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    貴州省農(nóng)業(yè)與氣象干旱特征及其響應(yīng)關(guān)系

    2022-10-10 14:20:08賀中華楊銘珂皮貴寧
    水土保持學(xué)報(bào) 2022年5期
    關(guān)鍵詞:歷時(shí)烈度氣象

    游 漫, 賀中華,2,3, 張 浪, 楊銘珂, 皮貴寧

    (1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴陽(yáng) 550001;2.貴州師范大學(xué)國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴陽(yáng) 550001;3.貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng) 550001)

    干旱是全球常見(jiàn)且最具破壞性的自然災(zāi)害,具有干旱歷時(shí)長(zhǎng)、干旱烈度大、發(fā)生頻率高以及范圍廣等的特點(diǎn),是威脅著人類(lèi)生命安全及財(cái)產(chǎn)安全的自然災(zāi)害。干旱阻礙農(nóng)作物生長(zhǎng)和發(fā)展,農(nóng)作物收成降低。氣象干旱是其他干旱發(fā)生的基礎(chǔ),是農(nóng)業(yè)干旱的外在驅(qū)動(dòng)力,可見(jiàn)氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱具有較強(qiáng)的相關(guān)性。貴州地處南方喀斯特分布區(qū),雖然受西南季風(fēng)影響,降水豐富,但是卻受喀斯特作用的影響,常年缺水,干旱現(xiàn)象嚴(yán)重。因此,對(duì)貴州省氣象、農(nóng)業(yè)干旱特征及其二者之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究是十分必要的,可為農(nóng)業(yè)防旱抗旱工作提供參考。

    干旱包括氣象、水文、農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱4種,分別用降水、徑流、土壤水分以及社會(huì)發(fā)展用水的不足表示。已有研究表明,由于大氣降水、地表水和地下水在水循環(huán)中相互聯(lián)系,且氣象、水文和農(nóng)業(yè)干旱密切相關(guān),因此,長(zhǎng)期降水不足將引起土壤水分和徑流的異常,從而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱和水文干旱的發(fā)生。Xu等利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index)和標(biāo)準(zhǔn)化土壤水指數(shù)(standardized soil moisture index)對(duì)氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行表征,通過(guò)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生與氣象干旱的嚴(yán)重程度同步增加,在夏季農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)程度較高。羅綱等利用水分盈虧指數(shù)(crop water deficit index,CWDI)和相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)(relative moisture index,MI)研究淮河蚌埠閘以上地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱與氣象干旱關(guān)聯(lián)性發(fā)現(xiàn),農(nóng)業(yè)干旱較氣象干旱周期更長(zhǎng),頻率及強(qiáng)度更大,氣象干旱加劇農(nóng)業(yè)干旱旱情。Yao等利用小波分析研究農(nóng)業(yè)、水文和氣象干旱的周期性特征發(fā)現(xiàn),農(nóng)業(yè)干旱與氣象干旱的聯(lián)系性更強(qiáng)。賴(lài)力等利用最大相關(guān)系數(shù)法分析農(nóng)業(yè)干旱對(duì)不同時(shí)間尺度氣象干旱的響應(yīng),結(jié)果表明農(nóng)業(yè)干旱對(duì)3個(gè)月尺度的氣象干旱響應(yīng)最靈敏。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index)等指標(biāo)表征氣象干旱;利用標(biāo)準(zhǔn)化土壤水分指數(shù)(SSI)、植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)、水分盈虧指數(shù)(CWDI)等指標(biāo)表征農(nóng)業(yè)干旱?;谙嚓P(guān)性分析、小波分析、構(gòu)建Copula模型等對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行定性和定量,以此來(lái)判別農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)。以上研究往往只注重響應(yīng)時(shí)間,而忽略響應(yīng)的嚴(yán)重程度,很少利用指標(biāo)來(lái)定量表征農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)嚴(yán)重程度,且對(duì)2種干旱在不同下墊面之間的轉(zhuǎn)移概率研究較少。

    貴州省作為喀斯特大省,流域介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因二元結(jié)構(gòu)地下存在特殊儲(chǔ)水空間,盡管降水豐富,農(nóng)業(yè)干旱現(xiàn)象仍較為嚴(yán)重。因此,本文以貴州省為研究對(duì)象,利用降水?dāng)?shù)據(jù)和土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)從季節(jié)的時(shí)空角度分析農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng),同時(shí)結(jié)合下墊面因子探討兩者的時(shí)空干旱特征以及轉(zhuǎn)移概率特征。主要研究目標(biāo)有:(1)研究氣象、農(nóng)業(yè)干旱季節(jié)性的時(shí)空演變特征;(2)研究下墊面條件下農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)特征;(3)分析下墊面條件下農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)轉(zhuǎn)移概率關(guān)系。

    1 研究區(qū)概況

    貴州是中國(guó)南方錐狀喀斯特類(lèi)型的典型分布區(qū),地處云貴高原向東部低山丘陵過(guò)渡的斜坡地帶,為四川盆地和廣西盆地之間一個(gè)強(qiáng)烈?guī)r溶化的高原山區(qū)(圖1)。地貌深受地質(zhì)構(gòu)造控制,切割強(qiáng)烈、高差明顯、以盆地、洼地和山谷為主,地形復(fù)雜,地表破碎,巖石裸露程度高??λ固氐孛舶l(fā)育廣,占貴州省面積的73%。位于副熱帶東亞大陸季風(fēng)區(qū),受西南季風(fēng)的影響,降水充足,年均降水量達(dá)1 100~1 300 mm,雨熱同期。由于地下二元結(jié)構(gòu)復(fù)雜,降雨在地表停留時(shí)間短,絕大部分滲入地下,地下溶洞、溶溝、地下河等發(fā)育,地下排水流暢,保水和持水能力弱。同時(shí),貴州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要受制于“地”,因此研究貴州省氣象干旱對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的影響是至關(guān)重要的。

    圖1 研究區(qū)概況

    2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

    2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

    本文所使用的逐月數(shù)據(jù)資料為1980—2020年17個(gè)氣象站點(diǎn)的降水觀測(cè)數(shù)據(jù)與17個(gè)站點(diǎn)的地下土壤水分提取數(shù)據(jù),共34個(gè)樣本站點(diǎn)數(shù)據(jù)。其中,氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn),土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于NASA全球陸地同化系統(tǒng)(GLDAS,Global Land Date Assimilation System)(https://disc.gsfc.nasa.gov/)的GLDAS_NOAHO25_M陸地表面模型數(shù)據(jù),空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1個(gè)月??紤]到土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)比固定深度的根系土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)更適合于農(nóng)業(yè)干旱模擬,便選取土壤中0—100 cm土層最有效的部分植被根區(qū)水分。利用貴州省17個(gè)氣象站點(diǎn)借助ArcGIS軟件技術(shù)手段提取1980—2020年逐月土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)資料并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理;其他數(shù)據(jù)包括貴州省地貌類(lèi)型數(shù)據(jù)和地表切割深度數(shù)據(jù)等。

    2.2 研究方法

    2.2.1 干旱指數(shù)選取 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)計(jì)算方法是由mc Kee等提出,被廣泛用于氣象干旱監(jiān)測(cè)和分析指標(biāo),由不同時(shí)間尺度內(nèi)累積的降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得出,被世界氣象組織(WMO)接受為標(biāo)準(zhǔn)的干旱監(jiān)測(cè)指數(shù),用于量化和預(yù)測(cè)全球干旱。SPI具體計(jì)算方法參照Mc Kee等和孫智輝等的方法。

    標(biāo)準(zhǔn)化土壤水分指數(shù)(SSI)用于農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估分析,其計(jì)算方法與SPI相似,符合伽馬分布,采用雙參數(shù)伽馬概率密度函數(shù)描述降水和土壤水分的頻率分布,計(jì)算公式為:

    (1)

    式中:()為gamma函數(shù);為降水(土壤水分)累計(jì),其中和為gamma的形狀和尺度參數(shù)。并根據(jù)國(guó)家氣象干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 20481—2206),根據(jù)SPI、SSI值對(duì)干旱程度進(jìn)行分級(jí),見(jiàn)表1。

    表1 SPI與SSI干旱程度等級(jí)劃分

    2.2.2 干旱事件識(shí)別 本文通過(guò)游程理論識(shí)別干旱事件,主要用其來(lái)定量評(píng)估干旱烈度和干旱歷時(shí)2個(gè)特征變量,以此達(dá)到對(duì)貴州省農(nóng)業(yè)、氣象干旱特征選取。以計(jì)算出逐月的SPI和SSI值為基礎(chǔ),根據(jù)干旱判別指標(biāo),當(dāng)SPI/SSI<-0.5時(shí),則判定發(fā)生干旱,干旱歷時(shí)即干旱持續(xù)時(shí)間,表示干旱從發(fā)生到結(jié)束的時(shí)間,干旱烈度為干旱歷時(shí)過(guò)程中SPI/SSI的累計(jì)值。本文參考相關(guān)研究,利用游程理論從SPI/SSI的時(shí)間序列中提取干旱歷時(shí)和干旱烈度2個(gè)干旱特征變量,并將時(shí)間序列中的小干旱事件進(jìn)行合并和刪除。

    2.2.3 傳播響應(yīng)率 農(nóng)業(yè)干旱與氣象干旱之間的傳播百分比表示為響應(yīng)率(,response rate index),傳播百分比越高,農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱更為敏感,兩者間的響應(yīng)越高,較低的百分比表示農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)關(guān)系弱(表2)。響應(yīng)率計(jì)算公式為:

    表2 傳播響應(yīng)率與下墊面條件分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

    (2)

    式中:為響應(yīng)率的百分比(%);為響應(yīng)氣象干旱事件的農(nóng)業(yè)干旱事件的次數(shù);為記錄期間發(fā)生的氣象干旱事件次數(shù)。

    2.2.4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣又稱(chēng)馬爾科夫鏈,農(nóng)業(yè)、氣象系列可以看作是馬爾科夫過(guò)程,一個(gè)離散時(shí)間的馬爾科夫鏈,,,,…,,其隨機(jī)過(guò)程具有馬爾科夫性質(zhì),即將到來(lái)的狀態(tài)只取決于當(dāng)前的狀態(tài),不依賴(lài)于之前的狀態(tài)-1,-2,…,。設(shè)隨機(jī)序列{,=0,1,2,…,},的條件分布函數(shù)與在+1=+1條件下的條件分布函數(shù)相等,即:

    (+1=+1|=,=,…,==(+1=+1|=)

    (3)

    設(shè)(=|=)=狀態(tài)到狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率,則表示為轉(zhuǎn)移概率矩陣形式。

    對(duì)于性質(zhì)1和性質(zhì)2,第二學(xué)段教材的正文,沒(méi)有明顯地呈現(xiàn)其相關(guān)應(yīng)用,第三學(xué)段主要將其應(yīng)用于證明和計(jì)算相關(guān)問(wèn)題.

    (4)

    3 結(jié)果與分析

    3.1 農(nóng)業(yè)、氣象干旱特征分析

    3.1.1 干旱特征時(shí)間分析 本文利用游程理論選取干旱歷時(shí)和干旱烈度2個(gè)變量特征,分析農(nóng)業(yè)、氣象干旱的年際和季節(jié)性干旱特征變化趨勢(shì)。圖2和圖3為1980—2020年農(nóng)業(yè)、氣象干旱年際及不同季節(jié)下干旱特征的變化。結(jié)果表明,在年際尺度上,SPI干旱歷時(shí)的年際變化短于SSI,SPI和SSI干旱歷時(shí)最長(zhǎng)分別為7個(gè)月(2009年、2011年)和12個(gè)月(2005年),SPI干旱烈度值小于SSI,值越小,則越干旱,兩者干旱烈度最小值分別為-7.68(2011年)和-19.03(2011年)。

    圖2 氣象-農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)特征

    圖3 氣象-農(nóng)業(yè)干旱烈度特征

    在季尺度上,由圖2可知,2011年SPI春、夏季干旱歷時(shí)均達(dá)到3個(gè)月,而秋、冬季節(jié)分別在2009年,1995年發(fā)生3個(gè)月持續(xù)干旱。春季SSI在2012年干旱歷時(shí)達(dá)3個(gè)月,夏季(2003年、2005年、2011年、2018年)、秋季(1992年、2003年、2005年、2009年、2011年)和冬季(2007年、2009年、2011年)均在以上年份干旱歷時(shí)長(zhǎng)于其他年。由圖3可知,SSI季節(jié)性干旱烈度變化比SPI顯著,SPI干旱烈度最大發(fā)生于2009年冬季,為-3.41;SSI干旱烈度最大發(fā)生在1987年夏季,為-7.32,達(dá)特旱等級(jí),SSI季節(jié)性干旱烈度均大于SPI。綜上,貴州省在2000年后,干旱歷時(shí)長(zhǎng),干旱烈度增強(qiáng)。農(nóng)業(yè)干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于氣象干旱,干旱烈度也呈上升趨勢(shì)。這是由于貴州省具有特殊的喀斯特地貌,且貴州農(nóng)業(yè)干旱主要受制于“地”,降雨在地表流速快,滯留時(shí)間短,地下排水流暢,地下水不能補(bǔ)給土壤水;且貴州技術(shù)落后,經(jīng)濟(jì)條件差,對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用少。因此,一旦發(fā)生氣象干旱,便會(huì)引發(fā)更大的農(nóng)業(yè)干旱。

    3.1.2 干旱特征空間分析 為探究1980—2020年氣象、農(nóng)業(yè)干旱的干旱歷時(shí)空間變化特征,根據(jù)選取的17個(gè)站點(diǎn),計(jì)算其年際和季節(jié)的干旱歷時(shí),并利用ArcGIS軟件中的樣條函數(shù)插值法繪制SPI和SSI干旱歷時(shí)空間分布(圖4和圖5)。從氣象干旱年際和季節(jié)空間分布來(lái)看(圖4),干旱歷時(shí)空間分布無(wú)顯著差異且變化比較單一。春、夏及秋季變化趨勢(shì)與年際變化(91.79~174.16個(gè)月)較一致,呈北部低而其他區(qū)域高的變化趨勢(shì),且干旱歷時(shí)較長(zhǎng)區(qū)域均處于黔西一帶。冬季干旱歷時(shí)分布差異較明顯,干旱歷時(shí)較長(zhǎng)的區(qū)域位于貴陽(yáng)、遵義地區(qū)西北部一帶。夏季(15.73~51.39個(gè)月)和冬季(17.63~50.21個(gè)月)干旱歷時(shí)相較于春季(12.52~46.13個(gè)月)和秋季(23.13~47.31個(gè)月)歷時(shí)較長(zhǎng)。干旱歷時(shí)變化與降水季節(jié)性及貴州省特殊喀斯特地貌有關(guān)。

    圖4 SPI干旱歷時(shí)空間分布

    圖5 SSI干旱歷時(shí)空間分布

    從圖5a可以看出,貴州省農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)從西北向東南變化趨勢(shì)呈“高-低-高-低”條帶狀分布,年際發(fā)生干旱的總歷時(shí)約為122.64~162.98個(gè)月,畢節(jié)與威寧是研究區(qū)內(nèi)干旱歷時(shí)最長(zhǎng)的區(qū)域,而榕江、桐梓、盤(pán)縣、興義等區(qū)域干旱歷時(shí)相對(duì)較短。春季(圖5b)干旱歷時(shí)以西北部(畢節(jié)、威寧)、南部(望謨、羅甸)最長(zhǎng),中部(黔西、安順、貴陽(yáng)等)次之,東北部(思南、三穗等)、西南部(興義)最短的空間變化特征,干旱歷時(shí)為25.19~43.01個(gè)月。夏季(圖5c)以北部(桐梓)、西部(盤(pán)縣)和東南部(榕江)干旱歷時(shí)較短,其他區(qū)域歷時(shí)長(zhǎng)的變化特征,干旱歷時(shí)為23.27~41.15個(gè)月。秋、冬季節(jié)(圖5d、圖5e)干旱歷時(shí)分別為25.65~39.87個(gè)月和29.04~47.54個(gè)月,秋季呈自西向東“低-高-低-高”條帶狀變化趨勢(shì)、冬季呈“北高南低”變化趨勢(shì)。結(jié)果表明,農(nóng)業(yè)干旱冬季干旱歷時(shí)相較于其他季節(jié),干旱期較長(zhǎng),秋季干旱歷時(shí)較短。

    干旱烈度即表示為在一定程度上反映干旱強(qiáng)弱。從圖6可以看出,SPI干旱烈度空間差異性相較于SSI較為明顯且復(fù)雜,年際干旱烈度在空間上無(wú)顯著差異,干旱烈度為-0.97~0.157,其中畢節(jié)地區(qū)未發(fā)生明顯氣象干旱,其他地區(qū)發(fā)生輕度干旱。春季和夏季干旱烈度分別為-1.128~-0.204,-1.161~-0.671,顯然,春季獨(dú)山、夏季湄潭地區(qū)達(dá)中旱等級(jí)。秋季自西北向東南呈“增強(qiáng)-減弱-增強(qiáng)”演變特征,其中威寧、獨(dú)山、榕江、三穗等區(qū)域干旱化態(tài)勢(shì)較強(qiáng),干旱烈度為-1.159~-0.643,以輕旱為主。冬季干旱烈度自西南向東北呈遞減趨勢(shì),為-1.267~-0.421,在盤(pán)縣達(dá)中旱等級(jí),其他地區(qū)干旱化態(tài)勢(shì)較弱。從圖7可以看出,貴州省農(nóng)業(yè)干旱年際和季節(jié)干旱烈度空間分布特征無(wú)顯著差異。由年際(圖7a)變化來(lái)看,農(nóng)業(yè)干旱表現(xiàn)為東北部干旱化態(tài)勢(shì)強(qiáng),其余地區(qū)態(tài)勢(shì)弱的變化特征,干旱烈度為-1.721~-0.726,以輕中旱為主。從季節(jié)上看,春季干旱烈度為-1.721~-0.725,干旱顯著發(fā)生在西南部的興義地區(qū),干旱等級(jí)達(dá)重旱,而在桐梓、貴陽(yáng)、望謨、羅甸、凱里等地區(qū)干旱化態(tài)勢(shì)較弱。夏季干旱化態(tài)勢(shì)自北向東南呈“增強(qiáng)-減弱-增強(qiáng)”變化趨勢(shì),干旱烈度為-1.908~-0.961,北部和東南部以重旱為主,其余地區(qū)以輕中旱為主。秋季和冬季空間演變趨勢(shì)較其他季節(jié)更為顯著,干旱烈度均呈自東北向西南遷移,干旱化態(tài)勢(shì)變強(qiáng),以中旱為主。

    圖6 SPI干旱烈度空間分布

    圖7 SSI干旱烈度空間分布

    3.2 不同下墊面條件下農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)特征分析

    3.2.1 不同地貌類(lèi)型下農(nóng)業(yè)-氣象干旱響應(yīng)特征 氣象、農(nóng)業(yè)干旱之間關(guān)系主要包括一場(chǎng)氣象干旱引發(fā)一場(chǎng)農(nóng)業(yè)干旱、一場(chǎng)氣象干旱引發(fā)多場(chǎng)農(nóng)業(yè)干旱、多場(chǎng)氣象干旱引發(fā)一場(chǎng)農(nóng)業(yè)干旱。氣象、農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生與下墊面有密切聯(lián)系,本文擬選取地貌類(lèi)型和地表切割深度2個(gè)自然因素在空間上對(duì)氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)程度進(jìn)行分析,根據(jù)貴州省綜合地貌圖,將地貌類(lèi)型劃分為6類(lèi)(表2)。在不同地貌類(lèi)型下,季節(jié)性的傳播響應(yīng)程度的空間變化特征中春季(圖8a)農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)較高的區(qū)域在威寧西部地區(qū),傳播響應(yīng)率為80%~90%,地貌類(lèi)型主要以半喀斯特低中山地貌為主,因半喀斯特低中山地區(qū)溶蝕-侵蝕作用強(qiáng)烈,其裂隙、孔隙大,易導(dǎo)致水資源枯竭,并且春季作物需水量大,導(dǎo)致土壤水分對(duì)降水增減非常敏感,尤其在海拔較高、坡度較大的區(qū)域,因此響應(yīng)程度高。夏季(圖8b)傳播響應(yīng)率呈自西向東遞增的變化趨勢(shì),氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)率最高的區(qū)域在貴陽(yáng)、凱里一帶,其地貌類(lèi)型以峰叢谷地為主,響應(yīng)率為80%~90%,峰叢谷地以溶蝕作用為主,夏季雖降水充足,但地下溶洞、溶溝、地下河、節(jié)理裂隙發(fā)育,保水能力弱,農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)程度較高。秋季(圖8c)和冬季(圖8d)傳播響應(yīng)率空間變化顯著且復(fù)雜,秋季響應(yīng)高的區(qū)域位于望謨和獨(dú)山南部區(qū)域一帶,地貌類(lèi)型以非喀斯特地貌為主,響應(yīng)率為80%~90%,望謨、獨(dú)山一帶石漠化嚴(yán)重,土層薄,持水能力弱,秋季降水少,因而氣象干旱對(duì)農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)程度高。冬季響應(yīng)高的區(qū)域位于東部三穗、銅仁、思南以及西部安順一帶,地貌類(lèi)型以半喀斯特低中山地貌為主,響應(yīng)率為60%~70%。綜上,在春季和冬季響應(yīng)率較高的區(qū)域,均以半喀斯特低中山地貌為主,夏季以峰叢谷地為主,秋季以非喀斯特地貌為主。冬季氣象干旱對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的響應(yīng)程度明顯低于其他季節(jié),春季響應(yīng)范圍廣且程度大。

    圖8 不同地貌類(lèi)型下季節(jié)響應(yīng)率的空間變化

    3.2.2 不同切割深度下農(nóng)業(yè)-氣象干旱響應(yīng)特征 在分析不同地貌類(lèi)型下農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)的空間變化特征的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步深入探討在不同切割深度下2種干旱類(lèi)型間的傳播響應(yīng)特征,根據(jù)貴州省綜合地貌圖,將貴州省切割深度劃分為6種類(lèi)型,即無(wú)地表切割(Ⅰ)、淺切割(Ⅱ)、中切割(Ⅲ)、深切割(Ⅳ)、極深切割(Ⅴ)和最深切割(Ⅵ)。在不同地表切割深度下,季節(jié)性的傳播響應(yīng)程度空間演變特征中春季(圖9a)氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)率為80%~90%,以最深切割深度為主,位于威寧一帶。響應(yīng)率為70%~80%,以深切割為主,位于桐梓和望謨一帶,響應(yīng)程度較低的地區(qū)位于興義一帶,以無(wú)地表切割深度為主,傳播響應(yīng)率為40%~50%。夏季(圖9b)傳播響應(yīng)高發(fā)區(qū)以中切割深度為主,位于貴陽(yáng)、凱里一帶,響應(yīng)率為80%~90%,傳播響應(yīng)低發(fā)區(qū)位于桐梓西北部一帶,以極深切割為主,響應(yīng)率為30%~40%。秋季(圖9c)農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱傳播響應(yīng)程度較強(qiáng)的區(qū)域以無(wú)地表切割深度為主,主要發(fā)生在西南地區(qū)望謨,響應(yīng)率為80%~90%,響應(yīng)程度較低的區(qū)域位于遵義地區(qū)的東北部和威寧西北部一帶,以深切割深度為主,響應(yīng)率為40%~50%。冬季(圖9d)2種干旱類(lèi)型間傳播響應(yīng)率高的區(qū)域以深切割深度為主,在安順一帶以及思南、銅仁、三穗等區(qū)域,響應(yīng)率為60%~70%,傳播響應(yīng)率低的區(qū)域在桐梓西北部,以極深切割深度為主,響應(yīng)率為20%~30%。綜上,在春季傳播響應(yīng)率與地表切割深度呈正相關(guān)關(guān)系,在夏季、秋季和冬季傳播響應(yīng)率與地表切割深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

    圖9 不同切割深度下季節(jié)響應(yīng)率空間變化

    3.3 下墊面條件下農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)轉(zhuǎn)移概率

    3.3.1 不同地貌類(lèi)型下農(nóng)業(yè)-氣象干旱的響應(yīng)轉(zhuǎn)移概率 為深入分析基于下墊面條件下干旱傳播響應(yīng)率在不同等級(jí)之間的轉(zhuǎn)移概率特征,選取20世紀(jì)80s至21世紀(jì)10s 2個(gè)狀態(tài),在季尺度下,探討在不同地貌類(lèi)型下,農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)程度的轉(zhuǎn)移概率特征。在非喀斯特地貌、半喀斯特地貌、峰叢谷地、峰叢洼地、峰林谷地、峰林溶原地貌類(lèi)型下(圖10),傳播響應(yīng)率均發(fā)生了不同程度的概率轉(zhuǎn)變。春季(圖10a)轉(zhuǎn)移概率為0~0.72,在各地貌類(lèi)型中,各等級(jí)間均發(fā)生了概率性轉(zhuǎn)移,主要呈現(xiàn)1~5級(jí)轉(zhuǎn)向3~5級(jí),轉(zhuǎn)移較活躍,概率較低。夏季(圖10b)各級(jí)響應(yīng)率在不同地貌類(lèi)型下轉(zhuǎn)移概率分布大體相似,干旱傳播響應(yīng)率在20世紀(jì)80s轉(zhuǎn)向21世紀(jì)10s時(shí),均呈現(xiàn)1~5級(jí)轉(zhuǎn)向4~5級(jí),呈現(xiàn)出由“低轉(zhuǎn)高”的現(xiàn)象,轉(zhuǎn)移概率為0~0.55,顯然,夏季農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率偏低。秋季(圖10c)各地貌類(lèi)型下,20世紀(jì)80s的1級(jí)響應(yīng)率向21世紀(jì)10s的2~4級(jí)響應(yīng)率發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率較大,轉(zhuǎn)移概率為0~0.97,即“低轉(zhuǎn)高”現(xiàn)象。冬季(圖10d)在不同地貌類(lèi)型下,明顯可見(jiàn)20世紀(jì)80s中不同等級(jí)均轉(zhuǎn)移在21世紀(jì)10s各等級(jí)上,轉(zhuǎn)移較為活躍,轉(zhuǎn)移概率為0~0.69。綜上,在春季和冬季轉(zhuǎn)移較活躍,概率較低,在夏、秋季主要發(fā)生“低轉(zhuǎn)高”的現(xiàn)象,其中,秋季干旱傳播響應(yīng)在4個(gè)季節(jié)中發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率最顯著。同時(shí),在不同季節(jié)上,各地貌類(lèi)型下,干旱響應(yīng)率轉(zhuǎn)移活躍程度較高,同時(shí)也說(shuō)明干旱響應(yīng)率的高低與地貌類(lèi)型相關(guān)較弱。

    圖10 不同地貌類(lèi)型下轉(zhuǎn)移概率特征

    3.3.2 不同切割深度下農(nóng)業(yè)-氣象干旱的響應(yīng)轉(zhuǎn)移概率 地表切割深度是影響氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱傳播的重要影響因素,因此,將2種干旱類(lèi)型的傳播響應(yīng)率并結(jié)合貴州省地表切割深度,探討在不同的切割深度下,20世紀(jì)80s干旱響應(yīng)率等級(jí)向21世紀(jì)10s干旱響應(yīng)率等級(jí)轉(zhuǎn)移的概率特征(圖11)。春季(圖11a)在不同切割深度下,其轉(zhuǎn)移概率有所不同,在無(wú)地表切割、中切割、深切割和極深切割深度下,轉(zhuǎn)移較為活躍,概率較低,在淺切割和最深切割深度下,轉(zhuǎn)移活躍度下降,但概率較高。夏季(圖11b)干旱響應(yīng)率20世紀(jì)80s轉(zhuǎn)向21世紀(jì)10s時(shí),呈4~5級(jí)轉(zhuǎn)向1~5級(jí)的“高轉(zhuǎn)低”現(xiàn)象,其中在10s淺切割深度的4級(jí)干旱響應(yīng)和最深切割深度的1級(jí)響應(yīng)率的轉(zhuǎn)移概率較高。秋季(圖11c)20世紀(jì)80s各切割深度下皆出現(xiàn)了1級(jí)轉(zhuǎn)向21世紀(jì)10s的2~5級(jí),概率偏高,在中切割深度、深切割深度和極深切割深度中,轉(zhuǎn)移較活躍,在淺切割和最深切割深度下轉(zhuǎn)移概率偏高。冬季(圖11d)明顯看出,在淺切割和最深切割深度下,干旱轉(zhuǎn)移概率較高,其他切割深度下,干旱轉(zhuǎn)移較活躍,概率較低。因此,季節(jié)尺度上,在淺切割和最深切割深度下,均呈現(xiàn)干旱傳播響應(yīng)率轉(zhuǎn)移活躍度低,概率高,而在其他切割深度上,轉(zhuǎn)移活躍,概率較低的規(guī)律。其中,秋季20世紀(jì)80s干旱傳播響應(yīng)率向21世紀(jì)10s轉(zhuǎn)移的概率整體明顯高于其他季節(jié),冬季干旱傳播響應(yīng)率的轉(zhuǎn)移活躍度明顯高于其他季節(jié)。

    圖11 不同切割深度下轉(zhuǎn)移概率特征

    3.3.3 干旱傳播響應(yīng)率與下墊面條件相關(guān)分析 下墊面是影響干旱傳播的重要因素,而地表切割深度與地貌類(lèi)型是下墊面主要因子。表3為干旱傳播響應(yīng)率與區(qū)域下墊面在各季節(jié)上的相關(guān)系數(shù)。由表3可知,干旱傳播特征與地貌和切割深度均有相關(guān)關(guān)系。春、秋季響應(yīng)率在地形地貌條件下呈負(fù)相關(guān),夏、冬季呈正相關(guān),且相關(guān)性較弱,表明農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)受地貌的影響較小。春季響應(yīng)率在地表切割深度下呈正相關(guān),夏季呈顯著負(fù)相關(guān),秋、冬季呈負(fù)相關(guān)。地表切割深度越深,春季傳播響應(yīng)率越高,說(shuō)明氣象干旱加劇農(nóng)業(yè)干旱,地表切割深的區(qū)域以旱坡地為主,春季作物需水量大,對(duì)氣象干旱的響應(yīng)強(qiáng)。地表切割深度越深,夏、秋與冬季傳播響應(yīng)率越低,因夏季降水豐富,地表切割深度區(qū)域地表水易匯集,農(nóng)作物需水量能夠得到及時(shí)補(bǔ)給;秋季作物進(jìn)入成熟期,需水量下降;區(qū)域冬季作物少,日照時(shí)間少,溫度低,有少量雨雪對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)給,地表蒸發(fā)量較弱;表明農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)低。由表3可知,氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱的傳播響應(yīng)率與地形地貌的相關(guān)性較弱,與地表切割深度聯(lián)系較密切。

    表3 氣象干旱-農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)率與下墊面條件間的相關(guān)性分析

    4 討 論

    本文利用游程理論方法提取干旱特征,分析1980—2020年干旱特征時(shí)空變化趨勢(shì),同時(shí)計(jì)算干旱傳播響應(yīng)率,利用其表征農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)程度,結(jié)合下墊面條件,分析季節(jié)時(shí)間尺度上傳播響應(yīng)率的空間變化特征。本研究發(fā)現(xiàn),季節(jié)上貴州省農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)與干旱烈度的變化趨勢(shì)與氣象干旱變化較為一致,農(nóng)業(yè)干旱持續(xù)時(shí)間均長(zhǎng)于氣象干旱,干旱烈度上升趨勢(shì)較氣象干旱而言更快。農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)空間格局較氣象干旱變化顯著,干旱歷時(shí)短于氣象干旱,氣象干旱烈度空間變化較農(nóng)業(yè)干旱復(fù)雜,干旱烈度低于農(nóng)業(yè)干旱。本研究結(jié)果與Xu等和羅綱等的研究結(jié)果總體上基本一致。但是各區(qū)域地形地貌、水熱條件和氣候特征等分布特征存在差異,從而2種干旱空間分布存在差異。由于貴州下墊面復(fù)雜,旱坡地多、坡度大,透水強(qiáng),排水快,土層薄,土壤保水蓄水能力弱,農(nóng)業(yè)灌溉面積少,是典型的山地農(nóng)業(yè),地下水不能有效補(bǔ)給土壤水分,降水分布不均,導(dǎo)致氣象干旱一旦發(fā)生且持續(xù)發(fā)生,農(nóng)業(yè)干旱隨之發(fā)生,且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),烈度大。

    在不同地貌類(lèi)型下,春季干旱傳播響應(yīng)率最高,且覆蓋范圍廣,其中春、冬季響應(yīng)率最高的地區(qū)以半喀斯特低中山為主,夏季以峰叢谷地為主,秋季以非喀斯特地貌為主,這種差異是由喀斯特特殊地質(zhì)構(gòu)造以及流域巖性導(dǎo)致。在不同切割深度下,切割越深春季傳播響應(yīng)率越高,夏、秋和冬季節(jié)傳播響應(yīng)越弱。據(jù)資料顯示,貴州省以山地農(nóng)業(yè)為主,春季為播種季節(jié),作物需水量大,同時(shí)由于地表切割深度大,坡陡,土壤水側(cè)流,農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)土壤不斷翻松,土壤緊密程度改變,受降雨影響,易形成坡面土壤侵蝕,則土壤保水能力弱,抗旱能力降低;秋季作物需水量小,降水少,日照時(shí)數(shù)長(zhǎng),地表切割深度越大,溫度高,土壤水蒸發(fā)越快。夏季降水充足,地表切割深度越小,土壤含水量受降水的影響越敏感;冬季降水少,且貴州冬季作物少。因此,在春秋季,地表切割深度越大,干旱傳播響應(yīng)率越高;在夏冬季節(jié),地表切割深度越小,更能直接表現(xiàn)氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱轉(zhuǎn)移的程度。

    本文僅從自然條件的角度分析農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng),但在實(shí)際的干旱傳播響應(yīng)過(guò)程中,人類(lèi)活動(dòng)、土地利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展均對(duì)流域空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響,甚至是破壞流域下墊面的主要因素,從而影響氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱的傳播。影響干旱傳播的因素較多且復(fù)雜,結(jié)合貴州省的實(shí)際情況,下一步需要全面分析在自然條件與社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件相結(jié)合的基礎(chǔ)上研究氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱傳播的影響因素。

    5 結(jié) 論

    (1)在2000年后,貴州省氣象、農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)長(zhǎng),干旱烈度大,氣象干旱加劇農(nóng)業(yè)干旱旱情,農(nóng)業(yè)干旱持續(xù)時(shí)間比氣象干旱更長(zhǎng),干旱烈度大。氣象干旱歷時(shí)空間格局較農(nóng)業(yè)干旱而言更為復(fù)雜,干旱烈度空間變化卻較農(nóng)業(yè)干旱單一。

    (2)干旱傳播響應(yīng)特征明顯,貴州省春季農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)較敏感,氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)程度高且范圍廣,冬季干旱傳播響應(yīng)率較其他季節(jié)低,春、冬季節(jié)傳播響應(yīng)率高的地區(qū)均在半喀斯特低中山地貌區(qū);夏季主要發(fā)生在峰叢谷地地貌區(qū);秋季以非喀斯特地貌為主。同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn),地表切割越深,春季較高,而夏、秋和冬季節(jié)較低??梢?jiàn),干旱傳播響應(yīng)程度與地貌差異的相關(guān)性弱,但是與地表切割深度關(guān)系密切。

    (3)從下墊面條件分析干旱傳播轉(zhuǎn)移概率特征發(fā)現(xiàn),從20世紀(jì)80s轉(zhuǎn)向21世紀(jì)10s間,各地貌類(lèi)型下,均發(fā)生了不同程度的概率轉(zhuǎn)移,春、冬季節(jié)轉(zhuǎn)移活躍,概率低,夏、秋季主要呈“低轉(zhuǎn)高”現(xiàn)象,夏季轉(zhuǎn)移概率偏低,秋季轉(zhuǎn)移概率普遍偏高。不同切割深度下,各季節(jié)淺切割與最深切割深度轉(zhuǎn)移活躍度低,概率高,其他切割深度下轉(zhuǎn)移活躍,但概率低。

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