李紅梅,范建忠

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心,西安 710014)

關(guān)中夏玉米生育期氣象干旱特征分析

李紅梅,范建忠

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心,西安 710014)

利用1971—2012年寶雞、涇陽、武功、長安、臨潼、渭南、大荔7個地面氣象觀測站點逐日降水、標準化降水指數(shù) (ISP30、ISP60、ISP90)、和相對濕度指數(shù) (IM30)計算關(guān)中夏玉米生育期逐日有效降水和改進的綜合氣象干旱指數(shù),采用趨勢分析、滑動t檢驗及相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計法分析了近42a關(guān)中夏玉米生育期干旱時空分布特征。結(jié)果表明：夏玉米生育期有效降水量總體表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,播種至出苗有效降水變化量最大；20世紀90年代初夏玉米生育期有效降水發(fā)生由多到少的突變,2002年出現(xiàn)由少到多的轉(zhuǎn)變；7月上旬至8月下旬是夏玉米干旱多發(fā)時段；輕旱發(fā)生頻率最高,為51.7%,發(fā)生頻率隨著干旱等級加重而逐漸降低；20世紀90年代是干旱多發(fā)且較為嚴重階段,干旱過程累積強度強,且持續(xù)時間長,進入21世紀以后有減少趨勢；關(guān)中西部干旱日呈減少趨勢,東部呈增加趨勢,有效降水量與干旱日變化相反,關(guān)中西部有效降水量呈增加趨勢,東部有減少趨勢。

夏玉米；有效降水；干旱日；干旱累積強度；分布特征；關(guān)中

關(guān)中是陜西糧食主產(chǎn)區(qū),主要實行夏玉米-冬小麥輪作制。關(guān)中夏玉米生育期一般在6月上中旬至9月下旬,該時段高溫多雨,光照和熱量條件相對穩(wěn)定,降水量在191～405mm,但關(guān)中90%的站點該時段的降水量遠低于夏玉米的需水量(390～490mm)[1]。加之受高溫蒸散和降水時空分布不均的影響,干旱成為關(guān)中夏玉米生長季的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。近年來關(guān)于關(guān)中夏玉米的研究多側(cè)重于玉米栽培技術(shù)[2-3]、節(jié)水增產(chǎn)[4-5]和施肥[6],對玉米生育期干旱研究仍為空白。結(jié)合有效降水和改進的綜合氣象干旱指數(shù)Icnew分析關(guān)中夏玉米干旱時空分布特征,旨在加深對關(guān)中夏玉米生育期干旱發(fā)生規(guī)律的認識,為夏玉米生產(chǎn)提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)采用關(guān)中7個代表站點 (寶雞、涇陽、武功、長安、臨潼、渭南、大荔)1971—2012年逐日降水資料、逐日30d、60d和90d標準化降水指數(shù)(ISP30、ISP60、ISP90)和30d相對濕度指數(shù)(IM30),1985—2012年夏玉米生育期觀測資料。其中,降水和玉米生育期觀測數(shù)據(jù)源于陜西省氣象信息中心,標準化降水指數(shù)和相對濕度指數(shù)數(shù)據(jù)源于國家氣候中心。

1.2 方法

1.2.1 玉米生育期的劃分 根據(jù)關(guān)中夏玉米生育期觀測資料求算其各生育階段平均生育期。關(guān)中夏玉米播種在6月上中旬,播期及出苗好壞受播前底墑影響明顯,5月下旬至6月上旬有效降水量對播種出苗尤為關(guān)鍵。苗期怕澇不怕旱,適當缺水可促進壯苗形成,根系深扎,利于增強玉米后期抗旱能力。進入拔節(jié)期玉米耗水量逐漸增加,完全進入生殖生長期后玉米耗水處于高峰期,需水量最大[7-8],后期需水量逐漸減少。雖然關(guān)中東部和西部夏玉米生育期早晚略有差異,但各生育期大致時段相同。鑒于此,將關(guān)中夏玉米生育期劃分為4個階段：播種—出苗(6月7日—20日)、出苗—拔節(jié)(6月21日—7月20日)、拔節(jié)—抽雄(7月21日—8月10日)、抽雄—成熟(8月11日—9月30日)。

1.2.2 有效降水量和Icnew指數(shù)的計算 有效降水量指旱地作物滿足作物蒸發(fā)蒸騰所需要的降水量 (不包括徑流量、蒸發(fā)量和深層滲漏量)[9-10],通常指自然降水量實際補給到作物根部土壤的凈降水量。按單日降水量大于10mm為有效降水,分別統(tǒng)計各站點夏玉米生育期有效降水,分析有效降水的變化及對夏玉米干旱的影響效應(yīng)。

改進的綜合氣象干旱指數(shù)Icnew是在原有綜合氣象干旱指數(shù)IC的基礎(chǔ)引入ISP60,并根據(jù)季節(jié)對變量系數(shù)進行調(diào)整。公式為[11]

式中a、b、c、d為系數(shù),5—10月各系數(shù)分別取0.25、0.2、0.2、0.35；11月—次年4月取0.2、0.35、0.25、0.2。Icnew、IC與20cm土壤相對濕度的相關(guān)系數(shù)分別為0.85和0.8,總體相關(guān)性均通過了0.01的顯著性水平檢驗,但Icnew與土壤相對濕度的相關(guān)性明顯好于IC,所以采用Icnew作為干旱檢驗指標,干旱等級劃分標準見表1。

表1 Icnew干旱等級劃分

Icnew≤-0.6即為干旱日[12]。Icnew連續(xù)10d≤-0.6即為1個干旱過程,過程開始日為Icnew達到輕旱以上等級的首日。干旱發(fā)生期連續(xù)10d無旱表示干旱過程結(jié)束,結(jié)束日為Icnew最后一次達到無旱的日期。開始日至結(jié)束日為干旱持續(xù)時間,某站點干旱過程內(nèi)所有Icnew≤-0.6的值之和即為該站點干旱過程的累積強度,其值越小表示干旱過程越強[13]。某一等級干旱發(fā)生頻率為該等級干旱發(fā)生年占全部統(tǒng)計年的比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米生育期內(nèi)有效降水量特征分析

1971—2012年,關(guān)中夏玉米生育期平均降水量為307.2mm,平均有效降水量為236.5mm,占生育期降水量的77%。如表2所示,各生育期有效降水的最大、最小值年際差較大,其中抽雄—成熟期年際差達235mm。全生育期有效降水變異系數(shù)小于各生育階段,播種—出苗期有效降水變化最大,變異系數(shù)為1.14,其次是抽雄—成熟期。夏玉米全生育期及各生育階段的有效降水總體表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。

圖1為關(guān)中夏玉米生育期有效降水量滑動t檢驗。取序列長度為n1=n2=10時,近42a關(guān)中夏玉米生育期有效降水t統(tǒng)計量有兩處超過0.01顯著性水平檢驗,即存在2個突變點。一個為1992年(t=3.127),說明玉米生育期有效降水在20世紀90年代初經(jīng)歷了由多到少的變化；另一個為2002年(t=-3.125),說明夏玉米生育期在2002年附近發(fā)生了由少到多的突變。

表2 1971—2012年關(guān)中夏玉米生育期有效降水量統(tǒng)計特征

圖1 1971—2012年關(guān)中夏玉米生育期有效降水滑動t檢驗曲線

由圖2可見,42a間,關(guān)中夏玉米生育期內(nèi)有效降水呈增加趨勢,氣候傾向率為3.34mm/ 10a,但變化趨勢不顯著,未通過0.05水平信度檢驗。夏玉米生育期內(nèi)有效降水的年際波動較大,最大值為2003年的426mm,最小值為1977年的99mm,相差337mm。關(guān)中夏玉米生育期有效降水平均占生育期總降水的75.8%,最多為87.2%(1998年),最低為63%(2001年),有22a低于平均水平,時間多集中在20世紀80年代中后期至2008年,表明這一時期是關(guān)中夏玉米生育期有效降水量較少時期,這與趙強等[14]研究結(jié)論一致。

圖2 1971—2012年關(guān)中夏玉米生育期降水及有效降水年際變化

2.2 夏玉米生育期干旱特征分析

2.2.1 干旱頻率和干旱日 按Icnew分級標準對各站夏玉米生育期干旱發(fā)生頻率進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(表略),夏玉米各生育期輕旱發(fā)生頻率最高,平均為51.7%,隨著干旱等級的加重,發(fā)生頻率相應(yīng)降低,中旱平均發(fā)生頻率為18.2%,重度以上干旱為7.7%。從關(guān)中夏玉米生育期干旱日統(tǒng)計(表3)來看,出苗—拔節(jié)期、抽雄—成熟期兩個階段年均干旱日相對較多,播種—出苗期干旱日較少。

表3 1971—2012年關(guān)中夏玉米生育期干旱日統(tǒng)計 d

由圖3可見,關(guān)中夏玉米干旱日總體呈略微下降趨勢,20世紀90年代初至21世紀初是玉米氣象干旱多發(fā)時段,且在90年代中期達到峰值。中度以上干旱日與總干旱日的年際變化特征大致相同,80年代處于低值期,90年代急劇增加,進入21世紀以后有減少趨勢。

圖3 1971—2012年關(guān)中夏玉米生育期干旱日年際變化

比較關(guān)中夏玉米生育期有效降水和干旱日的年際變化率 (表4)發(fā)現(xiàn),關(guān)中西部夏玉米生育期有效降水呈增加趨勢,關(guān)中東部呈減少趨勢。而干旱日與有效降水量呈明顯負相關(guān) (r= -0.83),關(guān)中西部干旱日呈減少趨勢,關(guān)中東部則呈增加趨勢。

表4 1971—2012年關(guān)中夏玉米全生育期有效降水和干旱日變化趨勢率

2.2.2 干旱過程及強度變化 由表5可見,關(guān)中夏玉米發(fā)育初期和后期干旱過程相對較少,7月上旬至8月下旬 (拔節(jié)至開花期)干旱過程較多。42a間,7—8月的每旬干旱過程都在12次以上,此階段正是玉米營養(yǎng)生長和生殖生長并進階段,玉米對水分需求量最大且較為敏感[7],也正值一年中溫度最高、蒸散較快的時期[15],有效降水不能滿足玉米耗水需求,干旱便隨之發(fā)生。隨著玉米生長后期對水分需求的減少,有效降水可以滿足玉米耗水需求,干旱過程也隨之減少。

表5 1971—2012年關(guān)中夏玉米生育期各旬干旱過程統(tǒng)計 次

由圖4可見,夏玉米生育期干旱過程累積強度在20世紀70年代至80年代末呈緩慢減弱趨勢,90年代初開始呈明顯增強趨勢,20世紀90年代是42a間干旱發(fā)生最嚴重時段,進入2000年以后干旱強度逐漸減弱。干旱過程持續(xù)時間與干旱過程累積強度呈明顯負相關(guān)(r=-0.949)。在干旱強度最強時段干旱過程持續(xù)時間也最長,都在40d以上,進入21世紀后干旱過程持續(xù)時間呈明顯減少趨勢。

圖4 1971—2012年關(guān)中夏玉米生育期干旱過程累積強度和持續(xù)時間5年滑動平均曲線

3 結(jié)論

(1)1971年—2012年,關(guān)中夏玉米各生育階段有效降水量最大、最小值年際相差較大。播種—出苗有效降水變化量最大,變異系數(shù)為1.14。各生育階段有效降水量總體表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。20世紀90年代初關(guān)中夏玉米生育期有效降水經(jīng)歷了由多到少的突變,2002年附近出現(xiàn)了由少到多的轉(zhuǎn)變。

(2)關(guān)中夏玉米生育期輕旱發(fā)生頻率最高,平均為51.7%,隨著干旱等級加重,發(fā)生頻率逐漸降低。出苗—拔節(jié)期、抽雄—成熟期是整個生育期干旱日出現(xiàn)較多的時期。20世紀90年代是干旱多發(fā)時段,進入21世紀以后有減少趨勢。關(guān)中西部干旱日呈減少趨勢,東部呈增加趨勢。有效降水量與干旱日變化相反,關(guān)中西部有效降水量呈增加趨勢,東部有減少趨勢。

(3)夏玉米生育期內(nèi)干旱多發(fā)于7月上旬至8月下旬 (拔節(jié)—開花期),發(fā)育初期和后期較少。夏玉米生育期干旱累積強度在20世紀80年代后期呈明顯增強趨勢,90年代是42a間關(guān)中夏玉米干旱發(fā)生最嚴重階段,干旱過程累積強度強,且持續(xù)時間長,都在40d以上。

(4)影響作物干旱的因素較多,除了氣象因子還有土壤、作物品種等等。Icnew雖然對原有綜合氣象干旱指數(shù)做了改進,也僅考慮了氣象要素,所以用來反映夏玉米生育期干旱有一定不足,今后將從作物干旱指標或作物耗水機理方面做進一步研究和探討。

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S423

：A

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1006-4354(2015)04-0001-05

2014-10-27

李紅梅 (1984—),女,陜西富縣人,學士,工程師,從事干旱綜合監(jiān)測與農(nóng)業(yè)氣象應(yīng)用研究。

陜西省科學技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2014k13-09)