吳宜宣，嚴(yán) 俊，殷 紅，郭乃馨，趙媛媛，王 營(yíng)

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；2.遼寧省氣象局，沈陽(yáng) 110001)

玉米作為遼寧省第一大作物，種植面積約占整個(gè)地區(qū)的20%，遼寧省玉米產(chǎn)量欠豐將直接影響全國(guó)的玉米總產(chǎn)量。由于季風(fēng)氣候影響與復(fù)雜地形制約，遼寧省降水量在時(shí)間與空間上分布不均，且常小于蒸散量，因而土壤常處于水分虧缺狀態(tài)，易發(fā)生農(nóng)業(yè)干旱。在全球氣候變化影響下，遼寧省氣候資源年際間波動(dòng)較大[1-4],極端事件時(shí)有發(fā)生,加之不同熟性的玉米品種在遼寧種植區(qū)域北移東延[5-6],遼寧地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的發(fā)生頻率與受災(zāi)比率有增加趨勢(shì)。大量的研究表明，干旱已經(jīng)成為影響東北地區(qū)玉米生產(chǎn)最主要的災(zāi)害之一[7]，在每個(gè)季節(jié)都會(huì)有干旱發(fā)生[7-8]，近10a來(lái)更是干旱發(fā)生頻次最多的時(shí)期[9]，引起這一現(xiàn)象的主要原因是溫度明顯升高，蒸散量增加速度遠(yuǎn)超降水量的增長(zhǎng)情況，從而導(dǎo)致東北地區(qū)濕潤(rùn)程度降低，氣候干燥化明顯[10]。農(nóng)業(yè)干旱是削減遼寧乃至全國(guó)地區(qū)糧食生產(chǎn)的重要因素，旱災(zāi)發(fā)生的頻次及受災(zāi)面積呈現(xiàn)逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)，給遼寧省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全帶來(lái)巨大的損失。

關(guān)于干旱指標(biāo)前人己有大量研究，但由于干旱的成因異常復(fù)雜，影響因素眾多，迄今為止還沒(méi)有找到一種普遍適用各種用途、適用于不同地區(qū)、不同時(shí)間段的干旱指標(biāo)體系[11-15]，以降水資料為主的干旱指標(biāo)通常有降水距平、標(biāo)準(zhǔn)降雨指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)[16-20]。其他有關(guān)作物形態(tài)的干旱指標(biāo)在農(nóng)業(yè)研究中也常有應(yīng)用[7]，然而，作物個(gè)體與取樣時(shí)段的差異常導(dǎo)致生理參數(shù)的測(cè)量結(jié)果有較大差異，使用該類指標(biāo)時(shí)，常常需要大量取樣[21-25]。關(guān)于干旱的空間分布在中國(guó)也有著大量的研究，嚴(yán)中偉等[26]研究表明，1965年以后中國(guó)華北地區(qū)降水顯著減少，干旱化趨勢(shì)明顯，是一種應(yīng)引起重視的全球尺度的氣候現(xiàn)象。中國(guó)北方、華南和西南地區(qū)干旱化趨勢(shì)顯著，極端干旱年干旱面積擴(kuò)大迅速，干旱化與氣候變暖相疊加，將使北方地區(qū)干旱化趨勢(shì)進(jìn)一步發(fā)展[27-29],北方大部地區(qū)暖干旱化加劇的主要原因是升溫影響蒸發(fā)潛力從而影響地表濕潤(rùn)狀況，單一用降水來(lái)表示干旱具有局限性[30-31]。賀晉云等[32]對(duì)西南地區(qū)的干旱化進(jìn)行分析，指出廣西南部、四川盆地西南與貴州北部極端干旱頻率顯著增加。有研究表明，中國(guó)干旱發(fā)生頻次在80年代前后，高發(fā)區(qū)地理分布發(fā)生一次年代際躍變，80年代至今，干旱高發(fā)區(qū)轉(zhuǎn)移到以前的低發(fā)區(qū)[33]。安昕等[34]研究遼西年降水和汛期降水的變化特征，發(fā)現(xiàn)遼西年降水量、汛期降水量年際間波動(dòng)較大，近50a存在明顯減少趨勢(shì)，該趨勢(shì)加劇農(nóng)業(yè)干旱。此外，馬建勇等[35]利用區(qū)域氣候模式分析未來(lái)東北地區(qū)作物生長(zhǎng)季(5-9月)干旱趨勢(shì)，認(rèn)為在東北地區(qū)未來(lái)農(nóng)作物生長(zhǎng)季將會(huì)呈現(xiàn)出明顯干旱化趨勢(shì)，并且干旱的發(fā)生范圍呈顯著增大趨勢(shì)。

本試驗(yàn)以影響遼寧省玉米生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害——干旱為研究對(duì)象，以長(zhǎng)序列的氣象資料和作物生長(zhǎng)發(fā)育資料為基礎(chǔ)，分析遼寧省玉米干旱的時(shí)空分布特征與成災(zāi)規(guī)律，繪制遼寧地區(qū)玉米發(fā)育期干旱的時(shí)空分布圖，以期能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷農(nóng)業(yè)氣象因子的異常變化，為遼寧省玉米的抗旱減災(zāi)和增產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省地處中國(guó)東北的南部，地理位置在北緯38°43′～43°26′，東經(jīng)118°53′～125°46′，屬季風(fēng)氣候區(qū)。氣候上有暖溫帶濕潤(rùn)氣候、半濕潤(rùn)氣候以及冷溫帶濕潤(rùn)氣候、半濕潤(rùn)氣候和半干旱氣候，同時(shí)，在遼東的部分中山地區(qū)出現(xiàn)氣候的垂直分帶。遼寧水少，屬于嚴(yán)重缺水的省份，省內(nèi)各地區(qū)降水的分布嚴(yán)重不均，本研究對(duì)遼寧省45個(gè)站點(diǎn)(圖1)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而分析遼寧地區(qū)玉米干旱的時(shí)空變化特征。

1.2 資料來(lái)源

氣象資料包括1961-2015年遼寧省45個(gè)空間代表性好、資料完整的氣象站點(diǎn)的逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，資料主要來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)。

玉米觀測(cè)資料來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、國(guó)家農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司以及農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站?！吨袊?guó)氣象災(zāi)害大典·遼寧卷》、《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》(2005-2016 年)以及農(nóng)業(yè)部災(zāi)情數(shù)據(jù)庫(kù)。

空間數(shù)據(jù)資料來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)1∶100萬(wàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 研究方法

1.3.1 作物水分虧缺指數(shù)(CWDI) 作物水分虧缺指數(shù)是常用的農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)之一，它被定義為作物需水量與自然供水量之間的差與作物需水量之比，用百分率表示[36-37]?？紤]到作物水分盈虧的累積效應(yīng)對(duì)后期玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響，在計(jì)算作物水分虧缺指數(shù)時(shí)，向前推50 d。其中，采用Penman-Monteith方法計(jì)算玉米需水量ETc，參照紀(jì)瑞鵬等[38]確立的玉米生育期作物系數(shù)(Kc)，對(duì)CWDI進(jìn)行計(jì)算。將中國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《北方春玉米干旱等級(jí)》(QX/T259-2015)作為本研究的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 玉米干旱分級(jí)Table 1 Grading of maize drought in different periods based on CWDI

1.3.2 干旱頻率 干旱頻率用來(lái)評(píng)價(jià)某氣象站點(diǎn)在研究時(shí)間段內(nèi)發(fā)生干旱頻發(fā)的程度[36]。

Fi=n/N×100%

式中：Fi為某氣象站發(fā)生某種程度干旱的次數(shù)(%)，n為該站點(diǎn)某生育期發(fā)生某種程度干旱的次數(shù)，N為總的研究年數(shù)。

1.3.3 干旱的站次比 干旱站次比用于反映研究區(qū)域內(nèi)，某種程度的干旱影響的范圍大小[37]。

Pi=m/M×100%

式中：Pi為干旱的站次比(%)，m為某種程度干旱發(fā)生的站點(diǎn)數(shù)，M為研究區(qū)域內(nèi)總的站點(diǎn)數(shù)。

1.3.4 ArcGIS軟件 ArcGIS 是全球功能最強(qiáng)大的GIS專業(yè)軟件，具有強(qiáng)大的符號(hào)制作功能，由ArcMap來(lái)實(shí)現(xiàn)符號(hào)的制作和管理，其精度高、占用空間小、操作性強(qiáng)，適用性廣[39]，可以用于玉米干旱時(shí)空分布特征的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)在遼寧省的適用性

作物水分虧缺指數(shù)能夠準(zhǔn)確、清晰地反映土壤、植物、氣象三方面因素的綜合影響，在干旱的研究方面更為宏觀、實(shí)用，能夠真實(shí)反映出作物水分的虧缺狀況，是較為常用的作物干旱診斷指標(biāo)[40]。表2將1961-2015年部分站點(diǎn)的干旱情況與所計(jì)算的CWDI進(jìn)行比較，進(jìn)一步確定得出：所計(jì)算的CWDI與歷年數(shù)據(jù)基本吻合，指標(biāo)可用。

表2 歷史干旱情況對(duì)照表Table 2 Comparison table for historical drought

2.2 遼寧省干旱頻率的空間分布

如圖2所示，在播種～出苗階段，整體干旱頻率大致呈現(xiàn)徑向分布，由遼寧西部向遼寧東部減小，干旱發(fā)生頻率最高值出現(xiàn)在建平，值為 98.18%，最低值出現(xiàn)在寬甸，值為38.20%。遼西大部與遼東半島為這一階段干旱的高發(fā)區(qū)。全省平均輕旱、中旱、重旱、特旱頻率分別為 30.30%、18.26%、14.34%、15.60%，以玉米輕度干旱出現(xiàn)頻率最高。阜新、建平、綏中等地發(fā)生特重度干旱的頻率高于輕度干旱，在遼寧大部地區(qū)，干旱頻率高于68.19%，各級(jí)干旱在這一階段均有發(fā)生，且程度嚴(yán)重，影響范圍廣。

如圖3所示，在出苗～拔節(jié)階段，在站點(diǎn)熊岳干旱頻率達(dá)到遼寧省的最高值90.90%，在站點(diǎn)寬甸干旱頻率達(dá)到遼寧地區(qū)的最低值9.09%，其中，發(fā)生高頻率干旱的地區(qū)分布不集中，在西北部、北部和南部均有體現(xiàn)，靠近遼寧東部的干旱發(fā)生頻率降到較低值。全省平均輕旱、中旱、重旱、特旱頻率分別為32.12%、11.47%、5.09%、 2.10%，發(fā)生頻率與干旱程度等級(jí)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。營(yíng)口、大連為重度干旱、特重度干旱易發(fā)區(qū)，其中營(yíng)口發(fā)生重度干旱的頻率為18.18%，發(fā)生特重度干旱的頻率為 20.00%，在大連發(fā)生重度干旱的頻率為21.82%，發(fā)生特重度干旱的頻率為 21.82%。在桓仁僅發(fā)生輕度干旱，其頻率為 29.09%，輕度干旱成為玉米生育期這一階段的主要干旱情況。

圖4所示，在拔節(jié)～抽穗階段，遼寧東部整體～遼寧西部，干旱頻率呈現(xiàn)先增減后減少的趨勢(shì)，在站點(diǎn)營(yíng)口干旱頻率達(dá)到遼寧地區(qū)的最高值83.35%，在站點(diǎn)寬甸干旱頻率達(dá)到遼寧地區(qū)的最低值20.02%，大洼、營(yíng)口、熊岳、瓦房店、莊河、大連等地較其他地區(qū)發(fā)生重度干旱的頻率高，建平縣的干旱頻率高于臨縣，干旱頻率高于60%的范圍較小。全省平均輕旱、中旱、重旱、特旱頻率分別為33.17%、11.72%、6.1%、3.47%，發(fā)生頻率與干旱程度等級(jí)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。相對(duì)于本階段其他地區(qū)而言，營(yíng)口、大連為中度干旱易發(fā)區(qū)，重旱、特旱在營(yíng)口、大連的發(fā)生頻率較其他地區(qū)高。輕度干旱為拔節(jié)～抽穗這一階段的主要干旱情況。

如圖5所示，在抽穗～乳熟階段，整體干旱頻率大致呈現(xiàn)經(jīng)向分布，由西向東整體的干旱發(fā)生頻率呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。在站點(diǎn)建平干旱頻率達(dá)到遼寧地區(qū)的最高值58.17%，在站點(diǎn)寬甸干旱頻率達(dá)到遼寧地區(qū)的最低值3.64%，綏中、興城等地較其周圍地區(qū)頻率較低，干旱頻率大于50%的站點(diǎn)僅有建平、朝陽(yáng)、葉柏壽、凌源、臺(tái)安、大洼、營(yíng)口、熊岳8個(gè)站點(diǎn)，分布在遼寧西部地區(qū)。全省平均輕旱、中旱、重旱、特旱頻率分別為18.42%、10.38%、6.02%、1.62%，發(fā)生頻率與干旱程度等級(jí)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。在桓仁僅發(fā)生輕度干旱的頻率為7.27%，在建平、綏中、錦州、營(yíng)口、大連、昌圖等地發(fā)生重度干旱的頻率較其他地區(qū)高，但輕度干旱仍是這一階段的主要干旱情況。

如圖6所示，在乳熟～成熟階段，整體干旱頻率大致呈現(xiàn)經(jīng)向分布，在站點(diǎn)建平干旱頻率達(dá)到遼寧地區(qū)的最高值67.27%，在站點(diǎn)本溪干旱頻率達(dá)到遼寧地區(qū)的最低值1.82%，這一階段干旱頻率高于50%的區(qū)域較小，各地發(fā)生干旱的頻率均有所下降。在遼寧中東部地區(qū)，發(fā)生干旱的頻率低于31.59%，全省平均輕旱、中旱、重旱、特旱頻率分別為15.56%、8.40%、3.15%、0.97%，發(fā)生頻率與干旱程度等級(jí)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。輕旱在建平的干旱頻率較高，達(dá)到40.00%，在桓仁、丹東等地僅發(fā)生輕度干旱，大部分地區(qū)發(fā)生特重度干旱的頻率為0%，輕度干旱對(duì)這一階段玉米構(gòu)成主要影響。

總的來(lái)說(shuō)，遼寧地區(qū)玉米在生育前期比后期遭遇干旱的可能性大，在生育期的任一階段，輕旱、中旱發(fā)生的頻率大于重旱、特旱。就遼寧省整體而言，各個(gè)時(shí)期干旱頻率大致呈現(xiàn)徑向分布，表現(xiàn)為遼西向遼東遞減的趨勢(shì)，建平、營(yíng)口、熊岳等地發(fā)生干旱的頻率在玉米生育期的各個(gè)階段均處于較高值，為主要高頻區(qū)?；溉瘦^少發(fā)生輕度干旱以上等級(jí)的干旱，本溪、寬甸等地的干旱頻率為生育期各個(gè)階段的較低值，為主要低頻區(qū)。

2.3 遼寧省玉米干旱范圍的年際變化(站次比)

圖7顯示玉米生育期內(nèi)各個(gè)時(shí)段干旱范圍的年際變化，在1961-2015年，播種～出苗階段出現(xiàn)干旱的站次比情況高達(dá)100%的有10 a，其中，2001年發(fā)生的干旱程度均在中旱以上，重旱、特旱尤為明顯，所占比例較大。在1964年、2009年、2010年里，干旱程度較輕，未發(fā)生輕旱程度以上的干旱，播種～出苗時(shí)期易發(fā)生干旱。出苗～拔節(jié)階段出現(xiàn)干旱的站次比最高值為 98%，出現(xiàn)特旱的年份有24 a，大部分為輕旱、中旱、重旱，只有1990年、2005年、2010年這 3 a未出現(xiàn)干旱，干旱站次比為0%。20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)站次比的波動(dòng)較大，這一時(shí)期里，干旱發(fā)生的站次比低于上一時(shí)期。拔節(jié)～抽穗階段的干旱站次比高達(dá)100%有3 a，分別為1997年、2000年、2007年，干旱總的站次比在50%左右，在80至90年代之間，中旱及以上程度干旱的站次比都較小，其中，輕旱成為這一階段干旱的主要部分，近年來(lái)，雖然中旱及以上程度干旱所占比例均有所增加，但輕旱仍然有較大比例，例如2007年玉米輕旱程度達(dá)76.92%，1994年玉米輕旱程度達(dá)73.08%。抽穗～乳熟這一階段里，1964年、1977年這2 a里干旱的站次比為0%。這55 a的平均干旱站次比為35%，輕旱、中旱為主要的干旱情況，其發(fā)生的站次比情況呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在部分發(fā)生干旱程度達(dá)到特旱的年份里，特旱所占比例平均低于8%。乳熟～成熟階段極少出現(xiàn)特旱情況，干旱發(fā)生總的站次比極少數(shù)(1989年、2014 年)高于80%，輕旱、中旱為這一時(shí)期的主要情況，2005年只發(fā)生了輕旱，并且輕旱站次比為40.38%，在80年代至90年代，近乎沒(méi)有發(fā)生干旱，90年代以來(lái)，重旱發(fā)生的站次比波動(dòng)較大。

總的來(lái)說(shuō)，播種～出苗階段，平均站次比為78.9%，為生育期內(nèi)5個(gè)階段的最高值，相對(duì)于生育期內(nèi)的其他階段而言，該時(shí)期易發(fā)生干旱。出苗～拔節(jié)階段平均站次比為52.7%，拔節(jié)～抽穗階段平均站次比為54.7%，在這兩個(gè)階段里，干旱的發(fā)生仍以輕旱為主。抽穗～乳熟階段，干旱的平均站次比減小為35.9%，乳熟～成熟階段平均站次比為29.5%，達(dá)到整個(gè)生育期的最低值，相比較而言，干旱的等級(jí)程度也較低，最不易發(fā)生干旱。輕旱、中旱為玉米整個(gè)生育期內(nèi)干旱情況的主要體現(xiàn)。

3 討 論

本文基于長(zhǎng)時(shí)間尺度，利用已知?dú)庀笳军c(diǎn)的數(shù)據(jù)資料，結(jié)合干旱指標(biāo)，計(jì)算遼寧地區(qū)玉米生育期各個(gè)階段各個(gè)站點(diǎn)的作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)、干旱站次比及干旱頻率，分析遼寧省玉米干旱的時(shí)空分布規(guī)律。通過(guò)對(duì)遼寧部分站點(diǎn)不同時(shí)間段的作物水分虧缺指數(shù)與歷年歷史記錄的干旱情況相比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，作物水分虧缺指數(shù)能較真實(shí)地反映出作物水分的虧缺狀況，在遼寧地區(qū)適用性好?？傮w而言，本世紀(jì)以來(lái)，玉米水分虧缺程度有所增加。在播種～出苗期玉米作物水分虧缺指數(shù)較大，為最易發(fā)生玉米干旱的階段。隨著玉米的生長(zhǎng)，作物水分虧缺指數(shù)明顯下降。在氣候變暖的背景下，遼寧地區(qū)干旱的發(fā)生頻率呈現(xiàn)不規(guī)律性，沒(méi)有明顯的線性變化趨勢(shì)。從遼寧省玉米干旱空間分布來(lái)看，干旱發(fā)生頻率在玉米生育期的大部分時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出西部最高、中部次之、東部最低的空間分布規(guī)律，這與生育期內(nèi)遼寧省由西向東降水量的增加有直接關(guān)系。在出苗～拔節(jié)、拔節(jié)～抽穗這一階段時(shí)，干旱發(fā)生頻率由西向東表現(xiàn)為先增后減，這與降水量的分布有所不同，可能是由于其他因素對(duì)該階段干旱產(chǎn)生的影響，但是本文并沒(méi)有考慮其他因素，這有待于今后的進(jìn)一步研究。各等級(jí)干旱發(fā)生頻率基本上呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)(輕旱>中旱>重旱>特旱)，這些與前人的研究結(jié)果總體一致[41-42]。

作物系數(shù)(Kc)對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算農(nóng)田實(shí)際蒸散量有很大程度的影響，不同區(qū)域之間的差異較大，考慮作物的需水特性，能夠更好地反映作物在生長(zhǎng)過(guò)程中的缺水情況[43]，然而，本文在計(jì)算CWDI時(shí)，對(duì)不同區(qū)域及不同生育期的Kc采用了固定值，這可能會(huì)造成整個(gè)地區(qū)玉米干旱的時(shí)空分析的不連續(xù)性。此外，監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)干旱常用的方法是構(gòu)造干旱指標(biāo)。本文使用的是作物水分虧缺指數(shù)，未來(lái)的研究中可以運(yùn)用其他指數(shù)進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理與分析，從而更好地比較干旱的發(fā)生情況，確立更適合更具有指示意義的干旱指標(biāo)。

遼寧地區(qū)玉米干旱的時(shí)空分布特征分析對(duì)遼寧地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)未來(lái)氣候變化有警示作用。本研究結(jié)果是以45個(gè)典型代表站為研究對(duì)象得出的宏觀結(jié)論，還需結(jié)合歷年產(chǎn)量，進(jìn)一步完善和驗(yàn)證，增加結(jié)論的可靠性和實(shí)用性，以此服務(wù)于地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

作物水分虧缺指數(shù)在遼寧地區(qū)的適用性較好，能夠用來(lái)反映遼寧地區(qū)玉米水分的虧缺程度。遼寧地區(qū)45個(gè)站點(diǎn)的干旱站次比差異顯著，在玉米生育期的各個(gè)階段站次比處于波動(dòng)變化的狀態(tài)，沒(méi)有明顯的線性變化趨勢(shì)。在生長(zhǎng)初期，較易發(fā)生干旱，不同等級(jí)干旱站次比較其他階段高，對(duì)于抽穗～乳熟、乳熟～成熟階段而言，站次比的年際波動(dòng)較大。近年來(lái)，各生育期各等級(jí)的玉米干旱范圍均有擴(kuò)大趨勢(shì)。遼寧省年均干旱發(fā)生頻率大體表現(xiàn)為西高東低，其發(fā)生強(qiáng)度在空間分布上也有所不同，各等級(jí)干旱發(fā)生頻率基本上呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)(輕旱>中旱>重旱>特旱)。對(duì)于玉米整個(gè)生育期而言，發(fā)生干旱的頻率隨著玉米的生長(zhǎng)呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。