基于作物水分亏缺指数的黄淮海平原夏玉米全生育期干旱分布特征*

张晓旭，孙忠富，郑飞翔**，刘 江，李崇瑞，王一昊

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.沈阳农业大学农学院，沈阳 110866；3.中国气象局气象干部培训学院辽宁分院, 沈阳 110866）

黄淮海地区是中国夏玉米主产区之一，播种面积约占全国播种面积的32%，总产量约占34%[1]。然而由于该地区夏玉米生长季气温高，蒸发量大，降水时空分布不均，导致干旱发生频繁[2−3]。气候变化导致气温升高，降水时空分布也发生变化，干旱成为影响玉米生产的重要因素。北方地区是干旱易发区，气候变化背景下干旱呈现常态化，干旱频发，对玉米的影响逐渐加重，导致黄淮海地区夏玉米总产量因旱下降，甚至对全国粮食总产量造成重大影响。因此，研究该区域夏玉米不同生育阶段干旱时空演变规律，明确干旱对夏玉米产量的影响，并采取相应防灾减灾措施对保证粮食产量具有重要意义。

常用的干旱指标包括作物水分亏缺指数（Crop Water Deficit Index, CWDI）[4−5]、土壤相对湿度（Soil Relative Moisture, Rsm）[6−7]、降水距平百分率（Precipitation Anomaly in Percentage, PA）[8−9]、标准化降水指数（Standard Precipitation Index, SPI）等[10−11]。PA和SPI只考虑降水因素，资料简单易获取，但因未考虑土壤底墒、作物生育期等问题，不能直观反映农作物干旱程度[9−10]；Rsm需要土壤湿度数据，中国农业气象行业目前使用的土壤湿度数据是每月逢“8”（每月的8、18、28日）测定一次，会把中间的干旱时段或者明显的降水过程漏掉，影响结果准确度[12]；而CWDI不仅综合考虑了气象、作物、土壤三方面因素，还考虑了作物播种前期干旱积累对后期作物生长发育的影响，能够更客观真实地反映出水分亏缺程度与干旱情况[13]。薛昌颖等[2]分析了土壤相对湿度与水分亏缺指数的关系，建立了黄淮海地区夏玉米不同阶段土壤相对湿度与水分亏缺指数之间的线性关系模型，并由此建立了与土壤相对湿度干旱等级指标相对应的水分亏缺指数干旱等级指标。杨平等[3]基于自然灾害风险评估原理，运用信息扩散法、加权综合评价法和层次分析法，评估了黄淮海地区夏玉米干旱灾害风险评估，研究得出黄淮海地区夏玉米干旱危险性整体偏高，干旱频率均在64.36%以上。薛昌颖等[14]还从灾害风险的危险性、脆弱性、暴露性和防灾减灾能力4个方面构建了黄淮海地区夏玉米干旱风险评估指标和模型，结果表明该区夏玉米生长季干旱发生危险性最大的阶段主要是播种−出苗期和乳熟−成熟期。

目前，已有研究采用CWDI分析了玉米生育期风险等，但研究区域集中在中国东北、西南、西北地区[13,15−17]，鲜有针对黄淮海地区夏玉米干旱时空变化特征的研究报道。本研究旨在通过对干旱指标CWDI的计算，分析黄淮海地区夏玉米不同生育阶段干旱灾害的时空演变特征，探究不同年代夏玉米生育期的干旱情况，以期为黄淮海地区未来农业气象灾害的评估、监测和防灾减灾工作提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况与数据来源

黄淮海地区（31°−50°N，110°−125°E）[18]包括河北省除承德和张家口外、河南和山东全省区域、安徽和江苏省的长江以北地区。选择研究区域内具有1981−2015年完整时间序列的逐日地面观测资料的气象站点，共计76个（图1）。气象数据下载自中国气象数据网（http://www.cma.gov.cn），气象要素包括平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、降水量、风速和日照时数；生育期数据为2000−2010年黄淮海地区夏玉米生育期数据，来源于中国气象数据网（http://www.cma.gov.cn）。

图1 黄淮海地区气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Huang-Huai-Hai plain

1.2 研究方法

1.2.1 夏玉米生育期和研究区划分

黄淮海区夏玉米播种期主要集中在6月上旬或者中旬，其余生育阶段在时间上基本同步，全生育期集中在6−9月。根据中华人民共和国气象行业标准《北方夏玉米干旱等级》（QX/T 260−2015）将黄淮海夏玉米生育期划分为5个阶段[19]，各个生育期的时间划分主要参照于黄淮海地区夏玉米生育期数据以及相关文献[20]（表1）。

表1 黄淮海地区夏玉米生育期划分Table 1 Division of summer maize growth period in Huang-Huai-Hai plain

根据生育期划分界限，将整个研究区划分为3个亚区，Ⅰ区为河北中北部；Ⅱ区包括河北南部、河南北部和山东；Ⅲ区包括河南南部、安徽北部和江苏北部。

1.2.2 作物水分亏缺指数（KCWDI）的计算方法

（1）不同生育阶段水分亏缺指数（KCWDI）计算

式中，KCWDI为夏玉米某一生育期的平均水分亏缺指数（%）；ICWDI,j为该生育期内第j旬的累计水分亏缺指数（%）；n为该生育期包含的总旬数。

式中，CWDIj、CWDIj-1、CWDIj-2、CWDIj-3和CWDIj-4（%）为第j、j-1、j-2、j-3和j-4旬的水分亏缺指数(以j旬为基础向前推4旬)；a、b、c、d和e为权重系数，根据气象行业标准 北方夏玉米干旱等级，分别取值为0.3、0.25、0.2、0.15和0.1。

（2）旬水分亏缺指数计算

式中，ETc,j为第j旬的需水量（mm）；Pj为第j旬的降水量（mm）。

（3）作物需水量计算

夏玉米生育期内某旬的需水量

式中，ET0为某旬参考蒸散量，可由（QX/T81-2007）计算方法获得[21]；Kc为夏玉米生育期内某旬的作物系数，黄淮海地区的作物系数Kc情况见表2。

表2 黄淮海地区夏玉米作物系数Table 2 Crop coefficients (Kc) of summer maize in Huang-Huai-Hai plain

1.2.3 干旱等级划分

根据《北方夏玉米干旱等级》对作物水分亏缺指数的计算结果进行干旱等级划分，结果见表3[19]。

表3 基于生育期平均水分亏缺指数划分夏玉米干旱等级的标准Table 3 Classification standard of summer maize drought based on the average crop water deficit index in the growth period

1.2.4 干旱发生频率

干旱频率用来评价某种程度干旱在资料年份（1981−2015年）内的发生频率，即某一站点发生某种程度干旱的年数与研究期总年数之比，即

式中，Fi为某站某生育期发生某种程度干旱的频率，n为该站该生育期发生该程度干旱的年份数，N为资料总年数。

1.2.5 干旱影响范围

干旱站次比可以用来反映某种程度干旱在研究区的影响范围，以发生某种程度干旱的站点与该区域内所有站点数的比值表示，即

式中，P代表某种程度干旱站次比（%）；m为发生某种程度干旱的站点；M为研究区域内站点总数（76个气象站点）。

1.2.6 空间表达

利用ArcGIS10.5中的克里金插值，对研究区的各个站点数据进行空间插值，将Cell size设为0.02，对要素进行分类，生成相应的空间图谱。

2 结果与分析

2.1 作物水分亏缺指数（CWDI）的干旱指示性验证

利用《中国气象灾害大典》和《中国气象灾害年鉴》中河北卷、河南卷、山东卷、安徽卷、江苏卷中夏玉米历史干旱情况的描述，对1981−2010年黄淮海夏玉米受灾情况和干旱等级进行验证。《中国气象灾害大典》主要是对干旱的受灾面积、成灾面积、绝收情况、受灾人口等情况的描述，很少有对干旱程度的直接表达，本研究主要通过对干旱灾情的描述判断出干旱等级，据《中国气象灾害大典河北卷》[22]记载：“1992年是河北省干旱的典型年，邢台和衡水大部分地区受旱严重，进入8月，经过人工种植的地块也是缺苗断垅，玉米多是尺把高，可以判断为重旱及以上等级”。8月夏玉米处于抽雄−乳熟期，选取邢台的南宫和衡水的饶阳两个站点计算得到的干旱结果分别为特旱和重旱，发现与历史情况相符。利用此方法对该区域多个站点进行验证，计算结果如表4。

由表4可见，《中国气象灾害大典》和《中国气象灾害年鉴》中研究区域1981−2015年共记录的夏玉米生育期干旱事件有53件，有明确干旱等级的39件。据此记载，利用同期相应站点的气象资料计算CWDI值并判定干旱等级并两相比较。结果表明，完全符合的有20个，基本符合的有6个，不符合的有8个，整体符合程度达到76.5%。由此可见，作物水分亏缺指数（CWDI）及其划分标准可以反映出黄淮海地区夏玉米的干旱情况。

表4 夏玉米历史干旱情况与同期作物水分亏缺指数（CWDI）计算结果符合程度验证Table 4 Verification of historical drought situation of summer maize with the CWDI calculated results

续表

2.2 夏玉米生育期水分亏缺状况及其变化分析

2.2.1 整个生长季平均CWDI变化特征

图2为不同地区1981−2015年夏玉米生育期内平均CWDI。由图可知，随着夏玉米生育期的推进，其CWDI总体趋势为逐渐降低，在乳熟−成熟期会有小升高；空间上表现为二区夏玉米生育期内CWDI值最高。3个区域夏玉米各生育期均以播种−出苗期CWDI值最高，可达50%以上，此时处于6月上旬，对应干旱等级为轻旱及以上；抽雄−乳熟期CWDI值最低，为19.3%～29.9%，对应干旱等级为轻旱、中旱。乳熟−成熟期CWDI有上升趋势，范围在28.7%～36.9%，对应无旱。

图2 不同区域1981−2015年平均CWDI随生育期的变化Fig.2 Average CWDI varied with the growth period in the three regions from 1981 to 2015

2.2.2 各生育期内CWDI年代际变化趋势

图3为1981−2015年不同区域夏玉米生育期内CWDI的年代际变化趋势。由图可知，1981−2015年夏玉米生育期内CWDI总体表现为先上升后下降的趋势，在2011−2015年显著上升，二区夏玉米生育期内CWDI值最高；CWDI值随着生育期的推迟逐渐下降，乳熟−成熟期升高。2011−2015年播种−出苗期一、二区CWDI分别上升至61.1%、57.5%，三区无明显变化。一区在出苗−拔节期、拔节−抽雄期CWDI下降至37.4%及26.3%，其余两个区域均有不同程度的上升。拔节−抽雄期CWDI范围在22.1%～44.1%，一、三区干旱等级为轻旱，二区干旱等级为中旱。2011−2015年抽雄−乳熟期三个区域CWDI值均有明显上升，达到30%以上，干旱等级为中旱。乳熟−成熟期一区CWDI值在2011−2015年呈下降趋势，二、三区呈上升趋势，但整体表现为轻旱。就全生育期而言，一区CWDI值变化不大，而二、三区干旱趋势加重。

图3 1981−2015年不同区域夏玉米不同生育期内CWDI的年代际变化趋势Fig.3 Interdecadal variation of average CWDI during the different summer maize growth period in the three regions from 1981 to 2015

2.3 夏玉米生育期干旱发生频率及其变化分析

2.3.1 不同生育期干旱频率空间分布

图4为黄淮海地区夏玉米5个生育阶段4个干旱等级干旱频率的空间分布。由图可知，播种−出苗阶段特旱的发生频率较高，除安徽和江苏两省，其它地区发生频率大于33%，基本3年一遇或以上；河北省大部以及山东北部干旱频率大于50%，基本2年一遇或以上。出苗−拔节期、拔节−抽雄期、乳熟−成熟期干旱频率随干旱等级升高而降低，其中轻旱发生频率最高，大部分地区干旱频率大于20%，5年一遇或频率更高。在抽雄−乳熟期，轻旱和中旱发生频率明显高于其它各个时期，河北、山东、安徽的大部以及江苏西北部轻旱发生频率较高，大于33%；河南、山东、安徽的大部以及河北南部和西北部中旱发生频率较高，大于33%。由此可见，除播种−出苗期特旱发生频率较高，其它各生育阶段干旱发生频率随干旱等级的上升而下降；河南、河北和山东的大部分地区受干旱影响较大，安徽和江苏受干旱影响较小。

图4 夏玉米不同生育期不同等级干旱频率的空间分布（1981−2015年）Fig.4 Frequency distribution of different grades of drought during the different summer maize growth period（1981−2015）

2.3.2 全生育期干旱频率空间分布

图5为黄淮海地区夏玉米全生育期不同等级干旱频率的空间分布图。由图可见，全生育期干旱发生频率随干旱等级升高而下降，其中轻旱发生频率较高，干旱中心位于河南、河北、山东的大部以及安徽和江苏的北部，干旱发生频率高于33%，在3年一遇以上；除了河南北部和西南部以及山东北部，其它地区中旱发生频率均小于20%，在5年一遇以下；黄淮海地区夏玉米重旱和特旱发生频率低于10%，在10年一遇以下。由此可见，黄淮海地区夏玉米生长季以轻旱为主，其次是中旱，重旱和特旱发生频率较低，整个区域干旱发生频率北部高于南部，西部高于东部。

图5 夏玉米全生育期不同等级干旱频率的空间分布Fig.5 Spatial distribution of frequency of different grades of drought in the whole summer maize growth period

2.4 夏玉米生育期干旱影响范围（站次比）及其变化分析

夏玉米生育期干旱站次比的年代际变化如图6所示。由图可见，研究区域内，除播种−出苗期特旱站次比最高外，其余生育阶段均为轻旱站次比最高。播种−出苗期特旱站次比均为30%以上，2011−2015年站次比达到43.4%，受旱面积较大。其余生育期均以轻旱为主，站次比在20%以上。从全生育期来看，轻旱发生站次比降至24.2%，中旱无明显变化，重旱站次比略微上升，而特旱站次比显著上升，可达15.4%。可见，1981−2015年夏玉米生育期内以轻旱为主，并有加重趋势。

图6 夏玉米生育期干旱站次比的年代际变化Fig.6 Interdecadal variation of drought occurring station ratio at different summer maize growth period

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）黄淮海地区1981−2015年夏玉米生育期内CWDI总体表现为先下降后上升趋势，夏玉米播种期CWDI高达50%以上，之后逐渐下降，乳熟−成熟期CWDI小幅升高；2011−2015年河北、河南南部、山东等地区夏玉米生育期干旱有加重趋势，河南南部、安徽北部和江苏北部CWDI值变化不大。

（2）从干旱空间分布上来看，整个区域干旱发生频率表现为北部高于南部，西部高于东部。播种−出苗期和抽雄−乳熟期干旱发生频率较高，除播种−出苗期特旱发生频率较高，其它各生育阶段干旱发生频率随干旱等级的上升而下降；河南、河北和山东的大部分地区、安徽和江苏受干旱影响较大。

（3）黄淮海地区夏玉米各生育阶段中，轻旱在21世纪干旱站次比最高，特旱在20世纪90年代干旱站次比最高，说明近十几年来轻旱有加重趋势，特旱有减弱趋势。1981−2015年，夏玉米生育期内以轻旱为主，且有加重趋势。

3.2 讨论

在全球气候变化的背景下，中国年均降水量呈下降的趋势，且时空分布不均[23]，中国气候总体表现出暖干趋势，其中呈现暖干、暖湿趋势的站点分别占50.9%和47.5%，华北地区约85.4%的站点表现为暖干趋势[24]。华北地区年均参考作物蒸散量表现出下降趋势，但下降幅度小于降水量的变化，河北南部、河南北部和山东等地区干旱趋势加重[24-26]，本研究发现黄淮海地区干旱发生频率北部高于南部，西部高于东部，河南、河北和山东的大部分地区、安徽和江苏全省受干旱影响较大，与前人研究结果基本一致。黄淮海区域干旱特征表现为春夏连旱或春夏秋连旱[27]，是全国受旱面积最大的地区，本研究同样表明播种-出苗期和抽雄-乳熟期干旱发生频率较高，形成“初夏旱”和“卡脖旱”，除播种-出苗期特旱发生频率较高，其它各生育阶段干旱发生频率随干旱等级的上升而下降。

本研究利用作物水分亏缺指数（CWDI）对黄淮海地区夏玉米干旱时空分布情况进行研究，量化了夏玉米主要生育阶段不同等级干旱的时空变化规律。CWDI是目前应用最广泛的农业干旱指标之一[28]，对夏玉米不同生育期干旱情况进行等级划分，同时根据黄淮海地区重要省份的Kc值，计算过程简单。通过查询《中国气象灾害大典》河北卷、河南卷、山东卷、安徽卷和江苏卷1981-2000年干旱发生情况，对CWDI计算得到的不同生育阶段干旱等级进行验证，站点数据吻合程度在76.4%，说明该指标能够客观真实地反映黄淮海地区夏玉米的干旱情况；但该指标需要灌溉量数据，由于各个区域的灌溉制度不同，灌溉数据很难获得，所以本研究采取对指标进行简化，并没有考虑灌溉对玉米生长发育期的影响，今后还需要充分考虑灌溉因素，并着重考虑土壤质地、坡度、坡向、径流等因素影响，以使干旱研究更加精确有效。不可忽略的是，在实际生产中，干旱的发生往往伴随着高温热害，其区别在于干旱是缓慢出现并加剧的过程，而热害的发生短暂且多为突发，干旱和高温会导致产量的严重下降。在大田生产中单一因素对产量的影响很难评估，因此，研究复合灾害的发生及其影响尤为重要。