四川水稻不同生育階段的干旱風險評估

陳 超，龐艷梅，徐富賢，郭曉藝

(1．中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；2．南方丘陵區節水農業研究四川省重點實驗室，四川 成都 610066；3.四川省農科院水稻高粱研究所；四川 德陽 618000)

水稻是四川最主要的糧食作物，常年種植面積約200萬hm2，占糧食總面積的30%，產量占糧食總產的40%以上。然而，四川水稻種植區地形復雜多樣、丘陵山地面積大，氣候類型的區域分布錯綜復雜，自然災害多，其中干旱災害尤為嚴重[1]。氣候變化背景下，四川干旱發生頻率高，分布范圍廣，既有明顯的區域性又有疊加交錯性。1961-2010年干旱影響范圍變化大致為春旱呈減少趨勢，夏旱變化不顯著，伏旱呈增多態勢[2]。但是，四川地區水利工程設施有限，幾乎每年都會出現水庫、池塘干涸、河流水位明顯下降、部分河流斷流等現象，加之區內降水時空分布與水稻生長季節性不相匹配，造成該區域水稻極易發生季節性干旱。因此，分析四川水稻干旱情況，對水稻干旱開展風險評估有利于提升該區域災害風險管理和決策水平。

近些年來，國內外學者針對干旱評估開展了大量研究，建立了一系列的干旱指標，主要包括氣象指標、土壤墑情指標、作物生理生態指標及其它綜合監測指標等。其中較為常用的農業干旱指標有相對濕潤度指數、降水量距平百分率、標準化降水指數、作物水分虧缺距平指數等。就西南地區而言，以往常利用相對濕潤指數進行干旱監測研究．如王明田等[3]利用相對濕潤指數研究了西南季節性干旱的時空變化特征；紀智榮等[4]利用相對濕潤指數研究了云南各季節干濕狀況的時空變化特征；王婷等[5]利用降雨距平指數與相對濕潤指數對比研究了四川水稻的干旱狀況；袁淑杰等[6]采用相對濕潤度指數分析了四川省水稻不同生育期的干旱等級，評估了水稻的干旱風險。以上研究在采用相對濕潤指數作為干旱指標時均未考慮作物的實際蒸散狀況，因而不能真實反映單一作物的受旱狀況，鑒于此，張建平等[7]改進了相對濕潤指數，從西南的氣候特點和水稻生產條件出發，提出了濕潤指數距平率，分析了西南水稻生育期內的受旱狀況，該指數彌補了灌溉資料難以獲取的不足。然而，利用濕潤指數距平率計算出的干旱狀況沒有經過實際災情數據的檢驗，尤其是干旱等級值的劃分是否能反映水稻的實際旱情還需要進一步探究。

綜上所述，本研究擬選用濕潤指數距平率作為水稻干旱指標，以歷史實際災情數據為檢驗樣本，識別該指數在四川稻區的適用性，對干旱等級進行校正和驗證；利用修正后的干旱指標解析四川水稻不同生育期旱災發生頻率的時空格局；構建水稻干旱風險指數模型，完成四川水稻干旱災害風險評估。

1 資料與方法

1.1 研究區域和數據來源

按照氣候相似性、水稻發育階段基本相同及農業生產水平相近原則，將四川省劃分為6個水稻種植區(圖1)，包括盆西平原丘陵區、盆中淺丘陵區、盆南丘陵區、盆東平行嶺谷區、盆周邊緣山地區、川西南地區。

氣象資料源于四川省氣象探測數據中心，包括1961-2015年四川水稻種植區84個地面氣象臺站逐日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、日照時數、相對濕度和平均風速資料。實際旱情資料來源于《中國氣象災害大典》(四川卷)[8]和中國氣象數據網。

1.2 水稻各生育期的劃分

四川以種植單季稻為主，本研究通過統計分析農業氣象觀測站的水稻生長觀測資料，并與大田生產調查數據相結合，得到了四川省6個區域單季稻播種、移栽、孕穗、開花和成熟的時間(表1)。本文分析移栽～孕穗期、孕穗～開花期及開花～成熟期的水稻干旱狀況[9]。

1.3 濕潤指數距平率

相對濕潤指數是常年灌溉條件下作物生長的基線值，而濕潤指數距平率是偏離多年平均相對濕潤指數值的變化程度，表示作物受水分脅迫的程度。本研究以濕潤指數距平率(Ma)來表達作物農田水分動態變化情況[7]。計算公式為：

圖1 研究區域內氣象臺站的分布Fig.1 Distribution of weather stations in the study region

(1)

(2)

1.4 作物需水量

作物需水量(ETc)根據作物系數修正參考作物蒸散量的方法獲得[10-13]。計算公式為：

ETc=Kc×ET0

(3)

其中，Kc是水稻的作物系數；ET0是參考作物蒸散量(mm)。

ET0采用FAO推薦的Penman-Monteith方法進行計算[10]：

(4)

式中,Rn是水稻表面的凈輻射量(MJ·m-2)；γ是濕度計的常數(kPa·℃-1)；T是平均氣溫(℃)；U2是2 m高處的風速(m·s-1)；es是空氣的飽和水汽壓(kPa)；ea是空氣的實際水汽壓(kPa)；Δ是氣溫和飽和水汽壓關系曲線斜率(kPa·℃-1)。

表1 四川水稻各生育時期

作物系數Kc的計算采用FAO的分段單值平均法[14-16]，把水稻發育過程分為初始生長階段(從播種直到覆蓋率為10%，該時期的作物系數Kcini)、迅速發育階段(從覆蓋率達10%直到作物充分覆蓋，作物系數由Kcini升至Kcmid)、中期階段(從完全覆蓋直到開始成熟期，作物系數Kcmid)、成熟階段(從葉片泛黃直到收獲，作物系數由Kcmid降至Kcend)。FAO提出的水稻在特定標準下的Kcini、Kcmid和Kcend值分別為1.05、1.20和0.75。四川省大部分區域的情況不能滿足特定標準條件，因而本研究使用了王明田等[17]訂正后的作物系數值。

1.5 干旱等級的確定

計算四川省1961-2015年84個氣象臺站水稻移栽～孕穗期、孕穗～開花期及開花～成熟期的濕潤指數距平率。綜合分析四川稻區旱情資料，在前人研究[7]的基礎上校正了四川水稻農業干旱指標的分級，并利用《中國氣象災害大典》(四川卷)和中國氣象數據網中的實際旱情資料對典型站點、典型旱災發生年的計算結果進行驗證。通過對比分析確定水稻干旱等級評價指標, 將其分為無旱、輕旱、中旱、重旱4個等級(表2)，對應的干旱強度分別為0、1、2、3。

1.6 干旱頻率和干旱強度

利用干旱等級指標，計算水稻各生育期內某一站點的干旱發生頻率和干旱強度[18-20]，計算公式為：

(5)

(6)

式中，Fa表示某一站點水稻某個生育階段的干旱頻率；G表示某一站點水稻某個生育階段發生干旱的總年份；Ta表示某一站點水稻某個生育階段多年平均干旱強度；E表示某一站點水稻某個生育階段多年干旱強度之和；N表示某一站點的總年數。

1.7 干旱風險指數

風險指數(A)是考慮風險程度大小的指標，計算方法是將各站點水稻各生育期干旱頻率(Fa)與平均干旱強度(Ta)相乘[19]，公式為：

A=Fa×Ta

(7)

2 結果與分析

2.1 干旱評價指標的等級驗證

中國氣象局行業標準中規定了相對濕潤度指數的計算方法和干旱等級，然而該指標的計算是針對全國平均狀況而言。張建平等[7]在研究西南地區水稻干旱時空分布特征時提出了濕潤指數距平率的干旱評價指標和等級，但未對該指標的等級進行驗證。本文為使濕潤指數距平率更適用于研究區域，在前人研究的基礎上，結合四川稻區歷史旱情資料，進一步校正了該農業干旱指標的分級標準(表2)。本文的驗證年限為1961-2015年，每一年又分移栽～孕穗期、孕穗～開花期及開花～成熟期3個時段，并按照四川6個水稻種植區來分別驗證。通過比較各等級校正前后的變化情況(表3)，可以看到，在各個水稻種植區，利用校正后的濕潤指數距平率等級計算出的干旱結果與實際旱情的符合程度均明顯提高，這說明經過校正的干旱等級更適用于本文的研究區域，可以作為研究四川地區水稻干旱狀況的濕潤指數距平率指標等級。

2.2 研究區域水稻干旱的變化趨勢

1961-2015年，水稻移栽～孕穗期(圖2a)，各研究區域發生輕旱的站均次數總體呈U型的變化趨勢，20世紀80年代以前偏多，為0.1～0.3次/站，1981-2000年期間偏少(0.1～0.2次/站)，2000年以后明顯增加；盆西平原丘陵區相對較多，其次是盆中、盆南地區。各研究區域發生中旱及以上的站均次數在1971年以前偏多(0.1～0.4次/站)，1971-1990年期間偏少(0.1～0.2次/站)，1990年以后偏多(0.1～0.3次/站)；盆南、盆西相對較多，其次是盆東平行嶺谷區(圖2b)。

1961-2015年，水稻孕穗～開花期(圖2c)，各研究區域發生輕旱的站均次數總體呈不顯著的下降趨勢；盆中、盆南地區相對較多，其次是川西南地區。各研究區域發生中旱及以上的站均次數在盆中淺丘陵區最多，多年平均為0.39次/站，其次是盆東平行嶺谷區(圖2d)。

表2 水稻干旱等級評價指標

1961-2015年，水稻開花至成熟期(圖2e)，各研究區域發生輕旱的站均次數總體呈U型的變化趨勢，1961-1980年偏多(0.1～0.6次/站)，1980年偏少(0.1次/站)，1990年以后增加。盆中、盆東地區相對較多，其次是盆南丘陵區。各研究區域發生中旱及以上的站均次數在1990年以后呈增多趨勢；盆東平行嶺谷區最多，多年平均為0.11次/站，其它區域均較少(圖2f)。

1961-2015年，四川水稻移栽～孕穗期干旱總發生站數整體呈現弱的增多趨勢(圖3a)，變化率為0.56個站/10a，其中發生最多的年份為1969年(47個站點)，其次是1979和2006年(45個站點)，發生最少的年份為1984年；年代際呈U型的變化趨勢，20世紀60年代到80年代干旱發生站數呈下降趨勢，20世紀90年代則開始呈現增加趨勢，特別是21世紀的前10年達最高值(共251個站次發生旱災)。近50多年來，輕旱和重旱發生站數呈弱的增多趨勢，變化率分別為0.20個站/10a和0.41個站/10a，而中旱基本不變。

1961-2015年，四川水稻孕穗～開花期干旱總發生站數整體呈現弱的減少趨勢(圖3b)，變化率為-0.49個站/10a，其中發生最多的年份為1994年(60個站點)，其次是1992年(59個站點)，發生最少的年份為1996年、2008年和2009年(9個站點)；1970～1979年干旱發生站數最多(共356個站次發生旱災)，21世紀的前10年最少。近50多年來，中旱和重旱發生站數呈弱的減少趨勢，變化率均為-0.22個站/10a，而輕旱基本不變。

圖2 1961-2015年四川水稻各種植區不同生育階段發生干旱災害站均次數的年際變化Fig.2 Annual variations of drought times per station at different growth stages in six rice farming regions of Sichuan from 1961 to 2015

1961-2015年，四川水稻開花～成熟期干旱總發生站數整體呈現弱的增加趨勢(圖3c)，變化率為0.54個站/10a，其中發生最多的年份為1997年(55個站點)，其次是2001年(51個站點)，發生最少的年份為1968年和1983年；年代際呈M型的變化趨勢，20世紀70年代干旱發生站數最多(共223個站次發生旱災)，20世紀80年代最少。近50多年來，輕旱和重旱發生站數均呈弱的增多趨勢，變化率均分別為0.23個站/10a和0.55個站/10a，而中旱基本不變。

2.3 水稻不同生育期干旱頻率的空間分布

移栽～孕穗期，水稻輕旱發生頻率的分布特征為：四川盆地東北部、盆地西南部和川西南的部分地區低于16%，其它區域在16%～40%之間，其中成都、綿陽、眉山、遂寧的部分地區達32%～40%(圖4a)。中旱發生頻率的分布特征為：盆地中北部、盆地南部在4%～21.8%，其中綿陽北部最高，其它區域大部均在4%以下(圖4b)。重旱發生頻率的分布特征為：大部區域在0～12%，僅在德陽、資陽和宜賓的部分地區達24%～57.9%(圖4c)。

孕穗～開花期，水稻輕旱發生頻率的分布特征為：盆地西部、盆地中部和東北部的部分地區在0～18%，其它大部區域在18%～45.5%之間，其中資陽和巴中的個別地區達36%～45.5%(圖4d)。中旱發生頻率的分布特征為：大部區域在0～18%之間，僅在內江、遂寧和南充的個別地區達24%～32.8%(圖4e)。重旱發生頻率的分布特征為：大部區域在0～12%之間，僅在盆地中部和東北部的部分地區達36%～60%(圖4f)。

圖3 1961-2015年四川水稻不同生育階段干旱災害發生總站數的年際變化Fig.3 Annual variation of number of stations in drought at different growth stages of rice in Sichuan during 1961-2015

開花～成熟期，水稻輕旱發生頻率的分布特征為：從西南向東北遞增的趨勢，川西南地區和盆地西部在0～16%，盆地中部和南部大多在16%～24%，盆地東北部最高，在24%～38.2%(圖4g)。中旱發生頻率的分布特征為：大部區域在3%以下，僅在宜賓、瀘州、達州和廣安的部分地區達6%～18.2%(圖4h)。重旱發生頻率的分布特征為：大部區域在4%以下，僅宜賓和瀘州的部分地區達14%～20%(圖4i)。

將圖4中四川水稻各生育期3個干旱等級的發生頻率相加，得到四川水稻各生育期內發生干旱的頻率。圖5為四川水稻3個生育階段發生干旱頻率的空間分布圖，由圖5可知，四川水稻在移栽～孕穗期發生干旱的頻率呈現研究區域中部高、西南部和東北部低的分布特征，干旱高發區主要分布在北部的綿陽-南部的宜賓一線，發生頻率在36%～58.2%，干旱少發區分布在川西南地區和盆地東北部的部分地區，發生頻率在24%以下(圖5a)。孕穗～開花期，水稻發生干旱的頻率呈由西向東遞增的變化趨勢，干旱高發區主要分布在盆地北部和東北部，發生頻率在36%～61.9%，干旱少發區分布在盆地西部和川西南的西南部，發生頻率在24%以下(圖5b)。開花～成熟期，水稻發生干旱的頻率呈由西向東遞增的變化趨勢，干旱高發區主要分布在盆地東北部和盆南的部分地區，發生頻率在30%～47.3%，干旱少發區分布在盆地西部和北部、川西南的大部地區，發生頻率在20%以下(圖5c)。

2.4 水稻干旱發生風險的空間分布

利用不同等級干旱災害的發生頻率和發生強度，計算了水稻干旱風險度指數。在此基礎上，參考GIS默認的Natural Breaks分類方法，并綜合分析《中國氣象災害大典》(四川卷)和中國氣象數據網四川稻區的旱情資料，尤其將典型區域、典型旱災發生年的實際旱情與計算出的風險度指數進行對比，最終確定了四川水稻干旱風險區劃等級。按照表4給出的干旱風險區劃等級，繪制了1961-2015年四川水稻移栽～孕穗期、孕穗～開花期及開花～成熟期的干旱風險度分布圖(圖6)。

移栽～孕穗期，較高風險區和高風險區主要集中在德陽、資陽和宜賓等地，其中廣漢、簡陽、高縣和江安等地為高風險區。中風險區主要分布在盆西的成都、盆南大部和川西南的西部。而低風險區主要分布在盆地的北部、東北部和西南部，以及川西南地區的大部(圖6a)。

圖4 1961-2015年四川水稻不同生育階段各級干旱發生頻率的空間分布Fig.4 Spatial frequency distribution of each drought at different rice growth stages in Sichuan during 1961-2015

圖5 1961-2015年四川水稻不同生育階段干旱頻率的空間分布Fig.5 Spatial distribution of drought frequency at different rice growth stages in Sichuan during 1961-2015

圖6 四川水稻干旱風險度空間分布Fig.6 Spatial distribution of drought risk index of rice in Sichuan

生育期Growth stage風險等級 Risk grade低風險區Low riskarea中風險區Middle riskarea較高風險區Sub-highrisk area高風險區High riskarea移栽～孕穗期Transplanting-booting≤2020～4040～60≥60孕穗～開花期Booting-flowering≤2020～4040～80≥80開花～成熟期Flowering-maturity≤55～1010～20≥20

孕穗～開花期，較高風險區和高風險區主要集中在盆地中部和東北部，其中綿陽的鹽亭、資陽的安岳、遂寧的射洪、南充的儀隴、巴中的通江等地為高風險區。中風險區主要分布在盆地的西南部、盆地中北部的個別地區。而低風險區主要分布在盆地的西部和南部，以及川西南地區的大部(圖6b)。

開花～成熟期，高風險區主要集中在瀘州、宜賓、達州和廣安等地。較高風險區主要集中在盆地東北部和南部。中風險區主要分布在盆地東北部和中部的部分地區。而低風險區主要分布在盆地西部和北部，以及川西南地區的大部(圖6c)。

3 結論與討論

干旱指標是評估干旱發生程度的主要依據，指標的選取關系到評估結果的準確性。本研究選用濕潤指數距平率作為四川水稻干旱指標，以歷史實際災情數據為檢驗樣本，對張建平等[7]劃分的干旱等級指標進行了修正，經過驗證，修正后的干旱等級指標與實際旱情的符合程度更高。另外，考慮到四川水稻種植區域跨度較大的特點，本文按照氣候相似性、水稻發育階段基本相同及農業生產水平相近的原則，將四川省劃分為6個水稻種植區，每個種植區內的水稻生育期一致，而不同種植區之間水稻生育期存在差異。本研究在分析四川不同區域水稻不同生育期旱災發生狀況的時空分布特征的基礎上，進行了四川水稻不同生育階段干旱災害風險評估,以期對四川不同水稻種植區不同生育階段采取適宜的防旱減災措施有一定指導意義。

本文的研究表明：移栽～孕穗期，各種植區域1961-2015年水稻發生輕旱的站均次數在1981-2000年期間偏少(0.1～0.2次/站)，其它時段偏多(0.1～0.3次/站)，盆西平丘區旱情相對較多；發生中旱及以上的站均次數在1971-1990年期間偏少(0.1～0.2次/站)，其他時段偏多(0.1～0.4次/站)，盆南、盆西旱情相對較多；近50多年來，干旱總站數呈現弱的增多趨勢，年代際呈U型的變化趨勢，輕旱和重旱發生站數呈弱的增多趨勢，而中旱基本不變。孕穗～開花期，發生輕旱的站均次數總體呈不顯著的下降趨勢，盆中、盆南旱情相對較多；發生中旱及以上的站均次數在盆中淺丘區最多；近50多年來，干旱總站數整體呈現弱的減少趨勢，輕旱、中旱和重旱發生站數均呈弱的減少趨勢。開花～成熟期，發生輕旱的站均次數在20世紀80年代以前偏多(0.1～0.6次/站)，20世紀80年代偏少(0.1次/站)，20世紀80年代以后增加，盆中、盆東旱情相對較多；發生中旱及以上的站均次數在1990年以后呈增多趨勢，盆東平行嶺谷區旱情最多；近50多年來，干旱總站數整體呈現弱的增加趨勢，輕旱、中旱和重旱發生站數均呈弱的增多趨勢。

移栽～孕穗期，水稻輕旱發生頻率在四川盆地東北部和西南部、川西南的部分地區低于16%，其它區域在16%～40%之間；中旱頻率在盆地中北部和南部為4%～21.8%，其它大部區域均在4%以下；重旱頻率在大部區域低于12%；總體來看，發生干旱的頻率呈現中部高、西南部和東北部低的分布特征，干旱高發區主要分布在北部的綿陽-南部的宜賓一線，發生頻率在36%～58.2%。孕穗～開花期，水稻輕旱頻率在盆地西部、中部和東北部的部分地區低于18%，其它大部區域在18%～45.5%；中旱頻率在大部區域低于18%，僅在內江、遂寧和南充的個別地區達24%～32.8%；重旱頻率在大部區域低于12%，僅在盆地中部和東北部的部分地區達36%～60%；總體來看，發生干旱的頻率呈由西向東遞增的變化趨勢，干旱高發區主要分布在盆地北部和東北部，發生頻率在36%～61.9%。開花～成熟期，水稻輕旱頻率呈從西南向東北遞增的趨勢，川西南和盆地西部低于16%，盆地中部和南部在16%～24%，盆地東北部在24%～38.2%；中旱頻率在大部區域低于3%，僅在宜賓、瀘州、達州和廣安等地達6%～18.2%；重旱頻率在大部區域低于4%，僅宜賓和瀘州的部分地區達14%～20%；總體來看，發生干旱的頻率呈由西向東遞增的變化趨勢，干旱高發區主要分布在盆地東北部和盆南的部分地區，發生頻率在30%～47.3%。

移栽～孕穗期，重度干旱風險以上的區域主要集中在德陽、資陽和宜賓等地，其中廣漢、簡陽、高縣和江安等地為極重干旱風險區；中度風險區在成都、盆南大部和川西南的西部；低風險區在盆地的北部、東北部和西南部，以及川西南地區的大部。孕穗～開花期，重度干旱風險以上的區域主要集中在盆地中部和東北部，其中鹽亭、安岳、射洪、儀隴、通江等地為極重干旱風險區；中度風險區在盆地的西南部、盆地中北部的個別地區；低風險區在盆地的西部和南部，以及川西南的大部。開花～成熟期，極重度干旱風險的區域主要集中在瀘州、宜賓、達州和廣安等地；重度風險區在盆地東北部和南部；中度風險區域在盆地中部的部分地區。低風險區在盆地西部和北部，以及川西南大部。

綜上所述，本文的結論與其他學者[3-7,21-22]的研究結果在分布規律上基本保持一致，但在分布范圍上存在一定差異，這主要是因為站點和資料長度的選取不同。另外，選取不同的干旱指標對結果的影響也很大。比較發現，不同研究方法各有利弊，氣象指標、土壤墑情指標與作物生理生態指標分別從大氣干燥程度、土壤供水能力和作物耐旱能力方面反映了作物的缺水程度，并且各類干旱指標都具有一定的時間與空間尺度范圍，還不能綜合反映不同地區的自然條件、下墊面、作物品種、人類活動等因素影響[23-24]。因此，未來有必要將各種干旱指標進行結合，建立干旱監測的綜合模型，以不斷提高干旱評估的準確性。