關中夏玉米生育期氣象干旱特征分析

李紅梅,范建忠

(陜西省農業遙感信息中心,西安 710014)

關中夏玉米生育期氣象干旱特征分析

李紅梅,范建忠

(陜西省農業遙感信息中心,西安 710014)

利用1971—2012年寶雞、涇陽、武功、長安、臨潼、渭南、大荔7個地面氣象觀測站點逐日降水、標準化降水指數 (ISP30、ISP60、ISP90)、和相對濕度指數 (IM30)計算關中夏玉米生育期逐日有效降水和改進的綜合氣象干旱指數,采用趨勢分析、滑動t檢驗及相關數理統計法分析了近42a關中夏玉米生育期干旱時空分布特征。結果表明：夏玉米生育期有效降水量總體表現出不穩定性,播種至出苗有效降水變化量最大；20世紀90年代初夏玉米生育期有效降水發生由多到少的突變,2002年出現由少到多的轉變；7月上旬至8月下旬是夏玉米干旱多發時段；輕旱發生頻率最高,為51.7%,發生頻率隨著干旱等級加重而逐漸降低；20世紀90年代是干旱多發且較為嚴重階段,干旱過程累積強度強,且持續時間長,進入21世紀以后有減少趨勢；關中西部干旱日呈減少趨勢,東部呈增加趨勢,有效降水量與干旱日變化相反,關中西部有效降水量呈增加趨勢,東部有減少趨勢。

夏玉米；有效降水；干旱日；干旱累積強度；分布特征；關中

關中是陜西糧食主產區,主要實行夏玉米-冬小麥輪作制。關中夏玉米生育期一般在6月上中旬至9月下旬,該時段高溫多雨,光照和熱量條件相對穩定,降水量在191～405mm,但關中90%的站點該時段的降水量遠低于夏玉米的需水量(390～490mm)[1]。加之受高溫蒸散和降水時空分布不均的影響,干旱成為關中夏玉米生長季的主要農業氣象災害。近年來關于關中夏玉米的研究多側重于玉米栽培技術[2-3]、節水增產[4-5]和施肥[6],對玉米生育期干旱研究仍為空白。結合有效降水和改進的綜合氣象干旱指數Icnew分析關中夏玉米干旱時空分布特征,旨在加深對關中夏玉米生育期干旱發生規律的認識,為夏玉米生產提供參考。

1 資料與方法

1.1 數據來源

數據采用關中7個代表站點 (寶雞、涇陽、武功、長安、臨潼、渭南、大荔)1971—2012年逐日降水資料、逐日30d、60d和90d標準化降水指數(ISP30、ISP60、ISP90)和30d相對濕度指數(IM30),1985—2012年夏玉米生育期觀測資料。其中,降水和玉米生育期觀測數據源于陜西省氣象信息中心,標準化降水指數和相對濕度指數數據源于國家氣候中心。

1.2 方法

1.2.1 玉米生育期的劃分 根據關中夏玉米生育期觀測資料求算其各生育階段平均生育期。關中夏玉米播種在6月上中旬,播期及出苗好壞受播前底墑影響明顯,5月下旬至6月上旬有效降水量對播種出苗尤為關鍵。苗期怕澇不怕旱,適當缺水可促進壯苗形成,根系深扎,利于增強玉米后期抗旱能力。進入拔節期玉米耗水量逐漸增加,完全進入生殖生長期后玉米耗水處于高峰期,需水量最大[7-8],后期需水量逐漸減少。雖然關中東部和西部夏玉米生育期早晚略有差異,但各生育期大致時段相同。鑒于此,將關中夏玉米生育期劃分為4個階段：播種—出苗(6月7日—20日)、出苗—拔節(6月21日—7月20日)、拔節—抽雄(7月21日—8月10日)、抽雄—成熟(8月11日—9月30日)。

1.2.2 有效降水量和Icnew指數的計算 有效降水量指旱地作物滿足作物蒸發蒸騰所需要的降水量 (不包括徑流量、蒸發量和深層滲漏量)[9-10],通常指自然降水量實際補給到作物根部土壤的凈降水量。按單日降水量大于10mm為有效降水,分別統計各站點夏玉米生育期有效降水,分析有效降水的變化及對夏玉米干旱的影響效應。

改進的綜合氣象干旱指數Icnew是在原有綜合氣象干旱指數IC的基礎引入ISP60,并根據季節對變量系數進行調整。公式為[11]

式中a、b、c、d為系數,5—10月各系數分別取0.25、0.2、0.2、0.35；11月—次年4月取0.2、0.35、0.25、0.2。Icnew、IC與20cm土壤相對濕度的相關系數分別為0.85和0.8,總體相關性均通過了0.01的顯著性水平檢驗,但Icnew與土壤相對濕度的相關性明顯好于IC,所以采用Icnew作為干旱檢驗指標,干旱等級劃分標準見表1。

表1 Icnew干旱等級劃分

Icnew≤-0.6即為干旱日[12]。Icnew連續10d≤-0.6即為1個干旱過程,過程開始日為Icnew達到輕旱以上等級的首日。干旱發生期連續10d無旱表示干旱過程結束,結束日為Icnew最后一次達到無旱的日期。開始日至結束日為干旱持續時間,某站點干旱過程內所有Icnew≤-0.6的值之和即為該站點干旱過程的累積強度,其值越小表示干旱過程越強[13]。某一等級干旱發生頻率為該等級干旱發生年占全部統計年的比例。

2 結果與分析

2.1 夏玉米生育期內有效降水量特征分析

1971—2012年,關中夏玉米生育期平均降水量為307.2mm,平均有效降水量為236.5mm,占生育期降水量的77%。如表2所示,各生育期有效降水的最大、最小值年際差較大,其中抽雄—成熟期年際差達235mm。全生育期有效降水變異系數小于各生育階段,播種—出苗期有效降水變化最大,變異系數為1.14,其次是抽雄—成熟期。夏玉米全生育期及各生育階段的有效降水總體表現出不穩定性。

圖1為關中夏玉米生育期有效降水量滑動t檢驗。取序列長度為n1=n2=10時,近42a關中夏玉米生育期有效降水t統計量有兩處超過0.01顯著性水平檢驗,即存在2個突變點。一個為1992年(t=3.127),說明玉米生育期有效降水在20世紀90年代初經歷了由多到少的變化；另一個為2002年(t=-3.125),說明夏玉米生育期在2002年附近發生了由少到多的突變。

表2 1971—2012年關中夏玉米生育期有效降水量統計特征

圖1 1971—2012年關中夏玉米生育期有效降水滑動t檢驗曲線

由圖2可見,42a間,關中夏玉米生育期內有效降水呈增加趨勢,氣候傾向率為3.34mm/ 10a,但變化趨勢不顯著,未通過0.05水平信度檢驗。夏玉米生育期內有效降水的年際波動較大,最大值為2003年的426mm,最小值為1977年的99mm,相差337mm。關中夏玉米生育期有效降水平均占生育期總降水的75.8%,最多為87.2%(1998年),最低為63%(2001年),有22a低于平均水平,時間多集中在20世紀80年代中后期至2008年,表明這一時期是關中夏玉米生育期有效降水量較少時期,這與趙強等[14]研究結論一致。

圖2 1971—2012年關中夏玉米生育期降水及有效降水年際變化

2.2 夏玉米生育期干旱特征分析

2.2.1 干旱頻率和干旱日 按Icnew分級標準對各站夏玉米生育期干旱發生頻率進行統計發現(表略),夏玉米各生育期輕旱發生頻率最高,平均為51.7%,隨著干旱等級的加重,發生頻率相應降低,中旱平均發生頻率為18.2%,重度以上干旱為7.7%。從關中夏玉米生育期干旱日統計(表3)來看,出苗—拔節期、抽雄—成熟期兩個階段年均干旱日相對較多,播種—出苗期干旱日較少。

表3 1971—2012年關中夏玉米生育期干旱日統計 d

由圖3可見,關中夏玉米干旱日總體呈略微下降趨勢,20世紀90年代初至21世紀初是玉米氣象干旱多發時段,且在90年代中期達到峰值。中度以上干旱日與總干旱日的年際變化特征大致相同,80年代處于低值期,90年代急劇增加,進入21世紀以后有減少趨勢。

圖3 1971—2012年關中夏玉米生育期干旱日年際變化

比較關中夏玉米生育期有效降水和干旱日的年際變化率 (表4)發現,關中西部夏玉米生育期有效降水呈增加趨勢,關中東部呈減少趨勢。而干旱日與有效降水量呈明顯負相關 (r= -0.83),關中西部干旱日呈減少趨勢,關中東部則呈增加趨勢。

表4 1971—2012年關中夏玉米全生育期有效降水和干旱日變化趨勢率

2.2.2 干旱過程及強度變化 由表5可見,關中夏玉米發育初期和后期干旱過程相對較少,7月上旬至8月下旬 (拔節至開花期)干旱過程較多。42a間,7—8月的每旬干旱過程都在12次以上,此階段正是玉米營養生長和生殖生長并進階段,玉米對水分需求量最大且較為敏感[7],也正值一年中溫度最高、蒸散較快的時期[15],有效降水不能滿足玉米耗水需求,干旱便隨之發生。隨著玉米生長后期對水分需求的減少,有效降水可以滿足玉米耗水需求,干旱過程也隨之減少。

表5 1971—2012年關中夏玉米生育期各旬干旱過程統計 次

由圖4可見,夏玉米生育期干旱過程累積強度在20世紀70年代至80年代末呈緩慢減弱趨勢,90年代初開始呈明顯增強趨勢,20世紀90年代是42a間干旱發生最嚴重時段,進入2000年以后干旱強度逐漸減弱。干旱過程持續時間與干旱過程累積強度呈明顯負相關(r=-0.949)。在干旱強度最強時段干旱過程持續時間也最長,都在40d以上,進入21世紀后干旱過程持續時間呈明顯減少趨勢。

圖4 1971—2012年關中夏玉米生育期干旱過程累積強度和持續時間5年滑動平均曲線

3 結論

(1)1971年—2012年,關中夏玉米各生育階段有效降水量最大、最小值年際相差較大。播種—出苗有效降水變化量最大,變異系數為1.14。各生育階段有效降水量總體表現出不穩定性。20世紀90年代初關中夏玉米生育期有效降水經歷了由多到少的突變,2002年附近出現了由少到多的轉變。

(2)關中夏玉米生育期輕旱發生頻率最高,平均為51.7%,隨著干旱等級加重,發生頻率逐漸降低。出苗—拔節期、抽雄—成熟期是整個生育期干旱日出現較多的時期。20世紀90年代是干旱多發時段,進入21世紀以后有減少趨勢。關中西部干旱日呈減少趨勢,東部呈增加趨勢。有效降水量與干旱日變化相反,關中西部有效降水量呈增加趨勢,東部有減少趨勢。

(3)夏玉米生育期內干旱多發于7月上旬至8月下旬 (拔節—開花期),發育初期和后期較少。夏玉米生育期干旱累積強度在20世紀80年代后期呈明顯增強趨勢,90年代是42a間關中夏玉米干旱發生最嚴重階段,干旱過程累積強度強,且持續時間長,都在40d以上。

(4)影響作物干旱的因素較多,除了氣象因子還有土壤、作物品種等等。Icnew雖然對原有綜合氣象干旱指數做了改進,也僅考慮了氣象要素,所以用來反映夏玉米生育期干旱有一定不足,今后將從作物干旱指標或作物耗水機理方面做進一步研究和探討。

[1] 中國主要農作物需水量等值線圖協作組.中國主要農作物需水量等值線圖研究 [M].北京：中國農業科技出版社,1993：39-47.

[2] 高瑞景,孟繼宏,康建恩.關中夏玉米區陜單308高產栽培技術研究 [J].西北農業學報, 2007,16(5)：84-88.

[3] 趙建興,王榮成,翟軍海,等.關中灌區夏玉米條帶深旋高產栽培技術 [J].中國農技推廣, 2013,29(7)：22-26.

[4] 張柏治,殷格俠,張學.關中灌區小麥、玉米高產節水灌溉的幾個指標確定[J].水土保持通報, 2009,29(5)：142-145.

[5] 陳新明,張學.關中經濟區小麥玉米節水增產高效試驗研究[J].節水灌溉,2003(3)：8-10.

[6] 徐會善,侯喜萍,吳衛國,等,咸陽市夏玉米平衡施肥及施肥模式探討 [J].陜西農業科學, 2011,57(6)：111-114.

[7] 任鴻瑞,羅毅.魯西北平原冬小麥和夏玉米耗水量的試驗研究[J].灌溉排水學報,2004,23 (4)：37-39.

[8] 楊興國,劉宏誼,傅朝,等.甘肅省主要農作物水分供需特征研究[J].高原氣象,2004,23 (6)：821-827.

[9] 王曉東,馬曉群,許瑩,等.淮河流域主要農作物全生育期水分盈虧時空變化分析 [J].資源科學,2013,35(3)：665-672.

[10] 李勇,楊曉光,葉清,等.1961—2007年長江中下游地區水稻需水量的變化特征 [J].農業工程學報,2011,27(9)：175-183.

[11] 李紅梅,王釗,高茂盛.CI指數的改進及其在陜西的適用性分析 [J].干旱地區農業研究, 2015,33(3)：260-266.

[12] 劉可群,李仁東,劉志雄,等.基于IC指數的湖北干旱及其變化特征分析 [J].長江流域資源與環境,2012,21(10)：1274-1280.

[13] GB/T20481—2006氣象干旱等級[S].

[14] 趙強,嚴華生.近48年陜西夏季降水場的時空變化特征[J].陜西氣象,2012,(3)：15-17.

[15] 耿蔚.四川地區可利用降水分析[J].高原山地氣象研究,2013,33(3)：83-86.

S423

：A

李紅梅,范建忠.關中夏玉米生育期氣象干旱特征分析[J].陜西氣象,2015(4)：1-5.

1006-4354(2015)04-0001-05

2014-10-27

李紅梅 (1984—),女,陜西富縣人,學士,工程師,從事干旱綜合監測與農業氣象應用研究。

陜西省科學技術研究發展計劃項目(2014k13-09)