基于SPI判定的东北春玉米生长季干旱对产量的影响

为了研究东北地区干旱对春玉米产量变化的影响机制,选用标准化降水指数(standardizedprecipitationindex,SPI)作为干旱的判断标准,利用东北地区春玉米历史产量资料构建相对气象产量残差(standardized yield residuals series,SYRS),结合春玉米干旱受灾率,分析了东北地区春玉米全生育期干旱和产量变化特征,以及干旱对春玉米产量影响的变化规律。结果表明:1)年际间降水量的波动导致东北地区玉米单产不稳定,辽宁和内蒙古东部受旱的程度及年数均远高于黑龙江和吉林,玉米成灾率和生长季降水距平百分率呈现明显负相关。2)20世纪80至90年代中期出现干旱的年份较少;而从90年代后期至2015年干旱年变多。3)2000年之前,黑龙江、吉林和内蒙古东部3省区相对气象产量残差SYRS从负值向正值波动提升,在90年代中后期达到历史最高,进入2010年以后,SYRS普遍处于正常水平;辽宁省SYRS呈现年际间波动大的特征。4)东北四省区SPI6与SYRS满足向下的抛物线趋势,当降水量处于正常略偏多的情形下,东北4省区产量能达到高产的水平;当SPI6处于干旱或者过湿的情况下,将处于低产量水平。     

中国东北春玉米区干旱时空分布特征及其对产量的影响

为了研究东北地区春玉米不同生育阶段干旱时空分布规律及其对产量的影响,基于研究区域1961—2012年69个气象站点逐日气象资料和春玉米生育时期及产量资料,采用Penman-Monteit法计算潜在蒸散量,在此基础上利用农业干旱指标标准化降水蒸散指数(SPEIPM)划分干旱等级-最后利用干旱等级权重及发生概率评分等级计算每个站点的干旱危险指数(DHI);利用Mann-Kendall检验法计算5个生育阶段的SPEI变化趋势,利用回归分析进行SPEI与玉米气候产量的关系分析。结果表明,吉林省西部和辽宁省西部在玉米生长季内始终为干旱高风险区,吉林省东部和辽宁省东部则为干旱低风险区,黑龙江省东部干旱风险随生育进程增大;近52 a玉米苗期干旱强度和范围有减小趋势,而生育后期在增加;1991—2012年辽宁省西部玉米气候产量与SPEIPM3-7(5—7月份的SPEIPM)以及吉林省西部、吉林省东部和松嫩平原气候产量与SPEIPM3-8(6—8月份的SPEIPM)的关系达极显著(P0.01),吉林省中部气候产量与SPEIPM3-8(6—8月份的SPEIPM)关系达显著水平(P0.05)。春旱严重地区如松嫩平原、吉林省西部、辽宁省西部和南部的干旱强度和范围正在减小,而东北干旱程度在玉米生育后期整体呈增强趋势,其中东部最明显。在降水充沛的吉林省东部,气候产量与干旱指数的回归方程对称轴在0附近,表明正常降水情况下即能保证高产和稳产。降水较少的地区如辽宁省西部和吉林省西部等地,回归方程对称轴在1附近,提高玉米产量需增加灌溉和提高水分利用效率。     

东北地区春玉米生长季农田蒸散量动态变化及其影响因子

利用大型称重式蒸渗仪对东北春玉米田蒸散量的观测结果,分析玉米生长季蒸散量的分布特征及其影响因子。结果表明：东北春玉米生长季（播种-成熟）农田蒸散量为362.3mm,日平均蒸散量为2.6mm·d-1。从各生育期的分布情况看,播种-七叶期蒸散量较小,日平均蒸散量为1.4mm·d-1,占全生育期的11.7%;七叶期开始,日平均蒸散量逐渐增加,在大喇叭口-抽雄期达到最大,为4.3mm·d-1;抽雄-乳熟期总蒸散量最大,为97.2mm,占生长季蒸散量的26.8%。从月蒸散量分布看,7-8月累积蒸散量达207.0mm,占5-9月蒸散量的54.5%;5、6和9月蒸散量较少,分别占5-9月总蒸散量的11.6%、19.6%和14.3%。从逐小时蒸散量变化看,蒸散量日变化表现为早晚低、中午高的“单峰型”曲线特征。蒸散量与叶面积指数、太阳辐射、5cm地温、平均气温、最高气温、最低气温存在显著的线性正相关关系,与空气相对湿度和饱和差间呈显著的二次函数关系。叶面积指数是影响春玉米农田蒸散最主要的生物因子,5cm地温和太阳辐射是最主要的环境驱动因子。     

东北地区作物生长季干旱时空分布特征及其环流背景

依据东北地区71个气象台站1961-2009年5-9月气温、降水资料,对帕默尔干旱指数(PDSI)评价实际干旱的能力进行验证,并对PDSI距平场展开经验正交函数(EOF)分析,同时利用NCEP/NCAR再分析资料对干旱年的环流背景做了初步探讨.结果表明,(1) PDSI对东北地区农作物生长季的实际干旱具有较高评估能力,但在个别年份容易高估干旱程度;(2)EOF前3个特征向量的累积方差贡献率达74.9％.其中,第1特征向量是主要的分布格局,为全区一致型,第2特征向量为南北相反型,第3特征向量为东西相反型;(3)近49a东北地区农作物生长季干旱以9a和23a的变化周期为主,未来几年内干旱趋势仍将持续增强;(4)在干旱年(PDSI≤-1),500hPa高度场上副高偏弱,东北地区处于槽后脊前,同时该地区为位势高度距平的正中心,受高压控制降水偏少.850hPa水汽通量场上,输送到东北地区的西南及东南暖气流的水汽明显较少,同时该地区不仅存在反气旋环流,而且其水汽通量散度大于0,不利于降水.     

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。     

黄土高原植被变化对气象干旱多尺度响应特征与机制

基于黄土高原1983—2015年间的植被状况指数(VCI)与1~48个月尺度的标准化降水蒸散发指数(SPEI)和标准化降水指数(SPI),利用Pearson相关系数法、线性回归法和Mann-Kendall趋势检验法等方法研究了黄土高原地区植被对气象干旱的多时间尺度时空响应特征。结果表明:(1)1983—2015年,黄土高原植被状况整体趋于改善,但黄土高原整体干湿状况变化趋势不大。(2)黄土高原绝大部分区域植被变化与气象干旱指数呈现显著正相关关系,表明植被活动受到水分的限制较强。但是,过去几十年,黄土高原地区植被受到水分限制的影响程度有逐渐减轻的趋势。(3)黄土高原植被对短时间尺度的水分盈亏变化相对敏感,尤其是耕地和草地对1~4个月的SPEI更为敏感,而林地对SPEI的响应时间尺度较为分散。黄土高原VCI与SPEI、SPI的最大相关系数均主要出现在生长季(4—10月),表明水分条件在生长季对植被活动的影响较为显著。     

基于SIF的东北春玉米干旱动态阈值构建

为实现对春玉米全生育期干旱的动态监测,消除分段式干旱灾害阈值在跨越发育期的灾情监测中的跳跃性,该研究构建了东北春玉米全生育期干旱动态阈值,实现了对玉米全生育期灾情的连续性监测。该研究以东北地区春玉米为研究对象,基于时间序列日光诱导叶绿素荧光（solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF）数据,结合2000—2020年东北地区春玉米实际干旱灾情资料,采用多项式、高斯拟合法构建东北春玉米不同干旱等级曲线,得到最优拟合模型,以相邻干旱等级拟合曲线的平均值作为玉米全生育期各干旱等级动态临界阈值,并用独立样本和典型干旱事件验证动态临界阈值。结果表明,高斯拟合模型在描述东北春玉米不同干旱等级时间序列叶绿素荧光指数值时较多项式拟合效果更佳;该研究构建的东北春玉米不同干旱等级动态阈值能较好地反映东北地区春玉米干旱情况,干旱等级识别结果与实际灾情等级基本符合的占91.03%,其中完全符合的占82.76%,验证精度较高;基于典型干旱事件的时空验证结果也表明该干旱等级动态阈值能较好地反映东北地区春玉米干旱时空演变特征和干旱灾情的发生发展动态。     

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。     

东北地区玉米春季渍害指标构建及时空分布特征

为厘清东北地区玉米春季渍害的评价指标及变化特征,该研究利用东北地区164个气象站点1981-2020年逐日气象资料和历史灾情资料,采用相关分析和逐步回归方法,分析玉米春季播种-出苗期降水和温度对渍害等级的影响效应,建立当量降水量和当量温度,在此基础上构建渍害等级指标,探讨东北地区玉米春季渍害的时空分布特征。结果表明：1）玉米春季渍害指标验证基本一致率达82%,能较好地反映东北地区玉米播种-出苗期渍害的实际受灾情况。2）1981-2020年东北地区玉米播种-出苗期渍害的发生存在明显空间差异,高发区集中在辽宁省东部、吉林省东南部以及黑龙江省三江平原地区,渍害频率最高可达45%,轻度渍害发生范围明显扩大;玉米不同程度渍害发生频率存在差异,表现为轻度>中度>重度。3）玉米渍害发生频率总体呈上升趋势,但上升趋势不显著,其中2001年、2002年、2004年为显著突变年。研究结果能够为揭示气候变化背景下东北地区玉米春季渍害灾变机制和时空演变规律提供理论依据。     

1961-2015年黄淮海平原夏玉米干旱识别及时空特征分析

利用黄淮海平原内气象数据、农业气象数据、夏玉米实际灾情资料,参考标准化降水指数SPI的计算公式,结合实际干旱灾情数据构建夏玉米干旱指数SPI10和SPI30,并分析黄淮海平原夏玉米生长季干旱的时空分布特征。结果表明：播种-抽雄期、抽雄-成熟期的旬尺度SPI10干旱阈值分别为-0.10和-0.35、月尺度SPI30干旱阈值分别为-0.60和-0.65,灾情验证结果显示时间尺度更小的SPI10在反映黄淮海平原夏玉米干旱特征方面效果更好。基于SPI10分析了黄淮海平原夏玉米干旱的时空分布特征,发现播种-抽雄期的平均干旱频率和干旱强度均明显高于抽雄-成熟期,并且干旱强度的时空分布特征均与干旱频率较为一致,一般表现为干旱频率越高的地区,累计干旱强度也越强;同时,75%的年份中播种-抽雄期的干旱范围大于抽雄-成熟期。综合以上结果,黄淮海平原夏玉米在营养生长阶段更容易受到水分缺失的影响,更易发生干旱胁迫。     

淮河流域冬小麦主要生育期旱涝时空特征及对产量的影响

旱涝灾害在淮河流域发生频繁,对农作物产量影响较大。该文基于淮河流域1961-2014年140个气象站逐日降水、气温数据,利用标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)和标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)定量分析冬小麦各生育期气候特征,结合1961-2012年20个站点冬小麦单产数据计算标准化产量残差(standardized yield residuals,SYR),探讨冬小麦主要生育期旱涝灾害对其产量的影响。结果表明:1)冬小麦各生育期气温均呈显著上升趋势(P0.05),气温呈南高北低、西高东低的格局,东部趋势高于西部且返青抽穗期大部分站点趋势值最高,而降水量沿纬度变化与气温一致,其变化趋势在冬小麦各生育期差异明显。2)冬小麦返青抽穗期干旱增加趋势最大(P0.05),旱涝灾害在全生育期、返青抽穗期和灌浆成熟期主要受气温影响,在冬前生长期和越冬期主要受降水量影响,同时冬小麦各生育期SPEI干旱化趋势大于SPI。3)除冬前生长期外,SYR与SPI和SPEI均呈负相关关系,以返青抽穗期相关性最高,在返青抽穗期达到中度干旱或中度湿润时产量减少。该研究尝试明晰淮河流域发生在冬小麦生育期的旱涝灾害对其产量的影响,为冬小麦生育期防灾减灾提供基础支撑。     

基于2种标准化干旱指数分析秦皇岛近50年干旱状况

为了分析SPEI是否相对于SPI更适合于气候变暖背景下秦皇岛的干旱监测与评估,为更精确地诊断该区干旱发生状况提供依据,以河北秦皇岛1964—2014年逐日降水及温度资料为基础,分析比较标准化降水指标(SPI)和标准化降水蒸散指标(SPEI)对秦皇岛干旱监测的差异及秦皇岛地区近50年干旱变化趋势。结果表明:50年来秦皇岛干旱发生的频次逐渐增多,且干旱程度也较过去有所加重,春季、夏季、冬季呈干旱化趋势,秋季呈增湿趋势;两个指数在同一季节指示的干湿状况演变趋势是一样的;1989年以前,秦皇岛市气温距平值基本为负值,在这期间SPI与SPEI数值变动趋势较为一致且在发生干旱的年份SPI与SPEI数值之间差异不大,但在1989年以后,随着秦皇岛市气温距平值由负转为连续多年正值,两个指数差异增大,SPEI在监测到干旱发生时,干旱程度较SPI监测的结果更重也更接近实际情况,所以得出SPEI更能有效地反映出全球变暖背景下秦皇岛干旱发生发展情况。     

基于标准化降水指数的陕西省干旱时空变化特征分析

干旱作为当今全球范围内危害严重且频发的一种自然灾害之一,对人类和自然系统都产生较大影响.该文基于陕西省长历时的典型测站逐日降水资料,采用标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)、干旱频率、干旱站次比和干旱强度等干旱指标,揭示陕西省干旱时间与空间尺度上的变化特征,为区域水资源合理调配提供参考.结果表明:1)研究区域整体上干旱范围有扩大的趋势,研究时段内干旱较为频繁且持续时间较长,其中,区域内各个站点干旱发生频率均值为70.0%,轻旱和中旱发生频率较高,重旱和特旱发生频率相对较低;2)干旱站次比呈现出季节性特点,其中,春季、冬季干旱站次比呈增加趋势,夏季、秋季干旱站次比呈减少趋势;3)干旱强度变化不明显,其中,春季、冬季的干旱强度呈增强趋势,夏季、秋季干旱强度呈减弱趋势;干旱站次比和干旱强度变化趋势基本一致;4)干旱呈现出较明显的区域变化特征,其中,既有覆盖全省范围的全域性干旱,也有局部地区干旱,并且干旱频率、干旱站次比和干旱强度空间上分布上也存在差异.     

基于自然灾害风险理论的东北地区玉米干旱、冷害风险评价

为了分析干旱、冷害灾害对农作物生长的综合影响,全面评价其综合风险,该文利用东北地区35个农业气象站1961-2010年气象资料、1981-2010年玉米发育期资料、1961-2010年产量面积资料、近50 a东北三省的灾情资料以及近10 a东北三省各县的社会经济统计资料,以玉米出苗—抽雄、抽雄—成熟2个生长阶段发生的干旱及冷害为研究对象,基于水分亏缺指数和热量指数分别建立了干旱指标和冷害指标,对东北地区玉米干旱、冷害进行风险分析。建立了包括危险性、脆弱性、暴露性和防灾减灾能力4个方面的东北地区玉米干旱、冷害风险评价模型,指出危险性和防灾减灾能力是风险评价模型中最重要的两个影响因子。研究结果为,东北地区玉米干旱、冷害高风险值区位于黑龙江西南部和东北部,以及辽宁西部建平县一带,风险指标值在0.8以上;吉林西北部、东南部、辽宁东北部为次高值区,风险指标值在0.6~0.7之间;低值区位于辽宁中南部及辽东半岛,风险值在0.3左右。研究结果可为东北地区防灾减灾工作提供客观依据。     

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。     

北方地区不同等级干旱对春玉米产量影响

北方地区是中国主要的玉米种植区,在中国玉米总产和播种面积中占有较大比例,同时也是中国易发生干旱的地区,北方地区干旱常态化严重制约着该地区玉米的稳定发展。该文基于北方地区14个省(市、自治区)217个气象台站1961-2010年的逐日气象数据以及作物、土壤和田间管理资料,依据春玉米生长季内降水量并以100 mm为间隔将全区划分为6个区域(Ⅰ~Ⅵ),选取作物水分亏缺指数为农业干旱指标,基于验证后的农业生产系统模型(agricultural production systems simulator,APSIM),明确了各生育阶段不同等级干旱对春玉米产量的影响。研究结果表明,北方地区干旱造成春玉米减产率在空间上呈由西向东下降趋势,降水的空间分布直接导致了灾损程度在各区的差异,其中西部灌溉绿洲农业区雨养种植春玉米干旱风险非常大,需大力发展节水灌溉,而东部雨养农业区自然降水已基本满足春玉米生长发育需要,干旱对春玉米产量影响较小,在模拟过程中很难准确的反映出旱级对产量造成的差异影响。春玉米在拔节—抽雄阶段发生干旱会对产量造成比较严重的影响,该阶段4个等级干旱造成春玉米减产率的四分位区间分别为特旱(20.1%~33.6%)、重旱(12.0%~20.3%)、中旱(6.3%~15.2%)、轻旱(4.7%~11.6%)。