李崇瑞，游松財(cái)，武永峰，王一昊

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081）

0 引 言

在全球氣候變暖背景下，中國(guó)干旱事件頻發(fā)[1]，強(qiáng)度也在不斷加強(qiáng)[2]，且表現(xiàn)出一定的反常性和不可預(yù)見性[3]。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，氣候變化將直接影響到糧食安全和可持續(xù)發(fā)展[4]。而自20 世紀(jì)中期以來，東北地區(qū)氣溫呈線性增加趨勢(shì)[5]，降水年代際波動(dòng)明顯，但總體呈減少趨勢(shì)[6-7]，北部降水量的減少速率小于南部[8]，部分地區(qū)的降水量持續(xù)減少甚至低于歷史最低值，極易引起干旱造成農(nóng)作物減產(chǎn)[9]。尤其在20 世紀(jì)90 年代后，東北地區(qū)受旱面積不斷增大，發(fā)生次數(shù)不斷增加，干旱程度也有加重趨勢(shì)[10]。從1971 年至2012 年，東北地區(qū)春玉米平均每年受旱面積達(dá)到412.4 萬hm2，占到所有災(zāi)害總受災(zāi)面積的61.6%[11]。而以松嫩平原為中心的東北玉米區(qū)，所生產(chǎn)的商品糧可以占到全國(guó)的1/3 左右[12]，因干旱造成的玉米減產(chǎn)可達(dá)到總產(chǎn)量的20%～30%[13]。所以，在東北地區(qū)干旱不斷發(fā)展，春玉米受旱情況愈發(fā)嚴(yán)重的情況下，研究東北地區(qū)春玉米干旱就顯得尤為重要。

干旱研究的難點(diǎn)在于干旱的發(fā)生時(shí)間、發(fā)展過程以及影響范圍的界限難以直接觀測(cè)和統(tǒng)一界定，所以干旱監(jiān)測(cè)通常采用干旱指標(biāo)對(duì)干旱狀況進(jìn)行表征[14-15]。Yang 等[16]基于帕爾默旱澇指數(shù) PDSI（palmer drought severity index），建立了考慮降水、蒸散和灌溉的干旱指數(shù)，能夠很好的反應(yīng)灌區(qū)農(nóng)業(yè)干旱的情況；Liu 等[17]利用標(biāo)準(zhǔn)化降水 蒸 散 指 數(shù) SPEI （ standardized precipitation evapotranspiration index）分析了內(nèi)蒙古自治區(qū)1960-2013年不同時(shí)間尺度干旱特點(diǎn)、變化趨勢(shì)和植物生長(zhǎng)季干旱的頻繁性和嚴(yán)重性。但這些指標(biāo)僅從地表水熱平衡關(guān)系出發(fā)，沒有考慮到作物不同生育期需水狀況的不同。而CWDI 從農(nóng)田水分平衡出發(fā)，引入了作物系數(shù)，考慮了作物需水特性，能夠更好的反應(yīng)作物缺水狀況。王連喜等[18]利用該指數(shù)對(duì)陜西冬小麥干旱特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)小麥在返青到拔節(jié)期、灌漿到成熟期干旱頻率較高。隋月等[19]利用作物水分虧缺指數(shù)分析了南方春玉米和夏玉米生育期干旱的時(shí)空特征、強(qiáng)度和干旱的面積。但當(dāng)前CWDI研究多是針對(duì)氣象觀測(cè)站點(diǎn)、基于長(zhǎng)時(shí)間尺度開展干旱時(shí)空特征分析，對(duì)大范圍連續(xù)空間區(qū)域內(nèi)干旱災(zāi)變過程逐日實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究較為欠缺；且研究過程針對(duì)不同區(qū)域、不同生育期采用了固定的作物系數(shù)，且在不同地區(qū)間差異較大，不同生育期的干旱程度分級(jí)閾值也是固定的，而這種靜態(tài)的作物系數(shù)不利于實(shí)現(xiàn)春玉米干旱動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程，會(huì)造成在大范圍連續(xù)干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果的時(shí)空不連續(xù)問題。

為此，本研究提出一種改進(jìn)作物系數(shù)Kc的設(shè)置方法，使其由靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡S生育進(jìn)程變化的動(dòng)態(tài)值，逐日循環(huán)計(jì)算累積CWDI 指數(shù)，并根據(jù)作物系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)一步確定隨生育進(jìn)程變化的 CWDI 動(dòng)態(tài)閾值。同時(shí)利用ANUSPLIN 專業(yè)氣象數(shù)據(jù)插值軟件對(duì)各氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，將單一站點(diǎn)數(shù)據(jù)擴(kuò)展到面，以確保干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果在大范圍空間區(qū)域內(nèi)的連續(xù)分布。本文以2018 年東北地區(qū)春玉米干旱發(fā)生、發(fā)展及消退的整個(gè)過程為例，通過分析玉米生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程中的需水量變化特點(diǎn)，研究解決干旱強(qiáng)度等級(jí)動(dòng)態(tài)閾值設(shè)定方法，以提高干旱連續(xù)監(jiān)測(cè)精度，建立起一套較為完善的空間大范圍區(qū)域內(nèi)干旱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法體系，動(dòng)態(tài)跟蹤干旱災(zāi)變過程，及時(shí)反饋干旱時(shí)空信息及趨勢(shì)，為今后農(nóng)業(yè)防旱減災(zāi)應(yīng)對(duì)措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北緯38°43'～53°33'，東經(jīng)117°47'～135°05'，包括遼寧、吉林、黑龍江三省和內(nèi)蒙古東部的呼倫貝爾市、通遼市、赤峰市、興安盟等地。東北地區(qū)是世界上三大黑土帶之一，土壤養(yǎng)分含量充足；同時(shí)，東北地區(qū)的水氣熱資源充足，水熱同期，日照充足，日較差也大，且水氣熱等資源與玉米的生育期同步；地理緯度較高，生長(zhǎng)季熱量條件年際波動(dòng)較大；自東南沿海向西北內(nèi)陸濕潤(rùn)度逐漸降低，由濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榘敫珊祬^(qū)[20]，而玉米多種植在半干旱半濕潤(rùn)區(qū)，這使得干旱發(fā)生成為常態(tài)；從東到西生態(tài)系統(tǒng)由森林向草原和荒漠過渡，農(nóng)牧交錯(cuò)；中部平原區(qū)海拔較低；東部為長(zhǎng)白山區(qū)，西部為大興安嶺，海拔較高。玉米等作物種植一年一熟。

1.2 研究區(qū)數(shù)據(jù)處理

研究數(shù)據(jù)包括：1）氣象數(shù)據(jù)：涵蓋研究區(qū)及周邊地區(qū)共105 個(gè)氣象站點(diǎn)2018 年逐日平均溫度、最高溫度、最低溫度、平均風(fēng)速、平均氣壓、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度、降水量等，可從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)獲取；2）農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況資料：涵蓋研究區(qū)及周邊共78 個(gè)站點(diǎn)1991—2013年各類作物及對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵發(fā)育期時(shí)間，也可從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)獲??；3）東北地區(qū)30 m 分辨率DEM（ASTER GDEM V2 版本）；4）2018 年野外調(diào)查和采樣數(shù)據(jù)：結(jié)合2018 年東北地區(qū)干旱發(fā)生特征，分別開展了3 次野外調(diào)查和采樣工作，覆蓋了春玉米苗期、生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵期中前期和中后期，每個(gè)樣區(qū)隨機(jī)6 點(diǎn)取樣（圖1 所示）。5 月14—18日期間，對(duì)朝陽、彰武、松原、乾安、長(zhǎng)嶺和阜新等地共6個(gè)樣區(qū)；7 月12—20 日，對(duì)凌源、北票、阜新、松原、方正、茄子河、寶清、虎林等共8 個(gè)樣區(qū)總計(jì)14 個(gè)樣區(qū)開展了0～20 cm 深度的表層土壤取樣，并測(cè)定了表層土壤相對(duì)濕度。8 月6—14 日，對(duì)涵蓋錦州市、阜新市、四平市、遼源市、通化市、丹東市、本溪市、鐵嶺市和沈陽市等9個(gè)縣市在內(nèi)共23個(gè)樣區(qū)的玉米植株長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行了調(diào)查和拍照記錄；5）土壤質(zhì)地空間分布數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。

圖1 研究區(qū)DEM、土壤質(zhì)地分布及氣象站點(diǎn)空間分布 Fig.1 DEM, soil texture distribution and spatial distribution of meteorological stations in study area

本文對(duì)所有的氣象資料和作物生長(zhǎng)發(fā)育資料進(jìn)行插值，由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)變?yōu)槊鎸?duì)面，去除了由于站點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失或不對(duì)應(yīng)帶來的計(jì)算和分析上的問題。針對(duì)站點(diǎn)數(shù)量有限和站點(diǎn)空間地形的特點(diǎn)，采用廣泛且有效的插值方法。對(duì)所有氣象站點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)利用ANUSPLIN 專業(yè)氣象數(shù)據(jù)插值軟件進(jìn)行空間插值，對(duì)春玉米關(guān)鍵生育期數(shù)據(jù)（播種、三葉、抽雄、乳熟、成熟等）利用克里金法進(jìn)行空間插值。由于本文研究區(qū)針對(duì)整個(gè)東北地區(qū)，局部地區(qū)可能存在一定誤差，但總體上精度可控。所有空間插值數(shù)據(jù)和DEM 均統(tǒng)一訂正為0.01°×0.01°空間分辨率。使用IDL 編程方法進(jìn)行逐像素計(jì)算，得到研究區(qū)域參考蒸散量及CWDI 等指標(biāo)計(jì)算結(jié)果?？臻g分布圖使用ARCGIS 10.5 繪制完成。

1.3 研究方法

1.3.1 改進(jìn)作物水分虧缺指數(shù)計(jì)算

1）作物水分虧缺指數(shù)

式中CWDIi為第i 個(gè)時(shí)間單位的水分虧缺指數(shù)%；Pi為第i 個(gè)時(shí)間單位的累積降水量，mm；Ii為第i 個(gè)時(shí)間單位的累積灌溉量，mm，ETc,i累積需水量，mm。本文以10 d為1 個(gè)時(shí)間單位。

式中ET0為參考蒸散量，Kc為作物系數(shù)?？紤]到東北地區(qū)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，大部分玉米種植區(qū)缺少有效灌溉，玉米生長(zhǎng)發(fā)育依賴于自然降水[21]，這里忽略灌溉量。逐日累積水分虧缺指數(shù)采用如下方法計(jì)算：

式中CWDI 表示當(dāng)日的累積作物水分虧缺指數(shù)，CWDIi, CWDIi-1, CWDIi-2, CWDIi-3, CWDIi-4分別為50 d 內(nèi)最近1～10、11～20、21～30、31～40、41～50 d 共5 個(gè)時(shí)間單位內(nèi)的作物水分虧缺指數(shù)；a，b，c，d，e 為權(quán)重系數(shù)，依據(jù)《北方春玉米干旱等級(jí)》(QT/X 259-2015)權(quán)重系數(shù)設(shè)置方法，本文分別取0.3、0.25、0.2、0.15、0.1。

2）作物參考蒸散量計(jì)算

使用FAO-56 推薦的Penman-Monteith 法，其計(jì)算公式如下：

式中Rn為地表凈輻射，MJ/(m2·d)；G 為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Tmean為日平均氣溫，℃；U2為2m 高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水氣壓，ea為實(shí)際水氣壓，kPa；Δ為飽和水氣壓曲線斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃。

1.3.2 逐日作物系數(shù)估算和干旱等級(jí)動(dòng)態(tài)閾值設(shè)定

1）逐日作物系數(shù)估算

參考FAO 推薦的玉米作物生長(zhǎng)期Kc變化（圖2）變化規(guī)律曲線和東北地區(qū)各月春玉米作物系數(shù)參考值，結(jié)合本套春玉米生育期數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查點(diǎn)春玉米發(fā)育進(jìn)程特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)作物系數(shù)Kc隨發(fā)育進(jìn)程而變化，播種—三葉期變化小，三葉—抽雄期快速增加，抽雄—乳熟期穩(wěn)定，乳熟—成熟期快速下降，依此確定春玉米相應(yīng)的生育階段：初期為播種—三葉期，發(fā)育期為三葉—抽雄期，中期為抽雄—乳熟期，末期為乳熟—成熟期。

其不同階段的Kc參考值設(shè)置為：初期為0.3，之后發(fā)育期線性增長(zhǎng)到1.2，中期穩(wěn)定在1.2，后期玉米Kc線性減小至0.6。玉米生長(zhǎng)初期，發(fā)育期，中期，后期的修正后生育期內(nèi)逐日Kc計(jì)算方法如下：

式中Kc,i表示當(dāng)日的作物系數(shù)，Kc,f-1表示上個(gè)生育階段結(jié)束日的作物系數(shù)，Kc,f表示這個(gè)生育期結(jié)束日的作物系數(shù)，Di表示當(dāng)日的日序，Di,0表示上個(gè)生育階段結(jié)束日的日序，Dl表示當(dāng)日所在生育階段的總?cè)諗?shù)。對(duì)于初期階段，Kc,f=Kc,f-1=0.3，Kc,f和Di,0分別為播種初日的作物系數(shù)和日序。實(shí)際上，春玉米播種期的干旱會(huì)影響玉米的播種，且作物水分虧缺指數(shù)累積了近50d 的水分虧缺情況，為了能更好的對(duì)春玉米初期干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證春玉米監(jiān)測(cè)空間上的完整性，本文定義從玉米播種及之前最近50 d 內(nèi)，Kc從0 線性增加到0.3，后期結(jié)束后50 d 內(nèi)Kc線性減小至0。

圖2 農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中作物系數(shù)Kc 的變化規(guī)律示例 Fig. 2 Changes of crop coefficient Kc during crop growth and development

2）干旱等級(jí)動(dòng)態(tài)閾值設(shè)定

參考逐日作物系數(shù)Kc和《北方春玉米干旱等級(jí)》（QX/T 259-2015）中干旱等級(jí)劃分閾值，對(duì)基于逐日累積CWDI 的東北地區(qū)春玉米生育期內(nèi)干旱等級(jí)閾值進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置，具體方法如下式：

式中Yc,i表示當(dāng)天的分級(jí)閾值，Yc,f-1表示上個(gè)生育階段結(jié)束日的閾值，Yc,f表示這個(gè)生育期結(jié)束日的閾值，Di表示當(dāng)日的日序，Di,0表示上個(gè)生育階段結(jié)束日的日序，Dl表示當(dāng)日所在生育階段的總?cè)諗?shù)。對(duì)于初期階段，Yc,f和Di,0分別為播種初日的閾值和日序。干旱強(qiáng)度等級(jí)劃分為5 級(jí)，即0（無旱）、 1（輕旱）、 2（中旱）、 3（重旱）、 4（特旱），為了保證干旱監(jiān)測(cè)空間上的連續(xù)性，本文定義播種之前閾值與播種當(dāng)日的閾值相同，末期結(jié)束后閾值與末期結(jié)束當(dāng)日的閾值相同，春玉米關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的干旱等級(jí)臨界閾值如表1。

表1 春玉米關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的干旱等級(jí)變化臨界閾值 Table1 Critical threshold of drought grade change in key nodes of spring maize

1.4 地面調(diào)查結(jié)果驗(yàn)證

2018 年春旱主要發(fā)生在玉米的播種—出苗期；伏旱主要發(fā)生在拔節(jié)—吐絲期，為玉米需水關(guān)鍵期。根據(jù)《北方春玉米干旱等級(jí)》（QX/T 259-2015）中對(duì)應(yīng)時(shí)期的土壤相對(duì)濕度干旱等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行干旱分級(jí)，分級(jí)方法如表2。

表2 基于土壤相對(duì)濕度（R）的北方春玉米干旱等級(jí)劃分 Table 2 Classification of drought grades of spring maize in North China based on relative soil moisture (R)

參考《NY/T 2284-2012 玉米災(zāi)害田間調(diào)查及技術(shù)規(guī)范》干旱分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及植株形態(tài)變化特征進(jìn)行干旱判定，其判定方法如表3。

表3 基于作物形態(tài)特征的春玉米抽雄—吐絲期干旱等級(jí)劃Table 3 Classification of drought grades in spring maize during tasseling to silking period based on crop morphological characteristics

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證與對(duì)比

根據(jù)2018 年開展的3 次野外實(shí)地調(diào)查和采樣結(jié)果，分別與調(diào)查期內(nèi)5 月9—16 日、7 月12—19 日和8 月5—12 日3 組8 d 合成的改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果與CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，CWDI 計(jì)算方法參考《北方春玉米干旱等級(jí)》（QX/T 259-2015），并利用本套柵格數(shù)據(jù)集計(jì)算。

春旱實(shí)測(cè)期內(nèi)東北大部天氣條件較為一致，根據(jù)表4中5 月調(diào)查結(jié)果及表6 可以看出，實(shí)測(cè)土壤濕度的干旱判定結(jié)果均為重旱和特旱，與改進(jìn)CWDI 和CWDI 判定的重旱和特旱結(jié)果一致，判對(duì)率均為100%。2018 年伏旱主要發(fā)生在7、8 月，這段時(shí)期是玉米需水關(guān)鍵期。從表4 中7 月調(diào)查結(jié)果及表6 可以看出，改進(jìn)CWDI 結(jié)果的判對(duì)率在7 月明顯高于CWDI 結(jié)果。改進(jìn)CWDI 判對(duì)率為62.5%，CWDI判對(duì)率僅有50%。7 月改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果略重于實(shí)地調(diào)查土壤相對(duì)濕度R 判定結(jié)果；由于不同土壤質(zhì)地涵養(yǎng)水分的能力不同，可能導(dǎo)致了實(shí)地調(diào)查結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果在部分地區(qū)的不一致性；與此同時(shí)，由于此時(shí)玉米完全覆蓋地表，可能導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果與玉米受旱產(chǎn)生差異，此段時(shí)間內(nèi)伏旱弱并且不明顯；總體來看，實(shí)測(cè)和改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果均沒有重度以上的干旱，實(shí)測(cè)和改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合；從表5、表6 可以看出，8 月CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果的判對(duì)率僅有65.2%，改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果的判對(duì)率達(dá)到了73.9%，改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)效果明顯好于CWDI。8 月地面調(diào)查結(jié)果與改進(jìn)CWDI 干旱監(jiān)測(cè)范圍保持了較好的一致性，除去遼寧省新民市調(diào)查區(qū)（123.29°E，42.11°N）靠近水稻種植區(qū)有水分補(bǔ)給，錦州市黑山縣和凌海市有灌溉條件所導(dǎo)致干旱調(diào)查結(jié)果較輕之外，其余調(diào)查區(qū)干旱判對(duì)率達(dá)到84%。地面調(diào)查特旱區(qū)、重旱區(qū)、中旱區(qū)基本分布在改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)的特旱區(qū)、重旱區(qū)和中旱區(qū)之內(nèi)，但中旱和重旱并無完全一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所有樣區(qū)中有3 個(gè)樣區(qū)對(duì)應(yīng)于改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)的無旱區(qū)內(nèi)，改進(jìn)CWDI 指標(biāo)可以完全覆蓋基于玉米植株形態(tài)調(diào)查的干旱區(qū)。實(shí)地調(diào)查可能由于時(shí)間、天氣等的變化以及灌溉條件在相鄰區(qū)域內(nèi)有一定的差異。以遼寧西部地區(qū)為例，朝陽，阜新等地的干旱狀況實(shí)地調(diào)查程度要高于鄰近地區(qū)的錦州等地。與此同時(shí)，利用改進(jìn)CWDI 進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)的強(qiáng)度總體上要大于實(shí)際植被受旱狀態(tài)，這是可能是由于植被實(shí)際響應(yīng)干旱的程度不同而出現(xiàn)的差別；其次，由于氣象干旱有別于作物干旱，在特定程度和時(shí)長(zhǎng)的氣象干旱作物受旱具有一定的滯后性。而在3 次大范圍空間取樣的條件下，改進(jìn)CWDI 整體干旱判對(duì)率達(dá)到了75.7%，而CWDI僅為67.6 %，判對(duì)率提高了8.1%，表明改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果有更高的監(jiān)測(cè)精度。

表4 玉米春旱監(jiān)測(cè)結(jié)果與地面調(diào)查結(jié)果比較 Table 4 Drought monitoring results of spring maize compared with ground survey

表5 8 月玉米伏旱監(jiān)測(cè)結(jié)果與地面調(diào)查結(jié)果比較 Table 5 Comparisons between monitoring results of maize drought in August and ground survey results

表6 改進(jìn)CWDI 與CWDI 春玉米干旱判對(duì)率 Table 6 Judgement right rate of improved CWDI and CWDI for spring maize

圖3 展示了改進(jìn)CWDI 在調(diào)查時(shí)段內(nèi)干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際干旱情況的空間分布。在玉米生育期內(nèi)，利用改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)方法可以完全覆蓋干旱的發(fā)生區(qū)域，能夠很好的監(jiān)測(cè)出旱情區(qū)域和發(fā)展趨勢(shì)。且在同一時(shí)間內(nèi)，實(shí)際干旱程度較重的地區(qū)，監(jiān)測(cè)結(jié)果也較重，反之亦然，表明干旱實(shí)際情況與監(jiān)測(cè)結(jié)果具有很好的時(shí)空一致性。

圖4 展示了同一時(shí)期改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果與CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果的空間分布。由于CWDI 指標(biāo)中采用靜態(tài)的作物系數(shù)Kc，導(dǎo)致在應(yīng)用CWDI 進(jìn)行短時(shí)間尺度大范圍空間干旱監(jiān)測(cè)時(shí)，在行政區(qū)邊界處會(huì)產(chǎn)生一定的空間不連續(xù)性。而改進(jìn)CWDI 具有更好的空間連續(xù)性與判對(duì)率。所以，相對(duì)于CWDI 指數(shù)，改進(jìn)CWDI 指數(shù)具有更高的監(jiān)測(cè)精度，干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果具有更好的空間一致性和連續(xù)性，利用改進(jìn)CWDI可以有效的進(jìn)行東北地區(qū)春玉米干旱災(zāi)變過程大范圍逐日動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.2 春玉米干旱災(zāi)變過程監(jiān)測(cè)

圖5 顯示了2018 年東北地區(qū)春玉米春旱發(fā)展和消退過程。春玉米春旱從玉米播種期開始，5 月中旬干旱程度達(dá)到最大，并一直持續(xù)到下旬，之后開始減弱（5 月下旬—6 月下旬）。6 月份，整個(gè)東北地區(qū)玉米干旱范圍最小，干旱程度最低。從空間上來看，春旱從東北地區(qū)中部開始發(fā)展，程度逐漸增大，并向西南部蔓延；之后由東北向西南逐漸消退。

圖3 8d 合成改進(jìn)CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)樣區(qū)干旱等級(jí) Fig.3 Monitoring results of 8 day synthetic improved CWDI and drought grade in measured area

圖4 改進(jìn)CWDI 與CWDI 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比 Fig.4 Comparison between improved CWDI and CWDI monitoring results

圖5 春旱發(fā)展和消退過程 Fig. 5 Process of drought development and subsidence in spring

圖6 顯示了2018 年東北地區(qū)春玉米伏旱發(fā)展和消退過程。8 月4 日前后東北地區(qū)玉米伏旱面積達(dá)到最大，干旱程度最為嚴(yán)重，但干旱多集中于東北地區(qū)南部的遼寧省，內(nèi)蒙古的赤峰和通遼以及吉林省的中部地區(qū)，受旱最嚴(yán)重的地區(qū)是遼寧省。由于此時(shí)期是玉米生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵期，此時(shí)的大面積干旱可能會(huì)對(duì)玉米產(chǎn)量造成一定的影響。8 月下旬之后，東北地區(qū)南部的干旱才得到一定的緩解。進(jìn)入9 月大興安嶺、小興安嶺地區(qū)的干旱有所發(fā)展，但由于此地并非玉米主要種植區(qū)，對(duì)玉米的影響較小。同時(shí)，東北地區(qū)南部的遼寧及內(nèi)蒙古赤峰、通遼等地的干旱有一定的發(fā)展，由于此時(shí)玉米已到生育后期，干旱對(duì)產(chǎn)量 的影響并不會(huì)如8 月明顯。從空間上看，東北地區(qū)南部的伏旱過程，由內(nèi)蒙古東部地區(qū)向遼寧地區(qū)擴(kuò)展蔓延，從西至東發(fā)展；之后由遼寧東部向西部，內(nèi)蒙古東部向遼寧西部地區(qū)兩個(gè)方向減弱；同時(shí)，干旱區(qū)域向北也有所發(fā)展，影響到了吉林省中西部的部分地區(qū)。期間，遼寧省中西部地區(qū)干旱持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，程度較重。

干旱作為一種累積型的災(zāi)害，其發(fā)生、發(fā)展都具有一定的持續(xù)性。圖7 為2018 年玉米生育期內(nèi)不同程度的干旱面積逐日變化的過程，可以看出2 次較為明顯的干旱過程，分別是6 月的春旱和7 月下旬開始的伏旱。6 月中旬到7 月下旬之間干旱狀況較為穩(wěn)定。春旱的程度和范圍要大于伏旱。

圖6 伏旱發(fā)展和消退過程 Fig. 6 Process of drought development and subsidence in summer

圖7 逐日不同等級(jí)干旱面積百分比變化 Fig.7 Percentage change of drought area in different grades on a daily basis

2.3 氣象因子敏感性分析

從2018 年干旱事件來看，改進(jìn)CWDI 對(duì)氣象因子（如降水）短時(shí)變化表現(xiàn)出良好的敏感性。以2018 年5 月22 日前后春玉米干旱監(jiān)測(cè)為例，圖8 顯示了5 月22 日前后的降水過程，使干旱區(qū)干旱程度得到緩解，在降水的過程中，蒸散量逐漸減少。改進(jìn)CWDI 可以很好的表征降水對(duì)春旱的緩解作用。

圖9 顯示了東北地區(qū)南部采樣點(diǎn)附近柵格點(diǎn)3—9 月的降水和蒸散量的變化趨勢(shì)，可以很容易地發(fā)現(xiàn)春季3—5 月缺少明顯的降水，進(jìn)入6 月之后，降水逐漸增多，在7 月下旬之后的一段時(shí)間內(nèi)，只有一次明顯的降水，這可能是導(dǎo)致當(dāng)?shù)胤蛋l(fā)展的主要原因。其次，幾乎每次降水過程，當(dāng)?shù)氐恼羯⒘慷紩?huì)下降，在降水過程中降水和蒸散的相關(guān)系數(shù)為-0.374，且通過了0.05 顯著性檢驗(yàn)，表明在逐日尺度上，降水過程中降水和蒸散具有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。選取柵格點(diǎn)的降水和蒸散變化與東北地區(qū)南部的干旱特征變化較為一致，并與圖8 在5 月22 日前后有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8 5 月21 日—5 月23 日的降水量，參考蒸散量以及監(jiān)測(cè)結(jié)果的空間分布 Fig. 8 Precipitation, reference evapotranspiration and spatial distribution of monitoring results from 21 to 23 of May

圖9 采樣點(diǎn)附近123.73°E，42.83°N 2018 年3 月1 日—9 月30 日降水和蒸散的變化 Fig.9 Changes of precipitation and evapotranspiration from March 1 to September 30, 2018 at 123.73°E and 42.83°N near sampling point

3 討 論

干旱災(zāi)變過程監(jiān)測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)期且動(dòng)態(tài)的過程。目前，針對(duì)作物水分虧缺指數(shù)的研究很多，但大部分直接使用氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)側(cè)重于分析作物干旱時(shí)空特征[22]。盡管也有基于逐日監(jiān)測(cè)方法開展干旱監(jiān)測(cè)應(yīng)用[23-24]，但是沒有充分考慮作物本身的特點(diǎn)，因此與作物不同發(fā)育期響應(yīng)干旱的特征結(jié)合的不夠緊密。本研究充分考慮了到作物需水量隨作物生長(zhǎng)發(fā)育的變化，通過設(shè)定逐日作物系數(shù)和CWDI 干旱強(qiáng)度等級(jí)的動(dòng)態(tài)閾值，改善CWDI 監(jiān)測(cè)玉米干旱災(zāi)變過程中存在的時(shí)空連續(xù)性、以及短時(shí)尺度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)敏感性等問題。

干旱的發(fā)生除了受到降水、溫濕度條件等氣象因子的影響外，農(nóng)作物的品種、種植制度和方式以及農(nóng)作物本身的生長(zhǎng)條件等對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生也有一定的影響[25]。不同作物品種對(duì)干旱的敏感程度不同，有較高抗逆性的玉米品種有利于降低干旱對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響[26]，半干旱條件下不同類型玉米適應(yīng)干旱的最佳密度不同[27]，這些差異也會(huì)導(dǎo)致干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果受到不同程度的影響。此外，適度的灌溉可以減弱玉米受旱程度，例如本文中實(shí)地調(diào)查的遼寧省新民市調(diào)查區(qū)（123.29°E,42.11°N），錦州市黑山縣和凌海市有灌溉條件或水分補(bǔ)給從而影響監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生了差異；適度的施肥也可降低作物干旱脅迫程度，降低干旱對(duì)產(chǎn)量的影響，Krcek 等[28]研究發(fā)現(xiàn)施用適宜劑量的氮肥可以很好的降低大麥干旱脅迫效應(yīng)，從而減輕干旱對(duì)產(chǎn)量的影響。同時(shí)，土壤質(zhì)地類型、地形地貌等[29]方面也會(huì)對(duì)土壤水分平衡造成影響。Hawthorne 等[30]的研究認(rèn)為坡度等地形因素對(duì)降水后土壤水分的衰退有一定的影響，坡度低的地方對(duì)干旱的抵御能力要強(qiáng)；另一方面，Miller等[31]研究發(fā)現(xiàn)在半干旱的地中海氣候中，無論植被覆蓋和降水差異的大小，干旱時(shí)長(zhǎng)受土壤深度的影響明顯。這些土壤、地形等環(huán)境因素都會(huì)影響干旱的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)過程和產(chǎn)量[32]。如果在今后的工作對(duì)其充分考慮上述因素，會(huì)使干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果更加可靠。除此之外，本研究使用的作物系數(shù)利用了FAO 推薦的玉米生育期作物系數(shù)變化規(guī)律，具有一定的普適性，今后的研究可以和相關(guān)農(nóng)業(yè)工作者合作，獲得更加精確的作物生育期作物系數(shù)變化曲線，也可使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加精確。

4 結(jié) 論

基于改進(jìn)CWDI 的2018 年春玉米干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果與地面調(diào)查結(jié)果具有較高吻合度，整體判對(duì)率達(dá)到了75.7%，比CWDI 干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果判對(duì)率提高了8.1%，且具有更好的空間連續(xù)性，表明改進(jìn)CWDI 可用以監(jiān)測(cè)東北地區(qū)春玉米干旱災(zāi)變過程；改進(jìn)CWDI 對(duì)降水因子短時(shí)變化具有較高敏感性，可以實(shí)時(shí)表征5 月22 日大范圍降水過程引起的干旱強(qiáng)度變化，表征降水對(duì)干旱的緩解作用；2018年干旱最重時(shí)段發(fā)生在5 月以及7 月下旬至8 月中旬，并且春旱強(qiáng)度和影響范圍大于伏旱。春旱主要發(fā)生在遼寧省西部和北部、吉林省西部、以及內(nèi)蒙古赤峰和通遼等地；伏旱主要發(fā)生在東北地區(qū)西南部，且主要集中在遼寧省。2018 年東北地區(qū)干旱貫穿了玉米整個(gè)生育期，大部分地區(qū)以輕度或輕度以上等級(jí)干旱為主，表明該年份干旱程度較為嚴(yán)重。