氣候變化背景下廣西甘蔗秋旱演變特征分析

盧小鳳 匡昭敏 李莉 劉一江

摘要：【目的】研究氣候變化背景下廣西甘蔗秋季干旱的演變特征，為提高甘蔗生產(chǎn)應(yīng)對(duì)氣候變化的能力提供參考依據(jù)?！痉椒ā坷?961～2010年廣西降水資料和甘蔗資料，借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合甘蔗需水特點(diǎn)確定甘蔗秋旱的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于地理信息系統(tǒng)分析干旱的空間分布及演變特征?！窘Y(jié)果】近50年來(lái)，廣西甘蔗秋季輕度干旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)主要是桂西和桂南蔗區(qū)，中度和重度干旱的高發(fā)區(qū)主要位于桂中和桂東北蔗區(qū)。在氣候變化背景下，1991～2010年相比1961～1990年，大部蔗區(qū)中度以上甘蔗干旱頻率增加26%～45%，重度以上干旱頻率增加16%～35%；中度以上甘蔗干旱強(qiáng)度增加0.1～5.2 d，重度以上干旱強(qiáng)度增加0.1～4.8 d?！窘Y(jié)論】20世紀(jì)90年代以后，廣西甘蔗秋季中度和重度以上干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度總體呈增加和加重趨勢(shì)，一些年份秋季干旱日數(shù)增加，干旱對(duì)甘蔗生產(chǎn)的影響程度加重。

關(guān)鍵詞： 氣候變化；甘蔗；秋季干旱；演變特征；廣西

中圖分類號(hào)： S162 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1191（2016）02-0217-06

0 引言

【研究意義】近百年來(lái)全球氣候正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的顯著變化，氣候變化必然引起水分循環(huán)的變化，導(dǎo)致干旱、洪澇等氣象災(zāi)害的頻率和強(qiáng)度發(fā)生變化（《氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》編寫委員會(huì)，2007），進(jìn)而影響生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。黃嘉宏等（2003）利用1957～2001年廣西氣象資料，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)廣西年降水量沒(méi)有明顯的長(zhǎng)期異常變化，秋季降水全區(qū)表現(xiàn)出一致減少的趨勢(shì)。李艷蘭等（2010）分析了1961～2009年廣西氣溫、降水量和干旱的變化特征，結(jié)果表明，各季降水量變化趨勢(shì)不一致，春、秋季減少，冬、夏季增加。甘蔗是熱帶、亞熱帶經(jīng)濟(jì)作物，廣西作為全國(guó)甘蔗主產(chǎn)區(qū)，約有90%面積的甘蔗種植在旱地上（楊麗濤和李楊瑞，1995），甘蔗生產(chǎn)很大程度上依賴于天氣氣候條件。雖然廣西年降水量豐富，但降水時(shí)空分布不均，干旱災(zāi)害發(fā)生頻繁，尤其是嚴(yán)重秋旱對(duì)蔗糖業(yè)生產(chǎn)的影響最明顯（廣西壯族自治區(qū)氣候中心，2007）。因此，研究氣候變化背景下甘蔗秋季干旱的演變特征對(duì)于廣西甘蔗生產(chǎn)的防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】農(nóng)業(yè)干旱演變問(wèn)題引人關(guān)注，已有文獻(xiàn)對(duì)玉米和冬小麥等作物干旱發(fā)生的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究（董朝陽(yáng)等，2013；張淑杰等，2013；姚小英等，2014），有學(xué)者曾于20世紀(jì)90年代研究氣候可能變化趨勢(shì)對(duì)我國(guó)甘蔗生產(chǎn)的影響（龍國(guó)夏等，1994），但90年代以后未見(jiàn)對(duì)甘蔗干旱演變特征的研究。其他與甘蔗干旱相關(guān)的研究較多，在甘蔗氣象方面，譚宗琨和吳全衍（1994）運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析了影響廣西甘蔗生產(chǎn)的主要?dú)庀笠蜃硬⑦M(jìn)行了甘蔗產(chǎn)量預(yù)報(bào)研究，蘇永秀等（2006）基于地理信息系統(tǒng)（GIS）對(duì)廣西甘蔗種植進(jìn)行氣候區(qū)劃，段居琦和王?。?009）利用農(nóng)業(yè)氣象統(tǒng)計(jì)分析方法研究了廣西來(lái)賓市春植蔗生長(zhǎng)季的降水變化及影響；在甘蔗遙感方面，匡昭敏等（2007）研究了多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)在甘蔗干旱遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用；此外，還有關(guān)于干旱脅迫對(duì)甘蔗生理的影響（朱理環(huán)等，2010；吳楊等，2011；賀俐等，2012）、甘蔗耐旱品種試驗(yàn)（檀小輝等，2011；楊建波等，2012）及甘蔗灌溉技術(shù)改進(jìn)（許莉敏等，2013）等方面的研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前在甘蔗抗旱研究中已取得諸多成果，并在甘蔗生產(chǎn)中得到應(yīng)用，一定程度上減少了由于干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失，然而研究成果主要集中于甘蔗品種改良和灌溉技術(shù)改進(jìn)等領(lǐng)域，對(duì)于氣候變化因素對(duì)甘蔗生產(chǎn)的影響，尤其是近50年來(lái)甘蔗秋季干旱的演變特征尚無(wú)報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)篩選代表蔗區(qū)站點(diǎn)的典型干旱年份，分析甘蔗秋季干旱與氣象條件之間的關(guān)系，確定廣西甘蔗秋季干旱的評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于地理信息系統(tǒng)的空間分析功能支持，對(duì)近50年來(lái)甘蔗秋季干旱的頻率和強(qiáng)度變化進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)廣西甘蔗秋季干旱的演變特征分析，為氣候變化背景下甘蔗的科學(xué)防旱避災(zāi)，提高甘蔗生產(chǎn)應(yīng)對(duì)氣候變化的能力提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 資料來(lái)源

1961～2010年89個(gè)氣象臺(tái)站逐日降水量資料來(lái)自廣西氣象信息中心，甘蔗總產(chǎn)量、種植面積數(shù)據(jù)來(lái)自廣西統(tǒng)計(jì)局，災(zāi)情數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)氣象災(zāi)害大典：廣西卷》（《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》編委會(huì)，2007）及廣西農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站觀測(cè)資料。1961～2010年甘蔗歷史干旱災(zāi)害情況，尤其是近年來(lái)的甘蔗旱情資料來(lái)自各地農(nóng)業(yè)部門及對(duì)有關(guān)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村農(nóng)戶的調(diào)查。

1. 2 甘蔗資料處理

隨著生產(chǎn)水平的不斷提高，甘蔗單位面積產(chǎn)量逐漸提高。甘蔗產(chǎn)量的年際變化與環(huán)境因子（主要考慮氣象條件）密切相關(guān)。擬將單位面積產(chǎn)量分解為：

Y=YT +YW

式中，Y為單位面積實(shí)際產(chǎn)量，YT為趨勢(shì)產(chǎn)量，YW為氣象產(chǎn)量。

趨勢(shì)產(chǎn)量是正常條件下甘蔗生產(chǎn)可達(dá)到的理論產(chǎn)量，氣象產(chǎn)量是甘蔗生長(zhǎng)期間氣象條件偏離正常狀態(tài)而造成甘蔗實(shí)際產(chǎn)量對(duì)理論常量的偏離值。本研究采用5年直線滑動(dòng)平均法模擬甘蔗的趨勢(shì)產(chǎn)量（溫曉慧等，1994），通過(guò)模擬趨勢(shì)產(chǎn)量，可求得氣象產(chǎn)量：

YW =Y-YT

為消除年際間單位面積產(chǎn)量對(duì)氣象產(chǎn)量的影響，以相對(duì)氣象產(chǎn)量YW'作為氣象條件對(duì)甘蔗產(chǎn)量的影響序列。當(dāng)其為負(fù)值時(shí)為不利氣象條件造成的減產(chǎn)率。相對(duì)氣象產(chǎn)量的計(jì)算公式為：

YW'（%）=（Y-YT）/YT×100

1. 3 氣象資料處理

甘蔗干旱由多種因素綜合影響而形成，不僅與氣象因素有關(guān)，還與地質(zhì)、土壤、水利設(shè)施及人類活動(dòng)等因素有關(guān)。水分供應(yīng)對(duì)甘蔗干旱產(chǎn)生直接的影響，尤其在甘蔗伸長(zhǎng)的中后期，如果停止供水（干旱脅迫）一段時(shí)期，不僅甘蔗產(chǎn)量下降，還會(huì)造成成熟期延遲和品質(zhì)變劣，持續(xù)時(shí)間越久，影響越嚴(yán)重（陸國(guó)盈等，2007）。廣西大部分甘蔗種植在旱地上，缺乏灌溉條件，自然降水對(duì)甘蔗干旱形成影響明顯。因此，本研究選取甘蔗生育期無(wú)雨日數(shù)、少雨（日降水量<5 mm）日數(shù)、降水距平百分率和降水量等作為影響因子，利用逐日降水資料分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

1. 4 干旱指標(biāo)構(gòu)建和演變特征分析

分別選取位于廣西不同甘蔗主產(chǎn)區(qū)的來(lái)賓市（興賓區(qū)）、扶綏縣和田東縣作為代表站點(diǎn)，根據(jù)廣西甘蔗歷史干旱災(zāi)害情況，剔除干旱以外其他災(zāi)害年份，利用甘蔗相對(duì)氣象產(chǎn)量與各影響因子進(jìn)行相關(guān)分析和顯著性檢驗(yàn)，選擇相關(guān)性較高的影響因子建立干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)。依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算1961～2010年期間各等級(jí)干旱的發(fā)生頻率，并以20世紀(jì)90年代為界，分別計(jì)算冷期（1961～1990年）和暖期（1991～2010年）兩個(gè)時(shí)期不同等級(jí)干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度變化，最后基于GIS的空間分析功能制作分布圖，分析在氣候變化背景下廣西甘蔗秋季干旱的時(shí)空演變特征。

干旱發(fā)生強(qiáng)度為某時(shí)期干旱年份的平均干旱日數(shù)。干旱發(fā)生頻率計(jì)算公式：

F=N/n

式中，F(xiàn)為干旱發(fā)生頻率，N為某時(shí)期干旱出現(xiàn)的年數(shù)，n為某時(shí)期統(tǒng)計(jì)總年數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2. 1 干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

2. 1. 1 干旱氣象因子的選擇 一般進(jìn)入秋季后廣西各地降雨量開(kāi)始減少，該時(shí)期相比夏季無(wú)雨或少雨日數(shù)顯著增多，與此同時(shí)廣西甘蔗正處于伸長(zhǎng)與糖分積累時(shí)期，如果這個(gè)時(shí)期甘蔗得不到持續(xù)的水分供應(yīng)，將會(huì)對(duì)植株伸長(zhǎng)造成直接影響；而進(jìn)入11月后各地陸續(xù)進(jìn)入甘蔗榨季，此時(shí)適當(dāng)少雨反而有利于甘蔗生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)甘蔗生育期各時(shí)段氣象因子的分析，結(jié)果（表1）表明，甘蔗相對(duì)氣象產(chǎn)量與9～10月的無(wú)雨日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），且相關(guān)性高于同一時(shí)段的其他因子，說(shuō)明9～10月無(wú)雨日數(shù)多少與甘蔗秋季干旱形成情況較為密切，而甘蔗其他生育期時(shí)段內(nèi)各降水相關(guān)因子對(duì)氣象產(chǎn)量影響不顯著（P>0.05）。因此，本研究選取9～10月無(wú)雨日數(shù)作為廣西甘蔗秋季干旱的評(píng)估因子。

2. 3 氣候變化背景下干旱的演變特征

2. 3. 1 干旱頻率變化 20世紀(jì)90年代前后廣西甘蔗不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率變化見(jiàn)圖2。由圖2-1可以看出，1991～2010年相比1961～1990年廣西甘蔗秋季輕度干旱發(fā)生頻率主要呈減少趨勢(shì)，大部地方減少的幅度在0～20%。由圖2-2、圖2-3可以看出，20世紀(jì)90年代以后，廣西甘蔗秋季中度和重度以上干旱發(fā)生的頻率呈增加趨勢(shì)，其中，中度以上干旱發(fā)生頻率的增幅普遍在26%～45%，以桂西和桂南蔗區(qū)增加較明顯；重度以上干旱發(fā)生頻率的增幅普遍在16%～35%，以桂中和桂東北蔗區(qū)增加較明顯?？梢?jiàn)，20世紀(jì)90年代以后，雖然廣西大部蔗區(qū)秋季輕度干旱發(fā)生的頻率降低，但中度和重度以上干旱的發(fā)生頻率卻呈不同程度增加的趨勢(shì)。表明20世紀(jì)90年代以后，廣西大部蔗區(qū)輕度干旱發(fā)生的年份減少，但中度或重度以上干旱發(fā)生的年份增多，某些年份干旱由影響程度較小的輕度等級(jí)向影響程度較大的中度或重度以上等級(jí)轉(zhuǎn)變。

2. 3. 2 干旱強(qiáng)度變化 20世紀(jì)90年代前后廣西甘蔗不同等級(jí)干旱發(fā)生強(qiáng)度變化見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，20世紀(jì)90年代以后廣西甘蔗各等級(jí)秋季干旱發(fā)生的強(qiáng)度大部增強(qiáng)，即該時(shí)期9～10月各等級(jí)干旱年份的平均無(wú)雨日數(shù)在多數(shù)地方呈增加趨勢(shì)，尤其中度和重度以上干旱強(qiáng)度增加比較明顯。中度以上干旱發(fā)生強(qiáng)度的增幅為0.1～5.2 d，其中增幅較大的是廣西中部、西南部和東北部蔗區(qū)，平均無(wú)雨日數(shù)增多2.6～5.2 d；重度以上干旱發(fā)生強(qiáng)度的增幅為0.1～4.8 d，部分蔗區(qū)平均無(wú)雨日數(shù)增多達(dá)2.1～4.8 d。可見(jiàn)，20世紀(jì)90年代以后，除各級(jí)秋季干旱的發(fā)生頻率有變化之外，大部蔗區(qū)各等級(jí)秋季干旱的發(fā)生強(qiáng)度有不同程度增大。

3 討論

本研究結(jié)果表明，近50年來(lái)廣西甘蔗秋季輕度干旱主要發(fā)生在桂西和桂南蔗區(qū)，中度和重度干旱的高發(fā)區(qū)主要位于桂中和桂東北蔗區(qū)，與前人的研究成果（廣西壯族自治區(qū)氣候中心，2007）相符。在氣候變化影響下，廣西大部蔗區(qū)輕度等級(jí)秋季干旱發(fā)生的頻率減少，中度或重度以上干旱發(fā)生頻率增加，表明中度或重度以上干旱發(fā)生的年份增多，某些年份干旱由輕度向中度或重度以上等級(jí)轉(zhuǎn)變；各等級(jí)干旱發(fā)生的強(qiáng)度均有不同程度增強(qiáng)的趨勢(shì)，尤其是中度和重度以上干旱發(fā)生強(qiáng)度增大較明顯，表明秋季干旱對(duì)甘蔗生產(chǎn)的影響程度加重，與龍國(guó)夏等（1994）研究認(rèn)為我國(guó)未來(lái)部分蔗區(qū)降水量將減少，干旱威脅加重的結(jié)論一致。

隨著氣候條件的改變，廣西甘蔗秋季干旱主要表現(xiàn)為中度及重度以上干旱發(fā)生年份的比例總體升高，干旱年份平均無(wú)雨日數(shù)呈總體增加的趨勢(shì)。分析其原因是20世紀(jì)90年代以后由于全球氣候變暖，廣西一些地區(qū)秋季降雨減少，尤其每年9～10月期間廣西甘蔗處于伸長(zhǎng)和糖分積累時(shí)期，一些年份此期間無(wú)雨日數(shù)持續(xù)增多，導(dǎo)致甘蔗中度和重度以上干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度均呈不同程度增加和加重趨勢(shì)。本研究探討了氣候變化背景下廣西甘蔗秋季不同干旱等級(jí)發(fā)生頻率和發(fā)生強(qiáng)度的變化，得到廣西甘蔗秋季干旱的演變特征，對(duì)于合理利用降水資源，科學(xué)安排甘蔗田間灌溉和人工增雨作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。但由于目前收集到的資料有限，本研究主要選擇不同甘蔗主產(chǎn)區(qū)為代表，用于構(gòu)建指標(biāo)的站點(diǎn)較少；另外，進(jìn)行干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)定時(shí)，主要考慮影響甘蔗干旱的直接因子，因此，對(duì)于甘蔗秋季干旱的評(píng)價(jià)指標(biāo)有待進(jìn)一步研究和完善。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在氣候變化背景下，1991～2010年相比1961～1990年，廣西蔗區(qū)秋季中度和重度以上等級(jí)干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度呈不同程度升高和增強(qiáng)的趨勢(shì)，甘蔗秋季中度或重度以上干旱發(fā)生的年份增多，在某些年份秋季干旱的日數(shù)增加，秋季干旱對(duì)甘蔗生產(chǎn)的影響程度加重。

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（責(zé)任編輯 麻小燕）