基于农业干旱参考指数的西南地区玉米干旱时空变化分析

　　摘要：西南地区是中国玉米主要产区之一，干旱是该地区最主要的农业气象灾害，研究干旱时空分布特征及规律对西南地区玉米种植布局和防旱减灾有重大意义。该文收集西南地区玉米种植区60个代表气象站50a（1960年－2010年）的气象资料和玉米作物资料，选用基于土壤-植被-大气系统并以天为时间尺度的农业干旱参考指数（ARID）作为干旱指标，研究西南地区玉米生育期内干旱频率空间分布特征，并分析近50a干旱发生的年代际变化，验证ARID在西南地区的适用性。结果表明：1）近50a来西南地区发生的干旱具有显著的区域特征，高发区位于云南中北和东北部以及四川南部；其次为川东北的广元地区、川西南山地以及滇西北、滇南部的元江地区；少发区位于重庆大部、贵州北部等地区。2）阶段性干旱明显，受旱频率最高的时段为出苗至拔节期，受旱频率最低在抽雄至灌浆期，且随着发育进程，干旱有向东部转移的趋势。3）西南地区各分区玉米生长季内ARID变化差异较大，总体上来看干旱程度大多处于轻旱，个别区域处于中旱，或者在轻旱与中旱之间波动。4）ARID的年际变化特征表明：20世纪80年代受干旱影响最低，21世纪初受干旱影响最严重。

　　关键词：干旱；监测;农业；农业干旱参考指数；西南地区；玉米

　　0、引言.

　　干旱对农业造成的损害广泛的出现在世界各国，并在所有自然灾害造成的损失金额中位居第一。中国作为一个农业大国，易受农业气象灾害，特别是干旱的影响。而西南地区作为中国重要的农业生产区自然也不例外。根据近几年发生的干旱灾害情况可以看出，极端干旱从中国北方地区开始向西南地区蔓延，干旱区域不断扩大，有从干旱区向湿润区发展的趋势。2003年西南部分地区发生严重伏秋连旱；2005年云南发生近50a来少见的严重春旱；2006年川渝地区出现百年难遇的伏旱；2009年秋至2010年春广西、云贵、贵州、四川和重庆等西南五省区遭遇特大干旱。这些都给当地造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。

　　玉米种植在西南地区有较悠久的历史，是当地重要的粮食和饲料作物。由于该地区地形复杂，气候多变，土壤贫瘠，经济不发达，虽然实行间套复种制，但投入较少，耕作粗放，限制了玉米生产水平的进一步提高。特殊的地理气候和人文生产条件决定了西南地区玉米种植多种多样，这又使得该地区成为中国玉米主要产区之一。由于水资源时空分布不均，农作物生长的季节性与降水供给不匹配，造成该区域农业极易发生季节性干旱。因此，探求玉米时空分布特征问题具有重要的现实意义。

　　有关西南地区玉米生长季内干旱时空变化特征的相关研究也曾有过报道。许玲燕等利用云南省29个典型气象站的气象资料，通过计算各气象站点的标准化降水蒸散指数（standardizedprecipitationevapotranspirationindex，SPEI），分析了云南省夏玉米生长季内的干旱时间变化和空间变化特征。张玉芳等将四川省分为六大玉米种植区域，以水分盈亏指数作为干旱指标，评估了四川省各个种植区域玉米生育期的干旱状况。王明田等基于相对湿润度指数，分析了西南地区近50年的干旱强度和106农业工程学报2014年

　　发生范围的年纪变化规律。徐新创等[9]以地级市为评估单元，并以评估单元内3类播种面积最大的农作物作为研究对象，设计了一套农作物干旱等级判定和干旱发生概率的研究方法，对西南地区进行农业干旱风险评估。上述用于衡量农业干旱指标的研究由于没有充分考虑土壤水分平衡，无法精确的监测作物实际的水分状况。标准化降水指数

　　（standardizedprecipitationindex,SPI）虽能反映不同时间尺度的降水异常，却忽略了土壤水分平衡和作物生理这两大农业干旱监测的重要因素。帕尔默干旱强度指数（Palmerdroughtseverityindex,PDSI）虽然引入了水分平衡概念，但是没有考虑到作物生理因素。水分亏缺指数需要特定的作物系数参数，而且这种参数难以获取，限制了该指数在业务中的应用。孰知，农业干旱是由于土壤供水量与作物需水量不平衡造成的作物体内水分亏缺，这主要取决土壤的供水能力和作物的生理特征。因此，为了量化作物水分亏缺，农业干旱指数应同时考虑土壤-植物-大气三个重要因素，并且应以天为时间尺度。鉴于此，本文综合考虑土壤-植被-大气三个影响农田水分的重要因素，基于Woli等在2010年提出了农业干旱参考指数（agriculturalreferenceindexfordrought，ARID），探讨西南地区玉米生育期内干旱的时空特征和规律，分析玉米生育阶段内干旱的演变过程，验证ARID用于西南地区玉米生育期干旱监测的可行性和有效性，为西南地区玉米生产合理布局和防旱减灾提供科学依据。

　　1、材料与方法

　　1.1研究区概况

　　本文研究的区域介于97.4°E-110.2°E和21.2°N-34.4°N之间，包括重庆市、四川省、贵州省和云南省。该区域水资源较为丰富，以亚热带季风气候为主，典型特征是冬干夏湿、干湿分明，年降雨量在900mm以上。区域内河流纵横，峡谷广布，地貌以高原和山地为主，还有广泛分布的喀斯特地貌。玉米的生产区域多分布在山区、半山区坡地，属雨养旱作农业。根据西南区域特点、农业气候特征以及农作物相似性，将研究区玉米细分为七个子区域（以县级为划分单元），玉米种植区分区及站点。Ⅰ区为重庆市中部、西部、东北部，以及四川省广安地区；Ⅱ区为四川盆地中部、东部、南部及贵州省中部、北部；Ⅲ区为四川盆地西部、贵州省西部、南部和东部；Ⅳ区为四川盆地边缘山区及四川省西部；Ⅴ区为云南省西北部、中部、东北部和四川省南部；Ⅵ区为云南省西部、南部、东南部；Ⅶ区为非粮区。

　　将研究区玉米发育期分成4个阶段：出苗-拔节、拔节-抽雄、抽雄-灌浆、灌浆-成熟，各子区域内玉米各生长发育阶段的时期见表1。从表1可知，玉米在不同分区内其生育期和发育时间差别较大，Ⅰ区的玉米在3月上旬出苗，7月下旬成熟；而Ⅵ区的玉米在5月上旬出苗，10月中旬才成熟，两分区玉米的生育期相差2个月左右，这主要与各分区的气候特点和玉米的品种熟型有关。

　　1.3农业干旱参考指数(ARID)及其各分量的计算农业干旱参考指数(ARID)是一个量化作物缺水状况的通用指标，充分地考虑了农业干旱指数的基本要求，即土壤-作物-大气系统，并将其简单化，实用化。ARID是在作物水分亏缺量和作物需水量的比值的基础上发展而来的，适用于生长在排水良好的土壤中并且完全覆盖土壤表面的作物。

　　1.3.1作物参考蒸散量ETr

　　采用FAO-56（1998）推荐的Penman-Monteith公式（Allenetal.,1998）计算作物参考蒸散量ETr，公式如下：

　　220.408()900()273(10.34)nadrRGUeeETTU...........式中：ETr为作物参考蒸散量，mm/d；Δ为温度~饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa·℃-1；u2为离地2m高处风速，m/s；ea为空气饱和水汽压，kPa；ed为空气实际水汽压，kPa；T为平均气温，℃；γ为湿度表常数，kPa/℃；Rn为到达作物表面的净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量密度，MJ/(m2·d)。

　　1.3.2作物蒸腾量TRmin{,}arTR..Z.ET（3）式中：α为通用的根系吸水常数，其值为0.096[17]；Ｚ为根部区域土壤深度，以根系分布集中且均匀的原则，取值为1000mm[18-19]；θa为作物可获得的有效土壤含水量，mm；其计算公式如下：aWZ..其中：W为根部区域的有效土壤含水量，mm，采用土壤水分平衡模型计算得到。

　　1.3.3土壤水分平衡模型

　　由于ARID指数假设作物完全覆盖在土壤表面，而且西南地区大部分区域地下水位比较深，可忽略地下水补给以及土壤蒸发量。此外，西南地区的玉米作物主要是雨养农业作物，因此灌溉量也可忽略不计。综上，土壤水分平衡模型为：ii1iiiiWWPTRDR式中：Wi和Wi.1分别为第i天和第i.1天的根部区域有效土壤含水量，mm；Pi为第i天的降雨量，mm；TRi为第i天的作物蒸腾量，mm；Di为第i天的地下排水量，mm；Ri为第i天的地表径流量，mm。

　　在排水良好的土壤中，当土壤中的含水量超过田间持水量时，水分从根部区域进行排水，即可利用的水分含量大于阈值时，水分被排出。排水量的计算公式为：

　　11m1()0amaamZD.............≤式中：D为排水量，mm；β为排水系数，取值为0.55；θm为土壤持水量，随土壤类型的不同而不同，根据研究区域的土壤类型进行取值，mm3/mm3；θa1为排水之前土壤中的含水量mm3/mm3。

　　1.4干旱频率的计算

　　干旱频率（F）表示干旱发生频繁程度，即干旱发生年数与总资料年之比。逐年统计各站点玉米全生育期内玉米作物干旱的级别和次数，得到各站点作物不同干旱等级的发生频率。FH100%N式中：H为1960－2010年各站相应干旱等级的总次数，N为总年数。

　　2、结果与分析

　　2.1农业干旱参考指数（ARID）结果验证

　　2.1.1农业干旱参考指数（ARID）与实测土壤相对湿度的相关分析

　　分别选取各分区内1～3个代表站点，将玉米苗期ARID值与实测土壤相对湿度数据（0～40cm）作相关分析。分析结果显示，二者之间的Pearson相关系数大多在0.5左右，并且都达到0.01显著性水平（表3）。这在一定程度上检验了ARID指数模型在西南玉米区干旱应用中的可靠性。

　　2.1.2农业干旱参考指数（ARID）模型在典型干旱年份中的验证

　　以2010年发生于西南四川、云南、贵州、广西和重庆等五省市的世纪大旱为典型干旱年份，计算了2010年4－5月云南省干旱分布情况。

　　可以看出，除云南的5个边缘区域外，基本都有不同程度的干旱，且以中部偏北偏东最为严重，这与严建武[27]等人关于植被指数对旱灾的响应研究结果情况基本一致。进一步验证了ARID模型的合理性。

　　2.2近50a玉米全生育期内农业干旱参考指数

　　（ARID）与降雨量、蒸散量的变化关系，在玉米生长季内，整个西南地区降雨量偏少，平均在3.44～5.12mm之间；作物蒸散量在1.43～3.63mm之间；ARID值大多在0.4左右，在轻旱或轻旱到中旱之间波动。受20世纪80年代受旱基于农业干旱参考指数的西南地区玉米干旱时空变化分析109程度最低，21世纪初干旱易发，受旱程度也最高。