王 芳，王春乙**，鄔定榮，姚樹然，白月明，張繼權

（1.中國氣象科學研究院，北京 100081；2.河北省氣象科學研究所，石家莊 050021；3.東北師范大學環(huán)境學院/自然災害研究所，長春 130117）

45°N附近區(qū)域因光溫水資源豐富、土壤肥沃，成為玉米的最佳生長區(qū)，中國和美國在此范圍內形成了兩個世界著名的“黃金玉米帶”。然而氣候變化背景下，極端天氣事件頻發(fā)，中美玉米種植均受到了頻發(fā)災害的影響，其中干旱災害影響較大[1-3]。如2012年全美大旱，大平原地區(qū)玉米遭受巨大影響[4-7]。中國東北玉米帶在2000、2007年亦受干旱影響而明顯減產[1]。研究表明，未來氣候變化情景下，玉米帶地區(qū)干旱化趨勢仍然存在，旱災頻率將繼續(xù)增加[8-9]，這將使兩地玉米產量產生巨大波動，嚴重威脅中美兩國乃至世界糧食安全[4,10]。如何在農業(yè)生產中進一步提升應對極端氣候變化的能力，已成為玉米帶國家急需解決的問題。

兩國政府早已開展了針對此問題的研究工作，尤其是美國。作為全球農業(yè)最為發(fā)達的國家，美國通過長期研究建立起的完備的干旱管理體系已成為其它國家借鑒的范例[11]。國內學者通過分析中美干旱管理工作的差異，認為中國當前應借鑒美國先進的干旱風險管理模式，轉變固有的應急抗旱模式，以提升抗旱減災能力[12]。已有部分地區(qū)在干旱災前監(jiān)測、抗旱措施改進、干旱風險區(qū)劃以及農業(yè)旱災保險等方面進行了初步嘗試，并在大田實踐中引進美國玉米生產技術[13-14]。但需要注意的是，盡管中美玉米所處的緯度帶近似，但因降水、氣溫及環(huán)流系統(tǒng)[15-18]等的不同，兩地的干旱特征可能并不相同。因此，借鑒美國先進抗旱減災經驗的前提是了解兩地玉米生長季干旱的特征及其差異。

國內外研究人員利用多個干旱指數(shù)分別對兩個玉米帶的干旱特征進行了分析[19-20]。在中國，使用了干燥度、帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）以及水分盈虧指數(shù)等指標對玉米生長季干旱進行評價[17,21-22]。在美國，研究人員采用降水虧缺、標準化降水指數(shù)（SPI）、標準化降水蒸散指數(shù)（SPEI）等干旱指數(shù)進行玉米帶干旱特征分析[23-24]。但由于研究時段、采用數(shù)據(jù)和研究方法的不同，無法對研究結果進行比較。而對兩地干旱特征直接對比的研究，目前仍較少見。因此，兩地玉米生長季內干旱發(fā)生規(guī)律及分布特征究竟有何異同，這些異同對國內參考美國抗旱經驗有何意義，這些問題都尚未得到良好的解答。經過對多種干旱指數(shù)綜合比較[25-28]，本文擬選擇SPEI對中美玉米帶生長季氣象干旱特征進行比較，并分析差異的成因，以期為兩地干旱災害風險對比研究提供基礎，并為中國東北地區(qū)借鑒美國玉米帶先進抗旱減災經驗提供科學支撐。

1 資料與方法

1.1 資料與處理

1.1.1 資料來源及預處理

中國玉米帶的氣象資料為東北地區(qū)（黑龍江省、吉林省、遼寧省及內蒙古東部地區(qū)）的 216個氣象站 1986?2015年的月值氣象數(shù)據(jù)，氣象要素包括降水、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)和風速，氣象資料來自國家氣象信息中心。其中，為計算 SPEI，風速需要轉化為2m風速值，并利用FAO-56[29]推薦的方法將日照時數(shù)轉換為太陽總輻射。此外，還收集了東北地區(qū) 2001?2015年地市級玉米總產及種植資料（包括玉米播種面積及耕地面積），資料來源于東北地區(qū)各省市及相關經濟統(tǒng)計年鑒等。

美國玉米帶研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)為內布拉斯加州等13個玉米主產州的72個氣象站1986?2015年的月值氣象數(shù)據(jù)，包括降水、最高氣溫、最低氣溫和風速，來自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的全球氣象數(shù)據(jù)月值統(tǒng)計集（GSOM）。此外，利用逐日地面天氣與氣象資料集（Daymet）對 GSOM 中的太陽輻射數(shù)據(jù)進行補充，補充數(shù)據(jù)來自美國國家航空和宇宙航行局（NASA）橡樹嶺國家實驗室（ORNL）分布活動檔案中心（DAAC）。此外，還收集了13個玉米主產州2001?2015年玉米郡級產量數(shù)據(jù)，來源于美國農業(yè)部（USDA）國家農業(yè)統(tǒng)計服務系統(tǒng)（NASS）。

1.1.2 研究區(qū)范圍的確定及氣象站點的提取

對“黃金玉米帶”具體范圍的界定目前尚無統(tǒng)一標準，在界定中美玉米帶研究區(qū)范圍時，參照USDA首席經濟學家辦公室（COE）世界農業(yè)展望委員會（WAOB）對美國玉米帶的定義，即將占區(qū)域玉米總產約 75%的范圍定為玉米主產區(qū)。在確定中國東北玉米帶時，選用東北地區(qū) 2001?2015年地市級玉米總產資料進行年均產量的計算，后將各地區(qū)玉米年均產量進行排序，從高到底提取累計值達到區(qū)域總產量（2001?2015年均約7652.4萬t）約75%的所有地級市。此外，考慮到東北地區(qū)存在玉米種植面積較小總產較低但種植比例高的地級市，對各地區(qū)年均玉米種植比例進行統(tǒng)計，將高于區(qū)域平均值（約42.8%）的地級市也提取出來作為玉米帶。最終得到東北地區(qū)33個地級市的全部或部分區(qū)域，作為中國東北玉米帶研究區(qū)范圍，其總面積約73萬km2（圖1a）。

對于美國玉米帶的劃分，參照 USDA COE WAOB的定義，首先對美國中部大平原地區(qū)13個玉米主要種植州內所有郡 2001?2015年玉米產量數(shù)據(jù)進行多年平均值的統(tǒng)計與降序排序，參照美國玉米總產平均值（2001?2015年均約4.7億t），提取累計值達到其 75%左右的所有郡，構成美國玉米帶研究區(qū)范圍，最終提取出覆蓋13州的482個郡，總面積約80萬km2（圖1b）。

根據(jù)確定的研究區(qū)范圍，對中美玉米帶研究區(qū)內氣象站點重新提取，分別得到中國東北玉米帶內125個氣象站及位于美國玉米帶研究區(qū)及鄰近一個郡內的49個氣象站點。兩地氣象站點分布較均勻，基本能代表各自區(qū)域的氣候特征（圖1）。

圖1 中國東北玉米帶（a）和美國玉米帶（b）內氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the corn belts of Northeast China (a) and the US(b)

1.2 研究方法

1.2.1 SPEI的計算

利用干旱指數(shù)來量化中美玉米帶生長季的干旱強度，由于SPEI融合了PDSI對蒸散的響應及SPI空間一致性、多時間尺度且計算簡單等優(yōu)點[30]，并在全球及各區(qū)域應用檢驗中得到較好的驗證[31-32]，因此，選擇SPEI進行玉米生長季干旱的量化。SPEI以月尺度降水及氣象數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，通過計算月降水與潛在蒸散的差值，進而構建不同月尺度水分虧缺序列，并進行Log-logistic分布擬合與正態(tài)標準化處理得到，其計算步驟詳見文獻[30]。

根據(jù)中美兩地玉米生育期多年平均日期[16,33-34]，將玉米生長季（Growth period，GP）定為4?10月，以基本覆蓋兩地玉米播種前期?成熟收獲整個階段，以 10月份 7 個月尺度的 SPEI表征（7?SPEI?Oct），其表示10月份前7個月的累積水分狀況。為進一步比較兩地玉米不同生育階段的干旱情況，還將玉米生長季劃分為生長前期（Early growth stage，EGS，4?6月）與生長后期（Late growth stage，LGS，7?10月），其中4?6月覆蓋了玉米播種前期至開花期，為主要的營養(yǎng)生長階段，以7月份3個月尺度的SPEI表征（3?SPEI?Jun）。7?10 月覆蓋了吐絲期?成熟期，為主要的生殖生長階段，以 10月份 4個月尺度的SPEI表征（4?SPEI?Oct）。

利用R software中SPEI程序包[35]實現(xiàn)干旱指數(shù)的計算。通過輸入中美玉米帶研究區(qū)各站點的月尺度降水量和氣象數(shù)據(jù)，采用FAO-56推薦的Penman-Monteith方法[29]計算蒸散量，針對生長季、生長前期及后期的階段長度，分別選擇7、3和4為月尺度參數(shù)計算并提取所有站點 7?SPEI?Oct，3?SPEI?Jun及 4?SPEI?Oct。

參照文獻[26，36]確定中美兩地玉米帶干旱標準為，SPEI≥?0.5為無旱，SPEI＜?0.5為干旱。

1.2.2 干旱特征指標

使用干旱頻率、干旱強度以及干旱范圍[36-37]來表征干旱的特征。其中干旱頻率（DF）指某站統(tǒng)計時段內玉米某生育階段內干旱發(fā)生次數(shù)與總年數(shù)的比值，即

式中，N為統(tǒng)計時段總年數(shù)，n為統(tǒng)計時段內該生育階段SPEI＜?0.5的年數(shù)，DF越大表明干旱發(fā)生越頻繁。

干旱強度（DS）為某站統(tǒng)計時段內某生育階段發(fā)生干旱年份的SPEI值之和，即

式中，SPEIi為統(tǒng)計時段內該生育階段SPEI＜?0.5的值，n為SPEI＜?0.5的年數(shù)，DS越小表明干旱越強。

干旱范圍（DEi）指整個研究區(qū)發(fā)生干旱的站次比，即統(tǒng)計逐年發(fā)生干旱站次的比例，即

式中，M 為研究區(qū)總站數(shù)，mi為研究區(qū)內第 i年發(fā)生干旱的站（次）數(shù)，DEi為第i年該研究區(qū)干旱范圍，其值越大表明干旱影響的范圍可能越廣。

為比較兩區(qū)域干濕變化及干旱范圍的時間演變特征，利用式（1）?式（3）對兩地近30a不同生育階段區(qū)域平均SPEI進行干旱特征的計算，并對SPEI及干旱范圍進行線性傾向估計。利用 ArcGIS反距離權重（IDW）插值法，對各站近30a玉米不同生育階段的干旱頻次、干旱強度進行空間插值并比較其分布特征。

2 結果與分析

2.1 中美玉米帶生長季氣候特征的比較

經計算，近30a中美玉米帶的光、溫、水的月變化均呈現(xiàn)為單峰型曲線特征（圖2）?？梢妰傻赜衩咨L季均處于輻射、氣溫和降水的高值區(qū)。其中，中國東北玉米帶生長季內的太陽輻射總量高于美國玉米帶，但生長前、后期太陽輻射量的變異系數(shù)也較高（圖2a），生長前期表現(xiàn)為0.029（NEC）＞0.025（US），生長后期表現(xiàn)為 0.028（NEC）＞0.013（US）。相反，美國玉米帶生長季的逐月平均氣溫均高于中國東北，同時具有變異系數(shù)較高的特征（圖2b），生長前期表現(xiàn)為 0.062（US）＞0.049（NEC），生長后期表現(xiàn)為0.040（US）＞0.033（NEC）。圖2c顯示，兩地生長季內逐月降水具有不同的分布規(guī)律，中國東北玉米帶降水集中于玉米生長后期（前期167.8mm,后期355.8mm），前后期波動性不大（前期0.20，后期0.21），而美國玉米帶降水分布則在前后期較均衡（前期 291.3mm；后期 318.9mm），后期相對波動性較小（前期0.21，后期0.15）。

圖2 1986?2015年中美玉米帶太陽輻射、平均氣溫和降水量氣候平均值的月變化及玉米生長前期、后期各要素的變異系數(shù)Fig.2 Monthly variation of solar radiation, average air temperature, and precipitation and the coefficient of variation during early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

總的來說，相較美國，中國東北玉米帶近30a在玉米生長季太陽輻射較高、平均氣溫較低、降水較為稀少且集中于玉米生長后期，而美國玉米帶玉米生長前后期降水較均衡。在這種氣候背景下，中國東北玉米帶前期因少雨較易發(fā)生干旱，后期雖水分更為充足，但波動性更大，降水異常偏少的情景仍易發(fā)生，因此，后期干旱也易形成。美國玉米帶玉米生長前后期降水較為均衡，發(fā)生干旱的可能性相對較低。

2.2 中美玉米帶干旱時間變化特征的差異

2.2.1 SPEI

在玉米整個生長季，兩地SPEI值的年際變化存在較為明顯的差異。其中，中國玉米帶在1999?2001年的SPEI連續(xù)小于?0.5，在1989、2007年也發(fā)生了較大旱情（SPEI＜?0.5），這與已有文獻及統(tǒng)計資料中的東北干旱災害年份一致[1]。美國玉米帶則主要在1987?1989年、2005年及2012年出現(xiàn)了SPEI＜?0.5的情況，這也與文獻中大平原地區(qū)發(fā)生旱災的年份一致[10]。表明SPEI指標能夠識別兩地在玉米生長季內發(fā)生的氣象干旱。此外，兩地SPEI的氣候傾向率正負雖不一致，但均未通過顯著性檢驗，說明兩地SPEI的變化趨勢并不明顯。

由圖3b、圖3c可見，玉米的生長前、后期，兩地SPEI的年際波動依然存在明顯差異，出現(xiàn)干旱的年份也不同。中國東北玉米帶在生長前期有8a出現(xiàn)干旱（SPEI＜?0.5），后期有 7a；美國玉米帶在生長前期有7a出現(xiàn)干旱，后期僅為5a。從線性變化趨勢看，在玉米生長前期中國東北地區(qū)SPEI氣候傾向率為正值，后期為負值，但均未達到顯著性水平。美國玉米帶玉米生長前期 SPEI呈顯著增加趨勢（0.30·10a?1，R2=0.167，P＜0.05，圖3b），但后期變化趨勢不顯著。

2.2.2 干旱頻率

利用中美玉米帶SPEI的區(qū)域平均值，統(tǒng)計兩地近30a內每5a玉米不同生育階段的干旱頻率。在玉米全生長季（圖4a），中國東北玉米帶的干旱頻率在1996?2010年高于美國玉米帶，而在1986?1990年及近5a內則相反。中國東北玉米帶的干旱頻率表現(xiàn)為先上升后下降的波動特征，美國玉米帶的干旱頻率則自 1986?1990年后維持較低值?？傮w上，中國東北地區(qū)的平均干旱頻率明顯高于美國玉米帶（23.3%＞16.7%）。在玉米生長前期（圖4b），兩地干旱頻率隨時間波動的特征與全生長季較一致。在后期（圖4c），中國東北地區(qū)自1996年后每5a發(fā)生干旱的頻率均高于美國。美國玉米帶在生長后期一直保持較低的干旱頻率（≤20%），但1986?1995年在玉米生長前期階段具有較高頻次的干旱（≥40%）。

圖3 1986?2015年中美玉米帶生長季及玉米生長前期、后期SPEI的時間變化Fig.3 Time series of SPEI during growth period(GP), early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

圖4 1986-2015年中美玉米帶生長季及玉米生長前期、后期干旱頻率的時間變化Fig.4 Time series of drought frequency during growth period(GP), early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

總體上，中國東北地區(qū)在整個生長季及生長前、后期的干旱頻率均高于美國玉米帶，兩地生長后期的干旱頻率差異更大，這是中美玉米帶干旱特征存在的明顯差異之一，可能與各自氣候背景不一致有直接關系。

2.2.3 干旱強度

由圖5可見，兩地干旱強度的時間波動特征與干旱頻率較一致。在玉米生長季，中國東北地區(qū)近30a平均干旱強度較美國玉米帶強（?0.20＜?0.16，圖5a）。時間波動上，中國東北玉米帶的干旱強度具有先增強后減弱的特點，而美國玉米帶則自1986?1990年后干旱強度有所減弱。在玉米生長前期，中國東北平均干旱強度仍高于美國玉米帶，但兩者差異不大（圖5b），分別為?0.22和?0.21。在玉米生長后期，中國東北玉米帶干旱頻次明顯高于美國，其平均干旱強度也較高（?0.16＜?0.12，圖5c）。

總體上，中國東北地區(qū)在整個生長季及生長前、后期的平均干旱強度均高于美國玉米帶，其中生長后期的干旱強度差異更大，這與兩地干旱頻率的差異較為一致。

2.2.4 干旱范圍

從生長季來看（圖6a），中國東北玉米帶干旱范圍較廣的年份集中于1999?2001年，干旱站次比均高于70%，其年際變化趨勢不顯著。美國玉米帶生長季干旱范圍在20世紀80年代后期以及2005、2012年出現(xiàn)較大值（＞60%），尤其是1988年和2012年接近100%，表現(xiàn)為全域性干旱，其干旱范圍趨于減少，但不明顯。

中國東北地區(qū)生長季干旱范圍的年際波動特征與玉米生長后期較為一致，說明后期對生長季干旱的影響更大，而美國玉米帶則相反（圖6b、圖6c）。在變化趨勢上，兩地在生長前期的干旱范圍均趨于減少，美國玉米帶表現(xiàn)為顯著減少趨勢（?5.81%·10a?1，R2=0.105，P＜0.05），后期變化均不顯著。

圖5 1986?2015年中美玉米帶玉米生長季及玉米生長前期、后期干旱強度的時間變化Fig.5 Time series of drought severity during growth period(GP), early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

圖6 1986-2015年中美玉米帶玉米生長季、生長前期及后期干旱范圍的時間變化Fig.6 Time series of drought extent during growth period(GP), early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

2.3 中美玉米帶干旱空間特征的差異

2.3.1 干旱頻次

近30a兩地干旱頻次空間分布各具特點，其中，中國東北玉米帶在玉米生長季的干旱頻次分布呈現(xiàn)自東向西的增加（圖7a），前期分布規(guī)律不明顯（圖7b），后期具有西北高、東南低的特點（圖7c）。美國玉米帶在玉米生長季（圖7d）干旱頻次分布呈現(xiàn)出東西高、中部低的特征，前期的頻次分布也與其類似（圖7e），但在后期區(qū)域中部的頻次則較高（圖7f）。

圖7 1986-2015年中美玉米帶不同時段累計干旱次數(shù)的空間分布Fig.7 Spatial distribution of drought accumulated times in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

2.3.2 干旱強度

圖8為中美玉米帶不同生育階段近30a累計干旱強度的空間分布。由圖可見，干旱強度的分布與干旱頻次較為一致，普遍表現(xiàn)為干旱頻次越高的地區(qū)，累計干旱強度也越強。中國東北玉米帶在玉米生長季的干旱強度分布呈現(xiàn)自東向西的加強（圖8a），前期整體分布較為一致（圖8b），后期則具有西北強、東南弱的分布特征（圖8c）。美國玉米帶在玉米生長季干旱強度分布則呈現(xiàn)東西高、中部低的特征（圖8d），生長前期的分布也與此類似（圖8e），但生長后期在區(qū)域中部干旱強度較高（圖8f）。

2.4 中美玉米帶干旱特征主要差異的成因探討

2.4.1 影響干旱的主要氣象因子

對中美玉米帶生長前、后期的SPEI與主要氣象要素進行相關性分析。從表1可見，兩地生長前、后期的 SPEI與降水、太陽輻射和最高氣溫的相關性較強，尤其是 SPEI與降水呈極顯著正相關，兩地玉米生長前后期的降水均可解釋對應時段 SPEI變化的91%以上，這與已有研究結果一致[27,38-39]。表1還表明，中美兩地SPEI與太陽輻射、最高氣溫均呈負相關。

圖8 1986-2015年中美玉米帶累計干旱強度的空間分布Fig.8 Spatial distribution of accumulated drought SPEI in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

表1 1986-2015年中美玉米帶玉米生長前期(3-SPEI-Jun)和后期SPEI(4-SPEI-Oct)與主要氣象要素的Pearson相關性Table 1 Pearson correlation between SPEI and main meteorological factors during early(3-SPEI-Jun) and late growth stage(4-SPEI-Oct) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

2.4.2 干旱頻率及強度差異的成因分析

研究期內，在玉米生長前期，中國東北玉米帶（圖9a）發(fā)生干旱的8a表現(xiàn)為降水同期偏少（偏少16.3%以上），輻射同期偏高（偏高2.2%以上），此外，其中 6a的最高氣溫均表現(xiàn)為同期偏高。美國玉米帶（圖9b）發(fā)生干旱的7a也表現(xiàn)為降水偏少（偏少12.2%以上），輻射同期偏高（偏高1.4%以上），此外，其中5a的最高氣溫均表現(xiàn)為同期偏高。近30a內中國東北玉米帶太陽輻射、最高氣溫同期偏高，降水同期偏少的頻率略高于美國玉米帶（26.7%＞16.7%），這可能導致中國東北地區(qū)干旱頻率及強度在前期略高于美國。

由圖9c、圖9d可見，與生長前期類似，兩地在玉米生長后期發(fā)生干旱的年份往往為少雨高輻射并伴隨高溫的天氣。當太陽輻射同期偏高0.9%與降水同期偏少16.5%以上時，中國東北地區(qū)玉米生長后期發(fā)生干旱（圖9c），而美國玉米帶發(fā)生干旱的臨界值分別為1.0%與11.2%（圖9d），且兩地發(fā)生干旱的年份普遍表現(xiàn)為氣溫同期偏高。雖然生長后期美國玉米帶的降水相對中國東北地區(qū)平均偏少，輻射較強，但由于近30a降水及太陽輻射較為集中，異常偏少/偏高比例高的年份較少，如美國玉米帶降水偏少10%以上，輻射偏高1.0%以上僅為5a，而中國東北玉米帶降水異常偏少15%以上，輻射偏高0.9%以上的年份達到 9a，因此，美國玉米帶在玉米生長后期干旱頻率及強度低于中國東北玉米帶。

以上分析說明，逐年太陽輻射、降水及最高氣溫的不同配置造成了水分的波動變化，其具體機制可能涉及兩地不同時段所受大氣環(huán)流過程及大尺度氣候背景等的不一致[17-18]，對這些物理機制詳細的研究還有待進一步開展。

圖9 1986?2015年中美玉米帶生長前期和后期太陽輻射、降水量及最高氣溫的分布Fig.9 Distributions of solar radiation, precipitation and maximum air temperature during early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

2.4.3 干旱化趨勢差異的成因分析

中醫(yī)認為急性腦梗死合并心肌缺血的發(fā)病因素為氣虛血滯、脈絡瘀阻，在發(fā)病后患者發(fā)生半身不遂等臨床癥狀，在治療急性腦梗死合并心肌缺血時中醫(yī)以益氣活血、化瘀通絡為主[3]。

SPEI值主要是基于降水、太陽輻射和最高氣溫計算得到，由表1可知，降水、太陽輻射及最高氣溫對SPEI的影響較大。對比中美玉米帶在玉米生長前期、后期的 SPEI（圖3）和太陽輻射、降水及最高氣溫的線性傾向率（表2）可以看出，近30a中國東北玉米帶在玉米生長前期降水趨于增加，太陽輻射明顯降低（P＜0.05），二者相互作用，導致 SPEI趨于下降，而美國玉米帶降水明顯增加（P＜0.05），輻射明顯減少（P＜0.05）以及氣溫的不明顯下降，三者相互作用，導致玉米生長前期 SPEI明顯下降（P＜0.05）。兩地在玉米生長后期氣象要素的變化較為一致，均表現(xiàn)為降水不明顯的減少，太陽輻射和最高氣溫趨于增加，其中中國東北地區(qū)最高氣溫明顯增加，但二者的綜合作用并未帶來明顯干旱化。

以上說明，中美玉米帶在近30a生長前后期干旱化趨勢的差異主要是因為兩地降水、太陽輻射及最高氣溫變化趨勢的不同導致的，美國玉米帶前期降水及太陽輻射的明顯變化起到了減弱前期干旱的作用。

表2 1986?2015年中美玉米帶玉米生長前期、后期主要氣象要素及SPEI線性傾向率的正負統(tǒng)計Table 2 Positive and negative statistics of linear tendency of main meteorological factors and SPEI during early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

3 結論與討論

近 30a中國東北玉米帶生長季太陽輻射較美國玉米帶偏高，平均氣溫偏低，降水較為稀少且集中于玉米生長后期，而美國玉米帶前后期降水較均衡。在此氣候背景下，兩地不同生育階段的SPEI年際波動及干旱頻率、強度和干旱范圍的時間變化均表現(xiàn)出明顯的非同步性，空間分布上具有各自的特征。在生長季及生長前、后期中國東北玉米帶發(fā)生干旱的頻次和強度均高于美國玉米帶，尤其是在后期兩地干旱特征差異明顯，這主要是因為中國東北玉米帶少雨、高輻射且伴隨高溫的天氣更易發(fā)生，尤其是在生長前期。而美國玉米帶玉米生長前、后期降水、輻射及氣溫異常的年份出現(xiàn)頻次低，因此，干旱頻率及強度低于中國東北玉米帶，尤其是后期異常年份較少使干旱次數(shù)及強度明顯偏低。另外，在氣候變化背景下，兩地在不同生育階段具有較為一致的光溫水演變特征，致使兩地干濕變化趨勢較為一致，前期均趨于濕潤，后期趨于干旱，但僅有美國玉米種植區(qū)在玉米生長前期濕潤化表現(xiàn)明顯，主要來自降水明顯增加及輻射顯著降低的貢獻。以上結論與文獻[39?41]的結果較為一致。

使用Penman-Monteith蒸散方法計算SPEI量化中美玉米帶干旱強度的同時，比較了不同干旱指數(shù)（SPI與SPEI）及同一干旱指數(shù)（SPEI）不同蒸散計算方法（Thornthwaite法與Penman-Monteith法）得出的干旱特征的差異，結果表明 3種方法得到的區(qū)域干旱趨勢較為一致，但干旱強度及空間分布存在差異，與相關文獻[42-43]結果一致。這可能與SPI僅標準化降水，而SPEI利用Thorthwaite蒸散時僅考慮降水及氣溫有關。結果存在的差異說明了干旱特征對蒸散分量十分敏感，為了更合理地描述干濕變化特征，數(shù)據(jù)完整條件下推薦使用基于Penman-Monteith的SPEI來進行干旱識別。

干旱特征的形成是一個復雜多學科問題，關于其成因研究，目前仍是世界難題。干旱氣候的形成涉及氣象條件、大氣環(huán)流背景及氣候變化背景等多重影響[41]。本研究從宏觀角度分析兩地氣象要素的差異從而探究中美干旱特征存在的不同，認為中美玉米帶在玉米生長季的干旱特征及干旱化趨勢存在的差異，主要受降水、輻射及氣溫的不同配合及其變化趨勢的不一致所影響。氣象要素不同的配合來自大尺度氣候背景的影響，事實上處于同一緯度的中美玉米帶雖氣候表現(xiàn)相似，但由于各自處于不同的氣候系統(tǒng)內，大尺度氣候背景下仍表現(xiàn)不一，如夏季中國東北環(huán)流形勢易出現(xiàn)蒙古高壓增強，副高偏弱并伴隨水汽輸送偏少而導致干旱易發(fā)[15,17]，美國西部夏季干燥則主要受到熱帶大陸氣團控制所致。另外，有研究[23,36,38]表明，大尺度氣候背景如ENSO、PDO等均對中美玉米帶的干旱特征及干旱化有所影響，不同氣候背景的直接表現(xiàn)即為氣象要素的不同配置與變化，本研究從宏觀角度分析了兩地干旱特征差異的成因，為后續(xù)進一步探究其物理機制提供了基礎。

中美玉米帶干旱特征上存在的差異，導致各自抗旱減災工作的側重點存在不一致。美國玉米帶在玉米生長前期易發(fā)生干旱，且強度高，范圍廣，因此，應注重生長前期防旱措施的準備。而對于中國東北玉米帶，干旱在玉米生長前、后期均易發(fā)生，高強度干旱在生殖生長階段的發(fā)生可能會嚴重威脅玉米產量的形成[44]，因此，中國東北地區(qū)應注重整個生長季防旱抗旱措施的保障。其它干旱管理工作也應根據(jù)本國情況進行調整，如干旱保險應基于兩地干旱特征的差異進行保險費率的調整[12,45]，此外，引進美國抗旱種質時也應相應進行品種改良[46]，尤其應注重品種的后期耐旱能力，確保借鑒來的經驗產生更好的實際效果。

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