基于SPEI的遼寧省玉米生育期干旱特征分析

曹永強,李玲慧,路 潔,張若凝

遼寧師范大學地理科學學院,大連 116029

氣候是影響人類生產生活的眾多地理環境要素之一,氣候變化是人地關系領域研究的熱點與前沿[1]。近年來,全球氣候的復雜多變已引起世界諸多國家干旱自然災害頻發,未來全球極端氣象災害仍將持續惡化[2-3]。在全球氣候變化的背景下,近50年來,中國地表約增溫1.1℃,速率達0.25℃/10a,東部地區降水量相對減少[4-5]。升溫可直接引發干旱,當降水量在一定時期持續少于正常狀態時,河湖水資源量、土壤含水量會相應減少,從而引發干旱[6-7]。據統計,氣象災害在我國自然災害中占比超過70%,其中旱災造成的損失高達50%以上[8]。研究干旱災害發生規律并采取應對策略緩解災損已成為當下科學研究的重點。

目前,國內外研究和使用的干旱指標已有近百種,代表性的有McKee等提出的標準化降水指數(Standardized Precipitation Index,SPI),該指數僅考慮降水這一因素,由于計算簡單并可進行多種尺度干旱的表征,是目前應用較廣的干旱指標之一[9]。國內針對農業干旱評估的氣象類指標包括降水Z指數、作物水分虧缺指數和綜合氣象干旱指數等[10-13]。如蘇永秀等基于水分盈虧原理提出的一種干旱指標,在水稻和甘蔗方面取得了較好應用[14]。馬曉群等在相對濕潤指數的基礎上添加了前期干旱的累積影響,構建出新的干旱指標,并利用土壤墑情數據檢驗其對江淮地區農業干旱的監測效果,結果表明具有很強的適用性[15]。張強等提出了綜合氣象干旱指數(Comprehensive Meteorological Drought Index,CI),這一指數同時結合了相對濕潤指數和SPI,目前已廣泛應用于氣象部門[16]。Vicente-Serrano等提出的標準降水蒸散指數(Standard Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)受到國內外學者的廣泛認可,在干旱評估、水資源管理等方面具有較高的科學性和實用性,該指數吸收了帕爾默干旱指數(Palmer Drought Severity Index,PDSI)和SPI表征干旱的優勢,具有空間一致性、多時間尺度且計算簡單等多重優點[17-20]。因此,經綜合比較,本文選取SPEI作為干旱指標進行研究,這對遼寧省農業種植規劃有著十分重要的研究價值。

在眾多干旱指標提出的基礎上,干旱規律研究一直是國內外熱點問題。例如,Edossa等[21]使用PDSI研究1981—2015年尼日利亞北部地區的干旱事件,結果表明,1998—2001年和2006—2008年為干旱較為嚴重的時期。李偉光等[22]利用SPEI評價了中國1951—2009年干旱的時空分布規律,發現我國四季均有干旱情況發生,且西部、華北和東北地區旱情較為嚴重；吳霞等[23]基于SPI構建了夏玉米干旱指數,進而分析了1961—2015年黃淮海平原夏玉米在生長季內的干旱情況,結果表明,黃淮海地區夏玉米在生長階段的干旱較嚴重。綜合以上干旱方面的研究成果分析發現,這些研究大多集中在從氣候角度和單一尺度等單方面入手,或僅結合單一的受旱面積、受災站次比等參考指標來反映某一地區干旱特征,缺少綜合多尺度、多因素、多指標的全面分析。因此,本文在前人研究的基礎上,首先分析影響遼寧省玉米生育期干旱的兩個關鍵氣候因素(降水量和氣溫)的變化趨勢,以SPEI作為干旱特征的評價標準,綜合不同尺度(2個月、6個月)對其進行分析,同時結合遼寧省玉米完整生育期、旱災不同影響因素等,選取干旱站次比和干旱頻率全面研究區域農業旱災特征[24-26],并對氣候變化與干旱的相關性進行分析,以期為進行區域農作物干旱災損評估及相應防災減災政策的制定等提供科學依據。

1 研究區概況

遼寧省地處歐亞大陸東岸、東北地區南部,按照地理空間分布情況可劃分為遼西、遼南、遼中、遼東和遼北5個分區[27]。年日照時數1800—2400 h,平均氣溫6—10℃,降水量200—1000 mm,氣候條件非常適宜玉米的生長發育[28-29]。省內玉米種植面積較廣,2018年玉米播種面積2712.98千公頃,占糧食總播種面積的77.87%。遼寧省是我國糧食生產核心區,玉米為其主要生產作物之一[30]。近年來,在全球氣候變化的影響下,遼寧省氣溫有所升高,而日照和降水減少,同時伴有旱澇災害發生,氣候因素的改變影響了玉米等作物的生長發育,從而對農業生產帶來了不可小覷的影響[31-32]。

2 資料與方法

2.1 數據來源

聯合國糧食及農業組織(FAO)建議將作物的生育期劃分為初期、發育期、中期和后期四個階段[33]。本文在此基礎上依據遼寧省具體情況和實際生產狀況,進一步將遼寧省玉米生育期細化為4—9月,包括播種-出苗期(4月上旬—5月上旬)、出苗-拔節期(5月中旬—6月中旬)、喇叭口期(6月下旬—7月中旬)、抽雄期(7月下旬—8月中旬)和成熟期(8月下旬—9月下旬)5個階段[27,34]。本研究選用的氣象數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/wa)1967—2018年4—9月遼寧省逐日氣象觀測數據,包括降水量、平均氣溫、濕度等。為保證空間插值精度,選取遼寧省玉米種植區內分布均勻且連續性較好的33個國家級氣象臺站進行分析。遼寧省地理位置及氣象臺站分布情況如圖1所示。

圖1 遼寧省氣象臺站分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Liaoning Province

2.2 研究方法

2.2.1SPEI計算

SPEI的計算主要利用月降水量和月平均溫度等氣象數據,通過計算降水量與蒸散量的差值并將其正態標準化得到。具體計算步驟如下：

(1)計算降水量與蒸散量差值,即氣候水平衡：

Di=Pi-PETi

(1)

式中：Di為第i月降水量與蒸散量的差值(mm)；Pi為第i月降水量(mm)；PETi為第i月潛在蒸散量(mm),采用FAO推薦的Penman-Monteith法進行計算,詳見文獻[33]。

(2)建立不同時間尺度氣候學意義上的水分盈虧累積序列：

(2)

式中：k為時間尺度(月)；n為計算次數。

(3)采用3參數的Log-Logistic概率分布F(x)對D序列進行擬合,并對序列進行標準正態分布轉化,計算每個D對應的SPEI值：

(3)

式中,P為超過待定D值的累積概率,當P>0.5時,SPEI值的符號被逆轉；c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308。

SPEI的計算可采用以月為單位的不同時間尺度[35],考慮到遼寧省玉米生長期集中在4—9 月,因此6個月尺度的SPEI(6-SPEI-Sep)表征其整個生育期干旱情況,為進一步比較玉米不同生育階段的干旱情況,選擇2個月尺度的參數計算并提取所有站點的 2-SPEI-May(播種-出苗期),2-SPEI-Jun(出苗-拔節期)、2-SPEI-Jul(喇叭口期)、2-SPEI-Aug(抽雄期)及 2-SPEI-Sep(成熟期)。

2.2.2干旱頻率

干旱頻率用來評價研究區某氣象站在研究時間段內干旱頻發的程度[36],計算式為：

(4)

式中,Fi表示干旱頻率(%)；N為統計時段總年數；n為統計時段內該生育階段某等級干旱發生的次數。參考《中華人民共和國國家標準氣象干旱等級》(GB/T 20481—2017),將SPEI分為5個干旱等級：無旱(SPEI>-0.5)、輕旱(-1.0

2.2.3干旱站次比

用研究區內發生干旱氣象站數量占全部氣象站數量的占比來評價干旱影響范圍的大小[37],計算式為：

(5)

式中,Pj為干旱站次比(%)；M為研究區內氣象站總數量；m為某年發生干旱氣象站點的數量。其中干旱影響范圍等級可劃分為5種：全域性干旱(Pj≥50%)、區域性干旱(50%>Pj≥33%)、部分區域性干旱(33%>Pj≥ 25%)、局域性干旱(25%>Pj≥10%)和無明顯干旱(Pj<10%)。

3 結果與分析

3.1 玉米生育期氣候變化趨勢

3.1.1玉米生育期降水量變化趨勢

玉米作為典型的高需水量作物之一,其生長發育過程中對降水量要求較高。同時降水量也是影響干旱的直接原因[38]。因此,本研究從降水量入手,基于趨勢分析法和Mann-Kendall突變檢驗法探究1967—2018年遼寧省玉米生育期降水量變化趨勢,如圖2所示。從全生育期來看,近52年降水量以13.31 mm/10a的速率減少,但變化趨勢并不顯著。其中,1985年和2010年達到該序列峰值,兩年降水量均高于2700 mm。結合歷史資料可知,2010年我國氣候異常,以“康森”為首的共7次臺風陸續登陸,在此影響下遼寧省自7月下旬開始發生強降雨,多站次日降雨量超過300 mm。此外,玉米各生育期降水量年際變化率如表1所示。可以看出播種-出苗期、出苗-拔節期和抽雄期的多年平均降水量均呈上升趨勢,速率分別為8.03 mm/10a、12.15 mm/10a和0.10 mm/10a；而喇叭口期和成熟期降水量呈下降趨勢,速率分別為-2.93 mm/10a和-13.26 mm/10a。各生育期均未達到0.05顯著性水平,說明玉米生育期間降水量變化并不顯著。另外,根據Mann-Kendall突變檢驗法繪制UF、UB曲線,給定顯著性水平α=0.05(u0.05=±1.96),當曲線超過臨界值線時,表明上升或下降趨勢顯著,超過臨界線的范圍確定為突變的時間區域。若兩條曲線在臨界線之間出現交點,則該點對應的時間為突變開始時間[39]。圖2中UF、UB曲線的交錯情況發現其在臨界線內有多處交點,但只結合其年際間變化趨勢無法確定是否發生突變。

表1 玉米各生育期降水量變化率/(mm/a)Table 1 The rate of precipitation change in each growth period of maize

圖2 遼寧省玉米生育期降水量年際變化及其Mann-Kendall突變檢驗Fig.2 The interannual precipitation changes and Mann-Kendall mutation test in the growth period of maize in Liaoning ProvinceUF:M-K秩統計量正序列；UB:M-K秩統計量反序列

3.1.2玉米生育期氣溫變化趨勢

高溫也是引發干旱的主要原因之一。玉米作為喜溫植物,氣溫對其生長發育有關鍵作用[40]。平均氣溫的年際變化趨勢及其Mann-Kendall突變檢驗結果如圖3所示,近52年遼寧省玉米生育期平均氣溫為19.09℃,并且以0.25℃/10a的速率顯著上升(P<0.01)。2000年后UF曲線超過0.05顯著性水平臨界線,表明此增暖趨勢開始顯著。由UF和UB曲線的交點可知,1991年起增暖速率是突變上升的。利用小波分析法對1967—2018年遼寧省玉米生育期平均氣溫進行周期分析,結果如圖4所示。1967—2018年遼寧省平均氣溫在30—45年尺度上振蕩周期最為明顯,高低值變化交替出現。結合小波方差分析圖進一步分析可知,遼寧省玉米生育期平均氣溫在35年左右尺度下的小波方差極值最大,是主周期；其次在20年左右還存在一個峰值,峰值數值較小,為次周期,即遼寧省玉米生育期平均氣溫在35年左右會經歷由高到低的變化過程。

圖3 遼寧省玉米生育期平均氣溫年際變化及其Mann-Kendall突變檢驗Fig.3 The interannual variation of mean temperature during the growth period of maize and Mann-Kendall mutation test in Liaoning Province

圖4 1967—2018年遼寧省玉米生育期平均氣溫小波變化分析Fig.4 The wavelet change analysis of mean temperature during the growth period of maize in Liaoning Province from 1967 to 2018

3.2 玉米生育期SPEI時空分布特征

3.2.1不同區域玉米生育期SPEI時間變化特征

為能更加具體直觀地分析遼寧省玉米生育期干旱特征,以SPEI為指標對遼寧省進行分區研究,各區SPEI年際變化率見表2。具體來看,在播種-出苗期,全區SPEI基本呈上升趨勢,升幅表現為遼西>遼東>遼南>遼中>遼北,其中遼西和遼東在4月中旬均呈顯著上升趨勢(顯著水平分別為0.01和0.05),遼北在4月上旬呈顯著下降趨勢(P<0.01)；在出苗-拔節期,遼西、遼南、遼中和遼北基本呈上升趨勢,上升幅度表現為遼西>遼北>遼中>遼南,且遼西6月上旬呈顯著上升趨勢(P<0.05),而遼東SPEI則呈減小趨勢；在喇叭口期和抽雄期,全區SPEI均呈總體上升趨勢,上升幅度分別表現為遼北>遼南>遼西>遼中>遼東、遼西>遼中>遼南>遼東>遼北,遼東和遼西在8月中旬上升顯著；在成熟期,遼西、遼南和遼中SPEI呈上升趨勢,其中遼西上升幅度最大,遼中9月下旬顯著上升(P<0.05),遼東和遼北SPEI呈下降趨勢,遼北在9月中旬下降趨勢尤為顯著(P<0.01)。綜上,播種-出苗期、出苗-拔節期、抽雄期和成熟期SPEI上升趨勢均主要表現在遼西,喇叭口期則主要表現在遼北。

表2 遼寧省各地區SPEI年際變化率/10a Table 2 Annual change rate of SPEI in all regions of Liaoning Province

3.2.2玉米生育期SPEI空間分布特征

遼寧省玉米各生育期SPEI空間分布見圖5?？傮w來看,全生育期SPEI表現為西北向東南遞增趨勢,即東南向西北越來越干旱,其中SPEI最小值出現在朝陽站,為-1.30。具體來看,播種-出苗期SPEI表現為由西向東遞增,說明由東向西干旱程度加劇,最低值出現在興城站(-2.00)；出苗-拔節期和喇叭口期SPEI均表現為東北和西部高,南部和中部相對較低的分布特征,最低值分別為-1.95(彰武站)和-1.97(熊岳站)；抽雄期和成熟期SPEI表現為由南向北遞減,北部相對南部干旱嚴重,最低值均出現在彰武站,分別為-2.44和-1.87。從各生育期SPEI平均值來看,播種-出苗期<出苗-拔節期<喇叭口期<成熟期<抽雄期。綜上,遼寧省玉米不同生育期干旱情況總體表現為西北干旱程度最強,向東南逐漸減弱,其中,播種-出苗期干旱最強。

圖5 1967—2018年遼寧省玉米各生育期SPEI空間分布Fig.5 The spatial distribution of SPEI in various growth stages of maize in Liaoning Province from 1967 to 2018SPEI：標準降水蒸散指數Standard precipitation evapotranspiration index

3.3 玉米生育期干旱時空分布特征

3.3.1玉米生育期干旱站次比的時間變化

遼寧省玉米不同生育期干旱站次比和SPEI年際變化如圖6所示。結合表2可知,1967—2018年遼寧省玉米全生育期、播種-出苗期、出苗-拔節期和喇叭口期SPEI均呈上升趨勢,抽雄期和成熟期SPEI呈降低趨勢,變化均不顯著。綜上所述,玉米發生干旱強度表現為播種-出苗期>出苗-拔節期>成熟期>喇叭口期>抽雄期。在干旱站次比方面,經計算,1967—2018年全生育期平均干旱站次比為38.88%；播種-出苗期、出苗-拔節期、喇叭口期、抽雄期和成熟期分別為34.24%、34.55%、33.94%、32.96%和33.33%。全生育期干旱站次比呈微弱上升趨勢,幅度為0.41%/10a；其中,出苗-拔節期干旱站次比以0.48%/10a的速率減少,除此之外的播種-出苗期、喇叭口期、抽雄期和成熟期均呈增加趨勢,幅度分別為0.44%/10a、0.63%/10a、0.60%/10a和0.40%/10a。不同生育期干旱影響范圍等級統計情況如表3所示,整體來看,遼寧省玉米生長過程中無全域性干旱或無明顯干旱地區。其中,喇叭口期只發生過區域性和部分區域性干旱,其他時期均有區域性、部分區域性和局域性干旱發生。區域性干旱發生頻次最高的是播種-出苗期,部分區域性干旱發生頻次最高的是喇叭口期和抽雄期,局域性干旱發生頻次最高的是成熟期。綜上,遼寧省玉米全生育期發生干旱類型頻次區域性干旱>部分區域性干旱>局域性干旱>全域性干旱,出苗-拔節期為干旱站次比最高的時期。

圖6 遼寧省玉米各生育期干旱站次比和SPEI值年際變化Fig.6 The interannual changes of drought station ratio and SPEI values of maize in different growth periods in Liaoning Province

表3 玉米生育期干旱影響范圍等級/%Table 3 The influence range of drought in growth period of maize

3.3.2玉米生育期干旱頻率的空間分布

1967—2018年遼寧省玉米各生育期不同等級干旱頻率空間分布詳見圖7。由圖7可知,在干旱發生頻率方面,總體來看,遼寧省玉米全生育期干旱頻率整體上呈現出由西北向東南遞減的特征,干旱頻率最大值出現在阜新站。受特殊地理位置和氣候條件影響,阜新地區雨量較少且分布不均,加之風速較強,蒸發較快,導致干旱次數多、程度重,尤以春旱顯著,常常導致春播不能正常進行,農作物生長不利[41]。具體來看,干旱頻率在播種-出苗期表現為由遼西向遼東遞減趨勢；出苗-拔節期和成熟期表現為由西北向東南遞減；喇叭口期表現為遼南和遼北最高,其次為遼中,遼西和遼東低；抽雄期表現為北部向南部遞減。5個生育期干旱頻率最高值均達到100%,分別出現在葉柏壽站、彰武站、蓋州站、鐵嶺站和朝陽站。

圖7 遼寧省玉米各生育期不同等級干旱發生頻率空間分布Fig.7 The spatial distribution of drought frequency at different grades in different growth stages of maize in Liaoning Province

在干旱等級方面,除喇叭口期外,全生育期和其他四個生育期不同等級干旱頻率總體均表現為西北高東南低,且干旱程度為輕旱>中旱>重旱>特旱。播種-出苗期以輕旱為主,發生率為27.27%,有60.00%的站點輕旱頻率大于20%,其中大連站輕旱、綏中站中旱、朝陽站重旱和興城站特旱發生頻率最高,分別達到86.00%、94.00%、66.00%和50.00%；出苗-拔節期未發生輕旱、中旱、重旱和特旱的站點占比分別為69.70%、66.67%、81.82%和90.91%,發生頻率最大值分別出現在朝陽站(90.00%)、普蘭店站(80.00%)、臺安站(74.00%)和彰武站(34.00%)；喇叭口期分別有36.36%、24.24%、12.12%和6.06%的站點發生輕旱、中旱、重旱和特旱,其發生頻率最高值分別出現在莊河站(94.00%)、瓦房店站(88.00%)、大連站(74.00%)和熊岳站(48.00%)；抽雄期分別有30.30%、21.21%、12.12%和6.06%的站點發生輕旱、中旱、重旱和特旱,其發生頻率最高值分別出現在新民站、開原站、阜新站和彰武站,分別為90.00%、86.00%、84.00%和36.00%；成熟期的特旱發生頻率最高,達18.18%,超過重旱頻率15.15%,輕旱和中旱發生頻率分別為45.45%和24.24%,其中,臺安站發生輕旱頻率最高(90.00%),開原站發生中旱頻率最高(84.00%),阜新站發生重旱頻率最高(66%),彰武站發生特旱頻率最高(34.00%)。

3.4 玉米生育期氣候變化對干旱的影響

通過以上對遼寧省玉米生育期氣溫和降水量變化趨勢的分析發現,近52年降水量表現為減少趨勢,而平均氣溫顯著上升,這種氣候變化對于干旱的發生是十分有利的條件。為進一步厘清氣候和干旱之間的相關性,借助SPSS 17.0分別對不同生育期的降水量、平均氣溫和SPEI進行皮爾遜相關性檢驗[42](表4)。結合上文對玉米生育期氣候變化趨勢的分析結果可知,整個玉米生育階段降水量與SPEI呈顯著正相關關系(P<0.01),而平均氣溫則與SPEI呈負相關關系,且未達到顯著性水平,再次說明降水量越少、氣溫越高,干旱越嚴重,且降水量相比平均氣溫對干旱影響更為嚴重。具體來看,降水量和平均氣溫影響最大的時期均為成熟期、抽雄期和喇叭口期。這三個生育階段覆蓋了遼寧省夏季雨季最旺、溫度最高的時期,降水量的大小和氣溫的高低可直接影響干旱的發生[43]。相關部門應著重加強此三個階段降水量和氣溫狀況,做好玉米抗旱工作。

表4 玉米生育期氣候因素與SPEI相關系數Table 4 The correlation coefficient between climatic factors and SPEI in maize growth period

4 討論

通過對玉米生育期干旱時空分布特征的分析發現,遼寧省玉米不同生育期不同等級干旱頻率整體呈由西北向東南遞減的分布特征,其中播種-出苗期不同等級干旱頻率最高,且干旱頻發區主要在遼西地區。一方面,遼寧省雨季大多集中在6—9月,且4—5月為雨季轉換時期,干旱程度相對較強,播種-出苗期正處于這一時期；另一方面,受地理位置影響,遼寧西部為丘陵地區,屬于干旱氣候類型,極端高溫事件頻發,且降水量比較短缺,尤其西北部低山丘陵區是遼寧省濕度最低、干燥強度最大和旱災高風險地區[44],這也是阜新地區干旱頻率最高的原因。

玉米是典型的喜溫和高需水量作物,整個發育過程對氣溫及降水等氣候條件要求較高[45],干旱現象的發生必然對其生長發育產生影響。綜合全文研究發現,對于玉米不同生育期SPEI的空間分布特征分析結果與干旱頻率的空間分布特征結論一致,更加印證了遼寧省玉米不同生育期干旱特征總體表現為干旱程度由西北向東南遞減,且播種-出苗期為干旱最嚴重的時期。播種-出苗期為玉米生育初始階段,玉米在此期間需要吸收并儲存大量養分,適宜的溫度及降水有利于促進其體內的物質轉換與運移,有益于其生長發育,從而提高產量并提升甜度及顆粒飽滿度[46],因此玉米種植在此階段應注重抗旱工作,以防旱災造成玉米減產,另外,種植結構應根據干旱空間分布特征適當調整,優化作物布局,西北地區較東南地區干旱嚴重,更應加強抗旱減災措施,改進農業管理模式。未來應針對干旱對玉米產量的影響關系及其對氣候因素的響應進一步深入研究。

5 結論

(1)從氣候因素變化趨勢來看,近52年遼寧省玉米生育期降水量以13.31 mm/10a的速率減少,且與SPEI呈顯著正相關(P<0.01)；平均氣溫以0.25℃/10a的速率顯著上升(P<0.01),主周期在35年左右,與SPEI呈負相關關系。

(2)從SPEI來看,抽雄期和成熟期SPEI呈降低趨勢,其他3個時期均呈上升趨勢；全生育期SPEI在空間上表現為西北向東南遞增趨勢,各生育期SPEI平均值播種-出苗期<出苗-拔節期<喇叭口期<成熟期<抽雄期。

(3)從干旱站次比來看,全生育期干旱站次比以0.41%/10a的速率上升；出苗-拔節期干旱站次比呈減少趨勢,除此之外的4個時期均呈上升趨勢；全生育期發生干旱類型頻次區域性干旱>部分區域性干旱>局域性干旱>全域性干旱。

(4)從干旱發生頻率來看,全生育期干旱頻率整體呈現出由西北向東南遞減的特征,干旱發生頻率表現為輕旱>中旱>重旱>特旱；播種-出苗期不同等級干旱頻率最高。