尤新媛 胡正華 張雪松

摘要：近年來(lái)，江蘇地區(qū)季節(jié)性干旱頻發(fā)，很大程度上制約了冬小麥產(chǎn)量的增長(zhǎng)。研究作物生長(zhǎng)季干旱發(fā)生的時(shí)空規(guī)律，對(duì)于采取有效防災(zāi)減災(zāi)措施具有重要意義?；诮K省1981—2010年14個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日氣象資料、冬小麥生育期及產(chǎn)量資料，利用作物水分虧缺指數(shù)（CWDI），分析近30年江蘇省冬小麥生長(zhǎng)季干旱的時(shí)空變化規(guī)律。結(jié)果表明，CWDI值在冬小麥各生育期均表現(xiàn)為江蘇北部高于南部，2個(gè)地區(qū)的CWDI多年均值在年代間變化趨勢(shì)大體一致，20世紀(jì)90年代是劇烈波動(dòng)期。從各等級(jí)干旱發(fā)生站次數(shù)的年代變化來(lái)看，30年里冬小麥拔節(jié)至抽穗期的干旱發(fā)生站次數(shù)為持續(xù)增加趨勢(shì)，其他3個(gè)生育階段呈現(xiàn)先增后減的單峰變化，峰值均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，說(shuō)明30年里旱情總體在加重，最嚴(yán)重的時(shí)期是20世紀(jì)90年代，21世紀(jì)初有所緩和。干旱發(fā)生概率的空間分布規(guī)律基本一致，總體為由蘇南向蘇北逐漸增大。在冬小麥各生育階段，蘇北的贛榆區(qū)、徐州市、宿遷市是干旱頻率的高值區(qū)，干旱頻率隨著干旱等級(jí)的升高而降低。江蘇省冬小麥生長(zhǎng)中后期干旱災(zāi)害發(fā)生的可能性較大，徐州市更是干旱災(zāi)害的高發(fā)區(qū)，須加強(qiáng)對(duì)干旱災(zāi)害的預(yù)警和預(yù)防。

關(guān)鍵詞：冬小麥;干旱;作物水分虧缺指數(shù);時(shí)空特征

中圖分類號(hào)： S423 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）02-0243-07

干旱是由于水分長(zhǎng)期收支或供求不平衡而形成的持續(xù)水分短缺現(xiàn)象[1]。其特點(diǎn)是發(fā)生頻繁、周期較長(zhǎng)、影響較大，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2]。隨著全球氣候變暖，降水量與蒸散量的不平衡，水資源日趨短缺，干旱已成為嚴(yán)重影響人類生存與發(fā)展的自然災(zāi)害[3-4]。在全球氣候變化的背景下，中緯度地區(qū)氣候暖干化受到了眾多專家學(xué)者的重視[5]，江蘇省地處中緯度的海陸過(guò)渡帶和氣候過(guò)渡帶，屬東亞季風(fēng)氣候區(qū)，降水量分布不均勻，旱澇災(zāi)害頻繁，這些會(huì)對(duì)農(nóng)作物的種植產(chǎn)生嚴(yán)重影響。小麥?zhǔn)俏覈?guó)最主要的糧食作物之一，江蘇省是南方麥區(qū)的重點(diǎn)種植區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的降水量南北差異大，由南向北遞減，一年中旱澇交替發(fā)生，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，干旱強(qiáng)度逐年增強(qiáng)，干旱頻率逐年增高，對(duì)冬小麥的生產(chǎn)影響越來(lái)越大[6]。

干旱的發(fā)生十分復(fù)雜，發(fā)展速度慢，影響因子多，各因子之間關(guān)系復(fù)雜，因此在對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警時(shí)，須要選定一個(gè)干旱指標(biāo)，再對(duì)干旱的氣候特征及其發(fā)生規(guī)律進(jìn)行下一步的研究。干旱指標(biāo)是表示干旱程度的特征量，將旱情以數(shù)值的方式呈現(xiàn)，便于直觀了解和分析旱情，是干旱監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)與核心[7]。前人利用不同的干旱指標(biāo)開(kāi)展了一系列的工作[8-17]，作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）是作物需水量與實(shí)際供水量之差占作物需水量的比值，將土壤、作物、氣象3個(gè)方面因素綜合考慮，來(lái)反映作物的水分虧缺狀況和干旱情況，對(duì)監(jiān)測(cè)不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)干旱具有較好的適用性[18]。薛昌穎等采用水分虧缺指數(shù)，分析了黃淮海地區(qū)近40年夏玉米生長(zhǎng)季干旱的時(shí)空變化規(guī)律[19]。王連喜等計(jì)算冬小麥生育期各旬需水量（ETi）以及作物水分虧缺指數(shù)，并根據(jù)農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)計(jì)算出研究區(qū)干旱頻率，分析陜西省冬小麥各生育期內(nèi)干旱指數(shù)時(shí)空分布特征[20]。董朝陽(yáng)等選取作物水分虧缺指數(shù)為農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)，基于驗(yàn)證后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（APSIM），明確了各生育階段不同等級(jí)干旱對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響[21]。李雅善等利用作物水分虧缺指數(shù)結(jié)合農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)，對(duì)葡萄不同生育階段不同程度干旱發(fā)生頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，研究了云南省葡萄產(chǎn)區(qū)的干旱時(shí)空分布特征[22]。黃晚華等在修正水分虧缺指數(shù)計(jì)算方法的同時(shí)，分析了干旱頻率的時(shí)空特征以及典型站點(diǎn)水分虧缺指數(shù)的年代際變化特征[23]。

目前，我國(guó)對(duì)于北方地區(qū)的干旱研究較多，而對(duì)南方地區(qū)的干旱研究相對(duì)較少。在農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)的研究中，前人多使用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）、綜合干旱指數(shù)（ID）等，本研究使用CWDI綜合考慮土壤水分、作物及氣候條件，較真實(shí)地反映區(qū)域內(nèi)作物缺水情況和農(nóng)業(yè)干旱情況。本研究以江蘇省為研究區(qū)，選取江蘇省14個(gè)氣象站1981—2010年的氣象資料，計(jì)算作物水分虧缺指數(shù)，分析江蘇省冬小麥各個(gè)生長(zhǎng)季干旱時(shí)空變化特征，以期為農(nóng)業(yè)水管理，冬小麥種植區(qū)劃及減災(zāi)避災(zāi)等提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

江蘇省位于我國(guó)大陸東部沿海中心，介于116°18′～121°57′E，30°46′～35°07′N之間。屬暖溫帶-亞熱帶氣候，冬溫夏熱，四季分明，年平均氣溫14～15 ℃，年平均降水量800～1 100 mm，氣候特點(diǎn)從南到北差異明顯。按照地理位置分布，越靠南的地區(qū)，暖濕程度越高;越靠北的地區(qū)，冷干程度越高。受海陸分布、大氣環(huán)流、季風(fēng)降水的共同影響，江蘇省已成為我國(guó)典型的旱澇災(zāi)害頻發(fā)區(qū)[24]。

1.2 資料來(lái)源

氣象資料選取江蘇省1981—2010年近30年14個(gè)站點(diǎn)氣象要素?cái)?shù)據(jù)，逐日氣象數(shù)據(jù)包括降水、日照時(shí)數(shù)、平均溫度、最高溫度、最低溫度、平均風(fēng)速、水汽壓，各站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。10個(gè)農(nóng)氣站冬小麥生育期資料，冬小麥生育期數(shù)據(jù)主要包括播種期、出苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期。冬小麥試驗(yàn)地點(diǎn)分別是在徐州市（34.38°N，117.15°E）、贛榆區(qū)（34.83°N，119.12°E）、盱眙縣（32.98°N，118.52°E）、射陽(yáng)縣（33.77°N，120.25°E）、東臺(tái)市（32.87°N，120.32°E）、南通市（32.02°N，120.85°E）、啟東市（32.07°N，121.6°E）、常州市（31.77°N，119.93°E）、溧陽(yáng)市（31.43°N，119.48°E）、吳中區(qū)（31.07°N，120.43°E）等農(nóng)氣站，以上不同氣象站的冬小麥播種時(shí)間分別為10月27日、10月7日、11月2日、10月26日、11月3日、11月11日、11月12日、11月5日、11月3日、11月12日。冬小麥產(chǎn)量資料來(lái)源于中國(guó)種植業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//www.moa.gow.cn）。干旱災(zāi)情資料來(lái)源于《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》和《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》[25]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.5 干旱站次數(shù) 用于反映干旱發(fā)生的范圍。該站點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到干旱等級(jí)被計(jì)為發(fā)生干旱1站次[19]。本研究以年代為時(shí)間尺度，計(jì)算區(qū)域內(nèi)冬小麥生育階段干旱發(fā)生站次數(shù)，來(lái)反映江蘇省冬小麥生長(zhǎng)季干旱發(fā)生范圍及次數(shù)的年代際變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 江蘇省分區(qū)

江蘇省各站點(diǎn)CWDI多年均值分別是徐州市為49%，贛榆區(qū)為47%，宿遷市為44%，射陽(yáng)縣為40%，盱眙縣為37%，淮安市為42%，東臺(tái)市為35%，常州市為31%，溧陽(yáng)市為27%，吳中區(qū)為31%，南通市為31%，呂泗港鎮(zhèn)為27%，南京市為33%，高郵市為36%。由北向南遞減，并且蘇北地區(qū)的數(shù)值遠(yuǎn)高于蘇南地區(qū)?；诮K省CWDI指數(shù)，在ArcGIS中利用自然斷點(diǎn)法將江蘇省分為南部和北部（圖2）。南部為高郵市、南京市、東臺(tái)市、常州市、溧陽(yáng)市、南通市、啟東市、呂泗港鎮(zhèn)8個(gè)站;北部為射陽(yáng)市、盱眙縣、淮安市、宿遷市、贛榆區(qū)、徐州市這6個(gè)站。南部CWDI最大為50%，最小為17%，多年均值為31%;北部CWDI最小為27%，最大為63%，多年均值為44%。

2.2 江蘇省冬小麥生長(zhǎng)季CWDI年際變化

從圖3可以看出，播種至出苗期，江蘇北部CWDI在8%（1985年）～62%（1997年）之間，平均為32%;南部CWDI在7%（2008年）～51%（1991年）之間，平均為27%。出苗期至拔節(jié)期，北部CWDI在19%（2000年）～66%（2010年）之間，平均為43%，南部CWDI在12%（2000年）～53%（2010年）之間，平均為33%。拔節(jié)期至抽穗期，北部CWDI在16%（1997年）～64%（1999年）之間，平均為41%，南部CWDI在9%（2002年）～46%（2007年）之間，平均為25%。抽穗期至成熟期，北部CWDI在13%（1997年）～67%（1999年）之間，平均為46%，南部CWDI在14%（1986年）～56%（2010年）之間，平均為32%。

冬小麥各生育期的CWDI平均值均表現(xiàn)為江蘇北部高于

南部。江蘇南部的CWDI多年均值以出苗期至拔節(jié)期的最大（33%），之后依次為抽穗期至成熟期（32%）、播種期至出苗期（27%）、拔節(jié)期至抽穗期（25%）;江蘇北部的CWDI多年均值以抽穗期至成熟期的最大（46%），依次為出苗期至拔節(jié)期（43%），拔節(jié)期至抽穗期（41%），播種期至出苗期（32%）。南北2個(gè)地區(qū)CWDI多年均值的年代間變化趨勢(shì)大體一致，20世紀(jì)90年代是劇烈波動(dòng)期。

根據(jù)5年滑動(dòng)平均趨勢(shì)線，出苗期至拔節(jié)期、拔節(jié)期至抽穗期、抽穗期至成熟期的CWDI值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)比較平緩，無(wú)明顯的峰值和谷值。播種期至出苗期CWDI值的時(shí)間變化趨勢(shì)出現(xiàn)了相對(duì)較明顯的峰谷值，南部的峰谷值分別在1995、2002年;北部的峰谷分別在1991、2003年。

2.3 冬小麥生長(zhǎng)季干旱站次數(shù)

各生育期全部等級(jí)干旱發(fā)生站次數(shù)的年代變化見(jiàn)圖4。近30年來(lái)，抽穗期至成熟期的干旱發(fā)生站次數(shù)最多，說(shuō)明在抽穗期至成熟期干旱發(fā)生的范圍最廣，之后依次是出苗期至拔節(jié)期、拔節(jié)期至抽穗期、播種期至出苗期。年代際變化上，僅拔節(jié)期至抽穗期為持續(xù)略有增加的趨勢(shì)，其他3個(gè)生育期呈現(xiàn)先增后減的“單峰”趨勢(shì)，峰值均出現(xiàn)在1991—2000年。從1981—1990年至1991—2000年，3個(gè)生育期分別增加了24、7、18站次;從1991—2000年至2001—2010年，3個(gè)生育期分別減少了11、16、3站次。

冬小麥各生育期不同等級(jí)干旱發(fā)生站次數(shù)的年代際變化情況見(jiàn)圖5。從各干旱等級(jí)發(fā)生的站次數(shù)來(lái)看，干旱等級(jí)發(fā)生站次數(shù)由多到少的排序分別為輕旱>中旱>重旱。輕旱的年代際變化4個(gè)生育期均呈現(xiàn)低—高—低的波動(dòng)變化，但出苗期至拔節(jié)期的整體趨勢(shì)是減少，播種期至出苗期、拔節(jié)期至抽穗期、抽穗期至成熟期均為增加趨勢(shì)。中旱的年代際變化播種期至出苗期、出苗期至拔節(jié)期的趨勢(shì)是增加;拔節(jié)期至抽穗期、抽穗期至成熟期呈現(xiàn)高—低—高的波動(dòng)變化，但總趨勢(shì)是增加。重旱的年代際變化出苗期至拔節(jié)期為穩(wěn)定增加趨勢(shì);播種期至出苗期、拔節(jié)期至抽穗期、抽穗期至成熟期呈現(xiàn)低—高—低的波動(dòng)變化，總體呈增加趨勢(shì)。

2.4 江蘇省冬小麥干旱頻率空間分布

2.4.1 各生育期干旱頻率 從圖6可以看出，4個(gè)生育期干旱發(fā)生概率的空間分布規(guī)律比較一致，總體為由南向北逐漸增大的趨勢(shì)。抽穗期至成熟期發(fā)生干旱的頻率最大，最大值達(dá)80%，北部大部分區(qū)域的干旱頻率在50%以上，南部大部分區(qū)域在30%以上。出苗期至拔節(jié)期次之，最高達(dá)70%，徐州市、贛榆區(qū)一帶在50%以上，除盱眙縣以外的剩余區(qū)域均在40%以上;南部的高郵市、南京市一帶達(dá)到30%以上，其余區(qū)域在30%以下。拔節(jié)期至抽穗期的干旱發(fā)生概率又進(jìn)一步降低;播種期至出苗期發(fā)生干旱的概率最低。江蘇省干旱發(fā)生概率空間分布由南向北遞增，不同生育期干旱發(fā)生概率分別為抽穗期至成熟期>出苗期至拔節(jié)期>拔節(jié)期至抽穗期>播種期至出苗期。

2.4.2 不同干旱等級(jí)發(fā)生頻率的空間分布 冬小麥生長(zhǎng)季

江蘇省不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率的空間分布見(jiàn)圖7。干旱發(fā)生頻率隨著等級(jí)的升高而降低;空間分布上北部高南部低。同一生育期各旱級(jí)干旱頻率的空間分布均以輕旱最為明顯。輕旱頻率呈北高南低分布，高值區(qū)在徐州市、贛榆區(qū)、高郵市、東臺(tái)市一帶;中旱、重旱等級(jí)干旱頻率主要集中在徐州市及贛榆區(qū)地區(qū)。

江蘇北部的徐州市、贛榆區(qū)、宿遷市隨著生育階段更替干旱頻率變化最明顯，尤其是輕旱等級(jí)。在輕旱等級(jí)上，干旱頻率分別為出苗期至拔節(jié)期>抽穗期至成熟期>拔節(jié)期至抽穗期>播種期至出苗期，在中旱等級(jí)上，干旱頻率分別為抽穗期至成熟期>拔節(jié)期至抽穗期>出苗期至拔節(jié)期>播種期至出苗期，在重旱上，抽穗期至成熟期>拔節(jié)期至抽穗期>出苗期至拔節(jié)期>播種期至出苗期。從不同生育階段各等級(jí)干旱發(fā)生頻率的空間分布來(lái)看，在出苗期至拔節(jié)期階段，江蘇北部以及中南部地區(qū)的輕旱發(fā)生頻率均在20%以上，而中旱、重旱以上干旱在抽穗期至成熟階段發(fā)生的概率最大，主要分布在江蘇北部的徐州市、贛榆區(qū)2地。

3 討論與結(jié)論

3.1 冬小麥生長(zhǎng)季干旱年際變化

年代際變化上，僅拔節(jié)期至抽穗期為持續(xù)略有增加的趨勢(shì)，其他3個(gè)生育期呈現(xiàn)先增后減的“單峰”趨勢(shì)，峰值均出現(xiàn)在1991—2000年。說(shuō)明冬小麥在拔節(jié)期至抽穗期干旱發(fā)生的范圍逐年擴(kuò)大，而其他3個(gè)生育期的干旱范圍是在20世紀(jì)80年代、20世紀(jì)90年代期間擴(kuò)大，并在20世紀(jì)90年代達(dá)到最大，之后又逐漸縮小。

1995、1997、1999、2001、2003、2010年這6年是旱情較嚴(yán)重的年份，與中國(guó)氣象災(zāi)害大典[25]中的記錄吻合，如1995年6月至11月，淮北大部分地區(qū)持續(xù)干旱少雨，降水量只有常年的40%，淮南地區(qū)降水持續(xù)偏少，氣溫偏高，蒸發(fā)量大，出現(xiàn)不同程度的旱情，特別是秋播開(kāi)始全省幾乎滴雨未落，直接影響正常播種，播種后出苗時(shí)間延長(zhǎng)，前后期的累積影響，致使旱情日趨嚴(yán)重。1997年8月21日至10月31日，江蘇省受西風(fēng)帶高壓脊控制，降水持續(xù)減少，大部分地區(qū)降水累積量在50 mm以下，同時(shí)日照充足、蒸發(fā)量大，土壤失熵嚴(yán)重，以致北部地區(qū)、南部丘陵山區(qū)旱情嚴(yán)重。2010年9月23日開(kāi)始，江蘇省發(fā)生60年來(lái)最嚴(yán)重旱災(zāi)，江蘇省淮北地區(qū)累計(jì)面平均雨量?jī)H為4 mm，比常年同期偏少94%，為1950年以來(lái)最小值。至12月10日，淮北地區(qū)連續(xù)無(wú)有效降雨天數(shù)超過(guò)70 d，部分地區(qū)已超過(guò)90 d?；春?1月以來(lái)僅有少量來(lái)水，近期一度斷流，旱情持續(xù)蔓延，主要農(nóng)作物小麥生長(zhǎng)形勢(shì)嚴(yán)峻，部分地區(qū)出苗率不到50%。

3.2 冬小麥生長(zhǎng)季干旱空間分布

本研究利用CWDI這一農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)分析江蘇省冬小麥各生育階段干旱的時(shí)空演變特征。抽穗期至成熟期發(fā)生干旱的頻率最高，程度最重，其次分別是出苗期至拔節(jié)期、拔節(jié)期至抽穗期、抽穗期至成熟期，說(shuō)明江蘇地區(qū)以冬旱和夏旱為主，這與災(zāi)害大典江蘇卷[25]中的記載相符：冬旱平均5年2遇，夏旱平均4年1遇，春旱、秋旱平均10年1～2遇。但包云軒等利用氣象干旱復(fù)合指數(shù)（CI）指數(shù)研究江蘇省干旱時(shí)空分布認(rèn)為，冬季發(fā)生干旱頻率最高，夏季發(fā)生干旱頻率最低[11];張旭暉等利用水分虧盈量與標(biāo)準(zhǔn)蒸散之比作為干旱指標(biāo)，研究江蘇省農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生的規(guī)律，他們發(fā)現(xiàn)江蘇北部冬旱最嚴(yán)重，南部秋旱最嚴(yán)重[29]。結(jié)果產(chǎn)生差異的原因可能是所選取的干旱指標(biāo)不同，但上述研究對(duì)江蘇省發(fā)生程度最重、頻率最高的是冬旱的看法是一致的。

冬小麥不同生育期干旱的走勢(shì)基本一致，干旱頻率均呈現(xiàn)由南向北遞增的變化趨勢(shì)，徐州市旱情最為嚴(yán)重。這與前人研究結(jié)果一致，張旭輝等認(rèn)為，江蘇省干旱發(fā)生的概率和程度由南向北加重，淮北為江蘇省旱災(zāi)發(fā)生最多的地區(qū)[29]。

（1）從CWDI值來(lái)看南北差異大。南部CWDI最大為50%，最小為17%，多年均值為31%;北部CWDI最大為27%，最小為63%，多年均值為44%。（2）從時(shí)間尺度來(lái)看，南部、北部2個(gè)地區(qū)的CWDI多年均值在年代間變化趨勢(shì)大體一致，20世紀(jì)90年代是劇烈波動(dòng)期。1997、1999、2001、2003、2010年是冬小麥干旱發(fā)生較嚴(yán)重的年份。干旱的范圍先增后減，20世紀(jì)90年代干旱范圍最大。（3）從空間分布來(lái)看，各階段干旱的空間分布走勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)為由南向北遞增的變化趨勢(shì)，江蘇北部的徐州市、贛榆區(qū)、宿遷市一帶是干旱頻率的高值區(qū);并且發(fā)現(xiàn)各階段干旱發(fā)生頻率隨著干旱等級(jí)的升高而降低。（4）從生育階段變化來(lái)看，抽穗期至成熟期的干旱發(fā)生站次數(shù)最多，干旱發(fā)生范圍最廣，其次依次是出苗期至拔節(jié)期、拔節(jié)期至抽穗期、播種期至出苗期。同時(shí)抽穗期至成熟期的干旱頻率最高，干旱程度最重，其次依次是出苗期至拔節(jié)期、拔節(jié)期至抽穗期、播種期至出苗期。（5）從干旱等級(jí)來(lái)看，江蘇省以輕旱為主。輕旱發(fā)生的范圍最廣，不同干旱等級(jí)發(fā)生站次數(shù)由多到少的排序分別為輕旱>中旱>重旱。輕旱發(fā)生的頻率最高，干旱頻率隨著干旱等級(jí)的升高而降低。

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