0 引言
河北省地处太行山东麓,苹果种植面积和产量居全国前列。苹果生长期需水量较大,每年需水量约为1800 t/hm
2[1],当水分条件不能满足苹果生长需求时,会发生不同程度的干旱,对苹果产量和品质产生一系列不利影响。干旱是影响河北省苹果生产的主要农业气象灾害之一,近年来呈现干旱增多加重的趋势
[2-3]。在全球气候变暖的大背景下,极端天气、气候事件发生的频率和程度都在增加,极端干旱的危害更为显著
[4]。同时,河北省面临着水资源缺乏、地下水大量开采的严峻现实。因此,分析河北省苹果极端干旱时空变化趋势和特征,为苹果产区种植规划、调整,因时、因地科学灌溉提供理论依据,具有重要意义。
针对干旱研究多采用指数分析方法,当前应用较多的有帕尔默干旱指数(PDSI)、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)和地表湿润指数等。PDSI以月或年为时间单位,表征较长时段内水分供应持续低于气候期望值,国内学者对中国夏季和冬季、黄河流域极端干旱特征进行了分析
[5-6]。SPEI指数考虑了降水和蒸散综合影响,在时间和空间尺度上都有所体现,多应用于全球变暖背景下干旱特征分析
[7⇓⇓-10]。地表湿润指数由Humle等
[11]提出,该指数综合考虑了降水和蒸发2个方面,在极端干旱研究中应用较多。郭佳香等
[12]、王兴梅等
[13]应用地表湿润指数分析了淮河流域、石羊河流域极端干旱特征,刘文莉等
[14]、黄小燕等
[15]、贺晋云等
[16]应用地表湿润指数分析了中国华北平原、北方地区、西南地区极端干旱特征,赵俊芳等
[17]应用地表湿润指数分析了中国干湿状况变化趋势。韩艳凤
[18]采用积分湿润指数及其干湿指数分析了辽宁中部农作物生长季干旱风险程度,薛昌颖等
[19-20]对夏玉米生长季干旱时空特征进行了分析,并选用地表湿润指数分析了河南省夏玉米生长季极端干旱时空特征。针对农作物干旱特征的分析,颜玉倩等
[21]对河南省冬小麦干旱指数特征进行了分析,并开展了风险评估,李会群等
[22]利用相对湿润指数分析了山东省作物生长季干旱特征。针对河北省农作物干旱方面的研究,李春强等
[23]、康西言等
[24]对河北省冬小麦等农作物需水量和干旱特征及成因进行了分析。针对苹果干旱方面的研究,前人针对西北旱作区苹果水分适宜性和变化特征进行了研究,提出了水分适宜度模型
[25⇓-27],贾桂梅等
[28]对河北省中南部太行山东麓地区苹果生长水分适宜性进行了分析,王景红等
[29-30]采用降水距平百分率对陕西苹果种植区进行了干旱风险区划。综上所述,河北省农业干旱研究以大田作物为主,对苹果极端干旱的相关研究较少。本研究基于河北省近40 a(1981—2020年)气象资料,根据湿润指数,分析了河北苹果生长季极端干旱时空变化特征,以期为苹果生产防旱减灾、科学灌溉提供科学依据。
1 研究数据与方法
1.1 数据来源
本研究所用气象数据为河北省142个国家气象站1981—2020年气象观测资料,包括降水、日照时数、平均温度、最高温度、最低温度、平均风速、水汽压等,来源于河北省气象局。
本研究将苹果年度生长季划分为初始生长期(萌芽—开花期)、幼果期、果实膨大期、果实着色期、生长后期共计5个物候期;根据河北省不同地区生态气候和苹果种植分布特点,将河北省分为冀北(张家口、承德、保定西北部)、冀东(唐山、秦皇岛)、冀中(保定大部、廊坊、石家庄、沧州、衡水)、冀南(邢台、邯郸)4个地区。利用各苹果产区果园2000—2020年的物候观测记录确定苹果各生长阶段平均物候期,
表1为各地区苹果平均物候期。
表1 河北省各地区2000—2020年苹果平均物候期 (日/月) |
地区 | 初始生长期 | 幼果期 | 果实膨大期 | 果实着色期 | 生长后期 |
冀北 | 11/04—10/05 | 11/05—10/06 | 11/06—31/08 | 01/09—10/10 | 11/10—30/11 |
冀东 | 05/04—05/05 | 06/05—05/06 | 06/06—31/08 | 01/09—05/10 | 06/10—30/11 |
冀中 | 01/04—30/04 | 01/05—31/05 | 01/06—31/08 | 01/09—30/09 | 01/10—30/11 |
冀南 | 25/03—25/04 | 26/04—25/05 | 26/05—31/08 | 01/09—25/09 | 26/09—30/11 |
1.2 研究方法
本研究采用湿润指数(
H)分析河北省苹果生长季内极端干旱的变化特征,湿润指数综合考虑了降水和作物蒸散,能够较好表征地表湿润程度。湿润指数为作物某一生长时期内降水与潜在蒸散量的比值,计算见式(1)。根据
表1中苹果各物候期记录,分别计算苹果年度生长季内各生长期的湿润指数。(1)式中潜在蒸散量
ET0利用联合国粮农组织(FAO)1998年推荐的Penman-Monteith修正公式,见式(2)。将湿润指数的标准变化量≤-0.5对应的生长期定义为极端干旱
[4],与河北省历史上极端干旱发生过程进行对比印证,代表性较好
[31]。
式(1)中,Hj为苹果第j个生长时期对应的湿润指数,Pj为第j个生长时期对应的降水量(mm),ET0j为第j个生长时期对应的潜在蒸散量(mm)。
式(2)中,ET0为参考作物蒸散量(mm/d), 为饱和水汽压—温度曲线斜率(kPa/℃),Rn为太阳净辐射(MJ/m2),G是土壤热通量(MJ/m2),γ为湿度计常数(kPa/℃),T为日平均气温(℃),ea为饱和水汽压(kPa),ed为实际水汽压(kPa);u2为2 m高处的风速(m/s)。
极端干旱频数:年度内初始生长期、幼果期、果实膨大期、果实着色期、生长后期5个生长季中发生极端干旱的数量,本研究中年最大值为5。
极端干旱站次百分比:苹果某生长期内发生极端干旱的站点数占总站点数的百分比,反映干旱发生的空间范围。
极端干旱总次数:某站点1981—2020年40 a内年生长季5个生长期发生极端干旱的总次数,本研究最大值为200。
周期分析:采用Morlet复小波分析探讨极端干旱发生频率的变化周期
[32],根据小波变换系数的实部和方差来反映极端干旱的变化周期。
空间插值:采用Arcgis软件的反距离权重(IDW)方法对各站点要素数据进行空间插值,进行极端干旱变化的空间差异分析。
2 结果与分析
2.1 苹果年度生长季极端干旱时间变化
2.1.1 极端干旱频数年际变化
1981年以来,河北省苹果年度生长季极端干旱发生频数变化在年均0.7~3.5次,发生频数最多的分别是1981、1986、1997年,发生频数最少的年份是1990年(见
图1)。年际变化倾向率表现出微弱下降趋势,变化趋势不显著,年际间差异较大,平均每10 a下降0.015 次(
表2),表明1981年以来河北省苹果年度生长季的极端干旱有减轻趋势。
图1 1981—2020年河北省苹果生长季极端干旱发生频数年际变化 |
Full size|PPT slide
表2 1981—2020年河北省及各区域极端干旱发生频数统计特征 |
统计变量 | 冀北 | 冀东 | 冀中 | 冀南 | 全省 |
平均值 | 1.644 | 1.430 | 1.946 | 2.104 | 1.873 |
倾向率 | -0.017 | -0.010 | -0.015 | -0.014 | -0.015 |
标准差 | 0.629 | 0.750 | 0.838 | 0.777 | 0.666 |
变异系数CV | 0.383 | 0.525 | 0.431 | 0.369 | 0.356 |
图2为河北省各区苹果生长季极端干旱发生情况,对比各区极端干旱年际间变化情况,冀中、冀南地区1981年发生频数最多,冀东1982年发生频数最多,冀北1997年发生频数最多。从各地区极端干旱发生次数多年平均值(
表2)来看,冀南地区最高,平均值为2.104次/a,其次是冀中地区,平均值为1.946次/a,冀北和冀东分别为1.644次/a和1.430次/a。各地区均呈现下降趋势,冀北的下降速度最大,为0.017次/a,冀中次之,为0.015次/a,冀南为0.014次/a,冀东下降趋势最小为0.010次/a。通过比较变异系数可以反映出各地区极端干旱发生频数的年际波动情况,从
表2可以看出,冀东变异系数最大,其后依次为冀中,冀北、冀南,说明冀东地区极端干旱发生频数在年际间变化最不稳定,波动大,而冀南地区极端干旱发生情况波动最小。
图2 1981—2020年河北省不同地区苹果生长季极端干旱发生频数年际变化 |
Full size|PPT slide
2.1.2 极端干旱频数年代际变化
极端干旱频数年代际变化(
图3)方面,从全省平均值看,1980s到2010s以0.16 次/10a的速率呈现线性下降(
R2=0.7908),1980s最高为2.23次/a,2010s最低为1.72次/a。冀北、冀东变化趋势与全省平均一致,1980s到2010s期间分别以0.20次/10a(
R2=0.9899)、0.10次/10a(
R2=0.9319)的速率呈现线性下降。冀中和冀南变化趋势基本一致,冀中1980s到2000s以0.29次/10a的速率呈现线性下降(
R2=0.7986),1980s最高为2.38次/a,2000s最低为1.80次/a,2010s回升至1.82次/a;冀南1980s到2000s以0.23次/10 a的速率呈现线性下降(
R2=0.9833),1980s最高为2.40次/a,2000s最低为1.94次/a,2010s回升至1.99次/a。各地区发生频数最高的年代均是1980s;发生频数最低的年代,冀中、冀南是2000s,冀北、冀东是2010s。冀南地区极端干旱频数在各年代均高于其他地区。
图3 河北省不同地区苹果生长季极端干旱发生频数年代际变化 |
Full size|PPT slide
2.1.3 苹果各生长期极端干旱时间变化
在河北省苹果年度5个生育期中,统计1981—2020年逐年极端干旱站次百分比,用以表征苹果各生长时期内极端干旱发生的空间范围。从多年平均结果(
表3)来看,初始生长期极端干旱站次百分比最高,为41%,生长后期次之,为38%,幼果期和果实着色期为37%,果实膨大期最低为34%。这表明,极端干旱在苹果初始生长期发生范围最大,主要原因为河北省在苹果萌芽至开花期(3月下旬—5月上旬)降水稀少,降水不能满足苹果萌芽开花的需水要求,典型年份为1986、1988、1992、2005、2007年,这与历史上河北省春旱发生实况相符合
[31]。河北省夏季降水充沛,与苹果需水旺盛时期相重合,较多的年份和站次自然降水能够满足苹果果实膨大期的需水要求,因此极端干旱站次百分比相对最低。
生长期 | 初始生长期 | 幼果期 | 果实膨大期 | 果实着色期 | 生长后期 |
百分比/% | 41 | 37 | 34 | 37 | 38 |
图4为苹果各生长季极端干旱发生站次百分比年代际变化情况,2010s相较于1980s—2010s,初始生长期、果实膨大期、果实着色期极端干旱站次百分比均有所下降,而幼果期、生长后期则为升高,尤其是幼果期,升高趋势明显,即2010s幼果期极端干旱发生范围扩大,降水不能满足幼果期生长的需水量,将直接影响果实细胞分裂,从而影响果实品质和产量。
图4 河北省苹果各生长季极端干旱发生站次百分比年代际变化 |
Full size|PPT slide
2.2 苹果各生长时期极端干旱空间变化
2.2.1 1981—2020年极端干旱总次数空间分布
图5为河北省1981—2020年40 a苹果年度生长季极端干旱总次数分布情况。40 a总次数最大值为103,出现在张家口的宣化,最小值为33,出现在承德兴隆,空间上呈现东北部少、西北和中南部多的特征。总次数大于90的地区出现在张家口中部、邢台东部、衡水西部、石家庄东部;总次数为70~90的地区分布在张家口中西部、保定东部、廊坊南部、石家庄中南部、沧州、衡水、邢台、邯郸;总次数在70以下的地区为张家口的东北部、保定西部和北部、石家庄北部、廊坊北部、承德、唐山、秦皇岛。
图5 1981—2020年河北省苹果生长季极端干旱发生总次数空间分布 |
Full size|PPT slide
2.2.2 1981—2020年苹果年内各生长期极端干旱发生次数空间分布
从各生长期极端干旱发生次数分布情况(
图6)分析,全省平均发生次数从高到低依次为初始生长期、生长后期、果实着色期、幼果期、果实膨大期,平均值分别为16.3、15.3、14.9、14.7、13.8次。各物候期,极端干旱发生次数南部地区高于北部地区,但果实膨大期、生长后期极端干旱发生次数高值区集中在冀西北地区(张家口中南部)。初始生长期,发生次数高于18次的地区分布在张家口西部、沧州和廊坊两市的东部、保定中部、邢台大部、衡水西南部、邯郸北部和东部,宣化最多(22次);发生次数低于15次的地区分布在河北省的东北部地区和中部局部地区。幼果期,发生次数高于18的地区分布在张家口西北部、秦皇岛南部、廊坊中部、沧州北部、保定东部、石家庄东北部、衡水中部,安新最多(21次);发生次数低于15次的地区分布在河北省的中北部地区和南部的邯郸。果实膨大期,发生次数大于24次的地区分布在张家口中部,阳原最多(30次),东部地区和中部地区发生次数低于15次。果实着色期,发生次数大于20次的地区分布在沧州、衡水、邢台、邯郸四市的东部地区,清河发生次数最多(25次),北部和西部地区发生次数低于15次。生长后期,发生次数高于21次的地区分布在张家口中南部,涿鹿最多(28次);东北部、东部的沧州低于15次。
图6 1981—2020年河北省苹果生长季各生长期极端干旱发生次数空间分布 |
Full size|PPT slide
2.3 极端干旱周期变化
图7为全省及各区域苹果生长季极端干旱发生频率的复值Morlet小波变换系数的实部和方差。全省极端干旱变化周期为4~8、7~11、16~20 a,冀北、冀东存在3个变化周期,冀中、冀南存在2个变化周期,各地区变化周期有所不同。冀北极端干旱的变化周期为4~8、8~12、16~20 a,冀东极端干旱的变化周期为4~8、9~13、17~21 a,冀中极端干旱的变化周期为4~8、7~11 a,冀南极端干旱的变化周期为6~10 a、20~24 a。
图7 极端干旱发生频率小波系数实部(左)和方差(右) |
Full size|PPT slide
3 结论
本研究利用地表湿润指数对河北省苹果生长季极端干旱时空特征进行分析,主要结论为:
(1)1981—2020年,河北省苹果年度生长季(萌芽—生长后期)极端干旱发生频数在年均0.7~3.5次之间,发生次数最多的年份是1981年,最少的年份是1990年,近40年中最为干旱的3个年份是1997年、1999年、1981年;年代际间,1980s—2000s呈现线性下降,1980s最高,2000s最低,2010s呈现回升趋势。苹果年内各物候期极端干旱发生次数从高到低依次为:初始生长期(萌芽—开花期)、生长后期、果实着色期和幼果期、果实膨大期。
(2)从极端干旱发生的空间分布看,1981年以来,苹果年度生长季干旱发生总次数空间上呈现东北部少、西北和中南部多的特征;年内各物候期,极端干旱发生次数南部地区高于北部地区,但果实膨大期、生长后期极端干旱发生次数高值区集中在冀西北地区。
(3)全省苹果生长季极端干旱变化周期为4~8 a、7~11 a、16~20 a,冀北、冀东存在3个变化周期,冀中、冀南存在2个变化周期,各地区变化周期有所不同。
4 讨论
河北省苹果生长季极端干旱发生频数呈现微弱下降趋势,与刘文莉等
[14]分析的华北平原极端干旱发生频率年际变化趋势一致。极端干旱发生频数年际变化呈现微弱的下降趋势,但幼果期、生长后期在2010年以后均呈现回升趋势,这些应该引起苹果生产上的关注和重视。从地区分布来看,河北省南部地区苹果各物候期极端干旱发生次数高于北部地区,这与贾桂梅等
[33]分析的南部地区苹果生长水分适宜度差的结论一致,主要原因为南部地区自然降水不能满足苹果生长所需水分,而用以表征极端干旱的湿润指数综合考虑了自然降水和作物蒸散的相对变化,是基于作物干旱考虑,较贴近苹果生产实际。同时,苹果极端干旱带来的影响需结合果树生理学特征来进一步验证,从而有利于细化研究苹果极端干旱发生特点,为科学灌溉和灾害防御提供理论基础。
{{custom_sec.title}}
{{custom_sec.title}}
{{custom_sec.content}}