气候变化背景下中国主要作物农业气象灾害时空分布特征(Ⅲ):华北地区夏玉米干旱

基于1961-2010年华北地区36个气象站点气象观测资料和1981-2010年23个农业气象观测站夏玉米生育期资料,以作物水分亏缺指数(CWDI)为农业干旱指标,分析华北地区夏玉米各生育阶段干旱的空间分布特征及其年代际演变趋势。结果表明:华北地区夏玉米不同生育阶段以轻旱最明显,播种-拔节阶段,大部分地区轻旱发生频率为5a一遇(20%)至3a一遇(33%);拔节-抽雄阶段,干旱空间分布特征表现为:轻旱主要集中在河北、河南、山东三省交界区域,发生频率在5a一遇至3a一遇;抽雄-成熟阶段,轻旱集中在河北中部,发生频率在3a一遇以上。全生育期轻旱主要集中在河北大部、北京和天津、河南北部和山东西部,干旱频率在3a一遇以上。1961-2010年,华北夏玉米生长季以播种-拔节阶段和抽雄-成熟阶段发生干旱的年份最多,以20世纪90年代干旱站次比最高;比较过去50a干旱演变趋势,以抽雄-成熟阶段山东东南部和河北东部区域干旱强度增加明显。研究结果说明夏玉米各等级干旱频率以轻旱最为明显,各生育阶段以播种-拔节、抽雄-成熟阶段发生干旱的频率较高;全生育期以轻旱的发生频率较高,干旱中心为河北大部、北京和天津、河南北部和山东西部,发生频率为3a一遇(33.3%)以上。夏玉米生长季全区域干旱主要发生在播种-拔节和抽雄-成熟阶段,该阶段发生干旱的范围最广。此外,不同生育阶段的干旱强度变化表现为河北北部干旱强度增加,河南南部干旱强度减小。     

基于作物水分亏缺指数分析北方旱作地区春玉米干旱时空变化

采用1961-2018年北方旱作区156个气象站日值气候数据和1991−2013年春玉米生育期资料,依据干燥度指数将北方旱作地区划分为4个亚区。基于作物水分亏缺指数（CWDI）,通过分析各亚区水分供需状况、CWDI年际变化、干旱站次比和频率,揭示了中国北方旱作区春玉米干旱时空变化特征。结果表明：（1）Ⅰ区（湿润地区）和Ⅱ区（半湿润地区）水分供需平衡,Ⅲ区（半干旱地区）和Ⅳ区（干旱地区）水分供需不平衡。Ⅰ区降水量均方差达到70mm,CWDI年际间变化幅度最大,20世纪70年代CWDI在播种−出苗期和出苗−拔节期均为剧烈波动期;Ⅱ区CWDI在20世纪80年代春玉米乳熟−成熟期波动幅度较大;Ⅲ区在抽雄−乳熟期CWDI以1.06个百分点10a⁻¹（P<0.05）速率增加,年际间干旱有扩大趋势;Ⅳ区年际间CWDI变化不大。（2）1961−2018年抽雄−乳熟期干旱站次比以2.58个百分点10a⁻¹（P<0.05）的速率显著递增,其中发生特旱的平均站次比为14.95%,其余4个生育阶段无显著变化。抽雄−乳熟期发生旱级最重且干旱范围有显著扩大趋势。（3）在空间分布上,干旱等级和频率均呈现明显的东西向分布。黑龙江东部和西南部、吉林辽宁西部（Ⅰ区和Ⅱ区）发生轻旱频率达到3a两遇以上;张承地区（Ⅲ区）在播种−出苗期中旱频率5a一遇以上;毛乌素沙地（Ⅳ区）在拔节−抽雄期特旱频率达到3a两遇,以特旱威胁拔节−抽雄期为主。     

山西省春玉米生育期干旱特征分析

应用山西省15个气象站点1981-2011年春玉米生育期内逐日气温、降水量资料分别计算不同生育期的相对湿润度指数、降水与作物需水的耦合度,以相对湿润度指数（M）作为春玉米干旱等级评价指标,分析近31a山西省春玉米不同生育期干旱变化特征。结果表明：（1）近31a来,山西春玉米各生育期中,以出苗-拔节期干旱发生频率最高,达86.95%,干旱发生等级以中等以上为主,降水与作物需水的耦合度最小,仅0.41,该生育期缺水最严重;播种-出苗期干旱发生频率达82.47%,干旱发生等级以中等以上为主,北部和中部地区降水与作物需水耦合度分别为0.45和0.41,南部地区降水能满足玉米需水要求;拔节-抽雄期降水与作物需水耦合度为0.69,干旱发生频率为51.51%,干旱发生等级以轻旱为主;抽雄-乳熟期和乳熟-成熟期干旱发生频率较低,为32.58%～43.33%,以轻旱为主,降水与作物需水耦合度在0.95以上,降水基本能满足春玉米的需水要求。(2)从北部至南部,山西春玉米各生育期干旱发生频率基本呈递减趋势,降水与春玉米需水耦合度呈递增趋势。全省播种-出苗期中等以上干旱占各级干旱发生频率的比重均为最高,北部、中部和南部地区分别达86.73%、79.43%和72.88%。     

海河平原夏玉米主要生育期发生高温干旱并发事件的气候 学分析

利用海河平原27个气象站1960−2019年逐日最高气温、降水数据,采用标准化降水指数识别干旱,百分位法确定高温阈值,利用Cramér-von Mises（CvM）突变检验、累积分布函数（CDFs）等方法分析夏玉米全生育期及各主要生育期（播种−拔节、拔节−开花、开花−成熟）不同阈值水平下的高温干旱并发事件长期演变特征及空间分布情况。结果表明：（1）夏玉米各主要生育期不同阈值水平的高温干旱并发事件发生范围均无长期变化趋势,在20世纪90年代存在显著突变,突变后发生范围明显大于突变前,特别是开花−成熟期并发事件发生范围最大且突变后增大最多;对于不同阈值水平,高温阈值下并发干旱事件的发生范围增大最明显。（2）夏玉米各生育期并发事件发生频率均为研究区西北部较高,并向东南部减少,发生频率较高的北部地区自突变后增加幅度也最大。海河平原近60a夏玉米主要生育期高温干旱并发事件在20世纪90年代存在显著突变,自突变后,并发事件发生范围及各站点发生频率均明显增多,开花−成熟期高阈值水平下并发事件增多尤为突出。     

基于SPEI_KC的华北平原小麦玉米周年干旱特征分析

华北平原是中国重要的冬小麦和夏玉米（麦玉）生产基地，同时也是水资源紧缺的区域，农业生产极易受到干旱的影响。该研究在标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI）的基础上，引进作物系数（Kc）改进SPEI指数，并基于改进后的SPEI_KC指数从作物生长季尺度、关键生育期尺度以及麦玉周年尺度分析1961-2017年华北平原冬小麦-夏玉米周年干旱的时空分布和变化特征。结果表明：1）SPEI_Kc指数在华北平原麦玉周年干旱评估中的适用性优于SPEI_TW指数（采用Thornthwaite公式计算的SPEI指数）和SPEI_PM指数（采用Penma-Monteith公式计算的SPEI指数）：在（实际）有旱（指数）评估为有旱情况下，SPEI_Kc指数在代表气象站点的平均准确率为76.13%，较SPEI_TW指数、SPEI_PM指数均有提高；在无旱评估为无旱情况下，SPEI_KC指数准确率为85.67%，较SPEI_TW指数、SPEI_PM指数分别均有提高。2）小麦关键生育期和小麦生长季的空间分布均呈轻旱在河北北部较高，重旱在研究区中部较高分布，玉米关键生育期和玉米生长季干旱频率的空间分布均呈中旱在河北北部较高，重旱在山东西部较高分布。总体来说，研究区的东南部干旱频率小于西北部，山东半岛地区和河北中部旱情较轻，河南省干旱严重。3）年代际干旱程度总体呈略微减小的趋势，具体表现为大部分研究尺度的轻旱发生频率增加，所有研究尺度的中旱和重旱发生频率减小；小麦关键生育期、小麦生长季以及玉米生长季的干旱频率减小，玉米关键生育期和麦玉周年尺度干旱频率增加。研究结果能够为正确认识气候变化背景下该地区干旱分布和变化，进而采取合理措施应对气候变化提供理论依据。     

气候变化背景下中国主要作物农业气象灾害时空分布特征(Ⅱ):西北主要粮食作物干旱

基于中国西北地区1961-2010年149个气象站点逐日气象资料及春小麦、春玉米和夏玉米生育期资料,采用作物水分亏缺指数(CWDI)为作物干旱指标,明确了研究区域内3种作物干旱的空间分布特征和时间演变规律。研究结果表明:(1)3种作物生长季内及各生育阶段,干旱发生频繁,尤以特旱和重旱发生范围广、频率高,轻旱和中旱多发生在研究区域东部,甘肃南部和陕西南部等个别地区干旱发生频率相对较小。(2)春小麦生长季内干旱发生站次比为79.1%,春玉米生长季内干旱发生站次比为84.5%,夏玉米干旱发生站次比为77.4%;夏玉米生长季内站次比波动较小,春小麦和春玉米波动较大。总体而言,研究时段内春小麦生长期干旱发生站次比呈减小趋势,降幅为每10a减少0.55个百分点,春玉米和夏玉米干旱站次比呈增加趋势,增幅分别为每10a增加0.24个百分点和0.20个百分点。(3)研究区域东部春小麦和春玉米各生育阶段干旱强度呈增加趋势,西部呈下降趋势;夏玉米干旱强度在陕西北部、宁夏和河西走廊呈增加趋势,其它地区多为降低趋势。     

气候变化背景下华北平原夏玉米花期高温热害特征及适宜播期分析

利用华北平原夏玉米种植区55个气象站点1981−2017年逐日地面观测资料,以日最高气温≥35℃持续3、4、5d,且相对湿度≤70%为一次轻、中、重度高温热害,从年代际尺度、年尺度、旬尺度分析37a来华北平原不同播期下夏玉米花期高温热害的时空变化特征;以开花期避开中度高温热害为标准,推算夏玉米花期规避高温的适宜播期。结果表明:6月上旬播种,夏玉米花期遭遇高温热害的频率最大,河南省南部的信阳、固始等地区遭遇高温热害频率超过20%;6月中旬播种,夏玉米花期遭受高温热害频率为9%~12%。2011年以来华北平原夏玉米花期高温热害加重,发生频率高于P1−P3时段(1981−2010年)。华北平原早熟玉米平均适宜播种期在6月15日−7月5日,中熟玉米平均适宜播种期在6月15−27日,晚熟玉米平均适宜播种期在6月15−20日。在各适宜播种期范围内,华北平原南部应适当晚播,北部则应适当早播。     

黄淮海地区不同播期夏玉米籽粒脱水过程和产量形成的比较

以“浚单29”夏玉米为试验材料,于2014年和2015年在山东泰安农业气象试验站进行3个播期的播种试验,3个播期分别为6月5日（M−10处理）、6月15日（M处理）和6月25日（M+10处理）,分析播期对夏玉米生育阶段、籽粒脱水过程和干物质积累以及产量的影响。结果表明：随着播期的推迟,夏玉米全生育期持续时间缩短,其中抽雄−成熟期的变化幅度最大,M−10处理较M和M+10处理缩短了7～10d。提前播期（M−10）下,夏玉米的籽粒含水率、籽粒干物重均高于晚播,生理成熟前早播的夏玉米比晚播处理脱水慢,而生理成熟后早播的夏玉米比晚播脱水快。不同播期使夏玉米处于不同的气象条件下,显著影响了产量及产量构成因素。与当地常年正常播期（6月15日）相比,播期提前（M−10处理）增加夏玉米百粒重和收获指数,减少秃尖比;与晚播（6月25日）相比,提前播期下夏玉米穗粒数显著提高4.5%（2014年）和7.8%（2015年）,百粒重显著提高12.3%（2014年）和16.8%（2015年）,秃尖比显著降低21.4%（2014年）和12.5%（2015年）,可见,播期越晚,产量越低。因此,夏玉米“浚单29”在黄淮海地区可以适当早播,而播种过迟容易导致生育期延后,易遭遇低温,严重影响产量。     

基于农业干旱参考指数的西南地区玉米干旱时空变化分析

西南地区是中国玉米主要产区之一,干旱是该地区最主要的农业气象灾害,研究干旱时空分布特征及规律对西南地区玉米种植布局和防旱减灾有重大意义。该文收集西南地区玉米种植区60个代表气象站50a(1960年-2010年)的气象资料和玉米作物资料,选用基于土壤-植被-大气系统并以天为时间尺度的农业干旱参考指数(ARID)作为干旱指标,研究西南地区玉米生育期内干旱频率空间分布特征,并分析近50a干旱发生的年代际变化,验证ARID在西南地区的适用性。结果表明:1)近50a来西南地区发生的干旱具有显著的区域特征,高发区位于云南中北和东北部以及四川南部;其次为川东北的广元地区、川西南山地以及滇西北、滇南部的元江地区;少发区位于重庆大部、贵州北部等地区。2)阶段性干旱明显,受旱频率最高的时段为出苗至拔节期,受旱频率最低在抽雄至灌浆期,且随着发育进程,干旱有向东部转移的趋势。3)西南地区各分区玉米生长季内ARID变化差异较大,总体上来看干旱程度大多处于轻旱,个别区域处于中旱,或者在轻旱与中旱之间波动。4)ARID的年际变化特征表明:20世纪80年代受干旱影响最低,21世纪初受干旱影响最严重。     

华北平原夏玉米干旱灾害的时空变化特征及危险性评估

气候变化背景下,农业气象灾害呈面积逐年扩大、发生频率增加的趋势,且旱灾较其他灾害对农业的影响范围更广、历时更长,为了科学应对夏玉米干旱,保障夏玉米高产稳产,利用1980—2019年华北平原43个站点的气象数据,基于水分亏缺指数作为干旱指标,采用频次和站次比阐明了夏玉米主要生育阶段干旱灾害变化规律;利用信息扩散理论和层次分析法评估了夏玉米干旱危险性。结果表明：(1)华北平原夏玉米干旱以轻旱为主,阶段性差异明显,抽雄—乳熟阶段受旱严重,40年间平均各站点发生28次干旱,干旱站次比平均值为69.5%。(2) 2010—2019年是夏玉米受旱影响加重阶段,呈现干旱连年发生、范围明显扩大的特征。(3)夏玉米干旱的危险性整体呈西高东低趋势,河南大部及河北南部是干旱危险性高值区和次高值区,面积占比分别为12.1%,23.4%。综上,华北平原夏玉米干旱有加重和扩散趋势,抽雄—乳熟阶段受旱可能性较大,河南大部及河北南部干旱危险性较高,需加强对干旱的预报、监测及风险防控工作。     

基于作物水分亏缺指数的春玉米季节性干旱时空特征分析

季节性干旱是影响湖南春玉米生产最突出的气象灾害,分析其时空分布特征和发生的规律,可为湖南春玉米生产的发展和合理布局提供技术支持。该文基于湖南省96个气象站点1961－2007年地面气象观测资料,采用FAO于1998年推荐的Penman-Monteith 方法计算了参考作物蒸散量、玉米的作物需水量。考虑盈余降水对水分亏缺指数的影响,修正了的水分亏缺指数计算方法,并依据玉米的水分亏缺指数,分析了季节性干旱发生频率的时空特征。并选取不同区域典型站点分析了水分亏缺指数年代际变化特征。结果表明,湖南春玉米生长季节内干旱呈现明显的季节性和空间区域分布特征：干旱频率较高的时段主要在玉米抽雄－吐丝阶段及其后的生育阶段,且随生育期后移干旱频率明显增加,以轻旱程度为主。空间分布特征是以湘中南的衡阳及周边一带干旱频率最高,其次为湘东、湘北一带次高,湘西等地春玉米干旱频率低。各年代之间比较,以20世纪80年代干旱较严重,90年代干旱相对较轻。     

黑龙港流域夏玉米生育期降水、需水和干旱时空分布特征

黑龙港流域地下水超采导致水分极度匮乏,提高降水利用效率成为该区夏玉米生产的关键。该文利用黑龙港流域18个地面气象观测站1966—2015年逐日气象数据,对玉米全生育期及各生育阶段的有效降水量、需水量、作物水分亏缺指数、干旱发生频率的时空分布特征等进行了分析。结果表明,夏玉米全生育期有效降水量292.89～361.56 mm,呈"东北高、西南低"的趋势;需水量362.82～444.04 mm,呈"南部高,北部低"的趋势;近50年总有效降水量和需水量均呈下降趋势,且需水量的变化与平均日照时数、平均风速呈高度正相关;全区干旱发生频率为48.30%,其中南部超33.3%,中部及北部超66.6%;黑龙港中部和北部在成粒和灌浆阶段出现干旱的几率较大,南部在成粒阶段出现干旱的几率较大。该研究为黑龙港夏玉米降水资源的高效利用提供了理论依据。     

黄淮海地区夏玉米干旱等级划分

干旱是影响黄淮海地区夏玉米产量稳定性的主要农业气象灾害。建立夏玉米干旱灾害指标,开展夏玉米干旱灾害的监测及评估,对农业防灾减灾意义重大。该文根据夏玉米生长发育过程,选择土壤相对湿度和作物水分亏缺指数分别建立夏玉米不同生育阶段的干旱等级指标。首先在综合分析有关夏玉米土壤水分指标研究成果的基础上,确定了夏玉米各生育阶段不同干旱等级的土壤相对湿度指标。在此基础上,利用河南省农业气象观测站多年观测资料,建立水分亏缺指数与土壤相对湿度之间的关系模型,利用已确定的土壤相对湿度指标计算得出夏玉米不同生育阶段不同干旱等级的水分亏缺指数干旱指标。根据土壤相对湿度指标,夏玉米播种-出苗、出苗-拔节、拔节-抽雄、抽雄-乳熟和乳熟-成熟5个生育阶段发生轻旱的临界值分别为65%、60%、70%、75%和70%,发生重旱的临界值分别为45%、40%、50%、55%和50%,发生特旱的临界值分别为40%、35%、45%、50%和45%;而根据水分亏缺指数指标,5个生育阶段发生轻旱的水分亏缺指数的临界值分别为35%、40%、20%、10%和35%,发生重旱水分亏缺指数临界值分别为50%、65%、55%、45%和65%,发生特旱的临界值分别为55%、75%、65%、55%和75%。在黄淮海夏玉米区选择代表站点对确定的干旱等级指标进行了验证,土壤相对湿度和水分亏缺指数判定的干旱等级相同及相差一个等级的百分率变化在71%～91%,表明2套指标对干旱发生情况的判别具有较好的一致性;通过与历史典型干旱年份灾情对比,2套指标能够较好的判定出历史年份夏玉米生长季干旱发生情况,能够用于夏玉米干旱的监测、评估等方面的科研及业务服务中。     

基于水分盈亏指数的四川省玉米生育期干旱时空变化特征分析

四川省地形地貌复杂多样,常年多旱灾,玉米是该省主要粮食作物之一,在粮食生产中占有重要地位,但干旱一直是制约四川省玉米生长发育和产量形成的重要因素,常年春、夏、伏旱频发重发,造成玉米年际间产量不稳定。评估四川省玉米生育期干旱状况,分析其时空变化特征,可为相关部门制定农业生产计划、防灾减灾措施以及保险部门确定保费率提供科学依据。本文利用四川省144个玉米种植区气象台站1970—2010年逐日气象数据,以水分盈亏指数作为干旱指标,分析四川省6大玉米种植区域(盆南丘陵区、盆中浅丘区、盆西平丘区、盆周边缘山地区、盆东平行岭谷区和川西南山地区)玉米生育期内干旱频率的时空变化特征及干旱发生风险度的空间分布。结果表明:从时间变化看,各区域干旱频率变化趋势不同,但大部区域从20世纪90年代后期开始明显增加,其中拔节—乳熟期干旱站均次数变化趋势除盆东平行岭谷区随年代呈下降趋势,其余各区都呈上升趋势,乳熟—成熟期干旱站均次数变化趋势盆南丘陵区、盆西平丘区及盆周边缘山地区呈明显上升趋势;从空间分布看,盆南丘陵区轻旱发生次数最高,盆中浅丘区中旱发生次数最高,盆西平丘区及盆东平行岭谷区发生干旱次数相对较低;干旱发生风险度空间分布为:全生育期干旱风险重度区主要集中在盆中浅丘区、盆东平行岭谷区大部及盆南丘陵区部分区域,拔节—乳熟期重度风险区主要集中在盆地北部及盆中浅丘区大部,乳熟—成熟期重度干旱区域分布在盆北、盆东南及盆中浅丘区部分区域。     

黄淮海地区夏玉米干旱风险评估与区划

黄淮海地区是我国最大的粮食产区和夏玉米的主产区,同时也是干旱灾害的频发区,因此加强黄淮海地区夏玉米干旱灾害风险评估与区划有着重要的现实和战略意义。利用黄淮海地区气象数据以及地形、土地利用类型等数据,基于自然灾害风险评估原理,运用信息扩散法、加权综合评价法和层次分析法,结合GIS技术对黄淮海地区夏玉米干旱灾害进行风险性评估与区划。结果表明:黄淮海地区夏玉米干旱危险性整体偏高,干旱频率均在64.36%以上,高危险性等级主要分布在河北省北部和安徽省北部;敏感性偏高,高敏感性等级占总面积的20.80%,集中分布于山东省沿海等地;易损性偏低,高、中易损性地区占总面积的22.4%,各省均有少量分布;干旱综合风险偏高,高、中综合风险地区占总面积的68.43%,整个黄淮海地区除安徽省东南部外其他地区风险性均较高。     

近30年吴桥县冬小麦生育期水分亏缺变化趋势分析

为了给地处黑龙港地区的河北省吴桥县制定冬小麦稳产灌溉制度提供理论依据,本文利用1981—2013年吴桥县的气象数据和SIMETAW模型,分析了冬小麦全生育期及播种—返青期、返青—拔节期、拔节—开花期、开花—成熟期4个生育阶段的降水量、需水量、耗水强度及水分亏缺指数(CWDI)的变化趋势;同时利用5年滑动平均法将分析年份冬小麦实际产量分为趋势产量和气象产量,计算了不同降雨年型下冬小麦减产率的变异系数。结果表明,近30年河北省吴桥县冬小麦生育时期的水分亏缺指数和需水量均呈现轻微的上升趋势;冬小麦发生干旱的概率为93.75%,其中,中旱和重旱发生概率为65.52%。冬小麦生育时期的平均日降雨量呈现从冬小麦生育中期向后期转移的趋势,日耗水强度表现为从生育后期向生育中期移动的趋势,这是导致返青—拔节期和拔节—开花期水分亏缺指数较大的重要原因。冬小麦减产率的变异系数的绝对值在缺水年最大,为154.241;在丰水年最小,为1.999;正常年份为24.776。因此,冬小麦拔节—开花期的及时灌溉对于保障冬小麦的稳产增产具有重要作用。建议在缺水年份调整冬小麦的水分管理制度,在冬小麦拔节初期一次性充分灌溉或在拔节初期和中后期分次进行少量灌溉。