying between the areas presents a character of differentiation and the decreasing trend displays a kind of stepladder increasing from southwest to northeast．As for the 4 growing stages，the chilling damage index's EOF first mode shows the same tendency in the spatial change．The chilling damage intensity of 4 growing stages obviously drops，and the decreasing tendency increases gradually from the first growing stage to the forth growing stage．Sharp changes occurred all in the middle of 1990s．There is a 23 or 25-year periodic oscillation for emergence to seven-leaf stage and emergence to tasseling stage，and a 3-year oscillation for emergence to milky ripening and emergence to maturation．

chilling damage;growth stage;chilling damage index;spatial-temporal distribution;periodic oscillation;

S166;X43

A

1000－811X(2012)04－0065－06

2012－03－02

2012－04－16

“十二五”农村领域国家科技支撑计划课题(2011BAD32B00－04);国家自然科学基金资助项目(41071326)

高晓容(1968－)，女，陕西韩城人，博士生，主要从事农业气象灾害研究．E-mail:gaoxiaorong666@126.com

张继权(1965－)，男，吉林九台人，教授，博士生导师，主要从事区域灾害与生态环境风险评价、预警与应急管理研究．E-mail:zhangjq022@nenu.edu.cn

northeast China