崔佳龍 任景全 穆 佳 王冬妮

（吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林長春 130062）

1 引言

氣候變化背景下，極端天氣氣候事件頻發(fā)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了很大影響。干旱是影響農(nóng)作物的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一。國內(nèi)外學(xué)者對干旱進(jìn)行了大量研究，主要集中在干旱監(jiān)測[1-2]、干旱風(fēng)險[3-4]、干旱影響[5-7]等方面。顧西輝等[8]基于1961—2010年干旱災(zāi)害數(shù)據(jù)研究認(rèn)為，東北地區(qū)干旱災(zāi)害呈顯著上升趨勢。張淑杰等[9]研究表明東北地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高的時段主要在苗期生長階段。許玲燕等[10]基于SPEI指數(shù)研究了云南省夏玉米生長季干旱時空特征，認(rèn)為SPEI能夠較好地反映云南省歷史干旱變化的時空特征和夏玉米的產(chǎn)量變化情況。王連喜等[11]利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）研究了陜西省干旱變化及其對玉米產(chǎn)量的影響，研究表明，陜西省干旱趨勢逐漸增強(qiáng)，干旱與玉米產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)。綜上可知，不同學(xué)者利用不同的干旱指標(biāo)和方法研究了干旱特征及其對玉米的影響，但是這些指標(biāo)沒有形成規(guī)范，在其他區(qū)域的適用性也有待驗(yàn)證。

吉林省是玉米的集中生產(chǎn)區(qū)域，素有“黃金玉米帶”之稱。保障糧食安全生產(chǎn)尤為重要。本研究基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《北方春玉米干旱等級》（QX/T 259—2015）[12]，以逐日水分虧缺指數(shù)為玉米干旱指標(biāo)，結(jié)合玉米發(fā)育期資料，研究不同發(fā)育期玉米干旱特征。以期為吉林省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

吉林省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期。東部山區(qū)雨量充沛，但地形以山區(qū)為主，玉米種植面積較小。吉林省玉米主要種植區(qū)域?yàn)橹形鞑康貐^(qū)，中西部平原地區(qū)降水較東部偏少，干旱頻發(fā)，尤其西部地區(qū)有“十年九旱”之說。

2.2 資料來源

氣象數(shù)據(jù)為1961—2018年吉林省50個氣象站的逐日觀測數(shù)據(jù)，地理屬性數(shù)據(jù)包括各氣象站的經(jīng)緯度、海拔，數(shù)據(jù)均來源于吉林省氣象局。玉米生育期觀測資料為1981—2010年農(nóng)業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)。

2.3 玉米生育階段和干旱等級劃分

根據(jù)中國氣象局行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《北方春玉米干旱等級》（QX/T 259—2015），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)不同生育期的水分虧缺指數(shù)指標(biāo)，將玉米干旱分為無旱、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1。

表1 水分虧缺指數(shù)（Kcwdi）干旱等級劃分 %

2.4 作物水分虧缺指數(shù)計算方法

吉林省春玉米不同生育階段水分虧缺指數(shù)計算公式[12]如下：

式中，Kcwdi為玉米生育階段水分虧缺指數(shù)，Icwds，i為生育階段內(nèi)第i天的累計水分虧缺指數(shù)，n為某生育階段內(nèi)包含的總天數(shù)。

式中，Icwds，i為生育階段內(nèi)第i天的累計水分虧缺指數(shù)（%）；cwdi，i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)；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。

水分虧缺指數(shù)的計算：

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）；Ii為第i個時間單位的累計灌溉量（mm）。

式中，ET o，i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；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2。

表2 吉林省玉米作物系數(shù)Kc，i

春玉米干旱頻率的計算方法如下：

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。

2.5 統(tǒng)計分析

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計，采用ArcGIS 10.0軟件的反距離權(quán)重插值方法進(jìn)行干旱發(fā)生頻率的空間分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 玉米干旱發(fā)生站數(shù)比的年際變化

3.1.1 播種—出苗期干旱發(fā)生站數(shù)比年際變化

1961—2018年吉林省玉米播種—出苗期干旱發(fā)生站數(shù)比時間變化見圖1。由圖1a可見，干旱發(fā)生站數(shù)比呈下降趨勢，平均值為40.6%。其中，2010年干旱發(fā)生站數(shù)比為0；2001年干旱發(fā)生站數(shù)比最高，為90%；其他各年在4%～84%。干旱發(fā)生站數(shù)比在50%以上的共有20 a。從不同程度干旱發(fā)生站數(shù)比時間變化看，輕度、重度和特大干旱發(fā)生站數(shù)比呈逐年略微下降的趨勢；中度干旱發(fā)生站數(shù)比呈逐年略微上升趨勢。1961—2018年輕度、中度、重度、特大干旱發(fā)生站數(shù)比平均值分別為19.0%、9.2%、6.2%、7.6%，輕度干旱發(fā)生站數(shù)比遠(yuǎn)大于其他程度干旱。

圖1 1961—2018年吉林省玉米播種—出苗期干旱（a）、輕度干旱（b）、中度干旱（c）、重度干旱（d）和特大干旱（e）發(fā)生站數(shù)比年際變化

3.1.2 出苗—拔節(jié)期干旱發(fā)生站數(shù)比年際變化

1961—2018年吉林省玉米各生育期干旱發(fā)生站數(shù)比時間變化見圖2。出苗—拔節(jié)期干旱發(fā)生站數(shù)比呈下降趨勢，平均值為30.1%。其中，1990年、2010年、2014年和2015年干旱發(fā)生站數(shù)比為0；1963年干旱發(fā)生站數(shù)比最高，為70%；干旱發(fā)生站數(shù)比在50%以上的有8 a。輕度、中度、重度、特大干旱發(fā)生站數(shù)比平均值分別為18.1%、7.3%、3.6%、1.1%，輕度干旱發(fā)生站數(shù)比均大于其他程度干旱。從變化趨勢看，除特大干旱發(fā)生站數(shù)比基本為0外，其他程度干旱均呈下降趨勢。

3.1.3 拔節(jié)—抽雄期干旱發(fā)生站數(shù)比年際變化

拔節(jié)—抽雄期干旱發(fā)生站數(shù)比時間變化見圖2b。干旱發(fā)生站數(shù)比呈逐年降低趨勢變化，平均值為20.4%。其中，1997年最高，為70%；1977年、1994年、1998年和2012年干旱發(fā)生站數(shù)比為0；其他各年在2%～68%；干旱發(fā)生站數(shù)比在50%以上的有7 a。輕度、中度、重度、特大干旱發(fā)生站數(shù)比平均值分別為14.6%、3.7%、1.6%、0.5%，輕度干旱發(fā)生站數(shù)比均大于其他程度干旱。輕度、中度呈略微下降趨勢，重度和特大干旱發(fā)生站數(shù)比較低，變化趨勢不明顯。

3.1.4 抽雄—乳熟期干旱發(fā)生站數(shù)比年際變化

抽雄—乳熟期干旱發(fā)生站數(shù)比時間變化見圖2c。干旱發(fā)生站數(shù)比呈上升趨勢，平均值為14.3%。其中，1997年最高，為86%；有14年干旱發(fā)生站數(shù)比為0；其他各年在2%～52%。輕度、中度、重度、特大干旱發(fā)生站數(shù)比平均值分別為10%、3.3%、1.0%、0.1%，輕度干旱發(fā)生站數(shù)比均大于其他程度干旱。輕度和中度干旱發(fā)生站數(shù)比呈上升趨勢，重度和特大干旱變化趨勢不明顯。

3.1.5 乳熟—成熟期干旱發(fā)生站數(shù)比年際變化

乳熟—成熟期干旱發(fā)生站數(shù)比時間變化見圖2d。干旱發(fā)生站數(shù)比呈略微上升趨勢，平均值為21%。其中，1967年最高，為66%；1966年、1969年、1985年和1987年干旱發(fā)生站數(shù)比為0；其他各年在2%～64%；干旱發(fā)生站數(shù)比≥50%以上的有3 a。輕度、中度、重度、特大干旱發(fā)生站數(shù)比平均值分別為13.9%、4.4%、1.9%、0.8%，輕度干旱發(fā)生站數(shù)比均大于其他程度干旱。輕度和中度干旱發(fā)生站數(shù)比呈上升趨勢，重度和特大干旱變化趨勢不明顯。

圖2 1961—2018年吉林省玉米出苗—拔節(jié)期（a）、拔節(jié)—抽雄期（b）、抽雄—乳熟期（c）、乳熟—成熟期（d）干旱發(fā)生站數(shù)比年際變化

3.2 春玉米干旱發(fā)生頻率空間變化

從玉米干旱發(fā)生頻率空間分布特征結(jié)果來看，播種—出苗期（圖3a），干旱發(fā)生頻率由西向東逐漸降低。從空間分布看，西部各站干旱發(fā)生頻率均較高。其中，白城站發(fā)生頻率最高，為96.6%；鎮(zhèn)賚干旱發(fā)生頻率最低，為64.4%。中部干旱發(fā)生頻率為10.2%～72.9%。東部的煙筒山站為84.7%；長白和通化縣站為0；其他站干旱發(fā)生頻率較低，為1.7%～42.4%。出苗—拔節(jié)期，干旱發(fā)生頻率較高的站點(diǎn)主要集中在西部，松原、通榆、白城、前郭、扶余站干旱發(fā)生頻率均在80%以上。干旱發(fā)生頻率自西向東逐漸降低，吉林城郊、輝南和長白站干旱發(fā)生頻率為0。拔節(jié)—抽雄期，干旱發(fā)生頻率較高的站點(diǎn)依然位于西部，空間分布特征為西高東低。發(fā)生頻率均低于播種—出苗期和出苗—拔節(jié)期，長嶺、洮南、通榆、松原和前郭站干旱發(fā)生超過了50%，其數(shù)值范圍為50.8%～59.3%。抽雄—乳熟期，干旱發(fā)生頻率空間分布特征與前幾個時期一致，為由西向東逐漸降低。前郭站最高，為52.5%；洮南、乾安、白城、通榆和扶余站干旱發(fā)生頻率也在40%以上。乳熟—成熟期，干旱發(fā)生頻率由西向東逐漸降低，干旱發(fā)生頻率較高的站點(diǎn)主要集中在西部，西部各站點(diǎn)發(fā)生頻率范圍為40.7%～76.3%；輝南和長白站發(fā)生頻率為0；其他站發(fā)生頻率范圍為1.7%～44.1%。

圖3 1961—2018年吉林省玉米干旱發(fā)生頻率空間分布（%）

3.3 干旱典型年

從干旱站數(shù)比看，播種—出苗期、出苗—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽雄期、抽雄—乳熟期和乳熟—成熟期干旱發(fā)生站數(shù)比分別在2001年、1963年、1997年、1997年和1967年達(dá)到最高，是吉林省玉米各個生育階段發(fā)生干旱的典型年份。

4 結(jié)語

（1）從干旱發(fā)生站數(shù)比看，1961—2018年吉林省玉米播種—出苗期、出苗—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽雄期干旱發(fā)生站數(shù)比呈逐年下降趨勢；抽雄—乳熟期和乳熟—成熟期干旱發(fā)生站數(shù)比呈逐年上升趨勢。

（2）播種—出苗期、出苗—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽雄期、抽雄—乳熟期和乳熟—成熟期干旱發(fā)生站數(shù)比分別在2001年、1963年、1997年、1997年和1967年達(dá)到最高。從各發(fā)育期1961—2018年吉林省玉米干旱發(fā)生站數(shù)比平均值看，播種—出苗期干旱發(fā)生站數(shù)比最高，抽雄—乳熟期干旱發(fā)生站數(shù)比最低。從干旱發(fā)生頻率空間變化看，各生育期干旱發(fā)生頻率空間分布特征一致，均為由西向東逐漸降低，干旱大多發(fā)生在西部。

（3）通過計算逐日水分虧缺指數(shù)，基于干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，分析吉林省玉米不同生育期干旱時空變化，認(rèn)為吉林省西部是干旱發(fā)生最為嚴(yán)重的區(qū)域，這與事實(shí)相符。根據(jù)吉林省氣象災(zāi)害統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，2001年、1963年、1997年和1967年，吉林省均發(fā)生了不同程度的干旱，給糧食產(chǎn)量造成較大影響，這與本研究結(jié)果基本一致。本研究成果可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員合理選擇抗旱品種等提供參考，為決策者在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃和農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃提供數(shù)據(jù)支持。