玉米生長(zhǎng)階段降水分布影響分析

鄭鳳杰，張 超

（1.內(nèi)蒙古氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與人工影響天氣中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000）

1 研究區(qū)域概況

內(nèi)蒙古東有大興安嶺、燕山和太行山山脈，阻擋太平洋水汽輸送，西南方有青藏高原，阻擋印度洋水汽輸送，遙遠(yuǎn)的大西洋和北冰洋上的水汽經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途消耗，少量到達(dá)內(nèi)蒙古上空[1]。由于終年在大陸氣團(tuán)的控制下，干燥少雨是內(nèi)蒙古氣候的主要特點(diǎn)。降水量東西差異大，自東北向西南逐漸減少，興安嶺以東的東北部地區(qū)年降水量接近500 mm，降水量最少的阿拉善盟西北部多年平均降水量不足50 mm。各地區(qū)降水主要集中在夏季，占全年降水量的50%以上[2]。本文利用內(nèi)蒙古105個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2010年5月上旬至8月下旬的逐旬降水資料進(jìn)行降水分布影響分析。

內(nèi)蒙古地區(qū)玉米從4月下旬逐漸進(jìn)入播種期，6月上旬至7月上旬是大秋作物的苗期和營(yíng)養(yǎng)生育期，7月中旬至8月中旬生殖生長(zhǎng)期，8月下旬逐步進(jìn)入作物成熟期，9月中下旬達(dá)到收獲普期[3]。本文的玉米生長(zhǎng)發(fā)育資料自1980年至2008年，包含10個(gè)典型玉米種植區(qū)播種、出苗、三葉、七葉、拔節(jié)、孕穗、抽雄、開(kāi)花、吐絲、乳熟、成熟等生長(zhǎng)期的始期和普期資料。

2 研究路線

在土壤水分達(dá)不到植物的基本要求時(shí)，植物的生長(zhǎng)發(fā)育就要受到影響，作物的需水量不僅與品種有關(guān)，還與所處的生育階段有關(guān)[4]。本文根據(jù)玉米的需水量要求[5-7]及不同生長(zhǎng)期的缺雨敏感度得到玉米生長(zhǎng)期降水量的影響系數(shù)，通過(guò)地理信息系統(tǒng)空間分析的方法[8-10]，將影響系數(shù)擴(kuò)展到整個(gè)研究區(qū)域，使研究結(jié)果空間分布更直觀，便于進(jìn)行玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估工作，研究路線如圖1所示。

3 研究方法

3.1 生長(zhǎng)期降水量時(shí)空分布計(jì)算

計(jì)算各站點(diǎn)5月上旬至9月上旬的逐旬歷年平均降水量，根據(jù)生長(zhǎng)期的劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)各生長(zhǎng)期的歷年平均降水量。以經(jīng)度、緯度、海拔高度等少變自然地理要素作為自變量（x）[11-12]，以各生長(zhǎng)期的平均降水量作為因變量（y），確定引進(jìn)變量的F檢驗(yàn)水平為F＞0.05，剔除變量的F檢驗(yàn)水平為F＜0.1，建立玉米各生長(zhǎng)階段降水量逐步回歸模型。回歸模型以及各模型相關(guān)系數(shù)如表1所示。

表1 玉米各生長(zhǎng)階段降水量回歸模型

表1中，JD為經(jīng)度，WD為緯度，H為海拔高度，ln（H）為海拔高度的自然對(duì)數(shù)，JSn、JSbz、JSmq、JSbj、JScs、JSgj、JSls分別表示玉米全生育期、播種期、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、蠟熟期的累計(jì)降水量。經(jīng)過(guò)回歸方程模擬的站點(diǎn)降水量與實(shí)測(cè)值出現(xiàn)了偏差，為保證各站點(diǎn)值與實(shí)測(cè)值相等，對(duì)各模型進(jìn)行誤差訂正[13]。分別計(jì)算各站點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值的絕對(duì)誤差，其大小反映插值結(jié)果偏離真值的程度，作為需要訂正的誤差。

反距離權(quán)重插值法（IDW）以插值點(diǎn)與站點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的站點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。本研究采用IDW方法計(jì)算誤差的空間分布，對(duì)降水量模擬值圖層與誤差值圖層進(jìn)行合并計(jì)算，達(dá)到修訂誤差的目的[14]。經(jīng)過(guò)誤差訂正可以看出，降水量主要分布于抽穗期與灌漿期，各生長(zhǎng)期降水量分布都有自東向西逐漸減少的趨勢(shì)。

3.2 各階段影響分析

玉米生長(zhǎng)在正常年份不同時(shí)期所需的平均降水量以及不同生長(zhǎng)期的缺雨敏感度見(jiàn)表2[6]。定義各階段需水量占全生長(zhǎng)期需水量的百分比為各階段的比重，灌漿期和拔節(jié)期是水分關(guān)鍵期，苗期、抽穗期重要性次之。

根據(jù)玉米生長(zhǎng)期降水量時(shí)空分布計(jì)算結(jié)果及各生長(zhǎng)階段相應(yīng)的所需降水量、缺雨敏感度，計(jì)算各階段降水影響的空間分布。本文將玉米生長(zhǎng)階段內(nèi)的平均降水量與所需降水量進(jìn)行對(duì)比，定義各階段降水量占需水量的比例與各階段敏感度的乘積為降水影響因子，計(jì)算公式如下所示。

表2 玉米不同生長(zhǎng)期所需降水量及缺雨敏感度

式中，Ai為各生長(zhǎng)階段的降水影響因子，Ri為各生育階段降水量，Xi為各生育階段需水量，ai為各生育階段敏感度。采用地理信息系統(tǒng)空間統(tǒng)計(jì)分析功能，計(jì)算得到玉米各生長(zhǎng)階段降水影響因子空間分布結(jié)果，分析玉米播種期、苗期、抽穗期、拔節(jié)期、灌漿期、蠟熟期的降水影響因子空間分布。

播種期，降水影響因子-0.6～0，東部大部及中部偏南地區(qū)水分條件較好。苗期，降水影響因子-0.6～-0.2，中東部大部大于-0.4。抽穗期，降水影響因子-0.8～0.5，東部主要農(nóng)區(qū)大于0，河套灌區(qū)-0.6～-0.2。拔節(jié)期，降水影響因子-0.6～-0.2，與苗期空間分布相近。灌漿期，降水影響因子-1.0～-0.2，呼和浩特大部、呼倫貝爾嶺東地區(qū)及興安盟東北部大于-0.4，其余大部農(nóng)區(qū)-0.6～-0.4。蠟熟期，降水影響因子-0.6～2.5，全區(qū)大部水分條件較好，除阿拉善盟中西部沙漠地區(qū)外均大于0，鄂爾多斯東部、呼和浩特大部、烏蘭察布西南部、呼倫貝爾中東部及興安盟北部大于1.5。

綜上，內(nèi)蒙古各生育階段的降水影響因子呈現(xiàn)西部影響大、東部影響小的趨勢(shì)。播種期、苗期、拔節(jié)期、灌漿期內(nèi)蒙古全區(qū)降水影響因子均小于0，降水量少于玉米生長(zhǎng)發(fā)育所需要的水量。尤其是灌漿期，全區(qū)大部降水影響因子大于40%，對(duì)玉米生長(zhǎng)極為不利。抽穗期內(nèi)蒙古東部地區(qū)降水量滿足玉米需要，中部及西部偏東地區(qū)降水影響因子在40%以下。蠟熟期內(nèi)蒙古大部降水條件較好，東部及中部偏南地區(qū)降水影響因子顯著高于0。

3.3 全生長(zhǎng)階段綜合影響分析

考慮到不同生育階段的降水影響因子的正負(fù)在全生育期的降水影響因子計(jì)算中會(huì)產(chǎn)生抵消，本文計(jì)算各階段降水影響因子的絕對(duì)值與相應(yīng)比重的乘積，再進(jìn)行求和，以此作為玉米全生長(zhǎng)期降水綜合影響因子，各生育階段受降水影響程度Ai，各生育階段需水量為Xi，全生育期需水量為∑Xi，玉米全生育期受降水的影響程度A計(jì)算公式如下所示。利用玉米各生長(zhǎng)階段降水影響因子空間分布計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)比重，計(jì)算得到玉米全生長(zhǎng)期受降水影響的空間分布結(jié)果（圖2）。

從玉米全生育期受降水影響程度分布可以看出，全區(qū)降水量時(shí)空分布難以滿足玉米正常生長(zhǎng)需要。內(nèi)蒙古東部及中部偏南地區(qū)降水條件較好，但時(shí)間分配不均，對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的影響程度在40%以下。內(nèi)蒙古中部及西部偏東地區(qū)降水條件次之，降水影響因子50%左右。

結(jié)合內(nèi)蒙古玉米播種范圍，內(nèi)蒙古東部大部分地區(qū)滿足60%以上降水需求，內(nèi)蒙古中西部，除阿拉善盟以外，滿足40%以上降水需求，對(duì)玉米種植區(qū)的灌溉條件提出了較高的要求。

4 結(jié)論

內(nèi)蒙古大部分地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降水地域分布上有自東北向西南逐漸減少的趨勢(shì)，在時(shí)間分布上受東亞季風(fēng)氣候的影響，降水主要集中在夏季6—8月[15]，正好與玉米生長(zhǎng)發(fā)育需水敏感期吻合，有利于提供充沛水分。

內(nèi)蒙古地區(qū)玉米生長(zhǎng)期降水在時(shí)空分布上普遍不能滿足正常生長(zhǎng)的需要。空間分布存在自東向西影響程度逐級(jí)降低的特征。時(shí)間分布上，只有抽穗期內(nèi)蒙古東部地區(qū)、蠟熟期內(nèi)蒙古大部地區(qū)降水量符合玉米生長(zhǎng)正常年份所需的平均降水量，其余生長(zhǎng)階段均難以達(dá)到需求。

全生育期降水綜合影響程度分布上自東向西影響減小，東部降水最多區(qū)域也難以全生育期都滿足玉米生長(zhǎng)需要。

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