淺析白城市農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)及干旱預(yù)測(cè)模型

杜佳林

(吉林省白城市氣象局，吉林白城 137000)

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淺析白城市農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)及干旱預(yù)測(cè)模型

杜佳林

(吉林省白城市氣象局，吉林白城 137000)

摘要白城市是國(guó)家級(jí)大型商品糧基地市，但頻繁發(fā)生的干旱災(zāi)害直接影響著該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合白城市實(shí)際情況，歸納總結(jié)了白城市農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)和預(yù)報(bào)方法，以便有效地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)該市農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害，為白城市開展農(nóng)業(yè)干旱預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供理論基礎(chǔ)，為地方各級(jí)政府部門提供確切的農(nóng)業(yè)干旱預(yù)警預(yù)報(bào)信息。

關(guān)鍵詞農(nóng)業(yè)干旱；干旱指標(biāo)；干旱預(yù)測(cè)模型；白城市

水資源的日趨短缺已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制因素之一，合理有效使用水資源是當(dāng)前全社會(huì)普遍關(guān)注的問(wèn)題。另外，全球氣候變暖、頻繁發(fā)生的干旱進(jìn)一步加劇了農(nóng)業(yè)干旱，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)干旱等問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，主要集中于農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)選取、預(yù)測(cè)和評(píng)估旱情發(fā)生、發(fā)展及變化等方面[1-3]。王密俠等[1]討論了農(nóng)業(yè)干旱降水量指標(biāo)、土壤含水量指標(biāo)、作物旱情指標(biāo)及綜合性指標(biāo)的研究進(jìn)展及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，簡(jiǎn)要介紹了農(nóng)業(yè)干旱預(yù)報(bào)及其評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究發(fā)展。劉永忠等[3]分析了多種氣候干旱指標(biāo)體系和作物干旱指標(biāo)體系，并對(duì)氣候干旱指標(biāo)體系和作物干旱指標(biāo)體系在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的適用性、實(shí)用性及應(yīng)用情況進(jìn)行了探討。

白城市主要農(nóng)作物生長(zhǎng)季(5～9月)降水量為355.6 mm，占全年總降水量的88%左右，降水量偏少，只能滿足部分耐旱作物生長(zhǎng)發(fā)育需求[4]。頻繁發(fā)生的干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大，尤其是在農(nóng)業(yè)技術(shù)和農(nóng)業(yè)水利設(shè)施不到位的情況下，農(nóng)業(yè)干旱直接威脅農(nóng)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合白城市實(shí)際情況，歸納總結(jié)了白城市農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)和預(yù)報(bào)方法，以期為地方各級(jí)政府部門提供確切的農(nóng)業(yè)干旱預(yù)警預(yù)報(bào)信息，提高農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)能力。

1白城市農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)

農(nóng)業(yè)干旱與氣象干旱不完全一致，農(nóng)業(yè)干旱規(guī)律不僅要從降水量等氣象條件方面進(jìn)行研究，還要充分考慮不同作物生長(zhǎng)期間供水與需水的關(guān)系、土壤墑情特征等因素[5]。

1.1土壤含水量土壤水分降至一定程度時(shí)農(nóng)作物即呈現(xiàn)旱象，因此土壤水分的虧缺狀況是造成農(nóng)業(yè)干旱的關(guān)鍵。土壤含水量指標(biāo)通常有2種：①將農(nóng)作物正常、缺水、干旱等不同生長(zhǎng)狀態(tài)下土壤水分試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為判定指標(biāo)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤實(shí)際含水率來(lái)判定旱情；②采用土壤水分消退模式擬定旱情指標(biāo)，利用農(nóng)田水分平衡原理計(jì)算出各個(gè)時(shí)段末土壤含水量，對(duì)農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行預(yù)測(cè)。一般情況下，當(dāng)土壤相對(duì)含水量<40%時(shí)，說(shuō)明作物受旱嚴(yán)重，作物相對(duì)含水量在40%～60%時(shí)，作物呈現(xiàn)旱象，且受作物類別、品種以及生長(zhǎng)階段變化以上具體數(shù)值也出現(xiàn)變化。

1.2作物旱情

1.2.1作物形態(tài)指標(biāo)。作物生長(zhǎng)期間對(duì)水分虧缺敏感，因此可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)分析作物長(zhǎng)勢(shì)、長(zhǎng)相對(duì)作物是否缺水出現(xiàn)旱情進(jìn)行診斷，這種以作物形態(tài)指標(biāo)判斷的方法直觀、方便，有利于對(duì)小范圍內(nèi)作物旱情做出診斷，但該指標(biāo)屬于定性指標(biāo)，帶有很大的主觀性，不易把握，且不能量化，不適宜用于大范圍作物的旱情診斷。

1.2.2作物生理指標(biāo)。

1.2.2.1葉水勢(shì)。這是常用的作物旱情診斷指標(biāo)，葉水勢(shì)與作物水分狀況密切相關(guān)，能靈敏反映出作物水分供應(yīng)狀況，作物出現(xiàn)缺水葉水勢(shì)就會(huì)下降。葉水勢(shì)值可由單個(gè)葉片測(cè)定，作物及葉片間存在很大的變異性，同一作物不同生育期、不同時(shí)間測(cè)定的葉水勢(shì)值均不同，且不同作物出現(xiàn)干旱的葉水勢(shì)臨界值有一定差異，因此必須大量取樣測(cè)定，才能反映出農(nóng)田水分供應(yīng)狀況。

1.2.2.2氣孔導(dǎo)度。該指標(biāo)與土壤供水能力及葉片水分狀況相關(guān)，作物水分充足時(shí)氣孔開度較大，隨著作物可用水分的減少氣孔開度也逐漸減小，出現(xiàn)嚴(yán)重干旱時(shí)氣孔關(guān)閉。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)定氣孔導(dǎo)度或氣孔阻力相對(duì)困難，因此將氣孔開度作為判斷作物是否受旱的生理指標(biāo)。

1.2.2.3細(xì)胞汁液濃度。作物缺水時(shí)，其細(xì)胞汁液濃度較正常水分條件下大，當(dāng)細(xì)胞汁液濃度超出一定范圍時(shí)抑制作物生長(zhǎng)，因此可將作物細(xì)胞汁液濃度作為作物水分生理指標(biāo)，這種指標(biāo)測(cè)定方法簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用。

1.2.2.4傷流量指標(biāo)。作物受傷后流出的液體稱為傷流量。通過(guò)人為對(duì)作物特定部位制造傷害使其產(chǎn)生傷流液，當(dāng)作物體內(nèi)水分充足，傷流量就多；反之就少。這種指標(biāo)測(cè)定方法簡(jiǎn)單、易操作，通常也作為作物生理指標(biāo)被廣泛應(yīng)用。

1.2.3冠層溫度指標(biāo)。作物冠層溫度與作物吸收和釋放能量的過(guò)程相關(guān)，作物蒸騰過(guò)程中消耗熱量進(jìn)而降低其冠層溫度。在水分供給充足的農(nóng)田中，作物蒸騰作用加強(qiáng)，耗熱多，作物冠層溫度值低于缺水農(nóng)田作物冠層溫度，反之作物冠層溫度值就較大?；诖耍蓪⑥r(nóng)田冠層溫度作為作物旱情指標(biāo)對(duì)作物旱情發(fā)生發(fā)展進(jìn)行研究。

1.3農(nóng)作物水分指標(biāo)根據(jù)作物需水狀況可反映作物受旱程度，旱澇指數(shù)指標(biāo)公式為：

式中，P表示作物生長(zhǎng)期降水量；Re表示徑流量深層滲漏雨量；ρo表示作物生長(zhǎng)初期根系層土壤含水量；ρg表示每1 mm降水量增加的土壤含水量；Rg表示地下水補(bǔ)給量；Eo表示可能蒸散量；ρm表示適應(yīng)作物正常生長(zhǎng)所需的土壤含量。農(nóng)作物水分指標(biāo)D>1.3、0.8

1.4Palmer干旱指標(biāo)Palmer是用于表示干旱嚴(yán)重程度的指標(biāo)，該指標(biāo)不是簡(jiǎn)單地進(jìn)行時(shí)段平均，而是綜合了水分虧缺量和持續(xù)時(shí)間因子對(duì)干旱程度的影響，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際基本吻合，并引入期望值概念，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、最成功的干旱指標(biāo)[6]。但該指標(biāo)要求資料必須準(zhǔn)確、完整，計(jì)算過(guò)程也相對(duì)繁瑣，因此在應(yīng)用時(shí)需要做進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

Palmer干旱指標(biāo)的計(jì)算公式為：

PDSI=Kjd

d=P-PO=P-(αjPE+βjPR+rjPRO-σjPL)

K=17.67K′/∑DK′

K′=1.51g{[(PE+R+RO)/(P+L)+2.8]/Dj}+0.5

式中，P表示實(shí)際降水量；PO表示氣候上所需的降水量；PE表示可能蒸散量；PR表示可能土壤水補(bǔ)給量；PRO表示可能徑流量；PL表示可能損失量；R表示土壤水實(shí)際補(bǔ)給量；RO表示實(shí)際徑流量；L表示實(shí)際損失量；D表示各月實(shí)際降水量與作物所需降水量最差的系數(shù)的絕對(duì)值平均值；α、β、γ、σ分別表示相應(yīng)各項(xiàng)的權(quán)重系數(shù)，與研究區(qū)氣候特征密切相關(guān)。-1.0

2白城市農(nóng)業(yè)干旱預(yù)報(bào)方法

干旱災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展常受天氣、水文、地理等因素綜合影響，全球氣候變暖背景下干旱災(zāi)害的頻發(fā)對(duì)干旱災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提出了更高的要求。干旱災(zāi)害是一個(gè)不斷累積的動(dòng)態(tài)過(guò)程，使得干旱預(yù)報(bào)研究面臨著很大的困難。當(dāng)前，針對(duì)干旱的研究集中在氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱方面，并建立了少量干旱預(yù)報(bào)模型。農(nóng)業(yè)干旱不同于氣象干旱，相對(duì)于氣象干旱，農(nóng)業(yè)干旱涉及大氣、作物、土壤等較多相關(guān)因子，因此預(yù)報(bào)方法更為復(fù)雜。按照預(yù)報(bào)中采用指標(biāo)不同，農(nóng)業(yè)干旱分為基于降水量的預(yù)報(bào)方法、基于土壤含水量的預(yù)報(bào)方法和基于綜合性旱情指標(biāo)的預(yù)報(bào)方法[6]。

2.1基于降水量的預(yù)報(bào)方法農(nóng)田水分的主要來(lái)源依靠自然降水，因此降水量能基本反映出干旱發(fā)生程度和趨勢(shì)，所以可將降水量指標(biāo)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)干旱宏觀監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中。降水量預(yù)報(bào)模型建立方法可借鑒氣象干旱預(yù)報(bào)建模方法，如數(shù)值預(yù)報(bào)法、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)法等，相對(duì)簡(jiǎn)單易行，但不易反映出農(nóng)作物受旱程度。

2.2基于土壤含水量的預(yù)報(bào)方法土壤含水量是農(nóng)業(yè)干旱預(yù)報(bào)中相對(duì)成熟的一種指標(biāo)，利用農(nóng)田水量平衡關(guān)系，有利于建立土壤-大氣-植物三者之間的水分交換關(guān)系或土壤水分預(yù)報(bào)模型。以土壤含水量為指標(biāo)的干旱預(yù)報(bào)模型有2種：①將作物不同生長(zhǎng)狀態(tài)下土壤墑情的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為判定指標(biāo)建立起來(lái)的預(yù)報(bào)模型；②利用土壤消退模式擬定旱情指標(biāo)，利用農(nóng)田土壤水量平衡原理計(jì)算出各個(gè)生育期末的土壤含水量，據(jù)于此對(duì)農(nóng)業(yè)干旱程度進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。計(jì)算土壤含水量時(shí)，要將氣候條件、作物發(fā)育狀況、土體構(gòu)型等因素考慮在內(nèi)，因此該預(yù)報(bào)模型相關(guān)計(jì)算較為復(fù)雜，且受區(qū)域特征影響較大。

2.3基于綜合性旱情指標(biāo)的預(yù)報(bào)方法農(nóng)業(yè)干旱受綜合因素影響較大，采用單指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)可在一定程度上反映出農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生趨勢(shì)，但不能對(duì)作物光合作用、干物質(zhì)產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量動(dòng)態(tài)變化做出描述，經(jīng)研究證明，這些動(dòng)態(tài)變化與作物蒸騰量、水分虧缺情況有密切關(guān)系，建立作物缺水指標(biāo)公式為：

CWSI=1-ET/ETm

式中，CWSI表示作物缺水指標(biāo)，ET表示作物實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量(即實(shí)際耗水量)，ETm表示作物潛在蒸發(fā)蒸騰量(即潛在最大需水量)[7]。作物實(shí)際耗水量可反映出土壤、作物本身因素及氣象條件的綜合影響，因此以作物缺水指標(biāo)建立的農(nóng)業(yè)干旱預(yù)報(bào)模型較其他指標(biāo)預(yù)報(bào)模型更為真實(shí)準(zhǔn)確、宏觀實(shí)用。

作物供需水關(guān)系也可作為農(nóng)業(yè)干旱預(yù)報(bào)的一個(gè)綜合性旱情指標(biāo)，其公式為：

式中，e表示干旱指數(shù)；P1表示作物生長(zhǎng)期內(nèi)某時(shí)段的有效降水量；Kcj表示作物第j時(shí)段的作物系數(shù)，Ksj表示第j時(shí)段的土壤水分脅迫系數(shù)；ETOJ表示第j時(shí)段的潛在蒸散量[7]。利用作物供需水指標(biāo)建立的農(nóng)業(yè)干旱預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型時(shí)所需的參數(shù)數(shù)據(jù)全部可采用氣象資料、天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、土壤水分資料計(jì)算獲取，計(jì)算出的參數(shù)數(shù)據(jù)精確、實(shí)用且具有較強(qiáng)的可代表性，不受區(qū)域特征限制，可在不同區(qū)域內(nèi)推廣使用。

3結(jié)語(yǔ)

目前，大部分農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)計(jì)算方法復(fù)雜、資料獲取有很大難度，隨著科技的進(jìn)步，干旱指標(biāo)的計(jì)算方法越來(lái)越多且越來(lái)越簡(jiǎn)化，因此干旱指標(biāo)的應(yīng)用范圍也將會(huì)更加廣泛。針對(duì)干旱預(yù)測(cè)模型方面的研究也將會(huì)更加深入，將會(huì)在傳統(tǒng)預(yù)測(cè)模型上衍生出更多的新的預(yù)測(cè)模型及方法，綜合運(yùn)用后預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)更科學(xué)、可靠。

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作者簡(jiǎn)介杜佳林(1963- )，男，吉林白城人，高級(jí)工程師，從事地面觀測(cè)工作。

收稿日期2016-03-22

中圖分類號(hào)S 16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)14-216-02

Analysis on Agriculture Drought Indicators and Prediction Model in Baicheng City

DU Jia-lin

(Baicheng City Meteorological Bureau of Jilin Province,Baicheng,Jilin 137000)

AbstractBaicheng City is a national large-scale commodity grain base city,but the frequent occurrence of drought disasters directly affect the agricultural production in the region.On the basis of previous studies,combining with the actual situation of Baicheng City,agriculture drought indicators and prediction method were summarized,so as to effectively predict agriculture drought disaster.The study will provide theoretical basis for forecasting agriculture drought in Baicheng City and provide accurate prediction information for local government and departments at all levels.

Key wordsAgriculture drought; Drought indicators; Drought prediction model; Baicheng City