四川水稻不同生育阶段的干旱风险评估

陈 超，庞艳梅，徐富贤，郭晓艺

(1．中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都 610072；2．南方丘陵区节水农业研究四川省重点实验室，四川 成都 610066；3.四川省农科院水稻高粱研究所；四川 德阳 618000)

水稻是四川最主要的粮食作物，常年种植面积约200万hm2，占粮食总面积的30%，产量占粮食总产的40%以上。然而，四川水稻种植区地形复杂多样、丘陵山地面积大，气候类型的区域分布错综复杂，自然灾害多，其中干旱灾害尤为严重[1]。气候变化背景下，四川干旱发生频率高，分布范围广，既有明显的区域性又有叠加交错性。1961-2010年干旱影响范围变化大致为春旱呈减少趋势，夏旱变化不显著，伏旱呈增多态势[2]。但是，四川地区水利工程设施有限，几乎每年都会出现水库、池塘干涸、河流水位明显下降、部分河流断流等现象，加之区内降水时空分布与水稻生长季节性不相匹配，造成该区域水稻极易发生季节性干旱。因此，分析四川水稻干旱情况，对水稻干旱开展风险评估有利于提升该区域灾害风险管理和决策水平。

近些年来，国内外学者针对干旱评估开展了大量研究，建立了一系列的干旱指标，主要包括气象指标、土壤墒情指标、作物生理生态指标及其它综合监测指标等。其中较为常用的农业干旱指标有相对湿润度指数、降水量距平百分率、标准化降水指数、作物水分亏缺距平指数等。就西南地区而言，以往常利用相对湿润指数进行干旱监测研究．如王明田等[3]利用相对湿润指数研究了西南季节性干旱的时空变化特征；纪智荣等[4]利用相对湿润指数研究了云南各季节干湿状况的时空变化特征；王婷等[5]利用降雨距平指数与相对湿润指数对比研究了四川水稻的干旱状况；袁淑杰等[6]采用相对湿润度指数分析了四川省水稻不同生育期的干旱等级，评估了水稻的干旱风险。以上研究在采用相对湿润指数作为干旱指标时均未考虑作物的实际蒸散状况，因而不能真实反映单一作物的受旱状况，鉴于此，张建平等[7]改进了相对湿润指数，从西南的气候特点和水稻生产条件出发，提出了湿润指数距平率，分析了西南水稻生育期内的受旱状况，该指数弥补了灌溉资料难以获取的不足。然而，利用湿润指数距平率计算出的干旱状况没有经过实际灾情数据的检验，尤其是干旱等级值的划分是否能反映水稻的实际旱情还需要进一步探究。

综上所述，本研究拟选用湿润指数距平率作为水稻干旱指标，以历史实际灾情数据为检验样本，识别该指数在四川稻区的适用性，对干旱等级进行校正和验证；利用修正后的干旱指标解析四川水稻不同生育期旱灾发生频率的时空格局；构建水稻干旱风险指数模型，完成四川水稻干旱灾害风险评估。

1 资料与方法

1.1 研究区域和数据来源

按照气候相似性、水稻发育阶段基本相同及农业生产水平相近原则，将四川省划分为6个水稻种植区(图1)，包括盆西平原丘陵区、盆中浅丘陵区、盆南丘陵区、盆东平行岭谷区、盆周边缘山地区、川西南地区。

气象资料源于四川省气象探测数据中心，包括1961-2015年四川水稻种植区84个地面气象台站逐日最高气温、最低气温、平均气温、降水量、日照时数、相对湿度和平均风速资料。实际旱情资料来源于《中国气象灾害大典》(四川卷)[8]和中国气象数据网。

1.2 水稻各生育期的划分

四川以种植单季稻为主，本研究通过统计分析农业气象观测站的水稻生长观测资料，并与大田生产调查数据相结合，得到了四川省6个区域单季稻播种、移栽、孕穗、开花和成熟的时间(表1)。本文分析移栽～孕穗期、孕穗～开花期及开花～成熟期的水稻干旱状况[9]。

1.3 湿润指数距平率

相对湿润指数是常年灌溉条件下作物生长的基线值，而湿润指数距平率是偏离多年平均相对湿润指数值的变化程度，表示作物受水分胁迫的程度。本研究以湿润指数距平率(Ma)来表达作物农田水分动态变化情况[7]。计算公式为：

图1 研究区域内气象台站的分布Fig.1 Distribution of weather stations in the study region

(1)

(2)

1.4 作物需水量

作物需水量(ETc)根据作物系数修正参考作物蒸散量的方法获得[10-13]。计算公式为：

ETc=Kc×ET0

(3)

其中，Kc是水稻的作物系数；ET0是参考作物蒸散量(mm)。

ET0采用FAO推荐的Penman-Monteith方法进行计算[10]：

(4)

式中,Rn是水稻表面的净辐射量(MJ·m-2)；γ是湿度计的常数(kPa·℃-1)；T是平均气温(℃)；U2是2 m高处的风速(m·s-1)；es是空气的饱和水汽压(kPa)；ea是空气的实际水汽压(kPa)；Δ是气温和饱和水汽压关系曲线斜率(kPa·℃-1)。

表1 四川水稻各生育时期

作物系数Kc的计算采用FAO的分段单值平均法[14-16]，把水稻发育过程分为初始生长阶段(从播种直到覆盖率为10%，该时期的作物系数Kcini)、迅速发育阶段(从覆盖率达10%直到作物充分覆盖，作物系数由Kcini升至Kcmid)、中期阶段(从完全覆盖直到开始成熟期，作物系数Kcmid)、成熟阶段(从叶片泛黄直到收获，作物系数由Kcmid降至Kcend)。FAO提出的水稻在特定标准下的Kcini、Kcmid和Kcend值分别为1.05、1.20和0.75。四川省大部分区域的情况不能满足特定标准条件，因而本研究使用了王明田等[17]订正后的作物系数值。

1.5 干旱等级的确定

计算四川省1961-2015年84个气象台站水稻移栽～孕穗期、孕穗～开花期及开花～成熟期的湿润指数距平率。综合分析四川稻区旱情资料，在前人研究[7]的基础上校正了四川水稻农业干旱指标的分级，并利用《中国气象灾害大典》(四川卷)和中国气象数据网中的实际旱情资料对典型站点、典型旱灾发生年的计算结果进行验证。通过对比分析确定水稻干旱等级评价指标, 将其分为无旱、轻旱、中旱、重旱4个等级(表2)，对应的干旱强度分别为0、1、2、3。

1.6 干旱频率和干旱强度

利用干旱等级指标，计算水稻各生育期内某一站点的干旱发生频率和干旱强度[18-20]，计算公式为：

(5)

(6)

式中，Fa表示某一站点水稻某个生育阶段的干旱频率；G表示某一站点水稻某个生育阶段发生干旱的总年份；Ta表示某一站点水稻某个生育阶段多年平均干旱强度；E表示某一站点水稻某个生育阶段多年干旱强度之和；N表示某一站点的总年数。

1.7 干旱风险指数

风险指数(A)是考虑风险程度大小的指标，计算方法是将各站点水稻各生育期干旱频率(Fa)与平均干旱强度(Ta)相乘[19]，公式为：

A=Fa×Ta

(7)

2 结果与分析

2.1 干旱评价指标的等级验证

中国气象局行业标准中规定了相对湿润度指数的计算方法和干旱等级，然而该指标的计算是针对全国平均状况而言。张建平等[7]在研究西南地区水稻干旱时空分布特征时提出了湿润指数距平率的干旱评价指标和等级，但未对该指标的等级进行验证。本文为使湿润指数距平率更适用于研究区域，在前人研究的基础上，结合四川稻区历史旱情资料，进一步校正了该农业干旱指标的分级标准(表2)。本文的验证年限为1961-2015年，每一年又分移栽～孕穗期、孕穗～开花期及开花～成熟期3个时段，并按照四川6个水稻种植区来分别验证。通过比较各等级校正前后的变化情况(表3)，可以看到，在各个水稻种植区，利用校正后的湿润指数距平率等级计算出的干旱结果与实际旱情的符合程度均明显提高，这说明经过校正的干旱等级更适用于本文的研究区域，可以作为研究四川地区水稻干旱状况的湿润指数距平率指标等级。

2.2 研究区域水稻干旱的变化趋势

1961-2015年，水稻移栽～孕穗期(图2a)，各研究区域发生轻旱的站均次数总体呈U型的变化趋势，20世纪80年代以前偏多，为0.1～0.3次/站，1981-2000年期间偏少(0.1～0.2次/站)，2000年以后明显增加；盆西平原丘陵区相对较多，其次是盆中、盆南地区。各研究区域发生中旱及以上的站均次数在1971年以前偏多(0.1～0.4次/站)，1971-1990年期间偏少(0.1～0.2次/站)，1990年以后偏多(0.1～0.3次/站)；盆南、盆西相对较多，其次是盆东平行岭谷区(图2b)。

1961-2015年，水稻孕穗～开花期(图2c)，各研究区域发生轻旱的站均次数总体呈不显著的下降趋势；盆中、盆南地区相对较多，其次是川西南地区。各研究区域发生中旱及以上的站均次数在盆中浅丘陵区最多，多年平均为0.39次/站，其次是盆东平行岭谷区(图2d)。

表2 水稻干旱等级评价指标

1961-2015年，水稻开花至成熟期(图2e)，各研究区域发生轻旱的站均次数总体呈U型的变化趋势，1961-1980年偏多(0.1～0.6次/站)，1980年偏少(0.1次/站)，1990年以后增加。盆中、盆东地区相对较多，其次是盆南丘陵区。各研究区域发生中旱及以上的站均次数在1990年以后呈增多趋势；盆东平行岭谷区最多，多年平均为0.11次/站，其它区域均较少(图2f)。

1961-2015年，四川水稻移栽～孕穗期干旱总发生站数整体呈现弱的增多趋势(图3a)，变化率为0.56个站/10a，其中发生最多的年份为1969年(47个站点)，其次是1979和2006年(45个站点)，发生最少的年份为1984年；年代际呈U型的变化趋势，20世纪60年代到80年代干旱发生站数呈下降趋势，20世纪90年代则开始呈现增加趋势，特别是21世纪的前10年达最高值(共251个站次发生旱灾)。近50多年来，轻旱和重旱发生站数呈弱的增多趋势，变化率分别为0.20个站/10a和0.41个站/10a，而中旱基本不变。

1961-2015年，四川水稻孕穗～开花期干旱总发生站数整体呈现弱的减少趋势(图3b)，变化率为-0.49个站/10a，其中发生最多的年份为1994年(60个站点)，其次是1992年(59个站点)，发生最少的年份为1996年、2008年和2009年(9个站点)；1970～1979年干旱发生站数最多(共356个站次发生旱灾)，21世纪的前10年最少。近50多年来，中旱和重旱发生站数呈弱的减少趋势，变化率均为-0.22个站/10a，而轻旱基本不变。

图2 1961-2015年四川水稻各种植区不同生育阶段发生干旱灾害站均次数的年际变化Fig.2 Annual variations of drought times per station at different growth stages in six rice farming regions of Sichuan from 1961 to 2015

1961-2015年，四川水稻开花～成熟期干旱总发生站数整体呈现弱的增加趋势(图3c)，变化率为0.54个站/10a，其中发生最多的年份为1997年(55个站点)，其次是2001年(51个站点)，发生最少的年份为1968年和1983年；年代际呈M型的变化趋势，20世纪70年代干旱发生站数最多(共223个站次发生旱灾)，20世纪80年代最少。近50多年来，轻旱和重旱发生站数均呈弱的增多趋势，变化率均分别为0.23个站/10a和0.55个站/10a，而中旱基本不变。

2.3 水稻不同生育期干旱频率的空间分布

移栽～孕穗期，水稻轻旱发生频率的分布特征为：四川盆地东北部、盆地西南部和川西南的部分地区低于16%，其它区域在16%～40%之间，其中成都、绵阳、眉山、遂宁的部分地区达32%～40%(图4a)。中旱发生频率的分布特征为：盆地中北部、盆地南部在4%～21.8%，其中绵阳北部最高，其它区域大部均在4%以下(图4b)。重旱发生频率的分布特征为：大部区域在0～12%，仅在德阳、资阳和宜宾的部分地区达24%～57.9%(图4c)。

孕穗～开花期，水稻轻旱发生频率的分布特征为：盆地西部、盆地中部和东北部的部分地区在0～18%，其它大部区域在18%～45.5%之间，其中资阳和巴中的个别地区达36%～45.5%(图4d)。中旱发生频率的分布特征为：大部区域在0～18%之间，仅在内江、遂宁和南充的个别地区达24%～32.8%(图4e)。重旱发生频率的分布特征为：大部区域在0～12%之间，仅在盆地中部和东北部的部分地区达36%～60%(图4f)。

图3 1961-2015年四川水稻不同生育阶段干旱灾害发生总站数的年际变化Fig.3 Annual variation of number of stations in drought at different growth stages of rice in Sichuan during 1961-2015

开花～成熟期，水稻轻旱发生频率的分布特征为：从西南向东北递增的趋势，川西南地区和盆地西部在0～16%，盆地中部和南部大多在16%～24%，盆地东北部最高，在24%～38.2%(图4g)。中旱发生频率的分布特征为：大部区域在3%以下，仅在宜宾、泸州、达州和广安的部分地区达6%～18.2%(图4h)。重旱发生频率的分布特征为：大部区域在4%以下，仅宜宾和泸州的部分地区达14%～20%(图4i)。

将图4中四川水稻各生育期3个干旱等级的发生频率相加，得到四川水稻各生育期内发生干旱的频率。图5为四川水稻3个生育阶段发生干旱频率的空间分布图，由图5可知，四川水稻在移栽～孕穗期发生干旱的频率呈现研究区域中部高、西南部和东北部低的分布特征，干旱高发区主要分布在北部的绵阳-南部的宜宾一线，发生频率在36%～58.2%，干旱少发区分布在川西南地区和盆地东北部的部分地区，发生频率在24%以下(图5a)。孕穗～开花期，水稻发生干旱的频率呈由西向东递增的变化趋势，干旱高发区主要分布在盆地北部和东北部，发生频率在36%～61.9%，干旱少发区分布在盆地西部和川西南的西南部，发生频率在24%以下(图5b)。开花～成熟期，水稻发生干旱的频率呈由西向东递增的变化趋势，干旱高发区主要分布在盆地东北部和盆南的部分地区，发生频率在30%～47.3%，干旱少发区分布在盆地西部和北部、川西南的大部地区，发生频率在20%以下(图5c)。

2.4 水稻干旱发生风险的空间分布

利用不同等级干旱灾害的发生频率和发生强度，计算了水稻干旱风险度指数。在此基础上，参考GIS默认的Natural Breaks分类方法，并综合分析《中国气象灾害大典》(四川卷)和中国气象数据网四川稻区的旱情资料，尤其将典型区域、典型旱灾发生年的实际旱情与计算出的风险度指数进行对比，最终确定了四川水稻干旱风险区划等级。按照表4给出的干旱风险区划等级，绘制了1961-2015年四川水稻移栽～孕穗期、孕穗～开花期及开花～成熟期的干旱风险度分布图(图6)。

移栽～孕穗期，较高风险区和高风险区主要集中在德阳、资阳和宜宾等地，其中广汉、简阳、高县和江安等地为高风险区。中风险区主要分布在盆西的成都、盆南大部和川西南的西部。而低风险区主要分布在盆地的北部、东北部和西南部，以及川西南地区的大部(图6a)。

图4 1961-2015年四川水稻不同生育阶段各级干旱发生频率的空间分布Fig.4 Spatial frequency distribution of each drought at different rice growth stages in Sichuan during 1961-2015

图5 1961-2015年四川水稻不同生育阶段干旱频率的空间分布Fig.5 Spatial distribution of drought frequency at different rice growth stages in Sichuan during 1961-2015

图6 四川水稻干旱风险度空间分布Fig.6 Spatial distribution of drought risk index of rice in Sichuan

生育期Growth stage风险等级 Risk grade低风险区Low riskarea中风险区Middle riskarea较高风险区Sub-highrisk area高风险区High riskarea移栽～孕穗期Transplanting-booting≤2020～4040～60≥60孕穗～开花期Booting-flowering≤2020～4040～80≥80开花～成熟期Flowering-maturity≤55～1010～20≥20

孕穗～开花期，较高风险区和高风险区主要集中在盆地中部和东北部，其中绵阳的盐亭、资阳的安岳、遂宁的射洪、南充的仪陇、巴中的通江等地为高风险区。中风险区主要分布在盆地的西南部、盆地中北部的个别地区。而低风险区主要分布在盆地的西部和南部，以及川西南地区的大部(图6b)。

开花～成熟期，高风险区主要集中在泸州、宜宾、达州和广安等地。较高风险区主要集中在盆地东北部和南部。中风险区主要分布在盆地东北部和中部的部分地区。而低风险区主要分布在盆地西部和北部，以及川西南地区的大部(图6c)。

3 结论与讨论

干旱指标是评估干旱发生程度的主要依据，指标的选取关系到评估结果的准确性。本研究选用湿润指数距平率作为四川水稻干旱指标，以历史实际灾情数据为检验样本，对张建平等[7]划分的干旱等级指标进行了修正，经过验证，修正后的干旱等级指标与实际旱情的符合程度更高。另外，考虑到四川水稻种植区域跨度较大的特点，本文按照气候相似性、水稻发育阶段基本相同及农业生产水平相近的原则，将四川省划分为6个水稻种植区，每个种植区内的水稻生育期一致，而不同种植区之间水稻生育期存在差异。本研究在分析四川不同区域水稻不同生育期旱灾发生状况的时空分布特征的基础上，进行了四川水稻不同生育阶段干旱灾害风险评估,以期对四川不同水稻种植区不同生育阶段采取适宜的防旱减灾措施有一定指导意义。

本文的研究表明：移栽～孕穗期，各种植区域1961-2015年水稻发生轻旱的站均次数在1981-2000年期间偏少(0.1～0.2次/站)，其它时段偏多(0.1～0.3次/站)，盆西平丘区旱情相对较多；发生中旱及以上的站均次数在1971-1990年期间偏少(0.1～0.2次/站)，其他时段偏多(0.1～0.4次/站)，盆南、盆西旱情相对较多；近50多年来，干旱总站数呈现弱的增多趋势，年代际呈U型的变化趋势，轻旱和重旱发生站数呈弱的增多趋势，而中旱基本不变。孕穗～开花期，发生轻旱的站均次数总体呈不显著的下降趋势，盆中、盆南旱情相对较多；发生中旱及以上的站均次数在盆中浅丘区最多；近50多年来，干旱总站数整体呈现弱的减少趋势，轻旱、中旱和重旱发生站数均呈弱的减少趋势。开花～成熟期，发生轻旱的站均次数在20世纪80年代以前偏多(0.1～0.6次/站)，20世纪80年代偏少(0.1次/站)，20世纪80年代以后增加，盆中、盆东旱情相对较多；发生中旱及以上的站均次数在1990年以后呈增多趋势，盆东平行岭谷区旱情最多；近50多年来，干旱总站数整体呈现弱的增加趋势，轻旱、中旱和重旱发生站数均呈弱的增多趋势。

移栽～孕穗期，水稻轻旱发生频率在四川盆地东北部和西南部、川西南的部分地区低于16%，其它区域在16%～40%之间；中旱频率在盆地中北部和南部为4%～21.8%，其它大部区域均在4%以下；重旱频率在大部区域低于12%；总体来看，发生干旱的频率呈现中部高、西南部和东北部低的分布特征，干旱高发区主要分布在北部的绵阳-南部的宜宾一线，发生频率在36%～58.2%。孕穗～开花期，水稻轻旱频率在盆地西部、中部和东北部的部分地区低于18%，其它大部区域在18%～45.5%；中旱频率在大部区域低于18%，仅在内江、遂宁和南充的个别地区达24%～32.8%；重旱频率在大部区域低于12%，仅在盆地中部和东北部的部分地区达36%～60%；总体来看，发生干旱的频率呈由西向东递增的变化趋势，干旱高发区主要分布在盆地北部和东北部，发生频率在36%～61.9%。开花～成熟期，水稻轻旱频率呈从西南向东北递增的趋势，川西南和盆地西部低于16%，盆地中部和南部在16%～24%，盆地东北部在24%～38.2%；中旱频率在大部区域低于3%，仅在宜宾、泸州、达州和广安等地达6%～18.2%；重旱频率在大部区域低于4%，仅宜宾和泸州的部分地区达14%～20%；总体来看，发生干旱的频率呈由西向东递增的变化趋势，干旱高发区主要分布在盆地东北部和盆南的部分地区，发生频率在30%～47.3%。

移栽～孕穗期，重度干旱风险以上的区域主要集中在德阳、资阳和宜宾等地，其中广汉、简阳、高县和江安等地为极重干旱风险区；中度风险区在成都、盆南大部和川西南的西部；低风险区在盆地的北部、东北部和西南部，以及川西南地区的大部。孕穗～开花期，重度干旱风险以上的区域主要集中在盆地中部和东北部，其中盐亭、安岳、射洪、仪陇、通江等地为极重干旱风险区；中度风险区在盆地的西南部、盆地中北部的个别地区；低风险区在盆地的西部和南部，以及川西南的大部。开花～成熟期，极重度干旱风险的区域主要集中在泸州、宜宾、达州和广安等地；重度风险区在盆地东北部和南部；中度风险区域在盆地中部的部分地区。低风险区在盆地西部和北部，以及川西南大部。

综上所述，本文的结论与其他学者[3-7,21-22]的研究结果在分布规律上基本保持一致，但在分布范围上存在一定差异，这主要是因为站点和资料长度的选取不同。另外，选取不同的干旱指标对结果的影响也很大。比较发现，不同研究方法各有利弊，气象指标、土壤墒情指标与作物生理生态指标分别从大气干燥程度、土壤供水能力和作物耐旱能力方面反映了作物的缺水程度，并且各类干旱指标都具有一定的时间与空间尺度范围，还不能综合反映不同地区的自然条件、下垫面、作物品种、人类活动等因素影响[23-24]。因此，未来有必要将各种干旱指标进行结合，建立干旱监测的综合模型，以不断提高干旱评估的准确性。