基于SPEI的广西甘蔗生育期干旱时空演变特征分析

陈燕丽，蒙良莉，黄肖寒，莫建飞，冯利平

基于SPEI的广西甘蔗生育期干旱时空演变特征分析

陈燕丽1,2，蒙良莉3，黄肖寒4，莫建飞2，冯利平1※

（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2. 广西壮族自治区气象科学研究所，南宁 530022；3. 南宁师范大学地理科学与规划学院，南宁 530001；4. 广西河池市气象局，河池 547000）

干旱是影响甘蔗生产最严重的农业气象灾害之一，在气候变化背景下，甘蔗生育期干旱时空演变特征对于蔗糖生产的防灾减灾具有重要意义。该文以中国甘蔗主产区广西为研究区，利用1971－2017年气温和降水量数据，采用标准化降水蒸散指数SPEI（standardized precipitation evapotranspiration index）作为干旱指标，在充分验证其对干旱监测适用性的基础上，以甘蔗不同生育期为时间尺度，同时考虑研究区甘蔗播种期差异，分析广西甘蔗不同种植区各等级干旱时空演变特征及规律，结果发现：1）利用SPEI可以较客观的反映甘蔗生育期干旱。SPEI与甘蔗种植区典型干旱事件的时间、强度吻合度较高，甘蔗各生育期及全生育期SPEI与不同深度的土壤湿度多呈显著相关，多数通过了0.01水平的显著性水平检验。2）1971－2017年，甘蔗各个生育期多呈干旱化趋势。其中，分蘖期干旱化趋势最强，苗期次之，茎伸长期干旱化趋势最弱，工艺成熟期呈湿润化的变化趋势。3）甘蔗不同生育期干旱周期变化明显。在10～15 a时间尺度上，多有4～6个干-湿循环，5 a时间尺度下则有更多的干-湿循环交替，相较于分蘖期和工艺成熟期，茎伸长期、苗期周期变化更明显。4）甘蔗各个生育期干旱空间分布特征差异较大。甘蔗工艺成熟期干旱发生频率最高，分蘖期干旱最低，茎伸长期和苗期相当。甘蔗各个生育期均以轻旱为主，重旱和特旱发生频率较低，其中茎伸长期和工艺成熟期中旱频率明显高于其他生育期。对于甘蔗苗期和茎伸长期，桂北地区干旱发生频率高于其他地区，而对于分蘖期和工艺成熟期，桂中地区干旱发生频率较高。

甘蔗；干旱；标准化降水蒸散指数；时空演变；生育期

0 引 言

甘蔗是制糖的重要原料，蔗糖产业是中国南方地区的重要经济支柱产业之一。广西是中国最大的甘蔗生产基地，从2006年开始其蔗糖产量占全国比例均超过60%。干旱是农业生产过程中发生频率最高、影响范围和程度最大的一种自然灾害。尽管广西是中国年降水量最丰富省份之一，但因广西地处东亚季风区域，受季风影响，降水时空分布不均匀，季节性干旱频繁发生。事实上，旱灾已成为影响广西甘蔗生产最频繁、范围最广、损失最严重的自然灾害之一。龙国夏等[1]在20世纪90年代研究中指出，未来部分地区降水量将减少，干旱威胁将加重，在气候变化背景下，甘蔗生育期干旱时空演变特征对于蔗糖生产的防灾减灾具有重要意义。

事实上，农业干旱演变问题已引人关注，现已有较多文献对玉米[2-4]、冬小麦[5-6]、水稻[7-9]等农作物的干旱时空变化特征进行研究且研究时间尺度已细化至作物的各个生育期[9-13]。从2015年开始，相关学者开展了甘蔗生育期干旱时空演变研究。莫建飞等[14]利用1961－2010年降雨量和日降雨量小于5 mm日数构建干旱指标分析了广西甘蔗萌芽分蘖期干旱等级空间分布。陆耀凡等[15]利用1971－2013年逐日降水量资料计算水分盈亏指数，分析广西右江河谷甘蔗生长季干旱时空特征。卢小凤等[16]利用1961－2010年9－10月无雨日数分析了广西甘蔗秋季旱频率、强度的时空变化特征。上述有关甘蔗生育期干旱特征研究采用的指标仅考虑了降水因素，没有考虑气温变化带来的影响。而已有诸多研究证明，在全球气候变化背景下，气温升高已成为加剧干旱过程的重要因子之一[17]。此外，除了萌芽分蘖期外，鲜见针对甘蔗其他生育期干旱特征的研究报道。

标准化降水蒸散指数SPEI综合考虑了气温和降水的共同效应，且其具有多时间尺度的特征，其自2009年提出以来就得到了广泛的关注，已被证明是适用于监测作物[18-23]干旱较为理想的工具。相关学者利用该指数开展了玉米[24-26]、小麦[27-30]等作物的干旱特征研究，但目前鲜见基于该指标甘蔗生育期干旱特征方面的研究报道。尽管目前已有学者利用SPEI开展了中国甘蔗主产省份干旱发生频率、空间分布、周期及变化趋势的研究[31-34]，但由于其分析时间尺度为季度或年，而非甘蔗生育期，在应用于甘蔗生产指导时缺乏针对性。因此，本文以标准化降水蒸散指数作为干旱指标，在充分验证其对甘蔗生育期干旱监测适用性的基础上，以甘蔗不同生育期为时间尺度，同时考虑研究区甘蔗播种期差异，分析广西甘蔗不同种植区各种等级干旱时空演变特征及变化规律，为气候变化背景下甘蔗的科学防旱避灾，提高甘蔗生产应对气候变化的能力提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

广西壮族自治区地处中国南部低纬度地区，位于104°26′～112°04′E，20°54′～26°24′N，南北以贺州——东兰一线为界，此界以北属中亚热带季风气候区，以南属南亚热带季风气候区。全区年平均气温16.5～23.1 ℃，年降水量均在1 070 mm以上，大部分地区为1 500～2 000 mm。全区气候温暖，热量丰富，降雨丰沛，干湿季分明，日照适中，冬少夏多。地貌总体是山地丘陵性盆地地貌，呈盆地状，喀斯特地貌分布广泛。甘蔗种植区主要分布在丘陵盆地和半山区坡地，属于雨养旱作农业。根据农业气候特征和播种期的相似性，将研究区划分为3个甘蔗种植区（图1）：桂南地区、桂中地区、桂北地区。

图1 广西甘蔗种植分区及气象站点分布图

1.2 数据来源

数据来源于广西壮族自治区气象信息中心，包括1971－2017年研究区90个气象站点逐日气温和降水量、14个农业气象观测站甘蔗生长状况观测记录年报表、土壤水分观测资料、广西旱涝监测公报及灾情统计资料。

1.3 甘蔗种植区划定

甘蔗生育期划分成4个阶段：苗期、分蘖期、茎伸长期、成熟收获期。由于气候特征的差异性，广西境内甘蔗播种期具有一定的时差，甘蔗生育期也有较大不同，桂南地区一般在3月上旬开始播种，5月进入分蘖期，11月上旬进入工艺成熟期；桂中地区一般在3月中旬播种，5月中旬开始分蘖，11月中旬进入工艺成熟期；桂北地区，由于受气候条件的限制，甘蔗种植较少，只有零星种植，一般在3月下旬播种，5月下旬开始分蘖，11月下旬才进入工艺成熟期。各个地区甘蔗生长发育时间见表1。

表1 广西各分区甘蔗生育期概况

1.4 方法

1.4.1 干旱指数

标准化降水蒸散指数SPEI是综合考虑降水量和蒸散影响的干旱指数，具有多时间尺度的特征，可以反映不同时间尺度和地区的干旱年际变化，利用月平均均气温和月总降水量数据可以计算SPEI值，其计算步骤参见文献[19]。干旱划分等级参照国际上通用的SPEI指数干旱等级划分标准[28]，划分为5个等级：无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱（表2）。

表2 标准化降水蒸散指数SPEI干旱等级划分

干旱频率表示干旱发生频繁程度，即干旱发生年数与总资料年之比，逐年统计各站点甘蔗全生育期内干旱的级别和次数，得到各站点作物不同干旱等级的发生频率

<

式中为1971—2017年各站点相应干旱等级的总次数，为总年数。

分别统计甘蔗苗期、分蘖期、茎伸长期、成熟收获期不同生育期不同干旱等级的发生频率。广西桂南地区甘蔗苗期主要对应于3－4月，因此其干旱特征以4月份2个月尺度的SPEI表示（4月SPEI-2），分蘖期主要对应于5月，以5月份1个月尺度的SPEI表示（5月SPEI-1），茎伸长期主要对应于6－10月，以10月份5个月尺度的SPEI表示（10月SPEI-5），依次类推。不同甘蔗种植区各个生育期干旱SPEI表征值分为：对于桂南和桂中地区，苗期4月SPEI-2，分蘖期5月SPEI-1，茎伸长期10月SPEI-5，工艺成熟期11月SPEI-1，全生育期11月SPEI-9；对于桂北地区，苗期5月SPEI-2，分蘖期6月SPEI-1，茎伸长期11月SPEI-5，工艺成熟期11月SPEI-1，全生育期11月SPEI-9。

通过统计甘蔗不同生育期干旱等级发生频率并利用GIS软件进行空间推算插值，分析甘蔗各个生育期干旱空间分布特征。

1.4.2 气候倾向率

利用一元线性回归计算甘蔗种植区SPEI气候倾向率[35]，分析甘蔗种植区不同生育期的干旱变化趋势。一元线性回归方程计算公式为

=+(=1,2,3,…,) （2）

式中表示样本量为的SPEI；表示与对应的年序；为回归系数，以的10倍（即10）作为SPEI的气候倾向率。

1.4.3 小波分析

小波分析是一种时频多分辨率分析方法，具有时频局部化功能，可以对函数和信号序列进行多尺度细化分析，以分析不同尺度（周期）随时间的演变情况，其分析方法参见文献[36]。本研究选用非正交的Morlet小波作为基函数对SPEI时间序列进行连续小波变换，分析甘蔗种植区SPEI的各种时间周期强弱和分布情况。

2 结果与分析

2.1 标准化降水蒸散指数SPEI检验

2.1.1 甘蔗种植区典型干旱事件对SPEI指数的核准

农业气象试验站甘蔗典型干旱事件与同期SPEI进行核准（表3），SPEI与干旱事件的时间和强度吻合度较高。例如，在广西旱涝监测公报中记录为“2004年8月1日至12月31日，全区大部比常年同期偏少10%～70%，比常年同期偏少40%，偏少程度居1951年历史同期的第2位。长时间的少雨天气，导致大部地区出现持续干旱”，经查，河池8－12月、隆林10－12月、都安8－12月、沙塘8－12月、百色8－10月、天等9－12月、来宾8－12月、贵港8－12月、扶绥8－11月的SPEI值均达轻旱至重旱等级。又例如，在广西旱涝监测公报中记录为“2009年8月1日至12月31日，全区平均降水量284.2 mm，比常年同期偏少40%，偏少程度居1951年以来同期的第2位，降水持续偏少导致广西出现夏秋冬连旱。据广西防汛抗旱指挥部办公室9月10日统计，广西14个市82个县（市、区）的60.91万hm2受旱，其中轻旱34.8万hm2、重旱23.5万hm2”，经查，河池8－12月、隆林8－12月、都安8－12月、沙塘9－12月、百色8－12月、天等8－12月、平果8－12月、来宾8－12月、贵港8－12月、扶绥8－12月的SPEI值达轻旱至重旱等级。SPEI与灾情资料较相符。

表3 甘蔗种植区典型干旱事件与同期SPEI核准

2.1.2 土壤湿度对SPEI指数的验证

SPEI指数与土壤湿度的相关性分析结果（表4）表明，除了分蘖期与40、50 cm土壤湿度，茎伸长期与50 cm土壤湿度相关性不显著外，甘蔗各生育期、全生育期SPEI与不同深度的土壤湿度相关系数多数通过了显著性检验（＜0.05），但茎伸长期与10、20 cm土壤湿度的显著性（＜0.05）稍弱于30、40 cm（＜0.01）。甘蔗工艺成熟期SPEI与土壤湿度的相关性最明显，相关系数0.40～0.61，茎伸长期两者相关性不明显，相关系数0.14～0.26。对于甘蔗各个生育期，其SPEI与浅层土壤湿度的相关性要高于深层的土壤湿度。

表4 SPEI与土壤湿度相关性

注：**表示通过0.01显著性检验，*表示通过0.05显著性检验。

<

Note:**means pass the significant test of 0.01,*means pass the significant test of 0.05.

2.2 甘蔗各生育期干旱时间变化规律

图2为1971—2017年广西甘蔗各生育期SPEI变化，对于甘蔗苗期，干旱呈波动增强趋势，且桂南地区干旱增强趋势最明显，桂北、桂中、桂南地区SPEI倾向率分别为–0.037/10 a、–0.039/10 a、–0.084/10 a。干旱主要以轻旱为主，仅2015年桂南地区达中旱水平（SPEI<–1.5）。小波分析结果表明，在30 a左右时间尺度上，桂北、桂南地区有较明显的干-湿交替，桂中地区不明显；在10～15 a时间尺度上，3个地区甘蔗苗期干旱周期震荡非常明显，经历了6～7个明显的干-湿循环；5 a时间尺度下周期振荡更频繁，有更多的干-湿循环。桂北地区干旱空间差异性大，桂中、桂南地区干旱空间分布较一致，空间差异性较小。

对于甘蔗分蘖期，干旱呈波动增强趋势，且桂南地区干旱增强趋势最明显，桂北、桂中、桂南地区SPEI倾向率分别为–0.075/10 a、–0.068/10 a、–0.11/10 a。对于桂北和桂中地区，甘蔗分蘖期干旱鲜少发生且旱情较轻，1971－2017年仅发生了4次轻旱，桂中地区3次，而桂南地区发生了11次且旱情较明显。小波分析结果表明，在20 a左右时间尺度上，3个地区均经历了3个明显的干-湿循环；在10 a时间尺度上，分蘖期干旱周期震荡非常明显，经历了6个明显的干-湿循环；5 a时间尺度下周期振荡更频繁，有更多的干-湿循环交替。桂北、桂中地区分蘖期干旱空间差异性大于桂南地区。

对于甘蔗茎伸长期，桂北和桂南地区干旱呈波动增强趋势，SPEI倾向率均为–0.023/10 a、–0.022/10 a，桂中蔗区呈波动减弱趋势，SPEI倾向率为0.033/10 a。桂北、桂南地区甘蔗茎伸长期以轻旱为主，桂中地区以轻旱、中旱为主。小波分析结果表明，在15 a左右时间尺度上，3个地区干旱周期震荡非常明显，经历了4～5个明显的干-湿循环；5 a及以下时间尺度下周期振荡更频繁，有更多的干-湿循环交替。3个区茎伸长期干旱空间差异性均较大。

对于甘蔗成熟期，干旱呈波动减弱趋势，桂北、桂中、桂南地区SPEI倾向率分别为0.046/10 a、0.085/10 a、0.072/10 a。甘蔗工艺成熟期以轻旱为主，，仅桂北地区2009和2011年，桂南地区1980和2003年达到中旱程度。小波分析结果表明，在20 a左右时间尺度上，3个地区干旱周期震荡非常明显，经历了4个明显的干-湿循环；在10 a时间尺度，桂中地区干旱周期明显，经历了6个明显的干-湿循环；5 a及以下时间尺度3个地区下周期振荡更频繁，有更多的干-湿循环交替。桂中地区干旱空间差异性明显大于桂北、桂南地区。

对于甘蔗全生育期，桂北、桂南地区干旱呈波动增强趋势，SPEI倾向率分别为–0.06/10 a、0.07/10 a，桂中地区变化趋势不明显，SPEI倾向率为0。甘蔗全生育期以轻旱为主，桂北地区2007年、2011年；桂中地区1984、1991、2003、2011年；桂南地区1989、1992年达中旱水平。小波分析结果表明，桂北地区在25 a左右时间尺度，桂中、桂南地区在15 a左右时间尺度干旱周期震荡非常明显，5 a及以下时间尺度3个地区下周期振荡更频繁，有更多的干-湿循环交替。桂中地区干旱空间差异性明显大于桂北、桂南地区（图2、图3）。

图2 1971—2017年广西甘蔗各生育期SPEI变化

a. 苗期

a.Seeding satage

b. 分蘖期

b. Tillering stage

c. 茎伸长期

c. Stem elongation stage

d. 工艺成熟期

综上，1971－2017年，大部分站点SPEI气候倾向率均为负值，表明近50年来甘蔗多数生育期均呈现干旱化趋势。从各生育期干旱变化趋势的差异可以看出，分蘖期干旱化趋势最强，苗期次之，茎伸长期干旱化趋势最弱，对这些生育期干旱化趋势贡献最大的是桂南地区。工艺成熟期无干旱化趋势，而是呈湿润化的变化趋势。全生育期干旱变化趋势在桂北、中、南差异较大，说明尽管分蘖期和苗期干旱化变化趋势明显，但由于这两个生育期持续时间较短（约3个月），而茎伸长期持续时间长（约5个月）干旱化趋势很弱，工艺成熟期（约1个月）呈湿润化趋势，所以全生育期干旱化趋势不显著。广西甘蔗生育期干旱在15～30 a尺度上存在较明显的年代际周期变化，干-湿循环交替明显，同时存在5 a的短周期，但各个生育期周期差异较大。相较于分蘖期和工艺成熟期，茎伸长期、苗期周期变化更明显。

2.3 甘蔗各生育期干旱空间分布特征

1971－2017年，甘蔗苗期干旱（所有等级）频率在2%～94%之间（均值47%），轻旱频率在2%～–66%之间（均值34%），中旱频率小于34%（均值9%），重旱频率小于26%（均值3%），特旱频率小于11%（均值1%）。桂西部干旱频率较高，且由西向东呈逐渐递减趋势，苗期干旱频发区主要集中在百色、崇左、北海、钦州、东兴和防城港市。总的来说，广西甘蔗苗期干旱约两年一遇，多数地区以轻旱为主，桂西、桂西南地区以轻旱、中旱为主，除桂西地区偶有重旱发生外，其他地区重旱、特旱鲜少发生。3个蔗区苗期干旱发生频率由大到小排序为：桂北地区>桂南地区>桂中地区。

甘蔗分蘖期干旱（所有等级）频率在0～74%之间（均值23%），轻旱频率小于40%（均值17%），中旱频率小于13%（均值4%），重旱频率小于15%（均值2%），特旱频率小于17%（均值1%）。干旱程度由西南向东北方向逐渐递减，但在桂林地区，靠近西北部呈递增趋势（图4）。干旱频率较高的地区主要集中在北海，钦州，防城港，东兴和崇左以南一带。总体来说，广西甘蔗分蘖期干旱发生频率较低，约四至五年一遇，全区以轻旱为主，中旱、重旱和特旱鲜少发生。3个蔗区分蘖期干旱发生频率由大到小排序为：桂南地区>桂中地区>桂北地区。

甘蔗茎伸长期干旱（所有等级）频率在0～94%之间，轻旱频率小于51%，中旱频率小于36%，重旱频率小于28%（均值8%），特旱频率小于9%（均值2%）。干旱呈东北向西南逐渐递减趋势，干旱频率较高的地区主要集中桂林，贺州，梧州，柳州，贵港和桂平市。总体来说，广西甘蔗茎伸长期干旱约两年一遇，多数地以轻旱为主，桂中偏桂东北地区以轻旱、中旱为主，该地区重旱也时有发生。3个蔗区干旱发生频率由大到小排序为：桂北地区>桂中地区>桂南地区。

甘蔗工艺成熟期干旱（所有等级）频率在51%～87%之间，轻旱频率30%~72%之间，中旱频率小于43%，重旱频率小于4%；无特旱发生。干旱由中部向桂东南、桂西北呈增加趋势。茎伸长期干旱频发区主要集中在玉林、钦州、防城港、贵港市东部。总体来说，广西工艺成熟期干旱发生频率较高，约一至两年一遇，大部分地区以轻旱为主，桂南、桂西北地区以轻旱、中旱为主，重、特旱发生频率很低。3个蔗区干旱发生频率由大到小排序为：桂南地区>桂北地区>桂中地区。

甘蔗全生育期干旱（所有等级）频率在22%～66%之间，轻旱频率小于42%，中旱频率小于21%，重旱频率小于15%，特旱频率小于6%。干旱呈桂中向南、北方向递减趋势，向桂东呈递增趋势。干旱频率较高的地区主要集中在桂林东部，贺州北部，来宾，南宁北部。总体来说，广西甘蔗全生育期干旱以轻旱为主，桂西南、桂东部分地区以轻旱、中旱为主，重、特旱发生频率很低。3个蔗区干旱发生频率由大到小排序为：桂中地区>桂北地区>桂南地区。

图4 1971—2017年广西甘蔗各生育期干旱频率空间分布

综上，甘蔗苗期、分蘖期、茎伸长期和工艺成熟期干旱均以轻旱为主，中旱次之，重旱和特旱发生频率较低，其中茎伸长期和工艺成熟期中旱频率明显高于其他生育期。工艺成熟期干旱发生频率最高，茎伸长期和苗期相当，分蘖期干旱发生频率最低，其中甘蔗苗期和茎伸长期桂北地区干旱发生频率高于其他地区，而分蘖期和工艺成熟期桂中地区干旱发生频率较高。广西汛期通常为4－9月，该时期的降水占全年降水量的70%～90%。分蘖期（5月）广西已进入前汛期，降水增多，因此该生育期干旱发生频率较低；甘蔗工艺成熟期（11月）广西汛期已结束，降水急剧减少，因此该时期干旱发生频率较高；而对于茎伸长期（6－10月），尽管该时期几乎跨越了整个汛期，但汛期结束后的10月份由于降水急剧减少，正是广西秋旱的频发和高发时期；苗期（3－4月）情况与茎伸长期相似，3月份广西未进入汛期，降水不足容易导致干旱，因此苗期（干旱发生频率47%）与茎伸长期（干旱发生频率50%）干旱发生频率相近。

3 讨 论

已有的文献报道中用于甘蔗生育期干旱时空演变特征研究的干旱指数主要有降雨量、水分盈亏指数和无雨日数，本研究选用的标准化降水蒸散指数，所得的研究结论与以往研究有一定的差异。例如莫建飞等[14]利用年降雨量和日降雨量小雨5 mm日数分析广西甘蔗萌芽分蘖期（1－5月）干旱空间分布特征，表明该期间甘蔗轻旱、中旱、重旱均由西南向东北呈明显增强趋势，重旱趋势则相反，卢小凤等[16]利用9－10月无雨日数分析广西甘蔗秋旱时空演变，发现大部分地区干旱频率呈增加趋势，与本文研究研究结论不一致。这可能与选用的干旱指标不同有关，已有研究中选用的指标仅考虑了降雨量对干旱的贡献，而标准化降水蒸散指数则综合考虑了降水量和温度两个因子。此外，这可能与分析时段差异有关，本研究以生育期为界限分析不同时期甘蔗种植区干旱时空变化特征，苗期为3－4月，分蘖期为5月，茎伸长期6－10月，工艺成熟期11月，与已有研究中分析的甘蔗生育期干旱时段仅有部分重合。本研究发现1971－2017年桂南地区甘蔗全生育干旱总体呈增强趋势，这一研究结论与陆耀凡[15]对1971－2013年右江河谷甘蔗生长季干旱变化趋势分析结果一致，说明在选用的数据资料序列和时段相近的情况下，甘蔗生育期干旱变化趋势分析结果是相似的。

已有研究指出[24]，广西地区春旱（对应于甘蔗苗期、分蘖期干旱）关键是受到每年的10月至次年5月南岭以北和长江以南地区之间通常出现的大雨带的影响。桂北地区以山地为主，地形地貌较复杂，雨带对该地区影响差异较大，这可能是苗期、分蘖期，桂北地区干旱空间差异性较大的原因。广西地区每年5－11月多有台风入侵，登陆后台风减弱，对桂北地区影响较小，桂南地区则普遍受影响，但由于热带气旋入侵频率、强度不稳定，对桂中地区的影响年际、空间差异显著，因而在工艺成熟期和全生育期，桂中地区干旱空间差异性较大。此外，大陆副热带高压、秋季增温幅度、西太平洋和南海的水汽输送强弱均影响广西干旱形成，加之广西由南至北地形地貌复杂多样，多种因素共同影响下，导致不同甘蔗种植区在各个生育期SPEI干旱发生频率差异及变化趋势差异。

目前用于干旱监测的指数很多，但由于干旱成因复杂，导致干旱形成的降水、气温等气象要素时空差异性较大，干旱指数的适用范围都有一定的地域性，选择合理的干旱监测指数是分析区域干旱时空变化特征的基础。相关研究表明，气候变暖背景下，气温升高是干旱加剧的重要影响因子[13]，杨罗嫚等[32]指出，降雨量的大小和温度的高低影响着广西地区的干旱过程。张景扬等[37]研究也发现SPEI对广西干旱事件具有较好的响应。本研究中发现SPEI与广西甘蔗种植区干旱事件的时间、强度吻合度较高，且与各生育期及全生育期不同深度土壤湿度相关性显著，验证了SPEI反映广西甘蔗生育期干旱的客观性，这也是目前采用SPEI进行作物种植区干旱评估适应性评价的主流方法[24-30]。在进一步的研究中，可深入分析土壤湿度资料与SPEI指标的对比分析，但由于广西现存的长时间序列土壤湿度资料的14个站点分布稀疏，且部分站点数据序列不全（缺测、漏测、部分站点仅在关键农时测定），如利用其分析甘蔗种植区干旱时空演变特征的话，空间差值误差较大，而本研究中SPEI指标分析利用了1971－2017年全区90个气象站长时间序列连续资料，两者之间的对比分析难以在时空上匹配。近年来，土壤湿度已逐步实现了自动观测，随着观测站点的增加，观测密度的增大，在进一步的研究中，可利用自动站连续观测长时间序列数据与SPEI指标进行时空对比分析，深入讨论SPEI对蔗区干旱监测的适用性。

4 结 论

1）标准化降水蒸散指数SPEI与甘蔗种植区典型干旱事件的时间、强度吻合度较高，甘蔗各生育期及全生育期SPEI与10～50 cm土壤湿度显著相关，多数通过了显著性检验，利用SPEI可以较客观的反映甘蔗生育期干旱。

2）1971－2017年，甘蔗各个生育期呈现干旱化趋势，其中分蘖期干旱化趋势最强，苗期次之，茎伸长期干旱化趋势最弱，工艺成熟期呈湿润化的变化趋势。在10～15 a时间尺度上，甘蔗不同生育期干旱周期变化明显，多有4～6个湿-干循环，5 a时间尺度下则有更多的湿-干循环交替。各个生育期周期差异较大，相较于分蘖期和工艺成熟期，茎伸长期、苗期周期变化更明显。

3）从甘蔗苗期至工艺成熟期，广西甘蔗种植区干旱空间分布特征及变化规律差异较大。甘蔗工艺成熟期干旱发生频率最高，茎伸长期和苗期相当，分蘖期干旱最低。甘蔗各个生育期均以轻旱为主，重旱和特旱发生频率较低，其中茎伸长期和工艺成熟期中旱频率明显高于其他生育期。对于甘蔗苗期和茎伸长期，桂北地区干旱发生频率高于其他地区，而对于分蘖期和工艺成熟期，桂中地区干旱发生频率较高。

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Spatial and temporal evolution characteristics of drought in Guangxi during sugarcane growth period based on SPEI

Chen Yanli1,2, Meng Liangli3, Huang Xiaohan4, Mo Jianfei2, Feng Liping1※

(1.,,100193,; 2.,530022,; 3.,530001; 4.,547000,)

China is the third largest sugar producer in the world, and sugar industry is the most important economic pillar industries in south China. Drought is one of the most serious agro-meteorological disasters affecting sugarcane production. Under the background of climate change, to analyze the temporal and spatial evolution characteristics of drought in sugarcane planting area is of great significance for disaster prevention and improving the ability of sugarcane production to cope with climate change. In this paper, Guangxi Zhuang Autonomous Region which is located in 104°26′-112°04′E，20°54′-26°24′N was taken as the research area. Temperature and precipitation data from 1971 to 2017 and the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) were used to analyze the drought characteristics. Firstly, historical typical drought events and measured soil relative humidity were used to verify the applicability of SPEI to sugarcane drought monitoring. Then, taking the sugarcane growth stages including seedling stage, tillering stage, stem elongation stage, maturity stage and whole growth stage as time scale, and considering the difference of sugarcane sowing time, the spatial and temporal evolution characteristics and variation rules of light drought, medium drought, severe drought and extreme drought in different sugarcane planting areas in Guangxi were analyzed by climate trend rate, wavelet analysis and GIS spatial technology. The results showed that the occurrence time and intensity of typical drought events during 2003 to 2011 in sugarcane planting area were good fit with SPEI, and the correlation between soil moisture of 0cm to 50cm depths and SPEI were good in each sugarcane growth period and the whole growth period and most of them passed the significance level test, all this indicates that SPEI could reflect drought objectively. The climate trend rate analysis showed that,from 1971 to 2017, the drought trend of sugarcane was the strongest at the tilling stage, the second at the seedling stage, the weakest at the stem elongation stage, while the mature stage showed a wet trend. The wavelet analysis results showed that, for the time scale of 10 to15 a, there were about 4 to 6 dry-wet cycles in each sugarcane growth stages, and for the time scale of 0 to 5 a, dry-wet cycles alternation were more obvious. There were great differences in each growth period, and the change of stem elongation and seedling stage were more obvious than those of tilling stage and technological maturity stage. From the seedling stage to the maturity stage, the spatial distribution characteristics and variation rules of drought in the sugarcane growing areas in Guangxi were of great difference. Generally speaking, drought frequency is highest in maturity stage and lowest in tillering stage and similar in stem elongation and seedling stage. Frequency of light drought was high for all sugarcane growth stage and relative low for medium drought, severe drought and extreme drought, furthermore, frequency of middle drought was obviously higher in stem elongation stage and maturity stage than other growth stages. For sugarcane seedling stage and stem elongation stage, drought frequency was higher in northern Guangxi than other areas, while for tillering stage and maturity stage, drought frequency was higher in central Guangxi.

sugarcane; drought; standardized precipitation evapotranspiration; spatial and temporal variation; growth period

2019-02-20

2019-06-02

广西科技基金项目（2018GXNSFAA281338）、国家重点基础研究发展计划（973计划）（2013CB430205）、干旱气象科学研究基金项目（IAM201707）共同资助

陈燕丽，高级工程师，博士生，主要从事农业、生态遥感应用研究。Email：cyl0505@sina.com

冯利平，教授，博士生导师，主要从事作物系统模拟、资源与气候变化研究。Email：fenglp@cau.edu.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.019

P49

A

1002-6819(2019)-14-0149-10

陈燕丽，蒙良莉，黄肖寒，莫建飞，冯利平. 基于SPEI的广西甘蔗生育期干旱时空演变特征分析[J]. 农业工程学报，2019，35(14)：149－158. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.019 http://www.tcsae.org

Chen Yanli, Meng Liangli, Huang Xiaohan, Mo Jianfei, Feng Liping. Spatial and temporal evolution characteristics of drought in Guangxi during sugarcane growth period based on SPEI[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 149－158. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.019 http://www.tcsae.org