基于SPI的隴東黃土高原干旱特征及對冬小麥產(chǎn)量的影響分析

張可心 張謀草 劉翔 張洪芬 張?zhí)旆?/p>

摘要：基于1971—2018年隴東地區(qū)的逐月氣象資料，使用標準化降水指數(shù)（SPI）作為干旱指標，采用線性趨勢和Mann-Kendall突變檢驗，多尺度定量分析隴東地區(qū)近48年的氣象干旱特征，并結合冬小麥產(chǎn)量資料，研究SPI表征的氣象干旱對冬小麥產(chǎn)量的影響。結果顯示，1971—2018年隴東地區(qū)發(fā)生干旱的概率約為30%，發(fā)生中等以上強度干旱的概率為15.8%;年SPI分析結果顯示，隴東地區(qū)具有逐漸濕潤化的趨勢，20世紀90年代（1990s）最干旱，2000年后干旱顯著緩解;季節(jié)SPI分析結果表明，春季干旱化趨勢明顯，且干旱化從1990年開始，其余季節(jié)均具有濕潤化趨勢，其中冬季的濕潤化速度最快;春季、秋季干旱對冬小麥產(chǎn)量的影響最大，尤其是干旱強度對產(chǎn)量的影響最為顯著，通過了0.001水平的顯著檢驗。SPI所表征的氣象干旱指標與冬小麥的相關性高于降水量與其相關性，表明SPI對于農(nóng)業(yè)干旱分析具有一定的指導意義。

關鍵詞：隴東黃土高原;標準化降水指數(shù)（SPI）;干旱特征;冬小麥產(chǎn)量;影響

中圖分類號： S162.5 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）23-0233-08

干旱是對人類社會影響最為嚴重的氣象災害之一，造成干旱的直接原因有偶發(fā)性或周期性的降水量減少、蒸發(fā)量增大等[1]。在全球氣候變暖的背景下，發(fā)生大范圍干旱、高溫的時間、頻率和強度明顯增加，干旱化趨勢也隨之加劇，不但造成水資源短缺、荒漠化加劇、沙塵暴頻發(fā)等諸多不利的生態(tài)影響，同時也對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失[2]。西北地區(qū)處于干旱半干旱地區(qū)，對于全球氣候變化的響應非常敏感，加強對干旱演變特征的研究有利于認識全球氣候變化背景下的區(qū)域性響應，對生態(tài)文明建設及防災減災工作具有現(xiàn)實意義[3-4]。

目前，國內(nèi)外研究者關于干旱指標已做了大量研究，各個指標本身各有利弊，研究區(qū)域也具有其自身的自然特征及社會特征。因此，根據(jù)研究目的，揚長避短地選擇合適的干旱指標是研究區(qū)域性干旱的基礎[5]?；诮邓康母珊抵笜擞袠藴驶邓笜耍⊿PI）、Z指數(shù)[6]，基于多因子的干旱指標有地表濕潤指數(shù)[7]、Palmer指數(shù)等[8]。帕默爾干旱指標（palmer drought severity index，簡稱PDSI）和標準化降水指標（standardized precipitation index，簡稱SPI）是全球干旱研究中運用最廣泛的2個指標。帕默爾干旱指標PDSI計算過程復雜，參數(shù)區(qū)域性較強，并且具有固定的時間尺度，而標準化降水指標只須以降水作為輸入量，計算簡便易行且具有多種時間尺度，使同一個指標可以反映不同時間尺度的干濕變化特征[9]。

基于SPI指數(shù)的干旱研究一般側重于對干旱時空分布特征的研究[10-12]，與糧食作物產(chǎn)量變化相結合的干旱特征檢測與影響研究較少。劉維等研究了SPI與東北春玉米產(chǎn)量之間的關系發(fā)現(xiàn)，玉米成災率隨SPI6的變大而變小，當SPI6處于干旱或者過濕情況下將處于低產(chǎn)量水平[13];朱玲玲等以SPI作為干旱指標對河南冬小麥生育期變化特征進行分析，發(fā)現(xiàn)河南省返青-抽穗-成熟期和全生育期干旱對冬小麥氣候產(chǎn)量影響較大[14]。山西省關于玉米產(chǎn)量與SPI的研究發(fā)現(xiàn)，對其產(chǎn)量影響較大的是夏季干旱，中等以上強度的夏季干旱對玉米產(chǎn)量的影響更為顯著[15]。甘肅省慶陽市地處隴東黃土高原，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)的生態(tài)脆弱區(qū)，以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主，由降水量減少導致的干旱對隴東地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的影響顯著[16]。冬小麥是隴東地區(qū)最主要的糧食作物之一，在慶陽市種植面積最大，由于生長周期長，不同時段的干旱變化對冬小麥產(chǎn)量都有一定的影響，而對冬小麥的影響同樣也可以反映對其他作物的影響。本研究以SPI作為干旱評價指標，分析1971—2018年隴東黃土高原不同時間尺度的氣象干旱特征及對冬小麥產(chǎn)量的影響，以期為氣象干旱檢測、干旱災害預防及冬小麥安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

隴東黃土高原屬于黃河中游的內(nèi)陸地區(qū)，東倚子午嶺，西接六盤山，所在行政區(qū)域主要為甘肅省慶陽市（106°20′～108°45′E、35°15′～37°10′N），屬于暖溫帶半干旱半濕潤氣候，光熱條件適宜，年降水量為400～700 mm，是黃土高原區(qū)降水最多的地區(qū)。慶陽市馬嶺以北的環(huán)縣、華池及慶城的中北部為黃土丘陵溝壑區(qū)，溝壑縱橫，水土流失嚴重，馬嶺以南塬面平坦，其中董志塬面積為910.7 km2，是我國最大、較完整的一片黃土塬地。隴東黃土高原塬地面積廣，約占土地總面積的1/3，坡度小，盛產(chǎn)小麥、玉米、油料作物及特色小雜糧，有“隴上糧倉”的美譽。

1.2 站點選擇與資料

本研究采用慶陽市8個國家氣象站1971—2018年的逐月降水量數(shù)據(jù)與慶陽市統(tǒng)計局1978—2018年冬小麥年產(chǎn)量數(shù)據(jù)，通過MATLAB計算得出SPI值及四季SPI的Mann-Kendall（M-K）突變檢驗，SPI時間變化趨勢用氣候傾向率進行計算，用MATLAB、Excel等軟件繪制圖表。在統(tǒng)計季節(jié)降水量時，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

1.3 標準化降水指數(shù)的計算

標準化降水指數(shù)的計算原理是McKee等在1993年提出的1個相對簡便易行的干旱指數(shù)，該指數(shù)基于自然降水的Γ分布，基于正態(tài)分布標準化得出，計算過程詳見文獻[17-18]。SPI的計算有多種尺度（1、3、6、12、24月等），對于時間尺度短的SPI，由于受短時間降水的影響，導致SPI上下波動頻繁，值域也較大，從而可反映短期旱澇變化，而時間較長的SPI對短期降水的響應減慢，旱澇變化比較穩(wěn)定，可反映長期旱澇的變化趨勢[19]。本研究根據(jù)CB/T 20481—2006《氣象干旱等級標準》[20]，結合隴東地區(qū)的實際情況，劃分出干旱等級（表1）。

1.4 干旱強度

某段時間內(nèi)的干旱強度可以用SPI表示，在發(fā)生干旱（SPI≤-0.5）的情況下，SPI絕對值越大，表示干旱越嚴重。某區(qū)域的多年干旱程度可由下式表示：

式中：|SPIi|為發(fā)生干旱時的SPI絕對值，具體的干旱分級見表1;m為發(fā)生干旱的時間（月數(shù)）。

2 結果與分析

2.1 不同時間尺度的SPI特征

不同時間尺度的SPI可以反映不同類型的旱澇情況，通過多時間尺度的SPI綜合分析可以進行綜合旱澇情況分析[21]。為了對隴東地區(qū)的干旱情況進行綜合評價，本研究基于慶陽市8個氣象站點48年的逐月降水量資料，著重分析SPI的1、3、6、12月尺度的干旱變化情況，并對各個時間尺度的干旱等級進行劃分。分析圖1-a的SPI1指數(shù)可知，出現(xiàn)干旱的概率為31.9%，其中中等以上等級干旱分布如下：極旱10個月（1.7%），重旱15個月（2.6%），中旱67個月（11.6%）。分析圖1-b的SPI3指數(shù)可知，出現(xiàn)干旱的概率為29.1%，其中極旱13個月（2.3%），重旱29個月（5.0%），中旱47個月（8.2%）。分析圖1-c的SPI6指數(shù)可知，干旱發(fā)生概率為32.1%，其中極旱9個月（1.6%），重旱29個月（5.0%），中旱51個月（8.9%）。分析圖1-d的SPI12指數(shù)可知?干旱發(fā)生概率為32.9%?7個月為極旱（1.2%），33個月為重旱（5.8%），52個月為中旱（9.2%）。由以上分析可以看出，隴東干旱頻發(fā)，平均30%以上的月份發(fā)生不同程度的干旱，用不同時間尺度表征的中等以上干旱狀況較為一致，中等以上程度的干旱月份占比約為15.8%，SPI指數(shù)起伏較大，表明氣候干濕變化波動幅度大，旱澇時間分布不均勻。

甘肅省氣象災害統(tǒng)計結果表明，1986—1987年隴東出現(xiàn)了數(shù)十年一遇的持續(xù)性干旱，旱情嚴重，50%以上的人畜飲水困難。SPI1分析結果顯示，1986年7—10月和1987年8—9月出現(xiàn)了輕度以上干旱;SPI3分析結果顯示，1986、1987年8—10月均出現(xiàn)中旱;SPI6分析結果顯示，1986年8月至次年2月出現(xiàn)了重旱;而SPI12分析結果顯示，1986年9月至1987年底出現(xiàn)了連續(xù)性重旱。1995年隴東地區(qū)出現(xiàn)春夏連旱的情況，農(nóng)作物大量減產(chǎn)，冬小麥單位面積產(chǎn)量（簡稱單產(chǎn)）降至882 kg/hm2，SPI1分析結果顯示，2—7月出現(xiàn)了中等以上的干旱，5月達到特旱;SPI3分析結果顯示，3—7月出現(xiàn)了特旱。1997年隴東地區(qū)出現(xiàn)了嚴重的夏秋連旱，SPI3分析結果顯示，1997年6—10月出現(xiàn)了中等以上干旱，其中重旱以上的時間有3個月。不同時間尺度的SPI分析結果表明，1995、1997年的干旱與1986—1987年的干旱具有相同特征，即隨著時間尺度的增大，干旱開始時間和結束時間有相應推遲，并且干旱等級有所變化，反映了前期降水積累的影響因素。對于類似1986—1987年這種持續(xù)時間長的干旱，SPI12表征的時間尺度與干旱程度較準確，而對于1995、1997年這種季節(jié)性干旱，與實況對應最好的是SPI3。不同時間尺度的SPI表征的干旱年際變化與隴東歷史上實際發(fā)生的干旱年對應的年份一致，可見用SPI分析隴東地區(qū)的干旱變化是可行的[22]。

2.2 旱澇的年際變化特征

2.2.1 SPI的年際變化特征 1971—2018年隴東地區(qū)的年SPI總體變化趨勢為波動升高（圖2），傾向率為0.061/10年，有8年出現(xiàn)中等程度及以上的干旱，其中發(fā)生中旱的時間為5年（1972、1979、1982、1987、2008年），發(fā)生重旱的時間為3年（1986、1995、1997年）。有8年出現(xiàn)中等程度以上的偏濕，其中中濕4年（1983、1988、2017、2018年），重濕4年（1975、1990、2003、2013年）。從干旱程度年代際的分布來看，1990s（20世紀90年代）干旱程度最為嚴重，出現(xiàn)了2年重旱，其次是1980s（20世紀80年代），出現(xiàn)過1年重旱與2年中旱，1970s（20世紀70年代）出現(xiàn) 2年中旱;到了21世紀，中等程度及以上的干旱僅出現(xiàn)過1年。根據(jù)以上分析可知，隴東地區(qū)1990s最干旱，其次是1980s，1970s相對較濕潤，2000s（21世紀00年代）以后干旱程度大幅度減弱。中度及以上干濕年份占比為33%，最干、最濕的年份分別為1997年（-1.882，重旱）、2003年（1.944，重濕）。本研究結果與張可心等得出的“慶陽市20世紀80年代濕潤，90年代最干旱，2000后恢復濕潤”的結論[23]基本一致。由以上分析可知，隴東地區(qū)氣候干濕程度的發(fā)展趨勢具有波動中逐漸變濕潤的趨勢，這與黃小燕等的研究結論[24]一致。

2.2.2 SPI的季節(jié)變化特征 由圖3可知，除春季以外，其余季節(jié)的SPI均呈現(xiàn)升高的趨勢。春季SPI呈緩慢下降的趨勢，變化傾向率為0.047/10年，表明春季有干旱化趨勢，干旱發(fā)生頻率為27%，中等及以上干旱季與濕潤季分別為8、5年，在1992—2011年間出現(xiàn)高頻率的干旱，其中最嚴重的是1995年，干旱等級為極旱（SPI=-3.01），最濕潤的是1998年（SPI=2.11）。夏季SPI的變化傾向率為0.05/10年，干旱發(fā)生頻率為27%，中等及以上干旱季、濕潤季均為8年?1997、2018年的SPI值分別為-1.92（重旱）、1.99（重濕），這2年分別為夏季最干旱、最濕潤的年份。秋季SPI的變化傾向率為0.057/10年，干旱發(fā)生頻率為31%，中等以上干旱季、濕潤季分別為5、10年，秋季最干旱、最濕潤年份分別為1986、1975年，SPI值分別為-1.97（重旱）、2.20（重濕）。冬季SPI的變化傾向率為0.077/10年，干旱發(fā)生頻率為21%，中等以上干旱季、濕潤季分別7、8年，1992、1999年出現(xiàn)過2次極旱，1992、2008年分別為最干旱、最濕潤的年份，SPI分別為 -3.92（極旱）、1.50（中濕），2000年之后僅出現(xiàn)過1次輕旱，可見21世紀以后隴東地區(qū)冬季的干旱次數(shù)大幅度減少。以上分析結果表明，春季具有干旱化趨勢，其余季節(jié)均具有濕潤化趨勢，冬季的濕潤化趨勢最為顯著;干旱發(fā)生頻率最高的是秋季，其次是春季、夏季，最低的是冬季。秋季的干濕變化跨度大，正值冬小麥播種期，需要防范干旱的不利影響;冬季整體偏旱，但是由于冬季的農(nóng)業(yè)活動少，加上濕潤化趨勢明顯，因此對隴東地區(qū)農(nóng)業(yè)的影響也相對較小。

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