農作物生長期干旱時間變化范文

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《湖北農業科學雜志》2014年第十一期

1材料與方法

1．1SPI指數SPI是由McKee等［8］在1993年研究不同時間尺度干旱的發生頻率及持續時間之間的關系時首次提出。一般情況下，降水呈現偏態分布，在統計計算中常用Gamma密度函數來擬合不同時間尺度的降水分布規律［9］。SPI是基于降水累積概率分布的一個有效分析干濕周期的指標，它將降水的偏態分布轉換為標準的正態分布，進行統計計算。假設某一時段的降水量為x，則其伽馬分布的概率密度函數為。在干旱發生的時間特征上，計算1個月和12個月尺度的SPI值。1個月時間尺度的SPI1值可以表征短時間內降水條件，它直接影響土壤的短期水分條件和農作物不同生長階段水分的供給條件［7］。12個月尺度SPI12值則反應了一個區域長期的降水條件，從側面揭示一個區域的地下水補給情況、水庫庫存水量的狀況，進而分析一個區域的農業發展所需的水量條件。SPI值隨著時間序列的變化在0值附近頻繁的上下波動。SPI值大于0，表示降水量超出了同一時期平均降水量，則可能發生洪澇；SPI值小于0，表示降水量低于同時期平均降水量，則可能發生干旱。SPI的絕對值越大表示發生旱澇的可能越大。參照Mckee等［10］干旱等級劃分干旱等級：1．0＞SPI＞－1．0，表示降水正常；－1．00≥SPI＞－1．5，表示發生中等干旱；－1．5≥SPI＞－2．0，表示發生重度干旱；SPI≤－2．0，則表示發生極端干旱。

1．2氣象統計方法使用線性回歸方程y＝at＋b（y為SPI值，a為斜率，t為降水時間序列）來擬合SPI指數隨時間序列的變化，可以反映出SPI指數隨時間的線性變化規律［11－13］。運用M－K非參數檢驗法［11－13］對冬小麥和夏玉米不同生育階段SPI指數做趨勢及突變檢驗：UFk值＞0，表示原序列SPI指數呈現上升趨勢，反之則呈現下降趨勢；若UFk值超過置信度線（u0．05＝±1．96）時，表示原序列SPI指數呈上升或下降趨勢明顯；若UFk和UBk兩條曲線的交叉點位于置信區間內，則該點對應的時間便是序列突變開始的時間。

2干旱時間變化規律

2．1邢臺縣冬小麥生長期干旱年際變化圖1SPI12顯示了1954－2011年邢臺縣冬小麥－夏玉米干旱發生的年際變化。數據顯示，58年間邢臺縣共發生中旱程度以上旱災92次，其中中旱56次、重旱26次、極端干旱10次。20世紀80年代以來，干旱事件發生頻次明顯增加，其中1986、1987、1999和2000年出現了極端干旱。整體擬合趨勢表明，隨時間向后推移SPI指數整體呈現遞減趨勢，說明邢臺縣干旱整體呈現加劇趨勢。

2．2冬小麥不同生育階段干旱變化冬小麥生育期為10月初至次年6月上旬，不同發育階段起止時間見表1，冬小麥SPI變化規律見圖2。干旱對于冬小麥不同生育階段影響不同。播種前，發生干旱，土壤底墑不足，影響冬小麥出苗；苗生長和越冬階段，冬小麥處于營養生長階段，小麥耗水較少，受干旱影響小，但苗生長初期發生干旱將影響幼苗生長，極端干旱可能導致幼苗枯死，影響后期作物產量；返青階段，冬小麥生長迅速，小麥對水分需求速度和需求量明顯增大，干旱發生影響冬小麥返青拔節；拔節階段，干旱影響其生殖生長，造成冬小麥減產；抽穗－開花階段，冬小麥葉面積達到最大，水分虧缺會造成冬小麥減產愈加明顯；灌漿成熟階段，干旱影響小麥粒數和粒徑，質量下降［16］。故分析冬小麥不同生育階段干旱發生規律對用戶選擇適應模式意義重大。由圖2可以看出，邢臺縣冬小麥整個生育期SPI值呈現下降趨勢，說明降水量不斷下降，氣象干旱加劇。各生育階段SPI趨勢斜率大小比較：灌漿－成熟階段（－0．011）＜拔節階段（－0．008）＜苗生長階段（－0．007）＜返青階段（－0．003）＜越冬階段（－0．002）＜播種前、抽穗－開花階段（0．010），表明降水減少速率在灌漿－成熟期最大，拔節期次之，再之是苗期，返青期和越冬期最小。冬小麥在苗生長階段、拔節階段、成熟階段氣象干旱加劇較其它生育階段明顯。統計不同生育階段干旱發生次數可知，58年間發生中旱及以上程度干旱，越冬期8次，苗初期9次，苗中期8次，苗后期0次，越冬期平均2次，返青期6次，拔節期7次，抽穗－開花期5次，灌漿－成熟期6次。除越冬期之外，其他各個生育期均受到干旱威脅。運用M－K非參數檢驗方法對邢臺縣冬小麥各生育階段58年SPI指數作具體趨勢突變檢驗（圖3），檢驗結果可以總結出：圖3a冬小麥播種前，主要突變年份是1963年、1978年，SPI指數在1956－1960年和1995－2003年呈下降趨勢，處于相對干旱階段；圖3b苗生長階段，突變年份是1963年、1969年、1982年和1993年。SPI指數在1954－1960年、1963－1967年、1969－1973年和1981－2011年呈下降態勢，表明干旱趨勢加強；圖3c越冬階段，除1979年外，UFk值均小于0，表明冬小麥越冬階段在整個時間序列中持續呈現干旱趨勢，說明邢臺縣受冬旱影響加重；圖3d返青階段，突變年份是1959年、1979年和2000年，SPI指數在1960－1962年、1968－1988年和2001－2011年呈下降趨勢，表明干旱趨勢加強；圖3e拔節階段，主要突變年份為1959年、1961、1978年、2005年，SPI指數在1974－2011年呈下降趨勢，表明冬小麥拔節階段在整個時間序列中呈現干旱趨勢；圖3f抽穗－開花階段，主要突變年份為1956年、1958年、1961年、1962年和1964年，在1955－1963年、1966－1969年和1972－1984年，SPI指數下降，干旱趨勢增強；圖3g灌漿－成熟階段，主要突變年份為1956年、1959年、1963年、1973年、1983年和1985年，1960－1970年和1974－2011年SPI指數下降，干旱趨勢增強。

2．3夏玉米不同生育階段干旱變化夏玉米生育期為6月下旬至10月初，不同生育期起止時間見表2，夏玉米SPI變化規律見圖4。夏玉米主要生長季為邢臺縣的雨季。夏玉米全生育期需水量在350～400mm，而平均降水量約為440mm，但是各生育階段降水差異大，影響其生長發育。播種前，干旱發生，土壤底墑不足，影響夏玉米出苗；播種－拔節期，此階段為幼苗生長發育階段，需水量占全生育期需水量的20％，相對較少，但此時干旱發生影響幼苗生長，影響后期生殖生長；拔節－抽雄期，干旱對夏玉米的株高和葉面積生長影響最大；抽雄－灌漿期，夏玉米進入生殖生長階段，干旱發生將對夏玉米的穗數產生一定的影響；灌漿－成熟期，干旱發生，對夏玉米顆數和粒徑大小都將產生影響，加劇夏玉米減產［14］。因此要著重關注邢臺縣歷年夏玉米不同生育期的干旱規律，以便于保證夏糧生產的順利進行。運用M－K非參數檢驗方法對邢臺縣夏玉米各生育階段58年SPI指數做具體趨勢突變檢驗，見圖5。由圖5可以看出，夏玉米不同生育期SPI斜率比較，播種前、灌漿－成熟階段（0．010）＞苗生長階段、抽雄－灌漿階段（－0．011）＞拔節－抽雄階段（－0．018）。SPI值在夏玉米生長的早中期呈下降的趨勢，后期的灌漿成熟階段階段反而呈現出上升趨勢，說明在此階段干旱對夏玉米生長的危險有所下降。統計58年間夏玉米不同生育期的中旱以上干旱共發生35次，其中，播種前一月中旱5次，播種－拔節階段中旱5次、重旱1次，拔節－抽雄階段中旱3次、重旱3次，抽雄－灌漿階段中旱8次、重旱2次，灌漿－成熟階段中旱5次、重旱3次。由統計數據可知，播種－拔節階段、拔節－抽雄階段是干旱的頻發期，降水量少，影響夏玉米穩定需水量的供給。故在拔節－抽雄開花生長階段要重點監測和防范。圖5a和圖5b分別是播種前和播種－拔節階段，該兩個階段同時也是冬小麥抽雄－成熟階段，已在冬小麥干旱變化突變檢驗中進行分析，故在此不做具體分析；圖5c拔節－抽雄階段，主要突變年份有1972年、1975年、1990年、2000年、2002年和2006年，SPI指數在1970－2011年呈下降趨勢，夏玉米在該階段干旱化持續加強；圖5d抽雄－灌漿階段，主要的突變年份是1957年，1958－1962年、1964－1974年和1977－2011年，干旱趨勢加強，尤其在2001－2008年，干旱趨勢通過了0．05臨界線的顯著性水平，表明降水減少，氣候變干的趨勢十分顯著；圖5e灌漿－成熟階段，主要突變年份是1961年、1964年、1974年和1978年，1956－1960年、1995－2003年，SPI指數呈下降趨勢，有干旱化傾向。

3小結與討論

1）根據SPI12變化規律，總結出邢臺縣農作物氣象干旱逐漸加重，以中旱和重旱為主，1980年代后期以來干旱發生的頻次明顯增加。不同年代干旱變化趨勢不同，20世紀50年代后期下降最快，干旱趨勢明顯；60年代和90年代呈微下降趨勢；20世紀80年代上升最快，濕澇較明顯；20世紀70年代和21世紀初呈微上升趨勢。2）邢臺縣冬小麥不同生育階段干旱發生規律：冬小麥整個生育期SPI指數呈下降趨勢，表明氣象干旱加劇，其中，灌漿－成熟期下降速率最大，拔節期次之，再之是苗期。冬小麥在苗期、拔節期，成熟期氣象干旱加劇較其它生育期明顯。突變分析表明，除播種前和抽穗－開花階段，其他各生育階段SPI指數自1980年代初均有不同程度下降，干旱趨勢相對明顯，與邢臺縣整體干旱變化相一致。3）邢臺縣夏玉米不同生育階段干旱發生規律SPI顯示夏玉米生育期的早中期階段呈下降的趨勢，播種－拔節階段、拔節－抽雄階段是干旱的頻發期，降水少，影響夏玉米穩定需水量的供給。突變分析表明，除播種前和灌漿－成熟階段，其他各生育階段SPI指數自20世紀70年代后期呈下降趨勢，干旱發生相對增加與與邢臺縣整體干旱變化大致一致。4）本研究根據1954－2011年58年降水數據運用SPI指數進行了冬小麥－夏玉米生育期干旱發生規律研究，為農戶適時進行灌溉提供了科學依據。河北農村統計資料表明2010年邢臺縣發生大范圍的干旱，而年尺度的SPI顯示2010分析2010年以年為尺度的各月累積降水可知，各月降水量較多，而SPI12值是以年為單位的累積降水進行標準化得到的，所以2010年SPI12顯示未有明顯干旱。同時本研究采用的是縣域尺度研究區，氣象站點較少，沒有系統進行邢臺縣冬小麥－夏玉米生育期干旱的空間變化研究。同時研究一個地區農作物生育期干旱變化，不僅要分析降水因子，還要進一步分析降水之外的其它氣象因子、下墊面因子等。

作者：申海鳳商彥蕊劉公英單位：河北師范大學資源與環境科學學院河北省環境演變與生態建設重點實驗室