遼寧省玉米干旱的時空分布特征分析

吳宜宣，嚴 俊，殷 紅，郭乃馨，趙媛媛，王 營

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，沈陽 110866；2.遼寧省氣象局，沈陽 110001)

玉米作為遼寧省第一大作物，種植面積約占整個地區(qū)的20%，遼寧省玉米產(chǎn)量欠豐將直接影響全國的玉米總產(chǎn)量。由于季風氣候影響與復雜地形制約，遼寧省降水量在時間與空間上分布不均，且常小于蒸散量，因而土壤常處于水分虧缺狀態(tài)，易發(fā)生農(nóng)業(yè)干旱。在全球氣候變化影響下，遼寧省氣候資源年際間波動較大[1-4],極端事件時有發(fā)生,加之不同熟性的玉米品種在遼寧種植區(qū)域北移東延[5-6],遼寧地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象災害的發(fā)生頻率與受災比率有增加趨勢。大量的研究表明，干旱已經(jīng)成為影響東北地區(qū)玉米生產(chǎn)最主要的災害之一[7]，在每個季節(jié)都會有干旱發(fā)生[7-8]，近10a來更是干旱發(fā)生頻次最多的時期[9]，引起這一現(xiàn)象的主要原因是溫度明顯升高，蒸散量增加速度遠超降水量的增長情況，從而導致東北地區(qū)濕潤程度降低，氣候干燥化明顯[10]。農(nóng)業(yè)干旱是削減遼寧乃至全國地區(qū)糧食生產(chǎn)的重要因素，旱災發(fā)生的頻次及受災面積呈現(xiàn)逐年擴大的趨勢，給遼寧省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全帶來巨大的損失。

關于干旱指標前人己有大量研究，但由于干旱的成因異常復雜，影響因素眾多，迄今為止還沒有找到一種普遍適用各種用途、適用于不同地區(qū)、不同時間段的干旱指標體系[11-15]，以降水資料為主的干旱指標通常有降水距平、標準降雨指數(shù)(SPI)、標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)[16-20]。其他有關作物形態(tài)的干旱指標在農(nóng)業(yè)研究中也常有應用[7]，然而，作物個體與取樣時段的差異常導致生理參數(shù)的測量結果有較大差異，使用該類指標時，常常需要大量取樣[21-25]。關于干旱的空間分布在中國也有著大量的研究，嚴中偉等[26]研究表明，1965年以后中國華北地區(qū)降水顯著減少，干旱化趨勢明顯，是一種應引起重視的全球尺度的氣候現(xiàn)象。中國北方、華南和西南地區(qū)干旱化趨勢顯著，極端干旱年干旱面積擴大迅速，干旱化與氣候變暖相疊加，將使北方地區(qū)干旱化趨勢進一步發(fā)展[27-29],北方大部地區(qū)暖干旱化加劇的主要原因是升溫影響蒸發(fā)潛力從而影響地表濕潤狀況，單一用降水來表示干旱具有局限性[30-31]。賀晉云等[32]對西南地區(qū)的干旱化進行分析，指出廣西南部、四川盆地西南與貴州北部極端干旱頻率顯著增加。有研究表明，中國干旱發(fā)生頻次在80年代前后，高發(fā)區(qū)地理分布發(fā)生一次年代際躍變，80年代至今，干旱高發(fā)區(qū)轉移到以前的低發(fā)區(qū)[33]。安昕等[34]研究遼西年降水和汛期降水的變化特征，發(fā)現(xiàn)遼西年降水量、汛期降水量年際間波動較大，近50a存在明顯減少趨勢，該趨勢加劇農(nóng)業(yè)干旱。此外，馬建勇等[35]利用區(qū)域氣候模式分析未來東北地區(qū)作物生長季(5-9月)干旱趨勢，認為在東北地區(qū)未來農(nóng)作物生長季將會呈現(xiàn)出明顯干旱化趨勢，并且干旱的發(fā)生范圍呈顯著增大趨勢。

本試驗以影響遼寧省玉米生產(chǎn)的主要氣象災害——干旱為研究對象，以長序列的氣象資料和作物生長發(fā)育資料為基礎，分析遼寧省玉米干旱的時空分布特征與成災規(guī)律，繪制遼寧地區(qū)玉米發(fā)育期干旱的時空分布圖，以期能夠及時、準確地判斷農(nóng)業(yè)氣象因子的異常變化，為遼寧省玉米的抗旱減災和增產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省地處中國東北的南部，地理位置在北緯38°43′～43°26′，東經(jīng)118°53′～125°46′，屬季風氣候區(qū)。氣候上有暖溫帶濕潤氣候、半濕潤氣候以及冷溫帶濕潤氣候、半濕潤氣候和半干旱氣候，同時，在遼東的部分中山地區(qū)出現(xiàn)氣候的垂直分帶。遼寧水少，屬于嚴重缺水的省份，省內(nèi)各地區(qū)降水的分布嚴重不均，本研究對遼寧省45個站點(圖1)的氣象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，進而分析遼寧地區(qū)玉米干旱的時空變化特征。

1.2 資料來源

氣象資料包括1961-2015年遼寧省45個空間代表性好、資料完整的氣象站點的逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，資料主要來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)共享服務平臺。

玉米觀測資料來源于國家統(tǒng)計局、國家農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司以及農(nóng)業(yè)氣象觀測站?！吨袊鴼庀鬄暮Υ蟮洹み|寧卷》、《中國氣象災害年鑒》(2005-2016 年)以及農(nóng)業(yè)部災情數(shù)據(jù)庫。

空間數(shù)據(jù)資料來源于全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)1∶100萬基礎地理數(shù)據(jù)庫。

1.3 研究方法

1.3.1 作物水分虧缺指數(shù)(CWDI) 作物水分虧缺指數(shù)是常用的農(nóng)業(yè)干旱指標之一，它被定義為作物需水量與自然供水量之間的差與作物需水量之比，用百分率表示[36-37]?？紤]到作物水分盈虧的累積效應對后期玉米生長發(fā)育的影響，在計算作物水分虧缺指數(shù)時，向前推50 d。其中，采用Penman-Monteith方法計算玉米需水量ETc，參照紀瑞鵬等[38]確立的玉米生育期作物系數(shù)(Kc)，對CWDI進行計算。將中國氣象行業(yè)標準《北方春玉米干旱等級》(QX/T259-2015)作為本研究的分級標準(表1)。

表1 玉米干旱分級Table 1 Grading of maize drought in different periods based on CWDI

1.3.2 干旱頻率 干旱頻率用來評價某氣象站點在研究時間段內(nèi)發(fā)生干旱頻發(fā)的程度[36]。

Fi=n/N×100%

式中：Fi為某氣象站發(fā)生某種程度干旱的次數(shù)(%)，n為該站點某生育期發(fā)生某種程度干旱的次數(shù)，N為總的研究年數(shù)。

1.3.3 干旱的站次比 干旱站次比用于反映研究區(qū)域內(nèi)，某種程度的干旱影響的范圍大小[37]。

Pi=m/M×100%

式中：Pi為干旱的站次比(%)，m為某種程度干旱發(fā)生的站點數(shù)，M為研究區(qū)域內(nèi)總的站點數(shù)。

1.3.4 ArcGIS軟件 ArcGIS 是全球功能最強大的GIS專業(yè)軟件，具有強大的符號制作功能，由ArcMap來實現(xiàn)符號的制作和管理，其精度高、占用空間小、操作性強，適用性廣[39]，可以用于玉米干旱時空分布特征的分析。

2 結果與分析

2.1 作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)在遼寧省的適用性

作物水分虧缺指數(shù)能夠準確、清晰地反映土壤、植物、氣象三方面因素的綜合影響，在干旱的研究方面更為宏觀、實用，能夠真實反映出作物水分的虧缺狀況，是較為常用的作物干旱診斷指標[40]。表2將1961-2015年部分站點的干旱情況與所計算的CWDI進行比較，進一步確定得出：所計算的CWDI與歷年數(shù)據(jù)基本吻合，指標可用。

表2 歷史干旱情況對照表Table 2 Comparison table for historical drought

2.2 遼寧省干旱頻率的空間分布

如圖2所示，在播種～出苗階段，整體干旱頻率大致呈現(xiàn)徑向分布，由遼寧西部向遼寧東部減小，干旱發(fā)生頻率最高值出現(xiàn)在建平，值為 98.18%，最低值出現(xiàn)在寬甸，值為38.20%。遼西大部與遼東半島為這一階段干旱的高發(fā)區(qū)。全省平均輕旱、中旱、重旱、特旱頻率分別為 30.30%、18.26%、14.34%、15.60%，以玉米輕度干旱出現(xiàn)頻率最高。阜新、建平、綏中等地發(fā)生特重度干旱的頻率高于輕度干旱，在遼寧大部地區(qū)，干旱頻率高于68.19%，各級干旱在這一階段均有發(fā)生，且程度嚴重，影響范圍廣。

如圖3所示，在出苗～拔節(jié)階段，在站點熊岳干旱頻率達到遼寧省的最高值90.90%，在站點寬甸干旱頻率達到遼寧地區(qū)的最低值9.09%，其中，發(fā)生高頻率干旱的地區(qū)分布不集中，在西北部、北部和南部均有體現(xiàn)，靠近遼寧東部的干旱發(fā)生頻率降到較低值。全省平均輕旱、中旱、重旱、特旱頻率分別為32.12%、11.47%、5.09%、 2.10%，發(fā)生頻率與干旱程度等級呈現(xiàn)負相關。營口、大連為重度干旱、特重度干旱易發(fā)區(qū)，其中營口發(fā)生重度干旱的頻率為18.18%，發(fā)生特重度干旱的頻率為 20.00%，在大連發(fā)生重度干旱的頻率為21.82%，發(fā)生特重度干旱的頻率為 21.82%。在桓仁僅發(fā)生輕度干旱，其頻率為 29.09%，輕度干旱成為玉米生育期這一階段的主要干旱情況。

圖4所示，在拔節(jié)～抽穗階段，遼寧東部整體～遼寧西部，干旱頻率呈現(xiàn)先增減后減少的趨勢，在站點營口干旱頻率達到遼寧地區(qū)的最高值83.35%，在站點寬甸干旱頻率達到遼寧地區(qū)的最低值20.02%，大洼、營口、熊岳、瓦房店、莊河、大連等地較其他地區(qū)發(fā)生重度干旱的頻率高，建平縣的干旱頻率高于臨縣，干旱頻率高于60%的范圍較小。全省平均輕旱、中旱、重旱、特旱頻率分別為33.17%、11.72%、6.1%、3.47%，發(fā)生頻率與干旱程度等級呈現(xiàn)負相關。相對于本階段其他地區(qū)而言，營口、大連為中度干旱易發(fā)區(qū)，重旱、特旱在營口、大連的發(fā)生頻率較其他地區(qū)高。輕度干旱為拔節(jié)～抽穗這一階段的主要干旱情況。

如圖5所示，在抽穗～乳熟階段，整體干旱頻率大致呈現(xiàn)經(jīng)向分布，由西向東整體的干旱發(fā)生頻率呈現(xiàn)遞減趨勢。在站點建平干旱頻率達到遼寧地區(qū)的最高值58.17%，在站點寬甸干旱頻率達到遼寧地區(qū)的最低值3.64%，綏中、興城等地較其周圍地區(qū)頻率較低，干旱頻率大于50%的站點僅有建平、朝陽、葉柏壽、凌源、臺安、大洼、營口、熊岳8個站點，分布在遼寧西部地區(qū)。全省平均輕旱、中旱、重旱、特旱頻率分別為18.42%、10.38%、6.02%、1.62%，發(fā)生頻率與干旱程度等級呈現(xiàn)負相關。在桓仁僅發(fā)生輕度干旱的頻率為7.27%，在建平、綏中、錦州、營口、大連、昌圖等地發(fā)生重度干旱的頻率較其他地區(qū)高，但輕度干旱仍是這一階段的主要干旱情況。

如圖6所示，在乳熟～成熟階段，整體干旱頻率大致呈現(xiàn)經(jīng)向分布，在站點建平干旱頻率達到遼寧地區(qū)的最高值67.27%，在站點本溪干旱頻率達到遼寧地區(qū)的最低值1.82%，這一階段干旱頻率高于50%的區(qū)域較小，各地發(fā)生干旱的頻率均有所下降。在遼寧中東部地區(qū)，發(fā)生干旱的頻率低于31.59%，全省平均輕旱、中旱、重旱、特旱頻率分別為15.56%、8.40%、3.15%、0.97%，發(fā)生頻率與干旱程度等級呈現(xiàn)負相關。輕旱在建平的干旱頻率較高，達到40.00%，在桓仁、丹東等地僅發(fā)生輕度干旱，大部分地區(qū)發(fā)生特重度干旱的頻率為0%，輕度干旱對這一階段玉米構成主要影響。

總的來說，遼寧地區(qū)玉米在生育前期比后期遭遇干旱的可能性大，在生育期的任一階段，輕旱、中旱發(fā)生的頻率大于重旱、特旱。就遼寧省整體而言，各個時期干旱頻率大致呈現(xiàn)徑向分布，表現(xiàn)為遼西向遼東遞減的趨勢，建平、營口、熊岳等地發(fā)生干旱的頻率在玉米生育期的各個階段均處于較高值，為主要高頻區(qū)。桓仁較少發(fā)生輕度干旱以上等級的干旱，本溪、寬甸等地的干旱頻率為生育期各個階段的較低值，為主要低頻區(qū)。

2.3 遼寧省玉米干旱范圍的年際變化(站次比)

圖7顯示玉米生育期內(nèi)各個時段干旱范圍的年際變化，在1961-2015年，播種～出苗階段出現(xiàn)干旱的站次比情況高達100%的有10 a，其中，2001年發(fā)生的干旱程度均在中旱以上，重旱、特旱尤為明顯，所占比例較大。在1964年、2009年、2010年里，干旱程度較輕，未發(fā)生輕旱程度以上的干旱，播種～出苗時期易發(fā)生干旱。出苗～拔節(jié)階段出現(xiàn)干旱的站次比最高值為 98%，出現(xiàn)特旱的年份有24 a，大部分為輕旱、中旱、重旱，只有1990年、2005年、2010年這 3 a未出現(xiàn)干旱，干旱站次比為0%。20 世紀 90 年代以來站次比的波動較大，這一時期里，干旱發(fā)生的站次比低于上一時期。拔節(jié)～抽穗階段的干旱站次比高達100%有3 a，分別為1997年、2000年、2007年，干旱總的站次比在50%左右，在80至90年代之間，中旱及以上程度干旱的站次比都較小，其中，輕旱成為這一階段干旱的主要部分，近年來，雖然中旱及以上程度干旱所占比例均有所增加，但輕旱仍然有較大比例，例如2007年玉米輕旱程度達76.92%，1994年玉米輕旱程度達73.08%。抽穗～乳熟這一階段里，1964年、1977年這2 a里干旱的站次比為0%。這55 a的平均干旱站次比為35%，輕旱、中旱為主要的干旱情況，其發(fā)生的站次比情況呈現(xiàn)增長趨勢，在部分發(fā)生干旱程度達到特旱的年份里，特旱所占比例平均低于8%。乳熟～成熟階段極少出現(xiàn)特旱情況，干旱發(fā)生總的站次比極少數(shù)(1989年、2014 年)高于80%，輕旱、中旱為這一時期的主要情況，2005年只發(fā)生了輕旱，并且輕旱站次比為40.38%，在80年代至90年代，近乎沒有發(fā)生干旱，90年代以來，重旱發(fā)生的站次比波動較大。

總的來說，播種～出苗階段，平均站次比為78.9%，為生育期內(nèi)5個階段的最高值，相對于生育期內(nèi)的其他階段而言，該時期易發(fā)生干旱。出苗～拔節(jié)階段平均站次比為52.7%，拔節(jié)～抽穗階段平均站次比為54.7%，在這兩個階段里，干旱的發(fā)生仍以輕旱為主。抽穗～乳熟階段，干旱的平均站次比減小為35.9%，乳熟～成熟階段平均站次比為29.5%，達到整個生育期的最低值，相比較而言，干旱的等級程度也較低，最不易發(fā)生干旱。輕旱、中旱為玉米整個生育期內(nèi)干旱情況的主要體現(xiàn)。

3 討 論

本文基于長時間尺度，利用已知氣象站點的數(shù)據(jù)資料，結合干旱指標，計算遼寧地區(qū)玉米生育期各個階段各個站點的作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)、干旱站次比及干旱頻率，分析遼寧省玉米干旱的時空分布規(guī)律。通過對遼寧部分站點不同時間段的作物水分虧缺指數(shù)與歷年歷史記錄的干旱情況相比較，結果發(fā)現(xiàn)，作物水分虧缺指數(shù)能較真實地反映出作物水分的虧缺狀況，在遼寧地區(qū)適用性好?？傮w而言，本世紀以來，玉米水分虧缺程度有所增加。在播種～出苗期玉米作物水分虧缺指數(shù)較大，為最易發(fā)生玉米干旱的階段。隨著玉米的生長，作物水分虧缺指數(shù)明顯下降。在氣候變暖的背景下，遼寧地區(qū)干旱的發(fā)生頻率呈現(xiàn)不規(guī)律性，沒有明顯的線性變化趨勢。從遼寧省玉米干旱空間分布來看，干旱發(fā)生頻率在玉米生育期的大部分時間內(nèi)呈現(xiàn)出西部最高、中部次之、東部最低的空間分布規(guī)律，這與生育期內(nèi)遼寧省由西向東降水量的增加有直接關系。在出苗～拔節(jié)、拔節(jié)～抽穗這一階段時，干旱發(fā)生頻率由西向東表現(xiàn)為先增后減，這與降水量的分布有所不同，可能是由于其他因素對該階段干旱產(chǎn)生的影響，但是本文并沒有考慮其他因素，這有待于今后的進一步研究。各等級干旱發(fā)生頻率基本上呈現(xiàn)出遞減的趨勢(輕旱>中旱>重旱>特旱)，這些與前人的研究結果總體一致[41-42]。

作物系數(shù)(Kc)對準確計算農(nóng)田實際蒸散量有很大程度的影響，不同區(qū)域之間的差異較大，考慮作物的需水特性，能夠更好地反映作物在生長過程中的缺水情況[43]，然而，本文在計算CWDI時，對不同區(qū)域及不同生育期的Kc采用了固定值，這可能會造成整個地區(qū)玉米干旱的時空分析的不連續(xù)性。此外，監(jiān)測和預測干旱常用的方法是構造干旱指標。本文使用的是作物水分虧缺指數(shù)，未來的研究中可以運用其他指數(shù)進行一定的數(shù)據(jù)處理與分析，從而更好地比較干旱的發(fā)生情況，確立更適合更具有指示意義的干旱指標。

遼寧地區(qū)玉米干旱的時空分布特征分析對遼寧地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定的指導意義，對未來氣候變化有警示作用。本研究結果是以45個典型代表站為研究對象得出的宏觀結論，還需結合歷年產(chǎn)量，進一步完善和驗證，增加結論的可靠性和實用性，以此服務于地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4 結 論

作物水分虧缺指數(shù)在遼寧地區(qū)的適用性較好，能夠用來反映遼寧地區(qū)玉米水分的虧缺程度。遼寧地區(qū)45個站點的干旱站次比差異顯著，在玉米生育期的各個階段站次比處于波動變化的狀態(tài)，沒有明顯的線性變化趨勢。在生長初期，較易發(fā)生干旱，不同等級干旱站次比較其他階段高，對于抽穗～乳熟、乳熟～成熟階段而言，站次比的年際波動較大。近年來，各生育期各等級的玉米干旱范圍均有擴大趨勢。遼寧省年均干旱發(fā)生頻率大體表現(xiàn)為西高東低，其發(fā)生強度在空間分布上也有所不同，各等級干旱發(fā)生頻率基本上呈現(xiàn)出遞減的趨勢(輕旱>中旱>重旱>特旱)。對于玉米整個生育期而言，發(fā)生干旱的頻率隨著玉米的生長呈現(xiàn)遞減的趨勢。