张浩,主要从事农业气候资源影响评价和农业气象灾害评估工作. Email:
利用安徽省1971—2010年的气象资料和冬小麦产量资料,采用水分盈亏指数分析了安徽省冬小麦全生育期和关键期(孕穗至乳熟期)水分盈亏的时空变化特征,以及旱涝对产量的影响。结果表明:冬小麦全生育期和关键期水分盈亏指数基本呈纬向分布,合肥以北水分亏缺明显,江淮南部及其以南地区水分供应基本充足,越往南水分盈余程度越大,总体来看缺水程度关键期大于全生育期;近40年冬小麦水分盈亏指数的时间变化趋势不明显,但年际波动大,旱涝灾害风险增加。干旱主要发生在沿淮淮北地区,涝渍在江淮及其以南地区发生频率较高,典型旱涝年平均减产率分别为4.2%和12.4%;造成冬小麦减产10%的中度旱灾风险北部大于南部,中度涝灾风险南部大于北部。南部涝渍风险和造成的产量损失明显大于北部的干旱,水分偏多的南部地区要尽量减少冬小麦的种植。
Based on the meteorological data and the winter wheat yield data of 78 weather stations in Anhui Province from 1971 to 2010, the spatiotemporal variation of the water budget during the whole growth period and critical period of winter wheat (from booting to milk ripening stages) in Anhui Province was analyzed using the water budget index. The occurrence of droughts and floods and its impact on the winter wheat yield was also analyzed using the water budget index as the drought-flood indicator. The results showed that the water budget index during the whole growth period and critical period of the winter wheat presents zonal distribution and decreases from south to north. The water deficit occurs significantly in the area north to Hefei and the water supply is adequate in the southern part of the Yangtze-Huaihe Area and the region south to this area, with large water surplus in south and small in north. On the whole, the water shortage degree is greater in the critical period than in the whole growth period. The change trend of the water budget index is not significant during the past 40 years. However, the interannual variation of the water budget index is obvious due to the large variation coefficient of the precipitation, increasing the risk of droughts and floods. The drought occurs mainly in the area along Huaihe River and the part north to the river. The frequency of waterlogging is higher in the Yangtze-Huaihe Area and the region south. The average yield reduction rates of the winter wheat due to the drought and the flood are 4.2% and 12.4%, respectively. There is a significantly positive (negative) correlation between water budget index and relative meteorological yield in typical drought (flood) year of winter wheat. The medium drought risk of winter wheat is greater in north area than in south area, and the medium waterlogging risk is greater in south area. It is necessary to minimize the planting of the winter wheat in the south area where water is more because the yield loss caused by the waterlogging is greater than the drought.
旱涝灾害主要由降水异常引起,其对农业的影响程度不仅需要考虑降水、灌溉等影响水分供给的因子,还要考虑不同作物的水分需求(
安徽地处中国东部,跨长江、淮河中下游,自然条件优越,是我国冬小麦主产区之一,2006—2010年平均小麦播种面积2341千公顷,年产量占全国小麦总产的比例超过10%。但由于该区处于南北气候过渡带,冷暖气团交汇频繁,且降水年际变化大,旱涝灾害频发(
本文所用安徽省1971—2010年78个市、县气象观测站的逐日气象资料(包括平均气温、最高气温、最低气温、气压、水汽压、相对湿度、降水量、风速和日照时数)来源于安徽省气象信息中心,62个市、县的冬小麦产量资料来自安徽省统计年鉴,与冬小麦主产区台站气象观测资料相对应。
综合考虑地理气候条件、作物品种、发育期和产量等因素,并结合行政区域,把安徽省冬小麦种植区分为两个区:沿淮淮北冬麦区和淮河以南冬麦区,气象台站分布和冬小麦分区情况见
安徽省冬小麦种植分区和站点分布
Division of winter wheat and distribution of meteorological stations in Anhui
根据农田水分平衡原理,冬小麦某一生育阶段的水分盈亏指数(
式中,
式中,
安徽省冬小麦逐月作物系数
Monthly crop coefficient of winter wheat in Anhui
月份 | 10 | 11 | 12 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
0.71 | 0.94 | 0.89 | 0.80 | 0.92 | 1.06 | 1.41 | 1.30 | 0.63 |
采用联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO) 1998年推荐并修订的Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量(
式中,
农作物的实际产量取决于当时的社会生产水平和气象条件的影响, 并受一些诸如病虫害等随机因素的影响。由于随机因素具有其偶然性和局地性,一般忽略不计,因此气象产量可表示为趋势产量和实际产量的差值。由于气象产量是一个非平稳序列,随着生产力的发展而变幅增大,因此引入相对气象产量:
式中,
基于水分盈亏指数的安徽省冬小麦旱涝阈值主要参照气象行业标准“小麦干旱灾害等级”(
基于水分盈亏指数的冬小麦旱涝阈值
Drought and flood threshold of winter wheat based on water budget index
干旱 | 涝渍 | |
注: |
||
沿淮淮北冬麦区 | ||
淮河以南冬麦区 |
安徽省冬小麦全生育期平均水分盈亏指数大体呈纬向分布特征,合肥以北水分盈亏指数普遍在-0.2以下,淮北北部在-0.6~-0.4,水分亏缺更加明显;合肥以南水分盈亏指数在0以上,其中长江以南和大别山区南部>0.4,皖南山区甚至超过1.0(
冬小麦全生育期(a)和关键期(b)水分盈亏指数空间分布
Spatial distribution of water budget index during whole growth period (a), and critical water period (b) of winter wheat
冬小麦全生育期和关键期水分盈亏指数年际变化
Interannual variation of water budget index during whole growth period and critical water period of winter wheat
进一步分析水分盈亏指数的构成因素——降水量和需水量的变化情况(
冬小麦全生育期和关键期需水量、降水量及水分盈亏指数变化趋势
Change trends of water demand, precipitation, water budget index during whole growth period and critical water period of winter wheat
全生育期 | 关键期 | |||||
需水量/mm·(10 a)-1 | 降水量/mm·(10 a)-1 | 水分盈亏指数/(10 a)-1 | 需水量/mm·(10 a)-1 | 降水量/mm·(10 a)-1 | 水分盈亏指数/(10 a)-1 | |
注:*表示通过 |
||||||
沿淮淮北冬麦区 | 1.70 | 14.20 | 0.025 | 0.86 | -3.57 | -0.017 |
淮河以南冬麦区 | 8.36* | 1.82 | -0.017 | 5.03 | -17.19 | -0.121 |
从变异系数看,水分盈亏指数的变异系数较大,全生育期和关键期均超过0.6(
冬小麦全生育期和关键期需水量、降水量和水分盈亏指数变异系数
Variation coefficients of precipitation, water demand, water budget index at whole growth period and critical water period of winter wheat
需水量 | 降水量 | 水分盈亏指数 | |
全生育期 | 0.063 | 0.203 | 0.783 |
关键期 | 0.099 | 0.325 | 0.650 |
在冬小麦典型旱涝年基础上统计分析旱、涝年份分别超过5年的各站点冬小麦平均减产率(典型旱涝年少于5年的站点不统计)。
统计结果表明,安徽省冬小麦干旱主要发生在沿淮淮北和江淮东部,干旱频率超过20%,其中淮北大部分地区超过30%,砀山、萧县最大为43.6%;而江淮之间南部及以南地区冬小麦生育期间干旱很少发生(
冬小麦干旱频率(a)和典型干旱年相对气象产量(b)
Drought frequency (a) and relative meteorological yield in typical drought year (b) of winter wheat
与干旱发生分布情况相反,冬小麦涝渍主要发生在江淮及以南地区,涝渍频率由北向南逐渐增加,其中江淮之间涝渍频率<30%,沿江江南大部分地区涝渍频率>30%(
冬小麦涝渍频率(a)和典型涝渍年相对气象产量(b)
Waterlogging frequency (a) and relative meteorological yield in typical waterlogging year (b) of winter wheat
进一步分析冬小麦典型旱涝年的水分盈亏指数与相对气象产量的定量关系。结果表明,干旱年的水分盈亏指数与冬小麦相对气象产量呈显著正相关,即水分盈亏指数越小(干旱越重),相对气象产量越小(减产率越高),相关系数为0.498(
冬小麦典型旱年(a)和涝年(b)水分盈亏指数与相对气象产量相关性分析
Correlation analyses between water budget index and relative meteorological yield in typical drought (a) and flood (b) year of winter wheat
本文采用水分盈亏指数分析了安徽省冬小麦全生育期和关键期水分盈亏的时空变化特征,在此基础上统计分析了冬小麦旱涝发生情况及其对产量的影响。研究结果可为安徽省冬小麦种植规划和合理用水提高依据。
(1) 冬小麦全生育期和关键期水分盈亏指数基本呈纬向分布特征,合肥以北水分亏缺明显,淮北北部更为严重,江淮之间南部及以南地区水分供应充足,越往南水分盈余程度越大,总体来看缺水程度关键期大于全生育期。冬小麦水分盈亏指数的时间变化趋势不明显,但由降水变化引起的年际波动较大。
(2) 冬小麦干旱主要发生在沿淮淮北地区,涝渍主要发生在江淮及以南地区。旱涝导致冬小麦不同程度减产,典型旱、涝年平均减产率分别为4.2%和12.4%,涝渍造成的产量损失明显大于干旱,因此水分偏多的南部地区要尽量减少冬小麦的种植。
(3) 冬小麦典型旱(涝)年水分盈亏指数与相对气象产量呈显著正(负)相关,当水分盈亏指数<-0.6或>0.6时可能造成冬小麦显著减产,其可作为水分盈亏指数中度旱涝指标。中度旱灾风险淮北平均为10%,沿淮平均为5%;中度涝灾风险沿江江南平均为20%,江淮地区平均为7%。
(4) 水分盈亏指数计算中的供水量部分本文仅考虑了自然降水量,对土壤有效底墒和降水的有效性考虑不是很充分,可能导致计算结果存在一定误差,有待后续深入研究。
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