1961—2020年广西甘蔗干旱的时空变化特征分析

2022-06-06姚裕群段居琦刘永裕吴炫柯韦剑锋

西南农业学报 2022年5期

黄维，姚裕群，段居琦，刘永裕，吴炫柯，韦剑锋

(1.柳州市农业气象试验站，广西柳州 545003；2.柳州市气象局，广西柳州 545001；3.广西科技大学，广西柳州 545005；4.国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室，北京 100081)

【研究意义】甘蔗是制糖业的主要原料，同时还是纤维、糖业化工、能源方面的重要原材料[1]。甘蔗喜温、喜光，广泛种植于我国台湾、福建、广东、海南、广西、四川和云南等南方热带亚热带地区，其中，广西甘蔗种植面积约占全国甘蔗总种植面积的60%，是我国最大的甘蔗种植省份[2-3]。广西甘蔗一般在3月上旬开始出苗，最晚到11月下旬工艺成熟，期间较易遭受低温冷害、霜冻和干旱等农业气象灾害影响，尤其是有80%以上甘蔗种植于无灌溉条件的旱地或坡地，受干旱灾害影响最明显[4-5]。大量研究结果表明，干旱胁迫下甘蔗表现株高较矮、蔗茎生长速度减慢、茎径变小、成熟推迟、蔗糖分降低及还原糖分增加，最终造成甘蔗工艺品质变劣和产量下降[6-8]。在全球气温日趋升高和降水时空分布不均匀的气候背景下，近年来我国的干旱变化特征异常突出，干旱在北方已成为常态，在南方湿润和半湿润区域日趋加重[9-13]，季节性干旱时有发生，对我国南方地区的农业生产造成巨大影响[14]，干旱已成为制约广西甘蔗产量和品质提高的重要因素。因此，充分认识和掌握甘蔗发育期内干旱的时空变化规律，对广西地区及其他蔗区甘蔗的科学防旱避灾生产具有重要意义。【前人研究进展】干旱除造成粮食作物减产外[13-14]，对广西甘蔗[6-8]、果树[15]、蔬菜[16]等经济作物的产量和品质也有负面影响。从气象学角度对作物干旱进行监测评估的指标较多，常用指标有降水距平百分率、BMDI干旱指数、Decile和标准化降水指数(SPEI)等。莫建飞等[17]、卢小凤等[18]利用降水距平百分率分析广西甘蔗萌芽分蘖期干旱和秋旱的时空变化规律，指出在萌芽分蘖期干旱桂南多于桂北、桂西多于桂东、高海拔多于低海拔，而秋旱中的中度和重度干旱高发区主要位于桂中和桂东北蔗区。陈燕丽等[19]基于SPEI分析广西甘蔗生育期干旱的演变特征，指出桂北地区甘蔗苗期和茎伸长期干旱发生频率较高，桂中地区甘蔗在分蘖期和工艺成熟期干旱发生频率较高。以上这些评估指标均以降水量为主要考虑因素，能直观反映降水异常引起的干旱，但存在缺乏对蒸发和下垫面因素的考虑及需较长时序资料和降水量正态化要求等缺点。综合考虑降水量与平均气温的指标Palmer干旱程度指数(PDSI)、干湿指数、综合干旱指数(CI)、Z指数、气象干旱指数(DI)和作物不同阶段水分盈缺状况的作物水分亏缺指数(CWDI)在农业气象领域中应用更广泛。黄晚华等[20]、董秋婷等[21]、隋月等[22]基于作物水分亏缺指数对春玉米和夏玉米干旱的时空特征进行分析，得出春玉米在7叶至拔节阶段的干旱强度明显增加，干旱频率较高的时段主要在玉米抽雄至吐丝阶段及其后的生育阶段，夏玉米在拔节后期至抽雄阶段及吐丝后至乳熟阶段的干旱均呈减轻趋势。李闯等[23]基于作物水分亏缺指数对昆明水稻生长季干旱特征及成因分析，得出随着生长季的推进，水稻干旱级别从轻旱到重旱及干旱发生最严重时期是黄熟生育阶段的结论。陆耀凡等[24]、李家文等[25]基于作物水分亏缺指数分析广西右江河谷和桂中地区甘蔗生长季内的干旱变化情况，指出伸长期和成熟期干旱最严重，且主要分布在右江区、田阳县和柳州南部。以上研究结果均为当地开展农作物防旱避灾工作提供了科学依据。【本研究切入点】目前，关于广西甘蔗干旱的时空分析已有报道，但干旱分析过程中蒸散量的计算主要基于Penman-Monteith公式进行，计算过程参照高度为0.12 m和反射率为0.23草地的蒸腾蒸发速率[26]，参考作物的高度与甘蔗冠层结构存在较大差异，且多数对甘蔗干旱的研究在计算作物需水量时将某一生育阶段的作物系数设定为固定值，忽略作物系数随着生育阶段和当地气象条件变化而变化的特征，统计降水量时也未考虑在不同土壤质地下的有效降水，以及前期水分状况和持续时间对干旱的影响问题，研究结果与甘蔗实际生产情况存在一定差异。【拟解决的关键问题】基于广西甘蔗发育期、土壤资料和1961—2020年气象数据，以作物水分亏缺指数为气象干旱指标，在充分考虑甘蔗作物系数的动态变化特征、不同土壤质地下有效降水量和干旱累积效应的基础上，计算广西甘蔗在4个生育期内的作物水分亏缺指数，结合国家标准GB/T 34809—2017《甘蔗干旱灾害等级》，对广西甘蔗不同生育期内不同等级干旱的变化规律进行详细分析，旨在为气候变化背景下广西甘蔗的科学防旱避灾及提高甘蔗生产应对气候变化能力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 地理及气象数据从国家基础地理信息中心获取广西地区1∶25万基础地理数据，包括省界和地市级行政矢量边界。从广西气象局获取1961—2020年广西88个国家气象观测站逐日气象资料，包括平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、平均10 min风速、相对湿度、降水量和日照时数。88个气象站的空间分布如图1-A所示。

1.1.2 土壤质地数据从国际粮农组织(FAO)官网(http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey)下载1.0 km空间分辨率世界土壤数据，裁剪出广西土壤质地栅格数据。广西土壤质地类型分布如图1-B所示，将广西土壤质地归为粘土(粉质粘土和轻粘土)、壤土(粉质粘壤土、粉壤土、壤土、砂质粘壤土和砂壤土)和砂土(壤砂土和砂土)三大类，在Arcgis中提取各气象站对应的土壤质地类型。

1.1.3 广西蔗区划分及发育期划分参考陈燕丽等[19]的方法划分广西甘蔗种植地理分布和发育期，将广西蔗区分为桂北、桂中和桂南3个种植区，各区地理分布如图1-C所示。将甘蔗发育期分为苗期(初期，P1)、分蘖期(发展期，P2)、茎伸长期(中期，P3)和工艺成熟期(末期，P4)4个阶段，各蔗区甘蔗发育期的时间见表1。

表1 广西各蔗区甘蔗生育期概况

图1 广西气象观测站分布、土壤质地类型分布和蔗区划分概况[审图号：GS(2019)3333号，下同]

1.2 试验方法

1.2.1 作物水分亏缺指数计算参考黄晚华等[20]、张艳红等[27]、李雅善等[28]的方法计算水分亏缺指数。由于作物干旱具有前期累积效应，某旬的水分亏缺指数由当旬及前4旬的作物亏缺指数计算而得，具体计算公式如下：

CWDI=a×CWDIi+b×CWDI(i-1)+c×CWDI(i-2)+d×CWDI(i-3)+e×CWDI(i-4)

式中，CWDI为甘蔗生育期内旬累积水分亏缺指数，CWDIi、CWDI(i-1)、CWDI(i-2)、CWDI(i-3)和CWDI(i-4)分别为当旬和前4旬水分亏缺指数；a、b、c、d和e分别为各旬的权重系数，参考黄晚华等[18]的研究成果，a取值0.30，b取值0.25，c取值0.20，d取值0.15，e取值0.10。

以CWDIi为例，其计算公式为：

式中，ETc(i)为第i旬作物需水量(mm)，P(i)为第i旬有效降水量(mm)，当ETc(i)小于P(i)时，CWDIi等于0，则第i旬不存在水分亏缺现象。

ETc(i)和P(i)的计算公式如下：

式中，kc(i，j)为第i旬中第j天的甘蔗作物系数，ETo(i，j)为第i旬中第j天的参考作物蒸散，P(i，j)为第i旬中第j天的总降水量，α为一次降水量利用系数，与各土壤质地类型和一次降水量大小有关，取值参考DB 45/T1197—2015《糖料蔗灌溉定额及灌溉技术规程》，ETo(i，j)由FAO提供的Penman-Monteith公式进行计算，详细计算过程及参数换算参考QX/T81—2007《小麦干旱灾害等级》和Allen[26]的研究成果。此外，kc(i，j)可作为作物发育阶段的分段函数，发育阶段初期的作物系数较小，中期最大，末期次之。FAO给出了糖料蔗发育初期(P1)、中期(P3)和末期(P4)的基础作物系数KciniFAO、KcmidFAO和KcendFAO分别为0.15、1.20和0.70，发展期(P2)和末期(P4)作物系数是发育时间的线性函数，但FAO推荐的值是一般意义上的普遍值，需根据各地实际情况进行修正。通常初期基础作物系数无需修正，即Kcini=KciniFAO，而Kcmid和Kcend需根据当地的实际气象数据进行修正，具体计算过程参考Allen[26]的研究成果。

根据GB/T 34809—2017《甘蔗干旱灾害等级》将作物水分亏缺指数划分为轻旱、中旱、重旱和特旱4个等级。

1.2.2 年际干旱发生率和某地干旱发生频率分别计算广西甘蔗不同发育阶段内不同等级干旱在1961—2020年的干旱发生率和研究区各地的干旱发生频率。某年年际干旱发生率(I)以某年发生干旱的气象站数(n0)占总气象站数(n1)的比表示，即I(%)=n0/n1×100；某地干旱发生频率(F)为某地干旱发生年数(y0)与总资料年数(y1)之比，即F(%)=y0/y1×100[25-26]。

1.2.3 时间变化规律分析和空间分析采用直线回归法分析广西甘蔗生育期内年际干旱发生率的线性变化趋势，并对趋势系数进行差异显著性检验。选择Morlet复数小波分析甘蔗年际干旱发生率的周期变化特征[29-30]。采用空间站点技术对各地干旱发生频率进行分析。

1.3 统计分析

在Matlab 2017中完成编程并进行试验数据统计和Morlet复数小波分析，以SPSS 22.0进行线性变化趋势的显著性检验，空间制图均在Arcgis 10.3完成，坐标采用WGS84地理坐标系统。

2 结果与分析

2.1 1961—2020年广西甘蔗年际干旱发生率(I)的时间变化特征

2.1.1 年际变化特征其中，从发育阶段看，甘蔗苗期和分蘖期的年际干旱发生率较低，1961—2020年的平均值分别为12.0%(图2-A)和9.1%(图2-B)，茎伸长期次之，平均值为59.1%(图2-C)，工艺成熟期最高，平均值为90.2%(图2-D)；从不同等级干旱发生率看，苗期、分蘖期和茎伸长期干旱等级越高则年际干旱发生率越低，而工艺成熟期干旱等级越高年际干旱发生率越高；从年际变化看，不同等级干旱发生率随着年份变化呈波动式变化，但随年份无明显线性变化规律，经Pearson相关系数显著性检验，各发育阶段不同等级的年际干旱发生率间均无显著差异(P>0.05)。

图2 广西甘蔗不同生育期不同等级年际干旱发生率的变化情况

2.1.2 周期变化特征由表2可知，在研究时段内甘蔗苗期的年际干旱发生率周期变化尺度为2～5年，轻旱和特旱发生年份以20世纪70年代为主，中旱和重旱发生年份以20世纪80年代和90年代为主；分蘖期仅中旱表现出明显的4年周期变化特征，发生年份主要在1978—1982年和1987—1995年；茎伸长期除重旱外，其他等级的干旱周期尺度多为2～3年，从1970—2000年均有发生；工艺成熟期的干旱周期尺度在3～6年，轻旱、中旱和特旱发生年份多在20世纪70年代和80年代，重旱发生年份除20世纪70年代和80年代外，在21世纪00年代也有发生。

表2 不同等级干旱发生率的周期变化情况

2.2 甘蔗干旱发生频率(F)的空间分布情况

2.2.1 苗期干旱发生频率的空间分布从图3可看出，1961—2020年广西甘蔗苗期轻旱至特旱的发生频率逐渐降低，范围逐渐缩小。其中，轻旱主要分布在除桂东北外的大部分地区，发生频率在40%以下，以桂西和桂南发生频率较高，在10%～40%(图3-A)；中旱主要分布在桂南和桂西，发生频率均在30%以下，以百色中部发生频率相对较高，在21%～30%，其他地区的中旱发生频率大部分在10%以下(图3-B)；重旱发生频率较低，仅在百色有零星分布，且发生频率均在10%以下(图3-C)；苗期无特旱发生(图3-D)。

图3 广西甘蔗苗期不同等级干旱发生频率的空间分布情况

2.2.2 分蘖期干旱发生频率的空间分布从图4可看出，广西甘蔗分蘖期轻旱至特旱的发生频率逐渐降低，范围逐渐缩小。其中，轻旱在全区各地均有发生，但空间差异较明显，主要呈桂西南发生频率高而其他地区发生频率低的空间分布格局，其中，桂西南轻旱发生频率普遍在21%～40%，其他地区轻旱发生频率在10%以下(图4-A)；中旱主要集中在桂西和桂南，发生频率普遍在10%以下(图4-B)；发生重旱的地区较少，主要分布在百色、崇左、防城港和南宁等的少部分地区，频率均在10%以下(图4-C)；分蘖期无特旱发生(图4-D)。

图4 广西甘蔗分蘖期不同等级干旱发生频率的空间分布情况

2.2.3 茎伸长期干旱发生频率的空间分布从图5可看出，广西甘蔗茎伸长期的干旱以轻旱和中旱为主，重旱次之。其中，轻旱在全区均有分布，发生频率在11%～70%，以桂中和桂东的发生频率相对较高(图5-A)；中旱在全区均有分布，发生频率从桂西南向桂东北递增，其中，桂西南的发生频率普遍在20%以下，桂东北大部分地区的发生频率在21%～60%，为中旱的高发区(图5-B)；重旱主要分布在桂东北，发生频率均在20%以下，其他地区基本无重旱发生(图5-C)；茎伸长期无特旱发生(图5-D)。

图5 广西甘蔗茎伸长期不同等级干旱发生频率的空间分布情况

2.2.4 工艺成熟期干旱发生频率的空间分布从图6可看出，甘蔗工艺成熟期轻旱、中旱、重旱和特旱在全区均有分布。其中，轻旱发生频率在30%以下，在空间分布上全区无明显差异(图6-A)；中旱发生频率普遍在11%～40%，桂北和桂西的中旱发生频率相对较高(图6-B)；重旱发生频率普遍在11%～40%，在空间分布上全区无明显差异(图6-C)；特旱发生频率在11%～50%，发生频率较高的区域主要分布在桂中、桂南和桂东，这些区域发生频率在31%～50%(图6-D)。

图6 广西甘蔗工艺成熟期不同等级干旱发生频率的空间分布情况

3 讨论

干旱是威胁农业生产的主要农业气象灾害之一，降水量偏少和气温上升是造成干旱的主要原因。在全球气候变暖背景下，我国南方地区水稻、玉米、豆类和薯类等干旱的发生频率和强度明显增加，大旱范围明显扩大[13-14]。本研究结果表明，广西甘蔗生育期内的年际干旱发生率虽随着时间变化而波动变化，但变化规律不明显，究其原因，一方面是近60年来广西部分区域年平均气温显著上升，但这些区域主要分布在高海拔高纬度的桂北，其他区域的气温变幅仍较小[31-32]，另一方面是广西区域的降水虽有明显变化特征，但以空间分布不均匀和非均匀性多尺度周期变化特征为主[33]，因此，在广西气温上升的局地性和降水的周期变化特征背景下，甘蔗年际干旱发生率的年际变化特征仍具不确定性，但有2～5年尺度的周期变化特征，与陆耀凡等[24]、李家文等[25]、黄维等[34]的研究结果基本一致。就甘蔗不同发育阶段年际干旱发生率来看，本研究得出甘蔗在工艺成熟期年际干旱发生率最高，茎伸长期次之，苗期和分蘖期年际干旱发生率较低的结果，这种干旱的阶段性变化与降水的季节性变化密切相关。由于广西处于亚热带季风气候区和热带季风气候区，降水主要集中于春、夏两季，而秋冬季雨水偏少，对正处于茎伸长期或工艺成熟期的甘蔗生产影响较大，因此，甘蔗茎伸长期和工艺成熟期的年际干旱发生率较苗期和分蘖期高[14]。

在空间分布上，广西位于云贵高原往两广丘陵的过渡地带，地形西北高、东南低，降水量空间分布不均匀，气温空间差异大，全区干旱具有明显的空间分布特征[35]。本研究中，甘蔗干旱发生频率也存在较大的空间差异性。其中，在甘蔗苗期和分蘖期轻旱分布较广，主要分布在桂西和桂南；在茎伸长期轻旱和中旱分布较广，轻旱全区均有分布，中旱主要分布在桂东北；在工艺成熟期轻旱、中旱、重旱和特旱在全区各地市均有分布，主要分布在桂中、桂南和桂东；甘蔗干旱发生频率的空间分布总体上与陈燕丽等[19]、李淏源[36]的研究结果相同，但在局部区域及干旱等级划分上存在一定差异，一方面与参考的干旱等级标准不同有关，另一方与干旱指标的选取不同有关。本研究以降水量和甘蔗需水量为研究基础，基于水分亏缺指数分析甘蔗4个发育阶段的干旱情况，其中不仅考虑甘蔗作物系数随着生育阶段和当地气象条件变化而变化的动态特征，还考虑不同土壤质地下降水的有效性问题，得出部分地区干旱发生频率偏高、发生范围更广的结论，更能真实反映甘蔗在不同生育时期的干旱情况。

本研究以空间站点技术从总体上描述甘蔗干旱发生频率在广西的空间分布情况，虽然在宏观上能大致把握甘蔗干旱的空间分布特征，但在干旱精细化服务应用中仍有较大欠缺，因此，在今后的研究中还应充分考虑干旱与地形、地貌和海拔的关系，利用空间插值技术进行全区干旱频率高分辨率空间分布分析，进一步为各蔗区干旱精细化服务提供科学依据。