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        基于作物水分虧缺指數(shù)的河南省冬小麥干旱時(shí)空特征分析

        2019-08-21 01:13:57王連喜王田李琪
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年12期
        關(guān)鍵詞:時(shí)空特征干旱冬小麥

        王連喜 王田 李琪

        摘要:以河南省1961—2014年14個(gè)站點(diǎn)的逐日氣象數(shù)據(jù)以及冬小麥生育期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料,以作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)作為干旱指標(biāo),利用多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析河南省冬小麥干旱時(shí)空分布特征。結(jié)果表明:河南省冬小麥干旱覆蓋范圍廣,其CWDI指數(shù)存在準(zhǔn)2~4年及準(zhǔn)2~6年的周期變化;各干旱等級(jí)中,輕旱無(wú)突變發(fā)生,而中旱與重旱及以上分別在1973年和1965年發(fā)生了突變;輕旱的覆蓋范圍以3.25/10年的速率下降,中旱、重旱、特旱的覆蓋范圍則分別以2.52/10年、0.68/10年、0.47/10年的速率上升,以輕、中旱為主,重旱次之,特旱最少,其中,輕旱頻率高發(fā)區(qū)集中在豫南及豫西南,中旱頻率高值區(qū)以許昌、商丘、寶豐、盧氏等地為主,重、特旱主要發(fā)生在豫北一帶;極重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布為拔節(jié)-抽穗期>全生育期>乳熟-成熟期,重度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布為全生育期>拔節(jié)期-抽穗期>乳熟-成熟期,中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布為乳熟-成熟期>拔節(jié)-抽穗期>全生育期。

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

        中圖分類號(hào): S162.5+3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A? 文章編號(hào):1002-1302(2019)12-0083-06

        冬小麥?zhǔn)俏覈?guó)第三大主要糧食作物,河南省為我國(guó)冬小麥主要產(chǎn)區(qū),其種植面積和產(chǎn)量均位于我國(guó)各省份之首。干旱是冬小麥生育期間發(fā)生的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一,其發(fā)生頻率高,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),波及范圍廣,對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-2]。20世紀(jì)80年代中期以來(lái),河南省農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害發(fā)生的頻次和強(qiáng)度呈明顯增強(qiáng)的趨勢(shì),因此,建立理想的干旱指標(biāo),分析干旱災(zāi)害的時(shí)空特征,對(duì)開(kāi)展抗旱工作、河南省冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究以及對(duì)確保糧食產(chǎn)量有重大意義[3]。

        目前,用于農(nóng)業(yè)干旱的指標(biāo)較多,比較常用的干旱指標(biāo)有降水距平百分率[4]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)[5-6]、Palmer干旱指數(shù)(PDSI)[7]、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)[8]、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)[9]等。針對(duì)干旱問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[10-11]。史本林等利用SPEI指數(shù)分析河南省冬小麥干旱時(shí)空特征[12];成林等利用降水負(fù)距平對(duì)河南省冬小麥干旱規(guī)律進(jìn)行了分析[13];李樹(shù)巖等利用CI指數(shù)分析了河南省近40年的干旱特征[14]。作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)能較好地反映土壤、植物和氣象3方面因素對(duì)作物的綜合影響,可更加真實(shí)地反映作物水分虧缺狀況[15-16]。已有學(xué)者將CWDI指數(shù)應(yīng)用到我國(guó)部分區(qū)域的干旱研究中[17-19],但應(yīng)用作物水分虧缺指數(shù)在河南省所做的相關(guān)研究較為少見(jiàn),利用CWDI指數(shù)研究該區(qū)域冬小麥生育期干旱特征的報(bào)道更少。因此,本研究選取作物水分虧缺指數(shù)作為干旱指標(biāo),對(duì)河南省冬小麥干旱時(shí)空特征進(jìn)行分析,為相關(guān)部門(mén)制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃、趨利避害提供依據(jù)與參考。

        1 材料與方法

        1.1 資料來(lái)源

        氣象資料來(lái)源為河南省14個(gè)氣象臺(tái)站1961—2014年逐日平均氣溫度、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、水汽壓、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)。

        作物資料來(lái)源為河南省農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站1981—2014年冬小麥播種期、出苗期、三葉期、分蘗期、停止生長(zhǎng)期、返青期、起身期、拔節(jié)期、孕穗期、開(kāi)花期、乳熟期、成熟期等時(shí)間數(shù)據(jù)。

        地理特征資料來(lái)源為河南省14個(gè)氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)。

        1.2 研究方法

        1.2.1 作物水分虧缺指數(shù)計(jì)算方法

        1.2.1.1 累計(jì)水分虧缺指數(shù)計(jì)算方法 考慮到水分虧缺累積情況以及前期降水對(duì)后期冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響,從生育階段開(kāi)始的第1天算起,向冬小麥生長(zhǎng)期之前推50 d,以10 d為1個(gè)單位來(lái)計(jì)算水分虧缺指數(shù),則生育階段中某日的水分虧缺指數(shù)計(jì)算公式如下:

        1.2.2 冬小麥干旱指數(shù)等級(jí)劃分 目前,由于我國(guó)并未明確給出CWDI值的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),本研究在CWDI值與土壤相對(duì)濕度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,結(jié)合《中國(guó)氣象災(zāi)害大典(河南卷)》,給出了該區(qū)冬小麥干旱分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

        1.2.3.2 各生育期干旱頻率 逐年統(tǒng)計(jì)各站不同生育階段的干旱發(fā)生次數(shù),得到各站不同發(fā)育階段的干旱頻率Fa和強(qiáng)度[22]。

        1.2.5 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(Q) 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是一種考慮風(fēng)險(xiǎn)程度大小的指標(biāo),它將干旱強(qiáng)度與干旱頻率有機(jī)地結(jié)合在一起[23],具體算法為將各臺(tái)站各發(fā)育階段或全生育期的干旱頻率(F)與平均干旱強(qiáng)度(T)相乘,其中對(duì)平均干旱強(qiáng)度T還須進(jìn)行歸一化處理。

        1.2.6 數(shù)據(jù)處理與分析 本研究在Matlab軟件基礎(chǔ)上,運(yùn)用Morlet小波分析法探究冬小麥干旱指數(shù)的周期變化規(guī)律;對(duì)干旱等級(jí)覆蓋范圍進(jìn)行了M-K檢驗(yàn),探究其演變趨勢(shì)。在空間特征上,結(jié)合ArcGIS 10.2軟件對(duì)干旱等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)度進(jìn)行空間插值分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 干旱相關(guān)時(shí)間變化特征

        2.1.1 冬小麥干旱指數(shù)周期分析 河南省冬小麥水分虧缺指數(shù)(CWDI)的周期分析結(jié)果見(jiàn)圖1??梢钥闯觯←溗痔澣敝笖?shù)時(shí)間序列存在著準(zhǔn)2~4年、準(zhǔn)2~6年的周期變化。其中1965—1971年和1985—2000年存在準(zhǔn)2~6年尺度的周期變化,1981—1985年、2001—2007年存在2~4年尺度的周期變化,并且均通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。雖然1962—1965年和2007—2011年存在準(zhǔn)2~4年尺度周期,但未通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

        2.1.2 干旱覆蓋范圍的時(shí)間變化特征 由圖2可知,近53年河南省冬小麥干旱覆蓋范圍呈現(xiàn)增大趨勢(shì),且干旱覆蓋范圍很廣。這是由近幾十年來(lái)河南省氣候偏暖趨勢(shì)明顯,降水波動(dòng)較大,溫度的升高和降水量的減少導(dǎo)致的。研究期間的43年為干旱完全覆蓋(干旱覆蓋范圍為100%),且研究時(shí)段內(nèi)平均覆蓋范圍為97.57%,根據(jù)線性趨勢(shì)的傾向率計(jì)算得出,干旱覆蓋范圍以0.63/10年的速率在增大,特別是1990年代以來(lái)出現(xiàn)大范圍干旱事件的概率增大,2000年后干旱覆蓋范圍達(dá)100%。輕旱覆蓋范圍呈減少的趨勢(shì)(線性趨勢(shì)傾向率為-3.25/10年),其均值為38.41%,其中覆蓋范圍在1969、1979、1990和2003年達(dá)80%左右,但在1992及2011年未出現(xiàn)輕旱(覆蓋范圍為0)。中旱覆蓋范圍呈增大趨勢(shì)(線性趨勢(shì)傾向率為2.52/10年),均值為42.46%,其中1976、1986、1994、1996、2000、2004和2009年的覆蓋范圍達(dá)到70%以上,在1969、1990年未出現(xiàn)中旱(覆蓋范圍為0)。重旱覆蓋范圍呈增大趨勢(shì)(線性趨勢(shì)傾向率為0.68/10年),均值為15.1%。在年際變化上,1999年和2011年重旱覆蓋范圍明顯上升,其值分別達(dá)到50%、58%,1970、1977、1981年覆蓋范圍達(dá)43%左右。特旱覆蓋范圍最小,但也呈增加趨勢(shì)(線性趨勢(shì)傾向率為0.47/10年),均值僅為1.35%,研究期間,僅在1970、1980、1999和2011年這4年出現(xiàn)了特旱,其中,1999、2011年的覆蓋范圍分別達(dá)22%和28%。

        表2列出了不同等級(jí)干旱覆蓋范圍的年代際變化,輕旱覆蓋范圍最大的是1962—1970年,覆蓋范圍最小的是1991—2000年;中旱覆蓋范圍最大值出現(xiàn)在1990年代(50%);重、特旱覆蓋范圍最大值均發(fā)生在2010年代,其中特旱覆蓋范圍較少??傮w來(lái)看,干旱嚴(yán)重程度以1990年代、2010年代干旱較強(qiáng),1980年代和2000年代次之,這可能是因?yàn)?1世紀(jì)前后,我國(guó)大范圍氣溫較常年同期偏高,北方旱區(qū)每月平均氣溫較常年偏高0.52~2.00 ℃[24],氣溫偏高使土壤水分蒸發(fā)加快,加上厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)生進(jìn)一步加重了旱情發(fā)展,而各年代中主要以中旱覆蓋范圍最大,特旱覆蓋范圍最少。

        2.1.3 干旱覆蓋范圍的突變特征 對(duì)河南省14個(gè)站點(diǎn)干旱覆蓋范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,求出時(shí)間序列的UF(Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量正序列)和UB(Mann-Kandall統(tǒng)計(jì)量反序列)值,取顯著水平α=0.05情況下的臨界值為±1.96(圖3中的虛線)。

        通過(guò)圖3中的UF與UB時(shí)間序列值的走勢(shì)可以看出,輕旱無(wú)突變發(fā)生,而中旱、重旱及以上有突變(P>0.05),其中,中旱在1973年發(fā)生突變,突變后為增加趨勢(shì);重旱及以上在1965年發(fā)生突變,突變后亦表現(xiàn)為增多特征。此外,由圖3可知,1961—1975年輕旱基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì),1975年后呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 而中旱則在1962—1975年呈現(xiàn)下降趨勢(shì),1975年

        以后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

        2.2 干旱相關(guān)空間分布特征

        2.2.1 干旱頻率的空間分布特征 采用ArcGIS軟件柵格數(shù)據(jù)空間分析模塊中的反距離權(quán)重插值(IDW)方法,對(duì)河南省冬小麥全生育期不同等級(jí)干旱頻率進(jìn)行插值,生成空間柵格數(shù)據(jù),得到不同等級(jí)干旱頻率的空間分布。由圖4可以看出,河南冬小麥輕旱頻率高發(fā)區(qū)集中于豫南及豫西南一帶,其中,信陽(yáng)、駐馬店站點(diǎn)的輕旱頻率達(dá)57.38%~70.58%,由南向北輕旱頻率逐漸降低,豫中地區(qū)的輕旱頻率在28.46%~48.25%之間,豫北及三峽門(mén)站發(fā)生輕旱的頻率僅有5.88%~17.04%,屬輕旱頻率低發(fā)區(qū)。中旱頻率高發(fā)區(qū)集中在豫東、豫中及豫西北,其發(fā)生頻率為46.40%~52.94%;以北的安陽(yáng)、新鄉(xiāng)、開(kāi)封等地的中旱頻率為35.25%~46.40%,屬中旱次高頻發(fā)區(qū);豫南等地中旱發(fā)生頻率較低。重旱發(fā)生區(qū)主要集中于豫北及三門(mén)峽,其中,安陽(yáng)重旱頻率達(dá)41.18%~50.97%,豫中一帶重旱頻率均值在22%左右,豫南和豫西南重旱頻率最低。特旱發(fā)生頻率較低,主要發(fā)生在新鄉(xiāng)、安陽(yáng)及開(kāi)封,為6.05%~7.84%,豫南、豫西發(fā)生特旱的頻率在 0.92%以下。

        總體可見(jiàn),河南省冬小麥發(fā)生不同等級(jí)的干旱頻率呈緯向分布,即豫南及豫西南發(fā)生輕旱的頻率最高,主要是由于該區(qū)域總體偏南,降水較多,即使存在水分虧缺,也是低程度的,所以輕旱居多,中旱以上較少發(fā)生。豫東、豫中及豫西一帶是中旱高發(fā)區(qū),重旱和特旱主要集中在豫北,由于該區(qū)域受到季風(fēng)及副高氣候影響,導(dǎo)致降水偏少,土壤失墑嚴(yán)重,所以旱情嚴(yán)重。

        2.2.2 干旱風(fēng)險(xiǎn)度的空間分布 按照表3劃分的風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí),繪制河南省冬小麥全生育期及受干旱影響較大的拔節(jié)-抽穗期和乳熟-成熟期的干旱風(fēng)險(xiǎn)(圖5)。

        由圖5還可知,河南省冬小麥全生育期干旱風(fēng)險(xiǎn)重度區(qū)分布較廣,包括三門(mén)峽、盧氏、寶豐、商丘等區(qū)域,極重區(qū)集中在豫北地區(qū),中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在豫西及豫南部分區(qū)域,輕度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布于信陽(yáng)。

        河南省冬小麥拔節(jié)-抽穗期輕度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)較全生育期范圍有所增加,分散在西峽、駐馬店及信陽(yáng)區(qū)域,中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)逐漸北移,分布范圍有所增加,極重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)也有所增加,主要分布在豫北及三門(mén)峽部分區(qū)域,重度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布范圍減少,包括豫東及豫西北部分區(qū)域。

        河南省冬小麥乳熟-成熟期重度和極重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)較以上2個(gè)生育時(shí)段向北移動(dòng)縮小,中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布區(qū)域較廣,分布在豫西及豫南部分區(qū)域。

        3 討論與結(jié)論

        利用河南省14個(gè)冬小麥種植區(qū)氣象臺(tái)站1961—2014年的逐日氣象數(shù)據(jù),同時(shí)參考相關(guān)臺(tái)站冬小麥生育期資料,運(yùn)用CWDI指數(shù)和相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析方法,探究了近53年河南全省冬小麥干旱時(shí)空分布及變化特征,研究表明:

        從小波周期分析來(lái)看,河南省冬小麥干旱指數(shù)存在準(zhǔn) 2~4年及準(zhǔn)2~6年的周期變化。

        從冬小麥干旱覆蓋范圍上看,河南省干旱呈上升趨勢(shì)且發(fā)生范圍廣,主要以輕旱和中旱為主,重旱較少,特旱最少,這與成林等的研究結(jié)果[13]一致,與房穩(wěn)靜等的研究的結(jié)果(以輕旱為主)[24]有所不同,這可能與干旱指標(biāo)選取以及干旱等級(jí)劃分有關(guān)。其中,研究期間有43年為干旱完全覆蓋,輕旱以 3.25/10年的速率下降。而中旱、重旱和特旱分別以2.52/10年、0.68/10年、0.47/10年的速率上升。輕旱無(wú)突變發(fā)生,而中旱及重旱以上均發(fā)生了突變。

        從冬小麥干旱頻率的空間分布來(lái)看,河南省各地干旱頻率分布差別較大,即輕旱主要發(fā)生在豫南和豫西南一帶,由南至北輕旱頻率逐漸減少, 中旱頻率在豫東、豫中一帶最大,豫南最低,重旱和特旱主要發(fā)生在豫北,由北至南逐漸減少。這個(gè)結(jié)果比較符合實(shí)際,由于河南省降水從南向北逐漸減少,濕度南部大,北部小,同緯度的西部山區(qū)大于東部平原,能較好地反映河南省干旱發(fā)生的規(guī)律。

        從冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)度分布圖來(lái)看,拔節(jié)-抽穗期極重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布最廣,全生育期重度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布最廣,乳熟-成熟期則是中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布最廣。全生育期、拔節(jié)-抽穗及乳熟-成熟期極重風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在安陽(yáng)、新鄉(xiāng)和開(kāi)封。重度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)逐漸北移減少,而中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)逐漸擴(kuò)大,這可能與乳熟-成熟期降水量>拔節(jié)-抽穗期降水量有一定關(guān)聯(lián)。

        本研究在計(jì)算作物水分虧缺指數(shù)時(shí),供水量部分僅考慮了自然降水量,對(duì)有效降水量及灌溉量考慮得不是很充分,計(jì)算需水量時(shí)未考慮作物系數(shù)(Kc)在不同區(qū)域間的差異,這會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)一定誤差。此外,本研究中冬小麥在不同生育期的干旱風(fēng)險(xiǎn)度存在變化,表明其不僅與降水有關(guān),其他因素也在其中產(chǎn)生影響,但本研究中并未涉及。這些都有待今后進(jìn)一步研究,并應(yīng)在今后研究中結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行深入分析與探討,使該指數(shù)能更好地運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)中。

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