基于SPI指數(shù)的農(nóng)作物生長期干旱時間變化研究

申海鳳+商彥蕊+劉公英

摘要:邢臺縣作為河北省重要糧食生產(chǎn)縣之一,受旱災(zāi)影響日趨嚴重。根據(jù)1954-2010年逐月降水?dāng)?shù)據(jù),采用標準化降水指數(shù)(SPI)進行趨勢分析和M-K趨勢突變檢驗,研究邢臺縣冬小麥和夏玉米不同生育階段干旱發(fā)生的規(guī)律。結(jié)果表明,邢臺縣干旱發(fā)生強度和頻率都在增大,以中旱和重旱為主,20世紀50年代后期干旱趨勢顯著,60年代和90年代干旱趨勢相對明顯。冬小麥SPI1指數(shù)下降速率在灌漿-成熟階段最大、拔節(jié)階段次之、再之是苗生長階段,此3個階段干旱加劇較其它生育階段明顯,除播種前和抽穗-開花階段,其他各生育階段SPI指數(shù)自1980年初均有不同程度下降,干旱趨勢相對明顯。夏玉米生育期的早中期階段SPI1指數(shù)呈下降的趨勢,播種-拔節(jié)階段、拔節(jié)-抽雄階段是干旱的頻發(fā)期,除播種前和灌漿-成熟階段,其他各生育階段SPI1指數(shù)自1970年后期開始下降,呈現(xiàn)干旱趨勢。

關(guān)鍵詞:邢臺縣;冬小麥;夏玉米;生育階段;干旱

中圖分類號:S423文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2014)11-2536-06

The Time Changing of Drought in Crop Growth Period Based on the SPI Index

——Taking Xingtai County in Hebei Province as an Example

SHEN Hai-feng1,SHANG Yan-rui1,2, LIU Gong-ying1

(1.School of Resources and Environmental Science,Hebei Normal University,Shijiazhuang 050024,China;

2.Hebei Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction, Shijiazhuang 050016, China)

Abstract: Xingtai county, as one of the major grain production counties in Hebei province, is seriously affected by drought. Based on the monthly precipitation data of 1954-2010 years, standardized precipitation index (SPI) for trend fitting and Mann-Kendall trend mutation testing was used to study the inter-annual variation of meteorological drought of the winter wheat and summer maize growing in Xingtai county. More attention was payed to analyze the regularity of drought in its different growth stages. The results showed that intensity and frequency of droughts was increasing in Xingtai county. Moderate drought and severe drought was the main trend. The trend of drought was significant in the late 1950s, relatively more obvious in late 1960s and 1990s. Winter wheat SPI1 index was decreased fast in filling to maturing stage of winter wheat, then came to the jointing stage. The last was the further growth of the seedling stage. The three stages was meteorological drought intensified significantly over other growth stages before sowing and heading-flowering stage. The SPI1 Index of other growth stages was declined in varying degrees since the early 1980s, but the trend was relatively obvious. Summer corn SPI1 index showed a downward trend in summer maize growth period. Drought was frequent in planting-jointing stage and jointing-heading stage, in addition to before planting and filling-mature stage. Other growth stages of the SPI1 index started to decline since the late 1970s, with the same trend as that of the drought.

Key words: Xingtai country; winterwheat; summermaize; growth period; drought

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(NO41171402)

干旱是一種嚴重威脅人類生存的自然現(xiàn)象。干旱出現(xiàn)的頻率高、持續(xù)時間長、波及范圍廣,對國民經(jīng)濟特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大的影響。為了監(jiān)測和評價干旱的發(fā)生強度及趨勢,國內(nèi)外的學(xué)者已提出了多種干旱指數(shù),包括降水距平指數(shù)、降水距平百分率、降水異常指數(shù)(RAI)、表層水供應(yīng)指數(shù)(SWSI)、Palmer干旱指數(shù)(PDSI)、標準化降水指數(shù)(SPI)、Z指數(shù)、土壤濕度指數(shù)等[1],其中,基于降水的標準化降水指數(shù)(SPI)具有數(shù)據(jù)獲取、計算簡便的優(yōu)點,能夠較好地反映出不同時間尺度下干旱發(fā)生特征,而且在不同地區(qū)和不同時段均具有良好的穩(wěn)定性和連續(xù)性,因而被廣泛應(yīng)用[2],如車少靜等[3]利用SPI指數(shù)分析了近41年河北省旱澇時空變化分布特征;郁凌華等[4]利用SPI指數(shù)分析了黃淮海地區(qū)夏玉米生長季內(nèi)的旱澇災(zāi)害特征;陳莉等[5]利用SPI指數(shù)對東北地區(qū)近50年農(nóng)作物生長季干旱趨勢進行了研究。應(yīng)用邢臺縣1954-2010年逐月降水資料,對邢臺縣SPI指數(shù)進行了測算和分析[6],研究對冬小麥-夏玉米不同生育階段干旱發(fā)生規(guī)律,為政府和農(nóng)戶進行科學(xué)的灌溉提供依據(jù)。

邢臺縣位于河北省西南部,太行山南端東麓,屬暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū),大陸性季風(fēng)特征顯著[7]。該縣年平均氣溫為12~13 ℃,年平均降水量為534.86 mm,年平均蒸發(fā)量為1 093.4 mm,蒸發(fā)量遠大于降水量,且降水季節(jié)分布不勻,夏季平均降水量341.5 mm,冬季平均降水量僅為14.7 mm。邢臺縣農(nóng)業(yè)以種植糧食作物為主,經(jīng)濟作物為輔,其中,糧食作物以種植冬小麥和夏玉米為主。據(jù)河北統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)統(tǒng)計知,2010年邢臺縣農(nóng)作物播種面積達40 099 hm2,糧食播種面積達到30 939 hm2,占農(nóng)作物總播種面積的77.2%,其中冬小麥播種面積為12 133 hm2,夏玉米播種面積為15 322 hm2,分別占糧食總播種面積的39.2%和49.5%。邢臺縣農(nóng)業(yè)災(zāi)害頻發(fā),2010年受災(zāi)面積達16 581 hm2,成災(zāi)面積達14 764 hm2,其中,旱災(zāi)受災(zāi)面積11 845 hm2,旱災(zāi)成災(zāi)面積11 271 hm2。在成災(zāi)面積中糧食作物減產(chǎn)三至五成面積達8 596 hm2,減產(chǎn)五至八成面積達826 hm2,減產(chǎn)8成以上達460 hm2,旱情十分嚴峻。

1材料與方法

1.1SPI指數(shù)

SPI是由McKee等[8]在1993年研究不同時間尺度干旱的發(fā)生頻率及持續(xù)時間之間的關(guān)系時首次提出。一般情況下,降水呈現(xiàn)偏態(tài)分布,在統(tǒng)計計算中常用Gamma密度函數(shù)來擬合不同時間尺度的降水分布規(guī)律[9]。SPI是基于降水累積概率分布的一個有效分析干濕周期的指標,它將降水的偏態(tài)分布轉(zhuǎn)換為標準的正態(tài)分布,進行統(tǒng)計計算。

假設(shè)某一時段的降水量為x,則其伽馬分布的概率密度函數(shù)為:

g(x)=xa-1e-x/?茁 (1)

Γ(α)=yα-1e-ydy (2)

式中:Γ(α)為伽馬函數(shù);α為形狀參數(shù),α> 0;β為尺度參數(shù),β>0;x為降水量,x>0。

α,β可以采用最大似然估計法估算:

= (3)

A=ln()-ln(x) (4)

式中n為計算系列的長度。于是給定時間尺度的累積概率為:

G(X)=g(x)dx=xα-1e-x/?茁dx (5)

令t=x/β,上式可變?yōu)椴煌耆馁ゑR函數(shù),

G(x)=xe-x-?茁dx(6)

由于伽馬方程不包含x=0的情況,而實際的降水量x可以為0,所以累計概率可以表示為:

H(x)=q+(1-q)G(x) (7)

式中,q是降水為0的概率。如果m表示時間系列中降水量為零值的個數(shù),則q=m/n。累積概率H(x)可以通過下式轉(zhuǎn)換為標準正態(tài)分布函數(shù):

Z=SPI=-t- (8)

其中,t= 0≤H（x）≤0.5 0.5≤H（x）＜1(9)

c0=2.515 517,c1=0.802 853,c2=0.010 328,

d1=1.432 788,d2=0.189 269,d3=0.001 308。

在干旱發(fā)生的時間特征上,計算1個月和12個月尺度的SPI值。1個月時間尺度的SPI1值可以表征短時間內(nèi)降水條件,它直接影響土壤的短期水分條件和農(nóng)作物不同生長階段水分的供給條件[7]。12個月尺度SPI12值則反應(yīng)了一個區(qū)域長期的降水條件,從側(cè)面揭示一個區(qū)域的地下水補給情況、水庫庫存水量的狀況,進而分析一個區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展所需的水量條件。

SPI值隨著時間序列的變化在0值附近頻繁的上下波動。SPI值大于0,表示降水量超出了同一時期平均降水量,則可能發(fā)生洪澇;SPI值小于0,表示降水量低于同時期平均降水量,則可能發(fā)生干旱。SPI的絕對值越大表示發(fā)生旱澇的可能越大。參照Mckee等[10]干旱等級劃分干旱等級:1.0>SPI>-1.0,表示降水正常;-1.00≥SPI>-1.5,表示發(fā)生中等干旱;-1.5≥SPI>-2.0,表示發(fā)生重度干旱;SPI≤-2.0,則表示發(fā)生極端干旱。

1.2氣象統(tǒng)計方法

使用線性回歸方程y=at+b(y為SPI值,a為斜率,t為降水時間序列)來擬合SPI指數(shù)隨時間序列的變化,可以反映出SPI指數(shù)隨時間的線性變化規(guī)律[11-13]。

運用M-K非參數(shù)檢驗法[11-13]對冬小麥和夏玉米不同生育階段SPI指數(shù)做趨勢及突變檢驗:UFk值>0,表示原序列SPI指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢,反之則呈現(xiàn)下降趨勢;若UFk值超過置信度線(u0.05=±1.96)時,表示原序列SPI指數(shù)呈上升或下降趨勢明顯;若UFk和UBk兩條曲線的交叉點位于置信區(qū)間內(nèi),則該點對應(yīng)的時間便是序列突變開始的時間。

2干旱時間變化規(guī)律

2.1邢臺縣冬小麥生長期干旱年際變化

圖1 SPI12顯示了1954-2011年邢臺縣冬小麥-夏玉米干旱發(fā)生的年際變化。數(shù)據(jù)顯示,58年間邢臺縣共發(fā)生中旱程度以上旱災(zāi)92次,其中中旱56次、重旱26次、極端干旱10次。20世紀80年代以來,干旱事件發(fā)生頻次明顯增加,其中1986、1987、1999和2000年出現(xiàn)了極端干旱。整體擬合趨勢表明,隨時間向后推移SPI指數(shù)整體呈現(xiàn)遞減趨勢,說明邢臺縣干旱整體呈現(xiàn)加劇趨勢。

2.2冬小麥不同生育階段干旱變化

冬小麥生育期為10月初至次年6月上旬,不同發(fā)育階段起止時間見表1,冬小麥SPI變化規(guī)律見圖2。干旱對于冬小麥不同生育階段影響不同。播種前,發(fā)生干旱,土壤底墑不足,影響冬小麥出苗;苗生長和越冬階段,冬小麥處于營養(yǎng)生長階段,小麥耗水較少,受干旱影響小,但苗生長初期發(fā)生干旱將影響幼苗生長,極端干旱可能導(dǎo)致幼苗枯死,影響后期作物產(chǎn)量;返青階段,冬小麥生長迅速,小麥對水分需求速度和需求量明顯增大,干旱發(fā)生影響冬小麥返青拔節(jié);拔節(jié)階段,干旱影響其生殖生長,造成冬小麥減產(chǎn);抽穗-開花階段,冬小麥葉面積達到最大,水分虧缺會造成冬小麥減產(chǎn)愈加明顯;灌漿成熟階段,干旱影響小麥粒數(shù)和粒徑,質(zhì)量下降[16]。故分析冬小麥不同生育階段干旱發(fā)生規(guī)律對用戶選擇適應(yīng)模式意義重大。

由圖2可以看出,邢臺縣冬小麥整個生育期SPI值呈現(xiàn)下降趨勢,說明降水量不斷下降,氣象干旱加劇。各生育階段SPI趨勢斜率大小比較:灌漿-成熟階段(-0.011)<拔節(jié)階段(-0.008)<苗生長階段(-0.007)<返青階段(-0.003)<越冬階段(-0.002)<播種前、抽穗-開花階段(0.010),表明降水減少速率在灌漿-成熟期最大,拔節(jié)期次之,再之是苗期,返青期和越冬期最小。冬小麥在苗生長階段、拔節(jié)階段、成熟階段氣象干旱加劇較其它生育階段明顯。統(tǒng)計不同生育階段干旱發(fā)生次數(shù)可知,58年間發(fā)生中旱及以上程度干旱,越冬期8次,苗初期9次,苗中期8次,苗后期0次,越冬期平均2次,返青期6次,拔節(jié)期7次,抽穗-開花期5次,灌漿-成熟期6次。除越冬期之外,其他各個生育期均受到干旱威脅。

運用M-K非參數(shù)檢驗方法對邢臺縣冬小麥各生育階段58年SPI指數(shù)作具體趨勢突變檢驗(圖3),檢驗結(jié)果可以總結(jié)出:

圖3a冬小麥播種前,主要突變年份是1963年、1978年,SPI指數(shù)在1956-1960年和1995-2003年呈下降趨勢,處于相對干旱階段;圖3b苗生長階段,突變年份是1963年、1969年、1982年和1993年。SPI指數(shù)在1954-1960年、1963-1967年、1969-1973年和1981-2011年呈下降態(tài)勢,表明干旱趨勢加強;圖3c越冬階段,除1979年外,UFk值均小于0,表明冬小麥越冬階段在整個時間序列中持續(xù)呈現(xiàn)干旱趨勢,說明邢臺縣受冬旱影響加重;圖3d返青階段,突變年份是1959年、1979年和2000年,SPI指數(shù)在1960-1962年、1968-1988年和2001-2011年呈下降趨勢,表明干旱趨勢加強;圖3e拔節(jié)階段,主要突變年份為1959年、1961、1978年、2005年,SPI指數(shù)在1974-2011年呈下降趨勢,表明冬小麥拔節(jié)階段在整個時間序列中呈現(xiàn)干旱趨勢;圖3f抽穗-開花階段,主要突變年份為1956年、1958年、1961年、1962年和1964年,在1955-1963年、1966-1969年和1972-1984年,SPI指數(shù)下降,干旱趨勢增強;圖3g灌漿-成熟階段,主要突變年份為1956年、1959年、1963年、1973年、1983年和1985年,1960-1970年和1974-2011年SPI指數(shù)下降,干旱趨勢增強。

2.3夏玉米不同生育階段干旱變化

夏玉米生育期為6月下旬至10月初,不同生育期起止時間見表2,夏玉米SPI變化規(guī)律見圖4。夏玉米主要生長季為邢臺縣的雨季。夏玉米全生育期需水量在350~400 mm,而平均降水量約為440 mm,但是各生育階段降水差異大,影響其生長發(fā)育。播種前,干旱發(fā)生,土壤底墑不足,影響夏玉米出苗;播種-拔節(jié)期,此階段為幼苗生長發(fā)育階段,需水量占全生育期需水量的20%,相對較少,但此時干旱發(fā)生影響幼苗生長,影響后期生殖生長;拔節(jié)-抽雄期,干旱對夏玉米的株高和葉面積生長影響最大;抽雄-灌漿期,夏玉米進入生殖生長階段,干旱發(fā)生將對夏玉米的穗數(shù)產(chǎn)生一定的影響;灌漿-成熟期,干旱發(fā)生,對夏玉米顆數(shù)和粒徑大小都將產(chǎn)生影響,加劇夏玉米減產(chǎn)[14]。因此要著重關(guān)注邢臺縣歷年夏玉米不同生育期的干旱規(guī)律,以便于保證夏糧生產(chǎn)的順利進行。

運用M-K非參數(shù)檢驗方法對邢臺縣夏玉米各生育階段58年SPI指數(shù)做具體趨勢突變檢驗,見圖5。由圖5可以看出,夏玉米不同生育期SPI斜率比較,播種前、灌漿-成熟階段(0.010)>苗生長階段、抽雄-灌漿階段(-0.011)>拔節(jié)-抽雄階段(-0.018)。SPI值在夏玉米生長的早中期呈下降的趨勢,后期的灌漿成熟階段階段反而呈現(xiàn)出上升趨勢,說明在此階段干旱對夏玉米生長的危險有所下降。統(tǒng)計58年間夏玉米不同生育期的中旱以上干旱共發(fā)生35次,其中,播種前一月中旱5次,播種-拔節(jié)階段中旱5次、重旱1次,拔節(jié)-抽雄階段中旱3次、重旱3次,抽雄-灌漿階段中旱8次、重旱2次,灌漿-成熟階段中旱5次、重旱3次。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,播種-拔節(jié)階段、拔節(jié)-抽雄階段是干旱的頻發(fā)期,降水量少,影響夏玉米穩(wěn)定需水量的供給。故在拔節(jié)-抽雄開花生長階段要重點監(jiān)測和防范。

圖5a和圖5b分別是播種前和播種-拔節(jié)階段,該兩個階段同時也是冬小麥抽雄-成熟階段,已在冬小麥干旱變化突變檢驗中進行分析,故在此不做具體分析;圖5c拔節(jié)-抽雄階段,主要突變年份有1972年、1975年、1990年、2000年、2002年和2006年,SPI指數(shù)在1970-2011年呈下降趨勢,夏玉米在該階段干旱化持續(xù)加強;圖5d抽雄-灌漿階段,主要的突變年份是1957年,1958-1962年、1964-1974年和1977-2011年,干旱趨勢加強,尤其在2001-2008年,干旱趨勢通過了0.05臨界線的顯著性水平,表明降水減少,氣候變干的趨勢十分顯著;圖5e灌漿-成熟階段,主要突變年份是1961年、1964年、1974年和1978年,1956-1960年、1995-2003年,SPI指數(shù)呈下降趨勢,有干旱化傾向。

3小結(jié)與討論

1)根據(jù)SPI12變化規(guī)律,總結(jié)出邢臺縣農(nóng)作物氣象干旱逐漸加重,以中旱和重旱為主,1980年代后期以來干旱發(fā)生的頻次明顯增加。不同年代干旱變化趨勢不同,20世紀50年代后期下降最快,干旱趨勢明顯;60年代和90年代呈微下降趨勢;20世紀80年代上升最快,濕澇較明顯;20世紀70年代和21世紀初呈微上升趨勢。

2)邢臺縣冬小麥不同生育階段干旱發(fā)生規(guī)律:冬小麥整個生育期SPI指數(shù)呈下降趨勢,表明氣象干旱加劇,其中,灌漿-成熟期下降速率最大,拔節(jié)期次之,再之是苗期。冬小麥在苗期、拔節(jié)期,成熟期氣象干旱加劇較其它生育期明顯。突變分析表明,除播種前和抽穗-開花階段,其他各生育階段SPI指數(shù)自1980年代初均有不同程度下降,干旱趨勢相對明顯,與邢臺縣整體干旱變化相一致。

3)邢臺縣夏玉米不同生育階段干旱發(fā)生規(guī)律:SPI顯示夏玉米生育期的早中期階段呈下降的趨勢,播種-拔節(jié)階段、拔節(jié)-抽雄階段是干旱的頻發(fā)期,降水少,影響夏玉米穩(wěn)定需水量的供給。突變分析表明,除播種前和灌漿-成熟階段,其他各生育階段SPI指數(shù)自20世紀70年代后期呈下降趨勢,干旱發(fā)生相對增加與與邢臺縣整體干旱變化大致一致。

4)本研究根據(jù)1954-2011年58年降水?dāng)?shù)據(jù)運用SPI指數(shù)進行了冬小麥-夏玉米生育期干旱發(fā)生規(guī)律研究,為農(nóng)戶適時進行灌溉提供了科學(xué)依據(jù)。河北農(nóng)村統(tǒng)計資料表明2010年邢臺縣發(fā)生大范圍的干旱,而年尺度的SPI顯示2010分析2010年以年為尺度的各月累積降水可知,各月降水量較多,而SPI12值是以年為單位的累積降水進行標準化得到的,所以2010年SPI12顯示未有明顯干旱。同時本研究采用的是縣域尺度研究區(qū),氣象站點較少,沒有系統(tǒng)進行邢臺縣冬小麥-夏玉米生育期干旱的空間變化研究。同時研究一個地區(qū)農(nóng)作物生育期干旱變化,不僅要分析降水因子,還要進一步分析降水之外的其它氣象因子、下墊面因子等。

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[15] 吳冬麗,王春已,薛紅喜,等.華北地區(qū)冬小麥干旱時空分布特征[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2012,21(1):18-25.

[16] 吳東麗,王春乙,張雪芬,等.華北冬小麥作物氣候干旱指數(shù)研究[J].科技導(dǎo)報,2009,27(7):32-36.

運用M-K非參數(shù)檢驗方法對邢臺縣夏玉米各生育階段58年SPI指數(shù)做具體趨勢突變檢驗,見圖5。由圖5可以看出,夏玉米不同生育期SPI斜率比較,播種前、灌漿-成熟階段(0.010)>苗生長階段、抽雄-灌漿階段(-0.011)>拔節(jié)-抽雄階段(-0.018)。SPI值在夏玉米生長的早中期呈下降的趨勢,后期的灌漿成熟階段階段反而呈現(xiàn)出上升趨勢,說明在此階段干旱對夏玉米生長的危險有所下降。統(tǒng)計58年間夏玉米不同生育期的中旱以上干旱共發(fā)生35次,其中,播種前一月中旱5次,播種-拔節(jié)階段中旱5次、重旱1次,拔節(jié)-抽雄階段中旱3次、重旱3次,抽雄-灌漿階段中旱8次、重旱2次,灌漿-成熟階段中旱5次、重旱3次。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,播種-拔節(jié)階段、拔節(jié)-抽雄階段是干旱的頻發(fā)期,降水量少,影響夏玉米穩(wěn)定需水量的供給。故在拔節(jié)-抽雄開花生長階段要重點監(jiān)測和防范。

圖5a和圖5b分別是播種前和播種-拔節(jié)階段,該兩個階段同時也是冬小麥抽雄-成熟階段,已在冬小麥干旱變化突變檢驗中進行分析,故在此不做具體分析;圖5c拔節(jié)-抽雄階段,主要突變年份有1972年、1975年、1990年、2000年、2002年和2006年,SPI指數(shù)在1970-2011年呈下降趨勢,夏玉米在該階段干旱化持續(xù)加強;圖5d抽雄-灌漿階段,主要的突變年份是1957年,1958-1962年、1964-1974年和1977-2011年,干旱趨勢加強,尤其在2001-2008年,干旱趨勢通過了0.05臨界線的顯著性水平,表明降水減少,氣候變干的趨勢十分顯著;圖5e灌漿-成熟階段,主要突變年份是1961年、1964年、1974年和1978年,1956-1960年、1995-2003年,SPI指數(shù)呈下降趨勢,有干旱化傾向。

3小結(jié)與討論

1)根據(jù)SPI12變化規(guī)律,總結(jié)出邢臺縣農(nóng)作物氣象干旱逐漸加重,以中旱和重旱為主,1980年代后期以來干旱發(fā)生的頻次明顯增加。不同年代干旱變化趨勢不同,20世紀50年代后期下降最快,干旱趨勢明顯;60年代和90年代呈微下降趨勢;20世紀80年代上升最快,濕澇較明顯;20世紀70年代和21世紀初呈微上升趨勢。

2)邢臺縣冬小麥不同生育階段干旱發(fā)生規(guī)律:冬小麥整個生育期SPI指數(shù)呈下降趨勢,表明氣象干旱加劇,其中,灌漿-成熟期下降速率最大,拔節(jié)期次之,再之是苗期。冬小麥在苗期、拔節(jié)期,成熟期氣象干旱加劇較其它生育期明顯。突變分析表明,除播種前和抽穗-開花階段,其他各生育階段SPI指數(shù)自1980年代初均有不同程度下降,干旱趨勢相對明顯,與邢臺縣整體干旱變化相一致。

3)邢臺縣夏玉米不同生育階段干旱發(fā)生規(guī)律:SPI顯示夏玉米生育期的早中期階段呈下降的趨勢,播種-拔節(jié)階段、拔節(jié)-抽雄階段是干旱的頻發(fā)期,降水少,影響夏玉米穩(wěn)定需水量的供給。突變分析表明,除播種前和灌漿-成熟階段,其他各生育階段SPI指數(shù)自20世紀70年代后期呈下降趨勢,干旱發(fā)生相對增加與與邢臺縣整體干旱變化大致一致。

4)本研究根據(jù)1954-2011年58年降水?dāng)?shù)據(jù)運用SPI指數(shù)進行了冬小麥-夏玉米生育期干旱發(fā)生規(guī)律研究,為農(nóng)戶適時進行灌溉提供了科學(xué)依據(jù)。河北農(nóng)村統(tǒng)計資料表明2010年邢臺縣發(fā)生大范圍的干旱,而年尺度的SPI顯示2010分析2010年以年為尺度的各月累積降水可知,各月降水量較多,而SPI12值是以年為單位的累積降水進行標準化得到的,所以2010年SPI12顯示未有明顯干旱。同時本研究采用的是縣域尺度研究區(qū),氣象站點較少,沒有系統(tǒng)進行邢臺縣冬小麥-夏玉米生育期干旱的空間變化研究。同時研究一個地區(qū)農(nóng)作物生育期干旱變化,不僅要分析降水因子,還要進一步分析降水之外的其它氣象因子、下墊面因子等。

參考文獻:

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[3] 車少靜,李春強,申雙和. 基于SPI的近41年河北省旱澇時空特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2010,31(1):137-143.

[4] 郁凌華,趙艷霞.黃淮海地區(qū)夏玉米生長季內(nèi)的旱澇災(zāi)害分析[J].災(zāi)害學(xué),2013,28(2):71-75.

[5] 陳莉,方麗娟,李帥.東北地區(qū)近50年農(nóng)作物生長季干旱趨勢研究[J].災(zāi)害學(xué),2010,25(4):5-10.

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[11] 陳瑩,陳興偉.福建省近50年干旱時空特征演變_基于標準化降水指數(shù)分析J].2011,20(3):57-63.

[12] 王鶯,趙福年,姚玉璧,等.基于Z指數(shù)的石羊河流域干旱特征分析[J].災(zāi)害學(xué),2013,28(2):100-106.

[13] 魏鳳英.現(xiàn)代氣象統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京:氣象出版社,2011:69-72.

[14] 肖俊夫,劉占東,劉祖貴,等.不同時期干旱和干旱程度對夏玉米生長發(fā)育及耗水特性的影響[J].玉米科學(xué),2011,19(4):54-58,64.

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[16] 吳東麗,王春乙,張雪芬,等.華北冬小麥作物氣候干旱指數(shù)研究[J].科技導(dǎo)報,2009,27(7):32-36.

運用M-K非參數(shù)檢驗方法對邢臺縣夏玉米各生育階段58年SPI指數(shù)做具體趨勢突變檢驗,見圖5。由圖5可以看出,夏玉米不同生育期SPI斜率比較,播種前、灌漿-成熟階段(0.010)>苗生長階段、抽雄-灌漿階段(-0.011)>拔節(jié)-抽雄階段(-0.018)。SPI值在夏玉米生長的早中期呈下降的趨勢,后期的灌漿成熟階段階段反而呈現(xiàn)出上升趨勢,說明在此階段干旱對夏玉米生長的危險有所下降。統(tǒng)計58年間夏玉米不同生育期的中旱以上干旱共發(fā)生35次,其中,播種前一月中旱5次,播種-拔節(jié)階段中旱5次、重旱1次,拔節(jié)-抽雄階段中旱3次、重旱3次,抽雄-灌漿階段中旱8次、重旱2次,灌漿-成熟階段中旱5次、重旱3次。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,播種-拔節(jié)階段、拔節(jié)-抽雄階段是干旱的頻發(fā)期,降水量少,影響夏玉米穩(wěn)定需水量的供給。故在拔節(jié)-抽雄開花生長階段要重點監(jiān)測和防范。

圖5a和圖5b分別是播種前和播種-拔節(jié)階段,該兩個階段同時也是冬小麥抽雄-成熟階段,已在冬小麥干旱變化突變檢驗中進行分析,故在此不做具體分析;圖5c拔節(jié)-抽雄階段,主要突變年份有1972年、1975年、1990年、2000年、2002年和2006年,SPI指數(shù)在1970-2011年呈下降趨勢,夏玉米在該階段干旱化持續(xù)加強;圖5d抽雄-灌漿階段,主要的突變年份是1957年,1958-1962年、1964-1974年和1977-2011年,干旱趨勢加強,尤其在2001-2008年,干旱趨勢通過了0.05臨界線的顯著性水平,表明降水減少,氣候變干的趨勢十分顯著;圖5e灌漿-成熟階段,主要突變年份是1961年、1964年、1974年和1978年,1956-1960年、1995-2003年,SPI指數(shù)呈下降趨勢,有干旱化傾向。

3小結(jié)與討論

1)根據(jù)SPI12變化規(guī)律,總結(jié)出邢臺縣農(nóng)作物氣象干旱逐漸加重,以中旱和重旱為主,1980年代后期以來干旱發(fā)生的頻次明顯增加。不同年代干旱變化趨勢不同,20世紀50年代后期下降最快,干旱趨勢明顯;60年代和90年代呈微下降趨勢;20世紀80年代上升最快,濕澇較明顯;20世紀70年代和21世紀初呈微上升趨勢。

2)邢臺縣冬小麥不同生育階段干旱發(fā)生規(guī)律:冬小麥整個生育期SPI指數(shù)呈下降趨勢,表明氣象干旱加劇,其中,灌漿-成熟期下降速率最大,拔節(jié)期次之,再之是苗期。冬小麥在苗期、拔節(jié)期,成熟期氣象干旱加劇較其它生育期明顯。突變分析表明,除播種前和抽穗-開花階段,其他各生育階段SPI指數(shù)自1980年代初均有不同程度下降,干旱趨勢相對明顯,與邢臺縣整體干旱變化相一致。

3)邢臺縣夏玉米不同生育階段干旱發(fā)生規(guī)律:SPI顯示夏玉米生育期的早中期階段呈下降的趨勢,播種-拔節(jié)階段、拔節(jié)-抽雄階段是干旱的頻發(fā)期,降水少,影響夏玉米穩(wěn)定需水量的供給。突變分析表明,除播種前和灌漿-成熟階段,其他各生育階段SPI指數(shù)自20世紀70年代后期呈下降趨勢,干旱發(fā)生相對增加與與邢臺縣整體干旱變化大致一致。

4)本研究根據(jù)1954-2011年58年降水?dāng)?shù)據(jù)運用SPI指數(shù)進行了冬小麥-夏玉米生育期干旱發(fā)生規(guī)律研究,為農(nóng)戶適時進行灌溉提供了科學(xué)依據(jù)。河北農(nóng)村統(tǒng)計資料表明2010年邢臺縣發(fā)生大范圍的干旱,而年尺度的SPI顯示2010分析2010年以年為尺度的各月累積降水可知,各月降水量較多,而SPI12值是以年為單位的累積降水進行標準化得到的,所以2010年SPI12顯示未有明顯干旱。同時本研究采用的是縣域尺度研究區(qū),氣象站點較少,沒有系統(tǒng)進行邢臺縣冬小麥-夏玉米生育期干旱的空間變化研究。同時研究一個地區(qū)農(nóng)作物生育期干旱變化,不僅要分析降水因子,還要進一步分析降水之外的其它氣象因子、下墊面因子等。

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[3] 車少靜,李春強,申雙和. 基于SPI的近41年河北省旱澇時空特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2010,31(1):137-143.

[4] 郁凌華,趙艷霞.黃淮海地區(qū)夏玉米生長季內(nèi)的旱澇災(zāi)害分析[J].災(zāi)害學(xué),2013,28(2):71-75.

[5] 陳莉,方麗娟,李帥.東北地區(qū)近50年農(nóng)作物生長季干旱趨勢研究[J].災(zāi)害學(xué),2010,25(4):5-10.

[6] 楊麗娜,吳智杰,許新路,等.基于標準化降水指數(shù)的邢臺地區(qū)的干旱特征[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2011,25(11):120-124.

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[8] MCKEE T B, DOESKEN N J, KLEIST J. The relationship of drought fre-quency and duration to time scales [A]. In: Proc.8th conference onapplied climatology[C]. Anaheim,California,1993: 179-184.

[9] EDWARDS D C, MCKEE T B. Characteristics of 20th century drought in the United States atmultiple scale[R]. Atmospheric Science PaperNo.634,1997:1-30.

[10] MCKEE T B,DOESKEN N J,KLEIST J.The relationship of drought frequency and duration to time scales[R].California: Eighth Conference on Applied Climatology,1993.

[11] 陳瑩,陳興偉.福建省近50年干旱時空特征演變_基于標準化降水指數(shù)分析J].2011,20(3):57-63.

[12] 王鶯,趙福年,姚玉璧,等.基于Z指數(shù)的石羊河流域干旱特征分析[J].災(zāi)害學(xué),2013,28(2):100-106.

[13] 魏鳳英.現(xiàn)代氣象統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京:氣象出版社,2011:69-72.

[14] 肖俊夫,劉占東,劉祖貴,等.不同時期干旱和干旱程度對夏玉米生長發(fā)育及耗水特性的影響[J].玉米科學(xué),2011,19(4):54-58,64.

[15] 吳冬麗,王春已,薛紅喜,等.華北地區(qū)冬小麥干旱時空分布特征[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2012,21(1):18-25.

[16] 吳東麗,王春乙,張雪芬,等.華北冬小麥作物氣候干旱指數(shù)研究[J].科技導(dǎo)報,2009,27(7):32-36.