基于作物水分虧缺指數(shù)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(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽 110866；3.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院遼寧分院, 沈陽 110866）

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

常用的干旱指標(biāo)包括作物水分虧缺指數(shù)（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(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（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(nóng)作物干旱程度[9?10]；Rsm需要土壤濕度數(shù)據(jù)，中國農(nóng)業(yè)氣象行業(yè)目前使用的土壤濕度數(shù)據(jù)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(jié)果準(zhǔn)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(fā)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(shù)的關(guān)系，建立了黃淮海地區(qū)夏玉米不同階段土壤相對濕度與水分虧缺指數(shù)之間的線性關(guān)系模型，并由此建立了與土壤相對濕度干旱等級指標(biāo)相對應(yīng)的水分虧缺指數(shù)干旱等級指標(biāo)。楊平等[3]基于自然災(zāi)害風(fēng)險評估原理，運(yùn)用信息擴(kuò)散法、加權(quán)綜合評價法和層次分析法，評估了黃淮海地區(qū)夏玉米干旱災(zāi)害風(fēng)險評估，研究得出黃淮海地區(qū)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(zāi)害風(fēng)險的危險性、脆弱性、暴露性和防災(zāi)減災(zāi)能力4個方面構(gòu)建了黃淮海地區(qū)夏玉米干旱風(fēng)險評估指標(biāo)和模型，結(jié)果表明該區(qū)夏玉米生長季干旱發(fā)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(fēng)險等，但研究區(qū)域集中在中國東北、西南、西北地區(qū)[13,15?17]，鮮有針對黃淮海地區(qū)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(biāo)CWDI的計算，分析黃淮海地區(qū)夏玉米不同生育階段干旱災(zāi)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(qū)未來農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的評估、監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

黃淮海地區(qū)（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(qū)域、安徽和江蘇省的長江以北地區(qū)。選擇研究區(qū)域內(nèi)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(shù)據(jù)下載自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（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(fēng)速和日照時數(shù)；生育期數(shù)據(jù)為2000?2010年黃淮海地區(qū)夏玉米生育期數(shù)據(jù)，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://www.cma.gov.cn）。

圖1 黃淮海地區(qū)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(qū)劃分

黃淮海區(qū)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(jù)中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《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(qū)夏玉米生育期數(shù)據(jù)以及相關(guān)文獻(xiàn)[20]（表1）。

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

根據(jù)生育期劃分界限，將整個研究區(qū)劃分為3個亞區(qū)，Ⅰ區(qū)為河北中北部；Ⅱ區(qū)包括河北南部、河南北部和山東；Ⅲ區(qū)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(shù)（KCWDI）的計算方法

（1）不同生育階段水分虧缺指數(shù)（KCWDI）計算

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

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(shù)(以j旬為基礎(chǔ)向前推4旬)；a、b、c、d和e為權(quán)重系數(shù)，根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 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(shù)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(nèi)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(nèi)某旬的作物系數(shù)，黃淮海地區(qū)的作物系數(shù)Kc情況見表2。

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

1.2.3 干旱等級劃分

根據(jù)《北方夏玉米干旱等級》對作物水分虧缺指數(shù)的計算結(jié)果進(jìn)行干旱等級劃分，結(jié)果見表3[19]。

表3 基于生育期平均水分虧缺指數(shù)劃分夏玉米干旱等級的標(biāo)準(zhǔn)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(fā)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(nèi)的發(fā)生頻率，即某一站點發(fā)生某種程度干旱的年數(shù)與研究期總年數(shù)之比，即

式中，F(xiàn)i為某站某生育期發(fā)生某種程度干旱的頻率，n為該站該生育期發(fā)生該程度干旱的年份數(shù)，N為資料總年數(shù)。

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(qū)的影響范圍，以發(fā)生某種程度干旱的站點與該區(qū)域內(nèi)所有站點數(shù)的比值表示，即

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

1.2.6 空間表達(dá)

利用ArcGIS10.5中的克里金插值，對研究區(qū)的各個站點數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，將Cell size設(shè)為0.02，對要素進(jìn)行分類，生成相應(yīng)的空間圖譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）的干旱指示性驗證

利用《中國氣象災(zāi)害大典》和《中國氣象災(zāi)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(zāi)情況和干旱等級進(jìn)行驗證。《中國氣象災(zāi)害大典》主要是對干旱的受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、絕收情況、受災(zāi)人口等情況的描述，很少有對干旱程度的直接表達(dá)，本研究主要通過對干旱災(zāi)情的描述判斷出干旱等級，據(jù)《中國氣象災(zāi)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(qū)受旱嚴(yán)重，進(jìn)入8月，經(jīng)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(jié)果分別為特旱和重旱，發(fā)現(xiàn)與歷史情況相符。利用此方法對該區(qū)域多個站點進(jìn)行驗證，計算結(jié)果如表4。

由表4可見，《中國氣象災(zāi)害大典》和《中國氣象災(zāi)害年鑒》中研究區(qū)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(jù)此記載，利用同期相應(yīng)站點的氣象資料計算CWDI值并判定干旱等級并兩相比較。結(jié)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(dá)到76.5%。由此可見，作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）及其劃分標(biāo)準(zhǔn)可以反映出黃淮海地區(qū)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(shù)（CWDI）計算結(jié)果符合程度驗證Table 4 Verification of historical drought situation of summer maize with the CWDI calculated results

續(xù)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(qū)1981?2015年夏玉米生育期內(nèi)平均CWDI。由圖可知，隨著夏玉米生育期的推進(jìn)，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(xiàn)為二區(qū)夏玉米生育期內(nèi)CWDI值最高。3個區(qū)域夏玉米各生育期均以播種?出苗期CWDI值最高，可達(dá)50%以上，此時處于6月上旬，對應(yīng)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(yīng)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(yīng)無旱。

圖2 不同區(qū)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(nèi)CWDI年代際變化趨勢

圖3為1981?2015年不同區(qū)域夏玉米生育期內(nèi)CWDI的年代際變化趨勢。由圖可知，1981?2015年夏玉米生育期內(nèi)CWDI總體表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，在2011?2015年顯著上升，二區(qū)夏玉米生育期內(nèi)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(qū)CWDI分別上升至61.1%、57.5%，三區(qū)無明顯變化。一區(qū)在出苗?拔節(jié)期、拔節(jié)?抽雄期CWDI下降至37.4%及26.3%，其余兩個區(qū)域均有不同程度的上升。拔節(jié)?抽雄期CWDI范圍在22.1%～44.1%，一、三區(qū)干旱等級為輕旱，二區(qū)干旱等級為中旱。2011?2015年抽雄?乳熟期三個區(qū)域CWDI值均有明顯上升，達(dá)到30%以上，干旱等級為中旱。乳熟?成熟期一區(qū)CWDI值在2011?2015年呈下降趨勢，二、三區(qū)呈上升趨勢，但整體表現(xiàn)為輕旱。就全生育期而言，一區(qū)CWDI值變化不大，而二、三區(qū)干旱趨勢加重。

圖3 1981?2015年不同區(qū)域夏玉米不同生育期內(nèi)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(fā)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(qū)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(fā)生頻率較高，除安徽和江蘇兩省，其它地區(qū)發(fā)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(jié)期、拔節(jié)?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(fā)生頻率最高，大部分地區(qū)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(fā)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(fā)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(fā)生頻率較高，大于33%。由此可見，除播種?出苗期特旱發(fā)生頻率較高，其它各生育階段干旱發(fā)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(qū)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(qū)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(fā)生頻率隨干旱等級升高而下降，其中輕旱發(fā)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(fā)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(qū)中旱發(fā)生頻率均小于20%，在5年一遇以下；黃淮海地區(qū)夏玉米重旱和特旱發(fā)生頻率低于10%，在10年一遇以下。由此可見，黃淮海地區(qū)夏玉米生長季以輕旱為主，其次是中旱，重旱和特旱發(fā)生頻率較低，整個區(qū)域干旱發(fā)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(qū)域內(nèi)，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(dá)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(fā)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(dá)15.4%。可見，1981?2015年夏玉米生育期內(nèi)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(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）黃淮海地區(qū)1981?2015年夏玉米生育期內(nèi)CWDI總體表現(xiàn)為先下降后上升趨勢，夏玉米播種期CWDI高達(dá)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(qū)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(qū)域干旱發(fā)生頻率表現(xiàn)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(fā)生頻率較高，除播種?出苗期特旱發(fā)生頻率較高，其它各生育階段干旱發(fā)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(qū)、安徽和江蘇受干旱影響較大。

（3）黃淮海地區(qū)夏玉米各生育階段中，輕旱在21世紀(jì)干旱站次比最高，特旱在20世紀(jì)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(nèi)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(xiàn)出暖干趨勢，其中呈現(xiàn)暖干、暖濕趨勢的站點分別占50.9%和47.5%，華北地區(qū)約85.4%的站點表現(xiàn)為暖干趨勢[24]。華北地區(qū)年均參考作物蒸散量表現(xiàn)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(qū)干旱趨勢加重[24-26]，本研究發(fā)現(xiàn)黃淮海地區(qū)干旱發(fā)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(qū)、安徽和江蘇全省受干旱影響較大，與前人研究結(jié)果基本一致。黃淮海區(qū)域干旱特征表現(xiàn)為春夏連旱或春夏秋連旱[27]，是全國受旱面積最大的地區(qū)，本研究同樣表明播種-出苗期和抽雄-乳熟期干旱發(fā)生頻率較高，形成“初夏旱”和“卡脖旱”，除播種-出苗期特旱發(fā)生頻率較高，其它各生育階段干旱發(fā)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(shù)（CWDI）對黃淮海地區(qū)夏玉米干旱時空分布情況進(jìn)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(guī)律。CWDI是目前應(yīng)用最廣泛的農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)之一[28]，對夏玉米不同生育期干旱情況進(jìn)行等級劃分，同時根據(jù)黃淮海地區(qū)重要省份的Kc值，計算過程簡單。通過查詢《中國氣象災(zāi)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(fā)生情況，對CWDI計算得到的不同生育階段干旱等級進(jìn)行驗證，站點數(shù)據(jù)吻合程度在76.4%，說明該指標(biāo)能夠客觀真實地反映黃淮海地區(qū)夏玉米的干旱情況；但該指標(biāo)需要灌溉量數(shù)據(jù)，由于各個區(qū)域的灌溉制度不同，灌溉數(shù)據(jù)很難獲得，所以本研究采取對指標(biāo)進(jìn)行簡化，并沒有考慮灌溉對玉米生長發(fā)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(zhì)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(chǎn)中，干旱的發(fā)生往往伴隨著高溫?zé)岷Γ鋮^(qū)別在于干旱是緩慢出現(xiàn)并加劇的過程，而熱害的發(fā)生短暫且多為突發(fā)，干旱和高溫會導(dǎo)致產(chǎn)量的嚴(yán)重下降。在大田生產(chǎn)中單一因素對產(chǎn)量的影響很難評估，因此，研究復(fù)合災(zāi)害的發(fā)生及其影響尤為重要。