黃 維，姚裕群，段居琦，劉永裕，吳炫柯，韋劍鋒

(1.柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗站，廣西 柳州 545003；2.柳州市氣象局，廣西 柳州 545001；3.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545005；4.國家氣候中心中國氣象局氣候研究開放實驗室，北京 100081)

【研究意義】甘蔗是制糖業(yè)的主要原料，同時還是纖維、糖業(yè)化工、能源方面的重要原材料[1]。甘蔗喜溫、喜光，廣泛種植于我國臺灣、福建、廣東、海南、廣西、四川和云南等南方熱帶亞熱帶地區(qū)，其中，廣西甘蔗種植面積約占全國甘蔗總種植面積的60%，是我國最大的甘蔗種植省份[2-3]。廣西甘蔗一般在3月上旬開始出苗，最晚到11月下旬工藝成熟，期間較易遭受低溫冷害、霜凍和干旱等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害影響，尤其是有80%以上甘蔗種植于無灌溉條件的旱地或坡地，受干旱災(zāi)害影響最明顯[4-5]。大量研究結(jié)果表明，干旱脅迫下甘蔗表現(xiàn)株高較矮、蔗莖生長速度減慢、莖徑變小、成熟推遲、蔗糖分降低及還原糖分增加，最終造成甘蔗工藝品質(zhì)變劣和產(chǎn)量下降[6-8]。在全球氣溫日趨升高和降水時空分布不均勻的氣候背景下，近年來我國的干旱變化特征異常突出，干旱在北方已成為常態(tài)，在南方濕潤和半濕潤區(qū)域日趨加重[9-13]，季節(jié)性干旱時有發(fā)生，對我國南方地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大影響[14]，干旱已成為制約廣西甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要因素。因此，充分認(rèn)識和掌握甘蔗發(fā)育期內(nèi)干旱的時空變化規(guī)律，對廣西地區(qū)及其他蔗區(qū)甘蔗的科學(xué)防旱避災(zāi)生產(chǎn)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】干旱除造成糧食作物減產(chǎn)外[13-14]，對廣西甘蔗[6-8]、果樹[15]、蔬菜[16]等經(jīng)濟作物的產(chǎn)量和品質(zhì)也有負(fù)面影響。從氣象學(xué)角度對作物干旱進行監(jiān)測評估的指標(biāo)較多，常用指標(biāo)有降水距平百分率、BMDI干旱指數(shù)、Decile和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPEI)等。莫建飛等[17]、盧小鳳等[18]利用降水距平百分率分析廣西甘蔗萌芽分蘗期干旱和秋旱的時空變化規(guī)律，指出在萌芽分蘗期干旱桂南多于桂北、桂西多于桂東、高海拔多于低海拔，而秋旱中的中度和重度干旱高發(fā)區(qū)主要位于桂中和桂東北蔗區(qū)。陳燕麗等[19]基于SPEI分析廣西甘蔗生育期干旱的演變特征，指出桂北地區(qū)甘蔗苗期和莖伸長期干旱發(fā)生頻率較高，桂中地區(qū)甘蔗在分蘗期和工藝成熟期干旱發(fā)生頻率較高。以上這些評估指標(biāo)均以降水量為主要考慮因素，能直觀反映降水異常引起的干旱，但存在缺乏對蒸發(fā)和下墊面因素的考慮及需較長時序資料和降水量正態(tài)化要求等缺點。綜合考慮降水量與平均氣溫的指標(biāo)Palmer干旱程度指數(shù)(PDSI)、干濕指數(shù)、綜合干旱指數(shù)(CI)、Z指數(shù)、氣象干旱指數(shù)(DI)和作物不同階段水分盈缺狀況的作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)在農(nóng)業(yè)氣象領(lǐng)域中應(yīng)用更廣泛。黃晚華等[20]、董秋婷等[21]、隋月等[22]基于作物水分虧缺指數(shù)對春玉米和夏玉米干旱的時空特征進行分析，得出春玉米在7葉至拔節(jié)階段的干旱強度明顯增加，干旱頻率較高的時段主要在玉米抽雄至吐絲階段及其后的生育階段，夏玉米在拔節(jié)后期至抽雄階段及吐絲后至乳熟階段的干旱均呈減輕趨勢。李闖等[23]基于作物水分虧缺指數(shù)對昆明水稻生長季干旱特征及成因分析，得出隨著生長季的推進，水稻干旱級別從輕旱到重旱及干旱發(fā)生最嚴(yán)重時期是黃熟生育階段的結(jié)論。陸耀凡等[24]、李家文等[25]基于作物水分虧缺指數(shù)分析廣西右江河谷和桂中地區(qū)甘蔗生長季內(nèi)的干旱變化情況，指出伸長期和成熟期干旱最嚴(yán)重，且主要分布在右江區(qū)、田陽縣和柳州南部。以上研究結(jié)果均為當(dāng)?shù)亻_展農(nóng)作物防旱避災(zāi)工作提供了科學(xué)依據(jù)?！颈狙芯壳腥朦c】目前，關(guān)于廣西甘蔗干旱的時空分析已有報道，但干旱分析過程中蒸散量的計算主要基于Penman-Monteith公式進行，計算過程參照高度為0.12 m和反射率為0.23草地的蒸騰蒸發(fā)速率[26]，參考作物的高度與甘蔗冠層結(jié)構(gòu)存在較大差異，且多數(shù)對甘蔗干旱的研究在計算作物需水量時將某一生育階段的作物系數(shù)設(shè)定為固定值，忽略作物系數(shù)隨著生育階段和當(dāng)?shù)貧庀髼l件變化而變化的特征，統(tǒng)計降水量時也未考慮在不同土壤質(zhì)地下的有效降水，以及前期水分狀況和持續(xù)時間對干旱的影響問題，研究結(jié)果與甘蔗實際生產(chǎn)情況存在一定差異。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于廣西甘蔗發(fā)育期、土壤資料和1961—2020年氣象數(shù)據(jù)，以作物水分虧缺指數(shù)為氣象干旱指標(biāo)，在充分考慮甘蔗作物系數(shù)的動態(tài)變化特征、不同土壤質(zhì)地下有效降水量和干旱累積效應(yīng)的基礎(chǔ)上，計算廣西甘蔗在4個生育期內(nèi)的作物水分虧缺指數(shù)，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34809—2017《甘蔗干旱災(zāi)害等級》，對廣西甘蔗不同生育期內(nèi)不同等級干旱的變化規(guī)律進行詳細(xì)分析，旨在為氣候變化背景下廣西甘蔗的科學(xué)防旱避災(zāi)及提高甘蔗生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 地理及氣象數(shù)據(jù) 從國家基礎(chǔ)地理信息中心獲取廣西地區(qū)1∶25萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，包括省界和地市級行政矢量邊界。從廣西氣象局獲取1961—2020年廣西88個國家氣象觀測站逐日氣象資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均10 min風(fēng)速、相對濕度、降水量和日照時數(shù)。88個氣象站的空間分布如圖1-A所示。

1.1.2 土壤質(zhì)地數(shù)據(jù) 從國際糧農(nóng)組織(FAO)官網(wǎng)(http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey)下載1.0 km空間分辨率世界土壤數(shù)據(jù)，裁剪出廣西土壤質(zhì)地柵格數(shù)據(jù)。廣西土壤質(zhì)地類型分布如圖1-B所示，將廣西土壤質(zhì)地歸為粘土(粉質(zhì)粘土和輕粘土)、壤土(粉質(zhì)粘壤土、粉壤土、壤土、砂質(zhì)粘壤土和砂壤土)和砂土(壤砂土和砂土)三大類，在Arcgis中提取各氣象站對應(yīng)的土壤質(zhì)地類型。

1.1.3 廣西蔗區(qū)劃分及發(fā)育期劃分 參考陳燕麗等[19]的方法劃分廣西甘蔗種植地理分布和發(fā)育期，將廣西蔗區(qū)分為桂北、桂中和桂南3個種植區(qū)，各區(qū)地理分布如圖1-C所示。將甘蔗發(fā)育期分為苗期(初期，P1)、分蘗期(發(fā)展期，P2)、莖伸長期(中期，P3)和工藝成熟期(末期，P4)4個階段，各蔗區(qū)甘蔗發(fā)育期的時間見表1。

表1 廣西各蔗區(qū)甘蔗生育期概況

圖1 廣西氣象觀測站分布、土壤質(zhì)地類型分布和蔗區(qū)劃分概況[審圖號：GS(2019)3333號，下同]

1.2 試驗方法

1.2.1 作物水分虧缺指數(shù)計算 參考黃晚華等[20]、張艷紅等[27]、李雅善等[28]的方法計算水分虧缺指數(shù)。由于作物干旱具有前期累積效應(yīng)，某旬的水分虧缺指數(shù)由當(dāng)旬及前4旬的作物虧缺指數(shù)計算而得，具體計算公式如下：

CWDI=a×CWDIi+b×CWDI(i-1)+c×CWDI(i-2)+d×CWDI(i-3)+e×CWDI(i-4)

式中，CWDI為甘蔗生育期內(nèi)旬累積水分虧缺指數(shù)，CWDIi、CWDI(i-1)、CWDI(i-2)、CWDI(i-3)和CWDI(i-4)分別為當(dāng)旬和前4旬水分虧缺指數(shù)；a、b、c、d和e分別為各旬的權(quán)重系數(shù)，參考黃晚華等[18]的研究成果，a取值0.30，b取值0.25，c取值0.20，d取值0.15，e取值0.10。

以CWDIi為例，其計算公式為：

式中，ETc(i)為第i旬作物需水量(mm)，P(i)為第i旬有效降水量(mm)，當(dāng)ETc(i)小于P(i)時，CWDIi等于0，則第i旬不存在水分虧缺現(xiàn)象。

ETc(i)和P(i)的計算公式如下：

式中，kc(i，j)為第i旬中第j天的甘蔗作物系數(shù)，ETo(i，j)為第i旬中第j天的參考作物蒸散，P(i，j)為第i旬中第j天的總降水量，α為一次降水量利用系數(shù)，與各土壤質(zhì)地類型和一次降水量大小有關(guān)，取值參考DB 45/T1197—2015《糖料蔗灌溉定額及灌溉技術(shù)規(guī)程》，ETo(i，j)由FAO提供的Penman-Monteith公式進行計算，詳細(xì)計算過程及參數(shù)換算參考QX/T81—2007《小麥干旱災(zāi)害等級》和Allen[26]的研究成果。此外，kc(i，j)可作為作物發(fā)育階段的分段函數(shù)，發(fā)育階段初期的作物系數(shù)較小，中期最大，末期次之。FAO給出了糖料蔗發(fā)育初期(P1)、中期(P3)和末期(P4)的基礎(chǔ)作物系數(shù)KciniFAO、KcmidFAO和KcendFAO分別為0.15、1.20和0.70，發(fā)展期(P2)和末期(P4)作物系數(shù)是發(fā)育時間的線性函數(shù)，但FAO推薦的值是一般意義上的普遍值，需根據(jù)各地實際情況進行修正。通常初期基礎(chǔ)作物系數(shù)無需修正，即Kcini=KciniFAO，而Kcmid和Kcend需根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H氣象數(shù)據(jù)進行修正，具體計算過程參考Allen[26]的研究成果。

根據(jù)GB/T 34809—2017《甘蔗干旱災(zāi)害等級》將作物水分虧缺指數(shù)劃分為輕旱、中旱、重旱和特旱4個等級。

1.2.2 年際干旱發(fā)生率和某地干旱發(fā)生頻率 分別計算廣西甘蔗不同發(fā)育階段內(nèi)不同等級干旱在1961—2020年的干旱發(fā)生率和研究區(qū)各地的干旱發(fā)生頻率。某年年際干旱發(fā)生率(I)以某年發(fā)生干旱的氣象站數(shù)(n0)占總氣象站數(shù)(n1)的比表示，即I(%)=n0/n1×100；某地干旱發(fā)生頻率(F)為某地干旱發(fā)生年數(shù)(y0)與總資料年數(shù)(y1)之比，即F(%)=y0/y1×100[25-26]。

1.2.3 時間變化規(guī)律分析和空間分析 采用直線回歸法分析廣西甘蔗生育期內(nèi)年際干旱發(fā)生率的線性變化趨勢，并對趨勢系數(shù)進行差異顯著性檢驗。選擇Morlet復(fù)數(shù)小波分析甘蔗年際干旱發(fā)生率的周期變化特征[29-30]。采用空間站點技術(shù)對各地干旱發(fā)生頻率進行分析。

1.3 統(tǒng)計分析

在Matlab 2017中完成編程并進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和Morlet復(fù)數(shù)小波分析，以SPSS 22.0進行線性變化趨勢的顯著性檢驗，空間制圖均在Arcgis 10.3完成，坐標(biāo)采用WGS84地理坐標(biāo)系統(tǒng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 1961—2020年廣西甘蔗年際干旱發(fā)生率(I)的時間變化特征

2.1.1 年際變化特征 其中，從發(fā)育階段看，甘蔗苗期和分蘗期的年際干旱發(fā)生率較低，1961—2020年的平均值分別為12.0%(圖2-A)和9.1%(圖2-B)，莖伸長期次之，平均值為59.1%(圖2-C)，工藝成熟期最高，平均值為90.2%(圖2-D)；從不同等級干旱發(fā)生率看，苗期、分蘗期和莖伸長期干旱等級越高則年際干旱發(fā)生率越低，而工藝成熟期干旱等級越高年際干旱發(fā)生率越高；從年際變化看，不同等級干旱發(fā)生率隨著年份變化呈波動式變化，但隨年份無明顯線性變化規(guī)律，經(jīng)Pearson相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗，各發(fā)育階段不同等級的年際干旱發(fā)生率間均無顯著差異(P>0.05)。

圖2 廣西甘蔗不同生育期不同等級年際干旱發(fā)生率的變化情況

2.1.2 周期變化特征 由表2可知，在研究時段內(nèi)甘蔗苗期的年際干旱發(fā)生率周期變化尺度為2～5年，輕旱和特旱發(fā)生年份以20世紀(jì)70年代為主，中旱和重旱發(fā)生年份以20世紀(jì)80年代和90年代為主；分蘗期僅中旱表現(xiàn)出明顯的4年周期變化特征，發(fā)生年份主要在1978—1982年和1987—1995年；莖伸長期除重旱外，其他等級的干旱周期尺度多為2～3年，從1970—2000年均有發(fā)生；工藝成熟期的干旱周期尺度在3～6年，輕旱、中旱和特旱發(fā)生年份多在20世紀(jì)70年代和80年代，重旱發(fā)生年份除20世紀(jì)70年代和80年代外，在21世紀(jì)00年代也有發(fā)生。

表2 不同等級干旱發(fā)生率的周期變化情況

2.2 甘蔗干旱發(fā)生頻率(F)的空間分布情況

2.2.1 苗期干旱發(fā)生頻率的空間分布 從圖3可看出，1961—2020年廣西甘蔗苗期輕旱至特旱的發(fā)生頻率逐漸降低，范圍逐漸縮小。其中，輕旱主要分布在除桂東北外的大部分地區(qū)，發(fā)生頻率在40%以下，以桂西和桂南發(fā)生頻率較高，在10%～40%(圖3-A)；中旱主要分布在桂南和桂西，發(fā)生頻率均在30%以下，以百色中部發(fā)生頻率相對較高，在21%～30%，其他地區(qū)的中旱發(fā)生頻率大部分在10%以下(圖3-B)；重旱發(fā)生頻率較低，僅在百色有零星分布，且發(fā)生頻率均在10%以下(圖3-C)；苗期無特旱發(fā)生(圖3-D)。

圖3 廣西甘蔗苗期不同等級干旱發(fā)生頻率的空間分布情況

2.2.2 分蘗期干旱發(fā)生頻率的空間分布 從圖4可看出，廣西甘蔗分蘗期輕旱至特旱的發(fā)生頻率逐漸降低，范圍逐漸縮小。其中，輕旱在全區(qū)各地均有發(fā)生，但空間差異較明顯，主要呈桂西南發(fā)生頻率高而其他地區(qū)發(fā)生頻率低的空間分布格局，其中，桂西南輕旱發(fā)生頻率普遍在21%～40%，其他地區(qū)輕旱發(fā)生頻率在10%以下(圖4-A)；中旱主要集中在桂西和桂南，發(fā)生頻率普遍在10%以下(圖4-B)；發(fā)生重旱的地區(qū)較少，主要分布在百色、崇左、防城港和南寧等的少部分地區(qū)，頻率均在10%以下(圖4-C)；分蘗期無特旱發(fā)生(圖4-D)。

圖4 廣西甘蔗分蘗期不同等級干旱發(fā)生頻率的空間分布情況

2.2.3 莖伸長期干旱發(fā)生頻率的空間分布 從圖5可看出，廣西甘蔗莖伸長期的干旱以輕旱和中旱為主，重旱次之。其中，輕旱在全區(qū)均有分布，發(fā)生頻率在11%～70%，以桂中和桂東的發(fā)生頻率相對較高(圖5-A)；中旱在全區(qū)均有分布，發(fā)生頻率從桂西南向桂東北遞增，其中，桂西南的發(fā)生頻率普遍在20%以下，桂東北大部分地區(qū)的發(fā)生頻率在21%～60%，為中旱的高發(fā)區(qū)(圖5-B)；重旱主要分布在桂東北，發(fā)生頻率均在20%以下，其他地區(qū)基本無重旱發(fā)生(圖5-C)；莖伸長期無特旱發(fā)生(圖5-D)。

圖5 廣西甘蔗莖伸長期不同等級干旱發(fā)生頻率的空間分布情況

2.2.4 工藝成熟期干旱發(fā)生頻率的空間分布 從圖6可看出，甘蔗工藝成熟期輕旱、中旱、重旱和特旱在全區(qū)均有分布。其中，輕旱發(fā)生頻率在30%以下，在空間分布上全區(qū)無明顯差異(圖6-A)；中旱發(fā)生頻率普遍在11%～40%，桂北和桂西的中旱發(fā)生頻率相對較高(圖6-B)；重旱發(fā)生頻率普遍在11%～40%，在空間分布上全區(qū)無明顯差異(圖6-C)；特旱發(fā)生頻率在11%～50%，發(fā)生頻率較高的區(qū)域主要分布在桂中、桂南和桂東，這些區(qū)域發(fā)生頻率在31%～50%(圖6-D)。

圖6 廣西甘蔗工藝成熟期不同等級干旱發(fā)生頻率的空間分布情況

3 討 論

干旱是威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一，降水量偏少和氣溫上升是造成干旱的主要原因。在全球氣候變暖背景下，我國南方地區(qū)水稻、玉米、豆類和薯類等干旱的發(fā)生頻率和強度明顯增加，大旱范圍明顯擴大[13-14]。本研究結(jié)果表明，廣西甘蔗生育期內(nèi)的年際干旱發(fā)生率雖隨著時間變化而波動變化，但變化規(guī)律不明顯，究其原因，一方面是近60年來廣西部分區(qū)域年平均氣溫顯著上升，但這些區(qū)域主要分布在高海拔高緯度的桂北，其他區(qū)域的氣溫變幅仍較小[31-32]，另一方面是廣西區(qū)域的降水雖有明顯變化特征，但以空間分布不均勻和非均勻性多尺度周期變化特征為主[33]，因此，在廣西氣溫上升的局地性和降水的周期變化特征背景下，甘蔗年際干旱發(fā)生率的年際變化特征仍具不確定性，但有2～5年尺度的周期變化特征，與陸耀凡等[24]、李家文等[25]、黃維等[34]的研究結(jié)果基本一致。就甘蔗不同發(fā)育階段年際干旱發(fā)生率來看，本研究得出甘蔗在工藝成熟期年際干旱發(fā)生率最高，莖伸長期次之，苗期和分蘗期年際干旱發(fā)生率較低的結(jié)果，這種干旱的階段性變化與降水的季節(jié)性變化密切相關(guān)。由于廣西處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)和熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水主要集中于春、夏兩季，而秋冬季雨水偏少，對正處于莖伸長期或工藝成熟期的甘蔗生產(chǎn)影響較大，因此，甘蔗莖伸長期和工藝成熟期的年際干旱發(fā)生率較苗期和分蘗期高[14]。

在空間分布上，廣西位于云貴高原往兩廣丘陵的過渡地帶，地形西北高、東南低，降水量空間分布不均勻，氣溫空間差異大，全區(qū)干旱具有明顯的空間分布特征[35]。本研究中，甘蔗干旱發(fā)生頻率也存在較大的空間差異性。其中，在甘蔗苗期和分蘗期輕旱分布較廣，主要分布在桂西和桂南；在莖伸長期輕旱和中旱分布較廣，輕旱全區(qū)均有分布，中旱主要分布在桂東北；在工藝成熟期輕旱、中旱、重旱和特旱在全區(qū)各地市均有分布，主要分布在桂中、桂南和桂東；甘蔗干旱發(fā)生頻率的空間分布總體上與陳燕麗等[19]、李淏源[36]的研究結(jié)果相同，但在局部區(qū)域及干旱等級劃分上存在一定差異，一方面與參考的干旱等級標(biāo)準(zhǔn)不同有關(guān)，另一方與干旱指標(biāo)的選取不同有關(guān)。本研究以降水量和甘蔗需水量為研究基礎(chǔ)，基于水分虧缺指數(shù)分析甘蔗4個發(fā)育階段的干旱情況，其中不僅考慮甘蔗作物系數(shù)隨著生育階段和當(dāng)?shù)貧庀髼l件變化而變化的動態(tài)特征，還考慮不同土壤質(zhì)地下降水的有效性問題，得出部分地區(qū)干旱發(fā)生頻率偏高、發(fā)生范圍更廣的結(jié)論，更能真實反映甘蔗在不同生育時期的干旱情況。

本研究以空間站點技術(shù)從總體上描述甘蔗干旱發(fā)生頻率在廣西的空間分布情況，雖然在宏觀上能大致把握甘蔗干旱的空間分布特征，但在干旱精細(xì)化服務(wù)應(yīng)用中仍有較大欠缺，因此，在今后的研究中還應(yīng)充分考慮干旱與地形、地貌和海拔的關(guān)系，利用空間插值技術(shù)進行全區(qū)干旱頻率高分辨率空間分布分析，進一步為各蔗區(qū)干旱精細(xì)化服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

廣西甘蔗發(fā)育過程中苗期、分蘗期和莖伸長期的干旱以輕旱和中旱為主，工藝成熟期以重旱和特旱為主，桂中、桂南和桂東等區(qū)域甘蔗工藝成熟期的重旱、特旱每2～3年一遇，是干旱防災(zāi)避災(zāi)的重點關(guān)注區(qū)域。