基于作物水分虧缺指數(shù)的廣西崇左市甘蔗干旱特征分析

李華實，黃 維，馬 智，鄧媛元，曾順威，黃 妮

(1崇左市氣象局，廣西崇左 532200；2柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗站，廣西柳州 545003；3柳州市氣象局，廣西柳州 545001)

0 前言

崇左市地處北回歸線以南，位于廣西西南部，山多地少，地貌復(fù)雜多樣，以喀斯特巖溶地貌為主，氣溫高，日照充足，雨量充沛但分布不均勻，長夏無冬，無霜期長，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。崇左市作為廣西最大的糖料蔗種植基地，其原料蔗和蔗糖生產(chǎn)量約占廣西的三分之一，全國的五分之一[1]，是名副其實的“中國糖都”，在保障我國食糖生產(chǎn)和供給安全中具有重要地位[2]。甘蔗屬于喜溫性經(jīng)濟作物，但生長周期長、需水量高，干旱嚴重時會導(dǎo)致甘蔗植株凋零、減產(chǎn)甚至失收。由于崇左市降水時空分布不均、且崇左市大部分甘蔗種植區(qū)為巖溶發(fā)育的旱坡地[3]，加上整體灌溉條件不足、以雨養(yǎng)種植為主，因此，季節(jié)性干旱造成的土壤水分虧缺成為制約崇左市糖料蔗品質(zhì)和產(chǎn)量提高的關(guān)鍵氣象因素之一[4-5]。

不同生育期內(nèi)的甘蔗植株對水分需求有較明顯不同，對干旱的脅迫響應(yīng)也就表現(xiàn)出差異性影響特征[6-8]，現(xiàn)有不少以降水量為主要考慮因素的氣象干旱指數(shù)，但這些指數(shù)大多僅能夠表征降水偏少引起的干旱特征[9-11]，缺乏考慮水汽蒸發(fā)、土壤類型以及包括氣溫、濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)、降水等長時間相互影響的氣象要素，而基于作物水分虧缺指數(shù)(Crop Water Deficit Index，CWDI)的干旱指標(biāo)則綜合考慮了上述因素，其能夠綜合反映出下墊面、植株和氣象等方面因素的影響，反映植株實際水分供需平衡、干旱脅迫等狀況。學(xué)者們利用作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)對玉米、葡萄、水稻等作物的生育期內(nèi)干旱特征及成因進行研究分析，可較準確地反映干旱與作物水分虧缺的實際情況，應(yīng)用范圍廣，為不同地區(qū)農(nóng)業(yè)種植防旱避災(zāi)工作提供了科學(xué)的決策參考[12-15]。目前，也有不少學(xué)者利用作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)對甘蔗干旱進行了研究分析[16-17]，但多數(shù)將甘蔗不同生育期需水量作物系數(shù)簡單化處理，即設(shè)為固定值，也并未充分考慮不同下墊面的土壤類別的有效降水累積及蒸發(fā)效率，另外，在計算蒸散量時所選作物參照高度、草地反射率等與甘蔗冠層存在明顯區(qū)別，研究成果未能充分表征干旱對甘蔗的脅迫影響。因此，本研究將在前人研究基礎(chǔ)上進一步考慮植株在不同生育期需水的動態(tài)變化、不同下墊面的有效降水累積以及考慮甘蔗冠層結(jié)構(gòu)的蒸散差異，建立基于作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)作為甘蔗植株的干旱指標(biāo)，探究崇左市甘蔗全生育期內(nèi)干旱的變化規(guī)律，以期為甘蔗種植干旱風(fēng)險管理以及提質(zhì)增效提供科學(xué)指導(dǎo)，助力食糖戰(zhàn)略安全。

1 資料與方法

1.1 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)

本研究使用國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的崇左市1∶25萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)以及其市級行政矢量邊界。使用廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心提供的1961～2020年崇左市內(nèi)7個國家氣象觀測站的逐日氣溫、降水量、相對濕度、平均風(fēng)速和日照時數(shù)等長時間序列數(shù)據(jù)。使用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)(https://www.fao.org/ soils-portal/)提供的1 km×1 km空間分辨率的世界土壤數(shù)據(jù)，然后利用崇左市行政矢量邊界裁剪出土壤質(zhì)地柵格數(shù)據(jù)，如圖1所示，并根據(jù)氣象臺站經(jīng)緯度信息提取的對應(yīng)的土壤類型，主要分為3大類：粘土(輕粘土和粉質(zhì)粘土)、壤土(粉質(zhì)粘壤土、砂質(zhì)粘壤土、砂壤土、粉壤土和壤土)和砂土(砂土和壤砂土)。

圖1 崇左市土壤類型分布情況(審圖號：GS(2019)3333號)

1.2 崇左市甘蔗生育期劃分

根據(jù)黃維等[18]的研究方法，本研究將處于桂南的崇左市甘蔗生育期主要劃分為4個階段：苗期(3月上旬至4月下旬，初期P1)、分蘗期(5月上旬至6月上旬，發(fā)展期P2)、莖伸長期(6月中旬至10月下旬，中期P3)和工藝成熟期(11月上旬，末期P4)。

1.3 作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)計算方法

在前人研究基礎(chǔ)上進一步考慮甘蔗在不同生育期需水的動態(tài)變化、不同下墊面的有效降水累積以及考慮甘蔗冠層結(jié)構(gòu)的蒸散差異，因此本文對作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)的計算方法稍作本地化改進?？紤]到前期水分虧缺的累積和滯后效應(yīng)，參考張曉旭等[14]、張曉芳等[19]的計算方法，CWDI計算如式(1)。

式(1)中，CWDI表示從甘蔗某一生育階段往前推連續(xù)5旬共50 d的作物水分虧缺指數(shù)的加權(quán)累加，CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3和CWDIi-4分別表示當(dāng)旬及倒序前4旬的水分虧缺指數(shù)，而a、b、c、d和e則分別代表當(dāng)前旬及連續(xù)前4旬的權(quán)重系數(shù)，其值參考張曉芳等[19]研究成果依次賦值為0.3、0.25、0.2、0.15和0.1，其中以當(dāng)前旬水分虧缺指數(shù)計算方法為例，CWDIi計算方法如式(2)。

式(2)中，ETci表示i旬甘蔗植株需水量(mm)，Pi則代表i旬的有效降水量(mm)，當(dāng)i旬的甘蔗植株需水量ETci小于該旬有效降水量Pi時，CWDIi為0，即表示該旬植株水分不虧缺。

ETci和Pi計算方法分別如下式(3)和式(4)。

式(3)中，ETo(i,j)表示i旬中正序第j天的參考蒸散量(mm/d)，kc(i,j)則表示i旬第j天的甘蔗作物系數(shù)。ETo(i,j)詳細計算方式參考肖舒楠等[11]的算思路，kc(i,j)則為甘蔗各生育期的作物系數(shù)，初期P1作物系數(shù)最小，中期P3最大。世界糧農(nóng)組織(FAO)已對甘蔗各生育期具體作物系數(shù)進行了研究，初期P1和中期P3的作物系數(shù)分別為0.15和1.2[18]，而發(fā)展期P2以及末期P4的作物系數(shù)是發(fā)育時間的線性函數(shù)，可根據(jù)崇左實際和歷史氣象資料計算具體數(shù)值，具體計算參考了Allen[20]的研究思路。

式(4)中P(i,j)表示i旬中正序第j天的日降水量，α則是表示與當(dāng)?shù)赝寥李悇e有密切關(guān)系的降水利用系數(shù)，本研究中參考了黃維等[16]計算方案以及DB 45/T1197-2017《糖料蔗灌溉定額及灌溉技術(shù)規(guī)程》[21]利用崇左地區(qū)土壤數(shù)據(jù)(圖1)確定本地降水利用系數(shù)α，如表1所示。

1.4 崇左市甘蔗干旱等級劃分

甘蔗莖伸長期階段，植株生長旺盛，蔗葉較大，水分蒸騰消耗較多，該生育階段需水量最大，是甘蔗植株需水的關(guān)鍵期，因此與其余生育期相比該階段對水分需求表現(xiàn)更為敏感[17]。本研究參考GB/T 34809-2017《甘蔗干旱災(zāi)害等級》[22]劃分標(biāo)準，基于本地化后的作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)計算方法將崇左市甘蔗干旱等級劃分為4個等級(輕旱、中旱、重旱以及特旱)，詳見表2。

表2 基于CWDI的崇左市甘蔗干旱等級

表2 甘蔗不同土壤類型一次降水量利用系數(shù)

1.5 年際干旱頻率和某地干旱頻率

本研究中的干旱頻率是指在甘蔗不同生育期內(nèi)各干旱等級出現(xiàn)的頻率，表征甘蔗不同生育期干旱發(fā)生的概率大小。某年際干旱頻率是指在該年甘蔗某一發(fā)育期內(nèi)(或全發(fā)育期內(nèi))崇左市境內(nèi)發(fā)生干旱的國家氣象觀測站數(shù)(n)占崇左市全部國家氣象觀測站數(shù)(m=7)的百分比；崇左轄區(qū)某地干旱頻率是指該地在某一發(fā)育期內(nèi)(或全發(fā)育期內(nèi))干旱發(fā)生的年數(shù)(yn)占氣象觀測資料總年數(shù)(ym)的百分比。

1.6 小波功率譜分析

小波分析是一種將時空和頻率局部化分析方法，通過伸縮和平移運算對某一函數(shù)(信號序列)進行多尺度細化提取，可分析函數(shù)在指定時間范圍內(nèi)的主要周期及空間分布差異特征，其應(yīng)用十分廣泛。參考Falayi等人[23]計算方法，本文針對年際干旱頻率將小波函數(shù)W定義為式(5)。

式(5)中，f(x)為年際干旱頻率x的時間序列函數(shù)，即小波分析對象；W(a,x)表示年際干旱頻率x在以a為尺度特征的小波變換系數(shù)，ψ(x)則是以a為尺度特征、b為小波中心的小波基函數(shù)。

小波方差VAR(a)則為下式(6)：

基于以上，可得小波功率譜P[24]如下式(7)。

2 結(jié)果與分析

2.1 崇左市甘蔗生育期內(nèi)年際干旱發(fā)生頻率特征

從甘蔗不同生育期階段看，甘蔗苗期和分蘗期的年際干旱發(fā)生頻率較低，1961～2020年平均值分別為12.5%和8.9%，且均以輕旱、中旱等級為主，無重旱、特旱等級(圖2(a)和2(b))，與此生育期階段內(nèi)降水充沛有重要關(guān)系，因為該階段內(nèi)隨著高空副熱帶高空急流的北跳，南海夏季風(fēng)爆發(fā)，南海和印度洋的水汽旺盛輸送至桂西南，對流趨于活躍、降水增多，由干季轉(zhuǎn)換成雨季[25-26]。而甘蔗莖伸長期和工藝成熟期的年際干旱發(fā)生頻率較高(圖2(c)和2(d))，1961～2020年平均值分別高達65.1%和89.0%，其中莖伸長期內(nèi)以輕旱、中旱等級為主，無特旱等級，與南海夏季風(fēng)緩慢撤退、降水逐步減少有一定關(guān)系，雖仍受熱帶降水系統(tǒng)(臺風(fēng)、熱帶輻合帶、季風(fēng)低壓等)影響，但桂西南階段性持續(xù)性高溫少雨天氣多發(fā)、易發(fā)，有一定的伏旱機率[27]；工藝成熟期內(nèi)重旱和特旱年際發(fā)生頻率明顯躍增，分別達到21.7%和18.1%，與此時北方冷空氣開始頻繁南下、降水趨于減弱以及雨季轉(zhuǎn)換為干季有關(guān)[28]。

圖2 崇左市甘蔗不同生育期內(nèi)不同干旱等級發(fā)生頻率的年際變化

2.2 崇左市甘蔗生育期內(nèi)干旱發(fā)生頻率周期性特征

本文選擇Morlet小波基函數(shù)對干旱頻率的時間序列進行小波變換、方差實部求解，最后積分得到小波功率譜，如圖3所示。其中虛線為通過95%信度水平檢驗區(qū)域。小波功率譜分析表明，甘蔗苗期階段崇左市干旱存在3 a左右的強周期震蕩(圖3(a))，分別出現(xiàn)在1973～1981年和2007～2012年；甘蔗分蘗期階段表征為4 a左右的強周期震蕩(圖3(b))，主要出現(xiàn)在1983～1997年；甘蔗莖伸長期階段出現(xiàn)3 a左右的較強周期震蕩(圖3(c))，整體周期性不明顯；甘蔗工藝成熟期階段則存在3 a和6 a左右的強周期震蕩，主要出現(xiàn)在1970～1993年和21世紀初。

圖3 基于功率譜的崇左市甘蔗不同生育期內(nèi)干旱頻率小波變化特征(虛線為通過95%信度水平檢驗區(qū)域)

整體上看，崇左市甘蔗各生育期內(nèi)干旱以6 a以下的強短周期震蕩為主，一定程度上也與氣候變化大背景下廣西區(qū)域性降水變化趨于頻繁的結(jié)論[29]相印證。

2.3 崇左市各地甘蔗不同生育期內(nèi)不同干旱等級頻率特征

崇左市北部(天等縣、大新縣)地接云貴高原邊緣南麓，西部(龍州縣、憑祥市)為大青山山脈，南部(寧明縣)為公母山山脈和十萬大山余脈，地勢大致為南北部較高，中東部(崇左市區(qū)、扶綏縣)較低，由西北向東部傾斜，左江依地勢自西向東橫貫崇左，流經(jīng)憑祥市、龍州、寧明、崇左市區(qū)、扶綏縣，在左江流域形成了河谷地形，海拔多在130～150 m[30]。另外，崇左市北部和中部大多以粘土為主，南部則以壤土和砂土為主(圖1)。下文將結(jié)合下墊面特征探討各地甘蔗不同生育期內(nèi)干旱發(fā)生情況。

崇左市各地甘蔗不同生育期內(nèi)不同干旱等級發(fā)生頻率如圖4所示，從圖4(a)看，苗期內(nèi)崇左市各地均無重旱及以上級別干旱發(fā)生，其中同處左江河谷一帶的寧明和江州干旱發(fā)生頻率較高，分別達到30.4%和21.4%，其余大部低于10%。從圖4(b)看，與甘蔗苗期類似，分蘗期內(nèi)崇左各地亦無重旱及以上級別干旱發(fā)生，而左江河谷一帶的干旱發(fā)生頻率較苗期有所降低，但其干旱發(fā)生頻率中心轉(zhuǎn)移至江州(23.2%)，較寧明干旱發(fā)生頻率(14.3%)高，其余各地低于10%。從圖4(c)看，甘蔗莖伸長期內(nèi)崇左各地干旱發(fā)生頻率普遍躍升，但仍以輕旱和中旱為主，其中寧明干旱發(fā)生頻率高達82.1%、其余干旱發(fā)生頻率均在40%以上，另外，左江河谷一帶的寧明、江州和扶綏開始出現(xiàn)一定的重旱機率(均為1.79%)。從圖4(d)看，甘蔗工藝成熟期內(nèi)崇左各地干旱發(fā)生頻率有所下降，但各地開始有出現(xiàn)特旱的機率，其中位于左江河谷的扶綏、江州和寧明特旱發(fā)生頻率最大，分別為26.9%、19.6%和19.6%，其余各地特旱發(fā)生頻率均在15%以下。

圖4 崇左市各地甘蔗不同生育期內(nèi)不同干旱等級發(fā)生頻率

因此可看出，在甘蔗不同生育期內(nèi)發(fā)生干旱頻率較大的地區(qū)主要位于左江河谷一帶的寧明、江州和扶綏等地。這是因為由于西南暖低壓、西太平洋副熱帶高壓等暖性天氣系統(tǒng)在河谷地帶的特殊地形影響下，通過下沉氣流的干絕熱作用以及河谷熱量聚集作用更容易形成高溫少雨天氣[31-32]。

3 結(jié)論

本研究通過在前人研究基礎(chǔ)上進一步考慮甘蔗在不同生育期需水的動態(tài)變化、不同下墊面的有效降水累積以及考慮甘蔗冠層結(jié)構(gòu)的蒸散差異，建立基于作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)作為甘蔗植株的干旱指標(biāo)，揭示了崇左市甘蔗全生育期內(nèi)全新的干旱變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：(1)干旱年際變化方面，甘蔗苗期和分蘗期的年際干旱發(fā)生頻率較低，而莖伸長期和工藝成熟期的年際干旱發(fā)生頻率較高，其中工藝成熟期內(nèi)重旱和特旱年際發(fā)生頻率明顯躍增；甘蔗不同生育期內(nèi)的這些年際干旱發(fā)生變化頻率特征與南海夏季風(fēng)爆發(fā)和緩慢撤退導(dǎo)致雨季變化密切相關(guān)；甘蔗各生育期內(nèi)干旱以6 a以下的強短周期震蕩為主。(2)干旱不同生育期的分布方面，在苗期和分蘗期崇左市各地均不出現(xiàn)重旱、特旱等級干旱情況，而莖伸長期崇左各地干旱發(fā)生頻率普遍躍升，但仍以輕旱和中旱為主；工藝成熟期崇左各地干旱發(fā)生頻率有所下降，但各地開始有出現(xiàn)特旱的機率。(3)干旱地區(qū)分布方面，在甘蔗不同生育期內(nèi)發(fā)生干旱頻率較大的地區(qū)主要位于左江河谷一帶特殊地形影響下的寧明、江州和扶綏，該河谷地帶易使氣流干絕熱下沉釋放能量聚集、形成高溫少雨天氣。

4 討論

本研究揭示了崇左市甘蔗全生育期內(nèi)干旱特征，更能真實反映甘蔗在不同生育時期的干旱情況，對甘蔗種植干旱風(fēng)險管理以及提質(zhì)增效具有科學(xué)指導(dǎo)效果。在甘蔗莖伸長期和工藝成熟期，崇左市干旱發(fā)生頻率較高，應(yīng)在這兩階段內(nèi)及早做好蔗田防旱抗旱工作，包括雨后封溝蓄水、蔗葉覆蓋行溝減少蒸發(fā)等，氣象部門也可搶抓有利時機在蔗區(qū)適時開展人工增雨作業(yè)。同時，在干旱頻發(fā)的左江河谷地區(qū)選育抗旱高產(chǎn)良種種植，進行土壤改良、合理施用有機肥料和化肥，提高甘蔗植株吸水能力，增強抗旱能力。另外，應(yīng)用新技術(shù)也是提高甘蔗抗旱的重要手段，如應(yīng)用傳感器、無人機等智能技術(shù)手段實現(xiàn)精準甘蔗生長監(jiān)測、定量化管理和灌溉控制，為甘蔗抗旱提供有力支撐。

本研究僅使用全市7個國家氣象觀測站數(shù)據(jù)，干旱空間精細化特征有待更多高時空分辨率的區(qū)域自動氣象站資料進一步刻畫，同時也正是缺少高時空分辨率的區(qū)域自動氣象站資料，對崇左市各地復(fù)雜地形影響下干旱特征也未涉及更深層次的探討。另外，由于甘蔗觀測數(shù)據(jù)尤其干旱災(zāi)害資料的缺乏，本研究改進后的甘蔗干旱指標(biāo)僅與《崇左年鑒》進行驗證，與部分甘蔗干旱過程較吻合，具有一定可參考性；然而年鑒對干旱的記載多為主觀判定，未來在更多甘蔗觀測數(shù)據(jù)的驗證下，也更將有利于實現(xiàn)對甘蔗干旱的精準監(jiān)測預(yù)警。