基于水分亏缺指数的北疆春小麦不同生育阶段干旱时空特征

祁嘉郁,巴特尔·巴克

(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

干旱是指一定时期内无降水或降水量偏少，使得作物无法从土壤中获取正常生长所需的水分，从而引起作物生长迟缓、产量下降的一种气候现象[1]。干旱在全球范围有着发生频率高、持续时间长、波及范围广的特征，对农业生产造成巨大影响，并且威胁着人类的经济活动，也是影响我国农业生产最主要的自然灾害之一[2-3]。作为旱地主要粮食作物，春小麦在北疆粮食生产中占有重要地位。干旱是制约北疆地区春小麦生长发育和产量形成的主要因素。近年来，新疆部分小型灌区和易旱区接连发生持续性干旱，对农牧业生产造成严重影响，给新疆社会经济持续发展带来一定危害[4]。目前国内外学者针对农业干旱评估做了大量研究[5-6]，提出比较常用的农业干旱评价指标有土壤含水量、降水距平、作物冠层温度以及作物水分亏缺指数等。作物水分亏缺指数是表征作物水分亏缺程度的指标之一，亦反映作物干旱程度[7]。该指数可以对干旱强度给予量化评估，并且考虑干旱对作物不同生育阶段的影响，在一定程度上揭示干旱发生规律。张玉芳等[8]基于水分亏缺原理的玉米干旱监测模型，综合考虑降水量和同期作物需水量，评估了四川盆地玉米生育期干旱状况；康丽娟等[7]利用作物水分亏缺指数并结合农业干旱等级，分析了北疆甜菜不同生育阶段干旱状况的时空分布特征；尤新媛等[9]选取作物水分亏缺指数为农业干旱指标，明确了各生育阶段不同等级干旱对江苏省冬小麦产量的影响。前人基于作物水分亏缺指数对农业干旱发生规律与变化特征的研究主要集中在玉米、冬小麦等粮食作物[10-12]。

本文选取作物水分亏缺指数为春小麦干旱指标，结合新疆历史干旱资料记载，对比分析典型年份干旱指数，确定北疆春小麦干旱等级指标。采用ArcGIS技术，分析1986—2016年北疆春小麦不同生育阶段干旱强度、干旱站次比的年际变化规律以及干旱频率的时空分布特征，以期为相关部门应对农业干旱制定生产计划和水资源优化配置提供理论依据。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

所用北疆地区25个主要气象站点(表1)1986—2016年逐日气温(℃)、降水量(mm)、日照时数(h)、风速(m·s-1)、空气相对湿度(%)等气象资料来源于国家气象信息中心(http://cdc.nmic.cn/home.do)；旱情数据通过《中国气象灾害大典(新疆卷)》[13]和《新疆统计年鉴》[14]对新疆历年干旱灾害的详细记载，结合春小麦生育期特点进行统计。

表1 研究区域气象站点位置Table 1 Location of the study area weather station

1.2 研究区概况

北疆地区位于新疆维吾尔族自治区天山以北，是典型的温带大陆性干旱半干旱气候，年平均气温-4℃～9℃，年降水量150～200 mm，全年无霜期140～185 d。小麦生产是新疆地区农业生产的支柱性产业，目前，全疆小麦面积有80多万公顷，其中春小麦占40%左右，而北疆地区又是春小麦的重要种植区。

1.3 研究方法

1.3.1 作物水分亏缺指数 作物水分盈亏指数是基于农田水分收支原理，表征作物需水量与降水量之间盈亏程度的一个旱涝评价指标。考虑前期水分盈亏的累积效应，一般计算连续10 d的累积作物水分亏缺指数，公式[15]：

CWDI=a×CWDIi+b×CWDIi-1+c×CWDIi-2+d×CWDIi-3+e×CWDIi-4

(1)

式中,CWDI为以10 d为单位计算的累计作物水分亏缺指数；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4为各对应时间单位(10 d)的水分亏缺指数。a、b、c、d、e分别为对应时间单位(10 d)的累计权重系数，一般情况下a取值0.3，b取值0.25，c取值0.2，d取值0.15，e取值0.1，其中CWDIi的计算公式：

(2)

式中,Pi为作物某个时间单位(10 d)的累积降水量(mm)；ETci为某个时间单位(10 d)的作物需水量(mm)，计算公式[16]:

ETc=ET0×Kc

(3)

式中，ET0为参考作物蒸散量(mm)，采用Penman Monteith公式计算[17]；Kc为作物系数。

春小麦既是需水较多的作物，又是比较耐旱的作物，其生育期主要分为营养生长阶段、营养生长和生殖生长并进阶段以及生殖生长阶段。营养生长阶段是由播种至覆盖率接近10%，营养生长和生殖生长并进阶段是从覆盖率10%到完全覆盖，生殖生长阶段是从完全覆盖到成熟收获。本文主要引用已有研究结果[18-19]划分北疆春小麦生育时期并通过调整确定各生育阶段作物系数(表2)。

表2 春小麦各生育时期的划分与不同生育时期的作物系数

1.3.2 春小麦干旱等级指标 根据《中国气象灾害大典(新疆卷)》[13]和新疆统计年鉴[14]对历年干旱灾害的详细记载，选择历史上不同程度干旱发生的典型年份和发生干旱的典型站点。其中，1966年是严重秋旱年；1977年是严重春旱年；1980、2008年是严重夏旱年；1991年是特大干旱年；1998年是一般秋旱年；2000年是一般春旱年，发生干旱的典型站点有阿勒泰、塔城、博乐、蔡家湖、奇台、昭苏和乌鲁木齐站。分别计算各站点春小麦不同生育阶段的水分亏缺指数，结果见表3。参照农业干旱等级[20]和干旱标准[21]，结合表3，确定北疆春小麦干旱等级指标，见表4。

表3 北疆典型干旱站点参考年份春小麦各生育阶段的水分亏缺指数

表4 北疆春小麦干旱等级划分Table 4 Spring wheat drought grade in northern Xinjiang

1.3.3 干旱分析指标

(1)趋势分析[22]：利用气候倾向率分析气候要素的线性变化规律。

(2)干旱强度[23](I)：用来评价干旱的严重程度，计算方法：

(4)

式中,n为区域该年发生干旱的站点数；|Ii|为各气象站点发生干旱时的干旱指标等级，分别用0、1、2、3、4表示无旱、轻旱、中旱、重旱和特旱。

(3)干旱发生站次比[24](P)：指某区域内干旱发生站点数与该区域全部站点数之比，用于评价干旱影响范围的大小。

(4)干旱频率[25](Pi)：指发生轻旱及以上级别的干旱年数与气象资料总年数之比，用于表示干旱发生的频繁程度。

2 结果与分析

2.1 北疆春小麦各生育阶段干旱强度年际变化特征

春小麦营养生长阶段(图1A)，近30 a中干旱强度呈现出波动下降趋势，线性倾向率为-0.117%·10a-1，1997年干旱强度最大，为3.00，2002年最小，为1.38，多年平均值为2.26。春小麦营养生长和生殖生长并进阶段(图1B)，干旱强度呈现出轻微下降趋势，线性倾向率为-0.023%·10a-1，1989年干旱强度最大，为3.12，1987、2016年最小，为1.38，多年平均值为2.67。春小麦生殖生长阶段(图1C)，干旱强度同样呈现出轻微下降趋势，线性倾向率为-0.05%·10a-1，1997年干旱强度最大，为2.64，2013年最小，为1.22，多年平均值为2.14。从近30 a的数据分析来看，北疆地区春小麦全生育期干旱强度总体呈减小趋势，但未达到显著水平；对比各生育阶段干旱强度，以营养生长和生殖生长并进阶段干旱最为严重，营养生长阶段次之，生殖生长阶段干旱较轻。

图1 北疆春小麦各生育阶段干旱强度(I)与站次比(P)的年际变化Fig.1 Interannual variation of drought intensity (I)and station proportion (P) in spring wheat growthstages in northern Xinjiang

2.2 北疆春小麦各生育阶段干旱影响范围年际变化特征

春小麦营养生长阶段(图1A)，近30 a中干旱站次比最低值出现在2011年，为44%，其余年份均达到50%以上，其中有13 a达到100%，干旱站次比高于80%的年数占总年数的77%。从干旱站次比的趋势线可以看出，近30 a来呈现出轻微下降趋势，线性倾向率为-0.452%·10a-1。春小麦营养生长和生殖生长并进阶段(图1B)，1986—2016年干旱站次比均达到80%以上，其中有16 a达到100%。从干旱站次比的趋势线可以看出，近30 a年来呈现出波动上升趋势，线性倾向率为0.355%·10a-1，说明春小麦营养生长和生殖生长并进阶段干旱范围较广。春小麦生殖生长阶段(图1C)，干旱站次比波动幅度较大。1986—2016年干旱站次比均达到60%以上，其中有8 a达到100%，干旱站次比高于80%的年数占总年数的77%。从干旱站次比的趋势线可以看出，近30 a来整体呈现出波动下降趋势，但未达到显著水平，线性倾向率为-0.516%·10a-1。

2.3 北疆春小麦各生育阶段干旱频率空间分布特征

2.3.1 营养生长阶段 由图2可见，北疆春小麦营养生长阶段出现轻旱(图2A)的频率在0～32.24%，其中福海和克拉玛依发生轻旱的频率为0，吉木乃出现轻旱的频率最大，为32.24%，整个北疆大部分地区出现轻旱的频率主要集中在13.00%～20.00%。北疆春小麦营养生长阶段出现中旱(图2B)的频率在9.68%～54.83%，中旱频率最高值位于北塔山，最低值位于阿拉山口和克拉玛依，其余大部分地区出现中旱的频率在28.00%～37.00%。北疆春小麦营养生长阶段出现重旱(图2C)的频率在9.68%～83.86%，北疆南部大部分地区重旱出现的频率主要集中在10%～40%，北疆北部大部分地区重旱出现的频率主要集中在40%～80%，说明春小麦营养生长阶段，北疆北部地区较南部地区重旱出现的频率高，干旱较为严重。北疆春小麦营养生长阶段出现特旱(图2D)的频率在0～12.90%，仅有阿拉山口特旱出现频率较高，为12.90%，其次是克拉玛依和精河，发生特旱的频率均为6.45%，其余地区发生特旱的频率均小于3.00%，其中特旱频率为0的站点数占总站点数的68.00%。

2.3.2 营养生长和生殖生长并进阶段 由图3可见，北疆春小麦营养生长和生殖生长并进阶段出现轻旱(图3A)的频率在9.68%～29.03%，其中温泉发生轻旱频率最高，为29.03%，其次是昭苏和托里，分别为25.81%和22.58%，其余大部分地区轻旱频率在10.00%左右。北疆春小麦营养生长和生殖生长并进阶段昭苏发生中旱(图3B)的频率最高，为70.94%，其次是尼勒克和托里，分别为61.29%和51.61%，中旱发生频率最低的是阿拉山口，为3.24%，其余大部分地区中旱频率主要集中在16.00%～30.00%。北疆春小麦营养生长和生殖生长并进阶段重旱(图3C)发生频率最低在昭苏，为3.26%，发生频率较高的地区有福海、阿拉山口和博乐，频率为77.42%，其余大部分地区重旱频率主要集中在50.00%～68.00%。北疆春小麦营养生长和生殖生长并进阶段特旱(图3D)发生频率在0～9.67%，其中阿拉山口和克拉玛依最高，均为9.67%，其次是福海，为6.45%，其余大部分地区特旱频率主要集中在0～3.87%，其中特旱频率为0的站点数占总站点数的48.00%。

图3 北疆春小麦营养生长和生殖生长并进阶段各等级干旱频率空间分布Fig.3 Spatial distribution of drought frequency of each grade in the vegetative and reproductivegrowth together stage of spring wheat growth in northern Xinjiang

2.3.3 生殖生长阶段 由图4可见，北疆春小麦生殖生长阶段轻旱(图4A)发生频率最高的地区在尼勒克，为61.28%，阿拉山口和蔡家湖轻旱频率最低，均为0，福海和伊宁轻旱频率为3.23%，其余大部分地区轻旱频率主要集中在12.00%～25.00%。北疆春小麦生殖生长阶段出现中旱(图4B)的频率在12.91%～61.27%，其中昭苏中旱频率最低，为12.90%，吉木乃频率最高，为61.29%；中旱频率空间分布呈现自西向东逐渐增大趋势，说明春小麦生殖生长阶段，北疆东部地区较西部地区中旱出现的频率高，干旱较为严重。北疆春小麦生殖生长阶段重旱(图4C)发生频率最高的地区在阿拉山口和蔡家湖，均为77.42%，尼勒克和昭苏重旱频率为0，其余大部分地区重旱频率主要集中在15.00%～46.00%。北疆春小麦生殖生长阶段特旱(图4D)发生频率在阿拉山口和蔡家湖最高，为77.42%，其余地区特旱发生频率均为0，特旱频率为0的站点数占总站点数的94.00%。

图4 北疆春小麦生殖生长阶段各等级干旱频率空间分布Fig.4 Spatial distribution of drought frequency of each grade in the reproductive growthstage of spring wheat growth in northern Xinjiang

3 结论与讨论

1986—2016年，北疆地区春小麦各生育阶段干旱强度和干旱站次比大多呈下降趋势，仅营养生长和生殖生长并进阶段干旱站次比呈小幅度增加趋势，且干旱强度在营养生长阶段下降速率最大，干旱站次比在生殖生长阶段下降速率最大。干旱强度和干旱站次比在春小麦营养生长和生殖生长并进阶段最大，其次是营养生长阶段，生殖生长阶段最小，营养生长阶段以及营养生长和生殖生长并进阶段干旱站次比大于80%的年数超过总年数的一半，表明春小麦营养生长和生殖生长并进阶段较其他两个时期干旱发生更为严重。

春小麦不同生育阶段各等级干旱的发生存在时空差异性。春小麦营养生长阶段，北疆北部地区较南部地区重旱出现的频率更高，干旱更为严重；春小麦营养生长和生殖生长并进阶段，重旱和特旱发生频率均较其他两个生育阶段更高，且在北疆东北部地区重旱和特旱发生频率更高；春小麦生殖生长阶段，北疆西南部地区发生重旱的频率较其他地区更高。北疆地区在春小麦生长的3个生育阶段，除生殖生长阶段中旱发生频率最高，其余两个时期重旱发生频率均高于其他等级干旱发生频率，而特旱发生频率均最低。

本文所采用的作物水分亏缺指数模型充分考虑了前期降水的累积效应和研究区典型年份不同时段的干旱指标值，在此基础上分析作物不同生育期干旱状况，从而确定作物干旱分级标准。研究表明，北疆地区春小麦各生育阶段干旱强度均呈现下降趋势，但干旱发生频率仍然很高，且各等级干旱发生频率存在空间差异。这与吴燕锋等[26]对北疆地区干旱时空特征分析结果一致。由于缺乏北疆各地区春小麦逐年生育期资料，本文引用已有研究成果对春小麦生育期进行划分，未考虑作物系数在不同区域的差异，亦未考虑到气候变化背景下不同区域春小麦生育期的变化。因此对北疆地区春小麦农业干旱灾害风险进行评估与区划，以及干旱灾害监测预警技术的研发将是下一步研究重点。