山西南部季節(jié)性干旱特征及綜合防御技術(shù)

梁哲軍，王玉香，董　鵬，劉步春，張冬梅，劉　園，

楊印斌1，高　磊1，南雪琴1，齊宏立1

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所， 山西 運城 044000；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081)

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山西南部季節(jié)性干旱特征及綜合防御技術(shù)

梁哲軍1，王玉香1，董鵬1，劉步春2，張冬梅1，劉園2，

楊印斌1，高磊1，南雪琴1，齊宏立1

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所， 山西 運城 044000；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081)

采用標準化降水指數(shù)(SPI)為干旱指標，計算了山西省運城市49年(1958—2007年)各月干旱指數(shù)，并在此基礎(chǔ)上分析了山西南部地區(qū)季節(jié)性干旱特征。研究表明，干旱強度與干旱頻率在不同年代際表現(xiàn)特征不同。與運城地區(qū)49年同期均值相比，進入20世紀90年代后，春旱發(fā)生頻率、干旱強度分別提高了29.0%、5.1%；夏旱發(fā)生頻率提高41.9%，干旱強度下降了7.4%；秋旱發(fā)生頻率下降了23.8%，干旱強度提高了7.7%；冬旱發(fā)生頻率下降了26.6%，干旱強度下降了37.5%。干旱的季節(jié)性特征為春旱和夏旱有加重趨勢，秋旱和冬旱有減弱趨勢。春旱(3—5月)和伏旱(7—8月)作為可預(yù)見性干旱，可采用土壤墑情監(jiān)測、干旱預(yù)警、制定系統(tǒng)性抗旱措施等綜合防御技術(shù)。對于不可預(yù)見類型干旱，可采用建立抗旱水源、儲備抗旱機械等策略。

季節(jié)性干旱；標準化降水指數(shù)；干旱強度；綜合防御技術(shù)；山西南部

干旱直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與糧食安全，其發(fā)生規(guī)律及抗旱減災(zāi)措施成為重點研究的內(nèi)容[1-3]。山西省運城市位于山西省西南部，屬典型暖溫帶大陸性氣候。該地區(qū)多年平均降水量為539.5 mm，平均氣溫13.1℃，全年日照時數(shù)為2 276.5 h，大于0℃積溫平均在4 600℃～5 400℃，無霜期188～238 d[4]。春季降雨稀少、夏季炎熱、秋季多雨、冬季干燥為其主要氣候特征[5]。前人研究表明，運城地區(qū)春旱主要影響春播作物的播種、出苗以及冬小麥的生長發(fā)育[6-7]，夏旱中伏旱對玉米抽雄開花影響較大[8]。

干旱根據(jù)成因及影響因素可分為4種類型：氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱及社會經(jīng)濟干旱,相應(yīng)干旱指標包括氣象干旱指標、農(nóng)業(yè)干旱指標、水文干旱指標與社會經(jīng)濟干旱指標[9-10]。標準化降水指數(shù)(SPI)，是表示某時段降水量出現(xiàn)概率，適合于月以上尺度的干旱監(jiān)測與評估，可以對不同地區(qū)不同時段的干旱特征進行比較[11]。曹小虎[12]運用Mann-Kendall趨勢檢驗和線性回歸并結(jié)合SDSM模型分析了運城地區(qū)1961—2010年氣候，研究表明，1990年以后年平均氣溫升高，降水量呈下降趨勢，1991—2010年變化趨勢平緩。周晉紅等[13]運用3種常用氣象干旱指標(Pa、M、Z指數(shù))對山西省1961—2008年降水資料分析認為，山西各年代際、年、季干旱變化顯著，1977年后山西進入持續(xù)干旱期。前人研究大多集中在分析運城地區(qū)氣候變化特征，本文采用標準化降水指數(shù)作為干旱分析指標，以月為時間評價尺度，對運城地區(qū)干旱發(fā)生的時空特征進行分析，并與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上選擇相應(yīng)的季節(jié)性干旱防御措施，旨在為山西南部地區(qū)抗旱減災(zāi)提供技術(shù)參考。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域背景

本文研究范圍是山西省運城地區(qū)(E110°15′～112°04′；N34°35′～N35°49′)，屬溫帶大陸性季風氣候。氣象數(shù)據(jù)來源于運城市氣象局1958—2007年逐月降水資料數(shù)據(jù)。

1.2標準化降水指數(shù)及其計算方法

標準化降水指數(shù)(Standardized precipitation index, SPI)通過計算給定時間內(nèi)降雨量的累積概率，在多尺度上進行比較計算，能夠用同一干旱指標反映不同時間尺度的干旱情況，近年來在國際上得到廣泛應(yīng)用[14]。SPI由公式(1)計算得出：

(1)

(2)

式中，α、β是Γ分布函數(shù)的形狀和尺度參數(shù)；c0、c1、c2和d1、d2、d3是Γ分布函數(shù)轉(zhuǎn)換為正態(tài)累積頻率簡化近似求解公式的計算參數(shù)，其具體計算方法及取值可見參考文獻[12]、[13]。

采用運城市氣象站1958—2007年日降雨量數(shù)據(jù)計算出月降雨量參數(shù)，分別進行1、3、12個月尺度的SPI運算(結(jié)果分別記為月、季、年SPI)。根據(jù)氣象上季節(jié)劃分，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—2月。

干旱等級劃分參看國家氣象等級[15]劃分標準：

-1.0

1.3干旱頻率

干旱頻率表示某站有資料年份內(nèi)干旱發(fā)生頻繁程度。式中：N代表某站氣象資料總年數(shù)；n代表發(fā)生干旱年數(shù)。

P=(n/N)×100%

(3)

1.4干旱強度

干旱強度表示干旱嚴重程度，單站點某時間段內(nèi)干旱強度可由SPI絕對值(SPI≤-0.5)表示，|SPI|越大，表示干旱越嚴重[19]。

(4)

0.51.5 重旱。

2　結(jié)果與分析

2.1年尺度干旱發(fā)生特征

2.1.1年尺度干旱頻率根據(jù)公式(1)～(3)計算出運城地區(qū)1958—2007年SPI的年際干旱頻率(圖1)。干旱(輕旱以上)發(fā)生頻率為20.4%，中旱發(fā)生頻率為6.1%，特大干旱發(fā)生頻率為4.1%。以10年為一個周期進行分析，1958—1970年干旱(輕旱以上)發(fā)生頻率為30.8%；1971—1980年干旱發(fā)生頻率為10%；1981—1990年干旱發(fā)生頻率為10%；1991—2000年干旱發(fā)生頻率為50%；2000—2007年干旱發(fā)生頻率為50%。從本文數(shù)據(jù)分析來看，運城地區(qū)進入20世紀90年代后，干旱發(fā)生頻率呈上升趨勢。

圖1山西南部年際尺度干旱頻率

Fig.1Annual drought frequency in southern Shanxi

2.1.2年尺度干旱強度根據(jù)公式1～公式3計算出運城地區(qū)干旱發(fā)生強度，近49年干旱強度在0.51～2.32之間，干旱平均強度為1.06。從圖2中可以看出，運城地區(qū)干旱主要是輕度干旱。干旱發(fā)生最輕年份為1995年，干旱強度僅為0.51，最重為1997年，干旱強度為2.32。以10年為周期進行分析，1958—1970年干旱平均強度為0.57，干旱強度最大為1960年的1.4；1971—1980年，僅1979年發(fā)生干旱，強度為0.57；1981—1990年，僅1986年發(fā)生干旱，強度為2.1；1991—2000年干旱強度平均為1.04，最高為1997年的2.3。進入21世紀后，2001—2008年干旱平均強度為0.97，最大為2001年1.04。從以上分析看，運城地區(qū)干旱強度呈現(xiàn)先升后降的趨勢。

2.2季節(jié)性干旱特征

(1) 春旱。運城地區(qū)春旱年際間發(fā)生頻率在7.7%～42.9%，年際間發(fā)生強度在0.8～1.8之間波動，20世紀70年代后發(fā)生頻率呈上升趨勢(圖3)。春旱強度最高為2001年，達到特旱強度，也是運城地區(qū)49年來春旱強度最大一年。在春旱的3個月中，3月份干旱頻率與干旱強度最高，49年平均分別達到37.8%與1.2，其次為4、5月。1958—1970年，輕、中、重、特旱在3月份各發(fā)生1次，4、5月份干旱主要集中在輕旱與中旱(圖3)；1971—1980年，3月份中旱頻率達到30%，4、5月份干旱主要為輕旱；1981—2000年，春旱頻率與強度均呈減弱趨勢；2001—2007年春旱頻率與強度均呈上升趨勢，3月份輕旱頻率達到42.9%，3、4月份特旱頻率均達到14.3%。

圖2　山西南部年尺度干旱強度

圖3山西南部不同年際間季節(jié)性干旱頻率、強度比較

Fig.3Comparison of annual variations of seasonal drought frequency and intensity in southern Shanxi

從圖3可看出，夏旱在年際間表現(xiàn)差異較大。1958—1970年，6月份干旱頻率與強度均高于7、8月份。1971—1980年，8月份輕旱發(fā)生頻率為30%，中旱與特旱頻率達到10%，高于6、7月份。1981—1990年、1990—2000年夏旱頻率與強度均呈減弱趨勢。進入21世紀后，夏旱頻率與強度均呈加強趨勢，尤其7月份干旱比較突出。

(3) 秋旱。秋旱年際間發(fā)生頻率在20.0%～40.0%之間變化，干旱強度在0.7～1.5之間變化。秋旱49年發(fā)生強度最高一年1998年，Sk達到2.4。秋旱中10月份干旱頻率49年平均為29.4%，干旱頻率為1.2%，高于其它兩個月份。

秋旱在年際間表現(xiàn)差異較大(圖3)。1958—1970年，10月份平均干旱頻率與強度分別達到38.5%與1.2，其次為9月份，而11月份基本沒有干旱發(fā)生。1971—1980年，9月份干旱強于10、11月份。1981—1990年，10月份中、重、特旱發(fā)生頻率均達到10%，其次為11、9月份。1991—2000年，10月份干旱強于9、11月份。2001—2007年，11月份輕旱頻率為14.3%，中旱頻率達到28.6%，強于10月份干旱，而9月份沒有干旱發(fā)生。

(4) 冬旱。冬旱年際間發(fā)生頻率在0～46.2%之間變化，2001—2007年沒有發(fā)生冬旱。冬旱發(fā)生強度在0.6～1.6之間變化，最高值為1999年，Sk達到2.7。冬春連旱主要對北方小麥生長影響較大，發(fā)生冬春連旱的年份主要有1982、1984、1986年。

冬旱中12月份49年平均干旱頻率達到32.2%，高于其它兩個月。2月份49年平均干旱強度達到1.6，高于1、12月份。

對年際間冬旱逐月干旱情況進行比較表明，1958—1970年，2月份干旱最強，其次為12月份。1971—2000年，12月份干旱表現(xiàn)最強。2001—2007年，1月份干旱呈增強趨勢，其次為2月份，而12月份沒有干旱發(fā)生。

——美國陸軍時報網(wǎng)站發(fā)表題為《研究稱，肥胖威脅美國國家安全》的報道，稱在17歲至24歲的美國人中，約有30%的人沒有參軍資格，原因是體重過重。一位退役中將稱，美國國防部在現(xiàn)役軍人、退伍軍人及其家屬的肥胖相關(guān)醫(yī)療上花費了約15億美元

從以上分析來看，2000年以后運城地區(qū)春旱和夏旱呈增加趨勢，秋旱和冬旱略有降低趨勢，尤其春旱頻率和強度均有所增加。季節(jié)性干旱還表現(xiàn)為兩季連旱頻率增加，1958—1970年兩季連旱發(fā)生頻率為15.4%；1971—1980年發(fā)生頻率為10%；1981—1990年發(fā)生頻率為30%；最嚴重為1986年，4季連旱；1991—2000年發(fā)生頻率為20%；2000—2007年發(fā)生頻率為42.8%，如2001年春夏連旱、2004年夏秋連旱，2005年春夏連旱。

3　季節(jié)性干旱危害及應(yīng)對措施

3.1春旱危害及應(yīng)對措施

3.1.1危害春旱對北方農(nóng)作物主要影響冬小麥。早春(3月—4月中旬)時冬小麥處于越冬、返青和拔節(jié)期，作物根系淺，不能充分利用土壤深層儲水。春旱與上年冬旱相連，容易造成小麥越冬期死亡。進入4月中旬后，溫度回升，蒸發(fā)量加大，此時冬小麥處于開花灌漿的關(guān)鍵時期(冬小麥需水臨界期)，而且此時干旱經(jīng)常與高溫脅迫相伴，容易造成小麥減產(chǎn)[17]。研究表明，春旱可導致冬小麥分蘗減少，千粒重降低，并且春旱程度與冬小麥產(chǎn)量呈指數(shù)相關(guān)[18]。

3.1.2應(yīng)對措施根據(jù)冬小麥麥田發(fā)生干旱等級采取相應(yīng)的抗御措施。(1) 對于中旱及以上麥田及時進行補灌，減少干旱對作物生長的影響。(2) 對于輕旱及以下麥田，可采用覆蓋保墑、早春頂凌耙耱、鎮(zhèn)壓提墑、噴施抗旱劑、有限灌溉等措施[19-20]。

3.2夏旱危害及應(yīng)對措施

3.2.1危害夏旱包括6—8月期間的干旱，此階段夏玉米處于播種、出苗、拔節(jié)、孕穗、抽雄吐絲等階段。進入7月中旬后，夏玉米處于抽雄吐絲時期前后，達到水分需求臨界期，而且此階段干旱經(jīng)常與高溫相伴，容易造成玉米花粉敗育或雌雄穗花期間隔時間(ASI)過長而造成授粉困難，導致減產(chǎn)[21-22]。

3.2.2應(yīng)對措施(1) 對于中旱及以上田塊，及時補灌增加相對濕度，改善田間小氣候，尤其是玉米13葉期(大喇叭口期)前后，灌溉與追施氮肥同步進行；(2) 播前小麥秸稈還田覆蓋，秸稈覆蓋措施可以減少土壤表層無效蒸發(fā)，促進雨水下滲，提高表層土壤(0～10 cm)水分含量[23-24]；(3) 采用硬茬免耕直播或改平播為壟溝集雨種植模式[25-26]；(4) 播種時選用抗旱品種，如魯單50、群單105、農(nóng)大108、掖單13、掖單4號、鄭單2號等[27]；(5) 調(diào)整播期，經(jīng)多年試驗表明，運城地區(qū)6月10—15日播種，可以使夏玉米開花吐絲期避開伏旱高溫；(6) 拔節(jié)期前進行抗旱鍛煉；(7) 開花前多次噴施抗旱劑及葉面肥[28]；(8) 中耕除草，切斷土壤毛細管，減少水分蒸發(fā)；(9) 授粉不良田塊進行人工輔助授粉[29]。

3.3秋旱危害及應(yīng)對措施

3.3.1危害秋旱主要影響冬小麥的播種、出苗。秋旱影響冬小麥出苗和苗期根系發(fā)育，冬前分蘗減少，與冬小麥產(chǎn)量關(guān)系密切[30-31]。在正常年份，運城地區(qū)秋季降雨較多，可以滿足小麥播種的需要。

3.3.2應(yīng)對措施(1) 選用耐旱小麥品種，如晉麥47、陜旱8675、鄭旱1號[32]、運旱22-33等運旱系列小麥品種。

(2) 深耕、深松蓄水、起壟覆蓋溝播[33]、深施有機肥[34]、秸稈還田保墑。在傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)中，“秋雨春用，春旱秋抗”作為一抗旱戰(zhàn)略思想，目前在旱地農(nóng)業(yè)中仍廣泛使用[35]。冬小麥季深耕結(jié)合秸稈還田可打破犁底層，增強土壤蓄水保墑能力[36]。

(3) 搶墑播種[37]，足墑灌溉[38]。在秋季降雨不足的情況下，小麥采用搶墑播種和播后足墑灌溉可以保證小麥出苗和提高小麥抗旱能力。

3.4冬旱危害及應(yīng)對措施

3.4.1危害處于越冬期小麥對水分需求量較小，正常年份可滿足小麥越冬需要。在冬旱和秋冬連旱發(fā)生情況下，受旱較重麥田容易發(fā)生凍害，造成死苗[39]。在目前生產(chǎn)上大面積秸稈還田后，耕層虛而不實，會增加冬旱的影響。

3.4.2應(yīng)對措施(1) 中旱及以上麥田及時補灌。(2) 中耕斷根、鎮(zhèn)壓踏實，減少土壤無效水分蒸發(fā)。(3) 頂凌耙雪，碎土保墑[40]。

4　結(jié)論與討論

4.1標準化降水指數(shù)應(yīng)用與印證

應(yīng)用標準化降水指數(shù)(SPI)對山西南部區(qū)域近49年季節(jié)性干旱特征變化分析結(jié)果表明：(1)年尺度干旱強度與干旱頻率在不同年代表現(xiàn)特征不同，進入上世紀90年代后，干旱頻率呈增加趨勢，干旱強度呈減弱趨勢。(2)季節(jié)性干旱中，春旱和夏旱有加重趨勢，秋旱和冬旱有減弱趨勢。(3)春旱中3、4月份，夏旱中7、8月份干旱頻率與強度均高于其它月份。李闖[4]對運城地區(qū)干旱情況分析后認為3—5月、6—8月為易旱季節(jié)。裴秀苗等[6]使用線性回歸分析法對運城地區(qū)近40年氣候特征進行分析后認為1971—2010年3、4、7月份降雨量減少，容易形成春旱、伏旱。錢錦霞等[20]研究認為運城地區(qū)秋旱和冬旱略有降低趨勢，春旱頻率和強度均有所增加。以上研究與本研究結(jié)果相同，也印證了SPI指數(shù)在山西南部干旱情況分析中具有實用性。

4.2干旱分類應(yīng)對與綜合抗御技術(shù)

根據(jù)以上分析結(jié)果對運城地區(qū)季節(jié)性干旱特征進行比較，歸納為兩類：一類是發(fā)生頻率較高的可預(yù)見干旱，如春旱中3、4月份干旱，夏旱中7、8月份干旱，秋旱中11月份干旱，冬旱中1月份干旱。第二類是不可預(yù)見干旱。在對不同類型季節(jié)性干旱進行比較分類的基礎(chǔ)上分別采取“防、抗、補”的綜合抗旱策略。

對于可預(yù)見干旱，主要采取“以防為主”的策略，加強土壤墑情監(jiān)測和干旱預(yù)警[42]，制定系統(tǒng)性的周年作物生產(chǎn)抗旱技術(shù)體系和應(yīng)對不同類型干旱的技術(shù)措施。

對于不可預(yù)見類型干旱，采用“以抗為主，以補為輔”的策略。即采用應(yīng)急抗旱措施：(1)在干旱未發(fā)生時建立應(yīng)急抗旱水源，集雨窖、池塘、利用低洼地蓄集雨水等小型集雨工程，抗旱時可就近使用，提高抗旱時效[43-44]；(2)儲備灌溉提水機械，抗旱應(yīng)急設(shè)備可采用噴灌、微噴等節(jié)水灌溉設(shè)施，提高灌溉效率，擴大抗旱面積[45]；(3)建立區(qū)域應(yīng)急抗旱服務(wù)組織，并進行統(tǒng)一調(diào)度管理；(4)對于特大干旱，抗旱措施不明顯時可補種其他短季節(jié)作物。山侖[46]提出以5年為周期，采取以豐補歉的方式，在其他年份作物高產(chǎn)補回損失。

致謝：感謝中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學與生物技術(shù)學院明博博士在數(shù)據(jù)分析上提供幫助；感謝中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學與生物技術(shù)學院王璞教授及其主持的“主要農(nóng)作物抗御季節(jié)性干旱技術(shù)研究與示范”項目組成員提供幫助。

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Characteristics of seasonal drought and integrated drought-preventing techniques in South Shanxi

LIANG Zhe-jun1, WANG Yu-xiang1, DONG Peng1, LIU Bu-chun2, ZHANG Dong-mei1,LIU Yuan2, YANG Yin-bin1, GAO Lei1, NAN Xue-qin1, QI Hong-li1

(1.CottonResearchInstitute,ShanxiAcademyofAgriculturalSciences,YunchengShanxi044000,China;2.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,CAAS,Beijing, 100081,China)

The standardized precipitation index (SPI) was used to calculate monthly drought indices in the recent 49 yrs (from 1958—2007) with precipitation date from meteorological station in Yuncheng district Shanxi Province. Annual and seasonal drought frequency and intensity in southern Shanxi were analyzed with the SPI. The results showed that the drought frequency and drought intensity characteristics varied annually. Drought frequency showed an increasing trend, but drought intensity showed decreasing trends after 1990s. Drought in spring and summer was frequent, but it was not common in autumn and winter. Spring (March to May) and midsummer (July～August) drought can be relieved with integrated drought-preventing techniques, due to its predictability.

seasonal drought; standardized precipitation index (SPI); drought intensity; integrated drought-preventing techniques

1000-7601(2016)04-0281-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.42

2015-09-10

山西省科技攻關(guān)計劃(20150311002-6)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203031)；科技基礎(chǔ)性工作專項(2007FY120100)

梁哲軍(1973—)，男，山西臨猗人，博士，副研究員，研究方向為抗旱節(jié)水及農(nóng)業(yè)資源高效利用。 E-mail:sxlzj@126.com。

S162

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