石河子墾區(qū)冬小麥生育期干旱變化特征

王芳芳, 魏 勇

(1.新疆維吾爾自治區(qū)氣象學(xué)會(huì), 烏魯木齊830002; 2.石河子氣象局, 新疆 石河子 832000)

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石河子墾區(qū)冬小麥生育期干旱變化特征

王芳芳1, 魏 勇2

(1.新疆維吾爾自治區(qū)氣象學(xué)會(huì), 烏魯木齊830002; 2.石河子氣象局, 新疆 石河子 832000)

基于石河子墾區(qū)4個(gè)氣象站的逐日數(shù)據(jù)，運(yùn)用相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)探究了過去52 a冬小麥作物生育期干旱變化特征，主要結(jié)論如下：(1) 過去52 a，石河子墾區(qū)冬小麥生育期干旱頻發(fā)，干旱頻次達(dá)200 d以上。干旱頻次總體呈減少趨勢(shì)，旱情總體有所減輕，其中石河子和烏蘭烏蘇干旱頻次減少趨勢(shì)最明顯，減勢(shì)分別為-5.91 d/10 a和-2.72 d/10 a。(2) 冬小麥不同生育期內(nèi)干旱頻次有所差異，在生育期初期和后期干旱發(fā)生較少，在越冬—返青期干旱發(fā)生較多;在冬小麥的整個(gè)生育期和各生育期，特旱發(fā)生頻次最高。(3) 降水的增加、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的減少對(duì)石河子墾區(qū)干旱有一定的緩解作用。

石河子墾區(qū); 生育期; 冬小麥; 干旱變化

氣候變化導(dǎo)致全球干旱洪災(zāi)頻發(fā)，水資源短缺和分布不平衡加劇，對(duì)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等有很大的影響[1]。其中在各類自然災(zāi)害造成的總損失中，氣象災(zāi)害引起的損失約占85%，而干旱又占?xì)庀鬄?zāi)害損失的50%左右[2]。因此，干旱研究引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。干旱是中國(guó)影響區(qū)域最廣、發(fā)生最頻繁、造成作物產(chǎn)量損失最大的氣象災(zāi)害之一[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1950-2001年期間，中國(guó)平均每年的旱災(zāi)面積高達(dá)氣象災(zāi)害受災(zāi)總面積的56.2%[4]。新疆作為干旱典型的干旱半干旱區(qū)，前人利用SPI指數(shù)[5]、K指數(shù)[6]、綜合氣象干旱指數(shù)[7]等氣象干旱指標(biāo)開展了一些研究，得出了很多極為有價(jià)值的結(jié)論，對(duì)于西北地區(qū)氣候變化的影響提供了豐富的理論參考。

小麥?zhǔn)侵袊?guó)主要的糧食作物，占糧食產(chǎn)量的20%～25%，在中國(guó)農(nóng)業(yè)糧食安全中占有相當(dāng)重要的地位。旱災(zāi)是中國(guó)麥區(qū)主要的氣象災(zāi)害，也是一直困擾冬小麥生產(chǎn)的重要問題[8]。小麥?zhǔn)鞘幼訅▍^(qū)的主要糧食作物之一。但是，由于降水稀少、蒸發(fā)旺盛，小麥種植期間，干旱頻發(fā)，嚴(yán)重影響小麥生產(chǎn)。因此，灌溉在石河子墾區(qū)占有極為重要的作用。作為氣候變化比較敏感的西北地區(qū)，尤其是石河子墾區(qū)，干旱演變關(guān)乎農(nóng)業(yè)灌溉需求和糧食安全生產(chǎn)，探究氣候變化下石河子墾區(qū)冬小麥生育期的干旱演變特征對(duì)墾區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展有重要意義。因此，本文基于墾區(qū)近50 a的氣象資料，探討墾區(qū)冬小麥不同生育期干旱的變化特征及其與氣象因子的關(guān)系，從而為氣候變化下區(qū)域干旱演變和冬小麥灌溉排水決策提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

石河子墾區(qū)地處天山北麓中段古爾班通古特沙漠南緣，屬典型的溫帶大陸性氣候，夏季短暫而炎熱，冬季漫長(zhǎng)而寒冷，年平均氣溫7.5～8.2℃，日照時(shí)數(shù)2 318～2 732 h，無霜期147～191 d，年降水量110～200 mm。石河子墾區(qū)水資源主要來自瑪納斯河，多年徑流量為12.74億m3，徑流季節(jié)性變化大[9]。由于具有豐富的光熱氣候資源和較為穩(wěn)定的地表水資源和廣袤的土地，加之生產(chǎn)管理水平和較高的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，使得石河子墾區(qū)成為新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶中重要的糧食、棉花和特色水果生產(chǎn)基地[10]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用資料是由國(guó)家氣象信息中心提供的1954—2012年石河子、烏蘭烏蘇、莫索灣和炮臺(tái)的逐日氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度等資料。由于站點(diǎn)資料的時(shí)間長(zhǎng)度不一致，為確保資料的可靠性和一致性，選取1961—2012年的氣象觀測(cè)資料進(jìn)行研究。

1.3 研究方法

氣候的干濕狀況主要是由氣溫和降水共同作用的結(jié)果。因此，本文采用相對(duì)值濕潤(rùn)指數(shù)來研究石河子墾區(qū)的干濕變化特征。相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)值越小,表示氣候越干旱,反之氣候則越濕潤(rùn)[11],其表達(dá)式為:

M=(P-PE)/PE

(1)

式中：M為相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)；P為月降水量(mm)；PE為潛在蒸散量(mm)，采用FAO56推薦的Penman-Monteith 公式[12-14]計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 全生育期干旱頻次變化特征

圖1為石河子墾區(qū)過去52 a全生育期冬小麥全生育期干旱頻次變化曲線。可以看出，研究時(shí)段內(nèi)，四站點(diǎn)年均干旱頻次大致相當(dāng)(表1)，但干旱頻次都呈減少趨勢(shì)。其中，石河子減少趨勢(shì)最明顯(圖1a)，氣候傾向率為-5.91 d/10 a；其次是烏蘭烏蘇(圖1b)，莫索灣(圖1c)和炮臺(tái)(圖1d)的干旱頻次略有減少趨勢(shì)。石河子干旱頻次減少趨勢(shì)在1961—1986年減勢(shì)較強(qiáng)，在1986—2012年大致趨于平穩(wěn)。烏蘭烏蘇干旱頻次年際波動(dòng)較大，在1962年達(dá)到最大值(257 d)，在1987年達(dá)到最小值(201 d)。莫索灣干旱頻次在1960s呈增加趨勢(shì)，在1970—1980s呈較少趨勢(shì)，隨后又呈增減趨勢(shì)，最小值僅為176 d(1 987)。炮臺(tái)干旱頻次年際波動(dòng)最大，總體變化趨勢(shì)不明顯。因此，在冬小麥全生育期，石河子墾區(qū)干旱頻次總體呈減少趨勢(shì)，旱情總體有所減輕。

2.2 不同生育期干旱變化特征

由于石河子降水具有年內(nèi)不均勻性，干旱在生育期的各個(gè)階段發(fā)生頻次也有所不同。表1可以看出，在冬小麥生育期內(nèi)，自播種—分蘗期—越冬—返青期，冬小麥干旱頻次逐漸增加，在越冬—返青期干旱頻次達(dá)到最大，隨后在返青—拔節(jié)期迅速減少，隨后在拔節(jié)—抽穗期略有增加，在抽穗—成熟期達(dá)到生育期最小頻次。變化趨勢(shì)上，各站點(diǎn)以及同一站點(diǎn)冬小麥不同生育期干旱頻次變化趨勢(shì)有所差異。石河子市和烏蘭烏蘇在播種—分蘗期、分蘗—越冬期、返青—拔節(jié)期和拔節(jié)—抽穗期以減勢(shì)為主，在抽穗—成熟期和越冬—返青期以增勢(shì)為主，且在越冬—返青期增勢(shì)最強(qiáng)；莫索灣干旱頻次僅僅在越冬—返青期略有減勢(shì)，其他生長(zhǎng)期都呈增加趨勢(shì)；炮臺(tái)干旱頻次總體以微弱減勢(shì)為主。

為進(jìn)一步分析冬小麥生育期干旱分布特征，對(duì)四站點(diǎn)冬小麥不同生育期不同干旱等級(jí)進(jìn)行了探究。圖2可以看出，在冬小麥生育期內(nèi)，特旱發(fā)生頻次最高，且貫穿冬小麥整個(gè)生育期。輕旱、中旱和中旱較為少發(fā)，僅在烏蘭烏蘇和炮臺(tái)冬小麥的越冬—返青期相對(duì)多發(fā)。因此，石河子小麥生育期干旱較為嚴(yán)重，干旱頻發(fā)且致災(zāi)嚴(yán)重的特旱較為頻發(fā)。

2.3 冬小麥生育期氣候變化趨勢(shì)

干旱演變與氣候因子的變化密切相關(guān)，本文分別探究了石河子冬小麥生育期主要?dú)庀笠蜃拥淖兓卣?。?可以看出，在全生育期，平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速呈明顯的減少趨勢(shì)，其他要素呈明顯的增加趨勢(shì)。而在各個(gè)生育期，僅有部分生育期的氣象因子變化達(dá)到顯著水平。其中，降水的增勢(shì)最強(qiáng)(1.63 mm/10 a)，降水的增加對(duì)緩解石河子冬小麥生育期干旱有一定的作用。但是，氣溫也呈增加趨勢(shì)，氣溫的增加會(huì)引起潛在蒸散的增加，加劇區(qū)域干旱；然而，石河子風(fēng)速呈減少趨勢(shì)，風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的減少可以有效的削弱氣溫增加而引起的蒸散的增加，有利于區(qū)域的暖濕化[12]。這表明，氣候變化下，石河子冬小麥生育期嚴(yán)重的水分匱缺程度伴隨著降水的增加在逐漸緩解，但是水分匱缺目前仍然很嚴(yán)重。

圖1 石河子墾區(qū)1961-2012年冬小麥全生育期干旱頻次變化特征

圖2 石河子墾區(qū)近50 a冬小麥生育階段不同程度干旱頻次

3 討 論

本文基于相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)探究了過去52 a石河子冬小麥生育期干旱變化特征。在冬小麥生育期，干旱頻次總體呈減少趨勢(shì)，這表明石河子墾區(qū)旱情在有所緩解，氣候區(qū)域暖濕化。這與這與凌紅波[15]、范麗紅[16]、施雅風(fēng)[17-18]等的研究結(jié)果是一致的。區(qū)域的濕潤(rùn)化在一定程度上對(duì)農(nóng)牧的發(fā)展和人居環(huán)境的改善有推動(dòng)作用，尤其是作物生育期的暖濕化對(duì)較為干旱的石河子墾區(qū)大有裨益。但是，石河子干旱較為嚴(yán)重，干旱仍然頻發(fā)，暖濕化趨勢(shì)在短時(shí)間尺度內(nèi)不能有效緩解區(qū)域的旱情。本研究表明石河子墾區(qū)特旱頻發(fā)，這是由于本文基于氣象干旱角度探究的，石河子墾區(qū)降水稀少，多年年降雨量為180～270 mm，而年蒸發(fā)量可達(dá)1 000～1 500 mm，水分匱缺極為嚴(yán)重。但石河子墾區(qū)灌溉發(fā)達(dá)，區(qū)域的灌溉對(duì)緩解干旱有極大的促進(jìn)作用。石河子區(qū)域水源全部來自天山積雪融化與雨水匯聚而成的地表與地下徑流，在區(qū)域的暖濕化增強(qiáng)下，天山冰雪融水也會(huì)增加[19]，從而可能增加區(qū)域的地表和地下徑流，改善區(qū)域水資源狀況。因此，探究氣候變化下墾區(qū)的干濕狀況對(duì)石河子墾區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和區(qū)域生態(tài)環(huán)境的建設(shè)有重要作用。

表1 冬小麥不同生育階段干旱頻次變化特征

表2 1961-2012年石河子墾區(qū)冬小麥不同生育期氣候要素變化特征

*為通過0.05水平顯著檢驗(yàn)，**為通過0.01水平顯著檢驗(yàn)。

石河子墾區(qū)冬小麥越冬—返青期干旱最為頻發(fā)，切干旱頻次有增加的趨勢(shì)，這表明冬旱和春旱在增強(qiáng)。春季是冬小麥返青關(guān)鍵時(shí)期，由于受大氣環(huán)流影響，多以大風(fēng)天氣較多、氣溫回升，易發(fā)春旱。另外，在這種天氣里，土壤的蒸發(fā)量加大，農(nóng)田、河流及水庫(kù)流失的水分無法及時(shí)補(bǔ)給，就形成了干旱氣候。另外，春季氣溫回升也加大了土壤蒸發(fā)，加重了農(nóng)田缺水狀況。因此，加強(qiáng)春季干旱的應(yīng)對(duì)即為重要[20]。

本文僅僅基于氣象干旱角度探究了石河子墾區(qū)冬小麥生育期干旱演變特征，未充分考慮下墊面要素，如冰雪融水的補(bǔ)給、徑流變化等，且區(qū)域水熱資源對(duì)全球變化的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的耦合系統(tǒng)，結(jié)合氣象學(xué)、水文學(xué)和作物水分匱缺開展作物生育期干旱的演變特征有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

過去52 a，石河子墾區(qū)干旱頻發(fā)，在冬小麥整個(gè)生育期，干旱頻次達(dá)200 d以上，其中石河子市、烏蘭烏蘇、莫索灣和炮臺(tái)分別為224.38 d，224.81 d，216.96 d和229.62 d。干旱頻次總體呈減少趨勢(shì)，旱情總體有所減輕，其中石河子和烏蘭烏蘇干旱頻次減少趨勢(shì)最明顯，減勢(shì)分別為-5.91和-2.72。冬小麥不同生育期內(nèi)干旱頻次有所差異，在生育期初期和后期干旱發(fā)生較少，在越冬—返青期干旱發(fā)生較多。在冬小麥的整個(gè)生育期和各生育期，特旱發(fā)生頻次最高。因此，石河子冬小麥生育期旱情有緩解的趨勢(shì)，但目前旱情依然很嚴(yán)重，仍需繼續(xù)采取應(yīng)對(duì)措施。

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Variability of Drought During Winter Wheat Growth in Shihezi Reclamation Area

WANG Fangfang1, WEI Yong2

(1.UrumqiMeteorologicalBureau,Urumqi830002,China; 2.ShiheziMeteorologicalBureau,Shihezi，Xinjiang832000,China)

Based on daily meteorological data from four stations and relative humid index, the temporal variation of drought frequency was analyzed in winter wheat growth during the period from 1961 to 2012. The results showed that drought happened frequently and presented decreasing trend in winter wheat growth in the past 52 years, which suggested that severity of drought had been alleviated in some extent, among which drought decreased significantly in Shihezi and Wulanwusu with the rate of -5.91 days/decade and -2.72 days/decade. Drought frequency presented different days at different growth stage of winter wheat, and more serious drought occurred during the early and later stage of winter wheat growth, but less drought frequency was observed at medium stage. The increasing trend of precipitation and the decreasing trend of wind speed and sunshine duration contributed most to the alleviating trend of drought.

Shihezi reclamation area; growth duration; winter wheat; drought variation

2015-12-02

2015-12-16

新疆氣象局氣象科技研究項(xiàng)目(MS201524)

王芳芳(1980—),女,新疆奎屯人,碩士,工程師,研究方向?yàn)闅庀笈c遙感。E-mail:wywff5167@qq.com

S423

A

1005-3409(2016)06-0238-04