淺析扶綏縣秋季降水的氣候特征及甘蔗種植秋旱防御對策

黃麗球，崖偉松，蒙小寒，何家紅，莫申萍*

(1廣西東亞扶南精糖有限公司，廣西崇左532199；2廣西貴港市氣象局，廣西貴港537100；3廣西崇左市扶綏縣氣象局，廣西崇左532199)

0 前言

廣西是中國最大食糖生產(chǎn)產(chǎn)區(qū)，但在全球氣候變暖的背景下，廣西氣象災害影響日益加劇，極端的干旱、低溫冷害及熱害的事件呈多發(fā)態(tài)勢，由此造成的甘蔗減產(chǎn)也越來越嚴重[1]。廣西是全國年降水量最豐富的地區(qū)之一，但降水時空分布非常不均勻，季節(jié)性干旱突發(fā)的頻率很高，嚴重地影響了廣西的蔗糖產(chǎn)業(yè)。甘蔗的水分主要來源于降水，面臨的干旱風險較大[2-3]，特別當甘蔗在秋季處于莖節(jié)伸長后期和糖分積累期等生長的關鍵時期，如遭受到嚴重的干旱災害，該時期的甘蔗會降低光合作用強度，加強呼吸作用，影響甘蔗的長生長，導致產(chǎn)量明顯下降；處于糖分積累期的甘蔗糖分含量降低，膠質(zhì)比重增大，出糖率和回收率就會下降，蔗糖商業(yè)品質(zhì)下降[4]。扶綏縣屬亞熱帶季風氣候，氣候資源優(yōu)勢獨特，十分適宜發(fā)展甘蔗生產(chǎn)，也是“中國糖都”較大的生產(chǎn)基地[5]。由于受熱帶海洋氣團和極地大陸氣團的交替控制，該縣雨熱同季，降水的時空分布不均和灌溉條件的限制，使得干旱災害成為制約其甘蔗生產(chǎn)發(fā)展的主要農(nóng)業(yè)氣象災害之一[6-7]。就崇左市而言，影響甘蔗單產(chǎn)高低的所有因素中，干旱尤其秋旱是首要因素，冬季寒凍害、臺風的影響次之[8]。扶綏縣 90%以上甘蔗是種植在無灌溉條件的旱地或者坡地上，甘蔗生長的水分主要來源于自然降水，面臨的干旱風險較大[9-10]。在農(nóng)業(yè)干旱等級中，主要的干旱指標有作物水分虧缺指數(shù)(Crop water deficit index，CWDI)、標準化降水指數(shù)(Standardized precipitation index，SPI)、降水量距平百分率(Precipitation anomaly in percentage，PA)、帕默爾干旱指數(shù)(Palmer drought severity index，PDSI)、土壤相對濕度(Relative soil moisture，RSM)和氣象干旱綜合指數(shù)(Meteorological drought composite index，MCI)。隋月等[11-12]以作物水分虧缺指數(shù)為干旱指標，分析了中國南方地區(qū)越冬糧油作物和玉米各生育階段發(fā)生干旱的時空分布特征；李闖等[13]基于作物水分盈虧指數(shù)分析了昆明水稻生長季干旱特征及成因。筆者對扶綏縣干旱的研究主要基于降水資料，通過線性回歸、累積距平分析、Morlet小波等分析方法，分析秋季降水的氣候特征以及秋旱發(fā)生頻率，評估秋旱發(fā)生對甘蔗生長的影響，為今后的甘蔗種植趨利避害、合理安排生產(chǎn)以及開展相關研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

資料選取扶綏縣1960～2019年秋季(9～11月)逐日降水資料。

1.2 分析方法

運用滑動平均法、一元線性回歸、累計距平分析、Morlet小波分析等方法進行研究，揭示扶綏縣60年秋季降水天氣變化特征及秋旱發(fā)生頻率。

1.2.1 Morlet小波

Morlet復數(shù)小波分析是分析變化周期的主要方法之一，其理論及其應用已經(jīng)相當成熟[14-16]，被認為是Fourier分析方法的突破性進展，小波變換不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示出變化的時間位置[17]。用Morlet小波進行周期分析，它比窗口 Fourier分析更能反映出信號的局部特征。Morlet小波分析 Fourier變換公式見式(1)，Wf(a,b)即小波系數(shù)，通過小波系數(shù)做出二維等值線圖，從而可得到關于時間序列變化的小波特征，不同時間尺度下的小波系數(shù)可以反映系統(tǒng)在該時間尺度下的演變特性和突變。

其中，f(t)是信號可積函數(shù)；a為伸縮尺度；1/a為頻率；b是平移參數(shù)，是相對于t時刻作了長度的平移b；的復共軛函數(shù)。

1.2.2 降水量距平百分率

根據(jù) GB/T 20481-2017[18]氣象干旱等級中表述干旱等級的方法有氣象干旱指數(shù)、降水量距平百分率、潛在蒸散量等，本文采用降水量距平百分率對甘蔗秋旱等級進行分析。降水量距平百分率(PA)是用于表征某時段降水量較常年值偏多或者偏少的指標之一，能直觀反映降水異常引起的干旱，一般適用于半濕潤、半干旱地區(qū)平均氣溫高于10℃的時段干旱事件的監(jiān)測和評估。

表1 降水量距平百分率干旱等級劃分表

2 結果與分析

2.1 近60年扶綏縣秋季降水量特征分析

2.1.1 近60年扶綏縣秋季降水量總體年際變化特征

從表 2中可知近 60年扶綏縣年平均降水量為1214.1 mm，在全年的4個季節(jié)中，平均降水量最少的是冬季(89.4 mm，占全年降水量7.4%)，其次是秋季(年平均降水量為 246.2 mm，占全年降水量的20.3%)，最多的是夏季(年平均降水量為610.2 mm，占全年降水量的49.5%)。說明對扶綏縣重要的降水集中在夏季，冬季、春季和秋季有很大可能性出現(xiàn)干旱。冬季為甘蔗成熟收獲的季節(jié)，冬旱對甘蔗生產(chǎn)的影響較少，因為大多數(shù)甘蔗已在冬前收獲或已成熟。根據(jù)扶綏縣歷年甘蔗種植生長的情況可知，春季甘蔗處于播種或出苗等生長初期，植株蒸騰較小，需水量較少[19]。夏、秋季是甘蔗拔節(jié)伸長期，甘蔗生長最旺盛，是甘蔗需水最多的時期[20]，同時秋季也是甘蔗成熟積累糖分的關鍵時期。從扶綏縣各季降雨量的統(tǒng)計來講，夏旱出現(xiàn)的機率相對較少，秋旱出現(xiàn)機率較大。

圖1(a)(b)是扶綏縣1960～2019年近60年秋季降水量和降水日數(shù)年際變化特征及趨勢變化圖，其回歸方程分別為y=0.2894x+237.34、y=-0.114x+30.127。經(jīng)分析可知，近60年扶綏縣秋季降水量一元回歸方程中降水量傾向率為2.894 mm/10 a，通過相關性函數(shù)分析60個(60年)降水量數(shù)據(jù)樣本可知，其檢驗結果(r=0.0478)未通過r0.05的顯著性檢驗臨界值(r=0.250)，表明秋季年降水總量雖然具有向上增加的趨勢，但是沒有達到顯著性標準；近60年扶綏縣秋季降水日數(shù)氣候傾向率為-1.14 d/10 a，已通過r0.05的顯著性檢驗(r=-0.272)，表明秋季年降水日數(shù)具有向下減少的趨勢，且已達到顯著性標準。秋季年降水總量有向上增加的趨勢而秋季年降水日數(shù)具有向下減少的趨勢，這說明了扶綏縣秋季降水的量級增加趨勢明顯。

表2 近60年扶綏縣4季降水量情況及降水異常年份

圖1(a)可以看出近60年扶綏縣秋季降水量有一定的階段性特征。根據(jù)秋季降水量趨勢線的變化可以分為4個階段，第一階段從1960～1986年，這階段秋季降水量是一個震蕩遞增趨勢，這個階段降水量為前期少后期多。第二個階段從1987～2007年，這一階段為普遍少雨期，在21年第二階段的秋季降水量中，1987～1990年呈直線下降趨勢且于 1990年低于 60年秋季年平均降水量值。在 1991～2007年里，大多數(shù)年份秋季降水都在平均值之下，且呈波動震蕩趨勢。扶綏縣也呈現(xiàn)出了一些年份的相對干旱，其中2006年降水為78.5 mm，為60年來秋季降水最少的年份，1991年降水為95.2 mm是秋季降水次少年。第三階段從2008～2015年，這個階段秋季降水降水量波動上升，秋季降水量起伏較大，其中降水量在400 mm以上的年份有2008年(490.6 mm)、2011 年(481.1 mm)、2013 年(412.2 mm)和 2014年(455.3 mm)，也有降水量在200 mm以下的2009年(103.8 mm)和2010年(170.2 mm)，而起伏最大的出現(xiàn)在2008、2009年，降水量從490.6 mm急劇減少到103.8 mm，相差386.8 mm，這表明扶綏縣秋季年降水量的年際間變化不小，容易影響甘蔗的產(chǎn)量和質(zhì)量。第四階段從2016～2019年，該階段的秋季降水降水量呈直線下降趨勢，說明該階段降水量逐年加速減少。

圖1(b)可看出近60年扶綏縣秋季降水日數(shù)變化階段性特征也很明顯，第一階段從1960～1991年，這一階段為普遍多雨日，大多數(shù)年份秋季降水日數(shù)都在平均值之上；第二個階段從1992～2019年，這一階段為普遍少雨日，大多數(shù)年份秋季降水日數(shù)都在平均值之下，降水日數(shù)在20天以下的年份有9個年份(1988、1991、1992、1993、1998、2003、2004、2006、2009年)，其中2006年的降水日數(shù)為60年中秋季降水日數(shù)最少的一年僅有8天，降水日數(shù)僅占秋季日數(shù)8.8%。

圖1 (a) 近60年扶綏縣秋季降水量年際變化特征及趨勢變化圖

圖1 (b) 近60年扶綏縣秋季降水日數(shù)年際變化特征及趨勢變化圖

2.1.2 近60年扶綏縣秋季各種降水量等級的年變化特征

利用 1960～2019年扶綏縣秋季日降水資料分析各種降水量級的降水日數(shù)，根據(jù)氣象部門雨量等級劃分標準將降水劃分為小雨、中雨、大雨和暴雨。小雨為日雨量小于10 mm，中雨為日雨量在10～25 mm之間，大雨為日雨量25～50 mm，暴雨及以上量級為日雨量在50 mm以上的降水。

從圖2中可以看出，小雨和暴雨及以上量級呈上升趨勢，趨勢較為明顯，中雨和大雨略呈下降趨勢，趨勢也較為明顯。

從圖2和表3中可以看出秋季小雨降水日數(shù)是其它幾種量級中最多的一種，且比中雨、大雨及暴雨以上量級的總日數(shù)多77.6天，其降水日數(shù)占扶綏縣秋季總降水日數(shù)的 92.6%。從降水量來看，雖然暴雨及以上量級的降水日數(shù)最少，且只占秋季總降水日數(shù)的 1%，但是其降水量卻占秋季總降水量的29.2%，為所有雨量級中降水量最多的一種。通過以上分析可以知道，秋季的降水日數(shù)是以小雨為主，而暴雨及以上量級對降水量的貢獻才是主要的，其次是中雨再次是大雨。

2.2 Morlet小波分析扶綏縣秋季降水周期性分布特征

為了更清楚了解扶綏縣秋季近 60年的降水量年度周期性變化，選用Morlet小波分析1960～2019年日降水量序列和頻率域。因研究需要負小波系數(shù)區(qū)域突出顯示，負小波系數(shù)越小對應的降水量為偏小值，正的小波系數(shù)越大對應的降水量為偏大值，小波系數(shù)絕對值越大，表明該時間尺度變化越顯著[14]。

圖2 秋季各降水量級日數(shù)的時間序列圖

表3 秋季各降水量級降水日數(shù)和降水量占比統(tǒng)計表

圖3是近60年扶綏縣秋季降水小波變換的實部等值線圖。圖中，無色區(qū)域的等值線表示小波系數(shù)＞0，即降水量較多，扶綏縣處于秋季降水量偏多時期；灰色區(qū)域等值線表示小波系數(shù)＜0，即降水量較少，扶綏縣處于秋季降水量偏少時期。從圖3可看出，扶綏縣秋季降水序列存在4個較明顯的特征時間尺度：2、6、14、30 a。其中，2、6 a的振蕩周期偏弱；14、30 a的振蕩周期偏強。14 a特征時間尺度在20世紀70年代末、90年代末、21世紀初以及2019年的降水序列中比較明顯；30 a特征時間尺度，在20世紀60年代末到70年代初和90年代末到21世紀初的降水序列中比較明顯，扶綏縣秋季降水大致經(jīng)歷了2次降水量多與少相互交替，表現(xiàn)為2個多雨期和2個少雨期，這與扶綏縣降水的年際變化基本一致。由此可以知道扶綏縣秋季降水主要周期是14、30 a，但是也存在2、6 a、的弱周期振蕩。目前實部等值線圖中正的等值中心還未閉合，表明未來一到兩年(2020～2021年)扶綏縣秋季干旱的可能性仍較大且處于14 a的周期等值線范圍內(nèi)振蕩。

2.3 近60年扶綏縣秋旱發(fā)生的頻率及防御對策

圖3 扶綏縣秋季降水小波變換實部等值線圖

2.3.1 近60年扶綏縣秋旱發(fā)生的頻率

從表4中可以看出，扶綏縣近60年中秋季發(fā)生干旱的年份有19年，發(fā)生頻率為31.7%，其中輕旱發(fā)生年份有12年(1962、1963、1971、1977、1979、1992、1994、1996、1998、2002、2007、2010 年)，發(fā)生頻率為 20.0%，秋季輕旱年平均無降水日數(shù)占整個秋季74.7%，平均中旱發(fā)生年份有7年(1969、1989、1991、2004、2006、2009、2019年)發(fā)生頻率為 11.7%，秋季重旱年平均無降水日數(shù)占整個秋季80.2%，無旱年，秋季無降水日數(shù)的占比也超過68%，由此可見，扶綏縣發(fā)生干旱的概率是比較高的。

2.3.2 秋旱發(fā)生的防御對策

表4 近60年扶綏縣秋季干旱發(fā)生頻率及無降水日數(shù)情況

扶綏縣甘蔗大部分種植在平地，也有少部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)種植在坡地，預防旱災必須根據(jù)種植地形特點，因地制宜地將水源條件、選用抗旱品種、提高甘蔗栽培的技術等各種措施結合起來，才能達到效果[21]。

⑴充分利于原有農(nóng)田水利設施，充分發(fā)揮有限水源的作用；可利用有利地勢增修蓄水池，積蓄山塘水，增加水源；近水庫、湖泊、河邊等種植戶可通過有效的抽淋設備抽水取用或者直接使用種植戶蓄備的各種抗旱水箱；在政企合作下建立水利中轉站，通過變電機房以及必要的水利設施有計劃送水。

⑵大力推廣甘蔗抗旱品種，引進干旱地區(qū)培育出來的耐旱良種，增強作物的抗旱能力。

⑶可采取大馬力機械中耕、松土的方法，有效阻斷深層土壤毛細管水份上升地表面，降低土壤上層水分的蒸發(fā)速度，達到保墑抗旱的目的。同時結合種植管理中肥料的施用，以促肥根、壯根，有利于甘蔗對較深層土壤水分的吸收，提高干旱時的水分利用率。

⑷推廣旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)技術，如滴灌、微噴等，使有限的水資源得到充分利用。

⑸爭取有利時機大力開展人工增雨作業(yè)，使有效的空中水資源得到充分有效的利用。

3 結論

3.1 扶綏縣秋季降水分布特征

近60年扶綏縣年平均降水量最多的是夏季，秋季的年平均降水量為 246.2 mm，占全年降水量的20.3%，秋季有很大的可能出現(xiàn)干旱。通過對扶綏縣近60年秋季降水量和降水日數(shù)資料進行趨勢分析，秋季降水量和降水日數(shù)都有不同的階段性特點，但總體趨勢而言，降水量具有向上增加的趨勢而降水日數(shù)則相反呈向下減少趨勢，扶綏縣秋季降水的量級增加趨勢明顯。然而秋季的降水日數(shù)是以小雨為主，而暴雨及以上量級對降水量的貢獻才是主要的，其次是中雨再次是大雨。

3.2 扶綏縣秋季降水振蕩周期

通過Morlet小波分析可知，扶綏縣秋季降水序列存在4個較明顯的時間特征尺度：2、6、14、30 a。其中，2、6 a的振蕩周期偏弱；14、30 a的振蕩周期偏強。未來一到兩年(2020～2021年)扶綏縣秋季干旱的可能性仍較大且處于14 a的周期等值線范圍內(nèi)振蕩。

3.3 扶綏縣秋旱頻率

分析各年份秋季降水量距平百分率 PA值，發(fā)現(xiàn)扶綏縣近60年中秋季干旱發(fā)生頻率為31.7%，其中，輕旱發(fā)生頻率為20.0%，重旱發(fā)生頻率為11.7%。就整個秋季91天來說，至少有62天以上沒有降雨的，占比超過68%。

本文基于扶綏縣近60年降水資料，通過線性回歸、累積距平分析、Morlet小波等分析方法，分析秋季降水的氣候特征以及秋旱發(fā)生頻率，并簡單分析秋旱發(fā)生對甘蔗生長的影響，以期為今后的甘蔗種植趨利避害、合理安排生產(chǎn)以及開展相關研究提供參考。但本研究的不足之處在于僅基于降水資料的分析，缺乏對甘蔗需水量的考慮，未能對甘蔗生產(chǎn)提出具有針對性的指導措施。