內(nèi)蒙古中部區(qū)干旱指數(shù)演變及其對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

越昆,金林雪*,李云鵬,姜少杰,牛冬

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心,呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象服務(wù)中心,呼和浩特 010051)

干旱一直是導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)業(yè)損失嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，階段性或區(qū)域性干旱幾乎每年都會(huì)發(fā)生[1]。21世紀(jì)以來(lái)，氣候變化進(jìn)程加快，干旱問(wèn)題日益凸顯，己成為困擾經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大問(wèn)題。馬鈴薯作為種植適應(yīng)性廣、市場(chǎng)潛力大的產(chǎn)品，原農(nóng)業(yè)部(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部)于2015年發(fā)布指導(dǎo)意見(jiàn)將其定為主糧產(chǎn)品[2]。內(nèi)蒙古因其氣候特點(diǎn)，成為我國(guó)最大的種薯和商品薯生產(chǎn)基地，中部地區(qū)的呼和浩特市、烏蘭察布市和包頭市的馬鈴薯種植面積均在2×104hm2以上，約占全區(qū)馬鈴薯種植面積的70%[3-4]。但該地區(qū)位于農(nóng)牧交錯(cuò)地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，抵抗自然災(zāi)害的能力較弱，易受到干旱災(zāi)害的制約。隨著近幾十年氣候變化的加劇，氣溫升高導(dǎo)致內(nèi)蒙古中部地區(qū)夏季干旱愈發(fā)嚴(yán)重[5]。因此，研究干旱時(shí)空變化及其對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響，可為氣候變化背景下的糧食安全與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有效建議。

目前，干旱過(guò)程的監(jiān)測(cè)與分析中較為常用的干旱指數(shù)是帕默爾干旱指數(shù)(Palmer drought severity index，PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standard precipitation index，SPI)、作物濕度指數(shù)(crop moisture index，CMI)、地表供水指數(shù)(surface water supply index，SWSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)和氣象干旱綜合指數(shù)(meteorological composite index，MCI)等[6-8]，其中SPI和SPEI具有計(jì)算簡(jiǎn)單、參數(shù)易獲取、多時(shí)間尺度等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外旱情研究中得到廣泛應(yīng)用，取得了極為豐碩的成果[9-12]。二者的相同點(diǎn)是皆可以表征不同時(shí)間尺度下的干旱情況，而區(qū)別在于SPEI是在SPI的基礎(chǔ)上使用降水與蒸散的差值來(lái)替換單一降水量，實(shí)現(xiàn)了氣溫要素融入干旱指數(shù)的計(jì)算，其結(jié)果相較于SPI考慮了氣溫變化對(duì)干旱的影響。另外，干旱的診斷不僅要看降水總量，還要綜合考慮降水分布的集中程度，而降水集中度(precipitation concentration degree，PCD)和集中期(precipitation concentration period，PCP)作為度量降水非均勻分配的指標(biāo)，能夠很好地反映過(guò)程內(nèi)降水的時(shí)空非均勻性分布特征。研究發(fā)現(xiàn)，降水集中度越低、集中期越晚，干旱出現(xiàn)的概率越大[13]。近年來(lái)，關(guān)于干旱指數(shù)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量影響的研究多集中于玉米、小麥等作物[14-15]，關(guān)于馬鈴薯的相關(guān)報(bào)道尚處于起步階段。本研究依托內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)區(qū)域的馬鈴薯產(chǎn)量及干旱災(zāi)情資料，以SPI、SPEI、PCD、PCP作為干旱指數(shù)，研究?jī)?nèi)蒙古中部地區(qū)干旱發(fā)生的程度、變化趨勢(shì)及其對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響，為馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略提供參考和借鑒意義。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

所用資料包括逐日氣象觀測(cè)資料，為保證數(shù)據(jù)的完整性及準(zhǔn)確性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了均一化處理，對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)3%的臺(tái)站進(jìn)行剔除，最終選取1961—2017年內(nèi)蒙古中部地區(qū)23個(gè)氣象站數(shù)據(jù)，站點(diǎn)信息詳見(jiàn)表1。使用內(nèi)蒙古6個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的馬鈴薯生育期資料，按照地理位置相近原則確定研究區(qū)馬鈴薯的生長(zhǎng)季(表1)；馬鈴薯播種面積、總產(chǎn)量和單產(chǎn)資料來(lái)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局；地理信息數(shù)據(jù)來(lái)源于內(nèi)蒙古地圖制印院提供的標(biāo)準(zhǔn)底圖。

表1 研究區(qū)氣象觀測(cè)站點(diǎn)信息及馬鈴薯生長(zhǎng)季Table 1 Information of meteorological stations and the growing time of potato

1.2 干旱指數(shù)的定義及計(jì)算

1.2.1PCD和PCP PCD是反映降水總量在研究時(shí)段內(nèi)的集中程度，取值范圍為0～1，越接近于1代表降水越集中；越接近于0，代表降水量越均勻。PCP為合成向量的方位角，表示向量合成后重心指示的角度，反映最大降水量的出現(xiàn)時(shí)段；二者可以較好地反映出區(qū)域降水量的時(shí)空分布特征，計(jì)算方法[16-17]如下。

(1)

PCP=arctan(Rxi/Ryi)

(2)

(3)

(4)

式中，Rxi為降水量的垂直分量之和；Ryi為降水量的水平分量之和；Ri為某站第i年研究時(shí)段內(nèi)的降水總量；rij為某日降水量，j為時(shí)序；θj為各日對(duì)應(yīng)的方位角。

由于PCP是時(shí)間的表征量，本研究將一個(gè)候的降水量設(shè)定為向量長(zhǎng)度，整個(gè)生長(zhǎng)季(4—9月)每一候?qū)?yīng)的方位角度詳見(jiàn)表2，根據(jù)此表將PCP的方位角度值換算為以候?yàn)閱挝坏臅r(shí)間表征量[18]。

表2 4—9月各方位角所對(duì)應(yīng)的候Table 2 Azimuth angle of each pentad from April to September

1.2.2SPI和SPEI SPI 計(jì)算公式[19]如下。

(5)

式中，x為時(shí)段內(nèi)降水量；G(x)是對(duì)應(yīng)x的累積概率；S是概率密度正負(fù)系數(shù)，當(dāng)G(x)>0.5 時(shí)，S=1，當(dāng)G(x)≤0.5 時(shí)，S=-1；c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

G(x)為給定降水時(shí)段概率密度，由不完全Γ分布概率密度函數(shù)積分求得，計(jì)算公式如式(6)所示。

(6)

式中，γ為形狀參數(shù)，β為尺度參數(shù)，兩者采用極大似然估計(jì)方法[20]求得。

SPEI 的計(jì)算首先需要計(jì)算逐月降水量與蒸散量的差值，建立不同時(shí)間尺度下的水分盈虧累積序列，計(jì)算公式如下[21]。

(7)

式中，k為時(shí)間尺度;n為計(jì)算月份;P(mm)為月降水量；PET(mm)為月潛在蒸散量值，采用Penman-Monteith方法[22]求得。

其次，對(duì)降水蒸散差值數(shù)據(jù)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，由于Di數(shù)據(jù)序列可能存在負(fù)值，故引入三參數(shù)的log-logistic概率密度函數(shù)f(x)對(duì)所建立的序列進(jìn)行擬合。

(8)

式中，α、β、γ分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)。

對(duì)概率密度函數(shù)f(x)積分，得到log-logistic累積分布函數(shù)F(x)。

(9)

然后，對(duì)累積概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

Q=1-F(x)

(10)

當(dāng)累積概率Q≤0.5時(shí)，SPEI利用式(11)進(jìn)行計(jì)算。

(11)

當(dāng)累積概率Q>0.5時(shí)，SPEI利用式(12)進(jìn)行計(jì)算。

(12)

1.3 突變檢驗(yàn)

利用Mann-Kendall秩次檢驗(yàn)法(M-K檢驗(yàn))、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法(T檢驗(yàn))等統(tǒng)計(jì)方法分析PCD、PCP、SPEI和SPI的趨勢(shì)變化特征。M-K檢驗(yàn)因其檢驗(yàn)方法不要求樣本遵從固定分布，所以得到廣泛的應(yīng)用，通過(guò)在圖上繪制順序計(jì)算的UF和逆序計(jì)算的UB，以及顯著性水平為0.05時(shí)的臨界值(±1.96)來(lái)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果：當(dāng)UF或UB大于0，為上升趨勢(shì)，小于0為下降趨勢(shì)，曲線超過(guò)臨界值則趨勢(shì)顯著；UF和UB在臨界線之間的交點(diǎn)即為可能發(fā)生突變的年份。滑動(dòng)T檢驗(yàn)是通過(guò)檢驗(yàn)兩組樣本平均值是否顯著來(lái)檢驗(yàn)是否發(fā)生突變，本研究將T檢驗(yàn)作為輔助檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)印證M-K檢驗(yàn)的結(jié)論。

1.4 變化趨勢(shì)率

變化趨勢(shì)率(氣候傾向率)用來(lái)表述某氣象要素在長(zhǎng)時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)，通常采用一元線性方程進(jìn)行擬合，用斜率的10倍作為趨勢(shì)率[23]。

1.5 減產(chǎn)百分率

減產(chǎn)百分率是指作物實(shí)際單產(chǎn)低于其對(duì)應(yīng)年份趨勢(shì)產(chǎn)量的百分率[24]，計(jì)算公式如下。

(13)

式中，x為馬鈴薯的單產(chǎn)(kg·hm-2)，xt為該作物對(duì)應(yīng)年份的趨勢(shì)產(chǎn)量(kg·hm-2)，本研究的趨勢(shì)產(chǎn)量是由直線滑動(dòng)平均法[25]計(jì)算。一般認(rèn)為，5%的減產(chǎn)百分率為成災(zāi)的臨界值，當(dāng)減產(chǎn)百分率大于5%時(shí)即為成災(zāi)年份[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水資源空間分布

為了解所選區(qū)域的降水資源分布，用該地區(qū)1961—2017年馬鈴薯生長(zhǎng)季(4—9月)的累計(jì)降水量平均值繪制區(qū)域圖(圖1)。可以看出，降水區(qū)域分布呈西北少、東南多的趨勢(shì)。西北降水量較低的區(qū)域，4—9月的累積降水量低于200 mm;南部降水量最高的區(qū)域累計(jì)降水量達(dá)到350 mm以上，降水資源存在不均勻性。從研究區(qū)域1961年—2017年平均累積降水量的年際變化(圖1)來(lái)看，1965年的降水量最少，為166.6 mm；1961年的降水量最多，為444.3 mm，均值為308.8 mm，整體來(lái)看年際之間的數(shù)值波動(dòng)較大，沒(méi)有明顯的趨勢(shì)變化。

圖1 1961—2017年內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)生長(zhǎng)季累積降水量的時(shí)空變化Fig.1 Temporal and spatial variations of precipitation in growing season of the main potato production area in central Inner Mongoliafrom1961 to 2017

2.2 干旱指數(shù)的年際變化

1961—2017年間PCD、PCP、SPI和SPEI的年際變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2，PCD值在0.17到0.55之間，均值為0.35。從年際變化來(lái)看有較為明顯的下降趨勢(shì)，即降水年度內(nèi)分配趨向于均勻，雖然降水總量沒(méi)有增加，但較為均勻的降水有利于馬鈴薯對(duì)水分的有效利用。多數(shù)年份的PCP在32至39 候之間，即6月6日—7月15日之間；1987年和2010年偏晚，分別出現(xiàn)在40和45候；1991年和2002年偏早均出現(xiàn)在29 候；近50年，PCP最早不超過(guò)5月20日(29候)，最晚不晚于8月15日(45候)，平均值出現(xiàn)在6月25日～30日(36候)之間。從SPI和SPEI的時(shí)間變化特征來(lái)看，1961—2017年SPI呈輕微的下降趨勢(shì)，SPEI呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，兩者沒(méi)有明顯的趨勢(shì)變化。

圖2 1961—2017年內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的PCD、PCP、SPI和SPEI年際變化Fig.2 Interannual variations of PCD,PCP,SPI and SPEI in the main potato production areas of central Inner Mongolia from 1961 to 2017

2.3 干旱指數(shù)的空間變化

PCD和PCP在研究區(qū)域內(nèi)的空間分布見(jiàn)圖3，PCD在區(qū)域內(nèi)大致為西北高東南低，即西北地區(qū)降水較東南地區(qū)更為集中。PCD最高的旗縣是地處西北方位的達(dá)茂旗，為0.38，生長(zhǎng)季累積降水量為227 mm；位于東南方位的太仆寺旗的PCD最低，為0.31，累計(jì)降水量為346 mm；從區(qū)域分布來(lái)看，該地區(qū)的PCD與其生長(zhǎng)季的降水量大體呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，即降水越少的地區(qū)降水越集中。研究區(qū)域的PCP在34～37候之間，即6月20—7月4日之間，分布趨勢(shì)呈由東向西遞增，即東部的正藍(lán)旗等地的降水多集中于6月下旬，西部的達(dá)拉特旗等地的降水多集中于7月上旬。

圖3 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)PCD和PCP空間分布Fig.3 Spatial distribution of PCD and PCP in growing season of the main potato production area in central Inner Mongolia

從內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)SPI和SPEI變化趨勢(shì)的空間分布(圖4)來(lái)看，兩個(gè)干旱指數(shù)在區(qū)域分布上都是西北部呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，東南部呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。SPI的變化范圍為-0.13～0.08·(10 a)-1，西北部地區(qū)除東勝站為-0.05·(10 a)-1外，其余地區(qū)數(shù)值都大于0，即干旱程度有所緩解；東南部地區(qū)數(shù)值均為負(fù)，說(shuō)明干旱程度有所增強(qiáng)。SPEI的變化范圍為-0.11～0.29·(10 a)-1，僅烏蘭察布偏東南部的察右前旗、涼城、興和、正藍(lán)旗和正鑲白旗小于0，其余地區(qū)SPEI年際趨勢(shì)變化呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。從SPI和SPEI的空間分布(圖5)可見(jiàn)，低值區(qū)主要位于中部，其中察右中旗、達(dá)茂旗、豐鎮(zhèn)和四子王旗的SPI和SPEI均為負(fù)值，即上述地區(qū)干旱發(fā)生偏重，察右前旗和滿都拉SPI值為負(fù)，化德SPEI值為負(fù)。

圖5 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)SPI和SPEI空間分布Fig.5 Spatial distribution of SPI and SPEI in growing season of the main potato production area in central Inner Mongolia

2.4 干旱指數(shù)突變分析

對(duì)PCD、PCP、SPI和SPEI四種干旱指數(shù)進(jìn)行突變分析(圖6)，PCD的M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)UF和UB相交于置信區(qū)間內(nèi)(1998年處)，兩者統(tǒng)計(jì)量均低于0，且通過(guò)T檢驗(yàn)對(duì)突變時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證，說(shuō)明PCD呈下降趨勢(shì)且可能在1998年發(fā)生突變。從PCP的M-K檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在2010—2015年之間存在突變點(diǎn)，但結(jié)合T檢驗(yàn)驗(yàn)證PCP在1961年—2017年間沒(méi)有明顯的突變點(diǎn)。結(jié)合SPI和SPEI干旱指數(shù)的M-K檢驗(yàn)和T檢驗(yàn)結(jié)果，區(qū)域平均的SPI和SPEI沒(méi)有明顯的趨勢(shì)變化，也無(wú)明顯的突變點(diǎn)。

圖6 1961—2017年內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)干旱指數(shù)M-K檢驗(yàn)和滑動(dòng)T檢驗(yàn)Fig.6 Mann-Kendall test and moving t-test of drought index in growing season of the main potato production area in central Inner Mongolia from 1961 to 2017

2.5 干旱指數(shù)與馬鈴薯產(chǎn)量變化的關(guān)系

y為馬鈴薯減產(chǎn)百分率，x為干旱指數(shù)，用1994—2015年干旱指數(shù)與馬鈴薯減產(chǎn)百分率進(jìn)行線性擬合得到擬合方程(表3)，擬合關(guān)系均通過(guò)顯著檢驗(yàn)。經(jīng)回代檢驗(yàn)，減產(chǎn)百分率為5%～20%時(shí)PCD、PCP、SPI、SPEI的平均檢驗(yàn)準(zhǔn)確率分別為71%、72%、65%和72%。

表3 干旱指數(shù)與減產(chǎn)百分率的擬合方程Table 3 Fitting equation of drought index and yield reduction

通過(guò)擬合得到減產(chǎn)百分率分別為0%、5%、10%和20%時(shí)所對(duì)應(yīng)的干旱指數(shù)值臨界值(表4)，結(jié)果表明，當(dāng)PCD >0.37、PCP>39 候、SPI <0.13或SPEI <0.34的年景可能出現(xiàn)減產(chǎn)；當(dāng)PCD>0.48、PCP>41 候、SPI <-0.54或SPEI<-0.29時(shí)，可能為成災(zāi)年份。因此，根據(jù)本研究減產(chǎn)率對(duì)應(yīng)干旱指數(shù)的臨界值，可用來(lái)估算干旱的發(fā)生程度及預(yù)估馬鈴薯產(chǎn)量的變化情況，為內(nèi)蒙古馬鈴薯干旱災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)提供更科學(xué)的依據(jù)。

表4 減產(chǎn)率對(duì)應(yīng)的干旱指數(shù)臨界值Table 4 Index of drought index corresponding to reduced yield

3 討論

本研究通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)干旱指數(shù)的特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的PCD由西北向東南遞減，PCD與馬鈴薯生長(zhǎng)季的降水量大體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即降水越少的地區(qū)降水越集中，該結(jié)論與胡麗莉等[18]對(duì)河西走廊東部的分析結(jié)果基本一致。從年際變化來(lái)看，PCD近50年有較明顯的下降趨勢(shì)，突變點(diǎn)在1998年附近，表明內(nèi)蒙古中部馬鈴薯主要種植區(qū)的降水量在年度內(nèi)的分配更趨近于均勻。研究區(qū)內(nèi)PCP多在6月20至7月4日之間，分布趨勢(shì)呈現(xiàn)東部降水早西部降水晚。PCP最早不超過(guò)5月20日，最晚不晚于8月15日，平均值出現(xiàn)在6月25日至30日之間，年際間沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，也無(wú)明顯突變。

SPI和SPEI在華南、東北和華北地區(qū)有較多的研究，但針對(duì)內(nèi)蒙古中部地區(qū)關(guān)注的較少，本研究發(fā)現(xiàn)在內(nèi)蒙古中部地區(qū)SPI和SPEI在時(shí)間上沒(méi)有明顯的趨勢(shì)變化，在空間分布上低值區(qū)主要位于中部，其中，察右中旗、達(dá)茂旗、豐鎮(zhèn)和四子王旗干旱偏重。兩個(gè)干旱指數(shù)氣候傾向率的空間分布均呈現(xiàn)西北部增加、東南部減小的趨勢(shì)，即西北部地區(qū)的干旱程度有所緩解，東南部地區(qū)的干旱程度有所增強(qiáng)。

PCD、PCP、SPI、SPEI與馬鈴薯減產(chǎn)百分率的擬合關(guān)系均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，且根據(jù)擬合關(guān)系確定了減產(chǎn)百分率為0%、5%、10%、20%時(shí)的相應(yīng)指數(shù)臨界值，經(jīng)檢驗(yàn)準(zhǔn)確率均達(dá)到70%以上，表明上述干旱指數(shù)與馬鈴薯產(chǎn)量變化的響應(yīng)關(guān)系較為密切。通過(guò)確定的干旱指數(shù)臨界值可以有效地對(duì)研究區(qū)內(nèi)干旱導(dǎo)致的馬鈴薯產(chǎn)量損失進(jìn)行預(yù)判，有助于提前進(jìn)行馬鈴薯產(chǎn)量預(yù)估。在有灌溉條件的地區(qū)，可加強(qiáng)干旱的滾動(dòng)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行田間水分條件的精準(zhǔn)管理，為馬鈴薯干旱監(jiān)測(cè)和抗旱減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。