貴州喀斯特地貌下的水稻旱災損失評估

胡家敏， 古書鴻， 張 波， 趙 娟

(1.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002；3.貴州省桐梓縣氣象局，貴州 桐梓 563000)

貴州省水稻播種總面積為67萬hm2左右，除大災年外，產量基本上維持在400萬t以上，占全年糧食產量的30%以上，幾乎占秋糧的50%，為全省重要的糧食作物之一。近年來，在全球氣候變暖背景下，極端天氣氣候事件頻發。農業干旱的發生頻率和強度明顯增加，特別是近幾年較頻繁發生的季節性干旱對貴州農業生產的影響較大。2006年川渝及黔北地區出現嚴重干旱，貴州遵義市水稻減產率達30%以上，減產嚴重。2009年秋至2010年春，西南地區發生罕見秋冬春連旱。2011年和2013年發生特大夏伏旱，導致貴州水稻嚴重減產，其中2011年發生范圍廣，程度深，全省水稻減產率達31%。因此，實時監測評估干旱對貴州水稻生產的影響具有重要意義。而土壤水分監測是最直接的干旱監測方法，但由于受儀器穩定性、站點代表性、數據穩定性等因素的限制，導致土壤水分監測數據尚不能很好地滿足干旱監測的需求，數據經常失真。因此，應用穩定地面氣象數據模擬土壤水分成為一種重要的方法。土壤水分模擬主要包括水文模型[1-2]、神經網絡理論建立時間序列模型[3]等，宋麗莉等[4-5]基于稻田水分平衡方程，建立干旱動態模型, 并對廣東水稻歷史干旱進行了分析研究。目前，未見關于貴州喀斯特地貌下的相關研究報道。為此，在前人研究的基礎上，基于貴州氣候背景和地形地貌特征，研究建立適合貴州氣候背景和自然環境條件下的水稻干旱評估模型，以期為農業救災和水稻氣象保險提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

水稻產量：1949-2014年貴州省34個縣的水稻產量數據，貴州省統計局。

氣象數據：貴州省34個縣的光溫水逐日氣象數據，貴州省氣象局氣象信息中心。

34個縣(圖1)分布于貴州省不同生態類型，能夠代表貴州水稻的種植水平和生態種植區域，反映出貴州水稻生產的真實情況。貴州水稻播種出苗期為3月下旬至4月下旬，移栽返青期為5月中旬至6月中旬；分蘗期為6月上旬至7月上旬；拔節孕穗期為6月下旬至7月下旬；抽穗揚花期為8月上旬至8月下旬；灌漿成熟期為8月下旬至9月中旬。

圖1 水稻研究區域選取的站點分布

Fig.1 Station distribution of study area of rice

1.2 研究方法

1.2.1水稻干旱模型 不同降雨強度形成的徑流不同，對稻田水分補充的效果也不同。研究假定日降雨量(Rd)不同級情況下，其徑流補充系數(kd)不同。即Rd<5mm(kd=0)，5 mm≤Rd<10 mm(kd=0.1)，10 mm≤Rd<20 mm(kd=0.3)，20 mm≤Rd<50 mm(kd=0.5)，Rd≥50 mm(kd=0.7)。則水稻田的水分收入(WId，mm)計算公式如下。

WId=Rd×(1+Kd)

水稻蒸散以及滲漏是稻田水分支出的主要途徑。其中，滲漏量按標準狀態下的2 mm/d計。蒸散消耗根據每天的氣象條件確定，其中溫度和日照是主要影響因子。參照文獻[6]的方法構建土壤水分蒸散消耗〔W(T,S,H)，mm〕模型。

W(T,S,H)=(T/10)×{1+(S/10)×[1+(T/10000)]}

式中，T為日氣溫，S為日照時數，H為海拔。

該計算公式可代替彭曼公式，又能實時獲取氣象觀測數據，實現實時計算稻田水分蒸散消耗，經文獻[7]的方法驗證，計算得到的貴州喀斯特地貌下的干旱時空發展規律與貴州實際干旱情況相符。

依據稻田水分收支平衡原理，建立稻田土壤含水量(mm)模型。

當Wd-1≥Wfc時，

Wd=Wd-1+WId-W(T,S,H)-2

選取各地級市工業的廢水、二氧化硫和煙塵排放量，工業的固體廢物利用率、煙塵去除量5個指標，記x1、x2、x3、x4、x5，數據均來源《中國城市統計年鑒2016》。

當Wd-1

Wd=Wd-1+WId-W(T,S,H)×(Wd-1/Wfc)

式中，Wd為當日稻田含水量，Wd-1為前一日含水量(mm)，WId為稻田當天水分收入(mm)，Wfc田間持水量狀態下的土壤有效水分含量(mm)，W(T,S,H)為當日稻田水分蒸散消耗量(mm)。

當稻田水分含量大于田間持水量時，無旱。當稻田水分含量小于田間持水量時，則出現干旱?；诖?，構建稻田動態日干旱指數(RDI)模型。

RDI=(Wd-Wfc)/Wfc

因為干旱是一個長時間過程造成的結果，故干旱對水稻的影響也是一個積累過程，研究采用累積干旱指數評估旱情。

1.2.2 作物減產率模型 尹東等[7-8]認為，作物產量可分解為反映生產力水平的趨勢產量和影響波動的氣象產量以及隨機產量，這種分解方式是在氣象條件沒有造成較大損失或者是毀滅性的災害時可行，但是當遭遇重大農業氣象災害時，這種分解方法就不再適用，這時氣象災害已經嚴重影響到生產力水平，趨勢就不存在了。最高產量為當地生產力水平下氣象條件最為適宜情況下的產量。因此，計算減產率時可考慮選用近年來(品種穩定情況下)的最高產量作為分母。根據1981-2014年貴州水稻產量數據以及M-K秩次檢驗[9]， 1989年貴州省水稻的單產可能由于品種改良或者是種植水平的大幅提高，單產水平出現一個質的飛躍，1989年至今就沒有出現突變點，1989年以后全省水稻品種始終維持在比較穩定的狀態。因此，采用各地1989年以來的最高單產作為分母計算減產率(Y)。

式中，Y代表減產率，Yd代表當年實際單產，Ymax為當地最高單產。

利用逐日氣象數據計算輸出各年逐日水稻田的干旱指數，并將不同生育期和整個生長季的逐日干旱指數累加起來計算出累積干旱指數。并挑選出2009-2010年的特大夏秋春連旱(主要分析春旱對水稻的影響)，2011年的特大干旱以及2013年的特大夏旱年等干旱災害典型年份的累積干旱指數與當年水稻減產率進行統計分析。

2 結果分析

2.1 2010年干旱評估

2010年1月至3月中旬降水異常偏少，大部偏少在50%以上，3月旱情迅速發展和加劇。旱情發展為全省性的干旱。4月西部和南部旱情繼續發展，5月上旬至6月上旬全省各地旱情陸續解除。6月中旬后光溫水匹配較好，全省沒有出現農業氣象災害。因此，2010年的干旱發生在水稻苗期。從圖2看出，2010年水稻產量與最高年份相比略有下降，干旱幾乎無影響。各地水稻播種育苗期旱情累積指數基本在-2以上。由于各地采取了科學的應對措施，苗期干旱對水稻生產基本未產生不利影響，而且由于苗期輕旱利于水稻根系生長，中部以南的大部地區水稻獲得高產，與歷史最高年份接近。

圖2 2010年水稻播種育苗期累積干旱指數及其減產率分布

Fig.2 Drought index and Distribution of yield reduction rate of seedling period of rice in 2010

2.2 2011年特大干旱評估

2011年6月貴州省的雨水較為集中，7月上中旬，雖然全省發生少雨時段近10 d，但由于7月5-7日全省出現強降水天氣過程，旱情并不明顯。7月20日后，由于氣溫高、蒸發大，旱情逐步發展，隨著晴熱高溫天氣持續且范圍擴大，致使干旱迅速發展。發生干旱時段正好與水稻灌漿成熟期重合。

2011年水稻灌漿成熟期的累積干旱指數經剔除掉大于等于0的站點(無旱站點)，利用剩下25個站點的數據建立水稻減產率與灌漿成熟期累積干旱指數的關系方程為y=0.5546x-35.428，相關關系(R)為0.453 5，當n=25時，R的臨界值為0.418 2，通過0.05的置信度檢驗，表明方程顯著。2011年的干旱發生在水稻灌漿成熟期，干旱不但使植株光合作用速率、體內同化物的生產、運轉和積累受到影響，還會加速葉片的老化及根系的早衰，導致千粒重和結實率降低，減產明顯。從圖3看出，累積干旱指數在-10以下，減產率達30%以上。

2.3 2013年特大干旱評估

2013年7月貴州省大部出現持續的高溫少雨天氣，平均氣溫偏高1.6℃，為1961年以來同期最束。2013年的干旱主要發生在水稻抽穗揚花期。從圖4可知，2013年水稻抽穗揚花期累積干旱指數與2013年水稻減產率的變化趨勢非常一致，中部以北以及東部大部累積干旱指數的絕對值較大，而相應的水稻減產率也較大。

圖3 2011年水稻灌漿成熟期累積干旱指數與減產率的線性關系

Fig.3 Linear relationship between drought index and yield reduction rate in filling and ripening stage of rice in 2011

高，42個縣(市、區)出現35℃以上高溫天氣。全省7月平均降水量為42.1 mm，較常年偏少78.6%，為1961年以來同期第1低位。8月1-3日，僅西南部、西部局地出現強降水，其余大部降水持續偏少，造成旱情進一步蔓延和加重。8月16-18日，全省僅局地旱情得到緩解，旱情仍在繼續。直至8月23-25日全省出現大范圍降雨過程，旱情漸趨結

圖4 2013年水稻減產率分布與水稻抽穗揚花期累積干旱指數分布

Fig.4 Drought index and distribution of yield reduction rate in heading and flowering stage of rice in 2013

2013年水稻抽穗揚花期的累積干旱指數經剔除掉大于等于0的站點(無旱站點)，利用剩下30個站點的數據建立水稻減產率與累積干旱指數的關系方程為y=0.678 2x-28.181，相關關系(R)為0.440 9。當n=30時,R的臨界值為0.418 2，通過0.05的信度檢驗，表明方程是顯著的。2013年的干旱發生在水稻抽穗揚花期，正是水稻需水關鍵期，干旱造成嚴重減產。從圖5看出，抽穗揚花期累積干旱指數在-5以下，減產率達30%以上。

圖5 2013年水稻抽穗揚花期干旱指數與減產率的線性關系

Fig.5 Linear relationship between drought index and yield reduction rate in heading and flowering stage of rice in 2013

3 小結

貴州水稻品種的特性在1989年有一次質的飛躍，品種改良達到相對最佳水平，1989年以后的單產波動基本上是由于氣候異常原因所致。

研究結果表明，不同生育期干旱對水稻產量影響不同，水稻抽穗揚花期干旱對產量的影響最大。水稻播種育苗期旱情累積指數在-2以下時對產量基本無影響；水稻抽穗揚花期，正是水稻需水關鍵期，累積干旱指數在-5以下，減產率達30%以上；而水稻灌漿成熟期累積干旱指數在-10以下，減產率達30%以上。研究僅基于空間點數據和統計方法而得出結論，在時間尺度上的驗證還屬于空白，因為2014至今，貴州基本無全省性的夏伏旱發生，僅在局部發生了較為明顯的干旱。因此，水稻旱情評估結論無法用實際數據驗證，還需在未來的實際應用中加以驗證和完善。