基于水分虧缺率的貴州地區(qū)煙草干旱指標(biāo)

朱曉萌，張澤中，袁義杰，慎東方，商崇菊，李彥彬

(1.貴州省水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全中心，貴州 貴陽 550002； 2.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046;3.貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002)

貴州省是全國第二大優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)基地，煙草產(chǎn)業(yè)是貴州的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，在地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要地位。同時(shí)，貴州省地處云貴高原，是我國西南喀斯特地區(qū)的腹心地帶，喀斯特面積達(dá)10.9萬km2，占貴州省土地總面積的61.92%。貴州省的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，干旱狀況比較嚴(yán)重，每年均會(huì)發(fā)生旱情，并且平均每十年會(huì)發(fā)生一次特大干旱[1]。貴州省有著“八山一水一分田”之說，山多水少，并且水資源在時(shí)空上分布并不均勻，水旱災(zāi)害發(fā)生頻繁。隨著貴州省社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人口數(shù)量持續(xù)增加，農(nóng)業(yè)受旱情況和因旱造成糧食減產(chǎn)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重[2]。

鑒于貴州近些年來干旱影響面積、干旱等級(jí)和干旱發(fā)生頻率不斷增加，許多相關(guān)專家與學(xué)者從不同的方面對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，研究主要集中在對(duì)貴州氣象干旱指標(biāo)[3-4]、不同時(shí)間尺度下干旱時(shí)空特征分析[5-7]、干旱預(yù)警研究[8]，而對(duì)貴州農(nóng)業(yè)干旱的研究較少。王備等[9]利用黔西南州1961—2010年月降水和氣溫資料，通過對(duì)該區(qū)域越冬作物生長期內(nèi)相對(duì)濕潤度指數(shù)的變化趨勢(shì)以及氣象干旱發(fā)生頻次的研究，得到黔西南州氣象干旱的發(fā)生次數(shù)增多，強(qiáng)度增大，11月處于越冬作物的播種期和幼苗生長期，作物耐旱水平低的結(jié)論。張帥等[10]從氣象因素出發(fā)，將玉米的受災(zāi)強(qiáng)度、干旱指標(biāo)以及農(nóng)業(yè)抗災(zāi)能力因子三者相結(jié)合，建立線性方程，并綜合分析出降水距平百分率與降水潛在蒸散差指標(biāo)能快速、準(zhǔn)確地反映出干旱強(qiáng)度與受災(zāi)程度。宋艷玲等[11]利用2010—2011年貴州省縣級(jí)水稻產(chǎn)量資料，分析干旱對(duì)水稻單產(chǎn)的影響，結(jié)果表明當(dāng)累計(jì)干旱天數(shù)少于40天時(shí)，干旱對(duì)水稻產(chǎn)量尚不構(gòu)成影響；當(dāng)累計(jì)干旱天數(shù)超過86天時(shí)，干旱會(huì)造成水稻減產(chǎn)。

煙草生長期內(nèi)，貴州煙區(qū)正好是雨熱同步時(shí)期，同時(shí)也是該地區(qū)旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生時(shí)期，尤其是生育后期，易發(fā)生伏旱，造成煙草生長水分脅迫。然而對(duì)貴州煙草生育期內(nèi)干旱指標(biāo)的研究幾乎沒有，而且以往的研究很少考慮到貴州地形坡度大、土地瘠薄等因素。作物水分虧缺率是最常用的作物干旱診斷指標(biāo)之一[12]，它綜合考慮了氣象、作物、土壤等因素的影響, 能較好地反映出降水量和作物需水量之間關(guān)系。鑒于此，本文擬從有效降水量和作物需水量入手，綜合作物減產(chǎn)情況，構(gòu)建基于作物缺水率的干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)，以期為貴州煙草干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)及災(zāi)損評(píng)估提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取貴州省4個(gè)典型縣、市(區(qū))的氣象(最高溫度、最低溫度、平均水汽壓、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度)以及產(chǎn)量資料，氣象資料來源于中國氣象網(wǎng)(www.date.cma.cn)，產(chǎn)量資料來源于《貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒》。選取資料的時(shí)間序列為1955—2005年，主要原因是2005年之后，貴州省煙草公司為了落實(shí)國家工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)的政策，在貴州煙區(qū)開展煙水配套工程建設(shè)，使數(shù)以萬公頃的煙田得以灌溉。灌溉可以減少災(zāi)害損失，并不能杜絕干旱的存在，但會(huì)使干旱對(duì)煙草產(chǎn)量的影響結(jié)果被掩蓋，增加了干旱分析的難度。

1.2 研究方法

1.2.1煙草產(chǎn)量分解

煙草產(chǎn)量的形成受各種各樣自然和環(huán)境因素的相互制約。通常情況下，從影響產(chǎn)量形成的各個(gè)因素的性質(zhì)和時(shí)間尺度的角度來將煙草的產(chǎn)量分解為氣象產(chǎn)量、趨勢(shì)產(chǎn)量和隨機(jī)產(chǎn)量3個(gè)組成部分。其煙草實(shí)際產(chǎn)量的分解采用如下公式[13]：

y=yt+yw+ε

(1)

式中：y為煙草的實(shí)際產(chǎn)量；yt為煙草的趨勢(shì)產(chǎn)量；yw為煙草的氣象產(chǎn)量；ε為煙草的隨機(jī)產(chǎn)量，該部分影響很小，可忽略不計(jì)，單位均為kg/hm2。

趨勢(shì)產(chǎn)量的模擬采用Origin2017軟件中分析板塊的多項(xiàng)式擬合。

本文采用相對(duì)氣象產(chǎn)量來表示實(shí)際產(chǎn)量相對(duì)于趨勢(shì)產(chǎn)量的偏離程度，相對(duì)氣象產(chǎn)量是由逐年的煙草實(shí)際產(chǎn)量與其趨勢(shì)產(chǎn)量的差值除以趨勢(shì)產(chǎn)量而計(jì)算得出，其相應(yīng)的計(jì)算公式為

(2)

式中：YW為煙草相對(duì)氣象產(chǎn)量。相對(duì)氣象產(chǎn)量可為負(fù)值或正值，負(fù)值表示煙草產(chǎn)量減少，氣象條件不適宜于煙草生長；正值表示煙草產(chǎn)量增加，氣象條件適宜于煙草生長。

1.2.2煙草生育階段需水量

煙草在生育階段內(nèi)的逐旬需水量經(jīng)過累積，可以計(jì)算得到煙草生育階段需水量。運(yùn)用FAO推薦的作物系數(shù)法可計(jì)算逐旬需水量，理論需水量可以看作是標(biāo)準(zhǔn)條件下的旬蒸散量，計(jì)算公式如下[15]：

ETc=K×ET0

(3)

式中：ETc為逐旬作物需水量，mm；ET0為逐旬參照作物蒸散量，mm，反映出不同地區(qū)和時(shí)期大氣蒸發(fā)能力對(duì)于植物需水量所造成的影響，與氣象因素有關(guān)；K為逐旬作物系數(shù)，反映出土壤蒸發(fā)和作物蒸騰的綜合影響，它與作物生長狀況、作物類型、土壤蒸發(fā)、氣候條件等多種因素有關(guān)。K的取值如表1所示。

表1 煙草旬作物系數(shù)

參考劉國順等[14]研究成果，采用作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量ETc。根據(jù)貴州省灌溉試驗(yàn)站提供的主要種植結(jié)構(gòu)以及當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象站提供的試驗(yàn)結(jié)果等資料，確定不同作物逐時(shí)段的作物系數(shù)。有研究表明，彭曼-蒙蒂斯公式在我國西南地區(qū)有較好的適用性。本文ET0的計(jì)算采用此公式[15-16]:

(4)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓-氣溫關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；U2為近地面2 m高處的風(fēng)速，m/s；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃。

1.2.3煙草生育階段有效降水量

有效降水量是指在總降水量中扣除地表徑流和滲漏至作物根系吸水層的水分，可以保存在作物根系層中用來滿足作物蒸發(fā)蒸騰所需要的那部分雨量。

單次降水有效降水量P計(jì)算公式[17]為

P=αj，iPj,i

(5)

式中：Pj,i為生育階段i(i=1，2，3，分別表示還苗—團(tuán)棵期(伸根期)、團(tuán)棵—現(xiàn)蕾期(旺長期)、現(xiàn)蕾—采收結(jié)束(成熟期))內(nèi)第j次降水的降水總量，mm；αj,i為有效利用系數(shù)?？紤]到貴州地區(qū)地形坡度大、土地瘠薄以及獨(dú)特的喀斯特地貌等因素，αj,i的取值如下：當(dāng)Pj,i≤5 mm 時(shí)，αj,i=0；當(dāng) 5 mm50 mm 時(shí)，αj,i=0.75[18]。

生育階段i內(nèi)多次降水的有效降水量累加Pi計(jì)算公式為

(6)

式中：n為降水次數(shù)。

1.2.4煙草生育階段水分盈虧指數(shù)計(jì)算

煙草生育階段水分盈虧指數(shù)是基于作物水分虧缺指數(shù)而構(gòu)建，從而可表征出水分盈虧程度，其中以有效降水量為供水指標(biāo)，以生育階段潛在蒸散量為需水指標(biāo)[19]：

(7)

式中：Ii為水分盈虧指數(shù)；ETi為生育階段i的需水量，mm。當(dāng)Ii=0時(shí)，表示水分收支平衡；當(dāng)Ii>0時(shí)，表示生育階段i水分盈余；當(dāng)Ii<0時(shí)，表示水分虧缺，水分虧缺率可用其絕對(duì)值表示[20-21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙草相對(duì)氣象產(chǎn)量求解

2.1.1趨勢(shì)產(chǎn)量模擬

為了比較3次多項(xiàng)式、4次多項(xiàng)式和5次多項(xiàng)式3種方法的擬合效果，分別用湄潭縣相對(duì)氣象產(chǎn)量和煙草全生育期的水分盈虧指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。

從表2可以看出，湄潭縣煙草相對(duì)氣象產(chǎn)量和全生育期水分盈虧指數(shù)的相關(guān)關(guān)系十分顯著，因此，用水分盈虧指數(shù)來反映氣象條件對(duì)產(chǎn)量的影響，用作判斷煙草干旱的標(biāo)準(zhǔn)是可行的。但3種方法的模擬效果有些差異，其中以5次多項(xiàng)式模擬效果最好。因此，在進(jìn)行產(chǎn)量趨勢(shì)項(xiàng)模擬時(shí)，均采用5次多項(xiàng)式。

表2 3種模擬方法所得相對(duì)氣象產(chǎn)量和煙草全生育期水分盈虧指數(shù)的關(guān)系

以5次多項(xiàng)式模擬各站點(diǎn)的趨勢(shì)產(chǎn)量，圖1 顯示了對(duì)湄潭縣歷年煙草實(shí)際產(chǎn)量的趨勢(shì)產(chǎn)量模擬。

圖1 1956—2005年貴州湄潭歷年煙草實(shí)際產(chǎn)量與趨勢(shì)產(chǎn)量

2.1.2相對(duì)氣象產(chǎn)量獲取

得到煙草趨勢(shì)產(chǎn)量后，用式(2)計(jì)算，可得到煙草相對(duì)氣象產(chǎn)量，圖2給出了湄潭縣煙草的相對(duì)氣象產(chǎn)量，相對(duì)氣象產(chǎn)量為負(fù)時(shí)即為減產(chǎn)率。

圖2 1956—2005年貴州湄潭縣歷年煙草相對(duì)氣象產(chǎn)量

從圖2可以看出，相對(duì)氣象產(chǎn)量為負(fù)的年份較多，說明湄潭縣煙草大多數(shù)年份存在減產(chǎn)現(xiàn)象，其中減產(chǎn)率超過30%的有5 a。從變化趨勢(shì)線可以看出，湄潭縣煙草相對(duì)氣象產(chǎn)量有增加趨勢(shì)，遞增速率為1.40%/10 a，即減產(chǎn)率有下降趨勢(shì)，表明氣候條件向有利于煙草生產(chǎn)方向轉(zhuǎn)變。

由于影響相對(duì)氣象產(chǎn)量的各種氣象因子的時(shí)間序列具有正態(tài)分布特征，即極端氣象條件通常表現(xiàn)為致災(zāi)因子發(fā)生的概率較小，一般氣象條件發(fā)生的概率較多，故相對(duì)氣象產(chǎn)量序列也應(yīng)具有正態(tài)分布的屬性。圖3給出了湄潭縣相對(duì)氣象產(chǎn)量的正態(tài)分布概率圖，圖形呈線性，說明數(shù)據(jù)來自正態(tài)分布。

圖3 湄潭縣煙草相對(duì)氣象產(chǎn)量的正態(tài)概率

2.2 煙草不同生育水分盈虧指數(shù)

2.2.1煙草不同生育水分盈虧指數(shù)變化趨勢(shì)

選取湄潭縣1956—2005年煙草全生育期(5—8月)氣象資料，采用式(2)～(7)計(jì)算不同生育期水分盈虧指數(shù)如圖4所示。

圖4 湄潭縣煙草生長期內(nèi)水分盈虧指數(shù)變化規(guī)律

由圖4可知，湄潭縣煙草伸根期內(nèi)水分盈虧指數(shù)在大多數(shù)年間為正值，說明在該生育期內(nèi)發(fā)生水分虧缺的概率很小，不易發(fā)生干旱事件，僅有1986年發(fā)生嚴(yán)重水分虧缺，在該生育期水分盈虧指數(shù)趨勢(shì)沒有明顯變化；在旺長期水分盈虧指數(shù)在大多數(shù)年間為負(fù)值，說明在該生育期易發(fā)生干旱事件，該生育期缺水率超過50%的有4 a，易發(fā)生極端干旱事件，水分盈虧指數(shù)呈顯著遞增趨勢(shì)，通過α=0.01顯著性檢驗(yàn)，遞增速率為10.40%/10 a，說明在該時(shí)期極端干旱事件有減少趨勢(shì)；在成熟期水分盈虧指數(shù)在大多數(shù)年間為負(fù)值，說明在該生育期極易發(fā)生干旱事件，該生育期缺水率超過50%的有9 a，是極端干旱事件多發(fā)時(shí)段，水分盈虧指數(shù)呈遞增趨勢(shì)，通過α=0.01顯著性檢驗(yàn)，遞增速率為6.90%/10 a，說明在該時(shí)期極端干旱事件有減少趨勢(shì)；在全生育期水分盈虧指數(shù)在大多數(shù)年間為負(fù)值，湄潭縣煙草在全生育期以干旱為主，水分盈虧指數(shù)呈遞增趨勢(shì)，說明受氣候變化影響，干旱事件有減少趨勢(shì)。

2.2.2水分盈虧指數(shù)與煙草相對(duì)氣象產(chǎn)量關(guān)系

分析煙草水分盈虧指數(shù)和相對(duì)氣象產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果如表3所示。

表3 不同生育階段水分盈虧指數(shù)和相對(duì)氣象產(chǎn)量的相關(guān)分析

可以看出，煙草在不同生育階段的水分盈虧指數(shù)和產(chǎn)量的相關(guān)性是不同的。其中，降水在旺長期對(duì)煙草產(chǎn)量的影響最大，這個(gè)時(shí)期的水分盈虧指數(shù)和產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系最為密切，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了極顯著水平。其次，成熟期的水分盈虧指數(shù)也同產(chǎn)量具有顯著的相關(guān)性。同時(shí)，在4個(gè)典型區(qū)中，水分盈虧指數(shù)在伸根期階段和產(chǎn)量的相關(guān)性均不顯著，這是由于在煙草移栽的時(shí)候，多數(shù)站點(diǎn)均有補(bǔ)充灌溉，保證煙苗成活。

2.3 煙草旺長期干旱指標(biāo)

貴州地區(qū)煙草團(tuán)棵—現(xiàn)蕾期(旺長期)，通常為5月中下旬至 6月中下旬。通過水分盈虧指數(shù)與相對(duì)氣象產(chǎn)量的分析得出，旺長期的水分盈虧指數(shù)和相對(duì)氣象產(chǎn)量具有顯著的相關(guān)性。因此將旺長期水分盈虧指數(shù)與對(duì)應(yīng)的相對(duì)氣象產(chǎn)量時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，構(gòu)建它們兩者之間的回歸方程，量化干旱年份內(nèi)水分虧缺率和減產(chǎn)率之間的相互關(guān)系。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，貴州省湄潭和威寧兩站點(diǎn)的水分盈虧指數(shù)和相對(duì)氣象產(chǎn)量的關(guān)系如圖5所示。

圖5 煙草旺長期水分盈虧指數(shù)和相對(duì)氣象產(chǎn)量

用同樣的方法，對(duì)其他站點(diǎn)進(jìn)行類似分析，建立類似的一元線性回歸方程，不同站點(diǎn)此期水分虧缺率(水分盈虧指數(shù)負(fù)值的絕對(duì)值)同減產(chǎn)率(相對(duì)氣象產(chǎn)量負(fù)值的絕對(duì)值)的關(guān)系如表4所示。

通常情況下以減產(chǎn)率來劃分農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)，當(dāng)減產(chǎn)為≤10%時(shí)為輕旱，(10%，20%]時(shí)為中旱，(20%，30%]時(shí)為重旱，大于30%時(shí)為嚴(yán)重干旱[22-23]。根據(jù)表4，得到以煙草旺長期水分虧缺率為指標(biāo)的干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表4 煙草旺長期不同水分虧缺率所對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率

表5 不同干旱等級(jí)對(duì)應(yīng)的煙草旺長期水分虧缺率

2.4 煙草成熟期干旱指標(biāo)

貴州地區(qū)煙草現(xiàn)蕾—采收結(jié)束(成熟期)，通常為6月中下旬至8月中下旬。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，貴州省湄潭和威寧兩站點(diǎn)的水分盈虧指數(shù)和相對(duì)氣象產(chǎn)量的關(guān)系如圖6所示。

圖6 煙草成熟期水分盈虧指數(shù)和相對(duì)氣象產(chǎn)量

用同樣的方法，對(duì)其他站點(diǎn)進(jìn)行類似分析，建立相對(duì)應(yīng)的一元線性回歸方程，不同站點(diǎn)該期水分虧缺率和減產(chǎn)率的關(guān)系如表6所示。

表6 煙草成熟期不同水分虧缺率所對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率

因此，用煙草在成熟期的水分虧缺率來評(píng)估煙草產(chǎn)量損失的線性回歸方程如下：

Y=0.249X+1.154

(8)

式中：X為成熟期的煙草水分虧缺率，%；Y為煙草減產(chǎn)率，%。

根據(jù)表6并結(jié)合減產(chǎn)率劃分的農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)，可以得到以煙草成熟期水分虧缺率為指標(biāo)的旱情等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表7所示。

表7 不同干旱等級(jí)對(duì)應(yīng)的成熟期水分虧缺率

2.5 煙草全生育期干旱指標(biāo)

貴州地區(qū)煙草全生育期，通常為4月中下旬至9月上旬。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，貴州省湄潭和威寧兩站點(diǎn)的水分盈虧指數(shù)和相對(duì)氣象產(chǎn)量的關(guān)系如圖7所示。

圖7 煙草全生育期水分盈虧指數(shù)和相對(duì)氣象產(chǎn)量

因此，用煙草全生育期水分虧缺率評(píng)估煙草產(chǎn)量損失的線性回歸方程為

Y=0.543X+1.113

(9)

用同樣的方法，對(duì)其他站點(diǎn)進(jìn)行類似分析，建立相應(yīng)的一元線性回歸方程，不同站點(diǎn)此期水分虧缺率和減產(chǎn)率的關(guān)系如表8所示。

表8 煙草全生育期水分虧缺率和對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率

根據(jù)表8，結(jié)合減產(chǎn)率劃分的農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)，得到煙草全生育期水分虧缺率為指標(biāo)的干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表9)。

3 結(jié) 論

a.煙草不同生育階段的水分盈虧指數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響結(jié)果不同。其中，旺長期降水對(duì)煙草產(chǎn)量的影響最大，該時(shí)期的水分盈虧指數(shù)和產(chǎn)量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。其次，成熟期的水分盈虧指數(shù)也同產(chǎn)量具有顯著的相關(guān)性。而在4個(gè)典型區(qū)中，伸根期的水分盈虧指數(shù)和產(chǎn)量的相關(guān)性均不顯著。

b.全生育期水分虧缺率為≤15%、(15%,35%]、(35%,55%]、>55%時(shí)，分別發(fā)生輕、中、重、嚴(yán)重干旱，對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為≤10%、(10%,20%]、(20%,30%]、>30%；旺長期水分虧缺率為≤35%、(35%,70%]、>70%時(shí)，分別發(fā)生輕、中、重旱，對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為≤10%、(10%,20%]、(20%,30%]；成熟期水分虧缺率為≤35%、(35%,75%]、>75%時(shí)，分別發(fā)生輕、中、重旱，對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率分別為≤10%、(10%,20%]、(20%,30%]。

c.本文中以煙草各生育期缺水率為災(zāi)損評(píng)估指標(biāo)，分析不同生育期缺水率所對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)和減產(chǎn)率，盡管這一指標(biāo)的選取考慮到了降水的有效利用，運(yùn)用彭曼公式計(jì)算的煙草需水量，考慮到了諸多氣象因子較為符合實(shí)際，但煙草產(chǎn)量還與其他諸多因素如水肥條件、田間管理措施、澇災(zāi)、干旱引發(fā)的次生蟲害等密切相關(guān)，要想完全分離出因干旱造成的煙草產(chǎn)量損失具有一定難度。