基于SPEI的廣西甘蔗生育期干旱時空演變特征分析

陳燕麗，蒙良莉，黃肖寒，莫建飛，馮利平

基于SPEI的廣西甘蔗生育期干旱時空演變特征分析

陳燕麗1,2，蒙良莉3，黃肖寒4，莫建飛2，馮利平1※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2. 廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，南寧 530022；3. 南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧 530001；4. 廣西河池市氣象局，河池 547000）

干旱是影響甘蔗生產(chǎn)最嚴重的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，在氣候變化背景下，甘蔗生育期干旱時空演變特征對于蔗糖生產(chǎn)的防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。該文以中國甘蔗主產(chǎn)區(qū)廣西為研究區(qū)，利用1971－2017年氣溫和降水量數(shù)據(jù)，采用標準化降水蒸散指數(shù)SPEI（standardized precipitation evapotranspiration index）作為干旱指標，在充分驗證其對干旱監(jiān)測適用性的基礎(chǔ)上，以甘蔗不同生育期為時間尺度，同時考慮研究區(qū)甘蔗播種期差異，分析廣西甘蔗不同種植區(qū)各等級干旱時空演變特征及規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）利用SPEI可以較客觀的反映甘蔗生育期干旱。SPEI與甘蔗種植區(qū)典型干旱事件的時間、強度吻合度較高，甘蔗各生育期及全生育期SPEI與不同深度的土壤濕度多呈顯著相關(guān)，多數(shù)通過了0.01水平的顯著性水平檢驗。2）1971－2017年，甘蔗各個生育期多呈干旱化趨勢。其中，分蘗期干旱化趨勢最強，苗期次之，莖伸長期干旱化趨勢最弱，工藝成熟期呈濕潤化的變化趨勢。3）甘蔗不同生育期干旱周期變化明顯。在10～15 a時間尺度上，多有4～6個干-濕循環(huán)，5 a時間尺度下則有更多的干-濕循環(huán)交替，相較于分蘗期和工藝成熟期，莖伸長期、苗期周期變化更明顯。4）甘蔗各個生育期干旱空間分布特征差異較大。甘蔗工藝成熟期干旱發(fā)生頻率最高，分蘗期干旱最低，莖伸長期和苗期相當。甘蔗各個生育期均以輕旱為主，重旱和特旱發(fā)生頻率較低，其中莖伸長期和工藝成熟期中旱頻率明顯高于其他生育期。對于甘蔗苗期和莖伸長期，桂北地區(qū)干旱發(fā)生頻率高于其他地區(qū)，而對于分蘗期和工藝成熟期，桂中地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高。

甘蔗；干旱；標準化降水蒸散指數(shù)；時空演變；生育期

0 引 言

甘蔗是制糖的重要原料，蔗糖產(chǎn)業(yè)是中國南方地區(qū)的重要經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一。廣西是中國最大的甘蔗生產(chǎn)基地，從2006年開始其蔗糖產(chǎn)量占全國比例均超過60%。干旱是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)生頻率最高、影響范圍和程度最大的一種自然災(zāi)害。盡管廣西是中國年降水量最豐富省份之一，但因廣西地處東亞季風區(qū)域，受季風影響，降水時空分布不均勻，季節(jié)性干旱頻繁發(fā)生。事實上，旱災(zāi)已成為影響廣西甘蔗生產(chǎn)最頻繁、范圍最廣、損失最嚴重的自然災(zāi)害之一。龍國夏等[1]在20世紀90年代研究中指出，未來部分地區(qū)降水量將減少，干旱威脅將加重，在氣候變化背景下，甘蔗生育期干旱時空演變特征對于蔗糖生產(chǎn)的防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

事實上，農(nóng)業(yè)干旱演變問題已引人關(guān)注，現(xiàn)已有較多文獻對玉米[2-4]、冬小麥[5-6]、水稻[7-9]等農(nóng)作物的干旱時空變化特征進行研究且研究時間尺度已細化至作物的各個生育期[9-13]。從2015年開始，相關(guān)學(xué)者開展了甘蔗生育期干旱時空演變研究。莫建飛等[14]利用1961－2010年降雨量和日降雨量小于5 mm日數(shù)構(gòu)建干旱指標分析了廣西甘蔗萌芽分蘗期干旱等級空間分布。陸耀凡等[15]利用1971－2013年逐日降水量資料計算水分盈虧指數(shù)，分析廣西右江河谷甘蔗生長季干旱時空特征。盧小鳳等[16]利用1961－2010年9－10月無雨日數(shù)分析了廣西甘蔗秋季旱頻率、強度的時空變化特征。上述有關(guān)甘蔗生育期干旱特征研究采用的指標僅考慮了降水因素，沒有考慮氣溫變化帶來的影響。而已有諸多研究證明，在全球氣候變化背景下，氣溫升高已成為加劇干旱過程的重要因子之一[17]。此外，除了萌芽分蘗期外，鮮見針對甘蔗其他生育期干旱特征的研究報道。

標準化降水蒸散指數(shù)SPEI綜合考慮了氣溫和降水的共同效應(yīng)，且其具有多時間尺度的特征，其自2009年提出以來就得到了廣泛的關(guān)注，已被證明是適用于監(jiān)測作物[18-23]干旱較為理想的工具。相關(guān)學(xué)者利用該指數(shù)開展了玉米[24-26]、小麥[27-30]等作物的干旱特征研究，但目前鮮見基于該指標甘蔗生育期干旱特征方面的研究報道。盡管目前已有學(xué)者利用SPEI開展了中國甘蔗主產(chǎn)省份干旱發(fā)生頻率、空間分布、周期及變化趨勢的研究[31-34]，但由于其分析時間尺度為季度或年，而非甘蔗生育期，在應(yīng)用于甘蔗生產(chǎn)指導(dǎo)時缺乏針對性。因此，本文以標準化降水蒸散指數(shù)作為干旱指標，在充分驗證其對甘蔗生育期干旱監(jiān)測適用性的基礎(chǔ)上，以甘蔗不同生育期為時間尺度，同時考慮研究區(qū)甘蔗播種期差異，分析廣西甘蔗不同種植區(qū)各種等級干旱時空演變特征及變化規(guī)律，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)對氣候變化的能力提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)地處中國南部低緯度地區(qū)，位于104°26′～112°04′E，20°54′～26°24′N，南北以賀州——東蘭一線為界，此界以北屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，以南屬南亞熱帶季風氣候區(qū)。全區(qū)年平均氣溫16.5～23.1 ℃，年降水量均在1 070 mm以上，大部分地區(qū)為1 500～2 000 mm。全區(qū)氣候溫暖，熱量豐富，降雨豐沛，干濕季分明，日照適中，冬少夏多。地貌總體是山地丘陵性盆地地貌，呈盆地狀，喀斯特地貌分布廣泛。甘蔗種植區(qū)主要分布在丘陵盆地和半山區(qū)坡地，屬于雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)。根據(jù)農(nóng)業(yè)氣候特征和播種期的相似性，將研究區(qū)劃分為3個甘蔗種植區(qū)（圖1）：桂南地區(qū)、桂中地區(qū)、桂北地區(qū)。

圖1 廣西甘蔗種植分區(qū)及氣象站點分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心，包括1971－2017年研究區(qū)90個氣象站點逐日氣溫和降水量、14個農(nóng)業(yè)氣象觀測站甘蔗生長狀況觀測記錄年報表、土壤水分觀測資料、廣西旱澇監(jiān)測公報及災(zāi)情統(tǒng)計資料。

1.3 甘蔗種植區(qū)劃定

甘蔗生育期劃分成4個階段：苗期、分蘗期、莖伸長期、成熟收獲期。由于氣候特征的差異性，廣西境內(nèi)甘蔗播種期具有一定的時差，甘蔗生育期也有較大不同，桂南地區(qū)一般在3月上旬開始播種，5月進入分蘗期，11月上旬進入工藝成熟期；桂中地區(qū)一般在3月中旬播種，5月中旬開始分蘗，11月中旬進入工藝成熟期；桂北地區(qū)，由于受氣候條件的限制，甘蔗種植較少，只有零星種植，一般在3月下旬播種，5月下旬開始分蘗，11月下旬才進入工藝成熟期。各個地區(qū)甘蔗生長發(fā)育時間見表1。

表1 廣西各分區(qū)甘蔗生育期概況

1.4 方法

1.4.1 干旱指數(shù)

標準化降水蒸散指數(shù)SPEI是綜合考慮降水量和蒸散影響的干旱指數(shù)，具有多時間尺度的特征，可以反映不同時間尺度和地區(qū)的干旱年際變化，利用月平均均氣溫和月總降水量數(shù)據(jù)可以計算SPEI值，其計算步驟參見文獻[19]。干旱劃分等級參照國際上通用的SPEI指數(shù)干旱等級劃分標準[28]，劃分為5個等級：無旱、輕旱、中旱、重旱、特旱（表2）。

表2 標準化降水蒸散指數(shù)SPEI干旱等級劃分

干旱頻率表示干旱發(fā)生頻繁程度，即干旱發(fā)生年數(shù)與總資料年之比，逐年統(tǒng)計各站點甘蔗全生育期內(nèi)干旱的級別和次數(shù)，得到各站點作物不同干旱等級的發(fā)生頻率

<

式中為1971—2017年各站點相應(yīng)干旱等級的總次數(shù)，為總年數(shù)。

分別統(tǒng)計甘蔗苗期、分蘗期、莖伸長期、成熟收獲期不同生育期不同干旱等級的發(fā)生頻率。廣西桂南地區(qū)甘蔗苗期主要對應(yīng)于3－4月，因此其干旱特征以4月份2個月尺度的SPEI表示（4月SPEI-2），分蘗期主要對應(yīng)于5月，以5月份1個月尺度的SPEI表示（5月SPEI-1），莖伸長期主要對應(yīng)于6－10月，以10月份5個月尺度的SPEI表示（10月SPEI-5），依次類推。不同甘蔗種植區(qū)各個生育期干旱SPEI表征值分為：對于桂南和桂中地區(qū)，苗期4月SPEI-2，分蘗期5月SPEI-1，莖伸長期10月SPEI-5，工藝成熟期11月SPEI-1，全生育期11月SPEI-9；對于桂北地區(qū)，苗期5月SPEI-2，分蘗期6月SPEI-1，莖伸長期11月SPEI-5，工藝成熟期11月SPEI-1，全生育期11月SPEI-9。

通過統(tǒng)計甘蔗不同生育期干旱等級發(fā)生頻率并利用GIS軟件進行空間推算插值，分析甘蔗各個生育期干旱空間分布特征。

1.4.2 氣候傾向率

利用一元線性回歸計算甘蔗種植區(qū)SPEI氣候傾向率[35]，分析甘蔗種植區(qū)不同生育期的干旱變化趨勢。一元線性回歸方程計算公式為

=+(=1,2,3,…,) （2）

式中表示樣本量為的SPEI；表示與對應(yīng)的年序；為回歸系數(shù)，以的10倍（即10）作為SPEI的氣候傾向率。

1.4.3 小波分析

小波分析是一種時頻多分辨率分析方法，具有時頻局部化功能，可以對函數(shù)和信號序列進行多尺度細化分析，以分析不同尺度（周期）隨時間的演變情況，其分析方法參見文獻[36]。本研究選用非正交的Morlet小波作為基函數(shù)對SPEI時間序列進行連續(xù)小波變換，分析甘蔗種植區(qū)SPEI的各種時間周期強弱和分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 標準化降水蒸散指數(shù)SPEI檢驗

2.1.1 甘蔗種植區(qū)典型干旱事件對SPEI指數(shù)的核準

農(nóng)業(yè)氣象試驗站甘蔗典型干旱事件與同期SPEI進行核準（表3），SPEI與干旱事件的時間和強度吻合度較高。例如，在廣西旱澇監(jiān)測公報中記錄為“2004年8月1日至12月31日，全區(qū)大部比常年同期偏少10%～70%，比常年同期偏少40%，偏少程度居1951年歷史同期的第2位。長時間的少雨天氣，導(dǎo)致大部地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)干旱”，經(jīng)查，河池8－12月、隆林10－12月、都安8－12月、沙塘8－12月、百色8－10月、天等9－12月、來賓8－12月、貴港8－12月、扶綏8－11月的SPEI值均達輕旱至重旱等級。又例如，在廣西旱澇監(jiān)測公報中記錄為“2009年8月1日至12月31日，全區(qū)平均降水量284.2 mm，比常年同期偏少40%，偏少程度居1951年以來同期的第2位，降水持續(xù)偏少導(dǎo)致廣西出現(xiàn)夏秋冬連旱。據(jù)廣西防汛抗旱指揮部辦公室9月10日統(tǒng)計，廣西14個市82個縣（市、區(qū)）的60.91萬hm2受旱，其中輕旱34.8萬hm2、重旱23.5萬hm2”，經(jīng)查，河池8－12月、隆林8－12月、都安8－12月、沙塘9－12月、百色8－12月、天等8－12月、平果8－12月、來賓8－12月、貴港8－12月、扶綏8－12月的SPEI值達輕旱至重旱等級。SPEI與災(zāi)情資料較相符。

表3 甘蔗種植區(qū)典型干旱事件與同期SPEI核準

2.1.2 土壤濕度對SPEI指數(shù)的驗證

SPEI指數(shù)與土壤濕度的相關(guān)性分析結(jié)果（表4）表明，除了分蘗期與40、50 cm土壤濕度，莖伸長期與50 cm土壤濕度相關(guān)性不顯著外，甘蔗各生育期、全生育期SPEI與不同深度的土壤濕度相關(guān)系數(shù)多數(shù)通過了顯著性檢驗（＜0.05），但莖伸長期與10、20 cm土壤濕度的顯著性（＜0.05）稍弱于30、40 cm（＜0.01）。甘蔗工藝成熟期SPEI與土壤濕度的相關(guān)性最明顯，相關(guān)系數(shù)0.40～0.61，莖伸長期兩者相關(guān)性不明顯，相關(guān)系數(shù)0.14～0.26。對于甘蔗各個生育期，其SPEI與淺層土壤濕度的相關(guān)性要高于深層的土壤濕度。

表4 SPEI與土壤濕度相關(guān)性

注：**表示通過0.01顯著性檢驗，*表示通過0.05顯著性檢驗。

<

Note:**means pass the significant test of 0.01,*means pass the significant test of 0.05.

2.2 甘蔗各生育期干旱時間變化規(guī)律

圖2為1971—2017年廣西甘蔗各生育期SPEI變化，對于甘蔗苗期，干旱呈波動增強趨勢，且桂南地區(qū)干旱增強趨勢最明顯，桂北、桂中、桂南地區(qū)SPEI傾向率分別為–0.037/10 a、–0.039/10 a、–0.084/10 a。干旱主要以輕旱為主，僅2015年桂南地區(qū)達中旱水平（SPEI<–1.5）。小波分析結(jié)果表明，在30 a左右時間尺度上，桂北、桂南地區(qū)有較明顯的干-濕交替，桂中地區(qū)不明顯；在10～15 a時間尺度上，3個地區(qū)甘蔗苗期干旱周期震蕩非常明顯，經(jīng)歷了6～7個明顯的干-濕循環(huán)；5 a時間尺度下周期振蕩更頻繁，有更多的干-濕循環(huán)。桂北地區(qū)干旱空間差異性大，桂中、桂南地區(qū)干旱空間分布較一致，空間差異性較小。

對于甘蔗分蘗期，干旱呈波動增強趨勢，且桂南地區(qū)干旱增強趨勢最明顯，桂北、桂中、桂南地區(qū)SPEI傾向率分別為–0.075/10 a、–0.068/10 a、–0.11/10 a。對于桂北和桂中地區(qū)，甘蔗分蘗期干旱鮮少發(fā)生且旱情較輕，1971－2017年僅發(fā)生了4次輕旱，桂中地區(qū)3次，而桂南地區(qū)發(fā)生了11次且旱情較明顯。小波分析結(jié)果表明，在20 a左右時間尺度上，3個地區(qū)均經(jīng)歷了3個明顯的干-濕循環(huán)；在10 a時間尺度上，分蘗期干旱周期震蕩非常明顯，經(jīng)歷了6個明顯的干-濕循環(huán)；5 a時間尺度下周期振蕩更頻繁，有更多的干-濕循環(huán)交替。桂北、桂中地區(qū)分蘗期干旱空間差異性大于桂南地區(qū)。

對于甘蔗莖伸長期，桂北和桂南地區(qū)干旱呈波動增強趨勢，SPEI傾向率均為–0.023/10 a、–0.022/10 a，桂中蔗區(qū)呈波動減弱趨勢，SPEI傾向率為0.033/10 a。桂北、桂南地區(qū)甘蔗莖伸長期以輕旱為主，桂中地區(qū)以輕旱、中旱為主。小波分析結(jié)果表明，在15 a左右時間尺度上，3個地區(qū)干旱周期震蕩非常明顯，經(jīng)歷了4～5個明顯的干-濕循環(huán)；5 a及以下時間尺度下周期振蕩更頻繁，有更多的干-濕循環(huán)交替。3個區(qū)莖伸長期干旱空間差異性均較大。

對于甘蔗成熟期，干旱呈波動減弱趨勢，桂北、桂中、桂南地區(qū)SPEI傾向率分別為0.046/10 a、0.085/10 a、0.072/10 a。甘蔗工藝成熟期以輕旱為主，，僅桂北地區(qū)2009和2011年，桂南地區(qū)1980和2003年達到中旱程度。小波分析結(jié)果表明，在20 a左右時間尺度上，3個地區(qū)干旱周期震蕩非常明顯，經(jīng)歷了4個明顯的干-濕循環(huán)；在10 a時間尺度，桂中地區(qū)干旱周期明顯，經(jīng)歷了6個明顯的干-濕循環(huán)；5 a及以下時間尺度3個地區(qū)下周期振蕩更頻繁，有更多的干-濕循環(huán)交替。桂中地區(qū)干旱空間差異性明顯大于桂北、桂南地區(qū)。

對于甘蔗全生育期，桂北、桂南地區(qū)干旱呈波動增強趨勢，SPEI傾向率分別為–0.06/10 a、0.07/10 a，桂中地區(qū)變化趨勢不明顯，SPEI傾向率為0。甘蔗全生育期以輕旱為主，桂北地區(qū)2007年、2011年；桂中地區(qū)1984、1991、2003、2011年；桂南地區(qū)1989、1992年達中旱水平。小波分析結(jié)果表明，桂北地區(qū)在25 a左右時間尺度，桂中、桂南地區(qū)在15 a左右時間尺度干旱周期震蕩非常明顯，5 a及以下時間尺度3個地區(qū)下周期振蕩更頻繁，有更多的干-濕循環(huán)交替。桂中地區(qū)干旱空間差異性明顯大于桂北、桂南地區(qū)（圖2、圖3）。

圖2 1971—2017年廣西甘蔗各生育期SPEI變化

a. 苗期

a.Seeding satage

b. 分蘗期

b. Tillering stage

c. 莖伸長期

c. Stem elongation stage

d. 工藝成熟期

綜上，1971－2017年，大部分站點SPEI氣候傾向率均為負值，表明近50年來甘蔗多數(shù)生育期均呈現(xiàn)干旱化趨勢。從各生育期干旱變化趨勢的差異可以看出，分蘗期干旱化趨勢最強，苗期次之，莖伸長期干旱化趨勢最弱，對這些生育期干旱化趨勢貢獻最大的是桂南地區(qū)。工藝成熟期無干旱化趨勢，而是呈濕潤化的變化趨勢。全生育期干旱變化趨勢在桂北、中、南差異較大，說明盡管分蘗期和苗期干旱化變化趨勢明顯，但由于這兩個生育期持續(xù)時間較短（約3個月），而莖伸長期持續(xù)時間長（約5個月）干旱化趨勢很弱，工藝成熟期（約1個月）呈濕潤化趨勢，所以全生育期干旱化趨勢不顯著。廣西甘蔗生育期干旱在15～30 a尺度上存在較明顯的年代際周期變化，干-濕循環(huán)交替明顯，同時存在5 a的短周期，但各個生育期周期差異較大。相較于分蘗期和工藝成熟期，莖伸長期、苗期周期變化更明顯。

2.3 甘蔗各生育期干旱空間分布特征

1971－2017年，甘蔗苗期干旱（所有等級）頻率在2%～94%之間（均值47%），輕旱頻率在2%～–66%之間（均值34%），中旱頻率小于34%（均值9%），重旱頻率小于26%（均值3%），特旱頻率小于11%（均值1%）。桂西部干旱頻率較高，且由西向東呈逐漸遞減趨勢，苗期干旱頻發(fā)區(qū)主要集中在百色、崇左、北海、欽州、東興和防城港市?？偟膩碚f，廣西甘蔗苗期干旱約兩年一遇，多數(shù)地區(qū)以輕旱為主，桂西、桂西南地區(qū)以輕旱、中旱為主，除桂西地區(qū)偶有重旱發(fā)生外，其他地區(qū)重旱、特旱鮮少發(fā)生。3個蔗區(qū)苗期干旱發(fā)生頻率由大到小排序為：桂北地區(qū)>桂南地區(qū)>桂中地區(qū)。

甘蔗分蘗期干旱（所有等級）頻率在0～74%之間（均值23%），輕旱頻率小于40%（均值17%），中旱頻率小于13%（均值4%），重旱頻率小于15%（均值2%），特旱頻率小于17%（均值1%）。干旱程度由西南向東北方向逐漸遞減，但在桂林地區(qū)，靠近西北部呈遞增趨勢（圖4）。干旱頻率較高的地區(qū)主要集中在北海，欽州，防城港，東興和崇左以南一帶?？傮w來說，廣西甘蔗分蘗期干旱發(fā)生頻率較低，約四至五年一遇，全區(qū)以輕旱為主，中旱、重旱和特旱鮮少發(fā)生。3個蔗區(qū)分蘗期干旱發(fā)生頻率由大到小排序為：桂南地區(qū)>桂中地區(qū)>桂北地區(qū)。

甘蔗莖伸長期干旱（所有等級）頻率在0～94%之間，輕旱頻率小于51%，中旱頻率小于36%，重旱頻率小于28%（均值8%），特旱頻率小于9%（均值2%）。干旱呈東北向西南逐漸遞減趨勢，干旱頻率較高的地區(qū)主要集中桂林，賀州，梧州，柳州，貴港和桂平市?？傮w來說，廣西甘蔗莖伸長期干旱約兩年一遇，多數(shù)地以輕旱為主，桂中偏桂東北地區(qū)以輕旱、中旱為主，該地區(qū)重旱也時有發(fā)生。3個蔗區(qū)干旱發(fā)生頻率由大到小排序為：桂北地區(qū)>桂中地區(qū)>桂南地區(qū)。

甘蔗工藝成熟期干旱（所有等級）頻率在51%～87%之間，輕旱頻率30%~72%之間，中旱頻率小于43%，重旱頻率小于4%；無特旱發(fā)生。干旱由中部向桂東南、桂西北呈增加趨勢。莖伸長期干旱頻發(fā)區(qū)主要集中在玉林、欽州、防城港、貴港市東部?？傮w來說，廣西工藝成熟期干旱發(fā)生頻率較高，約一至兩年一遇，大部分地區(qū)以輕旱為主，桂南、桂西北地區(qū)以輕旱、中旱為主，重、特旱發(fā)生頻率很低。3個蔗區(qū)干旱發(fā)生頻率由大到小排序為：桂南地區(qū)>桂北地區(qū)>桂中地區(qū)。

甘蔗全生育期干旱（所有等級）頻率在22%～66%之間，輕旱頻率小于42%，中旱頻率小于21%，重旱頻率小于15%，特旱頻率小于6%。干旱呈桂中向南、北方向遞減趨勢，向桂東呈遞增趨勢。干旱頻率較高的地區(qū)主要集中在桂林東部，賀州北部，來賓，南寧北部?？傮w來說，廣西甘蔗全生育期干旱以輕旱為主，桂西南、桂東部分地區(qū)以輕旱、中旱為主，重、特旱發(fā)生頻率很低。3個蔗區(qū)干旱發(fā)生頻率由大到小排序為：桂中地區(qū)>桂北地區(qū)>桂南地區(qū)。

圖4 1971—2017年廣西甘蔗各生育期干旱頻率空間分布

綜上，甘蔗苗期、分蘗期、莖伸長期和工藝成熟期干旱均以輕旱為主，中旱次之，重旱和特旱發(fā)生頻率較低，其中莖伸長期和工藝成熟期中旱頻率明顯高于其他生育期。工藝成熟期干旱發(fā)生頻率最高，莖伸長期和苗期相當，分蘗期干旱發(fā)生頻率最低，其中甘蔗苗期和莖伸長期桂北地區(qū)干旱發(fā)生頻率高于其他地區(qū)，而分蘗期和工藝成熟期桂中地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高。廣西汛期通常為4－9月，該時期的降水占全年降水量的70%～90%。分蘗期（5月）廣西已進入前汛期，降水增多，因此該生育期干旱發(fā)生頻率較低；甘蔗工藝成熟期（11月）廣西汛期已結(jié)束，降水急劇減少，因此該時期干旱發(fā)生頻率較高；而對于莖伸長期（6－10月），盡管該時期幾乎跨越了整個汛期，但汛期結(jié)束后的10月份由于降水急劇減少，正是廣西秋旱的頻發(fā)和高發(fā)時期；苗期（3－4月）情況與莖伸長期相似，3月份廣西未進入汛期，降水不足容易導(dǎo)致干旱，因此苗期（干旱發(fā)生頻率47%）與莖伸長期（干旱發(fā)生頻率50%）干旱發(fā)生頻率相近。

3 討 論

已有的文獻報道中用于甘蔗生育期干旱時空演變特征研究的干旱指數(shù)主要有降雨量、水分盈虧指數(shù)和無雨日數(shù)，本研究選用的標準化降水蒸散指數(shù)，所得的研究結(jié)論與以往研究有一定的差異。例如莫建飛等[14]利用年降雨量和日降雨量小雨5 mm日數(shù)分析廣西甘蔗萌芽分蘗期（1－5月）干旱空間分布特征，表明該期間甘蔗輕旱、中旱、重旱均由西南向東北呈明顯增強趨勢，重旱趨勢則相反，盧小鳳等[16]利用9－10月無雨日數(shù)分析廣西甘蔗秋旱時空演變，發(fā)現(xiàn)大部分地區(qū)干旱頻率呈增加趨勢，與本文研究研究結(jié)論不一致。這可能與選用的干旱指標不同有關(guān)，已有研究中選用的指標僅考慮了降雨量對干旱的貢獻，而標準化降水蒸散指數(shù)則綜合考慮了降水量和溫度兩個因子。此外，這可能與分析時段差異有關(guān)，本研究以生育期為界限分析不同時期甘蔗種植區(qū)干旱時空變化特征，苗期為3－4月，分蘗期為5月，莖伸長期6－10月，工藝成熟期11月，與已有研究中分析的甘蔗生育期干旱時段僅有部分重合。本研究發(fā)現(xiàn)1971－2017年桂南地區(qū)甘蔗全生育干旱總體呈增強趨勢，這一研究結(jié)論與陸耀凡[15]對1971－2013年右江河谷甘蔗生長季干旱變化趨勢分析結(jié)果一致，說明在選用的數(shù)據(jù)資料序列和時段相近的情況下，甘蔗生育期干旱變化趨勢分析結(jié)果是相似的。

已有研究指出[24]，廣西地區(qū)春旱（對應(yīng)于甘蔗苗期、分蘗期干旱）關(guān)鍵是受到每年的10月至次年5月南嶺以北和長江以南地區(qū)之間通常出現(xiàn)的大雨帶的影響。桂北地區(qū)以山地為主，地形地貌較復(fù)雜，雨帶對該地區(qū)影響差異較大，這可能是苗期、分蘗期，桂北地區(qū)干旱空間差異性較大的原因。廣西地區(qū)每年5－11月多有臺風入侵，登陸后臺風減弱，對桂北地區(qū)影響較小，桂南地區(qū)則普遍受影響，但由于熱帶氣旋入侵頻率、強度不穩(wěn)定，對桂中地區(qū)的影響年際、空間差異顯著，因而在工藝成熟期和全生育期，桂中地區(qū)干旱空間差異性較大。此外，大陸副熱帶高壓、秋季增溫幅度、西太平洋和南海的水汽輸送強弱均影響廣西干旱形成，加之廣西由南至北地形地貌復(fù)雜多樣，多種因素共同影響下，導(dǎo)致不同甘蔗種植區(qū)在各個生育期SPEI干旱發(fā)生頻率差異及變化趨勢差異。

目前用于干旱監(jiān)測的指數(shù)很多，但由于干旱成因復(fù)雜，導(dǎo)致干旱形成的降水、氣溫等氣象要素時空差異性較大，干旱指數(shù)的適用范圍都有一定的地域性，選擇合理的干旱監(jiān)測指數(shù)是分析區(qū)域干旱時空變化特征的基礎(chǔ)。相關(guān)研究表明，氣候變暖背景下，氣溫升高是干旱加劇的重要影響因子[13]，楊羅嫚等[32]指出，降雨量的大小和溫度的高低影響著廣西地區(qū)的干旱過程。張景揚等[37]研究也發(fā)現(xiàn)SPEI對廣西干旱事件具有較好的響應(yīng)。本研究中發(fā)現(xiàn)SPEI與廣西甘蔗種植區(qū)干旱事件的時間、強度吻合度較高，且與各生育期及全生育期不同深度土壤濕度相關(guān)性顯著，驗證了SPEI反映廣西甘蔗生育期干旱的客觀性，這也是目前采用SPEI進行作物種植區(qū)干旱評估適應(yīng)性評價的主流方法[24-30]。在進一步的研究中，可深入分析土壤濕度資料與SPEI指標的對比分析，但由于廣西現(xiàn)存的長時間序列土壤濕度資料的14個站點分布稀疏，且部分站點數(shù)據(jù)序列不全（缺測、漏測、部分站點僅在關(guān)鍵農(nóng)時測定），如利用其分析甘蔗種植區(qū)干旱時空演變特征的話，空間差值誤差較大，而本研究中SPEI指標分析利用了1971－2017年全區(qū)90個氣象站長時間序列連續(xù)資料，兩者之間的對比分析難以在時空上匹配。近年來，土壤濕度已逐步實現(xiàn)了自動觀測，隨著觀測站點的增加，觀測密度的增大，在進一步的研究中，可利用自動站連續(xù)觀測長時間序列數(shù)據(jù)與SPEI指標進行時空對比分析，深入討論SPEI對蔗區(qū)干旱監(jiān)測的適用性。

4 結(jié) 論

1）標準化降水蒸散指數(shù)SPEI與甘蔗種植區(qū)典型干旱事件的時間、強度吻合度較高，甘蔗各生育期及全生育期SPEI與10～50 cm土壤濕度顯著相關(guān)，多數(shù)通過了顯著性檢驗，利用SPEI可以較客觀的反映甘蔗生育期干旱。

2）1971－2017年，甘蔗各個生育期呈現(xiàn)干旱化趨勢，其中分蘗期干旱化趨勢最強，苗期次之，莖伸長期干旱化趨勢最弱，工藝成熟期呈濕潤化的變化趨勢。在10～15 a時間尺度上，甘蔗不同生育期干旱周期變化明顯，多有4～6個濕-干循環(huán)，5 a時間尺度下則有更多的濕-干循環(huán)交替。各個生育期周期差異較大，相較于分蘗期和工藝成熟期，莖伸長期、苗期周期變化更明顯。

3）從甘蔗苗期至工藝成熟期，廣西甘蔗種植區(qū)干旱空間分布特征及變化規(guī)律差異較大。甘蔗工藝成熟期干旱發(fā)生頻率最高，莖伸長期和苗期相當，分蘗期干旱最低。甘蔗各個生育期均以輕旱為主，重旱和特旱發(fā)生頻率較低，其中莖伸長期和工藝成熟期中旱頻率明顯高于其他生育期。對于甘蔗苗期和莖伸長期，桂北地區(qū)干旱發(fā)生頻率高于其他地區(qū)，而對于分蘗期和工藝成熟期，桂中地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高。

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Spatial and temporal evolution characteristics of drought in Guangxi during sugarcane growth period based on SPEI

Chen Yanli1,2, Meng Liangli3, Huang Xiaohan4, Mo Jianfei2, Feng Liping1※

(1.,,100193,; 2.,530022,; 3.,530001; 4.,547000,)

China is the third largest sugar producer in the world, and sugar industry is the most important economic pillar industries in south China. Drought is one of the most serious agro-meteorological disasters affecting sugarcane production. Under the background of climate change, to analyze the temporal and spatial evolution characteristics of drought in sugarcane planting area is of great significance for disaster prevention and improving the ability of sugarcane production to cope with climate change. In this paper, Guangxi Zhuang Autonomous Region which is located in 104°26′-112°04′E，20°54′-26°24′N was taken as the research area. Temperature and precipitation data from 1971 to 2017 and the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) were used to analyze the drought characteristics. Firstly, historical typical drought events and measured soil relative humidity were used to verify the applicability of SPEI to sugarcane drought monitoring. Then, taking the sugarcane growth stages including seedling stage, tillering stage, stem elongation stage, maturity stage and whole growth stage as time scale, and considering the difference of sugarcane sowing time, the spatial and temporal evolution characteristics and variation rules of light drought, medium drought, severe drought and extreme drought in different sugarcane planting areas in Guangxi were analyzed by climate trend rate, wavelet analysis and GIS spatial technology. The results showed that the occurrence time and intensity of typical drought events during 2003 to 2011 in sugarcane planting area were good fit with SPEI, and the correlation between soil moisture of 0cm to 50cm depths and SPEI were good in each sugarcane growth period and the whole growth period and most of them passed the significance level test, all this indicates that SPEI could reflect drought objectively. The climate trend rate analysis showed that,from 1971 to 2017, the drought trend of sugarcane was the strongest at the tilling stage, the second at the seedling stage, the weakest at the stem elongation stage, while the mature stage showed a wet trend. The wavelet analysis results showed that, for the time scale of 10 to15 a, there were about 4 to 6 dry-wet cycles in each sugarcane growth stages, and for the time scale of 0 to 5 a, dry-wet cycles alternation were more obvious. There were great differences in each growth period, and the change of stem elongation and seedling stage were more obvious than those of tilling stage and technological maturity stage. From the seedling stage to the maturity stage, the spatial distribution characteristics and variation rules of drought in the sugarcane growing areas in Guangxi were of great difference. Generally speaking, drought frequency is highest in maturity stage and lowest in tillering stage and similar in stem elongation and seedling stage. Frequency of light drought was high for all sugarcane growth stage and relative low for medium drought, severe drought and extreme drought, furthermore, frequency of middle drought was obviously higher in stem elongation stage and maturity stage than other growth stages. For sugarcane seedling stage and stem elongation stage, drought frequency was higher in northern Guangxi than other areas, while for tillering stage and maturity stage, drought frequency was higher in central Guangxi.

sugarcane; drought; standardized precipitation evapotranspiration; spatial and temporal variation; growth period

2019-02-20

2019-06-02

廣西科技基金項目（2018GXNSFAA281338）、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（2013CB430205）、干旱氣象科學(xué)研究基金項目（IAM201707）共同資助

陳燕麗，高級工程師，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)、生態(tài)遙感應(yīng)用研究。Email：cyl0505@sina.com

馮利平，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事作物系統(tǒng)模擬、資源與氣候變化研究。Email：fenglp@cau.edu.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.019

P49

A

1002-6819(2019)-14-0149-10

陳燕麗，蒙良莉，黃肖寒，莫建飛，馮利平. 基于SPEI的廣西甘蔗生育期干旱時空演變特征分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(14)：149－158. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.019 http://www.tcsae.org

Chen Yanli, Meng Liangli, Huang Xiaohan, Mo Jianfei, Feng Liping. Spatial and temporal evolution characteristics of drought in Guangxi during sugarcane growth period based on SPEI[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 149－158. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.019 http://www.tcsae.org