近30年中美玉米帶生長(zhǎng)季干旱特征的差異及成因分析*

王 芳，王春乙**，鄔定榮，姚樹然，白月明，張繼權(quán)

（1.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081；2.河北省氣象科學(xué)研究所，石家莊 050021；3.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院/自然災(zāi)害研究所，長(zhǎng)春 130117）

45°N附近區(qū)域因光溫水資源豐富、土壤肥沃，成為玉米的最佳生長(zhǎng)區(qū)，中國(guó)和美國(guó)在此范圍內(nèi)形成了兩個(gè)世界著名的“黃金玉米帶”。然而氣候變化背景下，極端天氣事件頻發(fā)，中美玉米種植均受到了頻發(fā)災(zāi)害的影響，其中干旱災(zāi)害影響較大[1-3]。如2012年全美大旱，大平原地區(qū)玉米遭受巨大影響[4-7]。中國(guó)東北玉米帶在2000、2007年亦受干旱影響而明顯減產(chǎn)[1]。研究表明，未來氣候變化情景下，玉米帶地區(qū)干旱化趨勢(shì)仍然存在，旱災(zāi)頻率將繼續(xù)增加[8-9]，這將使兩地玉米產(chǎn)量產(chǎn)生巨大波動(dòng)，嚴(yán)重威脅中美兩國(guó)乃至世界糧食安全[4,10]。如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)一步提升應(yīng)對(duì)極端氣候變化的能力，已成為玉米帶國(guó)家急需解決的問題。

兩國(guó)政府早已開展了針對(duì)此問題的研究工作，尤其是美國(guó)。作為全球農(nóng)業(yè)最為發(fā)達(dá)的國(guó)家，美國(guó)通過長(zhǎng)期研究建立起的完備的干旱管理體系已成為其它國(guó)家借鑒的范例[11]。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過分析中美干旱管理工作的差異，認(rèn)為中國(guó)當(dāng)前應(yīng)借鑒美國(guó)先進(jìn)的干旱風(fēng)險(xiǎn)管理模式，轉(zhuǎn)變固有的應(yīng)急抗旱模式，以提升抗旱減災(zāi)能力[12]。已有部分地區(qū)在干旱災(zāi)前監(jiān)測(cè)、抗旱措施改進(jìn)、干旱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃以及農(nóng)業(yè)旱災(zāi)保險(xiǎn)等方面進(jìn)行了初步嘗試，并在大田實(shí)踐中引進(jìn)美國(guó)玉米生產(chǎn)技術(shù)[13-14]。但需要注意的是，盡管中美玉米所處的緯度帶近似，但因降水、氣溫及環(huán)流系統(tǒng)[15-18]等的不同，兩地的干旱特征可能并不相同。因此，借鑒美國(guó)先進(jìn)抗旱減災(zāi)經(jīng)驗(yàn)的前提是了解兩地玉米生長(zhǎng)季干旱的特征及其差異。

國(guó)內(nèi)外研究人員利用多個(gè)干旱指數(shù)分別對(duì)兩個(gè)玉米帶的干旱特征進(jìn)行了分析[19-20]。在中國(guó)，使用了干燥度、帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）以及水分盈虧指數(shù)等指標(biāo)對(duì)玉米生長(zhǎng)季干旱進(jìn)行評(píng)價(jià)[17,21-22]。在美國(guó)，研究人員采用降水虧缺、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）等干旱指數(shù)進(jìn)行玉米帶干旱特征分析[23-24]。但由于研究時(shí)段、采用數(shù)據(jù)和研究方法的不同，無法對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行比較。而對(duì)兩地干旱特征直接對(duì)比的研究，目前仍較少見。因此，兩地玉米生長(zhǎng)季內(nèi)干旱發(fā)生規(guī)律及分布特征究竟有何異同，這些異同對(duì)國(guó)內(nèi)參考美國(guó)抗旱經(jīng)驗(yàn)有何意義，這些問題都尚未得到良好的解答。經(jīng)過對(duì)多種干旱指數(shù)綜合比較[25-28]，本文擬選擇SPEI對(duì)中美玉米帶生長(zhǎng)季氣象干旱特征進(jìn)行比較，并分析差異的成因，以期為兩地干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比研究提供基礎(chǔ)，并為中國(guó)東北地區(qū)借鑒美國(guó)玉米帶先進(jìn)抗旱減災(zāi)經(jīng)驗(yàn)提供科學(xué)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料與處理

1.1.1 資料來源及預(yù)處理

中國(guó)玉米帶的氣象資料為東北地區(qū)（黑龍江省、吉林省、遼寧省及內(nèi)蒙古東部地區(qū)）的 216個(gè)氣象站 1986?2015年的月值氣象數(shù)據(jù)，氣象要素包括降水、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速，氣象資料來自國(guó)家氣象信息中心。其中，為計(jì)算 SPEI，風(fēng)速需要轉(zhuǎn)化為2m風(fēng)速值，并利用FAO-56[29]推薦的方法將日照時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為太陽總輻射。此外，還收集了東北地區(qū) 2001?2015年地市級(jí)玉米總產(chǎn)及種植資料（包括玉米播種面積及耕地面積），資料來源于東北地區(qū)各省市及相關(guān)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒等。

美國(guó)玉米帶研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)為內(nèi)布拉斯加州等13個(gè)玉米主產(chǎn)州的72個(gè)氣象站1986?2015年的月值氣象數(shù)據(jù)，包括降水、最高氣溫、最低氣溫和風(fēng)速，來自美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的全球氣象數(shù)據(jù)月值統(tǒng)計(jì)集（GSOM）。此外，利用逐日地面天氣與氣象資料集（Daymet）對(duì) GSOM 中的太陽輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，補(bǔ)充數(shù)據(jù)來自美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）分布活動(dòng)檔案中心（DAAC）。此外，還收集了13個(gè)玉米主產(chǎn)州2001?2015年玉米郡級(jí)產(chǎn)量數(shù)據(jù)，來源于美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）國(guó)家農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)服務(wù)系統(tǒng)（NASS）。

1.1.2 研究區(qū)范圍的確定及氣象站點(diǎn)的提取

對(duì)“黃金玉米帶”具體范圍的界定目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在界定中美玉米帶研究區(qū)范圍時(shí)，參照USDA首席經(jīng)濟(jì)學(xué)家辦公室（COE）世界農(nóng)業(yè)展望委員會(huì)（WAOB）對(duì)美國(guó)玉米帶的定義，即將占區(qū)域玉米總產(chǎn)約 75%的范圍定為玉米主產(chǎn)區(qū)。在確定中國(guó)東北玉米帶時(shí)，選用東北地區(qū) 2001?2015年地市級(jí)玉米總產(chǎn)資料進(jìn)行年均產(chǎn)量的計(jì)算，后將各地區(qū)玉米年均產(chǎn)量進(jìn)行排序，從高到底提取累計(jì)值達(dá)到區(qū)域總產(chǎn)量（2001?2015年均約7652.4萬t）約75%的所有地級(jí)市。此外，考慮到東北地區(qū)存在玉米種植面積較小總產(chǎn)較低但種植比例高的地級(jí)市，對(duì)各地區(qū)年均玉米種植比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將高于區(qū)域平均值（約42.8%）的地級(jí)市也提取出來作為玉米帶。最終得到東北地區(qū)33個(gè)地級(jí)市的全部或部分區(qū)域，作為中國(guó)東北玉米帶研究區(qū)范圍，其總面積約73萬km2（圖1a）。

對(duì)于美國(guó)玉米帶的劃分，參照 USDA COE WAOB的定義，首先對(duì)美國(guó)中部大平原地區(qū)13個(gè)玉米主要種植州內(nèi)所有郡 2001?2015年玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行多年平均值的統(tǒng)計(jì)與降序排序，參照美國(guó)玉米總產(chǎn)平均值（2001?2015年均約4.7億t），提取累計(jì)值達(dá)到其 75%左右的所有郡，構(gòu)成美國(guó)玉米帶研究區(qū)范圍，最終提取出覆蓋13州的482個(gè)郡，總面積約80萬km2（圖1b）。

根據(jù)確定的研究區(qū)范圍，對(duì)中美玉米帶研究區(qū)內(nèi)氣象站點(diǎn)重新提取，分別得到中國(guó)東北玉米帶內(nèi)125個(gè)氣象站及位于美國(guó)玉米帶研究區(qū)及鄰近一個(gè)郡內(nèi)的49個(gè)氣象站點(diǎn)。兩地氣象站點(diǎn)分布較均勻，基本能代表各自區(qū)域的氣候特征（圖1）。

圖1 中國(guó)東北玉米帶（a）和美國(guó)玉米帶（b）內(nèi)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the corn belts of Northeast China (a) and the US(b)

1.2 研究方法

1.2.1 SPEI的計(jì)算

利用干旱指數(shù)來量化中美玉米帶生長(zhǎng)季的干旱強(qiáng)度，由于SPEI融合了PDSI對(duì)蒸散的響應(yīng)及SPI空間一致性、多時(shí)間尺度且計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[30]，并在全球及各區(qū)域應(yīng)用檢驗(yàn)中得到較好的驗(yàn)證[31-32]，因此，選擇SPEI進(jìn)行玉米生長(zhǎng)季干旱的量化。SPEI以月尺度降水及氣象數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，通過計(jì)算月降水與潛在蒸散的差值，進(jìn)而構(gòu)建不同月尺度水分虧缺序列，并進(jìn)行Log-logistic分布擬合與正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到，其計(jì)算步驟詳見文獻(xiàn)[30]。

根據(jù)中美兩地玉米生育期多年平均日期[16,33-34]，將玉米生長(zhǎng)季（Growth period，GP）定為4?10月，以基本覆蓋兩地玉米播種前期?成熟收獲整個(gè)階段，以 10月份 7 個(gè)月尺度的 SPEI表征（7?SPEI?Oct），其表示10月份前7個(gè)月的累積水分狀況。為進(jìn)一步比較兩地玉米不同生育階段的干旱情況，還將玉米生長(zhǎng)季劃分為生長(zhǎng)前期（Early growth stage，EGS，4?6月）與生長(zhǎng)后期（Late growth stage，LGS，7?10月），其中4?6月覆蓋了玉米播種前期至開花期，為主要的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，以7月份3個(gè)月尺度的SPEI表征（3?SPEI?Jun）。7?10 月覆蓋了吐絲期?成熟期，為主要的生殖生長(zhǎng)階段，以 10月份 4個(gè)月尺度的SPEI表征（4?SPEI?Oct）。

利用R software中SPEI程序包[35]實(shí)現(xiàn)干旱指數(shù)的計(jì)算。通過輸入中美玉米帶研究區(qū)各站點(diǎn)的月尺度降水量和氣象數(shù)據(jù)，采用FAO-56推薦的Penman-Monteith方法[29]計(jì)算蒸散量，針對(duì)生長(zhǎng)季、生長(zhǎng)前期及后期的階段長(zhǎng)度，分別選擇7、3和4為月尺度參數(shù)計(jì)算并提取所有站點(diǎn) 7?SPEI?Oct，3?SPEI?Jun及 4?SPEI?Oct。

參照文獻(xiàn)[26，36]確定中美兩地玉米帶干旱標(biāo)準(zhǔn)為，SPEI≥?0.5為無旱，SPEI＜?0.5為干旱。

1.2.2 干旱特征指標(biāo)

使用干旱頻率、干旱強(qiáng)度以及干旱范圍[36-37]來表征干旱的特征。其中干旱頻率（DF）指某站統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)玉米某生育階段內(nèi)干旱發(fā)生次數(shù)與總年數(shù)的比值，即

式中，N為統(tǒng)計(jì)時(shí)段總年數(shù)，n為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)該生育階段SPEI＜?0.5的年數(shù)，DF越大表明干旱發(fā)生越頻繁。

干旱強(qiáng)度（DS）為某站統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)某生育階段發(fā)生干旱年份的SPEI值之和，即

式中，SPEIi為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)該生育階段SPEI＜?0.5的值，n為SPEI＜?0.5的年數(shù)，DS越小表明干旱越強(qiáng)。

干旱范圍（DEi）指整個(gè)研究區(qū)發(fā)生干旱的站次比，即統(tǒng)計(jì)逐年發(fā)生干旱站次的比例，即

式中，M 為研究區(qū)總站數(shù)，mi為研究區(qū)內(nèi)第 i年發(fā)生干旱的站（次）數(shù)，DEi為第i年該研究區(qū)干旱范圍，其值越大表明干旱影響的范圍可能越廣。

為比較兩區(qū)域干濕變化及干旱范圍的時(shí)間演變特征，利用式（1）?式（3）對(duì)兩地近30a不同生育階段區(qū)域平均SPEI進(jìn)行干旱特征的計(jì)算，并對(duì)SPEI及干旱范圍進(jìn)行線性傾向估計(jì)。利用 ArcGIS反距離權(quán)重（IDW）插值法，對(duì)各站近30a玉米不同生育階段的干旱頻次、干旱強(qiáng)度進(jìn)行空間插值并比較其分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 中美玉米帶生長(zhǎng)季氣候特征的比較

經(jīng)計(jì)算，近30a中美玉米帶的光、溫、水的月變化均呈現(xiàn)為單峰型曲線特征（圖2）?？梢妰傻赜衩咨L(zhǎng)季均處于輻射、氣溫和降水的高值區(qū)。其中，中國(guó)東北玉米帶生長(zhǎng)季內(nèi)的太陽輻射總量高于美國(guó)玉米帶，但生長(zhǎng)前、后期太陽輻射量的變異系數(shù)也較高（圖2a），生長(zhǎng)前期表現(xiàn)為0.029（NEC）＞0.025（US），生長(zhǎng)后期表現(xiàn)為 0.028（NEC）＞0.013（US）。相反，美國(guó)玉米帶生長(zhǎng)季的逐月平均氣溫均高于中國(guó)東北，同時(shí)具有變異系數(shù)較高的特征（圖2b），生長(zhǎng)前期表現(xiàn)為 0.062（US）＞0.049（NEC），生長(zhǎng)后期表現(xiàn)為0.040（US）＞0.033（NEC）。圖2c顯示，兩地生長(zhǎng)季內(nèi)逐月降水具有不同的分布規(guī)律，中國(guó)東北玉米帶降水集中于玉米生長(zhǎng)后期（前期167.8mm,后期355.8mm），前后期波動(dòng)性不大（前期0.20，后期0.21），而美國(guó)玉米帶降水分布則在前后期較均衡（前期 291.3mm；后期 318.9mm），后期相對(duì)波動(dòng)性較小（前期0.21，后期0.15）。

圖2 1986?2015年中美玉米帶太陽輻射、平均氣溫和降水量氣候平均值的月變化及玉米生長(zhǎng)前期、后期各要素的變異系數(shù)Fig.2 Monthly variation of solar radiation, average air temperature, and precipitation and the coefficient of variation during early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

總的來說，相較美國(guó)，中國(guó)東北玉米帶近30a在玉米生長(zhǎng)季太陽輻射較高、平均氣溫較低、降水較為稀少且集中于玉米生長(zhǎng)后期，而美國(guó)玉米帶玉米生長(zhǎng)前后期降水較均衡。在這種氣候背景下，中國(guó)東北玉米帶前期因少雨較易發(fā)生干旱，后期雖水分更為充足，但波動(dòng)性更大，降水異常偏少的情景仍易發(fā)生，因此，后期干旱也易形成。美國(guó)玉米帶玉米生長(zhǎng)前后期降水較為均衡，發(fā)生干旱的可能性相對(duì)較低。

2.2 中美玉米帶干旱時(shí)間變化特征的差異

2.2.1 SPEI

在玉米整個(gè)生長(zhǎng)季，兩地SPEI值的年際變化存在較為明顯的差異。其中，中國(guó)玉米帶在1999?2001年的SPEI連續(xù)小于?0.5，在1989、2007年也發(fā)生了較大旱情（SPEI＜?0.5），這與已有文獻(xiàn)及統(tǒng)計(jì)資料中的東北干旱災(zāi)害年份一致[1]。美國(guó)玉米帶則主要在1987?1989年、2005年及2012年出現(xiàn)了SPEI＜?0.5的情況，這也與文獻(xiàn)中大平原地區(qū)發(fā)生旱災(zāi)的年份一致[10]。表明SPEI指標(biāo)能夠識(shí)別兩地在玉米生長(zhǎng)季內(nèi)發(fā)生的氣象干旱。此外，兩地SPEI的氣候傾向率正負(fù)雖不一致，但均未通過顯著性檢驗(yàn)，說明兩地SPEI的變化趨勢(shì)并不明顯。

由圖3b、圖3c可見，玉米的生長(zhǎng)前、后期，兩地SPEI的年際波動(dòng)依然存在明顯差異，出現(xiàn)干旱的年份也不同。中國(guó)東北玉米帶在生長(zhǎng)前期有8a出現(xiàn)干旱（SPEI＜?0.5），后期有 7a；美國(guó)玉米帶在生長(zhǎng)前期有7a出現(xiàn)干旱，后期僅為5a。從線性變化趨勢(shì)看，在玉米生長(zhǎng)前期中國(guó)東北地區(qū)SPEI氣候傾向率為正值，后期為負(fù)值，但均未達(dá)到顯著性水平。美國(guó)玉米帶玉米生長(zhǎng)前期 SPEI呈顯著增加趨勢(shì)（0.30·10a?1，R2=0.167，P＜0.05，圖3b），但后期變化趨勢(shì)不顯著。

2.2.2 干旱頻率

利用中美玉米帶SPEI的區(qū)域平均值，統(tǒng)計(jì)兩地近30a內(nèi)每5a玉米不同生育階段的干旱頻率。在玉米全生長(zhǎng)季（圖4a），中國(guó)東北玉米帶的干旱頻率在1996?2010年高于美國(guó)玉米帶，而在1986?1990年及近5a內(nèi)則相反。中國(guó)東北玉米帶的干旱頻率表現(xiàn)為先上升后下降的波動(dòng)特征，美國(guó)玉米帶的干旱頻率則自 1986?1990年后維持較低值?？傮w上，中國(guó)東北地區(qū)的平均干旱頻率明顯高于美國(guó)玉米帶（23.3%＞16.7%）。在玉米生長(zhǎng)前期（圖4b），兩地干旱頻率隨時(shí)間波動(dòng)的特征與全生長(zhǎng)季較一致。在后期（圖4c），中國(guó)東北地區(qū)自1996年后每5a發(fā)生干旱的頻率均高于美國(guó)。美國(guó)玉米帶在生長(zhǎng)后期一直保持較低的干旱頻率（≤20%），但1986?1995年在玉米生長(zhǎng)前期階段具有較高頻次的干旱（≥40%）。

圖3 1986?2015年中美玉米帶生長(zhǎng)季及玉米生長(zhǎng)前期、后期SPEI的時(shí)間變化Fig.3 Time series of SPEI during growth period(GP), early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

圖4 1986-2015年中美玉米帶生長(zhǎng)季及玉米生長(zhǎng)前期、后期干旱頻率的時(shí)間變化Fig.4 Time series of drought frequency during growth period(GP), early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

總體上，中國(guó)東北地區(qū)在整個(gè)生長(zhǎng)季及生長(zhǎng)前、后期的干旱頻率均高于美國(guó)玉米帶，兩地生長(zhǎng)后期的干旱頻率差異更大，這是中美玉米帶干旱特征存在的明顯差異之一，可能與各自氣候背景不一致有直接關(guān)系。

2.2.3 干旱強(qiáng)度

由圖5可見，兩地干旱強(qiáng)度的時(shí)間波動(dòng)特征與干旱頻率較一致。在玉米生長(zhǎng)季，中國(guó)東北地區(qū)近30a平均干旱強(qiáng)度較美國(guó)玉米帶強(qiáng)（?0.20＜?0.16，圖5a）。時(shí)間波動(dòng)上，中國(guó)東北玉米帶的干旱強(qiáng)度具有先增強(qiáng)后減弱的特點(diǎn)，而美國(guó)玉米帶則自1986?1990年后干旱強(qiáng)度有所減弱。在玉米生長(zhǎng)前期，中國(guó)東北平均干旱強(qiáng)度仍高于美國(guó)玉米帶，但兩者差異不大（圖5b），分別為?0.22和?0.21。在玉米生長(zhǎng)后期，中國(guó)東北玉米帶干旱頻次明顯高于美國(guó)，其平均干旱強(qiáng)度也較高（?0.16＜?0.12，圖5c）。

總體上，中國(guó)東北地區(qū)在整個(gè)生長(zhǎng)季及生長(zhǎng)前、后期的平均干旱強(qiáng)度均高于美國(guó)玉米帶，其中生長(zhǎng)后期的干旱強(qiáng)度差異更大，這與兩地干旱頻率的差異較為一致。

2.2.4 干旱范圍

從生長(zhǎng)季來看（圖6a），中國(guó)東北玉米帶干旱范圍較廣的年份集中于1999?2001年，干旱站次比均高于70%，其年際變化趨勢(shì)不顯著。美國(guó)玉米帶生長(zhǎng)季干旱范圍在20世紀(jì)80年代后期以及2005、2012年出現(xiàn)較大值（＞60%），尤其是1988年和2012年接近100%，表現(xiàn)為全域性干旱，其干旱范圍趨于減少，但不明顯。

中國(guó)東北地區(qū)生長(zhǎng)季干旱范圍的年際波動(dòng)特征與玉米生長(zhǎng)后期較為一致，說明后期對(duì)生長(zhǎng)季干旱的影響更大，而美國(guó)玉米帶則相反（圖6b、圖6c）。在變化趨勢(shì)上，兩地在生長(zhǎng)前期的干旱范圍均趨于減少，美國(guó)玉米帶表現(xiàn)為顯著減少趨勢(shì)（?5.81%·10a?1，R2=0.105，P＜0.05），后期變化均不顯著。

圖5 1986?2015年中美玉米帶玉米生長(zhǎng)季及玉米生長(zhǎng)前期、后期干旱強(qiáng)度的時(shí)間變化Fig.5 Time series of drought severity during growth period(GP), early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

圖6 1986-2015年中美玉米帶玉米生長(zhǎng)季、生長(zhǎng)前期及后期干旱范圍的時(shí)間變化Fig.6 Time series of drought extent during growth period(GP), early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

2.3 中美玉米帶干旱空間特征的差異

2.3.1 干旱頻次

近30a兩地干旱頻次空間分布各具特點(diǎn)，其中，中國(guó)東北玉米帶在玉米生長(zhǎng)季的干旱頻次分布呈現(xiàn)自東向西的增加（圖7a），前期分布規(guī)律不明顯（圖7b），后期具有西北高、東南低的特點(diǎn)（圖7c）。美國(guó)玉米帶在玉米生長(zhǎng)季（圖7d）干旱頻次分布呈現(xiàn)出東西高、中部低的特征，前期的頻次分布也與其類似（圖7e），但在后期區(qū)域中部的頻次則較高（圖7f）。

圖7 1986-2015年中美玉米帶不同時(shí)段累計(jì)干旱次數(shù)的空間分布Fig.7 Spatial distribution of drought accumulated times in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

2.3.2 干旱強(qiáng)度

圖8為中美玉米帶不同生育階段近30a累計(jì)干旱強(qiáng)度的空間分布。由圖可見，干旱強(qiáng)度的分布與干旱頻次較為一致，普遍表現(xiàn)為干旱頻次越高的地區(qū)，累計(jì)干旱強(qiáng)度也越強(qiáng)。中國(guó)東北玉米帶在玉米生長(zhǎng)季的干旱強(qiáng)度分布呈現(xiàn)自東向西的加強(qiáng)（圖8a），前期整體分布較為一致（圖8b），后期則具有西北強(qiáng)、東南弱的分布特征（圖8c）。美國(guó)玉米帶在玉米生長(zhǎng)季干旱強(qiáng)度分布則呈現(xiàn)東西高、中部低的特征（圖8d），生長(zhǎng)前期的分布也與此類似（圖8e），但生長(zhǎng)后期在區(qū)域中部干旱強(qiáng)度較高（圖8f）。

2.4 中美玉米帶干旱特征主要差異的成因探討

2.4.1 影響干旱的主要?dú)庀笠蜃?/p>

對(duì)中美玉米帶生長(zhǎng)前、后期的SPEI與主要?dú)庀笠剡M(jìn)行相關(guān)性分析。從表1可見，兩地生長(zhǎng)前、后期的 SPEI與降水、太陽輻射和最高氣溫的相關(guān)性較強(qiáng)，尤其是 SPEI與降水呈極顯著正相關(guān)，兩地玉米生長(zhǎng)前后期的降水均可解釋對(duì)應(yīng)時(shí)段 SPEI變化的91%以上，這與已有研究結(jié)果一致[27,38-39]。表1還表明，中美兩地SPEI與太陽輻射、最高氣溫均呈負(fù)相關(guān)。

圖8 1986-2015年中美玉米帶累計(jì)干旱強(qiáng)度的空間分布Fig.8 Spatial distribution of accumulated drought SPEI in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

表1 1986-2015年中美玉米帶玉米生長(zhǎng)前期(3-SPEI-Jun)和后期SPEI(4-SPEI-Oct)與主要?dú)庀笠氐腜earson相關(guān)性Table 1 Pearson correlation between SPEI and main meteorological factors during early(3-SPEI-Jun) and late growth stage(4-SPEI-Oct) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

2.4.2 干旱頻率及強(qiáng)度差異的成因分析

研究期內(nèi)，在玉米生長(zhǎng)前期，中國(guó)東北玉米帶（圖9a）發(fā)生干旱的8a表現(xiàn)為降水同期偏少（偏少16.3%以上），輻射同期偏高（偏高2.2%以上），此外，其中 6a的最高氣溫均表現(xiàn)為同期偏高。美國(guó)玉米帶（圖9b）發(fā)生干旱的7a也表現(xiàn)為降水偏少（偏少12.2%以上），輻射同期偏高（偏高1.4%以上），此外，其中5a的最高氣溫均表現(xiàn)為同期偏高。近30a內(nèi)中國(guó)東北玉米帶太陽輻射、最高氣溫同期偏高，降水同期偏少的頻率略高于美國(guó)玉米帶（26.7%＞16.7%），這可能導(dǎo)致中國(guó)東北地區(qū)干旱頻率及強(qiáng)度在前期略高于美國(guó)。

由圖9c、圖9d可見，與生長(zhǎng)前期類似，兩地在玉米生長(zhǎng)后期發(fā)生干旱的年份往往為少雨高輻射并伴隨高溫的天氣。當(dāng)太陽輻射同期偏高0.9%與降水同期偏少16.5%以上時(shí)，中國(guó)東北地區(qū)玉米生長(zhǎng)后期發(fā)生干旱（圖9c），而美國(guó)玉米帶發(fā)生干旱的臨界值分別為1.0%與11.2%（圖9d），且兩地發(fā)生干旱的年份普遍表現(xiàn)為氣溫同期偏高。雖然生長(zhǎng)后期美國(guó)玉米帶的降水相對(duì)中國(guó)東北地區(qū)平均偏少，輻射較強(qiáng)，但由于近30a降水及太陽輻射較為集中，異常偏少/偏高比例高的年份較少，如美國(guó)玉米帶降水偏少10%以上，輻射偏高1.0%以上僅為5a，而中國(guó)東北玉米帶降水異常偏少15%以上，輻射偏高0.9%以上的年份達(dá)到 9a，因此，美國(guó)玉米帶在玉米生長(zhǎng)后期干旱頻率及強(qiáng)度低于中國(guó)東北玉米帶。

以上分析說明，逐年太陽輻射、降水及最高氣溫的不同配置造成了水分的波動(dòng)變化，其具體機(jī)制可能涉及兩地不同時(shí)段所受大氣環(huán)流過程及大尺度氣候背景等的不一致[17-18]，對(duì)這些物理機(jī)制詳細(xì)的研究還有待進(jìn)一步開展。

圖9 1986?2015年中美玉米帶生長(zhǎng)前期和后期太陽輻射、降水量及最高氣溫的分布Fig.9 Distributions of solar radiation, precipitation and maximum air temperature during early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

2.4.3 干旱化趨勢(shì)差異的成因分析

中醫(yī)認(rèn)為急性腦梗死合并心肌缺血的發(fā)病因素為氣虛血滯、脈絡(luò)瘀阻，在發(fā)病后患者發(fā)生半身不遂等臨床癥狀，在治療急性腦梗死合并心肌缺血時(shí)中醫(yī)以益氣活血、化瘀通絡(luò)為主[3]。

SPEI值主要是基于降水、太陽輻射和最高氣溫計(jì)算得到，由表1可知，降水、太陽輻射及最高氣溫對(duì)SPEI的影響較大。對(duì)比中美玉米帶在玉米生長(zhǎng)前期、后期的 SPEI（圖3）和太陽輻射、降水及最高氣溫的線性傾向率（表2）可以看出，近30a中國(guó)東北玉米帶在玉米生長(zhǎng)前期降水趨于增加，太陽輻射明顯降低（P＜0.05），二者相互作用，導(dǎo)致 SPEI趨于下降，而美國(guó)玉米帶降水明顯增加（P＜0.05），輻射明顯減少（P＜0.05）以及氣溫的不明顯下降，三者相互作用，導(dǎo)致玉米生長(zhǎng)前期 SPEI明顯下降（P＜0.05）。兩地在玉米生長(zhǎng)后期氣象要素的變化較為一致，均表現(xiàn)為降水不明顯的減少，太陽輻射和最高氣溫趨于增加，其中中國(guó)東北地區(qū)最高氣溫明顯增加，但二者的綜合作用并未帶來明顯干旱化。

以上說明，中美玉米帶在近30a生長(zhǎng)前后期干旱化趨勢(shì)的差異主要是因?yàn)閮傻亟邓?、太陽輻射及最高氣溫變化趨?shì)的不同導(dǎo)致的，美國(guó)玉米帶前期降水及太陽輻射的明顯變化起到了減弱前期干旱的作用。

表2 1986?2015年中美玉米帶玉米生長(zhǎng)前期、后期主要?dú)庀笠丶癝PEI線性傾向率的正負(fù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Positive and negative statistics of linear tendency of main meteorological factors and SPEI during early(EGS) and late growth stage(LGS) in the corn belts of NEC and the US from 1986 to 2015

3 結(jié)論與討論

近 30a中國(guó)東北玉米帶生長(zhǎng)季太陽輻射較美國(guó)玉米帶偏高，平均氣溫偏低，降水較為稀少且集中于玉米生長(zhǎng)后期，而美國(guó)玉米帶前后期降水較均衡。在此氣候背景下，兩地不同生育階段的SPEI年際波動(dòng)及干旱頻率、強(qiáng)度和干旱范圍的時(shí)間變化均表現(xiàn)出明顯的非同步性，空間分布上具有各自的特征。在生長(zhǎng)季及生長(zhǎng)前、后期中國(guó)東北玉米帶發(fā)生干旱的頻次和強(qiáng)度均高于美國(guó)玉米帶，尤其是在后期兩地干旱特征差異明顯，這主要是因?yàn)橹袊?guó)東北玉米帶少雨、高輻射且伴隨高溫的天氣更易發(fā)生，尤其是在生長(zhǎng)前期。而美國(guó)玉米帶玉米生長(zhǎng)前、后期降水、輻射及氣溫異常的年份出現(xiàn)頻次低，因此，干旱頻率及強(qiáng)度低于中國(guó)東北玉米帶，尤其是后期異常年份較少使干旱次數(shù)及強(qiáng)度明顯偏低。另外，在氣候變化背景下，兩地在不同生育階段具有較為一致的光溫水演變特征，致使兩地干濕變化趨勢(shì)較為一致，前期均趨于濕潤(rùn)，后期趨于干旱，但僅有美國(guó)玉米種植區(qū)在玉米生長(zhǎng)前期濕潤(rùn)化表現(xiàn)明顯，主要來自降水明顯增加及輻射顯著降低的貢獻(xiàn)。以上結(jié)論與文獻(xiàn)[39?41]的結(jié)果較為一致。

使用Penman-Monteith蒸散方法計(jì)算SPEI量化中美玉米帶干旱強(qiáng)度的同時(shí)，比較了不同干旱指數(shù)（SPI與SPEI）及同一干旱指數(shù)（SPEI）不同蒸散計(jì)算方法（Thornthwaite法與Penman-Monteith法）得出的干旱特征的差異，結(jié)果表明 3種方法得到的區(qū)域干旱趨勢(shì)較為一致，但干旱強(qiáng)度及空間分布存在差異，與相關(guān)文獻(xiàn)[42-43]結(jié)果一致。這可能與SPI僅標(biāo)準(zhǔn)化降水，而SPEI利用Thorthwaite蒸散時(shí)僅考慮降水及氣溫有關(guān)。結(jié)果存在的差異說明了干旱特征對(duì)蒸散分量十分敏感，為了更合理地描述干濕變化特征，數(shù)據(jù)完整條件下推薦使用基于Penman-Monteith的SPEI來進(jìn)行干旱識(shí)別。

干旱特征的形成是一個(gè)復(fù)雜多學(xué)科問題，關(guān)于其成因研究，目前仍是世界難題。干旱氣候的形成涉及氣象條件、大氣環(huán)流背景及氣候變化背景等多重影響[41]。本研究從宏觀角度分析兩地氣象要素的差異從而探究中美干旱特征存在的不同，認(rèn)為中美玉米帶在玉米生長(zhǎng)季的干旱特征及干旱化趨勢(shì)存在的差異，主要受降水、輻射及氣溫的不同配合及其變化趨勢(shì)的不一致所影響。氣象要素不同的配合來自大尺度氣候背景的影響，事實(shí)上處于同一緯度的中美玉米帶雖氣候表現(xiàn)相似，但由于各自處于不同的氣候系統(tǒng)內(nèi)，大尺度氣候背景下仍表現(xiàn)不一，如夏季中國(guó)東北環(huán)流形勢(shì)易出現(xiàn)蒙古高壓增強(qiáng)，副高偏弱并伴隨水汽輸送偏少而導(dǎo)致干旱易發(fā)[15,17]，美國(guó)西部夏季干燥則主要受到熱帶大陸氣團(tuán)控制所致。另外，有研究[23,36,38]表明，大尺度氣候背景如ENSO、PDO等均對(duì)中美玉米帶的干旱特征及干旱化有所影響，不同氣候背景的直接表現(xiàn)即為氣象要素的不同配置與變化，本研究從宏觀角度分析了兩地干旱特征差異的成因，為后續(xù)進(jìn)一步探究其物理機(jī)制提供了基礎(chǔ)。

中美玉米帶干旱特征上存在的差異，導(dǎo)致各自抗旱減災(zāi)工作的側(cè)重點(diǎn)存在不一致。美國(guó)玉米帶在玉米生長(zhǎng)前期易發(fā)生干旱，且強(qiáng)度高，范圍廣，因此，應(yīng)注重生長(zhǎng)前期防旱措施的準(zhǔn)備。而對(duì)于中國(guó)東北玉米帶，干旱在玉米生長(zhǎng)前、后期均易發(fā)生，高強(qiáng)度干旱在生殖生長(zhǎng)階段的發(fā)生可能會(huì)嚴(yán)重威脅玉米產(chǎn)量的形成[44]，因此，中國(guó)東北地區(qū)應(yīng)注重整個(gè)生長(zhǎng)季防旱抗旱措施的保障。其它干旱管理工作也應(yīng)根據(jù)本國(guó)情況進(jìn)行調(diào)整，如干旱保險(xiǎn)應(yīng)基于兩地干旱特征的差異進(jìn)行保險(xiǎn)費(fèi)率的調(diào)整[12,45]，此外，引進(jìn)美國(guó)抗旱種質(zhì)時(shí)也應(yīng)相應(yīng)進(jìn)行品種改良[46]，尤其應(yīng)注重品種的后期耐旱能力，確保借鑒來的經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生更好的實(shí)際效果。

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