基于SPI的隴東黃土高原干旱特征及對冬小麥產量的影響分析

張可心 張謀草 劉翔 張洪芬 張天峰

摘要：基于1971—2018年隴東地區的逐月氣象資料，使用標準化降水指數（SPI）作為干旱指標，采用線性趨勢和Mann-Kendall突變檢驗，多尺度定量分析隴東地區近48年的氣象干旱特征，并結合冬小麥產量資料，研究SPI表征的氣象干旱對冬小麥產量的影響。結果顯示，1971—2018年隴東地區發生干旱的概率約為30%，發生中等以上強度干旱的概率為15.8%;年SPI分析結果顯示，隴東地區具有逐漸濕潤化的趨勢，20世紀90年代（1990s）最干旱，2000年后干旱顯著緩解;季節SPI分析結果表明，春季干旱化趨勢明顯，且干旱化從1990年開始，其余季節均具有濕潤化趨勢，其中冬季的濕潤化速度最快;春季、秋季干旱對冬小麥產量的影響最大，尤其是干旱強度對產量的影響最為顯著，通過了0.001水平的顯著檢驗。SPI所表征的氣象干旱指標與冬小麥的相關性高于降水量與其相關性，表明SPI對于農業干旱分析具有一定的指導意義。

關鍵詞：隴東黃土高原;標準化降水指數（SPI）;干旱特征;冬小麥產量;影響

中圖分類號： S162.5 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）23-0233-08

干旱是對人類社會影響最為嚴重的氣象災害之一，造成干旱的直接原因有偶發性或周期性的降水量減少、蒸發量增大等[1]。在全球氣候變暖的背景下，發生大范圍干旱、高溫的時間、頻率和強度明顯增加，干旱化趨勢也隨之加劇，不但造成水資源短缺、荒漠化加劇、沙塵暴頻發等諸多不利的生態影響，同時也對農業生產造成巨大損失[2]。西北地區處于干旱半干旱地區，對于全球氣候變化的響應非常敏感，加強對干旱演變特征的研究有利于認識全球氣候變化背景下的區域性響應，對生態文明建設及防災減災工作具有現實意義[3-4]。

目前，國內外研究者關于干旱指標已做了大量研究，各個指標本身各有利弊，研究區域也具有其自身的自然特征及社會特征。因此，根據研究目的，揚長避短地選擇合適的干旱指標是研究區域性干旱的基礎[5]。基于降水量的干旱指標有標準化降水指標（SPI）、Z指數[6]，基于多因子的干旱指標有地表濕潤指數[7]、Palmer指數等[8]。帕默爾干旱指標（palmer drought severity index，簡稱PDSI）和標準化降水指標（standardized precipitation index，簡稱SPI）是全球干旱研究中運用最廣泛的2個指標。帕默爾干旱指標PDSI計算過程復雜，參數區域性較強，并且具有固定的時間尺度，而標準化降水指標只須以降水作為輸入量，計算簡便易行且具有多種時間尺度，使同一個指標可以反映不同時間尺度的干濕變化特征[9]。

基于SPI指數的干旱研究一般側重于對干旱時空分布特征的研究[10-12]，與糧食作物產量變化相結合的干旱特征檢測與影響研究較少。劉維等研究了SPI與東北春玉米產量之間的關系發現，玉米成災率隨SPI6的變大而變小，當SPI6處于干旱或者過濕情況下將處于低產量水平[13];朱玲玲等以SPI作為干旱指標對河南冬小麥生育期變化特征進行分析，發現河南省返青-抽穗-成熟期和全生育期干旱對冬小麥氣候產量影響較大[14]。山西省關于玉米產量與SPI的研究發現，對其產量影響較大的是夏季干旱，中等以上強度的夏季干旱對玉米產量的影響更為顯著[15]。甘肅省慶陽市地處隴東黃土高原，屬于黃土高原丘陵溝壑區的生態脆弱區，以雨養農業為主，由降水量減少導致的干旱對隴東地區農業生產和生態環境的影響顯著[16]。冬小麥是隴東地區最主要的糧食作物之一，在慶陽市種植面積最大，由于生長周期長，不同時段的干旱變化對冬小麥產量都有一定的影響，而對冬小麥的影響同樣也可以反映對其他作物的影響。本研究以SPI作為干旱評價指標，分析1971—2018年隴東黃土高原不同時間尺度的氣象干旱特征及對冬小麥產量的影響，以期為氣象干旱檢測、干旱災害預防及冬小麥安全生產提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

隴東黃土高原屬于黃河中游的內陸地區，東倚子午嶺，西接六盤山，所在行政區域主要為甘肅省慶陽市（106°20′～108°45′E、35°15′～37°10′N），屬于暖溫帶半干旱半濕潤氣候，光熱條件適宜，年降水量為400～700 mm，是黃土高原區降水最多的地區。慶陽市馬嶺以北的環縣、華池及慶城的中北部為黃土丘陵溝壑區，溝壑縱橫，水土流失嚴重，馬嶺以南塬面平坦，其中董志塬面積為910.7 km2，是我國最大、較完整的一片黃土塬地。隴東黃土高原塬地面積廣，約占土地總面積的1/3，坡度小，盛產小麥、玉米、油料作物及特色小雜糧，有“隴上糧倉”的美譽。

1.2 站點選擇與資料

本研究采用慶陽市8個國家氣象站1971—2018年的逐月降水量數據與慶陽市統計局1978—2018年冬小麥年產量數據，通過MATLAB計算得出SPI值及四季SPI的Mann-Kendall（M-K）突變檢驗，SPI時間變化趨勢用氣候傾向率進行計算，用MATLAB、Excel等軟件繪制圖表。在統計季節降水量時，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

1.3 標準化降水指數的計算

標準化降水指數的計算原理是McKee等在1993年提出的1個相對簡便易行的干旱指數，該指數基于自然降水的Γ分布，基于正態分布標準化得出，計算過程詳見文獻[17-18]。SPI的計算有多種尺度（1、3、6、12、24月等），對于時間尺度短的SPI，由于受短時間降水的影響，導致SPI上下波動頻繁，值域也較大，從而可反映短期旱澇變化，而時間較長的SPI對短期降水的響應減慢，旱澇變化比較穩定，可反映長期旱澇的變化趨勢[19]。本研究根據CB/T 20481—2006《氣象干旱等級標準》[20]，結合隴東地區的實際情況，劃分出干旱等級（表1）。

1.4 干旱強度

某段時間內的干旱強度可以用SPI表示，在發生干旱（SPI≤-0.5）的情況下，SPI絕對值越大，表示干旱越嚴重。某區域的多年干旱程度可由下式表示：

式中：|SPIi|為發生干旱時的SPI絕對值，具體的干旱分級見表1;m為發生干旱的時間（月數）。

2 結果與分析

2.1 不同時間尺度的SPI特征

不同時間尺度的SPI可以反映不同類型的旱澇情況，通過多時間尺度的SPI綜合分析可以進行綜合旱澇情況分析[21]。為了對隴東地區的干旱情況進行綜合評價，本研究基于慶陽市8個氣象站點48年的逐月降水量資料，著重分析SPI的1、3、6、12月尺度的干旱變化情況，并對各個時間尺度的干旱等級進行劃分。分析圖1-a的SPI1指數可知，出現干旱的概率為31.9%，其中中等以上等級干旱分布如下：極旱10個月（1.7%），重旱15個月（2.6%），中旱67個月（11.6%）。分析圖1-b的SPI3指數可知，出現干旱的概率為29.1%，其中極旱13個月（2.3%），重旱29個月（5.0%），中旱47個月（8.2%）。分析圖1-c的SPI6指數可知，干旱發生概率為32.1%，其中極旱9個月（1.6%），重旱29個月（5.0%），中旱51個月（8.9%）。分析圖1-d的SPI12指數可知?干旱發生概率為32.9%?7個月為極旱（1.2%），33個月為重旱（5.8%），52個月為中旱（9.2%）。由以上分析可以看出，隴東干旱頻發，平均30%以上的月份發生不同程度的干旱，用不同時間尺度表征的中等以上干旱狀況較為一致，中等以上程度的干旱月份占比約為15.8%，SPI指數起伏較大，表明氣候干濕變化波動幅度大，旱澇時間分布不均勻。

甘肅省氣象災害統計結果表明，1986—1987年隴東出現了數十年一遇的持續性干旱，旱情嚴重，50%以上的人畜飲水困難。SPI1分析結果顯示，1986年7—10月和1987年8—9月出現了輕度以上干旱;SPI3分析結果顯示，1986、1987年8—10月均出現中旱;SPI6分析結果顯示，1986年8月至次年2月出現了重旱;而SPI12分析結果顯示，1986年9月至1987年底出現了連續性重旱。1995年隴東地區出現春夏連旱的情況，農作物大量減產，冬小麥單位面積產量（簡稱單產）降至882 kg/hm2，SPI1分析結果顯示，2—7月出現了中等以上的干旱，5月達到特旱;SPI3分析結果顯示，3—7月出現了特旱。1997年隴東地區出現了嚴重的夏秋連旱，SPI3分析結果顯示，1997年6—10月出現了中等以上干旱，其中重旱以上的時間有3個月。不同時間尺度的SPI分析結果表明，1995、1997年的干旱與1986—1987年的干旱具有相同特征，即隨著時間尺度的增大，干旱開始時間和結束時間有相應推遲，并且干旱等級有所變化，反映了前期降水積累的影響因素。對于類似1986—1987年這種持續時間長的干旱，SPI12表征的時間尺度與干旱程度較準確，而對于1995、1997年這種季節性干旱，與實況對應最好的是SPI3。不同時間尺度的SPI表征的干旱年際變化與隴東歷史上實際發生的干旱年對應的年份一致，可見用SPI分析隴東地區的干旱變化是可行的[22]。

2.2 旱澇的年際變化特征

2.2.1 SPI的年際變化特征 1971—2018年隴東地區的年SPI總體變化趨勢為波動升高（圖2），傾向率為0.061/10年，有8年出現中等程度及以上的干旱，其中發生中旱的時間為5年（1972、1979、1982、1987、2008年），發生重旱的時間為3年（1986、1995、1997年）。有8年出現中等程度以上的偏濕，其中中濕4年（1983、1988、2017、2018年），重濕4年（1975、1990、2003、2013年）。從干旱程度年代際的分布來看，1990s（20世紀90年代）干旱程度最為嚴重，出現了2年重旱，其次是1980s（20世紀80年代），出現過1年重旱與2年中旱，1970s（20世紀70年代）出現 2年中旱;到了21世紀，中等程度及以上的干旱僅出現過1年。根據以上分析可知，隴東地區1990s最干旱，其次是1980s，1970s相對較濕潤，2000s（21世紀00年代）以后干旱程度大幅度減弱。中度及以上干濕年份占比為33%，最干、最濕的年份分別為1997年（-1.882，重旱）、2003年（1.944，重濕）。本研究結果與張可心等得出的“慶陽市20世紀80年代濕潤，90年代最干旱，2000后恢復濕潤”的結論[23]基本一致。由以上分析可知，隴東地區氣候干濕程度的發展趨勢具有波動中逐漸變濕潤的趨勢，這與黃小燕等的研究結論[24]一致。

2.2.2 SPI的季節變化特征 由圖3可知，除春季以外，其余季節的SPI均呈現升高的趨勢。春季SPI呈緩慢下降的趨勢，變化傾向率為0.047/10年，表明春季有干旱化趨勢，干旱發生頻率為27%，中等及以上干旱季與濕潤季分別為8、5年，在1992—2011年間出現高頻率的干旱，其中最嚴重的是1995年，干旱等級為極旱（SPI=-3.01），最濕潤的是1998年（SPI=2.11）。夏季SPI的變化傾向率為0.05/10年，干旱發生頻率為27%，中等及以上干旱季、濕潤季均為8年?1997、2018年的SPI值分別為-1.92（重旱）、1.99（重濕），這2年分別為夏季最干旱、最濕潤的年份。秋季SPI的變化傾向率為0.057/10年，干旱發生頻率為31%，中等以上干旱季、濕潤季分別為5、10年，秋季最干旱、最濕潤年份分別為1986、1975年，SPI值分別為-1.97（重旱）、2.20（重濕）。冬季SPI的變化傾向率為0.077/10年，干旱發生頻率為21%，中等以上干旱季、濕潤季分別7、8年，1992、1999年出現過2次極旱，1992、2008年分別為最干旱、最濕潤的年份，SPI分別為 -3.92（極旱）、1.50（中濕），2000年之后僅出現過1次輕旱，可見21世紀以后隴東地區冬季的干旱次數大幅度減少。以上分析結果表明，春季具有干旱化趨勢，其余季節均具有濕潤化趨勢，冬季的濕潤化趨勢最為顯著;干旱發生頻率最高的是秋季，其次是春季、夏季，最低的是冬季。秋季的干濕變化跨度大，正值冬小麥播種期，需要防范干旱的不利影響;冬季整體偏旱，但是由于冬季的農業活動少，加上濕潤化趨勢明顯，因此對隴東地區農業的影響也相對較小。

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