王連喜 王田 李琪

摘要：以河南省1961—2014年14個站點的逐日氣象數(shù)據(jù)以及冬小麥生育期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，以作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）作為干旱指標(biāo)，利用多種數(shù)理統(tǒng)計方法分析河南省冬小麥干旱時空分布特征。結(jié)果表明：河南省冬小麥干旱覆蓋范圍廣，其CWDI指數(shù)存在準(zhǔn)2～4年及準(zhǔn)2～6年的周期變化;各干旱等級中，輕旱無突變發(fā)生，而中旱與重旱及以上分別在1973年和1965年發(fā)生了突變;輕旱的覆蓋范圍以3.25/10年的速率下降，中旱、重旱、特旱的覆蓋范圍則分別以2.52/10年、0.68/10年、0.47/10年的速率上升，以輕、中旱為主，重旱次之，特旱最少，其中，輕旱頻率高發(fā)區(qū)集中在豫南及豫西南，中旱頻率高值區(qū)以許昌、商丘、寶豐、盧氏等地為主，重、特旱主要發(fā)生在豫北一帶;極重風(fēng)險區(qū)分布為拔節(jié)-抽穗期>全生育期>乳熟-成熟期，重度風(fēng)險區(qū)分布為全生育期>拔節(jié)期-抽穗期>乳熟-成熟期，中度風(fēng)險區(qū)分布為乳熟-成熟期>拔節(jié)-抽穗期>全生育期。

關(guān)鍵詞：水分虧缺指數(shù);干旱;時空特征;冬小麥;河南省

中圖分類號： S162.5+3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）12-0083-06

冬小麥?zhǔn)俏覈谌笾饕Z食作物，河南省為我國冬小麥主要產(chǎn)區(qū)，其種植面積和產(chǎn)量均位于我國各省份之首。干旱是冬小麥生育期間發(fā)生的主要氣象災(zāi)害之一，其發(fā)生頻率高，持續(xù)時間長，波及范圍廣，對冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-2]。20世紀(jì)80年代中期以來，河南省農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害發(fā)生的頻次和強(qiáng)度呈明顯增強(qiáng)的趨勢，因此，建立理想的干旱指標(biāo)，分析干旱災(zāi)害的時空特征，對開展抗旱工作、河南省冬小麥生長發(fā)育的影響研究以及對確保糧食產(chǎn)量有重大意義[3]。

目前，用于農(nóng)業(yè)干旱的指標(biāo)較多，比較常用的干旱指標(biāo)有降水距平百分率[4]、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）[5-6]、Palmer干旱指數(shù)（PDSI）[7]、相對濕潤度指數(shù)[8]、綜合氣象干旱指數(shù)（CI）[9]等。針對干旱問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[10-11]。史本林等利用SPEI指數(shù)分析河南省冬小麥干旱時空特征[12];成林等利用降水負(fù)距平對河南省冬小麥干旱規(guī)律進(jìn)行了分析[13];李樹巖等利用CI指數(shù)分析了河南省近40年的干旱特征[14]。作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）能較好地反映土壤、植物和氣象3方面因素對作物的綜合影響，可更加真實地反映作物水分虧缺狀況[15-16]。已有學(xué)者將CWDI指數(shù)應(yīng)用到我國部分區(qū)域的干旱研究中[17-19]，但應(yīng)用作物水分虧缺指數(shù)在河南省所做的相關(guān)研究較為少見，利用CWDI指數(shù)研究該區(qū)域冬小麥生育期干旱特征的報道更少。因此，本研究選取作物水分虧缺指數(shù)作為干旱指標(biāo)，對河南省冬小麥干旱時空特征進(jìn)行分析，為相關(guān)部門制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)計劃、趨利避害提供依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

氣象資料來源為河南省14個氣象臺站1961—2014年逐日平均氣溫度、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)、風(fēng)速、水汽壓、相對濕度等數(shù)據(jù)。

作物資料來源為河南省農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981—2014年冬小麥播種期、出苗期、三葉期、分蘗期、停止生長期、返青期、起身期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、乳熟期、成熟期等時間數(shù)據(jù)。

地理特征資料來源為河南省14個氣象站點的經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 作物水分虧缺指數(shù)計算方法

1.2.1.1 累計水分虧缺指數(shù)計算方法 考慮到水分虧缺累積情況以及前期降水對后期冬小麥生長發(fā)育的影響，從生育階段開始的第1天算起，向冬小麥生長期之前推50 d，以10 d為1個單位來計算水分虧缺指數(shù)，則生育階段中某日的水分虧缺指數(shù)計算公式如下：

1.2.2 冬小麥干旱指數(shù)等級劃分 目前，由于我國并未明確給出CWDI值的干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，本研究在CWDI值與土壤相對濕度分級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，結(jié)合《中國氣象災(zāi)害大典（河南卷）》，給出了該區(qū)冬小麥干旱分級標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

1.2.3.2 各生育期干旱頻率 逐年統(tǒng)計各站不同生育階段的干旱發(fā)生次數(shù)，得到各站不同發(fā)育階段的干旱頻率Fa和強(qiáng)度[22]。

1.2.5 風(fēng)險指數(shù)（Q） 風(fēng)險指數(shù)是一種考慮風(fēng)險程度大小的指標(biāo)，它將干旱強(qiáng)度與干旱頻率有機(jī)地結(jié)合在一起[23]，具體算法為將各臺站各發(fā)育階段或全生育期的干旱頻率（F）與平均干旱強(qiáng)度（T）相乘，其中對平均干旱強(qiáng)度T還須進(jìn)行歸一化處理。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理與分析 本研究在Matlab軟件基礎(chǔ)上，運用Morlet小波分析法探究冬小麥干旱指數(shù)的周期變化規(guī)律;對干旱等級覆蓋范圍進(jìn)行了M-K檢驗，探究其演變趨勢。在空間特征上，結(jié)合ArcGIS 10.2軟件對干旱等級和風(fēng)險度進(jìn)行空間插值分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱相關(guān)時間變化特征

2.1.1 冬小麥干旱指數(shù)周期分析 河南省冬小麥水分虧缺指數(shù)（CWDI）的周期分析結(jié)果見圖1。可以看出，冬小麥水分虧缺指數(shù)時間序列存在著準(zhǔn)2～4年、準(zhǔn)2～6年的周期變化。其中1965—1971年和1985—2000年存在準(zhǔn)2～6年尺度的周期變化，1981—1985年、2001—2007年存在2～4年尺度的周期變化，并且均通過了0.05水平的顯著性檢驗。雖然1962—1965年和2007—2011年存在準(zhǔn)2～4年尺度周期，但未通過0.05水平的顯著性檢驗。

2.1.2 干旱覆蓋范圍的時間變化特征 由圖2可知，近53年河南省冬小麥干旱覆蓋范圍呈現(xiàn)增大趨勢，且干旱覆蓋范圍很廣。這是由近幾十年來河南省氣候偏暖趨勢明顯，降水波動較大，溫度的升高和降水量的減少導(dǎo)致的。研究期間的43年為干旱完全覆蓋（干旱覆蓋范圍為100%），且研究時段內(nèi)平均覆蓋范圍為97.57%，根據(jù)線性趨勢的傾向率計算得出，干旱覆蓋范圍以0.63/10年的速率在增大，特別是1990年代以來出現(xiàn)大范圍干旱事件的概率增大，2000年后干旱覆蓋范圍達(dá)100%。輕旱覆蓋范圍呈減少的趨勢（線性趨勢傾向率為-3.25/10年），其均值為38.41%，其中覆蓋范圍在1969、1979、1990和2003年達(dá)80%左右，但在1992及2011年未出現(xiàn)輕旱（覆蓋范圍為0）。中旱覆蓋范圍呈增大趨勢（線性趨勢傾向率為2.52/10年），均值為42.46%，其中1976、1986、1994、1996、2000、2004和2009年的覆蓋范圍達(dá)到70%以上，在1969、1990年未出現(xiàn)中旱（覆蓋范圍為0）。重旱覆蓋范圍呈增大趨勢（線性趨勢傾向率為0.68/10年），均值為15.1%。在年際變化上，1999年和2011年重旱覆蓋范圍明顯上升，其值分別達(dá)到50%、58%，1970、1977、1981年覆蓋范圍達(dá)43%左右。特旱覆蓋范圍最小，但也呈增加趨勢（線性趨勢傾向率為0.47/10年），均值僅為1.35%，研究期間，僅在1970、1980、1999和2011年這4年出現(xiàn)了特旱，其中，1999、2011年的覆蓋范圍分別達(dá)22%和28%。

表2列出了不同等級干旱覆蓋范圍的年代際變化，輕旱覆蓋范圍最大的是1962—1970年，覆蓋范圍最小的是1991—2000年;中旱覆蓋范圍最大值出現(xiàn)在1990年代（50%）;重、特旱覆蓋范圍最大值均發(fā)生在2010年代，其中特旱覆蓋范圍較少?？傮w來看，干旱嚴(yán)重程度以1990年代、2010年代干旱較強(qiáng)，1980年代和2000年代次之，這可能是因為21世紀(jì)前后，我國大范圍氣溫較常年同期偏高，北方旱區(qū)每月平均氣溫較常年偏高0.52～2.00 ℃[24]，氣溫偏高使土壤水分蒸發(fā)加快，加上厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)生進(jìn)一步加重了旱情發(fā)展，而各年代中主要以中旱覆蓋范圍最大，特旱覆蓋范圍最少。

2.1.3 干旱覆蓋范圍的突變特征 對河南省14個站點干旱覆蓋范圍進(jìn)行統(tǒng)計分析，求出時間序列的UF（Mann-Kendall統(tǒng)計量正序列）和UB（Mann-Kandall統(tǒng)計量反序列）值，取顯著水平α=0.05情況下的臨界值為±1.96（圖3中的虛線）。

通過圖3中的UF與UB時間序列值的走勢可以看出，輕旱無突變發(fā)生，而中旱、重旱及以上有突變（P>0.05），其中，中旱在1973年發(fā)生突變，突變后為增加趨勢;重旱及以上在1965年發(fā)生突變，突變后亦表現(xiàn)為增多特征。此外，由圖3可知，1961—1975年輕旱基本呈現(xiàn)上升趨勢，1975年后呈現(xiàn)下降趨勢， 而中旱則在1962—1975年呈現(xiàn)下降趨勢，1975年

以后呈現(xiàn)上升趨勢。

2.2 干旱相關(guān)空間分布特征

2.2.1 干旱頻率的空間分布特征 采用ArcGIS軟件柵格數(shù)據(jù)空間分析模塊中的反距離權(quán)重插值（IDW）方法，對河南省冬小麥全生育期不同等級干旱頻率進(jìn)行插值，生成空間柵格數(shù)據(jù)，得到不同等級干旱頻率的空間分布。由圖4可以看出，河南冬小麥輕旱頻率高發(fā)區(qū)集中于豫南及豫西南一帶，其中，信陽、駐馬店站點的輕旱頻率達(dá)57.38%～70.58%，由南向北輕旱頻率逐漸降低，豫中地區(qū)的輕旱頻率在28.46%～48.25%之間，豫北及三峽門站發(fā)生輕旱的頻率僅有5.88%～17.04%，屬輕旱頻率低發(fā)區(qū)。中旱頻率高發(fā)區(qū)集中在豫東、豫中及豫西北，其發(fā)生頻率為46.40%～52.94%;以北的安陽、新鄉(xiāng)、開封等地的中旱頻率為35.25%～46.40%，屬中旱次高頻發(fā)區(qū);豫南等地中旱發(fā)生頻率較低。重旱發(fā)生區(qū)主要集中于豫北及三門峽，其中，安陽重旱頻率達(dá)41.18%～50.97%，豫中一帶重旱頻率均值在22%左右，豫南和豫西南重旱頻率最低。特旱發(fā)生頻率較低，主要發(fā)生在新鄉(xiāng)、安陽及開封，為6.05%～7.84%，豫南、豫西發(fā)生特旱的頻率在 0.92%以下。

總體可見，河南省冬小麥發(fā)生不同等級的干旱頻率呈緯向分布，即豫南及豫西南發(fā)生輕旱的頻率最高，主要是由于該區(qū)域總體偏南，降水較多，即使存在水分虧缺，也是低程度的，所以輕旱居多，中旱以上較少發(fā)生。豫東、豫中及豫西一帶是中旱高發(fā)區(qū)，重旱和特旱主要集中在豫北，由于該區(qū)域受到季風(fēng)及副高氣候影響，導(dǎo)致降水偏少，土壤失墑嚴(yán)重，所以旱情嚴(yán)重。

2.2.2 干旱風(fēng)險度的空間分布 按照表3劃分的風(fēng)險度等級，繪制河南省冬小麥全生育期及受干旱影響較大的拔節(jié)-抽穗期和乳熟-成熟期的干旱風(fēng)險（圖5）。

由圖5還可知，河南省冬小麥全生育期干旱風(fēng)險重度區(qū)分布較廣，包括三門峽、盧氏、寶豐、商丘等區(qū)域，極重區(qū)集中在豫北地區(qū)，中度風(fēng)險區(qū)分布在豫西及豫南部分區(qū)域，輕度風(fēng)險區(qū)主要分布于信陽。

河南省冬小麥拔節(jié)-抽穗期輕度風(fēng)險區(qū)較全生育期范圍有所增加，分散在西峽、駐馬店及信陽區(qū)域，中度風(fēng)險區(qū)逐漸北移，分布范圍有所增加，極重風(fēng)險區(qū)也有所增加，主要分布在豫北及三門峽部分區(qū)域，重度風(fēng)險區(qū)分布范圍減少，包括豫東及豫西北部分區(qū)域。

河南省冬小麥乳熟-成熟期重度和極重風(fēng)險區(qū)較以上2個生育時段向北移動縮小，中度風(fēng)險區(qū)分布區(qū)域較廣，分布在豫西及豫南部分區(qū)域。

3 討論與結(jié)論

利用河南省14個冬小麥種植區(qū)氣象臺站1961—2014年的逐日氣象數(shù)據(jù)，同時參考相關(guān)臺站冬小麥生育期資料，運用CWDI指數(shù)和相關(guān)統(tǒng)計分析方法，探究了近53年河南全省冬小麥干旱時空分布及變化特征，研究表明：

從小波周期分析來看，河南省冬小麥干旱指數(shù)存在準(zhǔn) 2～4年及準(zhǔn)2～6年的周期變化。

從冬小麥干旱覆蓋范圍上看，河南省干旱呈上升趨勢且發(fā)生范圍廣，主要以輕旱和中旱為主，重旱較少，特旱最少，這與成林等的研究結(jié)果[13]一致，與房穩(wěn)靜等的研究的結(jié)果（以輕旱為主）[24]有所不同，這可能與干旱指標(biāo)選取以及干旱等級劃分有關(guān)。其中，研究期間有43年為干旱完全覆蓋，輕旱以 3.25/10年的速率下降。而中旱、重旱和特旱分別以2.52/10年、0.68/10年、0.47/10年的速率上升。輕旱無突變發(fā)生，而中旱及重旱以上均發(fā)生了突變。

從冬小麥干旱頻率的空間分布來看，河南省各地干旱頻率分布差別較大，即輕旱主要發(fā)生在豫南和豫西南一帶，由南至北輕旱頻率逐漸減少， 中旱頻率在豫東、豫中一帶最大，豫南最低，重旱和特旱主要發(fā)生在豫北，由北至南逐漸減少。這個結(jié)果比較符合實際，由于河南省降水從南向北逐漸減少，濕度南部大，北部小，同緯度的西部山區(qū)大于東部平原，能較好地反映河南省干旱發(fā)生的規(guī)律。

從冬小麥干旱風(fēng)險度分布圖來看，拔節(jié)-抽穗期極重風(fēng)險區(qū)分布最廣，全生育期重度風(fēng)險區(qū)分布最廣，乳熟-成熟期則是中度風(fēng)險區(qū)分布最廣。全生育期、拔節(jié)-抽穗及乳熟-成熟期極重風(fēng)險區(qū)主要集中在安陽、新鄉(xiāng)和開封。重度風(fēng)險區(qū)逐漸北移減少，而中度風(fēng)險區(qū)逐漸擴(kuò)大，這可能與乳熟-成熟期降水量>拔節(jié)-抽穗期降水量有一定關(guān)聯(lián)。

本研究在計算作物水分虧缺指數(shù)時，供水量部分僅考慮了自然降水量，對有效降水量及灌溉量考慮得不是很充分，計算需水量時未考慮作物系數(shù)（Kc）在不同區(qū)域間的差異，這會給計算結(jié)果帶來一定誤差。此外，本研究中冬小麥在不同生育期的干旱風(fēng)險度存在變化，表明其不僅與降水有關(guān)，其他因素也在其中產(chǎn)生影響，但本研究中并未涉及。這些都有待今后進(jìn)一步研究，并應(yīng)在今后研究中結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況進(jìn)行深入分析與探討，使該指數(shù)能更好地運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝五三，田 紅. 安徽省近50年干旱時空特征分析[J]. 災(zāi)害學(xué)，2011，26（1）：94-98.

[2]Stocker T F，Qin D H，Plattner G K，et al. IPCC Climate change 2013：the physical science basis[M]. Cambridge：Cambridge University Press，2013.

[3]吳東麗，王春乙，薛紅喜，等. 華北地區(qū)冬小麥干旱受災(zāi)率多尺度分析[J]. 災(zāi)害學(xué)，2011，26（1）：87-93.

[4]單新蘭，蘇占勝，張 智，等. 寧夏山區(qū)春季降水對冬小麥生長發(fā)育的影響[J]. 干旱氣象，2012，30（3）：426-430.

[5]明 博，陶洪斌，王 璞. 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)研究干旱對北京地區(qū)作物產(chǎn)量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，18（5）：28-36.

[6]Vicente-Serrano S M，Beguería S，López-Moreno J I. A multiscalar drought index sensitive to global warming：the standardized precipitation evapotranspiration index[J]. Journal of Climate，2010，23（7）：1696-1718.

[7]劉蕊蕊，陸寶宏，陳昱潼，等. 基于PDSI指數(shù)的三江源干旱氣候特征分析[J]. 人民黃河，2013，35（6）：59-62.

[8]李會群，王 文. 基于相對濕潤度指數(shù)的山東省作物生長季干旱特征[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015，29（11）：191-196.

[9]王 婷，章新平，黎祖賢，等. 近52年來洞庭湖流域氣象干旱的時空分布特征[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2016，25（3）：514-522.

[10]Lu Y L，Hao Z F，Xie C X，et al. Large-scale screening for maize drought resistance using multiple selection criteria evaluated under water-stressed and well-watered environments[J]. Field Crops Research，2011，124（1）：37-45.

[11]Zhang Q，Zhang J Q. Drought hazard assessment in typical corn cultivated areas of China at present and potential climate change[J]. Natural Hazards，2016，81（2）：1323-1331.

[12]史本林，朱新玉，胡云川，等. 基于SPEI指數(shù)的近53年河南省干旱時空變化特征[J]. 地理研究，2015，34（8）：1547-1558.

[13]成 林，劉榮花，申雙和，等. 河南省冬小麥干旱規(guī)律分析[J]. 氣象與環(huán)境科學(xué)，2007，30（4）：3-6.

[14]李樹巖，劉榮花，師麗魁，等. 基于CI指數(shù)的河南省近40年干旱特征分析[J]. 干旱氣象，2009，27（2）：97-102.

[15]劉丙軍，邵東國，沈新平. 作物需水時空尺度特征研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（5）：258-264.

[16]徐建文，居 輝，梅旭榮，等. 近30年黃淮海平原干旱對冬小麥產(chǎn)量的潛在影響模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（6）：150-158.

[17]張艷紅，呂厚荃，李 森. 作物水分虧缺指數(shù)在農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測中的適用性[J]. 氣象科技，2008，36（5）：596-600.

[18]黃晚華，楊曉光，曲輝輝，等. 基于作物水分虧缺指數(shù)的春玉米季節(jié)性干旱時空特征分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（8）：28-34.

[19]何 斌，劉志娟，楊曉光，等. 氣候變化背景下中國主要作物農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時空分布特征：西北主要糧食作物干旱[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2017，38（1）：31-41.

[20]王連喜，繆 淼，李 琪，等. 陜西省冬小麥干旱時空變化特征分析[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報，2016，25（2）：35-42.

[21]Smith M，Allen R，Monteith J L，et al. Expert consultation on revision of FAO methodologies for crop water requirements[J]. Nutrition Reviews，1992，43（2）：49-51.

[22]陳曉藝，馬曉群，孫秀邦. 安徽省冬小麥發(fā)育期農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生風(fēng)險分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2008，29（4）：472-476.

[23]襲祝香，王文躍，時霞麗. 吉林省春旱風(fēng)險評估及區(qū)劃[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2008，29（1）：119-122.

[24]房穩(wěn)靜，張雪芬，趙 龍，等. 河南省冬小麥干旱災(zāi)害的空間分布研究[J]. 氣象與環(huán)境科學(xué)，2007，30（2）：61-63.張亞坤，宋 鵬，潘大宇，等. Cu2+脅迫對大豆生長和抗氧化酶活性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（12）：89-92.