基于SPI的陇东黄土高原干旱特征及对冬小麦产量的影响分析

张可心 张谋草 刘翔 张洪芬 张天峰

摘要：基于1971—2018年陇东地区的逐月气象资料，使用标准化降水指数（SPI）作为干旱指标，采用线性趋势和Mann-Kendall突变检验，多尺度定量分析陇东地区近48年的气象干旱特征，并结合冬小麦产量资料，研究SPI表征的气象干旱对冬小麦产量的影响。结果显示，1971—2018年陇东地区发生干旱的概率约为30%，发生中等以上强度干旱的概率为15.8%;年SPI分析结果显示，陇东地区具有逐渐湿润化的趋势，20世纪90年代（1990s）最干旱，2000年后干旱显著缓解;季节SPI分析结果表明，春季干旱化趋势明显，且干旱化从1990年开始，其余季节均具有湿润化趋势，其中冬季的湿润化速度最快;春季、秋季干旱对冬小麦产量的影响最大，尤其是干旱强度对产量的影响最为显著，通过了0.001水平的显著检验。SPI所表征的气象干旱指标与冬小麦的相关性高于降水量与其相关性，表明SPI对于农业干旱分析具有一定的指导意义。

关键词：陇东黄土高原;标准化降水指数（SPI）;干旱特征;冬小麦产量;影响

中图分类号： S162.5  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）23-0233-08

干旱是对人类社会影响最为严重的气象灾害之一，造成干旱的直接原因有偶发性或周期性的降水量减少、蒸发量增大等[1]。在全球气候变暖的背景下，发生大范围干旱、高温的时间、频率和强度明显增加，干旱化趋势也随之加剧，不但造成水资源短缺、荒漠化加剧、沙尘暴频发等诸多不利的生态影响，同时也对农业生产造成巨大损失[2]。西北地区处于干旱半干旱地区，对于全球气候变化的响应非常敏感，加强对干旱演变特征的研究有利于认识全球气候变化背景下的区域性响应，对生态文明建设及防灾减灾工作具有现实意义[3-4]。

目前，国内外研究者关于干旱指标已做了大量研究，各个指标本身各有利弊，研究区域也具有其自身的自然特征及社会特征。因此，根据研究目的，扬长避短地选择合适的干旱指标是研究区域性干旱的基础[5]。基于降水量的干旱指标有标准化降水指标（SPI）、Z指数[6]，基于多因子的干旱指标有地表湿润指数[7]、Palmer指数等[8]。帕默尔干旱指标（palmer drought severity index，简称PDSI）和标准化降水指标（standardized precipitation index，简称SPI）是全球干旱研究中运用最广泛的2个指标。帕默尔干旱指标PDSI计算过程复杂，参数区域性较强，并且具有固定的时间尺度，而标准化降水指标只须以降水作为输入量，计算简便易行且具有多种时间尺度，使同一个指标可以反映不同时间尺度的干湿变化特征[9]。

基于SPI指数的干旱研究一般侧重于对干旱时空分布特征的研究[10-12]，与粮食作物产量变化相结合的干旱特征检测与影响研究较少。刘维等研究了SPI与东北春玉米产量之间的关系发现，玉米成灾率随SPI6的变大而变小，当SPI6处于干旱或者过湿情况下将处于低产量水平[13];朱玲玲等以SPI作为干旱指标对河南冬小麦生育期变化特征进行分析，发现河南省返青-抽穗-成熟期和全生育期干旱对冬小麦气候产量影响较大[14]。山西省关于玉米产量与SPI的研究发现，对其产量影响较大的是夏季干旱，中等以上强度的夏季干旱对玉米产量的影响更为显著[15]。甘肃省庆阳市地处陇东黄土高原，属于黄土高原丘陵沟壑区的生态脆弱区，以雨养农业为主，由降水量减少导致的干旱对陇东地区农业生产和生态环境的影响显著[16]。冬小麦是陇东地区最主要的粮食作物之一，在庆阳市种植面积最大，由于生长周期长，不同时段的干旱变化对冬小麦产量都有一定的影响，而对冬小麦的影响同样也可以反映对其他作物的影响。本研究以SPI作为干旱评价指标，分析1971—2018年陇东黄土高原不同时间尺度的气象干旱特征及对冬小麦产量的影响，以期为气象干旱检测、干旱灾害预防及冬小麦安全生产提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

陇东黄土高原属于黄河中游的内陆地区，东倚子午岭，西接六盘山，所在行政区域主要为甘肃省庆阳市（106°20′～108°45′E、35°15′～37°10′N），属于暖温带半干旱半湿润气候，光热条件适宜，年降水量为400～700 mm，是黄土高原区降水最多的地区。庆阳市马岭以北的环县、华池及庆城的中北部为黄土丘陵沟壑区，沟壑纵横，水土流失严重，马岭以南塬面平坦，其中董志塬面积为910.7 km2，是我国最大、较完整的一片黄土塬地。陇东黄土高原塬地面积广，约占土地总面积的1/3，坡度小，盛产小麦、玉米、油料作物及特色小杂粮，有“陇上粮仓”的美誉。

1.2 站点选择与资料

本研究采用庆阳市8个国家气象站1971—2018年的逐月降水量数据与庆阳市统计局1978—2018年冬小麦年产量数据，通过MATLAB计算得出SPI值及四季SPI的Mann-Kendall（M-K）突变检验，SPI时间变化趋势用气候倾向率进行计算，用MATLAB、Excel等软件绘制图表。在统计季节降水量时，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

1.3 标准化降水指数的计算

标准化降水指数的计算原理是McKee等在1993年提出的1个相对简便易行的干旱指数，该指数基于自然降水的Γ分布，基于正态分布标准化得出，计算过程详见文献[17-18]。SPI的计算有多种尺度（1、3、6、12、24月等），对于时间尺度短的SPI，由于受短时间降水的影响，导致SPI上下波动频繁，值域也较大，从而可反映短期旱涝变化，而时间较长的SPI对短期降水的响应减慢，旱涝变化比较稳定，可反映长期旱涝的变化趋势[19]。本研究根据CB/T 20481—2006《气象干旱等级标准》[20]，结合陇东地区的实际情况，划分出干旱等級（表1）。

1.4 干旱强度

某段时间内的干旱强度可以用SPI表示，在发生干旱（SPI≤-0.5）的情况下，SPI绝对值越大，表示干旱越严重。某区域的多年干旱程度可由下式表示：

式中：|SPIi|为发生干旱时的SPI绝对值，具体的干旱分级见表1;m为发生干旱的时间（月数）。

2 结果与分析

2.1 不同时间尺度的SPI特征

不同时间尺度的SPI可以反映不同类型的旱涝情况，通过多时间尺度的SPI综合分析可以进行综合旱涝情况分析[21]。为了对陇东地区的干旱情况进行综合评价，本研究基于庆阳市8个气象站点48年的逐月降水量资料，着重分析SPI的1、3、6、12月尺度的干旱变化情况，并对各个时间尺度的干旱等级进行划分。分析图1-a的SPI1指数可知，出现干旱的概率为31.9%，其中中等以上等级干旱分布如下：极旱10个月（1.7%），重旱15个月（2.6%），中旱67个月（11.6%）。分析图1-b的SPI3指数可知，出现干旱的概率为29.1%，其中极旱13个月（2.3%），重旱29个月（5.0%），中旱47个月（8.2%）。分析图1-c的SPI6指数可知，干旱发生概率为32.1%，其中极旱9个月（1.6%），重旱29个月（5.0%），中旱51个月（8.9%）。分析图1-d的SPI12指数可知 干旱发生概率为32.9% 7个月为极旱（1.2%），33个月为重旱（5.8%），52个月为中旱（9.2%）。由以上分析可以看出，陇东干旱频发，平均30%以上的月份发生不同程度的干旱，用不同时间尺度表征的中等以上干旱状况较为一致，中等以上程度的干旱月份占比约为15.8%，SPI指数起伏较大，表明气候干湿变化波动幅度大，旱涝时间分布不均匀。

甘肃省气象灾害统计结果表明，1986—1987年陇东出现了数十年一遇的持续性干旱，旱情严重，50%以上的人畜饮水困难。SPI1分析结果显示，1986年7—10月和1987年8—9月出现了轻度以上干旱;SPI3分析结果显示，1986、1987年8—10月均出现中旱;SPI6分析结果显示，1986年8月至次年2月出现了重旱;而SPI12分析结果显示，1986年9月至1987年底出现了连续性重旱。1995年隴东地区出现春夏连旱的情况，农作物大量减产，冬小麦单位面积产量（简称单产）降至882 kg/hm2，SPI1分析结果显示，2—7月出现了中等以上的干旱，5月达到特旱;SPI3分析结果显示，3—7月出现了特旱。1997年陇东地区出现了严重的夏秋连旱，SPI3分析结果显示，1997年6—10月出现了中等以上干旱，其中重旱以上的时间有3个月。不同时间尺度的SPI分析结果表明，1995、1997年的干旱与1986—1987年的干旱具有相同特征，即随着时间尺度的增大，干旱开始时间和结束时间有相应推迟，并且干旱等级有所变化，反映了前期降水积累的影响因素。对于类似1986—1987年这种持续时间长的干旱，SPI12表征的时间尺度与干旱程度较准确，而对于1995、1997年这种季节性干旱，与实况对应最好的是SPI3。不同时间尺度的SPI表征的干旱年际变化与陇东历史上实际发生的干旱年对应的年份一致，可见用SPI分析陇东地区的干旱变化是可行的[22]。

2.2 旱涝的年际变化特征

2.2.1 SPI的年际变化特征 1971—2018年陇东地区的年SPI总体变化趋势为波动升高（图2），倾向率为0.061/10年，有8年出现中等程度及以上的干旱，其中发生中旱的时间为5年（1972、1979、1982、1987、2008年），发生重旱的时间为3年（1986、1995、1997年）。有8年出现中等程度以上的偏湿，其中中湿4年（1983、1988、2017、2018年），重湿4年（1975、1990、2003、2013年）。从干旱程度年代际的分布来看，1990s（20世纪90年代）干旱程度最为严重，出现了2年重旱，其次是1980s（20世纪80年代），出现过1年重旱与2年中旱，1970s（20世纪70年代）出现 2年中旱;到了21世纪，中等程度及以上的干旱仅出现过1年。根据以上分析可知，陇东地区1990s最干旱，其次是1980s，1970s相对较湿润，2000s（21世纪00年代）以后干旱程度大幅度减弱。中度及以上干湿年份占比为33%，最干、最湿的年份分别为1997年（-1.882，重旱）、2003年（1.944，重湿）。本研究结果与张可心等得出的“庆阳市20世纪80年代湿润，90年代最干旱，2000后恢复湿润”的结论[23]基本一致。由以上分析可知，陇东地区气候干湿程度的发展趋势具有波动中逐渐变湿润的趋势，这与黄小燕等的研究结论[24]一致。

2.2.2 SPI的季节变化特征 由图3可知，除春季以外，其余季节的SPI均呈现升高的趋势。春季SPI呈缓慢下降的趋势，变化倾向率为0.047/10年，表明春季有干旱化趋势，干旱发生频率为27%，中等及以上干旱季与湿润季分别为8、5年，在1992—2011年间出现高频率的干旱，其中最严重的是1995年，干旱等级为极旱（SPI=-3.01），最湿润的是1998年（SPI=2.11）。夏季SPI的变化倾向率为0.05/10年，干旱发生频率为27%，中等及以上干旱季、湿润季均为8年 1997、2018年的SPI值分别为-1.92（重旱）、1.99（重湿），这2年分别为夏季最干旱、最湿润的年份。秋季SPI的变化倾向率为0.057/10年，干旱发生频率为31%，中等以上干旱季、湿润季分别为5、10年，秋季最干旱、最湿润年份分别为1986、1975年，SPI值分别为-1.97（重旱）、2.20（重湿）。冬季SPI的变化倾向率为0.077/10年，干旱发生频率为21%，中等以上干旱季、湿润季分别7、8年，1992、1999年出现过2次极旱，1992、2008年分别为最干旱、最湿润的年份，SPI分别为 -3.92（极旱）、1.50（中湿），2000年之后仅出现过1次轻旱，可见21世纪以后陇东地区冬季的干旱次数大幅度减少。以上分析结果表明，春季具有干旱化趋势，其余季节均具有湿润化趋势，冬季的湿润化趋势最为显著;干旱发生频率最高的是秋季，其次是春季、夏季，最低的是冬季。秋季的干湿变化跨度大，正值冬小麦播种期，需要防范干旱的不利影响;冬季整体偏旱，但是由于冬季的农业活动少，加上湿润化趋势明显，因此对陇东地区农业的影响也相对较小。

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