基于水分虧缺指數(shù)的貴州省水稻干旱特征分析

邢 愿 賀中華 ，2

（1貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院（喀斯特研究院），550001，貴州貴陽；2貴州師范大學國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，550001，貴州貴陽）

農業(yè)干旱是目前國際社會研究的熱點問題，究其根源為長期無降水或降水異常減少[1]?？傮w上，農業(yè)干旱災害是干旱累積到一定程度的結果，破壞了農業(yè)生產。造成農業(yè)干旱的原因眾多，包括氣象、土壤和水資源利用效率等，使得農作物水分收支失衡[2]。因此，分析影響貴州省水稻種植的氣候特點，以及水稻各生育期的需水特點，對貴州省農業(yè)干旱研究具有重要意義。

目前，常用的評定農業(yè)干旱指標眾多，有降水距平百分率[3-5]、標準化降水蒸散指數(shù)[6-8]、Palmer干旱指數(shù)[9-10]、相對濕潤度指數(shù)[11-13]和綜合氣象干旱指數(shù)等[14-15]。其中，作物水分虧缺指數(shù)因計算簡便，涉及資料較少，在不同地區(qū)和作物間得到了廣泛應用。王連喜等[16]以氣象數(shù)據(jù)為基礎資料，分析各生育期內作物的干旱特征；劉雪梅等[17]利用夏旱強度指數(shù)和修正的Palmer指數(shù)等指標，研究了貴州地區(qū)干旱類型、發(fā)生頻率及地區(qū)分布特征，同時根據(jù)貴州省的主要干旱特征進行了分區(qū)；李家文等[18]利用氣象資料，結合甘蔗的發(fā)育期，構建柳州市甘蔗干旱風險指數(shù)，最后制作柳州市干旱風險區(qū)劃圖；何斌[19]在分析冬小麥需水關鍵期水分虧缺指數(shù)的變化趨勢基礎上，開展關中地區(qū)冬小麥干旱特征研究。曹言等[20]計算夏玉米生育期逐旬作物水分虧缺指數(shù)，采用線性趨勢和M-K檢驗法，分析云南省不同地區(qū)夏玉米干旱的時空變化特征，并探究了水分虧缺指數(shù)與夏玉米產量的關系；李闖等[21]根據(jù)水分虧缺指數(shù)，采用通徑分析方法研究各氣象因子對水分虧缺指數(shù)的影響，對昆明地區(qū)水稻生長季干旱特征進行了研究。

由于貴州省高原山地居多，人均耕地面積少，而且受大氣環(huán)流及地形等影響，不良氣候對農業(yè)生產危害嚴重，糧食安全生產對該區(qū)糧食安全及社會經濟持續(xù)發(fā)展至關重要[22]。眾多學者將水分虧缺指數(shù)應用到我國部分區(qū)域的干旱研究中，但利用水分虧缺指數(shù)研究貴州省水稻各生長期干旱特征的研究較少。因此，本研究以貴州省31個氣象站點氣象數(shù)據(jù)為基礎資料，計算2001-2018年水稻生長各時期的降水－需水量，選取作物水分虧缺指數(shù)作為干旱指標，探究貴州省水稻種植區(qū)干旱時空特征，分析水稻各生長期面臨的不同干旱威脅，為相關部門抗旱減災和趨利避害提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

由圖1可知，貴州省地處云貴高原，位于103°36′～109°35′E、24°37′～29°13′N，地勢西高東低，自中部向北、東和南三面傾斜，平均海拔在1100m左右。貴州省高原山地居多，素有“八山一水一分田”之說，人均耕地面積不到0.05hm2，遠低于全國平均水平，且土層厚、肥力高和水利條件好的耕地占比低；貴州省氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶濕潤季風氣候，常年降雨量充沛，但時空分布不均，特點為南多北少，東多西少，全省多年平均降雨量在1100～1300mm之間，光照條件差，全省大部分地區(qū)日照時數(shù)為1200～1600h，分布特點為西多東少；受大氣環(huán)流及地形等影響，氣候不穩(wěn)定，災害性天氣種類較多，干旱、秋風、凝凍和冰雹等頻度大，對農業(yè)生產危害嚴重。

圖1 研究區(qū)概況及水稻種植區(qū)位Fig.1 Overview of the study region and rice planting location

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網（http：//data.cma.cn）提供的地面氣象觀測數(shù)據(jù)集，選取2001-2018年覆蓋貴州省的31個氣象站點的逐日氣象資料，統(tǒng)計得出水稻各生長期的降水量、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、風速、相對濕度和水汽壓，以上數(shù)據(jù)均取平均值。水稻種植區(qū)數(shù)據(jù)來源于清華大學地球系統(tǒng)科學系（http：//data.ess.tsinghua.edu.cn）2015年土地覆蓋數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 參考作物蒸散發(fā)量 以水汽擴散理論與熱量平衡理論相結合的半經驗公式法為理論基礎，由英國學者彭曼提出用于計算作物蒸散發(fā)量[23]的計算公式，該公式是目前世界公認理論上較嚴密、應用上較簡單且誤差較小的方法，公式如下：

式中，P0為海平面標準大氣壓（kPa）；P為計算點實際大氣壓（kPa）；Δ為飽和水氣壓-溫度曲線上的斜率；γ為溫度計常數(shù)，kPa/℃；Rn為到達地表的凈輻射量；Ea為干燥力因子。用聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織下載的ETo Calculator進行計算。

2.2.2 作物需水量 作物需水量（CWR）是在理想的生長條件下，作物從種植到收獲所需的蒸散發(fā)量。一般作物需水量（ETc）等于整個生長期作物蒸散發(fā)量（ET0）的累積值，可通過ET0和不同階段的作物系數(shù)（Kc）得到，公式如下：ETc=Kc×ET0。依據(jù)高曉麗等[24]研究劃分貴州省水稻各生育期的需水系數(shù)（Kc）：播種-秧苗期（Kc=0.85）、移栽-分蘗期（Kc=1.31）、拔節(jié)-孕穗期（Kc=1.69）、抽穗-成熟期（Kc=1.3）。

2.2.3 作物水分虧缺指數(shù) 作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）是衡量作物需水量與實際供水能力平衡狀況的指標，反映農作物某時段累積水分虧缺的程度，依據(jù)研究[25-26]，將貴州省水稻生長期分為播種-秧苗期（4月10日-5月10日）、移栽-分蘗期（5月11日-7月10日）、拔節(jié)-孕穗期（7月11日-7月31日）、抽穗-成熟期（8月1日-9月10日）和全生長期（4月10日-9月10日），分別計算水稻各生長期連續(xù)累積水分虧缺狀況，指標值越大，表明水分虧缺越嚴重。

式中，CWDIi為i時期水稻水分虧缺指數(shù)；ETc為水稻需水量（mm）；Pi為i時期累積降水量。當水稻需水量大于降水量，水稻發(fā)生水分虧缺，即發(fā)生干旱；當水稻需水量小于降水量時，視為水稻水分不虧缺，即CWDIi=0，未發(fā)生干旱。根據(jù)農業(yè)干旱指標分級[27]，對水稻的整個生長期劃分為5個干旱等級，CWDI≤15%為無旱，15%＜CWDI≤25%為輕旱，25%＜CWDI≤35%為中旱，35%＜CWDI≤50%為重旱，CWDI＞50%為特旱。本研究在計算作物水分虧缺指數(shù)時，由于貴州省特殊的地貌類型，在供水量部分只考慮了自然降水量，忽略人工灌溉及其他水量來源。

3 結果分析

3.1 水稻生長期降水-需水特征分析

3.1.1 水稻生長期降水時空特征 空間降水插值一直是個難題，影響降水的因素很多。何紅艷等[28]比較了各種降雨插值的優(yōu)缺點得出，協(xié)同克里金插值法不僅考慮氣象站點的空間相關性，同時考慮高程等因素對降水的影響。本研究利用協(xié)同克里金插值法對貴州省水稻不同生長期的累積降水進行插值分析，同時，利用趨勢分析法研究貴州省多年水稻不同生長期降水量的空間分布趨勢（圖2）。

圖2 貴州省水稻各生長期降水變化趨勢空間特征Fig.2 Spatial characteristics of precipitation variation trend in each growing period of rice in Guizhou province

由圖2a可得，2001-2018年貴州省的降水量在水稻的整個生長期整體呈“東增西減”特征分布，減小趨勢較為明顯的地區(qū)為黔西南地區(qū)、六盤水南部地區(qū)及遵義北部地區(qū)，降水增加明顯地區(qū)分布于黔東南地區(qū)的東南部。水稻播種-秧苗期（圖2b）的降水趨勢特征（除銅仁地區(qū)）全省基本保持穩(wěn)定；移栽-分蘗期（圖2c）降水變化趨勢呈明顯的階梯狀分布，自東向西降水量逐級遞減，黔西南、六盤水及畢節(jié)等地區(qū)的西部和遵義地區(qū)的西北部降水量減小趨勢尤為顯著；拔節(jié)-孕穗期（圖2d）各地區(qū)降水變化趨勢與移栽-分蘗期（圖2c）變化趨勢相反，即降水變化趨勢自東向西降水趨勢逐級遞增；抽穗-成熟期（圖2e）貴州省西部地區(qū)為降水輕微增加區(qū)，東部地區(qū)基本保持不變。

為更加詳細研究水稻各生長期降水趨勢特征，利用ArcGIS提取水稻種植區(qū)2001-2018年各生長期的降水平均值，研究水稻種植區(qū)的各生長期的降水趨勢（圖3）。由圖3可得，水稻種植區(qū)降水量在播種-秧苗期呈減少趨勢，以每10年15.992mm的量減少；移栽-分蘗期降水呈增加趨勢，增加趨勢不顯著；拔節(jié)-孕穗期降水變化波動較大，2010-2018年呈顯著的先減后增再減的趨勢，最高降水量與最低降水量相差200mm；抽穗-成熟期降水趨勢總體呈增加趨勢，以每10年18.703mm的量增加，2014年為降水最低值年份（42.99mm）。在貴州省水稻整個生長期間，降水量主要集中在移栽-分蘗期（5月10日-7月10日），水稻種植區(qū)的平均降水量穩(wěn)定保持在300mm左右，與貴州省的雨季時期一致[29]。不同年代水稻種植區(qū)4個生長期平均降水量為移栽-分蘗期＞抽穗-成熟期＞播種-秧苗期＞拔節(jié)-孕穗期。

圖3 貴州省各生長期水稻種植區(qū)降水－需水平均值變化Fig.3 Variation of average value of precipitation–water demand in rice planting regions of Guizhou province in each growth period

3.1.2 水稻各生長期需水量特征分析 為分析貴州省水稻種植區(qū)各個時期的需水量空間分布特征，分別統(tǒng)計水稻種植區(qū)各個生長期需水量（圖4）。由圖4可知，貴州省多年水稻種植區(qū)的需水量分布特征為東高西低，貴陽市、安順地區(qū)和六盤水地區(qū)的西北部及畢節(jié)西部一帶地區(qū)各個時期需水量均低于其他地區(qū)。

圖4 貴州省各生長期水稻種植區(qū)需水量空間特征Fig.4 Spatial characteristics of water demand in rice planting regions in each growing period in Guizhou province

由圖4a可以看出，貴州省水稻全生長期的需水量最大地區(qū)主要分布于遵義、銅仁、黔東南及黔西南地區(qū)，大部分水稻種植區(qū)年均累積需水量在620～1000mm，需水量較小地區(qū)主要分布在貴陽市南部地區(qū)，年均累積需水量為520～560mm，畢節(jié)西部水稻種植區(qū)年均累積需水量為全省最小需水地區(qū)，年均累積需水量為480～500mm。由圖4b可以看出，全省水稻在播種-秧苗期需水量較小，年均累積需水量為50～60mm，同時結合圖3可以看出，在播種-秧苗期有效降水量大于水稻實際需水量，因此在貴州省水稻播種-秧苗期發(fā)生干旱的概率較低。由圖4c可以看出，水稻移栽-分蘗期需水量遠大于播種-秧苗期水稻需水量，水稻需水量較大區(qū)域主要集中在銅仁、黔東南地區(qū)以及黔西南地區(qū)的西南部；需水量小的區(qū)域主要分布于貴陽市及安順地區(qū)，以及畢節(jié)西部地區(qū)與六盤水北部地區(qū)，需水量為160～180mm；綜合圖3可知，水稻移栽-分蘗期降水量大于需水量，且需水量變化趨勢保持穩(wěn)定。由圖4d可以看出，拔節(jié)-孕穗期水稻的需水量明顯低于移栽-分蘗期的需水量，總體來看，貴州省東部地區(qū)需水量高于西部地區(qū)，但水稻需水量最低種植區(qū)仍然為畢節(jié)西部；綜合圖3可知，拔節(jié)-孕穗期水稻的需水量多年高于降水量，即降水量滿足不了水稻生長的需水量，易造成干旱。由圖4e可以看出，抽穗-成熟期水稻種植區(qū)的需水量最高區(qū)主要位于銅仁地區(qū)以及黔東南地區(qū)的東部，需水量最低區(qū)保持不變，為畢節(jié)地區(qū)的西北部。綜合圖3可知，抽穗-成熟期水稻種植區(qū)的需水量常年高于降水量，且以每10年12.679mm趨勢增加，因此抽穗-成熟期為水稻干旱的高發(fā)期。

3.2 水稻各生長期干旱特征

3.2.1 各生長期干旱強度特征 為了分析貴州省水稻干旱特征的空間分布情況，采用水稻水分虧缺指數(shù)干旱等級劃分標準[30]，計算2001-2018年水稻各個生長期貴州省種植區(qū)發(fā)生輕旱、中旱、重旱和特旱的頻率及各干旱等級不同頻率的面積（表1）；并利用ArcGIS空間分析功能，得到貴州省水稻各生長期不同干旱等級及干旱頻率的空間分布特征（圖5-圖8）。

圖5 貴州省水稻種植區(qū)播種-秧苗期不同等級干旱強度及頻率空間特征Fig.5 Spatial characteristics of drought intensity and frequency of different grades in sowing-seedling period of rice growing regions in Guizhou province

圖6 貴州省水稻種植區(qū)移栽-分蘗期不同等級干旱強度及頻率空間特征Fig.6 Spatial characteristics of drought intensity and frequency of different grades in transplanting-tillering period of rice growing areas in Guizhou province

圖7 貴州省水稻種植區(qū)拔節(jié)-孕穗期不同等級干旱強度及頻率空間特征Fig.7 Spatial characteristics of drought intensity and frequency of different grades in jointing-booting period of rice growing areas in Guizhou province

圖8 貴州省水稻種植區(qū)抽穗-成熟期不同等級干旱強度及頻率空間特征Fig.8 Spatial characteristics of drought intensity and frequency of different grades in heading-ripening period of rice growing areas in Guizhou province

表1 貴州省水稻各生長期不同等級干旱頻率面積統(tǒng)計Table 1 Area statistics of drought frequency of different grades in each growing period of rice in Guizhou province km2

由圖5-圖8可知，貴州省水稻各個生長期的干旱空間分布特征，輕旱發(fā)生面積逐漸增加，由播種-秧苗期到抽穗-成熟期，干旱面積從6.55km2增加至13.01km2；播種-秧苗期輕旱發(fā)生區(qū)主要分布于畢節(jié)地區(qū)西部、六盤水和黔西南地區(qū)的西南部地區(qū)；移栽-分蘗期為水稻種植區(qū)輕旱發(fā)生的低頻時期，輕旱頻率介于0%～5%；拔節(jié)-孕穗期輕旱主要發(fā)生區(qū)分布于銅仁地區(qū)；抽穗-成熟期輕旱發(fā)生區(qū)以貴陽市、安順地區(qū)、六盤水、畢節(jié)以及遵義地區(qū)的南部為主。中旱發(fā)生面積呈顯著增加趨勢，以貴陽、遵義、銅仁和黔東南地區(qū)增加尤為顯著，播種-秧苗期到抽穗-成熟期中旱發(fā)生面積增加了9.20km2。重旱主要發(fā)生在水稻拔節(jié)-孕穗期和抽穗-成熟期，發(fā)生地區(qū)主要集中在銅仁、遵義及黔東南地區(qū)，水稻拔節(jié)-孕穗期發(fā)生重旱面積達12.33km2，抽穗-成熟期發(fā)生重旱面積達17.90km2。特旱主要發(fā)生在水稻拔節(jié)-孕穗期和抽穗-成熟期，此時期降水量小于水稻需水量，導致干旱發(fā)生，在拔節(jié)-孕穗期全省水稻種植區(qū)均發(fā)生特旱，抽穗-成熟期特旱發(fā)生區(qū)主要位于銅仁地區(qū)。

3.2.2 各生長期干旱頻率特征 由圖5-圖8和表1可得，在播種-秧苗期與移栽-分蘗期水稻種植區(qū)各等級干旱發(fā)生頻率較低，各等級干旱頻率均在0%～5%。貴州省水稻生長期輕旱高頻發(fā)生區(qū)主要分布于畢節(jié)、安順及銅仁等地區(qū)，播種-秧苗期輕旱頻率為5%～10%的水稻面積達5.09km2，移栽-分蘗期干旱頻率大于5%的水稻種植面積為1.09km2，拔節(jié)-孕穗期輕旱發(fā)生區(qū)主要分布于銅仁地區(qū)，干旱頻率大于5%的水稻種植面積占全省水稻種植面積的40.7%，抽穗-成熟期輕旱高頻發(fā)生區(qū)集中在畢節(jié)地區(qū)，頻率在5%～10%的面積為7.71km2。中旱在遵義和黔東南地區(qū)發(fā)生頻率較高，在水稻抽穗-成熟期中旱頻率大于5%的水稻種植區(qū)面積占水稻總面積的90.2%，中旱頻率在15%～20%的水稻種植面積為4.35km2。重旱高頻發(fā)生區(qū)主要分布于遵義、銅仁及黔東南地區(qū)，其中在水稻抽穗-成熟期銅仁及遵義地區(qū)重旱頻率超過20%的面積為7.15km2。特旱在銅仁地區(qū)發(fā)生頻率最高，在拔節(jié)-孕穗期，全省大部分水稻種植區(qū)特旱發(fā)生頻率大于70%，基本上每年拔節(jié)-孕穗期都要發(fā)生特旱。

總體上，貴州省不同等級干旱頻率的分布特征與作物蒸散發(fā)量分布特征一致，東多西少，北多南少。由于貴州省地處西南地區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風氣候，常年降雨量充沛，但時空分布不均，因此易造成部分地區(qū)水分虧缺，但發(fā)生水分虧缺的持續(xù)時間較短，即各等級干旱發(fā)生頻率以低頻為主。銅仁及遵義地區(qū)發(fā)生特旱的頻率最高，由于該區(qū)域作物蒸散量較高，降水量小于水稻生長的需水量，所以旱情嚴重。

4 結論

貴州省的降水量在水稻的整個生長期整體呈“東增西減”特征分布，降水量主要集中在水稻的移栽-分蘗期。水稻種植區(qū)各生長期累積降水量為移栽-分蘗期＞抽穗-成熟期＞播種-秧苗期＞拔節(jié)-孕穗期，水稻種植區(qū)降水量在播種-秧苗期呈減少趨勢，可能會加劇干旱災害的發(fā)生，移栽-分蘗期降水呈增加趨勢，但增加趨勢不顯著；拔節(jié)-孕穗期降水變化波動較大，抽穗-成熟期呈增加趨勢。多年水稻種植區(qū)的需水量分布特征為東高西低，與降水分布趨勢一致，水稻生長期累積需水量為抽穗-成熟期＞移栽-分蘗期＞拔節(jié)-孕穗期＞播種-秧苗期，水稻在播種-秧苗期需水量遠小于降水量，因此各等級干旱發(fā)生的頻率較低，銅仁地區(qū)以及黔東南地區(qū)的東部在拔節(jié)-孕穗期和抽穗-成熟期水稻的需水量遠高于降水量，是重旱及特旱的高頻發(fā)生區(qū)。水稻種植區(qū)在播種-秧苗期和移栽-分蘗期各等級干旱發(fā)生頻率以低頻為主，各等級干旱高頻發(fā)生期主要集中在水稻拔節(jié)-孕穗期和抽穗-成熟期，重旱及特旱高頻發(fā)生區(qū)主要集中在銅仁及遵義地區(qū)。