河北省夏玉米不同生育期干旱时空分析

曹永强， 王怡涵， 冯兴兴， 乔鹤

(辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029)

我国是世界上受到自然灾害影响最为严重的国家之一[1]，灾害形式多种多样。农业是我国国民经济的基础产业，气候变化会直接影响粮食安全和可持续发展[2-3]。根据相关统计结果，由于天气因素所引发的气象灾害数占我国所有自然灾害数的70%，影响我国农业生产的主要气象灾害类型为干旱、洪涝、低温冷冻、风雹等，其中，旱灾对农业生产影响最为严重，占气象灾害数量的50%[4-5]，并且对人类的生存与发展已经产生了严重影响[6]。干旱问题对农业生产的影响最为直接，如何应对干旱问题已成为目前最重要的研究热点。

众多学者采用降水指数、生育阶段模型、评估模型、农业干旱参考指数等方法对不同地区进行干旱研究。MCKEE T B等[7]使用降水指数对干旱特征进行分析，证明该指数对干旱特征分析具有适用性。DESALEGN C Edossa等学者[8]使用帕尔默干旱强度指数[9-10]研究1981至2015年尼日利亚北部地区(NRN)的干旱事件数，结果表明，最严重的干旱事件多发生于1998年至2001年，其次是2006年至2008年。HONG Wu使用农业干旱风险评估模型分析研究内布拉斯加州干旱情况，结果表明，可以很好地提供可视化效果[11]。国内学者李伟光等通过标准降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)指数对中国1951年至2009年干旱的时空分布情况进行分析，结果表明，时间上，我国四季均有干旱情况发生，空间上，我国西部地区、华北地区和东北地区的干旱较为严重[12]；吴霞等[13]将标准化降水指数与实际干旱灾情数据结合，构建夏玉米干旱指数，从不同时间尺度分析1961—2015年黄淮海平原夏玉米在生长季内的干旱时空分布特征，结果表明，黄淮海地区夏玉米在生长阶段的干旱较严重；刘宗元等[14]使用农业干旱参考指数(Agricultural Reference Index for Drought,ARID)，分析1960—2010年西南地区玉米干旱频率空间分布特征，并验证了该参考指数对干旱研究具有适用性。上述使用参考指数的研究虽然能够反映不同时间尺度的降水特征，并能分析干旱变化，却不能很好地结合农作物本身的性质，以及结合土壤深度、湿度和气候三因素进行分析。而作物水分亏缺指数(Crop Water Deficit Index，CWDI)是常用的农业干旱指标之一，能够较好地反映作物、气象和土壤对干旱的综合影响[15]，并且依据国家标准下的逐旬作物参考系数可以得出水分亏缺的变化情况[16]，为准确分析农业干旱变化奠定基础。

河北省地处华北平原，属于温带大陆性季风气候，降水空间分布不均匀，东南多、西北少，为干旱多发地区之一。据统计，由于干旱原因，造成华北地区的粮食损失量在过去60 a不断增加[17]。玉米是我国主要粮食产物之一，现如今玉米已经是各种食品、不同饲料、发酵工业和精细化工产品的重要原料，在全球的食品安全和国民经济发展中有着至关重要的作用[18]。河北省是我国玉米的主要产地。夏玉米在生长季内的需水量较多，由于气候因素的影响，降水量有所下降[19-20]，在生长季内常常会出现阶段性的干旱[21]。本文基于水分亏缺指数对河北省夏玉米不同生育期进行干旱时空分析，以分析结果为依据对河北省夏玉米的合理布局和抗旱减灾提供一定的参考和理论支撑。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

研究区位于河北省中南部，北纬36°05′～42°40′、东经113°27′～119°50′，属于温带大陆性季风气候，四季分明；年日照时数2 303.1 h，年无霜期81～204 d；年均降水量484.5 mm，降水量分布特点为东南多、西北少；1月份的平均气温在3 ℃以下，7月的平均气温为18～27 ℃。河北省夏玉米主产区主要分布在除张家口、秦皇岛和承德以外的其他地区[22]，文中选取邢台、石家庄、霸州、保定、饶阳、黄骅和邯郸7个市(县)作为研究区，针对夏玉米主产区进行干旱分析。研究区域概况及气象站点分布如图1所示。

图1 河北省夏玉米研究区

1.2 数据来源

文中所需气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)，包括河北省邢台、石家庄、霸州、保定、饶阳、黄骅和邯郸等7个气象站点的逐日平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、降水量、风速等，时间尺度为1967—2017年。河北省夏玉米生育期划分见表1。

表1 河北省夏玉米主产区生育期划分

2 研究方法

2.1 作物水分亏缺指数

作物水分亏缺指数(CWDI)是表示作物水分亏缺程度的指标之一，水分亏缺指数用百分率表示作物需水量与实际供水量的差值，参考张艳红等学者[15]的研究，作物水分亏缺指数(CWDI)采用如下计算公式：

CWDI=aCWDIi+bCWDIi-1+cCWDIi-2+dCWDIi-3+

eCWDIi-4。

(1)

式中：从作物生育阶段开始的那天算起，向作物生长前期推算5旬，10 d为1旬；CWDI指的是作物在该生育阶段1 d的值；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分别代表第i旬与其余4旬的水分亏缺指数；a、b、c、d、e分别为水分亏缺指数所对应的累计权重系数，其取值一般为0.30、0.25、0.20、0.15、0.10。

CWDIi表达式为：

(2)

式中：CWDIi为第i旬的作物水分亏缺指数，%；Pi为第i旬作物需水量，mm；ETi为第i旬作物需水量，mm，其表达式为：

ETi=Ki·ETO

(3)

式中:Ki为作物对应时期的系数，从FAO(联合国粮食及农业组织)编写的《作物需水计算》中查找标准条件下夏玉米所对应的作物系数分别为前期Kcini(Tab)=0.3、中期Kcimd(Tab)=1.2、后期Kcend(Tab)=0.6[23]，该标准值适用于河北地区[24];ETO为蒸散量,采用彭曼公式计算[25]。

2.2 农业干旱等级及干旱表征指标的计算

2.2.1 农业干旱等级

依据国家标准《农业干旱等级》对CWDI进行了分级，具体见表2。

表2 作物水分亏缺指数的农业干旱等级

2.2.2 干旱频率的计算

以旬为单位时间长度计算生育期不同阶段的干旱发生频率，具体计算公式如下：

(4)

式中：N为该生育阶段该旬出现某一旱级的次数；n为统计的总年数。

2.3 干旱站次比的计算

干旱站次比用于评价该区域的干旱影响范围。干旱站次比是针对某一区域进行计算的，该区域发生干旱的站次数与该区域全部站数之比。干旱站次比计算公式如下：

(5)

式中：M为发生干旱的站次数；m为该区域的全部站数；i为年份对应序号。

干旱影响范围的描述：当yi<10%时，无明显干旱；当10%≤yi<25%时，局部干旱；当25%≤yi<33%时，部分区域干旱；当33%≤yi<50%时，区域性干旱；当yi≥50%时，该区域一半以上面积发生干旱。

3 结果与分析

3.1 夏玉米供、需水量特征分析

河北省夏玉米主产区气象站点测算的夏玉米在生育期内的平均降水量和需水量结果见表3。由表3可知，河北省主产区夏玉米需水量为27～139 mm，主产区的降水量为5～45 mm。在整个生育期中，邯郸的降水量最大，而需水量最小。在快速发育期和生育中期各区的需水量大，均为100 mm以上；5～45 mm降水量的情况在快速发育期和生育中期较常见。可见，在生育阶段，降水量皆未达到需水量的要求，快速发育期和生育中期尤为缺水，这与河北省所处地理位置有关。河北省所处的地理位置致使该省水资源分布不均匀，呈东多西少、南多北少的分布格局，华北地区水资源供应紧张[26]，这与赵晗等[27]的研究结果一致，需要借助灌溉技术来保证农业生产的正常进行，并且灌溉管理是重点[28]。

表3 1967—2017年河北省主产区夏玉米不同生育阶段的平均降水量(P)和需水量(W) mm

3.2 夏玉米各生育阶段发生干旱的频率的变化特征

依据公式(4)计算河北省夏玉米主产区各气象站点在各个生育期干旱发生的频率，结果见表4。由表4可知，河北省夏玉米主产区轻旱发生的频率为12%～90%，其中播种到出苗期几乎无轻旱发生，石家庄区域在该生育阶段只有1 a发生过重旱，频率为2%，霸州区域在夏玉米该生育期只有1 a发生过轻旱，频率为4%；出苗到拔节期轻旱频率为12%～50%；拔节到抽雄期轻旱频率为62%～78%；抽雄到成熟期间轻旱频率为56%～90%。7个气象站点轻旱频率差值较大，拔节到抽雄期和抽雄到成熟期的轻旱频率大于其他几个生育阶段的。该夏玉米主产区中旱发生的频率为2%～72%，其中，出苗到拔节期的中旱频率为8%～62%，除邢台地区在夏玉米该生育期的中旱频率为58%，其余地区在夏玉米该生育期的中旱频率均小于30%；拔节到抽雄期，只有邢台地区的中旱频率为60%，其余地区的中旱频率均低于50%；抽雄到成熟期的中旱频率为8%～72%。该夏玉米主产区重旱发生的频率为2%～60%，其中播种到出苗期无重旱发生，出苗到拔节期只有邢台地区的重旱频率为42%，其余地区在夏玉米该生育阶段的重旱频率均低于12%，拔节到抽雄期的重旱频率为8%～26%，抽雄到成熟期，只有邢台地区的重旱频率为2%，其余地区的重旱频率均高于32%。特旱发生的频率为2%～18%，其中播种到拔节期无特旱发生，拔节到抽雄期只有邢台地区的特旱频率为18%，其余地区在夏玉米该生育阶段的特旱频率均低于6%，抽雄到成熟期的特旱频率为2%～10%。

综合看7个气象站的数据资料，中旱在抽雄到成熟期发生的频率最高；重旱发生的频率为2%～60%；大部分地区发生干旱的频率为10%～30%；7个气象站点在拔节到抽雄期和抽雄到成熟期发生重旱的频率较高；特旱发生的频率为2%～18%。由此知，轻旱、中旱、重旱和特旱发生的频率较高时期在拔节—抽雄期和抽雄—成熟期。

3.3 基于CWDI的河北省夏玉米主产区的干旱变化

3.3.1 夏玉米各生育阶段干旱的空间变化

依据公式(1)—(3)计算出河北省主产区夏玉米各生长阶段的CWDI值。结合CWDI值与表1中的作物水分亏缺指数的农业干旱等级，利用ArcGIS得到河北省夏玉米主产区夏玉米各生育阶段的干旱频率空间分布，如图2所示。

由图2可以看出：1967—2017年，河北省夏玉米主产区在播种至出苗期降水相对较多，因此，干旱频率均较低，没有严重的干旱发生；在出苗到拔节期间，主产区受到的干旱影响程度大于播种到出苗期的，主要是这段时期的降水量偏少造成的；7个主产区均受到不同程度的干旱影响，轻旱发生的频率比较高，主要出现在石家庄地区及其周边地区，中旱主要发生在邢台地区，轻旱和中旱发生的原因很大程度上与超采地下水有关，自然环境条件下的地表水资源不足与无节制的采集地下水现象并存，导致石家庄和邢台地区的干旱现象严重[29]；拔节到抽雄期间是夏玉米生长的关键时期，该时期降水偏少，这一时期7个夏玉米主产区均有轻旱和中旱发生，轻旱发生在石家庄和邯郸地区，中旱发生在邢台及其周边地区；抽雄到成熟期，7个夏玉米主产区均有轻旱发生，除邢台地区外，其余6个地区均有较大面积的轻旱发生；中旱发生在石家庄及其周边地区，重旱发生在邯郸、饶阳和黄骅地区。

综合4个生育阶段来看，夏玉米在整个生育期内，拔节—抽雄和抽雄—成熟时期的干旱现象最为严重，且以轻旱和中旱为主，将近全部地区受到了干旱的影响，由于这两段时期是玉米生长成熟的关键时期，所需要的水分相对较多，而此时华北地区气温下降导致低压活动减缓，不利于降水，使降水量下降[30]。因此，这两段时期河北省夏玉米主产区的干旱情况较其他生育期的严重。

3.3.2 夏玉米各生育阶段干旱的时间变化

通过公式(1)—(3)计算出河北省夏玉米7个主产区的CWDI值，分析夏玉米生育期的水分亏缺指数的年际变化特征。由于出苗到播种这一时期几乎无干旱发生，因此，将出苗至拔节作为一个时期进行分析，生育期的CWDI分析结果如图3所示。

图3 河北省夏玉米主产区作物水分亏缺指数(CWDI)的年际变化

由图3可知：1967—2017年，河北省夏玉米在播种到拔节期，CWDI值为0%～32%，整体波动起伏不是特别明显，且主产区都处于无旱状态，CWDI最高值为32%，出现在1974年，最低值为1%，出现在2013年；在拔节至抽雄期间，主产区的CWDI值波动起伏较大，波动范围为9%～60%，干旱(CWDI>35%)的年份有17 a，说明和上一个生育期相比，该生育期的干旱频率有所增加，这些情况的出现与夏玉米在整个生育期关于光照、降水和温度的综合适宜性有关，在播种到拔节期间的适宜程度较高，而拔节到抽雄期的适宜程度较低[31]，导致作物CWDI值出现起伏；1996—1997年，河北省夏玉米主产区的CWDI值骤然增加，出现最大值60%(最低值9%出现在1995年)，整体的CWDI值呈下降趋势；1967—1976年，河北省夏玉米主产区的CWDI值呈现波动式下降，期间出现3个波峰；1977—1986年的CWDI值在14%和49%之间波动，1996—2006年的CWDI值出现最高值，CWDI值在此时段骤然增高再缓慢下降，2007—2017年的CWDI值开始出现波动下降；在抽雄—成熟期间，虽然和拔节—抽雄期的CWDI值略有不同，但CWDI值的变化趋势和上一个生育阶段的变化趋势基本持平；在1968年，CWDI有一个最高值，为56%；在1995年，CWDI有一个最低值，为11%；1967—2017年，干旱年份有29 a，CWDI值在该时期整体呈下降趋势，说明该区域干旱频率在降低。

综合CWDI值的变化情况，1967—2017年，河北省夏玉米在出苗至拔节期无干旱发生，CWDI值变化不是很明显，拔节至抽雄期和抽雄至成熟期的CWDI值变化趋势大致相同，均呈现起伏波动下降趋势，这一结论与薛昌颖等[32]的研究结论一致；拔节—抽雄期和抽雄—成熟期虽然有干旱发生，但是干旱程度有逐渐减轻的趋势，拔节—抽雄期干旱严重的时段为1996—1997年，抽雄—成熟期发生最为严重干旱的年份为1968年，这与实际干旱情况及已有的干旱研究结论相吻合[33]。

4 讨论与结论

文中运用气象数据计算河北省夏玉米主产区的7个气象站点的作物水分亏缺指数(CWDI)，对1967—2017年河北省夏玉米的干旱变化特征进行了时空分析，得出河北省夏玉米主产区的干旱情况有以下几个特点：

1)河北省主产区夏玉米需水量为27～139 mm，而该主产区的降水量为5～45 mm。生育期内降水量未能满足需水量的要求，快速发育期和生育中期尤为缺水。

2)从夏玉米生育期内CWDI值的干旱频率来看，拔节—抽雄期和抽雄—成熟时期是影响夏玉米成熟结果的关键时期，这2个时期所有等级的干旱均有发生，且以轻旱和中旱为主。

3)从夏玉米生长季内的空间上看，将近全部地区受到了干旱的影响，石家庄、饶阳、邯郸和黄骅地区夏玉米的拔节—抽雄期和抽雄—成熟时期的干旱情况最为严重。

4)从夏玉米干旱情况的年际变化趋势来看，出苗—拔节期间无干旱发生，拔节—抽雄期和抽雄—成熟期夏玉米主产区的CWDI值变化趋势大致相同，均呈现起伏波动的下降趋势，即1967—2017年，河北省主产区夏玉米在拔节—抽雄期和抽雄—成熟期虽然有干旱发生，但是程度有逐年减轻的趋势，拔节—抽雄期干旱严重的时期为1996—1997年，抽雄—成熟期出现最为严重的干旱年份为1968年。

5)整体来看，河北省夏玉米在生育期内，石家庄、饶阳、邯郸和黄骅地区的干旱程度较高，其余地区均有轻微的干旱发生。

基于水分亏缺指数研究河北省夏玉米主产区在生育期内的干旱时空变化，与基于其他指数[34]的研究相比，后者仅针对地表湿润程度进行研究，而前者不仅能表征深度方向土壤湿度的变化情况，还结合了气候因素，更能准确地分析夏玉米干旱情况的变化过程。研究发现，河北省夏玉米在生育期内干旱的频率较高，这与杨平等[35]的研究结论一致；从空间分布情况来看，石家庄、饶阳、邯郸和黄骅地区在夏玉米拔节—抽雄和抽雄—成熟时期的干旱情况最为严重，这一结论与马鹏里等[36]的研究结果一致。因此，使用CWDI值对河北省夏玉米的干旱情况进行研究，合理且适用。

文中关于夏玉米的研究尚存在不足之处，如人类活动会影响水分亏缺的变化，在以后的研究中应进一步加深对多种因素导致干旱发生的认识，通过提高数据精度来降低结果的不确定性。