基于作物水分虧缺指數的黃淮海平原夏玉米全生育期干旱分布特征*

張曉旭，孫忠富，鄭飛翔**，劉 江，李崇瑞，王一昊

（1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2.沈陽農業大學農學院，沈陽 110866；3.中國氣象局氣象干部培訓學院遼寧分院, 沈陽 110866）

黃淮海地區是中國夏玉米主產區之一，播種面積約占全國播種面積的32%，總產量約占34%[1]。然而由于該地區夏玉米生長季氣溫高，蒸發量大，降水時空分布不均，導致干旱發生頻繁[2?3]。氣候變化導致氣溫升高，降水時空分布也發生變化，干旱成為影響玉米生產的重要因素。北方地區是干旱易發區，氣候變化背景下干旱呈現常態化，干旱頻發，對玉米的影響逐漸加重，導致黃淮海地區夏玉米總產量因旱下降，甚至對全國糧食總產量造成重大影響。因此，研究該區域夏玉米不同生育階段干旱時空演變規律，明確干旱對夏玉米產量的影響，并采取相應防災減災措施對保證糧食產量具有重要意義。

常用的干旱指標包括作物水分虧缺指數（Crop Water Deficit Index, CWDI）[4?5]、土壤相對濕度（Soil Relative Moisture, Rsm）[6?7]、降水距平百分率（Precipitation Anomaly in Percentage, PA）[8?9]、標準化降水指數（Standard Precipitation Index, SPI）等[10?11]。PA和SPI只考慮降水因素，資料簡單易獲取，但因未考慮土壤底墑、作物生育期等問題，不能直觀反映農作物干旱程度[9?10]；Rsm需要土壤濕度數據，中國農業氣象行業目前使用的土壤濕度數據是每月逢“8”（每月的8、18、28日）測定一次，會把中間的干旱時段或者明顯的降水過程漏掉，影響結果準確度[12]；而CWDI不僅綜合考慮了氣象、作物、土壤三方面因素，還考慮了作物播種前期干旱積累對后期作物生長發育的影響，能夠更客觀真實地反映出水分虧缺程度與干旱情況[13]。薛昌穎等[2]分析了土壤相對濕度與水分虧缺指數的關系，建立了黃淮海地區夏玉米不同階段土壤相對濕度與水分虧缺指數之間的線性關系模型，并由此建立了與土壤相對濕度干旱等級指標相對應的水分虧缺指數干旱等級指標。楊平等[3]基于自然災害風險評估原理，運用信息擴散法、加權綜合評價法和層次分析法，評估了黃淮海地區夏玉米干旱災害風險評估，研究得出黃淮海地區夏玉米干旱危險性整體偏高，干旱頻率均在64.36%以上。薛昌穎等[14]還從災害風險的危險性、脆弱性、暴露性和防災減災能力4個方面構建了黃淮海地區夏玉米干旱風險評估指標和模型，結果表明該區夏玉米生長季干旱發生危險性最大的階段主要是播種?出苗期和乳熟?成熟期。

目前，已有研究采用CWDI分析了玉米生育期風險等，但研究區域集中在中國東北、西南、西北地區[13,15?17]，鮮有針對黃淮海地區夏玉米干旱時空變化特征的研究報道。本研究旨在通過對干旱指標CWDI的計算，分析黃淮海地區夏玉米不同生育階段干旱災害的時空演變特征，探究不同年代夏玉米生育期的干旱情況，以期為黃淮海地區未來農業氣象災害的評估、監測和防災減災工作提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況與數據來源

黃淮海地區（31°?50°N，110°?125°E）[18]包括河北省除承德和張家口外、河南和山東全省區域、安徽和江蘇省的長江以北地區。選擇研究區域內具有1981?2015年完整時間序列的逐日地面觀測資料的氣象站點，共計76個（圖1）。氣象數據下載自中國氣象數據網（http://www.cma.gov.cn），氣象要素包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、降水量、風速和日照時數；生育期數據為2000?2010年黃淮海地區夏玉米生育期數據，來源于中國氣象數據網（http://www.cma.gov.cn）。

圖1 黃淮海地區氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Huang-Huai-Hai plain

1.2 研究方法

1.2.1 夏玉米生育期和研究區劃分

黃淮海區夏玉米播種期主要集中在6月上旬或者中旬，其余生育階段在時間上基本同步，全生育期集中在6?9月。根據中華人民共和國氣象行業標準《北方夏玉米干旱等級》（QX/T 260?2015）將黃淮海夏玉米生育期劃分為5個階段[19]，各個生育期的時間劃分主要參照于黃淮海地區夏玉米生育期數據以及相關文獻[20]（表1）。

表1 黃淮海地區夏玉米生育期劃分Table 1 Division of summer maize growth period in Huang-Huai-Hai plain

根據生育期劃分界限，將整個研究區劃分為3個亞區，Ⅰ區為河北中北部；Ⅱ區包括河北南部、河南北部和山東；Ⅲ區包括河南南部、安徽北部和江蘇北部。

1.2.2 作物水分虧缺指數（KCWDI）的計算方法

（1）不同生育階段水分虧缺指數（KCWDI）計算

式中，KCWDI為夏玉米某一生育期的平均水分虧缺指數（%）；ICWDI,j為該生育期內第j旬的累計水分虧缺指數（%）；n為該生育期包含的總旬數。

式中，CWDIj、CWDIj-1、CWDIj-2、CWDIj-3和CWDIj-4（%）為第j、j-1、j-2、j-3和j-4旬的水分虧缺指數(以j旬為基礎向前推4旬)；a、b、c、d和e為權重系數，根據氣象行業標準 北方夏玉米干旱等級，分別取值為0.3、0.25、0.2、0.15和0.1。

（2）旬水分虧缺指數計算

式中，ETc,j為第j旬的需水量（mm）；Pj為第j旬的降水量（mm）。

（3）作物需水量計算

夏玉米生育期內某旬的需水量

式中，ET0為某旬參考蒸散量，可由（QX/T81-2007）計算方法獲得[21]；Kc為夏玉米生育期內某旬的作物系數，黃淮海地區的作物系數Kc情況見表2。

表2 黃淮海地區夏玉米作物系數Table 2 Crop coefficients (Kc) of summer maize in Huang-Huai-Hai plain

1.2.3 干旱等級劃分

根據《北方夏玉米干旱等級》對作物水分虧缺指數的計算結果進行干旱等級劃分，結果見表3[19]。

表3 基于生育期平均水分虧缺指數劃分夏玉米干旱等級的標準Table 3 Classification standard of summer maize drought based on the average crop water deficit index in the growth period

1.2.4 干旱發生頻率

干旱頻率用來評價某種程度干旱在資料年份（1981?2015年）內的發生頻率，即某一站點發生某種程度干旱的年數與研究期總年數之比，即

式中，Fi為某站某生育期發生某種程度干旱的頻率，n為該站該生育期發生該程度干旱的年份數，N為資料總年數。

1.2.5 干旱影響范圍

干旱站次比可以用來反映某種程度干旱在研究區的影響范圍，以發生某種程度干旱的站點與該區域內所有站點數的比值表示，即

式中，P代表某種程度干旱站次比（%）；m為發生某種程度干旱的站點；M為研究區域內站點總數（76個氣象站點）。

1.2.6 空間表達

利用ArcGIS10.5中的克里金插值，對研究區的各個站點數據進行空間插值，將Cell size設為0.02，對要素進行分類，生成相應的空間圖譜。

2 結果與分析

2.1 作物水分虧缺指數（CWDI）的干旱指示性驗證

利用《中國氣象災害大典》和《中國氣象災害年鑒》中河北卷、河南卷、山東卷、安徽卷、江蘇卷中夏玉米歷史干旱情況的描述，對1981?2010年黃淮海夏玉米受災情況和干旱等級進行驗證。《中國氣象災害大典》主要是對干旱的受災面積、成災面積、絕收情況、受災人口等情況的描述，很少有對干旱程度的直接表達，本研究主要通過對干旱災情的描述判斷出干旱等級，據《中國氣象災害大典河北卷》[22]記載：“1992年是河北省干旱的典型年，邢臺和衡水大部分地區受旱嚴重，進入8月，經過人工種植的地塊也是缺苗斷垅，玉米多是尺把高，可以判斷為重旱及以上等級”。8月夏玉米處于抽雄?乳熟期，選取邢臺的南宮和衡水的饒陽兩個站點計算得到的干旱結果分別為特旱和重旱，發現與歷史情況相符。利用此方法對該區域多個站點進行驗證，計算結果如表4。

由表4可見，《中國氣象災害大典》和《中國氣象災害年鑒》中研究區域1981?2015年共記錄的夏玉米生育期干旱事件有53件，有明確干旱等級的39件。據此記載，利用同期相應站點的氣象資料計算CWDI值并判定干旱等級并兩相比較。結果表明，完全符合的有20個，基本符合的有6個，不符合的有8個，整體符合程度達到76.5%。由此可見，作物水分虧缺指數（CWDI）及其劃分標準可以反映出黃淮海地區夏玉米的干旱情況。

表4 夏玉米歷史干旱情況與同期作物水分虧缺指數（CWDI）計算結果符合程度驗證Table 4 Verification of historical drought situation of summer maize with the CWDI calculated results

續表

2.2 夏玉米生育期水分虧缺狀況及其變化分析

2.2.1 整個生長季平均CWDI變化特征

圖2為不同地區1981?2015年夏玉米生育期內平均CWDI。由圖可知，隨著夏玉米生育期的推進，其CWDI總體趨勢為逐漸降低，在乳熟?成熟期會有小升高；空間上表現為二區夏玉米生育期內CWDI值最高。3個區域夏玉米各生育期均以播種?出苗期CWDI值最高，可達50%以上，此時處于6月上旬，對應干旱等級為輕旱及以上；抽雄?乳熟期CWDI值最低，為19.3%～29.9%，對應干旱等級為輕旱、中旱。乳熟?成熟期CWDI有上升趨勢，范圍在28.7%～36.9%，對應無旱。

圖2 不同區域1981?2015年平均CWDI隨生育期的變化Fig.2 Average CWDI varied with the growth period in the three regions from 1981 to 2015

2.2.2 各生育期內CWDI年代際變化趨勢

圖3為1981?2015年不同區域夏玉米生育期內CWDI的年代際變化趨勢。由圖可知，1981?2015年夏玉米生育期內CWDI總體表現為先上升后下降的趨勢，在2011?2015年顯著上升，二區夏玉米生育期內CWDI值最高；CWDI值隨著生育期的推遲逐漸下降，乳熟?成熟期升高。2011?2015年播種?出苗期一、二區CWDI分別上升至61.1%、57.5%，三區無明顯變化。一區在出苗?拔節期、拔節?抽雄期CWDI下降至37.4%及26.3%，其余兩個區域均有不同程度的上升。拔節?抽雄期CWDI范圍在22.1%～44.1%，一、三區干旱等級為輕旱，二區干旱等級為中旱。2011?2015年抽雄?乳熟期三個區域CWDI值均有明顯上升，達到30%以上，干旱等級為中旱。乳熟?成熟期一區CWDI值在2011?2015年呈下降趨勢，二、三區呈上升趨勢，但整體表現為輕旱。就全生育期而言，一區CWDI值變化不大，而二、三區干旱趨勢加重。

圖3 1981?2015年不同區域夏玉米不同生育期內CWDI的年代際變化趨勢Fig.3 Interdecadal variation of average CWDI during the different summer maize growth period in the three regions from 1981 to 2015

2.3 夏玉米生育期干旱發生頻率及其變化分析

2.3.1 不同生育期干旱頻率空間分布

圖4為黃淮海地區夏玉米5個生育階段4個干旱等級干旱頻率的空間分布。由圖可知，播種?出苗階段特旱的發生頻率較高，除安徽和江蘇兩省，其它地區發生頻率大于33%，基本3年一遇或以上；河北省大部以及山東北部干旱頻率大于50%，基本2年一遇或以上。出苗?拔節期、拔節?抽雄期、乳熟?成熟期干旱頻率隨干旱等級升高而降低，其中輕旱發生頻率最高，大部分地區干旱頻率大于20%，5年一遇或頻率更高。在抽雄?乳熟期，輕旱和中旱發生頻率明顯高于其它各個時期，河北、山東、安徽的大部以及江蘇西北部輕旱發生頻率較高，大于33%；河南、山東、安徽的大部以及河北南部和西北部中旱發生頻率較高，大于33%。由此可見，除播種?出苗期特旱發生頻率較高，其它各生育階段干旱發生頻率隨干旱等級的上升而下降；河南、河北和山東的大部分地區受干旱影響較大，安徽和江蘇受干旱影響較小。

圖4 夏玉米不同生育期不同等級干旱頻率的空間分布（1981?2015年）Fig.4 Frequency distribution of different grades of drought during the different summer maize growth period（1981?2015）

2.3.2 全生育期干旱頻率空間分布

圖5為黃淮海地區夏玉米全生育期不同等級干旱頻率的空間分布圖。由圖可見，全生育期干旱發生頻率隨干旱等級升高而下降，其中輕旱發生頻率較高，干旱中心位于河南、河北、山東的大部以及安徽和江蘇的北部，干旱發生頻率高于33%，在3年一遇以上；除了河南北部和西南部以及山東北部，其它地區中旱發生頻率均小于20%，在5年一遇以下；黃淮海地區夏玉米重旱和特旱發生頻率低于10%，在10年一遇以下。由此可見，黃淮海地區夏玉米生長季以輕旱為主，其次是中旱，重旱和特旱發生頻率較低，整個區域干旱發生頻率北部高于南部，西部高于東部。

圖5 夏玉米全生育期不同等級干旱頻率的空間分布Fig.5 Spatial distribution of frequency of different grades of drought in the whole summer maize growth period

2.4 夏玉米生育期干旱影響范圍（站次比）及其變化分析

夏玉米生育期干旱站次比的年代際變化如圖6所示。由圖可見，研究區域內，除播種?出苗期特旱站次比最高外，其余生育階段均為輕旱站次比最高。播種?出苗期特旱站次比均為30%以上，2011?2015年站次比達到43.4%，受旱面積較大。其余生育期均以輕旱為主，站次比在20%以上。從全生育期來看，輕旱發生站次比降至24.2%，中旱無明顯變化，重旱站次比略微上升，而特旱站次比顯著上升，可達15.4%。可見，1981?2015年夏玉米生育期內以輕旱為主，并有加重趨勢。

圖6 夏玉米生育期干旱站次比的年代際變化Fig.6 Interdecadal variation of drought occurring station ratio at different summer maize growth period

3 結論與討論

3.1 結論

（1）黃淮海地區1981?2015年夏玉米生育期內CWDI總體表現為先下降后上升趨勢，夏玉米播種期CWDI高達50%以上，之后逐漸下降，乳熟?成熟期CWDI小幅升高；2011?2015年河北、河南南部、山東等地區夏玉米生育期干旱有加重趨勢，河南南部、安徽北部和江蘇北部CWDI值變化不大。

（2）從干旱空間分布上來看，整個區域干旱發生頻率表現為北部高于南部，西部高于東部。播種?出苗期和抽雄?乳熟期干旱發生頻率較高，除播種?出苗期特旱發生頻率較高，其它各生育階段干旱發生頻率隨干旱等級的上升而下降；河南、河北和山東的大部分地區、安徽和江蘇受干旱影響較大。

（3）黃淮海地區夏玉米各生育階段中，輕旱在21世紀干旱站次比最高，特旱在20世紀90年代干旱站次比最高，說明近十幾年來輕旱有加重趨勢，特旱有減弱趨勢。1981?2015年，夏玉米生育期內以輕旱為主，且有加重趨勢。

3.2 討論

在全球氣候變化的背景下，中國年均降水量呈下降的趨勢，且時空分布不均[23]，中國氣候總體表現出暖干趨勢，其中呈現暖干、暖濕趨勢的站點分別占50.9%和47.5%，華北地區約85.4%的站點表現為暖干趨勢[24]。華北地區年均參考作物蒸散量表現出下降趨勢，但下降幅度小于降水量的變化，河北南部、河南北部和山東等地區干旱趨勢加重[24-26]，本研究發現黃淮海地區干旱發生頻率北部高于南部，西部高于東部，河南、河北和山東的大部分地區、安徽和江蘇全省受干旱影響較大，與前人研究結果基本一致。黃淮海區域干旱特征表現為春夏連旱或春夏秋連旱[27]，是全國受旱面積最大的地區，本研究同樣表明播種-出苗期和抽雄-乳熟期干旱發生頻率較高，形成“初夏旱”和“卡脖旱”，除播種-出苗期特旱發生頻率較高，其它各生育階段干旱發生頻率隨干旱等級的上升而下降。

本研究利用作物水分虧缺指數（CWDI）對黃淮海地區夏玉米干旱時空分布情況進行研究，量化了夏玉米主要生育階段不同等級干旱的時空變化規律。CWDI是目前應用最廣泛的農業干旱指標之一[28]，對夏玉米不同生育期干旱情況進行等級劃分，同時根據黃淮海地區重要省份的Kc值，計算過程簡單。通過查詢《中國氣象災害大典》河北卷、河南卷、山東卷、安徽卷和江蘇卷1981-2000年干旱發生情況，對CWDI計算得到的不同生育階段干旱等級進行驗證，站點數據吻合程度在76.4%，說明該指標能夠客觀真實地反映黃淮海地區夏玉米的干旱情況；但該指標需要灌溉量數據，由于各個區域的灌溉制度不同，灌溉數據很難獲得，所以本研究采取對指標進行簡化，并沒有考慮灌溉對玉米生長發育期的影響，今后還需要充分考慮灌溉因素，并著重考慮土壤質地、坡度、坡向、徑流等因素影響，以使干旱研究更加精確有效。不可忽略的是，在實際生產中，干旱的發生往往伴隨著高溫熱害，其區別在于干旱是緩慢出現并加劇的過程，而熱害的發生短暫且多為突發，干旱和高溫會導致產量的嚴重下降。在大田生產中單一因素對產量的影響很難評估，因此，研究復合災害的發生及其影響尤為重要。