关中夏玉米生育期气象干旱特征分析

2015-06-09李红梅范建忠

陕西气象 2015年4期

关键词：年际夏玉米降水量

李红梅,范建忠

(陕西省农业遥感信息中心,西安 710014)

关中夏玉米生育期气象干旱特征分析

李红梅,范建忠

(陕西省农业遥感信息中心,西安 710014)

利用1971—2012年宝鸡、泾阳、武功、长安、临潼、渭南、大荔7个地面气象观测站点逐日降水、标准化降水指数 (ISP30、ISP60、ISP90)、和相对湿度指数 (IM30)计算关中夏玉米生育期逐日有效降水和改进的综合气象干旱指数,采用趋势分析、滑动t检验及相关数理统计法分析了近42a关中夏玉米生育期干旱时空分布特征。结果表明：夏玉米生育期有效降水量总体表现出不稳定性,播种至出苗有效降水变化量最大；20世纪90年代初夏玉米生育期有效降水发生由多到少的突变,2002年出现由少到多的转变；7月上旬至8月下旬是夏玉米干旱多发时段；轻旱发生频率最高,为51.7%,发生频率随着干旱等级加重而逐渐降低；20世纪90年代是干旱多发且较为严重阶段,干旱过程累积强度强,且持续时间长,进入21世纪以后有减少趋势；关中西部干旱日呈减少趋势,东部呈增加趋势,有效降水量与干旱日变化相反,关中西部有效降水量呈增加趋势,东部有减少趋势。

夏玉米；有效降水；干旱日；干旱累积强度；分布特征；关中

关中是陕西粮食主产区,主要实行夏玉米-冬小麦轮作制。关中夏玉米生育期一般在6月上中旬至9月下旬,该时段高温多雨,光照和热量条件相对稳定,降水量在191～405mm,但关中90%的站点该时段的降水量远低于夏玉米的需水量(390～490mm)[1]。加之受高温蒸散和降水时空分布不均的影响,干旱成为关中夏玉米生长季的主要农业气象灾害。近年来关于关中夏玉米的研究多侧重于玉米栽培技术[2-3]、节水增产[4-5]和施肥[6],对玉米生育期干旱研究仍为空白。结合有效降水和改进的综合气象干旱指数Icnew分析关中夏玉米干旱时空分布特征,旨在加深对关中夏玉米生育期干旱发生规律的认识,为夏玉米生产提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

数据采用关中7个代表站点 (宝鸡、泾阳、武功、长安、临潼、渭南、大荔)1971—2012年逐日降水资料、逐日30d、60d和90d标准化降水指数(ISP30、ISP60、ISP90)和30d相对湿度指数(IM30),1985—2012年夏玉米生育期观测资料。其中,降水和玉米生育期观测数据源于陕西省气象信息中心,标准化降水指数和相对湿度指数数据源于国家气候中心。

1.2 方法

1.2.1 玉米生育期的划分根据关中夏玉米生育期观测资料求算其各生育阶段平均生育期。关中夏玉米播种在6月上中旬,播期及出苗好坏受播前底墒影响明显,5月下旬至6月上旬有效降水量对播种出苗尤为关键。苗期怕涝不怕旱,适当缺水可促进壮苗形成,根系深扎,利于增强玉米后期抗旱能力。进入拔节期玉米耗水量逐渐增加,完全进入生殖生长期后玉米耗水处于高峰期,需水量最大[7-8],后期需水量逐渐减少。虽然关中东部和西部夏玉米生育期早晚略有差异,但各生育期大致时段相同。鉴于此,将关中夏玉米生育期划分为4个阶段：播种—出苗(6月7日—20日)、出苗—拔节(6月21日—7月20日)、拔节—抽雄(7月21日—8月10日)、抽雄—成熟(8月11日—9月30日)。

1.2.2 有效降水量和Icnew指数的计算有效降水量指旱地作物满足作物蒸发蒸腾所需要的降水量 (不包括径流量、蒸发量和深层渗漏量)[9-10],通常指自然降水量实际补给到作物根部土壤的净降水量。按单日降水量大于10mm为有效降水,分别统计各站点夏玉米生育期有效降水,分析有效降水的变化及对夏玉米干旱的影响效应。

改进的综合气象干旱指数Icnew是在原有综合气象干旱指数IC的基础引入ISP60,并根据季节对变量系数进行调整。公式为[11]

式中a、b、c、d为系数,5—10月各系数分别取0.25、0.2、0.2、0.35；11月—次年4月取0.2、0.35、0.25、0.2。Icnew、IC与20cm土壤相对湿度的相关系数分别为0.85和0.8,总体相关性均通过了0.01的显著性水平检验,但Icnew与土壤相对湿度的相关性明显好于IC,所以采用Icnew作为干旱检验指标,干旱等级划分标准见表1。

表1 Icnew干旱等级划分

Icnew≤-0.6即为干旱日[12]。Icnew连续10d≤-0.6即为1个干旱过程,过程开始日为Icnew达到轻旱以上等级的首日。干旱发生期连续10d无旱表示干旱过程结束,结束日为Icnew最后一次达到无旱的日期。开始日至结束日为干旱持续时间,某站点干旱过程内所有Icnew≤-0.6的值之和即为该站点干旱过程的累积强度,其值越小表示干旱过程越强[13]。某一等级干旱发生频率为该等级干旱发生年占全部统计年的比例。

2 结果与分析

2.1 夏玉米生育期内有效降水量特征分析

1971—2012年,关中夏玉米生育期平均降水量为307.2mm,平均有效降水量为236.5mm,占生育期降水量的77%。如表2所示,各生育期有效降水的最大、最小值年际差较大,其中抽雄—成熟期年际差达235mm。全生育期有效降水变异系数小于各生育阶段,播种—出苗期有效降水变化最大,变异系数为1.14,其次是抽雄—成熟期。夏玉米全生育期及各生育阶段的有效降水总体表现出不稳定性。

图1为关中夏玉米生育期有效降水量滑动t检验。取序列长度为n1=n2=10时,近42a关中夏玉米生育期有效降水t统计量有两处超过0.01显著性水平检验,即存在2个突变点。一个为1992年(t=3.127),说明玉米生育期有效降水在20世纪90年代初经历了由多到少的变化；另一个为2002年(t=-3.125),说明夏玉米生育期在2002年附近发生了由少到多的突变。

表2 1971—2012年关中夏玉米生育期有效降水量统计特征

图1 1971—2012年关中夏玉米生育期有效降水滑动t检验曲线

由图2可见,42a间,关中夏玉米生育期内有效降水呈增加趋势,气候倾向率为3.34mm/ 10a,但变化趋势不显著,未通过0.05水平信度检验。夏玉米生育期内有效降水的年际波动较大,最大值为2003年的426mm,最小值为1977年的99mm,相差337mm。关中夏玉米生育期有效降水平均占生育期总降水的75.8%,最多为87.2%(1998年),最低为63%(2001年),有22a低于平均水平,时间多集中在20世纪80年代中后期至2008年,表明这一时期是关中夏玉米生育期有效降水量较少时期,这与赵强等[14]研究结论一致。

图2 1971—2012年关中夏玉米生育期降水及有效降水年际变化

2.2 夏玉米生育期干旱特征分析

2.2.1 干旱频率和干旱日按Icnew分级标准对各站夏玉米生育期干旱发生频率进行统计发现(表略),夏玉米各生育期轻旱发生频率最高,平均为51.7%,随着干旱等级的加重,发生频率相应降低,中旱平均发生频率为18.2%,重度以上干旱为7.7%。从关中夏玉米生育期干旱日统计(表3)来看,出苗—拔节期、抽雄—成熟期两个阶段年均干旱日相对较多,播种—出苗期干旱日较少。

表3 1971—2012年关中夏玉米生育期干旱日统计 d

由图3可见,关中夏玉米干旱日总体呈略微下降趋势,20世纪90年代初至21世纪初是玉米气象干旱多发时段,且在90年代中期达到峰值。中度以上干旱日与总干旱日的年际变化特征大致相同,80年代处于低值期,90年代急剧增加,进入21世纪以后有减少趋势。

图3 1971—2012年关中夏玉米生育期干旱日年际变化

比较关中夏玉米生育期有效降水和干旱日的年际变化率 (表4)发现,关中西部夏玉米生育期有效降水呈增加趋势,关中东部呈减少趋势。而干旱日与有效降水量呈明显负相关 (r= -0.83),关中西部干旱日呈减少趋势,关中东部则呈增加趋势。

表4 1971—2012年关中夏玉米全生育期有效降水和干旱日变化趋势率

2.2.2 干旱过程及强度变化由表5可见,关中夏玉米发育初期和后期干旱过程相对较少,7月上旬至8月下旬 (拔节至开花期)干旱过程较多。42a间,7—8月的每旬干旱过程都在12次以上,此阶段正是玉米营养生长和生殖生长并进阶段,玉米对水分需求量最大且较为敏感[7],也正值一年中温度最高、蒸散较快的时期[15],有效降水不能满足玉米耗水需求,干旱便随之发生。随着玉米生长后期对水分需求的减少,有效降水可以满足玉米耗水需求,干旱过程也随之减少。

表5 1971—2012年关中夏玉米生育期各旬干旱过程统计次

由图4可见,夏玉米生育期干旱过程累积强度在20世纪70年代至80年代末呈缓慢减弱趋势,90年代初开始呈明显增强趋势,20世纪90年代是42a间干旱发生最严重时段,进入2000年以后干旱强度逐渐减弱。干旱过程持续时间与干旱过程累积强度呈明显负相关(r=-0.949)。在干旱强度最强时段干旱过程持续时间也最长,都在40d以上,进入21世纪后干旱过程持续时间呈明显减少趋势。

图4 1971—2012年关中夏玉米生育期干旱过程累积强度和持续时间5年滑动平均曲线

3 结论

(1)1971年—2012年,关中夏玉米各生育阶段有效降水量最大、最小值年际相差较大。播种—出苗有效降水变化量最大,变异系数为1.14。各生育阶段有效降水量总体表现出不稳定性。20世纪90年代初关中夏玉米生育期有效降水经历了由多到少的突变,2002年附近出现了由少到多的转变。

(2)关中夏玉米生育期轻旱发生频率最高,平均为51.7%,随着干旱等级加重,发生频率逐渐降低。出苗—拔节期、抽雄—成熟期是整个生育期干旱日出现较多的时期。20世纪90年代是干旱多发时段,进入21世纪以后有减少趋势。关中西部干旱日呈减少趋势,东部呈增加趋势。有效降水量与干旱日变化相反,关中西部有效降水量呈增加趋势,东部有减少趋势。

(3)夏玉米生育期内干旱多发于7月上旬至8月下旬 (拔节—开花期),发育初期和后期较少。夏玉米生育期干旱累积强度在20世纪80年代后期呈明显增强趋势,90年代是42a间关中夏玉米干旱发生最严重阶段,干旱过程累积强度强,且持续时间长,都在40d以上。

(4)影响作物干旱的因素较多,除了气象因子还有土壤、作物品种等等。Icnew虽然对原有综合气象干旱指数做了改进,也仅考虑了气象要素,所以用来反映夏玉米生育期干旱有一定不足,今后将从作物干旱指标或作物耗水机理方面做进一步研究和探讨。

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