近55年豫南地區(qū)干旱時空變化及對冬小麥產(chǎn)量的影響

丁春英

摘 要：隨著極端氣候多發(fā)，大氣變暖，氣候干旱對農(nóng)業(yè)糧食產(chǎn)量的生產(chǎn)和發(fā)展有著重大影響。文章根據(jù)豫南地區(qū)地面觀測站實(shí)測資料，使用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI和相關(guān)顯著性差異分析，進(jìn)行實(shí)證分析并揭示該區(qū)域近55年干旱演變規(guī)律和同時空條件下農(nóng)業(yè)干旱與冬小麥糧食產(chǎn)量的關(guān)系。根據(jù)豫南小麥生長周期研究產(chǎn)量與干旱氣候的關(guān)系，有利于幫助農(nóng)業(yè)勞動人員提高防旱意識，提高抗災(zāi)防災(zāi)能力，增進(jìn)糧食產(chǎn)量，保證國泰民生。

關(guān)鍵詞：豫南；干旱；糧食產(chǎn)量；標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）

中圖分類號：S423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0034-03

Abstract： With the frequent occurrence of extreme climate and the warming of the atmosphere， climate drought has a significant impact on the production and development of agricultural grain production. Based on the measured data of ground observation stations in the south of Henan Province， the standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI） and the correlation significant difference analysis are used in this paper. The relationship between agricultural drought and grain yield of winter wheat under simultaneous air condition and drought evolution law in recent 55 years in this region was analyzed empirically. The study on the relationship between yield and arid climate based on the wheat growth cycle in the Southern Henan is helpful for agricultural workers to improve their awareness of drought prevention， improve their ability to resist and prevent disasters， increase grain yield and ensure the people's livelihood.

Keywords： Southern Henan； drought； grain yield； standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI）

1 概述

農(nóng)業(yè)自古以來為民生之本，意義深遠(yuǎn)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量受國內(nèi)外高度關(guān)注。IPCC第四、五次評估報告指出，近百年全球地表溫度上升0.56～0.92°C。全球氣候變暖將會增加極端氣象災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度，對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響非常廣泛。中國地處東亞季風(fēng)區(qū)，由于地理?xiàng)l件和氣候變化復(fù)雜，是國際上氣候脆弱區(qū)之一，且氣象災(zāi)害頻發(fā)，隨著氣候暖干化日趨明顯，旱災(zāi)呈顯著增加趨勢[1]。

河南省位于中國中東部、黃河中下游，全省介于北緯31°23'-36°22'、東經(jīng)110°21′-116°，屬于暖溫帶-亞熱帶氣候，濕潤-半濕潤季風(fēng)氣候，春秋季陽光充足降水少[2]。隨著全球變暖，極端氣候多發(fā)，氣溫升高，降水時空分布不均加劇河南水資源短缺情況。雖有許多學(xué)者研究采用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI研究干旱氣候，卻很少有人將其與糧食產(chǎn)量做相關(guān)分析，本文是基于SPEI值與不同時間尺度冬小麥產(chǎn)量做相關(guān)實(shí)證分析。

2 研究區(qū)概況

豫南地區(qū)廣義上指河南南部地區(qū)，包括南陽市、駐馬店市、信陽市三個地級市以及鄧州市、固始縣、新蔡縣三個省直管縣（市）[2]。豫南地處淮河上游與大別山北麓之間，地形地貌由東北向西南呈階梯狀分布，依次為平原洼地、丘陵崗地、豫南山地地勢南高北低，屬于典型的北亞熱帶逐漸向暖溫帶過渡區(qū)，年平均溫度14.5-15.3°C，降水較多，年降水量800mm以上，主要為夏秋兩季降水，冬春較為干旱，降水的時間分布不均干旱發(fā)生強(qiáng)度呈現(xiàn)出自東部地區(qū)向中西部地區(qū)遞減的趨勢。耕地面積約78×105hm2，農(nóng)作物以油菜、水稻、小麥為主，為河南省重要糧油生產(chǎn)基地之一，但因受其獨(dú)特的自然條件及山地氣候、南北過度氣候影響，旱災(zāi)多有發(fā)生，給糧油生產(chǎn)造成巨大損失，極大威脅了豫南地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及社會發(fā)展。

3 資料來源與研究方法

3.1 資料來源

本文的研究資料主要采用豫南固始、南陽、信陽、西峽、駐馬店5個代表區(qū)1961-2015年的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)，及1990-2014相應(yīng)地區(qū)冬小麥產(chǎn)量。該數(shù)據(jù)皆來自于河南省統(tǒng)計(jì)年鑒資料及河南省氣象局，真實(shí)可靠。在本文的研究中，基于小麥生長周期分為三個尺度SPEI值，分為年尺度、季節(jié)尺度、月尺度。其中年尺度采用1990-2014年12月份的數(shù)據(jù)；季節(jié)尺度根據(jù)冬小麥生長周期季節(jié)尺度故采用1989-2013年的10月和1990-2014年的1月的數(shù)據(jù)；月尺度采用1989-2013年的10-12月及1990-2014年1-6月為期9個月的數(shù)據(jù)。

3.2 研究方法

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）

SPEI即標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)，目前成為國內(nèi)外學(xué)者研究分析干旱演變趨勢新的理想指標(biāo)，其基于降水和蒸散，將SPI多時空的特性和PDSI對溫度的靈敏性結(jié)合起來，國外多用于不同時間尺度干旱檢測及農(nóng)作物生產(chǎn)評估等方面。

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)分析區(qū)域干旱程度具體計(jì)算方法如下[3-5]：

第1步：計(jì)算潛在蒸發(fā)，采用Vicente-Serrano所用方法Thornthwaite。

第2步：計(jì)算逐月降水與蒸散的差值Di。

第3步：基于log-logistic 概率分布函數(shù)計(jì)算降水與蒸發(fā)的差值的概率分布。

第4步：對log-logistic概率分布函數(shù)F（x）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

具體干旱等級可參考下表[6]：

3.2.2 冬小麥氣候產(chǎn)量

一般認(rèn)為作物的產(chǎn)量分為趨勢產(chǎn)量、氣候產(chǎn)量和隨機(jī)誤差三部分，其計(jì)算公式為[1，7]：

研究干旱對小麥作物產(chǎn)量的影響首先需要獲得Yw，即計(jì)算Y與Yt的差值，而求得Yt的方法有很多，本文研究主要利用多項(xiàng)式擬合的方法求得Yt，以此求得Yw，從而分析干旱對小麥作物氣候產(chǎn)量的影響。

4 SPEI數(shù)值與冬小麥產(chǎn)量關(guān)系分析

4.1 SPEI與冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系

選取不同時間尺度的SPEI值與冬小麥生育期具有代表性月份的氣候產(chǎn)量做相關(guān)分析。各尺度的SPEI值與豫南地區(qū)冬小麥產(chǎn)量間的相關(guān)分析數(shù)據(jù)分別見表2。通過用SPSS軟件做當(dāng)?shù)貧夂虍a(chǎn)量和相應(yīng)SPEI值的相關(guān)分析，得出Coefficients和ANOVA的P值小于0.05即可通過，當(dāng)P值大于0.01小于0.05可判斷其為差異顯著，當(dāng)P值小于0.01則為差異極顯著。

由表2可知，小麥氣候產(chǎn)量與固始的SPEI1-6、南陽的SPEI12-6和SPEI1-2、信陽的SPEI1-5的相關(guān)性較高，其中南陽SPEI12-6的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)0.542，達(dá)到了極顯著水平（P<0.01），說明冬小麥氣候產(chǎn)量與SPEI12-6的關(guān)系最為密切；固始的SPEI1-6的相關(guān)性次之，相關(guān)系數(shù)為0.523，同樣達(dá)到了極顯著水平（P<0.01），南陽的SPEI1-2、信陽的SPEI1-5以及西峽的SPEI1-2的相關(guān)系數(shù)依次為0.483、0.448、0.4，且都達(dá)到了顯著水平（0.01

4.2小麥生育期的干旱風(fēng)險

選取自1961-2015年近55年的SPEI數(shù)值分析豫南冬小麥作物生育期的干旱風(fēng)險，得出豫南產(chǎn)區(qū)冬小麥生育期內(nèi)干旱類型的發(fā)生概率，由表3可知，在豫南地區(qū)中，固始、南陽、駐馬店皆有特旱氣候狀況發(fā)生；西峽、駐馬店發(fā)生重旱，高達(dá)13.514%，信陽次之；中旱中以信陽居高，發(fā)生概率為16.667%，西峽中旱發(fā)生概率13.514%，其余次之；輕旱發(fā)生概率中南陽居首位，為19.444%，固始17.949%。根據(jù)豫南近55年SPEI數(shù)值綜合來看，豫南干旱頻率較高，總體氣候偏干，有必要加強(qiáng)對干旱的預(yù)防與檢測，制定適應(yīng)的干旱氣候應(yīng)對措施。

5 SPEI數(shù)值與冬小麥產(chǎn)量結(jié)論分析

通過對豫南自1961-2015年近55年的實(shí)地氣象資料進(jìn)行不同時間尺度SPEI數(shù)值與冬小麥產(chǎn)量關(guān)系分析，得出了以下結(jié)果：

（1）SPEI值能較好地反映豫南地區(qū)的土壤濕熱狀況及干旱時空變化特征，當(dāng)?shù)貧夂虍a(chǎn)量和不同時間尺度SPEI值相關(guān)性較強(qiáng)，部分地區(qū)如南陽SPEI12-6、SPEI1-2和信陽SPEI1-5具有較強(qiáng)相關(guān)性且顯著性極強(qiáng)（0.01

（2）近55年豫南地區(qū)不同時間尺度，SPEI值波動規(guī)律不同。從月尺度、季節(jié)尺度和年尺度三個不同時間尺度，SPEI值波動幅度逐漸變?。徊煌瑫r間尺度SPEI值的波動幅度存在周期變化規(guī)律，年尺度的周期規(guī)律更加穩(wěn)定；且豫南不同地區(qū)在同一時空范圍波動范圍具有一致性。

（3）1961-2015年近55年中干旱發(fā)生次數(shù)多，頻率較大。南陽和西峽發(fā)生頻率最大，一般春秋發(fā)生干旱頻率較大，春季和秋季冬小麥正處于幼芽和成熟階段，此時氣候會對冬小麥生長造成一定影響。

（4）豫南近55年發(fā)生干旱次數(shù)較多，受旱災(zāi)影響頻繁。

（5）不同強(qiáng)度的干旱對豫南冬小麥生長上產(chǎn)造成不同影響，需加強(qiáng)對氣候的監(jiān)測和預(yù)防，提高農(nóng)民抗災(zāi)減災(zāi)意識，提升科技數(shù)據(jù)預(yù)防監(jiān)測在農(nóng)業(yè)中的地位，保證農(nóng)業(yè)的正常生產(chǎn)，穩(wěn)定農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，持續(xù)穩(wěn)定提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。

6 旱災(zāi)防御對策

氣候干旱對農(nóng)業(yè)既會帶來有利影響也會帶來威脅，其中有利影響主要表現(xiàn)為：農(nóng)作物的熱量條件得以改善，積溫增加，生長期延長，低溫冷害有所減輕，農(nóng)作物種植面積得以北移；威脅在于：氣候干旱，影響糧食對水分的需求，降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。且一定時期干旱過后往往伴隨暴雨頻發(fā)，導(dǎo)致嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，而極端天氣事件以引起病蟲害，又對農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施也有一定破壞作用。中國作為人口大國和農(nóng)業(yè)大國，故保護(hù)糧食正常生產(chǎn)顯得更為重要。對抗旱災(zāi)，豫南主要措施如下：

（1）興修水利，完善農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施。建設(shè)小型水利工程，抗旱防洪，逐步提高水資源利用率，將多余降水集中起來，以解決自然降水時空分布不均所造成的干旱。改良土壤，提高含水量，減少蒸發(fā)下滲，含蓄水源。提高科技在農(nóng)業(yè)中地位，掌握農(nóng)作物生長規(guī)律，提高因自然降水不均所造成的威脅[3]。

（2）提高農(nóng)民對干旱災(zāi)害的認(rèn)識。中國雖是農(nóng)業(yè)大國，但機(jī)械化大生產(chǎn)還未真正普及，仍以集約農(nóng)業(yè)為主，勞作者多為學(xué)歷有待提高者，對農(nóng)業(yè)各種自然災(zāi)害缺乏正確認(rèn)識。政府應(yīng)定期組織培訓(xùn)，提高農(nóng)業(yè)勞動者對農(nóng)作物生長情況以及各種自然災(zāi)害對農(nóng)作物危害的機(jī)理與過程的認(rèn)識，并使其在了解災(zāi)害成因，影響時間、范圍、程度的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件及農(nóng)作物生長狀況制定合理措施和對策，以減少損失。且需做好抗災(zāi)保障，鼓勵農(nóng)業(yè)勞動者播種抗旱種子，推廣科技農(nóng)業(yè)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)補(bǔ)助，減少城鄉(xiāng)差別，保障農(nóng)民利益，使田地“養(yǎng)的活人，留的住人”。

（3）建立健全干旱監(jiān)測和預(yù)報體系。利用各種先進(jìn)科技手段，如地理信息系統(tǒng)、遙感、全球定位系統(tǒng)等，全方位加強(qiáng)對干旱發(fā)生的條件和過程進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)測，結(jié)合當(dāng)代眾多通訊設(shè)備和先進(jìn)媒體進(jìn)行宣傳，提高人們對干旱的防御，形成全方位、多層次、布局科學(xué)合理的監(jiān)測體系，提高高科技人才的待遇，大力支持各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，推進(jìn)更加科學(xué)合理的干旱預(yù)警模型和高新技術(shù)的發(fā)展，為科技化農(nóng)業(yè)添一瓦新磚。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱新玉，劉杰，史本林，等.氣候變暖背景下中原腹地冬小麥氣候適宜度變化[J].地理研究，2012，31（8）：1479-1489.

[2]張竟竟，郭志富，李治國.河南水旱災(zāi)害危險性時空特征研究[J].自然資源學(xué)報，2013，28（6）：957-968.

[3]申澤崢，顏玉倩，胡毅.河北省南部干旱特征及其對冬小麥產(chǎn)量的影響分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2016，39（2）：76-81.

[4]周揚(yáng)，李寧，吉中會，等.基于SPI指數(shù)的1981-2010年內(nèi)蒙古地區(qū)干旱時空分布特征[J].自然資源學(xué)報，2013，28（10）：1694-1705.

[5]徐朗，歐真真.淮河流域農(nóng)業(yè)干旱對糧食產(chǎn)量的影響分析[J].水利經(jīng)濟(jì)，2011，29（5）：56-74.

[6]周曙光，周文魁，林光華，等.未來氣候?qū)ξ覈Z食安全的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，13（1）：56-65.

[7]朱新玉.基于SPEI的豫東地區(qū)近50年干旱演變特征[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2015，24（4）：128-137.