李 琪，李瑩瑩，任景全，王連喜，郭春明，陳霞燕，胡正華

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，江蘇南京210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044；3.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林長春130062）

在以氣候變暖為主要特征的全球氣候變化的背景下，干旱災(zāi)害有進一步加重的趨勢［1］。東北地區(qū)是我國受氣候變化影響比較明顯的地區(qū)，與氣候變暖相伴發(fā)生的氣候變率的增大則明顯提高了干旱等災(zāi)害性天氣的發(fā)生頻率，使東北三省成為我國糧食單產(chǎn)波動最大的區(qū)域之一［2］。玉米生產(chǎn)的大幅度波動不僅會影響玉米生產(chǎn)的穩(wěn)定性，還會對社會經(jīng)濟平穩(wěn)發(fā)展產(chǎn)生不利的負效應(yīng)［3］。針對干旱問題，國內(nèi)外專家學(xué)者進行了相關(guān)研究［4－7］。環(huán)海軍等利用美國農(nóng)業(yè)土壤保持局推薦的方法計算有效降水量、水分盈虧系數(shù)和灌溉需水量，分不同生育期進行時空變化分析探討，結(jié)果表明，近年來，魯中地區(qū)夏玉米全生育期和各生育期需水量均隨時間變化呈減少趨勢，拔節(jié)—抽雄期是需水量最大的階段，隨時間變化減少幅度最大［8］。魏鳳英等定義了表征東北地區(qū)各站干旱強度的指數(shù)，并分析了干旱強度的周期變化特點和頻率分布特征，結(jié)果表明，東北地區(qū)干旱強度變化具有顯著的2～3年的周期變化特點且夏季發(fā)生干旱的頻率最高［9］。高蓓等利用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)分析了近52年東北地區(qū)年、季尺度的干旱演變特征，并發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代中期以后秋季干旱化態(tài)勢明顯增強［10］。

當(dāng)前，用于研究干旱的指標(biāo)較多，比如氣象干旱指標(biāo)、土壤濕度干旱指標(biāo)、作物干旱指標(biāo)等，其中氣象干旱指標(biāo)主要考慮降水量、降水百分數(shù)、降水距平百分率、氣溫、蒸發(fā)、無降水連續(xù)日數(shù)等要素來建立指標(biāo)［11］，該類指標(biāo)未考慮下墊面、作物等因素的影響，所以只能大致反映干旱趨勢，不能直接表示作物遭受干旱的程度［12］。土壤濕度作為干旱指標(biāo)是最直接、理想的方式，但獲取不間斷的土壤濕度資料存在一定困難。作物干旱指標(biāo)綜合考慮了水量平衡的各個因素，并與農(nóng)作物需水量相關(guān)聯(lián)，在我國旱作農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)用較廣［13］。目前研究應(yīng)用的以水分虧缺為主的作物干旱指標(biāo)等級劃分不夠統(tǒng)一，指標(biāo)應(yīng)用的本地化程度不夠，考慮作物生長發(fā)育期不夠精細，大多是基于旬尺度或者生育時段尺度的數(shù)據(jù)計算而來，缺少更為精細化的干旱分析。

針對上述問題，本研究將水分虧缺指數(shù)（crop water deficit index，簡稱CWDI）細化到日尺度，并將中國氣象局行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX／T 259—2015《北方春玉米干旱等級》［14］制定的作物水分虧缺指數(shù)作為吉林省春玉米干旱指標(biāo)，考慮到吉林省不同區(qū)域的氣候條件、地形、作物種植等環(huán)境因素，修訂作物水分虧缺指數(shù)計算中需要的春玉米作物系數(shù)，區(qū)分種植區(qū)域，在計算全生育期內(nèi)逐日水分虧缺指數(shù)的基礎(chǔ)上，將全生育期劃分為5個生育階段，更為精細地統(tǒng)計分析了春玉米不同生育時段的干旱特征，旨在為吉林省春玉米種植的防旱減災(zāi)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，從東南向西北由濕潤氣候過渡到半濕潤氣候再到半干旱氣候。西部、中部為平原地區(qū)，地勢平坦，更適宜春玉米的種植，是吉林省玉米的集中生產(chǎn)區(qū)域，素有“黃金玉米帶”之稱；東部雖然降水最豐沛，但基本以山區(qū)和丘陵區(qū)為主，春玉米的種植面積相對較小。吉林省中西部平原降水少，干旱頻繁發(fā)生，尤其是西部地區(qū)有“十年九春旱”之說［15］。

1.2 資料來源

本研究氣象資料為1961—2015年吉林省50個站點逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)等，數(shù)據(jù)來源于吉林省氣象局。春玉米生育期數(shù)據(jù)來源于1981—2010年農(nóng)業(yè)氣象觀測資料記錄。根據(jù)吉林省的地區(qū)特點、農(nóng)業(yè)氣候特征，以縣級為劃分單元將全省劃分為3個地區(qū)：西部地區(qū)、中部地區(qū)及東部地區(qū)［16］，春玉米種植區(qū)和研究站點分布見圖1。

1.3 作物水分虧缺指數(shù)計算方法

1.3.1 生育階段水分虧缺指數(shù)的計算 吉林省春玉米不同生育階段的水分虧缺指數(shù)計算公式如下［14］：

式中：KCWDI為春玉米某生育階段的水分虧缺指數(shù)；ICWDS，i為生育階段內(nèi)第i天的累計水分虧缺指數(shù)，計算方法見式（2）；n為某生育階段內(nèi)包含的總時間，d。

1.3.2 累計水分虧缺指數(shù)計算方法 考慮到水分虧缺的累計效應(yīng)及對后期作物生長發(fā)育的影響，從某生育階段開始的那天算起，向作物生長前期推50 d，以10 d為1個單位計算水分虧缺指數(shù)，則該生育階段某一天的水分虧缺指數(shù)按下式計算：

式中：ICWDS，i為生育階段內(nèi)第i天的累計水分虧缺指數(shù)，%；CWDIi為第i時間單位（過去的第1天至過去的第10天）的水分虧缺指數(shù)，其計算方式見式（3）；CWDIi－1為第 i－1時間單位（過去的第11天至過去的第20天）的水分虧缺指數(shù)；CWDIi－2為第i－2時間單位（過去的第21天至過去的第30天）的水分虧缺指數(shù)；CWDIi－3為第i－3時間單位（過去的第31天至過去的第40天）的水分虧缺指數(shù)；CWDIi－4為第i－4時間單位（過去的第41天至過去的第50天）的水分虧缺指數(shù)；a、b、c、d、e為權(quán)重系數(shù)，依據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r，其值分別取 0.30、0.25、0.20、0.15、0.10。

1.3.3 水分虧缺指數(shù)的計算 水分虧缺指數(shù)CWDIi計算公式如下：

式中：CWDIi為第i個時間單位的水分虧缺指數(shù)，%；Pi為第i個時間單位的累計降水量，mm；ETCi為第i個時間單位的累計需水量，mm。ETCi可以由下式計算得到：

式中：ETOi為第i個時間單位參考蒸散量，mm，只與氣象要素有關(guān)，反映不同地區(qū)不同階段大氣蒸發(fā)能力對植物需水量的影響，其計算方法采用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（food and agriculture organization，簡稱FAO）于1998年推薦的Penman－Monteith公式［8］；Kc，i為春玉米某生育階段系數(shù)，反映了作物蒸騰、土壤蒸發(fā)的綜合效應(yīng)，此外作物類型、氣候條件、土壤蒸發(fā)、作物生長狀況等多種因素對Kc，i都會有一定影響。吉林省春玉米生長階段的作物系數(shù)見表1［14］。

表1 吉林省春玉米作物系數(shù)KC，i

1.4 生育階段及干旱等級劃分

根據(jù)中國氣象局行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX／T 259—2015《北方春玉米干旱等級》，將吉林省春玉米生育期劃分為播種—出苗、出苗—拔節(jié)、拔節(jié)—抽雄、抽雄—乳熟、乳熟—成熟5個生育階段，依據(jù)不同生育期的不同水分虧缺指數(shù)指標(biāo)閾值，將北方春玉米干旱分為無旱、輕旱、中旱、重旱、特旱5個等級。水分虧缺指數(shù)干旱等級劃分見表2［14］。

1.5 春玉米干旱頻率的計算方法

根據(jù)作物水分虧缺指數(shù)確定的春玉米干旱等級，按照不同生育期計算干旱頻率，計算方法如下［17］：

式中：N為某時段干旱出現(xiàn)的年數(shù)；n為統(tǒng)計年數(shù)。

通過計算春玉米不同發(fā)育階段的作物水分虧缺指數(shù)，再按不同發(fā)育階段的作物水分虧缺指標(biāo)閾值所確定的干旱等級計算各級別干旱的發(fā)生頻率。

表2 水分虧缺指數(shù)干旱等級劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 典型干旱年水分虧缺指數(shù)、降水量和土壤濕度的變化

選取典型干旱年份1997年西部地區(qū)代表站點白城站、2004年中部地區(qū)代表站點榆樹站進行春玉米全生育期逐日水分虧缺指數(shù)、降水量及旬尺度的土壤相對濕度數(shù)據(jù)的比對驗證。由圖2可知，白城站、榆樹站的逐日累計水分虧缺指數(shù)（ICWDS，i，%）與 相 應(yīng) 的 降 水 量 （Pi，mm）、土 壤 相 對 濕 度（SM，%）均呈現(xiàn)相對應(yīng)關(guān)系，尤其是白城站在有降水時ICWDS，i呈迅速降低的趨勢，無降水時ICWDS，i呈緩慢上升的趨勢，說明水分虧缺指數(shù)能較好地反映干旱變化特征。

2.2 春玉米不同生育期干旱頻率空間分布

利用干旱頻率計算公式［式（5）］，分別計算50個氣象站點55年春玉米各生育階段的輕旱、中旱、重旱及特旱頻率之和，并進行反距離權(quán)重法空間插值，其分布見圖3。整體上看，干旱頻率由西向東呈逐漸降低趨勢。由圖3－Ⅰ可以看出，在播種—出苗期，西部地區(qū)干旱頻率最高，均在70.00%以上，其中重旱、特旱頻率之和在23.64%～52.73%，特別是白城、鎮(zhèn)賚，分別達50.91%、52.73%；中部地區(qū)干旱頻率在32.73%～72.73%，僅次于西部地區(qū)，其中農(nóng)安站重旱、特旱的頻率最高，為27.27%；春玉米種植面積較小的東部地區(qū)的干旱頻率為0～40.00%。在出苗—拔節(jié)期，西部地區(qū)干旱頻率為34.55%～81.82%，仍高于中部、東部地區(qū)，但重旱、特旱頻率均低于20.00%。由圖3－Ⅲ可以看出，在春玉米拔節(jié)—抽雄期，西部地區(qū)干旱頻率為58.18%～83.64%，其中洮南、通榆站的干旱頻率＞80.00%，大部分站點重旱、特旱頻率＞20%；中部地區(qū)干旱頻率為30.91% ～67.27%。在抽雄—乳熟期，吉林省西部的前郭、大安等一帶區(qū)域干旱頻率在70%以上，其中鎮(zhèn)賚重旱、特旱頻率之和最高，為36.36%，中部干旱頻率為18.18%～52.73%，東部干旱頻率為1.82%～36.36%，干旱發(fā)生較少。由圖3－Ⅴ可以看出，在乳熟—成熟期，西部地區(qū)干旱頻率為40.00%～69.09%；中部、東部大部分地區(qū)的干旱頻率＜30.00%。

2.3 春玉米不同生育期干旱等級特征空間分布

不同生育期干旱等級空間分布見圖4，可見整體上春玉米干旱等級由西向東呈降低趨勢。從分布區(qū)域看，吉林省西部大多數(shù)站點干旱等級均在輕旱以上，中部部分站點和東部均為無旱；從不同生育期看，在播種—出苗期干旱等級較高，輕旱及以上等級干旱出現(xiàn)的站點最多，在乳熟—成熟期出現(xiàn)輕旱及以上等級的站點最少。

春玉米在播種—出苗期干旱等級由西向東呈降低趨勢分布，西部地區(qū)各站點干旱等級基本達到了中旱及中旱以上，特別是白城、洮南和鎮(zhèn)賚站干旱等級為重旱，中部地區(qū)的雙遼達到中旱程度，其他站點以為輕旱為主（圖4－Ⅰ）。在出苗—拔節(jié)期和拔節(jié)—抽雄期干旱等級分布一致，僅西部、中部部分站點為輕旱（圖4－Ⅱ、圖4－Ⅲ）。西部地區(qū)的洮南和鎮(zhèn)賚站在抽雄—乳熟期的干旱等級為中旱，白城、通榆、大安、長嶺、前郭站及中部地區(qū)的雙遼站干旱等級為輕旱，其他站點無旱（圖4－Ⅳ）。在乳熟—成熟期，僅西部的白城、洮南、鎮(zhèn)賚、大安、乾安和通榆站點為輕旱（圖4－Ⅴ）。

2.4 各生育階段水分虧缺指數(shù)的逐年變化

由式（1），求得1961—2015年西部、中部和東部3個地區(qū)逐年各站點各生育階段水分虧缺指數(shù)（KCWDI）平均值，見圖5。

在播種—出苗期，西部地區(qū)KCWDI呈現(xiàn)降低趨勢，其中1975年最高，為93.67%，達到了特旱；其次是1965年，為91.64%；2000年以來，2004年干旱較重，達到了特旱（圖5－a）；中部地區(qū)KCWDI也呈降低趨勢變化，并在2001年達最高值，為82.40%，達到特旱，其次是1972年，為重旱（圖5－b）。在出苗—拔節(jié)期，西部、中部地區(qū)分別在1963—1965年、2001—2004年干旱較重（圖5－d、圖5－e）。在拔節(jié)—抽雄期，3個地區(qū)在1997年、2000—2004年水分虧缺指數(shù)較高，西部、中部地區(qū)呈下降趨勢，趨勢不明顯（圖5－g～圖5－i）。在抽雄—乳熟期，西部地區(qū)KCWDI呈上升趨勢，但趨勢不明顯，在2004年干旱較重，為66.56%，達到了特旱（圖5－j）；中部地區(qū)在1997、2000年干旱程度最重（圖5－k），正是東北地區(qū)夏旱比較嚴(yán)重的年份［18］。在乳熟—成熟期，西部地區(qū)在1975、1995、2007年干旱較重，達到了重旱；中部地區(qū)在1967年干旱最重，達到了中旱，各地區(qū)KCWDI均呈現(xiàn)上升趨勢，但趨勢不明顯（圖5－m～圖5－o）。

3 結(jié)論與討論

（1）本研究用水分虧缺指數(shù)分析近55年吉林省春玉米不同生育期的干旱特征，結(jié)果表明，吉林省西部、中部地區(qū)干旱頻率均呈現(xiàn)出播種—出苗期＞拔節(jié)—抽雄期＞出苗—拔節(jié)期＞抽雄—乳熟期＞乳熟—成熟期，東部地區(qū)為拔節(jié)—抽雄期干旱頻率最高，播種—出苗期、抽雄—乳熟期次之。

（2）吉林省春玉米不同生育期干旱等級在空間上表現(xiàn)為西部地區(qū)干旱最嚴(yán)重，中部地區(qū)次之，東部地區(qū)基本無旱。從生育期來看，播種—出苗期干旱等級最高，西部部分地區(qū)到達了重旱、特旱，抽雄—乳熟期的干旱等級次之。

（3）在播種—出苗期，中西部地區(qū)KCWDI呈降低趨勢，西部地區(qū)在1975年達到特旱，2000年以來，2004年達到了特旱，中部地區(qū)在2001年達到特旱；在出苗—拔節(jié)期和拔節(jié)—抽雄期，西部、中部地區(qū)在2001—2004年干旱較重；在抽雄—乳熟期，西部地區(qū)KCWDI呈上升趨勢，但趨勢不明顯，在2004年干旱較重，水分虧缺指數(shù)為66.56%，達到特旱程度，中部地區(qū)在1997、2000年的干旱程度最重；在乳熟—成熟期，西部地區(qū)在2007年達到了重旱程度，各地區(qū)KCWDI均呈現(xiàn)上升趨勢，但趨勢不明顯。

（4）本研究充分考慮到吉林省春玉米不同生育階段及種植區(qū)域氣候的差異，在逐日累計水分虧缺指數(shù)基礎(chǔ)上計算不同生育期的干旱等級和頻率，較旬尺度、生育期尺度水分虧缺指數(shù)更能說明干旱的發(fā)生情況，更貼合實際。西部地區(qū)春玉米在整個生育期干旱級別較高，中部地區(qū)次之，東部地區(qū)基本無旱，與董秋婷等的研究結(jié)果［19］基本一致。這與吉林省的氣候情況有關(guān)，由于西部地區(qū)遠離海洋而接近干燥的內(nèi)蒙古高原，氣候干燥少雨，而東部地區(qū)距黃海、日本海較近，氣候濕潤多雨［15］。本研究不同生育期的干旱頻率大小與前人研究東北地區(qū)的結(jié)果（干旱頻率排序為苗期＞灌漿成熟期＞拔節(jié)孕穗期＞抽雄開花期）［18］有所不同，這可能與生育期的劃分、水分虧缺指數(shù)的計算及干旱等級劃分有關(guān)。

（5）在吉林省較為干旱的地區(qū)，累計水分虧缺指數(shù)的逐日值能直觀地反映作物水分虧缺的變化情況，但是在連續(xù)降水或降水量較大的情況下，累計水分虧缺指數(shù)具有一定的滯后性，在今后研究中可進一步探討，并在業(yè)務(wù)應(yīng)用時加以注意。此外，由于不同區(qū)域的氣候不同，給水分虧缺指數(shù)的應(yīng)用帶來了不確定性，在今后的研究中還應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況劃分水分虧缺指數(shù)指標(biāo)閾值，在實際應(yīng)用中結(jié)合土壤相對濕度等其他干旱指標(biāo)，更能說明干旱發(fā)生的實際情況以及對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響。

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