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        大連1951—2020年玉米生長季旱澇分析

        2022-11-23 13:13:44林文忠
        安徽農(nóng)業(yè)科學 2022年21期
        關(guān)鍵詞:水平衡旱澇吐絲

        張 萌,林文忠

        (1.大連市甘井子區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心,遼寧大連 116039;2.大連市普蘭店區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心,遼寧大連 116200)

        近年來氣候異常變化,極端氣象災(zāi)害頻發(fā),嚴重影響糧食生產(chǎn)安全[1-3]。由于降水極端事件增多,旱澇災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成威脅[4-6]。所以,研究降水變化規(guī)律,掌握旱澇成因,提高風險防控意識,對防災(zāi)減災(zāi)確保糧食生產(chǎn)安全具有重要意義。近半個世紀以來受氣候變化的影響,除新疆、西藏等極少數(shù)地區(qū)降水量呈增加趨勢[7-8],我國絕大多數(shù)區(qū)域降水呈減少趨勢,致使干旱頻率和強度增加,干旱面積顯著擴大[9-11]。據(jù)王春乙等[12-13]的研究,我國農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害面積平均每年高達40%,而干旱面積在2 200萬km2以上。我國北方地區(qū)半干旱區(qū)域在擴大,并在不同尺度上干旱頻率、干旱嚴重程度更為明顯[14-16]。張淑杰等[17-18]研究了東北地區(qū)干旱現(xiàn)狀,認為干旱頻率明顯增加。李鵬程等[19]研究京津地區(qū)降水量變化發(fā)現(xiàn),非汛期降水變化平穩(wěn),而汛期降水量明顯減少;張麗艷等[20]研究認為從20世紀80年代以來京津冀地區(qū)干旱頻率增加、范圍在擴大。趙海燕等[21]研究表明農(nóng)業(yè)干旱具有明顯的南輕北重特征,而且北方農(nóng)業(yè)干旱更加頻繁。就大連地區(qū)來說,降水量和降水日數(shù)明顯減少[22-23],嚴重影響農(nóng)作物生長及糧食生產(chǎn)安全。因此,筆者以主要糧食作物玉米為例,選用旱澇指數(shù)方法[24]作為氣象旱澇指標,分析大連地區(qū)1951—2020年玉米生長季旱澇特征變化,以期為該地區(qū)干旱災(zāi)害防御、減輕重大干旱對農(nóng)業(yè)的影響提供參考。

        1 資料與方法

        1.1 研究區(qū)概況大連位于遼寧省遼東半島最南端,西北、東南面向黃渤海之濱,背依我國東北腹地。地理位置在38°43′~40°10′N、120°58′~123°31′E。全市耕地面積占土地總面積的22.8%。碧流河是境內(nèi)最大的流域。大連屬暖溫帶亞濕潤季風氣候,四季分明,冬無嚴寒,夏無酷暑。年平均日照時數(shù)在2 710 h左右,年平均氣溫10.5 ℃左右,無霜期175~201 d,年降水量在540~950 mm。

        1.2 數(shù)據(jù)來源采用1951—2020年大連氣象監(jiān)測站平均氣溫和降水量日值資料,分別統(tǒng)計玉米生長季(4月15日—9月30日)及玉米各個發(fā)育期不同時間尺度的平均氣溫、≥10 ℃積溫、降水等相關(guān)量。

        1.3 研究方法

        1.3.1趨勢分析。采用一元線性方程的一次項系數(shù)(a)表征氣象要素的變化趨勢,也稱之為氣候傾向率[25],見公式(1)。

        y=ax+b

        (1)

        式中,y為氣象要素,x為時間序列號(x=1951,1952,…,2020年),b為常數(shù)項,a為斜率(也稱傾向率),一般用10a來表示。a<0表示y隨時間x呈下降趨勢;a>0表示y隨時間x呈上升趨勢。

        1.3.2顯著性檢驗。氣候要素趨勢變化顯著性檢驗采用序列相關(guān)系數(shù)法[25],根據(jù)相關(guān)系數(shù)檢驗表確定顯著性,見公式(2)。

        (2)

        式中,r為相關(guān)系數(shù);xi為時間序列號(x=1951,1952,…,2020年);yi為氣象要素;n為樣本數(shù)n=70。

        1.3.3旱澇分析。采用亓來福[24]研究的旱澇指數(shù)來分析大連玉米生長期旱澇特征。旱澇指數(shù)等于同期降水量(R)與玉米需水量(Q)之比,見公式(3)、(4)。

        K=R/Q

        (3)

        Q=0.16∑ti

        (4)

        式中,K為旱澇指數(shù);∑ti為同期≥10 ℃積溫。依據(jù)干旱指數(shù)將K值分為7個旱澇判別等級,見表1。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 玉米生長季及各發(fā)育期降水變化特征

        2.1.1玉米生長季降水量。近70年大連地區(qū)玉米生長季(4月15日—9月30日)降水量平均值為541.2 mm,占年降水量的90.5%,最多降水量為843.6 mm(1951年),最少降水量為202.5 mm(1999年),降水極差為641.1 mm。標準偏差為±172.2 mm,異常偏多(>713.4 mm)有11 年,頻率為15.7%,異常偏少(<369.0 mm)有13年,頻率為18.6%。圖1顯示,近70年大連地區(qū)玉米生長季降水量呈減少趨勢,序列相關(guān)系數(shù)為-0.134(P>0.05),氣候傾向率為-10.60 mm/10 a,降水量線性減少74.2 mm。從各個年代平均降水量(表2)可以看出,20世紀80、90年代降水量較少,分別為479.6、495.8 mm,20世紀60、70年代降水量較多,分別為574.7、576.7 mm。

        2.1.2玉米各個發(fā)育期降水特征。播種—苗期(4月15日—5月31日)降水量累年平均值為75.7 mm,占玉米生長季的14.0%。最多降水量為216.7 mm(2009年),最少降水量為18.7 mm(1981年),標準偏差為±43.7 mm;降水正常值在32.0~119.4 mm,異常偏少(<32.0 mm)有10年,頻率為14.3%;異常偏多(>119.4 mm)有9年,頻率為12.9%。近70年大連地區(qū)降水量呈弱增加趨勢,序列相關(guān)系數(shù)0.177(P>0.05),氣候傾向率為3.88 mm/10 a,即近70年播種—苗期降水量線性增加27.2 mm。各個年代平均降水量見表2,其中2001—2010、2011—2020年降水量較多,分別為102.2、97.9 mm,20世紀80、90年代降水量較少,分別為58.1、64.6 mm。

        拔節(jié)—吐絲期(6月1日—8月15日)降水量累年平均值為372.5 mm,占農(nóng)作物生長季的68.8%。最多降水量為676.8 mm(2011年),最少降水量為132.1 mm(1999年);標準偏差為±132.0 mm;降水正常值在240.5~504.5 mm,異常偏少(<240.5 mm)有13年,頻率為18.6%;異常偏多(>504.5 mm)有12年,頻率為17.1%。近70年大連地區(qū)降水量呈減少趨勢,氣候傾向率為-8.67 mm/10 a,序列相關(guān)系數(shù)-0.133(P>0.05),拔節(jié)—吐絲期降水量線性減少60.7 mm。各個年代平均降水量見表2,其中20世紀60、70年代降水量較多,分別為412.6、396.5 mm,20世紀90年代和2001—2010年降水量較少,分別為337.2、320.9 mm。

        吐絲—成熟期(8月16日—9月30日)降水量累年平均值為93.0 mm,占農(nóng)作物生長季的17.2%。最多降水量為328.7 mm(1992年),最少降水量為6.7 mm(1982年),標準偏差為±58.4 mm;降水正常值在34.6~154.4 mm,異常偏少(<34.6 mm)有8年,頻率為11.4%;異常偏多(>154.4 mm)有7年,頻率為10.0%。近70年大連地區(qū)降水量呈減少趨勢,氣候傾向率為-3.47 mm/10 a,序列相關(guān)系數(shù)-0.133(P>0.05),吐絲—成熟期降水量線性減少24.3 mm。各個年代平均降水量見表2,其中20世紀50年代降水量最多(114.3 mm),20世紀80年代降水量最少(75.7 mm)。

        2.2 玉米生長季水平衡及旱澇分析

        2.2.1玉米生長季。水平衡(R-Q)等于同時期降水量(R)與需水量(Q)之差。玉米生長季水平衡為-38.9 mm,降水略顯不足,占生長季需水量的6.7%。1951—2020年,有34年降水盈余,頻率為48.6%,有36年降水虧缺,頻率為51.4%。水平衡<-100 mm有23年,頻率為32.9%;水平衡<-200 mm有14年,頻率為20.0%;水平衡<-300 mm有2年,頻率為2.9%;1999年缺水最多,高達-426.1 mm。水平衡>100 mm有21年,頻率為30.0%,水平衡>200 mm有8年,頻率為11.4%,1951年降水最多,盈余311.0 mm。由表2可知,20世紀50年代降水略顯不足,60、70年代降水盈余明顯,進入80、90年代和2001—2010年降水虧缺突出,2011—2020年降水略有回升。由圖2可知,近70年大連地區(qū)玉米生長季水平衡呈下降趨勢,氣候傾向率為-10.14 mm/10 a,序列相關(guān)系數(shù)為-0.120(P>0.05),未達到顯著水平。

        圖2 1951—2020年大連地區(qū)玉米生長季水平衡變化趨勢

        經(jīng)旱澇指數(shù)(K值)分析(表2),近70年大連地區(qū)玉米生長季旱澇程度總體表現(xiàn)為正常類型(K=0.93);其中,20世紀50、60、70年代、2011—2020年為正常類型,20世紀80、90年代、2001—2010年為輕旱類型。從圖3可以看出,近70年大連地區(qū)玉米生長季旱澇指數(shù)呈下降趨勢,序列相關(guān)系數(shù)-0.188,氣候傾向率為-0.027/10 a,說明玉米生長期氣候濕潤度朝著干燥方面發(fā)展。表3顯示,玉米生長期中澇、重澇出現(xiàn)頻率為14.3%,中旱、重旱出現(xiàn)頻率則為22.9%,重旱出現(xiàn)頻率為4.3%,約20年1遇。1951—1980年K值平均為1.04,濕潤度表現(xiàn)為正常;1981—2020年K值平均為0.89,濕潤度下降為輕旱類型。

        圖3 1951—2020年大連地區(qū)玉米生長季旱澇指數(shù)(K值)變化趨勢

        2.2.2玉米各發(fā)育期。播種—苗期水平衡為-21.1 mm,降水不足,占播種—苗期需水量的21.8%。在1951—2020年中有23年降水盈余,頻率為32.9%,有47年降水虧缺,頻率為67.1%。表2顯示,只有2001—2010年降水盈余(3.7 mm),其余各個年代降水均虧缺,20世紀80、90年代水平衡分別為-41.6、-41.4 mm,降水虧缺較多。播種—苗期總體表現(xiàn)為輕旱類型,其中2001—2010、2011—2020年表現(xiàn)為正常類型,20世紀80、90年代干旱最為嚴重,為中旱類型。旱澇指數(shù)(K值)氣候傾向率為0.022/10 a,呈上升趨勢,即玉米播種—苗期濕潤程度有所增加,這與春季降水量增加有直接關(guān)系。表3顯示,近70年播種—苗期中澇、重澇出現(xiàn)頻率為14.3%,輕旱、正常、濕潤為38.6%,中旱、重旱出現(xiàn)概率為47.1%,而重旱出現(xiàn)頻率高達25.7%,4年1遇。

        拔節(jié)—吐絲期水平衡為57.6 mm,降水盈余,占拔節(jié)—吐絲期需水量的18.3%。在1951—2020年中有46年降水盈余,頻率為65.7%,有24年降水虧缺,頻率為34.3%。表2顯示,除2001—2010年降水量與需水量相一致外,其余各個年代降水均盈余,20世紀60、70年代水平衡分別為105.6、87.3 mm,降水盈余較多。拔節(jié)—吐絲期總體表現(xiàn)為濕潤類型,1951—1980年K值變化在1.10~1.38,表現(xiàn)為濕潤、中澇類型,而1981—2020年K值為0.90~1.10,表現(xiàn)為正常。K值氣候傾向率為-0.029/10 a,說明拔節(jié)—吐絲期氣候向干燥方面發(fā)展。表3顯示,拔節(jié)—吐絲期中旱、重旱出現(xiàn)概率為11.4%,約10年1遇;中澇、重澇出現(xiàn)頻率為35.7%,重澇出現(xiàn)頻率22.8%,約4年1遇。

        吐絲—成熟期水平衡為-57.6 mm,降水不足,占吐絲—成熟期需水量的38.2%。在1951—2020年中有12年降水盈余,頻率為17.1%,有58年降水虧缺,頻率為82.9%。從各個年代平均水平衡(表2)來看,20世紀50年代降水虧缺最少,為-28.9 mm,最多出現(xiàn)在20世紀80年代,為-73.0 mm。吐絲—成熟期旱澇指數(shù)為中旱類型,K值氣候傾向率為-0.037/10 a,說明吐絲—成熟期氣候向干燥方面發(fā)展。從各個年代分析結(jié)果看,除20世紀50年代表現(xiàn)為輕旱類型,其他各年代均表現(xiàn)為中旱類型。表3顯示,吐絲—成熟期中澇、重澇出現(xiàn)頻率為10.0%;中旱、重旱出現(xiàn)頻率則為60.0%;重旱出現(xiàn)頻率為38.6%,約5年2遇。

        表3 大連玉米生長季各發(fā)育時段不同旱澇等級出現(xiàn)頻率

        3 討論

        該研究引用前人研究成果旱澇指數(shù)和旱澇等級劃分標準[24],分析了大連玉米生長季節(jié)需水量與降水量的關(guān)系,利用水平衡真實客觀地反映了大連地區(qū)旱、澇變化特征和發(fā)生頻率。玉米生長季旱、澇狀況的分析結(jié)果與王靜等[26]的研究結(jié)果一致,并與歷史記載旱、澇發(fā)生狀況基本吻合。玉米苗期和吐絲—成熟期干旱頻率較6—8月玉米旺盛生長期嚴重,而玉米旺盛生長期的6—8月濕澇災(zāi)害較苗期和吐絲—成熟期突出。該研究結(jié)果可為大連地區(qū)指導玉米栽培管理提供水平衡分析以及出現(xiàn)干旱時間段,為抗旱、防澇的早期災(zāi)害預(yù)警等提供依據(jù)。大連干旱災(zāi)害重于澇災(zāi),并且旱災(zāi)多出現(xiàn)在玉米的苗期和吐絲乳熟期,因此,大連地區(qū)在防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)中,應(yīng)著重防御春秋兩季的旱災(zāi)以及夏季的澇災(zāi)。

        4 結(jié)論

        (1)近70年大連玉米生長季各個時間尺度降水量歷年變化趨勢各不相同,播種—苗期降水量呈弱增加趨勢,拔節(jié)—吐絲—成熟期降水量呈減少趨勢。經(jīng)線性分析,播種—苗期降水量增加27.2 mm,拔節(jié)—吐絲降水量減少60.7 mm,吐絲—成熟期降水量減少24.3 mm。玉米生長季降水量總體表現(xiàn)出下降趨勢,減少74.2 mm。

        (2)經(jīng)水平衡分析,播種—苗期降水虧缺21.8%,拔節(jié)—吐絲期降水盈余18.3%,吐絲—成熟期虧缺38.2%,玉米生長期降水虧缺6.7%。

        (3)大連地區(qū)旱災(zāi)、澇災(zāi)同時存在,播種—苗期中澇、重澇頻率為14.3%,中旱、重旱頻率為47.1%;拔節(jié)—吐絲期中澇、重澇頻率為35.7%,中旱、重旱頻率為11.4%;吐絲—成熟期中澇、重澇頻率為10.0%,中旱、重旱頻率為60.0%;玉米全生長期中澇、重澇頻率為14.3%,中旱、重旱頻率為22.9%。

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