河北省玉米生長季干旱特征及成因分析

代立芹，李春強*，康西言，王猛

1.河北省氣象科學研究所/河北省氣象與生態環境重點實驗室，河北 石家莊 050021；2.唐山市氣象局，河北 唐山 063000

河北省是玉米（Zea mays）生產大省，播種面積和總產約居全國第六位，同時，河北地處我國春夏玉米種植交錯帶，為既種植春玉米又種植夏玉米的省份。春玉米生長季集中在4月下旬至9月下旬，夏玉米集中在6月上旬至9月下旬。受大陸性季風氣候影響，河北省降水時空分布不均（蘇劍勤等，1996），全年約70%的降水集中在夏季，多雨區和少雨區年降水量相差近 400 mm，且降水量年際間變化大，多雨年與少雨年降水量最大相差4—5倍。玉米全生育期需水量多在400 mm以上，而據統計，河北省平均每年有近 60%的站點玉米生育期內降水量在400 mm以下，自然降水不能完全滿足玉米生長需求，因此，玉米生長季雖跨越多雨季節，但干旱仍頻繁發生，是影響玉米生長和高產的主要氣象災害。近年來，隨著地下水不斷超采，河北省地下水位不斷下降，農業灌溉面臨水源枯竭的威脅，因此，開展玉米生長季干旱時空分布特征、變化趨勢及成因研究，對制定合理的灌溉方案、確保玉米安全生產具有重要意義。

目前，干旱監測評估指標主要有標準化降水指數（SPI）、土壤水分指數、Palmer干旱指數（PDSI）、標準降水蒸散指數（SPEI）、水分虧缺指數（CWDI）等，這些指數各有其優勢和局限性，如，SPI具有多時間尺度特點，但僅考慮降水，未考慮氣溫與作物水分需求對干旱的影響（張龍等，2013）；PDSI綜合考慮降水、蒸散、水文等因子（Palmer，1965），但計算復雜且時間尺度固定（Alley，1984）；SPEI具有多時空特征，綜合考慮降水、蒸散對干旱的影響（韋瀟宇等，2018；張永瑞等，2019），但未考慮具體作物的需水和耐旱特性，采用統一標準劃分干旱等級；CWDI基于水分平衡原理，從作物需水量與供水量兩方面分析水分虧缺程度，對作物本身的干旱程度反映更為準確，對農業生產上災害防御的指導性更強，是目前常用的作物干旱診斷指標之一（張艷紅等，2008）。前人在利用CWDI進行玉米干旱研究方面做了較多工作，如，黃曉華等（2009）利用CWDI分析了湖南省春玉米季節性干旱發生頻率的時空分布特征；張淑杰等（2013）確定了東北地區玉米不同生育時期CWDI，對東北地區玉米干旱時空分布及年際變化特征進行了分析；張建軍等（2014）利用 CWDI分析了安徽省夏玉米生長季內干旱頻率分布特征；薛昌穎等（2013；2014）利用CWDI對黃淮海地區夏玉米生長季干旱時空特征和干旱風險進行了分析；薛昌穎等（2016）分別根據春玉米和夏玉米不同生育階段需水和耐旱特性制定了基于CWDI指數的春玉米和夏玉米干旱等級標準，為開展玉米干旱監測、評估提供了參考依據。但以往研究在計算水分虧缺指數時未考慮降水過程中植株截留、地表徑流、深層滲漏等造成的水分損耗。目前關于河北省玉米干旱研究較少，且存在研究區域不全（主要針對夏玉米區）、時空尺度過大、未考慮作物需水特性等（張文宗等，2008；韋瀟宇等，2018；薛昌穎等，2016）問題，因此，本文擬結合玉米各生育階段需水特點，以有效降水量代替實際降水量計算水分虧缺指數，并以旬和生育期為時間尺度、以縣為空間尺度，開展玉米生長季干旱時空分布特征、變化趨勢及成因分析，以期為有效利用地下水資源、提高防旱避災能力提供科學依據。

1 資料和方法

1.1 研究區概況

河北省北部張家口、承德、秦皇島的青龍、保定的淶源屬中溫帶（蘇劍勤等，1996），為一年一熟區，春玉米主要種植在張家口和承德兩市壩下地區、青龍和淶源；省內其它地區屬中暖溫帶，為一年兩熟或兩年三熟區，是冬小麥-夏玉米輪作區，其中，秦皇島中南部和唐山大部屬于春夏玉米過渡區，近年來以種植夏玉米為主，因此作為夏玉米區處理。

1.2 數據來源

選取玉米種植區142個氣象站逐日氣象資料，包括平均氣溫、降水、日照、風速、相對濕度等，資料年代為1971—2018年；18個農業氣象觀測站玉米觀測資料，包括生育期起止日期、農事記錄、災情等，由于多數站點從1981年開始觀測，為統一資料年代，采用1981—2018年資料；各縣玉米種植區主要土壤參數，包括土壤類型、容重、田間持水量，凋萎濕度等，資料均來源于河北省氣象局。

1.3 研究方法

1.3.1 水分虧缺指數

（1）某旬或某生育期水分虧缺指數（KCWDI）

式中：ICWDI,i為旬或生育期內第i天累計水分虧缺指數；n為旬或生育期包含的總天數。

（2）第i天累計水分虧缺指數（ICWDI,i）

式中：CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別為過去5旬的旬水分虧缺指數；a、b、c、d、e為權重系數，取值分別為0.3、0.25、0.2、0.15、0.1。

（3）旬水分虧缺指數（CWDIi）

式中：ETCi為玉米旬需水量—旬內逐日需水量（見式(4)）之和；EPi為旬有效降水量—旬內逐日有效降水量（見式(5)）之和，由于玉米生長季跨越主汛期，多強降水，地表徑流量和深層滲漏量不能忽略，同時玉米生長中后期植株高大，降水截留量不能忽略，因此采用有效降水量計算水分虧缺指數；為旬需水基數，采用1971—2018年旬需水量平均值；Ci為降水量大于需水量時的水分盈余系數，見式（6）。

式中：ETOi為作物參考蒸散量，采用Penman-Monteith公式（中國氣象局，2007）計算。Ki為作物系數，參考聯合國糧農組織（FAO）推薦的玉米各生育期作物系數。

式中：R為實際降水量；L為深層滲漏量，土壤含水量超過田間持水量時，超過部分作為滲漏量處理，依據張喜英（1999）研究結論，將0—50 cm土層作為研究土層；T為地表徑流量，采用HobKrogman方法（王西平等，1998）計算；I為植被截留量，參考文獻（王建林等，2005）中方法計算。

式中各項同式（3）。

1.3.2 玉米生育期劃分

根據農業氣象觀測站1981—2018年觀測資料，確定河北省春玉米和夏玉米平均生育期（見表1）。

1.3.3 干旱評估指標

（1）干旱強度

表1 河北省玉米生育期Table 1 Time of growth stages of maize in Hebei province

依據干旱標準（中國氣象局，2015a；中國氣象局，2015b）劃分干旱等級，設計干旱強數指數（DI）。

式中：CWDIi為水分虧缺指數，CWDIil、CWDIih分別為所處干旱等級對應的水分虧缺指數下限和上限；a為常數，當干旱等級為無旱、輕旱、中旱、重旱、特旱時，a取值為0、1、2、3、4。

（2）干旱范圍（DS）

區域內發生干旱的站點數占全部站點數的比例。

式中，Mi為發生干旱的站點數，M為研究區域總站點數。

（3）干旱概率

對CWDI序列進行正態分布檢驗，對不遵從正態分布的序列進行偏態分布正態化處理（魏淑秋，1985；秦建侯等，1990），并以新的均值和方差進行概率估算。

2 結果與分析

2.1 干旱時間分布特征

玉米生長季逐旬需水量、有效降水量、水分虧缺指數、干旱強度、范圍和概率如圖1所示。大部分時段有效降水量小于玉米需水量，降水不能完全滿足玉米生長需求；總體上春玉米區水分虧缺指數大于夏玉米區。水分虧缺指數呈現先降低后升高的趨勢。春玉米區4月下旬至5月上旬、夏玉米區6月上中旬為高值期，此時處于春季和夏初，降水稀少，但氣溫升高，蒸發量增加，水分虧缺指數為全生育期最高；隨后逐漸進入多雨季節，降水量明顯增加，且增加幅度大于需水量，水分虧缺指數下降，在主汛期7月下旬至8月上旬進入低值期；主汛期過后降水量減少，且減少幅度大于需水量，水分虧缺指數回升。

玉米不同生育階段對水分需求和耐旱能力差異較大，因此干旱強度、范圍和概率隨時間變化趨勢與水分虧缺指數并不完全相同。春玉米4月下旬至5月上旬和夏玉米6月上中旬水分虧缺指數高且處于播種期，干旱強度、范圍和概率達全生育期最高，以特旱為主，概率和范圍均在50%以上；春玉米6月下旬至8月上旬、夏玉米7月中旬至8月中旬，玉米處于拔節至乳熟期，雖水分虧缺指數較低但耐旱能力極差，因此干旱強度、范圍和概率均較高，以中旱為主，其中春玉米6月下旬至7月上旬（拔節至抽雄期）、夏玉米8月上中旬（抽雄至乳熟期）干旱范圍和概率在40%以上，春玉米7月中旬至 8月上旬（抽雄至乳熟期）、夏玉米 7月中下旬（拔節至抽雄期）干旱范圍和概率在30%以上；春玉米8月中旬至9月下旬、夏玉米8月下旬至9月下旬，玉米處于乳熟至成熟期，前期水分虧缺程度低，干旱強度、范圍和概率均較低，后期有所上升，以中旱為主；春玉米5月中旬至6月中旬、夏玉米6月下旬至7月上旬，玉米處于苗期，雖水分虧缺指數較高但耐旱能力極強，干旱強度、范圍和概率較低，以輕旱為主。反查各農氣站歷史灌溉記錄表明，玉米播種期灌溉次數最多，其次是抽雄至乳熟期和拔節至抽雄期，這也驗證了上述結果的合理性。

2.2 干旱空間分布特征

統計各站點干旱發生概率和強度，分析其分布特征，由于概率和強度分布特征基本一致，因此文中只給出了概率分布圖（圖2）。根據統計結果，文中將干旱發生概率在20%以上的區域稱為高發區。

2.2.1 春玉米區

降水量與需水量空間分布特征相反，且在玉米不同生育階段分布特征基本一致，因此，干旱分布特征與降水量呈較好的相反性，與需水量呈較好的一致性，且在玉米不同生育階段特征穩定。東部春玉米區（承德、秦皇島青龍）由東南向西北干旱概率升高，西部春玉米區（張家口、保定淶源）以張家口中部的懷來、涿鹿為中心向南北概率降低，總體上西部地區干旱概率高于東部地區。

圖1 玉米需水量（ETC）、有效降水量（EP）、水分虧缺指數（CWDI）、干旱強度（DI）、干旱范圍（DS）、干旱概率（DP）隨時間變化（a、b：春玉米；c、d：夏玉米）Fig.1 Variation of crop evapotranspiration (ETC), effective precipitation (EP), crop water deficit index (CWDI), drought intensity (DI), drought scale (DS)and drought probability (DP) during growth period of spring maize (a, b) and summer maize (c, d)

各生育期干旱發生概率和強度由高到低依次為播種期＞拔節-抽雄期＞抽雄-乳熟期＞出苗-拔節期＞乳熟-成熟期。播種期干旱概率為56%—89%，其中，特旱概率10%—42%、重旱8%—31%、中旱5%—25%、輕旱6%—23%；特旱高發區分布在張家口中部，中旱和重旱高發區分布在張家口和承德西北部。出苗-拔節期干旱概率和強度較小，以輕旱為主（概率17%—42%），中旱次之（概率0—35%），輕旱概率雖高但利于玉米扎根蹲苗，中旱高發區分布在張家口中部。拔節—抽雄期干旱概率和強度僅次于播種期，概率為 29%—89%，中旱概率 8%—46%、重旱4%—31%、特旱2%—25%、輕旱12%—35%；中旱和重旱高發區在張家口和承德西北部，特旱高發區在張家口中部，輕旱高發區在承德東部。抽雄—乳熟期干旱概率和強度中等，概率為10%—87%，中旱概率 4%—30%、特旱 0—30%、重旱0—27%、輕旱2%—30%；中旱高發區在張家口地區，重旱和特旱高發區在張家口西部，輕旱高發區在承德北部。乳熟—成熟期干旱概率和強度較小，以輕旱（概率2%—29%）和中旱（概率0—23%）為主，輕旱以張家口地區高發，中旱僅局部高發。可見，干旱主要影響春玉米播種期、拔節-乳熟期，以張家口和承德西北部影響較重。

2.2.2 夏玉米區

降水量和需水量在玉米不同生育階段空間分布特征不同，因此干旱分布特征在不同時段亦不相同。總體上，秦皇島、唐山地區在玉米各生育階段干旱發生概率均較低；中南部地區干旱概率相對較高，其中，播種至灌漿期以石家莊東部和南部、衡水西部、邢臺北部等地概率最高，乳熟至成熟期以中南部地區的東部概率最高。

各生育期干旱發生概率和強度由高到低依次為播種期＞抽雄-乳熟期＞乳熟-成熟期＞拔節-抽雄期＞出苗-拔節期。播種期干旱概率和強度最大，以特旱為主（概率21%—58%），其中石家莊東部、衡水西南部和邢臺東北部地區特旱概率在50%以上。出苗-拔節期干旱概率和強度較小，以輕旱（概率2%—31%）和中旱（概率2%—25%）為主，且僅局部地區高發。拔節-抽雄期正值主汛期，干旱概率和強度較小，以中旱為主（概率4%—33%）且僅局部地區高發。抽雄-乳熟期干旱概率和強度僅次于播種期，以中旱為主（概率4%—35%），保定東南部、石家莊大部、衡水西部、邢臺北部、邯鄲東部為高發區。乳熟-成熟期前期干旱概率和強度較低，后期升高，以輕旱為主（概率8%—38%），中南部地區的西部多為高發區，但玉米接近成熟，影響不大。可見，干旱主要影響夏玉米播種期、抽雄-乳熟期，以石家莊大部、衡水西部、邢臺北部影響最重。

圖2 玉米不同生育階段干旱概率空間分布Fig.2 Spatial distributions of drought probability during growth stages of maize

總體上，張家口、承德北部干旱發生概率和強度最大；石家莊東部、衡水西部、邢臺北部地區次之；承德南部、秦皇島、唐山地區概率和強度最小。同時，干旱分布特征隨年代變化分析表明，春玉米區無明顯變化，不同年代干旱分布特征基本一致；夏玉米區在不同年代干旱分布特征有一定差異但無明顯變化規律，這主要與夏玉米區降水量年際間變異系數大、變率高有關。

2.3 干旱變化趨勢及成因分析

1971—2018 年玉米生長季逐旬、逐生育期干旱強度和范圍隨年代變化情況見表2、表3。

春玉米區變化明顯。播種期和出苗-拔節期干旱強度和范圍顯著下降，以 5月上、中旬變化最明顯，全區重旱和特旱發生站次明顯減少；其它生育階段干旱變化不顯著。旬尺度上 8月中、下旬干旱強度和范圍顯著上升，中旱和重旱發生站次明顯增加，以張家口和承德西北部增加顯著。5月上、中旬干旱變化以 1971—2000年較為明顯（P＜0.1），8月中、下旬干旱變化以2000年以后較為明顯（P＜0.1）。

表2 逐生育期干旱強度和干旱范圍隨年代變化率Table 2 Variations of drought intensity and drought scope during growth stages of maize (10 a)-1

夏玉米各生育期干旱變化均不顯著，但旬尺度上，6月下旬和9月下旬干旱強度顯著下降，其中，6月下旬邢臺和邯鄲東北部、9月下旬石家莊和保定地區中度以上干旱發生站次明顯減少；上述變化以2000年以后較為明顯（P＜0.1）。

表3 逐旬干旱強度和范圍隨年代變化率Table 3 Variations of drought intensity and drought scope during each ten days (10 a)-1

干旱強度和范圍與降水量呈顯著負相關，與需水量呈顯著正相關。分析表明，春玉米區 5月上中旬需水量顯著減少、降水量顯著增加，干旱強度和范圍下降受需水量減少和降水量增加共同影響；8月中下旬需水量顯著增加、降水量減少但趨勢不明顯，干旱強度和范圍上升主要受需水量增加影響；夏玉米區 6月下旬需水量顯著下降、降水量略有減少且趨勢不明顯，干旱強度下降主要受需水量下降影響；9月下旬需水量顯著減少、降水量顯著增加，干旱強度下降受需水量減少和降水量增加共同影響。

分析表明，玉米需水量與平均氣溫、日照時數、風速呈顯著正相關，與空氣濕度呈顯著負相關，相關系數均通過了0.05的顯著性檢驗。在需水量顯著減少時段，日照時數和風速均呈顯著減少趨勢，相對濕度變化趨勢不顯著，而氣溫呈上升趨勢，因此需水量減少主要由日照時數減少和風速減小引起；在需水量顯著增加時段，氣溫呈顯著上升、風速顯著增大、空氣濕度顯著下降趨勢，日照時數變化趨勢不顯著，因此需水量增加主要由氣溫上升、風速增大、空氣濕度減小引起。

3 討論

文中利用有效降水量代替實際降水量對CWDI指數進行了改進，通過檢驗，改進后的指數對干旱判斷的準確率提高了4.1%，說明利用有效降水量計算CWDI指數更為合理。針對河北省降水分布區域性強、氣候變化多樣等特點，文中采用旬和生育期為時間尺度、縣為空間尺度，對整個玉米種植區干旱分布特征、變化趨勢及成因進行分析，彌補了無河北省春玉米區干旱研究的不足，同時夏玉米區研究結論與以往大時空尺度研究結論（薛昌穎等，2013，2014）存在差異，干旱分布的區域性、時間性和變化的趨勢性均得以突出顯現，對農業防旱、抗旱更具指導意義。夏玉米干旱概率和強度隨生育期變化特征與薛昌穎等研究結論一致，但文中以有效降水量計算CWDI指數，分析自然降水條件下干旱特征，因此結論中干旱概率和等級比薛昌穎等考慮灌溉條件下的研究結論偏高；夏玉米需水量減少的主要氣象原因是日照時數減少和風速減小，這與韋瀟宇等（2018）研究結論一致。

根據研究結論，春玉米區干旱分布特征穩定，利于防旱抗旱措施的制定；夏玉米區干旱分布特征年際間變化大且規律性差，為做好防旱抗旱工作需進一步加強氣候年景預測工作。從干旱變化趨勢看，春玉米區 8月中下旬需水量明顯增加，干旱加重，針對這一變化，應制定干旱防御的長遠計劃，其它時段干旱減北或變化不顯著，基本利于玉米生產。

作物需水量同時受氣象要素、農業技術措施、土壤類型、作物品種等因素影響，文中僅考慮了氣象因素，在今后將全面考慮農業技術的改進、品種的改良和土壤類型及其保水能力等因素，做進一步的探討。

4 結論

（1）干旱概率和干旱強度分布特征基本一致。春玉米區由高到低依次為播種期＞拔節-抽雄期＞抽雄-乳熟期＞出苗-拔節期＞乳熟-成熟期，夏玉米區依次為播種期＞抽雄-乳熟期＞乳熟-成熟期＞拔節-抽雄期＞出苗-拔節。其中，播種期以特旱為主；拔節-乳熟期以中旱為主；出苗-拔節期、乳熟-成熟期以輕旱為主。

（2）春玉米4月下旬至5月上旬（播種期）、6月下旬至8月上旬（拔節-乳熟期）受干旱影響較大，以張家口和承德北部干旱概率和強度最大、影響最重。夏玉米區6月上中旬（播種期）、8月上中旬（抽雄-乳熟期）受干旱影響較大，以石家莊東部、衡水西部和邢臺東北部干旱概率和強度最大、影響最重。

（3）春玉米播種期和出苗-拔節期干旱強度和范圍明顯下降，其它生育期無明顯變化；夏玉米各生育期干旱強度和范圍均無明顯變化。

（4）旬尺度上，春玉米區5月上中旬受需水量減少、降水量增加趨勢影響，干旱強度和范圍明顯下降；8月中、下旬受需水量增加趨勢影響，干旱強度和范圍明顯上升；夏玉米區6月下旬受需水量明顯減少趨勢影響，干旱強度明顯下降；9月下旬受需水量減少、降水量增加趨勢影響，干旱強度明顯下降。需水量減少的主要氣象原因為日照時數減少和風速下降，需水量增加主要氣象原因為氣溫和風速上升、空氣濕度下降。