遼寧省農作物生長季降水量的變化及其滿足度與干旱風險度

謝華光

(遼寧省朝陽市氣象局，遼寧 朝陽 122000)

0 引言

【研究意義】全球性氣候變暖引起的氣象災害問題已受到廣泛關注[1-2]，可利用水資源的逐漸減少，荒漠化將導致植被逐漸消亡，干旱繼續加重將導致糧食減產或絕收，影響人類生存[3-5]。中國每年約有40%的面積受氣象災害侵擾，糧食減產近120億kg，其中干旱受災面積2 200萬km2左右[6]。遼寧省位于東北地區的西南部，除沿海之外以種植業為主，是東北地區干旱災害較為嚴重的區域。因此，研究降水資源變化，了解并掌握其降水資源變化和干旱災害發生規律，對適應氣候變化進程、及時調整農業產業結構、提高抗風險能力和確保糧食生產安全具有重要意義。【前人研究的進展】魏鳳英等[7]研究表明，東北地區夏季干旱頻發的原因主要是源于環流背景變化的結果。張淑杰等[8]報道，東北地區玉米生育期的干旱頻率呈增加趨勢。謝安等[9]研究認為，東北區干旱化趨勢與全球氣候變暖有關，全球平均氣溫每上升1℃，中國東北區的干旱化程度增加5%～20%；最大可達22%。張淑杰等[10]研究遼寧省旱災分布特征及其形成的主要原因認為，降水量季節分布特征是發生干旱的主要原因。可見，干旱災害具有明顯的區域性和季節性特征[11-12]，而農作物生長季節干旱災害所造成的損失最大。【研究的切入點】目前，未見關于遼寧省農作物生長季降水量的變化及其滿足度與干旱風險度的研究報道。選用干濕指數作為干旱指標，研究1951-2020年遼寧省農作物生長季(4-9月)干旱頻率和變化趨勢，定量分析農作物生長季降水滿足程度及干旱等級。【擬解決的關鍵問題】探明遼寧省農作物生長季降水量的變化及其滿足度與干旱風險度，以期為遼寧省農業產業結構調整、規避干旱風險和農業生產管理提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

遼寧省位于中高緯度的東北地區南部(118°53'～125°46' E，38°43'～43°26' N)，東亞大陸東岸，南瀕黃海與渤海，屬溫帶濕潤和半干旱的季風氣候區[13]。由于受地理位置影響，參照文獻[14]的方法將遼寧省分為遼東、遼中和遼西3個氣候區，遼東：長白山脈以東的丹東、撫順和本溪形成的遼東半島濕潤氣候區，遼中：遼河平原為主的鐵嶺、沈陽、鞍山、遼陽、錦州、葫蘆島、盤錦、營口和大連形成的半濕潤氣候區，遼西：阜新和朝陽地區受內蒙古高原氣候的影響形成的丘陵半干旱氣候區。

1.2 數據來源

參照文獻[13-14]的氣候分區結果，在各氣候區選取具有代表性的國家級氣象基準站(丹東、沈陽、朝陽)1951-2020年近70年農作物生長季(5-9月)的降水和氣溫資料，由遼寧氣象信息服務中心提供。

1.3 方法

1.3.1 干旱指標 選用干濕指數(K)[15-16]作為農作物生長季節干旱評估指標，計算公式：

K=R/0.16∑Ti

式中，K為干濕指數(無量綱)，R為5-9月各月降水量，∑Ti為同期≥10℃積溫；干濕指數(K)的干濕等級劃分標準及干旱風險等級見表1。

表1 干濕指數(K)及干旱風險度(F)氣象干旱等級的劃分標準

1.3.2 降水滿足度 積分濕潤指數(I)是農業作物生長季實際耗水量與大氣降水量之間的函數關系。積分濕潤指數方法評價降水滿足度適用于季節性降水的北方地區[16]，可采用此方法評價大氣降水對農作物生長季需水的滿足程度。

I=100∑(Kiti)/∑ti

式中，I為積分濕潤指數，即大氣降水對農作物生長季需水的滿足程度(%)；Ki是干濕指數，ti為月平均氣溫；∑ti為月平均氣溫之和。

1.3.3 干旱風險度 分析每年農作物生長季的干旱風險程度，參照文獻[17]的方法引入干旱風險度概念，并進行歸納和調整。計算公式：

Fj=max(F5ji；F6ji；F7ji；F8ji；F9ji)

式中，Fji=(0.9-Kji)×100，K<0.9，Fj為某地區作物生長季最大干旱風險度(%)，Fji代表某地區某月的干旱風險度，F5ji、F6ji、F7ji、F8ji、F9ji分別代表5-9月各月干旱風險度；0.9為干濕閾值，當K≥0.9時取值均為0.9。

1.3.4 降水量(R)、積分濕潤指數(I)和干濕指數(K)的變化趨勢及氣候突變檢驗 參照文獻[18]的方法，采用一元線性回歸和非參數檢驗方法(Mann-Kendall,M-K)分析不同區域、農作物不同生長時期R、I和K隨時間的變化趨勢及氣候突變狀況。非參數檢驗設定顯著水平為0.05，臨界值為±1.96，若UF曲線與UB曲線出現交點，且交點在臨界值之間，則序列數據隨時間變化趨勢明顯，交點對應的時間即為氣候的突變點。

2 結果與分析

2.1 農作物生長季降水量的變化

從圖1看出，遼寧省降水分布呈東南多西北少的特點，在農作物生長季節(5-9月，下同)，遼東年平均降水量為797.90 mm，遼中為560.90 mm，遼西為409.40 mm。遼寧省農作物生長季歷年降水量呈減少趨勢，經一元線性回歸分析，1951-2020年遼東、遼中和遼西降水量分別線性減少175.90 mm、149.80 mm和61.10 mm，分別占農作物生長季降水量的22.10%、26.70%和14.90%。經Mann-Kendall檢驗，1951-2020年遼寧省農作物生長季降水序列的原序列(UF)與反序列(UB)在0.05顯著水平內相交于1979/1980年，發生由高至低突變，突變后(1980-2020年)較突變前(1951-1979年)降水量平均減少約60.00 mm，其中，遼東、遼中和遼西分別減少82.00 mm、59.00 mm和38.00 mm。

圖1 1951-2020年遼寧省農作物生長季降水量的年變化及M-K突變檢驗

2.2 農作物生長季的降水滿足度

從圖2可知，隨著農作物生長季降水量的減少，降水對農作物的滿足程度(I)呈顯著下降趨勢。經一元線性回歸分析，遼東降水滿足度傾向率為-5.64%/10a(r=-0.278，P>0.01)，近70年里，下降39.50%；遼中降水滿足度傾向率為-5.52%/10a(r=-0.518，P>0.01)，近70年里，下降38.60%；遼西降水滿足度傾向率為-2.52%/10a(r=-0.227，P>0.05)，近70年里，下降17.60%。經Mann-Kendall檢驗，1951-2020年遼寧省農作物生長季降水滿足度序列的原序列(UF)與反序列(UB)在0.05顯著水平相交于1979/1980年，發生由高至低突變，突變后(1980-2020年)較突變前(1951-1979年)降水滿足度平均下降約15.60%，其中遼東、遼中和遼西分別下降18.60%、17.10%和11.00%。

圖2 1951-2020年遼寧省農作物生長季降水滿足度的年際變化及M-K突變檢驗

2.3 農作物生長季干濕指數的年際變化

從圖3看出，1951-2020年遼寧省農作物生長季干濕指數(K)呈顯著減小趨勢。經一元線性回歸分析，遼東干濕指數傾向率為-0.052/10a(r=-0.298，P>0.01)，近70年里，下降0.36；遼中部干濕指數傾向率為-5.520/10a(r=-0.335，P>0.01)，近70年里，下降0.32；遼西干濕指數傾向率為-2.515/10a(r=-0.227，P>0.05)，近70年里，下降0.21。經Mann-Kendall檢驗，遼寧省1951-2020年農作物生長季干濕指數序列的原序列(UF)與反序列(UB)在0.05顯著水平相交于1979/1980年，發生由高至低突變，平均減小約0.14，突變后遼東、遼中和遼西分別減小0.18、0.13和0.10，干旱程度升高約1個等級。

圖3 1951-2020年遼寧省農作物生長季干濕指數的年際變化及M-K突變檢驗

M-K mutation test

2.4 農作物生長季的干旱風險度

從表2可知，1951-2020年遼東、遼中和遼西農作物生長季干旱風險程度的變化。遼東：農作物生長季最大干旱風險度的年際變化為2.00%～87.00%，平均47.90%，呈上升趨勢，傾向率為1.23%/10a，近70年增加8.6百分點。經Mann-Kendall檢驗，1979/1980年為突變點，突變后干旱風險度平均升高7.20百分點。從各月干旱風險度變化看，遼東地區干旱主要發生在5月、6月和9月，干旱風險度均在20%以下，其中5月干旱風險度減小3.20百分點，6月增加3.40百分點，9月增加3.8百分點。遼中：農作物生長季最大干旱風險度年際變化為5.6%～89.9%，平均51.80%，呈顯著上升趨勢，傾向率為2.31%/10a，近70年增加16.2百分點。經Mann-Kendall檢驗，以1979/1980年為突變點，突變后干旱風險度平均升高8.40百分點。從各月干旱風險度變化看，以5月、6月和9月干旱最嚴重，各月干旱風險度為7.90%～28.40%，5月干旱風險度線性增加2.00百分點，8月和9月則顯著增加2.60百分點和3.90百分點。遼西：農作物生長季最大干旱風險度年際變化為28.20%～90.00%，平均63.10%，呈顯著上升趨勢，傾向率為1.55%/10a，近70年增加10.20百分點。經Mann-Kendall檢驗，以1979/1980年為突變點，突變后干旱風險度平均升高4.90百分點。從各月干旱風險度變化看，各月干旱出現概率均較多，且干旱非常嚴重，各月干旱風險度為14.60%～47.20%，5月和9月發生概率在90%以上，6月為10年6旱，7月為10年4旱，8月為10年5旱； 7月和9月干旱風險度顯著升高，分別增加2.80百分點和4.60百分點；輕旱-重旱平均出現3.7次/a，每年平均發生干旱的概率為61.7%；中旱-重旱平均出現2.70次/a，概率為45.00%；重旱以上出現1.40次/a，概率為23.30%。

表2 1951-2020年遼寧省農作物生長季的干旱風險度變化

3 討論

遼寧地區氣溫升高，升高的幅度接近全國平均水平[1,19]。研究結果表明，1951-2020年遼寧省農作物生長季降水量呈顯著減少趨勢，1979/1980年發生減少突變，突變后遼東、遼中和遼西農作物生長季降水量分別減少82.0 mm、59.0 mm和38.0 mm，與劉曉靜等[20-23]的研究結果一致；農作物生長季降水量滿足程度呈下降趨勢，1979/1980年發生下降突變，平均下降15.6%，突變后遼東、遼中和遼西分別下降18.6%、17.1%和11.0%；農作物生長季干濕指數呈顯著遞減趨勢，1979/1980年發生減小突變，平均減少約0.14，突變后遼東、遼中和遼西分別減少0.18、0.13和0.10；農作物生長季干旱風險度呈顯著上升趨勢，1980年后，遼東干旱風險度升高7.2百分點，其中6月增加3.4百分點，9月增加3.8百分點；遼寧中部干旱風險度升高8.4百分點，其中5月增加2.0百分點，8月和9月增加2.6百分點和3.9百分點；遼中干旱風險度升高4.9百分點，遼西是干旱非常嚴重的地區，5月和9月發生概率為90%以上，6月為10年6旱，7月為10年4旱，8月為10年5旱，1980后7月和9月干旱風險度顯著升高，分別增加2.8百分點和4.6百分點；與王濤等[14]的研究結果一致。大氣降水對農作物生長尤為重要，在氣溫升高、降水減少的氣候條件下，暖干旱化趨勢明顯[24-25]。研究所采用的干濕指數、積分濕潤指數(降水的農作物滿足度)、干旱風險度方法是在劉振宏等[17,26]研究基礎上總結制定的干旱分級標準，并從方法上做了新的拓展。客觀真實地反應了遼寧省東、中、西部干旱的發生頻率和強度，干旱分析結果與歷史記載干旱發生狀況基本一致，其中5月是農作物苗期，9月是成熟期，為干旱最嚴重時期，遼寧7-8月多雨季節與農作物旺盛生長期相重合，干旱頻率和強度低于其他時期。遼寧干旱化日趨嚴重，農業結構調整勢在必行。干旱風險度是對不同時段出現干旱以及干旱程度的考量，其方法還需進一步深入研究，以更加準確地明確干旱的變化特征。研究結果為了解遼寧地區大氣降水的變化狀態，掌握干旱變化特征，認知干旱的嚴重程度，規避干旱風險的農業管理奠定基礎，為“三農”及糧食生產安全以及農業結構調整和防旱減災提供參考。

4 結論

1951-2020年遼寧省農作物生長季降水量呈顯著減少趨勢，1979/1980年發生減少突變，平均減少約60.00 mm；農作物生長季降水量滿足程度呈下降趨勢，1979/1980年發生下降突變，平均下降15.6%；農作物生長季干濕指數呈顯著遞減趨勢，1979/1980年發生減小突變，平均減小0.14；農作物生長季干旱風險度呈顯著上升趨勢。