冬小麦干旱的下垫面孕灾环境研究——以淮河流域为例

基于1961—2019年淮河流域140个气象站点的日尺度降水数据和2000—2016年的月尺度的地表温度(LST)、归一化植被指数(NDVI)数据,利用表征气象干旱的标准化降水指数(SPI)挑选确定冬小麦不同生长期的典型干旱年份;利用表征农业干旱温度植被干旱指数(TVDI),借助Landsat-8数据提取淮河流域冬小麦种植面积,进一步深入分析格网化后的高程、坡度、水系、土壤类型、土壤相对湿度和浅层地下水埋藏深度等下垫面孕灾环境条件与冬小麦干旱之间的相互关系及其影响,为冬小麦干旱防灾减灾研究提供理论依据和技术支持。结果表明:(1)1961—2019年,冬小麦不同生育期的降水变化趋势不明显,冬前生长期和灌浆成熟期降水呈现略微上升趋势,各气象站点上升下降趋势均不显著。根据SPI确定典型干旱年份,冬前生长期的典型干旱年份为2010年,越冬期为2011年,返青抽穗期为2006年,灌浆成熟期为2001年。(2)淮河流域农业干旱程度总体大于气象干旱,空间分布总体一致,但存在部分地区不一致的现象,即冬小麦干旱还受到下垫面孕灾环境的较大影响。(3)冬小麦干旱与水系、表层土壤相对湿度和浅层地下水埋深相关性较高,与高程、坡度、土壤类型相关性较小。淮河流域冬小麦干旱易发生在海拔相对较高、坡度较陡、土壤类型为半水成土、远离河流、表层土壤相对湿度较低和浅层地下水埋藏深度为1 m的区域,干旱程度主要呈现沿海至内陆递增、南高北低的特征,有必要加强此类地区防灾抗旱能力,增加人工灌溉设施。     

主要生育期气候变化对河南省冬小麦生长及产量的影响

为分析不同生育期气候变化对冬小麦生长及产量的影响,本研究选择河南省30个农业气象观测站1961—2014年气象资料、1981—2014年冬小麦发育期及产量资料,采用数理统计与DSSAT-CERES Wheat模型模拟相结合的方法,分析了冬小麦播种—返青、返青—抽穗、抽穗—成熟3个时期的气候变化特征及其对生育期和产量的影响。结果表明:研究区气候变化的显著特征是播种—返青期日照时数按40.09 h·(10a)~(-1)的速率显著减少(P0.05),返青—抽穗期平均日最高气温和平均日最低气温同时大幅升高。冬小麦幼穗分化随着抽穗前日最低气温的升高按2.9 d·(10a)~(-1)的速率而提前结束,返青前气候变化对后续生育进程有持续影响,气象因子与播种—抽穗期、播种—成熟期持续日数以负相关关系为主。两种分析方法均表明:当前河南麦区播种—返青期气候变化对产量的影响不大,在一定范围内甚至有增产作用,气象因子贡献率平均为0.758;返青—抽穗期气候变化使穗密度和穗粒数平均减少2.74%和3.94%,大于抽穗—成熟期。不同生育期气候变化情景下,冬小麦高产和稳产均受影响,代表站点播种—返青、返青—抽穗、抽穗—成熟期分别平均减产1.6%、6.3%和4.8%,其中播种—返青、抽穗—成熟期影响产量的关键气象因子是日最高气温,而返青—抽穗期是日最低气温。     

旱涝对豫东地区冬小麦产量的影响评估

利用正交多项式等多种数学方法对豫东地区冬小麦产量的构成进行了分析,在此基础上用积分回归的方法建立了旬降水量与冬麦产量的回归方程,揭示了不同时期旱涝对产量的影响。根据豫东地区冬小麦生育期内各旬降水量影响系数,分析了该地区旬降水量对冬小麦生产影响的地区差异性。     

黄淮海平原气象干旱的演化特征与时空规律

干旱事件广泛地影响着作物的生长和发育,黄淮海平原是中国主要的粮食产区之一,全面了解该地区干旱变化特征对保障中国粮食安全至关重要。该研究基于标准化降水指数（standardized precipitation index,SPI）、标准化降水蒸散指数（standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI）、自校正帕默尔干旱指数（self-calibrating palmer drought index,scPDSI）、干燥度指数（aridity index,AI）4种干旱指数,对黄淮海平原干旱强度、干旱频率、干旱面积占比、干旱持续时间进行对比分析。结果表明,4种干旱指数均指示出1970—2020年黄淮海平原干旱强度逐渐减弱,干旱面积占比先增加后减少、再增加再减少、再增加的波动变化趋势,且在空间上均呈现出平原中部变湿、东西部变干的趋势。但不同指数在表征干旱空间特征上还存在一定的空间分异。对于干旱频率,SPI和AI指数显示出北部地区干旱频率高达60%,而南部地区低于20%;SPEI和scPDSI指数则显示出的南北差异较小,分别介于25%～40%和30%～50%。对于干旱持续时间,SPI指数监测的南北差异最为明显,而SPEI和scPDSI指数监测的区域差异较小。SPI和SPEI两种干旱指数监测的干旱持续时间较短,scPDSI指数监测的干旱持续时间较长。综合来看,北部区域干旱强度更为严重,且干旱发生频率高、持续时间长,而南部地区则相反。研究可为制定应对干旱的农业政策提供科学的参考依据。     

气候变化情景下黄淮海冬麦区降水量及其适宜度变化分析

采用双线性插值法将RegCM3模式模拟的A1B情景下该区域1951-2100年0.25°×0.25°的格点数据插值到各站点位置,然后利用黄淮海冬麦区1971-2000年83个站点逐日气象资料对其进行误差订正,再将情景数据分为1951-1980年、1981-2010年、2011-2040年、2041-2070年和2071-2100年共5个阶段,计算各阶段冬小麦主要生育期降水量及其适宜度,并分析相应的时空变化特点。结果表明：黄淮海冬麦区在暖湿化的气候情景下,冬小麦各主要生育期降水量和降水适宜度总体上呈现南方多北方少的分布特点,返青-拔节期降水量最少,抽穗-成熟期降水量最多,相应各主要生育期的降水适宜度表现为返青-拔节期和抽穗-成熟期较高、拔节-抽穗期较低的特点。分时段分析结果显示,随着时间推延,各主要生育期内降水适宜度与降水量基本呈正相位的变化关系,即降水量越大,适宜度也相应增大。返青-拔节期的降水量和降水适宜度均呈现北部增加、南部明显减少的趋势,拔节-抽穗期降水量和降水适宜度均呈减少-增加-减少-增加的波动变化趋势,抽穗-成熟期降水量和降水适宜度均呈先减少后相对稳定的变化趋势,全生育期内降水量和降水适宜度均呈先减少后增加的趋势。未来全球气候变暖情景下,黄淮海冬麦区北部可以考虑根据实际情况小幅扩大种植规模;南部可以考虑保持现有种植规模或小幅减小种植规模。     

淮河流域农田旱涝逐日监测指标优化及适用性分析

淮河流域是中国农业旱涝灾害发生最为频繁的地区之一。研究该区农田旱涝时空格局特征,建立主要粮食作物农田旱涝动态监测方法,并提升其时效性与精细化水平,能为区域农田水资源合理调配提供参考。该研究选取1971-2020年淮河流域173个气象站点逐日气象观测数据和土壤水分数据,针对区域土壤及主要种植作物相关特性,优化了农田水分收支项,并计算了站点日尺度标准化前期降水蒸散指数（Standardized Antecedent Precipitation Evapotranspiration Index,SAPEI）。对SAPEI在淮河流域农田旱涝监测中的适用性进行评价,同时基于SAPEI分析了淮河流域50 a农田旱涝时空特征。结果表明：基于三参数log-Logistic概率分布拟合方法适用于淮河流域SAPEI的计算。SAPEI能较真实地反映面上逐日农田旱涝变化,有93%样本计算的Kappa系数超过0.6,与实际田间土壤墒情旱涝等级一致性程度达到高度一致或者几乎完全一致。基于SAPEI的旱涝时空分布特征显示年平均SAPEI呈上升趋势,总体表现出干旱趋于缓和;冬小麦生育期呈下降趋势,在1992年发生突变,由正常逐渐转变为偏旱;一季稻生育期正负波动明显;夏玉米生育期呈上升趋势,其中2001-2010年指数持续大于0,处于明显偏湿时段。从空间分布来看,流域大部分站点干旱呈现缓和趋势。SAPEI在淮河流域农田旱涝监测中具有较好的适用性,基于该指数开展旱涝监测和评估,能有效预防并减轻农田旱涝对作物影响,并为防灾减灾措施的制定提供决策依据。     

气候变化对北方冬麦区冬小麦生育期的影响

利用北方冬麦区18个农业气象观测站1983-2005年气象资料和冬小麦生育期观测资料,采用统计分析方法,分析了该区域气象因素和冬小麦生育期变化特征,以及气候变化对生育期的影响。结果表明：1983-2005年,北方冬麦区降水量、日照时数和日较差的变化趋势不明显;而气温呈明显增加,以冬春季增加最为明显,最低气温的增幅较大;从总体上看,冬小麦播种期和返青期的变化趋势不明显,抽穗期和成熟期分别以0.46d/a和0.27d/a的趋势显著提前;在空间分布上,播种期和返青期的变化趋势差异不显著,而抽穗期和成熟期差异显著,特别是抽穗期表现出随纬度增加提前趋势变小的特点。相关分析表明：冬小麦关键生育期均表现为与日照时数和日较差呈显著正相关;与气温均呈显著负相关;除成熟期与5月降水总量相关性不显著外,其余均表现出显著负相关;从整体上看,最低气温升高是北方冬麦区冬小麦生育期提前的主要原因。北方冬麦区以气候变暖为主要特征的气候变化特征较为明显,其对冬小麦生育期的影响较为显著,研究结果可为北方冬麦区的农作物生产积极应对气候变化提供参考依据。     

TMPA卫星遥感降水数据产品在中国大陆的干旱效用评估

为评估基于卫星遥感的高时空分辨率降水数据产品在干旱研究中的应用能力,该研究以标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)和标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)为例,以站点实测降水数据产品作为参考,评估了热带降水测量计划——多卫星降水分析(tropical rainfall measurement mission(TRMM)multi-satellite precipitation analysis,TMPA)3B42V7产品在中国大陆范围内1998-2015年间的干旱效用.结果表明:1)基于3B42V7计算的干旱指数总体上具有较高的精度,在中国东部大部分地区与基于降水实测数据的干旱指数相关系数均在0.8以上;2)基于西南和华北2个典型干旱发生地区的干旱时空变异评估结果表明,3B42V7能较为准确地反映干旱事件的发展过程和强度并能较好地捕捉干旱事件的空间模式,并且在大多数情况下单纯基于3B42V7数据计算的SPI指数即可满足干旱监测的要求;3)干旱事件识别能力评估结果表明,3B42V7产品能够较准确地识别和定位1998年以来的大范围干旱.TMPA产品能从时间和空间上刻画出中国大陆干旱的演变规律,适用于大尺度气象干旱的监测与评估.     

基于SPEI的广西甘蔗生育期干旱时空演变特征分析

干旱是影响甘蔗生产最严重的农业气象灾害之一,在气候变化背景下,甘蔗生育期干旱时空演变特征对于蔗糖生产的防灾减灾具有重要意义。该文以中国甘蔗主产区广西为研究区,利用1971-2017年气温和降水量数据,采用标准化降水蒸散指数SPEI(standardized precipitation evapotranspiration index)作为干旱指标,在充分验证其对干旱监测适用性的基础上,以甘蔗不同生育期为时间尺度,同时考虑研究区甘蔗播种期差异,分析广西甘蔗不同种植区各等级干旱时空演变特征及规律,结果发现:1)利用SPEI可以较客观的反映甘蔗生育期干旱。SPEI与甘蔗种植区典型干旱事件的时间、强度吻合度较高,甘蔗各生育期及全生育期SPEI与不同深度的土壤湿度多呈显著相关,多数通过了0.01水平的显著性水平检验。2)1971-2017年,甘蔗各个生育期多呈干旱化趋势。其中,分蘖期干旱化趋势最强,苗期次之,茎伸长期干旱化趋势最弱,工艺成熟期呈湿润化的变化趋势。3)甘蔗不同生育期干旱周期变化明显。在10～15 a时间尺度上,多有4～6个干-湿循环,5 a时间尺度下则有更多的干-湿循环交替,相较于分蘖期和工艺成熟期,茎伸长期、苗期周期变化更明显。4)甘蔗各个生育期干旱空间分布特征差异较大。甘蔗工艺成熟期干旱发生频率最高,分蘖期干旱最低,茎伸长期和苗期相当。甘蔗各个生育期均以轻旱为主,重旱和特旱发生频率较低,其中茎伸长期和工艺成熟期中旱频率明显高于其他生育期。对于甘蔗苗期和茎伸长期,桂北地区干旱发生频率高于其他地区,而对于分蘖期和工艺成熟期,桂中地区干旱发生频率较高。     

1961—2010年气候变化对西南冬小麦潜在和 雨养产量影响的模拟分析

利用农业气象试验站作物资料及土壤资料,评价 APSIM-Wheat 模型在西南地区的适应性,应用该模型分析该地区1961—2010年冬小麦潜在和雨养产量的时空变化特征,通过逐步回归分析揭示小麦生长季主要气象因子对潜在产量和雨养产量的影响及相对贡献率。研究结果表明： APSIM 模型对该区5个常用小麦品种的模拟效果较好,模拟与实测生育期的均方根误差(RMSE)在7.0 d 以内,地上部分生物量和产量模拟值与实测值的归一化均方根误差(NRMSE)均低于25%,模型在西南地区具有较好的适应性。1961—2010年研究区域36%的站点冬小麦生长季总辐射显著降低,其中北部、东南部和南部中区最显著;68%的站点生长季≥0℃有效积温显著增加,西部增温显著;30%的站点生长季平均气温日较差显著减小,南部中区最显著;全区生长季总降水大面积减少但不显著,减少区主要位于最南端和东南部。模拟的冬小麦潜在产量在65%的站点呈显著减产趋势,南部中区和北部变化最明显;雨养产量在25%的站点显著降低,北部地区较明显,全区减产趋势较弱。减产显著的站点中,生长季辐射降低、温度升高、气温日较差减小对潜在产量降低的贡献率分别为45%、36%和2%,对雨养产量降低的贡献率分别为36%、39%和－8%,而降水减少对雨养产量降低的贡献率为7%。西南冬小麦生长季辐射降低、温度升高及降水减少共同导致了冬小麦潜在和雨养产量的显著下降,而气温日较差的降低对冬小麦潜在和雨养产量的影响分别表现为负作用和正作用,整体上辐射和温度的影响程度最大。     

IMERG卫星降水产品在中国的干旱监测效用评估

GPM(Global Precipitation Measurement)时代,高时空分辨率的IMERG(Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM)是最主流的卫星遥感反演降水产品。该研究以地面网格CPAP(China Gauge-based Monthly Precipitation Analysis Product)数据为基准资料,选用标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI)、标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)和综合气象干旱指数(Composite Index of Meteorological Drought,CI),评价了最新版回顾性IMERG降水产品在干旱监测方面的应用能力及比较了其计算的干旱指数间的差异性。结果表明:1)IMERG能较好地捕捉中国月均降水量的空间格局;其与CPAP数据具有较高的一致性,相关系数高于0.9的区域占大陆面积的73.7%。2)基于IMERG的干旱指数具有良好的可靠性,它与CPAP计算结果的区域平均相关系数在大部分地区超过0.8。总体上,SPEI较SPI和CI的适用性更好。3)在西南地区,IMERG可准确再现干旱随时间的变化过程并捕获典型干旱事件的空间特征,同样SPEI表现优于SPI和CI。总之,回顾性IMERG降水产品在中国干旱监测中表现出很好的应用潜力,但不同干旱指数会影响它的精度。在全球变暖条件下,基于IMERG的SPEI指数应用于干旱监测与评估整体上优于仅考虑降水因子的SPI指数,以及考虑降水和气温因子的CI指数。     

基于农户数据的河南中东部地区气象因子对冬小麦产量的影响分析

以河南中东部3个村庄为研究区,通过入户调查的方法,得到2003-2009年农户冬小麦实际产量数据,利用直线滑动平均法去除农户冬小麦趋势产量,从中提取出气象产量,并与相邻气象站点的数据进行相关分析,找出与产量相关度较高的气象因子。结果表明,研究区内影响冬小麦产量的关键气象因子为播种-越冬前降水量、灌浆-乳熟期日照时数、灌浆期平均气温,这些因子在冬小麦生长中分别以苗期旱灾,灌浆-乳熟期阴雨寡照和灌浆期高温的形式影响产量。研究结果可为冬小麦生产提供技术支持。     

石河子地区冬小麦生育期需水量变化特征及其气候成因

[目的]探究作物生育期需水量的变化趋势及其与气象因子的关系,为气候变化下农作物灌溉排水决策提供理论基础。[方法]基于联合国粮农组织(FAO)推荐的参考作物蒸散计算方法和相关作物系数,利用石河子地区1954—2012年逐日气温、降水、日照时数、风速、相对湿度等资料,计算石河子地区冬小麦近59a作物需水量和灌溉需水量,并探究其气候趋势变化的影响。[结果](1)过去50a,石河子垦区冬小麦需水量总体呈增加趋势,越冬—返青期增势最为明显(气候倾向率为2.65mm/10a);拔节—抽穗期冬小麦需水量最大,为130.23mm。(2)灌溉需水量总体呈减少趋势,其中拔节—抽穗期灌溉需水量最大(平均值为88.65mm)且减少趋势最为明显(气候倾向率为-3.11mm/10a)。(3)气象因子对冬小麦不同生育期的需水量和灌溉需水量有很强的相关性,其中冬小麦生育后期需水量与气象因子有极强的相关性;气象因子中,降水对于灌溉需水量影响最大。[结论]气候变化下,石河子地区冬小麦作物需水量呈增加趋势,但降雨量的增加趋势下,灌溉需水量总体呈减少趋势。     

基于生态分区的1980-2015年内蒙古干旱动态

为研究内蒙古干旱时空分布特征,将内蒙古地区分为荒漠生态分区、草原生态分区和森林生态分区,选用标准化降水指数为气象干旱评价因子,对1980—2015年内蒙古降水数据进行了动态分析。结果表明:（1）1980—2015年,内蒙古草原和森林区的SPI12有轻微减小趋势,而荒漠区的SPI12有增加趋势。（2）荒漠区干旱强度主要为中旱和轻旱,草原区以轻旱为主,森林区发生不明显干旱、轻旱和中旱的频率一样。荒漠和草原区干旱影响范围主要为无明显干旱和全域性干旱,而森林区主要为无明显干旱和区域性干旱。（3）春季3个区的SPI都有明显增加趋势。夏季3个区的SPI均有减小趋势。秋季荒漠区的SPI有增加趋势,草原区变化趋势不明显,而森林区SPI有减小趋势。冬季森林和草原区的SPI有增大趋势,而荒漠区SPI无明显变化趋势。（4）春季3个区多数站点的SPI值均有增加趋势。夏季3个区多数站点的SPI值都呈减小趋势。内蒙古秋季SPI变化趋势率表现为西部地区增大,东部地区减小。冬季荒漠生态分区SPI有增加趋势的站点多数分布于西部,有减小趋势的站点多分布于东部,草原区SPI有增大趋势的站点数较多,森林区的全部站点的SPI值都有增大的趋势。研究结论可为内蒙古地区干旱的监测预警和防灾减灾提供理论依据。     

基于降水蒸发指数的1960－2015年内蒙古干旱时空特征

内蒙古地区农业以草原畜牧业和旱作农业为主,容易受到自然灾害,特别是干旱的影响。在气候变化的背景下,研究该地区干旱时空格局特征,对当地采取适应气候变化对策具有重要意义。为了明确内蒙古地区不同时间尺度干旱特征及其对气候变化的响应,该文选取1960-2015年内蒙古地区46个气象站点逐月气象观测数据,计算不同时间尺度标准化降水蒸散指数SPEI,结合Mann-Kendall检验、经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分解、旋转经验正交函数(rotated empirical orthogonal function,REOF)分解、干旱评价指标等方法,分析了内蒙古地区56 a来干旱时空格局特征,讨论了干旱特征与太平洋年代际震荡(pacific decadal oscillation,PDO)指数的关系。结果表明:从时间变化来看,内蒙古地区干旱逐渐减轻,1976年发生突变;四季均呈变湿趋势,春季显著;全区干旱强度基本为轻旱和中旱,主要为局域性干旱和全域性干旱。从空间分布来看,内蒙古地区整体上呈西部干旱缓解、东部干旱加剧的趋势;夏季整体干旱显著加重,秋季次之,春季和冬季以减轻为主。按照干旱区域敏感性强弱可将内蒙古地区分为西部区(I区)、中部区(II区)、东北部北区(III区)和东北部南区(IV区),其中I、II区干旱逐渐减轻,III、IV区呈偏干趋势。56 a来SPEI与PDO指数存在同相位关系,PDO指数冷相位时,内蒙古地区全区偏干,反之则偏湿。研究结果可为内蒙古地区水热状况的科学评估及干旱的监测预警和防灾减灾提供理论依据。     

西藏冬小麦需水关键期的降水变化趋势分析

利用1961～2000年西藏不同农业气候区旬降水量资料，分析了冬小麦生育期的降水特征及趋势变化。结果发现，半干旱农区冬小麦拔节-孕穗期、抽穗-乳熟期的降水变率较大，多数年份自然降水不能满足作物需水，水分亏缺严重。半湿润农区多数年份拔节-孕穗期的降水少于作物需水量，而抽穗-乳熟期相反，水分有盈余。过去40年冬小麦抽穗-乳熟期、全生育期的降水量，在半湿润农区呈较明显的增加趋势，而在半干旱农区1980年以前呈减少趋势，1981年以后表现为显著的增加趋势。     

基于TRMM数据的山东省干旱监测及其可靠性检验

为了兼顾卫星遥感干旱监测的高时空覆盖性和气象站点干旱监测的普遍适应性,使用热带降水测量卫星(TRMM)3B43的逐月降水量资料和单站干旱监测Z指数方法,对区域干旱过程进行监测。研究以黄淮海平原冬小麦主产区的山东省为例,使用该方法对1998年1月-2010年12月间的逐月干旱情况进行了监测,并利用同期气象数据计算出来的标准化降水指数(SPI)对TRMM-Z指数进行了验证。结果表明TRMM-Z指数监测出的干旱发生、发展过程与实际相符,其监测结果与站点SPI相关系数为0.83,达极显著水平。该干旱监测方法在区域干旱监测与评估中具有很好的适用性和精度,为有效获取气象与农业旱情提供了一种新的思路。     

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。