1961—2020年廣西甘蔗干旱的時空變化特征分析

黃 維，姚裕群，段居琦，劉永裕，吳炫柯，韋劍鋒

(1.柳州市農業氣象試驗站，廣西 柳州 545003；2.柳州市氣象局，廣西 柳州 545001；3.廣西科技大學，廣西 柳州 545005；4.國家氣候中心中國氣象局氣候研究開放實驗室，北京 100081)

【研究意義】甘蔗是制糖業的主要原料，同時還是纖維、糖業化工、能源方面的重要原材料[1]。甘蔗喜溫、喜光，廣泛種植于我國臺灣、福建、廣東、海南、廣西、四川和云南等南方熱帶亞熱帶地區，其中，廣西甘蔗種植面積約占全國甘蔗總種植面積的60%，是我國最大的甘蔗種植省份[2-3]。廣西甘蔗一般在3月上旬開始出苗，最晚到11月下旬工藝成熟，期間較易遭受低溫冷害、霜凍和干旱等農業氣象災害影響，尤其是有80%以上甘蔗種植于無灌溉條件的旱地或坡地，受干旱災害影響最明顯[4-5]。大量研究結果表明，干旱脅迫下甘蔗表現株高較矮、蔗莖生長速度減慢、莖徑變小、成熟推遲、蔗糖分降低及還原糖分增加，最終造成甘蔗工藝品質變劣和產量下降[6-8]。在全球氣溫日趨升高和降水時空分布不均勻的氣候背景下，近年來我國的干旱變化特征異常突出，干旱在北方已成為常態，在南方濕潤和半濕潤區域日趨加重[9-13]，季節性干旱時有發生，對我國南方地區的農業生產造成巨大影響[14]，干旱已成為制約廣西甘蔗產量和品質提高的重要因素。因此，充分認識和掌握甘蔗發育期內干旱的時空變化規律，對廣西地區及其他蔗區甘蔗的科學防旱避災生產具有重要意義。【前人研究進展】干旱除造成糧食作物減產外[13-14]，對廣西甘蔗[6-8]、果樹[15]、蔬菜[16]等經濟作物的產量和品質也有負面影響。從氣象學角度對作物干旱進行監測評估的指標較多，常用指標有降水距平百分率、BMDI干旱指數、Decile和標準化降水指數(SPEI)等。莫建飛等[17]、盧小鳳等[18]利用降水距平百分率分析廣西甘蔗萌芽分蘗期干旱和秋旱的時空變化規律，指出在萌芽分蘗期干旱桂南多于桂北、桂西多于桂東、高海拔多于低海拔，而秋旱中的中度和重度干旱高發區主要位于桂中和桂東北蔗區。陳燕麗等[19]基于SPEI分析廣西甘蔗生育期干旱的演變特征，指出桂北地區甘蔗苗期和莖伸長期干旱發生頻率較高，桂中地區甘蔗在分蘗期和工藝成熟期干旱發生頻率較高。以上這些評估指標均以降水量為主要考慮因素，能直觀反映降水異常引起的干旱，但存在缺乏對蒸發和下墊面因素的考慮及需較長時序資料和降水量正態化要求等缺點。綜合考慮降水量與平均氣溫的指標Palmer干旱程度指數(PDSI)、干濕指數、綜合干旱指數(CI)、Z指數、氣象干旱指數(DI)和作物不同階段水分盈缺狀況的作物水分虧缺指數(CWDI)在農業氣象領域中應用更廣泛。黃晚華等[20]、董秋婷等[21]、隋月等[22]基于作物水分虧缺指數對春玉米和夏玉米干旱的時空特征進行分析，得出春玉米在7葉至拔節階段的干旱強度明顯增加，干旱頻率較高的時段主要在玉米抽雄至吐絲階段及其后的生育階段，夏玉米在拔節后期至抽雄階段及吐絲后至乳熟階段的干旱均呈減輕趨勢。李闖等[23]基于作物水分虧缺指數對昆明水稻生長季干旱特征及成因分析，得出隨著生長季的推進，水稻干旱級別從輕旱到重旱及干旱發生最嚴重時期是黃熟生育階段的結論。陸耀凡等[24]、李家文等[25]基于作物水分虧缺指數分析廣西右江河谷和桂中地區甘蔗生長季內的干旱變化情況，指出伸長期和成熟期干旱最嚴重，且主要分布在右江區、田陽縣和柳州南部。以上研究結果均為當地開展農作物防旱避災工作提供了科學依據。【本研究切入點】目前，關于廣西甘蔗干旱的時空分析已有報道，但干旱分析過程中蒸散量的計算主要基于Penman-Monteith公式進行，計算過程參照高度為0.12 m和反射率為0.23草地的蒸騰蒸發速率[26]，參考作物的高度與甘蔗冠層結構存在較大差異，且多數對甘蔗干旱的研究在計算作物需水量時將某一生育階段的作物系數設定為固定值，忽略作物系數隨著生育階段和當地氣象條件變化而變化的特征，統計降水量時也未考慮在不同土壤質地下的有效降水，以及前期水分狀況和持續時間對干旱的影響問題，研究結果與甘蔗實際生產情況存在一定差異。【擬解決的關鍵問題】基于廣西甘蔗發育期、土壤資料和1961—2020年氣象數據，以作物水分虧缺指數為氣象干旱指標，在充分考慮甘蔗作物系數的動態變化特征、不同土壤質地下有效降水量和干旱累積效應的基礎上，計算廣西甘蔗在4個生育期內的作物水分虧缺指數，結合國家標準GB/T 34809—2017《甘蔗干旱災害等級》，對廣西甘蔗不同生育期內不同等級干旱的變化規律進行詳細分析，旨在為氣候變化背景下廣西甘蔗的科學防旱避災及提高甘蔗生產應對氣候變化能力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 地理及氣象數據 從國家基礎地理信息中心獲取廣西地區1∶25萬基礎地理數據，包括省界和地市級行政矢量邊界。從廣西氣象局獲取1961—2020年廣西88個國家氣象觀測站逐日氣象資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均10 min風速、相對濕度、降水量和日照時數。88個氣象站的空間分布如圖1-A所示。

1.1.2 土壤質地數據 從國際糧農組織(FAO)官網(http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey)下載1.0 km空間分辨率世界土壤數據，裁剪出廣西土壤質地柵格數據。廣西土壤質地類型分布如圖1-B所示，將廣西土壤質地歸為粘土(粉質粘土和輕粘土)、壤土(粉質粘壤土、粉壤土、壤土、砂質粘壤土和砂壤土)和砂土(壤砂土和砂土)三大類，在Arcgis中提取各氣象站對應的土壤質地類型。

1.1.3 廣西蔗區劃分及發育期劃分 參考陳燕麗等[19]的方法劃分廣西甘蔗種植地理分布和發育期，將廣西蔗區分為桂北、桂中和桂南3個種植區，各區地理分布如圖1-C所示。將甘蔗發育期分為苗期(初期，P1)、分蘗期(發展期，P2)、莖伸長期(中期，P3)和工藝成熟期(末期，P4)4個階段，各蔗區甘蔗發育期的時間見表1。

表1 廣西各蔗區甘蔗生育期概況

圖1 廣西氣象觀測站分布、土壤質地類型分布和蔗區劃分概況[審圖號：GS(2019)3333號，下同]

1.2 試驗方法

1.2.1 作物水分虧缺指數計算 參考黃晚華等[20]、張艷紅等[27]、李雅善等[28]的方法計算水分虧缺指數。由于作物干旱具有前期累積效應，某旬的水分虧缺指數由當旬及前4旬的作物虧缺指數計算而得，具體計算公式如下：

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

式中，CWDI為甘蔗生育期內旬累積水分虧缺指數，CWDIi、CWDI(i-1)、CWDI(i-2)、CWDI(i-3)和CWDI(i-4)分別為當旬和前4旬水分虧缺指數；a、b、c、d和e分別為各旬的權重系數，參考黃晚華等[18]的研究成果，a取值0.30，b取值0.25，c取值0.20，d取值0.15，e取值0.10。

以CWDIi為例，其計算公式為：

式中，ETc(i)為第i旬作物需水量(mm)，P(i)為第i旬有效降水量(mm)，當ETc(i)小于P(i)時，CWDIi等于0，則第i旬不存在水分虧缺現象。

ETc(i)和P(i)的計算公式如下：

式中，kc(i，j)為第i旬中第j天的甘蔗作物系數，ETo(i，j)為第i旬中第j天的參考作物蒸散，P(i，j)為第i旬中第j天的總降水量，α為一次降水量利用系數，與各土壤質地類型和一次降水量大小有關，取值參考DB 45/T1197—2015《糖料蔗灌溉定額及灌溉技術規程》，ETo(i，j)由FAO提供的Penman-Monteith公式進行計算，詳細計算過程及參數換算參考QX/T81—2007《小麥干旱災害等級》和Allen[26]的研究成果。此外，kc(i，j)可作為作物發育階段的分段函數，發育階段初期的作物系數較小，中期最大，末期次之。FAO給出了糖料蔗發育初期(P1)、中期(P3)和末期(P4)的基礎作物系數KciniFAO、KcmidFAO和KcendFAO分別為0.15、1.20和0.70，發展期(P2)和末期(P4)作物系數是發育時間的線性函數，但FAO推薦的值是一般意義上的普遍值，需根據各地實際情況進行修正。通常初期基礎作物系數無需修正，即Kcini=KciniFAO，而Kcmid和Kcend需根據當地的實際氣象數據進行修正，具體計算過程參考Allen[26]的研究成果。

根據GB/T 34809—2017《甘蔗干旱災害等級》將作物水分虧缺指數劃分為輕旱、中旱、重旱和特旱4個等級。

1.2.2 年際干旱發生率和某地干旱發生頻率 分別計算廣西甘蔗不同發育階段內不同等級干旱在1961—2020年的干旱發生率和研究區各地的干旱發生頻率。某年年際干旱發生率(I)以某年發生干旱的氣象站數(n0)占總氣象站數(n1)的比表示，即I(%)=n0/n1×100；某地干旱發生頻率(F)為某地干旱發生年數(y0)與總資料年數(y1)之比，即F(%)=y0/y1×100[25-26]。

1.2.3 時間變化規律分析和空間分析 采用直線回歸法分析廣西甘蔗生育期內年際干旱發生率的線性變化趨勢，并對趨勢系數進行差異顯著性檢驗。選擇Morlet復數小波分析甘蔗年際干旱發生率的周期變化特征[29-30]。采用空間站點技術對各地干旱發生頻率進行分析。

1.3 統計分析

在Matlab 2017中完成編程并進行試驗數據統計和Morlet復數小波分析，以SPSS 22.0進行線性變化趨勢的顯著性檢驗，空間制圖均在Arcgis 10.3完成，坐標采用WGS84地理坐標系統。

2 結果與分析

2.1 1961—2020年廣西甘蔗年際干旱發生率(I)的時間變化特征

2.1.1 年際變化特征 其中，從發育階段看，甘蔗苗期和分蘗期的年際干旱發生率較低，1961—2020年的平均值分別為12.0%(圖2-A)和9.1%(圖2-B)，莖伸長期次之，平均值為59.1%(圖2-C)，工藝成熟期最高，平均值為90.2%(圖2-D)；從不同等級干旱發生率看，苗期、分蘗期和莖伸長期干旱等級越高則年際干旱發生率越低，而工藝成熟期干旱等級越高年際干旱發生率越高；從年際變化看，不同等級干旱發生率隨著年份變化呈波動式變化，但隨年份無明顯線性變化規律，經Pearson相關系數顯著性檢驗，各發育階段不同等級的年際干旱發生率間均無顯著差異(P>0.05)。

圖2 廣西甘蔗不同生育期不同等級年際干旱發生率的變化情況

2.1.2 周期變化特征 由表2可知，在研究時段內甘蔗苗期的年際干旱發生率周期變化尺度為2～5年，輕旱和特旱發生年份以20世紀70年代為主，中旱和重旱發生年份以20世紀80年代和90年代為主；分蘗期僅中旱表現出明顯的4年周期變化特征，發生年份主要在1978—1982年和1987—1995年；莖伸長期除重旱外，其他等級的干旱周期尺度多為2～3年，從1970—2000年均有發生；工藝成熟期的干旱周期尺度在3～6年，輕旱、中旱和特旱發生年份多在20世紀70年代和80年代，重旱發生年份除20世紀70年代和80年代外，在21世紀00年代也有發生。

表2 不同等級干旱發生率的周期變化情況

2.2 甘蔗干旱發生頻率(F)的空間分布情況

2.2.1 苗期干旱發生頻率的空間分布 從圖3可看出，1961—2020年廣西甘蔗苗期輕旱至特旱的發生頻率逐漸降低，范圍逐漸縮小。其中，輕旱主要分布在除桂東北外的大部分地區，發生頻率在40%以下，以桂西和桂南發生頻率較高，在10%～40%(圖3-A)；中旱主要分布在桂南和桂西，發生頻率均在30%以下，以百色中部發生頻率相對較高，在21%～30%，其他地區的中旱發生頻率大部分在10%以下(圖3-B)；重旱發生頻率較低，僅在百色有零星分布，且發生頻率均在10%以下(圖3-C)；苗期無特旱發生(圖3-D)。

圖3 廣西甘蔗苗期不同等級干旱發生頻率的空間分布情況

2.2.2 分蘗期干旱發生頻率的空間分布 從圖4可看出，廣西甘蔗分蘗期輕旱至特旱的發生頻率逐漸降低，范圍逐漸縮小。其中，輕旱在全區各地均有發生，但空間差異較明顯，主要呈桂西南發生頻率高而其他地區發生頻率低的空間分布格局，其中，桂西南輕旱發生頻率普遍在21%～40%，其他地區輕旱發生頻率在10%以下(圖4-A)；中旱主要集中在桂西和桂南，發生頻率普遍在10%以下(圖4-B)；發生重旱的地區較少，主要分布在百色、崇左、防城港和南寧等的少部分地區，頻率均在10%以下(圖4-C)；分蘗期無特旱發生(圖4-D)。

圖4 廣西甘蔗分蘗期不同等級干旱發生頻率的空間分布情況

2.2.3 莖伸長期干旱發生頻率的空間分布 從圖5可看出，廣西甘蔗莖伸長期的干旱以輕旱和中旱為主，重旱次之。其中，輕旱在全區均有分布，發生頻率在11%～70%，以桂中和桂東的發生頻率相對較高(圖5-A)；中旱在全區均有分布，發生頻率從桂西南向桂東北遞增，其中，桂西南的發生頻率普遍在20%以下，桂東北大部分地區的發生頻率在21%～60%，為中旱的高發區(圖5-B)；重旱主要分布在桂東北，發生頻率均在20%以下，其他地區基本無重旱發生(圖5-C)；莖伸長期無特旱發生(圖5-D)。

圖5 廣西甘蔗莖伸長期不同等級干旱發生頻率的空間分布情況

2.2.4 工藝成熟期干旱發生頻率的空間分布 從圖6可看出，甘蔗工藝成熟期輕旱、中旱、重旱和特旱在全區均有分布。其中，輕旱發生頻率在30%以下，在空間分布上全區無明顯差異(圖6-A)；中旱發生頻率普遍在11%～40%，桂北和桂西的中旱發生頻率相對較高(圖6-B)；重旱發生頻率普遍在11%～40%，在空間分布上全區無明顯差異(圖6-C)；特旱發生頻率在11%～50%，發生頻率較高的區域主要分布在桂中、桂南和桂東，這些區域發生頻率在31%～50%(圖6-D)。

圖6 廣西甘蔗工藝成熟期不同等級干旱發生頻率的空間分布情況

3 討 論

干旱是威脅農業生產的主要農業氣象災害之一，降水量偏少和氣溫上升是造成干旱的主要原因。在全球氣候變暖背景下，我國南方地區水稻、玉米、豆類和薯類等干旱的發生頻率和強度明顯增加，大旱范圍明顯擴大[13-14]。本研究結果表明，廣西甘蔗生育期內的年際干旱發生率雖隨著時間變化而波動變化，但變化規律不明顯，究其原因，一方面是近60年來廣西部分區域年平均氣溫顯著上升，但這些區域主要分布在高海拔高緯度的桂北，其他區域的氣溫變幅仍較小[31-32]，另一方面是廣西區域的降水雖有明顯變化特征，但以空間分布不均勻和非均勻性多尺度周期變化特征為主[33]，因此，在廣西氣溫上升的局地性和降水的周期變化特征背景下，甘蔗年際干旱發生率的年際變化特征仍具不確定性，但有2～5年尺度的周期變化特征，與陸耀凡等[24]、李家文等[25]、黃維等[34]的研究結果基本一致。就甘蔗不同發育階段年際干旱發生率來看，本研究得出甘蔗在工藝成熟期年際干旱發生率最高，莖伸長期次之，苗期和分蘗期年際干旱發生率較低的結果，這種干旱的階段性變化與降水的季節性變化密切相關。由于廣西處于亞熱帶季風氣候區和熱帶季風氣候區，降水主要集中于春、夏兩季，而秋冬季雨水偏少，對正處于莖伸長期或工藝成熟期的甘蔗生產影響較大，因此，甘蔗莖伸長期和工藝成熟期的年際干旱發生率較苗期和分蘗期高[14]。

在空間分布上，廣西位于云貴高原往兩廣丘陵的過渡地帶，地形西北高、東南低，降水量空間分布不均勻，氣溫空間差異大，全區干旱具有明顯的空間分布特征[35]。本研究中，甘蔗干旱發生頻率也存在較大的空間差異性。其中，在甘蔗苗期和分蘗期輕旱分布較廣，主要分布在桂西和桂南；在莖伸長期輕旱和中旱分布較廣，輕旱全區均有分布，中旱主要分布在桂東北；在工藝成熟期輕旱、中旱、重旱和特旱在全區各地市均有分布，主要分布在桂中、桂南和桂東；甘蔗干旱發生頻率的空間分布總體上與陳燕麗等[19]、李淏源[36]的研究結果相同，但在局部區域及干旱等級劃分上存在一定差異，一方面與參考的干旱等級標準不同有關，另一方與干旱指標的選取不同有關。本研究以降水量和甘蔗需水量為研究基礎，基于水分虧缺指數分析甘蔗4個發育階段的干旱情況，其中不僅考慮甘蔗作物系數隨著生育階段和當地氣象條件變化而變化的動態特征，還考慮不同土壤質地下降水的有效性問題，得出部分地區干旱發生頻率偏高、發生范圍更廣的結論，更能真實反映甘蔗在不同生育時期的干旱情況。

本研究以空間站點技術從總體上描述甘蔗干旱發生頻率在廣西的空間分布情況，雖然在宏觀上能大致把握甘蔗干旱的空間分布特征，但在干旱精細化服務應用中仍有較大欠缺，因此，在今后的研究中還應充分考慮干旱與地形、地貌和海拔的關系，利用空間插值技術進行全區干旱頻率高分辨率空間分布分析，進一步為各蔗區干旱精細化服務提供科學依據。

4 結 論

廣西甘蔗發育過程中苗期、分蘗期和莖伸長期的干旱以輕旱和中旱為主，工藝成熟期以重旱和特旱為主，桂中、桂南和桂東等區域甘蔗工藝成熟期的重旱、特旱每2～3年一遇，是干旱防災避災的重點關注區域。