淮北平原冬小麦干旱特征分析

2023-09-07方逸敏朱永华吕海深王振龙许海婷

灌溉排水学报 2023年8期

方逸敏，朱永华*，吕海深,2，王振龙，潘莹，许海婷

（1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.安徽省（水利部淮委）水利科学研究院水利水资源安徽省重点实验室，合肥 230088）

0 引言

【研究意义】淮北平原安徽地区（以下简称淮北平原）地处黄淮海平原南侧，自然条件优越，是我国重要商品粮生产基地之一，冬小麦是其主要的粮食作物。干旱是冬小麦生育期间发生的主要气象灾害之一，其特点是发生频率高、影响范围大、持续时间长，对冬小麦生长发育和产量有很大影响[1-2]。因此，研究淮北平原冬小麦干旱特征及变化趋势，对科学把握淮北平原冬小麦生长发育状况以及确保冬小麦稳产高产具有重要意义。【研究进展】监测干旱的指标很多，其中常见的干旱指数有帕默尔干旱指数（PDSI）[3]、标准化降水蒸散指数（SPEI）[4]、归一化植被指数（NDVI）[5]等。王连喜等[6]以作物水分亏缺指数（CWDI）为干旱指标，结合数理统计方法，分析河南省冬小麦干旱时空分布特征。李德等[7]采用平均值、点聚图、有序样本最优聚类等方法，建立了皖北砂姜黑土区冬小麦生育期尺度的降水量负距平百分率、麦田水分盈亏率干旱指标，经检验，这些指标均有80%以上的正确率，能较好地解释皖北砂姜黑土区的干旱事件。康西言等[8]以冬小麦需水量替代SPEI指数中的蒸散量，对蒸散量的计算和时间尺度进行改进，分析了河北省1965—2014 年冬小麦干旱时空分布特征。贾建英等[9]基于冬小麦休闲期土壤贮水和生长期降水盈亏对作物水分亏缺指数进行改进，改进后的水分亏缺指数与冬小麦减产率高度相关。【切入点】一方面，这些研究大多基于作物水分亏缺或气象条件建立干旱指标，或者仅考虑某地区发生干旱的频率，鲜有将作物水分亏缺和发生干旱的频率相结合的干旱指标。Cammalleri 等[10]将作物水分亏缺和干旱频率同时纳入考虑，认为只有发生罕见的土壤水分亏缺才能被认定为干旱，并建立了一种基于土壤含水率数据，结合土壤水分亏缺程度和频率的干旱严重指数（Drought Severity Index，DSI）来量化干旱事件。另一方面，这些研究大多基于0～50 cm 土层土壤含水率展开研究[7,11]，未考虑冬小麦根区层不同土层深度土壤含水率对各生育阶段生长发育的贡献程度。本文通过冬小麦各生育阶段根区不同土层深度土壤含水率与冬小麦产量的相关性分析，分别确定各生育阶段对冬小麦生长发育起决定作用的关键土层，用关键土层的土壤含水率计算干旱严重指数DSI并评定干旱等级，分析1986—2018 年淮北平原冬小麦干旱特征及干旱趋势。【拟解决的关键问题】利用1986—2018 年淮北平原砂姜黑土区的不同土层深度土壤含水率数据和冬小麦年产量数据，分析对冬小麦生长发育起决定作用的关键土层，并结合发生干旱的频率，计算关键土层的干旱严重指数DSI，依据DSI指数计算结果评定干旱等级，统计淮北平原1986—2018 年的干旱频率频次，采用Mann-Kendall检验法（M-K检验法）、滑动T检验法分析干旱变化趋势，并对比淮北平原气温突变年（1994 年）前后的干旱特征及趋势，对淮北平原冬小麦的干旱特征和变化趋势进行研究，以期更准确地监测和量化淮北平原地区的农业干旱事件，对淮北平原的农业干旱特征有更科学的把握。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

淮北平原位于安徽省北部，黄淮海平原南端，属北亚热带和暖温带气候，冬季干旱少雨，夏季炎热多雨，54%的土地面积为砂姜黑土，冬小麦是其主要冬作物。五道沟水文水资源试验站位于安徽省蚌埠市北部固镇县境内，年平均降水量为890 mm，60%以上的降水发生在6—9 月，降水量年内分布不均匀且年际变化大，土壤类型为砂姜黑土，且位于冬小麦产区，具有典型冬小麦物候期。综上，五道沟试验站在气候、土壤类型、作物类型及物候期方面均在淮北平原具有一定代表性，故而选择五道沟试验站为淮北平原的代表性站点[12-14]。

1.2 数据来源

土壤含水率数据：1986—2018 年淮北平原砂姜黑土区土壤含水率数据来源于安徽省蚌埠市固镇县新马桥镇五道沟试验站。土壤含水率采用土钻每5 天取样1 次（每月1、6、11、16、21、26、31 日），各土层质量含水率采用烘干法测定，结合该试验站测定的干体积质量数据将各土层质量含水率换算成体积含水率。

冬小麦生长资料：依据淮北平原冬小麦的生长发育情况和五道沟试验站试验报告[15]，将冬小麦生育期划分为6 个生育阶段，依次为播种—出苗期（1010—1220）、出苗—返青期（1221—次年0210）、返青—拔节期（0211—0320）、拔节—抽穗期（0321—0420）、抽穗—灌浆期（0421—0515）、灌浆—成熟期（0516—0531）。以每年10 月10 日至次年5 月31 日为一个生育期，例如1986 年10 月10 日—1987年5 月31 日称为1987 年生育期，其他年份同理。

1.3 研究方法

1.3.1 相关性分析

利用淮北平原冬小麦2006—2013、2016—2017年共10 个生育期的年产量数据和不同土层深度的土壤含水率数据，计算皮尔逊相关指数，进行相关性分析，确定对冬小麦各生育阶段生长发育起决定作用的关键土层。

1.3.2 土壤水分亏缺指数

依据Van 等[16]1987 年提出的S 曲线计算土壤水分亏缺指数d：

式中：α为无量纲吸收减少函数，表示水分胁迫导致的根系吸水减少，吸收减少函数α与水分亏缺指数d本质上都是反映土壤水分亏缺，前者以土水势来量化，后者以土壤含水率来量化，对于同一对象，二者在数量上相等；p为经验形状参数；h为土水势；h50为蒸腾作用减半时的土水势；依据淮北平原砂姜黑土的经验数据[18]，h50=-1 500 cm，p=3；依据淮北平原砂姜黑土土壤水分特征曲线[19]得到，h=-3 299 cm；综上，联立式（1）、式（2），确定经验指数n=5.866。

1.3.3 干旱频率

与Cammalleri 等[10]计算干旱严重指数DSI过程类似：用beta 分布来统计土壤水分亏缺指数d；用土壤水分亏缺指数的标准化百分数F*(d)表示土壤水分与“通常”状态的偏离程度，即干旱的罕见性；用Z指数干旱等级定义土壤水分亏缺指数的标准化百分数的等级；最后拟合标准化百分数F*(d)与干旱频率P的关系，得出干旱频率P的表达式，如表1 所示。本文用《气象干旱等级》（GB/T20481—2017）[20]规定的Z指数干旱等级代替Cammalleri 等[10]使用的Z指数干旱等级。

表1 冬小麦各生育阶段P 指数与F*(d)的函数Table 1 The function of P index and F*(d) at each growth stage of winter wheat

1.3.4 干旱严重指数DSI计算

土壤水分亏缺指数描述了缺水严重程度，但即使是相同的水分亏缺，在不同时期不同地区也会对作物产生不同影响，仅考虑水分亏缺严重程度而忽略水分亏缺在历史序列中的异常性可能会错误识别干旱；干旱频率可以反映干旱的罕见程度，对于年际变化小的地区，仅考虑干旱罕见程度则可能会将罕见但不妨碍作物正常生长的情况识别为干旱。Cammalleri 等[10]将作物水分亏缺和干旱频率同时纳入考虑，认为只有发生罕见的土壤水分亏缺才能被认定为干旱，并建立了一种基于水分亏缺程度和频率的干旱严重指数（Drought severity index，DSI）来量化干旱事件，并给定干旱等级，如表2 所示：

表2 基于干旱严重指数（DSI）的干旱等级划分Table 2 The classification of drought grade based on DSI

2 结果与分析

2.1 相关性分析

冬小麦播种—出苗期根系深度一般在0～30 cm之间，出苗—返青期根系深度生长至90 cm 左右，返青—拔节期根系生长至120 cm 左右，拔节期后根系逐渐发育完全，至150 cm 左右[18]。播种—出苗期以0～10 cm 耕作层和最大根系深度30 cm 为界线划分土层，出苗期后以0～10 cm 耕作层、50 cm 常用土层深度和各生育阶段最大根系深度为界线划分土层，将原始土壤含水率数据按深度加权计算得到所划分土层的平均土壤含水率。计算冬小麦各生育阶段不同深度土层土壤含水率与冬小麦产量之间的皮尔逊相关系数，在各个生育阶段分别选择相关性最高的土层作为冬小麦生长发育的关键土层，计算结果如表3 所示。由表3 可知，冬小麦各生育阶段生长发育的关键土层分别为：播种—出苗期10～30 cm、出苗—返青期0～50 cm、返青—拔节期50～120 cm、拔节—抽穗期0～150 cm、抽穗—灌浆期50～150 cm、灌浆—成熟期0～10 cm。

表3 不同深度土层土壤含水率与冬小麦产量的相关系数Table 3 The correlation coefficient between soil moisture content and winter wheat yield

2.2 干旱频率及频次

1986—2018 年淮北平原冬小麦生育期尺度下干旱频率统计见表4。由表4 可知，淮北平原冬小麦生育期尺度下干旱总频率达42.64%，以轻旱和中旱为主，各等级干旱频率轻旱（20.3%）＞中旱（17.77%）＞特旱（2.54%）＞重旱（2.03%）。轻旱和中旱频率在20 世纪90 年代后大幅度上升，重旱和特旱出现频率较低。1991—2000 年干旱频率达到最高，干旱总频率为14.21%。

表4 1986—2018 年淮北平原冬小麦生育期尺度下干旱频率Table 4 Drought frequency in Huaibei Plain from 1986 to 2018 %

1986—2018 年淮北平原冬小麦生育期尺度下干旱频次统计见表5。由表5 可知，淮北平原冬小麦1986—2018 年（共197 个生育阶段）干旱频次播种—出苗期（21 次）＞灌浆—成熟期（18 次）＞返青—拔节期和抽穗—灌浆期（14 次）＞出苗—返青期（9次）＞拔节—抽穗期（8 次）。其中，播种—出苗期以轻旱和中旱为主，仅发生1 次重旱；出苗—灌浆期只发生轻旱和中旱；灌浆—成熟期出现3 次重旱和5 次特旱，干旱较为严重。

表5 1986—2018 年淮北平原冬小麦生育期尺度下干旱频次次Table 5 Drought incidence in Huaibei Plain from 1986 to 2018

2.3 M-K 趋势检验及突变检验

1986—2018 年淮北平原冬小麦各生育阶段DSI指数M-K 趋势检验及突变检验如图1 所示。

图1 1986—2018 年淮北平原冬小麦各生育阶段DSI 指数M-K 统计量曲线Fig.1 M-K catastrophe analysis of each growth stages of winter wheat in the Huaibei Plain from 1986 to 2018

1）趋势性分析。播种—出苗期统计变量Z=-1.72<-1.64，通过了0.05 显著性检验，表明播种—出苗期干旱呈显著下降趋势。出苗—返青期统计变量Z=-0.39＞-1.64，未通过0.05 显著性检验，表明出苗—返青期干旱无显著下降趋势，UF曲线在2007—2012年超出了置信区间下限，表明这段时间干旱呈显著下降趋势。返青—拔节期、拔节—抽穗期、抽穗—灌浆期、灌浆—成熟期统计变量Z分别为0.54、0.65、0.03、-0.56，均未通过0.05 显著性检验，表明返青—拔节期、拔节—抽穗期、抽穗—灌浆期干旱无显著上升趋势，灌浆—成熟期干旱无显著下降趋势。

2）突变性分析。冬小麦各生育阶段的M-K 突变检验结果见图1，由图中UF曲线和UB曲线交点的位置确定干旱可能突变年，以可能突变年为基准点，选取基准点前后时间长度相等的2 个子序列进行滑动T检验，各生育阶段的检验结果均未通过0.05 显著性水平，说明1986—2018 年冬小麦全生育期内无干旱突变年。

2.4 气候突变前后干旱对比

气候变暖是影响农业干旱灾害最直接的要素，尤其以气温变化最为关键[21]。王振龙等[22]分析了淮北平原 1964—2009 年气象资料，得出年平均气温以0.14 ℃/10 a 的速率呈上升趋势的结论。刘勇等[23]分析了五道沟水文试验站1986—2018 年气象观测资料，得出淮北平原1986—2018 年气温和年降水量均呈上升趋势，且1994 年为气温突变年的结论。本文基于以上研究，对比气温突变年1994 年前后淮北平原冬小麦干旱事件的变化特征及趋势。

1）突变前后干旱严重指数DSI变化特征分析。以气温突变年（1994 年）为界，统计突变前（1986—1993 年）、后（1994—2018 年）干旱严重指数DSI的平均值、最大值、线性倾向率，分析突变前后干旱严重指数DSI的变化特征，结果见表6。由表6 可知，1986—2018 年淮北平原干旱严重指数均值在冬小麦播种—返青期突变后小于突变前，返青—成熟期突变后大于突变前，其中播种—出苗期由突变前0.285 下降到突变后0.145，由中旱变为轻旱。各生育阶段DSI线性倾向率突变前到突变后除返青—拔节期呈上升趋势外，其他生育阶段突变前后均呈下降趋势或由上升变为下降。除出苗—返青期外，其他生育阶段突变后的DSI最大值均大于突变前，这说明极端干旱有加剧趋势。

表6 气温突变年前后干旱严重指数（DSI）变化特征Table 6 The comparison of DSI between before and after abrupt temperature change

2）突变前后干旱频率变化特征分析。以气温突变年（1994 年）为界，统计突变前后的干旱频率，分析突变前后干旱频率的变化特征，结果见表7。由表7 可知，1986—2018 年淮北平原冬小麦各生育阶段、各等级干旱的干旱频率均呈现出突变后大于突变前的规律，这表明干旱愈加频繁。突变前重旱、特旱仅在灌浆—成熟期以较低频率发生，其他生育阶段均未发生，突变后播种—出苗期出现重旱，灌浆—成熟期重旱、特旱频率均有所增加，表明突变后极端干旱现象增多。

表7 气温突变年前后干旱频率对比Table 7 The comparison of drought frequency between before and after abrupt temperature change %

3 讨论

土壤深度0～50 cm 是各种作物根系的主要分布区[24-25]，很多作物土壤水分的研究仅针对0～50 cm 展开[7,11]，实际上，作物根区土壤水分是随着根系生长动态变化的[26]，本研究表明，在冬小麦各生育阶段水分对生长发育起关键作用的土层依次为：播种—出苗期10～30 cm、出苗—返青期0～50 cm、返青—拔节期50～120 cm、拔节—抽穗期0～150 cm、抽穗—灌浆期50～150 cm、灌浆—成熟期0～10 cm。其中，播种—出苗期、出苗—返青期、拔节—抽穗期、抽穗—灌浆期的关键土层与张从志等[27]的结论一致，返青—拔节期、灌浆—成熟期的结论有所出入，可能是因为冬小麦品种及土壤类型不同，加之5 月下半月淮北平原干热风的影响，导致结论并不完全一致。淮北平原干热风在5 月中下旬出现，在5 月第四、第五候对冬小麦灌浆速度影响最大[28]，削弱了土壤水分对冬小麦产量的影响，且干热风加剧蒸发，表层土壤水分大幅下降，进一步导致冬小麦减产，使得抽穗—灌浆期、灌浆—成熟期各土层土壤水分与冬小麦产量的相关系数较低，且灌浆—成熟期的关键土层为表土层0～10 cm。

1986—2018 年淮北平原冬小麦生育期尺度下干旱频率在1991—2000 年达到最高，查阅资料（《中国气象灾害大典》《安徽统计年鉴》）得知1991、1994、1995、1999 年为典型干旱年，降水量较少。典型干旱年增多与20 世纪90 年代干旱频率增大相吻合。重旱多在灌浆—成熟期发生，特旱仅在灌浆—成熟期发生，可见冬小麦灌浆—成熟期缺水最为严重，这与许莹等[29]的研究结果一致，可能是受淮北平原5月下半月干热风影响[28]，未来应注意冬小麦灌浆—成熟期的生长发育情况，及时补充土壤水分并注意干热风防御，以防出现严重旱灾。

在干旱事件发生过程中，普遍认为降水和气温是导致发生干旱的最主要因素[30]。刘勇等[23]认为1986—2018 年淮河流域气温升高显著，陈柏丽等[31]认为淮北平原1955—2015 年的年降水量整体呈现不显著的上升趋势。气温上升对干旱的加剧作用可能被降水量增加对干旱的减弱作用抵消一部分，再加之其他气象因素的综合作用，可能造成了淮北平原1986—2018年冬小麦全生育期内无干旱突变年的现象。

气温突变年后，冬小麦播种—出苗期出现重旱，在此之前冬小麦苗期以轻旱和中旱为主，未来应注意冬小麦苗期的生长发育情况，及时补充土壤水分，保证冬小麦出苗。气候变暖背景下，干旱愈加频繁且极端干旱加剧，这与韩兰英等[32]、张强等[33]的研究结果一致。随着中国经济的发展，抗旱减灾能力有所增加，但抵御重大旱灾的能力仍然不足[34-35]，面临极端干旱加剧的趋势，未来应加强防御重大旱灾，避免重大旱灾带来的社会经济损失。

本文依据相关系数判定关键土层，而目前关于不同深度水源对作物贡献的研究，多是借助田间试验和稳定性氢氧同位素技术来实现，今后可结合淮北平原田间试验的研究成果，更为严谨地判定冬小麦生长发育的关键土层。此外，本文选择冬小麦为主要粮食作物，选择蚌埠市五道沟试验站为站点，来研究淮北平原农业干旱的特征及演变规律，而淮北平原还有其他代表性粮食作物和代表性站点，在后续研究中，可适当开展多站点、多作物品种的研究，以期对淮北平原农业干旱的特征及时空演变规律有更深的认识。