祁縣干旱氣候特征分析及對果樹生產(chǎn)的影響

冀愛青，楊紅雁

(1.晉中學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)系，山西 晉中 030619；2.山西省晉中市氣象局，山西 晉中030600)

近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者運(yùn)用不同的干旱指數(shù)法對中國各區(qū)域的干旱特征進(jìn)行了大量的研究。周丹等[1]利用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)分析了1962-2011年華北地區(qū)干旱趨勢指出，近50 a華北地區(qū)干旱發(fā)生強(qiáng)度呈明顯的增強(qiáng)趨勢，尤其是在20世紀(jì)80、90年代；王毅榮[2]利用修正Palmer干旱指數(shù)研究了黃土高原地區(qū)1961-2000年干旱特征認(rèn)為，近40 a來，黃土高原地區(qū)干旱趨于加重，1973年之前旱年相對較少，1989年之后干旱年份明顯增多干旱加重；姚彩霞等[3]利用降水Z指數(shù)研究了山西省1961—2005年干旱變化特征指出，山西干旱年代際變化明顯，1990年代以來山西處在45 a以來較嚴(yán)重的持續(xù)偏旱時(shí)期；周晉紅等[4]分別采用降水距平百分、降水標(biāo)準(zhǔn)化變量、降水Z指數(shù)3種常用的干旱指數(shù)對山西省1961-2008年干旱氣候變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明，山西區(qū)域年干旱指數(shù)下降趨勢顯著，夏、秋干旱指數(shù)的減少是其減少的直接原因，1977年后，年干旱指數(shù)發(fā)生突變，山西進(jìn)入持續(xù)干期。

祁縣位于山西省中部，汾河?xùn)|岸，被譽(yù)為“中國酥梨之鄉(xiāng)”?，F(xiàn)有果樹總面積1.27萬hm2，是山西省會城市太原的重要水果生產(chǎn)基地。但是，由于降水量的波動(dòng)變化引起的干旱頻繁發(fā)生，對果樹生產(chǎn)影響很大，特別是20世紀(jì)90年代以來氣候偏暖，降水減少，為緩解干旱對果樹的影響，由于長時(shí)間抽取地下水，造成地下水位下降，土壤水分漏失，土地干旱化程度不斷加劇，導(dǎo)致水資源供需矛盾日趨尖銳[5-6]，干旱已嚴(yán)重妨礙了當(dāng)?shù)毓麡I(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展，為全面了解祁縣1961-2020年的干旱特征及演變規(guī)律，本研究采用Z指數(shù)作為旱澇指標(biāo)，確定各年及季節(jié)的旱澇等級(見表1)，進(jìn)行干旱評價(jià)，以期對當(dāng)?shù)卣贫购捣罏?zāi)預(yù)防措施提供參考。

表1 Z指數(shù)旱澇等級標(biāo)準(zhǔn)

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

資料采用1961-2020年祁縣氣象觀測站逐月降水氣象資料，四季劃分采?。荷弦荒?2月-當(dāng)年2月為冬季，3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季。由于該觀測站一直保持原位置，氣象資料具有較好代表性和連續(xù)性。

1.2 干旱研究方法

Z指數(shù)是對降水量處理的一種數(shù)學(xué)方法，一般情況下，年、季、月降水量并不服從正態(tài)分布，現(xiàn)假設(shè)其服從Person-Ⅲ型分布，通過對降水量序列進(jìn)行正態(tài)化處理，將概率密度函數(shù)Person-Ⅲ型分布轉(zhuǎn)換為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布[5]。具體計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Z指數(shù)是對不服從正態(tài)分布的降水量經(jīng)過正態(tài)化處理得到的，因而對于年及各季降水量分布極不均勻山西省地區(qū)可適用。周晉紅等[4]在對Z指數(shù)的旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正后，提出山西省單站Z指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2 干旱特征分析

2.1 年干旱特征分析

根據(jù)祁縣1961-2020年降水量計(jì)算得出降水Z指數(shù)序列，通過線性趨勢分析，祁縣年降水Z指數(shù)以0.03/10 a速率下降(見圖1)，未來呈干旱化趨勢。由表2可知，60 a中，祁縣共發(fā)生干旱21 a，發(fā)生頻率35.0%，其中大旱出現(xiàn)10 a，發(fā)生頻次最高，偏旱9 a，重旱2 a，約2.9 a遇一次干旱，約5.5 a遇一次大旱以上等級干旱。以年代分析,1960s、1970s、1980s，1990s、2000s和2010s發(fā)生干旱分別為2 a、3 a、3 a、5 a、5 a和3 a。由此看出，年干旱主要出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)00年代。干旱出現(xiàn)集中時(shí)段分別為：1965-1974年期間，10年中有5 a出現(xiàn)干旱，幾乎為間隔一年出現(xiàn)一次干旱，大旱以上就有4 a，1991—1992年是2 a連旱，1997-2001年是5 a連旱，當(dāng)中就有4 a大旱，2004-2010年又為隔一年出現(xiàn)一次干旱， 1965年和1986年為兩個(gè)重旱年份。

圖1 1961-2020年祁縣年降水量Z指數(shù)變化趨勢

2.2 季節(jié)性干旱特征分析

由圖2(a)看出春季降水Z指數(shù)以0.02/10 a速率下降，未來呈干旱化趨勢。由表2可知，60年中，春季發(fā)生干旱19 a，發(fā)生頻率31.7%，其中偏旱、大旱各發(fā)生8 a，重旱發(fā)生3 a，平均3.2 a遇一次春旱，約5.5 a遇一次大旱以上等級干旱。以年代分析，1960s、1970s、1980s，1990s、2000s和2010s春季發(fā)生干旱分別為2 a、6 a、3 a、3 a、4 a和1 a?？梢姡?0世紀(jì)70年代是春旱發(fā)生頻率最多時(shí)期，其次是20世紀(jì)00年代。春季干旱主要出現(xiàn)時(shí)段分別為：1971-1975年持續(xù)5 a春旱，當(dāng)中有大旱2 a，重旱1 a，為1973年，1981-1982年、1992-1993年、2000-2001年、2003-2004年均為兩年連旱，其中1992-1993年為連續(xù)大旱、2000-2001年為連續(xù)重旱。

表2 1961-2020年祁縣各年代年及季節(jié)干旱年份統(tǒng)計(jì)表(----大旱,重旱)

由圖2(b)看出夏季降水Z指數(shù)以0.02/10 a速率上升，未來呈濕化趨勢。由表2可知，60 a中，夏季發(fā)生干旱18 a，發(fā)生頻率30.0%，其中偏旱發(fā)生8 a，大旱為9 a，重旱1 a，說明全年降水集中時(shí)期，干旱出現(xiàn)頻率并未降低，平均3.3 a遇一次干旱，6.0 a遇上一次大旱以上等級干旱。以年代分析，1960s、1970s、1980s，1990s、2000s和2010s夏季發(fā)生干旱分別為2 a、2 a、4 a、3 a、4 a和3 a?？梢?，20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)00年代是夏旱發(fā)生頻率最多時(shí)期。夏季干旱主要出現(xiàn)時(shí)段分別為：1965—1974年期間有4 a大旱，1980—1986年和1997—2003年期間以偏旱為主，有大旱出現(xiàn)，1991年為夏季唯一重旱年份。

由圖2(c)看出秋季降水Z指數(shù)以0.05/10 a速率下降，未來呈干旱化趨勢。由表2可知，60 a中，夏季發(fā)生干旱18 a，發(fā)生頻率30.0%，其中大旱發(fā)生頻次最高，為8 a，偏旱次之，為7 a，重旱3 a，平均3.3 a遇一次秋旱，5.5 a遇一次大旱以上等級干旱。以年代分析，1960s、1970s、1980s，1990s、2000s和2010s秋季發(fā)生干旱分別為1 a、4 a、5 a、4 a、2 a和2 a?？梢?，20世紀(jì)70～90年代是秋旱發(fā)生頻率高峰期。秋季干旱主要出現(xiàn)時(shí)段分別為：1977—1988年間12 a有7 a出現(xiàn)干旱，其中有大旱4 a，重旱1 a，為1988年； 1996—1999年秋旱最為集中，為連續(xù)4 a干旱，當(dāng)中的1998年為重旱年份， 2006年為秋季第3次出現(xiàn)重旱年份。

由圖2(d)看出冬季降水Z指數(shù)以0.03/10 a速率上升，未來呈濕化趨勢。由表2可知，60 a中，冬季發(fā)生干旱17 a，發(fā)生頻率為28.3%，其中偏旱8 a、大旱為7 a，重旱2 a，平均3.5 a遇一次干旱，6.7 a遇一次大旱以上等級干旱。以年代分析，1960s、1970s、1980s，1990s、2000s和2010s秋季發(fā)生干旱分別為3 a、1a、5 a、4 a、2 a和2 a?？梢?，冬季干旱主要出現(xiàn)在20世紀(jì)80～90年代。冬季干旱主要出現(xiàn)時(shí)段分別為：1981—1988年期間8 a中有5 a出現(xiàn)干旱，其中大旱就有4 a；1998—2002年期間5 a中有4 a出現(xiàn)干旱，當(dāng)中有重旱、大旱各1 a，1993—1994年、2018—2019年為連續(xù)偏旱年，冬季兩個(gè)重旱年份分別出現(xiàn)在1963年和1999年。

圖2 1961-2020年祁縣降水量Z指數(shù)四季變化趨勢

統(tǒng)計(jì)季節(jié)旱情中，由于有的年份干旱時(shí)間持續(xù)較長，跨季節(jié)干旱時(shí)有發(fā)生，60 a中發(fā)生季節(jié)連旱有15 a，發(fā)生頻率為25.0%，其中2000年，為冬春夏三季連旱，1965、1970、1980、1986、1997、1999、2018年為夏秋連旱，1973、1981、1993、2019年為冬春連旱，1974、2001、2003年為春夏連旱，通過與年干旱對比分析可知，季節(jié)連旱或兩季出現(xiàn)干旱是造成祁縣年度發(fā)生干旱的主要原因。

由表2可知，各年代季節(jié)干旱發(fā)生年份總次數(shù)可知，1960s、1970s、1980s，1990s、2000s和2010s分別為8次，13次，17次，14次、12次和8次，由此可見，20世紀(jì)80年代是祁縣季節(jié)干旱發(fā)生次數(shù)最多時(shí)期。

2.3 干旱對祁縣果樹生產(chǎn)的影響

祁縣果園主要以沙土、沙壤土為主，土層較薄、蓄水能力差，干旱發(fā)生對當(dāng)?shù)毓麡I(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民收入增加影響極大。經(jīng)Z指數(shù)研究表明，祁縣春夏秋季發(fā)生干旱的頻率基本相同，除夏季重旱較少外，其它干旱等級基本相當(dāng)。不同的物候期其干旱會導(dǎo)致果樹生長發(fā)育較差，果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)大幅下降，生理性病害和蟲害加劇，給果農(nóng)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

如果樹開花期遇到干旱，會抑制果樹花粉萌發(fā)及花粉管的伸長，不利于授粉受精作用的順利進(jìn)行，致使坐果率大幅下降，產(chǎn)量降低；花芽分化期遇到干旱，會直接影響果樹生長激素的合成運(yùn)輸，使細(xì)胞分裂受到抑制，從而影響果樹花芽分化質(zhì)量和數(shù)量；幼果階段遇干旱天氣，會影響果實(shí)的果形指數(shù)，使果形偏扁，如果幼果階段缺水嚴(yán)重則制約果實(shí)生長，此生長階段為果實(shí)的水分臨界期。干旱對于營養(yǎng)器官的影響不亞于生殖器官，如干旱致使樹皮干裂，葉片出現(xiàn)不同程度的壞死斑，進(jìn)而影響樹體營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸積累，輕則使果樹成熟期推遲、果實(shí)小、口味變差，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致果樹枯萎死亡。

干旱對于祁縣幾乎每年都會發(fā)生，即使在正常年份，階段性干旱也時(shí)有發(fā)生。所以，在充分利用天然降水的同時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注果樹生長關(guān)鍵時(shí)期的需水量，在關(guān)鍵期遇到干旱時(shí)，充分發(fā)揮當(dāng)?shù)貦C(jī)井優(yōu)勢，及時(shí)澆灌果園，最大程度地降低干旱災(zāi)害對生產(chǎn)造成的損失。

3 討論與結(jié)論

1)分析祁縣年干旱特征可知，1961—2020年祁縣整體呈干旱化趨勢。60 a中共出現(xiàn)干旱21 a，發(fā)生頻率為35.0%，20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)00年代是干旱主要發(fā)生時(shí)期，這與周晉紅等[4]研究結(jié)論相接近。

2)分析祁縣季節(jié)干旱特征可知，1961—2020年祁縣春、秋呈干旱化趨勢，冬、夏季呈濕化趨勢。60 a來，春季干旱發(fā)生頻率為31.7%，夏秋干旱發(fā)生頻率均為30.0%，冬季發(fā)生干旱頻率為28.3%，季節(jié)連旱發(fā)生頻率為25.0%，春季干旱主要發(fā)生在70年代，而夏秋冬季干旱則集中出現(xiàn)在80年代，此結(jié)論與錢錦霞等[6]研究的山西干旱氣候年代際變化趨勢基本一致，21世紀(jì)以來季節(jié)干旱呈明顯減少趨勢，季節(jié)連旱或兩季干旱是造成年干旱的主要原因。

3)干旱是一種自然現(xiàn)象，它的出現(xiàn)不以人的意志為轉(zhuǎn)移，而干旱出現(xiàn)后能否成災(zāi)，則以人為與社會的因素所決定的。從21世紀(jì)中期開始祁縣四季發(fā)生干旱次數(shù)和強(qiáng)度均呈下降趨勢，這與近年來當(dāng)?shù)卣焉鷳B(tài)文明建設(shè)放在突出地位，大力營造經(jīng)濟(jì)林，防護(hù)林帶，加強(qiáng)水利基本建設(shè)，踐行綠水青山就是金山銀山發(fā)展理念是分不開的。因此，開展植樹造林、改善生態(tài)環(huán)境是減少自然災(zāi)害的有效途徑。

4)本研究采用Z指數(shù)分析干旱特征，僅考慮了降水的影響，造成干旱的原因很多，降水量少，蒸發(fā)量大是形成干旱的直接原因，而大氣環(huán)流異常，海氣和陸氣相互作用導(dǎo)致的降雨偏少是干旱發(fā)生的根本原因[7]，而果樹生產(chǎn)所遇到的干旱，還涉及到氣溫、土壤濕度、樹體需水量等多種因素的綜合分析，今后還有待于進(jìn)一步研究。