基于作物水分盈虧指數的昆明水稻生長季干旱特征及成因分析

李　闖，劉艷偉，符　娜，楊啟良，劉小剛

(昆明理工大學現代農業工程學院， 云南 昆明 650500)

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基于作物水分盈虧指數的昆明水稻生長季干旱特征及成因分析

李闖，劉艷偉，符娜，楊啟良，劉小剛

(昆明理工大學現代農業工程學院， 云南 昆明 650500)

摘要：基于昆明站點1952—2013年逐日氣象觀測資料，根據聯合國糧農組織1998年推薦的Penman-Monteith公式計算了昆明站近62 a來逐日的參考作物蒸騰量、水稻生育期需水量，利用Mann-Kendall趨勢檢驗法研究作物需水量變化規律，同時根據水稻的水分虧缺指數(CWDI)，采用通徑分析方法研究各氣象因子對水分虧缺指數的影響。結果表明：近62年來昆明地區平均旬需水量為32.55 mm；水稻生長季內干旱分布明顯不均勻，隨著生長季的推進，干旱級別從輕旱到重旱，干旱發生最嚴重時期是黃熟生育階段，在整個水稻生長季內，水稻水分盈虧指數均值為38.07%，表明水稻處于重旱狀態；在水稻生育期變異系數研究中，水分盈虧指數變異系數均較小，在返青、分蘗、拔節、抽穗、乳熟和黃熟六個階段中，變異系數分別為1.8%、1.9%、1.3%、1.1%、0.8%、和0.8%，表明昆明地區近年干旱等級變化較??；影響水分盈虧指數最大正相關因素為日照，最大負相關因素為水汽壓。

關鍵詞：作物水分虧缺指數；水稻；作物需水量；干旱特征；通徑分析

當前氣候變化是國際社會普遍關注的熱點，它與水資源危機和干旱災害密切相關[1]。干旱災害是云南省各項自然災害之首，出現的頻率最高、持續時間最長、影響范圍最大[2]。自有氣象記錄以來，昆明干旱災情日益嚴峻，尤其是自2009年以來，由于降雨持續偏少，發生了4年連旱的極端氣候。水稻作為昆明地區主要糧食作物之一，由于歷年旱災制約，水稻產量下降。水稻是耗水量最多的糧食作物之一，全國平均年耗水量達2 550.1×107m3，占到糧食作物總耗水量的51.06%，其中每生產1 000 kg水稻，平均年耗水量為1 177 m3[3-5]，研究昆明水稻生長期干旱特征及其成因，為當地水資源管理和農業相關部門提供參考依據。

目前對于我國干旱的研究主要集中在北方地區，而對西南地區的干旱研究相對較少，已有的研究區域多以整個西南地區為界。針對不同區域的干旱變化特征成因分析已有許多成果[6-8]。劉雪梅等[9]應用夏旱強度指數和修正的帕爾默指數等指標，研究了貴州地區干旱類型、發生頻率、地區分布特征，對貴州地區的干旱主要特征進行了分區；王明田等[10]用相對濕潤指數方法研究西南地區季節性干旱分布特征，結果表明西南地區近10 a干旱強度明顯增強，且干旱范圍擴大；詹存等[11]對四川丘陵地區的干旱時空分布及成因做了研究，認為四川丘陵地區季節性干旱具有持續性，降水集中程度和日照時數對川中丘陵區的影響最嚴重；McKee[12]提出的標準化降水指數(SPI)指出，降水是影響旱澇的主要因素之一，并采用Γ函數的標準化降水累計頻率分布來劃分干旱等級。

在干旱指標研究方面，由于不同的部門或學科對干旱的定義不同，所以出現了不同的干旱評判指標[13]。在農業干旱等級中，對干旱指標進行了劃分：作物水分虧缺指數(CWDI)、標準化降水指數(SPI)、降水距平百分率、帕爾默干旱指數(PDSI)、土壤相對濕度(Rsm)、綜合干旱指數(Id)。由于作物水分虧缺指數(CWDI)能夠較好地反映植物、土壤和氣象三者的綜合影響，所以比較真實地反映了作物水分虧缺狀況。本研究以昆明為研究區，選取昆明氣象站1952—2013年的長序列日氣象資料，計算作物水分盈虧指數，分析昆明地區水稻生長季干旱變化特征，并在此基礎上使用通徑分析法研究其干旱變化成因，以期對該區水稻科學種植提供理論和實踐參考。

1材料與研究方法

1.1研究區概況

昆明地處云貴高原中部(E102°10′～103°40′，N 24°22′N～26°3′)，地形復雜，地勢北高南低，屬低緯度高原山地季風氣候，主要的氣候特征是干濕分明、雨熱同季，冬旱、春夏、初夏旱明顯，同時夏季高溫不足，降水不均勻，導致季節性干旱。年均氣溫14.9℃，年降水量1 011.2 mm，雨季(5—10月)降水量882.8 mm，占全年降水量的87.3%；年蒸發量1 838.3 mm，相對濕度為74%；全年無霜期在240 d以上；年日照數2 196.7 h，日照百分率56%。糧食作物以水稻和小麥為主，影響本地水稻生長的主要氣象災害是干旱和低溫冷害。

1.2研究方法

1.2.1作物水分虧缺指數本研究采用作物水分虧缺指數(CWDI)計算昆明中稻生長季干旱指數，計算公式如下：

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

(1)

式中，CWDI為水稻生育期按旬時段計算的累計水分虧缺指數，分別計算5月下旬—9月上旬共11旬水分虧缺指數，由于作物干旱主要體現為累計效應，水分虧缺指數一般計算連續5旬的作物虧缺指數；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4為該旬及前4旬水分虧缺指數；a、b、c、d、e為對應旬的權重系數，a取值為0.3；b取值為0.25；c取值為0.2；d取值為0.15；e取值為0.1[14]。

考慮到水分滿足時期，對式(1)計算水分虧缺指數做了如下改進，為

(2)

式中，CWDIi為第i旬水稻水分虧缺指數；ETc為水稻需水量(mm)；Pi為第i旬降水量(mm)；Ki為降水量遠大于水稻需水量時的水分盈余指數；Ki值根據三個不同的降水量情況下取值不同：當水稻需水量(ETc)大于降水量(Pi)，水稻發生水分虧缺；當水稻需水量(ETc)小于降水量(Pi)時，且降水量不大時(Pi<50mm)視為水稻水分不虧缺，即CWDIi=0；降水量(Pi)遠大于水稻需水量(昆明地區水稻平均旬需水量約為50mm)時考慮有效降水和水分盈余，這里分3個量級計算盈余的不同效應。即

(3)

式(2)中，ETc由參考作物蒸散量(ET0)與水稻的作物系數(Kc)相乘得到，即

ETc=kc·ET0

(4)

式中，ET0為參考作物蒸騰量(mm·d-1)；用FAO(1998)推薦的Penman-Monteith[15-16]公式計算：

(5)

式中，Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線在T處的切線斜率(kPa·℃-1)；Rn為冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；γ為干濕計常數(kPa·℃-1)；T為平均溫度(℃)；U2為2m高處的平均風速(m·s-1)；ea為實際水汽壓(kPa)；ed為飽和水汽壓(kPa)。其中Δ、Rn、G、U2可以通過氣象臺站觀測資料計算獲得。作物系數Kc參考中國的相關研究成果[17]，并結合昆明地區水稻生育期為5月下旬至9月上旬的具體情況，確定研究區水稻生育期內5—9月作物系數多年平均值分別為1.3、1.5、1.7、1.8、1.5。本研究結合式(4)和式(5)，根據逐日氣象資料計算西南地區水稻各生育期逐日需水量，再依據逐日需水量數據計算出水稻每旬的需水量，并統計全生育期需水量。

1.2.2水稻干旱指標分級根據農業干旱指標分級[18]，在5月下旬至9月上旬，水稻干旱等級即水稻返青～黃熟期前后分級標準為，CWDI≤15%為無旱，15%50%為特旱。

1.2.3變異系數標準差與平均值的比值稱為變異系數，當需要比較兩組數據離散程度大小的時候，如果兩組數據的測量尺度相差太大或者數據量綱不同，直接使用標準差來進行比較不合適，此時就應當使用變異系數(標準差與其平均值的比值)來消除測量尺度和量綱的影響。變差系數Cv[19]的計算公式如下：

(6)

(7)

式中，S為均方差，xi為i站的某要素值，x′為該要素的區域平均值。變差系數越大，說明地區間該要素的差異越大，離散程度越不穩定；變差系數越小，說明研究區域該要素的地區間差異越小，離散程度越穩定[20]。本文主要利用變異系數分析昆明地區水稻生育期各階段水分盈虧指數之間的差異，得出研究區域水稻生育期水分盈虧指數變化特征。

1.2.4Mann-Kendall趨勢檢驗法Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法，是由世界氣象組織(WMO)推薦并使用的統計檢驗方法，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾[21]。本研究利用Mann-Kendall檢驗法對昆明地區水稻水分盈虧指數年際變化趨勢進行分析，具體檢驗方法如下，對于具有n個樣本量的時間序列X=(x1，x2，…，xn)，構造一秩序列sk[22]。

(8)

(9)

式中，秩序列sk為第i時刻數值大于j時刻數值個數的累計數。

在時間序列隨機獨立的假定下，趨勢檢驗統計量為

(10)

(11)

(12)

式中，U1=0，E(sk)和var(sk)是累計數sk的均值和方差，n為序列長度，當n>10時，Uk收斂于標準正態分布。

分別按時間序列x順序x1，x2，…，xn和時間序列x逆序xn，xn-1，…，x1計算出趨勢檢驗統計量序列UFk和UBk。原假設為該序列無趨勢，若UFk或UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。同時，給定顯著性水平α，查正態分布表取臨界值，若UFk或UBk大于臨界值時，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界值的范圍確定為出現突變的時間區域；反之，變化趨勢不顯著。

1.2.5通徑分析通徑分析(pathanalysis)的實質是標準化的多元線性回歸分析[23]，用于分析多個自變量和因變量之間的線性關系，找出自變量對因變量影響的直接效應和間接效應[24]，能夠克服簡單相關分析與回歸分析的不足，全面反映自變量對因變量的作用效應[25]。本文采用通徑分析來量化研究各氣象因子對作物需水量的影響程度。

對于一個相互關聯的系統，若有n個自變量xi(i=1,2，…,n)和1個因變量y之間存在線性關系，回歸方程為：

y=b0+b1x1+b2x2+…+bnxn

(13)

根據各自變量間的簡單相關系數rxixj(i≤n,j≤n)和各自變量與因變量間的簡單相關系數rx,y(i≤n)，由式(9)通過數學變換，可建立正規矩陣方程為：

(14)

解方程(10)即可求出通徑系數Pye，Pye表示自變量xi對因變量y的直接通徑系數，為xi對因變量y的直接作用效應；rxixjpyxj表示自變量xi通過xj對因變量y的間接通徑系數，為xi通過xj對因變量y的間接作用效應。剩余項的通徑系數Pye表示為：

(15)

如果剩余項的通徑系數pye較小，說明已找出主要因素；如果pye數值較大，則表明還有更重要的因素未被考慮在內。

1.3數據來源及數據處理

本研究采用的昆明氣象站點1952—2013年逐日的地面氣象觀測資料，由中國國家氣象局提供，采用Microsoft Excel軟件完成數據預處理，根據FAO56標準Penman-Monteith公式和作物系數計算逐日的參考作物蒸發蒸騰量及水稻需水量，從而得出作物水分虧缺指數；分析參考作物蒸發蒸騰量及水稻生育期需水量的年際變化趨勢；同時借助MATLAB7.0軟件編程對該站點水稻需水量和部分氣象因子的年際變化進行Mann-Kendall趨勢檢驗，分析該地區水稻逐年需水量及干旱的變化趨勢與突變情況。

2結果與分析

2.1水稻生長季內水分供需情況基本特征

本研究按旬計算了水稻全生育期需水量(ETc)、降水量(Pi)和水分虧缺指數(CWDI)，得出該區多年水稻生育期均值，具體見圖1。

圖1昆明水稻生育期需水量、降水量、水分虧缺指數變化趨勢

Fig.1The change trend of the water requirements, precipitation, and water deficit index in rice growth period in Kunming

昆明水稻生育期大部分處于雨季，在整個生育期內，旬降水量平均值為26.51 mm，旬CWDI平均值35.38%，旬需水量為32.55 mm。自進入雨季后，降水逐漸增加，在6月中旬達到峰值，7月上旬后降水量呈波動減少趨勢，自8月上旬開始，降水量急劇減少。在此時期內，水稻需水量較為平穩，波動不大。在水稻生育期內水分虧缺指數CWDI持續增加，在9月上旬達到峰值，數值達到53.79%，為重旱級別。在7月中旬后，水稻生長處于重旱階段。這說明在水稻生長后期階段，由于降水不足，水稻需水量持續不變，作物生長長期處于干旱時期。

2.2各生育期水分虧缺指數變化特征

水稻生育期劃分為返青、分蘗、拔節、抽穗、乳熟和黃熟六個階段。按水稻生育期分別計算昆明地區水稻各生育階段水分盈虧指數(表1)。昆明地區水稻各生育期中水分盈虧指數CWDI最大值均接近于100%，此時的生育期干旱級別為重旱，水分虧缺指數CWDI最小值全部為負值，此時的水稻生育期干旱級別為無旱。通過對比相同生育期水分虧缺指數CWDI可以發現昆明地區的干旱分布極不平均，這是因為昆明地區氣候為季節性干旱氣候，降水時間分布不均勻，全年降雨分為旱季、雨季兩季，在雨季中可能出現連續暴雨現象，如1986年6月7日，12小時累計雨量達到150.8 mm；同時在雨季中出現重度干旱情況，如2012年6月的持續性干旱，對農作物生長造成嚴重影響。通過水稻CWDI平均值可以看出：在整個水稻生育期內其值逐漸增大，這說明水稻生長季內是處于干旱狀態，在水稻生育期關鍵的返青時期處于中旱。

分析研究區各個生育期的變異系數，各生育期水分盈虧指數的變異系數值總體很小，這表明，昆明地區水稻生育期內水分盈虧指數離差較小，變化較為穩定，不同生育期內的水分盈虧指數差異很小。

2.3昆明地區水稻水分盈虧指數的年際變化規律

利用Mann-Kendall趨勢檢驗法對昆明地區水稻水分盈虧指數CWDI進行趨勢分析及突變分析，給定顯著性水平α= 0.05，那么臨界值u0.05=±1.96，具體變化曲線見圖2。統計昆明1952—2013年水稻水分盈虧指數均值在16.8%～65.1%之間，均大于15%，即表明該區近62年水稻生長季均有旱情出現；由Mann-Kendall檢驗結果的UF曲線得出，1965—1967年、1972—1978年、1998—2008年及1957與1986年UF統計量小于0，表明此時間區間內昆明地區水稻生長季水分盈虧指數呈下降趨勢，即干旱災情有所減輕；其它年間UF統計量均大于0，表明該區水稻生長季水分盈虧指數大多數時期呈上升趨勢，即干旱等級持續增長；圖中UF統計量和UB統計量的曲線在2009年出現交點，并且交點在臨界線之間，表明為突變點，從而得出昆明近年來持續性重度旱災是自2009年開始的突變現象，這與近幾年昆明地區干旱情況較為吻合。

圖2昆明地區水稻水分盈虧指數的M-K檢驗曲線

Fig.2The Mann-Kendall test curve of rice crop water

deficit index in Kunming Region

2.4氣象因子對水分盈虧指數的通徑分析

在通徑分析中，計算了9個氣象因子：降水量、氣壓、風速、氣溫、水汽、溫度、日照、最低氣溫、最高氣溫對水分盈虧指數CWDI的通徑系數P，表中P為降水量，PR為氣壓，SW為風速，TL為日最低氣溫，S為日照時數，TA為氣溫，ME為水汽壓，HR為相對濕度，TH為日最高氣溫。根據通徑分析原理，求出各個氣象因子對水分盈虧指數CWDI的正則方程組，得出結果后計算各氣象因子對CWDI的直接作用(通徑系數)和間接作用，直接通徑系數見表2，最后分析各氣象因子對回歸方程估測可靠程度CWDI的總貢獻，結果見表3。

表2表示氣象因子對CWDI的直接通徑分析，由通徑系數定義可知，正值表示氣象因子對CWDI正相關，即引起干旱的氣象因素。從表2和表3得出，對CWDI影響因素最大的是水汽壓，它對CWDI作用是負相關，直接通徑系數為-0.67，對回歸系數貢獻值是-0.8。表3是各氣象因素對CWDI的間接影響，從表中看出，與風速和日照相關的通徑系數基本為正值，與氣壓相關的通徑系數大多為0，在對CWDI正相關因素中，日照對回歸方程估測可靠程度為0.61，風速為0.55。

由各氣象因子間的間接作用可知各氣象因子間相互影響，因而CWDI變化受各氣象因子共同作用，各氣象因子對CWDI的正相關影響大小依次為：日照、風速、氣壓；對CWDI負相關影響因素依次為水汽壓、濕度、降水量、濕度、最低氣溫、氣溫、最高溫度。

3結論與討論

(1) 1952—2013年昆明地區水稻生長季水分盈虧指數表示該地區水稻生長整體處于干旱狀態，在進入雨季的5、6月份，因降雨量充沛，所以水分盈虧指數處于計算期內的最低值，為輕旱級別。在計算期內，昆明地區水稻生長需水量ETc較為穩定，旬需水量均值為32.55 mm。自7月后，水分盈虧指數CWDI開始波動上升，在水稻生長季最后階段至9月上旬，CWDI達到53.79%，為重旱級別，這與降水量減少有密切關系。

(2) 水稻生長季返青、分蘗、拔節、抽穗、乳熟和黃熟階段內CWDI變異系數均很小，分別為1.8%、1.9%、1.3%、1.1%、0.8%、0.8%，CWDI在1952—2013年時間分布穩定，沒有出現較大波動值，這表示在62 a的計算期中，昆明地區水稻生長季的干旱等級年際變化較小。

(3) 在利用Mann-Kendall對昆明地區1952—2013年CWDI年際變化規律趨勢分析中，水分盈虧指數均大于15%，說明昆明地區水稻生長季處于干旱期；UF統計量和UB統計量的曲線在2009年出現交點，這說明近年干旱是從2009年開始，并且有逐年嚴重的趨勢。

(4) 在各氣象因子對CWDI的通徑分析中，日照對CWDI的通徑系數為-0.1，對回歸方程估測可靠程度貢獻值達到了0.61，因此CWDI正相關對日照時數最敏感，負相關最敏感氣象因素為水汽壓；日照時數是引起昆明地區水分盈虧指數CWDI變化最主要的氣象因子，其它正相關影響因素依次是風速、氣壓。負相關影響因素依次為水汽壓、濕度、降水量、濕度、最低氣溫、氣溫、最高溫度。

根據相關研究，今年來西南地區氣溫呈顯著上升趨勢，但昆明地區近62 a作物水分盈虧指數中表現出影響最大因素不是溫度，而是風速，這與馮禹[24]對川中丘陵地區參考作物蒸散量時空變化特征結果相同。參考作物蒸散量一定程度上和水分盈虧指數一致，現階段針對昆明地區水稻生長季的水分盈虧指數變化研究較少，主要是研究云南地區乃至整個西南地區。本文僅從水分盈虧指數出發，利用國家標準定義干旱等級，確定昆明地區水稻生長季干旱情況，若能在以后的研究中將昆明地區水稻生長季干旱等級進行劃分，則可以為昆明地區水稻生長季灌溉提供理論支持。

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Cause analysis and drought characteristics during rice growing season in Kunming based on crop water deficit index

LI Chuang, LIU Yan-wei, FU Na, YANG Qi-liang, LIU Xiao-gang

(FacultyofModernAgriculturalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650500,China)

Keywords:crop water deficit index; rice; crop water requirements; drought characterestic; path analysis

Abstract：Based on the daily meteorological observed data from 1952 to 2013 in the Kunming Station, the daily reference evapotranspiration (ET0) and the rice water requirements in growing season during 62 years in Kunming Station has been calculated by the Penman-Monteith Formular recommended by the Food and Agriculture Organization (FAO) in 1998. Using the Mann-Kendall trend test method has researched the change regular of the crop water requirements. At the same time, the concept of crop water deficit index (CWDI) has been introduced. According to the water deficit index of rice, has researched the effects of each meteorogical factor to the water deficit index by using the path analysis method. The results showed that: In recent 62 years, the average ten days crop water requirements in Kunming Region was 32.55 mm. The drought distribution in rice growth season was obviously uneven. With the increase of the growth season, the drought grade was from light drought level to the heavy drought level, the most serious drought occurrence period was the ripening stages. In whole rice growing season, the average water deficit index was 38.07%, it indicated that rice was at the heavy drought status. In the research of the coefficient of variation, the variation coefficient of the water deficite index was total small. In the six growth stages as turnning green, tillering, jointing, heading, milk muturity and yellow muturity, the variation coefficients were 1.8%, 1.9%, 1.3%, 1.1%, 0.8% and 0.8%, respectively. It indicated that change of the drought grade was rather small in recent years in Kunming Region. The maximal positive correlation factor for affecting the water deficit index was the sunshine hours and the negative correlation factor was the water vapor pressure.

文章編號：1000-7601(2016)03-0186-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.30

收稿日期：2015-06-05

基金項目：國家自然科學基金面上項目“虧缺灌溉時小桐子對鹽脅迫環境的響應與水氮高效利用機制研究”(51379004)；云南省應用基礎研究計劃項目(KKSY201223076)；昆明理工大學大學生創新訓練計劃項目“模擬降雨下紅壤坡面水土保持效應研究”(201410674253)

作者簡介：李闖(1992—)，男，江蘇沭陽人，碩士，研究方向為水土保持及生態恢復。 E-mail: 250539531@qq.com。 通信作者：劉艷偉(1981—)，女(蒙古族)，內蒙古通遼人，副教授，碩士生導師，主要從事生態水文學及水土保持方面的教學和研究。 E-mail:liu-xiaocao@sohu.com。

中圖分類號：S165+.22; S511

文獻標志碼：A