干旱是目前全球最严重的灾害之一，已成为危急人类生存环境的严重问题，也是科学界普遍关心的科学问题^[1]，据Obasi^[2]统计，在各类自然灾害造成的总损失中，气象灾害引起的损失约占85%，而干旱又占气象灾害损失的50%左右。由于气候变暖所引起的降水减少和蒸发的增加将导致干旱的强度和频率增加^{[3, 4, 5]}，近50年来受全球气候变化的影响，我国降水量呈现南方偏多北方偏少的变化趋势，使得北方主要农业区不同程度的干旱面积均有扩大趋势^{[6, 7]}，主要表现为半干旱区干旱化的趋势及范围增大^{[8, 9, 10]}，由干旱造成的受灾面积及经济损失有逐步增加的趋势，灾害发生的频率也在不断加快^[11]。据统计，我国平均每年旱灾的受灾面积高达2200万hm²，占各种灾害受灾面积的40%以上，粮食损失约120亿kg^[12]。有学者研究指出，未来40a中国气候总体上呈暖干，半干旱地区的扩大趋依然很明显，黄淮海平原将经历最干旱的时段，极端干旱的干旱频率及干旱历时将达最大^{[13, 14]}，干旱仍旧是我国未来几十年将要长期面临的气象灾害。

小麦是我国仅次于水稻的第二大作物，其播种面积占全国耕地面积的20%—30%，占粮食产量的20%—25%^[15]，黄淮海平原是我国最大的冬麦区，冬小麦生长季正值该地区降水稀少的时期，降水量大多不足250 mm，越往北降水越少，至京津一带已不足150 mm。但冬小麦全生育期和关键期的需水量分别为350—500 mm和200—250 mm左右，缺水量达300 mm左右，降水最多的年份也不能满足冬小麦正常400—550 mm的需水量。在冬小麦拔节、抽穗、灌浆的需水关键期(4—5月)，同期降水量仅占需水量的1/5—1/4，水分亏缺量达200 mm左右^{[16, 17]}。然而，现有的黄淮海平原干旱对冬小麦的影响识别的研究大多为田间试验^{[18, 19]}，对于区域的研究比较少且很多研究主要集中在气象干旱对产量影响的表观层面^{[20, 21]}，细化到具体生育进程干旱特征的研究不多。因此，本文以温度、降水等气象数据为基础，使用相对湿润度指数研究了黄淮海平原冬小麦不同生育阶段的干旱的变化特征，并且分析干旱特征与主要气候要素的相关性，探究该地区冬小麦生育阶段干旱的气候发展趋势，以期在气候变化的背景下，从关键生育期的角度为黄淮海平原干旱对冬小麦产量影响模拟的研究以及小麦生产抗旱提供理论依据。

本文参考刘巽浩等^[22]编制的中国农作制分区，选用了黄淮海平原主要农业区具有1981—2009年完整生育期资料的5个典型气象站点作为分析对象，站点分布如图1所示，其中，天津为环渤海山东半岛滨海外向型二熟农渔区典型站点，石家庄为燕山太行山山前平原水浇地二熟区典型站点，莘县为海河低平原缺水水浇地二熟兼旱地一熟区典型站点，徐州与驻马店为黄淮平原南阳盆地旱地水浇地二熟区典型站点。1)各站点近30a逐日降水量(mm)、平均气温(℃)、最低气温(℃)、最高气温(℃)、日照时数(h)、风速(m/s)和平均相对湿度(%)等气象数据，由中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)提供。2)各站点1981—2009年逐年的冬小麦生育期资料来源于国家气象信息中心。

图1 黄淮海平原气象站点分布图 Fig.1 The location of meteorological stations in Huang-Huai-Hai (3H) plain

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干旱指标选用《气象干旱等级》标准中所提供的相对湿润度指数(划分等级见表 1)，其计算公式如下：

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式中，P为某时段降水量(mm)，PE为某时段的可能蒸散量(mm)，本文采用FAO推荐的Penman-Monteith^[23]方法计算，计算公式如下：

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式中,R_n为作物表面净辐射量(MJ m^-2 d^-1)；G为土壤热通量(MJ m^-2 d^-1)；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率(kPa·℃)；γ为湿度计常数(kPa/℃)；T为空气平均温度(℃)；U₂为在地面以上2m高处的风速(m/s)；e_s为空气饱和水汽压(kPa)；e_a为空气实际水汽压(kPa)。

干旱对冬小麦生长发育及产量影响较大的时期是播种期、拔节到孕穗期以及灌浆期^{[24, 25]}。因此，为了更好的识别各主要生育阶段的干旱特征，本文将冬小 的生育期分为全生育期、播种—出苗期、出苗—拔节期、拔节—抽穗期与抽穗—成熟期这5个生育阶段进行分析。

黄淮海平原近30年来冬小麦主要生育阶段的相对湿润度变化特征如表 2所示，除苗期外，各生育阶段的相对湿润度从天津到驻马店，呈现由北向南逐渐增大的趋势，即由北向南干旱逐渐减轻，且驻马店在冬小麦的各生育阶段相对湿润度均大于-0.4，表现为无旱的特征，这主要是由于黄淮海平原降水量与太阳辐射量等气候要素的纬向分布导致的。在冬小麦全生育期，相对湿润度的年际变化趋势不大，天津与石家庄为0.01/10a，而莘县、徐州与驻马店为-0.01/10a，从相对湿润度的区域分布来看，在冬小麦全生育期黄淮海平原南部有干旱化的趋势，而北部有干旱减弱的趋势，但是趋势不显著。而在苗期，相对湿润度的年际变化趋势明显，且区域分布与全生育期一样存在南北差异，其中，天津的变化趋势为0.79/10a，而徐州与驻马店的变化趋势达-0.83/10a和-1.28/10a，且都通过了α<0.05的显著性检验。在出苗—拔节期，由于黄淮海平原冬季降水较少，所以这一时期干旱最为严重，其中天津表现为重旱的特征，但是相对湿润度的年际变化趋势不明显，且区域分布与全生育期不同，呈现北部微弱干旱化而南部湿润化的趋势。拔节—抽穗期的干旱程度也比较严重，且相对湿润度的变化率除天津外均有增加的趋势，表现为干旱减弱的趋势。在抽穗—成熟期，相对湿润度的年际变化均在减小，即有干旱化的趋势，且从北向南有干旱变化幅度递增的趋势。

从黄淮海平原冬小麦生育阶段不同程度干旱频率的区域分布(图 2)可以看出，在播种—出苗期，特旱的发生频率要高于其他程度的干旱，其中石家庄与徐州特旱的频率超过了50%；在出苗—拔节期，天津、石家庄与莘县主要以中旱和重旱为主，其中石家庄中旱的频率超过了50%，而徐州与驻马店主要以轻旱为主；在拔节—抽穗期，干旱较出苗—拔节期有所加重，不同程度的干旱均有发生，但天津、石家庄与莘县重旱与特旱的频率较高；抽穗—成熟期，特旱发生的频率明显降低，但是除驻马店外，各站点重旱的频率都在30%左右；总得来看，天津与石家庄在冬小麦全生育期主要以中旱和重旱为主，频率大约在40%左右，而莘县在冬小麦全生育期轻旱，中旱和重旱的频率相当，在30%—40%之间，徐州与驻马店则以轻旱为主，频率大约为40%—50%。从干旱频率的区域分布也可以看出，黄淮海平原干旱发生的程度与频率存在着南北差异，表现为北部干旱强于南部。

图2 黄淮海平原近30年冬小麦生育阶段不同程度干旱频率 Fig.2 The variability of different drought frequency in five growth stages of winter wheat in 3H Plain

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另外，近30年黄淮海平原冬小麦的各生育阶段，不仅中等干旱程度以上频率较高，而且在时间上也有持续性。由表 3中可以看出，在全生育期，天津、石家庄与莘县均有持续5a以上的干旱发生，其中石家庄在1981—1989连续9a发生中旱；在播种—出苗期，天津、石家庄及徐州都出现了连续的特旱，其中徐州在1989—1993和2003—2008发生了两次特旱的持续；在出苗—拔节及拔节—抽穗期，天津、石家庄和莘县都有持续干旱发生，尤其是天津在出苗—拔节期，从1995—2008连续14a重旱，石家庄也在1981—1986持续发生了6a重旱；在抽穗—成熟期，只有石家庄在1993—1997连续5a为重旱。从区域分布来看，天津、石家庄的干旱持续较为严重，而驻马店近30年没有干旱的持续。

对黄淮海平原冬小麦主要生育阶段的气候要素的变化率进行分析(表 4)，从表中可以看出，在冬小麦全生育期，各站点的平均温度均有增加的趋势，变化范围在0.02—0.06℃之间，且除天津外，均通过α<0.05的显著性检验，这与近些年来气候变暖的事实相符^[26]，出苗—拔节期的温度变化情况与全生育期相似；在拔节—抽穗期，各站点的温度均有降低的趋势，且温度降低的趋势在抽穗—成熟期更为明显，变化范围在-0.02—0.06℃之间，除石家庄与莘县外均通过α<0.01的显著性检验；总的来说，在冬小麦生育前期，温度有上升的趋势，生育后期有下降的趋势，整个生育期温度呈显著升高的趋势。太阳辐射的变化与温度的变化趋势正好相反，在冬小麦全生育期与出苗—拔节期，太阳辐射量为减少的趋势，变化范围在-16.2—-6.34 MJ m^-2 d^-1之间，通过了α<0.01的显著性检验，而在抽穗—成熟期，太阳辐射量为增加的趋势。另外，从各站点全生育期均值可以看出，太阳辐射量存在由北向南逐渐递减的纬向分布特征。相对湿度的年际变化趋势并不明显，从表中可以看出，石家庄与驻马店在冬小麦的5个生育阶段相对湿度均有降低的趋势，且5个站点的相对湿度在生育期后期有减小的趋势。对风速的变化趋势分析表明，黄淮海平原近年来在冬小麦生育阶段的风速有降低的趋势，除天津外，其余站点在冬小麦的各生育阶段的风速降低趋势通过了α<0.05的显著性检验，且风速的变化在冬小麦生育前期呈现由南向北减幅递增的趋势。降水量的分布从北向南有明显的增加，冬小麦全生育期驻马店的降水量是天津的1倍多；莘县、徐州及驻马店除拔节—抽穗期降水有增加的趋势外，其他生育阶段降水均有减少的趋势，而天津与石家庄除出苗—拔节期外，变化趋势与莘县、徐州及驻马店相反，降水量有增加的趋势，这些趋势并不显著；因此，在黄淮海平原降水量的年际变化趋势存在一定的南北差异。

为了探究黄淮海平原冬小麦生育阶段干旱的气候影响因素，将各阶段的相对湿润度与相应时段的各气候要素做相关分析。由表 5可以看出，相对湿润度与温度的相关性在冬小麦的生育后期要大于生育前期，在冬小麦全生育期，天津与石家庄的相对湿润度与温度为负相关，相关系数分别为-0.19与-0.17，变化率为负值，即温度越高则相对湿润度越小，表现为越干旱，结合表 4可知，黄淮海平原冬小麦全生育期的温度是显著升高的，因此，天津和石家庄由于温度的升高，会导致干旱化的加重，而莘县、徐州和驻马店则正好相反，随着温度的升高而出现湿润化的趋势，且莘县与徐州在播种—出苗与出苗—拔节期也是如此；在拔节—抽穗期与抽穗—成熟期，相对湿润度与平均温度的相关系数较大，徐州在这两个生育阶段与驻马店在拔节—抽穗期都通过了α<0.01的显著性检验，且石家庄、徐州、驻马店在这两个生育阶段与莘县在抽穗—成熟期相对湿润度与平均温度都呈负相关，变化率为负值，其中徐州与驻马店在抽穗—成熟期的变化率达-0.19与-0.12，而结合表 4可知，黄淮海平原在冬小麦拔节—抽穗与抽穗—成熟期温度有降低的趋势，因此，以上站点在相应生育阶段的干旱程度将会随着温度的降低有所减弱。对相对湿润度与太阳辐射量的相关分析可以看出，在播种—出苗与抽穗—成熟期两者为负相关，且相关系数较其他生育阶段大，其中石家庄在抽穗—成熟期的相关系数达-0.50，且通过了α<0.01的显著性检验，而在全生育期则为正相关，相对湿润度随太阳辐射量的变化率除播种—出苗期都为负值，其他生育阶段变化率基本为0，即太阳辐射量的增减不会引起相对湿润度的变化，在播种—出苗期，天津与徐州的相关系数通过了α<0.05的显著性检验，分别为-0.39和-0.37，结合表 4可知，在播种—出苗期黄淮海平原的太阳辐射量为增加的趋势，所以这一阶段这两个地区将会随着太阳辐射量的增加而呈干旱化的趋势；在出苗—拔节期，其他站点相对湿润度与太阳辐射都为正相关，而徐州则为负相关，相关系数为-0.36，且通过了α<0.05的显著性检验。从表中可以看出，相对湿度与相对湿润度的相关性最大，各生育阶段的相关系数都通过了α<0.01的显著性检验，且变化率均为正值，结合表 4可知，石家庄与驻马店在各生育阶段的相对湿度均为减小的趋势，因此，这两个站点将会随着相对湿度的减小而有干旱化的趋势；另外，徐州在各生育期的相关系数大于其他站点，即干旱程度与相对湿度的相关性最大。相对湿润度与风速也表现出一定的相关性，这主要是由于风速对下垫面的蒸发状况的影响而造成的，在全生育期与生育后期，两者呈负相关关系，变化率为负值，在拔节—抽穗与抽穗—成熟，天津与石家庄呈显著的负相关，而在生育前期大多站点为正相关，且生育后期与风速的相关系数要大于生育前期；结合表 4可知，在全生育期和抽穗—成熟期，莘县、徐州和驻马店的风速为减小的趋势，由此可知，黄淮海南部地区在冬小麦全生育期和抽穗—成熟期将会随着风速的减小而呈湿润化的趋势。

(1)黄淮海平原冬小麦除苗期外其它生育阶段干旱由北向南逐渐减轻，在冬小麦播种—出苗期黄淮海平原南部有干旱化的趋势，而北部有干旱减弱的趋势，全生育期也有相同的微弱的趋势；在出苗—拔节期干旱最为严重，呈现北部微弱干旱化而南部湿润化的趋势，抽穗—成熟期呈干旱化的趋势，且从北向南干旱变化幅度递增。

(2)在冬小麦全生育期，天津与石家庄主要以中旱和重旱为主，而莘县轻旱、中旱和重旱的频率相当，徐州与驻马店则以轻旱为主。天津、石家庄的干旱持续较为严重，而驻马店近30年无干旱的持续。

(3)在拔节—抽穗期和抽穗—成熟期，徐州、驻马店的干旱程度随着温度的降低有减弱趋势。播种—出苗期，天津与徐州随着太阳辐射量的增加将呈干旱化的趋势；另外，石家庄与驻马店在冬小麦各生育阶段将会随着相对湿度的减小而有干旱化的趋势；黄淮海南部地区在冬小麦全生育期和抽穗—成熟期将会随着风速的减小而呈湿润化的趋势。

近30年黄淮海平原冬小麦的各生育阶段，不仅中等干旱程度以上频率较高，且在时间上也有持续性，持续的干旱更会影响冬小麦的生产，导致产量下降。从区域分布来看，天津、石家庄的干旱持续较为严重，这与气象灾害记载资料相符^{[27, 28]}。在播种—出苗期，特旱发生的频率非常高，这与实际的农业气象干旱有所差异，因为黄淮海平原降水主要集中在7—8月，至冬小麦播种与苗期时，土壤或因水分滞存或因灌溉而有一定的底墒^[29]，实际生产中干旱程度并不严重。这一现象主要是由于相对湿润度是根据作物参考蒸散量计算而得，而在冬小麦播种—出苗期植株覆盖度小，按照参考作物来计算的相对湿润度显然夸大了这一时期的干旱实情。另外，本文主要是从气象干旱的角度，探究了黄淮海平原冬小麦生育阶段的干旱特征及气候趋势的影响，在气候变化的背景下为冬小麦具体关键生育期的生产实践提供更为明确的抗旱依据，但是由于黄淮海平原大部分冬小麦种植区域都有灌溉的措施，并且前期的降水对当前的土壤墒情有着重要的影响，气象干旱的发生不一定会伴随农业干旱的发生^[30]，因此，在生产过程中还要根据实际的小麦受旱状况而进行科学的抗旱。