农作物生长期干旱时间变化范文

《湖北农业科学杂志》2014年第十一期

1材料与方法

1．1SPI指数SPI是由McKee等［8］在1993年研究不同时间尺度干旱的发生频率及持续时间之间的关系时首次提出。一般情况下，降水呈现偏态分布，在统计计算中常用Gamma密度函数来拟合不同时间尺度的降水分布规律［9］。SPI是基于降水累积概率分布的一个有效分析干湿周期的指标，它将降水的偏态分布转换为标准的正态分布，进行统计计算。假设某一时段的降水量为x，则其伽马分布的概率密度函数为。在干旱发生的时间特征上，计算1个月和12个月尺度的SPI值。1个月时间尺度的SPI1值可以表征短时间内降水条件，它直接影响土壤的短期水分条件和农作物不同生长阶段水分的供给条件［7］。12个月尺度SPI12值则反应了一个区域长期的降水条件，从侧面揭示一个区域的地下水补给情况、水库库存水量的状况，进而分析一个区域的农业发展所需的水量条件。SPI值随着时间序列的变化在0值附近频繁的上下波动。SPI值大于0，表示降水量超出了同一时期平均降水量，则可能发生洪涝；SPI值小于0，表示降水量低于同时期平均降水量，则可能发生干旱。SPI的绝对值越大表示发生旱涝的可能越大。参照Mckee等［10］干旱等级划分干旱等级：1．0＞SPI＞－1．0，表示降水正常；－1．00≥SPI＞－1．5，表示发生中等干旱；－1．5≥SPI＞－2．0，表示发生重度干旱；SPI≤－2．0，则表示发生极端干旱。

1．2气象统计方法使用线性回归方程y＝at＋b（y为SPI值，a为斜率，t为降水时间序列）来拟合SPI指数随时间序列的变化，可以反映出SPI指数随时间的线性变化规律［11－13］。运用M－K非参数检验法［11－13］对冬小麦和夏玉米不同生育阶段SPI指数做趋势及突变检验：UFk值＞0，表示原序列SPI指数呈现上升趋势，反之则呈现下降趋势；若UFk值超过置信度线（u0．05＝±1．96）时，表示原序列SPI指数呈上升或下降趋势明显；若UFk和UBk两条曲线的交叉点位于置信区间内，则该点对应的时间便是序列突变开始的时间。

2干旱时间变化规律

2．1邢台县冬小麦生长期干旱年际变化图1SPI12显示了1954－2011年邢台县冬小麦－夏玉米干旱发生的年际变化。数据显示，58年间邢台县共发生中旱程度以上旱灾92次，其中中旱56次、重旱26次、极端干旱10次。20世纪80年代以来，干旱事件发生频次明显增加，其中1986、1987、1999和2000年出现了极端干旱。整体拟合趋势表明，随时间向后推移SPI指数整体呈现递减趋势，说明邢台县干旱整体呈现加剧趋势。

2．2冬小麦不同生育阶段干旱变化冬小麦生育期为10月初至次年6月上旬，不同发育阶段起止时间见表1，冬小麦SPI变化规律见图2。干旱对于冬小麦不同生育阶段影响不同。播种前，发生干旱，土壤底墒不足，影响冬小麦出苗；苗生长和越冬阶段，冬小麦处于营养生长阶段，小麦耗水较少，受干旱影响小，但苗生长初期发生干旱将影响幼苗生长，极端干旱可能导致幼苗枯死，影响后期作物产量；返青阶段，冬小麦生长迅速，小麦对水分需求速度和需求量明显增大，干旱发生影响冬小麦返青拔节；拔节阶段，干旱影响其生殖生长，造成冬小麦减产；抽穗－开花阶段，冬小麦叶面积达到最大，水分亏缺会造成冬小麦减产愈加明显；灌浆成熟阶段，干旱影响小麦粒数和粒径，质量下降［16］。故分析冬小麦不同生育阶段干旱发生规律对用户选择适应模式意义重大。由图2可以看出，邢台县冬小麦整个生育期SPI值呈现下降趋势，说明降水量不断下降，气象干旱加剧。各生育阶段SPI趋势斜率大小比较：灌浆－成熟阶段（－0．011）＜拔节阶段（－0．008）＜苗生长阶段（－0．007）＜返青阶段（－0．003）＜越冬阶段（－0．002）＜播种前、抽穗－开花阶段（0．010），表明降水减少速率在灌浆－成熟期最大，拔节期次之，再之是苗期，返青期和越冬期最小。冬小麦在苗生长阶段、拔节阶段、成熟阶段气象干旱加剧较其它生育阶段明显。统计不同生育阶段干旱发生次数可知，58年间发生中旱及以上程度干旱，越冬期8次，苗初期9次，苗中期8次，苗后期0次，越冬期平均2次，返青期6次，拔节期7次，抽穗－开花期5次，灌浆－成熟期6次。除越冬期之外，其他各个生育期均受到干旱威胁。运用M－K非参数检验方法对邢台县冬小麦各生育阶段58年SPI指数作具体趋势突变检验（图3），检验结果可以总结出：图3a冬小麦播种前，主要突变年份是1963年、1978年，SPI指数在1956－1960年和1995－2003年呈下降趋势，处于相对干旱阶段；图3b苗生长阶段，突变年份是1963年、1969年、1982年和1993年。SPI指数在1954－1960年、1963－1967年、1969－1973年和1981－2011年呈下降态势，表明干旱趋势加强；图3c越冬阶段，除1979年外，UFk值均小于0，表明冬小麦越冬阶段在整个时间序列中持续呈现干旱趋势，说明邢台县受冬旱影响加重；图3d返青阶段，突变年份是1959年、1979年和2000年，SPI指数在1960－1962年、1968－1988年和2001－2011年呈下降趋势，表明干旱趋势加强；图3e拔节阶段，主要突变年份为1959年、1961、1978年、2005年，SPI指数在1974－2011年呈下降趋势，表明冬小麦拔节阶段在整个时间序列中呈现干旱趋势；图3f抽穗－开花阶段，主要突变年份为1956年、1958年、1961年、1962年和1964年，在1955－1963年、1966－1969年和1972－1984年，SPI指数下降，干旱趋势增强；图3g灌浆－成熟阶段，主要突变年份为1956年、1959年、1963年、1973年、1983年和1985年，1960－1970年和1974－2011年SPI指数下降，干旱趋势增强。

2．3夏玉米不同生育阶段干旱变化夏玉米生育期为6月下旬至10月初，不同生育期起止时间见表2，夏玉米SPI变化规律见图4。夏玉米主要生长季为邢台县的雨季。夏玉米全生育期需水量在350～400mm，而平均降水量约为440mm，但是各生育阶段降水差异大，影响其生长发育。播种前，干旱发生，土壤底墒不足，影响夏玉米出苗；播种－拔节期，此阶段为幼苗生长发育阶段，需水量占全生育期需水量的20％，相对较少，但此时干旱发生影响幼苗生长，影响后期生殖生长；拔节－抽雄期，干旱对夏玉米的株高和叶面积生长影响最大；抽雄－灌浆期，夏玉米进入生殖生长阶段，干旱发生将对夏玉米的穗数产生一定的影响；灌浆－成熟期，干旱发生，对夏玉米颗数和粒径大小都将产生影响，加剧夏玉米减产［14］。因此要着重关注邢台县历年夏玉米不同生育期的干旱规律，以便于保证夏粮生产的顺利进行。运用M－K非参数检验方法对邢台县夏玉米各生育阶段58年SPI指数做具体趋势突变检验，见图5。由图5可以看出，夏玉米不同生育期SPI斜率比较，播种前、灌浆－成熟阶段（0．010）＞苗生长阶段、抽雄－灌浆阶段（－0．011）＞拔节－抽雄阶段（－0．018）。SPI值在夏玉米生长的早中期呈下降的趋势，后期的灌浆成熟阶段阶段反而呈现出上升趋势，说明在此阶段干旱对夏玉米生长的危险有所下降。统计58年间夏玉米不同生育期的中旱以上干旱共发生35次，其中，播种前一月中旱5次，播种－拔节阶段中旱5次、重旱1次，拔节－抽雄阶段中旱3次、重旱3次，抽雄－灌浆阶段中旱8次、重旱2次，灌浆－成熟阶段中旱5次、重旱3次。由统计数据可知，播种－拔节阶段、拔节－抽雄阶段是干旱的频发期，降水量少，影响夏玉米稳定需水量的供给。故在拔节－抽雄开花生长阶段要重点监测和防范。图5a和图5b分别是播种前和播种－拔节阶段，该两个阶段同时也是冬小麦抽雄－成熟阶段，已在冬小麦干旱变化突变检验中进行分析，故在此不做具体分析；图5c拔节－抽雄阶段，主要突变年份有1972年、1975年、1990年、2000年、2002年和2006年，SPI指数在1970－2011年呈下降趋势，夏玉米在该阶段干旱化持续加强；图5d抽雄－灌浆阶段，主要的突变年份是1957年，1958－1962年、1964－1974年和1977－2011年，干旱趋势加强，尤其在2001－2008年，干旱趋势通过了0．05临界线的显著性水平，表明降水减少，气候变干的趋势十分显著；图5e灌浆－成熟阶段，主要突变年份是1961年、1964年、1974年和1978年，1956－1960年、1995－2003年，SPI指数呈下降趋势，有干旱化倾向。

3小结与讨论

1）根据SPI12变化规律，总结出邢台县农作物气象干旱逐渐加重，以中旱和重旱为主，1980年代后期以来干旱发生的频次明显增加。不同年代干旱变化趋势不同，20世纪50年代后期下降最快，干旱趋势明显；60年代和90年代呈微下降趋势；20世纪80年代上升最快，湿涝较明显；20世纪70年代和21世纪初呈微上升趋势。2）邢台县冬小麦不同生育阶段干旱发生规律：冬小麦整个生育期SPI指数呈下降趋势，表明气象干旱加剧，其中，灌浆－成熟期下降速率最大，拔节期次之，再之是苗期。冬小麦在苗期、拔节期，成熟期气象干旱加剧较其它生育期明显。突变分析表明，除播种前和抽穗－开花阶段，其他各生育阶段SPI指数自1980年代初均有不同程度下降，干旱趋势相对明显，与邢台县整体干旱变化相一致。3）邢台县夏玉米不同生育阶段干旱发生规律SPI显示夏玉米生育期的早中期阶段呈下降的趋势，播种－拔节阶段、拔节－抽雄阶段是干旱的频发期，降水少，影响夏玉米稳定需水量的供给。突变分析表明，除播种前和灌浆－成熟阶段，其他各生育阶段SPI指数自20世纪70年代后期呈下降趋势，干旱发生相对增加与与邢台县整体干旱变化大致一致。4）本研究根据1954－2011年58年降水数据运用SPI指数进行了冬小麦－夏玉米生育期干旱发生规律研究，为农户适时进行灌溉提供了科学依据。河北农村统计资料表明2010年邢台县发生大范围的干旱，而年尺度的SPI显示2010分析2010年以年为尺度的各月累积降水可知，各月降水量较多，而SPI12值是以年为单位的累积降水进行标准化得到的，所以2010年SPI12显示未有明显干旱。同时本研究采用的是县域尺度研究区，气象站点较少，没有系统进行邢台县冬小麦－夏玉米生育期干旱的空间变化研究。同时研究一个地区农作物生育期干旱变化，不仅要分析降水因子，还要进一步分析降水之外的其它气象因子、下垫面因子等。

作者：申海凤商彦蕊刘公英单位：河北师范大学资源与环境科学学院河北省环境演变与生态建设重点实验室