皖北砂姜黑土地冬小麥生育期尺度干旱指標(biāo)研究

李 德，孫有豐，孫 義

(安徽省宿州市氣象局，安徽宿州 234000)

皖北砂姜黑土地冬小麥生育期尺度干旱指標(biāo)研究

李 德，孫有豐，孫 義

(安徽省宿州市氣象局，安徽宿州 234000)

為給砂姜黑土區(qū)小麥干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警、評(píng)估等工作提供參考，利用代表站點(diǎn)的氣象資料、冬小麥生育期觀測(cè)資料和麥田不同時(shí)期土壤水分測(cè)定資料，采用平均值、點(diǎn)聚圖、有序樣本最優(yōu)聚類等方法，建立了皖北砂姜黑土地冬小麥生育期尺度的土壤水分、降水量負(fù)距平百分率、麥田水分盈虧率干旱指標(biāo)，并分為輕旱、中旱、重旱和特旱4個(gè)等級(jí)。經(jīng)檢驗(yàn)，降水量負(fù)距平百分率指標(biāo)和水分虧缺率指標(biāo)的平均正確率均在80%以上，2種指標(biāo)對(duì)重旱和長(zhǎng)期干旱具有較強(qiáng)的解釋能力。同時(shí)，給出了不同生育期發(fā)生不同等級(jí)干旱時(shí)的減產(chǎn)率參考值。

冬小麥；生育期；干旱指標(biāo)；減產(chǎn)率

砂姜黑土是淮河流域古老耕作土壤，主要分布于安徽、山東、河南、江蘇省內(nèi)，安徽省內(nèi)約有165萬(wàn)hm2，且為冬小麥主產(chǎn)區(qū)。由于砂姜黑土毛管性能弱，供水能力差，極易發(fā)生旱災(zāi)[1]，為安徽省冬小麥干旱災(zāi)害的重度和極重度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[2-3]，干旱已成為該區(qū)域冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素[4]。特別是近年來(lái)，隨著全球氣候的變化，淮河流域農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生頻率和強(qiáng)度明顯增加與趨重[5]。如2008-2009年的秋冬春連旱給當(dāng)?shù)氐男←溕a(chǎn)造成嚴(yán)重影響[6]。因此，開(kāi)展砂姜黑土區(qū)冬小麥生育期間干旱指標(biāo)的研究，對(duì)開(kāi)展旱災(zāi)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、評(píng)估等工作具有重要意義。

近年來(lái)，許多學(xué)者圍繞小麥干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了大量研究，先后建立了降水量[7]、葉-氣溫差[8]、土壤水分[9]、作物供需水[9]、形態(tài)特征[10]等指標(biāo)，并用于干旱災(zāi)害評(píng)估。然而，由于干旱災(zāi)害具有區(qū)域性，且與作物種類密切相關(guān)。因此，需針對(duì)不同區(qū)域不同土壤類型分別建立干旱指標(biāo)，方能滿足精準(zhǔn)化服務(wù)需求。然而目前針對(duì)皖北砂姜黑土地冬小麥的此方面研究尚較鮮見(jiàn)。

本研究利用淮河流域皖北砂姜黑土地麥區(qū)代表站點(diǎn)的長(zhǎng)序列氣象資料、冬小麥觀測(cè)資料和麥田不同時(shí)期降水前后土壤水分資料，采用平均值、點(diǎn)聚圖、有序樣本最優(yōu)聚類等方法，分別建立冬小麥不同生育期土壤水分、降水量負(fù)距平百分率、麥田水分盈虧率指標(biāo)，以期為該區(qū)域冬小麥干旱災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、評(píng)估等工作提供基礎(chǔ)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域基本情況

在中國(guó)小麥種植區(qū)劃中，安徽省淮北平原屬北方冬麥區(qū)的黃海麥區(qū)[11]，砂姜黑土地主要分布在淮北平原中南部的河間平原(圖1)，即臨泉、渦陽(yáng)、埇橋和泗縣一線以南和沿淮崗地以北地區(qū)，占平原總土地面積的53%。砂姜黑土區(qū)內(nèi)12個(gè)站點(diǎn)(圖1)在1971-2010年冬小麥生育期內(nèi)的平均降水量為300 mm左右，≥0 ℃的積溫為2 300 ℃·d，日照時(shí)數(shù)為1 300 h，氣候條件適宜冬小麥種植，常年冬小麥種植面積占安徽省耕地面積的65%以上。在中國(guó)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中，安徽省淮北平原的砂姜黑土區(qū)屬于冬小麥優(yōu)質(zhì)種植區(qū)[12]。

1.2 資料來(lái)源

選取皖北12個(gè)砂姜黑土主要分布縣(區(qū))即臨泉、阜南、太和、阜陽(yáng)、潁上、懷遠(yuǎn)、五河、蒙城、渦陽(yáng)、埇橋、泗縣、濉溪的氣象實(shí)測(cè)值，進(jìn)行冬小麥生育期間氣候條件分析；利用冬小麥生產(chǎn)期間灌溉面積相對(duì)較少的埇橋區(qū)冬小麥生育期間的氣象資料，進(jìn)行降水量負(fù)距平百分率指標(biāo)和水分虧缺率指標(biāo)建立。其中，1960-2012年12個(gè)站點(diǎn)冬小麥單產(chǎn)數(shù)據(jù)取自各縣(區(qū))統(tǒng)計(jì)年鑒，相應(yīng)年度冬小麥生育期間降水量、氣溫等實(shí)測(cè)值取自安徽省氣象信息中心。1980-2013年埇橋區(qū)冬小麥生育期、干旱災(zāi)害觀測(cè)與調(diào)查資料和不同時(shí)期同步測(cè)定的土壤水分資料，以及2004-2006年冬小麥生育期內(nèi)不同時(shí)間降水前后測(cè)定的土壤水分資料，均取自安徽省宿州市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站。使用時(shí)剔除當(dāng)年播種期進(jìn)行灌溉的土壤水分樣本。

宿州市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站觀測(cè)試驗(yàn)基地中心經(jīng)緯度為117°E、33.6°N，海拔高度為25.9 m，試驗(yàn)地段各土層的田間持水量、土壤容重和凋萎系數(shù)見(jiàn)表1。觀測(cè)試驗(yàn)基地土壤綜合肥力屬中等水平，其中土壤有機(jī)質(zhì)含量22.86 g·kg-1，全氮含量1.17g·kg-1，堿解氮含量77.0 mg·kg-1，速效磷含量25.5 mg·kg-1，速效鉀含量110.0 mg·kg-1，pH 6.9。

表1 宿州市農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)與試驗(yàn)地段的田間持水量、土壤容重和凋萎系數(shù)Table 1 Water capacity,soil bulk density and wilting coefficient in Suzhou agrometeorological experiment station

1.3 研究方法

1.3.1 冬小麥生育時(shí)段的劃分

利用12個(gè)站點(diǎn)歷年冬小麥生育期觀測(cè)資料，將小麥生育進(jìn)程分為6個(gè)生育時(shí)期(播種-三葉期、三葉期-越冬前、越冬期、返青期-拔節(jié)期、拔節(jié)期-抽穗期、抽穗期-乳熟期)，并依據(jù)器官建成和對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成的作用，將小麥全生育期分為3個(gè)時(shí)段(幼苗、器官建成和籽粒形成)(表2)。

表2 冬小麥主要生育階段所對(duì)應(yīng)的常年日期Table 2 Major growth period and the nomal date of winter wheat

1.3.2 冬小麥干旱災(zāi)損率的提取

本研究采用逐年冬小麥的相對(duì)氣象產(chǎn)量(yh)表示災(zāi)損率，如果實(shí)際產(chǎn)量高于趨勢(shì)產(chǎn)量，則表明無(wú)災(zāi)損，yh取0。

一般來(lái)說(shuō)，農(nóng)作物產(chǎn)量(y)可分為 3 個(gè)部分，即趨勢(shì)產(chǎn)量(yt)、氣象產(chǎn)量(yw)和隨機(jī)“噪聲”(ε)：

y=yt+yw+ε

由于ε一般忽略不計(jì),故(1) 式可簡(jiǎn)化為：

y=yt+yw

本研究對(duì)趨勢(shì)產(chǎn)量(yt)采用3次多項(xiàng)式法[13]求?。?/p>

yt=a1x3+a2x2+a3x+b

式中，a1、a2、a3分別為三次多項(xiàng)式的系數(shù)，b為多項(xiàng)式常數(shù)項(xiàng)，x為從1960-2012年的年代序數(shù)。

災(zāi)損率(減產(chǎn)率)：yh=-yw/yt×100%

yh是一個(gè)具有時(shí)空可比性的相對(duì)指標(biāo)。

1.3.3 土壤水分指標(biāo)的確定

采用平均值法、點(diǎn)聚圖法[14-15]和有序樣本最優(yōu)聚類法[16]，綜合確定冬小麥不同生育時(shí)期發(fā)生不同等級(jí)干旱時(shí)的土壤水分指標(biāo)。

(1)平均值法

將冬小麥不同生育期內(nèi)具有相同旱情等級(jí)的土壤含水量(重量含水量)資料，按照輕旱、中旱、重旱和特旱4個(gè)等級(jí)分別進(jìn)行算術(shù)平均，其算術(shù)平均值即為發(fā)生某等級(jí)旱情時(shí)的土壤含水量指標(biāo)。其中旱情等級(jí)是1980-2013年實(shí)際觀測(cè)到的旱情等級(jí)。旱情等級(jí)劃分方法按照國(guó)家氣象局印發(fā)的《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范(上卷)》[17]執(zhí)行，即由發(fā)生旱情時(shí)的小麥形態(tài)等綜合確定。

(2)點(diǎn)聚圖法

先把不同生育時(shí)期、不同等級(jí)旱情的0～20 cm土層土壤含水量樣本資料點(diǎn)繪在二維平面圖上，然后確定某等級(jí)旱情的上下限指標(biāo)值。在確定上下限指標(biāo)值時(shí)，首先考察點(diǎn)聚圖落在多少個(gè)區(qū)間(M)內(nèi)。區(qū)間的大小以土壤含水量的最小整數(shù)單位1%計(jì)，總樣本數(shù)為N。把l=N/M作為判據(jù)，當(dāng)落在區(qū)間的點(diǎn)數(shù)nl時(shí)，區(qū)間的上(或下)界限值即為某一等級(jí)旱情的界限值。

如冬小麥返青-拔節(jié)期間發(fā)生特旱災(zāi)情時(shí)的土壤水分資料為14個(gè)樣本(圖2)。由于特旱沒(méi)有下限，因此從落點(diǎn)的最大區(qū)間向小區(qū)間推。由圖2可見(jiàn)，N=14、M=4，則l=3.5。在區(qū)間[13，14]的落點(diǎn)數(shù)為n=33.5，則12即為特旱等級(jí)的上限指標(biāo)值。

圖2 冬小麥返青-拔節(jié)期特旱期間的土壤水分點(diǎn)聚圖

(3)有序樣本最優(yōu)聚類法

先把某生育時(shí)期內(nèi)挑選出來(lái)的所有土壤水分測(cè)定資料，按照由小到大的順序進(jìn)行排列得到新的有序樣本，并對(duì)其進(jìn)行最優(yōu)3分割[16]，分割后各段的均值即為其指標(biāo)值。

1.3.4 降水量負(fù)距平百分率指標(biāo)的確定

降水量負(fù)距平百分率(Pa)是指冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育期間某時(shí)段內(nèi)的降水量與常年同期氣候平均降水量的差值(負(fù)值)占常年同期氣候平均降水量的百分率，它反映了降水異常導(dǎo)致的麥田干旱程度。

具體步驟：利用埇橋區(qū)冬小麥生育期間不同時(shí)期(或時(shí)段)的降水量負(fù)距平百分率資料作為分析樣本，按照由小到大的進(jìn)行排列，形成新的有序序列。采用有序樣本最優(yōu)3分割法，得到3組，再計(jì)算分組后其組內(nèi)樣本的算術(shù)平均值，其值即為各等級(jí)旱情分級(jí)的上下限值。

同時(shí)，依據(jù)最優(yōu)分割得到的不同生育時(shí)期(或時(shí)段)干旱災(zāi)情等級(jí)的上下限指標(biāo)值，反查埇橋區(qū)歷史上相應(yīng)年份相應(yīng)生育時(shí)期(或時(shí)段)內(nèi)的實(shí)際土壤水分資料(以0～20cm)和干旱災(zāi)害觀測(cè)記錄資料，再由土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)(若一個(gè)生育時(shí)期或時(shí)段內(nèi)有多次土壤水分測(cè)定記錄，則以土壤水分值最低的一次記錄為準(zhǔn))和實(shí)際干旱災(zāi)情觀測(cè)報(bào)表，對(duì)依據(jù)有序樣本最優(yōu)分割法得到的不同生育時(shí)期和時(shí)段的旱情等級(jí)的降水量負(fù)距平百分率上下限指標(biāo)值，按照連續(xù)性和降水量負(fù)距平百分率的最小整數(shù)單位5%為分割單位的原則進(jìn)行校正，綜合得到不同生育時(shí)期或時(shí)段的降水量負(fù)距平百分率等級(jí)指標(biāo)。

1.3.5 水分虧缺率指標(biāo)的確定

冬小麥某生育時(shí)期(或階段)內(nèi)的水分虧缺率可表示為某生育時(shí)期(或階段)的自然供水量與需水量的差占需水量的百分率的負(fù)值[18]：

式中，G為冬小麥某生育時(shí)期(或階段)的水分虧率(%)。W為冬小麥某生育時(shí)期(或階段)的自然供水量，在不考慮灌溉的情況下，即為降水量(mm)[18-19]。E為冬小麥某一生育時(shí)期(或階段)的需水量(mm)，需水量為冬小麥某生育時(shí)期(或階段)的需水量，可簡(jiǎn)化為植株蒸騰量與棵間蒸發(fā)量之和：

E=Kc×ET0

其中，Kc為相應(yīng)時(shí)段的作物系數(shù)，綜合文獻(xiàn)[2] 和[19，20]獲得(表3)，ET0為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的作物可能蒸散量，采用FAO推薦的Penman-Monteith模型計(jì)算[2]

表3 宿州市冬小麥的逐月作物系數(shù)(Kc)Table 3 Crop coefficients of winter wheat in each month in Suzhou city (Kc)

本研究選取埇橋區(qū)進(jìn)行冬小麥水分虧缺率指標(biāo)建立。先計(jì)算1971-2012年冬小麥生育期間逐旬的需水量和供水量(即降水量)，再計(jì)算各生育時(shí)期或時(shí)段內(nèi)的G值，并對(duì)G值采用有序樣本最優(yōu)聚類方法進(jìn)行3分割，各組內(nèi)樣本的算術(shù)平均值即為各等級(jí)旱情分級(jí)的上下限值，并采取對(duì)降水量負(fù)距平百分率進(jìn)行校正的方法和原則，確定不同生育時(shí)期干旱監(jiān)測(cè)的水分虧缺率指標(biāo)。

1.3.6 不同時(shí)期干旱災(zāi)情減產(chǎn)率的確定

本研究采取典型干旱年均值法[21-22]確定干旱減產(chǎn)率。首先按照不同生育時(shí)期的降水量負(fù)距平百分率和水分虧缺率指標(biāo)，分別對(duì)臨泉、阜南、太和、阜陽(yáng)、潁上、懷遠(yuǎn)、五河、蒙城、、濉溪、泗縣、埇橋、渦陽(yáng)12個(gè)縣(區(qū))1971-2012年冬小麥生育期間各種干旱災(zāi)情進(jìn)行反查，從而確定各站點(diǎn)不同生育時(shí)期發(fā)生的干旱等級(jí)。其中，當(dāng)由降水量負(fù)距平百分率和水分虧缺率確定的干旱等級(jí)出現(xiàn)不一致現(xiàn)象時(shí)，參照各地的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害觀測(cè)報(bào)表和2006-2012年各年度的安徽省氣象災(zāi)害年鑒以及《中國(guó)氣象災(zāi)害大典·安徽卷》[23]進(jìn)行校正，綜合確定其干旱等級(jí)。其次，將12個(gè)站點(diǎn)不同時(shí)期發(fā)生的不同等級(jí)的干旱和所對(duì)應(yīng)的相對(duì)氣象產(chǎn)量(yh)挑選出來(lái)，按照輕、中、重和特重4類進(jìn)行分類。其中yh≥0時(shí)，舍去，不參與統(tǒng)計(jì)分析。然后，再把歸類后的yh進(jìn)行算術(shù)平均，其平均值即為相應(yīng)等級(jí)干旱時(shí)的平均減產(chǎn)率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析和作圖采用DPS和Excel軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 砂姜黑土區(qū)冬小麥生育期間的降水與需水情況

從小麥生育期歷史數(shù)據(jù)來(lái)看，20世紀(jì)70和80年代降水偏少，水分虧缺率較大，達(dá)到42%～43%；20世紀(jì)90年代降水偏多，水分虧缺率較小，僅為37%；2000-2012年間，冬小麥生育期間水分虧缺率與平均值接近，約為41%(表4)。從小麥生育期降水分布看，播種-三葉期波動(dòng)最大(變異系數(shù)0.92)，越冬期次之(變異系數(shù)0.83)，拔節(jié)-抽穗期變異系數(shù)為0.81，其他時(shí)段為0.61～0.63，表明各生育時(shí)期降水波動(dòng)都較大，易出現(xiàn)干旱或漬澇災(zāi)害。從生長(zhǎng)階段來(lái)看，籽粒形成階段變異系數(shù)最大(0.81)，是其余2個(gè)時(shí)段的1.5～2倍，表明在小麥籽粒形成階段降水量年際間波動(dòng)顯著，最易發(fā)生干旱或漬澇災(zāi)害(表5)。

表4 冬小麥生育期間的降水量與需水量Table 4 Precipitation and water requirement during the growth of winter wheat

2.2 典型干旱年份冬小麥生育期間供需水分析

埇橋區(qū)地處砂姜黑土區(qū)中部，氣候條件在砂姜黑土具有一定的代表，因此以埇橋區(qū)為例，分析冬小麥生育期間供需水情況(圖3)。1980-1981年是典型的干旱年份，其冬小麥全生育期間降水量和蒸散量分別為133.9和543.8 mm，相差約410.0 mm。同時(shí)，從蒸散量看，干旱年份的蒸散量比多年平均蒸散量多53.2 mm，表明在干旱年份，降水稀少，日照豐富，麥田蒸散量相應(yīng)增大。

從圖3可見(jiàn)，在播種-越冬前和拔節(jié)-成熟期，降水量少于蒸散量，尤其是拔節(jié)期以后，降水量與蒸散量的差值越來(lái)越大。越冬期-拔節(jié)前降水量與蒸散量基本平衡，表明此段時(shí)間內(nèi)，冬小麥自然降水量可以滿足冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分的需求。

表5 冬小麥不同生育期的降水變異系數(shù)(CV)Table 5 Variation coefficient(CV) of precipitation during different growth period of winter wheat

1st、2nd和3rd分別指每月的上中下旬。下表同。

1st,2nd and 3rd refer to the first,second and third ten days per month. The same in fig. 4 and 5.

圖3 埇橋區(qū)冬小麥生育期間典型干旱年份和多年平均降水量與蒸散量的旬變化

Fig.3 Variations of mean and typical drought year precipitation and evapotranspiration in ten days per month during winter wheat growth stages at Yongqiao district

2.3 麥田土壤水分變化規(guī)律

2.3.1 季節(jié)變化

圖4與圖5分別為埇橋區(qū)1980-2012年冬小麥生育期間0～10 cm、40～50 cm土層水分變化情況。從圖4可以看出，冬小麥生育期間0～10 cm土層含水量變化曲線呈準(zhǔn)拋物線型，即土壤水分含量在上年秋季冬小麥播種時(shí)相對(duì)偏低，出苗到分蘗期逐漸增加，越冬-返青期相對(duì)穩(wěn)定，返青以后一段時(shí)間略增加，拔節(jié)后逐漸下降，抽穗灌漿期又逐漸減小。從砂姜黑土地麥田各生育期的適宜土壤水分指標(biāo)(田間持水量的65%～80%)[24]看，冬小麥播種-三葉期和抽穗-乳熟期間的土壤水分含量均低于適宜值，表明冬小麥生育期間尤其是后期，0～10 cm土層水分含量總體不足。

從圖5可見(jiàn)，冬小麥生育期間40～50 cm土層的含水量變化趨勢(shì)與圖4基本一致，但比0～10 cm土層含水量平均約高出5%。其中，播種-越冬和拔節(jié)后土壤含水量較低，其他階段均較高，尤其是11月下旬至3月上旬的冬小麥分蘗-拔節(jié)前一段時(shí)間內(nèi)，40～50 cm土層的含水量均接近或略高于田間持水量，可見(jiàn)這段時(shí)間內(nèi)的土壤水分是冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育可以充分利用的土壤水分資源。

2.3.2 垂直變化

圖6為典型旱年(1980-1981)麥田冬小麥不同發(fā)育期土壤含水量變化剖面圖。由圖6可見(jiàn)，在干旱時(shí)期，麥田土壤含水量由表層向深層逐漸增大，在20～30 cm的犁底層以下土壤含水量基本穩(wěn)定。0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土層的含水量變化較大，尤其是干旱程度越重，這3個(gè)層次的土壤水分含量變化幅度越大，如成熟期、播種期和抽穗期發(fā)生重旱時(shí)，0～20 cm土層土壤含水量變化幅度明顯高于其他時(shí)期發(fā)生中旱和輕旱時(shí)期的變化幅度。

另外，20 cm深度處為土壤水分變化分界層，20 cm以下土壤水分含量各個(gè)時(shí)期隨土壤深度加深而增大，直到50～60 cm土層。自60 cm深度開(kāi)始向下土壤水分相對(duì)穩(wěn)定。

依據(jù)砂漿黑土地麥田土壤水分垂直變化規(guī)律，結(jié)合水利和農(nóng)業(yè)部門制定的土壤墑情評(píng)價(jià)指標(biāo)[25]，可認(rèn)為，在麥田土壤墑情和干旱監(jiān)測(cè)中，評(píng)定0～20 cm土層土壤水分含量基本可以滿足旱情等級(jí)鑒定工作要求。因此，本研究在制定土壤水分干旱指標(biāo)時(shí)，選取0～20 cm土層的土壤水分監(jiān)測(cè)資料為樣本。

圖4 1980-2012年冬小麥生育期間0～10 cm土壤水分的變化

圖5 1980-2012年冬小麥生育期間40～50 cm土壤水分的變化

2.4 麥田干旱的土壤水分指標(biāo)

利用宿州市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站麥田土壤墑情觀測(cè)資料和干旱期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別建立不同生育期麥田干旱的土壤水分平均值指標(biāo)、點(diǎn)聚圖指標(biāo)和最優(yōu)分割指標(biāo)。然后，取3種方法得到的各種指標(biāo)的交叉部分。同時(shí)，考慮到分級(jí)指標(biāo)的連續(xù)性和土壤水分的精確度(以0.5%為土壤重量含水量的計(jì)量單位)，綜合確定不同生育時(shí)期、不同旱情等級(jí)時(shí)的土壤重量含水量指標(biāo)(表6)。

2.5 麥田干旱的降水負(fù)距平百分率指標(biāo)

按照1.3節(jié)方法，分別建立不同生育期的降水負(fù)距平率和水分虧缺率指標(biāo)。同時(shí)，依據(jù)3類有序樣本聚類結(jié)果的各類組間樣本均值得到干旱等級(jí)分類的上、下界限值，并按習(xí)慣，先四舍五入取整數(shù)值，再取靠近整數(shù)5或10的值，最終得到分類界限值(表7和表8)。

圖6 1980-2012年冬小麥不同生育期干旱時(shí)麥田逐層土壤含水量的變化

生育期Growthstage干旱等級(jí) Droughtgrade輕旱Lightdrought中旱Middledrought重旱Heavydrought特旱Seriousdrought播種-三葉 Seeding-Tillering17.0

H：0～20 cm土層重量含水量。

H:0-20 cm soil water content.

表7 冬小麥不同生育時(shí)期的降水負(fù)距平百分率指標(biāo)Table 7 Negative anomaly rates of precipitation of winter wheat at different growth stages under drought %

表8 冬小麥不同生育時(shí)期的水分虧缺率指標(biāo)Table 8 Rate of water deficit in winter wheat at different growth stages under drought %

2.6 降水負(fù)距平與水分虧缺率指標(biāo)的回代檢驗(yàn)

利用埇橋區(qū)1980-2012年冬小麥生育期間實(shí)際發(fā)生的干旱災(zāi)情資料，結(jié)合干旱災(zāi)害發(fā)生時(shí)麥田土壤相對(duì)水分資料及其冬小麥?zhǔn)芎η闆r等，綜合確定干旱等級(jí)。然后，分別用降水負(fù)距平百分率指標(biāo)和水分虧缺率指標(biāo)，對(duì)埇橋區(qū)1980-2012年冬小麥生育期間不同時(shí)期干旱災(zāi)情進(jìn)行檢驗(yàn)。從表9可見(jiàn)，降水量負(fù)距平百分率指標(biāo)和水分虧缺率指標(biāo)的歷史回代正確率基本上是生育時(shí)期長(zhǎng)的時(shí)段高于時(shí)期偏短的時(shí)段，生育前期高于生育后期。分析其原因，主要是生育時(shí)期相對(duì)偏短時(shí)期內(nèi)的降水量年際間波動(dòng)率高于相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)期。生育后期的正確率低于生育前期，與前期(秋季、冬季和初春季節(jié))降水多為連續(xù)性降水，時(shí)間分布相對(duì)較均，而后期多為集中性降水且雨量較大有關(guān)。綜合來(lái)看，旱情等級(jí)越高，其回代準(zhǔn)確率越高，表明2種指標(biāo)對(duì)等級(jí)較重旱情和長(zhǎng)時(shí)間的干旱災(zāi)害有較強(qiáng)的解釋能力。

表9 冬小麥不同生育時(shí)期降水量負(fù)距平百分率和水分虧缺率指標(biāo)的正確率Table 9 Correct rate of negative precipitation anomaly percentage and rate of water deficit of winter wheat at different growth stages %

“/”前后的數(shù)值分別為降水負(fù)距平百分率和水分虧缺率。

Negative precipitation anomaly and rate of water deficit are before and after “/”,respectively.

2.7 冬小麥不同生育時(shí)期干旱災(zāi)害的減產(chǎn)率參考值

利用1960-2012年臨泉、阜南等12個(gè)站點(diǎn)逐年的yh樣本資料，按照不同時(shí)期不同等級(jí)災(zāi)情所對(duì)應(yīng)的yh進(jìn)行歸類，并求取算術(shù)平均值，從而得到不同生育時(shí)期發(fā)生不等級(jí)干旱時(shí)的參考減產(chǎn)率(表10)。從表10可以看出，不同生育期發(fā)生不同等級(jí)干旱時(shí)，以拔節(jié)-抽穗期干旱減產(chǎn)率最大，如重度干旱時(shí)的減產(chǎn)率為20%，返青-拔節(jié)、抽穗-乳熟期減產(chǎn)率次之，越冬期干旱減產(chǎn)率最小，但播種-三葉期發(fā)生重度以上干旱時(shí)，減產(chǎn)率較中度等級(jí)以下干旱陡然增大。從不同生育階段來(lái)看，發(fā)生重度等級(jí)干旱時(shí)，以器官建成階段的減產(chǎn)率最大，幼苗階段次之，籽粒形成階段減產(chǎn)率相對(duì)略低，如發(fā)生重度干旱時(shí)，器官建成階段的減產(chǎn)率25%～35%，幼苗階段的減產(chǎn)率為15%～25%，籽粒形成階段的減產(chǎn)率則為15%～20%。表明在本區(qū)域內(nèi)，拔節(jié)-抽穗期與器官建成階段的干旱災(zāi)害對(duì)產(chǎn)量危害最重，播種-三葉期和幼苗階段的重度干旱對(duì)產(chǎn)量的危害次之。

3 討 論

小麥干旱發(fā)生發(fā)展的機(jī)理極為復(fù)雜，且目前仍很模糊。干旱指標(biāo)的確定涉及大氣、作物、土壤等因素，且受到時(shí)空因素的影響。某一干旱指標(biāo)很難達(dá)到時(shí)空上的普遍適用條件，干旱指標(biāo)也多是建立在特定區(qū)域或時(shí)間范圍內(nèi)，有其相應(yīng)的時(shí)空尺度[9,26-28]。因此，針對(duì)地處黃淮平原南部的皖北地區(qū)砂姜黑土地建立冬小麥干旱指標(biāo)，對(duì)麥田干旱監(jiān)測(cè)、預(yù)警、評(píng)估等工作具有重要意義。

本研究利用長(zhǎng)序列農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)資料、土壤水分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合長(zhǎng)期干旱監(jiān)測(cè)樣本，采用平均值、點(diǎn)聚圖、有序樣本最優(yōu)聚類等方法，綜合建立了皖北砂姜黑土地冬小麥生育期尺度干旱的土壤水分、降水量負(fù)距平百分率和水分虧缺率監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并分為輕旱、中旱、重旱和特旱4個(gè)等級(jí)。其中土壤水分指標(biāo)是對(duì)砂姜黑土地麥田不同生育期發(fā)生不同等級(jí)旱情時(shí)的定位實(shí)測(cè)土壤水分資料的歸納利用，可用于麥田旱情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。降水量負(fù)距平百分率指標(biāo)和水分虧缺率指標(biāo)的歷史樣本回代檢驗(yàn)平均正確率均在80%以上，且2種指標(biāo)對(duì)重旱、特旱和跨生育期的長(zhǎng)期干旱具有較強(qiáng)的解釋能力，與朱自璽等[26]、李樹(shù)巖等[28]基于降水相對(duì)距平建立的華北平原冬小麥干旱和河南省玉米干旱評(píng)估指標(biāo)揭示的規(guī)律基本一致，即能監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間尺度的作物干旱。因此，本研究所建指標(biāo)可作為麥田旱情監(jiān)測(cè)指標(biāo)使用。同時(shí)，本研究建立的冬小麥重旱和特旱等級(jí)的降水距平指標(biāo)，比朱自璽等[26]所建指標(biāo)值偏高，分析其原因，本研究的區(qū)域較朱自璽等研究的區(qū)域偏南、偏東，冬小麥生育期間降水量明顯多于華北平原。

本研究中，自2000年以來(lái)，皖北砂姜黑土地冬小麥生育期內(nèi)水分虧缺率為41%，拔節(jié)以后的水分供需差額明顯增大。播種-三葉期降水量變異系數(shù)(0.92)最大，其次為越冬期和拔節(jié)-抽穗期及籽粒形成階段，這與王曉東等[29]、許 瑩等[30]研究結(jié)論一致。

通過(guò)對(duì)冬小麥生育期間各土層土壤水分變化規(guī)律研究揭示，播種到越冬期為土壤水分緩慢上升期，返身-拔節(jié)后為逐漸下降期。耕層(0～20 cm)土壤水分變化幅度較大，耕層以下土壤水分趨于穩(wěn)定。結(jié)合李 德等[24]根據(jù)產(chǎn)量因素與各土層水分的相關(guān)程度所揭示的0～20 cm土層為影響產(chǎn)量的關(guān)鍵土層的結(jié)論，可以確定0～20 cm土層應(yīng)是皖北砂姜黑土地麥田墑情監(jiān)測(cè)評(píng)定的關(guān)鍵土層。

已有研究表明，播前底墑水[31]以及初始土壤墑情[32]對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用。本研究采用文獻(xiàn)[18]提出的對(duì)底墑水予以忽略的方法確定小麥供水量，這應(yīng)是本研究所建的水分虧缺率指標(biāo)回代檢驗(yàn)正確率為80%的原因之一。因此，未來(lái)應(yīng)引入底墑水這一參量，以提高水分虧缺率指標(biāo)的精度。

另外，本研究在計(jì)算冬小麥需水量時(shí)涉及的作物參數(shù)是參照相關(guān)文獻(xiàn)的方法和FAO推薦的作物系數(shù)值確定的，而作物系數(shù)具有一定的地域性，且對(duì)需水量的計(jì)算具有較強(qiáng)的敏感性，因此下一步應(yīng)根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況開(kāi)展試驗(yàn)來(lái)確定。

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Study on Drought Indices of Winter Wheat During the Growth Stages in the Lime Concretion Black Soil in Northern Anhui Province

LI De,SUN Youfeng,SUN Yi

(Meteorological Bureau of Suzhou in Anhui Province,Suzhou,Anhui 234000,China)

In order to provide reference for monitoring,early-warning and assessing drought of winter wheat in lime concretion black soil,the indices of winter wheat in northern Anhui province during the growth stages were set up using meteorological data at the representative sites and statistical method. The drought indices consist of soil moisture,negative anomaly percentage of precipitation and rate of water deficit in wheat field and are classified into four levels (light,medium,severe and extreme). Testing result shows severe and long-term drought were attributed to negative anomaly percentage of precipitation and rate of water deficit with the accuracy over 80%. The reference values of yield reduction rate under different drought levels at different growth stages were also given.

Winter wheat; Growth stages; Drought indexes; Yield reduction rate

時(shí)間：2017-01-16

2016-07-21

2016-09-28

國(guó)家公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201006027)；2016年度安徽省氣象科技發(fā)展基金項(xiàng)目(KM201605)

E-mail：szlide@sohu.com

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)02-0220-12

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170116.1835.027.html