基于標準化土壤濕度指數的貴州省農業(yè)干旱評價

劉振男，焦衛(wèi)國，王笑宇，徐桂弘，吳安杰

（1.貴州理工學院土木工程學院，貴州貴陽 550001；2.安徽農業(yè)大學工學院，安徽合肥 230036）

0 引言

干旱一直是抑制我國社會經濟健康發(fā)展的不利因素，破壞力大、持續(xù)期久、隱蔽性強是干旱的典型特征［1，2］。近半個世紀以來，我國有21 年發(fā)生過特大干旱事件，因其造成經濟損失約為當年GDP 的3%［3］。受氣候變化與人類活動的雙重影響，我國干旱時空演變規(guī)律出現顯著變化，即干旱不再是干旱、半干旱地區(qū)的專屬產物，諸如貴州等濕潤、半濕潤地區(qū)也接連出現干旱問題。如2005 年、2006 年、2009 年及2010 年，貴州省連續(xù)發(fā)生嚴重旱情，造成了巨大的經濟損失，嚴重威脅了該地區(qū)的糧食安全與用水安全，成為了當地亟待解決的現實難題。為此，準確識別、模擬貴州省農業(yè)干旱過程對其防旱減災工作具有重要的指導意義。

農業(yè)干旱監(jiān)測通常是依據判定土壤含水量匱乏對農作物生長不利影響所實現的［4，5］。因此，學者們圍繞土壤含水量研制了諸如土壤濕度距平指數、土壤濕度百分位數指數、標準化土壤濕度指數等大量指標，完成了農業(yè)干旱的識別與評價工作。郭燾等［6］基于MODIS 數據反演計算了地表含水量指數對內蒙古錫林郭勒的干旱情況進行了有效分析；吳志勇等［7］運用土壤含水量距平指數對長江流域上游近60 年的歷史干旱事件進行了深度研究；周洪奎等［8］應用標準化土壤濕度指數對黃淮海平原的農業(yè)干旱進行了監(jiān)測與評價；楊文靜等［9］同樣采用標準化土壤濕度指數對灤河流域的農業(yè)干旱進行了監(jiān)測與分析。上述研究成果均表明利用土壤含水量構造相應的干旱指標是準確評價農業(yè)干旱的有效手段。截止目前，基于土壤含水量研制的干旱指標在貴州省農業(yè)干旱識別與評價中的應用鮮有發(fā)現，且標準化土壤濕度指數在眾多該類型指數中優(yōu)勢明顯。因此，本文基于中國陸面數據同化系統(tǒng)土壤水分產品計算得到了標準化土壤濕度指數，分析、評價了貴州省農業(yè)干旱情勢。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省地處我國西南，東徑103°36′～109°31′，北緯24°37′～29°13′之間，有面積在1 000 hm2以上的農業(yè)壩子300余個，是典型的多雨、濕潤地區(qū)，但近年來干旱事件頻發(fā)，由此引起了學者的廣泛關注［10-12］。貴州省地勢特征明顯，由西至東順勢走低，平均海拔約1 100 m，山地與丘陵面積占總面積的9成以上，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年內氣溫變幅不大，多雨但年內分布不均，降水多出現于夏、秋兩季，年均降水量約為1 160.6 mm。境內各地陰天日數一般超過150 d，常年相對濕度在70%以上。氣候不穩(wěn)定，災害性天氣種類較多，干旱、秋風、凌凍、冰雹等頻度大，對農業(yè)生產危害嚴重。

1.2 數據來源

中國氣象局全球大氣∕陸面再分析產品（CMA-RA）是由國家氣象信息中心牽頭研制的，更適用于我國實際情況的基礎數據產品。其中，全球陸面再分析產品（CMA-RA∕Land）是基于離線的陸面模式研發(fā)，并參考國際其他數據產品的標準研發(fā)制備的，該產品包括34 km×34 km、0.5°×0.5°、1.0°×1.0°三種空間分辨率，3 h、1 d、1個月3種時間分辨率，數據產品為netCDF 格式，可登錄中國氣象數據服務網（http：∕∕data.cma.cn∕）進行檢索下載。已有研究證實，0～10 cm 土層的含水量能夠有效表征農業(yè)干旱的實際情況［13，14］。因此，本文采用0.5°×0.5°空間分辨率、1 個月時間分辨率的同化產品“CRA40LAND”中的土壤含水量數據（0～10 cm）進行研究，時間跨度為2009年01月至2020年12月。

1.3 標準化土壤濕度指數

標準化土壤濕度指數（Standardized Soil moisture Index，SSI）是評價農業(yè)干旱最有效的指標之一［15］，其具體計算原理與標準化降水指數（Standardized Precipitation Index，SPI）等干旱指標相近，即基于已有的概率密度函數對土壤含水量數據序列進行擬合試算，采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗進行評價，進而優(yōu)選出最適合構建干旱指標的概率分布函數，通常采用的概率密度函數包括正態(tài)分布、伽馬分布、皮爾遜III 型分布、廣義極值分布等。若優(yōu)選得到的概率分布不是正態(tài)分布，則需要對土壤含水量數據序列的累積分布函數進行標準化處理。由于研究區(qū)的土壤含水量數據序列經K-S檢驗（顯著性為0.826）符合正態(tài)分布，因此，月尺度SSI的值可由下式計算：

式中：SM代表月尺度土壤含水量的數值；μ代表月尺度土壤含水量的平均值；σ代表月尺度土壤含水量數值的標準差。

若SSI的值大于0，則表示濕潤；反之，則表示干旱。依據世界氣象組織（WMO）建議的干旱等級劃分標準［16］，即干旱等級應包括輕旱、中旱、重旱以及特旱。若基礎數據符合正態(tài)分布且對應的干旱指數進行了標準化操作，則干旱等級可按1σ、1.5σ與2σ作為分隔點進行劃分，故表1 給出了SSI的干旱劃分等級標準。

表1 標準化土壤濕度指數（SSI）干旱等級劃分表Tab.1 drought classification table of SSI

1.4 趨勢分析方法

圖1 研究區(qū)地理位置圖（摘自貴州省自然資源廳）Fig.1 Location of Guizhou Province

Mann-Kendall（M-K）檢驗方法作為一種非參數檢驗方法，其優(yōu)點在于不要求假設目標數據符合任何分布，即可對目標數據序列進行長期變化趨勢分析，且計算過程簡便易行，具體原理可參見文獻［17］。本文采用該方法對貴州省農業(yè)干旱進行長期趨勢變化分析，關鍵在于計算評價M-K 的統(tǒng)計量Z值。當Z>0 時，代表趨勢上行；反之，代表趨勢下行。若∣Z∣>1.64，說明結果通過了置信水平為10%的顯著性檢驗；若∣Z∣>2.32，說明結果通過了置信水平為5%的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 標準化土壤濕度指數的適用性分析

貴州省實際干旱情況收集自由中國水利部每年定時發(fā)布的《中國水旱災害公報》，網址為http：∕∕www.mwr.gov.cn∕sj∕tjgb∕zgshzhgb∕，自2019 年起，更名為《中國水旱災害防御公報》。據統(tǒng)計，在2009 年至2020 年的12 年間，貴州省共有5 年出現了干旱情況，分別發(fā)生于2009 年、2010 年、2011 年、2012 年及2014年。為了提高標準化土壤濕度指數在干旱識別中的靈敏度，以SSI≤-0.5 作為干旱發(fā)生的判別條件，以其持續(xù)的時間作為干旱歷時，以其最小值作為干旱強度的判別條件。

貴州省實際的干旱情況與標準化土壤濕度指數間的對比情況如表2 與圖2 所示。由表2 與圖2 可知，采用SSI對貴州省旱情進行識別的結果與實際情況大體相同，不僅干旱歷時評價客觀，且干旱強度也較為準確。相較之下，SSI對2009年至2010年的秋冬春三季連旱與2011 年至2012 年的連旱評價更為精準，尤其是在干旱強度評價方面優(yōu)勢明顯，如《中國水旱災害公報》里有3 次明確指出最嚴重旱情出現的時間分別為2010 年3月與4 月、2011 年9 月及2012 年3 月，而SSI的最小值對應的時間亦為2010 年3 月、2011 年9 月及2012 年3 月。上述結果表明，月尺度標準化土壤濕度指數對研究區(qū)的干旱評價具有較好的適用性與可信度。

圖2 貴州省標準化土壤濕度指數月均值時間序列Fig.2 Time series of monthly SSI in Guizhou Province

表2 標準化土壤濕度指數（SSI）與實際旱情對比統(tǒng)計表Tab.2 Comparative statistics between SSI and actual drought

2.2 標準化土壤濕度指數監(jiān)測干旱過程的能力分析

以2009 年9 月至2010 年4 月發(fā)生的秋冬春三季連旱為例，分析月尺度SSI對干旱全過程的監(jiān)測能力。《中國水旱災害公報》顯示：貴州省于2009 年9 月中旬開始出現旱情，旱情先發(fā)于貴州省銅仁、遵義、畢節(jié)、黔東南、黔南等地，即貴州省東北部、北部、西北部及東南部，直至2009 年12 月旱情開始蔓延至全省，2010年3月與4月，貴州省西部及南部旱情等級達到特旱。

圖3給出了貴州省2009年9月至2010年4月干旱事件演變過程情況。從時間角度分析，本次旱情從2009 年9 月開始發(fā)生［圖3（a）］，并逐漸加重，直至2010 年3 月達到峰值［圖3（g），-3.018 5，特旱］，而后旱情有所緩解；從空間角度分析，本輪旱情發(fā)源于貴州省東北部，旱情等級為重旱，同時東南部也出現了中旱［圖3（a）］，2009 年11 月旱情蔓延至全省，大部分地區(qū)的旱情等級為中旱［圖3（c）］，2010 年3 月旱情逐漸加重，西部與南部地區(qū)的旱情等級普遍達到特旱，東部地區(qū)的旱情已開始有所減弱。綜上可知，月尺度SSI的時空演變特征與實際情況高度一致，唯有旱情蔓延至全省的時間較實際情況提前了1個月，表明標準化土壤濕度指數能夠有效反映實際的干旱情況，時間響應及時、空間表征客觀，是捕捉貴州省旱情時空發(fā)展規(guī)律的有效指標。

圖3 2009-2010年貴州省旱情時空演變過程Fig.3 Temporal and spatial evolution of drought in Guizhou Province from 2009 to 2010

2.3 貴州省干濕演變趨勢分析

由于M-K 檢驗的統(tǒng)計值Z能夠反映干濕變化趨勢，Z值為正表示濕潤，反之為干旱。為此，圖4 給出了2009 年01 月至2020 年12 月間貴州省SSI的Z值空間分布情況。由圖4 可知，貴州省總體上呈現出了自西向東逐漸由濕變干的總趨勢。具體表現為：貴州省變濕的地區(qū)主要集中在西北部、西南部等地，且大部分地區(qū)通過了置信水平為10%的顯著性檢驗，特別是畢節(jié)地區(qū)通過了置信水平為5%的顯著性檢驗；與此同時，貴州省東南部地區(qū)表現出了變干趨勢，且部分區(qū)域通過了置信水平為10%的顯著性檢驗。可見，未來貴州省應加強東南部地區(qū)的防旱減災工作力度。

圖4 貴州省標準化土壤濕度指數序列統(tǒng)計值Z空間分布Fig.4 Spatial distribution of SSI series of Z in Guizhou Province

為了進一步為當地干旱預警防治工作提供有效信息，以每年首次出現SSI≤-0.5 的時間作為干旱發(fā)生月份，統(tǒng)計了干旱發(fā)生月份與其對應的頻率值，以最大頻率為標準，遴選出各格點干旱最可能開始發(fā)生月份，據此繪制了貴州省干旱最可能開始發(fā)生月份的空間分布。由圖5 可知，貴州省西北地區(qū)干旱起始時間主要集中在1 月份，東部及東南地區(qū)干旱起始時間主要發(fā)生在2 月份，中部地區(qū)干旱起始時間通常出現在3 月份與4 月份，西南地區(qū)干旱起始時間大多集中在4月份。

圖5 貴州省干旱最可能開始發(fā)生月份空間分布Fig.5 Spatial distribution of the most likely onset of drought in Guizhou Province

3 討論

由于貴州省是典型喀斯特地貌，導致其土壤水分情況較其他地區(qū)更難探明，進而使農業(yè)干旱研究進程相對遲緩。為此，本文基于中國陸面數據同化系統(tǒng)土壤水分產品，計算了月尺度SSI，從SSI與實際災害記錄對比、SSI監(jiān)測干旱過程能力以及SSI表征干濕趨勢變化角度，綜合評價了SSI監(jiān)測貴州省農業(yè)干旱的適用性與可靠性，研究成果可為貴州省農業(yè)干旱監(jiān)測以及抗旱減災工作提供理論依據和技術參考。

雖然研究取得了一些成果，但尚有不足。土壤含水量數據是基于同化模型模擬所得，空間分辨率僅為0.5°，無法全面刻畫研究區(qū)土壤水分空間分布細節(jié)信息，今后可采用降尺度等方法提高數據精度，以便更準確、客觀地監(jiān)測研究區(qū)干旱空間分布情況。另外，基于土壤含水量構建的農業(yè)干旱指數種類繁多，本文僅圍繞SSI展開了相關研究，未對SSI與其他同類型干旱指數間的差異性進行對比分析，后續(xù)可就此開展專題討論。

4 結論

基于中國氣象局全球陸面再分析產品（CMA-RA∕Land）對貴州省的土壤含水量進行了提取處理，并據此計算了標準化土壤濕度指數對該地區(qū)的農業(yè)干旱進行了評價分析。結果表明：

（1）標準化土壤濕度指數能夠準確評價貴州省近10年的農業(yè)干旱情況，可作為研究區(qū)監(jiān)測農業(yè)干旱的有效指標；

（2）標準化土壤濕度指數在監(jiān)測重旱以上旱情過程方面能力突出，通過與2009-2010 年秋冬春三季連旱實測災害記錄對比發(fā)現，該指數在描述農業(yè)干旱時空演變規(guī)律中，時間響應及時、空間表征客觀；

（3）貴州省干濕演變趨勢特征明顯，總體上呈現出了自西向東逐漸由濕變干的總趨勢，尤其是研究區(qū)東南部等地未來發(fā)生干旱的可能性較大，當地應進一步加強防旱減災工作力度。