关中夏玉米生育期气象干旱特征分析

李红梅,范建忠

(陕西省农业遥感信息中心,西安 710014)

关中夏玉米生育期气象干旱特征分析

李红梅,范建忠

(陕西省农业遥感信息中心,西安 710014)

利用1971—2012年宝鸡、泾阳、武功、长安、临潼、渭南、大荔7个地面气象观测站点逐日降水、标准化降水指数 (ISP30、ISP60、ISP90)、和相对湿度指数 (IM30)计算关中夏玉米生育期逐日有效降水和改进的综合气象干旱指数,采用趋势分析、滑动t检验及相关数理统计法分析了近42a关中夏玉米生育期干旱时空分布特征。结果表明：夏玉米生育期有效降水量总体表现出不稳定性,播种至出苗有效降水变化量最大；20世纪90年代初夏玉米生育期有效降水发生由多到少的突变,2002年出现由少到多的转变；7月上旬至8月下旬是夏玉米干旱多发时段；轻旱发生频率最高,为51.7%,发生频率随着干旱等级加重而逐渐降低；20世纪90年代是干旱多发且较为严重阶段,干旱过程累积强度强,且持续时间长,进入21世纪以后有减少趋势；关中西部干旱日呈减少趋势,东部呈增加趋势,有效降水量与干旱日变化相反,关中西部有效降水量呈增加趋势,东部有减少趋势。

夏玉米；有效降水；干旱日；干旱累积强度；分布特征；关中

关中是陕西粮食主产区,主要实行夏玉米-冬小麦轮作制。关中夏玉米生育期一般在6月上中旬至9月下旬,该时段高温多雨,光照和热量条件相对稳定,降水量在191～405mm,但关中90%的站点该时段的降水量远低于夏玉米的需水量(390～490mm)[1]。加之受高温蒸散和降水时空分布不均的影响,干旱成为关中夏玉米生长季的主要农业气象灾害。近年来关于关中夏玉米的研究多侧重于玉米栽培技术[2-3]、节水增产[4-5]和施肥[6],对玉米生育期干旱研究仍为空白。结合有效降水和改进的综合气象干旱指数Icnew分析关中夏玉米干旱时空分布特征,旨在加深对关中夏玉米生育期干旱发生规律的认识,为夏玉米生产提供参考。

1 资料与方法

1.1 数据来源

数据采用关中7个代表站点 (宝鸡、泾阳、武功、长安、临潼、渭南、大荔)1971—2012年逐日降水资料、逐日30d、60d和90d标准化降水指数(ISP30、ISP60、ISP90)和30d相对湿度指数(IM30),1985—2012年夏玉米生育期观测资料。其中,降水和玉米生育期观测数据源于陕西省气象信息中心,标准化降水指数和相对湿度指数数据源于国家气候中心。

1.2 方法

1.2.1 玉米生育期的划分 根据关中夏玉米生育期观测资料求算其各生育阶段平均生育期。关中夏玉米播种在6月上中旬,播期及出苗好坏受播前底墒影响明显,5月下旬至6月上旬有效降水量对播种出苗尤为关键。苗期怕涝不怕旱,适当缺水可促进壮苗形成,根系深扎,利于增强玉米后期抗旱能力。进入拔节期玉米耗水量逐渐增加,完全进入生殖生长期后玉米耗水处于高峰期,需水量最大[7-8],后期需水量逐渐减少。虽然关中东部和西部夏玉米生育期早晚略有差异,但各生育期大致时段相同。鉴于此,将关中夏玉米生育期划分为4个阶段：播种—出苗(6月7日—20日)、出苗—拔节(6月21日—7月20日)、拔节—抽雄(7月21日—8月10日)、抽雄—成熟(8月11日—9月30日)。

1.2.2 有效降水量和Icnew指数的计算 有效降水量指旱地作物满足作物蒸发蒸腾所需要的降水量 (不包括径流量、蒸发量和深层渗漏量)[9-10],通常指自然降水量实际补给到作物根部土壤的净降水量。按单日降水量大于10mm为有效降水,分别统计各站点夏玉米生育期有效降水,分析有效降水的变化及对夏玉米干旱的影响效应。

改进的综合气象干旱指数Icnew是在原有综合气象干旱指数IC的基础引入ISP60,并根据季节对变量系数进行调整。公式为[11]

式中a、b、c、d为系数,5—10月各系数分别取0.25、0.2、0.2、0.35；11月—次年4月取0.2、0.35、0.25、0.2。Icnew、IC与20cm土壤相对湿度的相关系数分别为0.85和0.8,总体相关性均通过了0.01的显著性水平检验,但Icnew与土壤相对湿度的相关性明显好于IC,所以采用Icnew作为干旱检验指标,干旱等级划分标准见表1。

表1 Icnew干旱等级划分

Icnew≤-0.6即为干旱日[12]。Icnew连续10d≤-0.6即为1个干旱过程,过程开始日为Icnew达到轻旱以上等级的首日。干旱发生期连续10d无旱表示干旱过程结束,结束日为Icnew最后一次达到无旱的日期。开始日至结束日为干旱持续时间,某站点干旱过程内所有Icnew≤-0.6的值之和即为该站点干旱过程的累积强度,其值越小表示干旱过程越强[13]。某一等级干旱发生频率为该等级干旱发生年占全部统计年的比例。

2 结果与分析

2.1 夏玉米生育期内有效降水量特征分析

1971—2012年,关中夏玉米生育期平均降水量为307.2mm,平均有效降水量为236.5mm,占生育期降水量的77%。如表2所示,各生育期有效降水的最大、最小值年际差较大,其中抽雄—成熟期年际差达235mm。全生育期有效降水变异系数小于各生育阶段,播种—出苗期有效降水变化最大,变异系数为1.14,其次是抽雄—成熟期。夏玉米全生育期及各生育阶段的有效降水总体表现出不稳定性。

图1为关中夏玉米生育期有效降水量滑动t检验。取序列长度为n1=n2=10时,近42a关中夏玉米生育期有效降水t统计量有两处超过0.01显著性水平检验,即存在2个突变点。一个为1992年(t=3.127),说明玉米生育期有效降水在20世纪90年代初经历了由多到少的变化；另一个为2002年(t=-3.125),说明夏玉米生育期在2002年附近发生了由少到多的突变。

表2 1971—2012年关中夏玉米生育期有效降水量统计特征

图1 1971—2012年关中夏玉米生育期有效降水滑动t检验曲线

由图2可见,42a间,关中夏玉米生育期内有效降水呈增加趋势,气候倾向率为3.34mm/ 10a,但变化趋势不显著,未通过0.05水平信度检验。夏玉米生育期内有效降水的年际波动较大,最大值为2003年的426mm,最小值为1977年的99mm,相差337mm。关中夏玉米生育期有效降水平均占生育期总降水的75.8%,最多为87.2%(1998年),最低为63%(2001年),有22a低于平均水平,时间多集中在20世纪80年代中后期至2008年,表明这一时期是关中夏玉米生育期有效降水量较少时期,这与赵强等[14]研究结论一致。

图2 1971—2012年关中夏玉米生育期降水及有效降水年际变化

2.2 夏玉米生育期干旱特征分析

2.2.1 干旱频率和干旱日 按Icnew分级标准对各站夏玉米生育期干旱发生频率进行统计发现(表略),夏玉米各生育期轻旱发生频率最高,平均为51.7%,随着干旱等级的加重,发生频率相应降低,中旱平均发生频率为18.2%,重度以上干旱为7.7%。从关中夏玉米生育期干旱日统计(表3)来看,出苗—拔节期、抽雄—成熟期两个阶段年均干旱日相对较多,播种—出苗期干旱日较少。

表3 1971—2012年关中夏玉米生育期干旱日统计 d

由图3可见,关中夏玉米干旱日总体呈略微下降趋势,20世纪90年代初至21世纪初是玉米气象干旱多发时段,且在90年代中期达到峰值。中度以上干旱日与总干旱日的年际变化特征大致相同,80年代处于低值期,90年代急剧增加,进入21世纪以后有减少趋势。

图3 1971—2012年关中夏玉米生育期干旱日年际变化

比较关中夏玉米生育期有效降水和干旱日的年际变化率 (表4)发现,关中西部夏玉米生育期有效降水呈增加趋势,关中东部呈减少趋势。而干旱日与有效降水量呈明显负相关 (r= -0.83),关中西部干旱日呈减少趋势,关中东部则呈增加趋势。

表4 1971—2012年关中夏玉米全生育期有效降水和干旱日变化趋势率

2.2.2 干旱过程及强度变化 由表5可见,关中夏玉米发育初期和后期干旱过程相对较少,7月上旬至8月下旬 (拔节至开花期)干旱过程较多。42a间,7—8月的每旬干旱过程都在12次以上,此阶段正是玉米营养生长和生殖生长并进阶段,玉米对水分需求量最大且较为敏感[7],也正值一年中温度最高、蒸散较快的时期[15],有效降水不能满足玉米耗水需求,干旱便随之发生。随着玉米生长后期对水分需求的减少,有效降水可以满足玉米耗水需求,干旱过程也随之减少。

表5 1971—2012年关中夏玉米生育期各旬干旱过程统计 次

由图4可见,夏玉米生育期干旱过程累积强度在20世纪70年代至80年代末呈缓慢减弱趋势,90年代初开始呈明显增强趋势,20世纪90年代是42a间干旱发生最严重时段,进入2000年以后干旱强度逐渐减弱。干旱过程持续时间与干旱过程累积强度呈明显负相关(r=-0.949)。在干旱强度最强时段干旱过程持续时间也最长,都在40d以上,进入21世纪后干旱过程持续时间呈明显减少趋势。

图4 1971—2012年关中夏玉米生育期干旱过程累积强度和持续时间5年滑动平均曲线

3 结论

(1)1971年—2012年,关中夏玉米各生育阶段有效降水量最大、最小值年际相差较大。播种—出苗有效降水变化量最大,变异系数为1.14。各生育阶段有效降水量总体表现出不稳定性。20世纪90年代初关中夏玉米生育期有效降水经历了由多到少的突变,2002年附近出现了由少到多的转变。

(2)关中夏玉米生育期轻旱发生频率最高,平均为51.7%,随着干旱等级加重,发生频率逐渐降低。出苗—拔节期、抽雄—成熟期是整个生育期干旱日出现较多的时期。20世纪90年代是干旱多发时段,进入21世纪以后有减少趋势。关中西部干旱日呈减少趋势,东部呈增加趋势。有效降水量与干旱日变化相反,关中西部有效降水量呈增加趋势,东部有减少趋势。

(3)夏玉米生育期内干旱多发于7月上旬至8月下旬 (拔节—开花期),发育初期和后期较少。夏玉米生育期干旱累积强度在20世纪80年代后期呈明显增强趋势,90年代是42a间关中夏玉米干旱发生最严重阶段,干旱过程累积强度强,且持续时间长,都在40d以上。

(4)影响作物干旱的因素较多,除了气象因子还有土壤、作物品种等等。Icnew虽然对原有综合气象干旱指数做了改进,也仅考虑了气象要素,所以用来反映夏玉米生育期干旱有一定不足,今后将从作物干旱指标或作物耗水机理方面做进一步研究和探讨。

[1] 中国主要农作物需水量等值线图协作组.中国主要农作物需水量等值线图研究 [M].北京：中国农业科技出版社,1993：39-47.

[2] 高瑞景,孟继宏,康建恩.关中夏玉米区陕单308高产栽培技术研究 [J].西北农业学报, 2007,16(5)：84-88.

[3] 赵建兴,王荣成,翟军海,等.关中灌区夏玉米条带深旋高产栽培技术 [J].中国农技推广, 2013,29(7)：22-26.

[4] 张柏治,殷格侠,张学.关中灌区小麦、玉米高产节水灌溉的几个指标确定[J].水土保持通报, 2009,29(5)：142-145.

[5] 陈新明,张学.关中经济区小麦玉米节水增产高效试验研究[J].节水灌溉,2003(3)：8-10.

[6] 徐会善,侯喜萍,吴卫国,等,咸阳市夏玉米平衡施肥及施肥模式探讨 [J].陕西农业科学, 2011,57(6)：111-114.

[7] 任鸿瑞,罗毅.鲁西北平原冬小麦和夏玉米耗水量的试验研究[J].灌溉排水学报,2004,23 (4)：37-39.

[8] 杨兴国,刘宏谊,傅朝,等.甘肃省主要农作物水分供需特征研究[J].高原气象,2004,23 (6)：821-827.

[9] 王晓东,马晓群,许莹,等.淮河流域主要农作物全生育期水分盈亏时空变化分析 [J].资源科学,2013,35(3)：665-672.

[10] 李勇,杨晓光,叶清,等.1961—2007年长江中下游地区水稻需水量的变化特征 [J].农业工程学报,2011,27(9)：175-183.

[11] 李红梅,王钊,高茂盛.CI指数的改进及其在陕西的适用性分析 [J].干旱地区农业研究, 2015,33(3)：260-266.

[12] 刘可群,李仁东,刘志雄,等.基于IC指数的湖北干旱及其变化特征分析 [J].长江流域资源与环境,2012,21(10)：1274-1280.

[13] GB/T20481—2006气象干旱等级[S].

[14] 赵强,严华生.近48年陕西夏季降水场的时空变化特征[J].陕西气象,2012,(3)：15-17.

[15] 耿蔚.四川地区可利用降水分析[J].高原山地气象研究,2013,33(3)：83-86.

S423

：A

李红梅,范建忠.关中夏玉米生育期气象干旱特征分析[J].陕西气象,2015(4)：1-5.

1006-4354(2015)04-0001-05

2014-10-27

李红梅 (1984—),女,陕西富县人,学士,工程师,从事干旱综合监测与农业气象应用研究。

陕西省科学技术研究发展计划项目(2014k13-09)