吉林省玉米干旱时空变化特征研究

崔佳龙 任景全 穆 佳 王冬妮

（吉林省气象科学研究所，吉林长春 130062）

1 引言

气候变化背景下，极端天气气候事件频发，给农业生产带来了很大影响。干旱是影响农作物的主要农业气象灾害之一。国内外学者对干旱进行了大量研究，主要集中在干旱监测[1-2]、干旱风险[3-4]、干旱影响[5-7]等方面。顾西辉等[8]基于1961—2010年干旱灾害数据研究认为，东北地区干旱灾害呈显著上升趋势。张淑杰等[9]研究表明东北地区干旱发生频率较高的时段主要在苗期生长阶段。许玲燕等[10]基于SPEI指数研究了云南省夏玉米生长季干旱时空特征，认为SPEI能够较好地反映云南省历史干旱变化的时空特征和夏玉米的产量变化情况。王连喜等[11]利用标准化降水指数（SPI）研究了陕西省干旱变化及其对玉米产量的影响，研究表明，陕西省干旱趋势逐渐增强，干旱与玉米产量呈显著负相关。综上可知，不同学者利用不同的干旱指标和方法研究了干旱特征及其对玉米的影响，但是这些指标没有形成规范，在其他区域的适用性也有待验证。

吉林省是玉米的集中生产区域，素有“黄金玉米带”之称。保障粮食安全生产尤为重要。本研究基于行业标准 《北方春玉米干旱等级》（QX/T 259—2015）[12]，以逐日水分亏缺指数为玉米干旱指标，结合玉米发育期资料，研究不同发育期玉米干旱特征。以期为吉林省农业生产和防灾减灾提供参考。

2 资料与方法

2.1 研究区域概况

吉林省属于温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期。东部山区雨量充沛，但地形以山区为主，玉米种植面积较小。吉林省玉米主要种植区域为中西部地区，中西部平原地区降水较东部偏少，干旱频发，尤其西部地区有“十年九旱”之说。

2.2 资料来源

气象数据为1961—2018年吉林省50个气象站的逐日观测数据，地理属性数据包括各气象站的经纬度、海拔，数据均来源于吉林省气象局。玉米生育期观测资料为1981—2010年农业气象观测数据。

2.3 玉米生育阶段和干旱等级划分

根据中国气象局行业标准《北方春玉米干旱等级》（QX/T 259—2015），将吉林省春玉米生育期划分为播种—出苗、出苗—拔节、拔节—抽雄、抽雄—乳熟、乳熟—成熟5个生育阶段，依据不同生育期的水分亏缺指数指标，将玉米干旱分为无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱5个等级。水分亏缺指数干旱等级划分见表1。

表1 水分亏缺指数（Kcwdi）干旱等级划分 %

2.4 作物水分亏缺指数计算方法

吉林省春玉米不同生育阶段水分亏缺指数计算公式[12]如下：

式中，Kcwdi为玉米生育阶段水分亏缺指数，Icwds，i为生育阶段内第i天的累计水分亏缺指数，n为某生育阶段内包含的总天数。

式中，Icwds，i为生育阶段内第i天的累计水分亏缺指数（%）；cwdi，i为第i时间单位（过去的第1天至过去的第10天）的水分亏缺指数；cwdii-1为第i-1时间单位（过去的第11天至过去的第20天）的水分亏缺指数；cwdii-2为第i-2时间单位（过去的第21天至过去的第30天）的水分亏缺指数；cwdii-3为第i-3时间单位（过去的第31天至过去的第40天）的水分亏缺指数；cwdii-4为第i-4时间单位（过去的第41天至过去的第50天）的水分亏缺指数；a、b、c、d、e为权重系数，依据当地情况，其值分别取0.30、0.25、0.20、0.15、0.10。

水分亏缺指数的计算：

式中，CWDIi为第i个时间单位的水分亏缺指数（%）；Pi为第i个时间单位的累计降水量（mm）；Ii为第i个时间单位的累计灌溉量（mm）。

式中，ET o，i为第i个时间单位参考蒸散量（mm），只与气象要素有关，反映不同地区不同阶段大气蒸发能力对植物需水量的影响，其计算方法采用联合国粮食及农业组织（food and agriculture organization，简称FAO）于1998年推荐的Penman-Monteith公式；Kc，i为春玉米某生育阶段系数，反映了作物蒸腾、土壤蒸发的综合效应，此外作物类型、气候条件、土壤蒸发、作物生长状况等多种因素对Kc，i都会有一定影响。吉林省春玉米生长阶段的作物系数见表2。

表2 吉林省玉米作物系数Kc，i

春玉米干旱频率的计算方法如下：

式中，N为某时段干旱出现的年数；n为统计年数。通过计算春玉米不同发育阶段的作物水分亏缺指数，再按不同发育阶段的作物水分亏缺指标阈值所确定的干旱等级计算各级别干旱的发生频率。

2.5 统计分析

采用Excel进行数据的处理和统计，采用ArcGIS 10.0软件的反距离权重插值方法进行干旱发生频率的空间分析。

3 结果与分析

3.1 玉米干旱发生站数比的年际变化

3.1.1 播种—出苗期干旱发生站数比年际变化

1961—2018年吉林省玉米播种—出苗期干旱发生站数比时间变化见图1。由图1a可见，干旱发生站数比呈下降趋势，平均值为40.6%。其中，2010年干旱发生站数比为0；2001年干旱发生站数比最高，为90%；其他各年在4%～84%。干旱发生站数比在50%以上的共有20 a。从不同程度干旱发生站数比时间变化看，轻度、重度和特大干旱发生站数比呈逐年略微下降的趋势；中度干旱发生站数比呈逐年略微上升趋势。1961—2018年轻度、中度、重度、特大干旱发生站数比平均值分别为19.0%、9.2%、6.2%、7.6%，轻度干旱发生站数比远大于其他程度干旱。

图1 1961—2018年吉林省玉米播种—出苗期干旱（a）、轻度干旱（b）、中度干旱（c）、重度干旱（d）和特大干旱（e）发生站数比年际变化

3.1.2 出苗—拔节期干旱发生站数比年际变化

1961—2018年吉林省玉米各生育期干旱发生站数比时间变化见图2。出苗—拔节期干旱发生站数比呈下降趋势，平均值为30.1%。其中，1990年、2010年、2014年和2015年干旱发生站数比为0；1963年干旱发生站数比最高，为70%；干旱发生站数比在50%以上的有8 a。轻度、中度、重度、特大干旱发生站数比平均值分别为18.1%、7.3%、3.6%、1.1%，轻度干旱发生站数比均大于其他程度干旱。从变化趋势看，除特大干旱发生站数比基本为0外，其他程度干旱均呈下降趋势。

3.1.3 拔节—抽雄期干旱发生站数比年际变化

拔节—抽雄期干旱发生站数比时间变化见图2b。干旱发生站数比呈逐年降低趋势变化，平均值为20.4%。其中，1997年最高，为70%；1977年、1994年、1998年和2012年干旱发生站数比为0；其他各年在2%～68%；干旱发生站数比在50%以上的有7 a。轻度、中度、重度、特大干旱发生站数比平均值分别为14.6%、3.7%、1.6%、0.5%，轻度干旱发生站数比均大于其他程度干旱。轻度、中度呈略微下降趋势，重度和特大干旱发生站数比较低，变化趋势不明显。

3.1.4 抽雄—乳熟期干旱发生站数比年际变化

抽雄—乳熟期干旱发生站数比时间变化见图2c。干旱发生站数比呈上升趋势，平均值为14.3%。其中，1997年最高，为86%；有14年干旱发生站数比为0；其他各年在2%～52%。轻度、中度、重度、特大干旱发生站数比平均值分别为10%、3.3%、1.0%、0.1%，轻度干旱发生站数比均大于其他程度干旱。轻度和中度干旱发生站数比呈上升趋势，重度和特大干旱变化趋势不明显。

3.1.5 乳熟—成熟期干旱发生站数比年际变化

乳熟—成熟期干旱发生站数比时间变化见图2d。干旱发生站数比呈略微上升趋势，平均值为21%。其中，1967年最高，为66%；1966年、1969年、1985年和1987年干旱发生站数比为0；其他各年在2%～64%；干旱发生站数比≥50%以上的有3 a。轻度、中度、重度、特大干旱发生站数比平均值分别为13.9%、4.4%、1.9%、0.8%，轻度干旱发生站数比均大于其他程度干旱。轻度和中度干旱发生站数比呈上升趋势，重度和特大干旱变化趋势不明显。

图2 1961—2018年吉林省玉米出苗—拔节期（a）、拔节—抽雄期（b）、抽雄—乳熟期（c）、乳熟—成熟期（d）干旱发生站数比年际变化

3.2 春玉米干旱发生频率空间变化

从玉米干旱发生频率空间分布特征结果来看，播种—出苗期（图3a），干旱发生频率由西向东逐渐降低。从空间分布看，西部各站干旱发生频率均较高。其中，白城站发生频率最高，为96.6%；镇赉干旱发生频率最低，为64.4%。中部干旱发生频率为10.2%～72.9%。东部的烟筒山站为84.7%；长白和通化县站为0；其他站干旱发生频率较低，为1.7%～42.4%。出苗—拔节期，干旱发生频率较高的站点主要集中在西部，松原、通榆、白城、前郭、扶余站干旱发生频率均在80%以上。干旱发生频率自西向东逐渐降低，吉林城郊、辉南和长白站干旱发生频率为0。拔节—抽雄期，干旱发生频率较高的站点依然位于西部，空间分布特征为西高东低。发生频率均低于播种—出苗期和出苗—拔节期，长岭、洮南、通榆、松原和前郭站干旱发生超过了50%，其数值范围为50.8%～59.3%。抽雄—乳熟期，干旱发生频率空间分布特征与前几个时期一致，为由西向东逐渐降低。前郭站最高，为52.5%；洮南、乾安、白城、通榆和扶余站干旱发生频率也在40%以上。乳熟—成熟期，干旱发生频率由西向东逐渐降低，干旱发生频率较高的站点主要集中在西部，西部各站点发生频率范围为40.7%～76.3%；辉南和长白站发生频率为0；其他站发生频率范围为1.7%～44.1%。

图3 1961—2018年吉林省玉米干旱发生频率空间分布（%）

3.3 干旱典型年

从干旱站数比看，播种—出苗期、出苗—拔节期、拔节—抽雄期、抽雄—乳熟期和乳熟—成熟期干旱发生站数比分别在2001年、1963年、1997年、1997年和1967年达到最高，是吉林省玉米各个生育阶段发生干旱的典型年份。

4 结语

（1）从干旱发生站数比看，1961—2018年吉林省玉米播种—出苗期、出苗—拔节期、拔节—抽雄期干旱发生站数比呈逐年下降趋势；抽雄—乳熟期和乳熟—成熟期干旱发生站数比呈逐年上升趋势。

（2）播种—出苗期、出苗—拔节期、拔节—抽雄期、抽雄—乳熟期和乳熟—成熟期干旱发生站数比分别在2001年、1963年、1997年、1997年和1967年达到最高。从各发育期1961—2018年吉林省玉米干旱发生站数比平均值看，播种—出苗期干旱发生站数比最高，抽雄—乳熟期干旱发生站数比最低。从干旱发生频率空间变化看，各生育期干旱发生频率空间分布特征一致，均为由西向东逐渐降低，干旱大多发生在西部。

（3）通过计算逐日水分亏缺指数，基于干旱等级划分标准，分析吉林省玉米不同生育期干旱时空变化，认为吉林省西部是干旱发生最为严重的区域，这与事实相符。根据吉林省气象灾害统计年鉴数据显示，2001年、1963年、1997年和1967年，吉林省均发生了不同程度的干旱，给粮食产量造成较大影响，这与本研究结果基本一致。本研究成果可为农业生产人员合理选择抗旱品种等提供参考，为决策者在农业气候区划和农业气象灾害风险区划提供数据支持。