氣候變化背景下廣西甘蔗秋旱演變特征分析

盧小鳳 匡昭敏 李莉 劉一江

摘要：【目的】研究氣候變化背景下廣西甘蔗秋季干旱的演變特征，為提高甘蔗生產應對氣候變化的能力提供參考依據。【方法】利用1961～2010年廣西降水資料和甘蔗資料，借助數理統計方法結合甘蔗需水特點確定甘蔗秋旱的評價指標，并基于地理信息系統分析干旱的空間分布及演變特征。【結果】近50年來，廣西甘蔗秋季輕度干旱發生頻率較高的地區主要是桂西和桂南蔗區，中度和重度干旱的高發區主要位于桂中和桂東北蔗區。在氣候變化背景下，1991～2010年相比1961～1990年，大部蔗區中度以上甘蔗干旱頻率增加26%～45%，重度以上干旱頻率增加16%～35%；中度以上甘蔗干旱強度增加0.1～5.2 d，重度以上干旱強度增加0.1～4.8 d。【結論】20世紀90年代以后，廣西甘蔗秋季中度和重度以上干旱發生的頻率和強度總體呈增加和加重趨勢，一些年份秋季干旱日數增加，干旱對甘蔗生產的影響程度加重。

關鍵詞： 氣候變化；甘蔗；秋季干旱；演變特征；廣西

中圖分類號： S162 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）02-0217-06

0 引言

【研究意義】近百年來全球氣候正經歷一次以變暖為主要特征的顯著變化，氣候變化必然引起水分循環的變化，導致干旱、洪澇等氣象災害的頻率和強度發生變化（《氣候變化國家評估報告》編寫委員會，2007），進而影響生態環境和社會經濟的發展。黃嘉宏等（2003）利用1957～2001年廣西氣象資料，通過計算發現廣西年降水量沒有明顯的長期異常變化，秋季降水全區表現出一致減少的趨勢。李艷蘭等（2010）分析了1961～2009年廣西氣溫、降水量和干旱的變化特征，結果表明，各季降水量變化趨勢不一致，春、秋季減少，冬、夏季增加。甘蔗是熱帶、亞熱帶經濟作物，廣西作為全國甘蔗主產區，約有90%面積的甘蔗種植在旱地上（楊麗濤和李楊瑞，1995），甘蔗生產很大程度上依賴于天氣氣候條件。雖然廣西年降水量豐富，但降水時空分布不均，干旱災害發生頻繁，尤其是嚴重秋旱對蔗糖業生產的影響最明顯（廣西壯族自治區氣候中心，2007）。因此，研究氣候變化背景下甘蔗秋季干旱的演變特征對于廣西甘蔗生產的防災減災具有重要意義。【前人研究進展】農業干旱演變問題引人關注，已有文獻對玉米和冬小麥等作物干旱發生的時空變化特征進行研究（董朝陽等，2013；張淑杰等，2013；姚小英等，2014），有學者曾于20世紀90年代研究氣候可能變化趨勢對我國甘蔗生產的影響（龍國夏等，1994），但90年代以后未見對甘蔗干旱演變特征的研究。其他與甘蔗干旱相關的研究較多，在甘蔗氣象方面，譚宗琨和吳全衍（1994）運用數學統計方法分析了影響廣西甘蔗生產的主要氣象因子并進行了甘蔗產量預報研究，蘇永秀等（2006）基于地理信息系統（GIS）對廣西甘蔗種植進行氣候區劃，段居琦和王凇（2009）利用農業氣象統計分析方法研究了廣西來賓市春植蔗生長季的降水變化及影響；在甘蔗遙感方面，匡昭敏等（2007）研究了多源衛星數據在甘蔗干旱遙感監測中的應用；此外，還有關于干旱脅迫對甘蔗生理的影響（朱理環等，2010；吳楊等，2011；賀俐等，2012）、甘蔗耐旱品種試驗（檀小輝等，2011；楊建波等，2012）及甘蔗灌溉技術改進（許莉敏等，2013）等方面的研究。【本研究切入點】隨著科學技術的發展，目前在甘蔗抗旱研究中已取得諸多成果，并在甘蔗生產中得到應用，一定程度上減少了由于干旱造成的經濟損失，然而研究成果主要集中于甘蔗品種改良和灌溉技術改進等領域，對于氣候變化因素對甘蔗生產的影響，尤其是近50年來甘蔗秋季干旱的演變特征尚無報道。【擬解決的關鍵問題】通過篩選代表蔗區站點的典型干旱年份，分析甘蔗秋季干旱與氣象條件之間的關系，確定廣西甘蔗秋季干旱的評價指標，基于地理信息系統的空間分析功能支持，對近50年來甘蔗秋季干旱的頻率和強度變化進行研究，實現廣西甘蔗秋季干旱的演變特征分析，為氣候變化背景下甘蔗的科學防旱避災，提高甘蔗生產應對氣候變化的能力提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 資料來源

1961～2010年89個氣象臺站逐日降水量資料來自廣西氣象信息中心，甘蔗總產量、種植面積數據來自廣西統計局，災情數據來自《中國氣象災害大典：廣西卷》（《中國氣象災害大典》編委會，2007）及廣西農業氣象試驗站觀測資料。1961～2010年甘蔗歷史干旱災害情況，尤其是近年來的甘蔗旱情資料來自各地農業部門及對有關鄉鎮、村農戶的調查。

1. 2 甘蔗資料處理

隨著生產水平的不斷提高，甘蔗單位面積產量逐漸提高。甘蔗產量的年際變化與環境因子（主要考慮氣象條件）密切相關。擬將單位面積產量分解為：

Y=YT +YW

式中，Y為單位面積實際產量，YT為趨勢產量，YW為氣象產量。

趨勢產量是正常條件下甘蔗生產可達到的理論產量，氣象產量是甘蔗生長期間氣象條件偏離正常狀態而造成甘蔗實際產量對理論常量的偏離值。本研究采用5年直線滑動平均法模擬甘蔗的趨勢產量（溫曉慧等，1994），通過模擬趨勢產量，可求得氣象產量：

YW =Y-YT

為消除年際間單位面積產量對氣象產量的影響，以相對氣象產量YW'作為氣象條件對甘蔗產量的影響序列。當其為負值時為不利氣象條件造成的減產率。相對氣象產量的計算公式為：

YW'（%）=（Y-YT）/YT×100

1. 3 氣象資料處理

甘蔗干旱由多種因素綜合影響而形成，不僅與氣象因素有關，還與地質、土壤、水利設施及人類活動等因素有關。水分供應對甘蔗干旱產生直接的影響，尤其在甘蔗伸長的中后期，如果停止供水（干旱脅迫）一段時期，不僅甘蔗產量下降，還會造成成熟期延遲和品質變劣，持續時間越久，影響越嚴重（陸國盈等，2007）。廣西大部分甘蔗種植在旱地上，缺乏灌溉條件，自然降水對甘蔗干旱形成影響明顯。因此，本研究選取甘蔗生育期無雨日數、少雨（日降水量<5 mm）日數、降水距平百分率和降水量等作為影響因子，利用逐日降水資料分別進行統計處理。

1. 4 干旱指標構建和演變特征分析

分別選取位于廣西不同甘蔗主產區的來賓市（興賓區）、扶綏縣和田東縣作為代表站點，根據廣西甘蔗歷史干旱災害情況，剔除干旱以外其他災害年份，利用甘蔗相對氣象產量與各影響因子進行相關分析和顯著性檢驗，選擇相關性較高的影響因子建立干旱評價指標。依據評價指標，計算1961～2010年期間各等級干旱的發生頻率，并以20世紀90年代為界，分別計算冷期（1961～1990年）和暖期（1991～2010年）兩個時期不同等級干旱發生的頻率和強度變化，最后基于GIS的空間分析功能制作分布圖，分析在氣候變化背景下廣西甘蔗秋季干旱的時空演變特征。

干旱發生強度為某時期干旱年份的平均干旱日數。干旱發生頻率計算公式：

F=N/n

式中，F為干旱發生頻率，N為某時期干旱出現的年數，n為某時期統計總年數。

2 結果與分析

2. 1 干旱評價指標的確定

2. 1. 1 干旱氣象因子的選擇 一般進入秋季后廣西各地降雨量開始減少，該時期相比夏季無雨或少雨日數顯著增多，與此同時廣西甘蔗正處于伸長與糖分積累時期，如果這個時期甘蔗得不到持續的水分供應，將會對植株伸長造成直接影響；而進入11月后各地陸續進入甘蔗榨季，此時適當少雨反而有利于甘蔗生產。通過對甘蔗生育期各時段氣象因子的分析，結果（表1）表明，甘蔗相對氣象產量與9～10月的無雨日數呈顯著負相關（P<0.05），且相關性高于同一時段的其他因子，說明9～10月無雨日數多少與甘蔗秋季干旱形成情況較為密切，而甘蔗其他生育期時段內各降水相關因子對氣象產量影響不顯著（P>0.05）。因此，本研究選取9～10月無雨日數作為廣西甘蔗秋季干旱的評估因子。

2. 3 氣候變化背景下干旱的演變特征

2. 3. 1 干旱頻率變化 20世紀90年代前后廣西甘蔗不同等級干旱發生頻率變化見圖2。由圖2-1可以看出，1991～2010年相比1961～1990年廣西甘蔗秋季輕度干旱發生頻率主要呈減少趨勢，大部地方減少的幅度在0～20%。由圖2-2、圖2-3可以看出，20世紀90年代以后，廣西甘蔗秋季中度和重度以上干旱發生的頻率呈增加趨勢，其中，中度以上干旱發生頻率的增幅普遍在26%～45%，以桂西和桂南蔗區增加較明顯；重度以上干旱發生頻率的增幅普遍在16%～35%，以桂中和桂東北蔗區增加較明顯。可見，20世紀90年代以后，雖然廣西大部蔗區秋季輕度干旱發生的頻率降低，但中度和重度以上干旱的發生頻率卻呈不同程度增加的趨勢。表明20世紀90年代以后，廣西大部蔗區輕度干旱發生的年份減少，但中度或重度以上干旱發生的年份增多，某些年份干旱由影響程度較小的輕度等級向影響程度較大的中度或重度以上等級轉變。

2. 3. 2 干旱強度變化 20世紀90年代前后廣西甘蔗不同等級干旱發生強度變化見圖3。由圖3可以看出，20世紀90年代以后廣西甘蔗各等級秋季干旱發生的強度大部增強，即該時期9～10月各等級干旱年份的平均無雨日數在多數地方呈增加趨勢，尤其中度和重度以上干旱強度增加比較明顯。中度以上干旱發生強度的增幅為0.1～5.2 d，其中增幅較大的是廣西中部、西南部和東北部蔗區，平均無雨日數增多2.6～5.2 d；重度以上干旱發生強度的增幅為0.1～4.8 d，部分蔗區平均無雨日數增多達2.1～4.8 d。可見，20世紀90年代以后，除各級秋季干旱的發生頻率有變化之外，大部蔗區各等級秋季干旱的發生強度有不同程度增大。

3 討論

本研究結果表明，近50年來廣西甘蔗秋季輕度干旱主要發生在桂西和桂南蔗區，中度和重度干旱的高發區主要位于桂中和桂東北蔗區，與前人的研究成果（廣西壯族自治區氣候中心，2007）相符。在氣候變化影響下，廣西大部蔗區輕度等級秋季干旱發生的頻率減少，中度或重度以上干旱發生頻率增加，表明中度或重度以上干旱發生的年份增多，某些年份干旱由輕度向中度或重度以上等級轉變；各等級干旱發生的強度均有不同程度增強的趨勢，尤其是中度和重度以上干旱發生強度增大較明顯，表明秋季干旱對甘蔗生產的影響程度加重，與龍國夏等（1994）研究認為我國未來部分蔗區降水量將減少，干旱威脅加重的結論一致。

隨著氣候條件的改變，廣西甘蔗秋季干旱主要表現為中度及重度以上干旱發生年份的比例總體升高，干旱年份平均無雨日數呈總體增加的趨勢。分析其原因是20世紀90年代以后由于全球氣候變暖，廣西一些地區秋季降雨減少，尤其每年9～10月期間廣西甘蔗處于伸長和糖分積累時期，一些年份此期間無雨日數持續增多，導致甘蔗中度和重度以上干旱發生的頻率和強度均呈不同程度增加和加重趨勢。本研究探討了氣候變化背景下廣西甘蔗秋季不同干旱等級發生頻率和發生強度的變化，得到廣西甘蔗秋季干旱的演變特征，對于合理利用降水資源，科學安排甘蔗田間灌溉和人工增雨作業具有一定的指導意義。但由于目前收集到的資料有限，本研究主要選擇不同甘蔗主產區為代表，用于構建指標的站點較少；另外，進行干旱評價指標評定時，主要考慮影響甘蔗干旱的直接因子，因此，對于甘蔗秋季干旱的評價指標有待進一步研究和完善。

4 結論

本研究結果表明，在氣候變化背景下，1991～2010年相比1961～1990年，廣西蔗區秋季中度和重度以上等級干旱發生的頻率和強度呈不同程度升高和增強的趨勢，甘蔗秋季中度或重度以上干旱發生的年份增多，在某些年份秋季干旱的日數增加，秋季干旱對甘蔗生產的影響程度加重。

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（責任編輯 麻小燕）