辽宁省玉米干旱的时空分布特征分析

吴宜宣，严 俊，殷 红，郭乃馨，赵媛媛，王 营

(1.沈阳农业大学 农学院，沈阳 110866；2.辽宁省气象局，沈阳 110001)

玉米作为辽宁省第一大作物，种植面积约占整个地区的20%，辽宁省玉米产量欠丰将直接影响全国的玉米总产量。由于季风气候影响与复杂地形制约，辽宁省降水量在时间与空间上分布不均，且常小于蒸散量，因而土壤常处于水分亏缺状态，易发生农业干旱。在全球气候变化影响下，辽宁省气候资源年际间波动较大[1-4],极端事件时有发生,加之不同熟性的玉米品种在辽宁种植区域北移东延[5-6],辽宁地区农业气象灾害的发生频率与受灾比率有增加趋势。大量的研究表明，干旱已经成为影响东北地区玉米生产最主要的灾害之一[7]，在每个季节都会有干旱发生[7-8]，近10a来更是干旱发生频次最多的时期[9]，引起这一现象的主要原因是温度明显升高，蒸散量增加速度远超降水量的增长情况，从而导致东北地区湿润程度降低，气候干燥化明显[10]。农业干旱是削减辽宁乃至全国地区粮食生产的重要因素，旱灾发生的频次及受灾面积呈现逐年扩大的趋势，给辽宁省农业生产和粮食安全带来巨大的损失。

关于干旱指标前人己有大量研究，但由于干旱的成因异常复杂，影响因素众多，迄今为止还没有找到一种普遍适用各种用途、适用于不同地区、不同时间段的干旱指标体系[11-15]，以降水资料为主的干旱指标通常有降水距平、标准降雨指数(SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)[16-20]。其他有关作物形态的干旱指标在农业研究中也常有应用[7]，然而，作物个体与取样时段的差异常导致生理参数的测量结果有较大差异，使用该类指标时，常常需要大量取样[21-25]。关于干旱的空间分布在中国也有着大量的研究，严中伟等[26]研究表明，1965年以后中国华北地区降水显著减少，干旱化趋势明显，是一种应引起重视的全球尺度的气候现象。中国北方、华南和西南地区干旱化趋势显著，极端干旱年干旱面积扩大迅速，干旱化与气候变暖相叠加，将使北方地区干旱化趋势进一步发展[27-29],北方大部地区暖干旱化加剧的主要原因是升温影响蒸发潜力从而影响地表湿润状况，单一用降水来表示干旱具有局限性[30-31]。贺晋云等[32]对西南地区的干旱化进行分析，指出广西南部、四川盆地西南与贵州北部极端干旱频率显著增加。有研究表明，中国干旱发生频次在80年代前后，高发区地理分布发生一次年代际跃变，80年代至今，干旱高发区转移到以前的低发区[33]。安昕等[34]研究辽西年降水和汛期降水的变化特征，发现辽西年降水量、汛期降水量年际间波动较大，近50a存在明显减少趋势，该趋势加剧农业干旱。此外，马建勇等[35]利用区域气候模式分析未来东北地区作物生长季(5-9月)干旱趋势，认为在东北地区未来农作物生长季将会呈现出明显干旱化趋势，并且干旱的发生范围呈显著增大趋势。

本试验以影响辽宁省玉米生产的主要气象灾害——干旱为研究对象，以长序列的气象资料和作物生长发育资料为基础，分析辽宁省玉米干旱的时空分布特征与成灾规律，绘制辽宁地区玉米发育期干旱的时空分布图，以期能够及时、准确地判断农业气象因子的异常变化，为辽宁省玉米的抗旱减灾和增产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

辽宁省地处中国东北的南部，地理位置在北纬38°43′～43°26′，东经118°53′～125°46′，属季风气候区。气候上有暖温带湿润气候、半湿润气候以及冷温带湿润气候、半湿润气候和半干旱气候，同时，在辽东的部分中山地区出现气候的垂直分带。辽宁水少，属于严重缺水的省份，省内各地区降水的分布严重不均，本研究对辽宁省45个站点(图1)的气象数据进行统计分析，进而分析辽宁地区玉米干旱的时空变化特征。

1.2 资料来源

气象资料包括1961-2015年辽宁省45个空间代表性好、资料完整的气象站点的逐日气象观测数据，资料主要来源于国家气象科学数据共享服务平台。

玉米观测资料来源于国家统计局、国家农业部种植业管理司以及农业气象观测站。《中国气象灾害大典·辽宁卷》、《中国气象灾害年鉴》(2005-2016 年)以及农业部灾情数据库。

空间数据资料来源于全国地理信息资源目录服务系统1∶100万基础地理数据库。

1.3 研究方法

1.3.1 作物水分亏缺指数(CWDI) 作物水分亏缺指数是常用的农业干旱指标之一，它被定义为作物需水量与自然供水量之间的差与作物需水量之比，用百分率表示[36-37]。考虑到作物水分盈亏的累积效应对后期玉米生长发育的影响，在计算作物水分亏缺指数时，向前推50 d。其中，采用Penman-Monteith方法计算玉米需水量ETc，参照纪瑞鹏等[38]确立的玉米生育期作物系数(Kc)，对CWDI进行计算。将中国气象行业标准《北方春玉米干旱等级》(QX/T259-2015)作为本研究的分级标准(表1)。

表1 玉米干旱分级Table 1 Grading of maize drought in different periods based on CWDI

1.3.2 干旱频率 干旱频率用来评价某气象站点在研究时间段内发生干旱频发的程度[36]。

Fi=n/N×100%

式中：Fi为某气象站发生某种程度干旱的次数(%)，n为该站点某生育期发生某种程度干旱的次数，N为总的研究年数。

1.3.3 干旱的站次比 干旱站次比用于反映研究区域内，某种程度的干旱影响的范围大小[37]。

Pi=m/M×100%

式中：Pi为干旱的站次比(%)，m为某种程度干旱发生的站点数，M为研究区域内总的站点数。

1.3.4 ArcGIS软件 ArcGIS 是全球功能最强大的GIS专业软件，具有强大的符号制作功能，由ArcMap来实现符号的制作和管理，其精度高、占用空间小、操作性强，适用性广[39]，可以用于玉米干旱时空分布特征的分析。

2 结果与分析

2.1 作物水分亏缺指数(CWDI)在辽宁省的适用性

作物水分亏缺指数能够准确、清晰地反映土壤、植物、气象三方面因素的综合影响，在干旱的研究方面更为宏观、实用，能够真实反映出作物水分的亏缺状况，是较为常用的作物干旱诊断指标[40]。表2将1961-2015年部分站点的干旱情况与所计算的CWDI进行比较，进一步确定得出：所计算的CWDI与历年数据基本吻合，指标可用。

表2 历史干旱情况对照表Table 2 Comparison table for historical drought

2.2 辽宁省干旱频率的空间分布

如图2所示，在播种～出苗阶段，整体干旱频率大致呈现径向分布，由辽宁西部向辽宁东部减小，干旱发生频率最高值出现在建平，值为 98.18%，最低值出现在宽甸，值为38.20%。辽西大部与辽东半岛为这一阶段干旱的高发区。全省平均轻旱、中旱、重旱、特旱频率分别为 30.30%、18.26%、14.34%、15.60%，以玉米轻度干旱出现频率最高。阜新、建平、绥中等地发生特重度干旱的频率高于轻度干旱，在辽宁大部地区，干旱频率高于68.19%，各级干旱在这一阶段均有发生，且程度严重，影响范围广。

如图3所示，在出苗～拔节阶段，在站点熊岳干旱频率达到辽宁省的最高值90.90%，在站点宽甸干旱频率达到辽宁地区的最低值9.09%，其中，发生高频率干旱的地区分布不集中，在西北部、北部和南部均有体现，靠近辽宁东部的干旱发生频率降到较低值。全省平均轻旱、中旱、重旱、特旱频率分别为32.12%、11.47%、5.09%、 2.10%，发生频率与干旱程度等级呈现负相关。营口、大连为重度干旱、特重度干旱易发区，其中营口发生重度干旱的频率为18.18%，发生特重度干旱的频率为 20.00%，在大连发生重度干旱的频率为21.82%，发生特重度干旱的频率为 21.82%。在桓仁仅发生轻度干旱，其频率为 29.09%，轻度干旱成为玉米生育期这一阶段的主要干旱情况。

图4所示，在拔节～抽穗阶段，辽宁东部整体～辽宁西部，干旱频率呈现先增减后减少的趋势，在站点营口干旱频率达到辽宁地区的最高值83.35%，在站点宽甸干旱频率达到辽宁地区的最低值20.02%，大洼、营口、熊岳、瓦房店、庄河、大连等地较其他地区发生重度干旱的频率高，建平县的干旱频率高于临县，干旱频率高于60%的范围较小。全省平均轻旱、中旱、重旱、特旱频率分别为33.17%、11.72%、6.1%、3.47%，发生频率与干旱程度等级呈现负相关。相对于本阶段其他地区而言，营口、大连为中度干旱易发区，重旱、特旱在营口、大连的发生频率较其他地区高。轻度干旱为拔节～抽穗这一阶段的主要干旱情况。

如图5所示，在抽穗～乳熟阶段，整体干旱频率大致呈现经向分布，由西向东整体的干旱发生频率呈现递减趋势。在站点建平干旱频率达到辽宁地区的最高值58.17%，在站点宽甸干旱频率达到辽宁地区的最低值3.64%，绥中、兴城等地较其周围地区频率较低，干旱频率大于50%的站点仅有建平、朝阳、叶柏寿、凌源、台安、大洼、营口、熊岳8个站点，分布在辽宁西部地区。全省平均轻旱、中旱、重旱、特旱频率分别为18.42%、10.38%、6.02%、1.62%，发生频率与干旱程度等级呈现负相关。在桓仁仅发生轻度干旱的频率为7.27%，在建平、绥中、锦州、营口、大连、昌图等地发生重度干旱的频率较其他地区高，但轻度干旱仍是这一阶段的主要干旱情况。

如图6所示，在乳熟～成熟阶段，整体干旱频率大致呈现经向分布，在站点建平干旱频率达到辽宁地区的最高值67.27%，在站点本溪干旱频率达到辽宁地区的最低值1.82%，这一阶段干旱频率高于50%的区域较小，各地发生干旱的频率均有所下降。在辽宁中东部地区，发生干旱的频率低于31.59%，全省平均轻旱、中旱、重旱、特旱频率分别为15.56%、8.40%、3.15%、0.97%，发生频率与干旱程度等级呈现负相关。轻旱在建平的干旱频率较高，达到40.00%，在桓仁、丹东等地仅发生轻度干旱，大部分地区发生特重度干旱的频率为0%，轻度干旱对这一阶段玉米构成主要影响。

总的来说，辽宁地区玉米在生育前期比后期遭遇干旱的可能性大，在生育期的任一阶段，轻旱、中旱发生的频率大于重旱、特旱。就辽宁省整体而言，各个时期干旱频率大致呈现径向分布，表现为辽西向辽东递减的趋势，建平、营口、熊岳等地发生干旱的频率在玉米生育期的各个阶段均处于较高值，为主要高频区。桓仁较少发生轻度干旱以上等级的干旱，本溪、宽甸等地的干旱频率为生育期各个阶段的较低值，为主要低频区。

2.3 辽宁省玉米干旱范围的年际变化(站次比)

图7显示玉米生育期内各个时段干旱范围的年际变化，在1961-2015年，播种～出苗阶段出现干旱的站次比情况高达100%的有10 a，其中，2001年发生的干旱程度均在中旱以上，重旱、特旱尤为明显，所占比例较大。在1964年、2009年、2010年里，干旱程度较轻，未发生轻旱程度以上的干旱，播种～出苗时期易发生干旱。出苗～拔节阶段出现干旱的站次比最高值为 98%，出现特旱的年份有24 a，大部分为轻旱、中旱、重旱，只有1990年、2005年、2010年这 3 a未出现干旱，干旱站次比为0%。20 世纪 90 年代以来站次比的波动较大，这一时期里，干旱发生的站次比低于上一时期。拔节～抽穗阶段的干旱站次比高达100%有3 a，分别为1997年、2000年、2007年，干旱总的站次比在50%左右，在80至90年代之间，中旱及以上程度干旱的站次比都较小，其中，轻旱成为这一阶段干旱的主要部分，近年来，虽然中旱及以上程度干旱所占比例均有所增加，但轻旱仍然有较大比例，例如2007年玉米轻旱程度达76.92%，1994年玉米轻旱程度达73.08%。抽穗～乳熟这一阶段里，1964年、1977年这2 a里干旱的站次比为0%。这55 a的平均干旱站次比为35%，轻旱、中旱为主要的干旱情况，其发生的站次比情况呈现增长趋势，在部分发生干旱程度达到特旱的年份里，特旱所占比例平均低于8%。乳熟～成熟阶段极少出现特旱情况，干旱发生总的站次比极少数(1989年、2014 年)高于80%，轻旱、中旱为这一时期的主要情况，2005年只发生了轻旱，并且轻旱站次比为40.38%，在80年代至90年代，近乎没有发生干旱，90年代以来，重旱发生的站次比波动较大。

总的来说，播种～出苗阶段，平均站次比为78.9%，为生育期内5个阶段的最高值，相对于生育期内的其他阶段而言，该时期易发生干旱。出苗～拔节阶段平均站次比为52.7%，拔节～抽穗阶段平均站次比为54.7%，在这两个阶段里，干旱的发生仍以轻旱为主。抽穗～乳熟阶段，干旱的平均站次比减小为35.9%，乳熟～成熟阶段平均站次比为29.5%，达到整个生育期的最低值，相比较而言，干旱的等级程度也较低，最不易发生干旱。轻旱、中旱为玉米整个生育期内干旱情况的主要体现。

3 讨 论

本文基于长时间尺度，利用已知气象站点的数据资料，结合干旱指标，计算辽宁地区玉米生育期各个阶段各个站点的作物水分亏缺指数(CWDI)、干旱站次比及干旱频率，分析辽宁省玉米干旱的时空分布规律。通过对辽宁部分站点不同时间段的作物水分亏缺指数与历年历史记录的干旱情况相比较，结果发现，作物水分亏缺指数能较真实地反映出作物水分的亏缺状况，在辽宁地区适用性好。总体而言，本世纪以来，玉米水分亏缺程度有所增加。在播种～出苗期玉米作物水分亏缺指数较大，为最易发生玉米干旱的阶段。随着玉米的生长，作物水分亏缺指数明显下降。在气候变暖的背景下，辽宁地区干旱的发生频率呈现不规律性，没有明显的线性变化趋势。从辽宁省玉米干旱空间分布来看，干旱发生频率在玉米生育期的大部分时间内呈现出西部最高、中部次之、东部最低的空间分布规律，这与生育期内辽宁省由西向东降水量的增加有直接关系。在出苗～拔节、拔节～抽穗这一阶段时，干旱发生频率由西向东表现为先增后减，这与降水量的分布有所不同，可能是由于其他因素对该阶段干旱产生的影响，但是本文并没有考虑其他因素，这有待于今后的进一步研究。各等级干旱发生频率基本上呈现出递减的趋势(轻旱>中旱>重旱>特旱)，这些与前人的研究结果总体一致[41-42]。

作物系数(Kc)对准确计算农田实际蒸散量有很大程度的影响，不同区域之间的差异较大，考虑作物的需水特性，能够更好地反映作物在生长过程中的缺水情况[43]，然而，本文在计算CWDI时，对不同区域及不同生育期的Kc采用了固定值，这可能会造成整个地区玉米干旱的时空分析的不连续性。此外，监测和预测干旱常用的方法是构造干旱指标。本文使用的是作物水分亏缺指数，未来的研究中可以运用其他指数进行一定的数据处理与分析，从而更好地比较干旱的发生情况，确立更适合更具有指示意义的干旱指标。

辽宁地区玉米干旱的时空分布特征分析对辽宁地区的农业生产有一定的指导意义，对未来气候变化有警示作用。本研究结果是以45个典型代表站为研究对象得出的宏观结论，还需结合历年产量，进一步完善和验证，增加结论的可靠性和实用性，以此服务于地方农业生产。

4 结 论

作物水分亏缺指数在辽宁地区的适用性较好，能够用来反映辽宁地区玉米水分的亏缺程度。辽宁地区45个站点的干旱站次比差异显著，在玉米生育期的各个阶段站次比处于波动变化的状态，没有明显的线性变化趋势。在生长初期，较易发生干旱，不同等级干旱站次比较其他阶段高，对于抽穗～乳熟、乳熟～成熟阶段而言，站次比的年际波动较大。近年来，各生育期各等级的玉米干旱范围均有扩大趋势。辽宁省年均干旱发生频率大体表现为西高东低，其发生强度在空间分布上也有所不同，各等级干旱发生频率基本上呈现出递减的趋势(轻旱>中旱>重旱>特旱)。对于玉米整个生育期而言，发生干旱的频率随着玉米的生长呈现递减的趋势。