1961—2015年黃淮海平原夏玉米干旱識(shí)別及時(shí)空特征分析

吳 霞，王培娟，公衍鐸，楊建瑩

1961—2015年黃淮海平原夏玉米干旱識(shí)別及時(shí)空特征分析

吳 霞1,2，王培娟3※，公衍鐸4，楊建瑩3

（1. 黑龍江省生態(tài)氣象中心，哈爾濱 150030； 2. 黑龍江省生態(tài)遙感中心，哈爾濱 150030； 3. 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081； 4. 黑龍江省氣象臺(tái)，哈爾濱 150030）

利用黃淮海平原內(nèi)氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)、夏玉米實(shí)際災(zāi)情資料，參考標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI的計(jì)算公式，結(jié)合實(shí)際干旱災(zāi)情數(shù)據(jù)構(gòu)建夏玉米干旱指數(shù)SPI10和SPI30，并分析黃淮海平原夏玉米生長季干旱的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明：播種-抽雄期、抽雄-成熟期的旬尺度SPI10干旱閾值分別為-0.10和-0.35、月尺度SPI30干旱閾值分別為-0.60和-0.65，災(zāi)情驗(yàn)證結(jié)果顯示時(shí)間尺度更小的SPI10在反映黃淮海平原夏玉米干旱特征方面效果更好?；赟PI10分析了黃淮海平原夏玉米干旱的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)播種-抽雄期的平均干旱頻率和干旱強(qiáng)度均明顯高于抽雄-成熟期，并且干旱強(qiáng)度的時(shí)空分布特征均與干旱頻率較為一致，一般表現(xiàn)為干旱頻率越高的地區(qū)，累計(jì)干旱強(qiáng)度也越強(qiáng)；同時(shí)，75%的年份中播種-抽雄期的干旱范圍大于抽雄-成熟期。綜合以上結(jié)果，黃淮海平原夏玉米在營養(yǎng)生長階段更容易受到水分缺失的影響，更易發(fā)生干旱脅迫。

干旱；氣象；農(nóng)作物；夏玉米；農(nóng)業(yè)干旱；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；黃淮海平原

0 引 言

中國是世界上人口最多的國家，人口數(shù)量占世界人口總數(shù)的18%左右，保障中國的糧食安全對(duì)中國社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。干旱是對(duì)中國影響最大的自然災(zāi)害之一，具有覆蓋范圍廣、發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長、后延影響大的特征，并且在全球氣候變暖的大背景下，干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度均在迅速增長，干旱對(duì)中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的沖擊和影響也最大[1-2]。

玉米是中國第一大糧食作物，2017年，玉米的種植面積和產(chǎn)量分別占全國糧食作物種植總面積和總產(chǎn)量的36%和39%（http://www.stats.gov.cn/tjsj/）。中國主要的玉米產(chǎn)區(qū)是東北、華北和西南地區(qū)，其中，位于華北地區(qū)的黃淮海平原夏玉米區(qū)是中國最大的玉米集中產(chǎn)區(qū)之一[3]，該區(qū)夏玉米一般在六月中下旬播種，十月上旬收獲。近年來，黃淮海平原夏玉米的種植面積和產(chǎn)量均呈逐漸增加的趨勢[4]，在中國糧食生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，對(duì)保障國家糧食安全起著重要的作用。但是黃淮海平原全年總降水較少，且時(shí)空分布不均衡，平均干旱受災(zāi)面積占全國干旱受災(zāi)面積的比例高達(dá)28%[5-6]，干旱災(zāi)害的頻繁發(fā)生[7-9]嚴(yán)重影響夏玉米的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成，進(jìn)而危及國家糧食安全[10-11]。因此在黃淮海地區(qū)開展夏玉米干旱研究，建立夏玉米不同發(fā)育階段的干旱災(zāi)害識(shí)別指標(biāo)，對(duì)該地區(qū)干旱狀況進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)估，對(duì)農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)及中國糧食安全意義重大[3,12]。

干旱指數(shù)是開展干旱監(jiān)測、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本依據(jù)，也是研究干旱演變特征的有效工具。已有研究多通過標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI，standardized precipitation index）[13]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI，standardized precipitation evapotranspiration index）[14]、降水距平百分率（PA，precipitation anomaly percentage）[15]、降水指數(shù)（，precipitation index）[16]、帕爾默干旱指數(shù)（PDSI，palmer drought severity index）[17]、相對(duì)濕潤度指數(shù)（，relative humidity index）[18]、地表水分供應(yīng)指數(shù)（SWSI，surface water supply index）[19]等對(duì)干旱特征進(jìn)行分析。其中，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)具有計(jì)算簡單、時(shí)間尺度靈活、對(duì)干旱反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于干旱監(jiān)測[20-26]。但SPI表征的是大氣干旱程度，難以準(zhǔn)確反映干旱對(duì)農(nóng)作物的影響；同時(shí)，不同時(shí)間尺度SPI在不同地區(qū)進(jìn)行干旱分析時(shí)均采用相同的閾值，實(shí)際上作物在不同的發(fā)育階段對(duì)干旱的敏感性不同，干旱閾值亦可能隨之變化。此外，SPI以月尺度為最小分析單元，會(huì)跨越玉米的不同發(fā)育階段，對(duì)干旱災(zāi)害的識(shí)別精度將產(chǎn)生較大影響。

本研究以黃淮海平原氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)、夏玉米實(shí)際災(zāi)情數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI），分別計(jì)算黃淮海平原旬尺度和月尺度的逐日SPI值，進(jìn)而構(gòu)建夏玉米不同發(fā)育階段旬尺度和月尺度干旱識(shí)別指數(shù)（SPI10和SPI30），結(jié)合歷史災(zāi)情資料厘定夏玉米不同發(fā)育階段的干旱指數(shù)閾值，利用隨機(jī)預(yù)留的獨(dú)立災(zāi)情樣本驗(yàn)證SPI10和SPI30對(duì)夏玉米干旱識(shí)別的準(zhǔn)確性，選定玉米干旱最佳識(shí)別指標(biāo)及閾值，闡明黃淮海平原夏玉米不同發(fā)育階段干旱的時(shí)空分布特征，以期為中國夏玉米干旱監(jiān)測提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)域和資料來源

1.1 研究區(qū)概況

黃淮海平原包括河北、河南、安徽、山東、江蘇、北京及天津五省二市的大部或部分地區(qū)（圖1），面積約33萬km2，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，熱量適于一年二熟，主要栽種方式是夏玉米-冬小麥輪作[27]。該區(qū)屬黃淮海夏玉米區(qū)，雨熱同季，有利于玉米生產(chǎn)，是中國最大的夏玉米種植區(qū)。但在夏玉米生長季，該地區(qū)氣溫高、降水時(shí)空分布不均、且蒸散量大[28]，季節(jié)性干旱時(shí)有發(fā)生，對(duì)夏玉米生產(chǎn)不利。

1.2 資料來源及處理

本文所用數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)和夏玉米實(shí)際災(zāi)情數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/site/index.html）。經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及有效性檢查后，本研究選取數(shù)據(jù)較齊全的46個(gè)氣象站點(diǎn)（圖1）1961－2015年的逐日降水量數(shù)據(jù)。

農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)主要為黃淮海平原及其周邊的33個(gè)站點(diǎn)（圖1）2000－2013年夏玉米發(fā)育期數(shù)據(jù)，包括夏玉米播種、抽雄和成熟日期。玉米抽雄期是營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)時(shí)期，標(biāo)志著玉米由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長，也是玉米生長發(fā)育最快、決定產(chǎn)量最關(guān)鍵的時(shí)期。由于夏玉米在不同發(fā)育階段對(duì)水分需求不同，對(duì)干旱的耐受程度亦不同，因此，本研究以抽雄期為分界，將夏玉米全生育期分為播種-抽雄期和抽雄-成熟期兩個(gè)發(fā)育階段?？紤]到有些站點(diǎn)部分年份夏玉米發(fā)育期資料完整性較差，研究中先分別求出各站點(diǎn)夏玉米播種期、抽雄期和成熟期日序的多年平均值，通過反距離權(quán)重（inverse distance weighted，IDW）算法在黃淮海平原范圍內(nèi)進(jìn)行空間插值（插值精度為0.1°），再根據(jù)氣象站點(diǎn)位置提取發(fā)育期數(shù)據(jù)（圖2）。

圖1 黃淮海平原位置及觀測站點(diǎn)空間分布圖

圖2 黃淮海平原夏玉米播種期、抽雄期和成熟期日序分布

實(shí)際災(zāi)情數(shù)據(jù)來自于《中國氣象災(zāi)害大典（綜合卷）》、2005－2015年的《中國氣象災(zāi)害年鑒》及2000－2013年的中國農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)情旬值數(shù)據(jù)集，從中提取黃淮海平原及其周邊21個(gè)常規(guī)災(zāi)情記錄點(diǎn)（圖1）記錄的干旱災(zāi)害發(fā)生的起止時(shí)間和地點(diǎn)。例如：《中國氣象災(zāi)害大典（綜合卷）》[29]記載：1983年8月份，大秋作物進(jìn)入拔節(jié)抽穗期，華北出現(xiàn)卡脖旱，影響玉米授粉和籽粒飽滿，導(dǎo)致秋糧減產(chǎn)?！吨袊鴼庀鬄?zāi)害年鑒》（2005年）[30]記載：2004年6月11日至7月10日，河北全省平均降水量比常年偏少4成，持續(xù)高溫天氣加劇了旱情的發(fā)展，對(duì)夏玉米的苗期生長不利。

2 研究方法

2.1 SPI計(jì)算

降水分布是一種偏態(tài)分布，因此對(duì)降水進(jìn)行分析時(shí)多采用Γ分布描述降水變化。計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)時(shí)，先采用Γ分布對(duì)時(shí)段降水的累計(jì)概率()進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，并通過標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來識(shí)別干旱，計(jì)算公式如下[31]：

當(dāng)0＜()≤0.5時(shí)：

當(dāng)0.5＜()＜1時(shí)：

（2）

式中()為時(shí)段降水的累計(jì)概率；0=2.516；1=0.803；2=0.010；1=1.433；2=0.189；3=0.001。

相應(yīng)的氣象干旱指標(biāo)為[31]：SPI＞?0.5為無旱，SPI≤?0.5為有旱。

為了更好地識(shí)別和評(píng)估旱情，采用以下方法逐日計(jì)算SPI：從當(dāng)日分別向前推算10和30 d為一個(gè)計(jì)算單元，分別計(jì)算每日的旬尺度和月尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPIx和SPIm）。

2.2 夏玉米不同發(fā)育階段干旱災(zāi)害樣本構(gòu)建

若實(shí)際災(zāi)情記錄中，一次干旱過程的持續(xù)時(shí)間跨越抽雄期，即干旱持續(xù)發(fā)生在播種-抽雄期和抽雄-成熟期2個(gè)相鄰的發(fā)育階段內(nèi)，需以該年抽雄期所在日期為分界點(diǎn)，將該災(zāi)情分割為2個(gè)干旱樣本（例如：山東膠州在2000年7月30日-9月7日發(fā)生了干旱，且2000年膠州夏玉米在8月13日開始抽雄，因此，將該災(zāi)害樣本分為7月30日-8月12日和8月13日－9月7日2個(gè)災(zāi)害樣本），分別計(jì)算每個(gè)災(zāi)害樣本持續(xù)時(shí)間內(nèi)逐日SPIx和SPIm，再計(jì)算旬尺度和月尺度SPI平均值，記為SPI10和SPI30，得到夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期兩個(gè)發(fā)育階段內(nèi)干旱災(zāi)害樣本SPI10和SPI30序列。之后利用Lilliefors檢驗(yàn)方法[32]分別判斷夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期2個(gè)發(fā)育階段內(nèi)的干旱災(zāi)害樣本序列SPI10和SPI30是否滿足正態(tài)分布。即當(dāng)Lilliefors檢驗(yàn)值（）大于0.05時(shí)，表示樣本序列服從正態(tài)分布；且值越接近0.5，表示擬合的顯著性越高。

2.3 夏玉米干旱指數(shù)閾值的確定

當(dāng)SPI10和SPI30樣本序列服從正態(tài)分布時(shí)，采用t-分布區(qū)間估計(jì)方法對(duì)樣本序列進(jìn)行置信區(qū)間估計(jì)，來估計(jì)樣本的重現(xiàn)水平。采用樣本序列95%置信區(qū)間的上限值作為夏玉米干旱的臨界閾值，即災(zāi)害持續(xù)時(shí)間內(nèi)SPI10或SPI30不大于各自的閾值時(shí)，表明夏玉米在該發(fā)育階段內(nèi)發(fā)生干旱災(zāi)害的可能性是95%[32-36]。

2.4 指數(shù)驗(yàn)證

利用構(gòu)建指數(shù)前隨機(jī)預(yù)留的夏玉米干旱災(zāi)害樣本及其他歷史災(zāi)情資料，依據(jù)干旱災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)及持續(xù)時(shí)間，基于SPI10和SPI30識(shí)別該段時(shí)間內(nèi)該地夏玉米是否發(fā)生干旱，對(duì)比驗(yàn)證其與歷史災(zāi)情記錄的一致性。

2.5 干旱特征指標(biāo)

干旱特征可通過干旱頻率、干旱范圍及干旱強(qiáng)度來表征[37-38]。

2.5.1 干旱頻率

時(shí)間分析中，干旱頻率（drought frequency，DF）為研究區(qū)內(nèi)所有站點(diǎn)夏玉米某一發(fā)育階段SPI10或SPI30的平均值不大于相應(yīng)干旱閾值的年份數(shù)與總年份數(shù)的比值，這里的總年份數(shù)取值為5，即統(tǒng)計(jì)時(shí)以5 a為一個(gè)統(tǒng)計(jì)單元：

式中為每5 a（1961－1965年，1966－1970年，…，2011－2015年）內(nèi)所有站點(diǎn)夏玉米某一發(fā)育階段SPI10或SPI30的平均值不大于相應(yīng)干旱閾值的年份數(shù)，DF值越大表明干旱發(fā)生越頻繁。

空間分析中，干旱頻率（DFs）為研究時(shí)段內(nèi)某站點(diǎn)（）夏玉米在某一發(fā)育階段干旱發(fā)生年份數(shù)與總年份數(shù)的比值，即

式中1為研究時(shí)段內(nèi)某站點(diǎn)（）夏玉米某一發(fā)育階段SPI10或SPI30不大于相應(yīng)干旱閾值的年份數(shù)，為研究時(shí)段總年份數(shù)（值為55），DF值越大表明干旱發(fā)生越頻繁。

2.5.2 干旱范圍

干旱范圍（drought extent，DE）為某一年（）整個(gè)研究區(qū)內(nèi)夏玉米某一發(fā)育階段發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)與總站點(diǎn)數(shù)的比值（站次比），即

式中DE為第年研究區(qū)的干旱范圍，m為研究范圍內(nèi)第年夏玉米某一發(fā)育階段發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)，為研究區(qū)內(nèi)總站點(diǎn)數(shù)，DE值越大表明干旱影響的范圍越廣。

2.5.3 干旱強(qiáng)度

時(shí)間分析中，干旱強(qiáng)度（drought severity，DS）為研究區(qū)內(nèi)，某一年（）在夏玉米某一發(fā)育階段發(fā)生干旱站點(diǎn)的SPI10或SPI30值之和，即

式中DS為第年的干旱強(qiáng)度（為1961－2015年）；為時(shí)間尺度（10或30），為10時(shí)，SPI10表示旬尺度結(jié)果；為30時(shí)，SPI30表示月尺度結(jié)果；(SPI)為第年某站點(diǎn)（）夏玉米某一發(fā)育階段SPI不大于相應(yīng)干旱閾值時(shí)的值，為第年內(nèi)SPI不大于相應(yīng)干旱閾值的站點(diǎn)數(shù)，DS值越小表明干旱越強(qiáng)。

空間分析中，干旱強(qiáng)度（DS）為研究時(shí)段內(nèi)，某站點(diǎn)（）在夏玉米某一發(fā)育階段發(fā)生干旱年份的SPI10或SPI30值之和，即

式中為研究時(shí)段內(nèi)SPI不大于相應(yīng)干旱閾值的年份數(shù)，DS值越小表明干旱越強(qiáng)。

為分析黃淮海平原夏玉米生長季干旱特征變化，計(jì)算1961－2015年夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期的干旱頻率、干旱范圍及干旱強(qiáng)度，以分析其時(shí)間變化特征。

2.6 結(jié)果的空間表達(dá)

反距離權(quán)重算法具有普適性強(qiáng)、算法簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域空間分析與制圖[28,33]。本文通過反距離權(quán)重算法，對(duì)黃淮海平原各站點(diǎn)1961－2015年夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期的干旱頻率、干旱強(qiáng)度進(jìn)行空間插值，以分析其空間分布特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 夏玉米干旱指數(shù)SPI10和SPI30構(gòu)建

利用收集到的黃淮海平原夏玉米生長季既有發(fā)育期觀測又有災(zāi)情記錄的21個(gè)記錄點(diǎn)的69個(gè)干旱樣本（播種-抽雄期57個(gè)、抽雄-成熟期12個(gè)），分別對(duì)夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期2個(gè)發(fā)育階段的干旱災(zāi)害樣本序列SPI10和SPI30進(jìn)行Lilliefors檢驗(yàn)，判斷其是否服從正態(tài)分布（顯著性水平0.05）。檢驗(yàn)結(jié)果表明，所有樣本序列均通過了正態(tài)分布檢驗(yàn)（>0.05）。

利用-分布區(qū)間估計(jì)方法，得到夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期干旱樣本序列SPI10和SPI30的95%置信區(qū)間（表1），以95%置信區(qū)間的上限值作為干旱閾值，由此確定夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期發(fā)生干旱的臨界閾值。以黃淮海平原夏玉米播種-抽雄期干旱災(zāi)害旬尺度SPI10結(jié)果為例，SPI10的95％置信區(qū)間為?0.434～?0.087，即夏玉米播種-抽雄期受到干旱脅迫時(shí)，SPI10有95%的概率在?0.434～?0.087之間。因此，將其對(duì)應(yīng)的95%置信區(qū)間的上限值?0.087確定為夏玉米播種-抽雄期發(fā)生干旱的SPI10閾值。同理，黃淮海平原夏玉米抽雄-成熟期的旬尺度SPI10和播種-抽雄期、抽雄-成熟期的月尺度SPI30閾值分別為?0.344、?0.613和?0.648。為應(yīng)用方便，將指數(shù)取以0和0.05結(jié)束，即播種-抽雄期旬尺度SPI10不高于?0.10時(shí)表示夏玉米受到了干旱脅迫，SPI10高于?0.10時(shí)表示夏玉米不受干旱脅迫。因此，黃淮海平原夏玉米播種-抽雄期、抽雄-成熟期的旬尺度SPI10閾值分別為?0.10和?0.35；月尺度SPI30閾值分別為?0.60和?0.65。

旬尺度SPI10和月尺度SPI30在2個(gè)發(fā)育階段的干旱閾值均是播種-抽雄期高于抽雄-成熟期，說明夏玉米在播種-抽雄期對(duì)水分變化更為敏感，更易發(fā)生水分脅迫。并且，旬尺度SPI10在2個(gè)發(fā)育階段的干旱閾值均高于月尺度SPI30，說明構(gòu)建的指數(shù)在時(shí)間尺度越小時(shí)對(duì)作物干旱越敏感，反應(yīng)越迅速。

表1 黃淮海平原夏玉米各發(fā)育階段干旱指數(shù)臨界閾值

3.2 夏玉米干旱指數(shù)SPI10和SPI30驗(yàn)證

利用構(gòu)建指數(shù)前隨機(jī)預(yù)留的15個(gè)夏玉米干旱災(zāi)害樣本（包括播種-抽雄期9個(gè)、抽雄-成熟期6個(gè)）及其他歷史記錄中干旱發(fā)生情況對(duì)夏玉米干旱指數(shù)（旬尺度SPI10和月尺度SPI30）進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證。

3.2.1 隨機(jī)預(yù)留干旱災(zāi)害樣本驗(yàn)證結(jié)果

利用隨機(jī)預(yù)留的夏玉米干旱災(zāi)害樣本驗(yàn)證干旱指數(shù)SPI10和SPI30，結(jié)果表明（表2）：夏玉米全生育期，基于SPI10識(shí)別的災(zāi)情結(jié)果與歷史記錄中災(zāi)情描述相吻合的樣本有14個(gè)，準(zhǔn)確率93.3%；其中播種-抽雄期和抽雄-成熟期吻合的樣本數(shù)分別是8個(gè)和6個(gè)，準(zhǔn)確率分別為88.9%和100%?；赟PI30識(shí)別的災(zāi)情結(jié)果與歷史記錄災(zāi)情描述相吻合的樣本有12個(gè)，準(zhǔn)確率80.0%；其中播種-抽雄期和抽雄-成熟期吻合的樣本數(shù)分別是6個(gè)和6個(gè)，準(zhǔn)確率分別為66.7%和100%。可以認(rèn)為構(gòu)建的夏玉米干旱指數(shù)（旬尺度SPI10和月尺度SPI30）整體上能夠比較客觀地體現(xiàn)出研究區(qū)域的實(shí)際受災(zāi)情況，并且時(shí)間步長越小時(shí)，驗(yàn)證的準(zhǔn)確性越高（SPI10的驗(yàn)證準(zhǔn)確率高于SPI30）。

3.2.2 歷史記錄中干旱驗(yàn)證結(jié)果

隨機(jī)選取黃淮海平原北部的河北省饒陽站和南部的安徽省碭山站，分析1961-2015年夏玉米生長季基于SPI10和SPI30的干旱識(shí)別結(jié)果，并與歷史災(zāi)情記錄進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

河北省饒陽和安徽省碭山夏玉米生長季，SPI10和SPI30的年際變化特征整體較為一致，大部分年份對(duì)干旱的識(shí)別結(jié)果也一致。饒陽站夏玉米播種-抽雄期（圖3a），SPI10和SPI30均識(shí)別為有旱的年份為：1968、1972、1983、1992、1997、1998、2003、2010和2015年，同時(shí)，SPI10還識(shí)別出了1963、1980、1984、1989、2000、2006、2009和2014年的干旱。饒陽站夏玉米抽雄-成熟期（圖3b），SPI10和SPI30均識(shí)別為有旱的年份為：1965、1979、1989、1991、1997、1999、2000、2002和2015年，同時(shí)，SPI10還識(shí)別出了1961、1972、1994和2002年的干旱，SPI30識(shí)別出了1975和2004年的干旱。碭山站夏玉米播種-抽雄期（圖3c），SPI10和SPI30均識(shí)別為有旱的年份為：1966、1968、1976、1985、1993、1997、1998、2011和2014年，同時(shí)，SPI10還識(shí)別出了1961、1962、1974、1975、1986、1987、1988、1991、1992、1994、1999、2010和2012年的干旱，SPI30識(shí)別出了1969和1977年的干旱。碭山站夏玉米抽雄-成熟期（圖3d），SPI10和SPI30均識(shí)別為有旱的年份為：1966、1975、1988、1989和2009年，同時(shí)，SPI10還識(shí)別出了1977、1978和2000年的干旱，SPI30識(shí)別出了1968和1996年的干旱。

表2 黃淮海平原夏玉米干旱指數(shù)（SPI10和SPI30）識(shí)別結(jié)果驗(yàn)證

注：“T”表示指數(shù)識(shí)別結(jié)果與災(zāi)害樣本無差異，“F”表示指數(shù)識(shí)別結(jié)果與災(zāi)害樣本有差異。

Note: “T” indicates that the result identified by SPI10or SPI30is consistent with the disaster sample, and “F” indicates that the result identified by SPI10or SPI30is different from the disaster sample.

圖3 基于SPI10和SPI30識(shí)別的1961－2015年河北饒陽、安徽碭山夏玉米生長季干旱狀況

饒陽站，SPI10對(duì)夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期干旱的識(shí)別結(jié)果與歷史災(zāi)情記錄一致的比例均為96.4%；SPI30對(duì)夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期干旱的識(shí)別結(jié)果與歷史災(zāi)情記錄一致的比例分別為85.5%和92.7%（圖4a，圖4b）。碭山站，SPI10對(duì)夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期干旱的識(shí)別結(jié)果與歷史災(zāi)情記錄一致的比例分別為94.5%和98.2%；SPI30對(duì)夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期干旱的識(shí)別結(jié)果與歷史災(zāi)情記錄一致的比例分別為74.5%和89.1%（圖4c，圖4d）。表明SPI10能夠比SPI30更準(zhǔn)確地識(shí)別出夏玉米生長季內(nèi)的干旱狀況，即干旱指數(shù)的時(shí)間尺度越小時(shí)越能抓住農(nóng)業(yè)干旱的特征。因此，后續(xù)將基于SPI10的干旱識(shí)別結(jié)果分析黃淮海平原夏玉米干旱時(shí)空分布特征。

注： “0”表示無干旱發(fā)生，“1”表示有干旱發(fā)生。

3.3 夏玉米生長季干旱時(shí)間變化特征

3.3.1 干旱頻率

利用SPI10的區(qū)域平均值，統(tǒng)計(jì)黃淮海平原1961-2015年夏玉米不同發(fā)育階段的SPI10年際變化（圖5a）及每5a間隔干旱頻率變化（圖5b）。整體上，除2001-2005年夏玉米抽雄-成熟期的干旱頻率高于播種-抽雄期外，其余每5a間隔的播種-抽雄期干旱頻率均大于等于抽雄-成熟期。播種-抽雄期的干旱頻率整體表現(xiàn)為波動(dòng)上升的特征，1981年以后，5a間隔的播種-抽雄期平均干旱頻率均不低于20%，尤其1996－2000年和2011－2015年，干旱頻率分別達(dá)到60%和80%，與王素萍等[20]研究得到的黃淮海地區(qū)20世紀(jì)60年代、70年代和21世紀(jì)10年代干旱頻率較低，20世紀(jì)80年代和90年代分別是干旱的易發(fā)區(qū)和高發(fā)區(qū)的結(jié)論較為一致。

3.3.2 干旱強(qiáng)度

由圖6可見，黃淮海平原夏玉米2個(gè)發(fā)育階段干旱強(qiáng)度的時(shí)間波動(dòng)特征均與干旱頻率較為一致。播種-抽雄期，1966－1970年、1996－2000年和2011－2015年的干旱強(qiáng)度較強(qiáng)，其中，1996－2000年達(dá)到?0.93；抽雄-成熟期，1966－1970年和2001－2005年的干旱強(qiáng)度較強(qiáng)，其中，2001－2005年達(dá)到?0.92?？傮w上，播種-抽雄期和抽雄-成熟期干旱強(qiáng)度的差異與兩個(gè)發(fā)育階段干旱頻率的差異較為一致。

注：*表示變化趨勢通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖6 1961－2015年黃淮海平原夏玉米生長季干旱強(qiáng)度時(shí)間變化

3.4 夏玉米生長季干旱空間分布特征

3.4.1 干旱范圍

夏玉米播種-抽雄期，黃淮海平原干旱范圍年際變化整體呈增加趨勢（圖7），但變化趨勢不顯著；干旱范圍較廣的年份為1968年、1992年、1997年、1999年和2014年，干旱站次比均高于70%，尤其是1992年、1997年和2014年高達(dá)80%以上，表現(xiàn)為全域性干旱。抽雄-成熟期，黃淮海平原干旱范圍年際變化整體特征不明顯，干旱范圍在2001－2002年出現(xiàn)較大值（＞60%）。本研究結(jié)果與鄭曉東等[39]利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)分析得出淮河流域1992年為區(qū)域性干旱，1968年、1997年、1999年、2001年和2002年為全域性干旱的結(jié)論較為一致。1961－2015年，75%的年份中黃淮海平原夏玉米播種-抽雄期的干旱范圍大于抽雄-成熟期，說明黃淮海平原夏玉米在營養(yǎng)生長階段更易受到干旱的影響。

圖7 1961－2015年黃淮海平原夏玉米生長季干旱范圍變化

3.4.2 干旱頻率

1961－2015年，黃淮海平原夏玉米播種-抽雄期和抽雄-成熟期干旱頻率空間分布各具特點(diǎn)（圖8），其中，播種-抽雄期的干旱頻率在黃淮海平原東南部較高（>40%），中部地區(qū)略低（≤35%）；抽雄-成熟期的干旱頻率在黃淮海平原西北部和南部地區(qū)較高（>20%），東南部地區(qū)略低（≤15%）。并且，黃淮海平原夏玉米播種-抽雄期的干旱頻率整體高于抽雄-成熟期，平均值分別為39%和19%，說明黃淮海平原夏玉米在播種-抽雄期更容易受到水分缺失的影響，更易發(fā)生干旱脅迫，尤其在東南部地區(qū)，干旱頻率在兩個(gè)發(fā)育階段的差異最大。

圖8 1961－2015年黃淮海平原夏玉米生長季干旱頻率空間分布圖

3.4.3 干旱強(qiáng)度

圖9為1961－2015年黃淮海平原夏玉米生長季播種-抽雄期和抽雄-成熟期累計(jì)干旱強(qiáng)度的空間分布。由圖可見，干旱強(qiáng)度的空間分布特征與干旱頻率較為一致，一般表現(xiàn)為干旱頻率越高的地區(qū)，累計(jì)干旱強(qiáng)度也越強(qiáng)。播種-抽雄期，黃淮海平原北部、西南部和東南部部分地區(qū)的干旱強(qiáng)度較大（≤?8），中部地區(qū)干旱強(qiáng)度略?。??7）。抽雄-成熟期，黃淮海平原的西北部、東部和南部部分地區(qū)干旱強(qiáng)度較大（≤?6），東北部、西南部和東南部部分地區(qū)干旱強(qiáng)度略?。??5）。

圖9 1961－2015年黃淮海平原夏玉米生長季干旱強(qiáng)度空間分布圖

1961－2015年，黃淮海平原夏玉米播種-抽雄期的干旱強(qiáng)度整體高于抽雄-成熟期，并且在黃淮海平原東南部地區(qū)的干旱強(qiáng)度在兩個(gè)發(fā)育階段的差異最大，與干旱頻率的分布特征相似。成林等[40]對(duì)1961－2010年華北夏玉米生長季的干旱時(shí)空特征分析結(jié)果也顯示：河北中南部、山東北部及河南南部地區(qū)，夏玉米全生育期干旱強(qiáng)度較大，其中，河北南部及河南北部地區(qū)的夏玉米初夏旱強(qiáng)度較大。陳少丹等[41]基于TDVI的河南省1961－2016年干旱分布結(jié)果顯示：河南省中部和南部地區(qū)干旱程度較大，與本文研究結(jié)果相似。

4 討 論

基于本文的研究結(jié)果，建議加強(qiáng)抗旱性玉米品種的選育，并在缺水和干旱地區(qū)適當(dāng)擴(kuò)大種植面積。加強(qiáng)干旱頻發(fā)及干旱強(qiáng)度較大地區(qū)的田間管理：進(jìn)行深耕松土，以促進(jìn)作物根系發(fā)展，提高土壤水分的利用率；利用作物秸稈進(jìn)行覆蓋，以減少土壤水分蒸發(fā)，增加土壤儲(chǔ)水，并發(fā)揮保濕作用。

本研究中用于構(gòu)建干旱指數(shù)SPI10和SPI30的實(shí)際干旱災(zāi)情數(shù)據(jù)均為人為記錄，具有一定的主觀性，即使是明確記錄了災(zāi)情開始和結(jié)束日期，也是以旬為基礎(chǔ)進(jìn)行記錄的，對(duì)災(zāi)情開始和結(jié)束日期的記錄可能并不準(zhǔn)確，會(huì)對(duì)干旱閾值的厘定造成一定的影響。由于氣象站點(diǎn)發(fā)育期數(shù)據(jù)缺乏，在后期分析時(shí)采用的是各站點(diǎn)發(fā)育期多年平均值，可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。本文在構(gòu)建干旱指數(shù)時(shí)未考慮玉米品種特性，后續(xù)研究若基于抗旱品種進(jìn)行分析，指數(shù)可能會(huì)有所變化。根據(jù)《中國農(nóng)業(yè)氣象土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集（1981－2010）》中關(guān)于2003－2010年的灌溉記錄，發(fā)現(xiàn)研究范圍內(nèi)夏玉米生長季主要以雨養(yǎng)為主，因此，在構(gòu)建干旱指數(shù)時(shí)未加入灌溉的水量，后續(xù)研究中應(yīng)考慮灌溉量對(duì)干旱的影響。

由于可收集的干旱災(zāi)害樣本較少：雖然Lilliefors檢驗(yàn)適用于檢驗(yàn)小樣本是否符合正態(tài)分布，但在一定程度上，較少的樣本會(huì)增大指數(shù)構(gòu)建的不確定性。同時(shí)，受限于收集到的干旱災(zāi)害樣本數(shù)量，本研究以抽雄期為界，將夏玉米全生育期分為播種-抽雄期（營養(yǎng)生長）和抽雄-成熟期（生殖生長）兩個(gè)發(fā)育階段進(jìn)行分析，構(gòu)建的干旱指數(shù)也僅識(shí)別了夏玉米有旱和無旱兩種情況，不能區(qū)分出干旱等級(jí)。后續(xù)研究中，有必要收集更詳細(xì)的干旱災(zāi)情數(shù)據(jù)，及時(shí)補(bǔ)充災(zāi)害樣本，將夏玉米生長季劃分為更細(xì)致的發(fā)育階段，構(gòu)建可區(qū)分不同干旱程度的夏玉米干旱指數(shù)。

5 結(jié) 論

本研究以黃淮海平原夏玉米為研究對(duì)象，參考標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI的計(jì)算公式，結(jié)合實(shí)際干旱災(zāi)情數(shù)據(jù)構(gòu)建夏玉米干旱指數(shù)SPI10和SPI30，厘定夏玉米不同發(fā)育階段SPI10和SPI30干旱閾值，構(gòu)建得到黃淮海平原夏玉米播種-抽雄期、抽雄-成熟期的旬尺度SPI10和月尺度SPI30干旱指標(biāo)；分析了黃淮海平原夏玉米播種-抽雄期、抽雄-成熟期干旱時(shí)空分布特征，得到如下主要結(jié)論：

1）夏玉米播種-抽雄期、抽雄-成熟期的旬尺度SPI10干旱閾值分別為-0.10和-0.35，月尺度SPI30干旱閾值分別為-0.60和-0.65，SPI10和SPI30在兩個(gè)發(fā)育階段的干旱閾值均是播種-抽雄期高于抽雄-成熟期，說明夏玉米在播種-抽雄期對(duì)水分變化更為敏感，更易發(fā)生水分脅迫；利用隨機(jī)預(yù)留的干旱樣本和歷史干旱記錄的驗(yàn)證結(jié)果均表明，SPI10和SPI30能夠較好的反映黃淮海平原的干旱特征，且時(shí)間尺度更小的SPI10的效果更好。

2）基于SPI10的時(shí)間變化特征表明：1961-2015年，黃淮海平原夏玉米播種-抽雄期的平均干旱頻率和干旱強(qiáng)度均明顯高于抽雄-成熟期，且兩個(gè)發(fā)育階段干旱強(qiáng)度的時(shí)間波動(dòng)特征均與干旱頻率較為一致。

3）基于SPI10的空間分布特征表明：75%的年份中播種-抽雄期的干旱范圍大于抽雄-成熟期，并且播種-抽雄期干旱范圍年際變化整體呈增加趨勢，但變化趨勢不顯著；播種-抽雄期的干旱頻率在黃淮海平原東南部較高，中部地區(qū)較低；抽雄-成熟期的干旱頻率在黃淮海平原西北部和南部地區(qū)較高，東南部地區(qū)較低；干旱強(qiáng)度的空間分布特征與干旱頻率較為一致，一般表現(xiàn)為干旱頻率越高的地區(qū)，累計(jì)干旱強(qiáng)度也越強(qiáng)；并且，播種-抽雄期的干旱頻率和干旱強(qiáng)度均整體高于抽雄-成熟期，尤其在東南部地區(qū)，干旱頻率和干旱強(qiáng)度在兩個(gè)發(fā)育階段的差異均最大。

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Analysis of drought identification and spatio-temporal characteristics for summer corn in Huang-Huai-Hai Plain in year of 1961－2015

Wu Xia1,2, Wang Peijuan3※, Gong Yanduo4, Yang Jianying3

(1.,150030,; 2.,150030,; 3.,100081,; 4.,150030,)

In the context of global warming, the frequency and severity of drought are increasing rapidly, and the impact of drought on China's agricultural production is also the largest. In this study, meteorological data of 46 stations, the phenophases of summer corn at 33 agro-meteorological stations and historical disaster data in 1961-2015 in the Huang-huai-hai Plain were integrated to establish crop drought identification indices for summer corn drought disasters. Referring to the calculation formula of standardized precipitation index (SPI), daily SPI10on the ten-scale and SPI30on the monthly scale were calculated based on SPI. The SPI10and SPI30for summer corn at different developmental stages were formed by establishing the drought sample sequences. The historical disaster data were used to determine the thresholds of SPI10and SPI30for different development stages of summer corn. The thresholds were determined basing on a Lilliefors goodness-of-fit test and the upper threshold of a 95% confidence interval. And then the SPI10and SPI30for summer corn at sowing-tasseling stage and tasseling-maturity stage in the Huang-huai-hai Plain were constructed and evaluated the fitness by random drought samples reserved independently and other historical drought records. The better indicator and threshold for summer corn drought were selected. On this basis, we analyzed the drought disaster and revealed the spatio-temporal characteristics of drought disaster at different development stages of summer corn, in order to provide basic data for drought monitoring in China. Main results were showed as below: 1) The thresholds of SPI10for summer corn at sowing-tasseling stage and tasseling-maturity stage were -0.10 and -0.35, respectively. The thresholds of SPI30for summer corn at sowing-tasseling stage and tasseling-maturity stage were -0.60 and -0.65, respectively. The results identified by SPI10and SPI30were basically consistent with the random drought samples reserved independently and historical drought records, and the effect of SPI10was better. 2) The temporal characteristics of drought for summer corn in the Huang-huai-hai Plain from 1961-2015 were analyzed based on SPI10. The results showed that: The average drought frequency and average drought severity of summer corn at sowing-tasseling stage were significantly higher than that at tasseling-mature period. The time fluctuation characteristics of drought severity in both development stages were consistent with the drought frequency. 3) The spatial distribution characteristics of drought for summer corn in the Huang-huai-hai Plain were analyzed based on SPI10. The results showed that: The interannual variation of the drought extent at sowing-tasseling stage showed an overall increase, but the change trend was not significant. The overall characteristics of the interannual variation of the drought extent at tasseling-maturity stage were not obvious. Drought extent at sowing-tasseling stage was greater than that at tasseling-maturity stage in 75% of the years. Drought frequency at sowing-tasseling stage for summer corn was higher in the southeastern part of the Huang-huai-hai Plain and lower in the central. Drought frequency at tasseling-maturity stage for summer corn was higher in the northwest and south part of the Huang-huai-hai Plain and lower in the southeast. The spatial distribution characteristics of drought severity were consistent with the drought frequency. Generally, the area with higher drought frequency had stronger cumulative drought severity. Moreover, the drought frequency and drought severity at sowing-tasseling stage were higher than that at tasseling-maturity stage. The difference in drought frequency or drought severity was the greatest in the southeastern region of the Huang-huai-hai Plain at both developmental stages.

drought; meteorology; crops; summer corn; agricultural drought; standardized precipitation index; the Huang-huai-hai Plain

吳 霞，王培娟，公衍鐸，楊建瑩. 1961—2015年黃淮海平原夏玉米干旱識(shí)別及時(shí)空特征分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(18)：189－199.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.023 http://www.tcsae.org

Wu Xia, Wang Peijuan, Gong Yanduo, Yang Jianying. Analysis of drought identification and spatio-temporal characteristics for summer corn in Huang-Huai-Hai Plain in year of 1961－2015[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 189－199. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.023 http://www.tcsae.org

2019-07-19

2019-08-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31771672和31701312）；中國氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)重點(diǎn)項(xiàng)目（2019Z015）

吳 霞，助理工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣象與生態(tài)遙感。Email：wuxia0428@163.com

王培娟，研究員，博士，主要從事生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)氣象研究。Email：wangpj@cma.gov.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.023

P49; S166

A

1002-6819(2019)-18-0189-11