基于SPEI指數(shù)的東北玉米種植區(qū)春玉米生長(zhǎng)季干旱演變特征

葛 東，魏新光，景竹然，李 波，高西寧

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110866)

玉米是我國(guó)重要的糧食作物之一，其生育期耗水較多且對(duì)水分脅迫反應(yīng)較為敏感,干旱已經(jīng)成為玉米生產(chǎn)的制約因素[1]。東北地區(qū)位于中國(guó)的東北端，包括遼寧、吉林、黑龍江三個(gè)省和內(nèi)蒙古東部地區(qū)，是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地[2-3]。同時(shí)東北地區(qū)也是北方春播玉米的主產(chǎn)區(qū)，截至2018年底，總播種面積達(dá)到5×106hm2,產(chǎn)量達(dá)1.01×108t，占全國(guó)玉米總產(chǎn)量的47.78%[4]。因此，東北春玉米種植區(qū)是我國(guó)重要的玉米生產(chǎn)區(qū)，是重要的玉米商品糧基地。干旱是影響區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[5-7]，近年來(lái)，由于全球氣候變化，東北地區(qū)存在著明顯的干旱化趨勢(shì)。干旱通常被認(rèn)為是一個(gè)緩慢的過程，多以季或年尺度進(jìn)行評(píng)估。但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，關(guān)鍵生育期內(nèi)短時(shí)干旱也能造成重大影響[8]。因此研究東北地區(qū)玉米不同生育階段干旱時(shí)空分布規(guī)律，對(duì)東北地區(qū)春玉米不同生育階段采取有效抗旱減災(zāi)措施具有重要意義[9]。

目前研究農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)主要有帕爾默干旱指數(shù)[10]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[11-14]、作物干旱指數(shù)[15]、水分盈虧指數(shù)(CWSDI)[16]等。帕爾默干旱指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)是基于降水、徑流和蒸發(fā)量等干旱影響因子提出的，很好地解決了區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，然而由于空間不一致性，缺乏時(shí)空比較的有效性[17]。Vicente-Serrano等[18]提出標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)，該指數(shù)融合了帕爾默干旱指數(shù)對(duì)蒸散的響應(yīng)及標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)空間一致性、多時(shí)間尺度且計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[19]。ηspei值特別適于檢測(cè)和監(jiān)測(cè)全球變暖背景下干旱的變化特征，一經(jīng)提出就被用于各方面的干旱研究[20]。徐一丹等[21]利用SPI和ηspei分析了黑龍江、遼寧、吉林地區(qū)的近55 a 多時(shí)間尺度干旱變化特征及兩指數(shù)的表征差異。沈國(guó)強(qiáng)等[22]應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(ηspei)和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解方法，分析東北地區(qū)干旱特征，揭示了干旱發(fā)生的時(shí)空變化規(guī)律。蔡思揚(yáng)等[23]選取東北三省(黑龍江省，吉林省和遼寧省作為研究區(qū)，選取標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)(ηspei)進(jìn)行分析，驗(yàn)證ηspei在東北地區(qū)干旱評(píng)估中的適用性。明博等[8]應(yīng)用新的多尺度ηspei干旱指數(shù)分析了北京地區(qū)干旱的演變。楊娟[24]選取標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(ηspei)兩種干旱指數(shù)分析了灌區(qū)冬小麥多年的干旱演變特征。許玲燕等[25]分析研究了云南省夏玉米生長(zhǎng)季干旱演變的時(shí)空特征和規(guī)律。

前人對(duì)不同地區(qū)、不同作物生育期的ηspei開展了大量研究，但是前期研究多基于日、旬、月、3月、半年和年尺度，對(duì)生育期尺度研究較少，對(duì)東北玉米種植區(qū)生育期的ηspei相關(guān)研究還未見報(bào)道。因此本文基于ηspei值，選擇東北玉米種植區(qū)51個(gè)氣象站點(diǎn)1989年—2018年氣象數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)內(nèi)春玉米不同生育階段ηspei值進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對(duì)其干旱發(fā)生頻率時(shí)空演變特征進(jìn)行分析研究，以期對(duì)東北區(qū)域春玉米生產(chǎn)及種植結(jié)構(gòu)規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)楸本?8°43′～53°33′，東經(jīng)115°53′～135°05′的東北玉米種植區(qū)，主要包括遼寧、吉林和黑龍江部分地區(qū)以及內(nèi)蒙古東部地區(qū)(見圖1)，該區(qū)總面積為1.243×106km2，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，玉米播種面積達(dá)6×104km2,產(chǎn)量近4×107t,占全國(guó)的30%左右。該區(qū)域地勢(shì)平坦、土壤肥沃、光水資源優(yōu)越，唯熱量條件略顯不足，氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季溫暖多雨，主要農(nóng)業(yè)區(qū)≥10℃年平均降水量為350 mm～1 200 mm。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取東北地區(qū)51個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站為研究站點(diǎn)。其中站點(diǎn)數(shù)分別為：遼寧省12個(gè)、吉林省13個(gè)、黑龍江省16個(gè)、內(nèi)蒙古自治區(qū)東部10個(gè)(各站點(diǎn)分布如圖1所示)。研究所用資料為1989年—2018年4月—9月逐日氣象要素(輻射、溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓、降水)，來(lái)自國(guó)家氣象信息中心資料室，并對(duì)研究區(qū)域種植的作物類型、種植面積和生育階段進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)。地理數(shù)據(jù)主要包括東北地區(qū)的行政區(qū)劃圖，數(shù)據(jù)格式為Shapefile。

2.2 玉米生育期劃分

2.2.1 玉米種植區(qū)域確定方法

本文根據(jù)東北地區(qū)歷年玉米種植面積作為該地區(qū)玉米種植區(qū)域的依據(jù)，即計(jì)算東北地區(qū)各縣(或縣級(jí)市)2018年前近5 a的玉米平均種植面積，認(rèn)為其在該地區(qū)農(nóng)作物種植面積排名前2的區(qū)域?yàn)橛衩追N植區(qū)域(數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒[26])。根據(jù)以上原則，確定東北地區(qū)玉米種植的界限，見圖1。

圖1 東北地區(qū)玉米種植區(qū)

2.2.2 玉米生育階段劃分

根據(jù)區(qū)域內(nèi)物候特征和前人研究成果將玉米生育期劃分為4個(gè)階段：播種—苗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—開花期、灌漿—成熟期。根據(jù)實(shí)測(cè)玉米生育期觀測(cè)資料，假定研究時(shí)段內(nèi)玉米品種保持不變，確定了研究區(qū)域內(nèi)玉米的平均生育期見表1。本研究計(jì)算了不同生育階段內(nèi)的ηspei值，將得到的ηspei值記為ηspei-M,其中M表示生育期天數(shù)。如ηspei-60表示60 d的ηspei值。

表1 東北地區(qū)春玉米生育階段劃分

2.3 ηspei值的確定與干旱等級(jí)劃分

ηspei是對(duì)降水量與潛在蒸散量差值序列的累積頻率值進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)。

(1) 利用FAO-56中推薦的Penman-Monteith 公式[37]計(jì)算1989年—2018年不同生育期內(nèi)逐日參考作物蒸發(fā)蒸騰量 ，各站點(diǎn)逐日作物系數(shù) 采用前期研究確定[34]，進(jìn)而計(jì)算不同生育期內(nèi)作物蒸發(fā)蒸散量ET，公式為:

ETi=ET0i×Kci

(1)

式中:ET0i為第i個(gè)生育階段參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm;Kci為春玉米第i個(gè)生育階段系數(shù)。

(2) 有效降水量的確定公式為：

P0i=αPi

(2)

式中:P0i為有效降水量，mm；Pi為實(shí)際降水量，mm；α為降水入滲系數(shù)[34]，一次降水量小于5 mm時(shí)，α為0,當(dāng)一次降水量在5 mm～50 mm時(shí)，α為0.9,當(dāng)一次降水量大于50 mm時(shí)，α為0.8。

(3) 計(jì)算降水與蒸散的差值Di,即:

Di=P0i-ETi

(3)

式中:P0i為第i個(gè)生育階段有效降水量,mm;ETi為玉米第i生育階段蒸發(fā)蒸散量，mm。

(4) 全生育期的降水與蒸散差值D，即:

D=P-ET

(4)

(5) 最后，對(duì)Di和D序列進(jìn)行正態(tài)化處理, 計(jì)算每個(gè)差值對(duì)應(yīng)的ηspei值，具體方法見氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)[37]。干旱等級(jí)借鑒張煦庭等[38]進(jìn)行劃分，見表2。

表2 ηspei指數(shù)干旱等級(jí)劃分

2.4 干旱發(fā)生頻率的計(jì)算方法

根據(jù)文中確定的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)，按照不同生育期計(jì)算不同等級(jí)的干旱發(fā)生頻率，輕旱發(fā)生頻率,即為總研究序列(1989年—2018年共30 a)中，輕旱發(fā)生次數(shù)與總研究年數(shù)的比值。1989年—2018年歷年、歷年各季、歷年各生育期不同程度的干旱事件發(fā)生頻率[39-40]的計(jì)算公式為:

(5)

式中:n為相應(yīng)干旱等級(jí)的發(fā)生年數(shù);N為研究總年數(shù)。

2.5 ηspei變化趨勢(shì)分析方法

利用線性傾向估計(jì)法對(duì)1989年—2018年?yáng)|北玉米種植區(qū)春玉米ηspei值變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。線性傾向估計(jì)是一條合理的直線，表示變量之間的關(guān)系，建立y與時(shí)間t之間的一元線性回歸方程:

y=a+bt

(6)

式中:a為回歸常數(shù)；b為傾向率，以10b表示春玉米ηspei值每10 a的傾向率，其正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同生育階段春玉米ηspei年際變化趨勢(shì)

四個(gè)研究區(qū)域不同生長(zhǎng)階段春玉米ηspei值平均值變化情況的回歸方程和10 a傾向率等結(jié)果如表3所示。由表3可知，四個(gè)區(qū)域的ηspei值在播種—苗期均無(wú)顯著上升或下降趨勢(shì)(P>0.05)，而拔節(jié)孕穗期均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中內(nèi)蒙古東部和遼寧ηspei值下降較快，達(dá)顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)，氣候傾向率分別為-0.46/10 a、-0.44/10 a，吉林次之(-0.17/10 a),黑龍江(-0.06/10 a)最小。抽穗開花期吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古東部的ηspei值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而遼寧(0.11/10 a)呈上升趨勢(shì)。灌漿成熟期遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙古東部呈下降趨勢(shì)，吉林呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

表3 東北春玉米生育期內(nèi)不同生育階段ηspei序列變化趨勢(shì)分析

圖2顯示了東北地區(qū)1989年—2018年全生育期ηspei值平均值的變化趨勢(shì)。

圖2 東北春玉米全生育期ηspei平均值變化曲線

由圖2可知，ηspei值年際變化呈現(xiàn)階段性變化趨勢(shì)，1989年—2004年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2005年至研究階段末期變化較穩(wěn)定。遼寧、吉林、黑龍江和內(nèi)蒙古東部近30年的ηspei值總體呈下降趨勢(shì)(線性傾向率分別為-0.10、-0.15、-0.24和-0.28)。1980年代到2000年代初期，4個(gè)區(qū)域的ηspei值呈下降趨勢(shì)，并在2002年達(dá)到歷史最低值，遼寧、吉林和內(nèi)蒙古東分別達(dá)重旱水平(ηspei值分別為-1.63、-1.59和-1.51)，而黑龍江達(dá)中旱水平(ηspei值為-1.11)。而ηspei值在2005年到研究階段末期變化趨勢(shì)平穩(wěn)，各區(qū)域間的ηspei值變化趨勢(shì)大致相同，普遍處于濕潤(rùn)和輕旱狀態(tài)，基本沒有差異?？傮w而言，東北玉米種植區(qū)近30 a全生育期的ηspei值整體波動(dòng)性強(qiáng)，年際差異大。

3.2 春玉米干旱發(fā)生頻率與干旱發(fā)生相對(duì)面積

分析近30 a來(lái)研究區(qū)域內(nèi)春玉米全生育期的干旱發(fā)生頻率(見圖3)，由圖3可以看出，就輕旱頻率而言，內(nèi)蒙古東最高(43.27%)，其他三省份基本相同，頻率達(dá)30%左右。就中旱而言，內(nèi)蒙古東最大(21%)，遼寧和黑龍江次之，達(dá)13.3%，吉林最低(29%)。就重旱而言，內(nèi)蒙古東最高達(dá)6.67%，其他三省份均較低，達(dá)3.33%?？傮w來(lái)看，內(nèi)蒙古東干旱頻率最大，輕度以上干旱頻率為71%(3 a兩小旱)，中度以上干旱頻率為27.67%(4 a一中旱)，重旱頻率為6.67%(16 a一大旱)。

圖3 各春玉米種植區(qū)干旱發(fā)生頻率

3.3 不同生育階段ηspei的空間分布

為了進(jìn)一步分析區(qū)域內(nèi)ηspei值不同生育階段及全生育期的空間分布特征，采用克里金空間插值法對(duì)近30 a的ηspei平均值進(jìn)行空間插值，進(jìn)而分析東北地區(qū)春玉米各生育期干旱情況(如圖4所示)。

圖4 東北春玉米生育期內(nèi)不同生育階段標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)空間分布

播種—苗期階段，ηspei值空間分布呈由研究區(qū)域東北部向西南部遞減趨勢(shì)，在-0.06～-0.01之間波動(dòng)，低值區(qū)分布在內(nèi)蒙古東的大部和遼寧西部，普遍低于-0.04，呈輕度虧水狀態(tài)，但并未達(dá)到輕旱；黑龍江東部和吉林東北部地區(qū)呈水分平衡狀態(tài)，ηspei值在-0.01～0.00之間。

拔節(jié)—孕穗階段，研究區(qū)域內(nèi)的ηspei值主要分布在-0.04～-0.02之間，整體差異不大，內(nèi)蒙古東的西部和黑龍江北部地區(qū)存在低值區(qū)，呈輕度虧水；遼南存在高值區(qū)，ηspei值變化范圍為-0.02～-0.01。

抽穗—開花階段，ηspei值由種植區(qū)東北部向西部逐步遞減，在-0.06～0.02之間變化，在黑龍江東北部存在高值區(qū)，值為0.02～0.03，呈水分盈余狀態(tài)；內(nèi)蒙古東的大部和遼寧西部普遍呈水分虧缺狀態(tài)，ηspei值均低于-0.03，但未達(dá)輕旱狀態(tài)。

灌漿—成熟階段，ηspei值分布差異較大，大體上呈由研究區(qū)域西北部向東南部逐漸遞增趨勢(shì)，內(nèi)蒙古東的大部和黑龍江的西北部呈水分平衡狀態(tài)，在零值附近波動(dòng)；再往東部，呈現(xiàn)水分盈余，尤其遼南、吉林東南部地區(qū)水分盈余充足，ηspei值達(dá)0.03～0.04。

總體而言，東北玉米種植區(qū)各生育階段標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)范圍在-0.06～0.04之間。各生育階段的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)具有明顯的空間異質(zhì)性，且均普遍呈濕潤(rùn)狀態(tài)。

圖5為東北地區(qū)春玉米全生育期標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(ηspei)空間分布圖，整體上呈由研究區(qū)域西北部到東南部依次遞增趨勢(shì)，在內(nèi)蒙古東的大部、吉林北部和黑龍江地區(qū)的ηspei值均小于0.00，呈現(xiàn)水分虧缺，但并未達(dá)到輕度干旱；遼寧大部、內(nèi)蒙古東的東南部和吉林東南部地區(qū)ηspei值大于0.00，呈現(xiàn)水分盈余，尤其在遼南地區(qū)，ηspei值達(dá)到0.03～0.04之間。

圖5 東北春玉米全生育期標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)空間分布

3.4 東北玉米種植區(qū)春玉米生育期內(nèi)干旱頻率空間分布

為定量分析東北玉米種植區(qū)近30 a春玉米生育期干旱的空間分布特征，本研究計(jì)算春玉米各生育階段干旱發(fā)生頻率實(shí)現(xiàn)其空間分布。

在玉米的播種—苗期，發(fā)生輕度及以上干旱的頻率在28%～36%之間，中度及以上干旱的頻率小于22%，重旱頻率小于10%。各玉米種植區(qū)的輕度及以上干旱頻率在空間分布上無(wú)明顯差異，在遼寧南部存在部分低值區(qū)(20%～24%)。中度及以上干旱頻率空間分布差異明顯，整體呈現(xiàn)由種植區(qū)南部向北部方向遞增趨勢(shì)，黑龍江大部和內(nèi)蒙古東的西北部存在高值區(qū)(19%～22%之間)。除黑龍江東北部偶有重旱發(fā)生外，其他地區(qū)重旱鮮少發(fā)生。

在玉米的拔節(jié)—孕穗期，輕度及以上干旱發(fā)生頻率和重度干旱發(fā)生頻率在空間分布上普遍無(wú)明顯差異，在內(nèi)蒙古東的西南部存在高發(fā)區(qū)，輕度及以上干旱發(fā)生頻率達(dá)32%～36%，重旱頻率達(dá)12%～16%。而中度及以上干旱發(fā)生頻率空間差異明顯，在內(nèi)蒙古東的大部和遼寧西部存在高值區(qū)(20%～24%)，由黑龍江、吉林向內(nèi)蒙古東和遼寧遞增，干旱趨勢(shì)加重。

玉米抽穗開花期輕度及以上干旱發(fā)生頻率在24%～30%之間，中度及以上干旱發(fā)生頻率在5%～20%之間，重旱頻率小于11%。各玉米種植區(qū)的輕度及以上干旱發(fā)生頻率和重旱發(fā)生頻率的空間分布均有較大差異。輕度及以上干旱發(fā)生頻率空間上呈現(xiàn)由種植區(qū)東北部向西南部遞增趨勢(shì)，在內(nèi)蒙古東的西南部存在高發(fā)區(qū)，頻率達(dá)18%～20%；重旱頻率大體上呈現(xiàn)由種植區(qū)東部向西部遞增趨勢(shì)，在內(nèi)蒙古東的東部存在高值區(qū)(11%～13%)。中度及以上干旱頻率空間分布無(wú)明顯差異，在內(nèi)蒙古東的大部存在高值區(qū)(16%～19%)。總體以輕度及以上干旱為主，中度及以上干旱和重旱鮮少發(fā)生。

玉米灌漿—成熟期輕度及以上干旱發(fā)生頻率在27%～32%之間，中度及以上干旱發(fā)生頻率小于18%，重旱頻率小于11%。輕度及以上干旱、中度及以上干旱和重旱發(fā)生頻率空間上均呈現(xiàn)階梯狀變化，由種植區(qū)西部向東部方向遞減。輕度及以上干旱發(fā)生頻率在吉林大部和黑龍江東部存在低值區(qū)(27%～29%)，中度及以上干旱發(fā)生頻率在內(nèi)蒙古東和遼寧西部存在高值區(qū)(16%～17%)。重旱高發(fā)區(qū)主要存在于內(nèi)蒙古東地區(qū)。

東北春玉米全生育期的干旱頻率空間分布特征:研究區(qū)域內(nèi)各省份發(fā)生輕度及以上干旱和中度及以上干旱的頻率，均呈現(xiàn)由種植區(qū)東部向西部方向遞增趨勢(shì)。重旱頻率普遍較低(0%～8%)，且空間分布無(wú)明顯差異。

總體而言，東北玉米種植區(qū)春玉米生育期內(nèi)干旱頻率以輕度及以上干旱為主，中度及以上干旱和重旱鮮少發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1) 東北玉米種植區(qū)不同生育階段的ηspei值年際變化趨勢(shì)差異明顯，以1997年、2008年和2015年為主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，ηspei值變化范圍為-1.7～2.0。

(2) 全生育期干旱發(fā)生頻率最大的為內(nèi)蒙古東，其次為遼寧、吉林和黑龍江。

(3) 東北玉米種植區(qū)總體上呈濕潤(rùn)狀態(tài)(ηspei值>-0.5)；春玉米干旱頻率空間分布特征及變化規(guī)律差異較大。各個(gè)生育階段均以輕度及以上干旱為主，尤以玉米播種—苗期輕度及以上干旱發(fā)生頻率最高(28%～36%)，而中度及以上干旱和重旱發(fā)生頻率均較低。