基于水分虧缺指數(shù)的北疆春小麥不同生育階段干旱時空特征

祁嘉郁,巴特爾·巴克

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

干旱是指一定時期內(nèi)無降水或降水量偏少，使得作物無法從土壤中獲取正常生長所需的水分，從而引起作物生長遲緩、產(chǎn)量下降的一種氣候現(xiàn)象[1]。干旱在全球范圍有著發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、波及范圍廣的特征，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大影響，并且威脅著人類的經(jīng)濟(jì)活動，也是影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最主要的自然災(zāi)害之一[2-3]。作為旱地主要糧食作物，春小麥在北疆糧食生產(chǎn)中占有重要地位。干旱是制約北疆地區(qū)春小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的主要因素。近年來，新疆部分小型灌區(qū)和易旱區(qū)接連發(fā)生持續(xù)性干旱，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，給新疆社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展帶來一定危害[4]。目前國內(nèi)外學(xué)者針對農(nóng)業(yè)干旱評估做了大量研究[5-6]，提出比較常用的農(nóng)業(yè)干旱評價指標(biāo)有土壤含水量、降水距平、作物冠層溫度以及作物水分虧缺指數(shù)等。作物水分虧缺指數(shù)是表征作物水分虧缺程度的指標(biāo)之一，亦反映作物干旱程度[7]。該指數(shù)可以對干旱強(qiáng)度給予量化評估，并且考慮干旱對作物不同生育階段的影響，在一定程度上揭示干旱發(fā)生規(guī)律。張玉芳等[8]基于水分虧缺原理的玉米干旱監(jiān)測模型，綜合考慮降水量和同期作物需水量，評估了四川盆地玉米生育期干旱狀況；康麗娟等[7]利用作物水分虧缺指數(shù)并結(jié)合農(nóng)業(yè)干旱等級，分析了北疆甜菜不同生育階段干旱狀況的時空分布特征；尤新媛等[9]選取作物水分虧缺指數(shù)為農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)，明確了各生育階段不同等級干旱對江蘇省冬小麥產(chǎn)量的影響。前人基于作物水分虧缺指數(shù)對農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生規(guī)律與變化特征的研究主要集中在玉米、冬小麥等糧食作物[10-12]。

本文選取作物水分虧缺指數(shù)為春小麥干旱指標(biāo)，結(jié)合新疆歷史干旱資料記載，對比分析典型年份干旱指數(shù)，確定北疆春小麥干旱等級指標(biāo)。采用ArcGIS技術(shù)，分析1986—2016年北疆春小麥不同生育階段干旱強(qiáng)度、干旱站次比的年際變化規(guī)律以及干旱頻率的時空分布特征，以期為相關(guān)部門應(yīng)對農(nóng)業(yè)干旱制定生產(chǎn)計劃和水資源優(yōu)化配置提供理論依據(jù)。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

所用北疆地區(qū)25個主要氣象站點(表1)1986—2016年逐日氣溫(℃)、降水量(mm)、日照時數(shù)(h)、風(fēng)速(m·s-1)、空氣相對濕度(%)等氣象資料來源于國家氣象信息中心(http://cdc.nmic.cn/home.do)；旱情數(shù)據(jù)通過《中國氣象災(zāi)害大典(新疆卷)》[13]和《新疆統(tǒng)計年鑒》[14]對新疆歷年干旱災(zāi)害的詳細(xì)記載，結(jié)合春小麥生育期特點進(jìn)行統(tǒng)計。

表1 研究區(qū)域氣象站點位置Table 1 Location of the study area weather station

1.2 研究區(qū)概況

北疆地區(qū)位于新疆維吾爾族自治區(qū)天山以北，是典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年平均氣溫-4℃～9℃，年降水量150～200 mm，全年無霜期140～185 d。小麥生產(chǎn)是新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的支柱性產(chǎn)業(yè)，目前，全疆小麥面積有80多萬公頃，其中春小麥占40%左右，而北疆地區(qū)又是春小麥的重要種植區(qū)。

1.3 研究方法

1.3.1 作物水分虧缺指數(shù) 作物水分盈虧指數(shù)是基于農(nóng)田水分收支原理，表征作物需水量與降水量之間盈虧程度的一個旱澇評價指標(biāo)?？紤]前期水分盈虧的累積效應(yīng)，一般計算連續(xù)10 d的累積作物水分虧缺指數(shù)，公式[15]：

CWDI=a×CWDIi+b×CWDIi-1+c×CWDIi-2+d×CWDIi-3+e×CWDIi-4

(1)

式中,CWDI為以10 d為單位計算的累計作物水分虧缺指數(shù)；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4為各對應(yīng)時間單位(10 d)的水分虧缺指數(shù)。a、b、c、d、e分別為對應(yīng)時間單位(10 d)的累計權(quán)重系數(shù)，一般情況下a取值0.3，b取值0.25，c取值0.2，d取值0.15，e取值0.1，其中CWDIi的計算公式：

(2)

式中,Pi為作物某個時間單位(10 d)的累積降水量(mm)；ETci為某個時間單位(10 d)的作物需水量(mm)，計算公式[16]:

ETc=ET0×Kc

(3)

式中，ET0為參考作物蒸散量(mm)，采用Penman Monteith公式計算[17]；Kc為作物系數(shù)。

春小麥既是需水較多的作物，又是比較耐旱的作物，其生育期主要分為營養(yǎng)生長階段、營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段以及生殖生長階段。營養(yǎng)生長階段是由播種至覆蓋率接近10%，營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段是從覆蓋率10%到完全覆蓋，生殖生長階段是從完全覆蓋到成熟收獲。本文主要引用已有研究結(jié)果[18-19]劃分北疆春小麥生育時期并通過調(diào)整確定各生育階段作物系數(shù)(表2)。

表2 春小麥各生育時期的劃分與不同生育時期的作物系數(shù)

1.3.2 春小麥干旱等級指標(biāo) 根據(jù)《中國氣象災(zāi)害大典(新疆卷)》[13]和新疆統(tǒng)計年鑒[14]對歷年干旱災(zāi)害的詳細(xì)記載，選擇歷史上不同程度干旱發(fā)生的典型年份和發(fā)生干旱的典型站點。其中，1966年是嚴(yán)重秋旱年；1977年是嚴(yán)重春旱年；1980、2008年是嚴(yán)重夏旱年；1991年是特大干旱年；1998年是一般秋旱年；2000年是一般春旱年，發(fā)生干旱的典型站點有阿勒泰、塔城、博樂、蔡家湖、奇臺、昭蘇和烏魯木齊站。分別計算各站點春小麥不同生育階段的水分虧缺指數(shù)，結(jié)果見表3。參照農(nóng)業(yè)干旱等級[20]和干旱標(biāo)準(zhǔn)[21]，結(jié)合表3，確定北疆春小麥干旱等級指標(biāo)，見表4。

表3 北疆典型干旱站點參考年份春小麥各生育階段的水分虧缺指數(shù)

表4 北疆春小麥干旱等級劃分Table 4 Spring wheat drought grade in northern Xinjiang

1.3.3 干旱分析指標(biāo)

(1)趨勢分析[22]：利用氣候傾向率分析氣候要素的線性變化規(guī)律。

(2)干旱強(qiáng)度[23](I)：用來評價干旱的嚴(yán)重程度，計算方法：

(4)

式中,n為區(qū)域該年發(fā)生干旱的站點數(shù)；|Ii|為各氣象站點發(fā)生干旱時的干旱指標(biāo)等級，分別用0、1、2、3、4表示無旱、輕旱、中旱、重旱和特旱。

(3)干旱發(fā)生站次比[24](P)：指某區(qū)域內(nèi)干旱發(fā)生站點數(shù)與該區(qū)域全部站點數(shù)之比，用于評價干旱影響范圍的大小。

(4)干旱頻率[25](Pi)：指發(fā)生輕旱及以上級別的干旱年數(shù)與氣象資料總年數(shù)之比，用于表示干旱發(fā)生的頻繁程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 北疆春小麥各生育階段干旱強(qiáng)度年際變化特征

春小麥營養(yǎng)生長階段(圖1A)，近30 a中干旱強(qiáng)度呈現(xiàn)出波動下降趨勢，線性傾向率為-0.117%·10a-1，1997年干旱強(qiáng)度最大，為3.00，2002年最小，為1.38，多年平均值為2.26。春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段(圖1B)，干旱強(qiáng)度呈現(xiàn)出輕微下降趨勢，線性傾向率為-0.023%·10a-1，1989年干旱強(qiáng)度最大，為3.12，1987、2016年最小，為1.38，多年平均值為2.67。春小麥生殖生長階段(圖1C)，干旱強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)出輕微下降趨勢，線性傾向率為-0.05%·10a-1，1997年干旱強(qiáng)度最大，為2.64，2013年最小，為1.22，多年平均值為2.14。從近30 a的數(shù)據(jù)分析來看，北疆地區(qū)春小麥全生育期干旱強(qiáng)度總體呈減小趨勢，但未達(dá)到顯著水平；對比各生育階段干旱強(qiáng)度，以營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段干旱最為嚴(yán)重，營養(yǎng)生長階段次之，生殖生長階段干旱較輕。

圖1 北疆春小麥各生育階段干旱強(qiáng)度(I)與站次比(P)的年際變化Fig.1 Interannual variation of drought intensity (I)and station proportion (P) in spring wheat growthstages in northern Xinjiang

2.2 北疆春小麥各生育階段干旱影響范圍年際變化特征

春小麥營養(yǎng)生長階段(圖1A)，近30 a中干旱站次比最低值出現(xiàn)在2011年，為44%，其余年份均達(dá)到50%以上，其中有13 a達(dá)到100%，干旱站次比高于80%的年數(shù)占總年數(shù)的77%。從干旱站次比的趨勢線可以看出，近30 a來呈現(xiàn)出輕微下降趨勢，線性傾向率為-0.452%·10a-1。春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段(圖1B)，1986—2016年干旱站次比均達(dá)到80%以上，其中有16 a達(dá)到100%。從干旱站次比的趨勢線可以看出，近30 a年來呈現(xiàn)出波動上升趨勢，線性傾向率為0.355%·10a-1，說明春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段干旱范圍較廣。春小麥生殖生長階段(圖1C)，干旱站次比波動幅度較大。1986—2016年干旱站次比均達(dá)到60%以上，其中有8 a達(dá)到100%，干旱站次比高于80%的年數(shù)占總年數(shù)的77%。從干旱站次比的趨勢線可以看出，近30 a來整體呈現(xiàn)出波動下降趨勢，但未達(dá)到顯著水平，線性傾向率為-0.516%·10a-1。

2.3 北疆春小麥各生育階段干旱頻率空間分布特征

2.3.1 營養(yǎng)生長階段 由圖2可見，北疆春小麥營養(yǎng)生長階段出現(xiàn)輕旱(圖2A)的頻率在0～32.24%，其中福海和克拉瑪依發(fā)生輕旱的頻率為0，吉木乃出現(xiàn)輕旱的頻率最大，為32.24%，整個北疆大部分地區(qū)出現(xiàn)輕旱的頻率主要集中在13.00%～20.00%。北疆春小麥營養(yǎng)生長階段出現(xiàn)中旱(圖2B)的頻率在9.68%～54.83%，中旱頻率最高值位于北塔山，最低值位于阿拉山口和克拉瑪依，其余大部分地區(qū)出現(xiàn)中旱的頻率在28.00%～37.00%。北疆春小麥營養(yǎng)生長階段出現(xiàn)重旱(圖2C)的頻率在9.68%～83.86%，北疆南部大部分地區(qū)重旱出現(xiàn)的頻率主要集中在10%～40%，北疆北部大部分地區(qū)重旱出現(xiàn)的頻率主要集中在40%～80%，說明春小麥營養(yǎng)生長階段，北疆北部地區(qū)較南部地區(qū)重旱出現(xiàn)的頻率高，干旱較為嚴(yán)重。北疆春小麥營養(yǎng)生長階段出現(xiàn)特旱(圖2D)的頻率在0～12.90%，僅有阿拉山口特旱出現(xiàn)頻率較高，為12.90%，其次是克拉瑪依和精河，發(fā)生特旱的頻率均為6.45%，其余地區(qū)發(fā)生特旱的頻率均小于3.00%，其中特旱頻率為0的站點數(shù)占總站點數(shù)的68.00%。

2.3.2 營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段 由圖3可見，北疆春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段出現(xiàn)輕旱(圖3A)的頻率在9.68%～29.03%，其中溫泉發(fā)生輕旱頻率最高，為29.03%，其次是昭蘇和托里，分別為25.81%和22.58%，其余大部分地區(qū)輕旱頻率在10.00%左右。北疆春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段昭蘇發(fā)生中旱(圖3B)的頻率最高，為70.94%，其次是尼勒克和托里，分別為61.29%和51.61%，中旱發(fā)生頻率最低的是阿拉山口，為3.24%，其余大部分地區(qū)中旱頻率主要集中在16.00%～30.00%。北疆春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段重旱(圖3C)發(fā)生頻率最低在昭蘇，為3.26%，發(fā)生頻率較高的地區(qū)有福海、阿拉山口和博樂，頻率為77.42%，其余大部分地區(qū)重旱頻率主要集中在50.00%～68.00%。北疆春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段特旱(圖3D)發(fā)生頻率在0～9.67%，其中阿拉山口和克拉瑪依最高，均為9.67%，其次是福海，為6.45%，其余大部分地區(qū)特旱頻率主要集中在0～3.87%，其中特旱頻率為0的站點數(shù)占總站點數(shù)的48.00%。

圖3 北疆春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段各等級干旱頻率空間分布Fig.3 Spatial distribution of drought frequency of each grade in the vegetative and reproductivegrowth together stage of spring wheat growth in northern Xinjiang

2.3.3 生殖生長階段 由圖4可見，北疆春小麥生殖生長階段輕旱(圖4A)發(fā)生頻率最高的地區(qū)在尼勒克，為61.28%，阿拉山口和蔡家湖輕旱頻率最低，均為0，福海和伊寧輕旱頻率為3.23%，其余大部分地區(qū)輕旱頻率主要集中在12.00%～25.00%。北疆春小麥生殖生長階段出現(xiàn)中旱(圖4B)的頻率在12.91%～61.27%，其中昭蘇中旱頻率最低，為12.90%，吉木乃頻率最高，為61.29%；中旱頻率空間分布呈現(xiàn)自西向東逐漸增大趨勢，說明春小麥生殖生長階段，北疆東部地區(qū)較西部地區(qū)中旱出現(xiàn)的頻率高，干旱較為嚴(yán)重。北疆春小麥生殖生長階段重旱(圖4C)發(fā)生頻率最高的地區(qū)在阿拉山口和蔡家湖，均為77.42%，尼勒克和昭蘇重旱頻率為0，其余大部分地區(qū)重旱頻率主要集中在15.00%～46.00%。北疆春小麥生殖生長階段特旱(圖4D)發(fā)生頻率在阿拉山口和蔡家湖最高，為77.42%，其余地區(qū)特旱發(fā)生頻率均為0，特旱頻率為0的站點數(shù)占總站點數(shù)的94.00%。

圖4 北疆春小麥生殖生長階段各等級干旱頻率空間分布Fig.4 Spatial distribution of drought frequency of each grade in the reproductive growthstage of spring wheat growth in northern Xinjiang

3 結(jié)論與討論

1986—2016年，北疆地區(qū)春小麥各生育階段干旱強(qiáng)度和干旱站次比大多呈下降趨勢，僅營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段干旱站次比呈小幅度增加趨勢，且干旱強(qiáng)度在營養(yǎng)生長階段下降速率最大，干旱站次比在生殖生長階段下降速率最大。干旱強(qiáng)度和干旱站次比在春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段最大，其次是營養(yǎng)生長階段，生殖生長階段最小，營養(yǎng)生長階段以及營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段干旱站次比大于80%的年數(shù)超過總年數(shù)的一半，表明春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段較其他兩個時期干旱發(fā)生更為嚴(yán)重。

春小麥不同生育階段各等級干旱的發(fā)生存在時空差異性。春小麥營養(yǎng)生長階段，北疆北部地區(qū)較南部地區(qū)重旱出現(xiàn)的頻率更高，干旱更為嚴(yán)重；春小麥營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段，重旱和特旱發(fā)生頻率均較其他兩個生育階段更高，且在北疆東北部地區(qū)重旱和特旱發(fā)生頻率更高；春小麥生殖生長階段，北疆西南部地區(qū)發(fā)生重旱的頻率較其他地區(qū)更高。北疆地區(qū)在春小麥生長的3個生育階段，除生殖生長階段中旱發(fā)生頻率最高，其余兩個時期重旱發(fā)生頻率均高于其他等級干旱發(fā)生頻率，而特旱發(fā)生頻率均最低。

本文所采用的作物水分虧缺指數(shù)模型充分考慮了前期降水的累積效應(yīng)和研究區(qū)典型年份不同時段的干旱指標(biāo)值，在此基礎(chǔ)上分析作物不同生育期干旱狀況，從而確定作物干旱分級標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，北疆地區(qū)春小麥各生育階段干旱強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢，但干旱發(fā)生頻率仍然很高，且各等級干旱發(fā)生頻率存在空間差異。這與吳燕鋒等[26]對北疆地區(qū)干旱時空特征分析結(jié)果一致。由于缺乏北疆各地區(qū)春小麥逐年生育期資料，本文引用已有研究成果對春小麥生育期進(jìn)行劃分，未考慮作物系數(shù)在不同區(qū)域的差異，亦未考慮到氣候變化背景下不同區(qū)域春小麥生育期的變化。因此對北疆地區(qū)春小麥農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行評估與區(qū)劃，以及干旱災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研發(fā)將是下一步研究重點。