曹永強(qiáng), 王怡涵, 馮興興, 喬鶴
(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,遼寧 大連 116029)
我國是世界上受到自然災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一[1],災(zāi)害形式多種多樣。農(nóng)業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),氣候變化會(huì)直接影響糧食安全和可持續(xù)發(fā)展[2-3]。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,由于天氣因素所引發(fā)的氣象災(zāi)害數(shù)占我國所有自然災(zāi)害數(shù)的70%,影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害類型為干旱、洪澇、低溫冷凍、風(fēng)雹等,其中,旱災(zāi)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最為嚴(yán)重,占?xì)庀鬄?zāi)害數(shù)量的50%[4-5],并且對(duì)人類的生存與發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[6]。干旱問題對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響最為直接,如何應(yīng)對(duì)干旱問題已成為目前最重要的研究熱點(diǎn)。
眾多學(xué)者采用降水指數(shù)、生育階段模型、評(píng)估模型、農(nóng)業(yè)干旱參考指數(shù)等方法對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行干旱研究。MCKEE T B等[7]使用降水指數(shù)對(duì)干旱特征進(jìn)行分析,證明該指數(shù)對(duì)干旱特征分析具有適用性。DESALEGN C Edossa等學(xué)者[8]使用帕爾默干旱強(qiáng)度指數(shù)[9-10]研究1981至2015年尼日利亞北部地區(qū)(NRN)的干旱事件數(shù),結(jié)果表明,最嚴(yán)重的干旱事件多發(fā)生于1998年至2001年,其次是2006年至2008年。HONG Wu使用農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型分析研究內(nèi)布拉斯加州干旱情況,結(jié)果表明,可以很好地提供可視化效果[11]。國內(nèi)學(xué)者李偉光等通過標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)指數(shù)對(duì)中國1951年至2009年干旱的時(shí)空分布情況進(jìn)行分析,結(jié)果表明,時(shí)間上,我國四季均有干旱情況發(fā)生,空間上,我國西部地區(qū)、華北地區(qū)和東北地區(qū)的干旱較為嚴(yán)重[12];吳霞等[13]將標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)與實(shí)際干旱災(zāi)情數(shù)據(jù)結(jié)合,構(gòu)建夏玉米干旱指數(shù),從不同時(shí)間尺度分析1961—2015年黃淮海平原夏玉米在生長季內(nèi)的干旱時(shí)空分布特征,結(jié)果表明,黃淮海地區(qū)夏玉米在生長階段的干旱較嚴(yán)重;劉宗元等[14]使用農(nóng)業(yè)干旱參考指數(shù)(Agricultural Reference Index for Drought,ARID),分析1960—2010年西南地區(qū)玉米干旱頻率空間分布特征,并驗(yàn)證了該參考指數(shù)對(duì)干旱研究具有適用性。上述使用參考指數(shù)的研究雖然能夠反映不同時(shí)間尺度的降水特征,并能分析干旱變化,卻不能很好地結(jié)合農(nóng)作物本身的性質(zhì),以及結(jié)合土壤深度、濕度和氣候三因素進(jìn)行分析。而作物水分虧缺指數(shù)(Crop Water Deficit Index,CWDI)是常用的農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)之一,能夠較好地反映作物、氣象和土壤對(duì)干旱的綜合影響[15],并且依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)下的逐旬作物參考系數(shù)可以得出水分虧缺的變化情況[16],為準(zhǔn)確分析農(nóng)業(yè)干旱變化奠定基礎(chǔ)。
河北省地處華北平原,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,降水空間分布不均勻,東南多、西北少,為干旱多發(fā)地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),由于干旱原因,造成華北地區(qū)的糧食損失量在過去60 a不斷增加[17]。玉米是我國主要糧食產(chǎn)物之一,現(xiàn)如今玉米已經(jīng)是各種食品、不同飼料、發(fā)酵工業(yè)和精細(xì)化工產(chǎn)品的重要原料,在全球的食品安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著至關(guān)重要的作用[18]。河北省是我國玉米的主要產(chǎn)地。夏玉米在生長季內(nèi)的需水量較多,由于氣候因素的影響,降水量有所下降[19-20],在生長季內(nèi)常常會(huì)出現(xiàn)階段性的干旱[21]。本文基于水分虧缺指數(shù)對(duì)河北省夏玉米不同生育期進(jìn)行干旱時(shí)空分析,以分析結(jié)果為依據(jù)對(duì)河北省夏玉米的合理布局和抗旱減災(zāi)提供一定的參考和理論支撐。
研究區(qū)位于河北省中南部,北緯36°05′~42°40′、東經(jīng)113°27′~119°50′,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明;年日照時(shí)數(shù)2 303.1 h,年無霜期81~204 d;年均降水量484.5 mm,降水量分布特點(diǎn)為東南多、西北少;1月份的平均氣溫在3 ℃以下,7月的平均氣溫為18~27 ℃。河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)主要分布在除張家口、秦皇島和承德以外的其他地區(qū)[22],文中選取邢臺(tái)、石家莊、霸州、保定、饒陽、黃驊和邯鄲7個(gè)市(縣)作為研究區(qū),針對(duì)夏玉米主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行干旱分析。研究區(qū)域概況及氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。
圖1 河北省夏玉米研究區(qū)
文中所需氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),包括河北省邢臺(tái)、石家莊、霸州、保定、饒陽、黃驊和邯鄲等7個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、風(fēng)速等,時(shí)間尺度為1967—2017年。河北省夏玉米生育期劃分見表1。
表1 河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)生育期劃分
作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)是表示作物水分虧缺程度的指標(biāo)之一,水分虧缺指數(shù)用百分率表示作物需水量與實(shí)際供水量的差值,參考張艷紅等學(xué)者[15]的研究,作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)采用如下計(jì)算公式:
CWDI=aCWDIi+bCWDIi-1+cCWDIi-2+dCWDIi-3+
eCWDIi-4。
(1)
式中:從作物生育階段開始的那天算起,向作物生長前期推算5旬,10 d為1旬;CWDI指的是作物在該生育階段1 d的值;CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別代表第i旬與其余4旬的水分虧缺指數(shù);a、b、c、d、e分別為水分虧缺指數(shù)所對(duì)應(yīng)的累計(jì)權(quán)重系數(shù),其取值一般為0.30、0.25、0.20、0.15、0.10。
CWDIi表達(dá)式為:
(2)
式中:CWDIi為第i旬的作物水分虧缺指數(shù),%;Pi為第i旬作物需水量,mm;ETi為第i旬作物需水量,mm,其表達(dá)式為:
ETi=Ki·ETO
(3)
式中:Ki為作物對(duì)應(yīng)時(shí)期的系數(shù),從FAO(聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織)編寫的《作物需水計(jì)算》中查找標(biāo)準(zhǔn)條件下夏玉米所對(duì)應(yīng)的作物系數(shù)分別為前期Kcini(Tab)=0.3、中期Kcimd(Tab)=1.2、后期Kcend(Tab)=0.6[23],該標(biāo)準(zhǔn)值適用于河北地區(qū)[24];ETO為蒸散量,采用彭曼公式計(jì)算[25]。
2.2.1 農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)
依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》對(duì)CWDI進(jìn)行了分級(jí),具體見表2。
表2 作物水分虧缺指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)
2.2.2 干旱頻率的計(jì)算
以旬為單位時(shí)間長度計(jì)算生育期不同階段的干旱發(fā)生頻率,具體計(jì)算公式如下:
(4)
式中:N為該生育階段該旬出現(xiàn)某一旱級(jí)的次數(shù);n為統(tǒng)計(jì)的總年數(shù)。
干旱站次比用于評(píng)價(jià)該區(qū)域的干旱影響范圍。干旱站次比是針對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行計(jì)算的,該區(qū)域發(fā)生干旱的站次數(shù)與該區(qū)域全部站數(shù)之比。干旱站次比計(jì)算公式如下:
(5)
式中:M為發(fā)生干旱的站次數(shù);m為該區(qū)域的全部站數(shù);i為年份對(duì)應(yīng)序號(hào)。
干旱影響范圍的描述:當(dāng)yi<10%時(shí),無明顯干旱;當(dāng)10%≤yi<25%時(shí),局部干旱;當(dāng)25%≤yi<33%時(shí),部分區(qū)域干旱;當(dāng)33%≤yi<50%時(shí),區(qū)域性干旱;當(dāng)yi≥50%時(shí),該區(qū)域一半以上面積發(fā)生干旱。
河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)氣象站點(diǎn)測(cè)算的夏玉米在生育期內(nèi)的平均降水量和需水量結(jié)果見表3。由表3可知,河北省主產(chǎn)區(qū)夏玉米需水量為27~139 mm,主產(chǎn)區(qū)的降水量為5~45 mm。在整個(gè)生育期中,邯鄲的降水量最大,而需水量最小。在快速發(fā)育期和生育中期各區(qū)的需水量大,均為100 mm以上;5~45 mm降水量的情況在快速發(fā)育期和生育中期較常見??梢姡谏A段,降水量皆未達(dá)到需水量的要求,快速發(fā)育期和生育中期尤為缺水,這與河北省所處地理位置有關(guān)。河北省所處的地理位置致使該省水資源分布不均勻,呈東多西少、南多北少的分布格局,華北地區(qū)水資源供應(yīng)緊張[26],這與趙晗等[27]的研究結(jié)果一致,需要借助灌溉技術(shù)來保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行,并且灌溉管理是重點(diǎn)[28]。
表3 1967—2017年河北省主產(chǎn)區(qū)夏玉米不同生育階段的平均降水量(P)和需水量(W) mm
依據(jù)公式(4)計(jì)算河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)各氣象站點(diǎn)在各個(gè)生育期干旱發(fā)生的頻率,結(jié)果見表4。由表4可知,河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)輕旱發(fā)生的頻率為12%~90%,其中播種到出苗期幾乎無輕旱發(fā)生,石家莊區(qū)域在該生育階段只有1 a發(fā)生過重旱,頻率為2%,霸州區(qū)域在夏玉米該生育期只有1 a發(fā)生過輕旱,頻率為4%;出苗到拔節(jié)期輕旱頻率為12%~50%;拔節(jié)到抽雄期輕旱頻率為62%~78%;抽雄到成熟期間輕旱頻率為56%~90%。7個(gè)氣象站點(diǎn)輕旱頻率差值較大,拔節(jié)到抽雄期和抽雄到成熟期的輕旱頻率大于其他幾個(gè)生育階段的。該夏玉米主產(chǎn)區(qū)中旱發(fā)生的頻率為2%~72%,其中,出苗到拔節(jié)期的中旱頻率為8%~62%,除邢臺(tái)地區(qū)在夏玉米該生育期的中旱頻率為58%,其余地區(qū)在夏玉米該生育期的中旱頻率均小于30%;拔節(jié)到抽雄期,只有邢臺(tái)地區(qū)的中旱頻率為60%,其余地區(qū)的中旱頻率均低于50%;抽雄到成熟期的中旱頻率為8%~72%。該夏玉米主產(chǎn)區(qū)重旱發(fā)生的頻率為2%~60%,其中播種到出苗期無重旱發(fā)生,出苗到拔節(jié)期只有邢臺(tái)地區(qū)的重旱頻率為42%,其余地區(qū)在夏玉米該生育階段的重旱頻率均低于12%,拔節(jié)到抽雄期的重旱頻率為8%~26%,抽雄到成熟期,只有邢臺(tái)地區(qū)的重旱頻率為2%,其余地區(qū)的重旱頻率均高于32%。特旱發(fā)生的頻率為2%~18%,其中播種到拔節(jié)期無特旱發(fā)生,拔節(jié)到抽雄期只有邢臺(tái)地區(qū)的特旱頻率為18%,其余地區(qū)在夏玉米該生育階段的特旱頻率均低于6%,抽雄到成熟期的特旱頻率為2%~10%。
綜合看7個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)資料,中旱在抽雄到成熟期發(fā)生的頻率最高;重旱發(fā)生的頻率為2%~60%;大部分地區(qū)發(fā)生干旱的頻率為10%~30%;7個(gè)氣象站點(diǎn)在拔節(jié)到抽雄期和抽雄到成熟期發(fā)生重旱的頻率較高;特旱發(fā)生的頻率為2%~18%。由此知,輕旱、中旱、重旱和特旱發(fā)生的頻率較高時(shí)期在拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟期。
3.3.1 夏玉米各生育階段干旱的空間變化
依據(jù)公式(1)—(3)計(jì)算出河北省主產(chǎn)區(qū)夏玉米各生長階段的CWDI值。結(jié)合CWDI值與表1中的作物水分虧缺指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱等級(jí),利用ArcGIS得到河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)夏玉米各生育階段的干旱頻率空間分布,如圖2所示。
由圖2可以看出:1967—2017年,河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)在播種至出苗期降水相對(duì)較多,因此,干旱頻率均較低,沒有嚴(yán)重的干旱發(fā)生;在出苗到拔節(jié)期間,主產(chǎn)區(qū)受到的干旱影響程度大于播種到出苗期的,主要是這段時(shí)期的降水量偏少造成的;7個(gè)主產(chǎn)區(qū)均受到不同程度的干旱影響,輕旱發(fā)生的頻率比較高,主要出現(xiàn)在石家莊地區(qū)及其周邊地區(qū),中旱主要發(fā)生在邢臺(tái)地區(qū),輕旱和中旱發(fā)生的原因很大程度上與超采地下水有關(guān),自然環(huán)境條件下的地表水資源不足與無節(jié)制的采集地下水現(xiàn)象并存,導(dǎo)致石家莊和邢臺(tái)地區(qū)的干旱現(xiàn)象嚴(yán)重[29];拔節(jié)到抽雄期間是夏玉米生長的關(guān)鍵時(shí)期,該時(shí)期降水偏少,這一時(shí)期7個(gè)夏玉米主產(chǎn)區(qū)均有輕旱和中旱發(fā)生,輕旱發(fā)生在石家莊和邯鄲地區(qū),中旱發(fā)生在邢臺(tái)及其周邊地區(qū);抽雄到成熟期,7個(gè)夏玉米主產(chǎn)區(qū)均有輕旱發(fā)生,除邢臺(tái)地區(qū)外,其余6個(gè)地區(qū)均有較大面積的輕旱發(fā)生;中旱發(fā)生在石家莊及其周邊地區(qū),重旱發(fā)生在邯鄲、饒陽和黃驊地區(qū)。
綜合4個(gè)生育階段來看,夏玉米在整個(gè)生育期內(nèi),拔節(jié)—抽雄和抽雄—成熟時(shí)期的干旱現(xiàn)象最為嚴(yán)重,且以輕旱和中旱為主,將近全部地區(qū)受到了干旱的影響,由于這兩段時(shí)期是玉米生長成熟的關(guān)鍵時(shí)期,所需要的水分相對(duì)較多,而此時(shí)華北地區(qū)氣溫下降導(dǎo)致低壓活動(dòng)減緩,不利于降水,使降水量下降[30]。因此,這兩段時(shí)期河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的干旱情況較其他生育期的嚴(yán)重。
3.3.2 夏玉米各生育階段干旱的時(shí)間變化
通過公式(1)—(3)計(jì)算出河北省夏玉米7個(gè)主產(chǎn)區(qū)的CWDI值,分析夏玉米生育期的水分虧缺指數(shù)的年際變化特征。由于出苗到播種這一時(shí)期幾乎無干旱發(fā)生,因此,將出苗至拔節(jié)作為一個(gè)時(shí)期進(jìn)行分析,生育期的CWDI分析結(jié)果如圖3所示。
圖3 河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)的年際變化
由圖3可知:1967—2017年,河北省夏玉米在播種到拔節(jié)期,CWDI值為0%~32%,整體波動(dòng)起伏不是特別明顯,且主產(chǎn)區(qū)都處于無旱狀態(tài),CWDI最高值為32%,出現(xiàn)在1974年,最低值為1%,出現(xiàn)在2013年;在拔節(jié)至抽雄期間,主產(chǎn)區(qū)的CWDI值波動(dòng)起伏較大,波動(dòng)范圍為9%~60%,干旱(CWDI>35%)的年份有17 a,說明和上一個(gè)生育期相比,該生育期的干旱頻率有所增加,這些情況的出現(xiàn)與夏玉米在整個(gè)生育期關(guān)于光照、降水和溫度的綜合適宜性有關(guān),在播種到拔節(jié)期間的適宜程度較高,而拔節(jié)到抽雄期的適宜程度較低[31],導(dǎo)致作物CWDI值出現(xiàn)起伏;1996—1997年,河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的CWDI值驟然增加,出現(xiàn)最大值60%(最低值9%出現(xiàn)在1995年),整體的CWDI值呈下降趨勢(shì);1967—1976年,河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的CWDI值呈現(xiàn)波動(dòng)式下降,期間出現(xiàn)3個(gè)波峰;1977—1986年的CWDI值在14%和49%之間波動(dòng),1996—2006年的CWDI值出現(xiàn)最高值,CWDI值在此時(shí)段驟然增高再緩慢下降,2007—2017年的CWDI值開始出現(xiàn)波動(dòng)下降;在抽雄—成熟期間,雖然和拔節(jié)—抽雄期的CWDI值略有不同,但CWDI值的變化趨勢(shì)和上一個(gè)生育階段的變化趨勢(shì)基本持平;在1968年,CWDI有一個(gè)最高值,為56%;在1995年,CWDI有一個(gè)最低值,為11%;1967—2017年,干旱年份有29 a,CWDI值在該時(shí)期整體呈下降趨勢(shì),說明該區(qū)域干旱頻率在降低。
綜合CWDI值的變化情況,1967—2017年,河北省夏玉米在出苗至拔節(jié)期無干旱發(fā)生,CWDI值變化不是很明顯,拔節(jié)至抽雄期和抽雄至成熟期的CWDI值變化趨勢(shì)大致相同,均呈現(xiàn)起伏波動(dòng)下降趨勢(shì),這一結(jié)論與薛昌穎等[32]的研究結(jié)論一致;拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟期雖然有干旱發(fā)生,但是干旱程度有逐漸減輕的趨勢(shì),拔節(jié)—抽雄期干旱嚴(yán)重的時(shí)段為1996—1997年,抽雄—成熟期發(fā)生最為嚴(yán)重干旱的年份為1968年,這與實(shí)際干旱情況及已有的干旱研究結(jié)論相吻合[33]。
文中運(yùn)用氣象數(shù)據(jù)計(jì)算河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的7個(gè)氣象站點(diǎn)的作物水分虧缺指數(shù)(CWDI),對(duì)1967—2017年河北省夏玉米的干旱變化特征進(jìn)行了時(shí)空分析,得出河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)的干旱情況有以下幾個(gè)特點(diǎn):
1)河北省主產(chǎn)區(qū)夏玉米需水量為27~139 mm,而該主產(chǎn)區(qū)的降水量為5~45 mm。生育期內(nèi)降水量未能滿足需水量的要求,快速發(fā)育期和生育中期尤為缺水。
2)從夏玉米生育期內(nèi)CWDI值的干旱頻率來看,拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟時(shí)期是影響夏玉米成熟結(jié)果的關(guān)鍵時(shí)期,這2個(gè)時(shí)期所有等級(jí)的干旱均有發(fā)生,且以輕旱和中旱為主。
3)從夏玉米生長季內(nèi)的空間上看,將近全部地區(qū)受到了干旱的影響,石家莊、饒陽、邯鄲和黃驊地區(qū)夏玉米的拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟時(shí)期的干旱情況最為嚴(yán)重。
4)從夏玉米干旱情況的年際變化趨勢(shì)來看,出苗—拔節(jié)期間無干旱發(fā)生,拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟期夏玉米主產(chǎn)區(qū)的CWDI值變化趨勢(shì)大致相同,均呈現(xiàn)起伏波動(dòng)的下降趨勢(shì),即1967—2017年,河北省主產(chǎn)區(qū)夏玉米在拔節(jié)—抽雄期和抽雄—成熟期雖然有干旱發(fā)生,但是程度有逐年減輕的趨勢(shì),拔節(jié)—抽雄期干旱嚴(yán)重的時(shí)期為1996—1997年,抽雄—成熟期出現(xiàn)最為嚴(yán)重的干旱年份為1968年。
5)整體來看,河北省夏玉米在生育期內(nèi),石家莊、饒陽、邯鄲和黃驊地區(qū)的干旱程度較高,其余地區(qū)均有輕微的干旱發(fā)生。
基于水分虧缺指數(shù)研究河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)在生育期內(nèi)的干旱時(shí)空變化,與基于其他指數(shù)[34]的研究相比,后者僅針對(duì)地表濕潤程度進(jìn)行研究,而前者不僅能表征深度方向土壤濕度的變化情況,還結(jié)合了氣候因素,更能準(zhǔn)確地分析夏玉米干旱情況的變化過程。研究發(fā)現(xiàn),河北省夏玉米在生育期內(nèi)干旱的頻率較高,這與楊平等[35]的研究結(jié)論一致;從空間分布情況來看,石家莊、饒陽、邯鄲和黃驊地區(qū)在夏玉米拔節(jié)—抽雄和抽雄—成熟時(shí)期的干旱情況最為嚴(yán)重,這一結(jié)論與馬鵬里等[36]的研究結(jié)果一致。因此,使用CWDI值對(duì)河北省夏玉米的干旱情況進(jìn)行研究,合理且適用。
文中關(guān)于夏玉米的研究尚存在不足之處,如人類活動(dòng)會(huì)影響水分虧缺的變化,在以后的研究中應(yīng)進(jìn)一步加深對(duì)多種因素導(dǎo)致干旱發(fā)生的認(rèn)識(shí),通過提高數(shù)據(jù)精度來降低結(jié)果的不確定性。