氣候變化背景下中國(guó)主要作物農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時(shí)空分布特征（Ⅱ）：西北主要糧食作物干旱*

何 斌，劉志娟，楊曉光，孫 爽

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氣候變化背景下中國(guó)主要作物農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時(shí)空分布特征（Ⅱ）：西北主要糧食作物干旱*

何 斌，劉志娟，楊曉光**，孫 爽

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193）

基于中國(guó)西北地區(qū)1961-2010年149個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣象資料及春小麥、春玉米和夏玉米生育期資料，采用作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）為作物干旱指標(biāo)，明確了研究區(qū)域內(nèi)3種作物干旱的空間分布特征和時(shí)間演變規(guī)律。研究結(jié)果表明：（1）3種作物生長(zhǎng)季內(nèi)及各生育階段，干旱發(fā)生頻繁，尤以特旱和重旱發(fā)生范圍廣、頻率高，輕旱和中旱多發(fā)生在研究區(qū)域東部，甘肅南部和陜西南部等個(gè)別地區(qū)干旱發(fā)生頻率相對(duì)較小。（2）春小麥生長(zhǎng)季內(nèi)干旱發(fā)生站次比為79.1%，春玉米生長(zhǎng)季內(nèi)干旱發(fā)生站次比為84.5%，夏玉米干旱發(fā)生站次比為77.4%；夏玉米生長(zhǎng)季內(nèi)站次比波動(dòng)較小，春小麥和春玉米波動(dòng)較大?？傮w而言，研究時(shí)段內(nèi)春小麥生長(zhǎng)期干旱發(fā)生站次比呈減小趨勢(shì)，降幅為每10a減少0.55個(gè)百分點(diǎn)，春玉米和夏玉米干旱站次比呈增加趨勢(shì)，增幅分別為每10a增加0.24個(gè)百分點(diǎn)和0.20個(gè)百分點(diǎn)。（3）研究區(qū)域東部春小麥和春玉米各生育階段干旱強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，西部呈下降趨勢(shì)；夏玉米干旱強(qiáng)度在陜西北部、寧夏和河西走廊呈增加趨勢(shì)，其它地區(qū)多為降低趨勢(shì)。

作物水分虧缺指數(shù)；站次比；干旱強(qiáng)度

全球氣候持續(xù)變暖，政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告指出，1980-2012年全球平均地表溫度升高了0.85℃[1]。中國(guó)的陸地平均溫度升高幅度大于全球平均，且全國(guó)的降水變化具有明顯的空間差異[2]。中國(guó)西北地區(qū)地處歐亞大陸腹地，是受氣候影響敏感地區(qū)之一[3]，氣候變化背景下，降水不確定性增加，干旱事件加劇，統(tǒng)計(jì)資料顯示，1950-2000年西北地區(qū)年均農(nóng)田受旱成災(zāi)面積170.22萬(wàn)hm2，且20世紀(jì)90年代以來(lái)農(nóng)業(yè)干旱受災(zāi)面積擴(kuò)大，成災(zāi)面積增加[4-5]。每年由于干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失占GDP的4%～6%，遠(yuǎn)高于中國(guó)其它地區(qū)。已有研究表明，由于氣候變暖，西北旱作區(qū)春小麥生長(zhǎng)期縮短，產(chǎn)量下降；不同熟性品種玉米的播種期提前，生育期縮短，產(chǎn)量減少[[6-7]。氣候變化背景下，明確西北雨養(yǎng)區(qū)農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生特征是保證該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提[8-9]。作物水分虧缺指數(shù)能較好地反應(yīng)土壤、作物和氣象三方面的綜合影響，較準(zhǔn)確地反映作物水分虧缺情況[10]。張艷紅等[11]以水分虧缺指數(shù)為干旱識(shí)別指標(biāo)，探討其在不同農(nóng)區(qū)的適用性，研究結(jié)果表明，該指標(biāo)能較好地反映農(nóng)作物干旱發(fā)生狀況。黃晚華等[12]利用該指標(biāo)分析了湖南春玉米季節(jié)干旱發(fā)生特征，隋月等[13]也采用該指標(biāo)分析了南方玉米干旱時(shí)空分布特征，表明該指標(biāo)在研究作物干旱時(shí)有較好的適用性。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)作物水分虧缺指數(shù)為研究指標(biāo)，分析西北地區(qū)春小麥、春玉米和夏玉米的干旱時(shí)空分布特征，以期為研究區(qū)域內(nèi)作物布局、農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)及應(yīng)對(duì)干旱采取適宜措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)橹袊?guó)西北地區(qū)，包括新疆維吾爾自治區(qū)、青海省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、陜西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的4個(gè)盟市（阿拉善盟、鄂爾多斯市、烏海市和巴彥淖爾市）[14]，地處72°21′E，49°33′N-111°40′E，31°57′Ｎ范圍（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)共享網(wǎng)，包括149個(gè)氣象站點(diǎn)1961-2010年逐日氣象資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對(duì)濕度、平均氣壓、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和降水量。作物生育期資料來(lái)源于縣級(jí)春小麥、玉米調(diào)查資料和農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)，具體生育期包括播種、拔節(jié)、抽穗（抽雄）和成熟期，將春小麥、春玉米和夏玉米分為播種-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗（抽雄）、抽穗（抽雄）-成熟3個(gè)生育階段。

由于西北地區(qū)東西跨度較大，各區(qū)域種植作物不同，根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒和各省、區(qū)、市統(tǒng)計(jì)年鑒（2008-2013）[15]比較分析各省主要作物的種植面積，據(jù)此確定西北地區(qū)主要種植作物為玉米和小麥。其中小麥以春小麥為主，玉米包括春玉米和夏玉米，因此，本文選擇春小麥、春玉米和夏玉米作為主要研究對(duì)象。由于青海省海拔較高，多數(shù)地區(qū)年積溫不滿足玉米生長(zhǎng)，玉米多種植在青海東部的河谷地區(qū)，故分析玉米的干旱特征時(shí)不考慮青海??；陜西春小麥雖種植較少，但本文認(rèn)為其數(shù)據(jù)研究仍有參考價(jià)值。

1.3 指標(biāo)和計(jì)算方法

1.3.1 作物水分虧缺指數(shù)

作物水分虧缺指數(shù)（Crop Water Deficit Index，CWDI）是表征作物水分虧缺程度的指標(biāo)之一，以百分率表示，是常用的農(nóng)作物干旱診斷指標(biāo)之一。計(jì)算式為[16]

式中，CWDI為作物生育期按旬計(jì)算的累積水分虧缺指數(shù)，春小麥生育期為3月上旬-7月中旬（青海9月中旬），春玉米生育期為4月上旬-9月下旬，夏玉米生育期為5月下旬-9月下旬，各地具體生育期不同，詳見(jiàn)表1。CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別為某旬及其前4旬的水分虧缺指數(shù)；a、b、c、d和e分別為對(duì)應(yīng)旬的累積權(quán)重指數(shù)，一般a為0.3，b為0.25，c為0.2，d為0.15，e為0.1。其中，CWDIi的計(jì)算如下[16]

表1 西北部地區(qū)春小麥、春玉米和夏玉米生育期

注：按旬統(tǒng)計(jì)，3中指3月中旬。其它類同。

Note: The statistics are displayed by 10 days in each month. E- is the first ten-day of a month；M- is the middle ten-day of a month；L- is the last ten-day of a month.

式中，CWDIi為第i旬作物水分虧缺指數(shù)；ETc為第i旬作物需水量（mm）；Pi為第i旬降水量（mm）。其中作物需水量由可能蒸散量（ET0）與作物系數(shù)（Kc）相乘而得，即[12]

ETC=KC×ET0（3）

式中，ET0（mm?d-1）采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算[17]，涉及氣象資料包括日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、平均氣壓、平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫；作物系數(shù)（Kc）采用FAO推薦標(biāo)準(zhǔn)條件下，玉米、小麥發(fā)育初期、中期和后期的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)[17]。其各發(fā)育階段的Kc值見(jiàn)表2。

表2 玉米和春小麥的標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)

利用氣象資料以及田間數(shù)據(jù)對(duì)玉米生育中期和后期的作物系數(shù)進(jìn)行訂正，即[17]

式中，Kc(Tab)為該生育期標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)；u2為2m高度處日平均風(fēng)速；RHmin為日最低相對(duì)濕度平均值；h為作物平均高度，h取值以作物最大高度為準(zhǔn)，根據(jù)FAO推薦標(biāo)準(zhǔn)確定春小麥和玉米的高度。

1.3.2 干旱發(fā)生頻率計(jì)算

根據(jù)不同作物水分虧缺指數(shù)干旱等級(jí)劃分，作物各生育階段只要發(fā)生輕旱及以上強(qiáng)度干旱即認(rèn)為發(fā)生干旱，有生育階段發(fā)生干旱即算該年作物發(fā)生干旱，干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。根據(jù)干旱等級(jí)，計(jì)算不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率，即某一站點(diǎn)某一階段干旱發(fā)生的總次數(shù)與統(tǒng)計(jì)資料的總年數(shù)之比，即

式中，n為統(tǒng)計(jì)資料的總年數(shù)，Ni為n年中該生育階段出現(xiàn)某級(jí)干旱的次數(shù)。如果發(fā)生輕旱，則為輕旱頻率，發(fā)生中旱則為中旱頻率，依次類推。

表3 基于作物水分虧缺指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)（%）

1.3.3 氣候傾向率計(jì)算

利用一元線性回歸方程斜率的10倍表示氣候要素的變化傾向率。

1.3.4 結(jié)果表達(dá)

采用ArcGIS10.0軟件的IDW（inverse distance weighted interpolation）插值方法對(duì)各站點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行空間差值，設(shè)定Cell size的參數(shù)均為0.02，生產(chǎn)空間柵格數(shù)據(jù)，并對(duì)要素值進(jìn)行分類，得到相應(yīng)的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要作物生育期干旱發(fā)生頻率的空間分布

2.1.1 整個(gè)生長(zhǎng)季

由圖2可見(jiàn)，3種作物生長(zhǎng)季內(nèi)不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率大小表現(xiàn)為特旱＞重旱＞中旱＞輕旱。特旱主要集中在南疆地區(qū)、甘肅北部和內(nèi)蒙古西部，發(fā)生頻率＞66.7%（三年兩遇）；北疆地區(qū)特旱發(fā)生頻率相對(duì)較低，在33.3%～66.7%，其中春小麥生長(zhǎng)季呈零星分布，而春玉米和夏玉米生長(zhǎng)季在北疆大部分地區(qū)有特旱發(fā)生；在陜西、甘肅南部3種作物生長(zhǎng)季幾乎無(wú)特旱發(fā)生。

由圖2a3、b3、c3可見(jiàn)，3種作物生長(zhǎng)季內(nèi)重旱發(fā)生頻率在西部地區(qū)的空間分布與特旱類似，而在東部地區(qū)則略有差異。其中春小麥重旱發(fā)生頻率高值區(qū)（＞33.3%）集中在北疆、陜西和內(nèi)蒙古交界的地區(qū)，春玉米則集中在北疆、河西走廊、寧夏北部和內(nèi)蒙古地區(qū)東部，夏玉米集中在北疆、阿拉善盟東部和巴彥淖爾西部。3種作物生長(zhǎng)季內(nèi)重旱發(fā)生頻率在20%以下的地區(qū)集中在南疆。而甘肅南部和陜西南部3種作物生長(zhǎng)季內(nèi)重旱發(fā)生頻率最低（＜5%）。

圖2a2、b2、c2可見(jiàn)，3種作物生長(zhǎng)季內(nèi)中旱發(fā)生頻率空間分布特征類似，中旱主要發(fā)生在北疆地區(qū)和西北地區(qū)東部。北疆地區(qū)春小麥中旱發(fā)生頻率＞33.3%，而春玉米和夏玉米相對(duì)較低，多數(shù)＜20%，在西北地區(qū)東部春小麥和春玉米中旱發(fā)生頻率的空間特征相似，夏玉米在甘肅南部和陜西南部幾乎不發(fā)生中旱，而在河西走廊、寧夏北部和伊克昭盟發(fā)生頻率＞33.3%。

圖2a1、b1、c1可見(jiàn)，3種作物生長(zhǎng)季內(nèi)輕旱主要發(fā)生在西北地區(qū)東部，其中春小麥輕旱發(fā)生頻率＞33.3%的地區(qū)在西北地區(qū)東南部（青海東部、甘肅南部和陜西南部），春玉米則主要在甘肅南部和陜西南部，夏玉米主要集中在陜西。

將西北地區(qū)各作物生長(zhǎng)季內(nèi)4個(gè)等級(jí)干旱發(fā)生頻率累加，即得到其干旱發(fā)生頻率（圖2 a5、b5、c5），結(jié)果表明，西北地區(qū)3種作物生長(zhǎng)季內(nèi)干旱發(fā)生頻率的空間分布呈現(xiàn)東南低，其它區(qū)域高的特征。干旱低發(fā)區(qū)分布在甘肅南部和陜西南部地區(qū)，發(fā)生頻率＜33.3%，干旱高發(fā)區(qū)分布在新疆、甘肅北部、內(nèi)蒙古地區(qū)、寧夏和陜西北部，發(fā)生頻率＞66.6%?？傮w來(lái)說(shuō)，春小麥、春玉米和夏玉米3種作物生長(zhǎng)季內(nèi)干旱發(fā)生頻繁，僅甘肅南部和陜西南部等地干旱發(fā)生頻率較低，干旱等級(jí)較低。特旱在甘肅南部和陜西南部幾乎不發(fā)生；而輕旱和中旱多發(fā)生在陜西南部和甘肅南部，發(fā)生頻率＞33.3%；重旱高值區(qū)主要集中在北疆和西北地區(qū)的東北部。

注：陰影線表示青海省不種玉米。下同

Note: Hatching shows no maize in Qinghai province. The same as below

2.1.2 播種-拔節(jié)期

由圖3可見(jiàn)，3種作物在播種-拔節(jié)期不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率大小表現(xiàn)為特旱＞重旱＞中旱＞輕旱。特旱主要集中在南疆地區(qū)、甘肅北部和內(nèi)蒙古地區(qū)西部，發(fā)生頻率高于66.7%（三年兩遇）；北疆地區(qū)發(fā)生特旱頻率較低（≤33.3%），夏玉米發(fā)生特旱高頻率地區(qū)相對(duì)其它兩種作物較小。在陜西、寧夏南部和甘肅南部無(wú)特旱發(fā)生。

由圖3a3、b3、c3可見(jiàn)，3種作物在播種-拔節(jié)期重旱主要發(fā)生在北疆地區(qū)、內(nèi)蒙古西部和甘肅中部、北部。其中春小麥和春玉米重旱發(fā)生頻率高值區(qū)（＞33.3%）在北疆、甘肅河西走廊和寧夏地區(qū)，夏玉米則集中在新疆北部、西部和內(nèi)蒙古巴彥淖爾盟和甘肅中北部。3種作物重旱發(fā)生頻率＜20%的地區(qū)在陜西和甘肅南部，春小麥和春玉米在南疆有較小地區(qū)發(fā)生頻率也＜20%。

由圖3a2、b2、c2可見(jiàn)，3種作物播種-拔節(jié)期中旱發(fā)生頻率的分布夏玉米與春小麥、春玉米有差異，春小麥和春玉米中旱主要分布在北疆、陜西、甘肅南部和寧夏，發(fā)生頻率在＞20%；夏玉米播種-拔節(jié)期中旱主要分布在新疆北部、甘肅中部、陜西北部和寧夏，發(fā)生頻率＞20%。

圖3a1、b1、c1可見(jiàn)，3種作物播種-拔節(jié)期內(nèi)輕旱主要發(fā)生在西北地區(qū)東部，其中春小麥、春玉米輕旱發(fā)生頻率＞20%的地區(qū)主要在甘肅南部和陜西南部，夏玉米輕旱發(fā)生頻率＞20%的地區(qū)分布在陜西和甘肅南部；在北疆地區(qū)3種作物發(fā)生輕旱頻率較低，在10%～20%。

總體來(lái)說(shuō)，春小麥、春玉米和夏玉米3種作物在播種-拔節(jié)期發(fā)生干旱頻繁，僅甘肅南部和陜西南部等較少地區(qū)發(fā)生干旱少，發(fā)生頻率較低（圖3a5、b5、c5）。其中特旱發(fā)生范圍廣、頻率高，但甘肅南部和陜西南部幾乎不發(fā)生特旱，北疆地區(qū)發(fā)生特旱頻率較低（＜20%）；而輕旱和中旱多發(fā)生在西北地區(qū)東部和北疆地區(qū)，輕旱發(fā)生頻率＜33.3%，中旱發(fā)生頻率則＞33.3%；重旱高值區(qū)主要發(fā)生在西北地區(qū)偏北部。

2.1.3 拔節(jié)-抽雄（抽穗）期

由圖4中同一作物不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率的空間分布可以看出，西北地區(qū)3種作物拔節(jié)-抽雄階段和小麥抽穗期發(fā)生特旱的范圍廣，頻率高（大部分地區(qū)頻率＞66.7%），重旱發(fā)生范圍大，夏玉米相對(duì)春小麥和春玉米發(fā)生重旱的范圍大。

由圖4a4、b4、c4可見(jiàn)，春玉米和夏玉米拔節(jié)-抽雄期、春小麥拔節(jié)-抽穗期特旱主要發(fā)生在新疆、甘肅北部和內(nèi)蒙古地區(qū)；春小麥特旱發(fā)生頻率高值區(qū)（＞66.7%）主要集中在南疆、甘肅北部、內(nèi)蒙古西部和青海西北部，而陜西和寧夏幾乎無(wú)特旱發(fā)生；春玉米和夏玉米特旱發(fā)生頻率高值區(qū)（＞66.7%）主要在南疆、甘肅北部和內(nèi)蒙古西部地區(qū)，在陜西南部和甘肅南部幾乎無(wú)特旱發(fā)生。

由圖4a3、b3、c3可見(jiàn)，春小麥拔節(jié)-抽穗期和春玉米、夏玉米拔節(jié)-抽雄期重旱主要分布在北疆、甘肅中部和內(nèi)蒙古地區(qū)。其中春小麥重旱發(fā)生頻率高值區(qū)（＞33.3%）在北疆地區(qū)，春玉米和夏玉米高值區(qū)（＞33.3%）集中在新疆北部和甘肅中部。3種作物重旱發(fā)生頻率＜20%的地區(qū)在南疆的局部地區(qū)。

由圖4a2、b2、c2可見(jiàn)，春小麥拔節(jié)-抽穗期，春玉米和夏玉米在拔節(jié)-抽雄期中旱分布在北疆、甘肅南部、陜西南部和寧夏，發(fā)生頻率＞20%；夏玉米中旱在南疆西部也有分布，發(fā)生頻率＞20%。

由圖4a1、b1、c1可見(jiàn)，春小麥拔節(jié)-抽穗期，春玉米和夏玉米拔節(jié)-抽雄期輕旱主要發(fā)生在陜西、甘肅南部和寧夏，其中春小麥、春玉米輕旱發(fā)生頻率＞33.3%的地區(qū)主要在甘肅南部和陜西南部，夏玉米輕旱發(fā)生頻率＞33.3%的地區(qū)分布在陜西、甘肅南部和寧夏；在北疆地區(qū)3種作物發(fā)生輕旱頻率較?。?20%）。

總體來(lái)說(shuō)，春小麥、春玉米和夏玉米3種作物在拔節(jié)-抽雄期干旱發(fā)生頻繁，僅甘肅南部和陜西南部等較少地區(qū)發(fā)生干旱少，發(fā)生頻率較低（圖4a5、b5、c5）。其中特旱發(fā)生的范圍廣、頻率高，但在甘肅南部和陜西南部幾乎不發(fā)生特旱；而輕旱和中旱多發(fā)生在西北地區(qū)東部和北疆地區(qū)，發(fā)生頻率＜33.3%；重旱高發(fā)區(qū)集中在北疆地區(qū)和西北地區(qū)東北部，發(fā)生頻率＞33.3%。

2.1.4 抽雄（抽穗）-成熟期

圖5為北方地區(qū)春小麥、春玉米和夏玉米抽雄（抽穗）-成熟期4種等級(jí)干旱發(fā)生頻率的空間分布，由圖可見(jiàn)，該生育階段，全區(qū)總體表現(xiàn)為特旱＞重旱＞中旱＞輕旱。3種作物發(fā)生特旱的范圍大、頻率高（＞66.7%），主要在新疆、甘肅北部和內(nèi)蒙古地區(qū)西部，其它干旱等級(jí)發(fā)生頻率相對(duì)較低。甘肅南部和陜西南部主要以輕旱和中旱為主，頻率多＜33.3%，干旱程度相對(duì)較低。

由圖5a3、b3、c3可見(jiàn)，春小麥抽穗-成熟期和春玉米、夏玉米在抽雄-成熟期重旱主要發(fā)生在甘肅中部、寧夏和內(nèi)蒙古地區(qū)，新疆北部也有中旱發(fā)生，但僅局部站點(diǎn)發(fā)生頻率＞20%。

由圖5a2、b2、c2可見(jiàn)，春小麥在抽穗-成熟期，春玉米和夏玉米在抽雄-成熟期中旱發(fā)生在陜西、寧夏和甘肅南部，發(fā)生頻率＞20%，新疆少數(shù)站點(diǎn)中旱發(fā)生頻率＞20%。

由圖5a1、b1、c1可見(jiàn)，春小麥抽穗-成熟期輕旱主要發(fā)生在陜西、甘肅南部和青海東部，發(fā)生頻率＞20%，其它地區(qū)幾乎無(wú)輕旱發(fā)生；春玉米和夏玉米抽雄-成熟期輕旱主要發(fā)生在陜西、甘肅南部和寧夏，其中春玉米輕旱發(fā)生頻率＞33.3%的地區(qū)主要在陜西中部和北部，夏玉米則無(wú)輕旱發(fā)生頻率＞33.3%的地區(qū)。

總體來(lái)說(shuō)，春小麥、春玉米和夏玉米3種作物在抽雄（抽穗）-成熟期干旱發(fā)生頻繁，僅甘肅南部和陜西南部等較少地區(qū)發(fā)生干旱少，發(fā)生頻率較低（圖5 a5、b5、c5）。其中特旱發(fā)生的范圍廣、頻率高，但在甘肅南部和陜西南部幾乎不發(fā)生特旱，而輕旱和中旱多發(fā)生在西北地區(qū)東部，發(fā)生頻率＜33.3%，重旱高發(fā)區(qū)集中在西北地區(qū)東北部，發(fā)生頻率在＞33.3%。

2.2 主要作物生育期干旱發(fā)生范圍和強(qiáng)度的變化趨勢(shì)

2.2.1 干旱站次比

計(jì)算歷年各作物每一生育階段水分虧缺指數(shù)（CWDI）值，并依據(jù)干旱分級(jí)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)干旱發(fā)生的臺(tái)站數(shù)，計(jì)算干旱站次比，并分析其變化趨勢(shì)，結(jié)果見(jiàn)表4和圖6。結(jié)合圖和表可以看出，近50a，作物生長(zhǎng)季內(nèi)干旱發(fā)生范圍由大至小依次為春玉米、春小麥、夏玉米，其中春玉米干旱發(fā)生站次比＞80%，春小麥和夏玉米干旱發(fā)生站次比＜80%；3種作物播種-拔節(jié)期干旱發(fā)生站次比相對(duì)較低，春玉米3個(gè)生育階段的干旱站次比均＞80%，夏玉米僅在完熟期干旱站次比＞80%，春小麥則在各生育階段均＜80%。

表4 1961-2010年西北地區(qū)春小麥、春玉米和夏玉米各生育階段干旱發(fā)生站次比平均值及變化趨勢(shì)

注：*、**分別表示相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.05、0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。下同。

Note:*is P<0.05，**is P<0.01. The same as below.

從作物整個(gè)生長(zhǎng)季尺度干旱發(fā)生特征來(lái)看，春小麥生長(zhǎng)季內(nèi)干旱發(fā)生站次比呈減少趨勢(shì)，減幅為每10a減少0.55個(gè)百分點(diǎn)。而春玉米和夏玉米生長(zhǎng)季內(nèi)干旱站次比均呈增加趨勢(shì)，減幅分別為每10a增加0.24和0.20個(gè)百分點(diǎn)。進(jìn)一步分析作物各生育階段干旱發(fā)生特征可以看出，春小麥各生育階段干旱站次比均呈減少趨勢(shì)，春玉米各生育階段干旱站次比均呈增加趨勢(shì)，夏玉米出苗-拔節(jié)階段呈增加趨勢(shì)，而拔節(jié)-抽雄和抽雄-成熟階段呈減少趨勢(shì)。

分析干旱發(fā)生站次比年代際變化可以看出，全生長(zhǎng)季或各生育階段夏玉米的年代際平均干旱站次比多數(shù)＜80%，春玉米則大多＞80%，春小麥則在80%上下波動(dòng)。3種作物干旱發(fā)生站次比具有明顯的年際和年代際變化特征。比較全生長(zhǎng)季干旱站次比發(fā)現(xiàn)，夏玉米的干旱站次比波動(dòng)較小而穩(wěn)定，春小麥和春玉米則變化較大。在播種-拔節(jié)階段，春小麥的干旱站次比在年代際間呈變小的趨勢(shì)，春玉米則呈增加趨勢(shì)；夏玉米在前30a呈減小趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代后增加，趨于平穩(wěn)。在拔節(jié)-抽雄階段，春小麥的干旱站次比隨年際變化有明顯的波動(dòng)，且80年代則呈極顯著降低，春玉米和夏玉米的波動(dòng)相對(duì)偏小，在80年代也具有突然減小的變化，年代際間的變化較平穩(wěn)。在抽雄-成熟階段，春小麥年際間的波動(dòng)相對(duì)春玉米和夏玉米偏小。

2.2.2 干旱強(qiáng)度

圖7為研究期內(nèi)西北地區(qū)春小麥、春玉米和夏玉米各生育階段及全生長(zhǎng)季內(nèi)干旱強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。由圖可以看出，研究期間，在西北地區(qū)東部春小麥和春玉米各生育階段干旱強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，而西部地區(qū)干旱強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。其中寧夏和陜西北部地區(qū)春玉米干旱強(qiáng)度增加趨勢(shì)相對(duì)較大，其增幅為0.04～0.06·10a-1；夏玉米干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)與春小麥和春玉米則不同，在陜西北部、寧夏和甘肅河西走廊地區(qū)干旱強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，而其它地區(qū)多數(shù)呈降低趨勢(shì)。從各生育階段干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)來(lái)看，其變化趨勢(shì)與整個(gè)生長(zhǎng)季變化基本類似。

3 結(jié)論與討論

本文基于1961-2010年氣候資料、作物資料，采用作物水分虧缺指數(shù)干旱指標(biāo)，分析了西北地區(qū)春小麥、春玉米和夏玉米生長(zhǎng)季內(nèi)和各生育階段干旱頻率、干旱站次比時(shí)間演變趨勢(shì)和空間分布特征，研究結(jié)果表明，在空間分布上，3種作物生長(zhǎng)季內(nèi)及各生育階段，干旱發(fā)生頻繁，僅甘肅南部和陜西南部等較少地區(qū)發(fā)生干旱較少，干旱等級(jí)較低。其中特旱發(fā)生范圍廣、頻率高，但在甘肅南部和陜西南部幾乎不發(fā)生特旱，重旱高值區(qū)主要集中在北疆和西北地區(qū)東北部，輕旱和中旱多發(fā)生在西北的東部地區(qū)。

在時(shí)間變化上，對(duì)比3種作物干旱站次比的變化趨勢(shì)可以看出，在全生長(zhǎng)季內(nèi)春玉米干旱發(fā)生站次比＞80%，春小麥和夏玉米干旱發(fā)生站次比則＜80%；春小麥生長(zhǎng)季內(nèi)干旱發(fā)生站次比呈減小趨勢(shì)，減幅為每十年減少0.55個(gè)百分點(diǎn)，春玉米和夏玉米干旱站次比呈增加趨勢(shì)，增幅分別為每十年增加0.24和0.20個(gè)百分點(diǎn)。比較全生長(zhǎng)季內(nèi)的站次比變化發(fā)現(xiàn)，夏玉米的站次比波動(dòng)較小且穩(wěn)定，春小麥和春玉米的波動(dòng)較大。由干旱強(qiáng)度的變化趨勢(shì)可以看出，在西北地區(qū)東部春小麥和春玉米各生育階段干旱強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，而西部地區(qū)呈下降趨勢(shì)；夏玉米的干旱強(qiáng)度變化趨勢(shì)則不同，在陜西北部、寧夏和河西走廊地區(qū)干旱強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，而其它地區(qū)多數(shù)呈降低趨勢(shì)。

過(guò)去50a，中國(guó)西北地區(qū)西部其西部區(qū)域3種作物干旱強(qiáng)度均呈減弱趨勢(shì)，但其干旱強(qiáng)度和發(fā)生頻率仍較高，東部區(qū)域近年來(lái)干旱強(qiáng)度和發(fā)生頻率均呈增大趨勢(shì)，可見(jiàn)干旱仍然是當(dāng)?shù)刈魑锷a(chǎn)限制因素，在生產(chǎn)實(shí)際中需加強(qiáng)研究區(qū)域內(nèi)干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警，研發(fā)應(yīng)急防旱避災(zāi)技術(shù)措施[18-20]。由于條件限制，本研究仍存在不足，如采用作物水分虧缺指數(shù)作為干旱指標(biāo)，并依據(jù)董朝陽(yáng)等[10]作物干旱等級(jí)劃分研究結(jié)果，劃分了3種作物的干旱等級(jí)，由于條件所限，未考慮不同作物在同一缺水條件下干旱程度可能存在的差異，亦未考慮同一作物的作物系數(shù)（Kc）在不同區(qū)域之間差異。由于缺乏逐年的生育期數(shù)據(jù)，本研究中生育期劃分采用多年平均值，未考慮氣候變化背景下各作物生育期的變化。

除小麥和玉米外，研究區(qū)域內(nèi)棉花、馬鈴薯、雜糧等作物以及優(yōu)質(zhì)水果仍有較大的種植比例，未來(lái)研究將增加各種作物不同生育階段干旱特征和干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上，提出防旱避災(zāi)作物布局。

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Temporal and Spatial Variations of Agro-meteorological Disasters of Main Crops in China in a Changing Climate (Ⅱ):Drought of Cereal Crops in Northwest China

HE Bin, LIU Zhi-juan, YANG Xiao-guang, SUN Shuang

(College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193,China)

Based on the 1961-2010 daily meteorological data from 149 meteorological stations in northwest China and the growth period data of spring wheat, spring maize and summer maize, the spatial distribution and time evolution characteristic of drought for the three crops were cleared by using the crop water deficit index (CWDI). The results showed that (1) the occurrence of drought was frequent for the three crops during the whole growing seasons and each growth period in the study region. Specially, extreme drought and severe drought occurred with a wide range and high frequency, while light drought and moderate drought tended to occur in the eastern parts of the study region such as the southern area of Gansu and Shaanxi Province where the drought occurred less frequently and the level was lower. (2) The ratios of drought occurring stations for spring wheat, spring maize and summer maize during the whole growing period were 79.1%, 84.5% and 77.4%, respectively; the variation in the ratio of drought occurring stations for summer maize was relatively steady but the ratios of drought occurring stations for spring wheat and summer maize both showed a high fluctuation. Overall, the ratio of drought occurring stations for spring wheat during the whole growing season exhibited a declining trend, with a rate of -0.55 percent points per decade. However, the ratio of drought occurring stations for spring maize and summer maize during the growing season showed an increasing trend, with the rates of 0.24 percent points per decade and 0.20 percent points per decade, respectively. (3) The drought strength for spring wheat and summer maize in the eastern parts of the study region showed an increasing trend while a declining trend was detected in the west. The drought strength for summer maize in northern Shaanxi Province, Ningxia Autonomous Region and Hexi Corridor experienced an increasing trend, however other regions showed a decreasing trend.

Crop water deficit index; Occurring stations ratio; Drought intensity

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.01.004

2016-05-16

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAD20B04）

何斌（1992-），碩士生，研究方向?yàn)闅夂蜃兓c農(nóng)業(yè)氣候資源。E-mail：onormalp@gmail.com

**通訊作者。E-mail：yangxg@cau.edu.cn