基于SPEI的遼寧省玉米生育期干旱特征分析

曹永強(qiáng),李玲慧,路 潔,張若凝

遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,大連 116029

氣候是影響人類生產(chǎn)生活的眾多地理環(huán)境要素之一,氣候變化是人地關(guān)系領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與前沿[1]。近年來,全球氣候的復(fù)雜多變已引起世界諸多國家干旱自然災(zāi)害頻發(fā),未來全球極端氣象災(zāi)害仍將持續(xù)惡化[2-3]。在全球氣候變化的背景下,近50年來,中國地表約增溫1.1℃,速率達(dá)0.25℃/10a,東部地區(qū)降水量相對(duì)減少[4-5]。升溫可直接引發(fā)干旱,當(dāng)降水量在一定時(shí)期持續(xù)少于正常狀態(tài)時(shí),河湖水資源量、土壤含水量會(huì)相應(yīng)減少,從而引發(fā)干旱[6-7]。據(jù)統(tǒng)計(jì),氣象災(zāi)害在我國自然災(zāi)害中占比超過70%,其中旱災(zāi)造成的損失高達(dá)50%以上[8]。研究干旱災(zāi)害發(fā)生規(guī)律并采取應(yīng)對(duì)策略緩解災(zāi)損已成為當(dāng)下科學(xué)研究的重點(diǎn)。

目前,國內(nèi)外研究和使用的干旱指標(biāo)已有近百種,代表性的有McKee等提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index,SPI),該指數(shù)僅考慮降水這一因素,由于計(jì)算簡單并可進(jìn)行多種尺度干旱的表征,是目前應(yīng)用較廣的干旱指標(biāo)之一[9]。國內(nèi)針對(duì)農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估的氣象類指標(biāo)包括降水Z指數(shù)、作物水分虧缺指數(shù)和綜合氣象干旱指數(shù)等[10-13]。如蘇永秀等基于水分盈虧原理提出的一種干旱指標(biāo),在水稻和甘蔗方面取得了較好應(yīng)用[14]。馬曉群等在相對(duì)濕潤指數(shù)的基礎(chǔ)上添加了前期干旱的累積影響,構(gòu)建出新的干旱指標(biāo),并利用土壤墑情數(shù)據(jù)檢驗(yàn)其對(duì)江淮地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測(cè)效果,結(jié)果表明具有很強(qiáng)的適用性[15]。張強(qiáng)等提出了綜合氣象干旱指數(shù)(Comprehensive Meteorological Drought Index,CI),這一指數(shù)同時(shí)結(jié)合了相對(duì)濕潤指數(shù)和SPI,目前已廣泛應(yīng)用于氣象部門[16]。Vicente-Serrano等提出的標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)(Standard Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可,在干旱評(píng)估、水資源管理等方面具有較高的科學(xué)性和實(shí)用性,該指數(shù)吸收了帕爾默干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index,PDSI)和SPI表征干旱的優(yōu)勢(shì),具有空間一致性、多時(shí)間尺度且計(jì)算簡單等多重優(yōu)點(diǎn)[17-20]。因此,經(jīng)綜合比較,本文選取SPEI作為干旱指標(biāo)進(jìn)行研究,這對(duì)遼寧省農(nóng)業(yè)種植規(guī)劃有著十分重要的研究價(jià)值。

在眾多干旱指標(biāo)提出的基礎(chǔ)上,干旱規(guī)律研究一直是國內(nèi)外熱點(diǎn)問題。例如,Edossa等[21]使用PDSI研究1981—2015年尼日利亞北部地區(qū)的干旱事件,結(jié)果表明,1998—2001年和2006—2008年為干旱較為嚴(yán)重的時(shí)期。李偉光等[22]利用SPEI評(píng)價(jià)了中國1951—2009年干旱的時(shí)空分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)我國四季均有干旱情況發(fā)生,且西部、華北和東北地區(qū)旱情較為嚴(yán)重；吳霞等[23]基于SPI構(gòu)建了夏玉米干旱指數(shù),進(jìn)而分析了1961—2015年黃淮海平原夏玉米在生長季內(nèi)的干旱情況,結(jié)果表明,黃淮海地區(qū)夏玉米在生長階段的干旱較嚴(yán)重。綜合以上干旱方面的研究成果分析發(fā)現(xiàn),這些研究大多集中在從氣候角度和單一尺度等單方面入手,或僅結(jié)合單一的受旱面積、受災(zāi)站次比等參考指標(biāo)來反映某一地區(qū)干旱特征,缺少綜合多尺度、多因素、多指標(biāo)的全面分析。因此,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,首先分析影響遼寧省玉米生育期干旱的兩個(gè)關(guān)鍵氣候因素(降水量和氣溫)的變化趨勢(shì),以SPEI作為干旱特征的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),綜合不同尺度(2個(gè)月、6個(gè)月)對(duì)其進(jìn)行分析,同時(shí)結(jié)合遼寧省玉米完整生育期、旱災(zāi)不同影響因素等,選取干旱站次比和干旱頻率全面研究區(qū)域農(nóng)業(yè)旱災(zāi)特征[24-26],并對(duì)氣候變化與干旱的相關(guān)性進(jìn)行分析,以期為進(jìn)行區(qū)域農(nóng)作物干旱災(zāi)損評(píng)估及相應(yīng)防災(zāi)減災(zāi)政策的制定等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省地處歐亞大陸東岸、東北地區(qū)南部,按照地理空間分布情況可劃分為遼西、遼南、遼中、遼東和遼北5個(gè)分區(qū)[27]。年日照時(shí)數(shù)1800—2400 h,平均氣溫6—10℃,降水量200—1000 mm,氣候條件非常適宜玉米的生長發(fā)育[28-29]。省內(nèi)玉米種植面積較廣,2018年玉米播種面積2712.98千公頃,占糧食總播種面積的77.87%。遼寧省是我國糧食生產(chǎn)核心區(qū),玉米為其主要生產(chǎn)作物之一[30]。近年來,在全球氣候變化的影響下,遼寧省氣溫有所升高,而日照和降水減少,同時(shí)伴有旱澇災(zāi)害發(fā)生,氣候因素的改變影響了玉米等作物的生長發(fā)育,從而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了不可小覷的影響[31-32]。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)建議將作物的生育期劃分為初期、發(fā)育期、中期和后期四個(gè)階段[33]。本文在此基礎(chǔ)上依據(jù)遼寧省具體情況和實(shí)際生產(chǎn)狀況,進(jìn)一步將遼寧省玉米生育期細(xì)化為4—9月,包括播種-出苗期(4月上旬—5月上旬)、出苗-拔節(jié)期(5月中旬—6月中旬)、喇叭口期(6月下旬—7月中旬)、抽雄期(7月下旬—8月中旬)和成熟期(8月下旬—9月下旬)5個(gè)階段[27,34]。本研究選用的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/wa)1967—2018年4—9月遼寧省逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),包括降水量、平均氣溫、濕度等。為保證空間插值精度,選取遼寧省玉米種植區(qū)內(nèi)分布均勻且連續(xù)性較好的33個(gè)國家級(jí)氣象臺(tái)站進(jìn)行分析。遼寧省地理位置及氣象臺(tái)站分布情況如圖1所示。

圖1 遼寧省氣象臺(tái)站分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Liaoning Province

2.2 研究方法

2.2.1SPEI計(jì)算

SPEI的計(jì)算主要利用月降水量和月平均溫度等氣象數(shù)據(jù),通過計(jì)算降水量與蒸散量的差值并將其正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化得到。具體計(jì)算步驟如下：

(1)計(jì)算降水量與蒸散量差值,即氣候水平衡：

Di=Pi-PETi

(1)

式中：Di為第i月降水量與蒸散量的差值(mm)；Pi為第i月降水量(mm)；PETi為第i月潛在蒸散量(mm),采用FAO推薦的Penman-Monteith法進(jìn)行計(jì)算,詳見文獻(xiàn)[33]。

(2)建立不同時(shí)間尺度氣候?qū)W意義上的水分盈虧累積序列：

(2)

式中：k為時(shí)間尺度(月)；n為計(jì)算次數(shù)。

(3)采用3參數(shù)的Log-Logistic概率分布F(x)對(duì)D序列進(jìn)行擬合,并對(duì)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布轉(zhuǎn)化,計(jì)算每個(gè)D對(duì)應(yīng)的SPEI值：

(3)

式中,P為超過待定D值的累積概率,當(dāng)P>0.5時(shí),SPEI值的符號(hào)被逆轉(zhuǎn)；c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308。

SPEI的計(jì)算可采用以月為單位的不同時(shí)間尺度[35],考慮到遼寧省玉米生長期集中在4—9 月,因此6個(gè)月尺度的SPEI(6-SPEI-Sep)表征其整個(gè)生育期干旱情況,為進(jìn)一步比較玉米不同生育階段的干旱情況,選擇2個(gè)月尺度的參數(shù)計(jì)算并提取所有站點(diǎn)的 2-SPEI-May(播種-出苗期),2-SPEI-Jun(出苗-拔節(jié)期)、2-SPEI-Jul(喇叭口期)、2-SPEI-Aug(抽雄期)及 2-SPEI-Sep(成熟期)。

2.2.2干旱頻率

干旱頻率用來評(píng)價(jià)研究區(qū)某氣象站在研究時(shí)間段內(nèi)干旱頻發(fā)的程度[36],計(jì)算式為：

(4)

式中,Fi表示干旱頻率(%)；N為統(tǒng)計(jì)時(shí)段總年數(shù)；n為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)該生育階段某等級(jí)干旱發(fā)生的次數(shù)。參考《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)氣象干旱等級(jí)》(GB/T 20481—2017),將SPEI分為5個(gè)干旱等級(jí)：無旱(SPEI>-0.5)、輕旱(-1.0

2.2.3干旱站次比

用研究區(qū)內(nèi)發(fā)生干旱氣象站數(shù)量占全部氣象站數(shù)量的占比來評(píng)價(jià)干旱影響范圍的大小[37],計(jì)算式為：

(5)

式中,Pj為干旱站次比(%)；M為研究區(qū)內(nèi)氣象站總數(shù)量；m為某年發(fā)生干旱氣象站點(diǎn)的數(shù)量。其中干旱影響范圍等級(jí)可劃分為5種：全域性干旱(Pj≥50%)、區(qū)域性干旱(50%>Pj≥33%)、部分區(qū)域性干旱(33%>Pj≥ 25%)、局域性干旱(25%>Pj≥10%)和無明顯干旱(Pj<10%)。

3 結(jié)果與分析

3.1 玉米生育期氣候變化趨勢(shì)

3.1.1玉米生育期降水量變化趨勢(shì)

玉米作為典型的高需水量作物之一,其生長發(fā)育過程中對(duì)降水量要求較高。同時(shí)降水量也是影響干旱的直接原因[38]。因此,本研究從降水量入手,基于趨勢(shì)分析法和Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法探究1967—2018年遼寧省玉米生育期降水量變化趨勢(shì),如圖2所示。從全生育期來看,近52年降水量以13.31 mm/10a的速率減少,但變化趨勢(shì)并不顯著。其中,1985年和2010年達(dá)到該序列峰值,兩年降水量均高于2700 mm。結(jié)合歷史資料可知,2010年我國氣候異常,以“康森”為首的共7次臺(tái)風(fēng)陸續(xù)登陸,在此影響下遼寧省自7月下旬開始發(fā)生強(qiáng)降雨,多站次日降雨量超過300 mm。此外,玉米各生育期降水量年際變化率如表1所示。可以看出播種-出苗期、出苗-拔節(jié)期和抽雄期的多年平均降水量均呈上升趨勢(shì),速率分別為8.03 mm/10a、12.15 mm/10a和0.10 mm/10a；而喇叭口期和成熟期降水量呈下降趨勢(shì),速率分別為-2.93 mm/10a和-13.26 mm/10a。各生育期均未達(dá)到0.05顯著性水平,說明玉米生育期間降水量變化并不顯著。另外,根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法繪制UF、UB曲線,給定顯著性水平α=0.05(u0.05=±1.96),當(dāng)曲線超過臨界值線時(shí),表明上升或下降趨勢(shì)顯著,超過臨界線的范圍確定為突變的時(shí)間區(qū)域。若兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn),則該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為突變開始時(shí)間[39]。圖2中UF、UB曲線的交錯(cuò)情況發(fā)現(xiàn)其在臨界線內(nèi)有多處交點(diǎn),但只結(jié)合其年際間變化趨勢(shì)無法確定是否發(fā)生突變。

表1 玉米各生育期降水量變化率/(mm/a)Table 1 The rate of precipitation change in each growth period of maize

圖2 遼寧省玉米生育期降水量年際變化及其Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.2 The interannual precipitation changes and Mann-Kendall mutation test in the growth period of maize in Liaoning ProvinceUF:M-K秩統(tǒng)計(jì)量正序列；UB:M-K秩統(tǒng)計(jì)量反序列

3.1.2玉米生育期氣溫變化趨勢(shì)

高溫也是引發(fā)干旱的主要原因之一。玉米作為喜溫植物,氣溫對(duì)其生長發(fā)育有關(guān)鍵作用[40]。平均氣溫的年際變化趨勢(shì)及其Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,近52年遼寧省玉米生育期平均氣溫為19.09℃,并且以0.25℃/10a的速率顯著上升(P<0.01)。2000年后UF曲線超過0.05顯著性水平臨界線,表明此增暖趨勢(shì)開始顯著。由UF和UB曲線的交點(diǎn)可知,1991年起增暖速率是突變上升的。利用小波分析法對(duì)1967—2018年遼寧省玉米生育期平均氣溫進(jìn)行周期分析,結(jié)果如圖4所示。1967—2018年遼寧省平均氣溫在30—45年尺度上振蕩周期最為明顯,高低值變化交替出現(xiàn)。結(jié)合小波方差分析圖進(jìn)一步分析可知,遼寧省玉米生育期平均氣溫在35年左右尺度下的小波方差極值最大,是主周期；其次在20年左右還存在一個(gè)峰值,峰值數(shù)值較小,為次周期,即遼寧省玉米生育期平均氣溫在35年左右會(huì)經(jīng)歷由高到低的變化過程。

圖3 遼寧省玉米生育期平均氣溫年際變化及其Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.3 The interannual variation of mean temperature during the growth period of maize and Mann-Kendall mutation test in Liaoning Province

圖4 1967—2018年遼寧省玉米生育期平均氣溫小波變化分析Fig.4 The wavelet change analysis of mean temperature during the growth period of maize in Liaoning Province from 1967 to 2018

3.2 玉米生育期SPEI時(shí)空分布特征

3.2.1不同區(qū)域玉米生育期SPEI時(shí)間變化特征

為能更加具體直觀地分析遼寧省玉米生育期干旱特征,以SPEI為指標(biāo)對(duì)遼寧省進(jìn)行分區(qū)研究,各區(qū)SPEI年際變化率見表2。具體來看,在播種-出苗期,全區(qū)SPEI基本呈上升趨勢(shì),升幅表現(xiàn)為遼西>遼東>遼南>遼中>遼北,其中遼西和遼東在4月中旬均呈顯著上升趨勢(shì)(顯著水平分別為0.01和0.05),遼北在4月上旬呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.01)；在出苗-拔節(jié)期,遼西、遼南、遼中和遼北基本呈上升趨勢(shì),上升幅度表現(xiàn)為遼西>遼北>遼中>遼南,且遼西6月上旬呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.05),而遼東SPEI則呈減小趨勢(shì)；在喇叭口期和抽雄期,全區(qū)SPEI均呈總體上升趨勢(shì),上升幅度分別表現(xiàn)為遼北>遼南>遼西>遼中>遼東、遼西>遼中>遼南>遼東>遼北,遼東和遼西在8月中旬上升顯著；在成熟期,遼西、遼南和遼中SPEI呈上升趨勢(shì),其中遼西上升幅度最大,遼中9月下旬顯著上升(P<0.05),遼東和遼北SPEI呈下降趨勢(shì),遼北在9月中旬下降趨勢(shì)尤為顯著(P<0.01)。綜上,播種-出苗期、出苗-拔節(jié)期、抽雄期和成熟期SPEI上升趨勢(shì)均主要表現(xiàn)在遼西,喇叭口期則主要表現(xiàn)在遼北。

表2 遼寧省各地區(qū)SPEI年際變化率/10a Table 2 Annual change rate of SPEI in all regions of Liaoning Province

3.2.2玉米生育期SPEI空間分布特征

遼寧省玉米各生育期SPEI空間分布見圖5。總體來看,全生育期SPEI表現(xiàn)為西北向東南遞增趨勢(shì),即東南向西北越來越干旱,其中SPEI最小值出現(xiàn)在朝陽站,為-1.30。具體來看,播種-出苗期SPEI表現(xiàn)為由西向東遞增,說明由東向西干旱程度加劇,最低值出現(xiàn)在興城站(-2.00)；出苗-拔節(jié)期和喇叭口期SPEI均表現(xiàn)為東北和西部高,南部和中部相對(duì)較低的分布特征,最低值分別為-1.95(彰武站)和-1.97(熊岳站)；抽雄期和成熟期SPEI表現(xiàn)為由南向北遞減,北部相對(duì)南部干旱嚴(yán)重,最低值均出現(xiàn)在彰武站,分別為-2.44和-1.87。從各生育期SPEI平均值來看,播種-出苗期<出苗-拔節(jié)期<喇叭口期<成熟期<抽雄期。綜上,遼寧省玉米不同生育期干旱情況總體表現(xiàn)為西北干旱程度最強(qiáng),向東南逐漸減弱,其中,播種-出苗期干旱最強(qiáng)。

圖5 1967—2018年遼寧省玉米各生育期SPEI空間分布Fig.5 The spatial distribution of SPEI in various growth stages of maize in Liaoning Province from 1967 to 2018SPEI：標(biāo)準(zhǔn)降水蒸散指數(shù)Standard precipitation evapotranspiration index

3.3 玉米生育期干旱時(shí)空分布特征

3.3.1玉米生育期干旱站次比的時(shí)間變化

遼寧省玉米不同生育期干旱站次比和SPEI年際變化如圖6所示。結(jié)合表2可知,1967—2018年遼寧省玉米全生育期、播種-出苗期、出苗-拔節(jié)期和喇叭口期SPEI均呈上升趨勢(shì),抽雄期和成熟期SPEI呈降低趨勢(shì),變化均不顯著。綜上所述,玉米發(fā)生干旱強(qiáng)度表現(xiàn)為播種-出苗期>出苗-拔節(jié)期>成熟期>喇叭口期>抽雄期。在干旱站次比方面,經(jīng)計(jì)算,1967—2018年全生育期平均干旱站次比為38.88%；播種-出苗期、出苗-拔節(jié)期、喇叭口期、抽雄期和成熟期分別為34.24%、34.55%、33.94%、32.96%和33.33%。全生育期干旱站次比呈微弱上升趨勢(shì),幅度為0.41%/10a；其中,出苗-拔節(jié)期干旱站次比以0.48%/10a的速率減少,除此之外的播種-出苗期、喇叭口期、抽雄期和成熟期均呈增加趨勢(shì),幅度分別為0.44%/10a、0.63%/10a、0.60%/10a和0.40%/10a。不同生育期干旱影響范圍等級(jí)統(tǒng)計(jì)情況如表3所示,整體來看,遼寧省玉米生長過程中無全域性干旱或無明顯干旱地區(qū)。其中,喇叭口期只發(fā)生過區(qū)域性和部分區(qū)域性干旱,其他時(shí)期均有區(qū)域性、部分區(qū)域性和局域性干旱發(fā)生。區(qū)域性干旱發(fā)生頻次最高的是播種-出苗期,部分區(qū)域性干旱發(fā)生頻次最高的是喇叭口期和抽雄期,局域性干旱發(fā)生頻次最高的是成熟期。綜上,遼寧省玉米全生育期發(fā)生干旱類型頻次區(qū)域性干旱>部分區(qū)域性干旱>局域性干旱>全域性干旱,出苗-拔節(jié)期為干旱站次比最高的時(shí)期。

圖6 遼寧省玉米各生育期干旱站次比和SPEI值年際變化Fig.6 The interannual changes of drought station ratio and SPEI values of maize in different growth periods in Liaoning Province

表3 玉米生育期干旱影響范圍等級(jí)/%Table 3 The influence range of drought in growth period of maize

3.3.2玉米生育期干旱頻率的空間分布

1967—2018年遼寧省玉米各生育期不同等級(jí)干旱頻率空間分布詳見圖7。由圖7可知,在干旱發(fā)生頻率方面,總體來看,遼寧省玉米全生育期干旱頻率整體上呈現(xiàn)出由西北向東南遞減的特征,干旱頻率最大值出現(xiàn)在阜新站。受特殊地理位置和氣候條件影響,阜新地區(qū)雨量較少且分布不均,加之風(fēng)速較強(qiáng),蒸發(fā)較快,導(dǎo)致干旱次數(shù)多、程度重,尤以春旱顯著,常常導(dǎo)致春播不能正常進(jìn)行,農(nóng)作物生長不利[41]。具體來看,干旱頻率在播種-出苗期表現(xiàn)為由遼西向遼東遞減趨勢(shì)；出苗-拔節(jié)期和成熟期表現(xiàn)為由西北向東南遞減；喇叭口期表現(xiàn)為遼南和遼北最高,其次為遼中,遼西和遼東低；抽雄期表現(xiàn)為北部向南部遞減。5個(gè)生育期干旱頻率最高值均達(dá)到100%,分別出現(xiàn)在葉柏壽站、彰武站、蓋州站、鐵嶺站和朝陽站。

圖7 遼寧省玉米各生育期不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率空間分布Fig.7 The spatial distribution of drought frequency at different grades in different growth stages of maize in Liaoning Province

在干旱等級(jí)方面,除喇叭口期外,全生育期和其他四個(gè)生育期不同等級(jí)干旱頻率總體均表現(xiàn)為西北高東南低,且干旱程度為輕旱>中旱>重旱>特旱。播種-出苗期以輕旱為主,發(fā)生率為27.27%,有60.00%的站點(diǎn)輕旱頻率大于20%,其中大連站輕旱、綏中站中旱、朝陽站重旱和興城站特旱發(fā)生頻率最高,分別達(dá)到86.00%、94.00%、66.00%和50.00%；出苗-拔節(jié)期未發(fā)生輕旱、中旱、重旱和特旱的站點(diǎn)占比分別為69.70%、66.67%、81.82%和90.91%,發(fā)生頻率最大值分別出現(xiàn)在朝陽站(90.00%)、普蘭店站(80.00%)、臺(tái)安站(74.00%)和彰武站(34.00%)；喇叭口期分別有36.36%、24.24%、12.12%和6.06%的站點(diǎn)發(fā)生輕旱、中旱、重旱和特旱,其發(fā)生頻率最高值分別出現(xiàn)在莊河站(94.00%)、瓦房店站(88.00%)、大連站(74.00%)和熊岳站(48.00%)；抽雄期分別有30.30%、21.21%、12.12%和6.06%的站點(diǎn)發(fā)生輕旱、中旱、重旱和特旱,其發(fā)生頻率最高值分別出現(xiàn)在新民站、開原站、阜新站和彰武站,分別為90.00%、86.00%、84.00%和36.00%；成熟期的特旱發(fā)生頻率最高,達(dá)18.18%,超過重旱頻率15.15%,輕旱和中旱發(fā)生頻率分別為45.45%和24.24%,其中,臺(tái)安站發(fā)生輕旱頻率最高(90.00%),開原站發(fā)生中旱頻率最高(84.00%),阜新站發(fā)生重旱頻率最高(66%),彰武站發(fā)生特旱頻率最高(34.00%)。

3.4 玉米生育期氣候變化對(duì)干旱的影響

通過以上對(duì)遼寧省玉米生育期氣溫和降水量變化趨勢(shì)的分析發(fā)現(xiàn),近52年降水量表現(xiàn)為減少趨勢(shì),而平均氣溫顯著上升,這種氣候變化對(duì)于干旱的發(fā)生是十分有利的條件。為進(jìn)一步厘清氣候和干旱之間的相關(guān)性,借助SPSS 17.0分別對(duì)不同生育期的降水量、平均氣溫和SPEI進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn)[42](表4)。結(jié)合上文對(duì)玉米生育期氣候變化趨勢(shì)的分析結(jié)果可知,整個(gè)玉米生育階段降水量與SPEI呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),而平均氣溫則與SPEI呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且未達(dá)到顯著性水平,再次說明降水量越少、氣溫越高,干旱越嚴(yán)重,且降水量相比平均氣溫對(duì)干旱影響更為嚴(yán)重。具體來看,降水量和平均氣溫影響最大的時(shí)期均為成熟期、抽雄期和喇叭口期。這三個(gè)生育階段覆蓋了遼寧省夏季雨季最旺、溫度最高的時(shí)期,降水量的大小和氣溫的高低可直接影響干旱的發(fā)生[43]。相關(guān)部門應(yīng)著重加強(qiáng)此三個(gè)階段降水量和氣溫狀況,做好玉米抗旱工作。

表4 玉米生育期氣候因素與SPEI相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation coefficient between climatic factors and SPEI in maize growth period

4 討論

通過對(duì)玉米生育期干旱時(shí)空分布特征的分析發(fā)現(xiàn),遼寧省玉米不同生育期不同等級(jí)干旱頻率整體呈由西北向東南遞減的分布特征,其中播種-出苗期不同等級(jí)干旱頻率最高,且干旱頻發(fā)區(qū)主要在遼西地區(qū)。一方面,遼寧省雨季大多集中在6—9月,且4—5月為雨季轉(zhuǎn)換時(shí)期,干旱程度相對(duì)較強(qiáng),播種-出苗期正處于這一時(shí)期；另一方面,受地理位置影響,遼寧西部為丘陵地區(qū),屬于干旱氣候類型,極端高溫事件頻發(fā),且降水量比較短缺,尤其西北部低山丘陵區(qū)是遼寧省濕度最低、干燥強(qiáng)度最大和旱災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)[44],這也是阜新地區(qū)干旱頻率最高的原因。

玉米是典型的喜溫和高需水量作物,整個(gè)發(fā)育過程對(duì)氣溫及降水等氣候條件要求較高[45],干旱現(xiàn)象的發(fā)生必然對(duì)其生長發(fā)育產(chǎn)生影響。綜合全文研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于玉米不同生育期SPEI的空間分布特征分析結(jié)果與干旱頻率的空間分布特征結(jié)論一致,更加印證了遼寧省玉米不同生育期干旱特征總體表現(xiàn)為干旱程度由西北向東南遞減,且播種-出苗期為干旱最嚴(yán)重的時(shí)期。播種-出苗期為玉米生育初始階段,玉米在此期間需要吸收并儲(chǔ)存大量養(yǎng)分,適宜的溫度及降水有利于促進(jìn)其體內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)換與運(yùn)移,有益于其生長發(fā)育,從而提高產(chǎn)量并提升甜度及顆粒飽滿度[46],因此玉米種植在此階段應(yīng)注重抗旱工作,以防旱災(zāi)造成玉米減產(chǎn),另外,種植結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)干旱空間分布特征適當(dāng)調(diào)整,優(yōu)化作物布局,西北地區(qū)較東南地區(qū)干旱嚴(yán)重,更應(yīng)加強(qiáng)抗旱減災(zāi)措施,改進(jìn)農(nóng)業(yè)管理模式。未來應(yīng)針對(duì)干旱對(duì)玉米產(chǎn)量的影響關(guān)系及其對(duì)氣候因素的響應(yīng)進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)論

(1)從氣候因素變化趨勢(shì)來看,近52年遼寧省玉米生育期降水量以13.31 mm/10a的速率減少,且與SPEI呈顯著正相關(guān)(P<0.01)；平均氣溫以0.25℃/10a的速率顯著上升(P<0.01),主周期在35年左右,與SPEI呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)從SPEI來看,抽雄期和成熟期SPEI呈降低趨勢(shì),其他3個(gè)時(shí)期均呈上升趨勢(shì)；全生育期SPEI在空間上表現(xiàn)為西北向東南遞增趨勢(shì),各生育期SPEI平均值播種-出苗期<出苗-拔節(jié)期<喇叭口期<成熟期<抽雄期。

(3)從干旱站次比來看,全生育期干旱站次比以0.41%/10a的速率上升；出苗-拔節(jié)期干旱站次比呈減少趨勢(shì),除此之外的4個(gè)時(shí)期均呈上升趨勢(shì)；全生育期發(fā)生干旱類型頻次區(qū)域性干旱>部分區(qū)域性干旱>局域性干旱>全域性干旱。

(4)從干旱發(fā)生頻率來看,全生育期干旱頻率整體呈現(xiàn)出由西北向東南遞減的特征,干旱發(fā)生頻率表現(xiàn)為輕旱>中旱>重旱>特旱；播種-出苗期不同等級(jí)干旱頻率最高。