基于作物水分亏缺指数的关中冬小麦需水关键期干旱特征分析

何 斌

（江西省赣州市水利电力勘测设计研究院，江西 赣州 341000）

冬小麦是陕西省的典型粮食作物，大约占总播种面积的35%，关中地区是陕西省主要的粮食基地，2013 年关中地区冬小麦播种94.39 万hm2，占陕西省冬小麦总播种面积的86.22%[1]。然而，干旱灾害也逐渐成为限制该区域粮食产量的主要因素，2013 年关中地区农作物因干旱受灾面积达83.2394.39 万 hm2，占当年总播种面积的 37.61%[1]。试验表明[2]，冬小麦在拔节期进行40%的亏水处理，干物质积累量比充分灌溉要低33.08%，主要原因是冬小麦抽穗开花前重度缺水，导致营养器官干物质的积累及向籽粒转运的过程受到影响。由于冬小麦在该生长阶段一旦受水分胁迫，将对产量产生巨大影响，于是通常把返青～拔节和拔节～抽穗2 个生育期称为冬小麦的需水关键期[3]。因此，开展关中地区冬小麦需水关键期干旱特征分析，对指导抗旱减灾工作，保障粮食产量，具有重要意义。

目前，农业干旱风险评价指标很多，作物水分亏缺指数(CWDI)是一个常用的评价指标，它结合了土壤、植物、大气等综合因素，体现为农作物某时段累积水分亏缺的程度。该指标计算简便，涉及资料较少，在不同地区和作物间得到了广泛运用。黄晚华等[4]基于作物水分亏缺指数，分析了湖南省春玉米干旱时空分布特征；李雅善等[5]选取该指标对宁夏酿酒葡萄生育期内干旱程度进行了综合分析；李闯等[6]同样选取该指标对昆明地区水稻生长季干旱特征进行了研究。然而，作物水分亏缺指数在陕西省冬小麦干旱特征分析中却很少看见。孔尖文[7]利用冬小麦产量和地理信息等资料，对陕西省冬小麦气象灾害进行了风险评估与区划；缪淼[8]在考虑水分敏感系数与底墒期降水的基础上，构建干旱指数对陕西省冬小麦进行了干旱风险评估及指数保险费厘定研究。然而，目前对陕西省冬小麦干旱风险评估的方法中，都不同程度存在所需资料较多，计算过程较为复杂的问题。

本文主要利用关中地区气象资料，计算1994 年～2013年冬小麦需水关键期水分亏缺指数，分析冬小麦生长面临的各种干旱威胁；并在此基础上，研究不同地区不同干旱等级的空间分布状况，以期为相关部门抗旱减灾工作提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区域概况

陕西关中地区位于秦岭以北，北山以南，由宝鸡、咸阳、西安、铜川、渭南5 个地市构成（图1），素有“八百里秦川”之美誉，是陕西省工农业生产和经济发展的重点地区。关中地区属暖温带半干旱半湿润气候区，多年平均降水量为647.6 mm，年蒸发量为900 mm～1200 mm，年日照时数为1900 h～2400 h，土壤类型以塿土为主，土质疏松多孔，有机质含量高，保水保肥性能好，是陕西省最好的一种耕作土壤。2013 年末耕地面积为151.79 万hm2，占全省耕地面积的52.87%，是陕西省粮食重要产区，主要种植小麦和玉米，两者分别占全省的86.22%和60.18%，而干旱灾害是该地区主要的自然灾害之一。

图1 关中地区高程与行政区划

1.2 研究方法

作物水分亏缺指数（CWDI）是衡量作物需水量与实际供水能力平衡状况的指标，反映农作物某时段累积水分亏缺的程度，一般需要连续累积5 旬的水分亏缺状况，指标值越大，水分亏缺越严重。通常返青～拔节和拔节～抽穗2 个生育期是冬小麦的需水关键期，陕西关中冬小麦上述2 个生育期，一般在3月 ～5 月之间，本文选择 3 月 1 日 ～4 月 19 日共 5 旬，作为冬小麦需水关键期来计算该时段的水分亏缺指数，所需气象资料来源陕西省气象局，计算公式如下：

式中：CWDI 为某 时段 累积水分亏缺指数；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分别为本旬和前 4 旬水分亏缺指数；a、b、c、d、e 为累积权重系数，本文采用黄晚华和张艳红等[4,9]提供的参考系数，a 取值为 0.3，b 取值为 0.25，c 取值为 0.2，d 取值为 0.15，e 取值为 0.1。

其中第i 旬作物水分亏缺指数（CWDIi）采用下列公式计算：

式中：CWDIi为第i 旬作物水分亏缺指数；ETci是第i 旬作物需水量（mm）；Pi是第 i 旬降水量（mm）,i 取 1～5。

而作物需水量（ETc）采用如下公式计算：

式中：kc为作物系数，本文参考康绍忠教授研究的成果[10]，关中地区冬小麦需水关键期kc取1.207；ET0为参考作物潜在蒸散量，采用FAO（联合国粮农组织）推荐的ET0Calculator 软件计算[11]。

2 结果与分析

利用陕西省气象局提供的1994 年～2013 年气象资料，采用(1)～(3)式计算关中地区冬小麦需水关键期水分亏缺指数，结果见图2。

图2 1994 年～2013 年关中地区冬小麦需水关键期水分亏缺指标变化特征

从图2 可以看出，研究期间，陕西省关中地区冬小麦需水关键期水分亏缺指数呈波动上升变化趋势，表明该地区冬小麦需水关键期受水分胁迫日益严重，气象干旱威胁不断加剧。将1994 年～2013 年关中地区冬小麦需水关键期水分亏缺指数进行线性拟合与显著性检验，结果见表1。

表1 冬小麦需水关键期水分亏缺指数线性拟合和t 检验结果

从表1 可以发现，研究期间，关中地区5 个地市冬小麦需水关键期水分亏缺指数线性拟合方程的回归系数均大于0，且西安、咸阳、宝鸡3 个地市线性回归系数较大，表明关中地区5 个地市冬小麦需水关键期水分亏缺指数在不断上升，且西安、咸阳和宝鸡3 个地市上升速度较快。另外，从t 检验的结果可以看出，西安、宝鸡2 个地市sig 值小于等于0.05，表明在α=0.05 水准下，这2 个地市冬小麦需水关键期水分亏缺指数上升变化趋势达到了显著性水平。

为了分析关中地区冬小麦干旱特征空间分布情况，采用如表2 所示的冬小麦水分亏缺指数干旱等级划分标准[12]，计算1994 年～2013 年共20 年，关中地区5 个地市发生轻旱、中旱、重旱、特旱的频率，结果如表3 所示；并运用ArcGIS10.1 空间分析功能，得出关中地区冬小麦需水关键期不同干旱等级的空间分布图（图3）。旱发生频率相对较低，主要发生在宝鸡、咸阳2 市，大约4 年左右发生1 次。

表2 冬小麦水分亏缺指数干旱等级标准

表3 1994 年～2013 年关中5 个地市冬小麦拔节～孕穗期的干旱情况

图3 关中地区冬小麦需水关键期轻旱、中旱、重旱与特旱发生频率分布图

3 讨论

关中地区是陕西省主要的粮食生产基地，对保障全省粮食安全有着重要意义。从前文分析可以看出，该地区冬小麦需水关键期水分亏缺日益严重。那么，面对气象干旱威胁不断加剧带来的挑战，讨论如何制定相应的抗旱减灾策略措施，降低干旱灾害风险，就显得尤为迫切。1994 年～2013 年关中地区降水距平百分率指数计算结果见图4。

从表3 和图3 可以看出，关中地区冬小麦需水关键期轻旱发生频率较低，主要发生在西安、咸阳、铜川3 个地市，大约6 年～7 年发生1 次；中旱在铜川、咸阳2 市发生频率较高，大约3 年发生1 次；而重旱在关中地区发生频率最高，其中渭南、西安2 市发生频率超过了50%，基本上2 年发生一次；特

图4 1994 年～2013 年关中地区降水距平百分率指数变化特征

通过统计正负距平发生的次数发现，近20 年，关中地区负距平出现次数比正距平多，其中负距平发生频率为65%，表明关中地区降水量有下降趋势，可能加剧干旱灾害的发生，与岳大鹏等[13]对关中地区近50 年降水变化特征研究结果基本一致。因此，为保证粮食安全，相关部门应重视田间输水、灌溉设备设施的扩建和改造工作，确保农作物得到按时按需的灌溉。

4 结论

本文基于作物水分亏缺指数，分析了1994 年～2013年陕西省关中地区冬小麦需水关键期水分亏缺指数变化趋势，开展了干旱特征空间分布状况分析，主要得出以下结论：

（1）研究期间，关中地区冬小麦需水关键期水分亏缺指数呈上升趋势，水分胁迫日益加重，其中西安、咸阳和宝鸡3 个地市上升较快。

（2）关中地区冬小麦需水关键期发生轻旱频率较低，各地区至少6 年才发生1 次；发生中旱频率较高，局部3 年就能发生1 次；而重旱发生频率最高，渭南、西安2 市每2 年就会发生1 次；发生特旱频率同样也较低，大约4 年以上局部地区才可能发生。

（3）关中地区降水量有下降趋势，可能会加剧干旱灾害的发生。建议相关部门重视田间灌溉工作，确保农作物得到按时按需灌溉，保障粮食安全。