摘要：西南地区是中国玉米主要产区之一，干旱是该地区最主要的农业气象灾害，研究干旱时空分布特征及规律对西南地区玉米种植布局和防旱减灾有重大意义。该文收集西南地区玉米种植区60个代表气象站50a（1960年－2010年）的气象资料和玉米作物资料，选用基于土壤-植被-大气系统并以天为时间尺度的农业干旱参考指数（ARID）作为干旱指标，研究西南地区玉米生育期内干旱频率空间分布特征，并分析近50a干旱发生的年代际变化，验证ARID在西南地区的适用性。结果表明：1）近50a来西南地区发生的干旱具有显著的区域特征，高发区位于云南中北和东北部以及四川南部；其次为川东北的广元地区、川西南山地以及滇西北、滇南部的元江地区；少发区位于重庆大部、贵州北部等地区。2）阶段性干旱明显，受旱频率最高的时段为出苗至拔节期，受旱频率最低在抽雄至灌浆期，且随着发育进程，干旱有向东部转移的趋势。3）西南地区各分区玉米生长季内ARID变化差异较大，总体上来看干旱程度大多处于轻旱，个别区域处于中旱，或者在轻旱与中旱之间波动。4）ARID的年际变化特征表明：20世纪80年代受干旱影响最低，21世纪初受干旱影响最严重。

　　关键词：干旱；监测；农业；农业干旱参考指数；西南地区；玉米

　　0、引言。

　　干旱对农业造成的损害广泛的出现在世界各国，并在所有自然灾害造成的损失金额中位居第一。中国作为一个农业大国，易受农业气象灾害，特别是干旱的影响。而西南地区作为中国重要的农业生产区自然也不例外。根据近几年发生的干旱灾害情况可以看出，极端干旱从中国北方地区开始向西南地区蔓延，干旱区域不断扩大，有从干旱区向湿润区发展的趋势。2003年西南部分地区发生严重伏秋连旱；2005年云南发生近50a来少见的严重春旱；2006年川渝地区出现百年难遇的伏旱；2009年秋至2010年春广西、云贵、贵州、四川和重庆等西南五省区遭遇特大干旱。这些都给当地造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。

　　玉米种植在西南地区有较悠久的历史，是当地重要的粮食和饲料作物。由于该地区地形复杂，气候多变，土壤贫瘠，经济不发达，虽然实行间套复种制，但投入较少，耕作粗放，限制了玉米生产水平的进一步提高。特殊的地理气候和人文生产条件决定了西南地区玉米种植多种多样，这又使得该地区成为中国玉米主要产区之一。由于水资源时空分布不均，农作物生长的季节性与降水供给不匹配，造成该区域农业极易发生季节性干旱。因此，探求玉米时空分布特征问题具有重要的现实意义。

　　有关西南地区玉米生长季内干旱时空变化特征的相关研究也曾有过报道。许玲燕等利用云南省29个典型气象站的气象资料，通过计算各气象站点的标准化降水蒸散指数（standardizedprecipitationevapotranspirationindex，SPEI），分析了云南省夏玉米生长季内的干旱时间变化和空间变化特征。张玉芳等将四川省分为六大玉米种植区域，以水分盈亏指数作为干旱指标，评估了四川省各个种植区域玉米生育期的干旱状况。王明田等基于相对湿润度指数，分析了西南地区近50年的干旱强度和106农业工程学报2014年

　　发生范围的年纪变化规律。徐新创等[9]以地级市为评估单元，并以评估单元内3类播种面积最大的农作物作为研究对象，设计了一套农作物干旱等级判定和干旱发生概率的研究方法，对西南地区进行农业干旱风险评估。上述用于衡量农业干旱指标的研究由于没有充分考虑土壤水分平衡，无法精确的监测作物实际的水分状况。标准化降水指数

　　（standardizedprecipitationindex,SPI）虽能反映不同时间尺度的降水异常，却忽略了土壤水分平衡和作物生理这两大农业干旱监测的重要因素。帕尔默干旱强度指数（Palmerdroughtseverityindex,PDSI）虽然引入了水分平衡概念，但是没有考虑到作物生理因素。水分亏缺指数需要特定的作物系数参数，而且这种参数难以获取，限制了该指数在业务中的应用。孰知，农业干旱是由于土壤供水量与作物需水量不平衡造成的作物体内水分亏缺，这主要取决土壤的供水能力和作物的生理特征。因此，为了量化作物水分亏缺，农业干旱指数应同时考虑土壤-植物-大气三个重要因素，并且应以天为时间尺度。鉴于此，本文综合考虑土壤-植被-大气三个影响农田水分的重要因素，基于Woli等在2010年提出了农业干旱参考指数（agriculturalreferenceindexfordrought，ARID），探讨西南地区玉米生育期内干旱的时空特征和规律，分析玉米生育阶段内干旱的演变过程，验证ARID用于西南地区玉米生育期干旱监测的可行性和有效性，为西南地区玉米生产合理布局和防旱减灾提供科学依据。

　　1、材料与方法

　　1.1研究区概况

　　本文研究的区域介于97.4°E-110.2°E和21.2°N-34.4°N之间，包括重庆市、四川省、贵州省和云南省。该区域水资源较为丰富，以亚热带季风气候为主，典型特征是冬干夏湿、干湿分明，年降雨量在900mm以上。区域内河流纵横，峡谷广布，地貌以高原和山地为主，还有广泛分布的喀斯特地貌。玉米的生产区域多分布在山区、半山区坡地，属雨养旱作农业。根据西南区域特点、农业气候特征以及农作物相似性，将研究区玉米细分为七个子区域（以县级为划分单元），玉米种植区分区及站点。Ⅰ区为重庆市中部、西部、东北部，以及四川省广安地区；Ⅱ区为四川盆地中部、东部、南部及贵州省中部、北部；Ⅲ区为四川盆地西部、贵州省西部、南部和东部；Ⅳ区为四川盆地边缘山区及四川省西部；Ⅴ区为云南省西北部、中部、东北部和四川省南部；Ⅵ区为云南省西部、南部、东南部；Ⅶ区为非粮区。

　　将研究区玉米发育期分成4个阶段：出苗-拔节、拔节-抽雄、抽雄-灌浆、灌浆-成熟，各子区域内玉米各生长发育阶段的时期见表1。从表1可知，玉米在不同分区内其生育期和发育时间差别较大，Ⅰ区的玉米在3月上旬出苗，7月下旬成熟；而Ⅵ区的玉米在5月上旬出苗，10月中旬才成熟，两分区玉米的生育期相差2个月左右，这主要与各分区的气候特点和玉米的品种熟型有关。

　　1.3农业干旱参考指数（ARID）及其各分量的计算农业干旱参考指数（ARID）是一个量化作物缺水状况的通用指标，充分地考虑了农业干旱指数的基本要求，即土壤-作物-大气系统，并将其简单化，实用化。ARID是在作物水分亏缺量和作物需水量的比值的基础上发展而来的，适用于生长在排水良好的土壤中并且完全覆盖土壤表面的作物。

　　1.3.1作物参考蒸散量ETr

　　采用FAO-56（1998）推荐的Penman-Monteith公式（Allenetal.,1998）计算作物参考蒸散量ETr，公式如下：

　　220.408（）900（）273（10.34）nadrRGUeeETTU……式中：ETr为作物参考蒸散量，mm/d；Δ为温度~饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa·℃-1；u2为离地2m高处风速，m/s；ea为空气饱和水汽压，kPa；ed为空气实际水汽压，kPa；T为平均气温，℃；γ为湿度表常数，kPa/℃；Rn为到达作物表面的净辐射，MJ/（m2·d）；G为土壤热通量密度，MJ/（m2·d）。

　　1.3.2作物蒸腾量TRmin{,}arTRZ.ET（3）式中：α为通用的根系吸水常数，其值为0.096[17]；Ｚ为根部区域土壤深度，以根系分布集中且均匀的原则，取值为1000mm[18-19]；θa为作物可获得的有效土壤含水量，mm；其计算公式如下：aWZ其中：W为根部区域的有效土壤含水量，mm，采用土壤水分平衡模型计算得到。

　　1.3.3土壤水分平衡模型

　　由于ARID指数假设作物完全覆盖在土壤表面，而且西南地区大部分区域地下水位比较深，可忽略地下水补给以及土壤蒸发量。此外，西南地区的玉米作物主要是雨养农业作物，因此灌溉量也可忽略不计。综上，土壤水分平衡模型为：ii1iiiiWWPTRDR式中：Wi和Wi.1分别为第i天和第i.1天的根部区域有效土壤含水量，mm；Pi为第i天的降雨量，mm；TRi为第i天的作物蒸腾量，mm；Di为第i天的地下排水量，mm；Ri为第i天的地表径流量，mm。

　　在排水良好的土壤中，当土壤中的含水量超过田间持水量时，水分从根部区域进行排水，即可利用的水分含量大于阈值时，水分被排出。排水量的计算公式为：

　　11m1（）0amaamZD……≤式中：D为排水量，mm；β为排水系数，取值为0.55；θm为土壤持水量，随土壤类型的不同而不同，根据研究区域的土壤类型进行取值，mm3/mm3；θa1为排水之前土壤中的含水量mm3/mm3。

　　1.4干旱频率的计算

　　干旱频率（F）表示干旱发生频繁程度，即干旱发生年数与总资料年之比。逐年统计各站点玉米全生育期内玉米作物干旱的级别和次数，得到各站点作物不同干旱等级的发生频率。FH100%N式中：H为1960－2010年各站相应干旱等级的总次数，N为总年数。

　　2、结果与分析

　　2.1农业干旱参考指数（ARID）结果验证

　　2.1.1农业干旱参考指数（ARID）与实测土壤相对湿度的相关分析

　　分别选取各分区内1～3个代表站点，将玉米苗期ARID值与实测土壤相对湿度数据（0～40cm）作相关分析。分析结果显示，二者之间的Pearson相关系数大多在0.5左右，并且都达到0.01显著性水平（表3）。这在一定程度上检验了ARID指数模型在西南玉米区干旱应用中的可靠性。

　　2.1.2农业干旱参考指数（ARID）模型在典型干旱年份中的验证

　　以2010年发生于西南四川、云南、贵州、广西和重庆等五省市的世纪大旱为典型干旱年份，计算了2010年4－5月云南省干旱分布情况。

　　可以看出，除云南的5个边缘区域外，基本都有不同程度的干旱，且以中部偏北偏东最为严重，这与严建武[27]等人关于植被指数对旱灾的响应研究结果情况基本一致。进一步验证了ARID模型的合理性。

　　2.2近50a玉米全生育期内农业干旱参考指数

　　（ARID）与降雨量、蒸散量的变化关系，在玉米生长季内，整个西南地区降雨量偏少，平均在3.44～5.12mm之间；作物蒸散量在1.43～3.63mm之间；ARID值大多在0.4左右，在轻旱或轻旱到中旱之间波动。受20世纪80年代受旱基于农业干旱参考指数的西南地区玉米干旱时空变化分析109程度最低，21世纪初干旱易发，受旱程度也最高。

　　2.3玉米各发育阶段的农业干旱参考指数（ARID）变化特征

　　分别选取各分区内2～3个代表站点（Ⅰ区：重庆、奉节；Ⅱ区：宜宾、叙永；Ⅲ区：巴中、兴仁和三穗；Ⅳ区：广元、雅安和华坪；Ⅴ区：邵通、元谋和泸西；Ⅵ区：保山、思茅和广南），计算了1961－2010年（共50a）玉米从播种到成熟整个发育阶段的ARID值，Ⅰ区内ARID值在0.26～0.47之间波动，处于轻旱状态，在玉米整个生长季内呈缓慢下降趋势，玉米抽雄至灌浆期（6月上中旬）ARID值略呈上升趋势，但变化幅度不是很大。Ⅱ区内ARID波动幅度较大，玉米播种至出苗期（3月份）基本维持在0.3左右，期间（出苗期）出现一个最低值，ARID值仅为0.1；此后开始干旱有所增强，但基本维持在轻旱以下。Ⅲ区ARID值波动较大，处于轻旱略偏重程度，玉米出苗至拔节期（4月上旬到6月上旬）呈明显下降趋势；拔节至灌浆期（6月中旬到8月上旬）ARID值达到整个生育阶段最低，波动范围在中旱到轻旱程度；灌浆至成熟期（8月中旬到8月下旬）ARID值显著上升，

　　又回升到苗期轻旱程度。Ⅳ区ARID值呈V字形走势，玉米出苗至抽雄期（5月上旬到7月下旬）为下降趋势，从中旱等级降为轻旱；抽雄至成熟期（8月上旬到9月下旬）呈缓慢上升趋势，玉米成熟期ARID值达到最大0.51，从轻旱程度回升为中旱，此期旱情有所加重。Ⅴ区的ARID值在6个分区内为最高，其值从3月下旬的0.73缓慢下降到6月下旬的0.48，7月上旬至9月下旬ARID在0.5上下波动，可以看出，这一分区旱情最为严重，基本在中旱或重旱程度波动。Ⅵ区ARID值变化幅度也较大，从陡坡缓慢下降变为局部波动：玉米出苗至抽雄期（5月上旬到8月中旬）ARID值呈急剧下降趋势，从0.61降至为0.14，受旱程度从中旱变为轻旱；抽雄至成熟期（8月下旬至10月中旬）ARID值均比较低，处于轻旱等级。

　　可见，西南地区各分区玉米生长季内ARID值基本维持在0.1～0.7范围内，区域差异较大。总体上来看干旱程度大多处于轻旱等级，个别区域可达到中旱或重旱等级。

　　2.4玉米生育期内干旱频率年代际空间分布特征由图5可知，不同年代之间干旱发生频率差异较大。从空间分布趋势来看，干旱易发区主要集中在Ⅴ区和Ⅵ区，干旱频率在50%～60%，为1～2年一遇；四川盆地以东及贵州大部地区为干旱低发区，干旱频率基本维持在20%以下。从年代际变化趋势来看，随着年代的增加，干旱频率和发生范围有增强增大的趋势。20世纪60年代，干旱频率在50%～60%之间的高发区只在会理、会泽、昆明等地零星分布，此后高发区范围不断扩大和加重，到2000年后，高发区干旱出现频率达70%左右。

　　Ⅴ区为干旱高发区，干旱出现频率在25%～65%之间，为2－4年一遇，该分区玉米生长季内降水少，蒸散量大，且气候干燥，因此极易出现干旱。Ⅵ区干旱频率自东北向西南呈逐步减少趋势，干旱频率多在9%～35%之间，该分区山地为迎风坡面且南部为热带雨林地区，降雨量较充沛，且蒸散量小，因此干旱发生频率有所降低，为4－10年一遇。Ⅲ区大部和Ⅰ区、Ⅱ区干旱发生频率均在18%以下。可见，在玉米全生育期内干旱高发区位于云南中北部、东北部以及四川南部；次高区为川东北的广元地区、川西南山地以及滇西北、滇南部的元江地区；少发区位于重庆大部、贵州北部等地。

　　2.6玉米各生长发育阶段干旱分布特征

　　2.6.1出苗至拔节期干旱分布特征

　　玉米在出苗至拔节期轻旱频率分布特点为：频率低于8%的地区主要分布在Ⅰ区中部梁平和涪陵地区，Ⅱ区的彭水，Ⅲ区的酉阳等地；频率在8%～32%的地区主要分布在Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的大部地区以及Ⅵ区的西南部山地及热带雨林地区；频率在50%以上的地区分布在Ⅵ区北部的广元、绵阳、维西，Ⅴ区的邵通、会泽、泸西，Ⅵ区的蒙自、元江河谷地带（图7a）。中旱频率分布特点为：高发区主要集中在Ⅴ区，Ⅳ区北部和西部以及Ⅵ区的元江、蒙自等地，频率在24%以上，其中Ⅴ区中部发生频率最高，在32%～40%之间，其余地区均在16%以下（图7b）。重旱频率分布与中旱第2期刘宗元等：基于农业干旱参考指数的西南地区玉米干旱时空变化分析111图6西南地区近50a玉米全生育期内干旱频率分布频率分布基本一致，高发区集中在Ⅴ区，高达40%，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅵ区的西南部干旱频率最低，均在8%以下（图7c）。可见，玉米在出苗到拔节期，干旱出现主要以轻旱为主，无论是轻旱、中旱和重旱都是以Ⅴ区为高发区，发生频率为2－3年一遇，四川盆地以西为干旱低发区，发生频率为5年及其以上一遇。

　　2.6.2拔节至抽雄期干旱频率空间分布

　　玉米在拔节至抽雄期轻旱频率分布特点为：Ⅴ区的元谋为干旱高发区，频率高达45%；次高区位于Ⅴ区的元谋、昆明，Ⅵ区的元江河谷地带，Ⅳ区西部的德钦、迪庆地区以及Ⅲ区的巴中地区，频率多在16%～24%之间，其余地区均在8%以下（图8a）。中旱频率分布特点为：大部地区频率均在8%以下，Ⅴ区的元谋频率在30%左右，Ⅲ区的遂宁以及Ⅳ区的维西在8%～16%之间（图8b）。重旱频率分布特点为：Ⅴ区的元谋为10%，其余地区都不超过3%。可见，玉米在拔节至抽雄期，中旱和重旱为偶发，轻旱频率出现高，且主要发生在Ⅴ区的元谋地区，与出苗到拔节期相比，轻旱发生频率减弱，发生范围也明显缩小。

　　2.6.3抽雄至灌浆期干旱频率空间分布

　　玉米在抽雄至灌浆期轻旱频率分布特点为：Ⅴ区的元谋和Ⅵ区的元江河谷地带为高发区，频率在30%左右，其次是Ⅲ区北部的遂宁和东南部的凯里、三穗等地，频率在9%～16%之间，其余地区均低于9%。中旱频率分布特点为：Ⅴ区的元谋和Ⅵ区的元江地区、Ⅲ区的三穗等地，发生频率在14%左右，其余大部分地区频率不超过6%。重旱频率分布特点为：全区均比较低，不超过10%，其中Ⅵ区的元江和Ⅲ区的三穗频率在3%～9%之间，其余地区基本不出现。可见，玉米抽雄至灌浆期，中旱和重旱也很少发生，轻旱只在元谋、元江、遂宁、凯里、三穗等地出现，基本为3－5年一遇，与前两个发育期相比，这一阶段干旱等级变轻，范围缩小，但干旱开始向西南地区的东部转移。

　　2.6.4灌浆至成熟期干旱频率空间分布

　　玉米在灌浆至成熟期轻旱频率分布特点为：高发区位于Ⅴ区的元谋和Ⅵ区的元江，频率在20%左右，次高区位于Ⅲ区东南部的凯里、三穗、榕江地区以及Ⅱ区的遵义地区，频率在12%左右；其余地区频率低于6%。中旱频率分布特点为：Ⅵ区的元江河谷地带为干旱高发区，高达29%；Ⅴ区的元谋，Ⅲ区东南部的凯里、三穗、榕江地区以及北部的巴中等地为次高区，频率为12%；其余地区频率低于6%。重旱几乎不发生，全区均低于6%。可以看出，玉米在灌浆至成熟期重旱几乎不出现，与抽雄至灌浆期相比，中旱频率强度和范围都有所增加，且东部旱情有进一步发展的趋势。

　　综合各发育期干旱频率分布特征，受旱频率最高的时段为出苗至拔节期，受旱频率最低的为抽雄至灌浆期。出苗至拔节期为玉米根系生长重要阶段，此阶段受旱会影响玉米根系吸水能力，使玉米抗旱能力不足，生长发育受限，进而影响玉米产量。

　　因此，西南地区玉米在此阶段要合理安排相应的补水措施，及时灌溉。

　　3、结论

　　通过分析西南地区近50a来玉米生育期内干旱频率时空分布特点，可以得到如下结论：

　　1）从ARID的年代际变化特征来看：近50a来，80年代受旱程度最低，21世纪初受旱程度最第2期刘宗元等：基于农业干旱参考指数的西南地区玉米干旱时空变化分析113高，且为干旱高发期。

　　2）从玉米生长季内ARID变化特征来看：各分区ARID差异较大，但波动范围基本在轻旱或中旱程度，个别区域可达重度干旱等级。

　　3）从玉米全生育期内干旱频率空间分布特征来看：近50a来西南地区玉米干旱具有显著的区域特征，高发区位于云南中北部、东北部以及四川南部；次高区为川东北的广元地区、川西南山地以及滇西北、滇南部的元江地区；少发区位于重庆大部、贵州北部等地。

　　4）从玉米不同发育阶段来看：阶段性干旱明显，受旱频率最高的时段为出苗至拔节期，受旱频率最低的为抽雄至灌浆期，且随着发育进程，干旱有向东部转移的趋势。虽然目前用于农业干旱监测的干旱指数较多，但由于影响干旱的气象因子、土壤因子以及大气特征具有明显的区域性。因此，选择合理的、适合区域干旱监测的指数是分析区域干旱时空变化的基础。本文选用Woli等提出的ARID干旱指数，虽能很好地反应玉米生长季干旱时空变化特征，但ARID是一种较新的干旱指数，计算时所需参数多，以后还应多收集相关资料，有待于做进一步的分析和检验。

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