內(nèi)蒙古中部區(qū)干旱指數(shù)演變及其對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

越昆,金林雪*,李云鵬,姜少杰,牛冬

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心,呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象服務中心,呼和浩特 010051)

干旱一直是導致我國農(nóng)業(yè)損失嚴重的自然災害之一，階段性或區(qū)域性干旱幾乎每年都會發(fā)生[1]。21世紀以來，氣候變化進程加快，干旱問題日益凸顯，己成為困擾經(jīng)濟社會發(fā)展的重大問題。馬鈴薯作為種植適應性廣、市場潛力大的產(chǎn)品，原農(nóng)業(yè)部(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部)于2015年發(fā)布指導意見將其定為主糧產(chǎn)品[2]。內(nèi)蒙古因其氣候特點，成為我國最大的種薯和商品薯生產(chǎn)基地，中部地區(qū)的呼和浩特市、烏蘭察布市和包頭市的馬鈴薯種植面積均在2×104hm2以上，約占全區(qū)馬鈴薯種植面積的70%[3-4]。但該地區(qū)位于農(nóng)牧交錯地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，抵抗自然災害的能力較弱，易受到干旱災害的制約。隨著近幾十年氣候變化的加劇，氣溫升高導致內(nèi)蒙古中部地區(qū)夏季干旱愈發(fā)嚴重[5]。因此，研究干旱時空變化及其對馬鈴薯產(chǎn)量的影響，可為氣候變化背景下的糧食安全與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供有效建議。

目前，干旱過程的監(jiān)測與分析中較為常用的干旱指數(shù)是帕默爾干旱指數(shù)(Palmer drought severity index，PDSI)、標準化降水指數(shù)(standard precipitation index，SPI)、作物濕度指數(shù)(crop moisture index，CMI)、地表供水指數(shù)(surface water supply index，SWSI)、標準化降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)和氣象干旱綜合指數(shù)(meteorological composite index，MCI)等[6-8]，其中SPI和SPEI具有計算簡單、參數(shù)易獲取、多時間尺度等優(yōu)勢，在國內(nèi)外旱情研究中得到廣泛應用，取得了極為豐碩的成果[9-12]。二者的相同點是皆可以表征不同時間尺度下的干旱情況，而區(qū)別在于SPEI是在SPI的基礎上使用降水與蒸散的差值來替換單一降水量，實現(xiàn)了氣溫要素融入干旱指數(shù)的計算，其結(jié)果相較于SPI考慮了氣溫變化對干旱的影響。另外，干旱的診斷不僅要看降水總量，還要綜合考慮降水分布的集中程度，而降水集中度(precipitation concentration degree，PCD)和集中期(precipitation concentration period，PCP)作為度量降水非均勻分配的指標，能夠很好地反映過程內(nèi)降水的時空非均勻性分布特征。研究發(fā)現(xiàn)，降水集中度越低、集中期越晚，干旱出現(xiàn)的概率越大[13]。近年來，關于干旱指數(shù)對農(nóng)作物產(chǎn)量影響的研究多集中于玉米、小麥等作物[14-15]，關于馬鈴薯的相關報道尚處于起步階段。本研究依托內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)氣象觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合相應區(qū)域的馬鈴薯產(chǎn)量及干旱災情資料，以SPI、SPEI、PCD、PCP作為干旱指數(shù)，研究內(nèi)蒙古中部地區(qū)干旱發(fā)生的程度、變化趨勢及其對馬鈴薯產(chǎn)量的影響，為馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略提供參考和借鑒意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用資料包括逐日氣象觀測資料，為保證數(shù)據(jù)的完整性及準確性對數(shù)據(jù)進行了均一化處理，對缺測數(shù)據(jù)超過3%的臺站進行剔除，最終選取1961—2017年內(nèi)蒙古中部地區(qū)23個氣象站數(shù)據(jù)，站點信息詳見表1。使用內(nèi)蒙古6個農(nóng)業(yè)氣象觀測站的馬鈴薯生育期資料，按照地理位置相近原則確定研究區(qū)馬鈴薯的生長季(表1)；馬鈴薯播種面積、總產(chǎn)量和單產(chǎn)資料來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)統(tǒng)計局；地理信息數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古地圖制印院提供的標準底圖。

表1 研究區(qū)氣象觀測站點信息及馬鈴薯生長季Table 1 Information of meteorological stations and the growing time of potato

1.2 干旱指數(shù)的定義及計算

1.2.1PCD和PCP PCD是反映降水總量在研究時段內(nèi)的集中程度，取值范圍為0～1，越接近于1代表降水越集中；越接近于0，代表降水量越均勻。PCP為合成向量的方位角，表示向量合成后重心指示的角度，反映最大降水量的出現(xiàn)時段；二者可以較好地反映出區(qū)域降水量的時空分布特征，計算方法[16-17]如下。

(1)

PCP=arctan(Rxi/Ryi)

(2)

(3)

(4)

式中，Rxi為降水量的垂直分量之和；Ryi為降水量的水平分量之和；Ri為某站第i年研究時段內(nèi)的降水總量；rij為某日降水量，j為時序；θj為各日對應的方位角。

由于PCP是時間的表征量，本研究將一個候的降水量設定為向量長度，整個生長季(4—9月)每一候?qū)姆轿唤嵌仍斠姳?，根據(jù)此表將PCP的方位角度值換算為以候為單位的時間表征量[18]。

表2 4—9月各方位角所對應的候Table 2 Azimuth angle of each pentad from April to September

1.2.2SPI和SPEI SPI 計算公式[19]如下。

(5)

式中，x為時段內(nèi)降水量；G(x)是對應x的累積概率；S是概率密度正負系數(shù)，當G(x)>0.5 時，S=1，當G(x)≤0.5 時，S=-1；c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

G(x)為給定降水時段概率密度，由不完全Γ分布概率密度函數(shù)積分求得，計算公式如式(6)所示。

(6)

式中，γ為形狀參數(shù)，β為尺度參數(shù)，兩者采用極大似然估計方法[20]求得。

SPEI 的計算首先需要計算逐月降水量與蒸散量的差值，建立不同時間尺度下的水分盈虧累積序列，計算公式如下[21]。

(7)

式中，k為時間尺度;n為計算月份;P(mm)為月降水量；PET(mm)為月潛在蒸散量值，采用Penman-Monteith方法[22]求得。

其次，對降水蒸散差值數(shù)據(jù)序列進行標準化，由于Di數(shù)據(jù)序列可能存在負值，故引入三參數(shù)的log-logistic概率密度函數(shù)f(x)對所建立的序列進行擬合。

(8)

式中，α、β、γ分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)。

對概率密度函數(shù)f(x)積分，得到log-logistic累積分布函數(shù)F(x)。

(9)

然后，對累積概率密度進行標準化。

Q=1-F(x)

(10)

當累積概率Q≤0.5時，SPEI利用式(11)進行計算。

(11)

當累積概率Q>0.5時，SPEI利用式(12)進行計算。

(12)

1.3 突變檢驗

利用Mann-Kendall秩次檢驗法(M-K檢驗)、滑動T檢驗法(T檢驗)等統(tǒng)計方法分析PCD、PCP、SPEI和SPI的趨勢變化特征。M-K檢驗因其檢驗方法不要求樣本遵從固定分布，所以得到廣泛的應用，通過在圖上繪制順序計算的UF和逆序計算的UB，以及顯著性水平為0.05時的臨界值(±1.96)來分析統(tǒng)計結(jié)果：當UF或UB大于0，為上升趨勢，小于0為下降趨勢，曲線超過臨界值則趨勢顯著；UF和UB在臨界線之間的交點即為可能發(fā)生突變的年份?；瑒覶檢驗是通過檢驗兩組樣本平均值是否顯著來檢驗是否發(fā)生突變，本研究將T檢驗作為輔助檢驗結(jié)果來印證M-K檢驗的結(jié)論。

1.4 變化趨勢率

變化趨勢率(氣候傾向率)用來表述某氣象要素在長時間序列上的變化趨勢，通常采用一元線性方程進行擬合，用斜率的10倍作為趨勢率[23]。

1.5 減產(chǎn)百分率

減產(chǎn)百分率是指作物實際單產(chǎn)低于其對應年份趨勢產(chǎn)量的百分率[24]，計算公式如下。

(13)

式中，x為馬鈴薯的單產(chǎn)(kg·hm-2)，xt為該作物對應年份的趨勢產(chǎn)量(kg·hm-2)，本研究的趨勢產(chǎn)量是由直線滑動平均法[25]計算。一般認為，5%的減產(chǎn)百分率為成災的臨界值，當減產(chǎn)百分率大于5%時即為成災年份[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水資源空間分布

為了解所選區(qū)域的降水資源分布，用該地區(qū)1961—2017年馬鈴薯生長季(4—9月)的累計降水量平均值繪制區(qū)域圖(圖1)。可以看出，降水區(qū)域分布呈西北少、東南多的趨勢。西北降水量較低的區(qū)域，4—9月的累積降水量低于200 mm;南部降水量最高的區(qū)域累計降水量達到350 mm以上，降水資源存在不均勻性。從研究區(qū)域1961年—2017年平均累積降水量的年際變化(圖1)來看，1965年的降水量最少，為166.6 mm；1961年的降水量最多，為444.3 mm，均值為308.8 mm，整體來看年際之間的數(shù)值波動較大，沒有明顯的趨勢變化。

圖1 1961—2017年內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)生長季累積降水量的時空變化Fig.1 Temporal and spatial variations of precipitation in growing season of the main potato production area in central Inner Mongoliafrom1961 to 2017

2.2 干旱指數(shù)的年際變化

1961—2017年間PCD、PCP、SPI和SPEI的年際變化趨勢見圖2，PCD值在0.17到0.55之間，均值為0.35。從年際變化來看有較為明顯的下降趨勢，即降水年度內(nèi)分配趨向于均勻，雖然降水總量沒有增加，但較為均勻的降水有利于馬鈴薯對水分的有效利用。多數(shù)年份的PCP在32至39 候之間，即6月6日—7月15日之間；1987年和2010年偏晚，分別出現(xiàn)在40和45候；1991年和2002年偏早均出現(xiàn)在29 候；近50年，PCP最早不超過5月20日(29候)，最晚不晚于8月15日(45候)，平均值出現(xiàn)在6月25日～30日(36候)之間。從SPI和SPEI的時間變化特征來看，1961—2017年SPI呈輕微的下降趨勢，SPEI呈現(xiàn)上升趨勢，兩者沒有明顯的趨勢變化。

圖2 1961—2017年內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的PCD、PCP、SPI和SPEI年際變化Fig.2 Interannual variations of PCD,PCP,SPI and SPEI in the main potato production areas of central Inner Mongolia from 1961 to 2017

2.3 干旱指數(shù)的空間變化

PCD和PCP在研究區(qū)域內(nèi)的空間分布見圖3，PCD在區(qū)域內(nèi)大致為西北高東南低，即西北地區(qū)降水較東南地區(qū)更為集中。PCD最高的旗縣是地處西北方位的達茂旗，為0.38，生長季累積降水量為227 mm；位于東南方位的太仆寺旗的PCD最低，為0.31，累計降水量為346 mm；從區(qū)域分布來看，該地區(qū)的PCD與其生長季的降水量大體呈現(xiàn)相反的趨勢，即降水越少的地區(qū)降水越集中。研究區(qū)域的PCP在34～37候之間，即6月20—7月4日之間，分布趨勢呈由東向西遞增，即東部的正藍旗等地的降水多集中于6月下旬，西部的達拉特旗等地的降水多集中于7月上旬。

圖3 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)PCD和PCP空間分布Fig.3 Spatial distribution of PCD and PCP in growing season of the main potato production area in central Inner Mongolia

從內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)SPI和SPEI變化趨勢的空間分布(圖4)來看，兩個干旱指數(shù)在區(qū)域分布上都是西北部呈現(xiàn)增加趨勢，東南部呈現(xiàn)減小趨勢。SPI的變化范圍為-0.13～0.08·(10 a)-1，西北部地區(qū)除東勝站為-0.05·(10 a)-1外，其余地區(qū)數(shù)值都大于0，即干旱程度有所緩解；東南部地區(qū)數(shù)值均為負，說明干旱程度有所增強。SPEI的變化范圍為-0.11～0.29·(10 a)-1，僅烏蘭察布偏東南部的察右前旗、涼城、興和、正藍旗和正鑲白旗小于0，其余地區(qū)SPEI年際趨勢變化呈增長趨勢。從SPI和SPEI的空間分布(圖5)可見，低值區(qū)主要位于中部，其中察右中旗、達茂旗、豐鎮(zhèn)和四子王旗的SPI和SPEI均為負值，即上述地區(qū)干旱發(fā)生偏重，察右前旗和滿都拉SPI值為負，化德SPEI值為負。

圖5 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)SPI和SPEI空間分布Fig.5 Spatial distribution of SPI and SPEI in growing season of the main potato production area in central Inner Mongolia

2.4 干旱指數(shù)突變分析

對PCD、PCP、SPI和SPEI四種干旱指數(shù)進行突變分析(圖6)，PCD的M-K檢驗發(fā)現(xiàn)UF和UB相交于置信區(qū)間內(nèi)(1998年處)，兩者統(tǒng)計量均低于0，且通過T檢驗對突變時間點進行了驗證，說明PCD呈下降趨勢且可能在1998年發(fā)生突變。從PCP的M-K檢驗結(jié)果來看，在2010—2015年之間存在突變點，但結(jié)合T檢驗驗證PCP在1961年—2017年間沒有明顯的突變點。結(jié)合SPI和SPEI干旱指數(shù)的M-K檢驗和T檢驗結(jié)果，區(qū)域平均的SPI和SPEI沒有明顯的趨勢變化，也無明顯的突變點。

圖6 1961—2017年內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)干旱指數(shù)M-K檢驗和滑動T檢驗Fig.6 Mann-Kendall test and moving t-test of drought index in growing season of the main potato production area in central Inner Mongolia from 1961 to 2017

2.5 干旱指數(shù)與馬鈴薯產(chǎn)量變化的關系

y為馬鈴薯減產(chǎn)百分率，x為干旱指數(shù)，用1994—2015年干旱指數(shù)與馬鈴薯減產(chǎn)百分率進行線性擬合得到擬合方程(表3)，擬合關系均通過顯著檢驗。經(jīng)回代檢驗，減產(chǎn)百分率為5%～20%時PCD、PCP、SPI、SPEI的平均檢驗準確率分別為71%、72%、65%和72%。

表3 干旱指數(shù)與減產(chǎn)百分率的擬合方程Table 3 Fitting equation of drought index and yield reduction

通過擬合得到減產(chǎn)百分率分別為0%、5%、10%和20%時所對應的干旱指數(shù)值臨界值(表4)，結(jié)果表明，當PCD >0.37、PCP>39 候、SPI <0.13或SPEI <0.34的年景可能出現(xiàn)減產(chǎn)；當PCD>0.48、PCP>41 候、SPI <-0.54或SPEI<-0.29時，可能為成災年份。因此，根據(jù)本研究減產(chǎn)率對應干旱指數(shù)的臨界值，可用來估算干旱的發(fā)生程度及預估馬鈴薯產(chǎn)量的變化情況，為內(nèi)蒙古馬鈴薯干旱災害的防災減災提供更科學的依據(jù)。

表4 減產(chǎn)率對應的干旱指數(shù)臨界值Table 4 Index of drought index corresponding to reduced yield

3 討論

本研究通過對內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)干旱指數(shù)的特征進行分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的PCD由西北向東南遞減，PCD與馬鈴薯生長季的降水量大體呈負相關關系，即降水越少的地區(qū)降水越集中，該結(jié)論與胡麗莉等[18]對河西走廊東部的分析結(jié)果基本一致。從年際變化來看，PCD近50年有較明顯的下降趨勢，突變點在1998年附近，表明內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主要種植區(qū)的降水量在年度內(nèi)的分配更趨近于均勻。研究區(qū)內(nèi)PCP多在6月20至7月4日之間，分布趨勢呈現(xiàn)東部降水早西部降水晚。PCP最早不超過5月20日，最晚不晚于8月15日，平均值出現(xiàn)在6月25日至30日之間，年際間沒有明顯的變化趨勢，也無明顯突變。

SPI和SPEI在華南、東北和華北地區(qū)有較多的研究，但針對內(nèi)蒙古中部地區(qū)關注的較少，本研究發(fā)現(xiàn)在內(nèi)蒙古中部地區(qū)SPI和SPEI在時間上沒有明顯的趨勢變化，在空間分布上低值區(qū)主要位于中部，其中，察右中旗、達茂旗、豐鎮(zhèn)和四子王旗干旱偏重。兩個干旱指數(shù)氣候傾向率的空間分布均呈現(xiàn)西北部增加、東南部減小的趨勢，即西北部地區(qū)的干旱程度有所緩解，東南部地區(qū)的干旱程度有所增強。

PCD、PCP、SPI、SPEI與馬鈴薯減產(chǎn)百分率的擬合關系均通過顯著性檢驗，且根據(jù)擬合關系確定了減產(chǎn)百分率為0%、5%、10%、20%時的相應指數(shù)臨界值，經(jīng)檢驗準確率均達到70%以上，表明上述干旱指數(shù)與馬鈴薯產(chǎn)量變化的響應關系較為密切。通過確定的干旱指數(shù)臨界值可以有效地對研究區(qū)內(nèi)干旱導致的馬鈴薯產(chǎn)量損失進行預判，有助于提前進行馬鈴薯產(chǎn)量預估。在有灌溉條件的地區(qū)，可加強干旱的滾動監(jiān)測，進行田間水分條件的精準管理，為馬鈴薯干旱監(jiān)測和抗旱減災提供科學依據(jù)。