《Agricultural Water Management》：Daily-scale gridded analysis of spatiotemporal characteristics in agricultural drought events across winter wheat growth stages in the Huang–Huai–Hai Plain, China
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本研究针对干旱频发威胁黄淮海平原（HHHP）冬小麦生产的重大问题，首次采用日尺度标准化土壤水分指数（SSMI）系统剖析了1980–2023年间冬小麦全生育期及各生长阶段干旱事件的频率、持续时间和强度等多维特征及其驱动机制。研究发现，研究区干旱呈现“北长南强”的时空异质性，且总体呈减缓趋势，但南北分异明显：北部干旱因降水增加、蒸发减少而缓解，南部则因蒸发增强而加剧。该成果为优化区域农业水资源精准配置和气候适应策略、保障粮食安全提供了关键科学依据。
干旱，这个看似遥远的气候词汇，却是悬在中国“粮仓”头顶的达摩克利斯之剑。位于中国东部的黄淮海平原，生产了全国四分之三的冬小麦，是名副其实的“中原粮仓”。然而，这片土地约40%的农业依赖降雨，而冬小麦生长季的降水量仅能满足其需水量的25%–40%，使得农业生产极易受到干旱胁迫。更令人担忧的是，过去几十年为维持灌溉而过度开采地下水，已导致地下水位下降、含水层枯竭，使得原本就脆弱的灌溉系统在长期干旱面前更加不可靠。那么，这片至关重要的粮食产区，其干旱究竟呈现出怎样的时空“性格”？是频繁但短暂，还是持久而猛烈？在不同的麦苗拔节、抽穗、灌浆等关键生长阶段，干旱的威胁又有何不同？这些问题的答案，对于精准抗旱、保障国家粮食安全至关重要。以往研究多集中于单一干旱强度分析，对频率、持续时间等多维度特征及其在作物不同敏感期的演变规律认识不足。为此，一项发表于《Agricultural Water Management》的研究，首次利用日尺度高分辨率数据，为我们精细描绘了黄淮海平原冬小麦干旱的“全息图谱”。
为了回答上述问题，研究人员开展了一项系统性的分析。他们采用了几个关键技术方法：首先，研究基于GLEAM4（Global Land Evaporation Amsterdam Model Version 4）模型提供的1980–2023年日尺度根区（0–100 cm）土壤水分数据，计算了5天累积的标准化土壤水分指数（Standardized Soil Moisture Index, SSMI）作为农业干旱监测指标。其次，运用游程理论识别干旱事件，并定义了干旱频率、持续时间、强度和累积干旱日等特征。再次，利用多元线性回归模型量化了降水与蒸发对SSMI变化的影响。最后，通过随机森林模型评估了不同生育阶段干旱特征（累积干旱日和平均强度）对冬小麦产量的相对重要性。研究所用气候数据为中国高分辨率格点数据集CN05.1，冬小麦产量数据来自国家生态科学数据中心的4公里分辨率数据集，并统一重采样至0.1°空间分辨率以匹配分析。
研究结果
3.1. 干旱频率、持续时间和强度的时空特征
从1980年到2023年，整个冬小麦生育期内，研究区干旱特征表现出显著的时空异质性。干旱频率在空间上分布不均，高值区（年频次>2次）主要分布在河北西北角、河南南部及安徽、江苏等地，约47.23%的区域干旱频率呈上升趋势。干旱持续时间则呈现出鲜明的“北长南短”格局，以大约34°N为界，北部平均干旱持续88.25天，而南部仅为47.10天。与此相反，干旱强度则是“南强北弱”，南部地区遭受的干旱事件强度更高。时间趋势上，空间平均的干旱频率、持续时间和强度总体均呈下降趋势，表明整个研究区的干旱状况有所缓解。
3.2. 多属性组合的干旱特征空间特征
研究人员进一步分析了累积干旱日（干旱频率与持续时间的乘积）的占比以及干旱持续时间和强度的组合特征。结果显示，在冬小麦的拔节-孕穗期、抽穗-开花期和灌浆-成熟期，累积干旱日占比较高，表明春季和夏初干旱发生概率更大。通过将干旱持续时间和强度各分为四个等级（轻度、中度、重度、极端）并组合，研究发现，在1980–2023年间，具有“长历时-高强度”特征的干旱事件影响范围在减少，而“短历时-低强度”的干旱事件影响范围在增加。随机森林模型分析指出，在冬小麦各生育阶段中，抽穗-开花期的干旱事件对产量影响最大，且干旱强度比累积干旱日对产量的影响更为关键。
3.3. 不同等级干旱事件发生频率的空间分布
根据持续时间和强度划分的干旱等级分析显示，随着干旱等级（从轻度到极端）提高，其发生频率降低。长历时干旱（D4）更频繁地发生在研究区北部，而高强度干旱（I4）则更常见于南部。从变化趋势看，长历时、高强度干旱频率减少的区域多于增加的区域，减少区域主要位于河北中部和山东西北部，而增加区域则集中在河南西部和江苏。
3.4. 气候因子对SSMI的影响
干旱趋势的空间异质性主要受降水和蒸发变化的驱动。研究发现，SSMI对降水呈正敏感，对蒸发呈负敏感，且对降水的敏感性普遍高于蒸发。在1980–2023年间，研究区北部大部分地区降水增加、蒸发减少，共同主导了该地区干旱的缓解；而在南部大部分地区，蒸发增强是导致干旱加剧的主要因素。具体而言，河北北部、山东东部和江苏南部的SSMI变化主要受降水增加的正向主导；而河南中部部分地区因降水减少，对SSMI产生了负向主导影响。
研究结论与意义
本研究系统揭示了黄淮海平原冬小麦干旱的精细时空格局与驱动机制。核心结论是：研究区干旱存在“北长南强”的基本特征，且自1980年以来总体呈减缓趋势，但呈现“北缓南加剧”的空间分异。北部干旱的缓解主要归因于降水增加和蒸发减少，而南部干旱的加剧则主要受蒸发增强驱动。从不同生育阶段看，干旱缓解在拔节-孕穗期、抽穗-开花期和灌浆-成熟期最为明显。研究还特别指出，抽穗-开花期是冬小麦对干旱最敏感的“关键窗口期”，且干旱强度是比干旱持续时间更能导致减产的因素。这意味着，南部地区尽管干旱历时可能较短，但面临的高强度干旱胁迫更为严峻，在水资源管理中应给予更多关注。
这项研究的科学意义在于，它超越了传统单一强度的干旱评估，从多维度、高时间分辨率（日尺度）视角，完整刻画了农业干旱的生命史及其在作物关键生理阶段的动态，为理解气候变化下农业干旱的复杂响应提供了新认知。其现实意义则直接服务于国家粮食安全战略：研究成果能够为黄淮海平原实施差异化的、基于作物生育阶段的精准抗旱与水肥管理策略提供直接的科学依据，例如，在南部地区重点防范高强度、突发性干旱，在抽穗开花等关键期加强水分保障，从而优化区域农业水资源配置，提升冬小麦生产的气候韧性。
