江淮分水嶺區農作物干旱時空變化特征

李 寶, 胡 陽, 汪光勝, 劉玉嬋, 李鵬

(1.安徽省基礎測繪信息中心, 合肥230000; 2.滁州學院 安徽地理信息集成應用協同創新中心, 安徽 滁州 239000)

江淮分水嶺區農作物干旱時空變化特征

李 寶1, 胡 陽2, 汪光勝2, 劉玉嬋2, 李鵬2

(1.安徽省基礎測繪信息中心, 合肥230000; 2.滁州學院 安徽地理信息集成應用協同創新中心, 安徽 滁州 239000)

利用江淮分水嶺區17個市、縣氣象臺站1980—2009年降水數據，基于改進的無有效降水連續日數干旱評估指標，分析農作物干旱時空變化特征。結果表明：(1) 春播夏收型農作物在壽縣、長豐、定遠、明光一帶以北地區易發生春旱；夏播秋收型農作物在壽縣、淮南、長豐、定遠、鳳陽一線多形成夏秋旱，西南和東北地區也較易發生夏秋旱；春播秋收型農作物生長期內大部分地區秋旱多發，其中壽縣、肥東東南部和全椒西南部部分為秋旱高發地區；越冬型作物在明光北部、來安北部、淮南西南部以及壽縣北部等地多生秋冬春旱，其他地區也易發生秋冬春旱，且持續時間均較長。(2) 從年際演變趨勢看，夏播秋收型、越冬型農作物干旱范圍和強度均略有增長，春播秋收型農作物干旱強度微增長、范圍略減小；春播夏收型農作物干旱強度和范圍均呈微減的趨勢。總體上，研究區域干旱強度略有上升，且北部高于南部，越冬型作物高于其他類型農作物，研究結果可為區域農業生產防旱提供科學依據。

無有效降水連續日數; 農作物; 干旱; 時空特征; 逐日干旱發生頻率

江淮分水嶺區位于安徽省中部，是中國南、北方地區的過渡區，該地區憑借獨特的氣候和地理位置，一直是安徽重要的農作物生產基地，但是該地區氣候類型復雜，干旱頻發。據多年統計資料，江淮分水嶺區近四十五年來發生中等及以上程度的干旱共53次，平均每年發生1.18次，最多可達3～4次，且主要發生在農作物生長期，嚴重影響了農業生產[1]。因此，研究該區域干旱發生規律及其對農業的影響，為科學的農業防旱提供理論依據十分必要。

前人關于江淮分水嶺區的研究主要集中于分析降水隨時間的變化情況，而對干旱時空變化特征的研究較少[2-4]。王秋龍等分別應用SRTM 數據、水文分析模型、線性傾向估計、普通Kriging插值研究了江淮分水嶺區的降水量時空分布特征以及變化趨勢，取得了較好成果[5]。但這些研究基本上都是在氣象干旱結果的基礎上進行分析，缺乏對于相應的農業或農作物干旱指標的分析研究，且前人進行研究的時間尺度也多為年、季、月[6-8]，缺少從逐日角度對江淮分水嶺區進行干旱時空變化特征的研究。長時間的無降水是導致干旱的最根本原因，因此常用無雨日數指標來表征干旱，能從逐日降水范疇分析干旱動態演變，且此指標所需參數少易計算，被廣泛應用。

無有效降水連續日數指標代表農作物生長發育期間內實際降水量未超過生長所需有效降水量的持續日數，該指標結合了降水日數和降水量雙重因素，可在一定程度上反映無降水條件下土壤水分盈虧情況。本文利用無有效降水連續日數指標，可以從逐日角度動態研究各生長期內農作物干旱發生時空變化特征，從而進一步為江淮分水嶺區農作物生產提供防旱減災依據。

1 數據與方法

1.1 研究地區和數據來源

本文研究地區是位于安徽省中部的江淮分水嶺區，包括六安、合肥、滁州、壽縣等14個縣(市、區)。氣象數據來源于江淮分水嶺區各市、縣部門逐日實測的《地面氣象記錄月報表》，包括滁州、合肥、壽縣、六安等共17個站點，數據時段為1980—2009年。作物單位面積產量數據來自中國經濟與社會發展統計數據庫，數據時段為2000—2009年。數據分析試驗于2016年11月2日至11月25日在安徽省地理信息集成應用協同創新中心實驗室進行。

1.2 無有效降水連續日數指標計算

1.2.1 無有效降水連續日數指標 無有效降水連續日數是指農作物生長期內降水量未超過有效降水量臨界值的持續日數(d)，常用來表示農田水分供給情況，無有效降水(雪)連續日數公式如下[9]：

(1)

式中：Dnp為無有效降水連續日數(d)；a代表季節調節系數，冬春季為1，秋季為0.8，夏季為1.4；Dnpi代表日降水量未超過有效降水量的累積降水日數(d)，其計算公式如下：

(2)

式中：P0代表有效日降水臨界值(mm)；P0在農作物需水臨界期取5 mm，剩余時段為3 mm；P代表日降水量(mm)。

1.2.2 無有效降水連續日數指標改進 基于前人關于無有效降水量連續日數計算方式，黃晚華等總結南方地區已有的實際情況和經驗對其計算進行了改進[10]，本文引用改進后的計算方式研究江淮分水嶺區內干旱特征，即在公式(1)—(2)基礎上，引入新的無有效降水連續日數的計算公式

(3)

式中：a，P，P0含義均同公式(1)和(2)。Pk，Pn表示一次連續性過程降水中降水量累計；Pk表示結束干旱過程時的降水臨界值(mm)；Pn表示干旱過程中的有效降水過程，是指農作物生長所吸收且可緩和干旱的有效降水量的累計，因此第一日降水量P應大于有效日臨界降水量P0，且第2日后降水量P≥0.1 mm，則累計降水量。公式(3)含義為：(1)當日降水小于日有效降水臨界值，即p

表1 基于無有效降水連續日數干旱指標各主要類型農作物在各生長時期相關參數

注：Win為越冬農作物；Sum-A為夏播秋收農作物；Spr-A為春播秋收農作物；Spr-S為春播夏收農作物；下同。

1.2.3 干旱狀況評估 為充分考慮干旱多發時期對農作物生長的影響，因此需要累積評估多次干旱過程，故引入前人在公式(1)基礎上關于無有效降水連續日數指標的改進公式[10]：

(4)

式中：Dnp表示農作物生長期內n次干旱累積無有效降水連續日的干旱天數；Dnpi表示一次干旱過程無有效降水連續日；m表示一次干旱過程的持續日數；n表示農作物生長期(或一年)內經歷的干旱次數。a取值和含義同公式(3)；Dpi表示第i次干旱期間P≥P0且Pn

DSi=Pni/2P0

(5)

DPi=Pmi/P0

(6)

式中：Pni表示解除干旱時的有效降水累計總量(mm)，此處考慮結束干旱的降水對農作物恢復和生長的水分補償作用；Pmi表示一次干旱期間當P≥P0且Pn

1.2.4 農作物產量評估 為考慮江淮分水嶺區地貌地形、抗旱保水條件等因素對干旱的影響，結合本地區干旱特點，引入關于干旱強度分級研究定義的干旱指數(I)：

I=Dnp/G

(7)

式中：I表示干旱指數(取整)，取值為4，3，2，1，分別表示特旱、重旱、中旱、輕旱，Dnp表示干旱過程持續天數(d)：G表示劃分干旱級別的持續日數(d)，本文根據研究區實際情況及前人研究結果[11]將其分為：山間盆地、丘陵地區G=25 d，平原、河谷區G=30 d。

1.3 連續無有效降水日數(Dnp)評價分析

本文利用前文公式(3—7)對江淮分水嶺區不同站點歷年基于無有效降水連續日數的干旱指數進行分別計算，統計并計算其他指標：干旱強度用本地區30 a干旱平均日數代表；干旱范圍用干旱站次比表示；同時為方便描述多年發生干旱頻繁程度，用干旱發生頻率統計結果代表(簡稱干旱頻率)。統計并計算基于氣候要素干旱持續日數、站次比的趨勢變化率。

江淮分水嶺區的主要農作物可劃分為越冬型農作物、夏播秋收型農作物、春播秋收型農作物、春播夏收型農作物。具體主要作物和生長季見表1，特別地，越冬型農作物以次年作為記錄年份。

2 結果與分析

2.1 應用無有效降水連續日數分析農作物空間干旱頻率特征

基于公式(3—6)計算不同類型農作物生長期內干旱頻率，使用ArcGIS軟件制作不同類型作物生長期內干旱頻率的空間分布結果圖，見圖1。

2.1.1 春播夏收型農作物干旱發生頻率 由圖1A可知，總體上表現為北高南低趨勢，且以壽縣、鳳陽一帶最高。六安、合肥、全椒、來安一帶為干旱低發區，干旱發生頻率在17.3%以下。干旱較高發地區分布在壽縣、長豐、定遠、明光一帶以北地區，干旱發生頻率26.0%～50.0%，其中壽縣、淮南、鳳陽一帶干旱頻率達40%。綜上所述，春播夏收型農作物干旱主要影響壽縣、鳳陽等北部地區。

圖1 江淮分水嶺區基于無有效降水連續日數指標的不同類型作物生長期干旱頻率分布

2.1.2 春播秋收型農作物干旱發生頻率 由圖1B可知，總體上表現為西北—東南一線較高，北部和西南地區較低的趨勢。西北—東南一線地區干旱發生頻率在50%以上(兩年一遇)，其中壽縣、合肥東南部、肥東南部和全椒西南部部分地區干旱發生頻率可達60%。而干旱低發區分布在西南部地區，干旱發生頻率在16.7%～26.0%。其他地方干旱發生頻率40%～50%，干旱較易發生。從結果看，春播秋收型農作物生長期內干旱影響范圍廣，除西南少數地區外，其余地區均有較大影響。

2.1.3 夏播秋收型農作物干旱發生頻率 由圖1C知，總體上表現為北高南低趨勢。壽縣、淮南、長豐、定遠、鳳陽一線為干旱高發地區，干旱發生頻率在40%以上；其中鳳陽大部、淮南大部以及定遠西北部地區干旱發生頻率超過50%(兩年一遇)，局部地區達60%以上。西南和東北地區干旱較為低發，低于26.7%。春播秋收型農作物和夏播秋收型農作物干旱發生頻率在空間分布上有相似之處，主要原因在于夏秋季節和春季都表現為蒸發量大而降水量少的特點，易發生干旱。

2.1.4 越冬型農作物干旱發生頻率 越冬型農作物生長期時間跨度長，且長期受冷空氣影響，降水量相對較少，因此干旱發生頻率高，總體上呈北高南低且高發范圍廣的分布特點(圖1D)：六安、肥西部分以及壽縣部分一帶地區稍低，干旱發生頻率在60%以下，其中六安部分地區在36.7%～50%以下。江淮分水嶺其他區域干旱發生頻率都在60%以上，其中明光北部、來安北部、淮南西南部以及壽縣北部等地，干旱發生頻率在74.4%以上，近乎一年一遇。由此可見，越冬型農作物生長期內干旱易發生。

綜合上述研究結果，可以看出，就干旱發生頻率而言，春播夏收型農作物生長期干旱主要分布在壽縣、長豐、定遠、明光一帶以北地區；春播秋收型農作物生長期干旱主要影響除西南和北部以外的絕大部分地區，范圍較廣；夏播秋收型農作物生長期干旱發生地主要分布在壽縣、淮南、長豐、定遠、鳳陽一線地區；越冬型農作物生長期內各地均較易發生干旱，僅西南部分地區干旱較輕。總體上干旱發生頻率高低與干旱持續日數長短趨同。

2.2 逐日干旱發生頻率動態研究

為方便計算多年干旱發生過程中每天發生干旱的年次數與統計年數之比，此處引入逐日干旱發生頻率。

基于干旱發生頻率分布的空間特征，選取江淮分水嶺區內的壽縣(分水嶺北部)，六安(分水嶺西部)，滁州(分水嶺東部)，合肥(分水嶺南部)作為代表站點，研究逐日干旱發生頻率。由于同一時段內各類農作物干旱總體逐日干旱發生頻率基本相似，僅在起止時間和計算參數上略有不同，故為了方便作圖和描述將其合并求平均值，具體結果見圖2。

由圖2可知，壽縣站9月中旬至第二年1月為干旱多發期，主要影響秋收和越冬農作物；5月中旬至6月以及7月中旬至8月春旱和夏旱較明顯，影響夏收農作物生長。六安站9月中旬至第二年1月秋冬旱較明顯，主要影響秋收和越冬農作物生長；合肥站和滁州站逐日干旱發生變化頻率與分水嶺北部變化特征基本一致，9月中旬至第二年1月為干旱多發期，主要影響秋收和越冬農作物，且7-8月伏旱多發，主要影響秋收型農作物育苗生長和成熟。綜合以上江淮分水嶺區代表站逐日干旱發生變化頻率并結合地區平均動態變化可以看出：江淮分水嶺區除西部地區秋冬旱發生頻率較低(西部地區整體干旱發生頻率也均較低)外，其余地區秋冬旱均高發，同時春旱和伏旱也較易發生，特別是北部地區。

2.3 干旱對農作物產量影響研究

利用Excel將江淮分水嶺區不同區域代表站2000—2009年的作物單位面積產量數據進行統計分析，即得到不同類型作物單位面積產量的時間變化結果，見圖3。基于無有效降水連續日數指標，分別計算2000—2009年江淮分水嶺區不同區域代表站的干旱日數及干旱指數，見表2。

圖2 江淮分水嶺區不同區域代表站及逐日干旱發生頻率平均動態變化

圖3 2000-2009年江淮分水嶺區不同區域代表站主要作物單位面積產量變化情況

地區指標2000年2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年合肥市干旱日數/d4162391071133832815173干旱指數1213311212滁州市干旱日數/d3970371011073630774965干旱指數1213311212壽縣干旱日數/d3771391101093439734769干旱指數1213311212六安市干旱日數/d406737921013137734362干旱指數1213311212

結果表明，江淮分水嶺區不同區域代表站內2000—2009年干旱指數變化一致，除2003年和2004年為重旱外，其余均在輕旱和中旱范圍內波動。2000—2009年各區域代表站內的主要作物單位面積產量變化趨勢基本一致，均處于波動增長狀態，其中各代表站內谷物單位面積產量波動幅度最大，特別是在2003年2004年，因受長時間的重旱影響，較上一年相比均下降了30%以上；棉花單位面積產量除了滁州市和壽縣2003年、2004年波動較大外，其余地區均處于緩慢增長狀態；油菜、花生單位面積產量波動最小，狀態較為穩定。

2.4 干旱強度和干旱范圍年際變化研究

為更為方便地描述干旱發生的年際變化情況，較為直觀的反映干旱強度變化和干旱范圍變化特征，統計并計算近30 a年江淮分水嶺區內不同時期各主要類型農作物干旱持續日數和干旱站次比，這里僅研究變化趨勢，具體見表3。

表3 基于連續無有效降水日數江淮分水嶺區干旱持續日數、站次比的趨勢變化率

注：*表示顯著水平小于0.05；**表示顯著水平小于0.01。

由表3可看出，近30 a來江淮分水嶺區春播夏收型農作物的干旱站次比均呈微減趨勢，趨勢變化率為-0.017 4%；春播秋收型農作物的趨勢變化率為-0.013 9%，也呈微減變化趨勢；夏播秋收型農作物呈微增趨勢，趨勢變化率為0.014 6%；越冬型農作物的趨勢變化率為0.016%，呈微增趨勢。總體上，各主要類型農作物干旱范圍變化趨勢有減有增，但變化均較小。從歷年單次干旱持續天數看，除春播夏收型農作物干旱持續天數為-0.029 d，呈略微減少趨勢外，春播秋收型、夏播秋收型以及越冬型農作物的趨勢變化率均呈略微增長趨勢，趨勢變化率也均在0.02 d以上，其中夏播秋收型農作物趨勢率達到0.225%，為最高值。

綜上所述，江淮分水嶺區內主要類型農作物生長期內變化趨勢差異較小，除春播夏收型農作物生長期內干旱強度和范圍指標均呈減少趨勢外，其余類型農作物干旱強度和范圍指標基本一致，呈增長趨勢，且以夏播秋收型農作物干旱強度和范圍增長趨勢最大，僅春播秋收型農作物生長期內干旱范圍有減小趨勢。通過與前人關于趨勢變化的研究結果相比較[12]，本文關于夏播秋收型農作物干旱加重，春播夏收型農作物干旱減輕的結果與文獻[12]中秋旱加重、夏旱減輕的結論也相吻合。

3 討論與結論

本文在前人對無有效降水連續日數指標研究的基礎上，對江淮分水嶺區不同生長期內農作物干旱時空變化特征進行了分析，結果表明：夏秋旱和春旱影響范圍較廣，基本涵蓋整個江淮分水嶺區，其中以壽縣、淮南、長豐、定遠、鳳陽一線為干旱高發地區，主要影響本地區越冬型農作物的春季生長和春播農作物育苗期，且對秋收農作物也造成影響較大；冬旱主要影響明光北部、來安北部、淮南西南部以及壽縣北部等地越冬型農作物育苗期。從變化趨勢上看，夏播秋收型農作物干旱加重、春播夏收型農作物干旱減輕的變化趨勢和前人分析基本一致。從實際情況與歷年干旱范圍對比看，本指標評估干旱效果也較好：如2003年江南發生嚴重夏秋旱，基于本指標計算，江淮分水嶺區夏收農作物和秋收農作物的干旱站次比分別達到61.5%和64.6%，均超過歷年平均水平，為歷年較高值。

依據逐日干旱發生頻率研究結果可知，9月至第二年2月江淮分水嶺區整體上多發秋冬旱，另外北部地區7-8月多伏旱、東部地區多發春旱，可見季節性差異是江淮分水嶺區農作物干旱的重要特征之一，并且不同地區干旱頻發時段以及持續時間上也存在一定分布差異。依據這些結論，農業生產可根據地區和農作物生長期差異，科學種植農作物，制定災害應急預案，從而減少干旱帶來的農業生產風險。

本文利用無有效降水連續日數指標，結合不同季節農作物的生長需水情況，綜合分析了江淮分水嶺區主要類型農作物的干旱時空變化特征，為科學合理種植農作物和調整種植季節提供科學理論參考。但本文主要側重于無有效降水連續日數對干旱的影響，而對降水量考慮較少，尤其是干旱前期降水量大小對后期抗旱保水有較大影響。當前期降水量越小，干旱強度越大，持續時間越長，本指標與干旱實際情況更為接近。因此，今后研究中本指標可與前期降水量等因素相結合進行完善。

[1] 施六林,王艷,王川.江淮分水嶺區干旱特點及發展節水農業的對策[J].安徽農業科學,2009,37(6):8186-8187.

[2] 楊書運,馬成澤,袁東海.江淮分水嶺區干旱分析[J].中國農業氣象,2003,24(4):30-33.

[3] 蔣躍林,盛紹學.江淮分水嶺地區降水與干旱對農業生產的影響及其對策[J].安徽農業科學,1999,27(5):418-420.

[4] 陳金華,楊太明,馬曉群,等.安徽省長江以北地區土壤水分動態模擬初探[J].中國農業氣象,2007,28(3):289-291.

[5] 王秋龍,李養兵.江淮分水嶺易旱區近50余年降水量時空變化研究[J].蚌埠學院學報,2015,4(3):42-44.

[6] 姚玉璧,張存杰,鄧振鏞,等.氣象,農業干旱指標綜述[J].干旱地區農業研究,2007,25(1):185-189.

[7] 王春林,鄒菊香,麥北堅,等.近50年華南氣象干旱時空特征及其變化趨勢[J].生態學報,2015,35(3):595-602.

[8] 謝五三,田紅.安徽省近50年干旱時空特征分析[J].災害學,2011,26(1):94-98.

[9] 袁育枝.試論華北半濕潤半干旱地區降水資源的農業氣候評價:以海河平原為例[J].氣象學報,1984,42(4):440-448.

[10] 黃晚華,隋月,楊曉光,等.基于連續無有效降水日數指標的中國南方作物干旱時空特征[J].農業工程學報,2014,30(4):125-135.

[11] 張強,鄒旭愷,肖風勁. 氣象干旱等級[S].北京:中國標準出版社,GB/T20481—2006.

[12] 黃晚華,楊曉光,李茂松,等.基于標準化降水指數的中國南方季節性干旱近58a演變特征[J].農業工程學報,2010,26(7):50-59.

AnalysisonSpatiotemporalCharacteristicsofCropDroughtinJianghuaiWatershed

LI Bao1, HU Yang2, WANG Guangsheng2, LIU Yuchan2, LI Peng2

(1.ProvincialFundamentalGeomaticCenterofAnhui,Hefei239000,China; 2.AnhuiCenterforCollaborativeInnovationinGeographicalInformationIntegrationandApplication,ChuzhouUniversity,Chuzhou,Anhui239000,China)

Based on the precipitation data of 17 city and county meteorological offices and stations from 1980 to 2009 in Jianghuai watershed, we used the improved unefficient precipitation consecutive drought day evaluation index to analyze drought indexes of crops sown in the spring and harvested in the summer, crops sown in the summer and harvested in the autumn, crops sown in the spring and harvested in the autumn, winter crops in nearly 30 years and got the evolution characteristics of the spatial pattern of drought duration and drought frequency, and analyzed the inter-annual variation. Applying daily frequency of drought, we analyzed the dynamic evolution characteristics of drought during the crop growth period. The results showed that: (1) spring summer crops were prone to drought in Shouxian, Fengyang; cops sown in the summer and harvested in the autumn were easier to suffer drought in the summer in Shouxian County, Huainan, Dingyuan, Changfeng, Fengyang line, southwest and northeast; the drought of Spring sowing-autumn harvesting crops most occurred in autumn, especially in Shouxian, southeast Feidong and Quanjiao southwest part in spring-autumn and winter; drought of overwintering crops occurred frequently in north of Mingguang and Lai an, the southwest of Huainan, north of Shouxian, and other areas, the drought not only occurred easily and lasted a longer duration in these areas; (2) from inter-annual variation trend of summer sowing-autumn harvesting and over winter crops, the scope and intensity of drought slightly increased; the drought strength of spring sowing-autumn harvesting crops also grew slightly and the scope slightly decreased, drought intensity and range of spring sowing-summer harvesting crops presented the slightly decreasing trend. On the whole, drought intensity increased slightly in the area, it was higher in the north than the south, and drought intensity of overwintering crops was higher than other crops. These results can provide scientific basis for regional agriculture production and drought prevention.

continuous days without available precipitation; crops; drought; spatiotemporal characteristics; daily drought frequency

S166

A

1005-3409(2017)06-0227-06

2017-03-07

2017-05-04

滁州學院科研啟動基金項目(2014qd032);安徽省高校自然科學研究一般項目(KJ2016B04);2011協同創新中心規劃項目(2015GH02)

李寶(1976—),男,安徽濉溪人,碩士,高級工程師，研究方向:GIS與RS集成應用技術。E-mail:huyangzjj@163.com

胡陽(1995—),男,安徽池州人,學士，研究方向:水土資源與生態環境。E-mail:151618933@qq.com