魏 堃，張 勃,馬尚謙，吳乾慧，崔艷強(qiáng)

(西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

干旱比其他任何自然災(zāi)害的影響更加廣泛，被認(rèn)為是造成全球損失最大的自然災(zāi)害之一[1]，干旱對(duì)農(nóng)作物的影響更為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國70%的自然災(zāi)害為氣象災(zāi)害，而氣象災(zāi)害中的50%為干旱災(zāi)害[2]。甘肅省位于我國西北地區(qū)，地處歐亞大陸腹地，是受氣候影響敏感地區(qū)之一[3]。甘肅河?xùn)|地區(qū)為全省春玉米主要種植區(qū)，也是旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[4]，該區(qū)春玉米種植面積僅次于小麥且其產(chǎn)量比重大于面積比重[5]。受降水時(shí)空分布不均的影響，河?xùn)|地區(qū)季節(jié)性干旱時(shí)有發(fā)生，干旱會(huì)直接影響該區(qū)春玉米產(chǎn)量，因此，深入研究甘肅省河?xùn)|地區(qū)春玉米各生育期干旱演變特征及其變化規(guī)律，對(duì)保障國家糧食安全具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

國內(nèi)外學(xué)者基于多種不同干旱指標(biāo)對(duì)農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行了許多研究工作。Manatsa等[6]研究指出，SPI指數(shù)可以預(yù)估津巴布韋地區(qū)干旱對(duì)玉米的影響和預(yù)測其減產(chǎn)期。Martínez等[7]表明SWDI可以用于西班牙農(nóng)業(yè)領(lǐng)域干旱監(jiān)測，該指數(shù)的最大值與最小值可以很好地評(píng)估田間持水量。Quiring等[8]采用PDSI指數(shù)、Z指數(shù)、SPI指數(shù)、NOAA指數(shù)表征加拿大草原地區(qū)小麥干旱狀況，發(fā)現(xiàn)Z指數(shù)最適合該地區(qū)。Nakalembe等[9]采用NDVI數(shù)據(jù)研究烏干達(dá)地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱對(duì)糧食的影響。王柳等[10]通過溫度、降水等氣候因素對(duì)中國玉米產(chǎn)量影響分析發(fā)現(xiàn)，平均溫度上升1℃，全國有25.1%的玉米種植地區(qū)出現(xiàn)明顯減產(chǎn)，這些地區(qū)主要分布在黃土高原及其周邊地區(qū)和西南的云南、貴州等地。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)[11]推薦以蒸散量為參數(shù)的水分虧缺指標(biāo)表征作物的需水狀況。Pereira L S等[12]近年來通過作物蒸騰、土壤蒸發(fā)以及鹽分脅迫等因素重新估算了作物潛在蒸散量。張艷紅等[13]采用作物水分虧缺指數(shù)對(duì)我國不同農(nóng)業(yè)區(qū)的適用性進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)該指數(shù)能很好地表征中國農(nóng)業(yè)干旱。董朝陽等[14]采用作物水分虧缺指數(shù)對(duì)北方地區(qū)春玉米水分虧缺進(jìn)行不同等級(jí)劃分，其減產(chǎn)率在空間上由西向東呈減少趨勢。楊小利等[15]通過計(jì)算隴東春玉米潛在蒸散量對(duì)隴東地區(qū)干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行區(qū)劃，認(rèn)為該區(qū)干旱災(zāi)損率自南向北呈緯向性增加趨勢。綜合目前的已有研究，對(duì)于農(nóng)業(yè)干旱的研究還存在以下不足：(1)大多數(shù)學(xué)者選用氣象干旱指數(shù)來分析農(nóng)業(yè)干旱，僅考慮了氣象因素對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的影響，忽略了農(nóng)業(yè)干旱具有滯后效應(yīng)。(2)對(duì)于作物干旱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃,僅從氣象因素、作物生長條件等自然因素考慮，忽略了人為因素的影響。(3)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃范圍多以市級(jí)為單位，未能精確到縣級(jí)。針對(duì)以上問題，本文選用作物水分虧缺距平指數(shù)(crop water deficit anomaly index, CWDI)，擬結(jié)合河?xùn)|地區(qū)各縣(區(qū))春玉米播種面積、耕地總面積、多年平均產(chǎn)量、最大產(chǎn)量構(gòu)建該區(qū)春玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，對(duì)該區(qū)春玉米進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，以期為制定玉米避災(zāi)、減災(zāi)種植和栽培管理提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省河?xùn)|地區(qū)處于黃土高原與青藏高原匯集區(qū)，行政區(qū)劃包括蘭州、白銀、定西、天水、隴南、慶陽、平?jīng)?、臨夏回族自治州以及甘南藏族自治州等9個(gè)地州市。河?xùn)|地區(qū)除甘南高原為高寒氣候外，其他地區(qū)均屬于季風(fēng)性氣候，從南至北可分為5個(gè)氣候區(qū)，分別為：北亞熱帶濕潤區(qū)、暖溫帶濕潤區(qū)、高山高寒區(qū)、冷溫帶半濕潤區(qū)、冷溫帶半干旱區(qū)。降水的分布特點(diǎn)為南部多于北部，南北降水差異較大，年平均降水量在200～850 mm。該地區(qū)地貌類型豐富，地形格局復(fù)雜，形成隴中黃土高原、甘南高原和隴南山地三大自然區(qū)[16],河?xùn)|地區(qū)為半干旱半濕潤雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2009年起甘肅省玉米產(chǎn)量超過小麥成為甘肅省第一大糧食作物，2005—2016年河?xùn)|地區(qū)春玉米單產(chǎn)量以每10年11.3的速率增加，該區(qū)也是易發(fā)生干旱的地區(qū)，2005—2016年該區(qū)年均春玉米耕地受旱面積約占耕地總面積的15.9%，圖1為甘肅省河?xùn)|地區(qū)春玉米各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[17]，總體來看河?xùn)|春玉米因旱損失呈增加趨勢，干旱的常態(tài)化給河?xùn)|地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用河?xùn)|地區(qū)各縣(區(qū))共54個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2017年 4月中旬至9月中旬的逐日氣象資料，氣象數(shù)據(jù)來源于甘肅省氣象局西北區(qū)域氣候中心；由《甘肅省發(fā)展年鑒》獲得2005—2016年甘肅省各縣(區(qū))春玉米單位面積產(chǎn)量、種植面積、耕地面積、因旱受災(zāi)面積。

1.3 研究方法

1.3.1 生育階段的劃分 本文綜合FAO推薦的Kc值以及相關(guān)文獻(xiàn)資料[3,19]結(jié)果，科學(xué)地確定河?xùn)|地區(qū)春玉米生育期的Kc(作物系數(shù))值，見表1。

1.3.2 干燥度指數(shù)分區(qū)計(jì)算 干燥度指數(shù)(AI)是潛在蒸散發(fā)和降水量的比值[12]，公式如下：

(1)

式中，ET0為年潛在蒸散發(fā)量(mm)；P為年降水量(mm)。ET0的計(jì)算公式如下：

(2)

式中，ET0為潛在蒸散量(mm·d-1)；Rn為凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；T為日平均氣溫(℃)；u2為2 m高處風(fēng)速(m·s-1)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa·℃-1)；γ為干濕表常數(shù)。

本文根據(jù)研究區(qū)氣候特點(diǎn)，結(jié)合春玉米生長季需水量特性，通過公式(1)計(jì)算河?xùn)|地區(qū)年平均干燥度，將研究區(qū)域進(jìn)行二級(jí)分區(qū)(如圖2所示)，主要分為四個(gè)區(qū)域[20]，其中Ⅰ區(qū)為半干旱偏旱區(qū)，主要包括白銀市的景泰縣、靖遠(yuǎn)縣、白銀市區(qū)，蘭州市皋蘭縣；Ⅱ區(qū)為半干旱區(qū)，主要包括白銀市會(huì)寧縣，蘭州市永登縣、蘭州市區(qū)，定西市區(qū)；Ⅲ區(qū)為半濕潤偏旱區(qū)，主要包括臨夏市積石山縣、永靖縣、東鄉(xiāng)縣，定西市臨洮縣、渭源縣、隴西縣、漳縣、通渭縣，天水市武山縣、甘谷縣、秦安縣，平?jīng)鍪徐o寧縣，慶陽市環(huán)縣、華池縣、慶城縣、鎮(zhèn)原縣；Ⅳ區(qū)為半濕潤區(qū)，主要包括隴南市，甘南州迭部縣、舟曲縣，天水市清水縣、張家川縣，平?jīng)鍪袇^(qū)、莊浪縣、華亭縣、崇信縣、靈臺(tái)縣、涇川縣，慶陽市合水縣、寧縣、正寧縣、慶陽市區(qū)。

圖1 河?xùn)|地區(qū)2005—2016年春玉米播種面積、因旱受災(zāi)面積和單產(chǎn)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of sowing area， affected area by drought and yield from 2005-2016 in Hedong

表1 河?xùn)|地區(qū)春玉米作物系數(shù)

圖2 河?xùn)|地區(qū)干燥度指數(shù)空間分區(qū)圖Fig.2 The spatial subarea of aridity index in Hedong of Gansu Province

1.3.3 作物水分虧缺距平指數(shù)構(gòu)建方法 作物水分虧缺距平指數(shù)(CWDIa)是國家質(zhì)檢總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)[18]，具體計(jì)算過程如下：

第一步，計(jì)算春玉米不同生育階段作物需水量

ETc=Kc×ET0

(3)

式中,ETc為作物需水量(mm)；Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸散量。

第二步，計(jì)算春玉米不同生育期的水分虧缺指數(shù)(CWDI)：

CWDI=a×CWDIi+b×CWDIi-1+c×CWDIi-2

+d×CWDIi-3+e×CWDIi-4

(4)

式中,CWDI為作物生育期按旬時(shí)段計(jì)算的累積水分虧缺指數(shù)；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別為該旬及前四旬的水分虧缺指數(shù)值；a、b、c、d、e分別為對(duì)應(yīng)水分虧缺指數(shù)的權(quán)重系數(shù)，一般a取0.3，b取0.25，c取0.2，d取0.15，e取0.1。其中，CWDIi計(jì)算公式如下：

(5)

式中，CWDIi為第i旬玉米水分虧缺指數(shù)；ETc為玉米需水量(mm)；Pi為第i旬降水量(mm)；Ki為降水量遠(yuǎn)大于需水量時(shí)的水分盈余系數(shù)；分三種情況：(1)ETC≥Pi，玉米發(fā)生水分虧缺；(2)ETC35，考慮有效降水和水分盈虧，Ki值為：

(6)

式中，ETi為春玉米旬作物需水量基數(shù)，甘肅河?xùn)|地區(qū)一般取33 mm[2]。

第三步，計(jì)算同期作物水分虧缺指數(shù)的平均值(取30年[13])，計(jì)算公式如下：

(7)

第四步，計(jì)算某時(shí)段作物水分虧缺距平指數(shù)(CWDIa)：

1.3.4 春玉米因旱減產(chǎn)率 采用HP濾波法[20]分離氣象產(chǎn)量(Yw)與趨勢產(chǎn)量(Yi)，計(jì)算相對(duì)氣象產(chǎn)量(Y)，減產(chǎn)率為實(shí)際相對(duì)氣象產(chǎn)量的負(fù)值百分比[21]，公式如下：

Y=YW/Yi×100%

(9)

表2 作物水分虧缺距平指數(shù)干旱等級(jí)劃分

1.3.5 干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù) 干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)是指作物生育期發(fā)生干旱造成的產(chǎn)量損失的災(zāi)損強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)。本研究利用CWDIa模型的模擬結(jié)果，通過模型模擬的河?xùn)|地區(qū)春玉米全生育期干旱災(zāi)損率以及春玉米種植面積比例、該區(qū)生產(chǎn)水平為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從春玉米產(chǎn)量損失角度對(duì)該區(qū)干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估[15]，公式如下：

(10)

式中，Yi為第i種干旱下的平均減產(chǎn)率(%)，Pi為第i種干旱下的發(fā)生頻率，Sp為春玉米播種面積，Sc為耕地面積，X為多年平均產(chǎn)量，Xm為最大產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 河?xùn)|地區(qū)春玉米不同生育期干旱的時(shí)間變化特征

2.1.1 春玉米生長季內(nèi)水分虧缺距平指數(shù)的變化特征 如圖3所示，6月下旬至9月上旬為河?xùn)|地區(qū)春玉米生長季，Ⅰ區(qū)春玉米生長季旬平均降水量為12.81 mm，該區(qū)春玉米生育期平均CWDIa>58%，表明該區(qū)自然降水量滿足不了春玉米生長所需水分。Ⅱ區(qū)旬平均降水量較Ⅰ區(qū)有所上升，在春玉米播種～七葉期、乳熟后期基本能滿足所需水分，但拔節(jié)期、抽雄～開花期、乳熟前期降水量還是不能完全滿足所需水分。Ⅲ區(qū)春玉米生長季平均旬降水量為26.62 mm，同期春玉米需水量為41.78 mm，CWDIa值約為44，表明該區(qū)該時(shí)段易發(fā)生中旱影響產(chǎn)量，需要適當(dāng)補(bǔ)充水分。Ⅳ區(qū)春玉米生長季旬平均降水量為30.03 mm，同期需水量為36.97 mm，表明在春玉米關(guān)鍵生長季降水量依舊不能滿足該區(qū)春玉米生長季所需水分。總體來看，河?xùn)|地區(qū)春玉米需水量、CWDIa值在7月下旬達(dá)到最高點(diǎn)，然后出現(xiàn)緩慢下降趨勢，但四個(gè)分區(qū)CWDIa均大于15，表明河?xùn)|地區(qū)僅靠降水無法滿足春玉米水分需求。

2.1.2 春玉米干旱年際變化趨勢 圖4顯示了1961—2017年河?xùn)|春玉米作物水分虧缺距平指數(shù)分區(qū)年際變化趨勢?？傮w來看，河?xùn)|地區(qū)春玉米出苗～七葉期CWDIa呈下降趨勢，表明在該生育期水分虧缺程度有所緩解。20世紀(jì)60年代河?xùn)|地區(qū)CWDIa無明顯變化，70年代河?xùn)|地區(qū)CWDIa呈明顯增加趨勢，1980—2000年河?xùn)|地區(qū)CWDIa呈明顯下降趨勢，2000年以后河?xùn)|地區(qū)CWDIa呈明顯增加趨勢。春玉米拔節(jié)期CWDIa與春玉米前一生育期呈相同趨勢，四個(gè)分區(qū)減少速率分別為-2.65·10a-1、-1.07·10a-1、-1.79·10a-1、-0.25·10a-1，表明近57 a來干旱程度有減緩趨勢。1960—1980年以2.59·10a-1的速率增加，1980—2000年以-6.85·10a-1的速率下降，2000年以后以4.00·10a-1的速率增加，可以看出CWDIa指數(shù)呈“N”型分布，表明河?xùn)|地區(qū)經(jīng)歷了“干—濕—干”的變化過程。抽雄～開花期河?xùn)|地區(qū)CWDIa以1.18·10a-1的速率上升，表明該期春玉米水分虧缺程度增加。通過二級(jí)農(nóng)業(yè)分區(qū)發(fā)現(xiàn)除Ⅰ區(qū)外其他三區(qū)均呈增加趨勢，速率分別為-2.92·10a-1、2.14·10a-1、1.94·10a-1、3.08·10a-1。以1986年為干濕節(jié)點(diǎn)，1961—1986年大體呈下降趨勢，1986—2017年大體呈上升趨勢。乳熟～成熟期春玉米CWDIa值變化趨勢并不顯著。1960—1970年四個(gè)分區(qū)均呈微弱下降趨勢，1961—1970年CWDIa的變化幅度Ⅰ區(qū)=Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)，1971—1980年變化幅度Ⅰ區(qū)=Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)=Ⅳ區(qū)；1981—1990年四個(gè)分區(qū)呈微弱上降趨勢,Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)=Ⅳ區(qū)；1991—2000年變化幅度Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)>Ⅱ區(qū)；2001—2017年四個(gè)分區(qū)基本無變化。

2.2 河?xùn)|地區(qū)春玉米不同生育期干旱的空間變化特征

圖5為河?xùn)|地區(qū)春玉米各生長季干旱等級(jí)空間分布圖。從圖5可以看出，出苗～七葉期河?xùn)|地區(qū)干旱發(fā)生等級(jí)：Ⅳ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)。Ⅳ區(qū)特別是文縣、舟曲縣、武都區(qū)交界處發(fā)生重旱，麥積區(qū)東部、莊浪縣、華亭縣、張家川發(fā)生輕旱，慶陽市南部、臨夏回族自治州南部為無旱區(qū)，其余地區(qū)發(fā)生中旱。Ⅲ區(qū)天水市北部、安定區(qū)，榆中縣，會(huì)寧縣部分地區(qū)為中旱區(qū)，定西市中部、平?jīng)鍪袨檩p旱區(qū)，其余地區(qū)為無旱區(qū)。Ⅱ區(qū)中東部地區(qū)，蘭州市北部永登縣、榆中縣中部、會(huì)寧縣中部為輕旱區(qū)，其余地區(qū)為無旱區(qū)。Ⅰ區(qū)除靖遠(yuǎn)縣為中旱區(qū)，其余地區(qū)為輕旱、無旱區(qū)。拔節(jié)期河?xùn)|地區(qū)春玉米水分虧缺相比較出苗～七葉期更為嚴(yán)重，主要是這一時(shí)期降水較少、增溫較快引起，干旱發(fā)生等級(jí)：Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)。無旱區(qū)僅出現(xiàn)在景泰縣、東鄉(xiāng)縣，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)干旱發(fā)生程度最高，白銀市靖遠(yuǎn)縣、平川區(qū)、會(huì)寧縣、安定區(qū)、榆中縣的交界為特旱區(qū)，蘭州市北部永登縣為重旱區(qū),其余地區(qū)為輕旱區(qū)。Ⅲ區(qū)的干旱程度相比較Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)干旱程度有所下降，定西市大部分地區(qū)、天水市西部為重旱區(qū),平?jīng)鍪?、慶陽市以南、臨夏回族自治州為中旱區(qū),慶陽市北部環(huán)縣、華池縣為輕旱區(qū)。Ⅳ區(qū)隴南市文縣、禮縣、西和縣大部分地區(qū)為重旱區(qū),其余地區(qū)為中旱區(qū)。抽雄～開花期為春玉米生長關(guān)鍵期，這一時(shí)期發(fā)生水分虧缺會(huì)影響春玉米雌穗的發(fā)育，致使雌穗分化異常，造成春玉米授粉不良，造成玉米結(jié)實(shí)率低或子粒瘦癟[23]。河?xùn)|地區(qū)干旱發(fā)生等級(jí)：Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)。河?xùn)|特旱區(qū)主要分布在蘭州市、白銀市大部分地區(qū)，Ⅱ區(qū)會(huì)寧縣、永靖縣為重旱區(qū)。Ⅲ區(qū)定西市大部分、天水市西部地區(qū)為重旱區(qū)，天水市東部、隴南市北部交界地區(qū)為中旱區(qū)，慶陽市北部、中部地區(qū)為輕旱區(qū)。Ⅳ區(qū)隴南市大部分地區(qū)、舟曲縣、迭部縣西部為中旱區(qū)，其余地區(qū)為輕旱區(qū)。乳熟～成熟期受西風(fēng)急流影響，降水較為豐富，河?xùn)|地區(qū)干旱程度有所緩解，但高溫高濕天氣容易引發(fā)春玉米青枯病，造成產(chǎn)量和品質(zhì)的下降[24]。河?xùn)|地區(qū)Ⅳ區(qū)大部分地區(qū)為無旱區(qū)，除了迭部縣有輕旱發(fā)生，Ⅲ區(qū)慶陽市為無旱區(qū)，定西市有中旱發(fā)生,臨夏回族自治州、天水市西部地區(qū)有輕旱發(fā)生，特旱區(qū)位于Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)交界，即蘭州市東部、白銀市西部與定西市北部三市交界處。景泰縣、永登縣、蘭州市西部為中旱區(qū)，其余地區(qū)為輕旱區(qū)。綜合春玉米四個(gè)生育期水分虧缺情況來看，虧缺最為嚴(yán)重的時(shí)期為抽雄～開花期，從春玉米水分虧缺分布特征來看，出苗～七葉期干旱發(fā)生程度由南向北呈遞減趨勢，拔節(jié)期、抽雄～開花期、乳熟～成熟期干旱發(fā)生程度由南向北呈遞增趨勢。

圖3 河?xùn)|地區(qū)不同分區(qū)春玉米生長季內(nèi)需水量、降水量及作物水分虧缺距平指數(shù)Fig.3 Crop water requirement,precipitation and CWDIa of spring maize of different subarea in Hedong

圖4 河?xùn)|地區(qū)不同分區(qū)春玉米CWDIa年際變化Fig.4 Inter-annual variations of the CWDIa for spring maize in different regions in Hedong

2.3 春玉米CWDIa對(duì)產(chǎn)量的影響

2.3.1 春玉米減產(chǎn)率與各生育期CWDIa的關(guān)系 本文計(jì)算了分區(qū)后各縣(區(qū))2005—2016年春玉米不同生育期CWDIa年平均序列與春玉米年平均相對(duì)氣象產(chǎn)量序列，建立了春玉米相對(duì)氣象產(chǎn)量與春玉米不同生育期水分虧缺指數(shù)的一元線性關(guān)系，如表3所示。Ⅰ區(qū)抽雄～開花期、乳熟～成熟期R值通過0.05顯著性檢驗(yàn)，R2分別為0.7014、0.5949，表明該區(qū)這兩個(gè)生育期若發(fā)生水分虧缺會(huì)直接影響Ⅰ區(qū)春玉米產(chǎn)量。Ⅱ區(qū)抽雄～開花期R值通過0.05顯著性檢驗(yàn)，R2為0.6896，若春玉米抽雄～開花期發(fā)生水分虧缺則會(huì)影響該區(qū)產(chǎn)量。Ⅲ區(qū)拔節(jié)期與抽雄～開花期R值通過0.05顯著性檢驗(yàn)，R2分別為0.5743、0.7039，這兩期共同影響該區(qū)的氣象產(chǎn)量。Ⅳ區(qū)拔節(jié)期R值通過0.05顯著性檢驗(yàn)，R2為0.5719，拔節(jié)期為主要影響該區(qū)春玉米產(chǎn)量的時(shí)期。通過上述模型分析，若Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)與Ⅳ區(qū)春玉米作物水分虧缺距平指數(shù)上升20%，則該區(qū)春玉米氣象產(chǎn)量將分別減產(chǎn)7.50%、17.08%、18.20%、35.77%?？傮w來看，河?xùn)|地區(qū)春玉米產(chǎn)量主要受不同生育期水分虧缺的影響，若四個(gè)分區(qū)的干旱發(fā)生程度相同，緯度較低的春玉米種植區(qū)要比緯度較高的地區(qū)響應(yīng)明顯，這主要是由于緯度較高的Ⅰ區(qū)一般種植較為耐旱的玉米品種[25]。

2.3.2 河?xùn)|地區(qū)春玉米干旱對(duì)產(chǎn)量影響空間分布 由表3看出，主要影響河?xùn)|地區(qū)產(chǎn)量的時(shí)期為春玉米的抽雄～開花期。圖6為抽雄～開花期干旱造成減產(chǎn)率空間分布圖，其中春玉米減產(chǎn)率Ⅰ區(qū)的高值區(qū)在皋蘭縣，Ⅱ區(qū)的高值區(qū)在永登縣、蘭州市，Ⅲ區(qū)的高值區(qū)在環(huán)縣、華池縣、漳縣、隴西縣，Ⅳ區(qū)的高值區(qū)在渭源縣、迭部縣、文縣。Ⅰ區(qū)的較高值區(qū)在皋蘭縣，Ⅱ區(qū)的較高值區(qū)在永靖縣，Ⅲ區(qū)的較高值區(qū)在會(huì)寧縣、靜寧縣、武山縣、崆峒區(qū)、慶城縣，Ⅳ區(qū)的較高值區(qū)在禮縣、西和縣、康縣、兩當(dāng)縣、合水縣、寧縣。Ⅰ區(qū)的中值區(qū)在景泰縣、白銀區(qū)、靖遠(yuǎn)縣，Ⅱ區(qū)的中值區(qū)在榆中縣，Ⅲ區(qū)的中值區(qū)在安定區(qū)、通渭縣、秦州區(qū)、麥積區(qū)、鎮(zhèn)原縣、西峰區(qū)，Ⅳ區(qū)的中值區(qū)在和政縣、康樂縣、臨洮縣、宕昌縣、舟曲縣、成縣、清水縣、張家川、莊浪縣、華亭縣、涇川縣、靈臺(tái)縣。Ⅲ區(qū)的低值區(qū)在甘谷縣、秦安縣，Ⅳ區(qū)的低值區(qū)在臨夏縣、東鄉(xiāng)縣、廣河縣、武都區(qū)、徽縣、崇信縣、正寧縣。近12年來，Ⅰ～Ⅳ4分區(qū)抽雄～開花期CWDIa與該時(shí)段春玉米減產(chǎn)率的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.596、0.8327、0.8211、0.5107，總體來看，各區(qū)春玉米減產(chǎn)率與春玉米抽雄～開花期CWDIa呈顯著線性相關(guān)，且Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)春玉米對(duì)水分虧缺的響應(yīng)最為明顯。

表3 河?xùn)|地區(qū)春玉米水分虧缺距平指數(shù)與相對(duì)氣象產(chǎn)量的關(guān)系

2.3.3 甘肅省春玉米干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃 本文根據(jù)公式10劃分了河?xùn)|地區(qū)春玉米四個(gè)災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，如圖7所示。Ⅰ區(qū)、Ⅴ區(qū)、Ⅷ區(qū)為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)化災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)E≤0.2。Ⅰ區(qū)為隴東南部地區(qū)，春玉米生育期年平均降水量在450～500 mm之間，春玉米因旱減產(chǎn)率為13.25%。Ⅴ區(qū)為隴南中部、北部、南部地區(qū)，春玉米生育期年平均降水量在432～571 mm之間，該區(qū)春玉米因旱減產(chǎn)率為31.56%。Ⅷ區(qū)為甘南高原東部地區(qū)受地形氣候的影響，該區(qū)無霜期短，僅有少量春玉米種植，春玉米生育期年平均降水量在400～478 mm之間，春玉米因旱減產(chǎn)率為12.21%。Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅵ區(qū)為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)化災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)0.2≤E≤0.5。Ⅱ區(qū)為隴東中部地區(qū)，該區(qū)土層深厚且肥沃，光熱條件良好，春玉米生育期年平均降水量在360～370 mm之間，春玉米因旱減產(chǎn)率為16.43%，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)田間管理，推廣全膜雙壟覆蓋等旱作農(nóng)業(yè)新技術(shù)，提高春玉米單產(chǎn)。Ⅳ區(qū)為隴南東南部地區(qū)，春玉米生育期年平均降水量在640～700 mm之間，春玉米因旱減產(chǎn)率為10.47%。Ⅵ區(qū)為隴西黃土高原中部地區(qū)，春玉米生育期年平均降水量在450～532 mm之間，區(qū)內(nèi)多黃土梁峁、溝壑區(qū)，春玉米因旱減產(chǎn)率為28.61%。較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為Ⅲ區(qū)、Ⅶ區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)化災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)0.5≤E≤0.7。Ⅲ區(qū)為黃土高原西部與北部邊緣，為黃土丘陵、溝壑地貌，土壤墑情較差，土壤肥力較低，春玉米生育期年平均降水量在150～360 mm之間，春玉米因旱減產(chǎn)率為5.87%。Ⅶ區(qū)為渭北地區(qū)，年平均降水400～650 mm，受地形影響，該區(qū)河谷川的春玉米因旱減產(chǎn)率為10.56%。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為Ⅸ區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)化災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)E≥0.7。春玉米生育期年平均降水量在200～450 mm之間，該區(qū)多為黃土梁峁、溝壑區(qū)，森林植被稀疏，降水量少且不穩(wěn)定是造成該區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量不穩(wěn)的根本原因，該區(qū)春玉米因旱減產(chǎn)率為32.48%。總體來看，河?xùn)|地區(qū)地貌類型多樣，地形復(fù)雜，從而造成了河?xùn)|地區(qū)春玉米干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)區(qū)不僅由南向北呈緯向分布，而且受海拔影響，高于2 500 m以上的高山地區(qū)積溫不足不適于春玉米的種植。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

甘肅河?xùn)|地區(qū)位于西北內(nèi)陸地區(qū)，屬于東部季風(fēng)區(qū)，受季風(fēng)影響降水相對(duì)較多，變率大，易受干旱威脅，進(jìn)而導(dǎo)致河?xùn)|雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)作物受水分虧缺的影響較大。陳麗萍等[25]研究了甘肅省玉米氣候產(chǎn)量與水分的關(guān)系指出，苗期玉米如果發(fā)生春旱，則不利于全苗、壯苗，會(huì)影響玉米后期產(chǎn)量。本文通過計(jì)算甘肅省春玉米不同生育期作物水分虧缺指數(shù)并與春玉米近15年來干旱減產(chǎn)率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)出苗～七葉期春玉米出現(xiàn)水分虧缺對(duì)產(chǎn)量的影響遠(yuǎn)小于抽雄～開花期產(chǎn)生的影響，白向歷[26]等研究指出，如果干旱發(fā)生在播種～拔節(jié)階段，當(dāng)后期水分條件好轉(zhuǎn)，作物可以恢復(fù)或彌補(bǔ)干旱影響，對(duì)產(chǎn)量的影響較??；干旱發(fā)生在春玉米抽雄～開花期，即使后期水分條件好轉(zhuǎn)，也會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響，甚至絕收。趙一飛[27]研究發(fā)現(xiàn)甘肅省河?xùn)|地區(qū)近30年來≥10℃積溫增加，且降水呈減少趨勢，認(rèn)為降水是影響河?xùn)|地區(qū)春玉米減產(chǎn)的主要原因。本文通過分區(qū)發(fā)現(xiàn)，春玉米作物水分虧缺距平指數(shù)每上升20%，則四個(gè)區(qū)域春玉米氣象產(chǎn)量將分別減產(chǎn)7.50%、17.08%、18.20%、35.77%。吳統(tǒng)文等[28]認(rèn)為青藏高原北支的西風(fēng)急流致使河?xùn)|地區(qū)8月下旬開始增溫減濕，本文研究發(fā)現(xiàn)8月下旬為河?xùn)|地區(qū)春玉米的成熟期，該時(shí)段雖然有大量的降水，但對(duì)該區(qū)春玉米產(chǎn)量的影響并不大。王鶯等[29]通過干旱災(zāi)害的致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境脆弱性、承災(zāi)體暴露性和防災(zāi)減災(zāi)能力四個(gè)方面構(gòu)建干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，認(rèn)為河?xùn)|地區(qū)自北向南干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)逐漸降低。本文從春玉米因旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)出發(fā)，將河?xùn)|地區(qū)分為四個(gè)春玉米因旱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，認(rèn)為河?xùn)|春玉米干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)區(qū)由南向北呈緯向分布，且受積溫影響，河?xùn)|海拔2 500 m以上的高山地區(qū)不適于春玉米的種植。

圖5 河?xùn)|地區(qū)春玉米各生長季CWDIa空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of CWDIa at different growth stages in Hedong

圖6 春玉米抽雄～開花期干旱造成減產(chǎn)率空間分布圖Fig.6 Yield reduction of spring maize caused by drought at stages from male-flowering stage

圖7 河?xùn)|地區(qū)春玉米干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃Fig.7 The risk zoning of drought disaster loss of spring maize of Hedong of Gansu

3.2 結(jié) 論

本文基于甘肅省河?xùn)|地區(qū)54個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，選用作物水分虧缺距平指數(shù)對(duì)近57年來河?xùn)|地區(qū)春玉米不同生育期的干旱時(shí)空分布特征及其變化進(jìn)行分析，并確定河?xùn)|地區(qū)春玉米干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，取得的主要結(jié)論如下：

(1)河?xùn)|地區(qū)春玉米需水量、CWDIa值在7月下旬達(dá)到最高點(diǎn)，然后出現(xiàn)下降趨勢，這主要是7—9月為河?xùn)|地區(qū)雨季降水增多導(dǎo)致，但四個(gè)區(qū)CWDIa值>15，表明河?xùn)|地區(qū)僅靠降水是無法滿足春玉米水分需求。出苗～七葉期、拔節(jié)期CWDIa整體呈緩慢下降趨勢；抽雄～開花期除Ⅰ區(qū)CWDIa呈減少趨勢，其他三區(qū)呈增加趨勢；乳熟～成熟期四個(gè)分區(qū)CWDIa多年變化趨勢并不顯著，從春玉米水分虧缺變化幅度來看：抽雄～開花期>拔節(jié)期>乳熟～成熟期>出苗～七葉期。

(2)從春玉米水分虧缺分布特征來看，出苗～七葉期干旱發(fā)生程度由南向北呈遞減趨勢，這主要是受氣溫的影響，干旱發(fā)生程度低；拔節(jié)期、抽雄～開花期、乳熟～成熟期干旱發(fā)生嚴(yán)重程度由南向北呈遞增趨勢，主要是該時(shí)段為河?xùn)|地區(qū)的雨季，降水的空間分布影響河?xùn)|春玉米水分虧缺程度。河?xùn)|地區(qū)四個(gè)區(qū)春玉米產(chǎn)量主要受不同生育期水分虧缺的影響，若四個(gè)區(qū)的干旱發(fā)生程度相同，緯度較低的春玉米種植區(qū)要比緯度較高的地區(qū)響應(yīng)明顯。

(3)河?xùn)|地區(qū)地貌類型多樣，地形復(fù)雜，從而造成了河?xùn)|地區(qū)春玉米干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)區(qū)不僅由南向北呈緯向分布，而且受海拔影響，積溫不足的高山地區(qū)不適于種植春玉米。河?xùn)|地區(qū)低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要為隴東南部地區(qū)，隴南中部、北部、南部地區(qū)，甘南高原東部地區(qū)；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要為隴東中部地區(qū)，隴南東南部地區(qū)，隴西黃土高原中部地區(qū)；較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要為環(huán)縣、渭北地區(qū)；高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要為黃河以南地區(qū)至靖遠(yuǎn)-榆中線。