河北省玉米生长季干旱特征及成因分析

代立芹，李春强*，康西言，王猛

1.河北省气象科学研究所/河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄 050021；2.唐山市气象局，河北 唐山 063000

河北省是玉米（Zea mays）生产大省，播种面积和总产约居全国第六位，同时，河北地处我国春夏玉米种植交错带，为既种植春玉米又种植夏玉米的省份。春玉米生长季集中在4月下旬至9月下旬，夏玉米集中在6月上旬至9月下旬。受大陆性季风气候影响，河北省降水时空分布不均（苏剑勤等，1996），全年约70%的降水集中在夏季，多雨区和少雨区年降水量相差近 400 mm，且降水量年际间变化大，多雨年与少雨年降水量最大相差4—5倍。玉米全生育期需水量多在400 mm以上，而据统计，河北省平均每年有近 60%的站点玉米生育期内降水量在400 mm以下，自然降水不能完全满足玉米生长需求，因此，玉米生长季虽跨越多雨季节，但干旱仍频繁发生，是影响玉米生长和高产的主要气象灾害。近年来，随着地下水不断超采，河北省地下水位不断下降，农业灌溉面临水源枯竭的威胁，因此，开展玉米生长季干旱时空分布特征、变化趋势及成因研究，对制定合理的灌溉方案、确保玉米安全生产具有重要意义。

目前，干旱监测评估指标主要有标准化降水指数（SPI）、土壤水分指数、Palmer干旱指数（PDSI）、标准降水蒸散指数（SPEI）、水分亏缺指数（CWDI）等，这些指数各有其优势和局限性，如，SPI具有多时间尺度特点，但仅考虑降水，未考虑气温与作物水分需求对干旱的影响（张龙等，2013）；PDSI综合考虑降水、蒸散、水文等因子（Palmer，1965），但计算复杂且时间尺度固定（Alley，1984）；SPEI具有多时空特征，综合考虑降水、蒸散对干旱的影响（韦潇宇等，2018；张永瑞等，2019），但未考虑具体作物的需水和耐旱特性，采用统一标准划分干旱等级；CWDI基于水分平衡原理，从作物需水量与供水量两方面分析水分亏缺程度，对作物本身的干旱程度反映更为准确，对农业生产上灾害防御的指导性更强，是目前常用的作物干旱诊断指标之一（张艳红等，2008）。前人在利用CWDI进行玉米干旱研究方面做了较多工作，如，黄晓华等（2009）利用CWDI分析了湖南省春玉米季节性干旱发生频率的时空分布特征；张淑杰等（2013）确定了东北地区玉米不同生育时期CWDI，对东北地区玉米干旱时空分布及年际变化特征进行了分析；张建军等（2014）利用 CWDI分析了安徽省夏玉米生长季内干旱频率分布特征；薛昌颖等（2013；2014）利用CWDI对黄淮海地区夏玉米生长季干旱时空特征和干旱风险进行了分析；薛昌颖等（2016）分别根据春玉米和夏玉米不同生育阶段需水和耐旱特性制定了基于CWDI指数的春玉米和夏玉米干旱等级标准，为开展玉米干旱监测、评估提供了参考依据。但以往研究在计算水分亏缺指数时未考虑降水过程中植株截留、地表径流、深层渗漏等造成的水分损耗。目前关于河北省玉米干旱研究较少，且存在研究区域不全（主要针对夏玉米区）、时空尺度过大、未考虑作物需水特性等（张文宗等，2008；韦潇宇等，2018；薛昌颖等，2016）问题，因此，本文拟结合玉米各生育阶段需水特点，以有效降水量代替实际降水量计算水分亏缺指数，并以旬和生育期为时间尺度、以县为空间尺度，开展玉米生长季干旱时空分布特征、变化趋势及成因分析，以期为有效利用地下水资源、提高防旱避灾能力提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

河北省北部张家口、承德、秦皇岛的青龙、保定的涞源属中温带（苏剑勤等，1996），为一年一熟区，春玉米主要种植在张家口和承德两市坝下地区、青龙和涞源；省内其它地区属中暖温带，为一年两熟或两年三熟区，是冬小麦-夏玉米轮作区，其中，秦皇岛中南部和唐山大部属于春夏玉米过渡区，近年来以种植夏玉米为主，因此作为夏玉米区处理。

1.2 数据来源

选取玉米种植区142个气象站逐日气象资料，包括平均气温、降水、日照、风速、相对湿度等，资料年代为1971—2018年；18个农业气象观测站玉米观测资料，包括生育期起止日期、农事记录、灾情等，由于多数站点从1981年开始观测，为统一资料年代，采用1981—2018年资料；各县玉米种植区主要土壤参数，包括土壤类型、容重、田间持水量，凋萎湿度等，资料均来源于河北省气象局。

1.3 研究方法

1.3.1 水分亏缺指数

（1）某旬或某生育期水分亏缺指数（KCWDI）

式中：ICWDI,i为旬或生育期内第i天累计水分亏缺指数；n为旬或生育期包含的总天数。

（2）第i天累计水分亏缺指数（ICWDI,i）

式中：CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分别为过去5旬的旬水分亏缺指数；a、b、c、d、e为权重系数，取值分别为0.3、0.25、0.2、0.15、0.1。

（3）旬水分亏缺指数（CWDIi）

式中：ETCi为玉米旬需水量—旬内逐日需水量（见式(4)）之和；EPi为旬有效降水量—旬内逐日有效降水量（见式(5)）之和，由于玉米生长季跨越主汛期，多强降水，地表径流量和深层渗漏量不能忽略，同时玉米生长中后期植株高大，降水截留量不能忽略，因此采用有效降水量计算水分亏缺指数；为旬需水基数，采用1971—2018年旬需水量平均值；Ci为降水量大于需水量时的水分盈余系数，见式（6）。

式中：ETOi为作物参考蒸散量，采用Penman-Monteith公式（中国气象局，2007）计算。Ki为作物系数，参考联合国粮农组织（FAO）推荐的玉米各生育期作物系数。

式中：R为实际降水量；L为深层渗漏量，土壤含水量超过田间持水量时，超过部分作为渗漏量处理，依据张喜英（1999）研究结论，将0—50 cm土层作为研究土层；T为地表径流量，采用HobKrogman方法（王西平等，1998）计算；I为植被截留量，参考文献（王建林等，2005）中方法计算。

式中各项同式（3）。

1.3.2 玉米生育期划分

根据农业气象观测站1981—2018年观测资料，确定河北省春玉米和夏玉米平均生育期（见表1）。

1.3.3 干旱评估指标

（1）干旱强度

表1 河北省玉米生育期Table 1 Time of growth stages of maize in Hebei province

依据干旱标准（中国气象局，2015a；中国气象局，2015b）划分干旱等级，设计干旱强数指数（DI）。

式中：CWDIi为水分亏缺指数，CWDIil、CWDIih分别为所处干旱等级对应的水分亏缺指数下限和上限；a为常数，当干旱等级为无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱时，a取值为0、1、2、3、4。

（2）干旱范围（DS）

区域内发生干旱的站点数占全部站点数的比例。

式中，Mi为发生干旱的站点数，M为研究区域总站点数。

（3）干旱概率

对CWDI序列进行正态分布检验，对不遵从正态分布的序列进行偏态分布正态化处理（魏淑秋，1985；秦建侯等，1990），并以新的均值和方差进行概率估算。

2 结果与分析

2.1 干旱时间分布特征

玉米生长季逐旬需水量、有效降水量、水分亏缺指数、干旱强度、范围和概率如图1所示。大部分时段有效降水量小于玉米需水量，降水不能完全满足玉米生长需求；总体上春玉米区水分亏缺指数大于夏玉米区。水分亏缺指数呈现先降低后升高的趋势。春玉米区4月下旬至5月上旬、夏玉米区6月上中旬为高值期，此时处于春季和夏初，降水稀少，但气温升高，蒸发量增加，水分亏缺指数为全生育期最高；随后逐渐进入多雨季节，降水量明显增加，且增加幅度大于需水量，水分亏缺指数下降，在主汛期7月下旬至8月上旬进入低值期；主汛期过后降水量减少，且减少幅度大于需水量，水分亏缺指数回升。

玉米不同生育阶段对水分需求和耐旱能力差异较大，因此干旱强度、范围和概率随时间变化趋势与水分亏缺指数并不完全相同。春玉米4月下旬至5月上旬和夏玉米6月上中旬水分亏缺指数高且处于播种期，干旱强度、范围和概率达全生育期最高，以特旱为主，概率和范围均在50%以上；春玉米6月下旬至8月上旬、夏玉米7月中旬至8月中旬，玉米处于拔节至乳熟期，虽水分亏缺指数较低但耐旱能力极差，因此干旱强度、范围和概率均较高，以中旱为主，其中春玉米6月下旬至7月上旬（拔节至抽雄期）、夏玉米8月上中旬（抽雄至乳熟期）干旱范围和概率在40%以上，春玉米7月中旬至 8月上旬（抽雄至乳熟期）、夏玉米 7月中下旬（拔节至抽雄期）干旱范围和概率在30%以上；春玉米8月中旬至9月下旬、夏玉米8月下旬至9月下旬，玉米处于乳熟至成熟期，前期水分亏缺程度低，干旱强度、范围和概率均较低，后期有所上升，以中旱为主；春玉米5月中旬至6月中旬、夏玉米6月下旬至7月上旬，玉米处于苗期，虽水分亏缺指数较高但耐旱能力极强，干旱强度、范围和概率较低，以轻旱为主。反查各农气站历史灌溉记录表明，玉米播种期灌溉次数最多，其次是抽雄至乳熟期和拔节至抽雄期，这也验证了上述结果的合理性。

2.2 干旱空间分布特征

统计各站点干旱发生概率和强度，分析其分布特征，由于概率和强度分布特征基本一致，因此文中只给出了概率分布图（图2）。根据统计结果，文中将干旱发生概率在20%以上的区域称为高发区。

2.2.1 春玉米区

降水量与需水量空间分布特征相反，且在玉米不同生育阶段分布特征基本一致，因此，干旱分布特征与降水量呈较好的相反性，与需水量呈较好的一致性，且在玉米不同生育阶段特征稳定。东部春玉米区（承德、秦皇岛青龙）由东南向西北干旱概率升高，西部春玉米区（张家口、保定涞源）以张家口中部的怀来、涿鹿为中心向南北概率降低，总体上西部地区干旱概率高于东部地区。

图1 玉米需水量（ETC）、有效降水量（EP）、水分亏缺指数（CWDI）、干旱强度（DI）、干旱范围（DS）、干旱概率（DP）随时间变化（a、b：春玉米；c、d：夏玉米）Fig.1 Variation of crop evapotranspiration (ETC), effective precipitation (EP), crop water deficit index (CWDI), drought intensity (DI), drought scale (DS)and drought probability (DP) during growth period of spring maize (a, b) and summer maize (c, d)

各生育期干旱发生概率和强度由高到低依次为播种期＞拔节-抽雄期＞抽雄-乳熟期＞出苗-拔节期＞乳熟-成熟期。播种期干旱概率为56%—89%，其中，特旱概率10%—42%、重旱8%—31%、中旱5%—25%、轻旱6%—23%；特旱高发区分布在张家口中部，中旱和重旱高发区分布在张家口和承德西北部。出苗-拔节期干旱概率和强度较小，以轻旱为主（概率17%—42%），中旱次之（概率0—35%），轻旱概率虽高但利于玉米扎根蹲苗，中旱高发区分布在张家口中部。拔节—抽雄期干旱概率和强度仅次于播种期，概率为 29%—89%，中旱概率 8%—46%、重旱4%—31%、特旱2%—25%、轻旱12%—35%；中旱和重旱高发区在张家口和承德西北部，特旱高发区在张家口中部，轻旱高发区在承德东部。抽雄—乳熟期干旱概率和强度中等，概率为10%—87%，中旱概率 4%—30%、特旱 0—30%、重旱0—27%、轻旱2%—30%；中旱高发区在张家口地区，重旱和特旱高发区在张家口西部，轻旱高发区在承德北部。乳熟—成熟期干旱概率和强度较小，以轻旱（概率2%—29%）和中旱（概率0—23%）为主，轻旱以张家口地区高发，中旱仅局部高发。可见，干旱主要影响春玉米播种期、拔节-乳熟期，以张家口和承德西北部影响较重。

2.2.2 夏玉米区

降水量和需水量在玉米不同生育阶段空间分布特征不同，因此干旱分布特征在不同时段亦不相同。总体上，秦皇岛、唐山地区在玉米各生育阶段干旱发生概率均较低；中南部地区干旱概率相对较高，其中，播种至灌浆期以石家庄东部和南部、衡水西部、邢台北部等地概率最高，乳熟至成熟期以中南部地区的东部概率最高。

各生育期干旱发生概率和强度由高到低依次为播种期＞抽雄-乳熟期＞乳熟-成熟期＞拔节-抽雄期＞出苗-拔节期。播种期干旱概率和强度最大，以特旱为主（概率21%—58%），其中石家庄东部、衡水西南部和邢台东北部地区特旱概率在50%以上。出苗-拔节期干旱概率和强度较小，以轻旱（概率2%—31%）和中旱（概率2%—25%）为主，且仅局部地区高发。拔节-抽雄期正值主汛期，干旱概率和强度较小，以中旱为主（概率4%—33%）且仅局部地区高发。抽雄-乳熟期干旱概率和强度仅次于播种期，以中旱为主（概率4%—35%），保定东南部、石家庄大部、衡水西部、邢台北部、邯郸东部为高发区。乳熟-成熟期前期干旱概率和强度较低，后期升高，以轻旱为主（概率8%—38%），中南部地区的西部多为高发区，但玉米接近成熟，影响不大。可见，干旱主要影响夏玉米播种期、抽雄-乳熟期，以石家庄大部、衡水西部、邢台北部影响最重。

图2 玉米不同生育阶段干旱概率空间分布Fig.2 Spatial distributions of drought probability during growth stages of maize

总体上，张家口、承德北部干旱发生概率和强度最大；石家庄东部、衡水西部、邢台北部地区次之；承德南部、秦皇岛、唐山地区概率和强度最小。同时，干旱分布特征随年代变化分析表明，春玉米区无明显变化，不同年代干旱分布特征基本一致；夏玉米区在不同年代干旱分布特征有一定差异但无明显变化规律，这主要与夏玉米区降水量年际间变异系数大、变率高有关。

2.3 干旱变化趋势及成因分析

1971—2018 年玉米生长季逐旬、逐生育期干旱强度和范围随年代变化情况见表2、表3。

春玉米区变化明显。播种期和出苗-拔节期干旱强度和范围显著下降，以 5月上、中旬变化最明显，全区重旱和特旱发生站次明显减少；其它生育阶段干旱变化不显著。旬尺度上 8月中、下旬干旱强度和范围显著上升，中旱和重旱发生站次明显增加，以张家口和承德西北部增加显著。5月上、中旬干旱变化以 1971—2000年较为明显（P＜0.1），8月中、下旬干旱变化以2000年以后较为明显（P＜0.1）。

表2 逐生育期干旱强度和干旱范围随年代变化率Table 2 Variations of drought intensity and drought scope during growth stages of maize (10 a)-1

夏玉米各生育期干旱变化均不显著，但旬尺度上，6月下旬和9月下旬干旱强度显著下降，其中，6月下旬邢台和邯郸东北部、9月下旬石家庄和保定地区中度以上干旱发生站次明显减少；上述变化以2000年以后较为明显（P＜0.1）。

表3 逐旬干旱强度和范围随年代变化率Table 3 Variations of drought intensity and drought scope during each ten days (10 a)-1

干旱强度和范围与降水量呈显著负相关，与需水量呈显著正相关。分析表明，春玉米区 5月上中旬需水量显著减少、降水量显著增加，干旱强度和范围下降受需水量减少和降水量增加共同影响；8月中下旬需水量显著增加、降水量减少但趋势不明显，干旱强度和范围上升主要受需水量增加影响；夏玉米区 6月下旬需水量显著下降、降水量略有减少且趋势不明显，干旱强度下降主要受需水量下降影响；9月下旬需水量显著减少、降水量显著增加，干旱强度下降受需水量减少和降水量增加共同影响。

分析表明，玉米需水量与平均气温、日照时数、风速呈显著正相关，与空气湿度呈显著负相关，相关系数均通过了0.05的显著性检验。在需水量显著减少时段，日照时数和风速均呈显著减少趋势，相对湿度变化趋势不显著，而气温呈上升趋势，因此需水量减少主要由日照时数减少和风速减小引起；在需水量显著增加时段，气温呈显著上升、风速显著增大、空气湿度显著下降趋势，日照时数变化趋势不显著，因此需水量增加主要由气温上升、风速增大、空气湿度减小引起。

3 讨论

文中利用有效降水量代替实际降水量对CWDI指数进行了改进，通过检验，改进后的指数对干旱判断的准确率提高了4.1%，说明利用有效降水量计算CWDI指数更为合理。针对河北省降水分布区域性强、气候变化多样等特点，文中采用旬和生育期为时间尺度、县为空间尺度，对整个玉米种植区干旱分布特征、变化趋势及成因进行分析，弥补了无河北省春玉米区干旱研究的不足，同时夏玉米区研究结论与以往大时空尺度研究结论（薛昌颖等，2013，2014）存在差异，干旱分布的区域性、时间性和变化的趋势性均得以突出显现，对农业防旱、抗旱更具指导意义。夏玉米干旱概率和强度随生育期变化特征与薛昌颖等研究结论一致，但文中以有效降水量计算CWDI指数，分析自然降水条件下干旱特征，因此结论中干旱概率和等级比薛昌颖等考虑灌溉条件下的研究结论偏高；夏玉米需水量减少的主要气象原因是日照时数减少和风速减小，这与韦潇宇等（2018）研究结论一致。

根据研究结论，春玉米区干旱分布特征稳定，利于防旱抗旱措施的制定；夏玉米区干旱分布特征年际间变化大且规律性差，为做好防旱抗旱工作需进一步加强气候年景预测工作。从干旱变化趋势看，春玉米区 8月中下旬需水量明显增加，干旱加重，针对这一变化，应制定干旱防御的长远计划，其它时段干旱减北或变化不显著，基本利于玉米生产。

作物需水量同时受气象要素、农业技术措施、土壤类型、作物品种等因素影响，文中仅考虑了气象因素，在今后将全面考虑农业技术的改进、品种的改良和土壤类型及其保水能力等因素，做进一步的探讨。

4 结论

（1）干旱概率和干旱强度分布特征基本一致。春玉米区由高到低依次为播种期＞拔节-抽雄期＞抽雄-乳熟期＞出苗-拔节期＞乳熟-成熟期，夏玉米区依次为播种期＞抽雄-乳熟期＞乳熟-成熟期＞拔节-抽雄期＞出苗-拔节。其中，播种期以特旱为主；拔节-乳熟期以中旱为主；出苗-拔节期、乳熟-成熟期以轻旱为主。

（2）春玉米4月下旬至5月上旬（播种期）、6月下旬至8月上旬（拔节-乳熟期）受干旱影响较大，以张家口和承德北部干旱概率和强度最大、影响最重。夏玉米区6月上中旬（播种期）、8月上中旬（抽雄-乳熟期）受干旱影响较大，以石家庄东部、衡水西部和邢台东北部干旱概率和强度最大、影响最重。

（3）春玉米播种期和出苗-拔节期干旱强度和范围明显下降，其它生育期无明显变化；夏玉米各生育期干旱强度和范围均无明显变化。

（4）旬尺度上，春玉米区5月上中旬受需水量减少、降水量增加趋势影响，干旱强度和范围明显下降；8月中、下旬受需水量增加趋势影响，干旱强度和范围明显上升；夏玉米区6月下旬受需水量明显减少趋势影响，干旱强度明显下降；9月下旬受需水量减少、降水量增加趋势影响，干旱强度明显下降。需水量减少的主要气象原因为日照时数减少和风速下降，需水量增加主要气象原因为气温和风速上升、空气湿度下降。