近40 a淄博冬小麥生育期干旱風險的時空分布特征

劉 巖，葛瑞婷，環海軍

（山東省淄博市氣象局，山東 淄博 255000）

干旱是當今世界面臨的主要自然災害之一，其發生頻率高、時間長、影響面廣，給人民群眾的生產和生活造成了很大的影響。全球變暖導致極端天氣事件頻繁出現，干旱災害仍有加重的趨勢，引發的問題也越來越嚴重［1-4］。我國的干旱災害頻發，據統計，1997—2015年我國農作物干旱受災面積年均2129.38萬hm2、成災面積年均1174.50萬hm2，均占各類災害受災、成災總面積的50%以上［5-6］。山東省是我國第二大小麥主產區，淄博市位于山東省的中北部，是山東省的糧食高產區之一，也是魯中小麥的主要生產區［7］，其作物生長季的降水量有限且時空分布不均，局部、階段性干旱幾乎每年發生，嚴重威脅著該區域的小麥生產［8］，因此，對淄博市開展冬小麥干旱風險研究顯得十分重要。

眾多學者針對不同區域采用了不同干旱指標、評估模型等進行了分析。曹陽等［9］研究了我國1962—2010年干旱對冬小麥產量的影響，認為因干旱造成的減產整體呈上升態勢；薛運宏等［10］利用標準化降雨指數評估了河南省信陽市冬小麥生育期干旱的發生情況；馬春平等［11］以降水量距平為干旱指標，分析了河南省廊坊市冬小麥各生育期干旱的時空分布特征；曹永強等［12］利用作物水分虧缺指數分析了河北省夏玉米不同生育期干旱的變化情況。作物水分虧缺是引起作物減產的重要原因，基于Penman公式計算的作物水分虧缺指數(Crop Water Deficit Index, CWDI)是常用的農作物干旱指數之一，對冬小麥干旱具有良好的適用性，其綜合考慮了作物、土壤、氣象條件的影響，可逐旬監測作物水分虧缺的變化情況［13-15］。

本文應用作物水分虧缺指數(CWDI)分析了淄博市冬小麥干旱的時空變化特征，以及探討了其對氣象因子的敏感性，以期為淄博市冬小麥應對氣象干旱、合理灌溉提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究資料時序為1981—2020年。其中，氣象數據來自淄博市8個國家氣象站，包括逐日平均氣溫、降水量、相對濕度、日照時數、平均風速等。冬小麥發育期數據來源于淄博市農業氣象觀測站。

1.2 研究方法

1.2.1 作物水分虧缺指數根據作物水分虧缺指數的定義，同時考慮前期水分虧缺累積效應的影響，其計算公式為［16-17］：

式（1）中：CWDI為作物第i旬的水分虧缺累積值，CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4為各旬水分虧缺指數，a、b、c、d、e為各旬水分虧缺指數對應的權重系數，取值分別為0.30、0.25、0.20、0.15、0.10［18］。

CWDIi的計算公式為：

式（2）中：ETc為第i旬作物需水量(mm)，pi為第i旬降水量(mm)。ETc的計算公式為：

式(3)中：ET0為參考作物蒸散量(mm/d)，通過Penman公式［19］計算得出。Kc為作物系數，淄博冬小麥生育期10—翌年6月的作物系數Kc的參考值 分 別 為0.67、0.70、0.74、0.64、0.64、0.90、1.22、1.13、0.83［20］。

1.2.2 敏感性分析敏感性分析最早由McCuen提出，是一種基于偏導數的動態不確定性的分析方法，常被應用于氣象水文的相關研究中［21-22］。本文通過計算CWDI對氣溫、降水量、日照時數等敏感系數的大小，探究了CWDI受氣象因子影響的差異。其計算公式為：

1.2.3 干旱頻率干旱頻率是指某等級干旱發生的年次數占統計總年數的百分率，其計算公式為：

式(5)中：N為某等級干旱發生的年次數；n為總年數。依據前人的研究成果［23］及當地實際情況對CWDI分級：CWDI≤0.5為無旱，0.5＜CWDI ≤0.6為輕旱，0.6＜CWDI≤0.7為中旱，0.7＜CWDI≤ 0.8為重旱，CWDI＞0.8為特旱。

1.2.4 其他方法采用一元線性回歸方程對水分虧缺指數、需水量及相關氣象因子進行趨勢分析和顯著性檢驗。將水分虧缺指數、需水量及相關氣象因子的回歸系數b乘以10計算其氣候傾向率。將統計得到的冬小麥生育期干旱頻率數據，應用ArcGIS軟件中的反距離權重插值法進行分析，得到冬小麥不同干旱等級相應的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 淄博市冬小麥生育期水分供需的特征

利用淄博市8個國家氣象站點1981—2020年的逐日氣象資料，計算得出冬小麥生長期逐旬水分虧缺指數、需水量和降水量（圖1）。結果表明：在整個生育期內，旬平均降水量整體呈現先減少再增加的趨勢，10—翌年1月整體呈減少的趨勢、2—6月上旬呈增加的趨勢，各旬降水量均不能滿足作物的需水量，旬最大降水量出現在5月中旬（23.1 mm），最小降水量出現在1月中旬（1.0 mm）。冬小麥需水量與降水量的變化基本一致，即1月上旬的需水量最小（5.9 mm），5月下旬的需水量最大（63.8 mm）。冬小麥各生育期的水分虧缺指數從10月上旬播種至12月持續增加，1月的水分虧缺指數急劇下降， CWDI從2月至成熟一直保持在較高的水平，CWDI的最低值出現在10月上旬（19.2%），最高值出現在4月中旬（81.5%）。

圖1 冬小麥水分供需的旬變化趨勢

2.2 冬小麥干旱指數的年際變化

為分析近40 a冬小麥水分虧缺的年際變化，計算了各站點冬小麥不同生育期的CWDI（圖2）。分析發現，各冬小麥各生育期的CWDI隨時間推移無顯著變化趨勢，水分虧缺指數從大到小依次為：拔節—開花期、返青—拔節期、開花—成熟期、播種—返青期。

圖2 冬小麥各生育期水分虧缺指數的年際變化趨勢

在播種—返青期，CWDI最高為75.53%（2011年），最低為32.71%（2001年），平均為57.70%，40 a中有35 a的CWDI高于50%。水分虧缺較大的年份為1989、1999、2007、2011和2018年等。

在返青—拔節期，CWDI一直處于較高的水平，位于43.54%（2010年）～96.97%（1988）之間，多年平均值為72.81%。返青—拔節期的干旱發生頻率增加，有24年的CWDI大于70%，自2012年以來，CWDI呈弱增加趨勢。水分虧缺較大的年份為1988、1996、2008和2012年等。

在拔節—開花期，CWDI在55.50%（1991年）～ 96.19%（2016年）之間，平均為80.87%，高于其他3個發育階段。其中，有31年的CWDI在70%以上，有24年的CWDI在80%以上，水分虧缺較大的年份為1988、2000、2014和2016年等。因此，拔節—開花期冬小麥缺水最嚴重，這個時期的灌溉對當地冬小麥的生長發育十分關鍵。

在開花—成熟期，CWDI在39.07%（2018年）～92.68%（1986年）之間，平均為71.66%。其中，有23年的CWDI在70%以上，有10年的CWDI在80%以上，水分虧缺較大的年份為1981、1986、1992和2001年等。

2.3 不同等級干旱頻率的時空分布特征

由圖3可知，冬小麥全生育期無旱頻率從10月上旬逐漸減小，12月上旬冬小麥進入越冬期，12—翌年2月無旱頻率出現小幅度的增加。隨著冬小麥恢復生長，3—6月上旬無旱頻率下降至10%以下。全生育期的輕旱頻率最高出現在1月上旬，為42.5%；4月上旬最低，為0%，但其變化趨勢不顯著。從10月下旬開始出現中旱，全生育期的中旱頻率以11月中旬最高，為27.5%；1月上旬的最小，為0%，波動較大但變化趨勢不顯著。全生育期的重旱頻率呈增加趨勢，2月上旬和3月中旬的最大，為37.5%。全生育期的特旱頻率最大，平均為27.7%。11月上旬開始出現特旱，而且呈現增加趨勢，至12月下旬為40.0%，越冬期1月上中旬最低為0%，之后呈波動增加趨勢，至4月中旬達到峰值67.5%，然后緩慢下降。

圖3 不同等級干旱發生頻率的旬變化特征

淄博市的重旱及特旱發生頻率較高，空間分布如圖4所示。冬小麥干旱主要發生在北部地區，由北至南逐漸減小。其中，播種—返青期的重旱及特旱頻率平均為14.7%，相對較低。由北向南呈減小的趨勢，北部的高青、桓臺和周村較高。返青—拔節期的重旱、特旱頻率為60.6%，北部和南部的發生頻率較高，中部地區淄川和博山的發生頻率較低。拔節—開花期的干旱頻率達到最大，為79.7%，高值區域集中在淄博市的東北部，以桓臺和臨淄的較高。開花—成熟期的重旱、特旱頻率下降到57.2%，發生頻率較高區域主要為淄博、周村和桓臺。總體來看，淄博市北部在冬小麥拔節—開花期的重旱、特旱發生頻率較高。

圖4 淄博市冬小麥重旱、特旱頻率的空間分布特征

2.4 CWDI對氣象因子的敏感性分析

CWDI的變化在很大程度上受氣象條件的影響，為確定影響CWDI變化的主要氣象因子，根據公式（4）計算敏感系數，結果見表1。

由表1可知，淄博冬小麥各發育階段的CWDI對降水量、相對濕度的敏感系數為負，對氣溫、日照時數、風速的敏感系數為正。說明CWDI隨著降水量和相對濕度的增大而減小，隨著其他3個氣象因素的增大而增大，反之亦然。

表1 CWDI對氣象因子的敏感性分析

播種—返青期，CWDI變化的主導因子是相對濕度，其敏感系數為-3.79，其次是降水量、風速，氣溫和日照時數的敏感系數較小。返青—拔節期、拔節—開花期、開花—成熟期的CWDI對降水量最敏感，敏感系數分別為-2.35、-3.70、-4.34；其次是相對濕度，其敏感系數分別為-1.77、-2.24、 -2.57。除降水量和相對濕度外，返青—拔節期的風速對CWDI的影響較大，敏感系數為0.70；其次是氣溫、日照時數。拔節—開花期和開花—成熟期的氣溫對CWDI的影響較大，其敏感系數分別為1.14、1.44；其次為風速、日照時數。

總體來看，CWDI對降水量和相對濕度的變化最敏感，其次是氣溫和風速。其中，在播種—返青期、返青—拔節期對風速較敏感，而拔節—開花期、開花—成熟期對氣溫變化敏感，而日照時數的敏感系數整體較小。

2.5 CWDI、ETc及主要氣象因子的時間變化特征

對氣象因子、CWDI、ETc進行趨勢變化分析（表2）。近40 a來，淄博市冬小麥的水分虧缺指數和需水量變化一致，表現在返青—拔節期均呈增加趨勢，但趨勢不顯著；在其他3個發育階段呈下降趨勢，其中，拔節—開花期的需水量下降趨勢顯著，變化趨勢為-2.50 mm/10 a。降水量在返青—拔節期呈不顯著的減少趨勢，其他發育階段為不顯著的增加趨勢，這與需水量、水分虧缺指數的變化趨勢相反。氣溫在各發育階段整體上呈明顯升高的趨勢。相對濕度呈減少的趨勢，其中返青—拔節期的減少趨勢顯著，氣溫的增加和相對濕度的下降均會導致作物水分虧缺指數增大。日照時數在播種—返青期、拔節—開花期呈顯著的下降趨勢。風速在各發育階段均呈顯著的下降趨勢。風速的下降和日照時數的減少對水分虧缺指數是正效應，能使其下降。

表2 CWDI、ETc及主要氣象因子的氣候傾向率

3 結論與討論

本文基于作物水分虧缺指數，對淄博市冬小麥生長季干旱的發生和分布規律進行了分析，得出以下結論：

（1）旬降水量均不能滿足作物需水量，淄博冬小麥干旱風險嚴重，水分虧缺指數整體呈增大—減小—增大變化規律。各發育階段水分虧缺指數的年際變化趨勢不明顯，水分虧缺指數由大到小為拔節—開花期、返青—拔節期、開花—成熟期、播種—返青期。

（2）淄博冬小麥的重特旱發生頻率較高，不同發育階段的重旱、特旱的空間分布也不同。總體來看，干旱頻率呈北高南低的分布特征，拔節—開花期的重旱、特旱發生頻率最高。

（3）淄博冬小麥的水分虧缺指數對氣溫、風速、日照時數變化的敏感系數為正值，對相對濕度和降水量的敏感指數為負值。水分虧缺指數對降水量和相對濕度的敏感系數最大，其余依次是風速、氣溫、日照時數。近40 a來，各發育階段氣溫呈明顯的增加趨勢，風速在各發育階段呈顯著的下降趨勢，返青—拔節期的相對濕度變化呈現顯著下降的趨勢。

基于水分虧缺指數研究淄博冬小麥干旱的時空變化，若考慮作物本身、土壤水分及氣候因素的綜合影響，同時考慮前期降水量對小麥干旱的影響，則能更準確地反映小麥干旱的實際情況。本研究發現，淄博冬小麥生育期內的降水量不足、干旱頻率較高，其空間分布整體上呈由南到北逐漸加重的趨勢，這與張蕾等［20］的研究結論基本一致。孫爽等［23］研究指出，1961—2010年我國冬小麥需水量表現為不同程度的下降，水分虧缺以開花—成熟期最嚴重，其次是拔節—開花期，播種—返青期最小；董旭光等［24］分析了影響山東參考作物蒸散量的因素，結果表明：相對濕度對參考作物蒸散量的敏感性最高，平均風速次之。本文研究結果與前人的觀點基本一致，但由于選取的氣象因子不同而存在一定的差異。

本文在冬小麥干旱的研究中尚存在一些不足之處，如影響作物需水量和水分虧缺的因素還有人為因素、品種差異、地形差異等未加考慮，淄博北部地區在冬小麥生育期間大多會進行灌溉，這能有效降低冬小麥干旱的風險。因此，對于冬小麥生長季干旱研究還需進一步完善。