淮北平原冬小麥干旱特征分析

方逸敏，朱永華*，呂海深,2，王振龍，潘 瑩，許海婷

（1.河海大學 水文水資源學院，南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098；3.安徽省（水利部淮委）水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室，合肥 230088）

0 引 言

【研究意義】淮北平原安徽地區（以下簡稱淮北平原）地處黃淮海平原南側，自然條件優越，是我國重要商品糧生產基地之一，冬小麥是其主要的糧食作物。干旱是冬小麥生育期間發生的主要氣象災害之一，其特點是發生頻率高、影響范圍大、持續時間長，對冬小麥生長發育和產量有很大影響[1-2]。因此，研究淮北平原冬小麥干旱特征及變化趨勢，對科學把握淮北平原冬小麥生長發育狀況以及確保冬小麥穩產高產具有重要意義。【研究進展】監測干旱的指標很多，其中常見的干旱指數有帕默爾干旱指數（PDSI）[3]、標準化降水蒸散指數（SPEI）[4]、歸一化植被指數（NDVI）[5]等。王連喜等[6]以作物水分虧缺指數（CWDI）為干旱指標，結合數理統計方法，分析河南省冬小麥干旱時空分布特征。李德等[7]采用平均值、點聚圖、有序樣本最優聚類等方法，建立了皖北砂姜黑土區冬小麥生育期尺度的降水量負距平百分率、麥田水分盈虧率干旱指標，經檢驗，這些指標均有80%以上的正確率，能較好地解釋皖北砂姜黑土區的干旱事件。康西言等[8]以冬小麥需水量替代SPEI指數中的蒸散量，對蒸散量的計算和時間尺度進行改進，分析了河北省1965—2014 年冬小麥干旱時空分布特征。賈建英等[9]基于冬小麥休閑期土壤貯水和生長期降水盈虧對作物水分虧缺指數進行改進，改進后的水分虧缺指數與冬小麥減產率高度相關。【切入點】一方面，這些研究大多基于作物水分虧缺或氣象條件建立干旱指標，或者僅考慮某地區發生干旱的頻率，鮮有將作物水分虧缺和發生干旱的頻率相結合的干旱指標。Cammalleri 等[10]將作物水分虧缺和干旱頻率同時納入考慮，認為只有發生罕見的土壤水分虧缺才能被認定為干旱，并建立了一種基于土壤含水率數據，結合土壤水分虧缺程度和頻率的干旱嚴重指數（Drought Severity Index，DSI）來量化干旱事件。另一方面，這些研究大多基于0～50 cm 土層土壤含水率展開研究[7,11]，未考慮冬小麥根區層不同土層深度土壤含水率對各生育階段生長發育的貢獻程度。本文通過冬小麥各生育階段根區不同土層深度土壤含水率與冬小麥產量的相關性分析，分別確定各生育階段對冬小麥生長發育起決定作用的關鍵土層，用關鍵土層的土壤含水率計算干旱嚴重指數DSI并評定干旱等級，分析1986—2018 年淮北平原冬小麥干旱特征及干旱趨勢。【擬解決的關鍵問題】利用1986—2018 年淮北平原砂姜黑土區的不同土層深度土壤含水率數據和冬小麥年產量數據，分析對冬小麥生長發育起決定作用的關鍵土層，并結合發生干旱的頻率，計算關鍵土層的干旱嚴重指數DSI，依據DSI指數計算結果評定干旱等級，統計淮北平原1986—2018 年的干旱頻率頻次，采用Mann-Kendall檢驗法（M-K檢驗法）、滑動T檢驗法分析干旱變化趨勢，并對比淮北平原氣溫突變年（1994 年）前后的干旱特征及趨勢，對淮北平原冬小麥的干旱特征和變化趨勢進行研究，以期更準確地監測和量化淮北平原地區的農業干旱事件，對淮北平原的農業干旱特征有更科學的把握。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

淮北平原位于安徽省北部，黃淮海平原南端，屬北亞熱帶和暖溫帶氣候，冬季干旱少雨，夏季炎熱多雨，54%的土地面積為砂姜黑土，冬小麥是其主要冬作物。五道溝水文水資源試驗站位于安徽省蚌埠市北部固鎮縣境內，年平均降水量為890 mm，60%以上的降水發生在6—9 月，降水量年內分布不均勻且年際變化大，土壤類型為砂姜黑土，且位于冬小麥產區，具有典型冬小麥物候期。綜上，五道溝試驗站在氣候、土壤類型、作物類型及物候期方面均在淮北平原具有一定代表性，故而選擇五道溝試驗站為淮北平原的代表性站點[12-14]。

1.2 數據來源

土壤含水率數據：1986—2018 年淮北平原砂姜黑土區土壤含水率數據來源于安徽省蚌埠市固鎮縣新馬橋鎮五道溝試驗站。土壤含水率采用土鉆每5 天取樣1 次（每月1、6、11、16、21、26、31 日），各土層質量含水率采用烘干法測定，結合該試驗站測定的干體積質量數據將各土層質量含水率換算成體積含水率。

冬小麥生長資料：依據淮北平原冬小麥的生長發育情況和五道溝試驗站試驗報告[15]，將冬小麥生育期劃分為6 個生育階段，依次為播種—出苗期（1010—1220）、出苗—返青期（1221—次年0210）、返青—拔節期（0211—0320）、拔節—抽穗期（0321—0420）、抽穗—灌漿期（0421—0515）、灌漿—成熟期（0516—0531）。以每年10 月10 日至次年5 月31 日為一個生育期，例如1986 年10 月10 日—1987年5 月31 日稱為1987 年生育期，其他年份同理。

1.3 研究方法

1.3.1 相關性分析

利用淮北平原冬小麥2006—2013、2016—2017年共10 個生育期的年產量數據和不同土層深度的土壤含水率數據，計算皮爾遜相關指數，進行相關性分析，確定對冬小麥各生育階段生長發育起決定作用的關鍵土層。

1.3.2 土壤水分虧缺指數

依據Van 等[16]1987 年提出的S 曲線計算土壤水分虧缺指數d：

式中：α為無量綱吸收減少函數，表示水分脅迫導致的根系吸水減少，吸收減少函數α與水分虧缺指數d本質上都是反映土壤水分虧缺，前者以土水勢來量化，后者以土壤含水率來量化，對于同一對象，二者在數量上相等；p為經驗形狀參數；h為土水勢；h50為蒸騰作用減半時的土水勢；依據淮北平原砂姜黑土的經驗數據[18]，h50=-1 500 cm，p=3；依據淮北平原砂姜黑土土壤水分特征曲線[19]得到，h=-3 299 cm；綜上，聯立式（1）、式（2），確定經驗指數n=5.866。

1.3.3 干旱頻率

與Cammalleri 等[10]計算干旱嚴重指數DSI過程類似：用beta 分布來統計土壤水分虧缺指數d；用土壤水分虧缺指數的標準化百分數F*(d)表示土壤水分與“通常”狀態的偏離程度，即干旱的罕見性；用Z指數干旱等級定義土壤水分虧缺指數的標準化百分數的等級；最后擬合標準化百分數F*(d)與干旱頻率P的關系，得出干旱頻率P的表達式，如表1 所示。本文用《氣象干旱等級》（GB/T20481—2017）[20]規定的Z指數干旱等級代替Cammalleri 等[10]使用的Z指數干旱等級。

表1 冬小麥各生育階段P 指數與F*(d)的函數Table 1 The function of P index and F*(d) at each growth stage of winter wheat

1.3.4 干旱嚴重指數DSI計算

土壤水分虧缺指數描述了缺水嚴重程度，但即使是相同的水分虧缺，在不同時期不同地區也會對作物產生不同影響，僅考慮水分虧缺嚴重程度而忽略水分虧缺在歷史序列中的異常性可能會錯誤識別干旱；干旱頻率可以反映干旱的罕見程度，對于年際變化小的地區，僅考慮干旱罕見程度則可能會將罕見但不妨礙作物正常生長的情況識別為干旱。Cammalleri 等[10]將作物水分虧缺和干旱頻率同時納入考慮，認為只有發生罕見的土壤水分虧缺才能被認定為干旱，并建立了一種基于水分虧缺程度和頻率的干旱嚴重指數（Drought severity index，DSI）來量化干旱事件，并給定干旱等級，如表2 所示：

表2 基于干旱嚴重指數（DSI）的干旱等級劃分Table 2 The classification of drought grade based on DSI

2 結果與分析

2.1 相關性分析

冬小麥播種—出苗期根系深度一般在0～30 cm之間，出苗—返青期根系深度生長至90 cm 左右，返青—拔節期根系生長至120 cm 左右，拔節期后根系逐漸發育完全，至150 cm 左右[18]。播種—出苗期以0～10 cm 耕作層和最大根系深度30 cm 為界線劃分土層，出苗期后以0～10 cm 耕作層、50 cm 常用土層深度和各生育階段最大根系深度為界線劃分土層，將原始土壤含水率數據按深度加權計算得到所劃分土層的平均土壤含水率。計算冬小麥各生育階段不同深度土層土壤含水率與冬小麥產量之間的皮爾遜相關系數，在各個生育階段分別選擇相關性最高的土層作為冬小麥生長發育的關鍵土層，計算結果如表3 所示。由表3 可知，冬小麥各生育階段生長發育的關鍵土層分別為：播種—出苗期10～30 cm、出苗—返青期0～50 cm、返青—拔節期50～120 cm、拔節—抽穗期0～150 cm、抽穗—灌漿期50～150 cm、灌漿—成熟期0～10 cm。

表3 不同深度土層土壤含水率與冬小麥產量的相關系數Table 3 The correlation coefficient between soil moisture content and winter wheat yield

2.2 干旱頻率及頻次

1986—2018 年淮北平原冬小麥生育期尺度下干旱頻率統計見表4。由表4 可知，淮北平原冬小麥生育期尺度下干旱總頻率達42.64%，以輕旱和中旱為主，各等級干旱頻率輕旱（20.3%）＞中旱（17.77%）＞特旱（2.54%）＞重旱（2.03%）。輕旱和中旱頻率在20 世紀90 年代后大幅度上升，重旱和特旱出現頻率較低。1991—2000 年干旱頻率達到最高，干旱總頻率為14.21%。

表4 1986—2018 年淮北平原冬小麥生育期尺度下干旱頻率Table 4 Drought frequency in Huaibei Plain from 1986 to 2018 %

1986—2018 年淮北平原冬小麥生育期尺度下干旱頻次統計見表5。由表5 可知，淮北平原冬小麥1986—2018 年（共197 個生育階段）干旱頻次播種—出苗期（21 次）＞灌漿—成熟期（18 次）＞返青—拔節期和抽穗—灌漿期（14 次）＞出苗—返青期（9次）＞拔節—抽穗期（8 次）。其中，播種—出苗期以輕旱和中旱為主，僅發生1 次重旱；出苗—灌漿期只發生輕旱和中旱；灌漿—成熟期出現3 次重旱和5 次特旱，干旱較為嚴重。

表5 1986—2018 年淮北平原冬小麥生育期尺度下干旱頻次 次Table 5 Drought incidence in Huaibei Plain from 1986 to 2018

2.3 M-K 趨勢檢驗及突變檢驗

1986—2018 年淮北平原冬小麥各生育階段DSI指數M-K 趨勢檢驗及突變檢驗如圖1 所示。

圖1 1986—2018 年淮北平原冬小麥各生育階段DSI 指數M-K 統計量曲線Fig.1 M-K catastrophe analysis of each growth stages of winter wheat in the Huaibei Plain from 1986 to 2018

1）趨勢性分析。播種—出苗期統計變量Z=-1.72<-1.64，通過了0.05 顯著性檢驗，表明播種—出苗期干旱呈顯著下降趨勢。出苗—返青期統計變量Z=-0.39＞-1.64，未通過0.05 顯著性檢驗，表明出苗—返青期干旱無顯著下降趨勢，UF曲線在2007—2012年超出了置信區間下限，表明這段時間干旱呈顯著下降趨勢。返青—拔節期、拔節—抽穗期、抽穗—灌漿期、灌漿—成熟期統計變量Z分別為0.54、0.65、0.03、-0.56，均未通過0.05 顯著性檢驗，表明返青—拔節期、拔節—抽穗期、抽穗—灌漿期干旱無顯著上升趨勢，灌漿—成熟期干旱無顯著下降趨勢。

2）突變性分析。冬小麥各生育階段的M-K 突變檢驗結果見圖1，由圖中UF曲線和UB曲線交點的位置確定干旱可能突變年，以可能突變年為基準點，選取基準點前后時間長度相等的2 個子序列進行滑動T檢驗，各生育階段的檢驗結果均未通過0.05 顯著性水平，說明1986—2018 年冬小麥全生育期內無干旱突變年。

2.4 氣候突變前后干旱對比

氣候變暖是影響農業干旱災害最直接的要素，尤其以氣溫變化最為關鍵[21]。王振龍等[22]分析了淮北平原 1964—2009 年氣象資料，得出年平均氣溫以0.14 ℃/10 a 的速率呈上升趨勢的結論。劉勇等[23]分析了五道溝水文試驗站1986—2018 年氣象觀測資料，得出淮北平原1986—2018 年氣溫和年降水量均呈上升趨勢，且1994 年為氣溫突變年的結論。本文基于以上研究，對比氣溫突變年1994 年前后淮北平原冬小麥干旱事件的變化特征及趨勢。

1）突變前后干旱嚴重指數DSI變化特征分析。以氣溫突變年（1994 年）為界，統計突變前（1986—1993 年）、后（1994—2018 年）干旱嚴重指數DSI的平均值、最大值、線性傾向率，分析突變前后干旱嚴重指數DSI的變化特征，結果見表6。由表6 可知，1986—2018 年淮北平原干旱嚴重指數均值在冬小麥播種—返青期突變后小于突變前，返青—成熟期突變后大于突變前，其中播種—出苗期由突變前0.285 下降到突變后0.145，由中旱變為輕旱。各生育階段DSI線性傾向率突變前到突變后除返青—拔節期呈上升趨勢外，其他生育階段突變前后均呈下降趨勢或由上升變為下降。除出苗—返青期外，其他生育階段突變后的DSI最大值均大于突變前，這說明極端干旱有加劇趨勢。

表6 氣溫突變年前后干旱嚴重指數（DSI）變化特征Table 6 The comparison of DSI between before and after abrupt temperature change

2）突變前后干旱頻率變化特征分析。以氣溫突變年（1994 年）為界，統計突變前后的干旱頻率，分析突變前后干旱頻率的變化特征，結果見表7。由表7 可知，1986—2018 年淮北平原冬小麥各生育階段、各等級干旱的干旱頻率均呈現出突變后大于突變前的規律，這表明干旱愈加頻繁。突變前重旱、特旱僅在灌漿—成熟期以較低頻率發生，其他生育階段均未發生，突變后播種—出苗期出現重旱，灌漿—成熟期重旱、特旱頻率均有所增加，表明突變后極端干旱現象增多。

表7 氣溫突變年前后干旱頻率對比Table 7 The comparison of drought frequency between before and after abrupt temperature change %

3 討 論

土壤深度0～50 cm 是各種作物根系的主要分布區[24-25]，很多作物土壤水分的研究僅針對0～50 cm 展開[7,11]，實際上，作物根區土壤水分是隨著根系生長動態變化的[26]，本研究表明，在冬小麥各生育階段水分對生長發育起關鍵作用的土層依次為：播種—出苗期10～30 cm、出苗—返青期0～50 cm、返青—拔節期50～120 cm、拔節—抽穗期0～150 cm、抽穗—灌漿期50～150 cm、灌漿—成熟期0～10 cm。其中，播種—出苗期、出苗—返青期、拔節—抽穗期、抽穗—灌漿期的關鍵土層與張從志等[27]的結論一致，返青—拔節期、灌漿—成熟期的結論有所出入，可能是因為冬小麥品種及土壤類型不同，加之5 月下半月淮北平原干熱風的影響，導致結論并不完全一致。淮北平原干熱風在5 月中下旬出現，在5 月第四、第五候對冬小麥灌漿速度影響最大[28]，削弱了土壤水分對冬小麥產量的影響，且干熱風加劇蒸發，表層土壤水分大幅下降，進一步導致冬小麥減產，使得抽穗—灌漿期、灌漿—成熟期各土層土壤水分與冬小麥產量的相關系數較低，且灌漿—成熟期的關鍵土層為表土層0～10 cm。

1986—2018 年淮北平原冬小麥生育期尺度下干旱頻率在1991—2000 年達到最高，查閱資料（《中國氣象災害大典》《安徽統計年鑒》）得知1991、1994、1995、1999 年為典型干旱年，降水量較少。典型干旱年增多與20 世紀90 年代干旱頻率增大相吻合。重旱多在灌漿—成熟期發生，特旱僅在灌漿—成熟期發生，可見冬小麥灌漿—成熟期缺水最為嚴重，這與許瑩等[29]的研究結果一致，可能是受淮北平原5月下半月干熱風影響[28]，未來應注意冬小麥灌漿—成熟期的生長發育情況，及時補充土壤水分并注意干熱風防御，以防出現嚴重旱災。

在干旱事件發生過程中，普遍認為降水和氣溫是導致發生干旱的最主要因素[30]。劉勇等[23]認為1986—2018 年淮河流域氣溫升高顯著，陳柏麗等[31]認為淮北平原1955—2015 年的年降水量整體呈現不顯著的上升趨勢。氣溫上升對干旱的加劇作用可能被降水量增加對干旱的減弱作用抵消一部分，再加之其他氣象因素的綜合作用，可能造成了淮北平原1986—2018年冬小麥全生育期內無干旱突變年的現象。

氣溫突變年后，冬小麥播種—出苗期出現重旱，在此之前冬小麥苗期以輕旱和中旱為主，未來應注意冬小麥苗期的生長發育情況，及時補充土壤水分，保證冬小麥出苗。氣候變暖背景下，干旱愈加頻繁且極端干旱加劇，這與韓蘭英等[32]、張強等[33]的研究結果一致。隨著中國經濟的發展，抗旱減災能力有所增加，但抵御重大旱災的能力仍然不足[34-35]，面臨極端干旱加劇的趨勢，未來應加強防御重大旱災，避免重大旱災帶來的社會經濟損失。

本文依據相關系數判定關鍵土層，而目前關于不同深度水源對作物貢獻的研究，多是借助田間試驗和穩定性氫氧同位素技術來實現，今后可結合淮北平原田間試驗的研究成果，更為嚴謹地判定冬小麥生長發育的關鍵土層。此外，本文選擇冬小麥為主要糧食作物，選擇蚌埠市五道溝試驗站為站點，來研究淮北平原農業干旱的特征及演變規律，而淮北平原還有其他代表性糧食作物和代表性站點，在后續研究中，可適當開展多站點、多作物品種的研究，以期對淮北平原農業干旱的特征及時空演變規律有更深的認識。

4 結 論

1）冬小麥各生育階段對產量起關鍵作用的根系深度分別為：播種—出苗期10～30 cm、出苗—返青期0～50 cm、返青—拔節期50～120 cm、拔節—抽穗期0～150 cm、抽穗—灌漿期50～150 cm、灌漿—成熟期0～10 cm。

2）1986—2018 年淮北平原冬小麥播種—出苗期以輕旱和中旱為主，僅發生1 次重旱；出苗—灌漿期只發生輕旱和中旱；灌漿—成熟期發生3 次重旱和5 次特旱，未來應加強灌漿—成熟期灌溉，及時補充土壤水分以防出現嚴重旱災。

3）1986—2018 年淮北平原冬小麥播種—出苗期干旱呈顯著下降趨勢，出苗—返青期干旱在2007—2012年呈顯著下降趨勢，其他生育階段干旱無顯著變化趨勢，且冬小麥全生育期內無干旱突變年。

4）氣溫突變年（1994 年）后干旱愈加頻繁，且極端干旱有加劇趨勢。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）