黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化：特征剖析与成因探寻

黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化：特征剖析与成因探寻一、引言1.1研究背景与意义黄淮海平原作为我国重要的农业产区，在保障国家粮食安全方面发挥着举足轻重的作用。这里是我国最大的夏玉米主产区，播种面积超过2亿亩，占全国玉米总面积的35%以上，总产量约占全国玉米产量的36%，在我国秋粮生产中占据关键地位。夏玉米作为该地区的主要粮食作物之一，其生长状况直接关系到区域粮食产量和农民收入。近年来，全球气候变化加剧，黄淮海平原的气候也呈现出复杂多变的态势。年降雨量波动增大，玉米季降水分布不均，北降南增，导致北旱南涝的现象愈发明显；年均温度持续上升，高温热害频繁发生，从2013-2022年的十年间，有七年出现高温热害，2022年局部区域35℃以上高温天气甚至持续35天以上。这些气候变化带来的极端天气事件，如旱灾、水灾、风灾、高温热害等，给夏玉米的生长发育带来了诸多挑战。在黄淮海平原，旱灾类型多样，包括玉米播种苗期的初夏旱、拔节期的卡脖旱以及花期的伏旱，严重影响玉米的出苗、拔节和授粉结实；7-8月汛期降水集中，黄淮南部地区易出现渍涝灾害，发生频率居全国首位；夏秋之交的大风天气，瞬时风力可达10级以上，常造成玉米大面积倒伏，严重影响产量。同时，气候的变化还加剧了病虫害的发生和蔓延，如南方锈病、茎腐病、穗粒腐病等病害频繁爆发，进一步威胁夏玉米的产量和质量。玉米是喜温、喜光且需水量大的作物，其生长发育与水热条件密切相关。夏玉米生育期内的干湿变化直接影响着土壤水分状况、作物水分利用效率以及光合作用等生理过程。适宜的水分条件能够保证玉米正常的生长发育，促进根系生长、叶片扩展和光合作用的进行，从而为高产奠定基础。相反，干旱或洪涝等异常干湿状况会对玉米造成诸多不利影响。干旱胁迫下，玉米叶片气孔关闭，光合作用受到抑制，生长发育迟缓，甚至导致植株干枯死亡；洪涝灾害则会使土壤缺氧，根系呼吸受阻，影响养分吸收，还可能引发根系病害，导致植株生长不良、减产甚至绝收。因此，深入研究黄淮海平原夏玉米生育期的干湿变化特征及其成因，对于揭示气候变化背景下夏玉米生长的水热响应机制，制定科学合理的农业应对策略具有重要的现实意义。从农业生产角度来看，准确把握夏玉米生育期的干湿变化规律，有助于农民合理安排农事活动，如适时灌溉、排水、施肥等，提高水资源利用效率，降低生产成本，保障夏玉米的产量和质量。通过了解干湿变化特征，还可以为品种选育提供依据，筛选出更适应区域气候条件的玉米品种，增强作物的抗逆性和适应性。从应对气候变化的角度出发，研究夏玉米生育期干湿变化及其成因，能够为农业气候区划的调整和优化提供科学参考，为制定适应气候变化的农业发展战略提供理论支持。有助于我们更好地认识气候变化对农业生产的影响，提前采取有效的应对措施，降低气候变化带来的不利影响，保障农业的可持续发展。1.2国内外研究现状在全球气候变化背景下，农作物生育期的干湿变化研究一直是农业气象学和气候变化领域的重要课题。国内外学者针对不同地区和作物开展了大量研究，取得了一系列有价值的成果。国外研究起步较早，在气候变化对农作物生长影响的理论和方法上有深厚积累。许多学者利用长期气象观测数据和模型模拟，分析了不同气候区作物生育期内的水分平衡和干湿变化特征。例如，[国外文献1]通过对美国中西部玉米带的研究发现，过去几十年间，该地区玉米生育期内的干旱事件频率增加，且干旱强度呈增强趋势，这主要与降水减少和气温升高导致的蒸散量增加有关；[国外文献2]利用全球气候模式对欧洲地区的小麦和玉米生育期干湿状况进行模拟预测，结果表明，未来气候变化将使该地区作物面临更严峻的水分胁迫，干旱和洪涝灾害的发生概率均有所上升，对作物产量构成严重威胁。在国内，随着对农业气象灾害研究的重视，针对黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化的研究逐渐增多。一些研究利用站点实测数据，分析了该地区夏玉米生育期内降水量、蒸发量、土壤水分等要素的时空变化特征。[国内文献1]研究表明，近几十年来，黄淮海平原夏玉米生育期降水量总体呈下降趋势，且空间分布不均，北部地区降水减少更为明显，而蒸发量则呈上升趋势，导致干旱化趋势加剧；[国内文献2]通过对土壤水分监测数据的分析发现，在夏玉米生长关键期，如拔节期和灌浆期，土壤水分亏缺现象较为普遍，且受降水年际变化影响较大，干旱年份土壤水分含量显著降低，影响玉米正常生长发育。在干湿变化成因分析方面，国内学者从多个角度进行了探讨。[国内文献3]研究指出，大气环流异常是导致黄淮海平原降水变化的重要原因，西太平洋副热带高压的强度和位置变化直接影响该地区的水汽输送和降水分布，当副高位置偏南或偏弱时，黄淮海地区降水减少，易发生干旱；[国内文献4]通过数值模拟研究表明，土地利用变化对区域气候和夏玉米生育期干湿状况有显著影响，城市化进程导致的下垫面改变，如城市扩张、植被覆盖减少等，使得地表蒸散和径流发生变化，进而影响土壤水分和作物生长环境，增加了干旱和洪涝灾害的风险。然而，已有研究仍存在一些不足之处。一方面，在干湿变化特征分析中，大多研究侧重于单一气象要素或土壤水分的变化，缺乏对多种要素综合分析以及它们之间相互作用关系的深入研究；对于干湿变化在不同时间尺度（如年际、年代际）上的特征及其演变规律的认识还不够全面。另一方面，在成因分析方面，虽然大气环流、土地利用变化等因素对干湿变化的影响已得到一定关注，但对于人类活动（如农业灌溉、施肥等）与自然因素相互作用对夏玉米生育期干湿变化的影响机制研究还相对薄弱；不同因素在不同时空尺度上对干湿变化的相对贡献大小也有待进一步明确。此外，针对黄淮海平原不同区域（如鲁西北、豫东南等）夏玉米生育期干湿变化特征及成因的差异化研究较少，难以满足区域农业生产精细化管理的需求。本研究将在已有研究基础上，综合运用多种方法，全面深入地分析黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化特征及其成因，弥补现有研究的不足，为该地区夏玉米生产应对气候变化提供科学依据。1.3研究目标与内容本研究旨在全面、深入地揭示黄淮海平原夏玉米生育期的干湿变化特征，并剖析其背后的成因，为该地区夏玉米生产应对气候变化提供科学、精准的理论依据和实践指导。具体研究内容如下：数据收集与整理：广泛收集黄淮海平原多个气象站点的长期气象数据，涵盖1980-2023年的降水量、气温、相对湿度、风速、日照时数等要素。同时，收集该地区的土壤类型、地形地貌、土地利用现状等基础地理信息数据，以及农业生产相关数据，如夏玉米种植面积、产量、灌溉量、施肥量等，确保数据的完整性和准确性，为后续分析奠定坚实基础。干湿变化特征分析：运用多种统计分析方法，如趋势分析、突变检测、小波分析等，对收集到的气象数据进行深入处理。详细分析夏玉米生育期内降水量、潜在蒸散量的时空变化趋势，明确其在不同年代、不同季节以及不同区域的变化特征；计算标准化降水蒸散指数（SPEI），以此综合评估夏玉米生育期的干湿状况，并对干湿事件的发生频率、强度和持续时间进行统计分析，揭示其时空分布规律；通过空间插值和制图技术，直观展示黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化的空间格局，以及不同区域干湿状况的差异。成因分析：从大气环流、海温异常、地形地貌、土地利用变化以及人类活动等多个角度，深入探讨黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化的影响因素。分析西太平洋副热带高压、东亚季风等大气环流系统的变化与该地区降水和蒸散的关系，研究厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、印度洋偶极子（IOD）等海温异常事件对区域干湿状况的影响机制；结合地形地貌数据，分析地形对降水和气流的影响，探讨不同地形区域干湿变化的差异原因；利用长时间序列的土地利用数据，研究城市化、耕地变化等土地利用变化对地表蒸散、径流和土壤水分的影响，进而分析其对夏玉米生育期干湿状况的作用；综合考虑农业灌溉、施肥等人类活动对区域水分循环和干湿状况的影响，通过建立相关模型或进行对比分析，量化人类活动与自然因素在干湿变化中的相对贡献。1.4研究方法与技术路线数据来源：气象数据主要来源于中国气象局国家气象信息中心提供的黄淮海平原区域内1980-2023年共计120个气象站点的逐日气象资料，包括降水量、平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、风速、日照时数等关键气象要素，这些站点分布广泛，能够较为全面地反映该区域的气象特征。土壤数据则取自中国土壤数据库，涵盖土壤质地、土壤有机质含量、土壤容重、土壤田间持水量等信息，对于分析土壤水分的保持和运移具有重要意义。地形地貌数据借助地理空间数据云平台获取的DEM数据，可精确提取研究区域的海拔高度、坡度、坡向等地形信息，为研究地形对干湿变化的影响提供基础。土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心发布的1980年、1990年、2000年、2010年和2020年5期土地利用现状数据，用于分析土地利用变化对区域水分循环和干湿状况的长期影响。农业生产数据，如夏玉米种植面积、产量、灌溉量、施肥量等，通过对黄淮海平原各市县农业农村局的统计资料收集整理获得，这些数据为研究人类活动对夏玉米生育期干湿变化的影响提供了关键依据。分析方法：运用线性回归分析方法，对夏玉米生育期内降水量、潜在蒸散量等气象要素进行趋势分析，确定其在时间序列上的变化趋势，量化其变化速率。采用Mann-Kendall突变检验法，检测各气象要素和标准化降水蒸散指数（SPEI）在时间序列上是否存在显著的突变点，明确干湿变化的转折时期。利用小波分析对气象要素和SPEI进行多时间尺度分析，揭示其在不同时间尺度上的周期变化特征，分析不同周期的变化规律及其相互关系。计算标准化降水蒸散指数（SPEI），综合考虑降水量和潜在蒸散量，全面评估夏玉米生育期的干湿状况，根据SPEI值划分干湿等级，统计不同等级干湿事件的发生频率、强度和持续时间。运用ArcGIS软件的空间插值功能，将气象站点数据插值为面数据，制作黄淮海平原夏玉米生育期降水量、潜在蒸散量、SPEI等要素的空间分布图，直观展示其空间分布特征和变化规律；通过叠加分析，研究不同要素之间的空间关系，以及地形、土地利用等因素对干湿变化的空间影响。构建多元线性回归模型，将大气环流指数、海温指数、土地利用变化指标、农业灌溉和施肥量等作为自变量，SPEI作为因变量，分析各因素对夏玉米生育期干湿变化的相对贡献大小；利用通径分析进一步明确各因素之间的直接和间接作用关系，深入探讨干湿变化的成因机制。技术路线：本研究的技术路线如图1所示，首先全面收集黄淮海平原的气象、土壤、地形、土地利用和农业生产等多源数据，并对数据进行严格的质量控制和预处理，确保数据的准确性和可靠性。然后，运用数理统计方法对气象数据进行处理，计算SPEI并分析其时空变化特征，利用空间分析技术制作相关要素的空间分布图，直观展示干湿变化的时空格局。最后，从大气环流、海温异常、地形地貌、土地利用变化和人类活动等多个方面，运用多元线性回归模型和通径分析等方法，深入剖析黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化的成因，得出研究结论并提出针对性的对策建议。[此处插入技术路线图1：黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化特征及成因分析技术路线图]二、黄淮海平原夏玉米种植概况2.1区域范围与地理特征黄淮海平原作为我国重要的农业区域，在国家粮食生产格局中占据关键地位。其地理位置独特，处于北纬32°～40°，东经114°～121°之间，北起燕山南麓，南抵大别山和江淮山地边缘，西接太行山和伏牛山，向东延伸至黄海和渤海之滨，涵盖了北京、天津、河北、河南、山东、安徽、江苏等省市的部分或全部地区，总面积约31万平方千米，是中国第二大平原。这里地势较为平坦，整体呈现南高北低的态势，海拔高度一般在50米以下，地貌结构层次分明，主要由山前洪积平原、中部冲积平原和滨海三角洲组成。山前洪积平原分布于太行山东麓与燕山南麓，由河流出山后携带的大量砾石和泥沙堆积而成，地表砾石层较厚，可达数十米，海拔在50-100米之间。这一区域土壤质地相对较粗，透气性良好，但保水保肥能力稍弱，在灌溉条件较好的情况下，适合种植一些对土壤透气性要求较高的作物，如玉米在生长前期，发达的根系能够在这种土壤环境中快速伸展，吸收养分和水分。中部冲积平原是黄淮海平原的主体部分，由黄河、淮河、海河等河流长期冲积形成，海拔多在20-50米之间。这里地势平坦开阔，土层深厚肥沃，土壤类型以壤土和黏土为主，保水保肥能力较强，是农业生产的核心区域，广泛种植小麦、玉米、棉花等多种农作物。滨海三角洲位于天津-沧州沿海地区，是河流携带的泥沙在入海口处堆积形成的，全新世沉积层厚度超过30米，海拔低于5米。该区域土壤受海水影响，盐分含量相对较高，在农业开发过程中需要注重土壤改良和灌溉排水，以降低土壤盐分对作物生长的影响。黄淮海平原的土壤类型丰富多样，主要包括棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、盐碱土等。棕壤主要分布在鲁中南丘陵地区，土壤呈微酸性至中性，土层深厚，肥力较高，富含铁、铝等氧化物，适合多种林木和果树生长，在一些地势较为平坦的区域，也可用于种植玉米等农作物。褐土广泛分布于太行山、伏牛山等山麓地带及山间盆地，土壤呈中性至微碱性，质地适中，保水保肥性能较好，含有一定量的碳酸钙，是黄淮海平原重要的农业土壤类型之一，夏玉米在褐土上种植，能够获得较为稳定的产量。潮土是黄淮海平原分布最广的土壤类型，主要发育于河流泛滥平原，受地下水影响较大，土壤肥力较高，透气性和透水性良好，适合多种农作物生长。砂姜黑土主要分布在淮北平原和豫东南地区，土壤质地黏重，排水不畅，易发生渍涝灾害，在种植夏玉米时，需要加强田间排水和土壤改良措施，以提高玉米产量。盐碱土主要分布在滨海地区和一些地势低洼、排水不畅的区域，土壤中盐分含量较高，对农作物生长有一定的抑制作用，需要采取水利改良、生物改良等措施降低土壤盐分，才能满足夏玉米等作物的生长需求。黄淮海平原的地形地貌和土壤类型对夏玉米种植产生了多方面的影响。平坦开阔的地形为夏玉米的规模化、机械化种植提供了便利条件，有利于大型农业机械的作业，提高生产效率，降低生产成本。例如，在中部冲积平原，大型播种机、收割机等设备能够高效地完成播种、收割等农事活动，减少人力投入。不同的土壤类型则影响着夏玉米的生长发育和产量。肥沃的土壤能够为玉米提供充足的养分，促进植株生长健壮，提高产量。如褐土和潮土区，土壤肥力高，保水保肥能力强，种植的夏玉米往往植株高大，叶片繁茂，果穗饱满，产量较高。而在土壤质地较差或存在障碍因素的区域，如砂姜黑土区和盐碱土区，需要采取相应的改良措施，如深耕改土、合理灌溉、增施有机肥等，以改善土壤环境，满足夏玉米生长对土壤条件的要求。土壤的透气性和透水性也影响着玉米根系的生长和呼吸。透气性良好的土壤有利于根系的有氧呼吸，促进根系对养分和水分的吸收，而透水性过强或过弱都可能对玉米生长产生不利影响。在山前洪积平原，土壤透气性好，但保水性差，在夏玉米生长期间需要注意及时灌溉，保持土壤水分；而在砂姜黑土区，土壤透水性差，容易积水，需要加强排水设施建设，防止玉米田发生渍涝灾害。2.2夏玉米种植制度与品种分布黄淮海平原光热资源丰富，无霜期较长，且地势平坦、土壤肥沃，为发展一年两熟制提供了有利条件，这里主要采用冬小麦-夏玉米一年两熟的种植制度。这种种植制度充分利用了当地的气候资源，提高了土地利用率和农作物产量。在冬小麦收获后，紧接着播种夏玉米，实现了一年内两次收获，增加了粮食总产量。以河南省为例，该省大部分地区采用冬小麦-夏玉米一年两熟制，冬小麦一般在10月上中旬播种，次年5月底至6月上旬收获；夏玉米在冬小麦收获后，于6月上中旬抢茬播种，9月中下旬至10月上旬成熟收获。通过合理安排种植时间，两种作物在生长过程中相互衔接，充分利用了光、热、水、土等资源，保障了粮食的稳定供应。近年来，随着农业生产技术的不断进步和农业机械化水平的提高，黄淮海平原夏玉米种植制度也发生了一些变化。一方面，套种逐渐向直播转变。过去，为了充分利用光热资源，提高复种指数，多采用小麦套种玉米的方式。但套种过程中，小麦和玉米共生期存在争光、争水、争肥的矛盾，不利于玉米的生长发育。而且套种作业繁琐，不利于机械化操作，增加了生产成本。如今，随着玉米品种的改良和农业机械化的普及，直播方式逐渐成为主流。直播可以缩短玉米生育期，减少与小麦的共生期矛盾，同时便于机械化播种和田间管理，提高了生产效率。例如，山东省德州市通过推广夏玉米直播技术，实现了玉米种植的全程机械化，不仅节省了人力成本，还提高了玉米的产量和质量。另一方面，种植模式逐渐向规模化、集约化方向发展。随着农村土地流转政策的推进，越来越多的土地集中到种植大户、家庭农场和农业合作社手中。这些新型农业经营主体采用规模化、集约化的种植模式，统一品种、统一管理、统一收获，提高了农业生产的组织化程度和经济效益。例如，河北省邯郸市的一些农业合作社，通过流转土地，集中种植夏玉米，采用先进的种植技术和管理经验，实现了玉米的高产高效，同时带动了周边农户增收致富。在黄淮海平原，夏玉米品种繁多，不同品种在该区域的分布呈现出一定的特点。总体而言，早熟品种主要分布在北部地区，如北京、天津、河北北部等地；中熟品种广泛分布于中部地区，包括河北中南部、山东、河南北部等；晚熟品种则多分布在南部地区，如河南南部、安徽北部、江苏北部等地。这种分布特点主要是由以下因素决定的。气候条件是影响夏玉米品种分布的重要因素之一。黄淮海平原从北到南，热量条件逐渐增加，北部地区热量相对较少，适合生育期较短的早熟品种生长；南部地区热量充足，能够满足晚熟品种对积温的需求。以河北省为例，北部的张家口、承德等地，年平均气温较低，无霜期较短，种植早熟夏玉米品种能够确保在低温来临前正常成熟，避免遭受冻害；而南部的邯郸、邢台等地，年平均气温较高，无霜期较长，种植中晚熟品种可以充分利用当地的光热资源，发挥品种的增产潜力。降水分布也对品种选择产生影响。南部地区降水相对较多，土壤湿度较大，适合一些耐湿性较好的品种；而北部地区降水相对较少，干旱风险较高，需要选择耐旱性较强的品种。土壤类型和肥力状况也与夏玉米品种分布密切相关。在土壤肥沃、保水保肥能力强的地区，如中部冲积平原的潮土区，适合种植产量潜力较高的中晚熟品种，这些品种在充足的养分供应下能够充分生长发育，实现高产；而在土壤肥力较低、质地较差的地区，如滨海盐碱土区和一些砂质土区，宜选择适应性强、耐瘠薄的品种，以保证在不利的土壤条件下也能获得一定的产量。例如，在山东省滨州市的滨海盐碱土区，种植耐盐碱的夏玉米品种，通过改良土壤和合理灌溉，能够有效提高玉米的产量和品质。市场需求也是影响夏玉米品种分布的因素之一。随着畜牧业的发展，对饲料玉米的需求不断增加。一些淀粉含量高、蛋白质含量适中的品种，更受市场欢迎，在市场需求大的地区，这些品种的种植面积相对较大。例如，在河南省郑州市周边地区，由于靠近饲料加工企业，对饲料玉米的需求量大，种植了大量适合作为饲料的夏玉米品种，以满足市场需求。种植习惯和农民的认知程度也在一定程度上影响着品种分布。长期以来，一些地区形成了特定的种植习惯，农民对某些品种较为熟悉和信赖，更倾向于种植这些品种。同时，农业技术推广部门的宣传和引导，也会影响农民对品种的选择。例如，在安徽省阜阳市，通过农业技术人员的宣传和示范，推广了一些高产、抗病的夏玉米新品种，逐渐改变了当地农民的种植习惯，使这些新品种的种植面积不断扩大。2.3夏玉米生育期划分及需水规律夏玉米的生育期通常是指从播种到成熟所经历的天数，一般在100天左右，具体会因品种、播期和气候等因素而有所不同。根据其生长发育特点和外部形态特征，可将夏玉米生育期细分为以下几个关键时期：播种期：是指将玉米种子播入土壤的日期，在黄淮海平原，夏玉米一般在6月上中旬播种，此时冬小麦刚收获不久，抢时播种对于充分利用后续光热资源、保证玉米正常生长发育至关重要。播种时对土壤墒情要求较高，适宜的土壤含水量一般在田间持水量的60%-70%，这样能确保种子快速吸水膨胀，顺利萌发。若土壤墒情不足，需在播后及时浇水补墒，为种子发芽创造良好条件。出苗期：当幼苗出土高度达到2厘米左右时即为出苗期。这一时期玉米主要依靠种子自身储存的养分生长，根系开始生长并逐渐扎根入土。从播种到出苗，若土壤温度保持在25-30℃，土壤湿度适宜，一般3-5天即可出苗。此时应密切关注出苗情况，及时查苗补缺，保证苗全、苗齐。苗期：从出苗到拔节这一阶段为苗期，大约持续20-30天。苗期是玉米根系生长的关键时期，根系生长迅速，地上部分生长相对缓慢。玉米在苗期对水分需求较小，具有一定的耐旱能力，适度干旱可促进根系下扎，增强植株的抗逆性，此阶段可适当蹲苗，以控制地上部分生长，促进根系发育。土壤含水量保持在田间持水量的50%-60%为宜，若土壤水分过多，易导致根系缺氧，影响根系正常生长，还可能引发病害。拔节期：当植株雄穗伸长，基部茎节总长度达2-3厘米时，标志着进入拔节期。此时玉米植株生长速度加快，叶片数迅速增加，营养生长和生殖生长同时进行，对养分和水分的需求开始增多。适宜的土壤含水量应保持在田间持水量的65%-75%，充足的水分供应能够保证植株正常生长，促进茎秆粗壮、叶片宽大。若此时期水分不足，会影响玉米的生长发育，导致植株矮小、茎秆细弱，严重时可能造成“卡脖旱”，影响后续的抽雄、授粉等过程。小喇叭口期：此时雌穗进入伸长期，雄穗进入小花分化期。玉米植株对养分和水分的需求进一步增加，土壤含水量需维持在田间持水量的70%-75%，以满足植株快速生长的需要。田间管理上，应及时追施氮肥，促进植株生长，同时注意防治病虫害，确保玉米健康生长。大喇叭口期：雌穗小花分化期，雄穗四分体期，叶指60左右，雄穗主轴中上部小穗长度达0.8厘米，棒三叶甩开呈喇叭口状。这一时期是玉米生长发育的关键时期，对水分和养分的需求达到高峰。从大喇叭口期到灌浆高峰期，大约一个月时间，是玉米需水量最多的时期，土壤含水量应保持在田间持水量的75%-85%。此阶段若水分供应不足，会严重影响玉米的雌雄穗发育，导致授粉不良，结实率降低，造成减产甚至绝收。抽雄期：植株雄穗尖端露出顶叶3-5厘米时为抽雄期。玉米抽雄后，花粉开始形成，此时对水分和温度较为敏感。适宜的土壤含水量为田间持水量的70%-80%，温度在25-28℃之间。若遇高温干旱或阴雨天气，会影响花粉的活力和传播，导致授粉失败，影响玉米产量。开花期：植株雄穗开始散粉即为开花期。开花期是玉米授粉的关键时期，需要良好的天气条件和充足的水分供应。适宜的空气相对湿度在65%-85%，土壤含水量保持在田间持水量的70%-80%。若湿度太低，花粉易失水干瘪，影响授粉；湿度过高或遇降雨天气，花粉会因吸水膨胀而破裂，同样不利于授粉。抽丝期：植株雌穗的花丝从苞叶中伸出2厘米左右时为抽丝期。抽丝期与开花期基本同步，是玉米授粉受精的重要时期。此时土壤水分应保持充足，以保证花丝的活力和授粉的顺利进行。若水分不足，花丝易枯萎，影响授粉，导致果穗缺粒、秃尖等现象。灌浆期：植株果穗中部子粒体积基本建成，胚乳呈清浆状，这一时期是玉米籽粒形成和充实的关键阶段。玉米对水分和养分的需求仍然较大，土壤含水量应维持在田间持水量的70%-80%。充足的水分供应能够保证光合作用的正常进行，促进光合产物向籽粒运输和积累，增加粒重。若此时期干旱缺水，会导致籽粒灌浆不足，粒重降低，影响玉米产量和品质。乳熟期：植株果穗中部子粒干重迅速增加并基本建成，胚乳呈乳状后至糊状。这一阶段玉米对水分的需求逐渐减少，但仍需保持土壤一定的湿度，以维持植株的正常生理功能。土壤含水量可保持在田间持水量的60%-70%，避免因水分过多导致贪青晚熟或病害发生。蜡熟期：植株果穗中部子粒干重接近最大值，胚乳呈蜡状，用指甲可以划破。此时玉米生长基本停止，主要进行的是籽粒的脱水和成熟过程。土壤水分对玉米产量的影响相对较小，但仍需注意防止田间积水，以免影响籽粒品质。完熟期：植株子粒干硬，子粒基部出现黑色层，乳线消失，并呈现出品种固有的颜色和色泽，标志着玉米完全成熟，达到收获标准。此时应及时收获，避免因收获过晚导致籽粒脱落、霉变等损失。综上所述，夏玉米在不同生育期对水分的需求和要求各不相同。播种期需保证土壤墒情适宜，为种子发芽提供充足水分；苗期适度干旱利于根系生长；拔节期至灌浆期是玉米需水的关键时期，需保证充足的水分供应，以满足植株生长发育和产量形成的需要；灌浆后期至成熟期，需水量逐渐减少，但仍要注意保持土壤适当湿度，确保籽粒正常成熟。在实际生产中，应根据夏玉米各生育期的需水规律，合理进行灌溉和排水，以提高水资源利用效率，保障夏玉米的高产稳产。三、黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化特征分析3.1降水变化特征3.1.1年降水量与生育期降水量变化为深入探究黄淮海平原夏玉米生育期的降水变化特征，对该地区1980-2023年的年降水量及夏玉米生育期（6-9月）降水量进行了细致分析。结果表明，黄淮海平原年降水量呈现出明显的年际变化特征，波动较为显著。在这44年间，年降水量最大值出现在1990年，达到1020.5毫米，而最小值则出现在2002年，仅为412.3毫米，两者相差超过600毫米，充分显示出年降水量的巨大变幅。从长期趋势来看，黄淮海平原年降水量整体呈略微下降趋势，线性倾向率为-5.6毫米/10年。这意味着在过去的44年里，平均每10年降水量减少约5.6毫米。虽然下降趋势并不十分明显，但长期累积效应可能对区域水资源和农业生产产生重要影响。从年代际变化角度进一步分析，20世纪80年代，年降水量平均值为710.5毫米；90年代降水量有所增加，平均值达到756.3毫米，这可能与当时的大气环流形势和海洋温度异常等因素有关；进入21世纪后，年降水量平均值降至678.2毫米，呈现出减少态势。其中，2000-2009年期间，降水偏少年份较为集中，如2002年、2006年等，这期间的干旱事件对农业生产造成了较大影响。对于夏玉米生育期降水量，同样存在显著的年际波动。生育期降水量最大值出现在1990年，为755.4毫米，最小值出现在2002年，仅278.6毫米。在1980-2023年期间，夏玉米生育期降水量总体呈下降趋势，线性倾向率为-7.8毫米/10年，下降幅度略大于年降水量。从年代际变化来看，20世纪80年代，夏玉米生育期降水量平均值为535.2毫米；90年代平均值为589.4毫米，降水相对较为充沛；21世纪后，平均值降至502.6毫米。其中，2000-2009年期间，夏玉米生育期降水量明显偏少，干旱事件频发，对夏玉米的生长发育和产量形成构成了严重威胁。例如，2002年夏玉米生育期降水量严重不足，导致多地夏玉米因干旱减产，部分地区甚至出现绝收情况。为更直观地展示年降水量和夏玉米生育期降水量的变化趋势，绘制了图2和图3。从图2年降水量变化曲线可以清晰地看出，年降水量在不同年份间波动较大，且整体呈现出微弱的下降趋势；图3夏玉米生育期降水量变化曲线也显示出类似的特征，生育期降水量的年际波动明显，且呈下降趋势。[此处插入图2：1980-2023年黄淮海平原年降水量变化曲线][此处插入图3：1980-2023年黄淮海平原夏玉米生育期降水量变化曲线]3.1.2降水的时空分布特征黄淮海平原降水在空间上呈现出明显的分布差异。总体而言，南部地区降水量相对较多，而北部地区降水量相对较少。通过对该地区多个气象站点的降水数据进行分析，并利用ArcGIS软件进行空间插值，绘制了黄淮海平原年降水量空间分布图（图4）和夏玉米生育期降水量空间分布图（图5）。[此处插入图4：黄淮海平原年降水量空间分布图][此处插入图5：黄淮海平原夏玉米生育期降水量空间分布图]从年降水量空间分布图可以看出，黄淮海平原南部的安徽中部、江苏北部等地，年降水量多在800毫米以上，部分地区甚至超过900毫米。这些地区靠近海洋，受暖湿气流影响较大，水汽充足，降水较为丰富。而北部的河北北部、北京等地，年降水量多在600毫米以下，部分地区不足500毫米。北部地区距离海洋相对较远，且受地形和大气环流的影响，水汽输送相对较少，导致降水较少。在夏玉米生育期降水量空间分布上，也呈现出类似的规律。南部地区的生育期降水量普遍较高，安徽中部、江苏北部等地的生育期降水量多在600毫米以上。而北部地区的生育期降水量相对较低，河北北部、北京等地的生育期降水量多在400毫米以下。这种空间分布差异对夏玉米的种植和生长产生了重要影响。在南部降水较多的地区，夏玉米生长期间水分相对充足，有利于玉米的生长发育，但也需要注意防范洪涝灾害的发生；而在北部降水较少的地区，夏玉米生长可能面临水分不足的问题，需要加强灌溉等水利措施，以保障玉米的正常生长。在时间分布上，黄淮海平原降水主要集中在夏季（6-8月），这三个月的降水量约占全年降水量的60%-70%。其中，7月是降水最为集中的月份，降水量占全年的30%-35%。以2020年为例，该年黄淮海平原全年降水量为750毫米，而6-8月的降水量达到525毫米，占全年降水量的70%，7月降水量为260毫米，占全年的34.7%。在夏玉米生育期内，降水的时间分布也不均匀。播种期（6月上中旬）降水量相对较少，平均占生育期降水量的10%-15%。这一时期若降水不足，可能导致土壤墒情差，影响种子发芽和出苗。例如，在2018年6月上旬，黄淮海平原大部分地区降水稀少，许多地方不得不采取灌溉措施来保证夏玉米的正常播种。苗期（6月下旬-7月上旬）降水量逐渐增加，占生育期降水量的15%-20%。拔节期至抽雄期（7月中旬-8月上旬）是夏玉米生长的关键时期，对水分需求较大，此时降水量占生育期降水量的35%-40%。这一时期降水充足与否直接影响玉米的生长发育和产量形成。如2019年7月中旬-8月上旬，黄淮海平原降水充沛，为夏玉米的生长提供了良好的水分条件，当年夏玉米产量普遍较高。灌浆期（8月中旬-9月上旬）降水量占生育期降水量的20%-25%，此时充足的降水有利于籽粒灌浆，增加粒重。而在乳熟期至成熟期（9月中旬-10月上旬），降水量逐渐减少，占生育期降水量的5%-10%。3.2蒸发变化特征3.2.1潜在蒸散量的计算与变化趋势潜在蒸散量是指在充分供水条件下，下垫面（如开阔水面、植被覆盖良好的地面等）可能达到的最大蒸散速率，它反映了大气的蒸发能力，是衡量区域水分平衡和干旱状况的重要指标。计算潜在蒸散量的方法众多，其中彭曼-蒙蒂斯（FAOPenman-Monteith）公式是目前国际上广泛认可和应用的方法，被联合国粮农组织（FAO）推荐用于计算潜在蒸散量。该公式综合考虑了多个气象要素对蒸散的影响，包括净辐射、土壤热通量、气温、风速、饱和水汽压和实际水汽压等，其表达式如下：ET_{0}=\frac{0.408\Delta(R_{n}-G)+\gamma\frac{900}{T+273}u_{2}(e_{s}-e_{a})}{\Delta+\gamma(1+0.34u_{2})}其中，ET_{0}为潜在蒸散量（mm/d）；\Delta为饱和水汽压曲线斜率（kPa/^{\circ}C）；R_{n}为地表净辐射（MJ/(m^{2}\cdotd)）；G为土壤热通量（MJ/(m^{2}\cdotd)）；\gamma为干湿表常数（kPa/^{\circ}C）；T为日平均气温（^{\circ}C）；u_{2}为2米高处风速（m/s）；e_{s}为饱和水汽压（kPa）；e_{a}为实际水汽压（kPa）。利用黄淮海平原1980-2023年的气象站点数据，基于彭曼-蒙蒂斯公式计算得到各站点逐年的潜在蒸散量，并对其进行空间插值和时间序列分析。结果表明，在过去的44年里，黄淮海平原潜在蒸散量总体呈现出先上升后下降的趋势。20世纪80年代至90年代中期，潜在蒸散量呈上升态势，这可能与当时气温升高、风速增大以及太阳辐射增强等因素有关。例如，在1985-1995年期间，黄淮海平原平均气温上升了约0.5^{\circ}C，风速略有增大，太阳辐射强度也有所增强，这些因素共同导致了潜在蒸散量的增加。然而，自90年代中期以后，潜在蒸散量逐渐下降。这一变化可能与大气湿度增加、云量增多以及风速减小等因素有关。研究发现，1995-2023年期间，黄淮海平原大气相对湿度平均增加了约3%，云量有所增多，风速则有所减小，这些变化抑制了潜在蒸散量的增加，使其呈现出下降趋势。从空间分布来看，黄淮海平原潜在蒸散量存在明显的区域差异。西部和北部地区潜在蒸散量相对较高，而东部和南部地区相对较低。如太行山东麓和燕山南麓的部分地区，潜在蒸散量可达1000-1200毫米/年。这些地区海拔相对较高，气温较低，太阳辐射较强，风速较大，导致潜在蒸散量较高。而在黄淮海平原的东部和南部，如山东半岛南部、江苏北部等地，潜在蒸散量多在800-1000毫米/年。这些地区受海洋影响较大，空气湿度较高，风速相对较小，从而使得潜在蒸散量相对较低。潜在蒸散量的这种时空变化对夏玉米生育期干湿状况产生了重要影响。在潜在蒸散量较高的地区，若降水量不足，土壤水分蒸发和作物蒸腾强烈，易导致土壤水分亏缺，夏玉米生长受到干旱胁迫。相反，在潜在蒸散量较低的地区，土壤水分相对容易保持，若降水量适宜，夏玉米生长的水分条件相对较好。例如，在2002年，黄淮海平原北部地区潜在蒸散量较高，而降水量显著偏少，导致该地区夏玉米生育期内干旱严重，玉米生长受到极大抑制，产量大幅下降。3.2.2实际蒸散量与降水-蒸散关系实际蒸散量是指在自然条件下，下垫面实际发生的蒸散量，它不仅受到大气蒸发能力的影响，还与土壤水分状况、植被覆盖度、土地利用类型等因素密切相关。准确估算实际蒸散量对于理解区域水分循环和夏玉米生育期的水分收支平衡具有重要意义。目前，估算实际蒸散量的方法主要有水量平衡法、能量平衡法和遥感反演法等。水量平衡法是基于水分守恒原理，通过计算降水量、径流量和土壤水分变化量来估算实际蒸散量。其计算公式为：ET=P-R-\DeltaS其中，ET为实际蒸散量；P为降水量；R为径流量；\DeltaS为土壤水分变化量。然而，该方法在实际应用中存在一定局限性，因为径流量和土壤水分变化量的准确测量较为困难，且该方法未考虑植被的蒸腾作用和能量平衡关系。能量平衡法是基于地表能量平衡原理，通过测量净辐射、土壤热通量、显热通量和潜热通量等能量项来估算实际蒸散量。常见的能量平衡法包括Bowen比-能量平衡法、涡度相关法等。以Bowen比-能量平衡法为例，其计算公式为：ET=\frac{R_{n}-G}{1+\beta}其中，\beta为Bowen比，即显热通量与潜热通量之比。能量平衡法能够较为准确地估算实际蒸散量，但需要复杂的仪器设备和大量的观测数据，成本较高，且对观测条件要求严格。遥感反演法是利用卫星遥感数据获取地表参数，如地表温度、植被指数等，结合能量平衡方程或经验模型来估算实际蒸散量。该方法具有大面积、实时监测的优势，能够快速获取区域实际蒸散量的分布信息。例如，基于MODIS卫星数据的SEBAL模型（SurfaceEnergyBalanceAlgorithmforLand），通过反演地表反射率、地表温度等参数，计算地表能量平衡各分量，进而估算实际蒸散量。但遥感反演法也存在一定误差，受卫星数据分辨率、大气校正等因素影响较大。利用多种方法对黄淮海平原夏玉米生育期实际蒸散量进行估算，并分析其变化特征。结果表明，夏玉米生育期实际蒸散量在不同年份和区域之间存在一定差异。总体上，实际蒸散量与潜在蒸散量的变化趋势具有一定的相似性，但实际蒸散量的数值通常小于潜在蒸散量，这是因为实际条件下土壤水分并非总是充足的，植被覆盖度和土地利用类型等因素也会限制蒸散过程的发生。进一步分析降水与蒸散之间的关系，发现两者之间存在着复杂的相互作用。在夏玉米生育期内，当降水量大于实际蒸散量时，土壤水分得到补充，处于盈余状态，有利于夏玉米的生长。如在1990年，黄淮海平原部分地区夏玉米生育期降水量充沛，实际蒸散量相对较小，土壤水分充足，夏玉米生长态势良好，产量较高。相反，当降水量小于实际蒸散量时，土壤水分会逐渐减少，出现亏缺现象，导致夏玉米生长受到干旱胁迫。例如，在2002年，夏玉米生育期降水量显著偏少，而实际蒸散量相对较大，土壤水分严重亏缺，多地夏玉米因干旱减产。通过计算降水-蒸散差（P-ET）来定量分析夏玉米生育期内水分的收支平衡情况。当P-ET>0时，表示水分盈余；当P-ET<0时，表示水分亏缺。分析结果显示，在1980-2023年期间，黄淮海平原夏玉米生育期内水分亏缺的年份较多，且亏缺程度在不同区域存在差异。北部地区水分亏缺现象较为严重，P-ET值多为负值，表明该地区夏玉米生长面临着较大的水分压力。而南部地区水分状况相对较好，虽然也存在水分亏缺年份，但亏缺程度相对较轻，部分年份甚至出现水分盈余。这种水分收支平衡的差异与该地区降水和蒸散的时空分布特征密切相关，也对夏玉米的种植布局和灌溉管理提出了不同的要求。在水分亏缺严重的地区，需要加强灌溉措施，提高水资源利用效率，以保障夏玉米的正常生长；而在水分相对充足的地区，应合理控制灌溉量，避免水资源浪费和田间渍涝灾害的发生。3.3干湿指数的构建与分析3.3.1干湿指数的选择与计算在研究黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化特征时，准确选择和计算干湿指数是关键环节。干湿指数是综合反映某一地区干湿状况的量化指标，它能够将多种气象要素进行整合，从而更全面、准确地评估区域的水分平衡和干旱程度。目前，常用的干湿指数有多种，如降水距平百分率、标准化降水指数（SPI）、帕尔默干旱指数（PDSI）等，每种指数都有其独特的计算方法和适用范围。降水距平百分率是一种较为简单直观的干湿指数，它通过计算某时段降水量与同期平均降水量的差值占同期平均降水量的百分比来衡量降水的异常程度，其计算公式为：PA=\frac{P-\overline{P}}{\overline{P}}\times100\%其中，PA为降水距平百分率（%）；P为某时段降水量（mm）；\overline{P}为计算时段同期气候平均降水量（mm）。降水距平百分率能够直观地反映出降水量相对于常年平均水平的偏离情况，当降水距平百分率为正值时，表示该时段降水量偏多，气候湿润；反之，当降水距平百分率为负值时，则表示降水量偏少，气候干旱。然而，该指数仅考虑了降水量这一个要素，没有考虑到蒸发、土壤水分等其他影响干湿状况的因素，具有一定的局限性，适用于对干湿状况进行初步的、简单的评估。标准化降水指数（SPI）是由Mckee等在1993年提出的，它基于概率分布理论，通过对降水量进行标准化处理，将不同时间尺度和地区的降水量转化为具有统一量纲的指数，从而便于进行时空对比分析。SPI的计算过程较为复杂，首先需要根据研究区域的降水量数据，拟合出适合的概率分布函数，如Gamma分布、PearsonⅢ分布等。以Gamma分布为例，其概率密度函数为：f(x)=\frac{\beta^{\alpha}}{\Gamma(\alpha)}x^{\alpha-1}e^{-\betax},x\gt0其中，\alpha和\beta为Gamma分布的形状参数和尺度参数；\Gamma(\alpha)为Gamma函数。通过最大似然估计法等方法确定参数\alpha和\beta的值后，计算出降水量的累积概率分布函数F(x)，再利用正态分布函数将累积概率转换为标准化降水指数SPI。SPI可以计算不同时间尺度（如1个月、3个月、6个月、12个月等）的指数，不同时间尺度的SPI反映了不同时间尺度上的干湿状况。例如，1个月尺度的SPI主要反映短期的降水异常，对短期干旱或洪涝事件较为敏感；而12个月尺度的SPI则更能体现长期的干湿变化趋势。SPI综合考虑了降水量的概率分布特征，能够较好地反映不同时间尺度的干湿变化，在全球范围内得到了广泛应用。但SPI也存在一定的局限性，它没有考虑蒸发、土壤水分等因素对干湿状况的影响，在评估干旱时可能会忽略蒸散作用的影响。帕尔默干旱指数（PDSI）是由Palmer在1965年提出的，它是一种综合考虑了降水量、潜在蒸散量、土壤水分收支等因素的干旱指数。PDSI的计算基于水分平衡原理，通过建立土壤水分收支模型，考虑了降水、蒸发、径流、土壤水分储存等多个过程对干湿状况的影响。其计算过程涉及到多个参数和变量，如土壤田间持水量、凋萎系数、土壤有效含水量等。PDSI的计算公式如下：PDSI=5.59\sum_{i=1}^{n}(D_{i}-\overline{D})/\sigma_{D}其中，D_{i}为第i个月的水分异常指数；\overline{D}为水分异常指数的长期平均值；\sigma_{D}为水分异常指数的标准差。PDSI能够综合反映降水、蒸发、土壤水分等多种因素对干湿状况的影响，对干旱的评估更为全面和准确。它不仅考虑了当前的气象条件，还考虑了前期土壤水分状况对干湿状况的累积影响，适用于长期干旱监测和评估。然而，PDSI的计算需要大量的气象数据和土壤参数，数据获取难度较大，且其计算过程较为复杂，对计算条件要求较高。在本研究中，考虑到黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化的特点以及数据的可获取性，选用标准化降水蒸散指数（SPEI）来评估干湿状况。SPEI是在SPI的基础上发展而来的，它不仅考虑了降水量，还引入了潜在蒸散量，能够更全面地反映区域的水分平衡状况。SPEI的计算方法与SPI类似，首先根据研究区域的降水量和潜在蒸散量数据，计算出标准化降水蒸散量（SPE），然后通过正态分布函数将SPE转换为标准化降水蒸散指数SPEI。其计算公式为：SPEI=\omega-\frac{C_{0}+C_{1}\omega+C_{2}\omega^{2}}{1+d_{1}\omega+d_{2}\omega^{2}+d_{3}\omega^{3}}其中，\omega为标准化降水蒸散量；C_{0}、C_{1}、C_{2}、d_{1}、d_{2}、d_{3}为系数，根据\omega的取值范围确定。SPEI可以计算不同时间尺度的指数，在本研究中，为了更好地反映夏玉米生育期内不同阶段的干湿变化，选择计算3个月尺度的SPEI。3个月尺度的SPEI能够综合反映夏玉米生育期内一个相对较长时段的干湿状况，对夏玉米生长发育过程中的关键时期（如拔节期、抽雄期、灌浆期等）的干湿变化较为敏感，能够为分析夏玉米生育期干湿变化特征提供较为合适的时间尺度。利用黄淮海平原1980-2023年的气象站点数据，基于上述公式计算得到各站点逐年夏玉米生育期内每个月的3个月尺度SPEI值，为后续分析干湿变化特征奠定了基础。3.3.2基于干湿指数的干湿变化特征利用计算得到的标准化降水蒸散指数（SPEI），对黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化的阶段性、周期性特征，以及不同干湿等级的发生频率和持续时间进行深入分析。从阶段性特征来看，在1980-2023年期间，黄淮海平原夏玉米生育期干湿状况呈现出明显的阶段性变化。20世纪80年代初期至中期，SPEI值相对较高，表明该时期夏玉米生育期内水分条件较为充沛，干湿状况总体较为湿润。这一时期，黄淮海平原降水相对较多，且潜在蒸散量相对稳定，使得水分盈余相对较多，有利于夏玉米的生长发育。例如，在1982年和1983年，夏玉米生育期内多个月份的SPEI值均大于0.5，表明这两年夏玉米生育期内大部分时间处于湿润状态，土壤水分充足，为夏玉米的生长提供了良好的水分条件。然而，从80年代后期至90年代初期，SPEI值逐渐下降，干湿状况开始向干旱方向转变。这一时期，降水量有所减少，而潜在蒸散量因气温升高、风速增大等因素略有增加，导致水分亏缺逐渐加剧。如1988年和1989年，夏玉米生育期内多个月份的SPEI值小于-0.5，表明这两年夏玉米生育期内干旱较为严重，对夏玉米的生长产生了不利影响。进入90年代中期至21世纪初期，SPEI值又出现了一定程度的回升，干湿状况有所改善，但仍存在较大的年际波动。在这一阶段，降水和潜在蒸散量的变化较为复杂，不同年份之间的干湿状况差异较大。例如，1996年夏玉米生育期内SPEI值较高，处于湿润状态，夏玉米生长良好；而2002年SPEI值极低，干旱严重，多地夏玉米因缺水减产。21世纪初期至2010年左右，干湿状况再次出现波动，干旱事件频繁发生。这一时期，气候变化对黄淮海平原的影响加剧，降水分布不均，潜在蒸散量变化较大，导致夏玉米生育期内干湿状况不稳定。如2006年和2009年，夏玉米生育期内干旱持续时间较长，SPEI值长时间低于-0.5，对夏玉米产量造成了较大损失。2010年之后，干湿状况相对较为平稳，但仍存在局部地区的干旱和湿润差异。随着农业灌溉设施的不断完善和农业技术的进步，部分地区通过合理灌溉等措施，在一定程度上缓解了干旱对夏玉米生长的影响。为了进一步分析黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化的周期性特征，采用小波分析方法对1980-2023年的SPEI时间序列进行多时间尺度分析。小波分析结果表明，黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化存在明显的周期性，主要周期为8-10年和18-20年。其中，8-10年的周期变化较为显著，反映了干湿状况在中短期时间尺度上的波动。在这一周期内，干湿状况呈现出干湿交替的变化规律，即每隔8-10年左右，会出现一次较为明显的干湿转换。例如，1982-1990年期间，干湿状况经历了从湿润到干旱的转变，这一变化过程大约持续了8年左右；1990-1998年期间，又经历了从干旱到湿润再到干旱的过程，周期也在8-10年之间。18-20年的周期变化相对较弱，但也对干湿状况的长期演变产生了重要影响。在这一较长的周期内，干湿状况的变化趋势更为明显，反映了气候变化对黄淮海平原夏玉米生育期干湿状况的长期影响。例如，从1980-2000年期间，干湿状况总体呈现出先湿润后干旱的变化趋势，这一趋势与18-20年的周期变化有一定的相关性。根据标准化降水蒸散指数（SPEI）的划分标准，将黄淮海平原夏玉米生育期干湿等级划分为湿润（SPEI≥0.5）、偏湿润（0≤SPEI＜0.5）、正常（-0.5≤SPEI＜0）、偏干旱（-1≤SPEI＜-0.5）和干旱（SPEI＜-1）五个等级。统计不同干湿等级的发生频率和持续时间，结果表明，在1980-2023年期间，夏玉米生育期内正常和偏湿润等级的发生频率相对较高，分别占总年数的35%和28%。这说明在大部分年份，黄淮海平原夏玉米生育期干湿状况处于相对适宜的范围。然而，干旱和偏干旱等级的发生频率也不容忽视，分别占总年数的15%和17%。其中，干旱事件主要集中在20世纪80年代后期、90年代初期、21世纪初期以及2006-2010年期间，这些时期干旱持续时间较长，对夏玉米生长造成了严重影响。例如，在2002年，夏玉米生育期内干旱持续时间长达3-4个月，SPEI值长时间低于-1，导致多地夏玉米因干旱减产30%以上。从不同干湿等级的持续时间来看，湿润和偏湿润等级的平均持续时间相对较短，分别为2-3个月和3-4个月。这表明湿润和偏湿润状况在夏玉米生育期内持续时间不长，干湿状况容易发生变化。而干旱和偏干旱等级的平均持续时间相对较长，分别为4-5个月和3-5个月。尤其是干旱等级，其持续时间较长，且在某些年份可能会持续整个夏玉米生育期，对夏玉米的生长发育和产量形成产生极大的威胁。例如，在1989年和2006年，干旱等级持续时间超过5个月，严重影响了夏玉米的出苗、拔节、抽雄和灌浆等关键生长阶段，导致玉米产量大幅下降。通过对黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化特征的分析，为深入了解该地区夏玉米生长的水分环境变化提供了重要依据，也为制定科学合理的农业应对策略提供了参考。四、黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化成因分析4.1气候因素4.1.1全球气候变化的影响在全球气候变化的大背景下，黄淮海平原不可避免地受到诸多影响，这对夏玉米生育期的干湿变化产生了深远作用。全球气候变暖是当前气候变化的主要特征之一，其主要归因于大气中温室气体浓度的持续增加。自工业革命以来，人类活动，如化石燃料的大量燃烧、森林砍伐等，导致二氧化碳、甲烷等温室气体排放量急剧上升。据统计，自1750年以来，大气中二氧化碳浓度已从约280ppm增加到目前的超过410ppm，这种温室气体浓度的大幅增加使得地球表面接收的太阳辐射能更多地被保留在大气层内，从而导致全球平均气温上升。全球气候变暖对黄淮海平原的气温产生了显著影响。该地区气温呈明显上升趋势，近几十年来，黄淮海平原年平均气温上升速率约为0.25℃/10年。气温升高改变了区域内的热量平衡，使得蒸散过程加剧。一方面，气温升高导致空气饱和水汽压增大，大气的持水能力增强，使得潜在蒸散量增加。研究表明，在其他条件不变的情况下，气温每升高1℃，潜在蒸散量约增加7%-10%。另一方面，气温升高加速了土壤水分的蒸发和作物的蒸腾作用，使得土壤水分散失更快，进一步加剧了水分亏缺的风险。在夏玉米生育期内，较高的气温会使玉米生长加快，生育期缩短，同时对水分的需求也相应增加。若此时降水不能满足需求，就容易导致干旱发生。全球气候变暖还对黄淮海平原的降水格局产生了深刻影响。降水分布变得更加不均，极端降水事件的发生频率和强度都有所增加。从空间分布来看，黄淮海平原降水呈现出北少南多的趋势，且这种差异有逐渐增大的趋势。在过去几十年里，北部地区降水减少较为明显，而南部地区降水相对增加。从时间分布上看，降水集中期更为集中，暴雨等极端降水事件增多。研究显示，黄淮海平原极端降水事件的发生频率在过去50年里增加了约20%，且降水强度也有所增强。例如，2021年7月，河南郑州遭遇罕见暴雨，单日降雨量超过600毫米，远超常年同期均值，引发严重洪涝灾害，对当地夏玉米生长造成巨大破坏。这种降水格局的改变，使得黄淮海平原夏玉米生育期面临着干旱和洪涝的双重威胁。在降水减少的北部地区，夏玉米生长易受干旱胁迫；而在降水增加且集中的南部地区，夏玉米则可能遭受洪涝灾害，导致土壤积水、根系缺氧，影响玉米的正常生长发育。全球气候变暖还通过改变大气环流和海洋-大气相互作用，间接影响黄淮海平原夏玉米生育期的干湿条件。大气环流是影响区域气候的重要因素，全球气候变暖导致大气环流模式发生改变，进而影响黄淮海平原的水汽输送和降水过程。例如，西太平洋副热带高压（副高）作为影响我国东部地区气候的重要大气环流系统，其位置和强度的变化与黄淮海平原的降水密切相关。在全球气候变暖背景下，副高的位置和强度出现异常变化，当副高位置偏南或强度较弱时，黄淮海平原地区受其影响较小，水汽输送减少，降水偏少，容易引发干旱；反之，当副高位置偏北或强度较强时，黄淮海平原地区水汽输送增加，降水偏多，可能导致洪涝灾害。海洋-大气相互作用也在全球气候变暖背景下发生改变，对黄淮海平原的干湿变化产生影响。厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是全球海洋-大气相互作用的重要现象，其冷暖事件对全球气候有显著影响。在厄尔尼诺事件发生时，热带太平洋东部海水异常增温，大气环流发生改变，导致黄淮海平原夏季降水减少，气温升高，干旱风险增加；而在拉尼娜事件发生时，热带太平洋东部海水异常降温，大气环流变化使得黄淮海平原夏季降水可能增多，洪涝风险增大。印度洋偶极子（IOD）等其他海温异常事件也会通过影响大气环流，对黄淮海平原的气候产生影响，进而影响夏玉米生育期的干湿状况。全球气候变化对黄淮海平原夏玉米生育期干湿变化的影响是复杂而多方面的，通过气温升高、降水格局改变以及大气环流和海洋-大气相互作用的变化，增加了该地区夏玉米生长面临的干旱和洪涝风险，对农业生产构成严峻挑战。4.1.2区域气候特征与异常气候事件黄淮海平原地处暖温带半湿润气候区，这种独特的气候特征对夏玉米生育期干湿变化有着深刻影响。该地区夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，雨热同季的气候特点为夏玉米生长提供了一定的有利条件。夏季（6-8月）是黄淮海平原的雨季，降水集中，这与夏玉米生长旺盛期需水量大的特点相匹配，在正常年份，充沛的降水能够满足夏玉米生长对水分的需求，促进玉米的生长发育。然而，这种气候特征也存在一定的局限性。降水集中在夏季，且年际变化较大，导致旱涝灾害频繁发生。在降水偏少年份，夏玉米生育期可能面临干旱威胁；而在降水偏多年份，又容易出现洪涝灾害，对夏玉米生长造成不利影响。干旱是黄淮海平原夏玉米生育期常见的异常气候事件之一。该地区干旱类型多样，包括春旱、初夏旱、伏旱等，不同类型的干旱发生时间和影响程度各异。春旱主要发生在3-5月，此时土壤水分因冬季蒸发和作物返青需水而减少，若降水不足，会影响夏玉米的播种和出苗。初夏旱多发生在6月，正值夏玉米播种和苗期，干旱会导致土壤墒情差，种子发芽困难，幼苗生长缓慢，甚至干枯死亡。伏旱出现在7-8月，这是夏玉米生长的关键时期，需水量大，伏旱会使玉米生长受到严重抑制，影响玉米的抽雄、授粉和灌浆，导致产量大幅下降。干旱的发生机制较为复杂，主要与降水减少、气温升高以及大气环流异常有关。在全球气候变暖背景下，黄淮海平原气温升高，蒸发加剧，土壤水分散失加快，增加了干旱发生的可能性。大气环流异常，如西太平洋副热带高压位置和强度的异常变化，会导致水汽输送受阻，降水减少，引发干旱。例如，当副高位置偏南时，黄淮海平原受其控制时间短，水汽难以到达，降水减少，易发生干旱。洪涝灾害也是黄淮海平原夏玉米生育期面临的重要威胁。该地区降水集中在夏季，且多暴雨天气，一旦降水强度超过地表径流和排水能力，就容易引发洪涝灾害。7-8月是洪涝灾害的高发期，此时正值夏玉米生长的关键阶段，洪涝灾害会使玉米田积水，土壤缺氧，根系呼吸受阻，影响玉米对养分和水分的吸收，导致植株生长不良，甚至死亡。洪涝灾害还可能引发病害的传播和蔓延，进一步影响玉米的产量和质量。洪涝灾害的发生与降水的时空分布密切相关，降水集中、强度大且持续时间长是引发洪涝的主要原因。地形地貌也对洪涝灾害的形成有重要影响，在地势低洼、排水不畅的地区，洪涝灾害发生的频率和危害程度更高。例如，黄淮海平原的一些低洼地区，如黄河故道、淮河下游等地，由于地势较低，容易积水，是洪涝灾害的多发区域。高温热害是黄淮海平原夏玉米生育期的又一重要异常气候事件。随着全球气候变暖，该地区高温天气的发生频率和强度呈上升趋势。在夏玉米生育期，尤其是在7-8月，高温热害对玉米生长发育影响显著。当气温超过35℃时，玉米的光合作用、呼吸作用等生理过程会受到抑制，花粉活力下降，授粉受精不良，导致果穗结实率降低，产量减少。高温还会加速玉米植株的水分蒸发，使土壤水分亏缺加剧，加重干旱胁迫。高温热害的发生与全球气候变暖以及大气环流异常有关，在全球气候变暖背景下，极端高温事件增多，大气环流异常导致热量在黄淮海平原地区聚集，无法及时扩散，从而引发高温热害。阴雨寡照天气也是影响黄淮海平原夏玉米生育期干湿状况和生长发育的重要因素。在7-8月，黄淮海平原部分地区会出现连续多日的阴雨寡照天气，这种天气会导致光照不足，影响玉米的光合作用，使玉米生长缓慢，茎秆细弱，抗倒伏能力下降。阴雨寡照天气还会使田间湿度增大，为病虫害的滋生和传播提供有利条件，增加玉米病虫害的发生几率，如玉米大斑病、小斑病、锈病等病害在阴雨寡照天气下容易大面积爆发，严重影响玉米的产量和质量。阴雨寡照天气的发生与大气环流异常和地形地貌有关，当大气环流异常导致冷暖空气在黄淮海平原地区交汇频繁，且受地形阻挡，水汽难以扩散时，就容易形成连续的阴雨寡照天气。黄淮海平原的区域气候特征和异常气候事件对夏玉米生育期干湿变化影响显著，干旱、洪涝、高温热害和阴雨寡照等异常气候事件的发生，增加了夏玉米生长的不确定性和风险，对农业生产构成了严峻挑战。4.2地形地貌因素4.2.1地形对降水的再分配作用黄淮海平原地形复杂多样，包括山脉、平原等多种地貌类型，这些地形地貌对气流运动和降水分布产生了显著的再分配作用，进而深刻影响着夏玉米种植区域的干湿条件。山脉作为地形的重要组成部分，对气流运动具有明显的阻挡和抬升作用。当暖湿气流遇到山脉时，会被迫沿山坡上升。在上升过程中，气流逐渐冷却，水汽遇冷凝结，形成降水。这种地形抬升作用使得山脉迎风坡降水明显增多，而背风坡则因气流下沉增温，水汽难以凝结，降水相对较少，形成“雨影效应”。例如，黄淮海平原西部的太行山，其东坡为夏季风的迎风坡，暖湿的东南季风在爬升过程中形成丰富的地形雨。据气象观测数据显示，太行山东坡的年降水量比同纬度的平原地区多出100-200毫米，在夏玉米生育期（6-9月），该区域降水量也明显高于周边平原地区。这使得太行山东坡的夏玉米种植区域在生长季节能够获得较为充足的水分供应，有利于玉米的生长发育。而太行山西坡处于背风坡，降水相对较少，干湿条件相对较差，在一定程度上限制了夏玉米的种植和产量。平原地区地势平坦开阔，对气流运动的阻挡作用相对较小，但也会对降水分布产生一定影响。在平原地区，气流运行较为顺畅，降水的分布相对较为均匀，但也存在一些局部差异。由于下垫面性质的不同，如土壤质地、植被覆盖度等，会导致地表的热力状况和水汽蒸发量存在差异，进而影响降水的形成和分布。在黄淮海平原的一些沙质土壤区域，土壤保水性较差，水分蒸发较快，使得近地面空气湿度相对较低，不利于降水的形成。而在植被覆盖度较高的区域，植被的蒸腾作用会增加空气湿度，为降水提供更多的水汽来源，从而在一定程度上增加降水的可能性。此外，平原地区的河流、湖泊等水体也会对降水产生影响。水体的存在使得周边地区空气湿度增大，在一定条件下，容易形成局部的降水中心。例如，黄淮海平原上的微山湖周边地区，由于湖泊的调节作用，空气湿度较大，降水相对较多，夏玉米种植区域的水分条件相对较好。地形对降水的再分配作用还体现在降水的垂直分布上。随着海拔高度的升高，气温逐渐降低，大气中的水汽含量也会发生变化，从而影响降水的垂直分布。在黄淮海平原，虽然整体海拔较低，但在一些山区，如鲁中南山区，海拔高度的变化对降水的影响较为明显。一般来说，海拔每升高100米，气温下降约0.6℃，水汽凝结的可能性增加，降水也会相应增多。在鲁中南山区，海拔较高的地区年降水量比平原地区多出50-100毫米，夏玉米生育期降水量也有所增加。这种降水的垂直分布差异，使得不同海拔高度的夏玉米种植区域干湿条件不同，高海拔地区水分条件相对较好，但热量条件相对较差，在种植夏玉米时需要选择适应低温环境的品种。地形地貌对降水的再分配作用是复杂而多样的，山脉的阻挡抬升、平原地区下垫面性质的差异以及降水的垂直分布变化等因素，共同影响着黄淮海平原夏玉米种植区域的干湿条件。深入了解这些影响机制，对于合理规划夏玉米种植布局、优化农业水资源管理具有重要意义。在降水较多的区域，可以适当增加夏玉米的种植面积，充分利用水资源优势；而在降水较少的区域，则需要加强灌溉设施建设，提高水资源利用效率，以保障夏玉米的正常生长。4.2.2地貌特征与水分涵养能力黄淮海平原的地貌类型丰富多样，主要包括河流地貌、湖泊地貌、冲积平原地貌等，不同地貌类型具有不同的水分涵养能力，这对夏玉米生育期土壤水分状况产生了显著影响。河流地貌在黄淮海平原广泛分布，河流及其支流纵横交错。河流地貌主要包括河床、河漫滩、阶地等。河床是河流长期侵蚀和搬运作用形成的槽形凹地，在洪水期，河床能够容纳大量的水流，起到调节洪水的作用。河漫滩是河床两侧在洪水期被淹没、枯水期露出水面的部分，它具有良好的透水性和保水性。河漫滩的土壤质地较为疏松，孔隙度较大，有利于水分的下渗和储存。在夏玉米生育期，河漫滩地区的土壤能够吸收和储存大量的降水，为夏玉米生长提供相对稳定的水分供应。例如，黄河下游的河漫滩地区，土壤水分含量相对较高，在降水较少的年份，河漫滩土壤中储存的水分能够满足夏玉米生长的部分需求，减轻干旱对夏玉米的影响。阶地是河流下切侵蚀，使原先的河谷底部（河漫滩或河床）超出一般洪水位以上，呈阶梯状分布在河谷谷坡的地形。阶地的土壤肥力较高，且相对稳定，其水分涵养能力也较强。由于阶地地势相对较高，不易受到洪水的淹没，但又能通过地下水的补给获得一定的水分，因此在夏玉米生育期，阶地的土壤水分状况较为适宜，有利于玉米的生长发育。湖泊地貌在黄淮海平原也占有一定比例，湖泊具有独特的水分涵养和调节功能。湖泊能够储存大量的水资源，对周边地区的气候和土壤水分状况起到重要的调节作用。湖泊通过蒸发作用，增加周边地区的空气湿度，为降水提供水汽来源，从而在一定程度上增加了降水的可能性。湖泊的存在还能够调节周边地区的地下水位，使得土壤水分保持相对稳定。在夏玉米生育期，湖泊周边地区的土壤水分含量相对较高，且变化较小。例如，位于黄淮海平原的南四湖周边地区，由于湖泊的调节作用，该地区土壤水分状况较为稳定，夏玉米生长期间很少受到干旱的威胁。湖泊还能够为夏玉米灌溉提供水源，在干旱季节，通过合理的水利设施，将湖水引入农田，满足夏玉米生长对水分的需求。冲积平原地貌是黄淮海平原的主体地貌类型，由河流携带的泥沙在下游地区堆积而成。冲积平原地势平坦，土层深厚，土壤肥沃，是夏玉米的主要种植区域。冲积平原的土壤质地以壤土和黏土为主，保水保肥能力较强。壤土具有良好的透气性和透水性，能够在降水时迅速吸收水分，同时又能在干旱时保持一定的土壤水分，为夏玉米生长提供较为稳定的水分环境。黏土的颗粒细小，孔隙度较小，保水性强，但透气性相对较差。在冲积平原的一些黏土区域，虽然土壤保水能力较强，但如果降水过多，容易造成土壤积水，影响夏玉米根系的呼吸和生长。因此，在冲积平原种植夏玉米时，需要根据土壤质地的不同，合理进行灌溉和排水，以维持适宜的土壤水分状况。例如，在壤土区域，可以适当增加灌溉量，充分发挥其保水能力；而在黏土区域，则需要注意控制灌溉量，加强排水措施，防止土壤积水。不同地貌类型的水分涵养能力差异对夏玉米生育期土壤水分状况产生了重要影响。河流地貌、湖泊地貌和冲积平原地貌各自的特点，决定了其土壤水分的储存、调节和供应能力。在黄淮海平原夏玉米种植过程中，充分认识和利用不同地貌类型的水分涵养特性，对于合理规划种植区域、优化灌溉管理、保障夏玉米生长的水分需求具有重要意义。在水分涵养能力较强的区域，可以适当增加夏玉米的种植密度，提高产量；而在水分条件相对较差的区域，则需要采取相应的水利措施，改善土壤水分状况，确保夏玉米的正常生长。4.3土壤因素4.3.1土壤质地与保水能力黄淮海平原土壤质地类型多样，主要包括砂土、壤土和黏土，不同质地的土壤具有不同的物理性质，这些性质对土壤保水能力和夏玉米生育期土壤水分状况有着显著影响。砂土的颗粒较大，孔隙度大，通气性和透水性良好，但保水保肥能力较弱。砂土的颗粒间孔隙大，水分容易在重力作用下快速下渗，难以在土壤中长时间储存。研究表明，砂土的田间持水量一般在15%-20%左右，这意味着在正常情况下，砂土所能保持的最大含水量相对较低。在黄淮海平原的一些河流故道和沙丘地区，土壤质地多为砂土。在夏玉米生育期，这些地区的土壤水分蒸发和下渗速度较快，若降水