近55年豫南地区干旱时空变化及对冬小麦产量的影响

摘 要：随着极端气候多发，大气变暖，气候干旱对农业粮食产量的生产和发展有着重大影响。文章根据豫南地区地面观测站实测资料，使用标准化降水蒸散指数SPEI和相关显著性差异分析，进行实证分析并揭示该区域近55年干旱演变规律和同时空条件下农业干旱与冬小麦粮食产量的关系。根据豫南小麦生长周期研究产量与干旱气候的关系，有利于帮助农业劳动人员提高防旱意识，提高抗灾防灾能力，增进粮食产量，保证国泰民生。

关键词：豫南；干旱；粮食产量；标准化降水蒸散指数（SPEI）

中图分类号：S423 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0034-03

Abstract： With the frequent occurrence of extreme climate and the warming of the atmosphere， climate drought has a significant impact on the production and development of agricultural grain production. Based on the measured data of ground observation stations in the south of Henan Province， the standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI） and the correlation significant difference analysis are used in this paper. The relationship between agricultural drought and grain yield of winter wheat under simultaneous air condition and drought evolution law in recent 55 years in this region was analyzed empirically. The study on the relationship between yield and arid climate based on the wheat growth cycle in the Southern Henan is helpful for agricultural workers to improve their awareness of drought prevention， improve their ability to resist and prevent disasters， increase grain yield and ensure the people"s livelihood.

Keywords： Southern Henan； drought； grain yield； standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI）

1 概述

农业自古以来为民生之本，意义深远，农业产量受国内外高度关注。IPCC第四、五次评估报告指出，近百年全球地表温度上升0.56～0.92°C。全球气候变暖将会增加极端气象灾害发生的频率和强度，对农业生态系统的影响非常广泛。中国地处东亚季风区，由于地理条件和气候變化复杂，是国际上气候脆弱区之一，且气象灾害频发，随着气候暖干化日趋明显，旱灾呈显著增加趋势[1]。

河南省位于中国中东部、黄河中下游，全省介于北纬31°23"-36°22"、东经110°21′-116°，属于暖温带-亚热带气候，湿润-半湿润季风气候，春秋季阳光充足降水少[2]。随着全球变暖，极端气候多发，气温升高，降水时空分布不均加剧河南水资源短缺情况。虽有许多学者研究采用标准化降水蒸散指数SPEI研究干旱气候，却很少有人将其与粮食产量做相关分析，本文是基于SPEI值与不同时间尺度冬小麦产量做相关实证分析。

2 研究区概况

豫南地区广义上指河南南部地区，包括南阳市、驻马店市、信阳市三个地级市以及邓州市、固始县、新蔡县三个省直管县（市）[2]。豫南地处淮河上游与大别山北麓之间，地形地貌由东北向西南呈阶梯状分布，依次为平原洼地、丘陵岗地、豫南山地地势南高北低，属于典型的北亚热带逐渐向暖温带过渡区，年平均温度14.5-15.3°C，降水较多，年降水量800mm以上，主要为夏秋两季降水，冬春较为干旱，降水的时间分布不均干旱发生强度呈现出自东部地区向中西部地区递减的趋势。耕地面积约78×105hm2，农作物以油菜、水稻、小麦为主，为河南省重要粮油生产基地之一，但因受其独特的自然条件及山地气候、南北过度气候影响，旱灾多有发生，给粮油生产造成巨大损失，极大威胁了豫南地区工农业生产、经济建设以及社会发展。

3 资料来源与研究方法

3.1 资料来源

本文的研究资料主要采用豫南固始、南阳、信阳、西峡、驻马店5个代表区1961-2015年的实测气象数据，及1990-2014相应地区冬小麦产量。该数据皆来自于河南省统计年鉴资料及河南省气象局，真实可靠。在本文的研究中，基于小麦生长周期分为三个尺度SPEI值，分为年尺度、季节尺度、月尺度。其中年尺度采用1990-2014年12月份的数据；季节尺度根据冬小麦生长周期季节尺度故采用1989-2013年的10月和1990-2014年的1月的数据；月尺度采用1989-2013年的10-12月及1990-2014年1-6月为期9个月的数据。

3.2 研究方法

3.2.1 标准化降水蒸散指数（SPEI）

SPEI即标准化降水蒸散指数，目前成为国内外学者研究分析干旱演变趋势新的理想指标，其基于降水和蒸散，将SPI多时空的特性和PDSI对温度的灵敏性结合起来，国外多用于不同时间尺度干旱检测及农作物生产评估等方面。

标准化降水蒸散指数分析区域干旱程度具体计算方法如下[3-5]：

第1步：计算潜在蒸发，采用Vicente-Serrano所用方法Thornthwaite。

第2步：计算逐月降水与蒸散的差值Di。

第3步：基于log-logistic 概率分布函数计算降水与蒸发的差值的概率分布。

第4步：对log-logistic概率分布函数F（x）进行标准化处理。

具体干旱等级可参考下表[6]：

3.2.2 冬小麦气候产量

一般认为作物的产量分为趋势产量、气候产量和随机误差三部分，其计算公式为[1，7]：

研究干旱对小麦作物产量的影响首先需要获得Yw，即计算Y与Yt的差值，而求得Yt的方法有很多，本文研究主要利用多项式拟合的方法求得Yt，以此求得Yw，从而分析干旱对小麦作物气候产量的影响。

4 SPEI数值与冬小麦产量关系分析

4.1 SPEI与冬小麦产量的关系

选取不同时间尺度的SPEI值与冬小麦生育期具有代表性月份的气候产量做相关分析。各尺度的SPEI值与豫南地区冬小麦产量间的相关分析数据分别见表2。通过用SPSS软件做当地气候产量和相应SPEI值的相关分析，得出Coefficients和ANOVA的P值小于0.05即可通过，当P值大于0.01小于0.05可判断其为差异显著，当P值小于0.01则为差异极显著。

由表2可知，小麦气候产量与固始的SPEI1-6、南阳的SPEI12-6和SPEI1-2、信阳的SPEI1-5的相关性较高，其中南阳SPEI12-6的相关性最高，相关系数0.542，达到了极显著水平（P<0.01），说明冬小麦气候产量与SPEI12-6的关系最为密切；固始的SPEI1-6的相关性次之，相关系数为0.523，同样达到了极显著水平（P<0.01），南阳的SPEI1-2、信阳的SPEI1-5以及西峡的SPEI1-2的相关系数依次为0.483、0.448、0.4，且都达到了显著水平（0.01

4.2小麦生育期的干旱风险

选取自1961-2015年近55年的SPEI数值分析豫南冬小麦作物生育期的干旱风险，得出豫南产区冬小麦生育期内干旱类型的发生概率，由表3可知，在豫南地区中，固始、南阳、驻马店皆有特旱气候状况发生；西峡、驻马店发生重旱，高达13.514%，信阳次之；中旱中以信阳居高，发生概率为16.667%，西峡中旱发生概率13.514%，其余次之；轻旱发生概率中南阳居首位，为19.444%，固始17.949%。根据豫南近55年SPEI数值综合来看，豫南干旱频率较高，总体气候偏干，有必要加强对干旱的预防与检测，制定适应的干旱气候应对措施。

5 SPEI数值与冬小麦产量结论分析

通过对豫南自1961-2015年近55年的实地气象资料进行不同时间尺度SPEI数值与冬小麦产量关系分析，得出了以下结果：

（1）SPEI值能较好地反映豫南地区的土壤湿热状况及干旱时空变化特征，当地气候产量和不同时间尺度SPEI值相关性较强，部分地区如南阳SPEI12-6、SPEI1-2和信阳SPEI1-5具有较强相关性且显著性极强（0.01

（2）近55年豫南地区不同时间尺度，SPEI值波动规律不同。从月尺度、季节尺度和年尺度三个不同时间尺度，SPEI值波动幅度逐渐变小；不同时间尺度SPEI值的波动幅度存在周期变化规律，年尺度的周期规律更加稳定；且豫南不同地区在同一时空范围波动范围具有一致性。

（3）1961-2015年近55年中干旱发生次数多，频率较大。南阳和西峡发生频率最大，一般春秋发生干旱频率较大，春季和秋季冬小麦正处于幼芽和成熟阶段，此时气候会对冬小麦生长造成一定影响。

（4）豫南近55年发生干旱次数较多，受旱灾影响频繁。

（5）不同强度的干旱对豫南冬小麦生长上产造成不同影响，需加强对气候的监测和预防，提高农民抗灾减灾意识，提升科技数据预防监测在农业中的地位，保证农业的正常生产，稳定农业经济，持续稳定提高农业产量。

6 旱灾防御对策

气候干旱对农业既会带来有利影响也会带来威胁，其中有利影响主要表现为：农作物的热量条件得以改善，积温增加，生长期延长，低温冷害有所减轻，农作物种植面积得以北移；威胁在于：气候干旱，影响粮食对水分的需求，降低农作物的产量和品质。且一定时期干旱过后往往伴随暴雨频发，导致严重洪涝灾害，而极端天气事件以引起病虫害，又对农业基础设施也有一定破坏作用。中国作为人口大国和农业大国，故保护粮食正常生产显得更为重要。对抗旱灾，豫南主要措施如下：

（1）兴修水利，完善农田基础设施。建设小型水利工程，抗旱防洪，逐步提高水资源利用率，将多余降水集中起来，以解决自然降水时空分布不均所造成的干旱。改良土壤，提高含水量，减少蒸发下渗，含蓄水源。提高科技在农业中地位，掌握农作物生长规律，提高因自然降水不均所造成的威胁[3]。

（2）提高农民对干旱灾害的认识。中国虽是农业大国，但机械化大生产还未真正普及，仍以集约农业为主，劳作者多为学历有待提高者，对农业各种自然灾害缺乏正确认识。政府应定期组织培训，提高农业劳动者对农作物生长情况以及各种自然灾害对农作物危害的机理与过程的认识，并使其在了解灾害成因，影响时间、范围、程度的基础上结合当地条件及农作物生长状况制定合理措施和对策，以减少损失。且需做好抗灾保障，鼓励农业劳动者播种抗旱种子，推广科技农业，加强农业补助，减少城乡差别，保障农民利益，使田地“养的活人，留的住人”。

（3）建立健全干旱监测和预报体系。利用各种先进科技手段，如地理信息系统、遥感、全球定位系统等，全方位加强对干旱发生的条件和过程进行预测和监测，结合当代众多通讯设备和先进媒体进行宣传，提高人们对干旱的防御，形成全方位、多层次、布局科学合理的监测体系，提高高科技人才的待遇，大力支持各种实验项目，推进更加科学合理的干旱预警模型和高新技术的发展，为科技化农业添一瓦新砖。

参考文献：

[1]朱新玉，刘杰，史本林，等.气候变暖背景下中原腹地冬小麦气候适宜度变化[J].地理研究，2012，31（8）：1479-1489.

[2]张竟竟，郭志富，李治国.河南水旱灾害危险性时空特征研究[J].自然资源学报，2013，28（6）：957-968.

[3]申泽峥，颜玉倩，胡毅.河北省南部干旱特征及其对冬小麦产量的影响分析[J].气象与环境科学，2016，39（2）：76-81.

[4]周扬，李宁，吉中会，等.基于SPI指数的1981-2010年内蒙古地区干旱时空分布特征[J].自然资源学报，2013，28（10）：1694-1705.

[5]徐朗，欧真真.淮河流域农业干旱对粮食产量的影响分析[J].水利经济，2011，29（5）：56-74.

[6]周曙光，周文魁，林光華，等.未来气候对我国粮食安全的影响[J].南京农业大学学报，2013，13（1）：56-65.

[7]朱新玉.基于SPEI的豫东地区近50年干旱演变特征[J].自然灾害学报，2015，24（4）：128-137.

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