基于SPEI的辽宁省玉米生育期干旱特征分析

曹永强,李玲慧,路 洁,张若凝

辽宁师范大学地理科学学院,大连 116029

气候是影响人类生产生活的众多地理环境要素之一,气候变化是人地关系领域研究的热点与前沿[1]。近年来,全球气候的复杂多变已引起世界诸多国家干旱自然灾害频发,未来全球极端气象灾害仍将持续恶化[2-3]。在全球气候变化的背景下,近50年来,中国地表约增温1.1℃,速率达0.25℃/10a,东部地区降水量相对减少[4-5]。升温可直接引发干旱,当降水量在一定时期持续少于正常状态时,河湖水资源量、土壤含水量会相应减少,从而引发干旱[6-7]。据统计,气象灾害在我国自然灾害中占比超过70%,其中旱灾造成的损失高达50%以上[8]。研究干旱灾害发生规律并采取应对策略缓解灾损已成为当下科学研究的重点。

目前,国内外研究和使用的干旱指标已有近百种,代表性的有McKee等提出的标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI),该指数仅考虑降水这一因素,由于计算简单并可进行多种尺度干旱的表征,是目前应用较广的干旱指标之一[9]。国内针对农业干旱评估的气象类指标包括降水Z指数、作物水分亏缺指数和综合气象干旱指数等[10-13]。如苏永秀等基于水分盈亏原理提出的一种干旱指标,在水稻和甘蔗方面取得了较好应用[14]。马晓群等在相对湿润指数的基础上添加了前期干旱的累积影响,构建出新的干旱指标,并利用土壤墒情数据检验其对江淮地区农业干旱的监测效果,结果表明具有很强的适用性[15]。张强等提出了综合气象干旱指数(Comprehensive Meteorological Drought Index,CI),这一指数同时结合了相对湿润指数和SPI,目前已广泛应用于气象部门[16]。Vicente-Serrano等提出的标准降水蒸散指数(Standard Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)受到国内外学者的广泛认可,在干旱评估、水资源管理等方面具有较高的科学性和实用性,该指数吸收了帕尔默干旱指数(Palmer Drought Severity Index,PDSI)和SPI表征干旱的优势,具有空间一致性、多时间尺度且计算简单等多重优点[17-20]。因此,经综合比较,本文选取SPEI作为干旱指标进行研究,这对辽宁省农业种植规划有着十分重要的研究价值。

在众多干旱指标提出的基础上,干旱规律研究一直是国内外热点问题。例如,Edossa等[21]使用PDSI研究1981—2015年尼日利亚北部地区的干旱事件,结果表明,1998—2001年和2006—2008年为干旱较为严重的时期。李伟光等[22]利用SPEI评价了中国1951—2009年干旱的时空分布规律,发现我国四季均有干旱情况发生,且西部、华北和东北地区旱情较为严重；吴霞等[23]基于SPI构建了夏玉米干旱指数,进而分析了1961—2015年黄淮海平原夏玉米在生长季内的干旱情况,结果表明,黄淮海地区夏玉米在生长阶段的干旱较严重。综合以上干旱方面的研究成果分析发现,这些研究大多集中在从气候角度和单一尺度等单方面入手,或仅结合单一的受旱面积、受灾站次比等参考指标来反映某一地区干旱特征,缺少综合多尺度、多因素、多指标的全面分析。因此,本文在前人研究的基础上,首先分析影响辽宁省玉米生育期干旱的两个关键气候因素(降水量和气温)的变化趋势,以SPEI作为干旱特征的评价标准,综合不同尺度(2个月、6个月)对其进行分析,同时结合辽宁省玉米完整生育期、旱灾不同影响因素等,选取干旱站次比和干旱频率全面研究区域农业旱灾特征[24-26],并对气候变化与干旱的相关性进行分析,以期为进行区域农作物干旱灾损评估及相应防灾减灾政策的制定等提供科学依据。

1 研究区概况

辽宁省地处欧亚大陆东岸、东北地区南部,按照地理空间分布情况可划分为辽西、辽南、辽中、辽东和辽北5个分区[27]。年日照时数1800—2400 h,平均气温6—10℃,降水量200—1000 mm,气候条件非常适宜玉米的生长发育[28-29]。省内玉米种植面积较广,2018年玉米播种面积2712.98千公顷,占粮食总播种面积的77.87%。辽宁省是我国粮食生产核心区,玉米为其主要生产作物之一[30]。近年来,在全球气候变化的影响下,辽宁省气温有所升高,而日照和降水减少,同时伴有旱涝灾害发生,气候因素的改变影响了玉米等作物的生长发育,从而对农业生产带来了不可小觑的影响[31-32]。

2 资料与方法

2.1 数据来源

联合国粮食及农业组织(FAO)建议将作物的生育期划分为初期、发育期、中期和后期四个阶段[33]。本文在此基础上依据辽宁省具体情况和实际生产状况,进一步将辽宁省玉米生育期细化为4—9月,包括播种-出苗期(4月上旬—5月上旬)、出苗-拔节期(5月中旬—6月中旬)、喇叭口期(6月下旬—7月中旬)、抽雄期(7月下旬—8月中旬)和成熟期(8月下旬—9月下旬)5个阶段[27,34]。本研究选用的气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/wa)1967—2018年4—9月辽宁省逐日气象观测数据,包括降水量、平均气温、湿度等。为保证空间插值精度,选取辽宁省玉米种植区内分布均匀且连续性较好的33个国家级气象台站进行分析。辽宁省地理位置及气象台站分布情况如图1所示。

图1 辽宁省气象台站分布Fig.1 The distribution of meteorological stations in Liaoning Province

2.2 研究方法

2.2.1SPEI计算

SPEI的计算主要利用月降水量和月平均温度等气象数据,通过计算降水量与蒸散量的差值并将其正态标准化得到。具体计算步骤如下：

(1)计算降水量与蒸散量差值,即气候水平衡：

Di=Pi-PETi

(1)

式中：Di为第i月降水量与蒸散量的差值(mm)；Pi为第i月降水量(mm)；PETi为第i月潜在蒸散量(mm),采用FAO推荐的Penman-Monteith法进行计算,详见文献[33]。

(2)建立不同时间尺度气候学意义上的水分盈亏累积序列：

(2)

式中：k为时间尺度(月)；n为计算次数。

(3)采用3参数的Log-Logistic概率分布F(x)对D序列进行拟合,并对序列进行标准正态分布转化,计算每个D对应的SPEI值：

(3)

式中,P为超过待定D值的累积概率,当P>0.5时,SPEI值的符号被逆转；c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308。

SPEI的计算可采用以月为单位的不同时间尺度[35],考虑到辽宁省玉米生长期集中在4—9 月,因此6个月尺度的SPEI(6-SPEI-Sep)表征其整个生育期干旱情况,为进一步比较玉米不同生育阶段的干旱情况,选择2个月尺度的参数计算并提取所有站点的 2-SPEI-May(播种-出苗期),2-SPEI-Jun(出苗-拔节期)、2-SPEI-Jul(喇叭口期)、2-SPEI-Aug(抽雄期)及 2-SPEI-Sep(成熟期)。

2.2.2干旱频率

干旱频率用来评价研究区某气象站在研究时间段内干旱频发的程度[36],计算式为：

(4)

式中,Fi表示干旱频率(%)；N为统计时段总年数；n为统计时段内该生育阶段某等级干旱发生的次数。参考《中华人民共和国国家标准气象干旱等级》(GB/T 20481—2017),将SPEI分为5个干旱等级：无旱(SPEI>-0.5)、轻旱(-1.0

2.2.3干旱站次比

用研究区内发生干旱气象站数量占全部气象站数量的占比来评价干旱影响范围的大小[37],计算式为：

(5)

式中,Pj为干旱站次比(%)；M为研究区内气象站总数量；m为某年发生干旱气象站点的数量。其中干旱影响范围等级可划分为5种：全域性干旱(Pj≥50%)、区域性干旱(50%>Pj≥33%)、部分区域性干旱(33%>Pj≥ 25%)、局域性干旱(25%>Pj≥10%)和无明显干旱(Pj<10%)。

3 结果与分析

3.1 玉米生育期气候变化趋势

3.1.1玉米生育期降水量变化趋势

玉米作为典型的高需水量作物之一,其生长发育过程中对降水量要求较高。同时降水量也是影响干旱的直接原因[38]。因此,本研究从降水量入手,基于趋势分析法和Mann-Kendall突变检验法探究1967—2018年辽宁省玉米生育期降水量变化趋势,如图2所示。从全生育期来看,近52年降水量以13.31 mm/10a的速率减少,但变化趋势并不显著。其中,1985年和2010年达到该序列峰值,两年降水量均高于2700 mm。结合历史资料可知,2010年我国气候异常,以“康森”为首的共7次台风陆续登陆,在此影响下辽宁省自7月下旬开始发生强降雨,多站次日降雨量超过300 mm。此外,玉米各生育期降水量年际变化率如表1所示。可以看出播种-出苗期、出苗-拔节期和抽雄期的多年平均降水量均呈上升趋势,速率分别为8.03 mm/10a、12.15 mm/10a和0.10 mm/10a；而喇叭口期和成熟期降水量呈下降趋势,速率分别为-2.93 mm/10a和-13.26 mm/10a。各生育期均未达到0.05显著性水平,说明玉米生育期间降水量变化并不显著。另外,根据Mann-Kendall突变检验法绘制UF、UB曲线,给定显著性水平α=0.05(u0.05=±1.96),当曲线超过临界值线时,表明上升或下降趋势显著,超过临界线的范围确定为突变的时间区域。若两条曲线在临界线之间出现交点,则该点对应的时间为突变开始时间[39]。图2中UF、UB曲线的交错情况发现其在临界线内有多处交点,但只结合其年际间变化趋势无法确定是否发生突变。

表1 玉米各生育期降水量变化率/(mm/a)Table 1 The rate of precipitation change in each growth period of maize

图2 辽宁省玉米生育期降水量年际变化及其Mann-Kendall突变检验Fig.2 The interannual precipitation changes and Mann-Kendall mutation test in the growth period of maize in Liaoning ProvinceUF:M-K秩统计量正序列；UB:M-K秩统计量反序列

3.1.2玉米生育期气温变化趋势

高温也是引发干旱的主要原因之一。玉米作为喜温植物,气温对其生长发育有关键作用[40]。平均气温的年际变化趋势及其Mann-Kendall突变检验结果如图3所示,近52年辽宁省玉米生育期平均气温为19.09℃,并且以0.25℃/10a的速率显著上升(P<0.01)。2000年后UF曲线超过0.05显著性水平临界线,表明此增暖趋势开始显著。由UF和UB曲线的交点可知,1991年起增暖速率是突变上升的。利用小波分析法对1967—2018年辽宁省玉米生育期平均气温进行周期分析,结果如图4所示。1967—2018年辽宁省平均气温在30—45年尺度上振荡周期最为明显,高低值变化交替出现。结合小波方差分析图进一步分析可知,辽宁省玉米生育期平均气温在35年左右尺度下的小波方差极值最大,是主周期；其次在20年左右还存在一个峰值,峰值数值较小,为次周期,即辽宁省玉米生育期平均气温在35年左右会经历由高到低的变化过程。

图3 辽宁省玉米生育期平均气温年际变化及其Mann-Kendall突变检验Fig.3 The interannual variation of mean temperature during the growth period of maize and Mann-Kendall mutation test in Liaoning Province

图4 1967—2018年辽宁省玉米生育期平均气温小波变化分析Fig.4 The wavelet change analysis of mean temperature during the growth period of maize in Liaoning Province from 1967 to 2018

3.2 玉米生育期SPEI时空分布特征

3.2.1不同区域玉米生育期SPEI时间变化特征

为能更加具体直观地分析辽宁省玉米生育期干旱特征,以SPEI为指标对辽宁省进行分区研究,各区SPEI年际变化率见表2。具体来看,在播种-出苗期,全区SPEI基本呈上升趋势,升幅表现为辽西>辽东>辽南>辽中>辽北,其中辽西和辽东在4月中旬均呈显著上升趋势(显著水平分别为0.01和0.05),辽北在4月上旬呈显著下降趋势(P<0.01)；在出苗-拔节期,辽西、辽南、辽中和辽北基本呈上升趋势,上升幅度表现为辽西>辽北>辽中>辽南,且辽西6月上旬呈显著上升趋势(P<0.05),而辽东SPEI则呈减小趋势；在喇叭口期和抽雄期,全区SPEI均呈总体上升趋势,上升幅度分别表现为辽北>辽南>辽西>辽中>辽东、辽西>辽中>辽南>辽东>辽北,辽东和辽西在8月中旬上升显著；在成熟期,辽西、辽南和辽中SPEI呈上升趋势,其中辽西上升幅度最大,辽中9月下旬显著上升(P<0.05),辽东和辽北SPEI呈下降趋势,辽北在9月中旬下降趋势尤为显著(P<0.01)。综上,播种-出苗期、出苗-拔节期、抽雄期和成熟期SPEI上升趋势均主要表现在辽西,喇叭口期则主要表现在辽北。

表2 辽宁省各地区SPEI年际变化率/10a Table 2 Annual change rate of SPEI in all regions of Liaoning Province

3.2.2玉米生育期SPEI空间分布特征

辽宁省玉米各生育期SPEI空间分布见图5。总体来看,全生育期SPEI表现为西北向东南递增趋势,即东南向西北越来越干旱,其中SPEI最小值出现在朝阳站,为-1.30。具体来看,播种-出苗期SPEI表现为由西向东递增,说明由东向西干旱程度加剧,最低值出现在兴城站(-2.00)；出苗-拔节期和喇叭口期SPEI均表现为东北和西部高,南部和中部相对较低的分布特征,最低值分别为-1.95(彰武站)和-1.97(熊岳站)；抽雄期和成熟期SPEI表现为由南向北递减,北部相对南部干旱严重,最低值均出现在彰武站,分别为-2.44和-1.87。从各生育期SPEI平均值来看,播种-出苗期<出苗-拔节期<喇叭口期<成熟期<抽雄期。综上,辽宁省玉米不同生育期干旱情况总体表现为西北干旱程度最强,向东南逐渐减弱,其中,播种-出苗期干旱最强。

图5 1967—2018年辽宁省玉米各生育期SPEI空间分布Fig.5 The spatial distribution of SPEI in various growth stages of maize in Liaoning Province from 1967 to 2018SPEI：标准降水蒸散指数Standard precipitation evapotranspiration index

3.3 玉米生育期干旱时空分布特征

3.3.1玉米生育期干旱站次比的时间变化

辽宁省玉米不同生育期干旱站次比和SPEI年际变化如图6所示。结合表2可知,1967—2018年辽宁省玉米全生育期、播种-出苗期、出苗-拔节期和喇叭口期SPEI均呈上升趋势,抽雄期和成熟期SPEI呈降低趋势,变化均不显著。综上所述,玉米发生干旱强度表现为播种-出苗期>出苗-拔节期>成熟期>喇叭口期>抽雄期。在干旱站次比方面,经计算,1967—2018年全生育期平均干旱站次比为38.88%；播种-出苗期、出苗-拔节期、喇叭口期、抽雄期和成熟期分别为34.24%、34.55%、33.94%、32.96%和33.33%。全生育期干旱站次比呈微弱上升趋势,幅度为0.41%/10a；其中,出苗-拔节期干旱站次比以0.48%/10a的速率减少,除此之外的播种-出苗期、喇叭口期、抽雄期和成熟期均呈增加趋势,幅度分别为0.44%/10a、0.63%/10a、0.60%/10a和0.40%/10a。不同生育期干旱影响范围等级统计情况如表3所示,整体来看,辽宁省玉米生长过程中无全域性干旱或无明显干旱地区。其中,喇叭口期只发生过区域性和部分区域性干旱,其他时期均有区域性、部分区域性和局域性干旱发生。区域性干旱发生频次最高的是播种-出苗期,部分区域性干旱发生频次最高的是喇叭口期和抽雄期,局域性干旱发生频次最高的是成熟期。综上,辽宁省玉米全生育期发生干旱类型频次区域性干旱>部分区域性干旱>局域性干旱>全域性干旱,出苗-拔节期为干旱站次比最高的时期。

图6 辽宁省玉米各生育期干旱站次比和SPEI值年际变化Fig.6 The interannual changes of drought station ratio and SPEI values of maize in different growth periods in Liaoning Province

表3 玉米生育期干旱影响范围等级/%Table 3 The influence range of drought in growth period of maize

3.3.2玉米生育期干旱频率的空间分布

1967—2018年辽宁省玉米各生育期不同等级干旱频率空间分布详见图7。由图7可知,在干旱发生频率方面,总体来看,辽宁省玉米全生育期干旱频率整体上呈现出由西北向东南递减的特征,干旱频率最大值出现在阜新站。受特殊地理位置和气候条件影响,阜新地区雨量较少且分布不均,加之风速较强,蒸发较快,导致干旱次数多、程度重,尤以春旱显著,常常导致春播不能正常进行,农作物生长不利[41]。具体来看,干旱频率在播种-出苗期表现为由辽西向辽东递减趋势；出苗-拔节期和成熟期表现为由西北向东南递减；喇叭口期表现为辽南和辽北最高,其次为辽中,辽西和辽东低；抽雄期表现为北部向南部递减。5个生育期干旱频率最高值均达到100%,分别出现在叶柏寿站、彰武站、盖州站、铁岭站和朝阳站。

图7 辽宁省玉米各生育期不同等级干旱发生频率空间分布Fig.7 The spatial distribution of drought frequency at different grades in different growth stages of maize in Liaoning Province

在干旱等级方面,除喇叭口期外,全生育期和其他四个生育期不同等级干旱频率总体均表现为西北高东南低,且干旱程度为轻旱>中旱>重旱>特旱。播种-出苗期以轻旱为主,发生率为27.27%,有60.00%的站点轻旱频率大于20%,其中大连站轻旱、绥中站中旱、朝阳站重旱和兴城站特旱发生频率最高,分别达到86.00%、94.00%、66.00%和50.00%；出苗-拔节期未发生轻旱、中旱、重旱和特旱的站点占比分别为69.70%、66.67%、81.82%和90.91%,发生频率最大值分别出现在朝阳站(90.00%)、普兰店站(80.00%)、台安站(74.00%)和彰武站(34.00%)；喇叭口期分别有36.36%、24.24%、12.12%和6.06%的站点发生轻旱、中旱、重旱和特旱,其发生频率最高值分别出现在庄河站(94.00%)、瓦房店站(88.00%)、大连站(74.00%)和熊岳站(48.00%)；抽雄期分别有30.30%、21.21%、12.12%和6.06%的站点发生轻旱、中旱、重旱和特旱,其发生频率最高值分别出现在新民站、开原站、阜新站和彰武站,分别为90.00%、86.00%、84.00%和36.00%；成熟期的特旱发生频率最高,达18.18%,超过重旱频率15.15%,轻旱和中旱发生频率分别为45.45%和24.24%,其中,台安站发生轻旱频率最高(90.00%),开原站发生中旱频率最高(84.00%),阜新站发生重旱频率最高(66%),彰武站发生特旱频率最高(34.00%)。

3.4 玉米生育期气候变化对干旱的影响

通过以上对辽宁省玉米生育期气温和降水量变化趋势的分析发现,近52年降水量表现为减少趋势,而平均气温显著上升,这种气候变化对于干旱的发生是十分有利的条件。为进一步厘清气候和干旱之间的相关性,借助SPSS 17.0分别对不同生育期的降水量、平均气温和SPEI进行皮尔逊相关性检验[42](表4)。结合上文对玉米生育期气候变化趋势的分析结果可知,整个玉米生育阶段降水量与SPEI呈显著正相关关系(P<0.01),而平均气温则与SPEI呈负相关关系,且未达到显著性水平,再次说明降水量越少、气温越高,干旱越严重,且降水量相比平均气温对干旱影响更为严重。具体来看,降水量和平均气温影响最大的时期均为成熟期、抽雄期和喇叭口期。这三个生育阶段覆盖了辽宁省夏季雨季最旺、温度最高的时期,降水量的大小和气温的高低可直接影响干旱的发生[43]。相关部门应着重加强此三个阶段降水量和气温状况,做好玉米抗旱工作。

表4 玉米生育期气候因素与SPEI相关系数Table 4 The correlation coefficient between climatic factors and SPEI in maize growth period

4 讨论

通过对玉米生育期干旱时空分布特征的分析发现,辽宁省玉米不同生育期不同等级干旱频率整体呈由西北向东南递减的分布特征,其中播种-出苗期不同等级干旱频率最高,且干旱频发区主要在辽西地区。一方面,辽宁省雨季大多集中在6—9月,且4—5月为雨季转换时期,干旱程度相对较强,播种-出苗期正处于这一时期；另一方面,受地理位置影响,辽宁西部为丘陵地区,属于干旱气候类型,极端高温事件频发,且降水量比较短缺,尤其西北部低山丘陵区是辽宁省湿度最低、干燥强度最大和旱灾高风险地区[44],这也是阜新地区干旱频率最高的原因。

玉米是典型的喜温和高需水量作物,整个发育过程对气温及降水等气候条件要求较高[45],干旱现象的发生必然对其生长发育产生影响。综合全文研究发现,对于玉米不同生育期SPEI的空间分布特征分析结果与干旱频率的空间分布特征结论一致,更加印证了辽宁省玉米不同生育期干旱特征总体表现为干旱程度由西北向东南递减,且播种-出苗期为干旱最严重的时期。播种-出苗期为玉米生育初始阶段,玉米在此期间需要吸收并储存大量养分,适宜的温度及降水有利于促进其体内的物质转换与运移,有益于其生长发育,从而提高产量并提升甜度及颗粒饱满度[46],因此玉米种植在此阶段应注重抗旱工作,以防旱灾造成玉米减产,另外,种植结构应根据干旱空间分布特征适当调整,优化作物布局,西北地区较东南地区干旱严重,更应加强抗旱减灾措施,改进农业管理模式。未来应针对干旱对玉米产量的影响关系及其对气候因素的响应进一步深入研究。

5 结论

(1)从气候因素变化趋势来看,近52年辽宁省玉米生育期降水量以13.31 mm/10a的速率减少,且与SPEI呈显著正相关(P<0.01)；平均气温以0.25℃/10a的速率显著上升(P<0.01),主周期在35年左右,与SPEI呈负相关关系。

(2)从SPEI来看,抽雄期和成熟期SPEI呈降低趋势,其他3个时期均呈上升趋势；全生育期SPEI在空间上表现为西北向东南递增趋势,各生育期SPEI平均值播种-出苗期<出苗-拔节期<喇叭口期<成熟期<抽雄期。

(3)从干旱站次比来看,全生育期干旱站次比以0.41%/10a的速率上升；出苗-拔节期干旱站次比呈减少趋势,除此之外的4个时期均呈上升趋势；全生育期发生干旱类型频次区域性干旱>部分区域性干旱>局域性干旱>全域性干旱。

(4)从干旱发生频率来看,全生育期干旱频率整体呈现出由西北向东南递减的特征,干旱发生频率表现为轻旱>中旱>重旱>特旱；播种-出苗期不同等级干旱频率最高。