曹永強， 王怡涵， 馮興興， 喬鶴

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

我國是世界上受到自然災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一[1]，災(zāi)害形式多種多樣。農(nóng)業(yè)是我國國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，氣候變化會直接影響糧食安全和可持續(xù)發(fā)展[2-3]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果，由于天氣因素所引發(fā)的氣象災(zāi)害數(shù)占我國所有自然災(zāi)害數(shù)的70%，影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要氣象災(zāi)害類型為干旱、洪澇、低溫冷凍、風(fēng)雹等，其中，旱災(zāi)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最為嚴(yán)重，占氣象災(zāi)害數(shù)量的50%[4-5]，并且對人類的生存與發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[6]。干旱問題對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響最為直接，如何應(yīng)對干旱問題已成為目前最重要的研究熱點。

眾多學(xué)者采用降水指數(shù)、生育階段模型、評估模型、農(nóng)業(yè)干旱參考指數(shù)等方法對不同地區(qū)進行干旱研究。MCKEE T B等[7]使用降水指數(shù)對干旱特征進行分析，證明該指數(shù)對干旱特征分析具有適用性。DESALEGN C Edossa等學(xué)者[8]使用帕爾默干旱強度指數(shù)[9-10]研究1981至2015年尼日利亞北部地區(qū)(NRN)的干旱事件數(shù)，結(jié)果表明，最嚴(yán)重的干旱事件多發(fā)生于1998年至2001年，其次是2006年至2008年。HONG Wu使用農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險評估模型分析研究內(nèi)布拉斯加州干旱情況，結(jié)果表明，可以很好地提供可視化效果[11]。國內(nèi)學(xué)者李偉光等通過標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)指數(shù)對中國1951年至2009年干旱的時空分布情況進行分析，結(jié)果表明，時間上，我國四季均有干旱情況發(fā)生，空間上，我國西部地區(qū)、華北地區(qū)和東北地區(qū)的干旱較為嚴(yán)重[12]；吳霞等[13]將標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)與實際干旱災(zāi)情數(shù)據(jù)結(jié)合，構(gòu)建夏玉米干旱指數(shù)，從不同時間尺度分析1961—2015年黃淮海平原夏玉米在生長季內(nèi)的干旱時空分布特征，結(jié)果表明，黃淮海地區(qū)夏玉米在生長階段的干旱較嚴(yán)重；劉宗元等[14]使用農(nóng)業(yè)干旱參考指數(shù)(Agricultural Reference Index for Drought,ARID)，分析1960—2010年西南地區(qū)玉米干旱頻率空間分布特征，并驗證了該參考指數(shù)對干旱研究具有適用性。上述使用參考指數(shù)的研究雖然能夠反映不同時間尺度的降水特征，并能分析干旱變化，卻不能很好地結(jié)合農(nóng)作物本身的性質(zhì)，以及結(jié)合土壤深度、濕度和氣候三因素進行分析。而作物水分虧缺指數(shù)(Crop Water Deficit Index，CWDI)是常用的農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)之一，能夠較好地反映作物、氣象和土壤對干旱的綜合影響[15]，并且依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)下的逐旬作物參考系數(shù)可以得出水分虧缺的變化情況[16]，為準(zhǔn)確分析農(nóng)業(yè)干旱變化奠定基礎(chǔ)。

河北省地處華北平原，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水空間分布不均勻，東南多、西北少，為干旱多發(fā)地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計，由于干旱原因，造成華北地區(qū)的糧食損失量在過去60 a不斷增加[17]。玉米是我國主要糧食產(chǎn)物之一，現(xiàn)如今玉米已經(jīng)是各種食品、不同飼料、發(fā)酵工業(yè)和精細化工產(chǎn)品的重要原料，在全球的食品安全和國民經(jīng)濟發(fā)展中有著至關(guān)重要的作用[18]。河北省是我國玉米的主要產(chǎn)地。夏玉米在生長季內(nèi)的需水量較多，由于氣候因素的影響，降水量有所下降[19-20]，在生長季內(nèi)常常會出現(xiàn)階段性的干旱[21]。本文基于水分虧缺指數(shù)對河北省夏玉米不同生育期進行干旱時空分析，以分析結(jié)果為依據(jù)對河北省夏玉米的合理布局和抗旱減災(zāi)提供一定的參考和理論支撐。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省中南部，北緯36°05′～42°40′、東經(jīng)113°27′～119°50′，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明；年日照時數(shù)2 303.1 h，年無霜期81～204 d；年均降水量484.5 mm，降水量分布特點為東南多、西北少；1月份的平均氣溫在3 ℃以下，7月的平均氣溫為18～27 ℃。河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)主要分布在除張家口、秦皇島和承德以外的其他地區(qū)[22]，文中選取邢臺、石家莊、霸州、保定、饒陽、黃驊和邯鄲7個市(縣)作為研究區(qū)，針對夏玉米主產(chǎn)區(qū)進行干旱分析。研究區(qū)域概況及氣象站點分布如圖1所示。

圖1 河北省夏玉米研究區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中所需氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，包括河北省邢臺、石家莊、霸州、保定、饒陽、黃驊和邯鄲等7個氣象站點的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、降水量、風(fēng)速等，時間尺度為1967—2017年。河北省夏玉米生育期劃分見表1。

表1 河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)生育期劃分

2 研究方法

2.1 作物水分虧缺指數(shù)

作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)是表示作物水分虧缺程度的指標(biāo)之一，水分虧缺指數(shù)用百分率表示作物需水量與實際供水量的差值，參考張艷紅等學(xué)者[15]的研究，作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)采用如下計算公式：

CWDI=aCWDIi+bCWDIi-1+cCWDIi-2+dCWDIi-3+

eCWDIi-4。

(1)

式中：從作物生育階段開始的那天算起，向作物生長前期推算5旬，10 d為1旬；CWDI指的是作物在該生育階段1 d的值；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別代表第i旬與其余4旬的水分虧缺指數(shù)；a、b、c、d、e分別為水分虧缺指數(shù)所對應(yīng)的累計權(quán)重系數(shù)，其取值一般為0.30、0.25、0.20、0.15、0.10。

CWDIi表達式為：

(2)

式中：CWDIi為第i旬的作物水分虧缺指數(shù)，%；Pi為第i旬作物需水量，mm；ETi為第i旬作物需水量，mm，其表達式為：

ETi=Ki·ETO

(3)

式中:Ki為作物對應(yīng)時期的系數(shù)，從FAO(聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織)編寫的《作物需水計算》中查找標(biāo)準(zhǔn)條件下夏玉米所對應(yīng)的作物系數(shù)分別為前期Kcini(Tab)=0.3、中期Kcimd(Tab)=1.2、后期Kcend(Tab)=0.6[23]，該標(biāo)準(zhǔn)值適用于河北地區(qū)[24];ETO為蒸散量,采用彭曼公式計算[25]。

2.2 農(nóng)業(yè)干旱等級及干旱表征指標(biāo)的計算

2.2.1 農(nóng)業(yè)干旱等級

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)干旱等級》對CWDI進行了分級，具體見表2。

表2 作物水分虧缺指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱等級

2.2.2 干旱頻率的計算

以旬為單位時間長度計算生育期不同階段的干旱發(fā)生頻率，具體計算公式如下：

(4)

式中：N為該生育階段該旬出現(xiàn)某一旱級的次數(shù)；n為統(tǒng)計的總年數(shù)。

2.3 干旱站次比的計算

干旱站次比用于評價該區(qū)域的干旱影響范圍。干旱站次比是針對某一區(qū)域進行計算的，該區(qū)域發(fā)生干旱的站次數(shù)與該區(qū)域全部站數(shù)之比。干旱站次比計算公式如下：

(5)

式中：M為發(fā)生干旱的站次數(shù)；m為該區(qū)域的全部站數(shù)；i為年份對應(yīng)序號。

干旱影響范圍的描述：當(dāng)yi<10%時，無明顯干旱；當(dāng)10%≤yi<25%時，局部干旱；當(dāng)25%≤yi<33%時，部分區(qū)域干旱；當(dāng)33%≤yi<50%時，區(qū)域性干旱；當(dāng)yi≥50%時，該區(qū)域一半以上面積發(fā)生干旱。

3 結(jié)果與分析

3.1 夏玉米供、需水量特征分析

河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)氣象站點測算的夏玉米在生育期內(nèi)的平均降水量和需水量結(jié)果見表3。由表3可知，河北省主產(chǎn)區(qū)夏玉米需水量為27～139 mm，主產(chǎn)區(qū)的降水量為5～45 mm。在整個生育期中，邯鄲的降水量最大，而需水量最小。在快速發(fā)育期和生育中期各區(qū)的需水量大，均為100 mm以上；5～45 mm降水量的情況在快速發(fā)育期和生育中期較常見?？梢姡谏A段，降水量皆未達到需水量的要求，快速發(fā)育期和生育中期尤為缺水，這與河北省所處地理位置有關(guān)。河北省所處的地理位置致使該省水資源分布不均勻，呈東多西少、南多北少的分布格局，華北地區(qū)水資源供應(yīng)緊張[26]，這與趙晗等[27]的研究結(jié)果一致，需要借助灌溉技術(shù)來保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進行，并且灌溉管理是重點[28]。

表3 1967—2017年河北省主產(chǎn)區(qū)夏玉米不同生育階段的平均降水量(P)和需水量(W) mm

3.2 夏玉米各生育階段發(fā)生干旱的頻率的變化特征

依據(jù)公式(4)計算河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)各氣象站點在各個生育期干旱發(fā)生的頻率，結(jié)果見表4。由表4可知，河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)輕旱發(fā)生的頻率為12%～90%，其中播種到出苗期幾乎無輕旱發(fā)生，石家莊區(qū)域在該生育階段只有1 a發(fā)生過重旱，頻率為2%，霸州區(qū)域在夏玉米該生育期只有1 a發(fā)生過輕旱，頻率為4%；出苗到拔節(jié)期輕旱頻率為12%～50%；拔節(jié)到抽雄期輕旱頻率為62%～78%；抽雄到成熟期間輕旱頻率為56%～90%。7個氣象站點輕旱頻率差值較大，拔節(jié)到抽雄期和抽雄到成熟期的輕旱頻率大于其他幾個生育階段的。該夏玉米主產(chǎn)區(qū)中旱發(fā)生的頻率為2%～72%，其中，出苗到拔節(jié)期的中旱頻率為8%～62%，除邢臺地區(qū)在夏玉米該生育期的中旱頻率為58%，其余地區(qū)在夏玉米該生育期的中旱頻率均小于30%；拔節(jié)到抽雄期，只有邢臺地區(qū)的中旱頻率為60%，其余地區(qū)的中旱頻率均低于50%；抽雄到成熟期的中旱頻率為8%～72%。該夏玉米主產(chǎn)區(qū)重旱發(fā)生的頻率為2%～60%，其中播種到出苗期無重旱發(fā)生，出苗到拔節(jié)期只有邢臺地區(qū)的重旱頻率為42%，其余地區(qū)在夏玉米該生育階段的重旱頻率均低于12%，拔節(jié)到抽雄期的重旱頻率為8%～26%，抽雄到成熟期，只有邢臺地區(qū)的重旱頻率為2%，其余地區(qū)的重旱頻率均高于32%。特旱發(fā)生的頻率為2%～18%，其中播種到拔節(jié)期無特旱發(fā)生，拔節(jié)到抽雄期只有邢臺地區(qū)的特旱頻率為18%，其余地區(qū)在夏玉米該生育階段的特旱頻率均低于6%，抽雄到成熟期的特旱頻率為2%～10%。

綜合看7個氣象站的數(shù)據(jù)資料，中旱在抽雄到成熟期發(fā)生的頻率最高；重旱發(fā)生的頻率為2%～60%；大部分地區(qū)發(fā)生干旱的頻率為10%～30%；7個氣象站點在拔節(jié)到抽雄期和抽雄到成熟期發(fā)生重旱的頻率較高；特旱發(fā)生的頻率為2%～18%。由此知，輕旱、中旱、重旱和特旱發(fā)生的頻率較高時期在拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟期。

3.3 基于CWDI的河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的干旱變化

3.3.1 夏玉米各生育階段干旱的空間變化

依據(jù)公式(1)—(3)計算出河北省主產(chǎn)區(qū)夏玉米各生長階段的CWDI值。結(jié)合CWDI值與表1中的作物水分虧缺指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱等級，利用ArcGIS得到河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)夏玉米各生育階段的干旱頻率空間分布，如圖2所示。

由圖2可以看出：1967—2017年，河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)在播種至出苗期降水相對較多，因此，干旱頻率均較低，沒有嚴(yán)重的干旱發(fā)生；在出苗到拔節(jié)期間，主產(chǎn)區(qū)受到的干旱影響程度大于播種到出苗期的，主要是這段時期的降水量偏少造成的；7個主產(chǎn)區(qū)均受到不同程度的干旱影響，輕旱發(fā)生的頻率比較高，主要出現(xiàn)在石家莊地區(qū)及其周邊地區(qū)，中旱主要發(fā)生在邢臺地區(qū)，輕旱和中旱發(fā)生的原因很大程度上與超采地下水有關(guān)，自然環(huán)境條件下的地表水資源不足與無節(jié)制的采集地下水現(xiàn)象并存，導(dǎo)致石家莊和邢臺地區(qū)的干旱現(xiàn)象嚴(yán)重[29]；拔節(jié)到抽雄期間是夏玉米生長的關(guān)鍵時期，該時期降水偏少，這一時期7個夏玉米主產(chǎn)區(qū)均有輕旱和中旱發(fā)生，輕旱發(fā)生在石家莊和邯鄲地區(qū)，中旱發(fā)生在邢臺及其周邊地區(qū)；抽雄到成熟期，7個夏玉米主產(chǎn)區(qū)均有輕旱發(fā)生，除邢臺地區(qū)外，其余6個地區(qū)均有較大面積的輕旱發(fā)生；中旱發(fā)生在石家莊及其周邊地區(qū)，重旱發(fā)生在邯鄲、饒陽和黃驊地區(qū)。

綜合4個生育階段來看，夏玉米在整個生育期內(nèi)，拔節(jié)—抽雄和抽雄—成熟時期的干旱現(xiàn)象最為嚴(yán)重，且以輕旱和中旱為主，將近全部地區(qū)受到了干旱的影響，由于這兩段時期是玉米生長成熟的關(guān)鍵時期，所需要的水分相對較多，而此時華北地區(qū)氣溫下降導(dǎo)致低壓活動減緩，不利于降水，使降水量下降[30]。因此，這兩段時期河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的干旱情況較其他生育期的嚴(yán)重。

3.3.2 夏玉米各生育階段干旱的時間變化

通過公式(1)—(3)計算出河北省夏玉米7個主產(chǎn)區(qū)的CWDI值，分析夏玉米生育期的水分虧缺指數(shù)的年際變化特征。由于出苗到播種這一時期幾乎無干旱發(fā)生，因此，將出苗至拔節(jié)作為一個時期進行分析，生育期的CWDI分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)的年際變化

由圖3可知：1967—2017年，河北省夏玉米在播種到拔節(jié)期，CWDI值為0%～32%，整體波動起伏不是特別明顯，且主產(chǎn)區(qū)都處于無旱狀態(tài)，CWDI最高值為32%，出現(xiàn)在1974年，最低值為1%，出現(xiàn)在2013年；在拔節(jié)至抽雄期間，主產(chǎn)區(qū)的CWDI值波動起伏較大，波動范圍為9%～60%，干旱(CWDI>35%)的年份有17 a，說明和上一個生育期相比，該生育期的干旱頻率有所增加，這些情況的出現(xiàn)與夏玉米在整個生育期關(guān)于光照、降水和溫度的綜合適宜性有關(guān)，在播種到拔節(jié)期間的適宜程度較高，而拔節(jié)到抽雄期的適宜程度較低[31]，導(dǎo)致作物CWDI值出現(xiàn)起伏；1996—1997年，河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的CWDI值驟然增加，出現(xiàn)最大值60%(最低值9%出現(xiàn)在1995年)，整體的CWDI值呈下降趨勢；1967—1976年，河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的CWDI值呈現(xiàn)波動式下降，期間出現(xiàn)3個波峰；1977—1986年的CWDI值在14%和49%之間波動，1996—2006年的CWDI值出現(xiàn)最高值，CWDI值在此時段驟然增高再緩慢下降，2007—2017年的CWDI值開始出現(xiàn)波動下降；在抽雄—成熟期間，雖然和拔節(jié)—抽雄期的CWDI值略有不同，但CWDI值的變化趨勢和上一個生育階段的變化趨勢基本持平；在1968年，CWDI有一個最高值，為56%；在1995年，CWDI有一個最低值，為11%；1967—2017年，干旱年份有29 a，CWDI值在該時期整體呈下降趨勢，說明該區(qū)域干旱頻率在降低。

綜合CWDI值的變化情況，1967—2017年，河北省夏玉米在出苗至拔節(jié)期無干旱發(fā)生，CWDI值變化不是很明顯，拔節(jié)至抽雄期和抽雄至成熟期的CWDI值變化趨勢大致相同，均呈現(xiàn)起伏波動下降趨勢，這一結(jié)論與薛昌穎等[32]的研究結(jié)論一致；拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟期雖然有干旱發(fā)生，但是干旱程度有逐漸減輕的趨勢，拔節(jié)—抽雄期干旱嚴(yán)重的時段為1996—1997年，抽雄—成熟期發(fā)生最為嚴(yán)重干旱的年份為1968年，這與實際干旱情況及已有的干旱研究結(jié)論相吻合[33]。

4 討論與結(jié)論

文中運用氣象數(shù)據(jù)計算河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的7個氣象站點的作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)，對1967—2017年河北省夏玉米的干旱變化特征進行了時空分析，得出河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的干旱情況有以下幾個特點：

1)河北省主產(chǎn)區(qū)夏玉米需水量為27～139 mm，而該主產(chǎn)區(qū)的降水量為5～45 mm。生育期內(nèi)降水量未能滿足需水量的要求，快速發(fā)育期和生育中期尤為缺水。

2)從夏玉米生育期內(nèi)CWDI值的干旱頻率來看，拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟時期是影響夏玉米成熟結(jié)果的關(guān)鍵時期，這2個時期所有等級的干旱均有發(fā)生，且以輕旱和中旱為主。

3)從夏玉米生長季內(nèi)的空間上看，將近全部地區(qū)受到了干旱的影響，石家莊、饒陽、邯鄲和黃驊地區(qū)夏玉米的拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟時期的干旱情況最為嚴(yán)重。

4)從夏玉米干旱情況的年際變化趨勢來看，出苗—拔節(jié)期間無干旱發(fā)生，拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟期夏玉米主產(chǎn)區(qū)的CWDI值變化趨勢大致相同，均呈現(xiàn)起伏波動的下降趨勢，即1967—2017年，河北省主產(chǎn)區(qū)夏玉米在拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟期雖然有干旱發(fā)生，但是程度有逐年減輕的趨勢，拔節(jié)—抽雄期干旱嚴(yán)重的時期為1996—1997年，抽雄—成熟期出現(xiàn)最為嚴(yán)重的干旱年份為1968年。

5)整體來看，河北省夏玉米在生育期內(nèi)，石家莊、饒陽、邯鄲和黃驊地區(qū)的干旱程度較高，其余地區(qū)均有輕微的干旱發(fā)生。

基于水分虧缺指數(shù)研究河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)在生育期內(nèi)的干旱時空變化，與基于其他指數(shù)[34]的研究相比，后者僅針對地表濕潤程度進行研究，而前者不僅能表征深度方向土壤濕度的變化情況，還結(jié)合了氣候因素，更能準(zhǔn)確地分析夏玉米干旱情況的變化過程。研究發(fā)現(xiàn)，河北省夏玉米在生育期內(nèi)干旱的頻率較高，這與楊平等[35]的研究結(jié)論一致；從空間分布情況來看，石家莊、饒陽、邯鄲和黃驊地區(qū)在夏玉米拔節(jié)—抽雄和抽雄—成熟時期的干旱情況最為嚴(yán)重，這一結(jié)論與馬鵬里等[36]的研究結(jié)果一致。因此，使用CWDI值對河北省夏玉米的干旱情況進行研究，合理且適用。

文中關(guān)于夏玉米的研究尚存在不足之處，如人類活動會影響水分虧缺的變化，在以后的研究中應(yīng)進一步加深對多種因素導(dǎo)致干旱發(fā)生的認(rèn)識，通過提高數(shù)據(jù)精度來降低結(jié)果的不確定性。