引言

玉米是中国三大粮食作物之一。1981—2012年玉米产量持续增长，其产量和面积的年均增长幅度显著高于小麦和水稻等其他粮食作物。2012年中国玉米总产量达到2.08亿t，种植面积达3494万hm²，无论是产量还是种植面积都超过水稻和小麦等其他粮食作物，成为产量最大的粮食作物(仇焕广等，2013)。北方春玉米种植区(包括黑龙江省、吉林省、辽宁省、宁夏回族自治区和内蒙古东部区的全部，山西省的大部，河北省、陕西省和甘肃省的一部分)是中国最大的玉米产区，玉米种植面积约占全国玉米种植面积的36%，而产量占全国玉米产量的40%(肖俊夫等，2010)，在保障中国粮食安全中的地位非常突出。气候变化背景下，中国北方地区在普遍明显增温(秦大河，2009；董李丽等，2015)的同时，多数地区降水量呈下降趋势(邓振镛等，2010)，进而导致气候变干，气象干旱和农业干旱呈常态化。北方春玉米虽然生长在雨季，但因其生育期长，需水量较大，加上降水量地域和年际间变化大，玉米生长季内干旱时有发生，严重干旱可导致减产2成以上，成为影响该地区玉米生产的重要因素(Campos et al, 2004；齐伟等，2010；杨若子和周广胜，2015)。因此，建立春玉米不同生育阶段的干旱指标，对开展精细化的干旱监测、预测及评估，以及采取适宜的措施防旱减灾都具有重要意义。

目前判识农业干旱的指标较多，有降水量指标、土壤含水量指标、作物旱情指标及综合性旱情指标等(王密侠等，1998；袁文平和周广胜，2004；姚玉璧等，2007；李柏桢和周广胜，2014；郭建平，2016)。降水量指标降水距平、标准化降水指数等，主要用于地下水位较深且无灌溉条件的半干旱、半湿润雨养农业区(黄晚华等，2010；谢五三和田红，2011；李树岩等，2012；杨晓晨等，2015)，仅适用于平原且不能直接反映农作物遭受干旱的程度。供作物生长发育的水分主要靠根系从土壤中获取，因此基于广泛试验建立的土壤含水量指标(王宝英和张学，1996；张喜英等，2000；白莉萍等，2004；郑盛华和严昌荣，2006；侯玉虹等，2007；李北齐等，2009)地域普适性好，且能较好反映作物旱情状况的常用指标。作物旱情指标是目前国内外普遍认可的直接反映作物水分供应状况的最灵敏的指标(Duff et al, 1997；宋凤斌和徐世昌，2004)，利用作物生理生态特征的突变和最优分割理论而建立。这类指标可以分为作物形态指标(定性的利用作物长势、长相来进行作物缺水诊断)和作物生理指标(叶水势、气孔导度、产量和冠层温度等)两大类。综合性旱情指标涉及与大气、作物和土壤有关的因子，全面反映了农业干旱的发生及其影响。其中，作物水分亏缺指数是目前应用较为广泛的指标之一，其综合考虑了土壤、植物和气象三方面因素的影响，能较好地反映各地作物生长季水分亏缺与旱情，更适用于农业干旱监测(张艳红等，2008)。董秋婷等(2011)、张淑杰等(2011)、高晓容等(2012)以作物水分亏缺指数为指标，分析了东北地区春玉米干旱时间变化及空间特征；董朝阳等(2013；2015)分析了中国北方地区春玉米各生育阶段干旱的年代际演变及空间分布规律，基于农业生产系统模型揭示了各生育阶段不同等级干旱对春玉米产量的影响；黄晚华等(2009)利用作物水分亏缺指数建立干旱等级指标，分析了湖南省春玉米季节性干旱时空特征；薛昌颖等(2014；2016)利用作物水分亏缺指数进行了黄淮海地区夏玉米不同生育阶段干旱等级划分，并验证了该指数用于黄淮海地区夏玉米生育期干旱监测的可行性和有效性。北方春玉米干旱指标研究较多，目前已初步形成了基于土壤湿度和水分亏缺指数的涵盖春玉米全生长季节的干旱等级指标体系(中国气象局，2015)，但对于指标的比较和适用性检验少见报道。本文选取东北地区31个春玉米观测站，通过统计分析，对土壤湿度和水分亏缺指数两套春玉米干旱等级指标的一致性和适用性进行了检验，并探讨了两套指标的使用原则及提升干旱判定正确率的途径，以期为东北地区开展春玉米干旱灾害的监测、预测及定量评估提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本文所指东北地区包括中国东北部的黑、吉、辽三省和内蒙古东部(呼伦贝尔市、通辽市、赤峰市和兴安盟)(图 1)。该地区位于东亚季风的最北端，南北纵跨纬度近15°，东西横跨经度近20°，属于温带大陆性季风气候，冬季低温干燥，夏季温暖多雨，无霜期130~170 d，全年降水量400~800 mm，其中60%集中在7—9月。该地区气候和土壤适宜种植玉米，是中国春玉米主产区和重要的商品粮基地(陈长青等，2011)。

1.2 数据来源

本着玉米种植面积比例大、且玉米发育期和气象资料序列较长的原则，选取31个站点代表春玉米主产区(图 1)，其中黑龙江省9个站、吉林省9个站、辽宁省8个站、内蒙古东部5个站，所选站点多位于东北黄金玉米带上。所用资料包括逐日气象资料(最高气温、最低气温、平均气温、降水量、日照时数、平均风速和水汽压)、历史干旱灾害资料(来源于中国气象数据网、中国气象灾害大典和气象灾害普查数据库)、春玉米地面观测资料(玉米发育期和生长状况资料)和产量资料、土壤湿度资料(0~50 cm，每10 cm为一层的土壤相对湿度；干土层厚度)及灌溉量资料。资料年限多为1981—2016年，其中1981—2012年资料用于计算分析，2013—2016年资料用于验证。

1.3 干旱等级指标

土壤湿度和水分亏缺指数春玉米干旱等级指标是在考虑了指标的普适性、实用性和资料获取的难易程度的基础上，在已有干旱指标的基础上，通过修订或改进而形成的。根据春玉米干旱发生及影响程度，将北方春玉米干旱分为无旱、轻旱、中旱、重旱和特旱5个等级, 干旱时段按玉米生育阶段分为播种—出苗、出苗—拔节、拔节—抽雄、抽雄—乳熟和乳熟—成熟5个时段，其中前2个时段属于春旱，中间2个时段为夏旱，后1个时段为秋旱，需分别确定各时段的干旱等级指标。

1.3.1 土壤湿度指标

土壤湿度是土壤水分状况的直接反映，其干旱指标普适性好。综合已有的研究成果可以看出，尽管各研究在生育阶段和等级划分上略有差异，但各生育阶段适宜土壤相对湿度指标的下限范围趋于一致。由于玉米种子发芽(播种—出苗)对水分要求较高，适宜的土壤相对湿度也略高，其适宜下限范围为65%~75%；苗期(出苗—拔节)具有较强的抗旱能力，适宜土壤相对湿度范围低于其他生育阶段，为55%~60%；拔节—抽雄期需水量剧增，抽雄前10 d和后20 d是玉米需水关键期，也是需水高峰期，因此拔节—抽雄和抽雄—乳熟期适宜的土壤相对湿度范围较高，而抽雄—乳熟期对于水分的要求及敏感度高于拔节—抽雄期(白向历等，2009；侯琼等，2015；王俊强等，2016)，拔节—抽雄期为70%左右，抽雄—乳熟期为75%~80%；乳熟后需水量逐渐减少，适宜指标范围降低，乳熟—成熟期在70%左右。由于不同土壤质地间持水能力的差异、春玉米各发育阶段因根系发育程度以及春玉米不同生育阶段对水分的敏感程度差异，达到各级干旱程度的土壤湿度范围也不尽相同。表 1(中国气象局，2015)给出了不同土壤质地、不同生育阶段各干旱等级的土壤湿度指标。

1.3.2 水分亏缺指数指标

作物水分亏缺率是一定时段内外界供水量与作物需水量的差占作物需水量的比例(单位：%)，水分亏缺指数(或缺水指数)是水分亏缺率在末段时期的累积。作为研究农业干旱的综合性指标之一，水分亏缺指数综合考虑了土壤、植物、气象三方面因素的影响，能较好地反映各站点主要生长季作物水分亏缺与农业干旱情况，对监测不同区域的农业干旱具有较好的适用性(张艳红等，2008)。基于水分亏缺指数的春玉米干旱等级指标见表 2(中国气象局，2015)。

水分亏缺指数反映一段时间内的作物水分亏缺状况，本文以10 d为一个时间单位，根据GB/T 32136—2015(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2015)、QX/T 259—2015(中国气象局，2015)及黄晚华等(2009)提出的计算方法和参数，分步计算春玉米不同生育阶段逐日累计水分亏缺指数，再将各生育阶段内每日累计水分亏缺指数进行平均，得到生育阶段平均水分亏缺指数K_CWDI。

1.4 检验方法

计算代表站春玉米各生育阶段平均土壤相对湿度和水分亏缺指数，进行相关分析，并根据给定的指标进行春玉米干旱等级判定，统计两套指标各生育阶段干旱等级判定结果的差别，以验证土壤相对湿度指数与水分亏缺指数干旱等级指标的一致性。以指标判定的干旱等级与历史干旱发生情况对比，统计各指标判定干旱发生与否的正确率(f)，f=(正确年数/总年数)×100。有干旱等级记录的年份以记录为准，无明确干旱等级记录的年份，则利用春玉米干旱农田及作物形态表征界定各年各阶段发生干旱等级情况(中国气象局，2015；中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2015)。f值越大，表明干旱等级指标比较客观和科学。

2 结果与分析 2.1 两套指标判定玉米干旱事件的正确率 2.1.1 土壤湿度指标春玉米干旱等级判定的正确率

各代表县(市)平均正确率为87%，多数为85%以上(表 3)，其中播种—出苗阶段为87.6%，出苗—拔节阶段为87.3%，拔节—抽雄阶段为86.0%，抽雄—乳熟阶段为85.9%，乳熟—成熟阶段为89.8%。总体正确率虽较高，但存在一定的区域差异和阶段差异。综合准确率由高到低依次是黑龙江省、辽宁省、吉林省和内蒙古东部。播种—出苗阶段最大正确率为95.0%(公主岭、和龙)，最小正确率为73.9%(大安)；出苗—拔节阶段最大为96.3%(松原)，最小为71.9%(开鲁)；拔节—抽雄阶段最大正确率为97.4%(安达)，最小为75.0%(开鲁)；抽雄—乳熟阶段最大正确率为96.7%(宽甸)，最小为78.6%(海城)；乳熟—成熟阶段最大正确率为96.7%(集贤)，最小为75.0%(长岭)。内蒙古东部开鲁出苗—拔节、拔节—抽雄阶段正确率均较低。

2.1.2 水分亏缺指数指标春玉米干旱等级判定的正确率

各代表县(市)平均正确率为83.1%，多数为80%以上(表 3)，其中播种—出苗阶段为84.4%，出苗—拔节阶段为85.1%，拔节—抽雄阶段为79.0%，抽雄—乳熟阶段为86.1%，乳熟—成熟阶段为85.0%。播种—出苗阶段最大正确率为95.0%(集贤)，最小正确率为71.2%(通辽)；出苗—拔节阶段最大为95.8%(佳木斯)，最小为71.0%(赤峰)；拔节—抽雄阶段最大正确率为96.7%(宽甸)，最小为59.4%(开鲁)；抽雄—乳熟阶段最大正确率为93.3%(宽甸)，最小为66.0%(白城)；乳熟—成熟阶段最大正确率为94.4%(嘉荫)，最小为66.0%(白城)，拔节—抽雄、播种—出苗阶段的正确率总体低于其他阶段。各阶段正确率存在一定的区域差异。播种—出苗、拔节—抽雄、抽雄—乳熟三个阶段的平均准确率从大到小依次为黑龙江省、辽宁省、吉林省和内蒙古东部，出苗—拔节阶段的平均准确率从大到小依次为黑龙江省、吉林省、辽宁省、内蒙古东部，乳熟—成熟阶段的平均准确率从大到小依次为辽宁省、黑龙江省、吉林省、内蒙古东部。内蒙古东部赤峰各阶段正确率均较低。

总的来看，两套指标判别干旱的正确率都较高，且在不同生育期间差异不大。东北三省的正确率略高于内蒙古东部，土壤湿度指标的正确率略高于水分亏缺指标，表明土壤湿度指标更适用，也可能是灌溉等因素对水分亏缺指标的适用性有一定影响。

2.2 两种干旱指标的一致性验证

基于31个站点的土壤相对湿度资料和水分亏缺指数，计算播种—出苗阶段0~20 cm土层、其他生育阶段0~50 cm土层平均湿度和各阶段水分亏缺指数，分析两者之间的关系。结果表明，春玉米各生育阶段对应土层相对湿度与水分亏缺指数均呈显著的线性关系，31个站点中除个别站点的个别生育阶段平均土壤相对湿度与水分亏缺指数的相关性通过0.05显著性水平检验外，其他各站各阶段均通过了0.01显著性水平检验(表 4)。两套指标存在显著的负相关关系，土壤相对湿度越小，对应的水分亏缺指数越大，缺水情况越严重，干旱等级越高。图 2给出了部分代表站点5个阶段的土壤相对湿度与水分亏缺指数之间的对应关系。

利用土壤湿度和水分亏缺指数指标判定春玉米干旱等级，两套指标判定结果完全一致的比率(级别差D=0)，等级判别趋势正确但相差1级的比率(D=1)见表 5。可以看出，研究区域内多数县(市)两套指标判定结果完全一致的比率在74%左右，部分在90%以上，趋势正确但相差1个级别的在20%左右，即两套指标判别干旱等级一致和基本一致的占95%左右，表明两套指标一致性较好。相对而言，东北三省两套指标的完全一致性要好于内蒙古东部，可能是后者灌溉条件相对较好所致。玉米播种—出苗、出苗—拔节、乳熟—成熟3个阶段两套指标判别干旱等级的完全一致性要好于拔节—抽雄和抽雄—乳熟2个阶段，可能与拔节—抽雄、抽雄—乳熟2个阶段的时间间隔较长，且干旱等级判识指标采用的是平均值有关。个别县(市)、个别季节两套指标判别干旱等级一致性较差，如内蒙古东部赤峰部分生长时期完全吻合度不足50%，相同和基本吻合度不足80%，主要是部分干旱年份水分亏缺指数判定的灾情等级偏高，这可能与灌溉情况掌握不完全有关，也不排除历史干旱记录和产量测定的随机误差。

2.3 两套干旱等级指标适用效果验证

以黑龙江省为例，计算9个站2013—2016年春玉米各生育阶段土壤相对湿度和水分亏缺指数，并依据干旱等级指标判定干旱等级。参照马树庆等(2015)方法，干旱等级与实际干旱等级相同的为正确，记为1；两者相差一个级别的为半对，记为0.5；相差2个级别或相反的为错误，记为0。土壤湿度指标判定2013—2016年黑龙江省各代表县(市)春玉米各生育阶段干旱等级的正确率较高(表 6)，多数县(市)的判定结果与实际相符，播种—出苗阶段平均为91.7%，出苗—拔节阶段平均为87.5%，拔节—抽雄阶段平均为84.7%，抽雄—乳熟阶段平均为84.7%，乳熟—成熟阶段平均为93.1%。水分亏缺指数指标判定的2013—2016年黑龙江省各代表县(市)春玉米各生育阶段干旱等级的正确率(表 7)，播种—出苗阶段平均为73.6%，出苗—拔节阶段平均为86.1%，拔节—抽雄阶段平均为81.9%，抽雄—乳熟阶段平均为73.6%，乳熟—成熟阶段平均为88.9%。各阶段干旱等级判定平均准确率均小于土壤湿度指标的判定结果，且以播种—出苗阶段的偏差最大，部分县(市)干旱等级判定正确率不足70%。

3 结论与讨论

(1) 春玉米各生育阶段土壤相对湿度与水分亏缺指数均呈显著的负相关。利用土壤相对湿度和水分亏缺指数两套指标判别干旱等级一致和基本一致的比例可达95%。相对而言，比较土壤相对湿度和水分亏缺指数两套指标判别干旱等级的一致性，东北三省好于内蒙古东部。但个别县(市)、个别季节两套指标判别干旱等级一致性较差，内蒙古东部部分干旱年份水分亏缺指数判定的灾情等级偏高。

(2) 土壤湿度指标判定的各代表县(市)干旱等级判定的平均正确率为87%，多数为85%以上；水分亏缺指数指标春玉米干旱等级判定的平均正确率为83.1%，多数为80%以上。总的来看，两套指标判别干旱的正确率都较高，且在不同生育期间差异不大，东北三省的正确率略高于内蒙古东部，土壤湿度指标的正确率略高于水分亏缺指标。

(3) 利用土壤湿度和水分亏缺指数指标判定2013—2016年黑龙江省各代表县(市)春玉米各生育阶段干旱等级，两套指标判定的多数县(市)各阶段干旱等级结果与实际相符，各阶段土壤湿度指标的干旱等级判定结果好于水分亏缺指数指标，且以播种—出苗阶段的偏差最大。少数县(市)水分亏缺指数干旱等级判定正确率不足65%。

(4) 干旱等级指标是判定春玉米干旱情况的标尺。土壤湿度能直接反映作物水分供给情况，地域普适性好，农业和物理意义明晰，能较好反映作物旱情状况。作物水分亏缺指数综合考虑了土壤、植物、气象三方面因素，能较好地反映各地作物生长季水分亏缺与旱情，且计算水分亏缺指数的资料较易获得，适用于农业干旱监测。土壤湿度和水分亏缺指数在春玉米干旱等级划分上与农业、气象行业通用的等级划分方法一致，两者之间具有良好的一致性。总体来看，土壤湿度指标的干旱判定正确率约比作物水分亏缺指数的高5%。本研究证明，最原始的、简便的农业气象指标往往是最实用的指标。因此，在划分玉米干旱等级等实际工作中，应优先使用土壤相对湿度指标；在缺乏土壤相对湿度资料时，可以使用水分亏缺指数指标；当两套指标判定结果存在差异时，应以土壤相对湿度指标判定结果为准。

尽管土壤湿度干旱等级指标简单实用，但目前常规人工土壤测墒时间间隔较长(10 d)，会影响干旱等级的判识精度，因此，应尽可能加密观测土壤湿度；在无连续土壤湿度观测的情况下要用作物水分亏缺指数进行春玉米干旱等级监测。此外，在使用土壤湿度指标时，应尽可能考虑测墒前一日及测墒当日的降水对土壤湿度观测的影响，否则也会产生误差。在计算水分亏缺指数时，还应尽可能考虑各站点实际灌溉量和初始的土壤水分状况，以免出现夸大作物受旱的情况。因此，因地制宜地选择使用这两套指标，并尽可能考虑其他干扰因素，可提高玉米干旱监测和评估的精度。