陳燕麗，黃思琦，莫建飛，羅永明，蒙良莉，匡昭敏

(1.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，廣西生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，廣西 南寧 530022；2.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇 南京 210044；3.南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001)

引 言

甘蔗是制糖重要原料，在我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，是南方地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱和農(nóng)民脫貧致富的主要來源。中國(guó)是世界上第三大甘蔗生產(chǎn)國(guó)，主要種植于廣西、廣東和云南，其中廣西是最大的生產(chǎn)基地，2006年以來，其蔗糖產(chǎn)量在全國(guó)比重均超過60%[1]。旱災(zāi)是我國(guó)當(dāng)前影響最嚴(yán)重、最普遍的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[2-3]，廣西巖溶地區(qū)地質(zhì)環(huán)境特殊，大氣降水極易滲漏到地下深層成為深埋地下水，形成水土分離格局，從而導(dǎo)致地表農(nóng)田極易受旱。目前，我國(guó)甘蔗種植以雨養(yǎng)作業(yè)為主，灌溉設(shè)施不完善，抗旱保墑能力差，干旱成災(zāi)率高[4]。同時(shí)，甘蔗大田期長(zhǎng)，從3月下種到11月成熟，砍收可推遲到次年1月，田期最長(zhǎng)可持續(xù)11個(gè)月，因此，不同季節(jié)的干旱都有可能對(duì)甘蔗生長(zhǎng)造成影響，如春旱影響春植蔗下種、幼苗生長(zhǎng)及宿根蔗發(fā)株；夏旱影響蔗莖生長(zhǎng)速度和產(chǎn)量；秋旱影響蔗產(chǎn)量和糖分累積[5]。干旱已成為影響甘蔗生產(chǎn)最頻繁、范圍最廣、損失最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[6]。因此，探索甘蔗干旱客觀、定量、精細(xì)化的監(jiān)測(cè)方法，提高甘蔗干旱程度的評(píng)估能力，對(duì)于甘蔗生產(chǎn)和管理具有重要意義[7-8]。

目前，農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)研究主要有傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)和遙感農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)兩大類，兩類方法均構(gòu)建了多種指標(biāo)[9-16]，且部分指標(biāo)已在甘蔗的干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估中得到較好的應(yīng)用。其中，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)有基于日降水量和日降水量小于5 mm日數(shù)構(gòu)建的甘蔗干旱災(zāi)害指數(shù)[17]和氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)》(GB/T34809—2017)中土壤相對(duì)濕度、水分虧缺率距平、形態(tài)3種甘蔗干旱等級(jí)指標(biāo)等，氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的監(jiān)測(cè)指標(biāo)成為甘蔗氣象干旱定量化評(píng)估的重要依據(jù)[18]。由于不同土壤水分條件下甘蔗冠層光譜反射率在460、560 nm和近紅外波段(760～1200 nm)存在顯著差異[19]，利用熱紅外波段[20-21]、紅外波段與紅光波段的比值[22]、近紅外和短波紅外波段組合[23]等構(gòu)建的指標(biāo)均可有效判識(shí)甘蔗水分狀況。如歸一化植被指數(shù)(NDVI)[24]、植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)和溫度條件指數(shù)(TCI)[25]、溫度植被旱情指數(shù)(TVDI)[26-27]、作物水分脅迫指數(shù)(CWSIE)[28-29]。此外，土壤水分條件與甘蔗葉片葉綠素含量高低密切相關(guān)[30]，通過遙感反演葉綠素含量可以間接反映甘蔗水分盈虧狀況[31]。因此，AVHRR[20,24]、MODIS[25,27]、Landsat[26,29]等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及雷達(dá)資料[32-33]已廣泛用于甘蔗區(qū)域性干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估中。

然而，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)方法是基于站點(diǎn)氣象觀測(cè)資料或人工實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)(如土壤墑情、植株長(zhǎng)勢(shì)等)，干旱監(jiān)測(cè)在小范圍內(nèi)準(zhǔn)確度較高，但區(qū)域尺度上評(píng)估結(jié)果與實(shí)際出入較大，而遙感探測(cè)受云雨天氣影響，難以獲取我國(guó)南方甘蔗主產(chǎn)區(qū)晴空資料(秋季除外)，在甘蔗干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估中受到很大限制。國(guó)家氣象信息中心從2013年11月開始發(fā)布陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)CLDAS(China Meteorological Administration land data assimilation system)，可提供時(shí)空連續(xù)、分辨率較高的土壤體積含水量，該數(shù)據(jù)不受天氣影響，已在多個(gè)地區(qū)應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)[34-35]。本文利用CLDAS資料，結(jié)合世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)HWSD (harmonized world soil database)土壤屬性數(shù)據(jù)和遙感資料提取的甘蔗種植區(qū)本底信息，推算土壤相對(duì)濕度，并對(duì)廣西甘蔗種植區(qū)典型干旱過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估，擬為改進(jìn)和提供基于多源空間信息的客觀、定量、精細(xì)化的甘蔗干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估探索一種新的有效途徑。

1 研究區(qū)概況

廣西地處我國(guó)華南地區(qū)，地理位置介于104°26′E—112°04′E、20°54′N—26°24′N之間，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和、陽(yáng)光充足、雨熱同季，年均氣溫在16～23 ℃之間，年降雨量1500～2000 mm，是我國(guó)最大的蔗糖生產(chǎn)基地。區(qū)內(nèi)90%以上甘蔗主要種植在無灌溉條件的旱地、坡地和丘陵山地，主要分布在廣西中部和西南部(圖1)，包括崇左、南寧、柳州、來賓、百色、河池、北海、欽州、貴港和防城港10市(區(qū))。甘蔗一般于3月開始播種，5月進(jìn)入分蘗期，6—10月為莖伸長(zhǎng)期，11月成熟。

圖1 廣西甘蔗種植區(qū)和農(nóng)業(yè)氣象站分布Fig.1 The distribution of sugarcane planting area and agro-meterological stations of Guangxi

2 資料與方法

2.1 資 料

使用2011年國(guó)家氣象信息中心研發(fā)的陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)CLDAS土壤體積含水量產(chǎn)品、聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)建立的全球土壤數(shù)據(jù)集HWSD以及廣西15個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站(圖1)土壤相對(duì)濕度逐旬觀測(cè)資料(個(gè)別站點(diǎn)數(shù)據(jù)存在缺測(cè))、農(nóng)業(yè)部甘蔗受旱面積統(tǒng)計(jì)資料。

CLDAS土壤體積含水量數(shù)據(jù)集是利用數(shù)據(jù)融合同化技術(shù)，對(duì)地面觀測(cè)、衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、數(shù)值模式產(chǎn)品等多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合，數(shù)據(jù)范圍覆蓋整個(gè)東亞地區(qū)，格點(diǎn)分辨率為0.0625°×0.0625°，時(shí)間分辨率為1 h，包括5個(gè)深度：0～5、0～10、10～40、40～80、80～200 cm。該產(chǎn)品已通過中國(guó)氣象局2012年業(yè)務(wù)運(yùn)行的自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，相關(guān)系數(shù)0.8922，偏差0.0356%，均方根誤差0.037%[34]，是一套質(zhì)量穩(wěn)定可靠的土壤濕度格點(diǎn)化產(chǎn)品。其中，用于驗(yàn)證的自動(dòng)站數(shù)據(jù)已經(jīng)過篩選和簡(jiǎn)單質(zhì)量控制，對(duì)觀測(cè)時(shí)間不連續(xù)、觀測(cè)次數(shù)稀疏的站點(diǎn)進(jìn)行剔除，同時(shí)考慮土壤中冰水的影響，剔除冬季觀測(cè)資料，最終選出100～300 d的數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證。

甘蔗根系主要集中在0～50 cm深度范圍，現(xiàn)行的《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》和《甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)》考慮的土層深度也是0～50 cm(播種期和苗期除外)，因此，參考CLDAS研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究成果[34]，利用0～10、10～40、40～80 cm三個(gè)深度產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算0～50 cm深度土壤層平均體積含水量。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：SM為0～50 cm的平均土壤體積含水量(g·cm-3)；SM1、SM2、SM3分別為0～10、10～40、40～80 cm的平均土壤體積含水量(g·cm-3)；Z1、Z2分別是0～10、10～40 cm深度土層對(duì)應(yīng)的厚度(cm)，分別為10、30 cm；Z為甘蔗根系集中的最大深度(cm)，為50 cm。其中，Z1/Z、Z2/Z、(Z-Z1-Z2)/Z分別表示各層所占的權(quán)重，通過計(jì)算別為0.2、0.6、0.2。

HWSD數(shù)據(jù)集來源于“黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)，空間分辨率1 km×1 km，土壤分為0～30、30～100 cm兩層，直接提供土壤容重參數(shù)，而田間持水量則采用KOREN等[36]建立的以砂粒、黏粒百分含量及土壤質(zhì)地參數(shù)作為輸入量的土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行估算。該數(shù)據(jù)集已成功應(yīng)用于植被水分利用效率估算[37]、流域徑流模擬[38]、生態(tài)承載力[39]、干旱植被分布模擬[40]等研究。

與0～50 cm CLDAS土壤體積含水量計(jì)算方法相似，需考慮不同土層權(quán)重，將上述兩層田間持水量插值到0～50 cm深度，計(jì)算公式為：

(2)

式中：fc為0～50 cm深度的土壤田間持水量(%)；fc1、fc2分別為0～30、30～100 cm深度平均土壤田間持水量(%)；Z為甘蔗根系集中的最大深度(cm)，為50 cm，而Zt是0～30 cm深度土層對(duì)應(yīng)的厚度(cm)。經(jīng)計(jì)算，上、下層的權(quán)重分別為0.6、0.4。

2.2 土壤相對(duì)濕度的計(jì)算

為便于數(shù)據(jù)計(jì)算，利用雙線性內(nèi)插法將CLDAS數(shù)據(jù)重采樣為1 km×1 km。土壤相對(duì)濕度的計(jì)算公式為：

(3)

其中：

(4)

式中：RHs為土壤相對(duì)濕度(%)；ω為土壤重量含水量(%)；SM為土壤體積含水量(g·cm-3)；ρ為土壤容重(g·cm-3)；fc為土壤田間持水量(%)。

2.3 干旱等級(jí)劃分參考標(biāo)準(zhǔn)

參考中國(guó)氣象行業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》和《甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)》的指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，對(duì)廣西GLDAS土壤相對(duì)濕度進(jìn)行干旱等級(jí)判定。

表1 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standards of drought grade 單位：%

3 結(jié)果與分析

3.1 CLDAS土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

廣西農(nóng)氣站土壤取樣時(shí)間通常為10:00(北京時(shí)，下同)，因此對(duì)2011年廣西15站土壤相對(duì)濕度逐旬觀測(cè)數(shù)據(jù)和同期10:00 CLDAS推算的土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)系數(shù)r、標(biāo)準(zhǔn)方差STDEV及均方根誤差RMSE(表2)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)r在0.62～0.87之間，其中蒼梧、扶綏、河池、沙塘4站相關(guān)性較高，r大于0.8；RMSE在7.9%～16.7%之間，貴港、來賓、都安、桂林4站誤差較小，均小于10%?？傮w來說，CLDAS推算的土壤相對(duì)濕度與實(shí)測(cè)值相關(guān)性較好，可以利用CLDAS資料反演的土壤相對(duì)濕度對(duì)甘蔗進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)。

3.2 2011年廣西甘蔗干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

2011年7月1日至9月28日，廣西各地降水量120.0～913.7 mm，全區(qū)平均氣溫27.7 ℃。與常年同期相比，大部地區(qū)降水偏少2～7成，氣溫偏高0.5～1.5 ℃，降水量偏少、氣溫偏高導(dǎo)致廣西出現(xiàn)大范圍干旱。

表2 2011年CLDAS反演的10 cm土壤相對(duì)濕度與農(nóng)氣站實(shí)測(cè)值的相關(guān)性Tab.2 The correlation coefficients between the retrieved relative soil moisture of CLDAS at 10 cm depth and the observation from agro-meteorological stations of Guangxi in 2011

注：**表示通過0.01的顯著性水平檢驗(yàn)

利用CLDAS推算的0～50 cm土壤體積含水量、土壤容重和HWSD推算的0～50 cm田間持水量數(shù)據(jù)，計(jì)算0～50 cm深度土壤相對(duì)濕度，分別參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)》和《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》，制作旱情最嚴(yán)重時(shí)期9月旬干旱等級(jí)空間分布圖(圖2)?？梢钥闯?，兩種標(biāo)準(zhǔn)的干旱評(píng)估結(jié)果具有較大的空間相似性，9月上旬基于《甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的干旱主要分布在廣西西北角，最高等級(jí)達(dá)到重旱，中旬旱情發(fā)展緩慢，面積略有增大，至下旬干旱發(fā)展迅速，范圍明顯擴(kuò)大，而《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的干旱面積上、中、下旬變化不大，也集中在西北角，9月上、中、下旬兩種標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為0.88、0.87、0.79。據(jù)農(nóng)業(yè)部災(zāi)情統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2011年9月8日廣西甘蔗受災(zāi)面積5.93萬(wàn)hm2；9月28日受災(zāi)面積21.62萬(wàn)hm2，而《甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)》與《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》兩種標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估結(jié)果均低估了旱情，誤差百分率分別在45%～62%、92%～95%之間，且《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)反映的旱情更輕(表3)。因此，結(jié)合旱情普查數(shù)據(jù)，對(duì)CLDAS推算的土壤相對(duì)濕度的干旱等級(jí)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，見表1。

圖2 基于《甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)》(上)與《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》(下)標(biāo)準(zhǔn)的廣西2011年9月逐旬干旱等級(jí)空間分布Fig.2 The spatial distribution of drought grades based on ‘drought disaster grades of sugarcane’ (the top) and ‘a(chǎn)gricultural drought grades’ (the bottom) standards in early, middle and late September 2011 in Guangxi

表3 2011年3種干旱等級(jí)指標(biāo)監(jiān)測(cè)的廣西甘蔗干旱面積和農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)照Tab.3 Comparison of sugarcane drought area in Guangxi based on three drought monitoring indexes and statistical information of Ministry of Agriculture in 2011 單位：hm2

圖3 2011年6月下旬至10月上旬基于CLDAS甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)監(jiān)測(cè)的廣西干旱空間分布Fig.3 Drought distribution based on CLDAS sugarcane drought disaster grade index from late June to early October 2011 in Guangxi

CLDAS甘蔗干旱調(diào)整指標(biāo)評(píng)估結(jié)果(圖3)顯示，從6月下旬開始廣西西北角首先出現(xiàn)旱情，而后旱情發(fā)展緩慢，未波及到甘蔗種植區(qū)，7月下旬旱情快速發(fā)展，西南部甘蔗種植區(qū)出現(xiàn)大面積的輕旱；隨后旱情出現(xiàn)緩解，但西北角的旱情仍持續(xù)，至8月下旬，甘蔗主產(chǎn)區(qū)以輕旱、中旱為主，且影響范圍不大。該時(shí)期甘蔗正處于莖伸長(zhǎng)期，是甘蔗需水量最大時(shí)期。干旱會(huì)導(dǎo)致甘蔗葉片出現(xiàn)不同程度萎蔫，降低光合作用強(qiáng)度，嚴(yán)重干旱將影響莖節(jié)伸長(zhǎng)，從而降低產(chǎn)量。9月上旬開始，干旱在蔗區(qū)影響范圍開始逐漸擴(kuò)大，至下旬幾乎輻散了整個(gè)蔗區(qū)，部分種植區(qū)干旱升到重旱。該時(shí)期甘蔗生長(zhǎng)開始進(jìn)入糖分轉(zhuǎn)蔗化積累階段，適度干旱有利于糖分轉(zhuǎn)換，但土壤水分過少則不利于甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成。10月上旬，蔗區(qū)旱情全面緩解。與災(zāi)情統(tǒng)計(jì)相比，CLDAS調(diào)整后的干旱指標(biāo)對(duì)此次干旱過程評(píng)估結(jié)果較理想，絕對(duì)誤差百分率小于8%(表3)。總體而言，調(diào)整后的干旱指標(biāo)可以較為客觀地反映此次干旱的發(fā)生、發(fā)展及緩解過程。

4 結(jié)論和討論

(1)CLDAS反演的土壤相對(duì)濕度與農(nóng)氣站實(shí)測(cè)值有較好的一致性，兩者的相關(guān)系數(shù)在0.62～0.87之間(通過0.01的顯著性檢驗(yàn))，RMSE在7.9%～16.7%之間，可用于廣西甘蔗旱情監(jiān)測(cè)。

(2)基于《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》、《甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)的干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果均低估了旱情，尤其《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》低估嚴(yán)重，而調(diào)整后的CLDAS干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)可以較好地反映旱情，與農(nóng)業(yè)部災(zāi)情統(tǒng)計(jì)結(jié)果的絕對(duì)誤差百分率在8%以內(nèi)，且能夠較為客觀地反映此次干旱的發(fā)生、發(fā)展及緩解過程。

《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》和《甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)》兩標(biāo)準(zhǔn)中的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)是實(shí)際觀測(cè)值，利用這兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CLDAS數(shù)據(jù)干旱評(píng)估的結(jié)果與實(shí)際出入較大，這與CLDAS數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)資料代用的準(zhǔn)確性有關(guān)。盡管CLDAS反演的土壤相對(duì)濕度與實(shí)測(cè)值有較好的一致性，但由于CLDAS資料格網(wǎng)為1 km，無法細(xì)致表現(xiàn)地形復(fù)雜程度，在丘陵、山地等區(qū)域?qū)ν寥罎穸缺憩F(xiàn)不夠理想。利用HWSD數(shù)據(jù)計(jì)算的田間持水量存在上層(0～30 cm)偏大、下層(30～100 cm)偏小的現(xiàn)象，由其推算的0～50 cm田間持水量與實(shí)際存在不同程度的偏差。上述因素都是影響CLDAS干旱監(jiān)測(cè)精度的原因。

依據(jù)《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》、《甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)》和修訂的CLDAS干旱等級(jí)指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果差異較大，因此針對(duì)不同數(shù)據(jù)需制定合理的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)干旱的客觀評(píng)估。CLDAS甘蔗干旱等級(jí)指標(biāo)的劃分參考了現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合災(zāi)情普查數(shù)據(jù)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果較理想。下一步研究將結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間序列災(zāi)情普查數(shù)據(jù)，針對(duì)甘蔗不同生育期特征調(diào)整干旱分級(jí)指標(biāo)可能是提高干旱監(jiān)測(cè)精度的有效途徑。