基于GIS下的旱地馬鈴薯干旱風險區(qū)劃技術(shù)探討

岳淑蘭　王有毅

【摘? ?要】 通過榆中縣馬鈴薯逐年減產(chǎn)率與實測資料計算出的馬鈴薯不同生育時段的農(nóng)田蒸散量進行線性回歸分析，建立干旱監(jiān)測模型。以減產(chǎn)率農(nóng)業(yè)干旱指標等級⑴為標準，通過干旱監(jiān)測模型計算出馬鈴薯的農(nóng)田蒸散量農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)，用此指數(shù)統(tǒng)計馬鈴薯不同生育時段干旱等級的發(fā)生概率，用Pearson-Ⅲ頻次密度函數(shù)⑵統(tǒng)計出馬鈴薯全生育期不同重現(xiàn)期的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)減產(chǎn)率，最后利用GIS空間分析模塊繪制馬鈴薯干旱等級概率分布圖、不同重現(xiàn)期下的減產(chǎn)率分布圖、不同干旱等級風險區(qū)劃圖。

【關(guān)鍵詞】 減產(chǎn)率;農(nóng)田蒸散量;干旱監(jiān)測模型;農(nóng)業(yè)干旱指數(shù);風險區(qū)劃圖

Discussion on the risk zoning of potato drought in dry land

based on GIS

Yue Shulan? ?Wang Youyi

（Yuzhong County Meteorological Bureau? ?730100）

[Abstract] Based on the linear regression analysis of potato yield reduction and measured potato evaporation at different growth periods in Yuzhong County， a drought monitoring model was established. Based on the agricultural drought index grade 1 of yield reduction rate， the agricultural drought index of potato field evaporation was calculated by drought monitoring model， and the occurrence probability of potato drought grade in different growth periods was calculated by using this index. The probability distribution map of potato drought grade was drawn by using Pearson- III frequency density function 2 to calculate the yield reduction rate of potato in different recurrence periods during the whole growth period. Finally， the probability distribution map of potato drought grade was drawn by using GIS spatial analysis module. Different reappearance The distribution map of yield reduction rate and the risk zoning map of different drought grades.

[Keywords] production rate; evapotranspiration of farmland; drought monitoring model; agricultural drought index; risk zoning

榆中縣是半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)大縣，極適宜種植馬鈴薯，但榆中境內(nèi)年降雨量300mm～400mm，蒸發(fā)量卻高達1450mm，十年九旱，特別是春季干旱，常常造成馬鈴薯缺苗、產(chǎn)量低而不穩(wěn)、商品率低，干旱成為當?shù)睾底鞑擞脙?yōu)質(zhì)馬鈴薯生產(chǎn)的主要制約因素。多年來，縣級氣象部門在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展旱作地段0-50厘米旬土壤墑情觀測，并逐步安裝了自動土壤水分觀測站，因此充分利用好現(xiàn)有資源，進行旱地馬鈴薯干旱監(jiān)測，利用先進的GIS空間分析功能進行旱地馬鈴薯干旱風險區(qū)劃， 為政府部門指導當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，從而有效防御干旱對馬鈴薯生產(chǎn)的影響具有重要意義，而且這種區(qū)劃制作技術(shù)對其它農(nóng)作物與致災(zāi)種類的風險區(qū)劃也具有一定的指導作用。

1? 資料來源與處理

馬鈴薯種植面積、產(chǎn)量等資料取自榆中縣統(tǒng)計局，資料年代為33a（1980-2012年）;工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、農(nóng)村人口、土地總面積、年初耕地面積、年末耕地面積等資料取自榆中縣統(tǒng)計局，資料年代為10a（2002-2012年）;土壤墑情資料來自三角城、馬坡、貢井、上花、新營、園子等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤墑情觀測點，資料年代11a（2002-2012年）。地理數(shù)據(jù)為榆中縣1： 5 萬經(jīng)度和緯度及柵格數(shù)據(jù)及數(shù)字高程（DEM）資料。

2? 研究技術(shù)方法

通過拉個郎日插值法計算馬鈴薯減產(chǎn)率與農(nóng)田蒸散量進行相關(guān)分析，確定農(nóng)田蒸散量為致災(zāi)因子，運用物理學統(tǒng)計方法建立減產(chǎn)率為因變量、農(nóng)田蒸散量為自變量的干旱監(jiān)測模型。

以國家規(guī)定的減產(chǎn)率農(nóng)業(yè)干旱指標等級劃分為標準，通過建立的干旱監(jiān)測模型計算馬鈴薯全生育期及生長期不同月份對應(yīng)的農(nóng)田蒸散量農(nóng)業(yè)干旱指標。

根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同時段農(nóng)田蒸散量與農(nóng)田蒸散量農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)，統(tǒng)計馬鈴薯生長期各時段（4-9月）不同干旱等級的發(fā)生概率，應(yīng)用GIS空間分析模塊繪制概率分布圖。

用Pearson-Ⅲ頻次密度函數(shù)統(tǒng)計出馬鈴薯全生育期重現(xiàn)期為3年、5年、10年時的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)減產(chǎn)率，利用GIS的空間分析模塊繪制各重現(xiàn)期下的減產(chǎn)率分布圖。

在GIS中以減產(chǎn)率為數(shù)據(jù)矢量圖層，應(yīng)用空間用加權(quán)綜合與層次分析法，繪制出高風險區(qū)、次高風險區(qū)、中等風險區(qū)、次低風險區(qū)和低風險區(qū)等不同干旱等級風險區(qū)劃圖。

2.1? 干旱監(jiān)測模型建立

考慮到作物產(chǎn)量與水分供應(yīng)有直接關(guān)系，而且榆中縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)建均有土壤墑情觀測點，各墑情點資料能夠反映榆中縣不同地理氣候區(qū)域的旱地土壤水分變化，因此用土壤水分平衡方程⑶計算農(nóng)田蒸散量，根據(jù)馬鈴薯各發(fā)育期分別建立氣象產(chǎn)量、減產(chǎn)率與農(nóng)田蒸散量的關(guān)系模型，確定出干旱對馬鈴薯產(chǎn)量的影響。

2.1.1? 減產(chǎn)率計算? 根據(jù)宮德吉⑷等提出將最優(yōu)氣候條件下期望產(chǎn)量作為上包絡(luò)產(chǎn)量，當?shù)貙嶋H產(chǎn)量作為下包絡(luò)產(chǎn)量，二者之差為氣候因素引起的減產(chǎn)率，用榆中縣三角城鄉(xiāng)1980-2012年的馬鈴薯產(chǎn)量資料、災(zāi)情資料，將基本無災(zāi)年的產(chǎn)量作為相應(yīng)年份的“期望產(chǎn)量”，用拉格郎日插值方法得到其它年份的期望產(chǎn)量。對于個別基本無災(zāi)，但產(chǎn)量明顯偏小于前期無災(zāi)年的產(chǎn)量時予以剔除，主要原因是該年產(chǎn)量選取后，插值計算會破壞趨勢產(chǎn)量正常的上升趨勢。計算出的三角城鄉(xiāng)歷年減產(chǎn)率分布圖如圖1所示。

利用下式計算出氣象產(chǎn)量與減率進行關(guān)聯(lián)度、差異性分析，對計算出的減產(chǎn)率準確性進行驗證。

氣象產(chǎn)量=實際產(chǎn)量-趨勢產(chǎn)量

其中趨勢產(chǎn)量用9階正交多項式擬次麥夸特法⑸計算出，擬合結(jié)果的F檢驗值為11.1389，P值0.0，R2值0.8134，通過了信度95%驗證。

關(guān)聯(lián)度分析：應(yīng)用灰色系統(tǒng)分析法⑹對計算的氣象產(chǎn)量、減產(chǎn)率進行關(guān)聯(lián)度分析。在進行關(guān)聯(lián)度分析時對數(shù)據(jù)進行了均值化（用各序列的平均值分別去除對應(yīng)序列中的各個原始數(shù)據(jù)），取Dmin=0，ρ（分辨系數(shù)）=0.1。經(jīng)分析，計算出的減產(chǎn)率、氣象產(chǎn)量關(guān)聯(lián)系數(shù)為1。

趨勢變化分析：由于計算的氣象產(chǎn)量與減產(chǎn)率的量綱不同，且氣象產(chǎn)量變幅較大，為了便于分析比較，對數(shù)據(jù)進行了標準化處理，即將各序列數(shù)據(jù)的平均值和標準差，然后用各原始數(shù)據(jù)減去平均值后再除以標準差。由于氣象產(chǎn)量與氣候條件呈正相關(guān)，而減產(chǎn)率與氣候條件呈反相關(guān)，為便于比較，減產(chǎn)率做反值處理。繪制出的趨勢圖如圖2所示。

通過以上分析可知，減產(chǎn)率與氣象產(chǎn)量具有完全的一致性和相同的時間變化趨勢。

由于榆中縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)海拔高度差異大，根據(jù)榆中縣地理分布特征，將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分為三大區(qū)域，分別為川源地帶、北山區(qū)和南山區(qū)，各區(qū)域具有相似氣候特征，因此用拉格朗日插值法計算減產(chǎn)率時，也按三大區(qū)域分別計算各區(qū)域的期望產(chǎn)量，再用各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實產(chǎn)計算出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的減產(chǎn)率。

2.1.2 致災(zāi)因子選取? 考慮到作物產(chǎn)量與水分供應(yīng)有直接關(guān)系，而且榆中在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)測墑情點資料能夠反映榆中縣不同地理氣候區(qū)域的旱地土壤水分變化，通過土壤水分平衡方程，確定出了以0-30cm土壤深度層計算的農(nóng)田蒸散量為致災(zāi)因子。

農(nóng)田土壤水分平衡是指某一時段內(nèi)某一土壤容積中進入的水分與流出的水分之間的差額，運用水量平衡方程⑺可描述為：

W2—W1= （R +I+G）一（T+ E + r+ B + D）

式中R為該時段的降水量，G為毛管上升水量， I為灌水量，E為土壤蒸發(fā)量，T為作物蒸騰量， r為地表逕流量，B為作物截流量，D 為滲漏量，W1和W2 分別為開始和結(jié)束時土壤水分貯存量。

根據(jù)土壤水分平衡方程可知，影響農(nóng)田蒸散量的因子中，水分下滲量和毛管水上升量在土層>1m時，可以忽略不計，而榆中縣各墑情點測量深度為0-30cm，直接用0-30cm深度的土壤墑情資料分析時，必然要考慮下滲量與毛管水上升量的影響，由于每旬測定土壤濕度，間隔時間短，以發(fā)育期為階段計算實際蒸散量時對每旬進行累加，則該旬下滲量在其后幾旬中上升至0-30cm土層內(nèi)并通過土壤濕度反映出來，故計算旬蒸散量時可以忽略不計。洛曼諾娃E.H⑵提出日降水量>70mm時不同坡度、土壤濕度農(nóng)田將產(chǎn)生地表徑流，經(jīng)統(tǒng)計榆中縣1980-2012年的降水資料，日降水量>70mm時過程只出現(xiàn)過兩次，分別為98.1mm和73.2mm;根據(jù)黃土高原地區(qū)徑流系數(shù)研究結(jié)果⑻，按日降水量≥40mm產(chǎn)生徑流分析，榆中1980-2012年日降水量≥40mm的日數(shù)僅有10次，因此忽略徑流量對計算的農(nóng)田蒸散量影響極小，也可以忽略不計，作物截流量同時忽略，因旱地段灌水量也忽略不計，而農(nóng)田蒸量ET=E+T，所以上式可以簡化為：

ET=W2-W1-R

按照簡化后的農(nóng)田蒸散量計算公式，計算出三角城鄉(xiāng)0-30cm、 0-50cm、0-100cm的4-9月農(nóng)田蒸散量（23個樣本）進行相關(guān)分析與回歸檢驗，結(jié)果見表1。

通過表1可見不同深度層間具有極顯著的相關(guān)，回歸擬合誤差較小，回歸方程均通過了95%信度檢驗，證明農(nóng)田中的降水滲漏量和毛管上升水對農(nóng)田蒸散量的影響極小，簡化計算的0-30cm農(nóng)田蒸散量可以代表實際的農(nóng)田蒸散量。

對三角城鄉(xiāng)4-9月的0.-30CM農(nóng)田蒸散量與馬鈴薯減產(chǎn)率、氣象產(chǎn)量進行相關(guān)分析，結(jié)果見表2。

從表2看出，0.-30CM農(nóng)田蒸散量與馬鈴薯產(chǎn)量的形成具有較高的相關(guān)性，因此可以作為致災(zāi)因子。

2.1.3 干旱監(jiān)測模型建立? 應(yīng)用線性回歸統(tǒng)計方法，根據(jù)三角城鄉(xiāng)馬鈴薯減產(chǎn)率與不同月份的0-30CM農(nóng)田蒸散量建立了播種至收獲期間不同月份的干旱監(jiān)測模型，干旱監(jiān)測模型方差檢驗值見表3。

式中X1-X6分別為4-9月的逐月0.-30CM農(nóng)田蒸散量，Y為減產(chǎn)率。

播種至5月28日：Y =47.492908-284.503521/X1

播種至6月28日：Y=90.3036353+1.3535747337*X1-1.6281617603*X2-3.0479257427*X3-0.013313783190*X2*X2+0.019959288882*X3*X3+0.04665962913*X2*X3

播種至7月28日：Yd=65.1903022-2.9239896144*X2-0.009199904393*X2*X2+0.006128580210*X3*X3+0.005938625712*X1*X4+0.024194015036*X2*X3+0.027248009584*X2*X4-0.016159483691*X3*X4

播種至8月28日：Y=51.4442361-2.8479836794*X1-0.007534709662*X5*X5+0.04412172163*X1*X5+0.0028891793630*X2*X3+0.004720473206*X2*X5+0.0023599300869*X4*X5

播種至9月28日：Y=8.72529353-2.2270598240*X1+3.0144819603*X3-1.3118818118*X4+0.9990298196*X6-0.006633937094*X6*X6+0.030469406838*X1*X6+0.009637967277*X2*X5-0.012393874837*X2*X6-0.04329568763*X3*X6+0.017753119147*X4*X6

從表3可以看出，除播種至6月28日的回歸方程未通過顯著性檢驗外，其它方程均通過了90%信度的顯著性檢驗，特別是播種至9月28日的回歸方程為馬鈴薯全生育期的監(jiān)測模型，不僅通過了信度95%的顯著性檢驗，決定系數(shù)高達0.96，反映出了干旱監(jiān)測模型較高的可用性。

2.2? 不同干旱等級的概率分布圖制作

根據(jù)三角城鄉(xiāng)減產(chǎn)率與農(nóng)田蒸散量，建立馬鈴薯生長期各月的線型回歸模型，結(jié)合統(tǒng)計出的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)逐年減產(chǎn)率反算出各月、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)田蒸散量，以前面建立的線型回歸模型為基準，國家規(guī)定的減產(chǎn)率農(nóng)業(yè)干旱指標等級劃分（見表4）為標準，以農(nóng)田蒸散量為因變量，減產(chǎn)率為自變量計算出馬鈴薯生長期不同月份對應(yīng)的農(nóng)田蒸散量農(nóng)業(yè)干旱指，如表5所示。

2.3? 基于GIS下的榆中縣馬鈴薯干旱概率分布圖制作

根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)33年的馬鈴薯減產(chǎn)率，結(jié)合“農(nóng)田蒸散量農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)等級劃分”指標，計算出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)馬鈴薯全生育期（4-9月）減產(chǎn)率達到輕旱級及其以上級別出現(xiàn)的總概率和總次數(shù)，通過GIS制作的干旱概率分布圖見圖3所示。

2.4? 基于GIS下的馬鈴薯不同重現(xiàn)期下干旱等級分布圖制作

通過各鄉(xiāng)鎮(zhèn)33年的馬鈴薯減產(chǎn)率，利用Pearson-Ⅲ頻次密度函數(shù)統(tǒng)計出馬鈴薯全生育期重現(xiàn)期為3年、5年、10年時，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)減產(chǎn)率可能出現(xiàn)的最大減產(chǎn)率，繪制出各重現(xiàn)期下的最大減產(chǎn)率分布圖，如圖4-圖6所示。

2.5? 干旱風險區(qū)劃

由于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)馬鈴薯種植面積不同，即時各鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭遇干旱時的等級不同，但造成的經(jīng)濟損失會出現(xiàn)明顯差異，因此通過各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的馬鈴薯種植面積、減產(chǎn)率以加權(quán)綜合與層次分析法，繪制不同干旱等級風險區(qū)劃圖，劃分出高風險區(qū)、次高風險區(qū)、中等風險區(qū)、次低風險區(qū)和低風險區(qū)等五個風險區(qū)，分別如圖7-圖11所示。

3? 結(jié)果與討論

以統(tǒng)計確立的農(nóng)田蒸散量農(nóng)業(yè)干旱等級指數(shù)建立的馬鈴薯減產(chǎn)率監(jiān)測模型，由于充分應(yīng)用了當前氣象部門在縣級行政區(qū)域建立的自動土壤水分站和人工測墑資料，在馬鈴薯的不同生長發(fā)育期能夠開干旱展監(jiān)測和預(yù)警，對于指導安排當?shù)伛R鈴薯種植和田間管理發(fā)揮重要作用。

由3年、5年、10年一遇干旱等級分布圖可看出，3年重現(xiàn)期下出現(xiàn)特旱等級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要為北部山區(qū)，而5年、10年重現(xiàn)期下出現(xiàn)特旱等級的鄉(xiāng)鎮(zhèn)除北部山區(qū)外，其范圍增大到東部至東南部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，而且3年以上重現(xiàn)期下，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)干旱的等級基本都在重旱以上，這充分說明了干旱對榆中縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)馬鈴薯產(chǎn)量影響之大，是造成榆中縣馬鈴薯產(chǎn)量較低的關(guān)鍵氣象因子。

制作出的風險區(qū)劃圖經(jīng)實地調(diào)研，區(qū)劃結(jié)果與實況完全一致。

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