張曉旭,孫忠富,鄭飛翔**,劉 江,李崇瑞,王一昊
(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081;2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,沈陽(yáng) 110866;3.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院遼寧分院, 沈陽(yáng) 110866)
黃淮海地區(qū)是中國(guó)夏玉米主產(chǎn)區(qū)之一,播種面積約占全國(guó)播種面積的32%,總產(chǎn)量約占34%[1]。然而由于該地區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季氣溫高,蒸發(fā)量大,降水時(shí)空分布不均,導(dǎo)致干旱發(fā)生頻繁[2?3]。氣候變化導(dǎo)致氣溫升高,降水時(shí)空分布也發(fā)生變化,干旱成為影響玉米生產(chǎn)的重要因素。北方地區(qū)是干旱易發(fā)區(qū),氣候變化背景下干旱呈現(xiàn)常態(tài)化,干旱頻發(fā),對(duì)玉米的影響逐漸加重,導(dǎo)致黃淮海地區(qū)夏玉米總產(chǎn)量因旱下降,甚至對(duì)全國(guó)糧食總產(chǎn)量造成重大影響。因此,研究該區(qū)域夏玉米不同生育階段干旱時(shí)空演變規(guī)律,明確干旱對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響,并采取相應(yīng)防災(zāi)減災(zāi)措施對(duì)保證糧食產(chǎn)量具有重要意義。
常用的干旱指標(biāo)包括作物水分虧缺指數(shù)(Crop Water Deficit Index, CWDI)[4?5]、土壤相對(duì)濕度(Soil Relative Moisture, Rsm)[6?7]、降水距平百分率(Precipitation Anomaly in Percentage, PA)[8?9]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standard Precipitation Index, SPI)等[10?11]。PA和SPI只考慮降水因素,資料簡(jiǎn)單易獲取,但因未考慮土壤底墑、作物生育期等問(wèn)題,不能直觀反映農(nóng)作物干旱程度[9?10];Rsm需要土壤濕度數(shù)據(jù),中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象行業(yè)目前使用的土壤濕度數(shù)據(jù)是每月逢“8”(每月的8、18、28日)測(cè)定一次,會(huì)把中間的干旱時(shí)段或者明顯的降水過(guò)程漏掉,影響結(jié)果準(zhǔn)確度[12];而CWDI不僅綜合考慮了氣象、作物、土壤三方面因素,還考慮了作物播種前期干旱積累對(duì)后期作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響,能夠更客觀真實(shí)地反映出水分虧缺程度與干旱情況[13]。薛昌穎等[2]分析了土壤相對(duì)濕度與水分虧缺指數(shù)的關(guān)系,建立了黃淮海地區(qū)夏玉米不同階段土壤相對(duì)濕度與水分虧缺指數(shù)之間的線性關(guān)系模型,并由此建立了與土壤相對(duì)濕度干旱等級(jí)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的水分虧缺指數(shù)干旱等級(jí)指標(biāo)。楊平等[3]基于自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原理,運(yùn)用信息擴(kuò)散法、加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法,評(píng)估了黃淮海地區(qū)夏玉米干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,研究得出黃淮海地區(qū)夏玉米干旱危險(xiǎn)性整體偏高,干旱頻率均在64.36%以上。薛昌穎等[14]還從災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)性、脆弱性、暴露性和防災(zāi)減災(zāi)能力4個(gè)方面構(gòu)建了黃淮海地區(qū)夏玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)和模型,結(jié)果表明該區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季干旱發(fā)生危險(xiǎn)性最大的階段主要是播種?出苗期和乳熟?成熟期。
目前,已有研究采用CWDI分析了玉米生育期風(fēng)險(xiǎn)等,但研究區(qū)域集中在中國(guó)東北、西南、西北地區(qū)[13,15?17],鮮有針對(duì)黃淮海地區(qū)夏玉米干旱時(shí)空變化特征的研究報(bào)道。本研究旨在通過(guò)對(duì)干旱指標(biāo)CWDI的計(jì)算,分析黃淮海地區(qū)夏玉米不同生育階段干旱災(zāi)害的時(shí)空演變特征,探究不同年代夏玉米生育期的干旱情況,以期為黃淮海地區(qū)未來(lái)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的評(píng)估、監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。
黃淮海地區(qū)(31°?50°N,110°?125°E)[18]包括河北省除承德和張家口外、河南和山東全省區(qū)域、安徽和江蘇省的長(zhǎng)江以北地區(qū)。選擇研究區(qū)域內(nèi)具有1981?2015年完整時(shí)間序列的逐日地面觀測(cè)資料的氣象站點(diǎn),共計(jì)76個(gè)(圖1)。氣象數(shù)據(jù)下載自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.cma.gov.cn),氣象要素包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù);生育期數(shù)據(jù)為2000?2010年黃淮海地區(qū)夏玉米生育期數(shù)據(jù),來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.cma.gov.cn)。
圖1 黃淮海地區(qū)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Huang-Huai-Hai plain
1.2.1 夏玉米生育期和研究區(qū)劃分
黃淮海區(qū)夏玉米播種期主要集中在6月上旬或者中旬,其余生育階段在時(shí)間上基本同步,全生育期集中在6?9月。根據(jù)中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《北方夏玉米干旱等級(jí)》(QX/T 260?2015)將黃淮海夏玉米生育期劃分為5個(gè)階段[19],各個(gè)生育期的時(shí)間劃分主要參照于黃淮海地區(qū)夏玉米生育期數(shù)據(jù)以及相關(guān)文獻(xiàn)[20](表1)。
表1 黃淮海地區(qū)夏玉米生育期劃分Table 1 Division of summer maize growth period in Huang-Huai-Hai plain
根據(jù)生育期劃分界限,將整個(gè)研究區(qū)劃分為3個(gè)亞區(qū),Ⅰ區(qū)為河北中北部;Ⅱ區(qū)包括河北南部、河南北部和山東;Ⅲ區(qū)包括河南南部、安徽北部和江蘇北部。
1.2.2 作物水分虧缺指數(shù)(KCWDI)的計(jì)算方法
(1)不同生育階段水分虧缺指數(shù)(KCWDI)計(jì)算
式中,KCWDI為夏玉米某一生育期的平均水分虧缺指數(shù)(%);ICWDI,j為該生育期內(nèi)第j旬的累計(jì)水分虧缺指數(shù)(%);n為該生育期包含的總旬?dāng)?shù)。
式中,CWDIj、CWDIj-1、CWDIj-2、CWDIj-3和CWDIj-4(%)為第j、j-1、j-2、j-3和j-4旬的水分虧缺指數(shù)(以j旬為基礎(chǔ)向前推4旬);a、b、c、d和e為權(quán)重系數(shù),根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 北方夏玉米干旱等級(jí),分別取值為0.3、0.25、0.2、0.15和0.1。
(2)旬水分虧缺指數(shù)計(jì)算
式中,ETc,j為第j旬的需水量(mm);Pj為第j旬的降水量(mm)。
(3)作物需水量計(jì)算
夏玉米生育期內(nèi)某旬的需水量
式中,ET0為某旬參考蒸散量,可由(QX/T81-2007)計(jì)算方法獲得[21];Kc為夏玉米生育期內(nèi)某旬的作物系數(shù),黃淮海地區(qū)的作物系數(shù)Kc情況見(jiàn)表2。
表2 黃淮海地區(qū)夏玉米作物系數(shù)Table 2 Crop coefficients (Kc) of summer maize in Huang-Huai-Hai plain
1.2.3 干旱等級(jí)劃分
根據(jù)《北方夏玉米干旱等級(jí)》對(duì)作物水分虧缺指數(shù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行干旱等級(jí)劃分,結(jié)果見(jiàn)表3[19]。
表3 基于生育期平均水分虧缺指數(shù)劃分夏玉米干旱等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of summer maize drought based on the average crop water deficit index in the growth period
1.2.4 干旱發(fā)生頻率
干旱頻率用來(lái)評(píng)價(jià)某種程度干旱在資料年份(1981?2015年)內(nèi)的發(fā)生頻率,即某一站點(diǎn)發(fā)生某種程度干旱的年數(shù)與研究期總年數(shù)之比,即
式中,F(xiàn)i為某站某生育期發(fā)生某種程度干旱的頻率,n為該站該生育期發(fā)生該程度干旱的年份數(shù),N為資料總年數(shù)。
1.2.5 干旱影響范圍
干旱站次比可以用來(lái)反映某種程度干旱在研究區(qū)的影響范圍,以發(fā)生某種程度干旱的站點(diǎn)與該區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)數(shù)的比值表示,即
式中,P代表某種程度干旱站次比(%);m為發(fā)生某種程度干旱的站點(diǎn);M為研究區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)總數(shù)(76個(gè)氣象站點(diǎn))。
1.2.6 空間表達(dá)
利用ArcGIS10.5中的克里金插值,對(duì)研究區(qū)的各個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,將Cell size設(shè)為0.02,對(duì)要素進(jìn)行分類,生成相應(yīng)的空間圖譜。
利用《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》和《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》中河北卷、河南卷、山東卷、安徽卷、江蘇卷中夏玉米歷史干旱情況的描述,對(duì)1981?2010年黃淮海夏玉米受災(zāi)情況和干旱等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證?!吨袊?guó)氣象災(zāi)害大典》主要是對(duì)干旱的受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、絕收情況、受災(zāi)人口等情況的描述,很少有對(duì)干旱程度的直接表達(dá),本研究主要通過(guò)對(duì)干旱災(zāi)情的描述判斷出干旱等級(jí),據(jù)《中國(guó)氣象災(zāi)害大典河北卷》[22]記載:“1992年是河北省干旱的典型年,邢臺(tái)和衡水大部分地區(qū)受旱嚴(yán)重,進(jìn)入8月,經(jīng)過(guò)人工種植的地塊也是缺苗斷垅,玉米多是尺把高,可以判斷為重旱及以上等級(jí)”。8月夏玉米處于抽雄?乳熟期,選取邢臺(tái)的南宮和衡水的饒陽(yáng)兩個(gè)站點(diǎn)計(jì)算得到的干旱結(jié)果分別為特旱和重旱,發(fā)現(xiàn)與歷史情況相符。利用此方法對(duì)該區(qū)域多個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果如表4。
由表4可見(jiàn),《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》和《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》中研究區(qū)域1981?2015年共記錄的夏玉米生育期干旱事件有53件,有明確干旱等級(jí)的39件。據(jù)此記載,利用同期相應(yīng)站點(diǎn)的氣象資料計(jì)算CWDI值并判定干旱等級(jí)并兩相比較。結(jié)果表明,完全符合的有20個(gè),基本符合的有6個(gè),不符合的有8個(gè),整體符合程度達(dá)到76.5%。由此可見(jiàn),作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)及其劃分標(biāo)準(zhǔn)可以反映出黃淮海地區(qū)夏玉米的干旱情況。
表4 夏玉米歷史干旱情況與同期作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)計(jì)算結(jié)果符合程度驗(yàn)證Table 4 Verification of historical drought situation of summer maize with the CWDI calculated results
續(xù)表
2.2.1 整個(gè)生長(zhǎng)季平均CWDI變化特征
圖2為不同地區(qū)1981?2015年夏玉米生育期內(nèi)平均CWDI。由圖可知,隨著夏玉米生育期的推進(jìn),其CWDI總體趨勢(shì)為逐漸降低,在乳熟?成熟期會(huì)有小升高;空間上表現(xiàn)為二區(qū)夏玉米生育期內(nèi)CWDI值最高。3個(gè)區(qū)域夏玉米各生育期均以播種?出苗期CWDI值最高,可達(dá)50%以上,此時(shí)處于6月上旬,對(duì)應(yīng)干旱等級(jí)為輕旱及以上;抽雄?乳熟期CWDI值最低,為19.3%~29.9%,對(duì)應(yīng)干旱等級(jí)為輕旱、中旱。乳熟?成熟期CWDI有上升趨勢(shì),范圍在28.7%~36.9%,對(duì)應(yīng)無(wú)旱。
圖2 不同區(qū)域1981?2015年平均CWDI隨生育期的變化Fig.2 Average CWDI varied with the growth period in the three regions from 1981 to 2015
2.2.2 各生育期內(nèi)CWDI年代際變化趨勢(shì)
圖3為1981?2015年不同區(qū)域夏玉米生育期內(nèi)CWDI的年代際變化趨勢(shì)。由圖可知,1981?2015年夏玉米生育期內(nèi)CWDI總體表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì),在2011?2015年顯著上升,二區(qū)夏玉米生育期內(nèi)CWDI值最高;CWDI值隨著生育期的推遲逐漸下降,乳熟?成熟期升高。2011?2015年播種?出苗期一、二區(qū)CWDI分別上升至61.1%、57.5%,三區(qū)無(wú)明顯變化。一區(qū)在出苗?拔節(jié)期、拔節(jié)?抽雄期CWDI下降至37.4%及26.3%,其余兩個(gè)區(qū)域均有不同程度的上升。拔節(jié)?抽雄期CWDI范圍在22.1%~44.1%,一、三區(qū)干旱等級(jí)為輕旱,二區(qū)干旱等級(jí)為中旱。2011?2015年抽雄?乳熟期三個(gè)區(qū)域CWDI值均有明顯上升,達(dá)到30%以上,干旱等級(jí)為中旱。乳熟?成熟期一區(qū)CWDI值在2011?2015年呈下降趨勢(shì),二、三區(qū)呈上升趨勢(shì),但整體表現(xiàn)為輕旱。就全生育期而言,一區(qū)CWDI值變化不大,而二、三區(qū)干旱趨勢(shì)加重。
圖3 1981?2015年不同區(qū)域夏玉米不同生育期內(nèi)CWDI的年代際變化趨勢(shì)Fig.3 Interdecadal variation of average CWDI during the different summer maize growth period in the three regions from 1981 to 2015
2.3.1 不同生育期干旱頻率空間分布
圖4為黃淮海地區(qū)夏玉米5個(gè)生育階段4個(gè)干旱等級(jí)干旱頻率的空間分布。由圖可知,播種?出苗階段特旱的發(fā)生頻率較高,除安徽和江蘇兩省,其它地區(qū)發(fā)生頻率大于33%,基本3年一遇或以上;河北省大部以及山東北部干旱頻率大于50%,基本2年一遇或以上。出苗?拔節(jié)期、拔節(jié)?抽雄期、乳熟?成熟期干旱頻率隨干旱等級(jí)升高而降低,其中輕旱發(fā)生頻率最高,大部分地區(qū)干旱頻率大于20%,5年一遇或頻率更高。在抽雄?乳熟期,輕旱和中旱發(fā)生頻率明顯高于其它各個(gè)時(shí)期,河北、山東、安徽的大部以及江蘇西北部輕旱發(fā)生頻率較高,大于33%;河南、山東、安徽的大部以及河北南部和西北部中旱發(fā)生頻率較高,大于33%。由此可見(jiàn),除播種?出苗期特旱發(fā)生頻率較高,其它各生育階段干旱發(fā)生頻率隨干旱等級(jí)的上升而下降;河南、河北和山東的大部分地區(qū)受干旱影響較大,安徽和江蘇受干旱影響較小。
圖4 夏玉米不同生育期不同等級(jí)干旱頻率的空間分布(1981?2015年)Fig.4 Frequency distribution of different grades of drought during the different summer maize growth period(1981?2015)
2.3.2 全生育期干旱頻率空間分布
圖5為黃淮海地區(qū)夏玉米全生育期不同等級(jí)干旱頻率的空間分布圖。由圖可見(jiàn),全生育期干旱發(fā)生頻率隨干旱等級(jí)升高而下降,其中輕旱發(fā)生頻率較高,干旱中心位于河南、河北、山東的大部以及安徽和江蘇的北部,干旱發(fā)生頻率高于33%,在3年一遇以上;除了河南北部和西南部以及山東北部,其它地區(qū)中旱發(fā)生頻率均小于20%,在5年一遇以下;黃淮海地區(qū)夏玉米重旱和特旱發(fā)生頻率低于10%,在10年一遇以下。由此可見(jiàn),黃淮海地區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季以輕旱為主,其次是中旱,重旱和特旱發(fā)生頻率較低,整個(gè)區(qū)域干旱發(fā)生頻率北部高于南部,西部高于東部。
圖5 夏玉米全生育期不同等級(jí)干旱頻率的空間分布Fig.5 Spatial distribution of frequency of different grades of drought in the whole summer maize growth period
夏玉米生育期干旱站次比的年代際變化如圖6所示。由圖可見(jiàn),研究區(qū)域內(nèi),除播種?出苗期特旱站次比最高外,其余生育階段均為輕旱站次比最高。播種?出苗期特旱站次比均為30%以上,2011?2015年站次比達(dá)到43.4%,受旱面積較大。其余生育期均以輕旱為主,站次比在20%以上。從全生育期來(lái)看,輕旱發(fā)生站次比降至24.2%,中旱無(wú)明顯變化,重旱站次比略微上升,而特旱站次比顯著上升,可達(dá)15.4%。可見(jiàn),1981?2015年夏玉米生育期內(nèi)以輕旱為主,并有加重趨勢(shì)。
圖6 夏玉米生育期干旱站次比的年代際變化Fig.6 Interdecadal variation of drought occurring station ratio at different summer maize growth period
(1)黃淮海地區(qū)1981?2015年夏玉米生育期內(nèi)CWDI總體表現(xiàn)為先下降后上升趨勢(shì),夏玉米播種期CWDI高達(dá)50%以上,之后逐漸下降,乳熟?成熟期CWDI小幅升高;2011?2015年河北、河南南部、山東等地區(qū)夏玉米生育期干旱有加重趨勢(shì),河南南部、安徽北部和江蘇北部CWDI值變化不大。
(2)從干旱空間分布上來(lái)看,整個(gè)區(qū)域干旱發(fā)生頻率表現(xiàn)為北部高于南部,西部高于東部。播種?出苗期和抽雄?乳熟期干旱發(fā)生頻率較高,除播種?出苗期特旱發(fā)生頻率較高,其它各生育階段干旱發(fā)生頻率隨干旱等級(jí)的上升而下降;河南、河北和山東的大部分地區(qū)、安徽和江蘇受干旱影響較大。
(3)黃淮海地區(qū)夏玉米各生育階段中,輕旱在21世紀(jì)干旱站次比最高,特旱在20世紀(jì)90年代干旱站次比最高,說(shuō)明近十幾年來(lái)輕旱有加重趨勢(shì),特旱有減弱趨勢(shì)。1981?2015年,夏玉米生育期內(nèi)以輕旱為主,且有加重趨勢(shì)。
在全球氣候變化的背景下,中國(guó)年均降水量呈下降的趨勢(shì),且時(shí)空分布不均[23],中國(guó)氣候總體表現(xiàn)出暖干趨勢(shì),其中呈現(xiàn)暖干、暖濕趨勢(shì)的站點(diǎn)分別占50.9%和47.5%,華北地區(qū)約85.4%的站點(diǎn)表現(xiàn)為暖干趨勢(shì)[24]。華北地區(qū)年均參考作物蒸散量表現(xiàn)出下降趨勢(shì),但下降幅度小于降水量的變化,河北南部、河南北部和山東等地區(qū)干旱趨勢(shì)加重[24-26],本研究發(fā)現(xiàn)黃淮海地區(qū)干旱發(fā)生頻率北部高于南部,西部高于東部,河南、河北和山東的大部分地區(qū)、安徽和江蘇全省受干旱影響較大,與前人研究結(jié)果基本一致。黃淮海區(qū)域干旱特征表現(xiàn)為春夏連旱或春夏秋連旱[27],是全國(guó)受旱面積最大的地區(qū),本研究同樣表明播種-出苗期和抽雄-乳熟期干旱發(fā)生頻率較高,形成“初夏旱”和“卡脖旱”,除播種-出苗期特旱發(fā)生頻率較高,其它各生育階段干旱發(fā)生頻率隨干旱等級(jí)的上升而下降。
本研究利用作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)對(duì)黃淮海地區(qū)夏玉米干旱時(shí)空分布情況進(jìn)行研究,量化了夏玉米主要生育階段不同等級(jí)干旱的時(shí)空變化規(guī)律。CWDI是目前應(yīng)用最廣泛的農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)之一[28],對(duì)夏玉米不同生育期干旱情況進(jìn)行等級(jí)劃分,同時(shí)根據(jù)黃淮海地區(qū)重要省份的Kc值,計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單。通過(guò)查詢《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》河北卷、河南卷、山東卷、安徽卷和江蘇卷1981-2000年干旱發(fā)生情況,對(duì)CWDI計(jì)算得到的不同生育階段干旱等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證,站點(diǎn)數(shù)據(jù)吻合程度在76.4%,說(shuō)明該指標(biāo)能夠客觀真實(shí)地反映黃淮海地區(qū)夏玉米的干旱情況;但該指標(biāo)需要灌溉量數(shù)據(jù),由于各個(gè)區(qū)域的灌溉制度不同,灌溉數(shù)據(jù)很難獲得,所以本研究采取對(duì)指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)化,并沒(méi)有考慮灌溉對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育期的影響,今后還需要充分考慮灌溉因素,并著重考慮土壤質(zhì)地、坡度、坡向、徑流等因素影響,以使干旱研究更加精確有效。不可忽略的是,在實(shí)際生產(chǎn)中,干旱的發(fā)生往往伴隨著高溫?zé)岷?,其區(qū)別在于干旱是緩慢出現(xiàn)并加劇的過(guò)程,而熱害的發(fā)生短暫且多為突發(fā),干旱和高溫會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量的嚴(yán)重下降。在大田生產(chǎn)中單一因素對(duì)產(chǎn)量的影響很難評(píng)估,因此,研究復(fù)合災(zāi)害的發(fā)生及其影響尤為重要。