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1、 淮北平原冬小麦干旱特征分析 方逸敏，朱永华*，吕海深,2，王振龙，潘 莹，许海婷（1.河海大学 水文水资源学院，南京 210098；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.安徽省（水利部淮委）水利科学研究院 水利水资源安徽省重点实验室，合肥 230088）0 引 言【研究意义】淮北平原安徽地区（以下简称淮北平原）地处黄淮海平原南侧，自然条件优越，是我国重要商品粮生产基地之一，冬小麦是其主要的粮食作物。干旱是冬小麦生育期间发生的主要气象灾害之一，其特点是发生频率高、影响范围大、持续时间长，对冬小麦生长发育和产量有很大影响1-2。因此，研究淮北平原冬小麦干旱
2、特征及变化趋势，对科学把握淮北平原冬小麦生长发育状况以及确保冬小麦稳产高产具有重要意义。【研究进展】监测干旱的指标很多，其中常见的干旱指数有帕默尔干旱指数（PDSI）3、标准化降水蒸散指数（SPEI）4、归一化植被指数（NDVI）5等。王连喜等6以作物水分亏缺指数（CWDI）为干旱指标，结合数理统计方法，分析河南省冬小麦干旱时空分布特征。李德等7采用平均值、点聚图、有序样本最优聚类等方法，建立了皖北砂姜黑土区冬小麦生育期尺度的降水量负距平百分率、麦田水分盈亏率干旱指标，经检验，这些指标均有80%以上的正确率，能较好地解释皖北砂姜黑土区的干旱事件。康西言等8以冬小麦需水量替代SPEI指数中的蒸散
3、量，对蒸散量的计算和时间尺度进行改进，分析了河北省19652014 年冬小麦干旱时空分布特征。贾建英等9基于冬小麦休闲期土壤贮水和生长期降水盈亏对作物水分亏缺指数进行改进，改进后的水分亏缺指数与冬小麦减产率高度相关。【切入点】一方面，这些研究大多基于作物水分亏缺或气象条件建立干旱指标，或者仅考虑某地区发生干旱的频率，鲜有将作物水分亏缺和发生干旱的频率相结合的干旱指标。Cammalleri 等10将作物水分亏缺和干旱频率同时纳入考虑，认为只有发生罕见的土壤水分亏缺才能被认定为干旱，并建立了一种基于土壤含水率数据，结合土壤水分亏缺程度和频率的干旱严重指数（Drought Severity Inde
4、x，DSI）来量化干旱事件。另一方面，这些研究大多基于050 cm 土层土壤含水率展开研究7,11，未考虑冬小麦根区层不同土层深度土壤含水率对各生育阶段生长发育的贡献程度。本文通过冬小麦各生育阶段根区不同土层深度土壤含水率与冬小麦产量的相关性分析，分别确定各生育阶段对冬小麦生长发育起决定作用的关键土层，用关键土层的土壤含水率计算干旱严重指数DSI并评定干旱等级，分析19862018 年淮北平原冬小麦干旱特征及干旱趋势。【拟解决的关键问题】利用19862018 年淮北平原砂姜黑土区的不同土层深度土壤含水率数据和冬小麦年产量数据，分析对冬小麦生长发育起决定作用的关键土层，并结合发生干旱的频率，计算
5、关键土层的干旱严重指数DSI，依据DSI指数计算结果评定干旱等级，统计淮北平原19862018 年的干旱频率频次，采用Mann-Kendall检验法（M-K检验法）、滑动T检验法分析干旱变化趋势，并对比淮北平原气温突变年（1994 年）前后的干旱特征及趋势，对淮北平原冬小麦的干旱特征和变化趋势进行研究，以期更准确地监测和量化淮北平原地区的农业干旱事件，对淮北平原的农业干旱特征有更科学的把握。1 材料与方法1.1 研究区概况淮北平原位于安徽省北部，黄淮海平原南端，属北亚热带和暖温带气候，冬季干旱少雨，夏季炎热多雨，54%的土地面积为砂姜黑土，冬小麦是其主要冬作物。五道沟水文水资源试验站位于安徽省
6、蚌埠市北部固镇县境内，年平均降水量为890 mm，60%以上的降水发生在69 月，降水量年内分布不均匀且年际变化大，土壤类型为砂姜黑土，且位于冬小麦产区，具有典型冬小麦物候期。综上，五道沟试验站在气候、土壤类型、作物类型及物候期方面均在淮北平原具有一定代表性，故而选择五道沟试验站为淮北平原的代表性站点12-14。1.2 数据来源土壤含水率数据：19862018 年淮北平原砂姜黑土区土壤含水率数据来源于安徽省蚌埠市固镇县新马桥镇五道沟试验站。土壤含水率采用土钻每5 天取样1 次（每月1、6、11、16、21、26、31 日），各土层质量含水率采用烘干法测定，结合该试验站测定的干体积质量数据将各土
7、层质量含水率换算成体积含水率。冬小麦生长资料：依据淮北平原冬小麦的生长发育情况和五道沟试验站试验报告15，将冬小麦生育期划分为6 个生育阶段，依次为播种出苗期（10101220）、出苗返青期（1221次年0210）、返青拔节期（02110320）、拔节抽穗期（03210420）、抽穗灌浆期（04210515）、灌浆成熟期（05160531）。以每年10 月10 日至次年5 月31 日为一个生育期，例如1986 年10 月10 日1987年5 月31 日称为1987 年生育期，其他年份同理。1.3 研究方法1.3.1 相关性分析利用淮北平原冬小麦20062013、20162017年共10 个生育
8、期的年产量数据和不同土层深度的土壤含水率数据，计算皮尔逊相关指数，进行相关性分析，确定对冬小麦各生育阶段生长发育起决定作用的关键土层。1.3.2 土壤水分亏缺指数依据Van 等161987 年提出的S 曲线计算土壤水分亏缺指数d：式中：为无量纲吸收减少函数，表示水分胁迫导致的根系吸水减少，吸收减少函数与水分亏缺指数d本质上都是反映土壤水分亏缺，前者以土水势来量化，后者以土壤含水率来量化，对于同一对象，二者在数量上相等；p为经验形状参数；h为土水势；h50为蒸腾作用减半时的土水势；依据淮北平原砂姜黑土的经验数据18，h50=-1 500 cm，p=3；依据淮北平原砂姜黑土土壤水分特征曲线19得到
9、，h=-3 299 cm；综上，联立式（1）、式（2），确定经验指数n=5.866。1.3.3 干旱频率与Cammalleri 等10计算干旱严重指数DSI过程类似：用beta 分布来统计土壤水分亏缺指数d；用土壤水分亏缺指数的标准化百分数F*(d)表示土壤水分与“通常”状态的偏离程度，即干旱的罕见性；用Z指数干旱等级定义土壤水分亏缺指数的标准化百分数的等级；最后拟合标准化百分数F*(d)与干旱频率P的关系，得出干旱频率P的表达式，如表1 所示。本文用气象干旱等级（GB/T204812017）20规定的Z指数干旱等级代替Cammalleri 等10使用的Z指数干旱等级。表1 冬小麦各生育阶段P
10、 指数与F*(d)的函数Table 1 The function of P index and F*(d) at each growth stage of winter wheat1.3.4 干旱严重指数DSI计算土壤水分亏缺指数描述了缺水严重程度，但即使是相同的水分亏缺，在不同时期不同地区也会对作物产生不同影响，仅考虑水分亏缺严重程度而忽略水分亏缺在历史序列中的异常性可能会错误识别干旱；干旱频率可以反映干旱的罕见程度，对于年际变化小的地区，仅考虑干旱罕见程度则可能会将罕见但不妨碍作物正常生长的情况识别为干旱。Cammalleri 等10将作物水分亏缺和干旱频率同时纳入考虑，认为只有发生罕见的
11、土壤水分亏缺才能被认定为干旱，并建立了一种基于水分亏缺程度和频率的干旱严重指数（Drought severity index，DSI）来量化干旱事件，并给定干旱等级，如表2 所示：表2 基于干旱严重指数（DSI）的干旱等级划分Table 2 The classification of drought grade based on DSI2 结果与分析2.1 相关性分析冬小麦播种出苗期根系深度一般在030 cm之间，出苗返青期根系深度生长至90 cm 左右，返青拔节期根系生长至120 cm 左右，拔节期后根系逐渐发育完全，至150 cm 左右18。播种出苗期以010 cm 耕作层和最大根系深度3
12、0 cm 为界线划分土层，出苗期后以010 cm 耕作层、50 cm 常用土层深度和各生育阶段最大根系深度为界线划分土层，将原始土壤含水率数据按深度加权计算得到所划分土层的平均土壤含水率。计算冬小麦各生育阶段不同深度土层土壤含水率与冬小麦产量之间的皮尔逊相关系数，在各个生育阶段分别选择相关性最高的土层作为冬小麦生长发育的关键土层，计算结果如表3 所示。由表3 可知，冬小麦各生育阶段生长发育的关键土层分别为：播种出苗期1030 cm、出苗返青期050 cm、返青拔节期50120 cm、拔节抽穗期0150 cm、抽穗灌浆期50150 cm、灌浆成熟期010 cm。表3 不同深度土层土壤含水率与冬小
13、麦产量的相关系数Table 3 The correlation coefficient between soil moisture content and winter wheat yield2.2 干旱频率及频次19862018 年淮北平原冬小麦生育期尺度下干旱频率统计见表4。由表4 可知，淮北平原冬小麦生育期尺度下干旱总频率达42.64%，以轻旱和中旱为主，各等级干旱频率轻旱（20.3%）中旱（17.77%）特旱（2.54%）重旱（2.03%）。轻旱和中旱频率在20 世纪90 年代后大幅度上升，重旱和特旱出现频率较低。19912000 年干旱频率达到最高，干旱总频率为14.21%。表4 1
14、9862018 年淮北平原冬小麦生育期尺度下干旱频率Table 4 Drought frequency in Huaibei Plain from 1986 to 2018 %19862018 年淮北平原冬小麦生育期尺度下干旱频次统计见表5。由表5 可知，淮北平原冬小麦19862018 年（共197 个生育阶段）干旱频次播种出苗期（21 次）灌浆成熟期（18 次）返青拔节期和抽穗灌浆期（14 次）出苗返青期（9次）拔节抽穗期（8 次）。其中，播种出苗期以轻旱和中旱为主，仅发生1 次重旱；出苗灌浆期只发生轻旱和中旱；灌浆成熟期出现3 次重旱和5 次特旱，干旱较为严重。表5 19862018 年淮
15、北平原冬小麦生育期尺度下干旱频次 次Table 5 Drought incidence in Huaibei Plain from 1986 to 20182.3 M-K 趋势检验及突变检验19862018 年淮北平原冬小麦各生育阶段DSI指数M-K 趋势检验及突变检验如图1 所示。图1 19862018 年淮北平原冬小麦各生育阶段DSI 指数M-K 统计量曲线Fig.1 M-K catastrophe analysis of each growth stages of winter wheat in the Huaibei Plain from 1986 to 20181）趋势性分析。播种出苗期统计变量Z=-1.72-1.64，通过了0.05 显著性检验，表明播种出苗期干旱呈显著下降趋势。出苗返青期统计变量Z=-0.39-1.64，未通过0.05 显著性检验，表明出苗返青期干旱无显著下降趋势，UF曲线在20072012年超出了置信区间下限，表明这段时间干旱呈显著下降趋势。返青拔节期、拔节抽穗期、抽穗灌浆期、灌浆成熟期统计变量Z分别为0.54、0.65、0.03、-0.56，均未通过0.05 显著性检验，表明返青拔节期、拔节抽穗期、抽穗灌浆期干旱无显著上升趋势，灌浆成熟期干旱无显著下降趋势。2）突变性分析。冬小麦各生育阶段的M-K
