气候变化背景下中国主要作物农业气象灾害时空分布特征（Ⅲ）：华北地区夏玉米干旱*

万能涵，杨晓光，刘志娟，何 斌，孙 爽



气候变化背景下中国主要作物农业气象灾害时空分布特征（Ⅲ）：华北地区夏玉米干旱*

万能涵，杨晓光**，刘志娟，何 斌，孙 爽

（中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

基于1961-2010年华北地区36个气象站点气象观测资料和1981-2010年23个农业气象观测站夏玉米生育期资料，以作物水分亏缺指数（CWDI）为农业干旱指标，分析华北地区夏玉米各生育阶段干旱的空间分布特征及其年代际演变趋势。结果表明：华北地区夏玉米不同生育阶段以轻旱最明显，播种-拔节阶段，大部分地区轻旱发生频率为5a一遇（20%）至3a一遇（33%）；拔节-抽雄阶段，干旱空间分布特征表现为：轻旱主要集中在河北、河南、山东三省交界区域，发生频率在5a一遇至3a一遇；抽雄-成熟阶段，轻旱集中在河北中部，发生频率在3a一遇以上。全生育期轻旱主要集中在河北大部、北京和天津、河南北部和山东西部，干旱频率在3a一遇以上。1961-2010年，华北夏玉米生长季以播种-拔节阶段和抽雄-成熟阶段发生干旱的年份最多，以20世纪90年代干旱站次比最高；比较过去50a干旱演变趋势，以抽雄-成熟阶段山东东南部和河北东部区域干旱强度增加明显。研究结果说明夏玉米各等级干旱频率以轻旱最为明显，各生育阶段以播种-拔节、抽雄-成熟阶段发生干旱的频率较高；全生育期以轻旱的发生频率较高，干旱中心为河北大部、北京和天津、河南北部和山东西部，发生频率为3a一遇（33.3%）以上。夏玉米生长季全区域干旱主要发生在播种-拔节和抽雄-成熟阶段，该阶段发生干旱的范围最广。此外，不同生育阶段的干旱强度变化表现为河北北部干旱强度增加，河南南部干旱强度减小。

农业干旱；作物水分亏缺指数；干旱站次比

根据政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次评估报告，全球地表持续升温，1880-2012年全球平均温度升高0.85℃，气候变化背景下极端天气气候事件增加，而中国由于多变的地形和复杂的地理环境，其极端天气气候事件的发生频率远高于其它国家[1-2]。华北地处东亚季风气候区，降水年际波动大，空间分布极不均匀[3]，为干旱多发区，已有研究表明，过去60a华北粮食因旱损失量不断增加[4]。玉米作为华北地区主要粮食作物，种植面积和产量分别占全国的30%和50%[5]。夏玉米生长季内需水量多，强度大[6]，受大陆季风气候的影响，玉米生长季内常出现阶段性干旱[7-9]，阶段性干旱已成为限制华北地区夏玉米生长发育和产量形成的主要农业气象灾害之一[10]。众多学者采用降水量指标、土壤含水量指标、作物旱情指标及综合性旱情指标等干旱指标研究了不同地区干旱对玉米的影响[11-14]。作物水分亏缺指数（Crop Water Deficit Index，CWDI）综合了土壤、植物和气象三方面因素，能较好地反映作物的缺水状况[15]，且具有计算简便，所需数据易于获取的优点，前人以CWDI为指标对北方不同区域玉米生长季干旱的变化特征做了大量研究，结果表明不同地区玉米生长季干旱变化规律有明显的区域性差异；东北地区玉米生长季内苗期和灌浆成熟期是干旱发生频率较高的阶段，20世纪60-80年代干旱缓和，从90年代开始干旱有加重的趋势，尤其是1997-2007年以来干旱的增加趋势明显[16]。黄淮海地区夏玉米生长季内，播种-出苗和乳熟-成熟阶段是干旱高风险区[17]。西北地区甘肃省河东地区的降水无法满足春玉米的生长需求，干旱发生程度由南向北递增，60年代中后期及70年代初干旱最为严重，近50a来乳熟后期-成熟期干旱有加重的趋势[18]，而夏玉米干旱强度增加的区域为陕西北部、宁夏和河西走廊[19]。华北地区以冬小麦-夏玉米一年两熟种植制度为主，该区域干旱研究多集中于冬小麦，由于夏玉米生长在雨季，前人对区域内夏玉米干旱研究相对较少，本文在前人研究的基础上以作物水分亏缺指数（CWDI）为作物干旱指标，系统分析华北地区夏玉米不同生育阶段干旱的时间演变趋势和空间分布特征，以期为该地区夏玉米抗旱减灾提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域与数据来源

研究区域为华北地区夏玉米种植区，包括北京市、天津市、河北省、山东省、河南省。气象数据来源于中国气象数据共享网（http://www.cma.gov.cn/ 2011qxfw/2011qsjgx/），为36个气象站点1961-2010年气象要素的逐日数据，包括平均气温、日最高气温、日最低气温、平均相对湿度、降水量、平均风速、日照时数和平均气压。夏玉米物候期数据来源于中国气象局农业气象观测站，包括1980-2010年共24个站点的逐年播种、出苗、拔节、抽雄和成熟期的详细记录，对于没有作物生育期实测资料的气象站点，根据《中国主要农作物生图集》中生育阶段资料进行插补[20]。为了细致分析各生育阶段玉米发生干旱的特征，本文根据玉米的生育进程，将其生育阶段分为出苗-拔节阶段（前期），拔节-抽雄阶段（中期），抽雄-成熟阶段（后期），各站点玉米各生育阶段见表1。研究区域、气象站点和农业气象观测站分布如图1所示。

1.2 指标与方法

（1）作物水分亏缺指数的计算

作物水分亏缺指数是表征作物水分亏缺程度的指标之一，作物水分亏缺为作物需水量与实际供水量之差，以百分率表示。计算式为[21]

表1 华北地区农业气象观测站夏玉米生育阶段

注：农业气象观测站夏玉米生育期实际记录到日，为方便查阅，将生育期相近的几个站点集中表达，并按旬表示。

Note：The data of summer maize’s growth period was a daily record, in order to be consulted easily, we expressed several stations which have similar growth period centrally. E- is the first ten-day of a month；M- is the middle ten-day of a month；L- is the last ten-day of a month.

图1 研究区域和气象站点分布

ETc=Kc×ET0（3）

（2）玉米生育期干旱的判定

CWDI的值直接反应作物水分亏缺状况，当CWDI≤0时，表示降水满足需水量，当CWDI＞0时，表示降水不能满足需水量，且当该值上升到一定级别时，作物将发生干旱。根据国家标准《农业干旱等级》以及前人对该指标的订正，本文对CWDI值进行了分级（表2）。

表2 基于作物水分亏缺指数的农业干旱等级

（3）干旱频率的计算

不同阶段各干旱等级的发生频率，即某一站点某一生育阶段干旱发生的年次数与气象资料总年数之比，计算式为

式中，n为统计资料的总年数，N为n年中该生育阶段出现的某一旱级的次数。

（4）干旱站次比的计算

干旱站次比指某一区域内干旱发生站数占该区域内全部站数的比例，用于评价干旱影响范围的大小，即[23]

式中，M为干旱发生的站数，m为区域内全部站数，i表示不同年份。

干旱影响范围的定义为，yi≥50%表示区域内有一半以上的站点发生干旱，为全区域性干旱；50%＞yi≥33%为区域性干旱；33%＞yi≥25%为部分区域性干旱；25%＞yi≥10%为局部性干旱；yi＜10%为无明显干旱。

（5）气候倾向率的计算

建立某一气候变量与时间的一元线性回归方程，线性方程的回归系数和回归常数用最小二乘法估计[24]。

（6）指标验证

参考《中国灾害大典（山东卷[25]、河北卷[26]、河南卷[27]）》中1995-2000年干旱灾害资料，选取发生干旱的典型站点，对干旱指标评估结果进行验证。

1.3 插值方法

用ArcGIS软件的反距离权重对上述计算的各站点数据进行空间插值，设定cell size值为0.02，生成空间栅格数据，并对要素值进行分类，得到相应的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 夏玉米生长季的水分供需特征分析

各省夏玉米播种-拔节、拔节-抽雄和抽雄-成熟3个生育阶段的多年平均需水量、降水量及差值的计算结果见表3。由表可见，在整个研究区域内，各省夏玉米生长季降水量在305～575mm，需水量在288～398mm，总体上降水量超过需水量，但省际间各生育阶段需水量、降水量差别较大，以山东和河南两省的降需差最大，分别为99.4mm、68mm。播种-拔节阶段，北京、天津、河北降水量在3个生育阶段中最大，而作物需水量却最少，因此，降水量均能满足玉米生长的需水要求，降需差在37～49mm；山东、河南此阶段降水量在3个生育阶段中最小，需水量也最小，降水量满足需水量。拔节-抽雄阶段，只有河北省的降水量略小于需水量，降需差为-0.8mm，其余各省降水均满足需水。抽雄-成熟阶段，研究区域各省市的需水量均大于降水量，降需差均为负值，其中北京、天津和河北省的降水量最少，导致降需差最大，在-140～-176mm，降水量远小于需水量，易发生干旱；山东、河南的降需差在−98～−110mm。3个生育阶段中，后期的需水量大，降水量虽然在整个生长季最多，但仍不能满足需水量。

表3 1961-2010年华北地区玉米不同生育阶段的平均降水量（P）、需水量（W）和降需差（P-W）（mm）

2.2 夏玉米不同等级干旱频率的空间分布特征

由图2可以看出，播种-拔节阶段，多数地区轻旱发生频率为5a一遇至3a一遇（20%～33.3%），在山东惠民县、济南市，河北保定、石家庄区域轻旱发生频率达到2a一遇以上（≥33.3%）；除河南郑州、河北石家庄、南宫、安阳、邢台外，其余区域中旱发生频率低于30%；拔节-抽雄阶段，除河南郑州、山东惠民县外，山东的东部、河南的西南部轻旱发生频率低于20%，其余区域轻旱发生频率在5a一遇至3a一遇（20%～33.3%）；抽雄-成熟阶段，河北中部轻旱发生频率为3a一遇以上（≥33.3%），中旱发生基本以山东、河南与河北的交界线为界，界线以北大部分区域中旱发生频率为5a一遇至3a一遇（20%～33.3%），分界线以南大部分区域中旱发生频率低于5a一遇（≤20%）。研究区域重旱发生频率低于5a一遇（≤20%）。比较夏玉米各旱级干旱发生频率的空间分布特征可知，不同生育阶段各等级干旱频率的空间分布均以轻旱为主，多数站点发生频率大于20%。随着生育阶段的更替，不同地区干旱发生频率变化有所不同。整体来看，抽雄-成熟阶段干旱发生频率高的区域较多，其中河北北部是夏玉米发生干旱的主要地区。此外，华北全区域夏玉米生长季无特旱发生。

由图3可见，1961-2010年，华北地区夏玉米全生育期以轻旱的发生频率较高，干旱中心位于河北大部、北京和天津、河南北部和山东西部，发生频率高于33.3%（3a一遇）；除河北邢台、南宫、饶阳，山东朝阳，其余区域中旱发生频率低于20%（5a一遇）；华北全区域发生重旱的频率低于5%。

由图4可见，播种-拔节阶段研究区域发生轻旱及以上等级干旱的频率在3a一遇以上（≥33.3%），其中山东和河北的个别站点发生干旱在3a两遇以上（≥66.6%）；拔节-抽雄阶段干旱发生频率较高的区域集中于河南的东北部、山东西部以及河北的南部，干旱在3a一遇至3a两遇（33.3%～66.7%）；与前两个生育阶段相比，抽雄-成熟阶段干旱的高发区在河北北部，发生干旱在3a两遇以上（≥66.7%），其余地区干旱发生频率为3a一遇至3a两遇（33.3%～66.7%）。综合以上分析，华北夏玉米生长季以轻旱发生的频率较高，发生频率和范围也最广，而抽雄-成熟阶段更易受干旱影响。

（a）播种-拔节Sowing-jointing；（b）拔节-抽雄Jointing-tasseling；（c）抽雄-成熟Tasseling-maturating；（1）轻旱Light drought；（2）中旱Moderate drought；（3）重旱Severe drought

图3 1961-2010年华北夏玉米全生育期干旱频率的空间分布

图4 1961-2010年华北夏玉米各生育阶段发生干旱频率的空间分布

2.3 玉米不同阶段干旱发生范围和强度的变化特征

利用式（3）计算各站点历年夏玉米各生育阶段CWDI值，再依据农业干旱等级统计发生轻旱及以上的站点数，计算干旱站次比和各年代干旱站次比的平均值，结果如图5。由图可见，1961-2010年，华北地区夏玉米各生育阶段干旱站次比存在明显的波动，播种-拔节阶段，干旱站次比在27.7%～88.8%波动，达到全区域干旱的年份有20a，除20世纪60年代为全区域干旱，干旱站次比平均达50%以上，其余年代均为区域性干旱，说明随着年代的推进，该生育期发生干旱的范围减小；拔节-抽雄阶段，干旱站次比在5.55%～80.5%区间波动，达到部分区域干旱的年份有25a，各年代均仅发生区域性干旱或部分区域性干旱，以90年代干旱站次比最高，平均为40.8%；抽雄-成熟阶段，干旱站次比在8.3%～94.4%区间波动，达到全区域干旱的年份有30a，除60年代外，其余年代干旱站次比均大于50%，以90年代干旱站次比最高，平均达62.7%，说明1971-2010年该生育阶段发生全区域干旱，是干旱发生较重的阶段。对全生育期而言，各年代际发生干旱的范围均为区域性干旱。

图5 1961-2010年华北夏玉米各生育阶段干旱站次比年际与年代际变化

综上可见，华北地区夏玉米生长季全区域干旱主要发生在播种-拔节阶段和抽雄-成熟阶段，说明该生育阶段发生干旱的范围最广；各生育阶段中，除播种-拔节阶段外，其余两个生育阶段均表现为90年代发生干旱面积较广。

根据式（5）计算华北地区夏玉米各生育阶段作物水分亏缺指数CWDI的气候倾向率，对区域内干旱强度的变化趋势进行比较，结果如图6。由图可见，播种-拔节阶段，河北和北京北部、山东中部干旱呈增加趋势；拔节-抽雄阶段，河南干旱强度为减小趋势，河北北部、北京南部和山东东部干旱强度呈增加趋势，抽雄-成熟阶段，山东东南部和河北东部区域CWDI的气候倾向率较高，在0.15～0.36(10a)-1，干旱强度增加趋势明显。综合来看，随着生育阶段的变化，河南的干旱强度呈减小趋势，河北干旱强度增加的范围表现为生育后阶段面积扩大，山东干旱强度增加的面积随着生育阶段的变化而增加；而在全生育阶段内，河南干旱强度呈减小趋势，河北和山东大部分区域的干旱强度表现为增加的趋势。

图6 1961-2010年华北夏玉米各生育阶段CWDI变化趋势

2.4 夏玉米干旱灾害等级评价指标验证

参考《中国灾害大典（山东卷[25]、河北卷[26]、河南卷[27]）》的干旱灾情资料，选取1995-2000年发生干旱的典型站点，对夏玉米是否受灾、夏玉米干旱等级进行吻合性验证，结果见表4。以1997年石家庄站为例，根据《中国气象灾害大典（河北卷[26]）》记载，7月15日-8月15日石家庄东部为干旱严重地区，重旱长达40d左右，7月末旱情仍未缓解，严重干旱使不足0.7m高的玉米被太阳烤得拧成绳，8月上旬仍然高温少雨，出现“卡脖旱”，严重影响夏玉米的生长，判定灾害发生程度为重度。本研究对CWDI指标的计算表明，7月15日-8月15日为夏玉米拔节-抽雄阶段，发生干旱等级为重旱。可见，1997年石家庄干旱的指标计算等级与历史记录等级符合。

同理，对研究区域1995-2000年研究结果进行验证，结果表明，计算等级与历史记录等级符合的有9个，基本符合的有4个，不符合的有4个，吻合率为76.5%，表明CWDI指标能较好地评价华北地区夏玉米干旱的实际情况。

表4 研究区域夏玉米干旱特征与实际情况吻合程度验证

注：√、Ο、×分别表示计算等级与历史记录符合、基本符合和不符合。

Note: S, J, T represent sowing, jointing and tasseling, respectively. L, M, SE represent light, moderate, severe drought, respectively. √,Ο,× represent match, basically match and not match, respectively.

3 讨论与结论

（1）空间分布特征：1961-2010年，夏玉米各生育阶段以轻旱发生频率较高，范围更大，播种-拔节阶段，以山东、河北部分区域轻旱发生频率最高（≥33.3%）；拔节-抽雄阶段，全区轻旱发生频率低于33.3%；抽雄-成熟阶段，河北中部轻旱发生频率最高（≥33.3%）。各生育阶段以播种-拔节、抽雄-成熟发生干旱的频率较高。由于抽雄-成熟阶段需水量的急剧增加，降水量无法满足需求，水分亏缺大，相比于前两个生育阶段，此阶段更易受到干旱的影响，发生干旱的频率也更高，尤其在抽穗前后，“卡脖旱”的发生会导致玉米减产，河北中部、北京和天津等华北北部地区夏玉米降水量无法满足需水量，在无灌溉条件时，夏玉米的干旱风险增加，这与王占彪等[28]的研究结果较一致。华北地区夏玉米全生育阶段以轻旱的发生频率较高，干旱中心位于河北大部、北京和天津、河南北部和山东西部，发生频率高于33.3%。

（2）时间变化趋势：1961-2010年，华北夏玉米种植区播种-拔节阶段发生干旱的范围减小，表现在随年代际的变化，由全区域干旱变为区域干旱；抽雄-成熟阶段多个年代发生全区域干旱，说明该阶段发生干旱的范围更广。此外，华北地区夏玉米不同生育阶段的干旱强度变化特征表现为河北北部干旱强度增加，河南南部干旱强度减小，这可能与华北北部地区降水量减少，热量资源增加，而华北南部区域降水量较高，且呈现增加趋势有关[29]。干旱是制约玉米高产的关键因子之一，不同程度的干旱均会影响玉米的生长发育，最终影响产量，其中以抽雄-吐丝阶段的水分胁迫减产最严重[30]，且随着干旱程度加重减产率上升[31]。华北地区夏玉米的干旱主要是由于生长季内降水量分布不均匀导致，播种-出苗阶段区域降水量大于需水量，干旱较少发生，抽雄-成熟阶段降水量远小于需水量，水分亏缺大，此阶段更易受干旱影响。

作物水分亏缺指数从土壤-作物-大气连续体的角度综合反映作物的水分亏缺状况，在中国的不同区域都有较好的适用性，但是由于农业系统的复杂性，干旱的指标都具有一定的时间与空间适用范围[12]。为了使干旱等级指标更能符合干旱实际情况，本研究干旱等级采用董朝阳等[29]对北方玉米干旱等级校正后的指标。同时本研究也根据《中国气象灾害大典》干旱记载，对实际灾情进行了验证。但由于历史灾情资料对干旱等级的记载均为人为判定，具有一定的主观性，对指标的验证有一定影响。今后需利用典型站点的实际旱情对作物水分亏缺指数（CWDI）干旱等级进行细致订正，使研究结果更接近实际。

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Temporal and Spatial Variations of Agro-meteorological Disasters of Main Crops in China in a Changing Climate (Ⅲ):Drought of Summer Maize in North China Plain

WAN Neng-han，YANG Xiao-guang，LIU Zhi-juan，HE Bin，SUN Shuang

（College of Resources and Environmental Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China）

Based on the 1961-2010 daily meteorological data from 36 meteorological stations and the 1981-2010 growth period data of summer maize from 23 agricultural meteorological stations, the spatial distribution and evolution trend of drought for summer maize in different growth period were analyzed by using the crop water deficit index (CWDI). The results showed that light drought was the most frequent during different growth periods of summer maize in North China Plain. During the period from sowing to jointing, the occurrence frequency of light drought ranged from one time in five years (20%) to two times in three years (33%) in most regions; During the period from jointing to tasseling, the light drought was mainly concentrated in the boundary area of Hebei, Henan and Shandong province and the occurrence frequency ranged from one time in five years to two times in three years; During the period from tasseling to maturity, the light drought was mainly concentrated in the central of Hebei and occurred one time in three years. The light drought in whole stages mainly occurred in most regions of Hebei, Beijing, Tianjin, the north of Henan and the west of Shandong, which occurred one time in three years. During 1961-2010, the whole region drought during sowing to jointing and tasseling to maturity were most frequent, the highest ratio of drought occurring stations occurred in 1990s; The drought strength during tasseling to maturity increased obviously in the southeast of Shandong and east of Hebei. Light drought occurred most frequently among the drought frequency at all grades during different growth periods of summer maize. The drought occurrence frequency during the period from sowing to jointing and the period from tasseling to maturity was higher than the other growth periods. The occurrence frequency of light drought was higher during the whole growing period and the center of light drought mainly concentrated in most part of Hebei province, Beijing, Tianjin, Northern Henan province and Western Shandong province with a drought frequency of more than 33%. The whole regional drought mainly occurred from sowing to jointing and tasseling to maturity during which the drought range was wider. Furthermore, the trend of drought strength for different growth stages of summer maize in North China Plain increased in northern Hebei province and decreased in southern Henan province.

Agricultural drought; Crop water deficit index; Drought occurring stations ratio

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.04.001

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2017-09-17

。E-mail：yangxg@cau.edu.cn

国家科技支撑计划（2012BAD20B04）；十三五重点研发计划项目（2016YFD0300101-03）

万能涵（1994-），硕士生，研究方向为气候变化和灾害对玉米的影响。E-mail：wannenghan@163.com