基于作物水分亏缺指数的河南省冬小麦干旱时空特征分析

王连喜 王田 李琪

摘要：以河南省1961—2014年14个站点的逐日气象数据以及冬小麦生育期数据为基础资料，以作物水分亏缺指数（CWDI）作为干旱指标，利用多种数理统计方法分析河南省冬小麦干旱时空分布特征。结果表明：河南省冬小麦干旱覆盖范围广，其CWDI指数存在准2～4年及准2～6年的周期变化;各干旱等级中，轻旱无突变发生，而中旱与重旱及以上分别在1973年和1965年发生了突变;轻旱的覆盖范围以3.25/10年的速率下降，中旱、重旱、特旱的覆盖范围则分别以2.52/10年、0.68/10年、0.47/10年的速率上升，以轻、中旱为主，重旱次之，特旱最少，其中，轻旱频率高发区集中在豫南及豫西南，中旱频率高值区以许昌、商丘、宝丰、卢氏等地为主，重、特旱主要发生在豫北一带;极重风险区分布为拔节-抽穗期>全生育期>乳熟-成熟期，重度风险区分布为全生育期>拔节期-抽穗期>乳熟-成熟期，中度风险区分布为乳熟-成熟期>拔节-抽穗期>全生育期。

关键词：水分亏缺指数;干旱;时空特征;冬小麦;河南省

中图分类号： S162.5+3  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）12-0083-06

冬小麦是我国第三大主要粮食作物，河南省为我国冬小麦主要产区，其种植面积和产量均位于我国各省份之首。干旱是冬小麦生育期间发生的主要气象灾害之一，其发生频率高，持续时间长，波及范围广，对冬小麦生长发育和产量形成构成了严重威胁[1-2]。20世纪80年代中期以来，河南省农业干旱灾害发生的频次和强度呈明显增强的趋势，因此，建立理想的干旱指标，分析干旱灾害的时空特征，对开展抗旱工作、河南省冬小麦生长发育的影响研究以及对确保粮食产量有重大意义[3]。

目前，用于农业干旱的指标较多，比较常用的干旱指标有降水距平百分率[4]、标准化降水蒸散指数（SPEI）[5-6]、Palmer干旱指数（PDSI）[7]、相对湿润度指数[8]、综合气象干旱指数（CI）[9]等。针对干旱问题，国内外学者进行了相关研究[10-11]。史本林等利用SPEI指数分析河南省冬小麦干旱时空特征[12];成林等利用降水负距平对河南省冬小麦干旱规律进行了分析[13];李树岩等利用CI指数分析了河南省近40年的干旱特征[14]。作物水分亏缺指数（CWDI）能较好地反映土壤、植物和气象3方面因素对作物的综合影响，可更加真实地反映作物水分亏缺状况[15-16]。已有学者将CWDI指数应用到我国部分区域的干旱研究中[17-19]，但应用作物水分亏缺指数在河南省所做的相关研究较为少见，利用CWDI指数研究该区域冬小麦生育期干旱特征的报道更少。因此，本研究选取作物水分亏缺指数作为干旱指标，对河南省冬小麦干旱时空特征进行分析，为相关部门制定农业生产计划、趋利避害提供依据与参考。

1 材料与方法

1.1 资料来源

气象资料来源为河南省14个气象台站1961—2014年逐日平均气温度、最高气温、最低气温、降水量、日照时数、风速、水汽压、相对湿度等数据。

作物资料来源为河南省农业气象观测站1981—2014年冬小麦播种期、出苗期、三叶期、分蘖期、停止生长期、返青期、起身期、拔节期、孕穗期、开花期、乳熟期、成熟期等时间数据。

地理特征资料来源为河南省14个气象站点的经纬度等数据。

1.2 研究方法

1.2.1 作物水分亏缺指数计算方法

1.2.1.1 累计水分亏缺指数计算方法 考虑到水分亏缺累积情况以及前期降水对后期冬小麦生长发育的影响，从生育阶段开始的第1天算起，向冬小麦生长期之前推50 d，以10 d为1个单位来计算水分亏缺指数，则生育阶段中某日的水分亏缺指数计算公式如下：

1.2.2 冬小麦干旱指数等级划分 目前，由于我国并未明确给出CWDI值的干旱等级划分标准，本研究在CWDI值与土壤相对湿度分级标准的基础上进行，结合《中国气象灾害大典（河南卷）》，给出了该区冬小麦干旱分级标准（表1）。

1.2.3.2 各生育期干旱频率 逐年统计各站不同生育阶段的干旱发生次数，得到各站不同发育阶段的干旱频率Fa和强度[22]。

1.2.5 风险指数（Q） 风险指数是一种考虑风险程度大小的指标，它将干旱强度与干旱频率有机地结合在一起[23]，具体算法为将各台站各发育阶段或全生育期的干旱频率（F）与平均干旱强度（T）相乘，其中对平均干旱强度T还须进行归一化处理。

1.2.6 数据处理与分析 本研究在Matlab软件基础上，运用Morlet小波分析法探究冬小麦干旱指数的周期变化规律;对干旱等级覆盖范围进行了M-K检验，探究其演变趋势。在空间特征上，结合ArcGIS 10.2软件对干旱等级和风险度进行空间插值分析。

2 结果与分析

2.1 干旱相关时间变化特征

2.1.1 冬小麦干旱指数周期分析 河南省冬小麦水分亏缺指数（CWDI）的周期分析結果见图1。可以看出，冬小麦水分亏缺指数时间序列存在着准2～4年、准2～6年的周期变化。其中1965—1971年和1985—2000年存在准2～6年尺度的周期变化，1981—1985年、2001—2007年存在2～4年尺度的周期变化，并且均通过了0.05水平的显著性检验。虽然1962—1965年和2007—2011年存在准2～4年尺度周期，但未通过0.05水平的显著性检验。

2.1.2 干旱覆盖范围的时间变化特征 由图2可知，近53年河南省冬小麦干旱覆盖范围呈现增大趋势，且干旱覆盖范围很广。这是由近几十年来河南省气候偏暖趋势明显，降水波动较大，温度的升高和降水量的减少导致的。研究期间的43年为干旱完全覆盖（干旱覆盖范围为100%），且研究时段内平均覆盖范围为97.57%，根据线性趋势的倾向率计算得出，干旱覆盖范围以0.63/10年的速率在增大，特别是1990年代以来出现大范围干旱事件的概率增大，2000年后干旱覆盖范围达100%。轻旱覆盖范围呈减少的趋势（线性趋势倾向率为-3.25/10年），其均值为38.41%，其中覆盖范围在1969、1979、1990和2003年达80%左右，但在1992及2011年未出现轻旱（覆盖范围为0）。中旱覆盖范围呈增大趋势（线性趋势倾向率为2.52/10年），均值为42.46%，其中1976、1986、1994、1996、2000、2004和2009年的覆盖范围达到70%以上，在1969、1990年未出现中旱（覆盖范围为0）。重旱覆盖范围呈增大趋势（线性趋势倾向率为0.68/10年），均值为15.1%。在年际变化上，1999年和2011年重旱覆盖范围明显上升，其值分别达到50%、58%，1970、1977、1981年覆盖范围达43%左右。特旱覆盖范围最小，但也呈增加趋势（线性趋势倾向率为0.47/10年），均值仅为1.35%，研究期间，仅在1970、1980、1999和2011年这4年出现了特旱，其中，1999、2011年的覆盖范围分别达22%和28%。

表2列出了不同等级干旱覆盖范围的年代际变化，轻旱覆盖范围最大的是1962—1970年，覆盖范围最小的是1991—2000年;中旱覆盖范围最大值出现在1990年代（50%）;重、特旱覆盖范围最大值均发生在2010年代，其中特旱覆盖范围较少。总体来看，干旱严重程度以1990年代、2010年代干旱较强，1980年代和2000年代次之，这可能是因为21世纪前后，我国大范围气温较常年同期偏高，北方旱区每月平均气温较常年偏高0.52～2.00 ℃[24]，气温偏高使土壤水分蒸发加快，加上厄尔尼诺现象的发生进一步加重了旱情发展，而各年代中主要以中旱覆盖范围最大，特旱覆盖范围最少。

2.1.3 干旱覆盖范围的突变特征 对河南省14个站点干旱覆盖范围进行统计分析，求出时间序列的UF（Mann-Kendall统计量正序列）和UB（Mann-Kandall统计量反序列）值，取显著水平α=0.05情况下的临界值为±1.96（图3中的虚线）。

通过图3中的UF与UB时间序列值的走势可以看出，轻旱无突变发生，而中旱、重旱及以上有突变（P>0.05），其中，中旱在1973年发生突变，突变后为增加趋势;重旱及以上在1965年发生突变，突变后亦表现为增多特征。此外，由图3可知，1961—1975年轻旱基本呈现上升趋势，1975年后呈现下降趋势， 而中旱则在1962—1975年呈现下降趋势，1975年

以后呈现上升趋势。

2.2 干旱相关空间分布特征

2.2.1 干旱频率的空间分布特征 采用ArcGIS软件栅格数据空间分析模块中的反距离权重插值（IDW）方法，对河南省冬小麦全生育期不同等级干旱频率进行插值，生成空间栅格数据，得到不同等级干旱频率的空间分布。由图4可以看出，河南冬小麦轻旱频率高发区集中于豫南及豫西南一带，其中，信阳、驻马店站点的轻旱频率达57.38%～70.58%，由南向北轻旱频率逐渐降低，豫中地区的轻旱频率在28.46%～48.25%之间，豫北及三峡门站发生轻旱的频率仅有5.88%～17.04%，属轻旱频率低发区。中旱频率高发区集中在豫东、豫中及豫西北，其发生频率为46.40%～52.94%;以北的安阳、新乡、开封等地的中旱频率为35.25%～46.40%，属中旱次高频发区;豫南等地中旱发生频率较低。重旱发生区主要集中于豫北及三门峡，其中，安阳重旱频率达41.18%～50.97%，豫中一带重旱频率均值在22%左右，豫南和豫西南重旱频率最低。特旱发生频率较低，主要发生在新乡、安阳及开封，为6.05%～7.84%，豫南、豫西发生特旱的频率在 0.92%以下。

总体可见，河南省冬小麦发生不同等级的干旱频率呈纬向分布，即豫南及豫西南发生轻旱的频率最高，主要是由于该区域总体偏南，降水较多，即使存在水分亏缺，也是低程度的，所以轻旱居多，中旱以上较少发生。豫东、豫中及豫西一带是中旱高发区，重旱和特旱主要集中在豫北，由于该区域受到季风及副高气候影响，导致降水偏少，土壤失墒严重，所以旱情严重。

2.2.2 干旱风险度的空间分布 按照表3划分的风险度等级，绘制河南省冬小麦全生育期及受干旱影响较大的拔节-抽穗期和乳熟-成熟期的干旱风险（图5）。

由图5还可知，河南省冬小麦全生育期干旱风险重度区分布较广，包括三门峡、卢氏、宝丰、商丘等区域，极重区集中在豫北地区，中度风险区分布在豫西及豫南部分区域，轻度风险区主要分布于信阳。

河南省冬小麦拔节-抽穗期轻度风险区较全生育期范围有所增加，分散在西峡、驻马店及信阳区域，中度风险区逐渐北移，分布范围有所增加，极重风险区也有所增加，主要分布在豫北及三门峡部分区域，重度风险区分布范围减少，包括豫东及豫西北部分区域。

河南省冬小麦乳熟-成熟期重度和极重风险区较以上2个生育时段向北移动缩小，中度风险区分布区域较广，分布在豫西及豫南部分区域。

3 讨论与结论

利用河南省14个冬小麦种植区气象台站1961—2014年的逐日气象数据，同时参考相关台站冬小麦生育期资料，运用CWDI指数和相关统计分析方法，探究了近53年河南全省冬小麦干旱时空分布及变化特征，研究表明：

从小波周期分析来看，河南省冬小麦干旱指数存在准 2～4年及准2～6年的周期变化。

从冬小麦干旱覆盖范围上看，河南省干旱呈上升趋势且发生范围广，主要以轻旱和中旱为主，重旱较少，特旱最少，这与成林等的研究结果[13]一致，与房稳静等的研究的结果（以轻旱为主）[24]有所不同，这可能与干旱指标选取以及干旱等级划分有关。其中，研究期间有43年为干旱完全覆盖，轻旱以 3.25/10年的速率下降。而中旱、重旱和特旱分别以2.52/10年、0.68/10年、0.47/10年的速率上升。轻旱无突变发生，而中旱及重旱以上均发生了突变。

从冬小麦干旱频率的空间分布来看，河南省各地干旱频率分布差别较大，即轻旱主要发生在豫南和豫西南一带，由南至北轻旱频率逐渐减少， 中旱频率在豫东、豫中一带最大，豫南最低，重旱和特旱主要发生在豫北，由北至南逐渐减少。这个结果比较符合实际，由于河南省降水从南向北逐渐减少，湿度南部大，北部小，同纬度的西部山区大于东部平原，能较好地反映河南省干旱发生的规律。

从冬小麦干旱风险度分布图来看，拔节-抽穗期极重风险区分布最广，全生育期重度风险区分布最广，乳熟-成熟期则是中度风險区分布最广。全生育期、拔节-抽穗及乳熟-成熟期极重风险区主要集中在安阳、新乡和开封。重度风险区逐渐北移减少，而中度风险区逐渐扩大，这可能与乳熟-成熟期降水量>拔节-抽穗期降水量有一定关联。

本研究在计算作物水分亏缺指数时，供水量部分仅考虑了自然降水量，对有效降水量及灌溉量考虑得不是很充分，计算需水量时未考虑作物系数（Kc）在不同区域间的差异，这会给计算结果带来一定误差。此外，本研究中冬小麦在不同生育期的干旱风险度存在变化，表明其不仅与降水有关，其他因素也在其中产生影响，但本研究中并未涉及。这些都有待今后进一步研究，并应在今后研究中结合当地实际情况进行深入分析与探讨，使该指数能更好地运用到农业生产指导中。

参考文献：

[1]谢五三，田 红. 安徽省近50年干旱时空特征分析[J]. 灾害学，2011，26（1）：94-98.

[2]Stocker T F，Qin D H，Plattner G K，et al. IPCC Climate change 2013：the physical science basis[M]. Cambridge：Cambridge University Press，2013.

[3]吴东丽，王春乙，薛红喜，等. 华北地区冬小麦干旱受灾率多尺度分析[J]. 灾害学，2011，26（1）：87-93.

[4]单新兰，苏占胜，张 智，等. 宁夏山区春季降水对冬小麦生长发育的影响[J]. 干旱气象，2012，30（3）：426-430.

[5]明 博，陶洪斌，王 璞. 基于标准化降水蒸散指数研究干旱对北京地区作物产量的影响[J]. 中国农业大学学报，2013，18（5）：28-36.

[6]Vicente-Serrano S M，Beguería S，López-Moreno J I. A multiscalar drought index sensitive to global warming：the standardized precipitation evapotranspiration index[J]. Journal of Climate，2010，23（7）：1696-1718.

[7]刘蕊蕊，陆宝宏，陈昱潼，等. 基于PDSI指数的三江源干旱气候特征分析[J]. 人民黄河，2013，35（6）：59-62.

[8]李会群，王 文. 基于相对湿润度指数的山东省作物生长季干旱特征[J]. 干旱区资源与环境，2015，29（11）：191-196.

[9]王 婷，章新平，黎祖贤，等. 近52年来洞庭湖流域气象干旱的时空分布特征[J]. 长江流域资源与环境，2016，25（3）：514-522.

[10]Lu Y L，Hao Z F，Xie C X，et al. Large-scale screening for maize drought resistance using multiple selection criteria evaluated under water-stressed and well-watered environments[J]. Field Crops Research，2011，124（1）：37-45.

[11]Zhang Q，Zhang J Q. Drought hazard assessment in typical corn cultivated areas of China at present and potential climate change[J]. Natural Hazards，2016，81（2）：1323-1331.

[12]史本林，朱新玉，胡云川，等. 基于SPEI指數的近53年河南省干旱时空变化特征[J]. 地理研究，2015，34（8）：1547-1558.

[13]成 林，刘荣花，申双和，等. 河南省冬小麦干旱规律分析[J]. 气象与环境科学，2007，30（4）：3-6.

[14]李树岩，刘荣花，师丽魁，等. 基于CI指数的河南省近40年干旱特征分析[J]. 干旱气象，2009，27（2）：97-102.

[15]刘丙军，邵东国，沈新平. 作物需水时空尺度特征研究进展[J]. 农业工程学报，2007，23（5）：258-264.

[16]徐建文，居 辉，梅旭荣，等. 近30年黄淮海平原干旱对冬小麦产量的潜在影响模拟[J]. 农业工程学报，2015，31（6）：150-158.

[17]张艳红，吕厚荃，李 森. 作物水分亏缺指数在农业干旱监测中的适用性[J]. 气象科技，2008，36（5）：596-600.

[18]黄晚华，杨晓光，曲辉辉，等. 基于作物水分亏缺指数的春玉米季节性干旱时空特征分析[J]. 农业工程学报，2009，25（8）：28-34.

[19]何 斌，刘志娟，杨晓光，等. 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：西北主要粮食作物干旱[J]. 中国农业气象，2017，38（1）：31-41.

[20]王连喜，缪 淼，李 琪，等. 陕西省冬小麦干旱时空变化特征分析[J]. 自然灾害学报，2016，25（2）：35-42.

[21]Smith M，Allen R，Monteith J L，et al. Expert consultation on revision of FAO methodologies for crop water requirements[J]. Nutrition Reviews，1992，43（2）：49-51.

[22]陈晓艺，马晓群，孙秀邦. 安徽省冬小麦发育期农业干旱发生风险分析[J]. 中国农业气象，2008，29（4）：472-476.

[23]袭祝香，王文跃，时霞丽. 吉林省春旱风险评估及区划[J]. 中国农业气象，2008，29（1）：119-122.

[24]房稳静，张雪芬，赵 龙，等. 河南省冬小麦干旱灾害的空间分布研究[J]. 气象与环境科学，2007，30（2）：61-63.张亚坤，宋 鹏，潘大宇，等. Cu2+胁迫对大豆生长和抗氧化酶活性的影响[J]. 江苏农业科学，2019，47（12）：89-92.