基于SPEI指数的东北玉米种植区春玉米生长季干旱演变特征

葛 东，魏新光，景竹然，李 波，高西宁

(沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866)

玉米是我国重要的粮食作物之一，其生育期耗水较多且对水分胁迫反应较为敏感,干旱已经成为玉米生产的制约因素[1]。东北地区位于中国的东北端，包括辽宁、吉林、黑龙江三个省和内蒙古东部地区，是中国重要的粮食生产基地[2-3]。同时东北地区也是北方春播玉米的主产区，截至2018年底，总播种面积达到5×106hm2,产量达1.01×108t，占全国玉米总产量的47.78%[4]。因此，东北春玉米种植区是我国重要的玉米生产区，是重要的玉米商品粮基地。干旱是影响区域农业生产最主要的农业气象灾害[5-7]，近年来，由于全球气候变化，东北地区存在着明显的干旱化趋势。干旱通常被认为是一个缓慢的过程，多以季或年尺度进行评估。但在农业领域，关键生育期内短时干旱也能造成重大影响[8]。因此研究东北地区玉米不同生育阶段干旱时空分布规律，对东北地区春玉米不同生育阶段采取有效抗旱减灾措施具有重要意义[9]。

目前研究农业干旱指标主要有帕尔默干旱指数[10]、标准化降水指数(SPI)[11-14]、作物干旱指数[15]、水分盈亏指数(CWSDI)[16]等。帕尔默干旱指数和标准化降水指数是基于降水、径流和蒸发量等干旱影响因子提出的，很好地解决了区域干旱监测、预报，计算相对简单，然而由于空间不一致性，缺乏时空比较的有效性[17]。Vicente-Serrano等[18]提出标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)，该指数融合了帕尔默干旱指数对蒸散的响应及标准化降水指数空间一致性、多时间尺度且计算简单的优点[19]。ηspei值特别适于检测和监测全球变暖背景下干旱的变化特征，一经提出就被用于各方面的干旱研究[20]。徐一丹等[21]利用SPI和ηspei分析了黑龙江、辽宁、吉林地区的近55 a 多时间尺度干旱变化特征及两指数的表征差异。沈国强等[22]应用标准化降水蒸散指数(ηspei)和经验正交函数(EOF)分解方法，分析东北地区干旱特征，揭示了干旱发生的时空变化规律。蔡思扬等[23]选取东北三省(黑龙江省，吉林省和辽宁省作为研究区，选取标准化降水蒸发指数(ηspei)进行分析，验证ηspei在东北地区干旱评估中的适用性。明博等[8]应用新的多尺度ηspei干旱指数分析了北京地区干旱的演变。杨娟[24]选取标准化降水指数(SPI)和标准化降水蒸散指数(ηspei)两种干旱指数分析了灌区冬小麦多年的干旱演变特征。许玲燕等[25]分析研究了云南省夏玉米生长季干旱演变的时空特征和规律。

前人对不同地区、不同作物生育期的ηspei开展了大量研究，但是前期研究多基于日、旬、月、3月、半年和年尺度，对生育期尺度研究较少，对东北玉米种植区生育期的ηspei相关研究还未见报道。因此本文基于ηspei值，选择东北玉米种植区51个气象站点1989年—2018年气象数据，对研究区内春玉米不同生育阶段ηspei值进行系统分析，并对其干旱发生频率时空演变特征进行分析研究，以期对东北区域春玉米生产及种植结构规划提供依据。

1 研究区域概况

研究区域为北纬38°43′～53°33′，东经115°53′～135°05′的东北玉米种植区，主要包括辽宁、吉林和黑龙江部分地区以及内蒙古东部地区(见图1)，该区总面积为1.243×106km2，是我国重要的粮食生产基地，玉米播种面积达6×104km2,产量近4×107t,占全国的30%左右。该区域地势平坦、土壤肥沃、光水资源优越，唯热量条件略显不足，气候属温带大陆性季风气候，夏季温暖多雨，主要农业区≥10℃年平均降水量为350 mm～1 200 mm。

2 数据与方法

2.1 数据来源

选取东北地区51个农业气象观测站为研究站点。其中站点数分别为：辽宁省12个、吉林省13个、黑龙江省16个、内蒙古自治区东部10个(各站点分布如图1所示)。研究所用资料为1989年—2018年4月—9月逐日气象要素(辐射、温度、湿度、风速、气压、降水)，来自国家气象信息中心资料室，并对研究区域种植的作物类型、种植面积和生育阶段进行了调查统计。地理数据主要包括东北地区的行政区划图，数据格式为Shapefile。

2.2 玉米生育期划分

2.2.1 玉米种植区域确定方法

本文根据东北地区历年玉米种植面积作为该地区玉米种植区域的依据，即计算东北地区各县(或县级市)2018年前近5 a的玉米平均种植面积，认为其在该地区农作物种植面积排名前2的区域为玉米种植区域(数据来源于中国统计年鉴[26])。根据以上原则，确定东北地区玉米种植的界限，见图1。

图1 东北地区玉米种植区

2.2.2 玉米生育阶段划分

根据区域内物候特征和前人研究成果将玉米生育期划分为4个阶段：播种—苗期、拔节—孕穗期、抽穗—开花期、灌浆—成熟期。根据实测玉米生育期观测资料，假定研究时段内玉米品种保持不变，确定了研究区域内玉米的平均生育期见表1。本研究计算了不同生育阶段内的ηspei值，将得到的ηspei值记为ηspei-M,其中M表示生育期天数。如ηspei-60表示60 d的ηspei值。

表1 东北地区春玉米生育阶段划分

2.3 ηspei值的确定与干旱等级划分

ηspei是对降水量与潜在蒸散量差值序列的累积频率值进行正态标准化后的指数。

(1) 利用FAO-56中推荐的Penman-Monteith 公式[37]计算1989年—2018年不同生育期内逐日参考作物蒸发蒸腾量 ，各站点逐日作物系数 采用前期研究确定[34]，进而计算不同生育期内作物蒸发蒸散量ET，公式为:

ETi=ET0i×Kci

(1)

式中:ET0i为第i个生育阶段参考作物蒸发蒸腾量，mm;Kci为春玉米第i个生育阶段系数。

(2) 有效降水量的确定公式为：

P0i=αPi

(2)

式中:P0i为有效降水量，mm；Pi为实际降水量，mm；α为降水入渗系数[34]，一次降水量小于5 mm时，α为0,当一次降水量在5 mm～50 mm时，α为0.9,当一次降水量大于50 mm时，α为0.8。

(3) 计算降水与蒸散的差值Di,即:

Di=P0i-ETi

(3)

式中:P0i为第i个生育阶段有效降水量,mm;ETi为玉米第i生育阶段蒸发蒸散量，mm。

(4) 全生育期的降水与蒸散差值D，即:

D=P-ET

(4)

(5) 最后，对Di和D序列进行正态化处理, 计算每个差值对应的ηspei值，具体方法见气象干旱标准[37]。干旱等级借鉴张煦庭等[38]进行划分，见表2。

表2 ηspei指数干旱等级划分

2.4 干旱发生频率的计算方法

根据文中确定的标准化降水蒸散指数，按照不同生育期计算不同等级的干旱发生频率，轻旱发生频率,即为总研究序列(1989年—2018年共30 a)中，轻旱发生次数与总研究年数的比值。1989年—2018年历年、历年各季、历年各生育期不同程度的干旱事件发生频率[39-40]的计算公式为:

(5)

式中:n为相应干旱等级的发生年数;N为研究总年数。

2.5 ηspei变化趋势分析方法

利用线性倾向估计法对1989年—2018年东北玉米种植区春玉米ηspei值变化趋势进行分析。线性倾向估计是一条合理的直线，表示变量之间的关系，建立y与时间t之间的一元线性回归方程:

y=a+bt

(6)

式中:a为回归常数；b为倾向率，以10b表示春玉米ηspei值每10 a的倾向率，其正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。

3 结果与分析

3.1 不同生育阶段春玉米ηspei年际变化趋势

四个研究区域不同生长阶段春玉米ηspei值平均值变化情况的回归方程和10 a倾向率等结果如表3所示。由表3可知，四个区域的ηspei值在播种—苗期均无显著上升或下降趋势(P>0.05)，而拔节孕穗期均呈现下降趋势，其中内蒙古东部和辽宁ηspei值下降较快，达显著下降趋势(P<0.05)，气候倾向率分别为-0.46/10 a、-0.44/10 a，吉林次之(-0.17/10 a),黑龙江(-0.06/10 a)最小。抽穗开花期吉林、黑龙江、内蒙古东部的ηspei值呈现下降趋势，而辽宁(0.11/10 a)呈上升趋势。灌浆成熟期辽宁、黑龙江、内蒙古东部呈下降趋势，吉林呈现上升趋势。

表3 东北春玉米生育期内不同生育阶段ηspei序列变化趋势分析

图2显示了东北地区1989年—2018年全生育期ηspei值平均值的变化趋势。

图2 东北春玉米全生育期ηspei平均值变化曲线

由图2可知，ηspei值年际变化呈现阶段性变化趋势，1989年—2004年呈现下降趋势，2005年至研究阶段末期变化较稳定。辽宁、吉林、黑龙江和内蒙古东部近30年的ηspei值总体呈下降趋势(线性倾向率分别为-0.10、-0.15、-0.24和-0.28)。1980年代到2000年代初期，4个区域的ηspei值呈下降趋势，并在2002年达到历史最低值，辽宁、吉林和内蒙古东分别达重旱水平(ηspei值分别为-1.63、-1.59和-1.51)，而黑龙江达中旱水平(ηspei值为-1.11)。而ηspei值在2005年到研究阶段末期变化趋势平稳，各区域间的ηspei值变化趋势大致相同，普遍处于湿润和轻旱状态，基本没有差异。总体而言，东北玉米种植区近30 a全生育期的ηspei值整体波动性强，年际差异大。

3.2 春玉米干旱发生频率与干旱发生相对面积

分析近30 a来研究区域内春玉米全生育期的干旱发生频率(见图3)，由图3可以看出，就轻旱频率而言，内蒙古东最高(43.27%)，其他三省份基本相同，频率达30%左右。就中旱而言，内蒙古东最大(21%)，辽宁和黑龙江次之，达13.3%，吉林最低(29%)。就重旱而言，内蒙古东最高达6.67%，其他三省份均较低，达3.33%。总体来看，内蒙古东干旱频率最大，轻度以上干旱频率为71%(3 a两小旱)，中度以上干旱频率为27.67%(4 a一中旱)，重旱频率为6.67%(16 a一大旱)。

图3 各春玉米种植区干旱发生频率

3.3 不同生育阶段ηspei的空间分布

为了进一步分析区域内ηspei值不同生育阶段及全生育期的空间分布特征，采用克里金空间插值法对近30 a的ηspei平均值进行空间插值，进而分析东北地区春玉米各生育期干旱情况(如图4所示)。

图4 东北春玉米生育期内不同生育阶段标准化降水蒸散指数空间分布

播种—苗期阶段，ηspei值空间分布呈由研究区域东北部向西南部递减趋势，在-0.06～-0.01之间波动，低值区分布在内蒙古东的大部和辽宁西部，普遍低于-0.04，呈轻度亏水状态，但并未达到轻旱；黑龙江东部和吉林东北部地区呈水分平衡状态，ηspei值在-0.01～0.00之间。

拔节—孕穗阶段，研究区域内的ηspei值主要分布在-0.04～-0.02之间，整体差异不大，内蒙古东的西部和黑龙江北部地区存在低值区，呈轻度亏水；辽南存在高值区，ηspei值变化范围为-0.02～-0.01。

抽穗—开花阶段，ηspei值由种植区东北部向西部逐步递减，在-0.06～0.02之间变化，在黑龙江东北部存在高值区，值为0.02～0.03，呈水分盈余状态；内蒙古东的大部和辽宁西部普遍呈水分亏缺状态，ηspei值均低于-0.03，但未达轻旱状态。

灌浆—成熟阶段，ηspei值分布差异较大，大体上呈由研究区域西北部向东南部逐渐递增趋势，内蒙古东的大部和黑龙江的西北部呈水分平衡状态，在零值附近波动；再往东部，呈现水分盈余，尤其辽南、吉林东南部地区水分盈余充足，ηspei值达0.03～0.04。

总体而言，东北玉米种植区各生育阶段标准化降水蒸散指数范围在-0.06～0.04之间。各生育阶段的标准化降水蒸散指数具有明显的空间异质性，且均普遍呈湿润状态。

图5为东北地区春玉米全生育期标准化降水蒸散指数(ηspei)空间分布图，整体上呈由研究区域西北部到东南部依次递增趋势，在内蒙古东的大部、吉林北部和黑龙江地区的ηspei值均小于0.00，呈现水分亏缺，但并未达到轻度干旱；辽宁大部、内蒙古东的东南部和吉林东南部地区ηspei值大于0.00，呈现水分盈余，尤其在辽南地区，ηspei值达到0.03～0.04之间。

图5 东北春玉米全生育期标准化降水蒸散指数空间分布

3.4 东北玉米种植区春玉米生育期内干旱频率空间分布

为定量分析东北玉米种植区近30 a春玉米生育期干旱的空间分布特征，本研究计算春玉米各生育阶段干旱发生频率实现其空间分布。

在玉米的播种—苗期，发生轻度及以上干旱的频率在28%～36%之间，中度及以上干旱的频率小于22%，重旱频率小于10%。各玉米种植区的轻度及以上干旱频率在空间分布上无明显差异，在辽宁南部存在部分低值区(20%～24%)。中度及以上干旱频率空间分布差异明显，整体呈现由种植区南部向北部方向递增趋势，黑龙江大部和内蒙古东的西北部存在高值区(19%～22%之间)。除黑龙江东北部偶有重旱发生外，其他地区重旱鲜少发生。

在玉米的拔节—孕穗期，轻度及以上干旱发生频率和重度干旱发生频率在空间分布上普遍无明显差异，在内蒙古东的西南部存在高发区，轻度及以上干旱发生频率达32%～36%，重旱频率达12%～16%。而中度及以上干旱发生频率空间差异明显，在内蒙古东的大部和辽宁西部存在高值区(20%～24%)，由黑龙江、吉林向内蒙古东和辽宁递增，干旱趋势加重。

玉米抽穗开花期轻度及以上干旱发生频率在24%～30%之间，中度及以上干旱发生频率在5%～20%之间，重旱频率小于11%。各玉米种植区的轻度及以上干旱发生频率和重旱发生频率的空间分布均有较大差异。轻度及以上干旱发生频率空间上呈现由种植区东北部向西南部递增趋势，在内蒙古东的西南部存在高发区，频率达18%～20%；重旱频率大体上呈现由种植区东部向西部递增趋势，在内蒙古东的东部存在高值区(11%～13%)。中度及以上干旱频率空间分布无明显差异，在内蒙古东的大部存在高值区(16%～19%)。总体以轻度及以上干旱为主，中度及以上干旱和重旱鲜少发生。

玉米灌浆—成熟期轻度及以上干旱发生频率在27%～32%之间，中度及以上干旱发生频率小于18%，重旱频率小于11%。轻度及以上干旱、中度及以上干旱和重旱发生频率空间上均呈现阶梯状变化，由种植区西部向东部方向递减。轻度及以上干旱发生频率在吉林大部和黑龙江东部存在低值区(27%～29%)，中度及以上干旱发生频率在内蒙古东和辽宁西部存在高值区(16%～17%)。重旱高发区主要存在于内蒙古东地区。

东北春玉米全生育期的干旱频率空间分布特征:研究区域内各省份发生轻度及以上干旱和中度及以上干旱的频率，均呈现由种植区东部向西部方向递增趋势。重旱频率普遍较低(0%～8%)，且空间分布无明显差异。

总体而言，东北玉米种植区春玉米生育期内干旱频率以轻度及以上干旱为主，中度及以上干旱和重旱鲜少发生。

4 结 论

(1) 东北玉米种植区不同生育阶段的ηspei值年际变化趋势差异明显，以1997年、2008年和2015年为主要转折点呈现波动性变化，ηspei值变化范围为-1.7～2.0。

(2) 全生育期干旱发生频率最大的为内蒙古东，其次为辽宁、吉林和黑龙江。

(3) 东北玉米种植区总体上呈湿润状态(ηspei值>-0.5)；春玉米干旱频率空间分布特征及变化规律差异较大。各个生育阶段均以轻度及以上干旱为主，尤以玉米播种—苗期轻度及以上干旱发生频率最高(28%～36%)，而中度及以上干旱和重旱发生频率均较低。