1960-2015年西南水稻干旱的空间分布和时间演变特征

曾晓珊，冯利平，高嘉辰，余卫东，伍 露，王春雷 ，闫锦涛，李亦卓

(1.贵州省山地环境气候研究所，贵阳 550002；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；3.河南省气象科学研究所，郑州 450003)

引 言

随着全球气候的持续变暖[1-2]，受气温上升、降水减少影响[3]，西南地区的干旱范围、程度、频次均呈增加趋势[4-5]，气候暖干化趋势明显。近年来西南地区发生了多次异常干旱事件，如2006年夏季川渝地区特大干旱，2009年秋至2010年春的西南大旱，2012年云南、四川春旱，2013年贵州、重庆夏季高温干旱等，对西南地区粮食安全造成极大威胁。据统计，西南四省旱灾导致的农作物受灾、成灾面积占所有类型的农业自然灾害的40%～70%[6]。目前，国内学者分别采用标准化降水蒸散指数[7]、地表湿润指数[8]、相对湿润度指数[9]等从年、季、月尺度对西南干旱开展了大量的研究。其中，相对湿润度指数考虑了降水量和蒸散量这两个参数，更能表现土壤水分的收支平衡，适用于区域内整体干旱情况。在评估干旱时，选取合理的干旱指数尤为重要[10]。近年来大多数研究表明，相对湿润度指数在西南干旱中具有较好的适用性[9-13]。而冯建设[14]、张建平[15]等的研究结果表明，相对湿润度指数在农业干旱中也具有较好的适用性。故本文采用相对湿润指数，研究西南水稻干旱特征。水稻是西南地区的主要粮食作物，干旱频发严重影响水稻的正常生产，导致部分地区大幅减产或绝收[16]。为保证水稻的安全生产，深入研究西南地区水稻生长季的干旱特征显得尤为迫切。

目前，大多数研究主要从季节、全生育期、各发育期来分析水稻干旱[17-19]，很少从需水关键期的角度来分析。作物的需水关键期是对水分最敏感的时期，该时期发生干旱对产量的影响最大。因此，研究作物需水关键期的干旱特征显得尤为重要。水稻的需水关键期是孕穗期和抽穗开花期。为了探讨西南地区水稻需水关键期的干旱特征，本研究按照出苗-穗始分化、穗始分化-开花、开花-成熟3个生育阶段来划分水稻生育期，利用相对湿润度指数分析西南地区水稻的干旱演变特征和空间分布规律，为西南中稻区抗旱避灾提供理论依据。

1 研究区域概况和研究方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于中国西南地区，包括四川省、云南省、贵州省和重庆市。该区域地形复杂，属亚热带季风气候区，年平均降水量空间差异大，大部地区为900～1300 mm[20]。该区域水稻在山间盆地、山原坝地、梯田、垄脊等都有分布，立体农业特点显著[21]。根据该区域地形特点、农业气候特征，参考梅方权等[22]的研究结果，并结合《水稻高产创建技术规范模式图》[23]，将研究区域内水稻种植区划分为5个子区域(以县级为划分单元)，水稻种植区及站点分布情况见图1。其中，Ⅰ区为重庆市，Ⅱ区包括贵州中东部地区，Ⅲ区包括四川盆地，Ⅳ包括云南中北部、四川南部和贵州西部地区，Ⅴ区包括云南中南部地区。此外，因四川省西北部水稻种植面积很小，故本研究不考虑该区域。

图1 西南地区水稻种植区及气象站点分布

气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网，包括四川、重庆、贵州、云南4省(市)共66个气象站点1960—2015年的逐日气象资料。主要气象要素包括日照时数(h)、平均气温(℃)、日最高气温(℃)、日最低气温(℃)、降水量(mm)、平均风速(m/s)、空气相对湿度(%)和水汽压(hPa)。水稻生育期资料来自国家气象信息中心。为了便于分析水稻需水关键期及其他生育阶段的干旱特征，本文将水稻生育期划分为出苗-穗始分化、穗始分化-开花(需水关键期)、开花-成熟3个阶段，西南地区各水稻种植区生育期划分见表1。

表1 西南地区水稻种植区生育期划分

1.2 研究指标与计算方法

1.2.1 相对湿润度指数计算方法及干旱等级划分

计算水稻生长季和不同生育期阶段的相对湿润度指数(M)的公式为

(1)

式中，M为相对湿润度指数，P为水稻某生育阶段的降水量(mm)，ETc为水稻某生育阶段的实际蒸散量(mm)。稻田蒸发不受水分条件限制，可以看作水面蒸发，实际蒸散量即为潜在蒸散量。ETc采用联合国粮农组织(FAO)推荐的公式计算：

ETc=Kc×ET0

(2)

式中，Kc为作物系数，ET0为参考作物蒸散量(mm/d)。本研究采用FAO推荐的Kc值确定各生育阶段的作物系数:生育前期的作物系数(Kc-ini)为1.05，生育中期的作物系数(Kc-mid)为1.20，生育后期的作物系数(Kc-end)为0.90。ET0的计算采用FAO推荐Penman-Monteith公式计算。假定参考作物的高度为0.12 m，作物冠层阻力为常数并取值70 s/m，地表反射率取值0.23，则ET0可由下式计算：

(3)

式中，Rn为到达作物表面的净辐射(MJ/m2·d)，G为土壤热通量密度(MJ/m2·d)，T为作物冠层2 m高处的空气温度(℃),U2为2 m高处的风速(m/s),ed为饱和水汽压(kPa),ea为实际水汽压(kPa),Δ为饱和水汽压与温度关系曲线斜率(kPa/℃),γ为干湿常数。其中,Rn、G、Δ、U2可通过气象台站观测资料计算得到。

采用王明田等修正的相对湿润度指数干旱等级进行划分[9]，相对湿润度指数<-0.3记为1次干旱过程，干旱等级和类型见表2。

表2 基于相对湿润度指数的干旱等级划分

1.2.2 水稻干旱强度的计算方法

干旱强度(H)用来评价干旱严重程度。某时段内的干旱强度一般可直接由相对湿润度指数反映，数值越小，表示干旱越严重。当M>0时，该区域或站点的指数值按0处理，相对湿润度指数的多年平均值表示该站平均干旱强度，即

(4)

式中，n为统计总年数，Mi为各年的相对湿润度指数。

1.2.3 水稻干旱发生频率的计算方法

根据干旱等级，计算水稻生长季和不同生育阶段干旱的发生频率(F)：

(5)

式中，n为该生育阶段出现某一等级干旱的年数，N为统计总年数。

1.2.4 空间分布图制作方法

采用ArcGIS 10.4软件的反距离权重插值方法(IDW),对数据进行空间插值，设定cell size的参数均为0.05，生成空间栅格数据，绘制相应的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 干旱指数的适用性

利用相对湿润度指数监测2006年川渝地区水稻穂始分化至开花阶段(7月上旬至8月中旬)的旱情(图2)。由图2可以看出，2006年水稻受旱区域主要分布于川东和重庆大部地区，干旱强度高值区位于川东和重庆中西部地区。从受旱分布区域来看，本文的结果与邹旭凯[24]、张文江[25]、王素艳[26]等的研究结论基本一致。

图2 2006年西南地区水稻穂始分化至开花阶段的干旱分布

2.2 水稻干旱强度分布特征

根据干旱强度的计算方法，以多年平均相对湿润度指数的空间分布来反映干旱强度的空间分布(图3)。由图3可以看出，在水稻出苗—穗始分化阶段，干旱主要发生在西南稻区的西南部，水稻需水关键期和开花-成熟阶段干旱主要发生在西南稻区的东北部。相对湿润度指数值越小，表示干旱强度越强。出苗-穗始分化阶段的干旱强度明显强于后两个生育阶段的强度，而水稻需水关键期的干旱强度是最弱的。此外，在云南北部的金沙江河谷和中南部的元江河谷地区，水稻整个生长季降雨量少，蒸散量大，干旱强度较强。

在出苗-穗始分化阶段干旱主要发生在云南大部、川南边缘和川北边缘地区，相对湿润度指数小于-0.16；云南中北部及蒙自等地的相对湿润度指数为-0.76～-0.25，干旱强度偏强，特别是金沙江河谷地区，相对湿润度指数在-0.62以下，干旱强度最强(图3a)。在水稻需水关键期和开花-成熟阶段，干旱主要发生在重庆、贵州大部、四川东北部及金沙江和元江河谷地区，相对湿润度指数小于-0.15(图3b、c)。在水稻需水关键期，重庆中南部及东北部、贵州北部及东南部边缘、四川东部边缘、金沙江和元江河谷的干旱强度偏强，相对湿润度指数为-0.32～-0.22(图3b)；在开花-成熟阶段，重庆大部、贵州东北部边缘及东南部边缘、四川东部边缘、金沙江和元江河谷的干旱强度偏强，相对湿润度指数为-0.40～-0.21(图3c)。

图3 1960-2015年西南地区水稻出苗-穗始分化(a)、穗始分化-开花(b)、开花-成熟(c)阶段干旱强度分布

2.3 水稻干旱强度演变特征

西南稻区各生育阶段年代际干旱强度的变化总体较为明显(图4)。从2000-2009年到2010-2015年，水稻3个生育阶段的干旱强度总体均呈增强趋势。在出苗-穗始分化阶段，云南大部、川南边缘地区为增强趋势；在水稻需水关键期，重庆大部、贵州大部及云南东北部为增强趋势；开花-成熟阶段，重庆大部、四川东北部及云南东北部地区为增强趋势。特别是2010-2015年，水稻需水关键期的干旱强度较开花-成熟阶段的增强趋势更显著。

图4 1960-2015年西南地区水稻不同生育阶段干旱强度的年代际空间分布

在出苗-穗始分化阶段，干旱强度总体呈基本一致-减弱-增强的变化趋势。从1960-1989年到1990-2009年，相对湿润度指数最小值从-0.81增大为-0.60，小于-0.21的范围明显缩小，干旱强度变弱区域主要为云南、川南边缘地区，而川北边缘地区的干旱强度则是增强。2010-2015年，云南干旱强度高值区及川南边缘的干旱强度显著增强，相对湿润度指数最小值为-0.83，干旱强度为近56年的最强，小于-0.10的范围明显增大，扩张到云南南部地区及贵州西部边缘地区，而川北边缘地区则基本没有干旱发生。

在水稻需水关键期，干旱强度总体呈增强-减弱-增强的变化趋势。1960-1979年重庆和川东北地区相对湿润度指数小于-0.21的范围增大，1980-1989年小于-0.10的范围缩小，干旱强度为近56年的最弱，川东北地区基本没有干旱发生。在水稻需水关键期贵州干旱强度高值区随着年代际的更替而变换，主要分布在北部、东部地区，2010-2015年，干旱强度显著增强；1990-2015年重庆干旱强度逐渐增强，2010-2015年干旱强度高值区位于中南部，与贵州干旱强度高值区连成一片，相对湿润度指数最低，为-0.56，小于-0.10的范围明显增大，为近56年来的最强。1990-2009年川东北地区干旱强度增强，扩张到川东边缘地区，而2010-2015年干旱强度又略微减弱。

在开花-成熟阶段，干旱强度总体呈增强-减弱-增强的变化趋势。1960-1979年，重庆和川东北地区的干旱强度明显增强，相对湿润度指数最小值从-0.29下降到-0.58，小于-0.21的范围明显增大，为近56年的最强；贵州的干旱强度则明显减弱，相对湿润度指数最小值从-0.45上升到-0.21，小于-0.10的范围明显缩小。1980-1989年，重庆、贵州、川东北地区的干旱强度显著减弱，相对湿润度指数最低为-0.2，为近56年来的最弱。1990-2015年，相对湿润度指数小于-0.1的范围明显增大，扩张到云南的东北部，川东北地区的干旱强度先减弱后增强；重庆、贵州的干旱强度在1990-2009年基本一致，在2010-2015年时，重庆大部增强，贵州则略减弱，小于-0.2的范围缩小到北部。

2.4 水稻干旱频率分布特征

水稻不同生育阶段干旱频率的空间分布与干旱强度相似，干旱强度大的地区干旱频率也高。出苗-穗始分化阶段的干旱频率明显高于后2个生育阶段的干旱频率，水稻需水关键期和开花-成熟阶段的干旱频率相差不大(图5)。在水稻需水关键期，重庆中南部及贵州东北部为该阶段的干旱高发区(图5b)。此外，在云南北部的金沙江河谷和中南部的元江河谷地区，水稻整个生长季的干旱频率均偏高。

在出苗-穗始分化阶段，干旱频率总体较高，干旱多发区主要在云南大部、川南边缘和川北边缘地区，干旱频率在20%以上，为5年1遇以上。其中，云南中北部及蒙自等地的干旱频率在67%以上，为3年2遇以上，金沙江河谷地区的干旱基本每年发生(图5a)。在水稻需水关键期和开花-成熟阶段，干旱频率总体较低于出苗-穗始分化阶段的干旱频率，干旱多发区主要分布在重庆、贵州中部以东、川东北部地区及金沙江河谷、元江河谷地区，干旱频率在20%以上，基本为5年1遇(图5b、c)。在水稻需水关键期，重庆中南部、贵州东北部、金沙江河谷和元江河谷的干旱频率偏高，为33%～47%，为10年3遇至2年1遇(图5b)；在开花-成熟阶段，重庆中部及东北部、贵州东北部边缘及东南部边缘和金沙江河谷地区，干旱频率偏高，为33%～63%，为10年3遇至3年2遇(图5c)。

图5 1960-2015年西南地区水稻出苗-穗始分化(a)、穗始分化-开花(b)、开花-成熟(c)阶段干旱频率分布

2.5 水稻干旱频率演变特征

西南稻区各生育阶段干旱频率的年代际间变化总体较为明显(图6)。从2000-2009年到2010-2015年,水稻3个生育阶段的干旱频率总体均呈增高趋势，特别是出苗-穗始分化阶段和水稻需水关键期。在出苗-穗始分化阶段，云南大部、川南边缘地区和贵州西北部地区干旱频率为增高趋势；在水稻需水关键期，重庆大部、贵州中部以东地区和云南东部地区干旱频率为增高趋势；开花-成熟阶段，重庆、四川大部地区干旱频率为增高趋势。

图6 1960-2015年西南地区水稻不同生育阶段干旱频率的年代际空间分布

在出苗-穗始分化阶段，干旱频率总体呈降低-增高-降低-增高的变化趋势。1960-1969年云南、川南边缘和川北边缘的干旱频率最高，达100%，1970-1979年频率高于40%的地区略减少，1980-1989年干旱频率又略增高。1990-2009年，云南、川南边缘地区干旱频率逐渐降低，干旱频率高于20%的地区明显减少，为近56年的最低，而川北边缘地区干旱频率则逐渐增高。2010-2015年云南干旱频率显著增高，为近56年的最高，干旱频率最高为100%，干旱频率高于80%的地区明显增多，这与云南近年来多年连旱的实情相符。

在水稻的需水关键期，干旱频率总体呈增高-降低-增高的变化趋势。1960-1979年川东北、贵州东部地区的干旱频率略增高，高于20%的地区增多。1980-1989年重庆、川东北地区的干旱频率降到最低，高于20%的地区明显减少，贵州东部边缘干旱频率则略增高。在水稻需水关键期，贵州干旱高发区随着年代际的更替而变换，主要分布在北部、东部地区。1990-2015年贵州、重庆的干旱频率显著增高，尤其是在2010-2015年，干旱高发区位于重庆中南部和贵州北部及东部，干旱频率在50%以上，为近56年来的最高。1990-2009年川东北地区干旱频率增高，而2010-2015年干旱频率又略降低。

在开花-成熟阶段，干旱频率总体呈增高-降低-增高-降低-增高的变化趋势。1960-1979年，重庆、川东北地区的干旱频率明显增高，频率最高值从50%上升到90%，贵州的干旱频率则明显降低，频率最高值从80%下降到30%。1980-1989年重庆、贵州和川东地区的干旱频率降到近56年来的最低，频率最高为50%，四川基本无旱。1990-2015年，重庆、川东北地区的干旱频率先降低后增高，在2010-2015年时频率为0%～66.7%，扩大到云南的东部及四川南部；1990-2015年贵州干旱频率则略降低。

2.6 不同等级水稻干旱频率分布特征

在3个生育阶段，随着旱级的加重，干旱区域均呈缩小趋势(图7)。从出苗-穗始分化阶段到穗始分化-开花阶段，再到开花-成熟阶段，云南大部、川南和川北边缘的轻旱发生频率呈降低趋势，而金沙江河谷的则呈增加趋势；川东、重庆的呈先增多后减少的趋势；贵州的呈增加后基本不变的趋势。云南中部以北、川南边缘地区的中旱呈减少趋势，而金沙江河谷的则呈增加趋势；川东的呈先增加后减少的趋势，重庆、贵州的呈增加趋势。云南北部的金沙江河谷地区的重旱呈减少后基本不变的趋势，川东的呈先增加后减少的趋势，重庆、贵州的呈增加趋势。云南北部的金沙江河谷地区的特旱呈减少趋势，川东、重庆的呈增加趋势，贵州的呈先增加后减少的趋势。

图7 1960-2015年西南地区水稻不同生育阶段各等级干旱发生频率

在出苗-穗始分化阶段，轻旱、中旱的分布较广，重旱、特旱主要集中在金沙江河谷区域，其中，中旱发生频率低于其他旱级的发生频率。重旱、特旱主要分布在云南北部的元谋、华坪、楚雄等地，频率最高为42%，为5年2遇；中旱主要分布在云南中部以北及川南边缘，频率最高为25%，为4年1遇；轻旱主要分布在云南大部、川南边缘和川北的平武、广元、绵阳、成都等地，频率最高为43%，为5年2遇，其中，频率在33%以上(3年1遇以上)的地区分布于云南南部和西北部的蒙自、元江、保山及川南会理。

在水稻需水关键期，轻旱的分布较其他旱级的广，随着旱级的加重，干旱区域呈缩小趋势，干旱频率呈下降趋势。特旱主要分布在黔北的遵义，频率为11%，为10年1遇；重旱主要分布在贵州东北部大部及重庆中部的涪陵，频率最高为17%，为6年1遇；中旱主要分布在渝东北的奉节、黔北的思南和桐梓、川东的泸州、达县和高坪区及云南的元谋、元江地区，频率最高为16%，为6年1遇；轻旱主要分布在重庆大部、贵州北部和东部、四川东北部和东南部边缘及云南的元谋、元江地区，频率最高为29%。

在水稻开花-成熟阶段，随着旱级的加重，除重庆无明显变化外，其余地区的干旱区域呈缩小趋势，干旱频率呈下降趋势。特旱主要分布在重庆的涪陵和奉节及川东的遂宁，频率最高为20%，为5年1遇；重旱主要分布在云南的元谋、黔东南的榕江及重庆中部的万州，频率最高为15%，为20年3遇；中旱主要分布在云南的元谋和元江、川东的达县、重庆的沙坪坝、奉节和酉阳及黔南的罗甸，频率最高为20%，为5年1遇；轻旱主要分布在云南的元谋和元江、贵州中部以东大部、四川的高坪区和内江、重庆的奉节和涪陵，频率最高为29%，为10年3遇。

3 结论与讨论

穂始分化期和开花期是水稻的需水关键期，该时期对水分最敏感，发生干旱对产量的影响最大。本文分析了根据需水关键期及其他生育期划分的水稻出苗-穗始分化、穗始分化-开花、开花-成熟3个生育阶段的干旱空间分布和演变特征。

出苗-穂始分化阶段的干旱主要分布在云南大部、川南边缘和川北边缘地区，相对湿润度指数为-0.76--0.16，云南中北部及蒙自等地的干旱发生频率为3年2遇以上，干旱强度、发生频率均显著大于其他2个生育阶段的，轻旱、中旱的分布较广，重旱、特旱主要集中在金沙江河谷区域；从年代际变化来看，该生育阶段除了在2000-2009年干旱强度较弱外，其余时段干旱均较为严重，特别是2010-2015年，云南大部、川南边缘地区的干旱强度显著增强，干旱频率显著增高，达到近56年最强，这与云南近年来多年连旱的实情相符，水稻育秧和移栽面临更严重的干旱风险。

水稻在需水关键期，干旱强度、频率略弱于开花-成熟阶段的，干旱主要发生在重庆、贵州大部、四川东北部及金沙江和元江河谷地区。水稻需水关键期的相对湿润度指数为-0.32～-0.15，干旱高发区为重庆中南部及贵州东北部，干旱频率为10年3遇至2年1遇，轻旱分布较广，中旱及以上等级干旱主要分布在黔北部、渝中南部和东北部。总体来看，该阶段从2000-2009年到2010-2015年干旱强度呈现显著增强、干旱频率显著增高的趋势，强度和频率均较开花-成熟阶段的高，达到近56年来的最高。可以看出在气候变化影响下，水稻需水关键期高温少雨天气增多，面临的干旱风险显著升高。

开花—成熟阶段的干旱强度、频率介于前2个生育阶段的干旱强度、频率之间，相对湿润度指数为-0.40～-0.15，干旱高发区为重庆中部及东北部、贵州东北部边缘及东南部边缘和金沙江河谷地区，干旱频率为10年3遇至3年2遇，轻旱分布较广，各级干旱在重庆大部均有发生，贵州无特旱。从2000-2009年到2010-2015年，开花-成熟阶段的干旱发展呈不同趋势，重庆大部、川东北部地区的干旱强度值和频率呈略增高趋势，而贵州地区的则呈减小趋势。

相较于已有的西南干旱研究[9，15，27-28]，本文利用相对湿润度指数直接探讨了西南地区水稻需水关键期及其他生育阶段的干旱分布和演变特征，揭示了2010-2015年水稻需水关键期和出苗-穂始分化阶段的干旱风险呈显著升高趋势，开花-成熟阶段的干旱风险呈持平略减的趋势。在气候变暖的背景下，如果西南地区水稻生长季内，尤其是水稻需水关键期和出苗—穂始分化阶段的蒸散量及灌溉需求量持续增加，将可能会受到更大的干旱威胁。本研究只是从气候学和水稻植株的蒸散作用的角度进行分析，而在农业生产中还需要考虑西南地区灌溉条件、地形地势及土壤状况等，因此今后还可以从不同关注角度和其他多种研究方法[29-30]进一步深入研究西南地区的干旱特征。