雷州半島水分條件變化特征及其與作物布局調整的相關分析

張 驥，劉艷群，朱學超，張 羽，植石群，于 洲

(1.鶴山市氣象局，廣東 鶴山 529700；2.韶關市氣象局，廣東 韶關 512026；3.臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004；4.氣候中心，廣州 510640；5.湛江市氣象局，廣東 湛江 524000)

引言

人類農(nóng)業(yè)耕作活動既受氣候影響，又通過不斷改變土地和水的利用，包括調整農(nóng)業(yè)種植結構等活動來改變地表植被覆蓋狀況，從而改變地表物理特性以及地—氣之間熱量與水分的交換，對氣候產(chǎn)生影響［1-2］。關于植被覆蓋、作物種植布局受氣候及其變化影響的研究很多［3-6］，開展植被及其演變對區(qū)域或局地氣候(或溫度、降水和蒸發(fā)等氣候要素)影響的觀測和模擬研究亦不少［7-18］，其中陳懷亮等［8］研究指出，黃淮海地區(qū)大范圍城鎮(zhèn)化和農(nóng)田化進程，均造成了氣候及水資源要素的變化，使得生態(tài)環(huán)境趨于惡化；朱晗暉等［15］研究結果顯示，當?shù)乇泶植诙仍黾?減小)時，交錯帶相應地區(qū)及附近地區(qū)溫度升高(降低)，降水量差值增加(減少)。

雷州半島地處中國大陸最南端，熱量資源豐富，土地資源種類繁多，是廣東省乃至全國劍麻、橡膠等多種產(chǎn)品重要生產(chǎn)基地［19］，但雷州半島又是廣東省干旱災害較為嚴重的區(qū)域［20］，隨著全球氣候變化的加劇，其干旱特別是冬春連旱加劇趨勢顯著［21-22］，勢必會制約農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展?；跉夂蚺c人類活動互相影響的考慮，為了合理開發(fā)利用雷州半島水分氣候資源，科學布局作物種植區(qū)域和比例，有必要對雷州半島地區(qū)作物布局調整與當?shù)亟邓⒄舭l(fā)關系進行研究。本文在參考前人［23］有關研究方法和思路的基礎上，基于雷州半島作物調整明顯期的1961—2001 年降水量和蒸發(fā)量資料及主要農(nóng)作物種植面積資料，著重分析雷州半島降水與蒸發(fā)變化特征，以及雷州半島農(nóng)作物布局調整與其變化之間的關系，探明兩者的響應規(guī)律，為科學防旱抗旱解決水資源短缺問題，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與氣候環(huán)境協(xié)調發(fā)展提供一定的基礎理論依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來源

1961—2001 年徐聞、雷州、湛江、遂溪和廉江五個氣象觀測站逐日降水量和蒸發(fā)量資料，以及同期水稻、糖蔗、花生、蔬菜和水果等作物種植面積資料。

1.2 雷州半島農(nóng)作物種植基本情況

雷州半島面積1.247×106hm2，耕地面積4.9×105hm2。雷州半島主要農(nóng)作物有糧食作物、糖蔗、花生、蔬菜和水果。糧食作物以早晚稻為主，水稻種植面積先增后減，從1960 年2.453×105hm2開始逐年增長，1976 年種植面積最大，達到3.487×105hm2，到2002 年，又減少到2.153×105hm2。糖蔗種植面積各年有所波動，從1962 年1.13×104hm2開始逐年增長，90年代中期種植面積最大，達1.467×105hm2左右，到2002 年，又減少到1.12×105hm2。花生種植面積波動較大，多的年份達5.4×104hm2，少的年份為2.13×104hm2。蔬菜種植面積呈逐年增長趨勢，從60 年代初1×104hm2左右增長到2002 年1.047×105hm2。水果以南亞熱帶水果和多年生果樹為主，種植面積從60年代初1.3×103hm2左右增長到2002 年8.6×104hm2。

1.3 分析方法

首先用氣候傾向率、Mann-Kendall 氣候突變檢驗等氣候統(tǒng)計學方法，分析雷州半島降水和蒸發(fā)的變化特征；然后分別分析徐聞等五個站平均雨日、降水量、蒸發(fā)量與水稻、糖蔗、花生、蔬菜和水果種植面積的相關性，選取通過顯著性檢驗的兩組變量，用線性模型、二次模型、對數(shù)模型、S 型模型、生長模型、復合模型、三次模型、逆模型、冪模型、指數(shù)模型、logistic 模型等11 種模型對其分別進行擬合，選擇決定系數(shù)R2最大的模型建立最優(yōu)擬合方程；最后選取與徐聞等五個站平均雨日、降水量、蒸發(fā)量顯著相關的農(nóng)作物種植面積分別建立回歸方程，以探討農(nóng)作物種植面積與降水、蒸發(fā)的相關關系。

2 結果與分析

2.1 雷州半島降水、蒸發(fā)變化特征

2.1.1 雷州半島降水變化特征

(1)雷州半島降水日數(shù)變化特征

雷州半島年平均降水日數(shù)為144.9d，北部多，南部少，遂溪154.8d，徐聞僅133.8d；年降水日數(shù)極大值出現(xiàn)在1973—1975 年；年降水日數(shù)極小值出現(xiàn)在90 年代。各地年降水日數(shù)年際變化大，總體呈先增后減的趨勢，遂溪和徐聞呈明顯減少的線性趨勢，其線性遞減率分別為-0.6613d·(10a)-1和-0.8383d·(10a)-1，相關系數(shù)分別為0.41 和0.44，均通過0.01信度的顯著性檢驗，其余各站沒有明顯的線性變化趨勢。對各站逐年降水日數(shù)進行Mann-Kendall 突變分析，前期均呈增多趨勢，70 年代中期均顯著偏多，通過0.05 信度的顯著性水平；廉江和湛江分別在1963 年和1964 年出現(xiàn)突變；80 年代各站先后呈減少趨勢，除了湛江外，其余各站先后出現(xiàn)雨日由偏多轉偏少的突變，徐聞和遂溪雨日分別在1993 年和2000 年以后顯著偏少，通過0.05 信度的顯著性水平。

2.1.2 雷州半島降水量變化特征

雷州半島年平均降水量為1664.8mm，也是呈現(xiàn)北多南少特征，徐聞最少 (1384.7mm)，廉江最多(1801.6mm)。年降水量極大值(3741.7mm，1962 年)和極小值(929.7mm，1977 年)均在廉江。各站年降水量年際變化大，但均沒有通過線性趨勢的顯著性檢驗，70 年代到80 年代前期為多雨期，總體呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。用Mann-Kendall 方法對五個站的逐年降水量進行分析，除徐聞外，其余4 個站點均在60 年代出現(xiàn)了降水量由偏少轉偏多的突變點，湛江的突變點在1969 年，其余3 個站點出現(xiàn)在60 年代初期，雷州和遂溪90 年代后期出現(xiàn)了降水量由偏多轉為偏少的突變。

2.2 雷州半島蒸發(fā)量變化特征

雷州半島年平均蒸發(fā)量為1735.0mm，與降水量相反，蒸發(fā)量呈南多北少的特征，徐聞年均蒸發(fā)量為1847.4mm，廉江年均蒸發(fā)量為1639.3mm。年際變化呈明顯減少的線性趨勢(圖1)，相關系數(shù)高達0.67，除雷州外，其余各站通過了0.001 信度的顯著性檢驗。

圖1 雷州半島平均蒸發(fā)量年際變化圖

用Mann-Kendall 方法對五個站的逐年蒸發(fā)量進行分析，各站均出現(xiàn)了由偏多轉偏少的突變點，湛江和遂溪的突變點出現(xiàn)在80 年代前期，在80 年代末期、90 年代初期至2001 年顯著偏少；廉江和徐聞的蒸發(fā)量從1974 年開始一直處于顯著偏少的水平，其突變點分別出現(xiàn)在70 年代末期和初期，雷州的蒸發(fā)量由偏多轉偏少的突變點出現(xiàn)在60 年代前期，僅在70 年代中后期偏少超過α=0.05 顯著性水平。可見，除雷州外，雷州半島各地的蒸發(fā)量從70 年代開始先后明顯減少。

雷州半島年平均蒸發(fā)量高于降水量70.2mm，其中湛江和遂溪年蒸發(fā)量和年降水量基本持平，廉江降水量略多于蒸發(fā)量，雷州和徐聞則是蒸發(fā)量多于降水量，尤其徐聞年蒸發(fā)量大于年降水量近500mm，因此雷州半島干旱相當嚴重，尤其是南部地區(qū)。由于降水、蒸發(fā)時空分布不均勻，雷州半島總體呈現(xiàn)冬春旱夏秋澇、南旱北澇的局勢。

3 雷州半島農(nóng)作物布局調整對降水、蒸發(fā)可能影響分析

3.1 農(nóng)作物布局調整對降水可能影響分析

對雷州半島年降水日數(shù)與主要農(nóng)作物水稻、糖蔗、花生、蔬菜和水果種植面積進行相關分析(表1)，除花生外，其余作物種植面積均與年降水日數(shù)呈顯著相關，水稻種植面積與年降水日數(shù)相關系數(shù)最大，呈明顯的正相關。

表1 雷州半島年降水日數(shù)和農(nóng)作物種植面積的相關系數(shù)

進行回歸分析時，將因變量Y 的總平方和中，由自變量X 的平方和所占的比例稱為決定系數(shù)，記為R2，其大小決定了相關的密切程度，R2越接近1，方程式參考價值越高。用11 種模型分別對雷州半島水稻種植面積和年降水日數(shù)的關系進行擬合，發(fā)現(xiàn)二次模型為最優(yōu)模型，決定系數(shù)R2為0.43，建立擬合方程為：

其中X 是水稻種植面積，Y 是年降水日數(shù)。

根據(jù)擬合方程繪制的模型擬合圖(圖2)可知，隨著水稻種植面積增加，年降水日數(shù)總體趨勢是增加的。這可能由于水稻生長發(fā)育過程中，在曬田前以灌水管理為主，隨著水稻種植面積的增加，水稻田因水汽蒸發(fā)增大，從而為降水的形成提供有利的水汽條件，使得雨日增加；在曬田后，由于水稻中的輻射、風速、風脈動和湍流交換狀況比高桿作物更利于其冠層表面溫度升高，易觸發(fā)空中不穩(wěn)定能量的釋放，造成層結不穩(wěn)定產(chǎn)生降水［23］。

圖2 雷州半島水稻面積和年降水日數(shù)模型擬合圖

糖蔗、水果、蔬菜種植面積在雷州半島變化很大，總體呈上升趨勢，與雷州半島降水日數(shù)呈顯著的負相關。尤其在70 年代中期后，隨著糖蔗、水果、蔬菜種植面積增大，年降水日數(shù)總體趨勢逐漸減少。這可能是由于隨著糖蔗不斷長高和植枝變密，而水果植枝普遍較高，樹冠較大，較高植被中的輻射、風速、風脈動和湍流交換狀況不利于植被冠層溫度的升高，不易造成不穩(wěn)定層結，從而不利于產(chǎn)生降雨天氣［23］。同時雷州半島的蔬菜多是利用冬季閑田種植，在白天，有植被覆蓋的地面不如裸地升溫快，從而不利于冬初、春末產(chǎn)生降水?；ㄉN植面積占耕地面積比例較小，且沒有明顯的年際變化規(guī)律，同時由于花生經(jīng)常與其他坡地作物輪種，對下墊面的性質改變不大，因此年降水日數(shù)和花生種植面積沒有顯著相關。

選取與降水日數(shù)相關性顯著的水稻、糖蔗、蔬菜和水果的種植面積作為因子，雷州半島年降水日數(shù)作為因變量，建立回歸分析方程：

其中X1為水稻種植面積，X2為糖蔗種植面積，X3為蔬菜種植面積，X4為水果種植面積，Y 為年降水日數(shù)?；貧w方程的決定系數(shù)R2為0.416。標準回歸系數(shù)與決定系數(shù)所代表的意義不同，是指消除了因變量Y 和自變量X 所取單位的影響之后的回歸系數(shù)，我們用其絕對值的大小反映自變量X 對因變量Y 的影響程度，數(shù)值越大，影響越顯著。水稻、糖蔗、蔬菜和水果的種植面積標準回歸系數(shù)分別為0.626、-0.289、-0.226 和-0.082，可見對雷州半島年降水日數(shù)可能影響從大到小依次為水稻、糖蔗、蔬菜和水果的種植面積。

雷州半島農(nóng)作物布局調整對降水的影響可能主要是通過影響午后陣雨和雷陣雨進而影響降水日數(shù)，由于午后(雷)陣雨降水量不大，分布極不均勻，對雷州半島平均年降水量貢獻不大，因而雷州半島主要農(nóng)作物水稻、糖蔗、花生、蔬菜和水果種植面積與年降水量相關關系不顯著，半島平均年降水量主要受氣候背景和天氣系統(tǒng)影響。

3.2 雷州半島農(nóng)作物布局調整對蒸發(fā)量可能影響分析

對雷州半島年蒸發(fā)量與主要農(nóng)作物水稻、糖蔗、花生、蔬菜和水果種植面積進行相關分析，相關系數(shù)分別為0.254、-0.628、-0.195、-0.520 和-0.536，其中年蒸發(fā)量與糖蔗、蔬菜、水果種植面積在0.01 水平下呈顯著負相關關系，這表明雷州半島糖蔗、水果、蔬菜種植面積總體變化趨勢與蒸發(fā)量的變化趨勢相反，與水稻、花生種植面積達不到顯著相關關系。

用11 種模型分別對雷州半島糖蔗種植面積和年蒸發(fā)量的關系進行擬合，結果表明糖蔗種植面積與年蒸發(fā)量的三次擬合模型決定系數(shù)R2最高，為0.435，是最優(yōu)擬合模型，從圖3a 可見，隨著糖蔗種植面積的加大，蒸發(fā)量總體趨勢是減少的，擬合方程為：

圖3 雷州半島農(nóng)作物面積和年蒸發(fā)量模型擬合圖

Y 為年蒸發(fā)量，X 為糖蔗種植面積。

水果種植面積與年蒸發(fā)量是對數(shù)模型最優(yōu)，決定系數(shù)R2為0.392，從圖5b 可見，隨著水果種植面積的加大，蒸發(fā)量是減少的，擬合方程為：

Y 為年蒸發(fā)量，X 為水果種植面積。

蔬菜的S 型模型最優(yōu)，決定系數(shù)R2為0.322，從圖5c 可見，隨著蔬菜種植面積的加大，蒸發(fā)量總體趨勢也是減少的，擬合方程為：

Y 為年蒸發(fā)量，X 為蔬菜種植面積。

用糖蔗、蔬菜和水果的種植面積作因子，對因變量雷州半島年蒸發(fā)量建立回歸方程為：

其中Y 為年蒸發(fā)量，X1為糖蔗種植面積，X2為蔬菜種植面積，X3為水果種植面積。

回歸方程的決定系數(shù)R2為0.401。糖蔗、蔬菜和水果的種植面積標準回歸系數(shù)分別為-0.609、-0.180和-0.206，可見糖蔗種植面積與雷州半島年蒸發(fā)量變化相關性最大，其次為水果和蔬菜。

4 結論與討論

(1)雷州半島年平均降水日數(shù)為144.9d，北多南少，總體呈先增后減的趨勢，遂溪和徐聞呈明顯減少的線性趨勢。各站雨日前期均呈增多趨勢，70 年代中期雨日均顯著偏多，80 年代各站呈減少趨勢，先后出現(xiàn)雨日由偏多轉偏少的突變。雷州半島年平均降水量為1664.8mm，北多南少，總體呈先增后減的趨勢。

(2)雷州半島年平均蒸發(fā)量為1735.0mm，南多北少，全島呈顯著減小的線性趨勢，大部分站在70年代前期開始顯著減小。雷州半島年平均蒸發(fā)量高于降水量70.2mm。

(3)年降水日數(shù)與水稻種植面積呈顯著正相關，與蔬菜、水果、糖蔗種植面積呈顯著負相關。在70 年代中期后，水稻種植面積逐漸減少，糖蔗、水果、蔬菜種植面積逐漸加大，80 年代開始年降水日數(shù)逐漸減少。與雷州半島年降水日數(shù)相關系數(shù)由大到小依次為水稻、糖蔗、蔬菜和水果的種植面積。

(4)蒸發(fā)量與糖蔗、蔬菜、水果種植面積呈顯著負相關關系，與水稻、花生種植面積相關不顯著，隨著糖蔗、水果、蔬菜種植面積加大，蒸發(fā)量也隨之減少，可能影響雷州半島年蒸發(fā)量從大到小依次為糖蔗、水果和蔬菜的種植面積。

本文中部分結論目前只是通過數(shù)理統(tǒng)計推理得出的初論，關于雷州半島作物種植布局調整與降水、蒸發(fā)的相關關系及具體作用機理還需做進一步的研究，開展數(shù)值模擬研究和更多的觀測試驗，用更多的數(shù)據(jù)驗證和校對。