近40 a淄博冬小麥生育期干旱風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分布特征

劉 巖，葛瑞婷，環(huán)海軍

（山東省淄博市氣象局，山東 淄博 255000）

干旱是當(dāng)今世界面臨的主要自然災(zāi)害之一，其發(fā)生頻率高、時(shí)間長(zhǎng)、影響面廣，給人民群眾的生產(chǎn)和生活造成了很大的影響。全球變暖導(dǎo)致極端天氣事件頻繁出現(xiàn)，干旱災(zāi)害仍有加重的趨勢(shì)，引發(fā)的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重［1-4］。我國(guó)的干旱災(zāi)害頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1997—2015年我國(guó)農(nóng)作物干旱受災(zāi)面積年均2129.38萬(wàn)hm2、成災(zāi)面積年均1174.50萬(wàn)hm2，均占各類災(zāi)害受災(zāi)、成災(zāi)總面積的50%以上［5-6］。山東省是我國(guó)第二大小麥主產(chǎn)區(qū)，淄博市位于山東省的中北部，是山東省的糧食高產(chǎn)區(qū)之一，也是魯中小麥的主要生產(chǎn)區(qū)［7］，其作物生長(zhǎng)季的降水量有限且時(shí)空分布不均，局部、階段性干旱幾乎每年發(fā)生，嚴(yán)重威脅著該區(qū)域的小麥生產(chǎn)［8］，因此，對(duì)淄博市開(kāi)展冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)研究顯得十分重要。

眾多學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域采用了不同干旱指標(biāo)、評(píng)估模型等進(jìn)行了分析。曹陽(yáng)等［9］研究了我國(guó)1962—2010年干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響，認(rèn)為因干旱造成的減產(chǎn)整體呈上升態(tài)勢(shì)；薛運(yùn)宏等［10］利用標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)評(píng)估了河南省信陽(yáng)市冬小麥生育期干旱的發(fā)生情況；馬春平等［11］以降水量距平為干旱指標(biāo)，分析了河南省廊坊市冬小麥各生育期干旱的時(shí)空分布特征；曹永強(qiáng)等［12］利用作物水分虧缺指數(shù)分析了河北省夏玉米不同生育期干旱的變化情況。作物水分虧缺是引起作物減產(chǎn)的重要原因，基于Penman公式計(jì)算的作物水分虧缺指數(shù)(Crop Water Deficit Index, CWDI)是常用的農(nóng)作物干旱指數(shù)之一，對(duì)冬小麥干旱具有良好的適用性，其綜合考慮了作物、土壤、氣象條件的影響，可逐旬監(jiān)測(cè)作物水分虧缺的變化情況［13-15］。

本文應(yīng)用作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)分析了淄博市冬小麥干旱的時(shí)空變化特征，以及探討了其對(duì)氣象因子的敏感性，以期為淄博市冬小麥應(yīng)對(duì)氣象干旱、合理灌溉提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究資料時(shí)序?yàn)?981—2020年。其中，氣象數(shù)據(jù)來(lái)自淄博市8個(gè)國(guó)家氣象站，包括逐日平均氣溫、降水量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速等。冬小麥發(fā)育期數(shù)據(jù)來(lái)源于淄博市農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站。

1.2 研究方法

1.2.1 作物水分虧缺指數(shù)根據(jù)作物水分虧缺指數(shù)的定義，同時(shí)考慮前期水分虧缺累積效應(yīng)的影響，其計(jì)算公式為［16-17］：

式（1）中：CWDI為作物第i旬的水分虧缺累積值，CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4為各旬水分虧缺指數(shù)，a、b、c、d、e為各旬水分虧缺指數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，取值分別為0.30、0.25、0.20、0.15、0.10［18］。

CWDIi的計(jì)算公式為：

式（2）中：ETc為第i旬作物需水量(mm)，pi為第i旬降水量(mm)。ETc的計(jì)算公式為：

式(3)中：ET0為參考作物蒸散量(mm/d)，通過(guò)Penman公式［19］計(jì)算得出。Kc為作物系數(shù)，淄博冬小麥生育期10—翌年6月的作物系數(shù)Kc的參考值 分 別 為0.67、0.70、0.74、0.64、0.64、0.90、1.22、1.13、0.83［20］。

1.2.2 敏感性分析敏感性分析最早由McCuen提出，是一種基于偏導(dǎo)數(shù)的動(dòng)態(tài)不確定性的分析方法，常被應(yīng)用于氣象水文的相關(guān)研究中［21-22］。本文通過(guò)計(jì)算CWDI對(duì)氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等敏感系數(shù)的大小，探究了CWDI受氣象因子影響的差異。其計(jì)算公式為：

1.2.3 干旱頻率干旱頻率是指某等級(jí)干旱發(fā)生的年次數(shù)占統(tǒng)計(jì)總年數(shù)的百分率，其計(jì)算公式為：

式(5)中：N為某等級(jí)干旱發(fā)生的年次數(shù)；n為總年數(shù)。依據(jù)前人的研究成果［23］及當(dāng)?shù)貙?shí)際情況對(duì)CWDI分級(jí)：CWDI≤0.5為無(wú)旱，0.5＜CWDI ≤0.6為輕旱，0.6＜CWDI≤0.7為中旱，0.7＜CWDI≤ 0.8為重旱，CWDI＞0.8為特旱。

1.2.4 其他方法采用一元線性回歸方程對(duì)水分虧缺指數(shù)、需水量及相關(guān)氣象因子進(jìn)行趨勢(shì)分析和顯著性檢驗(yàn)。將水分虧缺指數(shù)、需水量及相關(guān)氣象因子的回歸系數(shù)b乘以10計(jì)算其氣候傾向率。將統(tǒng)計(jì)得到的冬小麥生育期干旱頻率數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS軟件中的反距離權(quán)重插值法進(jìn)行分析，得到冬小麥不同干旱等級(jí)相應(yīng)的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 淄博市冬小麥生育期水分供需的特征

利用淄博市8個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)1981—2020年的逐日氣象資料，計(jì)算得出冬小麥生長(zhǎng)期逐旬水分虧缺指數(shù)、需水量和降水量（圖1）。結(jié)果表明：在整個(gè)生育期內(nèi)，旬平均降水量整體呈現(xiàn)先減少再增加的趨勢(shì)，10—翌年1月整體呈減少的趨勢(shì)、2—6月上旬呈增加的趨勢(shì)，各旬降水量均不能滿足作物的需水量，旬最大降水量出現(xiàn)在5月中旬（23.1 mm），最小降水量出現(xiàn)在1月中旬（1.0 mm）。冬小麥需水量與降水量的變化基本一致，即1月上旬的需水量最?。?.9 mm），5月下旬的需水量最大（63.8 mm）。冬小麥各生育期的水分虧缺指數(shù)從10月上旬播種至12月持續(xù)增加，1月的水分虧缺指數(shù)急劇下降， CWDI從2月至成熟一直保持在較高的水平，CWDI的最低值出現(xiàn)在10月上旬（19.2%），最高值出現(xiàn)在4月中旬（81.5%）。

圖1 冬小麥水分供需的旬變化趨勢(shì)

2.2 冬小麥干旱指數(shù)的年際變化

為分析近40 a冬小麥水分虧缺的年際變化，計(jì)算了各站點(diǎn)冬小麥不同生育期的CWDI（圖2）。分析發(fā)現(xiàn)，各冬小麥各生育期的CWDI隨時(shí)間推移無(wú)顯著變化趨勢(shì)，水分虧缺指數(shù)從大到小依次為：拔節(jié)—開(kāi)花期、返青—拔節(jié)期、開(kāi)花—成熟期、播種—返青期。

圖2 冬小麥各生育期水分虧缺指數(shù)的年際變化趨勢(shì)

在播種—返青期，CWDI最高為75.53%（2011年），最低為32.71%（2001年），平均為57.70%，40 a中有35 a的CWDI高于50%。水分虧缺較大的年份為1989、1999、2007、2011和2018年等。

在返青—拔節(jié)期，CWDI一直處于較高的水平，位于43.54%（2010年）～96.97%（1988）之間，多年平均值為72.81%。返青—拔節(jié)期的干旱發(fā)生頻率增加，有24年的CWDI大于70%，自2012年以來(lái)，CWDI呈弱增加趨勢(shì)。水分虧缺較大的年份為1988、1996、2008和2012年等。

在拔節(jié)—開(kāi)花期，CWDI在55.50%（1991年）～ 96.19%（2016年）之間，平均為80.87%，高于其他3個(gè)發(fā)育階段。其中，有31年的CWDI在70%以上，有24年的CWDI在80%以上，水分虧缺較大的年份為1988、2000、2014和2016年等。因此，拔節(jié)—開(kāi)花期冬小麥缺水最嚴(yán)重，這個(gè)時(shí)期的灌溉對(duì)當(dāng)?shù)囟←湹纳L(zhǎng)發(fā)育十分關(guān)鍵。

在開(kāi)花—成熟期，CWDI在39.07%（2018年）～92.68%（1986年）之間，平均為71.66%。其中，有23年的CWDI在70%以上，有10年的CWDI在80%以上，水分虧缺較大的年份為1981、1986、1992和2001年等。

2.3 不同等級(jí)干旱頻率的時(shí)空分布特征

由圖3可知，冬小麥全生育期無(wú)旱頻率從10月上旬逐漸減小，12月上旬冬小麥進(jìn)入越冬期，12—翌年2月無(wú)旱頻率出現(xiàn)小幅度的增加。隨著冬小麥恢復(fù)生長(zhǎng)，3—6月上旬無(wú)旱頻率下降至10%以下。全生育期的輕旱頻率最高出現(xiàn)在1月上旬，為42.5%；4月上旬最低，為0%，但其變化趨勢(shì)不顯著。從10月下旬開(kāi)始出現(xiàn)中旱，全生育期的中旱頻率以11月中旬最高，為27.5%；1月上旬的最小，為0%，波動(dòng)較大但變化趨勢(shì)不顯著。全生育期的重旱頻率呈增加趨勢(shì)，2月上旬和3月中旬的最大，為37.5%。全生育期的特旱頻率最大，平均為27.7%。11月上旬開(kāi)始出現(xiàn)特旱，而且呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，至12月下旬為40.0%，越冬期1月上中旬最低為0%，之后呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，至4月中旬達(dá)到峰值67.5%，然后緩慢下降。

圖3 不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率的旬變化特征

淄博市的重旱及特旱發(fā)生頻率較高，空間分布如圖4所示。冬小麥干旱主要發(fā)生在北部地區(qū)，由北至南逐漸減小。其中，播種—返青期的重旱及特旱頻率平均為14.7%，相對(duì)較低。由北向南呈減小的趨勢(shì)，北部的高青、桓臺(tái)和周村較高。返青—拔節(jié)期的重旱、特旱頻率為60.6%，北部和南部的發(fā)生頻率較高，中部地區(qū)淄川和博山的發(fā)生頻率較低。拔節(jié)—開(kāi)花期的干旱頻率達(dá)到最大，為79.7%，高值區(qū)域集中在淄博市的東北部，以桓臺(tái)和臨淄的較高。開(kāi)花—成熟期的重旱、特旱頻率下降到57.2%，發(fā)生頻率較高區(qū)域主要為淄博、周村和桓臺(tái)。總體來(lái)看，淄博市北部在冬小麥拔節(jié)—開(kāi)花期的重旱、特旱發(fā)生頻率較高。

圖4 淄博市冬小麥重旱、特旱頻率的空間分布特征

2.4 CWDI對(duì)氣象因子的敏感性分析

CWDI的變化在很大程度上受氣象條件的影響，為確定影響CWDI變化的主要?dú)庀笠蜃?，根?jù)公式（4）計(jì)算敏感系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，淄博冬小麥各發(fā)育階段的CWDI對(duì)降水量、相對(duì)濕度的敏感系數(shù)為負(fù)，對(duì)氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速的敏感系數(shù)為正。說(shuō)明CWDI隨著降水量和相對(duì)濕度的增大而減小，隨著其他3個(gè)氣象因素的增大而增大，反之亦然。

表1 CWDI對(duì)氣象因子的敏感性分析

播種—返青期，CWDI變化的主導(dǎo)因子是相對(duì)濕度，其敏感系數(shù)為-3.79，其次是降水量、風(fēng)速，氣溫和日照時(shí)數(shù)的敏感系數(shù)較小。返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—開(kāi)花期、開(kāi)花—成熟期的CWDI對(duì)降水量最敏感，敏感系數(shù)分別為-2.35、-3.70、-4.34；其次是相對(duì)濕度，其敏感系數(shù)分別為-1.77、-2.24、 -2.57。除降水量和相對(duì)濕度外，返青—拔節(jié)期的風(fēng)速對(duì)CWDI的影響較大，敏感系數(shù)為0.70；其次是氣溫、日照時(shí)數(shù)。拔節(jié)—開(kāi)花期和開(kāi)花—成熟期的氣溫對(duì)CWDI的影響較大，其敏感系數(shù)分別為1.14、1.44；其次為風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)。

總體來(lái)看，CWDI對(duì)降水量和相對(duì)濕度的變化最敏感，其次是氣溫和風(fēng)速。其中，在播種—返青期、返青—拔節(jié)期對(duì)風(fēng)速較敏感，而拔節(jié)—開(kāi)花期、開(kāi)花—成熟期對(duì)氣溫變化敏感，而日照時(shí)數(shù)的敏感系數(shù)整體較小。

2.5 CWDI、ETc及主要?dú)庀笠蜃拥臅r(shí)間變化特征

對(duì)氣象因子、CWDI、ETc進(jìn)行趨勢(shì)變化分析（表2）。近40 a來(lái)，淄博市冬小麥的水分虧缺指數(shù)和需水量變化一致，表現(xiàn)在返青—拔節(jié)期均呈增加趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著；在其他3個(gè)發(fā)育階段呈下降趨勢(shì)，其中，拔節(jié)—開(kāi)花期的需水量下降趨勢(shì)顯著，變化趨勢(shì)為-2.50 mm/10 a。降水量在返青—拔節(jié)期呈不顯著的減少趨勢(shì)，其他發(fā)育階段為不顯著的增加趨勢(shì)，這與需水量、水分虧缺指數(shù)的變化趨勢(shì)相反。氣溫在各發(fā)育階段整體上呈明顯升高的趨勢(shì)。相對(duì)濕度呈減少的趨勢(shì)，其中返青—拔節(jié)期的減少趨勢(shì)顯著，氣溫的增加和相對(duì)濕度的下降均會(huì)導(dǎo)致作物水分虧缺指數(shù)增大。日照時(shí)數(shù)在播種—返青期、拔節(jié)—開(kāi)花期呈顯著的下降趨勢(shì)。風(fēng)速在各發(fā)育階段均呈顯著的下降趨勢(shì)。風(fēng)速的下降和日照時(shí)數(shù)的減少對(duì)水分虧缺指數(shù)是正效應(yīng)，能使其下降。

表2 CWDI、ETc及主要?dú)庀笠蜃拥臍夂騼A向率

3 結(jié)論與討論

本文基于作物水分虧缺指數(shù)，對(duì)淄博市冬小麥生長(zhǎng)季干旱的發(fā)生和分布規(guī)律進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）旬降水量均不能滿足作物需水量，淄博冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重，水分虧缺指數(shù)整體呈增大—減小—增大變化規(guī)律。各發(fā)育階段水分虧缺指數(shù)的年際變化趨勢(shì)不明顯，水分虧缺指數(shù)由大到小為拔節(jié)—開(kāi)花期、返青—拔節(jié)期、開(kāi)花—成熟期、播種—返青期。

（2）淄博冬小麥的重特旱發(fā)生頻率較高，不同發(fā)育階段的重旱、特旱的空間分布也不同?？傮w來(lái)看，干旱頻率呈北高南低的分布特征，拔節(jié)—開(kāi)花期的重旱、特旱發(fā)生頻率最高。

（3）淄博冬小麥的水分虧缺指數(shù)對(duì)氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)變化的敏感系數(shù)為正值，對(duì)相對(duì)濕度和降水量的敏感指數(shù)為負(fù)值。水分虧缺指數(shù)對(duì)降水量和相對(duì)濕度的敏感系數(shù)最大，其余依次是風(fēng)速、氣溫、日照時(shí)數(shù)。近40 a來(lái)，各發(fā)育階段氣溫呈明顯的增加趨勢(shì)，風(fēng)速在各發(fā)育階段呈顯著的下降趨勢(shì)，返青—拔節(jié)期的相對(duì)濕度變化呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)。

基于水分虧缺指數(shù)研究淄博冬小麥干旱的時(shí)空變化，若考慮作物本身、土壤水分及氣候因素的綜合影響，同時(shí)考慮前期降水量對(duì)小麥干旱的影響，則能更準(zhǔn)確地反映小麥干旱的實(shí)際情況。本研究發(fā)現(xiàn)，淄博冬小麥生育期內(nèi)的降水量不足、干旱頻率較高，其空間分布整體上呈由南到北逐漸加重的趨勢(shì)，這與張蕾等［20］的研究結(jié)論基本一致。孫爽等［23］研究指出，1961—2010年我國(guó)冬小麥需水量表現(xiàn)為不同程度的下降，水分虧缺以開(kāi)花—成熟期最嚴(yán)重，其次是拔節(jié)—開(kāi)花期，播種—返青期最??；董旭光等［24］分析了影響山東參考作物蒸散量的因素，結(jié)果表明：相對(duì)濕度對(duì)參考作物蒸散量的敏感性最高，平均風(fēng)速次之。本文研究結(jié)果與前人的觀點(diǎn)基本一致，但由于選取的氣象因子不同而存在一定的差異。

本文在冬小麥干旱的研究中尚存在一些不足之處，如影響作物需水量和水分虧缺的因素還有人為因素、品種差異、地形差異等未加考慮，淄博北部地區(qū)在冬小麥生育期間大多會(huì)進(jìn)行灌溉，這能有效降低冬小麥干旱的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于冬小麥生長(zhǎng)季干旱研究還需進(jìn)一步完善。