基于作物水分虧缺指數的河南省冬小麥干旱時空特征分析

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據以及冬小麥生育期數據為基礎資料，以作物水分虧缺指數（CWDI）作為干旱指標，利用多種數理統計方法分析河南省冬小麥干旱時空分布特征。結果表明：河南省冬小麥干旱覆蓋范圍廣，其CWDI指數存在準2～4年及準2～6年的周期變化;各干旱等級中，輕旱無突變發生，而中旱與重旱及以上分別在1973年和1965年發生了突變;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，輕旱頻率高發區集中在豫南及豫西南，中旱頻率高值區以許昌、商丘、寶豐、盧氏等地為主，重、特旱主要發生在豫北一帶;極重風險區分布為拔節-抽穗期>全生育期>乳熟-成熟期，重度風險區分布為全生育期>拔節期-抽穗期>乳熟-成熟期，中度風險區分布為乳熟-成熟期>拔節-抽穗期>全生育期。

關鍵詞：水分虧缺指數;干旱;時空特征;冬小麥;河南省

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

冬小麥是我國第三大主要糧食作物，河南省為我國冬小麥主要產區，其種植面積和產量均位于我國各省份之首。干旱是冬小麥生育期間發生的主要氣象災害之一，其發生頻率高，持續時間長，波及范圍廣，對冬小麥生長發育和產量形成構成了嚴重威脅[1-2]。20世紀80年代中期以來，河南省農業干旱災害發生的頻次和強度呈明顯增強的趨勢，因此，建立理想的干旱指標，分析干旱災害的時空特征，對開展抗旱工作、河南省冬小麥生長發育的影響研究以及對確保糧食產量有重大意義[3]。

目前，用于農業干旱的指標較多，比較常用的干旱指標有降水距平百分率[4]、標準化降水蒸散指數（SPEI）[5-6]、Palmer干旱指數（PDSI）[7]、相對濕潤度指數[8]、綜合氣象干旱指數（CI）[9]等。針對干旱問題，國內外學者進行了相關研究[10-11]。史本林等利用SPEI指數分析河南省冬小麥干旱時空特征[12];成林等利用降水負距平對河南省冬小麥干旱規律進行了分析[13];李樹巖等利用CI指數分析了河南省近40年的干旱特征[14]。作物水分虧缺指數（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]。已有學者將CWDI指數應用到我國部分區域的干旱研究中[17-19]，但應用作物水分虧缺指數在河南省所做的相關研究較為少見，利用CWDI指數研究該區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作為干旱指標，對河南省冬小麥干旱時空特征進行分析，為相關部門制定農業生產計劃、趨利避害提供依據與參考。

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、風速、水汽壓、相對濕度等數據。

作物資料來源為河南省農業氣象觀測站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、拔節期、孕穗期、開花期、乳熟期、成熟期等時間數據。

地理特征資料來源為河南省14個氣象站點的經緯度等數據。

1.2 研究方法

1.2.1 作物水分虧缺指數計算方法

1.2.1.1 累計水分虧缺指數計算方法 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，則生育階段中某日的水分虧缺指數計算公式如下：

1.2.2 冬小麥干旱指數等級劃分 目前，由于我國并未明確給出CWDI值的干旱等級劃分標準，本研究在CWDI值與土壤相對濕度分級標準的基礎上進行，結合《中國氣象災害大典（河南卷）》，給出了該區冬小麥干旱分級標準（表1）。

1.2.3.2 各生育期干旱頻率 逐年統計各站不同生育階段的干旱發生次數，得到各站不同發育階段的干旱頻率Fa和強度[22]。

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

1.2.6 數據處理與分析 本研究在Matlab軟件基礎上，運用Morlet小波分析法探究冬小麥干旱指數的周期變化規律;對干旱等級覆蓋范圍進行了M-K檢驗，探究其演變趨勢。在空間特征上，結合ArcGIS 10.2軟件對干旱等級和風險度進行空間插值分析。

2 結果與分析

2.1 干旱相關時間變化特征

2.1.1 冬小麥干旱指數周期分析 河南省冬小麥水分虧缺指數（CWDI）的周期分析結果見圖1。可以看出，冬小麥水分虧缺指數時間序列存在著準2～4年、準2～6年的周期變化。其中1965—1971年和1985—2000年存在準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%），且研究時段內平均覆蓋范圍為97.57%，根據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年代以來出現大范圍干旱事件的概率增大，2000年后干旱覆蓋范圍達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80%左右，但在1992及2011年未出現輕旱（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年的覆蓋范圍達到70%以上，在1969、1990年未出現中旱（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，其值分別達到50%、58%，1970、1977、1981年覆蓋范圍達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年出現了特旱，其中，1999、2011年的覆蓋范圍分別達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在1990年代（50%）;重、特旱覆蓋范圍最大值均發生在2010年代，其中特旱覆蓋范圍較少。總體來看，干旱嚴重程度以1990年代、2010年代干旱較強，1980年代和2000年代次之，這可能是因為21世紀前后，我國大范圍氣溫較常年同期偏高，北方旱區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加快，加上厄爾尼諾現象的發生進一步加重了旱情發展，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行統計分析，求出時間序列的UF（Mann-Kendall統計量正序列）和UB（Mann-Kandall統計量反序列）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，輕旱無突變發生，而中旱、重旱及以上有突變（P>0.05），其中，中旱在1973年發生突變，突變后為增加趨勢;重旱及以上在1965年發生突變，突變后亦表現為增多特征。此外，由圖3可知，1961—1975年輕旱基本呈現上升趨勢，1975年后呈現下降趨勢， 而中旱則在1962—1975年呈現下降趨勢，1975年

以后呈現上升趨勢。

2.2 干旱相關空間分布特征

2.2.1 干旱頻率的空間分布特征 采用ArcGIS軟件柵格數據空間分析模塊中的反距離權重插值（IDW）方法，對河南省冬小麥全生育期不同等級干旱頻率進行插值，生成空間柵格數據，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區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57.38%～70.58%，由南向北輕旱頻率逐漸降低，豫中地區的輕旱頻率在28.46%～48.25%之間，豫北及三峽門站發生輕旱的頻率僅有5.88%～17.04%，屬輕旱頻率低發區。中旱頻率高發區集中在豫東、豫中及豫西北，其發生頻率為46.40%～52.94%;以北的安陽、新鄉、開封等地的中旱頻率為35.25%～46.40%，屬中旱次高頻發區;豫南等地中旱發生頻率較低。重旱發生區主要集中于豫北及三門峽，其中，安陽重旱頻率達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。特旱發生頻率較低，主要發生在新鄉、安陽及開封，為6.05%～7.84%，豫南、豫西發生特旱的頻率在 0.92%以下。

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

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

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

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

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

3 討論與結論

利用河南省14個冬小麥種植區氣象臺站1961—2014年的逐日氣象數據，同時參考相關臺站冬小麥生育期資料，運用CWDI指數和相關統計分析方法，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存在準 2～4年及準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果[13]一致，與房穩靜等的研究的結果（以輕旱為主）[24]有所不同，這可能與干旱指標選取以及干旱等級劃分有關。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。輕旱無突變發生，而中旱及重旱以上均發生了突變。

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，重旱和特旱主要發生在豫北，由北至南逐漸減少。這個結果比較符合實際，由于河南省降水從南向北逐漸減少，濕度南部大，北部小，同緯度的西部山區大于東部平原，能較好地反映河南省干旱發生的規律。

從冬小麥干旱風險度分布圖來看，拔節-抽穗期極重風險區分布最廣，全生育期重度風險區分布最廣，乳熟-成熟期則是中度風險區分布最廣。全生育期、拔節-抽穗及乳熟-成熟期極重風險區主要集中在安陽、新鄉和開封。重度風險區逐漸北移減少，而中度風險區逐漸擴大，這可能與乳熟-成熟期降水量>拔節-抽穗期降水量有一定關聯。

本研究在計算作物水分虧缺指數時，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（Kc）在不同區域間的差異，這會給計算結果帶來一定誤差。此外，本研究中冬小麥在不同生育期的干旱風險度存在變化，表明其不僅與降水有關，其他因素也在其中產生影響，但本研究中并未涉及。這些都有待今后進一步研究，并應在今后研究中結合當地實際情況進行深入分析與探討，使該指數能更好地運用到農業生產指導中。

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