基于作物水分虧缺指數(shù)的河南省冬小麥干旱時空特征分析

王連喜 王田 李琪

摘要：以河南省1961—2014年14個站點的逐日氣象數(shù)據(jù)以及冬小麥生育期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，以作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）作為干旱指標(biāo)，利用多種數(shù)理統(tǒng)計方法分析河南省冬小麥干旱時空分布特征。結(jié)果表明：河南省冬小麥干旱覆蓋范圍廣，其CWDI指數(shù)存在準(zhǔn)2～4年及準(zhǔn)2～6年的周期變化;各干旱等級中，輕旱無突變發(fā)生，而中旱與重旱及以上分別在1973年和1965年發(fā)生了突變;輕旱的覆蓋范圍以3.25/10年的速率下降，中旱、重旱、特旱的覆蓋范圍則分別以2.52/10年、0.68/10年、0.47/10年的速率上升，以輕、中旱為主，重旱次之，特旱最少，其中，輕旱頻率高發(fā)區(qū)集中在豫南及豫西南，中旱頻率高值區(qū)以許昌、商丘、寶豐、盧氏等地為主，重、特旱主要發(fā)生在豫北一帶;極重風(fēng)險區(qū)分布為拔節(jié)-抽穗期>全生育期>乳熟-成熟期，重度風(fēng)險區(qū)分布為全生育期>拔節(jié)期-抽穗期>乳熟-成熟期，中度風(fēng)險區(qū)分布為乳熟-成熟期>拔節(jié)-抽穗期>全生育期。

關(guān)鍵詞：水分虧缺指數(shù);干旱;時空特征;冬小麥;河南省

中圖分類號： S162.5+3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）12-0083-06

冬小麥?zhǔn)俏覈谌笾饕Z食作物，河南省為我國冬小麥主要產(chǎn)區(qū)，其種植面積和產(chǎn)量均位于我國各省份之首。干旱是冬小麥生育期間發(fā)生的主要氣象災(zāi)害之一，其發(fā)生頻率高，持續(xù)時間長，波及范圍廣，對冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-2]。20世紀(jì)80年代中期以來，河南省農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害發(fā)生的頻次和強度呈明顯增強的趨勢，因此，建立理想的干旱指標(biāo)，分析干旱災(zāi)害的時空特征，對開展抗旱工作、河南省冬小麥生長發(fā)育的影響研究以及對確保糧食產(chǎn)量有重大意義[3]。

目前，用于農(nóng)業(yè)干旱的指標(biāo)較多，比較常用的干旱指標(biāo)有降水距平百分率[4]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）[5-6]、Palmer干旱指數(shù)（PDSI）[7]、相對濕潤度指數(shù)[8]、綜合氣象干旱指數(shù)（CI）[9]等。針對干旱問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[10-11]。史本林等利用SPEI指數(shù)分析河南省冬小麥干旱時空特征[12];成林等利用降水負(fù)距平對河南省冬小麥干旱規(guī)律進(jìn)行了分析[13];李樹巖等利用CI指數(shù)分析了河南省近40年的干旱特征[14]。作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）能較好地反映土壤、植物和氣象3方面因素對作物的綜合影響，可更加真實地反映作物水分虧缺狀況[15-16]。已有學(xué)者將CWDI指數(shù)應(yīng)用到我國部分區(qū)域的干旱研究中[17-19]，但應(yīng)用作物水分虧缺指數(shù)在河南省所做的相關(guān)研究較為少見，利用CWDI指數(shù)研究該區(qū)域冬小麥生育期干旱特征的報道更少。因此，本研究選取作物水分虧缺指數(shù)作為干旱指標(biāo)，對河南省冬小麥干旱時空特征進(jìn)行分析，為相關(guān)部門制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)計劃、趨利避害提供依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

氣象資料來源為河南省14個氣象臺站1961—2014年逐日平均氣溫度、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)、風(fēng)速、水汽壓、相對濕度等數(shù)據(jù)。

作物資料來源為河南省農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981—2014年冬小麥播種期、出苗期、三葉期、分蘗期、停止生長期、返青期、起身期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、乳熟期、成熟期等時間數(shù)據(jù)。

地理特征資料來源為河南省14個氣象站點的經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 作物水分虧缺指數(shù)計算方法

1.2.1.1 累計水分虧缺指數(shù)計算方法 考慮到水分虧缺累積情況以及前期降水對后期冬小麥生長發(fā)育的影響，從生育階段開始的第1天算起，向冬小麥生長期之前推50 d，以10 d為1個單位來計算水分虧缺指數(shù)，則生育階段中某日的水分虧缺指數(shù)計算公式如下：

1.2.2 冬小麥干旱指數(shù)等級劃分 目前，由于我國并未明確給出CWDI值的干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，本研究在CWDI值與土壤相對濕度分級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，結(jié)合《中國氣象災(zāi)害大典（河南卷）》，給出了該區(qū)冬小麥干旱分級標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

1.2.3.2 各生育期干旱頻率 逐年統(tǒng)計各站不同生育階段的干旱發(fā)生次數(shù)，得到各站不同發(fā)育階段的干旱頻率Fa和強度[22]。

1.2.5 風(fēng)險指數(shù)（Q） 風(fēng)險指數(shù)是一種考慮風(fēng)險程度大小的指標(biāo)，它將干旱強度與干旱頻率有機地結(jié)合在一起[23]，具體算法為將各臺站各發(fā)育階段或全生育期的干旱頻率（F）與平均干旱強度（T）相乘，其中對平均干旱強度T還須進(jìn)行歸一化處理。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理與分析 本研究在Matlab軟件基礎(chǔ)上，運用Morlet小波分析法探究冬小麥干旱指數(shù)的周期變化規(guī)律;對干旱等級覆蓋范圍進(jìn)行了M-K檢驗，探究其演變趨勢。在空間特征上，結(jié)合ArcGIS 10.2軟件對干旱等級和風(fēng)險度進(jìn)行空間插值分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱相關(guān)時間變化特征

2.1.1 冬小麥干旱指數(shù)周期分析 河南省冬小麥水分虧缺指數(shù)（CWDI）的周期分析結(jié)果見圖1?？梢钥闯?，冬小麥水分虧缺指數(shù)時間序列存在著準(zhǔn)2～4年、準(zhǔn)2～6年的周期變化。其中1965—1971年和1985—2000年存在準(zhǔn)2～6年尺度的周期變化，1981—1985年、2001—2007年存在2～4年尺度的周期變化，并且均通過了0.05水平的顯著性檢驗。雖然1962—1965年和2007—2011年存在準(zhǔn)2～4年尺度周期，但未通過0.05水平的顯著性檢驗。

2.1.2 干旱覆蓋范圍的時間變化特征 由圖2可知，近53年河南省冬小麥干旱覆蓋范圍呈現(xiàn)增大趨勢，且干旱覆蓋范圍很廣。這是由近幾十年來河南省氣候偏暖趨勢明顯，降水波動較大，溫度的升高和降水量的減少導(dǎo)致的。研究期間的43年為干旱完全覆蓋（干旱覆蓋范圍為100%），且研究時段內(nèi)平均覆蓋范圍為97.57%，根據(jù)線性趨勢的傾向率計算得出，干旱覆蓋范圍以0.63/10年的速率在增大，特別是1990年代以來出現(xiàn)大范圍干旱事件的概率增大，2000年后干旱覆蓋范圍達(dá)100%。輕旱覆蓋范圍呈減少的趨勢（線性趨勢傾向率為-3.25/10年），其均值為38.41%，其中覆蓋范圍在1969、1979、1990和2003年達(dá)80%左右，但在1992及2011年未出現(xiàn)輕旱（覆蓋范圍為0）。中旱覆蓋范圍呈增大趨勢（線性趨勢傾向率為2.52/10年），均值為42.46%，其中1976、1986、1994、1996、2000、2004和2009年的覆蓋范圍達(dá)到70%以上，在1969、1990年未出現(xiàn)中旱（覆蓋范圍為0）。重旱覆蓋范圍呈增大趨勢（線性趨勢傾向率為0.68/10年），均值為15.1%。在年際變化上，1999年和2011年重旱覆蓋范圍明顯上升，其值分別達(dá)到50%、58%，1970、1977、1981年覆蓋范圍達(dá)43%左右。特旱覆蓋范圍最小，但也呈增加趨勢（線性趨勢傾向率為0.47/10年），均值僅為1.35%，研究期間，僅在1970、1980、1999和2011年這4年出現(xiàn)了特旱，其中，1999、2011年的覆蓋范圍分別達(dá)22%和28%。

表2列出了不同等級干旱覆蓋范圍的年代際變化，輕旱覆蓋范圍最大的是1962—1970年，覆蓋范圍最小的是1991—2000年;中旱覆蓋范圍最大值出現(xiàn)在1990年代（50%）;重、特旱覆蓋范圍最大值均發(fā)生在2010年代，其中特旱覆蓋范圍較少?？傮w來看，干旱嚴(yán)重程度以1990年代、2010年代干旱較強，1980年代和2000年代次之，這可能是因為21世紀(jì)前后，我國大范圍氣溫較常年同期偏高，北方旱區(qū)每月平均氣溫較常年偏高0.52～2.00 ℃[24]，氣溫偏高使土壤水分蒸發(fā)加快，加上厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)生進(jìn)一步加重了旱情發(fā)展，而各年代中主要以中旱覆蓋范圍最大，特旱覆蓋范圍最少。

2.1.3 干旱覆蓋范圍的突變特征 對河南省14個站點干旱覆蓋范圍進(jìn)行統(tǒng)計分析，求出時間序列的UF（Mann-Kendall統(tǒng)計量正序列）和UB（Mann-Kandall統(tǒng)計量反序列）值，取顯著水平α=0.05情況下的臨界值為±1.96（圖3中的虛線）。

通過圖3中的UF與UB時間序列值的走勢可以看出，輕旱無突變發(fā)生，而中旱、重旱及以上有突變（P>0.05），其中，中旱在1973年發(fā)生突變，突變后為增加趨勢;重旱及以上在1965年發(fā)生突變，突變后亦表現(xiàn)為增多特征。此外，由圖3可知，1961—1975年輕旱基本呈現(xiàn)上升趨勢，1975年后呈現(xiàn)下降趨勢， 而中旱則在1962—1975年呈現(xiàn)下降趨勢，1975年

以后呈現(xiàn)上升趨勢。

2.2 干旱相關(guān)空間分布特征

2.2.1 干旱頻率的空間分布特征 采用ArcGIS軟件柵格數(shù)據(jù)空間分析模塊中的反距離權(quán)重插值（IDW）方法，對河南省冬小麥全生育期不同等級干旱頻率進(jìn)行插值，生成空間柵格數(shù)據(jù)，得到不同等級干旱頻率的空間分布。由圖4可以看出，河南冬小麥輕旱頻率高發(fā)區(qū)集中于豫南及豫西南一帶，其中，信陽、駐馬店站點的輕旱頻率達(dá)57.38%～70.58%，由南向北輕旱頻率逐漸降低，豫中地區(qū)的輕旱頻率在28.46%～48.25%之間，豫北及三峽門站發(fā)生輕旱的頻率僅有5.88%～17.04%，屬輕旱頻率低發(fā)區(qū)。中旱頻率高發(fā)區(qū)集中在豫東、豫中及豫西北，其發(fā)生頻率為46.40%～52.94%;以北的安陽、新鄉(xiāng)、開封等地的中旱頻率為35.25%～46.40%，屬中旱次高頻發(fā)區(qū);豫南等地中旱發(fā)生頻率較低。重旱發(fā)生區(qū)主要集中于豫北及三門峽，其中，安陽重旱頻率達(dá)41.18%～50.97%，豫中一帶重旱頻率均值在22%左右，豫南和豫西南重旱頻率最低。特旱發(fā)生頻率較低，主要發(fā)生在新鄉(xiāng)、安陽及開封，為6.05%～7.84%，豫南、豫西發(fā)生特旱的頻率在 0.92%以下。

總體可見，河南省冬小麥發(fā)生不同等級的干旱頻率呈緯向分布，即豫南及豫西南發(fā)生輕旱的頻率最高，主要是由于該區(qū)域總體偏南，降水較多，即使存在水分虧缺，也是低程度的，所以輕旱居多，中旱以上較少發(fā)生。豫東、豫中及豫西一帶是中旱高發(fā)區(qū)，重旱和特旱主要集中在豫北，由于該區(qū)域受到季風(fēng)及副高氣候影響，導(dǎo)致降水偏少，土壤失墑嚴(yán)重，所以旱情嚴(yán)重。

2.2.2 干旱風(fēng)險度的空間分布 按照表3劃分的風(fēng)險度等級，繪制河南省冬小麥全生育期及受干旱影響較大的拔節(jié)-抽穗期和乳熟-成熟期的干旱風(fēng)險（圖5）。

由圖5還可知，河南省冬小麥全生育期干旱風(fēng)險重度區(qū)分布較廣，包括三門峽、盧氏、寶豐、商丘等區(qū)域，極重區(qū)集中在豫北地區(qū)，中度風(fēng)險區(qū)分布在豫西及豫南部分區(qū)域，輕度風(fēng)險區(qū)主要分布于信陽。

河南省冬小麥拔節(jié)-抽穗期輕度風(fēng)險區(qū)較全生育期范圍有所增加，分散在西峽、駐馬店及信陽區(qū)域，中度風(fēng)險區(qū)逐漸北移，分布范圍有所增加，極重風(fēng)險區(qū)也有所增加，主要分布在豫北及三門峽部分區(qū)域，重度風(fēng)險區(qū)分布范圍減少，包括豫東及豫西北部分區(qū)域。

河南省冬小麥乳熟-成熟期重度和極重風(fēng)險區(qū)較以上2個生育時段向北移動縮小，中度風(fēng)險區(qū)分布區(qū)域較廣，分布在豫西及豫南部分區(qū)域。

3 討論與結(jié)論

利用河南省14個冬小麥種植區(qū)氣象臺站1961—2014年的逐日氣象數(shù)據(jù)，同時參考相關(guān)臺站冬小麥生育期資料，運用CWDI指數(shù)和相關(guān)統(tǒng)計分析方法，探究了近53年河南全省冬小麥干旱時空分布及變化特征，研究表明：

從小波周期分析來看，河南省冬小麥干旱指數(shù)存在準(zhǔn) 2～4年及準(zhǔn)2～6年的周期變化。

從冬小麥干旱覆蓋范圍上看，河南省干旱呈上升趨勢且發(fā)生范圍廣，主要以輕旱和中旱為主，重旱較少，特旱最少，這與成林等的研究結(jié)果[13]一致，與房穩(wěn)靜等的研究的結(jié)果（以輕旱為主）[24]有所不同，這可能與干旱指標(biāo)選取以及干旱等級劃分有關(guān)。其中，研究期間有43年為干旱完全覆蓋，輕旱以 3.25/10年的速率下降。而中旱、重旱和特旱分別以2.52/10年、0.68/10年、0.47/10年的速率上升。輕旱無突變發(fā)生，而中旱及重旱以上均發(fā)生了突變。

從冬小麥干旱頻率的空間分布來看，河南省各地干旱頻率分布差別較大，即輕旱主要發(fā)生在豫南和豫西南一帶，由南至北輕旱頻率逐漸減少， 中旱頻率在豫東、豫中一帶最大，豫南最低，重旱和特旱主要發(fā)生在豫北，由北至南逐漸減少。這個結(jié)果比較符合實際，由于河南省降水從南向北逐漸減少，濕度南部大，北部小，同緯度的西部山區(qū)大于東部平原，能較好地反映河南省干旱發(fā)生的規(guī)律。

從冬小麥干旱風(fēng)險度分布圖來看，拔節(jié)-抽穗期極重風(fēng)險區(qū)分布最廣，全生育期重度風(fēng)險區(qū)分布最廣，乳熟-成熟期則是中度風(fēng)險區(qū)分布最廣。全生育期、拔節(jié)-抽穗及乳熟-成熟期極重風(fēng)險區(qū)主要集中在安陽、新鄉(xiāng)和開封。重度風(fēng)險區(qū)逐漸北移減少，而中度風(fēng)險區(qū)逐漸擴大，這可能與乳熟-成熟期降水量>拔節(jié)-抽穗期降水量有一定關(guān)聯(lián)。

本研究在計算作物水分虧缺指數(shù)時，供水量部分僅考慮了自然降水量，對有效降水量及灌溉量考慮得不是很充分，計算需水量時未考慮作物系數(shù)（Kc）在不同區(qū)域間的差異，這會給計算結(jié)果帶來一定誤差。此外，本研究中冬小麥在不同生育期的干旱風(fēng)險度存在變化，表明其不僅與降水有關(guān)，其他因素也在其中產(chǎn)生影響，但本研究中并未涉及。這些都有待今后進(jìn)一步研究，并應(yīng)在今后研究中結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況進(jìn)行深入分析與探討，使該指數(shù)能更好地運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)中。

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