周海香，胡夢，劉文兆，寧婷婷

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100； 2.西北師范大學， 甘肅 蘭州 730070； 3.西北農林科技大學， 陜西 楊凌 712100； 4.中國科學院大學， 北京 100049)

IPCC第五次報告[1]指出全球平均陸地和海洋表面的溫度在1880—2012年間以每10年0.12℃的速率上升，多年平均升溫幅度達0.85℃，氣候變暖已成為不爭的事實。21世紀以來，世界各國都強調可持續(xù)發(fā)展，而地表氣溫上升，部分地區(qū)降水減少引起的高溫熱浪，干旱等一系列極端氣候事件已成為可持續(xù)發(fā)展中面臨的重大挑戰(zhàn)。據統(tǒng)計，中國每年因受旱災而導致的作物減產達到2.6×1010kg[2]。Wang等[3]的研究表明中國大陸自1950年以來，干旱事件風險呈增加趨勢。Zhai等[4]研究指出自20世紀90年代中期，中國北方各流域干旱發(fā)生的頻率在增加?？紤]干旱發(fā)展的不同階段和研究范圍，一般將干旱分為氣象干旱、水文干旱、農業(yè)干旱和社會經濟干旱等[5-6]。其中，氣象干旱是由異常氣候條件下缺水所引起的，降水是其主要影響因子。而干燥度[7]作為表征一個地區(qū)干濕程度的綜合指標，可從降水、氣溫、輻射等氣象要素的時空組合來反映區(qū)域氣候的整體變化[8]，廣泛應用于地理學和生態(tài)學等學科研究中，在全球變化研究中已成為一個經常涉及到的氣候指標，尤其是在氣候變化、干旱化和荒漠化等的研究之中[9]。降水量是決定干旱的一個主要因子，降水距平[10]是表征其變化的一個主要指標，在評價氣象干旱中也常常用到。

董志塬位于慶陽市中南部，是“隴東糧倉”的主體，農業(yè)在區(qū)域經濟結構中所占比重較大，而干旱是限制該區(qū)農業(yè)發(fā)展的主要自然災害之一[11]。已有許多學者就隴東黃土高原氣候因子對糧食產量的影響做了研究。姚玉璧等[12-13]用氣溫、降水、日照時數等因子表征了氣候變化對隴東黃土高原春玉米和冬小麥產量的影響，He等[14]用APSIM模型模擬了在品種、管理措施等其它因素不變的情況下，降水和溫度變化對糧食產量的影響，認為在1961—2010年降水量下降、氣溫上升的背景下，隴東黃土高原糧食產量受氣候變化影響的趨勢變率為-104 kg·10a-1。本文由干燥度并結合其主要組分——降水量，以地處董志塬腹地的西峰區(qū)為例，分析氣象干旱對糧食產量的影響，以期為氣候變化背景下的糧食安全與區(qū)域經濟發(fā)展服務。

1 研究區(qū)概況

董志塬是黃土高原地區(qū)黃土沉積較厚，面積最大的黃土塬，其東西夾于馬蓮河與蒲河之間，南以涇河為界與涇川縣相望，北以教子川至蔡廟溝為界與慶城縣相接。該區(qū)位于半干旱與半濕潤過渡區(qū)[15]，屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季高溫，降水集中，冬季嚴寒，雨雪較少，多年平均降水量約為550 mm，多年平均氣溫約為8.9℃(1955—2013)。土壤以黑壚土為主，蓄水抗旱，適合農作物生長。至2010年，董志塬區(qū)耕地面積113 300 hm2[16]，屬于典型的旱作農業(yè)區(qū)。

董志塬主要種植冬小麥、春玉米和馬鈴薯等糧食作物，一年一熟。冬小麥一般為前一年9月下旬播種，當年6月下旬末、7月初收獲；春玉米為4月下旬播種，9月下旬收獲；馬鈴薯則為4月中下旬播種，10月上旬收獲。

2 資料來源與研究方法

氣象數據選取西峰區(qū)氣象站(35°44′N，107°38′E)1955—2013年的觀測資料，數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，包括：10 m高處風速(m·s-1)、日平均氣溫(℃)、日最高氣溫(℃)、日最低氣溫(℃)、日平均相對濕度、日照時數(h)、日降水量(mm)、本站大氣壓和日實際水汽壓(kPa)。小麥、玉米和馬鈴薯產量數據來源于《甘肅省農村年鑒》[17]。

潛在蒸散量取FAO56-Penman-Monteith模型計算得到的參考作物蒸散量ET0[18]，干燥度AI為分析時段ET0與降水量P之比[9]。公式如下：

(1)

(2)

式中，T為日平均氣溫(℃)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa·℃-1)；Rn為凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)，在一日之內，近似為0；γ為干濕表常數(kPa·℃-1)；u2表示2 m處風速(m·s-1)，為觀測高度10 m處風速的0.75倍；es表示飽和水汽壓(kPa)；本文計算中使用的實際水汽壓ea(kPa)為飽和水汽壓es與相對濕度的乘積。

本文用干燥度和降水距平兩個指標來分析董志塬氣象干旱特征。用回歸分析方法說明不同時間尺度干燥度和降水量變化與冬小麥、春玉米和馬鈴薯產量的關系，從而探討董志塬區(qū)1955—2013年地表干濕狀況變化的時程特征，分析氣象干旱對糧食產量的影響。

3 結果分析

3.1 董志塬氣象干旱特征

近60年來，董志塬干燥度多年平均值為1.81，多年平均降水量為550.6 mm，降水主要集中在7—9月份，其中，7月份降水量最大，平均值為115.9 mm；12月份最小，平均值為34.6 mm。如圖1所示，在1995年，干燥度呈現最大值3.22時，降水量負距平也達到最大值(-216.9 mm)。干燥度的變化不僅取決于降水，還與氣溫、風速、水汽壓等影響潛在蒸散的氣象因子變化密切相關。從圖1中可看出，1985年之前，降水距平和干燥度起伏較平緩，降水距平與干燥度距平平均絕對值分別為88.1和0.33，1985年之后二者起伏加大，距平平均絕對值分別為96.0和0.38。從整體上看，董志塬降水量以0.89 mm·a-1的速率呈微弱下降趨勢，干燥度以0.005/a的速率呈微弱上升趨勢，M-K檢驗二者變化趨勢都不顯著。1995年和1997年干燥度與降水距平都出現兩個較為明顯的極值點。

圖1董志塬1955—2013年干燥度和降水距平圖

Fig.1 The varieties of aridity index and precipitation anomaly in Dongzhi Loess Tableland from 1955 to 2013

3.2 董志塬氣象干旱對糧食產量的影響

董志塬作為雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，降水量小且季節(jié)分配不均是制約當地糧食生產的主要因素。20世紀90年代以來，本區(qū)降水量逐年減少，干旱災害頻發(fā)，糧食產量受到嚴重影響[19]。圖2為董志塬1991—2013年間冬小麥、春玉米和馬鈴薯三種作物的單位面積產量。23年間冬小麥、春玉米和馬鈴薯的年平均產量分別為2 950.8、6 813.8 kg·hm-2和3 528.1 kg·hm-2(馬鈴薯產量為其鮮重的20%)。冬小麥、春玉米和馬鈴薯單位面積產量在近23年都呈現上升的趨勢。三種作物的產量在2002年之前波動較大，之后則平穩(wěn)上升，其中春玉米產量的波動最大。1997年甘肅省發(fā)生比較嚴重的春旱和夏秋連旱，尤其是隴東地區(qū)旱情最嚴重[20]，該年嚴重的氣象干旱影響了春玉米和馬鈴薯的產量，而當年冬小麥卻沒有出現明顯的減產。

冬小麥、春玉米和馬鈴薯三種作物的休閑期(冬小麥為7—9月(前一年)，春玉米為10月—次年3月，馬鈴薯為11月—次年3月)和生育期各有不同的水熱供給條件。冬小麥生育期為前一年10月至當年6月，在其生育期內，董志塬降水較少，生育期內的降水量不能滿足其生長發(fā)育所需的水分，所以播前雨季土壤貯存的水分對其生長發(fā)育就比較重要，而董志塬的雨季卻處于春玉米和馬鈴薯生長發(fā)育時期內。

圖2董志塬1991—2013年冬小麥、春玉米和馬鈴薯單位面積產量圖

Fig.2 The yield of winter wheat, spring maize and potato from 1991 to 2013 in Dongzhi Loess Tableland

故分析氣象干旱對冬小麥產量的影響時，冬小麥休閑期(前一年7—9月)和生育期的氣象干旱都要考慮，而在春玉米和馬鈴薯休閑期，董志塬降水量少，對其產量的影響比較小，而雨季就在其生育期內，故分析春玉米和馬鈴薯氣象干旱對其產量的影響則主要分析生育期(4—10月)階段的影響。將三種作物不同時間段的干燥度和累積降水量分別與產量做回歸分析，逐步縮短時間尺度，可得到對作物產量影響比較大的關鍵時段。冬小麥在整個休閑期(7—9月份)及7、8、9各月份與生育期中任何階段組合的干燥度和累積降水量都對產量的影響達到了顯著水平，10月、11月及12月到5月的干燥度和累積降水量對產量影響也達到顯著水平，但10、11月、12月分別到3月、4月及到6月的干燥度和累積降水量對產量的影響不顯著。說明影響冬小麥產量的關鍵時間段可能為休閑期和5月。對各月份干燥度和降水量與產量做回歸分析，發(fā)現8、9月的干燥度和降水量對產量的影響比較顯著，而前一年7月、10—11月與當年4月、5月和6月單獨月份的氣象干旱對冬小麥產量的影響不顯著，說明5月份及之前降水量的累積作用使其表現出了對冬小麥產量的顯著影響。從表1可看出，在8—9月份，干燥度對冬小麥產量的影響達到極顯著水平(P<0.01)，同時，降水量對冬小麥的產量的影響也達到極顯著的水平。8—9月份干燥度每上升0.1個單位，冬小麥的產量下降約63.6 kg·hm-2，降水量每下降10 mm，冬小麥的產量下降約68 kg·hm-2。

表1 不同時段氣象干旱對冬小麥產量影響顯著性分析

注：a表示線性回歸方程常數項，b表示一次項系數，R2為決定系數，*表示顯著(P<0.05)，**表示極顯著(P<0.01)。下同。

Note: a, b andR2mean the constant, the slope and the determination coefficient in regression equations, respectively. * meansP<0.05, ** meansP<0.01. The same below.

對春玉米做同樣的分析，發(fā)現7月份為春玉米氣象干旱對產量影響的關鍵時段。表2表示全生育期和各時段春玉米產量變化對氣象干旱的響應。從表中可看出，春玉米生育期的干燥度和累積降水量對產量的影響顯著，7月份干燥度對其產量影響達到顯著水平，而降水量對產量影響不顯著。6—7月干燥度對春玉米產量的影響達到顯著水平(P<0.05)，相同時段的降水量也對其產量的影響達到顯著水平，說明6—7月份累積降水量對產量的影響比較大，而在4月、5月、8月和9月，氣象干旱對其產量的影響不顯著。在6—7月，干燥度每上升0.1個單位，春玉米的產量下降65.9 kg·hm-2，同時段降水每下降10 mm，春玉米的產量下降103.1 kg·hm-2。

表2 不同時段氣象干旱對春玉米產量影響顯著性分析

6月份的干燥度對馬鈴薯產量的影響達到顯著水平，見表3。干燥度每上升0.1個單位，馬鈴薯產量減少9.6 kg，而在同時段，降水量對馬鈴薯產量的影響卻沒有達到顯著水平。在4—5月、7—10月，干燥度對馬鈴薯產量的影響不顯著，在研究時段內，整個生育期降水量的變化對馬鈴薯產量的影響也不顯著。說明在6月份，影響馬鈴薯產量的主要氣象因子并非是降水，而是影響潛在蒸散的氣象因子的變化。將6月份日最低溫、日最高溫、風速、日照時數等因子與馬鈴薯產量做回歸分析，結果表明：6月份日照時數的變化對馬鈴薯產量影響達到顯著水平(P<0.05)。

表3 不同時段氣象干旱對馬鈴薯產量影響的顯著性分析

4 討 論

本文研究了董志塬1955—2013年的氣象干旱特征。近60年來，董志塬降水量呈現下降趨勢，干燥度呈現上升趨勢，表明近60年來董志塬區(qū)氣候在逐漸變干。1995年干燥度達到最大值，降水量負距平也達到最大值，是董志塬最干旱的一年。自1997年之后，董志塬變干趨勢在減緩。

董志塬冬小麥生育期主要處于干旱少雨時段，雨季大部分不在其生育期內，生育期的降水量不能滿足冬小麥生長發(fā)育所需的水分，因而其生長發(fā)育主要靠消耗上一年雨季土壤貯存的水分，表現出冬小麥的產量變化受播前降水量影響顯著[21-22]。尤其在1997年發(fā)生嚴重氣象干旱時，春玉米和馬鈴薯都表現出明顯的減產，而冬小麥卻沒有，更是驗證了這一結論。在6—7月份，氣象干旱對春玉米產量影響很大，是因為本時期為春玉米的拔節(jié)——抽雄期，這個時期，玉米達到營養(yǎng)生長與生殖生長都在進行的時期，植株生理活動機能增強，新陳代謝最為旺盛，是玉米生長階段中需水最高的時期[23]，而這期間，董志塬恰好處于雨季，降水量的大小對其產量影響非常大。在6月份，干燥度對馬鈴薯產量的影響比較顯著，但本時期降水量變化對其產量的影響卻不顯著，說明6月份降水量變化對其產量的影響不如其它氣象因子變化對產量的影響顯著。回歸分析結果表明顯著影響6月份馬鈴薯生長發(fā)育的氣象因子為日照時數，這是因為馬鈴薯屬于抗旱作物[24]，生長發(fā)育過程中需水量不高，而在董志塬，4—10月份降水量約為500 mm，生育期降水量能滿足其需水要求。在馬鈴薯需水量較大的分枝期(6月)[25]、塊莖生長期[24,26-27](6月下旬—7月上旬)和塊莖膨大期[27-29](7月中下旬)，研究區(qū)降水量豐富，能滿足馬鈴薯的生長發(fā)育所需水分，使其不受水分虧缺的影響。在氣候經歷暖干化的董志塬地區(qū)，近23年作物產量呈上升趨勢，是因為作物產量的變化不僅受到了氣象條件的影響，也受生產水平和管理措施的提高、高產品種不斷培育結果的影響。氣象因素和非氣象因素對本區(qū)作物產量變化影響所占的比重，還需進一步的研究。

在分析氣象因素對產量的影響程度時，國內外有許多專家學者對此進行過大量研究。其中，也不乏有許多學者將作物產量分解成氣象產量、趨勢產量與隨機項，提取出氣象產量，再分析氣候因子對氣象產量的關系。分離趨勢產量的方法有很多，主要有：3年或5年滑動平均法[30-31]、Logistic生長曲線法[32]、多項式擬合法[33]和HP濾波法[34]等，還有直接用積分回歸[13]、用趨勢產量與氣候影響因子乘積[35]表示氣象產量等方法。王桂芝等[34]用中國小麥、水稻、玉米等產量數據比較了HP濾波法、5年滑動平均和Logistic曲線擬合趨勢產量，發(fā)現HP方法擬合效果比較好；房世波[36]用新疆、河南、河北、山東、湖南和湖北幾個省份的棉花產量資料，提出了擬合趨勢產量的三個原則，比較了5年滑動平均與二次多項式曲線方法，發(fā)現二次多項式曲線法比較適合分離趨勢產量。但是，二次多項式曲線有一個明顯的先下降(上升)后上升(下降)趨勢，與實際情況不符。Logistic 曲線函數擬合法分離趨勢產量時在一定程度上會夸大社會技術等因素對糧食增產的作用，從而產生氣候對糧食增產都是反作用的現象，不符合實際情況[34]，曲線擬合法和濾波法不可避免的會出現擬合的趨勢產量中包含氣象因子的作用[37]。分離趨勢產量與氣象產量的方法眾多，不同的分離方法會產生不同、甚至相反的結果[36]，這對分析氣象因子對產量影響上可能有很大的影響。李月英等[38]和張繼權[39]在分析冬小麥產量和農業(yè)氣象要素的關系時，用原始產量與氣象因子做相關分析，找出對產量影響顯著的氣象因子。使用原始產量分析氣象因子對產量的影響可以避免不合理的產量分離方法造成的結果誤差。當然，如何把非氣象因子對產量的影響分離開來，仍是一個問題。

5 結 論

1) 近60年來，董志塬降水量呈下降趨勢，干燥度呈上升趨勢。干燥度多年平均值為1.81，干燥度最大值出現在1995年，相應年份的降水量負距平也達到了最大值(-216.9 mm)。干燥度的上升趨勢和降水量的下降趨勢表明在研究時段董志塬的氣候有干化傾向。

2) 在休閑期，干燥度和降水量都對冬小麥產量的影響達到極顯著水平，表明董志塬降水集中分布在7—9月份的特征，使得冬小麥生長發(fā)育所需水分主要依賴于播前底墑。

3) 在6—7月份，干燥度、累積降水量對春玉米產量的影響達到了顯著水平，其中，7月份為其產量對氣象干旱最敏感的月份。在6—7月份，春玉米處于需水量較大的拔節(jié)——抽雄期，對氣象干旱比較敏感。

4) 在6月份，干燥度對馬鈴薯產量的影響達到顯著水平，但降水量對其產量的影響卻未達到顯著水平，而日照時數成為影響其產量變化的關鍵因子。相比于冬小麥和春玉米而言，馬鈴薯抗旱性比較強，董志塬在其生育期的降水量能滿足其生長發(fā)育所需水分。因此，在研究時段內，生育期的降水變化對馬鈴薯的產量影響不顯著。

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