河北省冬小麥生育期干旱特征及成因分析

康西言, 李春強, 楊榮芳

(1. 河北省氣象科學(xué)研究所; 2. 河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室; 3. 河北省氣象服務(wù)中心，河北 石家莊 050021)

河北省是我國冬小麥的主要產(chǎn)區(qū)之一，冬小麥全生育期集中于10月～翌年6月上旬。受大陸性季風(fēng)氣候影響，河北省年降水量分布不均，70%以上的降水主要集中在7～9月，冬小麥全生育期內(nèi)的自然降水不能滿足其生長需要，干旱是影響冬小麥正常生長發(fā)育的主要氣象災(zāi)害。

目前干旱監(jiān)測指數(shù)主要有：標準化降水指數(shù)、作物水分虧缺指數(shù)、土壤墑情、帕爾默干旱指數(shù)等，這些干旱指數(shù)均能在一定程度上反映干旱的發(fā)生、發(fā)展和變化情況，但也有其局限性。例如，作物水分虧缺指數(shù)、帕爾默干旱指數(shù)時空比較性差，標準化降水指數(shù)未考慮氣溫變化與水分需求對干旱的影響。2010年Vicente-Serrano等[1]在標準化降水指數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了具有多時空特征的標準化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)，便于不同時間與空間的對比分析，可進行干旱識別和監(jiān)測，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的干旱研究。我國學(xué)者對SPEI指數(shù)在中國區(qū)域的適用性進行了驗證，認為在我國年均降水量大于200mm區(qū)域各種時間尺度SPEI均可適用[2]，并應(yīng)用該指數(shù)對中國區(qū)域干旱進行了研究。例如，許玲燕等[3]基于SPEI指數(shù)分析了云南省夏玉米生長季4個時間尺度的干旱風(fēng)險時空變化特征，并驗證了其與玉米減產(chǎn)率的正相關(guān)性；張岳軍[4]分析了太原多尺度干旱特征與氣候指數(shù)的關(guān)系，高蓓[5]、孫濱峰[6]分別分析了東北地區(qū)干旱演變特征和時空特征，周丹等[7]探討了近50年華北地區(qū)干旱發(fā)生強度的時空分布特征和中度以上干旱的空間分布特征，并對干旱成因進行了分析，張玉靜等[8]分析了華北冬麥區(qū)干旱時空分布特征。

上述研究對干旱的分析均未涉及具體作物，雖然有的研究針對夏玉米、冬小麥，但實際上只是基于SPEI指數(shù)對作物生長季的干旱特征進行了分析，計算蒸散量時未考慮具體作物的生育需求，因而使蒸散量與實際情況有一定差異；并且以月尺度SPEI指數(shù)分析，沒有考慮作物生育期變化的特性，容易產(chǎn)生偏差。因此，本研究擬基于SPEI指數(shù)，對蒸散量計算方法和時間尺度進行修訂，分析冬小麥生育期的干旱特征，旨在進一步認識河北省冬小麥生育期干旱發(fā)生的規(guī)律，為抗旱及制定防災(zāi)、減災(zāi)措施提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

冬小麥是河北省第一大糧食作物，主要種植區(qū)集中在太行山山前平原和中南部低平原，太行山淺山丘陵和冀東平原也有種植，分布在唐山、秦皇島、廊坊、保定、石家莊、滄州、衡水、邢臺、邯鄲等9個地區(qū)。冬小麥生育期間日照時數(shù)1390～1890h，平均氣溫5～9℃，光熱條件可滿足冬小麥生長需求；降水量100～150mm，蒸發(fā)量740～1100mm，蒸降差大，大部分麥區(qū)水分虧缺。

2 資料和方法

2.1 資料來源

研究所用氣象資料和農(nóng)業(yè)氣象資料來自河北省氣象局。氣象資料包括氣溫(最高、最低)、降水、日照、相對濕度和風(fēng)速等。農(nóng)業(yè)氣象資料取自河北省農(nóng)業(yè)氣象觀測站,包括作物各發(fā)育期多年出現(xiàn)時間。由于河北省冬麥區(qū)氣象站建站時間不一，為統(tǒng)一資料年代時間，采用48個氣象站1965-2014年的資料(見圖1)。

圖1 研究區(qū)站點分布圖Fig. 1 The distribution of the weather stations in the research region

2.2 研究方法

2.2.1 冬小麥需水量(ETm) 采用下式計算：

ETm=Kc×ETO

(1)

式中，Kc為作物系數(shù)，全生育期(10月1日～翌年6月10日)Kc=0.9，生育前期(10月1日～2月底)Kc=0.58，生育中期(3月1日～5月10日)Kc=1.36，生育后期(5月11日～6月10日)Kc=0.7[9]；ETO為參考作物蒸散量，采用FAO推薦的Penman-Monteith公式[10]計算。

2.2.2 SPEI指數(shù) SPEI是對降水量與潛在蒸散量差值序列的累積概率值進行正態(tài)標準化后的指數(shù)。本文以冬小麥需水量代替潛在蒸散量，構(gòu)建各生育階段累積水分虧缺量序列，然后計算各生育階段SPEI指數(shù)[1]。生育前期SPEI指數(shù)時間尺度為5個月，中期近似2個月，后期為1個月，全生育期近似8個月。

2.2.3 干旱評估指標

(1)干旱等級標準

文獻中基于SPEI指數(shù)的干旱等級劃分標準不盡相同[2,11]，本研究采用國際上通用的SPEI對應(yīng)的干旱等級劃分標準[8](表 1)。

表1 SPEI對應(yīng)的干旱等級劃分

(2)干旱頻率

計算公式如下：

pi=(ni/N)×100%

式中,pi為干旱頻率，N為計算的總年份數(shù)；ni為i站發(fā)生干旱的年份數(shù)。

(3)干旱強度

計算公式如下：

式中，Sij為研究區(qū)干旱強度，m為發(fā)生干旱的站數(shù)(統(tǒng)計輕旱以上站數(shù))。

(4)干旱范圍

應(yīng)用研究區(qū)干旱發(fā)生站數(shù)占全部站數(shù)的比例表示，計算公式如下：

pj=(mj/M)×100%

式中,Pj為干旱范圍，mj為第j年發(fā)生的站數(shù)，M為研究區(qū)的總站數(shù)。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)冬小麥不同生育階段的SPEI指數(shù)，計算各站點不同生育階段各等級干旱頻率、研究區(qū)各等級干旱強度及干旱特征。

2.1 干旱空間分布特征

各站點干旱出現(xiàn)的頻率反映了干旱發(fā)生的頻繁程度，可揭示干旱的空間分布特征。輕旱一般對冬小麥生長造成的影響較小，故主要分析中旱以上干旱發(fā)生頻率分布情況(見圖2)。

2.1.1 生育前期 由生育前期干旱頻率空間分布可以看出：中旱以上干旱發(fā)生頻率在2.0%～32.7%之間(平均17.6%)，頻率較高區(qū)域(20%以上)分布在保定東南部、滄州西部、石家莊東部、衡水大部(圖2a)。中旱發(fā)生頻率在0～16.3%之間(平均9.4%)，頻率較高區(qū)域(10%以上)分布在唐山局部、廊坊南部、保定南部、滄州中北部、石家莊北部和東部、衡水南部、邢臺東部、邯鄲東北部；重旱發(fā)生頻率在2.0%～12.2%之間(平均6.4%)，頻率較高區(qū)域(8%以上)分布在保定局部、滄州西南部、石家莊西南部、衡水中部；極端干旱發(fā)生頻率在0.0%～4.1%之間(平均1.8%)，頻率較高區(qū)域(3%以上)分布在秦皇島中西部、唐山東部、廊坊和石家莊兩市局部、邢臺東南部、邯鄲西南部和東部。

2.1.2 生育中期 由生育中期干旱頻率空間分布可以看出：中旱以上干旱發(fā)生頻率在4.1%～38.8%之間(平均19.9%)，頻率在20%以上的區(qū)域較前期明顯增大，主要分布在秦皇島大部、唐山中部、滄州局部、石家莊西南部和衡水、邢臺、邯鄲三市大部(圖2b)。中旱發(fā)生頻率在4.1%～20.4%之間(平均9.9%)，頻率較高區(qū)域(14%以上)主要分布在秦皇島和唐山東部；重旱發(fā)生頻率在0.0%～12.2%之間(平均7.4%)，頻率較高區(qū)域(8%以上)分布在：石家莊中南部、衡水大部、滄州東部、邢臺中西部、邯鄲中部；極端干旱發(fā)生頻率在0.0%～6.1%之間(平均2.6%)，頻率較高區(qū)域(4%以上)分布在：秦皇島、廊坊西部、保定中北部、石家莊西北部、邢臺局部。

2.1.3 生育后期 由生育后期干旱頻率空間分布可以看出：中旱以上干旱發(fā)生頻率在2.0%～38.8%之間(平均18.3%)，頻率在20%以上的區(qū)域主要分布在唐山西部、廊坊北部和南部、保定和石家莊兩市西北部、邯鄲中南部(圖2c)。中旱發(fā)生頻率在2.0%～22.4%之間(平均10.4%)，頻率較高區(qū)域(14%以上)主要分布在保定西部、石家莊西北部、廊坊北部和南部、邯鄲南部；重旱發(fā)生頻率在0.0%～10.2%之間(平均5.7%)，頻率較高區(qū)域(8%以上)分布在滄州西南部、衡水東部、邯鄲西南部；極端干旱發(fā)生頻率在0.0%～6.1%之間(平均2.2%)，頻率較高區(qū)域(4%以上)分布在廊坊、保定、滄州三市的局部地區(qū)。

2.1.4 全生育期 由全生育期干旱頻率空間分布可以看出：中旱以上干旱發(fā)生頻率在4.1%～36.7%之間(平均18%)，頻率在20%以上的區(qū)域主要分布在保定、石家莊北部(圖2d)。中旱發(fā)生頻率在2.0%～16.3%之間(平均9.2%)，頻率較高區(qū)域(10%以上)主要分布在保定、廊坊、石家莊北部；重旱發(fā)生頻率在2.0%～14.3%之間(平均6.1%)，頻率較高區(qū)域(8%以上)分布在秦皇島、唐山、衡水三市局部、邯鄲大部；極端干旱發(fā)生頻率在0.0%～6.1%之間(平均2.7%)，頻率較高區(qū)域(4%以上)主要分布在衡水北部。

綜上，各生育期中旱出現(xiàn)頻率較高(9.2%～10.4%)，其次是重旱(5.7%～7.4%)，極端干旱出現(xiàn)頻率較低(1.8%～2.7%)；生育中期、后期中旱出現(xiàn)頻率比前期明顯增多，且極端干旱站點的最大值也比前期大，說明中后期干旱程度較前期嚴重；衡水、滄州在前、中期均為中旱以上干旱發(fā)生的高頻率區(qū)域，邯鄲則為中、后期中旱以上干旱出現(xiàn)的高頻率區(qū)域，其它地區(qū)各生育階段中旱以上干旱發(fā)生頻率較高的區(qū)域分布各不相同。

2.2 干旱的時間分布特征

逐年干旱強度和干旱范圍反映了干旱的嚴重程度，可揭示干旱的演變特征。

2.2.1 生育前期 從生育前期河北省冬麥區(qū)近50年干旱強度、中旱以上干旱范圍變化情況( 圖3) 來看，研究區(qū)干旱強度整體呈現(xiàn)減弱趨勢，且通過了0.05水平的顯著性檢驗，其氣候傾向率為0.118/10a。干旱強度在中旱以上的年份為1966～1968年、1970～1972年、1976年、1980年、1983年、1985年、1989年、1991年、1995～1996年、1999年、2006年、2009年和2011年。干旱范圍也呈現(xiàn)減小趨勢，各等級干旱中僅中旱以上干旱范圍的減小趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗，其氣候傾向率為-4.680/10a；中旱以上干旱范圍在50%以上的年份為1966～1968年、1970～1971年、1980年、1989年、1999年、2006年和2011年?？梢钥闯龈珊捣秶蟮哪攴?，對應(yīng)的干旱強度也較強。

圖2 冬小麥不同生育階段中旱以上干旱出現(xiàn)頻率的空間分布Fig. 2 The space distribution of the occurrence frequency above medium drought in different growing stages of winter wheat

2.2.2 生育中期 從生育中期干旱強度、中旱以上干旱范圍變化情況(圖4)來看，干旱強度同樣呈減弱趨勢，但減弱趨勢不顯著，干旱強度在中旱以上的年份為1968年、1972～1974年、1977～1978年、1980～1982年、1989年、1997年、2000年、2005年和2014年。干旱范圍也呈現(xiàn)減小趨勢，中旱以上、重旱以上干旱范圍減小趨勢均通過了0.05水平的顯著性檢驗，其氣候傾向率為-7.360/10a、-5.009/10a；中旱以上干旱范圍在50%以上的年份為1968年、1972～1974年、1977～1978年、1981～1982年、2000年和2005年，干旱強度較強而干旱范圍較小的年份有1980年、1989年、1997年和2014年。

2.2.3 生育后期 生育后期的干旱強度與生育中期相似，也呈現(xiàn)減弱趨勢，但減弱趨勢不顯著，干旱強度在中旱以上的年份為1966～1968年、1971～1972年、1975～1976年、1978～1979年、1981～1983年、1986年、1994年、2001年和2011年。干旱范圍同樣呈減小趨勢，中旱以上干旱范圍的減小趨勢通過了0.05水平顯著性檢驗，氣候傾向率為-7.836/10a；中旱以上干旱范圍在50%以上的年份為1966年、1968年、1972年、1975年、1981年、2001年和2011年(圖5)，干旱強度強而干旱范圍較小的年份為967年、1971年、1976年、1978～1979年、1982～1983年、1986年、1994年。

圖3 前期干旱強度、中旱以上干旱范圍時間變化曲線Fig. 3 The change curves with time of drought intensity, range above medium drought in early phase

圖4 中期干旱強度、中旱以上干旱范圍時間變化曲線Fig. 4 The change curves with time of drought intensity, range above medium drought in medium phase

圖5 后期干旱強度、中旱以上干旱范圍時間變化曲線Fig. 5 The change curves with time of drought intensity, range above medium drought in later phase

2.2.4 全生育期 全生育期干旱強度隨年代呈現(xiàn)減弱趨勢，且通過了0.01水平的顯著性檢驗，氣候傾向率為0.141/10a，干旱強度在中旱以上的年份為1966～1968年、1971～1972年、1974年、1978年、1981～1982年、1986年、1994年、1996～1997年、2011年。干旱范圍同樣呈現(xiàn)減小趨勢，中旱以上干旱范圍減少趨勢通過了0.01水平的顯著性檢驗，氣候傾向率為-8.476/10a，中旱以上干旱范圍在50%以上的年份為1966～1968年、1971～1972年、1981～1982年、2011年(圖6)。干旱強度較強而干旱范圍較小的年份為1974年、1978年、1986年、1994年、1996～1997年。

綜上，冬小麥全生育期1966～1968年、1971～1972年、1981～1982年、2011年干旱強度較強、干旱范圍較大，是干旱較嚴重的年份；其中，1968年的干旱貫穿整個生育期，1972年、1981年旱情主要出現(xiàn)在生育中、后期，1966年、2011年出現(xiàn)在前、后期，1967年、1971年出現(xiàn)在前期，1982年出現(xiàn)在中期。

2.3 干旱變化趨勢的成因分析

由以上分析可知，冬小麥生育期內(nèi)干旱強度、干旱范圍隨年代均呈減弱趨勢，且以全生育期減弱趨勢最顯著，因此以全生育期為例對干旱變化趨勢的成因進行分析。

SPEI指數(shù)是基于降水量、冬小麥需水量計算的，將研究區(qū)各站點全生育期SPEI 值與相應(yīng)的降水量和需水量進行相關(guān)性分析(圖略)，各站SPEI指數(shù)與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性均通過了0.001水平的顯著性檢驗，其中，相關(guān)系數(shù)最高達到了0.937，最低也達到了0.730；各站SPEI指數(shù)與需水量呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性也均通過了0.001水平的顯著性檢驗，相關(guān)系數(shù)為-0.657～-0.906。同時，冬麥區(qū)區(qū)域平均降水量年際變化呈增加趨勢，但增加趨勢不顯著，冬小麥需水量減少趨勢通過了0.001水平的顯著性檢驗，氣候傾向率為-14.5mm/10a，說明冬小麥生育期內(nèi)干旱強度、干旱范圍的減弱趨勢與冬小麥需水量的減少相關(guān)。

冬小麥需水量可以分為由天氣氣候決定的參考作物蒸散量和作物系數(shù)兩部分，其中，參考作物蒸散量受氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度等氣象要素影響。表2給出了各氣象要素與冬小麥全生育期需水量的相關(guān)系數(shù)。

圖6 全生育期干旱強度、中旱以上干旱范圍時間變化曲線Fig. 6 The change curves with time of drought intensity, range above medium drought in whole growing period

氣象要素Meteorological factors最高氣溫Maximum air temperature最低氣溫Minimum air temperature日照時數(shù)Sunshine hours風(fēng)速Wind speed相對濕度Relative humidity相關(guān)系數(shù)rCorrelation coefficient0.319?-0.412??0.819???0.685???-0.683???

注：*、**、***分別表示通過0.05、0.01、0.001水平的顯著性檢驗。

Note: *,**,*** representing significant text of 0.05,0.01,0.001 levels, respectively.

可以看出，需水量與最高氣溫、日照時數(shù)、風(fēng)速呈正相關(guān)，與最低氣溫、相對濕度負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均通過0.05水平的顯著性檢驗，尤其日照時數(shù)、風(fēng)速、相對濕度通過0.001水平的極顯著性檢驗。同時,最高氣溫、相對濕度的年際變化趨勢不顯著，最低氣溫上升趨勢顯著，日照時數(shù)、風(fēng)速均呈顯著的下降趨勢，表明需水量的減少趨勢主要是由日照時數(shù)減少和風(fēng)速下降引起的。

根據(jù)參考作物蒸散量(ETO)的計算公式，地表凈輻射(Rn)與ETO呈線性關(guān)系，即Rn越大ETO越大，而日照時數(shù)的多少反映了Rn的大小，所以由于日照時數(shù)呈顯著減少趨勢，從而引起ETO減??；風(fēng)速(U2)與ETO呈非線性關(guān)系，但對分子項的影響大于分母項，所以風(fēng)速減小參考作物蒸散量也出現(xiàn)下降趨勢。

綜上，日照時數(shù)的減少和風(fēng)速的下降使參考作物蒸散量減少，從而引起冬小麥需水量的減少，需水量的下降導(dǎo)致冬小麥生育期內(nèi)干旱強度、干旱范圍的減弱。

3 結(jié) 論

通過對河北省冬小麥各生育階段干旱強度、干旱范圍以及各等級干旱出現(xiàn)頻率進行分析，結(jié)果表明:

(1)在不考慮輕旱的情況下，河北省冬小麥各生育期中旱出現(xiàn)頻率最高(9.2%～10.4%)，其次重旱(5.7%～7.4%)，極端干旱出現(xiàn)頻率較低(1.8%～2.7%)；生育中期、后期中旱出現(xiàn)頻率比前期增多，極端干旱站點的最大值也比前期大，說明中、后期干旱程度較前期嚴重。

(2)衡水、滄州在冬小麥生育前、中期均為中旱以上發(fā)生的高頻率區(qū)域，邯鄲則為冬小麥生育中、后期中旱以上干旱出現(xiàn)的高頻率區(qū)域，其它地區(qū)各生育階段中旱以上干旱發(fā)生頻率較高的區(qū)域分布各不相同。

(3)冬小麥全生育期1966～1968年、1971～1972年、1981～1982年、2011年干旱強度較強、干旱范圍較大，是干旱較嚴重的年份；其中，1968年的干旱貫穿整個生育期，1972年、1981年旱情主要出現(xiàn)在生育中、后期，1966年、2011年出現(xiàn)在生育前期和后期，1967年、1971年出現(xiàn)在生育前期，1982年出現(xiàn)在生育中期。

(4)冬小麥全生育期干旱強度、干旱范圍隨年際均呈減弱趨勢，且減弱趨勢通過0.01水平的顯著性檢驗；相關(guān)分析表明，這種減弱趨勢與冬小麥需水量的減少趨勢關(guān)系密切，而冬小麥需水量的減小趨勢又受日照時數(shù)、風(fēng)速的下降趨勢影響。

4 討 論

對SPEI指數(shù)中蒸散量計算方法進行修訂后，分析冬小麥生育期的干旱特征，結(jié)果表明，全生育期干旱強度、干旱范圍隨年際均呈顯著減弱趨勢，與以往研究結(jié)論有一定差異，例如張玉靜等[8]利用Thornthwaite公式計算潛在蒸散量，得到SPEI指數(shù)分析了華北冬麥區(qū)干旱時空分布特征，表明干旱發(fā)生的頻率加大、程度加重，與本文的研究結(jié)論不一致，這可能與蒸散量的計算方法不同有關(guān)，Thornthwaite方法僅考慮了溫度因子對潛在蒸散量的貢獻，而Penman-Monteith公式則綜合考慮了熱量和空氣動力兩個因子，有研究表明[11]，隨著氣候變暖，空氣動力因子對潛在蒸散量貢獻明顯增加。

冬小麥全生育期需水量減少的氣象原因主要是日照時數(shù)減少和風(fēng)速下降，這一研究結(jié)果與安月改等[12]、李春強等[13]“影響河北省參考蒸散下降的主要原因是風(fēng)速下降和日照減少”的研究結(jié)論一致。隨著氣候變暖，全球大部地區(qū)出現(xiàn)了蒸發(fā)皿蒸發(fā)和參考作物蒸發(fā)下降的趨勢[14-18 ]，其主要原因包括：受氣溶膠影響，太陽輻射和日照時數(shù)減少，用于蒸發(fā)的能量減少；風(fēng)速下降，用于蒸發(fā)的動力減少。

另一方面，影響冬小麥需水量的因素還有土壤和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施等，據(jù)估算[19]，利用華北冬小麥干旱綜合防御控制技術(shù)，可使冬小麥需水量減少0.4%～16.5%，平均減少8.3%。同時，隨著CO2濃度增加，植物(作物)水分利用效率也在提高[20]。因此，影響冬小麥生長發(fā)育需水量變化的原因是綜合的。

在當前氣候變化背景下，河北省冬小麥全生育期需水量呈減少趨勢，將在一定程度上緩解農(nóng)業(yè)用水壓力，說明氣候變化對水資源和水分利用的影響是多方面的。因此，在研究氣候變化對水資源的影響時，不能僅考慮單一的水分供應(yīng)，而應(yīng)該全面考慮作物的需水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的改進等因素，這樣才可以避免得出片面的結(jié)論。

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