淮河流域冬小麥主要生育期旱澇時(shí)空特征及對產(chǎn)量的影響

高 超，尹周祥，許 瑩

?

淮河流域冬小麥主要生育期旱澇時(shí)空特征及對產(chǎn)量的影響

高 超1，尹周祥2，許 瑩3

（1. 寧波大學(xué)地理與空間信息技術(shù)系，寧波 315211；2. 安徽師范大學(xué)國土資源與旅游學(xué)院，蕪湖 241000； 3.安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心，合肥 230031）

旱澇災(zāi)害在淮河流域發(fā)生頻繁，對農(nóng)作物產(chǎn)量影響較大。該文基于淮河流域1961－2014年140個(gè)氣象站逐日降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（standardized precipitation index，SPI）和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI）定量分析冬小麥各生育期氣候特征，結(jié)合1961－2012年20個(gè)站點(diǎn)冬小麥單產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)量殘差（standardized yield residuals，SYR），探討冬小麥主要生育期旱澇災(zāi)害對其產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：1）冬小麥各生育期氣溫均呈顯著上升趨勢（<0.05），氣溫呈南高北低、西高東低的格局，東部趨勢高于西部且返青抽穗期大部分站點(diǎn)趨勢值最高，而降水量沿緯度變化與氣溫一致，其變化趨勢在冬小麥各生育期差異明顯。2）冬小麥返青抽穗期干旱增加趨勢最大（<0.05），旱澇災(zāi)害在全生育期、返青抽穗期和灌漿成熟期主要受氣溫影響，在冬前生長期和越冬期主要受降水量影響，同時(shí)冬小麥各生育期SPEI干旱化趨勢大于SPI。3）除冬前生長期外，SYR與SPI和SPEI均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，以返青抽穗期相關(guān)性最高，在返青抽穗期達(dá)到中度干旱或中度濕潤時(shí)產(chǎn)量減少。該研究嘗試明晰淮河流域發(fā)生在冬小麥生育期的旱澇災(zāi)害對其產(chǎn)量的影響，為冬小麥生育期防災(zāi)減災(zāi)提供基礎(chǔ)支撐。

農(nóng)作物；降水；氣候變化；冬小麥產(chǎn)量；SPEI；標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)量殘差；旱澇災(zāi)害；淮河流域

0 引 言

旱澇災(zāi)害是全球普遍存在的自然災(zāi)害，受氣候變化影響巨大，對農(nóng)作物產(chǎn)量有較大的影響。政府間氣候變化專門委員會(huì)第五次評估報(bào)告（IPCC AR5）第一工作組指出，全球變暖使極端干旱和降水事件越來越頻繁[1]，同時(shí)IPCC AR5第二工作組的《氣候變化2014：影響、適應(yīng)和脆弱性》報(bào)告認(rèn)為：氣候變化對糧食產(chǎn)量有顯著的不利影響[2]。

中國由于地形與氣候變化復(fù)雜，旱澇災(zāi)害頻發(fā)[3]，其中各大流域旱澇災(zāi)害尤為突出[4-6]，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響巨大。農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害研究受廣泛關(guān)注，主要表現(xiàn)在：1）圍繞農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害時(shí)空演變特征[7]、農(nóng)作物水分盈虧[8]和農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害氣候閾值[9]等內(nèi)容進(jìn)行研究；2）運(yùn)用降水距平百分率[10]、Z指數(shù)[11]、帕爾默干旱指數(shù)[12]、水分盈虧指標(biāo)[13]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（standardized precipitation index，SPI）[14]和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI）[15]等指標(biāo)來表征農(nóng)業(yè)旱澇狀況；3）采用滑動(dòng)平均[16]、logistic函數(shù)[17]、多項(xiàng)式回歸[18]等方法模擬農(nóng)作物趨勢產(chǎn)量。

氣溫和降水是氣候的主要因素，也是旱澇的直接表征量[19]，考慮降水的SPI能夠很好的指示旱澇災(zāi)害[20]，在SPI基礎(chǔ)上增加考慮氣溫的SPEI亦能很好指示旱澇災(zāi)害[21]。此前大部分研究是應(yīng)用SPI或SPEI對氣象干旱進(jìn)行研究，而如何與農(nóng)業(yè)旱澇更好的結(jié)合是一個(gè)重要方向。同時(shí)淮河流域歷來旱澇災(zāi)害多發(fā)[22]，是農(nóng)作物旱澇災(zāi)害的典型區(qū)域[23]，利用SPI和SPEI來探討淮河流域冬小麥產(chǎn)量受主要生育期旱澇災(zāi)害影響的研究尚少。故本文選取淮河流域1961－2014年140個(gè)氣象站逐日降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合1961－2012年20個(gè)站點(diǎn)冬小麥單產(chǎn)數(shù)據(jù)，以SPI和SPEI為旱澇災(zāi)害評判指標(biāo)，對淮河流域冬小麥各生育期氣候特征和旱澇時(shí)空演變特征進(jìn)行分析，以標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)量殘差（standardized yield residuals，SYR）為產(chǎn)量災(zāi)損指標(biāo)，探討冬小麥主要生育期旱澇災(zāi)害對其產(chǎn)量的影響，以期為淮河流域冬小麥生育期防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河流域地處中國東部，位于111°55′～121°25′E，30°55′～36°36′N，流域面積約為27×104km2，主要包括河南省東部、安徽省北部、江蘇省北部和山東省南部地區(qū)（圖1）?；春恿饔?yàn)橹袊媳睔夂蜻^渡帶，氣候溫和，1961－2014年多年平均氣溫為12.3～16.0 ℃，氣溫變化由北向南、由沿海向內(nèi)陸遞增。年均降水量約為859.4 mm，多年平均降水量空間變幅為574.7～1 407.5 mm，其分布狀況大致是由南向北遞減。同時(shí)，淮河流域是中國重要的冬小麥生產(chǎn)基地，其播種面積和總產(chǎn)量均居全國各流域之首[24]，受特殊地理位置、氣候狀況和下墊面條件的影響，農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害頻繁[25]，1949－2015年間共發(fā)生大洪水和大旱災(zāi)害20余次。

圖1 研究區(qū)及氣象站分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

1961－2014年淮河流域140個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日氣溫及逐日降水量數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心；1961－2012年淮河流域20個(gè)站點(diǎn)的冬小麥逐年單產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司網(wǎng)站（www.zzys.moa.gov.cn）。

1.3 冬小麥生育期的確定

由于淮河流域自然地理、氣候條件等的復(fù)雜性，研究區(qū)內(nèi)冬小麥不具有統(tǒng)一的生育期。為便于整體研究淮河流域冬小麥?zhǔn)芎禎碁?zāi)害的影響，本文在許瑩等[26]劃分的4個(gè)冬小麥亞區(qū)基礎(chǔ)上，考慮SPI和SPEI月尺度時(shí)間特征來統(tǒng)一劃分淮河流域冬小麥生育階段，并對統(tǒng)一后的淮河流域整體與統(tǒng)一前的4個(gè)冬小麥亞區(qū)氣候特征進(jìn)行時(shí)空相關(guān)性分析（大部分站點(diǎn)相關(guān)性均在0.8以上）。在此基礎(chǔ)上確定冬小麥全生育期為10月－次年5月，其中各生育階段劃分為冬前生長期（10月－11月）、越冬期（12月－次年1月）、返青抽穗期（2月－4月）和灌漿成熟期（5月）。

1.4 研究方法

1.4.1 氣候傾向率

利用一元線性回歸計(jì)算淮河流域氣溫和降水量的氣候傾向率[27]，對淮河流域氣候特征進(jìn)行分析。一元線性回歸方程計(jì)算公式為

式中表示樣本量為的某一氣候要素；表示與對應(yīng)的年序；為回歸系數(shù)，以的10倍（即10）作為氣候要素的氣候傾向率[27]。

1.4.2 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)

采用Mann-Kendall（MK）趨勢檢驗(yàn)方法對淮河流域140個(gè)氣象站點(diǎn)1961－2014年冬小麥不同生育期氣溫和降水量序列及平均SPI和SPEI的干旱趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)對各氣象站點(diǎn)SPI及SPEI序列干旱趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)。MK趨勢檢驗(yàn)是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，計(jì)算簡單，是目前比較常用的趨勢診斷方法，計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[27]，其中MK統(tǒng)計(jì)變量的絕對值為3.29、2.58、1.96和1.645時(shí)，分別通過0.001、0.01、0.05、0.1的顯著性水平檢驗(yàn)。

1.4.3 干旱指數(shù)

SPI是考慮降水量的旱澇指標(biāo)，具有多時(shí)間尺度的特征，反映了不同時(shí)間尺度和地區(qū)的旱澇狀況以及干旱的年際變化[14]。SPEI是對SPI的補(bǔ)充，在降水量的基礎(chǔ)上增加了蒸散的影響，同時(shí)具備SPI計(jì)算簡便的特征[15]。2種干旱指數(shù)SPI和SPEI計(jì)算步驟分別參見文獻(xiàn)[14]和[15]，其取值范圍與旱澇等級(jí)采用同一標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。依據(jù)本研究對冬小麥生育期的確定，利用月總降水量數(shù)據(jù)計(jì)算各氣象站點(diǎn)的SPI值，月均氣溫?cái)?shù)據(jù)和月總降水量數(shù)據(jù)計(jì)算SPEI值。

表1 旱澇等級(jí)和產(chǎn)量等級(jí)

1.4.4 標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)量殘差

冬小麥生育期時(shí)間跨度長，其產(chǎn)量不僅與旱澇災(zāi)害有關(guān)，同時(shí)也受到自然因素和人為因素的影響，如新的管理方式和技術(shù)、隨機(jī)誤差等。農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)可以通過產(chǎn)量殘差來表示[28]，其計(jì)算公式為

1）收集資料。主要包括區(qū)域地質(zhì)、地形地貌、區(qū)域水文地質(zhì)、供水水文地質(zhì)勘察、水井設(shè)計(jì)、竣工報(bào)告、鑿井施工記錄、抽水試驗(yàn)、水質(zhì)化驗(yàn)等資料。通過查看資料，了解廢棄污染水井所在的區(qū)域地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌條件、交通位置及交通條件、地下水類型、地下水補(bǔ)徑排條件、水井揭穿的地層、巖性、從井口到井底揭穿的所有地層單元、每個(gè)地層的巖性、厚度、底板深度、底板高程等，同時(shí)了解哪些巖層是可能的含水層，哪些巖層是相對穩(wěn)定的隔水層，并對其準(zhǔn)確位置及水井結(jié)構(gòu)、工況進(jìn)行調(diào)查。

式中y表示產(chǎn)量殘差，表示實(shí)際產(chǎn)量，y表示趨勢產(chǎn)量。趨勢產(chǎn)量通常以統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行模擬，本文采用多項(xiàng)式回歸分析方法模擬冬小麥趨勢產(chǎn)量。

為了比較不同站點(diǎn)的冬小麥產(chǎn)量變化和探討氣候變化對冬小麥產(chǎn)量的影響，本文對產(chǎn)量殘差進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)以SYR表示冬小麥產(chǎn)量的增加與減少，其取值范圍和等級(jí)參照文獻(xiàn)[29]，如表1所示。SYR計(jì)算公式如下

式中y表示產(chǎn)量殘差，表示產(chǎn)量殘差均值，表示產(chǎn)量殘差的標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱澇驅(qū)動(dòng)因素特征

淮河流域冬小麥各生育期年均氣溫和年降水量為各氣象站點(diǎn)年值的平均值，其變化趨勢如表2所示。

表2 淮河流域冬小麥生育期氣溫及降水量變化趨勢

Note：<0.05(*),<0.01(**),<0.001(***).

1961－2014年淮河流域冬小麥全生育期多年平均氣溫為9.3 ℃，增溫幅度為0.32 ℃/10a；多年平均降水量為309.7 mm，變化幅度為?5.9 mm/10a。說明淮河流域冬小麥全生育期氣溫有所升高而降水有所減少，且氣溫升高趨勢通過了99%的置信度檢驗(yàn)。對研究區(qū)冬小麥各生育階段分析，氣溫上升幅度大小依次為返青抽穗期>冬前生長期=越冬期>灌漿成熟期，且各生育期分別通過99.9%、99%和95%的置信度檢驗(yàn)；降水量在冬前生長期和返青抽穗期呈下降趨勢，變化幅度返青抽穗期高于冬前生長期，而越冬期和灌漿成熟期降水量呈增加趨勢，灌漿成熟期變化幅度小于越冬期，且研究區(qū)冬小麥各生育期降水量變化均沒有達(dá)到顯著性水平。

采用普通克里金插值方法對淮河流域54 a來冬小麥各生育期氣溫和降水量進(jìn)行空間分析，同時(shí)對各氣象站點(diǎn)氣溫及降水量的MK趨勢變化進(jìn)行探索（圖2）。由圖2可知，1961－2014年冬小麥各生育期氣溫變化趨勢除越冬期和灌漿成熟期少數(shù)站點(diǎn)有下降變化外，其余生育期所有站點(diǎn)均呈上升趨勢，同時(shí)淮河流域東部地區(qū)變化趨勢相對而言要高于西部地區(qū)，其中河南省趨勢變化在冬小麥各生育期均低于其他3省。

對于降水量趨勢變化而言，各生育期空間差異明顯，研究區(qū)冬小麥全生育期北部呈現(xiàn)上升趨勢，南部為下降趨勢，而在越冬期趨勢變化正好相反；在冬前生長期和返青抽穗期降水量大部分站點(diǎn)呈下降趨勢，且在江蘇省均有少部分站點(diǎn)呈現(xiàn)上升趨勢，不同的是冬前生長期在安徽省有部分站點(diǎn)呈現(xiàn)上升趨勢；在灌漿成熟期大部分站點(diǎn)呈上升趨勢，河南省、安徽省和江蘇省均有少部分站點(diǎn)呈下降趨勢。

圖2 淮河流域冬小麥生育期54 a平均氣溫、降水量空間分布及其Mann-Kendall (MK)趨勢變化（1961－2014）

2.2 旱澇時(shí)空變化特征

圖3a為淮河流域1961－2014年冬小麥各生育期SPI和SPEI平均MK趨勢值。依據(jù)表1，冬小麥在全生育期2種干旱指數(shù)均表現(xiàn)為干旱趨勢，以冬小麥全生育期為例（圖3b），SPI和SPEI在1999年開始趨于干旱。在冬前生長期和返青抽穗期均呈下降趨勢，即干旱化，其干旱程度返青抽穗期大于冬前生長期；在越冬期和灌漿成熟期均呈上升趨勢，即濕潤化，其濕潤程度灌漿成熟期大于越冬期。冬小麥各生育期SPI的MK值均大于SPEI，說明SPEI表征的干旱化趨勢大于SPI，即MK值為正時(shí)SPI濕潤化程度高于SPEI，相反則SPEI干旱化程度高于SPI，同時(shí)冬小麥全生育期和返青抽穗期SPEI干旱趨勢分別通過90%和95%的置信度檢驗(yàn)。SPI與SPEI均能反映冬小麥各生育期的旱澇狀況，在SPI與SPEI考慮的不同氣候因素基礎(chǔ)上，以下將通過淮河流域冬小麥各生育期2種干旱指數(shù)趨勢值在空間上的分布來進(jìn)一步探討冬小麥各生育期的主導(dǎo)氣候因素。

圖3 淮河流域冬小麥生育期旱澇趨勢變化（1961-2014年）

采用普通克里金插值方法對淮河流域54 a來冬小麥各生育期2種干旱指數(shù)MK趨勢變化進(jìn)行空間分析（圖4）可知，淮河流域冬小麥各生育期趨勢空間變化存在明顯差異，全生育期和冬前生長期在研究區(qū)西部地區(qū)（主要在河南省）呈現(xiàn)顯著干旱增加趨勢，越冬期在研究區(qū)南部地區(qū)（主要在淮河流域內(nèi)安徽省和江蘇省的南部地區(qū)）呈現(xiàn)顯著濕潤增加趨勢，返青抽穗期在研究區(qū)內(nèi)河南省北部和山東省東部地區(qū)呈現(xiàn)顯著干旱增加趨勢，而灌漿成熟期在研究區(qū)北部地區(qū)少數(shù)站點(diǎn)呈現(xiàn)顯著濕潤增加趨勢。除了SPEI表征的冬小麥全生育期和返青抽穗期以外，SPI表征的5個(gè)生育階段和SPEI表征的其他3個(gè)生育階段大部分站點(diǎn)的MK趨勢檢驗(yàn)均未通過顯著性水平檢驗(yàn)，同時(shí)，冬小麥各生育期SPEI的MK值基本上都比SPI的MK值小，因此考慮氣溫的SPEI對淮河流域冬小麥各生育期的旱澇狀況進(jìn)行檢驗(yàn)，具有更加明顯的干旱增加趨勢。

由圖4可知，淮河流域冬小麥全生育期、返青抽穗期和灌漿成熟期SPI和SPEI的干濕趨勢空間分布差異顯著，SPEI反映的干旱增加趨勢比SPI反映的更加顯著，且全生育期和返青抽穗期在研究區(qū)大部分站點(diǎn)MK趨勢均通過顯著性水平檢驗(yàn)，而在冬小麥冬前生長期和越冬期，SPI和SPEI反映的變化趨勢空間分布差異不大。因此說明研究區(qū)冬小麥全生育期、返青抽穗期和灌漿成熟期旱澇狀況受到氣溫變化的影響更為明顯，而在冬小麥冬前生長期和越冬期的旱澇狀況主要由降水量決定。

圖4 淮河流域冬小麥生育期旱澇空間分布及變化趨勢

2.3 旱澇對冬小麥產(chǎn)量的影響

冬小麥產(chǎn)量受氣候影響顯著，分析冬小麥產(chǎn)量與不同生育期氣候特征之間的關(guān)系意義重大。采用二次多項(xiàng)式方法模擬冬小麥趨勢產(chǎn)量，其20個(gè)站點(diǎn)單產(chǎn)數(shù)據(jù)平均擬合優(yōu)度為0.91，最高為長葛0.98，最低為尉氏0.84，且70%的站點(diǎn)趨勢產(chǎn)量模擬的擬合優(yōu)度達(dá)到0.9以上。同時(shí)對20個(gè)站點(diǎn)的SYR進(jìn)行計(jì)算，并利用Pearson相關(guān)性計(jì)算SYR與其對應(yīng)站點(diǎn)的SPI和SPEI值之間的相關(guān)性（表3）?？傮w上看，冬小麥越冬期和返青抽穗期超過一半的站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)，但是返青抽穗期通過顯著性水平要高于越冬期，另外冬小麥全生育期、冬前生長期和灌漿成熟期通過顯著性檢驗(yàn)站點(diǎn)少于一半，其通過站點(diǎn)數(shù)量大小依次為全生育期>灌漿成熟期>冬前生長期。綜上所述，淮河流域1961－2012年冬小麥返青抽穗期的旱澇程度與SYR之間的相關(guān)性程度最高。

表3 淮河流域SYR與冬小麥生育期SPI和SPEI之間的相關(guān)性

Note：<0.1(*),<0.05(**),<0.01(***),<0.001(****).

同時(shí)考慮返青抽穗期的氣溫上升和降水量減少的變化幅度均最大（表2）的情況，認(rèn)為返青抽穗期的旱澇對冬小麥產(chǎn)量影響最大，因此有必要對冬小麥返青抽穗期的SPI和SPEI與SYR進(jìn)行回歸分析，以期定量分析旱澇對冬小麥產(chǎn)量的影響。按照表1等級(jí)劃分，挑選出返青抽穗期主要由旱澇影響冬小麥產(chǎn)量的年份（SYR<-0.5和SPI>0.5或SPEI>0.5的濕潤影響年，SYR<-0.5和SPI<-0.5或SPEI<-0.5的干旱影響年），分別對旱澇影響年的SYR與SPI和SPEI進(jìn)行定量分析（圖5）。由圖5可知，SYR與2種干旱指數(shù)表征的干旱和濕潤均呈線性增長關(guān)系，也就是說，淮河流域冬小麥返青抽穗期隨著濕潤或干旱程度的增加而產(chǎn)量的損失也隨之變大。鑒于此，冬小麥產(chǎn)量開始減少時(shí)（SYR<-0.5），SPI對應(yīng)值為1.16和-0.98，SPEI對應(yīng)值為1.14和-1.07，說明淮河流域冬小麥返青抽穗期基本上要達(dá)到中度濕潤或中度干旱時(shí)產(chǎn)量才會(huì)減少。

圖5 冬小麥產(chǎn)量隨返青抽穗期旱澇狀況的變化

3 討 論

SPI和SPEI不僅具有資料易獲取、計(jì)算簡便的優(yōu)點(diǎn)，且具有多尺度、消除空間差異性等特點(diǎn)，為研究淮河流域冬小麥不同生育期旱澇災(zāi)害時(shí)空變化提供了便利。楊慶等[30]研究干旱指數(shù)在中國區(qū)域的適應(yīng)性時(shí)指出在濕潤地區(qū)SPI和SPEI具有較好的適應(yīng)性，莊少偉等[31]研究SPEI在中國區(qū)域的應(yīng)用時(shí)指出年均降水量大于200 mm的地區(qū)SPEI在各時(shí)間尺度上均適用，本文研究區(qū)各區(qū)域年均降水量均在500 mm以上，因此，選取的SPI和SPEI能夠很好的表征研究區(qū)旱澇狀況。冬小麥生育期較長，各生育期氣溫及降水量均存在一定的差異，通過對比SPI和SPEI在空間上的分布，可以判定各生育期旱澇災(zāi)害主要影響因素，如果SPI與SPEI在空間上具有相似的分布那么主要受降水量影響，差異性明顯則主要受氣溫影響。

僅僅利用冬小麥產(chǎn)量的最終統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)探索冬小麥各生育期旱澇狀況對產(chǎn)量的影響，存在一定的差異，無法精確到各生育期的具體影響。而文中產(chǎn)量經(jīng)過去趨勢處理后，在一定程度上反映了氣象條件差異在年際間的影響，通過相關(guān)性分析可探索冬小麥不同生育期旱澇狀況對產(chǎn)量的影響，本文結(jié)論“返青抽穗期對冬小麥產(chǎn)量影響最大”與成林等[32]、徐建文等[33]研究結(jié)果一致。冬小麥生育期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以更加精確的反映各生育期旱澇狀況對產(chǎn)量的影響，如李德等[34]利用冬小麥生育期觀測資料與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)探索冬小麥不同生育期干旱災(zāi)害減產(chǎn)率，得出拔節(jié)-抽穗期干旱減產(chǎn)率最大。李德等[35]在安徽省宿州市國家農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)基地半自動(dòng)干旱遮雨棚內(nèi)對冬小麥返青抽穗期進(jìn)行水分控制試驗(yàn)，得出0～20 cm土壤層適宜土壤濕度指標(biāo)為65%～80%，60%以下時(shí)產(chǎn)量單產(chǎn)增加緩慢；按照旱情等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)土壤濕度指標(biāo)達(dá)到60%以下為輕度干旱，50%以下為中度干旱，可以認(rèn)為土壤濕度指標(biāo)在50%左右時(shí)冬小麥存在減產(chǎn)現(xiàn)象。那么本文研究結(jié)果“返青抽穗期對冬小麥產(chǎn)量影響最大”及“冬小麥在返青抽穗期達(dá)到中度干旱時(shí)產(chǎn)量減少”與李德等[34-35]研究結(jié)果基本一致。

研究結(jié)果顯示各氣象站點(diǎn)SPEI值基本上都小于SPI值，說明SPEI比SPI更趨于干旱化，其原因可能是SPI僅考慮了降水的影響，沒有考慮受氣溫影響的蒸散作用。在旱澇對冬小麥產(chǎn)量影響的結(jié)論中，SPI和SPEI表征的旱澇均在返青抽穗期對冬小麥產(chǎn)量影響程度最大，從這一方面看，SPEI在淮河流域的適應(yīng)性與SPI相比沒有明顯的優(yōu)越性。就冬小麥產(chǎn)量減少的閾值而言，返青抽穗期基本上達(dá)到中等濕潤或中等干旱產(chǎn)量才會(huì)減少，那么在返青抽穗期的灌溉與排澇對冬小麥健康生長至關(guān)重要。由于淮河流域南部及東部地區(qū)春季多陰雨、平原較多、地下水位偏高等因素影響冬小麥產(chǎn)量形成，導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量減少[36-37]，因此在漬災(zāi)易發(fā)區(qū)要加強(qiáng)農(nóng)田基本設(shè)施建設(shè)以應(yīng)對由漬災(zāi)導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量減少的狀況。

本文研究結(jié)果對淮河流域冬小麥防災(zāi)減災(zāi)具有重要的指導(dǎo)意義，旱澇可能受人為灌溉和排澇影響，依據(jù)冬小麥返青抽穗期旱澇對冬小麥產(chǎn)量影響的結(jié)果，可以判斷淮河流域在輕度干旱或輕度洪澇時(shí)，有著明顯的抗旱排澇能力。同時(shí)表明淮河流域抗旱排澇措施需進(jìn)一步加強(qiáng)，以此來應(yīng)對中度旱澇及其以上程度災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié) 論

本文通過分析淮河流域冬小麥各生育期氣溫和降水量年際變化、MK趨勢及其空間分布特征，利用SPI和SPEI探討冬小麥不同生育期旱澇時(shí)空特征，結(jié)合SYR分析其與2種干旱指數(shù)之間的相關(guān)性，探索旱澇對冬小麥產(chǎn)量的影響，得到以下結(jié)論：

1）1961－2014年淮河流域冬小麥各生育期氣溫均呈顯著上升趨勢（<0.05），其中返青抽穗期存在極顯著上升趨勢（<0.001）。氣溫由北向南、由東向西遞增，大部分站點(diǎn)上升趨勢通過0.1以上顯著性水平檢驗(yàn)，以返青抽穗期相關(guān)性最高，同時(shí)東部趨勢變化高于西部。降水量在各生育期變化趨勢均不明顯，其中返青抽穗期減少幅度最大（?4.7 mm/10 a）。降水量在緯度上的變化與氣溫一致，趨勢變化在各生育期分布不同。

2）淮河流域冬小麥生育期在1999年開始有干旱化趨勢，全生育期、越冬期和返青抽穗期（<0.05）呈干旱增加趨勢，而冬前生長期和灌漿成熟期呈濕潤增加趨勢。SPEI干旱化趨勢比SPI大，在全生育期、返青抽穗期和灌漿成熟期的旱澇災(zāi)害決定性氣候因素為氣溫，而冬前生長期和越冬期為降水量。

3）除冬前生長期外其余生育期SYR與干旱指數(shù)之間總體上具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，以返青抽穗期關(guān)系最好，隨著干旱或濕潤程度的增加產(chǎn)量的損失也隨之增加。返青抽穗期干旱指數(shù)與SYR之間的回歸分析表明，達(dá)到中度干旱或中度濕潤才會(huì)使產(chǎn)量減少，說明淮河流域冬小麥生育期具有一定的抗旱排澇能力。

[1] Stocker T, Qin D, Plattner G, et al. IPCC, 2013: Climate change 2013: The physical science basis. Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[C]//Of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 2013, 5163(2):710-719.

[2] Field C B, Barros V R, Mach K, et al. Climate change 2014: Impacts, adaptation, and vulnerability[J]. Contribution of Working Group II to the Third Assessment Report, 2014, 19(2): 81－111.

[3] 張建云，賀瑞敏，齊晶，等. 關(guān)于中國北方水資源問題的再認(rèn)識(shí)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2013，24(3)：303－310.

Zhang Jianyun, He Ruimin, Qi Jing, et al. A new perspective on water issues in North China[J]. Advances in Water Science, 2013, 24(3): 303－310. (in Chinese with English abstract)

[4] 楊志勇，袁喆，嚴(yán)登華，等. 黃淮海流域旱澇時(shí)空分布及組合特性[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2013，24(5)：617－625. Yang Zhiyong, Yuan Zhe, Yan Denghua, et al. Study of spatial temporal distribution and multiple characteristics of drought and flood in Huang-Huai-Hai River basin [J]. Advances in Water Science, 2013, 24(5): 617－625. (in Chinese with English abstract)

[5] 高超，陳實(shí)，翟建青，等. 淮河流域旱澇災(zāi)害致災(zāi)氣候閾值[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2014，25(1)：36－44.

Gao Chao, Chen Shi, Zhai Jianqing, et al. On threshold of drought and flood disasters in Huaihe River basin[J]. Advances in Water Science, 2014, 25(1): 36－44. (in Chinese with English abstract)

[6] 杜華明，延軍平，楊登興，等. 嘉陵江流域降水變化及旱澇多時(shí)間尺度分析[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2015，30(5)：836－845.

Du Huaming, Yan Junping, Yang Dengxing, et al. The distribution of precipitation and multi-temporal scales drought-flood analysis in the Jialing River basin[J]. Journal of Natural Resources, 2015, 30(5): 836－845. (in Chinese with English abstract)

[7] 唐寶琪，延軍平，李雙雙，等. 近55年來華東地區(qū)旱澇時(shí)空變化特征[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2016，25(3)：497－505.

Tang Baoqi, Yan Junping, Li Shuangshuang, et al. Evolution of spatiotemporal characteristics of floods and droughts in east China from 1960 to 2014[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2016, 25(3): 497－505. (in Chinese with English abstract)

[8] 王曉東，馬曉群，許瑩，等. 淮河流域主要農(nóng)作物全生育期水分盈虧時(shí)空變化分析[J]. 資源科學(xué)，2013，35(3)：665－672.

Wang Xiaodong, Ma Xiaoqun, Xu Ying, et al. Temporal analysis of the crop water surplus deficit index for the whole growth period in the Huaihe basin[J]. Resources Science, 2013, 35(3): 665－672. (in Chinese with English abstract)

[9] Gao C, Zhang Z T, Zhai J Q, et al. Research on meteorological thresholds of drought and flood disaster: A case study in the Huai River Basin, China[J]. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2015, 29(1): 157－167.

[10] 張存杰，王寶靈，劉德祥，等. 西北地區(qū)旱澇指標(biāo)的研究[J]. 高原氣象，1998，17(4)：381－389.

Zhang Cunjie, Wang Baoling, Liu Dexiang, et al. Research on drought and flood indices in the Northwest China[J]. Plateau Meteorology, 1998, 17(4): 381－389. (in Chinese with English abstract)

[11] Wu H, Hayes M J, Weiss A, et al. An evaluation of the standardized precipitation index, the China-Z index and the statistical Z-Score[J]. International Journal of Climatology, 2001, 21(6): 745－758.

[12] Palmer W C. Meteorological drought[R]. US Weather Bureau Research Paper 45. Washington DC: US Weather Bureau, 1965.

[13] 高曉容，王春乙，張繼權(quán)，等. 近50年東北玉米生育階段需水量及旱澇時(shí)空變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(12)：101－109.

Gao Xiaorong, Wang Chunyi, Zhang Jiquan, et al. Crop water requirement and temporal-spatial variation of drought and flood disaster during growth stages for maize in Northeast during past 50 years[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(12): 101－109. (in Chinese with English abstract)

[14] 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. American Meteorological Society. Boston, 1993: 179－184.

[15] Vicenteserrano S M, Beguería S, Lópezmoreno J I. A multiscalar drought index sensitive to global warming: The standardized precipitation evapotranspiration index[J]. Journal of Climate, 2010, 23(7): 1696－1718.

[16] 史印山，王玉珍，池俊成，等. 河北平原氣候變化對冬小麥產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，16(6)：1444－1447.

Shi Yinshan, Wang Yuzhen, Chi Juncheng, et al. Impact of climate change on winter wheat production in the Hebei Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2008, 16(6): 1444－1447. (in Chinese with English abstract)

[17] 郝立生，吳雁，王榮英. 海河低平原春季氣候變化對冬小麥產(chǎn)量的影響[J]. 氣象與減災(zāi)研究，2007，30(4)：20－24.

Hao Lisheng, Wu Yan, Wang Rongying. Impact of spring climate change on wheat yield in Lower Haihe Plain [J]. Meteorology and Disaster Reduction Research, 2007, 30(4): 20－24. (in Chinese with English abstract)

[18] 譚方穎，王建林，鄭昌玲，等. 華北冬小麥干旱產(chǎn)量損失評估方法[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2013，34(6)：696－702.

Tan Fangying, Wang Jianlin, Zheng Changling, et al. Evaluation method for winter wheat yield loss of drought disaster in North China[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2013, 34(6): 696－702. (in Chinese with English abstract)

[19] 趙興凱，李增堯，朱清科. 基于SPI和SPEI陜北黃土區(qū)土壤水分對氣候特征的響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(8)：155－163.

Zhao Xingkai, Li Zengyao, Zhu Qingke. Response of soil moisture on climate characteristics based on SPI and SPEI in loess region of northern shaanxi[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(8): 155－163. (in Chinese with English abstract)

[20] Du J, Fang J, Xu W, et al. Analysis of dry/wet conditions using the standardized precipitation index and its potential usefulness for drought/flood monitoring in Hunan Province, China[J]. Stoch Environ Res Risk Assess, 2013, 27(2): 377－387.

[21] 王米雪，延軍平，李雙雙. 1960－2013年中國東南沿海地區(qū)旱澇時(shí)空變化特征及其趨勢分析[J]. 資源科學(xué)，2014，36(11)：2307－2315.

Wang Mixue, Yan Junping, Li Shuangshuang. Spatial- temporal variation and the tendency of droughts and floods on the southeast coast of China over 54 Years[J]. Resources Science, 2014, 36(11): 2307－2315. (in Chinese with English abstract)

[22] 吳志勇，劉志雨，肖恒，等. 氣候變化對淮河蒙洼蓄滯洪區(qū)啟用風(fēng)險(xiǎn)影響評估[J]. 氣候變化研究進(jìn)展，2015，11(1)：1－7.

Wu Zhiyong, Liu Zhiyu, Xiao Heng, et al. Assessing impacts of future climate change on the risk of using the Mengwa flood detention area in Huaihe River basin[J]. Progressus Inquisitiones DE Mutatione Climatis, 2015, 11(1): 1－7. (in Chinese with English abstract)

[23] 馬曉群，吳文玉，張輝. 農(nóng)業(yè)旱澇指標(biāo)及在江淮地區(qū)監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2009，20(2)：186－194.

Ma Xiaoqun, Wu Wenyu, Zhang Hui. The agricultural drought and flood index and its operational application to monitoring and early-warning in Jianghuai area[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2009, 20(2): 186－194. (in Chinese with English abstract)

[24] 宋秋洪，千懷遂，俞芬，等. 全球氣候變化下淮河流域冬小麥氣候適宜性評價(jià)[J]. 自然資源學(xué)報(bào)，2009，24(5)：890－897.

Song Qiuhong, Qian Huaisui, Yu Fen, et al. The evaluation of climate suitability of winter wheat in the Huaihe River basin under climate change regime [J]. Journal of Natural Resources, 2009, 24(5): 890－897. (in Chinese with English abstract)

[25] 楊志勇，袁喆，馬靜，等. 近50年來淮河流域的旱澇演變特征[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2013，22(4)：32－40.

Yang Zhiyong, Yuan Zhe, Ma Jing, et al. Evolution characteristics of drought and flood in Huaihe River basin in recent 50 years[J]. Journal of Natural Disasters, 2013, 22(4): 32－40. (in Chinese with English abstract)

[26] 許瑩，馬曉群，王曉東，等. 淮河流域冬小麥水分虧缺時(shí)空變化特征分析[J]. 地理科學(xué)，2013，33(9)：1138－1144.

Xu Ying, Ma Xiaoqun, Wang Xiaodong, et al. Analysis of spatial and temporal variation characteristics of winter wheat water deficiency in Huaihe River basin[J]. Scientia Geographica Sinica, 2013, 33(9): 1138－1144. (in Chinese with English abstract)

[27] 魏鳳英. 現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測技術(shù)[M]. 2版. 北京：氣象出版社，2007：1－269.

[28] Wu H, Hubbard K G, Wilhite D A. An agricultural drought risk-assessment model for corn and soybeans[J]. International Journal of Climatology, 2004, 24(6): 723－741.

[29] Potopová V, Boronean? C, Boincean B, et al. Impact of agricultural drought on main crop yields in the Republic of Moldova[J]. International Journal of Climatology, 2015, 36(4): 2063－2082.

[30] 楊慶，李明星，鄭子彥，等. 7種氣象干旱指數(shù)的中國區(qū)域適應(yīng)性[J]. 中國科學(xué)：地球科學(xué)，2017，47(3)：337－353.

Yang Qing, Li Mingxing, Zheng Ziyan, et al. Regional applicability of seven meteorological drought indices in China[J]. Science China Earth Sciences, 2017, 47(3): 337－353. (in Chinese with English abstract)

[31] 莊少偉，左洪超，任鵬程，等. 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)在中國區(qū)域的應(yīng)用[J]. 氣候與環(huán)境研究，2013，18(5)：617－625.

Zhuang Shaowei, Zuo Hongchao, Ren Pengcheng, et al. Application of standardized precipitation evapotranspiration index in China[J]. Climaticand Environmental Research, 2013, 18(5): 617－625. (in Chinese with English abstract)

[32] 成林，李彤霄，劉榮花. 主要生育期氣候變化對河南省冬小麥生長及產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，25(6)：931－940.

Cheng Lin, Li Tongxiao, Liu Ronghua. Effect of climate change on growth and yield of winter wheat in Henan Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(6): 931－940. (in Chinese with English abstract)

[33] 徐建文，梅旭榮，居輝，等. 黃淮海地區(qū)冬小麥關(guān)鍵生育期不同灌溉水平對產(chǎn)量影響的模擬[J]. 作物學(xué)報(bào)，2014，40(8)：1485－1492.

Xu Jianwen, Mei Xurong, Ju Hui, et al. Simulation of winter wheat yield in response to irrigation level at critical growing stages in the Huang-Huai-Hai Plain[J]. Acta Agronomica Sinica, 2014, 40(8): 1485－1492. (in Chinese with English abstract)

[34] 李德，孫有豐，孫義. 皖北砂姜黑土地冬小麥生育期尺度干旱指標(biāo)研究[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2017，37(2)：220－231.

Li De, Sun Youfeng, Sun Yi. Study on drought indices of winter wheat during the growth stages in the lime concretion black soil in northern Anhui Province[J]. Journal of Triticeae Crops, 2017, 37(2): 220－231. (in Chinese with English abstract)

[35] 李德，馬曉群，孫義，等. 土壤濕度對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2015，35(7)：980－987.

Li De, Ma Xiaoqun, Sun Yi, et al. Effect of soil moisture on yield and yield components of winter wheat[J]. Journal of Triticeae Crops, 2015, 35(7): 980－987. (in Chinese with English abstract)

[36] 吳洪顏，高蘋，徐為根，等. 江蘇省冬小麥濕漬害的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32(6)：1871－1879.

Wu Hongyan, Gao Ping, Xu Weigen, et al. Risk division on winter wheat suffering from spring wet damages in Jiangsu Province[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(6): 1871－1879. (in Chinese with English abstract)

[37] 吳洪顏，曹璐，李娟，等. 長江中下游冬小麥春季濕漬害災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)評估[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2016，25(8)：1279－1285.

Wu Hongyan, Cao Lu, Li Juan, et al. Risk assessment on winter wheat suffering from spring wet damages in Middle and Lower Yangtze[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2016, 25(8): 1279－1285. (in Chinese with English abstract)

高 超，尹周祥，許 瑩. 淮河流域冬小麥主要生育期旱澇時(shí)空特征及對產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(22)：103－111. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.013 http://www.tcsae.org

Gao Chao, Yin Zhouxiang, Xu Ying. Space-time characteristics of drought and flood in main growing periods of winter wheat in Huaihe River Basin and its impact on yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(22): 103－111. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.013 http://www.tcsae.org

Space-time characteristics of drought and flood in main growing periods of winter wheat in Huaihe River Basin and its impact on yield

Gao Chao1, Yin Zhouxiang2, Xu Ying3

(1.315211; 2.241000; 3.,230031,)

Droughts and floods occur frequently in Huaihe River Basin, which has a great impact on crop yield. Based on daily mean temperature and precipitation data of 140 meteorological stations from 1961 to 2014, the standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) in each growth period of winter wheat were calculated, and quantitative analysis of climatic characteristics of winter wheat at different growth stages was carried out. Meanwhile, the standardized yield residual (SYR) was calculated to investigate the effects of dry and wet conditions on yield at different growth stages based on the winter wheat unit yield data of 20 sites from 1961 to 2012. Firstly, the variation tendency of mean temperature and precipitation in each growing period of winter wheat was analyzed according to the linear regression. The mean temperature rose significantly and the mean rainfall mainly showed a downward trend in each growing period. According to the Mann-Kendall trend method, the trend values of mean temperature and precipitation in winter wheat growth period were calculated and the spatial characteristics were analyzed. The mean temperature in the south was higher than that in the north and had an increasing pattern from east to west, the trend in the east was higher than that in the west and most of the sites had the highest level of trend in turning green and heading stage. However, the precipitation increased with the decrease of latitude, and the trend was consistent with the temperature in latitude. Secondly, according to the Mann-Kendall trend method, the trend values of SPI and SPEI in winter wheat growth period were calculated, and the increase trend of drought was the biggest in turning green and heading stage at the significant level of 0.05. Comparing the spatial features of SPI and SPEI changing trends, it was found that the drought-flood disaster was affected by temperature in whole growth period, turning green and heading stage and milking ripening period of winter wheat, and was affected by precipitation in growth period before winter and over-wintering stage of winter wheat. And the trend of drought indicated by SPEI was greater than that by SPI. Finally, the correlation between SYR and SPI/SPEI was analyzed using Pearson correlation method to determine the most relevant stage of winter wheat, and then the drought and flood situation of winter wheat was analyzed. There was negative correlation between SYR and SPI/SPEI except growth period before winter, with the highest correlation in turning green and heading stage. When moderate drought or humidity occurred, the yield of winter wheat began to decrease. This research is of guiding implications to the prevention of disaster and yield reduction of winter wheat in Huaihe River Basin.

crops; precipitation; climate change; winter wheat yield; standardized precipitation evapotranspiration index; standardized yield residuals; drought and flood disasters; Huaihe River Basin

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.013

S42

A

1002-6819(2017)-22-0103-09

2017-06-04

2017-11-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41571018）

高 超，男，安徽全椒人，教授，博士，主要從事氣候變化與水文水資源研究。Email：gaoqinchao1@163.com