信阳地区冬小麦生育期水分供需及干旱特征

薛运宏，刘 箴，刘继锋，李学文，尹周祥

(1.河南省信阳水文水资源勘测局，河南 信阳 464000；2.信阳市水利勘测设计院，河南 信阳 464000；3.安徽师范大学 国土资源与旅游学院，安徽 芜湖 241000)

干旱作为一种发生频繁、影响范围广的气象灾害，已对世界各国农业生产、人民生活和社会经济等造成严重影响[1-2]，是人类所面临的一个重大环境问题。IPCC第五次评估报告第一工作组报告中指出，全球气候变暖仍将继续[3]，气候变化大背景下，干旱仍可能进一步加剧。农业干旱与气象干旱存在显著区别，主要由降水异常引起，同时与作物水分供需、作物类型及不同生育阶段也关系密切[4-5]。针对水分供需变化的研究，国内已有很多学者针对不同区域开展了工作，可概括为两个方面：1)内容上，分析不同农作物需水量、水分盈亏指数的空间分布特征及时间趋势变化[6-7]；研究气候变化背景下，作物需水量对各气象要素的敏感性，如降水、温度等[8-9]；基于水分盈亏指数划分农业干旱等级，分析干旱发生频率，划分区域风险等级等[10-11]；2)方法上，利用Penman-Monteith公式、Hargreaves公式等估算参考作物蒸散量，并结合不同生育阶段的作物系数计算需水量[12-13]，采用有效降水系数法[14]、USDA-SCS法[15]等计算有效降水量，并基于有效降水量和需水量确定水分盈亏量[6，10]；Kendall趋势系数法、气候倾向率分析参考作物蒸散量、水分盈亏量等变化趋势[7，16]，小波分析等确定周期特征[17]。

目前，针对农业干旱评估的气象类指标，主要有2大类指标：1)描述水分供应状况的指标，包括标准化降水指数(standardized precipitation index，SPI)、降水Z指数、降水距平百分率等；2)描述水分供需状况的指标，包括Palmer指数、相对湿润指数、水分盈亏指数等[18-19]。2类指标各有优缺点，降水类指标涉及参数较少，数据易获取，可进行快速评估干旱情况；而水分供需类指标从作物主要生长环境出发，考虑农田湿润状况，能更真实地反映农业干旱，但涉及参数众多，计算复杂，时效性较差[20]。

信阳属淮河流域上游地区，是重要的粮食生产区。冬小麦作为主要农作物，是重要的粮食、饲料和工业原料[6]。但冬小麦生育阶段干旱频发，严重影响生长发育和最终产量形成，带来一定的农业经济损失[5，21]。因此，十分有必要进行信阳地区冬小麦生育期水分供需变化和干旱特征研究，识别各生育阶段水分供需状况和不同程度干旱发生的频率，有利于水资源的合理利用和冬小麦的高产、稳产等。本文以信阳地区冬小麦为研究对象，基于1962—2011年9个气象站点气象资料，以生育阶段为研究尺度，分别利用USDA-SCS法计算有效降水量，P-M公式联合作物系数法计算需水量，并计算水分盈亏量，探讨冬小麦生育期需水量和水分盈亏量的时空变化特征；在冬小麦干旱监测评估方面，以不同时间尺度的SPI来表征，以期为冬小麦高产稳产和防灾减灾提供科学依据。

1 研究区概况

以信阳市及河南省直管县固始县为研究区，研究区位于河南省最南部，地处东经113°40′～115°56′，北纬31°28′～32°41′，地势南高北低(图1)。研究区西部和南部分别为桐柏山和大别山，是长江、淮河两大流域的分水岭，属亚热带季风气候，地处气候过渡带。1962—2011年，年平均降水量1 087 mm，年平均气温15.5 ℃左右，年平均蒸散量约1 407 mm。信阳地区以冬小麦为主要粮食作物，在当地农业经济中占重要地位，因其具有的特殊地理位置、气候状况和下垫面条件，导致农业旱涝灾害频繁[21]。此外，研究区属淮河流域上游地区，区内淮河支流密集，淮河干流南侧支流河短流急，更易发生旱涝灾害，给农业生产带来严重影响。

2 材料与方法

2.1 数据来源

研究区9个气象站点1962—2011年逐日气象资料由中国气象局国家气象信息中心提供，主要包括降水量、气温(平均、最高、最低)、日照时数、平均风速和平均相对湿度等数据，并进行了数据质量控制。本研究以冬小麦全生育期为研究时段，研究区冬小麦全生育期为10月下旬至翌年5月下旬，冬前生长期为10月下旬至12月中旬，越冬期为12月下旬至翌年2月上旬，返青抽穗期为2月中旬至4月中旬，灌浆成熟期为4月下旬至5月下旬[22]。结合干旱指数SPI月尺度时间特征，文中确定冬小麦全生育期为10月至翌年5月，其中，各生育阶段划分为冬前生长期(10—11月)、越冬期(12月—翌年1月)、返青抽穗期(2—4月)和灌浆成熟期(5月)。

图1 研究区数字高程模型及气象站点分布Fig.1 Digital elevation model and meteorological stations of study area

2.2 分析方法

2.2.1 水分盈亏指数

构建水分盈亏指数[10]来表征信阳地区冬小麦各生育阶段水分供需状况，以有效降水量为冬小麦水分供应指标，潜在蒸散量为冬小麦需水量指标，水分盈亏指数I计算公式如下：

(1)

式中：I为水分盈亏指数，本研究中，负值表示水分亏缺，正值表示水分盈余；Pe为有效降水量，mm；ETc为冬小麦需水量，mm。

有效降水量表示作物某生育阶段内总降水量减去地表径流量、作物截留量等，实际为作物生长所吸收，补充到根层土壤中的净水量，即指总降水量中的有效部分[15]。本研究采用在国内已得到较多学者认可的USDA-SCS法计算冬小麦有效降水量[7，23]。

(2)

式中，P表示总降水量，mm·d-1。

本研究中冬小麦的需水量即潜在蒸散量基于参考蒸散量和FAO推荐的作物系数法进行计算。

ETc=Kc×ET0。

(3)

式中：ETc为冬小麦需水量，mm·d-1；ET0表示参考作物蒸散量，mm·d-1；Kc为冬小麦的作物系数。本文冬小麦作物系数Kc的确定以FAO构建的小麦系数数据库为基础，同时参考文献[6]和[22]。

本研究基于FAO修正的P-M公式进行冬小麦参考蒸散量的计算，公式如下：

(4)

式中：ET0表示参考作物蒸散量，mm·d-1；Rn为地表净辐射，MJ·m-2；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa·℃-1；G为土壤热通量，MJ·m-2·d-1；T为日平均温度，℃；U2为2 m高处风速，m·s-1；es为饱和水汽压，kPa；eu为实际水汽压，kPa；γ为干湿表常数，kPa·℃-1。式中各参数的计算参考文献[24]。

2.2.2 标准化降水指数

SPI能够反映不同时间尺度和地区的旱涝状况及干旱的年际变化[25]。SPI方法由McKee等[26]于1993年提出，SPI的计算方法参照《气象干旱等级GB/T20481—2006》国家标准。SPI指数具有多时间尺度特性，本文主要分析冬小麦生育期内1个月、2个月、3个月和8个月时间尺度的SPI变化过程。干旱划分等级参照Mckee等[26]与《气象干旱等级》[27]的旱涝等级标准，文中主要计算轻度以上干旱(SPI≤-0.5)和中度以上干旱(SPI≤-1.0)。

2.2.3 气候倾向率

气候倾向率指某变量的趋势变化情况，在本研究中，构建气候变量Xi与时间变量ti关系的线性回归方程。

Xi=a+bti(i=1，2，…，n)。

(5)

式中：Xi为气候变量；ti为时间变量；n为样本量；a为常数；b是回归系数；b的10倍表示气候倾向率。本文中利用气候倾向率表征冬小麦生育期需水量和水分盈亏指数变化趋势。

2.2.4 Mann-Kendall(MK)检验

对信阳地区冬小麦不同生育期平均SPI值计算后，利用MK法[28]对冬小麦全生育期平均SPI值进行突变检验，并对冬小麦各生育阶段和全生育期SPI值进行趋势变化显著性检验。MK法是非参数检验方法，对数据服从的概率分布不作要求，同时少量异常值对其没有干扰，在气象领域的趋势分析中非常适用。本文选取显著性水平90%(阈值为±1.64)和95%(阈值为±1.96)，以MK值的大小与阈值作对比，判定指数的时序变化是否存在显著性。

3 结果与分析

3.1 冬小麦生育期划分的合理性

由于SPI指数具有月尺度时间特征，为方便其计算，文中确定的冬小麦生育期与研究区冬小麦实际生育期存在一定的区别，为了明确文中确定的研究区冬小麦生育期划分具有一定的合理性与代表性，采用皮尔逊法对冬小麦实际生育期与确定生育期的平均气温、降水量之间的关系进行了分析(表1)。无论是平均气温还是降水量在冬小麦各生育期均具有较高的相关性，且均通过了0.01的显著性检验。就2类生育期平均气温之间的相关性而言，冬前生长期平均相关系数为0.734，越冬期为0.744，返青抽穗期为0.927，灌浆成熟期为0.882，全生育期为0.986；2类生育期降水量之间的平均相关性在冬前生长期为0.687，越冬期为0.692，返青抽穗期为0.898，灌浆成熟期为0.864，全生育期为0.93。说明文中确定的冬小麦生育期内的平均气温和降水量在一定程度上能够代表实际生育期的平均气温及降水量状况。气温与降水是旱涝的直接表征量[29]，文中的水分盈亏指数与SPI指数的计算以气温和降水量为主。因此，文中确定的冬小麦生育期在研究区内具有一定的代表性。

表1冬小麦实际生育期与确定生育期降水量(P)、平均气温(T)之间的相关性

Table1Relationship of precipitation (P) and mean temperature (T) between actual growth period and defined growth period of winter wheat

地区Area冬前生长期Pre-wintergrowthperiodPT越冬期WinteringperiodPT返青抽穗期RevivingandheadingperiodPT灌浆成熟期Grain-fillingandripe-ningperiodPT全生育期WholeperiodPT息县Xixian0.661**0.742**0.689**0.744**0.935**0.935**0.801**0.893**0.915**0.986**信阳Xinyang0.630**0.757**0.668**0.739**0.930**0.930**0.821**0.886**0.911**0.986**罗山Luoshan0.665**0.76**0.707**0.743**0.933**0.933**0.859**0.889**0.926**0.987**光山Guangshan0.704**0.71**0.67**0.728**0.931**0.931**0.886**0.874**0.924**0.985**新县Xinxian0.731**0.711**0.691**0.717**0.911**0.911**0.883**0.854**0.959**0.984**淮滨Huaibin0.691**0.740**0.709**0.761**0.929**0.929**0.872**0.891**0.927**0.987**潢川Huangchuan0.687**0.756**0.671**0.765**0.931**0.931**0.876**0.888**0.933**0.989**固始Gushi0.692**0.720**0.707**0.759**0.928**0.928**0.89**0.895**0.922**0.987**商城Shangcheng0.725**0.711**0.714**0.741**0.919**0.919**0.889**0.868**0.952**0.986**

**表明在P<0.01水平显著。

** indicates significance atP<0.01.

3.2 冬小麦生育期需水量的变化特征

信阳市冬小麦1962—2011年全生育期及各个生育阶段内需水量的空间分布如图2所示，变化趋势见表2。全生育期内需水量多年平均值为511.3～549.9 mm，主要呈现西部的信阳市、南部的新县以及东部的固始等地较高，而中部地区较低的分布(图2-A)，变化趋势介于-0.9～22.2 mm·10 a-1，平均值为7.73 mm·10 a-1；仅息县需水量呈减少趋势，其余地区均呈增加趋势，其中信阳市和光山两地增加趋势速率较大，且通过显著性水平0.05检验。冬小麦冬前生长期内需水量为85.5～95.9 mm，主要呈现固始、新县及罗山等地较高，其余地区相对较低的分布，变化趋势介于0.3～5.7 mm·10 a-1，平均值约2.1 mm·10 a-1；各地需水量均呈增加趋势，信阳市增加趋势速率最大，且通过显著性水平0.05检验(图2-B)。冬小麦越冬期需水量为49.5～60.6 mm，高值区主要分布在新县，低值区分布在光山，其余地区较为接近，变化趋势介于-3.1～1.9 mm·10 a-1，均值约为-0.9 mm·10 a-1；仅信阳和新县需水量呈增加趋势，其余均是减少趋势，其中息县、罗山及潢川减少速率较大，且均通过显著性水平0.05检验(图2-C)。冬小麦返青抽穗期需水量为222.4～241.9 mm·10 a-1，主要呈现西部地区及南部的新县较高，光山地区较低，其余地区相对接近的分布特点，变化趋势介于0.8～12.1 mm·10 a-1，均值约为5.6 mm·10 a-1；各站点均是增加趋势，息县需水量增加趋势速率最大，其中有44.4%的站点通过显著性水平0.05检验(图2-D)。灌浆成熟期需水量为154.0～160.6 mm，呈现西部信阳市较高，中部光山地区较低，其余地区相对接近的分布特征，变化幅度为-0.9～3.1 mm·10 a-1，有44.4%的站点需水量呈现增加趋势，其余是减少趋势，但没有站点通过显著性水平检验(图2-E)。

A， 全生育期；B， 冬前生长期；C， 越冬期；D， 返青抽穗期；E， 灌浆成熟期。下图同。A， Whole period; B， Pre-winter period; C， Wintering period; D， Reviving and heading period; E， Grain-filling and ripening period. The same as bellow.图2 1962—2011年冬小麦生育期需水量的空间分布Fig.2 Spatial distribution of water requirement for winter wheat from 1962 to 2011 year

表2代表站点冬小麦生育期需水量变化趋势

Table2Trend of water requirement in winter wheat growth period on behalf of the site

站点Stations需水量变化趋势Trendofwaterrequirement/(mm·10a-1)冬前生长期Pre-wintergrowthperiod越冬期Winteringperiod返青抽穗期Revivingandheadingperiod灌浆成熟期Grain-fillingandripeningperiod全生育期Wholeperiod息县Xixian0.3-3.1*2.9*-0.9-0.9信阳Xinyang5.7*1.912.1*3.122.2*罗山Luoshan1.1-1.8*4.1-0.21.0光山Guangshan2.9-0.30.8*1.111.7*新县Xinxian2.90.17.1*1.611.8淮滨Huaibin2.2-0.95.9-0.56.5潢川Huangchuan0.6-1.7*5.2-0.23.9固始Gushi1.6-1.47.81.29.2商城Shangcheng1.7-0.94.5-0.94.2

*表示在P<0.05水平显著。表3同。

* indicates significance atP<0.05. The same as table 3.

3.3 冬小麦生育期水分盈亏变化特征

信阳地区冬小麦1962—2011年全生育期及各生育阶段水分盈亏指数空间分布如图3所示，变化趋势见表3。由图3可知，全生育期内水分盈亏指数为-0.65～-0.55，9个站点均表现为水分亏缺，需重点防范干旱灾害的发生；其中，固始-光山一带以北水分亏缺严重，南部的新县、商城等地相对较轻，水分盈亏指数变化趋势为-0.024～-0.001，均呈现减少趋势，信阳市减少趋势速率最大，且通过了显著性水平0.05的检验。总的来看，信阳地区冬小麦各生育阶段水分盈亏指数均为负值，表现为水分亏缺，需防范干旱灾害的发生，西北部相对东南部水分亏缺更为严重。另外，小麦生长期间，随着生育期的推进，水分亏缺表现越来越严重，灌浆成熟期水分严重缺乏。因此，为保障信阳地区冬小麦高产、稳产，需适时、适量进行灌溉。

3.4 冬小麦生育期干旱特征分析

3.4.1 干旱时间变化特征分析

研究区内9个气象站点均匀分布，具有很好的代表性。由研究区冬小麦全生育期SPI值年际变化趋势(图4-A)可知，冬小麦全生育期SPI值下降幅度为0.125·10 a-1，冬小麦整个生育期内旱涝灾害交叉出现。在95%置信度水平下，1962—2011年研究区冬小麦生育期SPI值没有发生突变(图4-B)，从1979年左右开始，研究区冬小麦全生育期出现偏旱。

冬小麦不同生育期SPI值年平均值的变化幅度及MK趋势如表4所示，全生育期、冬前生长期、返青抽穗期和灌浆成熟期平均SPI值均呈不显著下降趋势，即有干旱趋势。冬前生长期干旱减小趋势最大，为-0.9；其次是全生育期，为-0.84；再次是返青抽穗期，为-0.68；最后是灌浆成熟期，为-0.28。冬小麦越冬期变化幅度为0.077·10 a-1，SPI值具有不显著上升趋势，即有湿润的变化趋势。

图3 1962—2011年冬小麦生育期水分盈亏指数空间分布Fig.3 Spatial distribution of water budget index in winter wheat from 1962 to 2011 year

表3代表站点冬小麦生育期水分盈亏指数变化趋势

Table3Trend of water budget index in winter wheat growth period on behalf of the site

站点Stations水分盈亏指数变化趋势Trendofwaterbudgetindex/10a-1冬前生长期Pre-wintergrowthperiod越冬期Winteringperiod返青抽穗期Revivingandheadingperiod灌浆成熟期Grain-fillingandripeningperiod全生育期Wholeperiod息县Xixian-0.004-0.079*-0.0230.005-0.003信阳Xinyang-0.0430.002-0.034*-0.008-0.024*罗山Luoshan-0.0120.048-0.0240.003-0.008光山Guangshan-0.0170.061-0.024-0.002-0.001新县Xinxian-0.0230.027-0.034*-0.006-0.019淮滨Huaibin-0.0090.061-0.0230.005-0.005潢川Huangchuan-0.0060.062-0.0260.001-0.009固始Gushi-0.0130.048-0.026-0.009-0.011商城Shangcheng-0.0090.064-0.0240.003-0.007

图4 研究区冬小麦全生育期平均SPI值年际变化(A)及MK突变检验(B)Fig.4 Mean SPI value interannual variation (A) and MK mutation test (B) in the whole growth period of winter wheat in the study area

表4研究区冬小麦不同生育阶段SPI值变化幅度及MK趋势

Table4Changes of SPI value and MK trend at different growth stages of winter wheat in the study area

生育期Growthperiod变化幅度Changerange/10a-1MK置信度水平Confidencelevel冬前生长期Pre-wintergrowthperiod-0.049-0.9<90%越冬期Winteringperiod0.0771.31<90%返青抽穗期Revivingandheadingperiod-0.104-0.68<90%灌浆成熟期Grain-fillingandripeningperiod-0.032-0.28<90%全生育期Wholeperiod-0.125-0.84<90%

3.4.2 干旱空间分布特征分析

依据SPI指数干旱等级划分，对研究区1962—2011年9个气象站点冬小麦全生育期和不同生育阶段发生轻度以上干旱和中度以上干旱年数进行统计并计算频率，采用IDW(Inverse distance weight)插值法对频率进行空间特征分析。图5为冬小麦全生育期发生轻度以上干旱频率(图5-A)和中度以上干旱频率(图5-B)空间分布状况，研究区发生轻度以上干旱频率均在26.0%以上，其中，罗山与淮滨频率最高，为30.0%；发生中度以上干旱频率除信阳(8.0%)外，其他地方频率均在12.0%以上，以罗山最高(14.0%)。

利用IDW插值法对冬小麦不同生育期轻度以上干旱频率(图6)和中度以上干旱(图7)频率进行分析，结果表明，研究区冬小麦各生育期发生轻度以上干旱灾害频率均在22.0%以上，最高为越冬期(26.0%～38.0%)，冬前生长期、越冬期和返青抽穗期息县发生轻度以上干旱频率均最高，灌浆成熟期光山和潢川发生轻度以上干旱频率较高。研究区冬小麦各生育期发生中度以上干旱频率均在8.0%以上，最高为冬前生长期(16.0%～22.0%)，越冬期和灌浆成熟期淮滨发生中度以上干旱频率最高，冬前生长期新县发生中度以上干旱频率最高，返青抽穗期信阳市区发生中度以上干旱频率最高。

图5 冬小麦全生育期发生轻度以上干旱(A)和中度以上干旱(B)频率分布Fig.5 Spatial distribution of drought frequency with mild or higher severities (A) and moderate or higher severities (B) in the whole growth period of winter wheat

A， 冬前生长期； B， 越冬期； C， 返青抽穗期； D， 灌浆成熟期。下图同。A， pre-winter period; B， wintering period; C， reviving and heading period; D， grain-filling and ripening period. The same as bellow.图6 冬小麦不同生育期发生轻度以上干旱频率空间分布Fig.6 Spatial distribution of drought frequency with mild or higher severities in different growth stages of winter wheat

图7 冬小麦不同生育期发生中度以上干旱频率空间分布Fig.7 Spatial distribution of drought frequency with moderate or higher severities in winter wheat at different growth stages

总体来说，研究区冬小麦不同生育期不同地区干旱状况存在差异。研究区西部除在返青抽穗期和灌浆成熟期发生中度以上干旱频率高于其他地区以外，各生育期发生轻度以上干旱与冬前生长期、越冬期发生中度以上干旱频率均低于其他地区。冬小麦各生育期发生轻度以上干旱主要集中在研究区北部，发生中度以上干旱主要集中在西部和南部。同时研究区冬小麦发生轻度以上干旱主要在越冬期，发生中度以上干旱主要在冬前生长期。

4 结论与讨论

本文基于水分盈亏指数对信阳地区冬小麦水分供需状况进行分析，利用不同时间尺度SPI表征干旱特征，划分出冬小麦轻度以上干旱和中度以上干旱的频率空间分布，参照干旱标准[30]及水分亏缺指数干旱等级的划分[4，27]。结果表明：1)1962—2011年，信阳地区冬小麦全生育期和各生育阶段需水量空间分布主要呈现西北部和东南部较高而中部地区相对较低的分布特征；变化趋势方面，除越冬期外，均基本呈现增加趋势。2)1962—2011年，信阳地区冬小麦全生育期和各生育阶段水分盈亏指数均为负值，表明水分亏缺，且随着冬小麦生长期的推进，水分亏缺表现为越来越严重；变化趋势方面，各生育阶段除越冬期呈增加趋势外，其余生育阶段均呈现减少趋势，整个生育期也是呈现减少的变化趋势。3)信阳地区1962—2011年冬小麦全生育期SPI值呈现不显著下降趋势，其变化幅度为0.125·10 a-1；同时，从1979年左右开始，冬小麦全生育期出现偏旱。冬小麦分生育期SPI值均呈现不显著变化趋势。4)信阳地区冬小麦各生育阶段干旱发生状况存在差异，不同生育阶段轻旱发生频率和中旱发生频率亦存在差异；北部冬小麦生育期发生轻度以上干旱频率较高，西部和南部冬小麦生育期发生中度以上干旱频率较高。

总体上，水分盈亏指数表明信阳地区冬小麦生育期干旱情况属“正常、轻旱、中旱”范围内，以“轻旱”状态为主。SPI分析结果也表明研究区内冬小麦各生育期发生轻度以上干旱灾害频率均在22.0%以上，冬小麦各生育期发生中度以上干旱频率均在8.0%左右，这2个指数分析结果较为吻合，进一步说明信阳地区冬小麦生育期内水分供应不足。SPI指数所需资料易获取、计算方便，同时将SPI指数结果与《中国气象灾害大典》(河南卷)进行对比分析发现，SPI值能够很好地反映信阳地区冬小麦生育期干旱状况。研究区各生育期均有偏旱趋势，因此，信阳地区灌溉工程需要进一步加强，在冬小麦生育期进行适时、适量灌溉。与许莹等[22]的研究结果相比，本文确定的冬小麦各生育期的水分盈亏数值偏小，水分亏缺相对严重，原因是本文通过USDA-SCS法计算冬小麦生育期的有效降水量替代自然供水量(降水量)，有效降水量为作物生产直接或间接利用，以及农作物生长中其他必须耗用的水量。不是所有降水量均能转化为有效降水量，确定水分盈亏指数时计算有效降水量十分有必要，更能反映农业干旱特征。

本文在分析冬小麦生长期内水分供需和干旱特征时，各生育阶段的统计时段是固定的，不同区域冬小麦的实际发育期的进程可能略有差异，且随着气候变暖，生育期也会发生变化。因此，需根据研究区内冬小麦各站点生育期内调查统计资料，准确划分各生育期的时间段。另外，本文通过仅考虑降水因素的SPI进行冬小麦干旱特征的研究，并未考虑作物生长环境、土壤墒情等因素，因此，对于冬小麦生育期干旱特征仍需进行深入研究。

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