基于降水距平的内蒙古地区马铃薯干旱指标研究

王永利，侯 琼，云文丽，苗百岭，贾成朕

(1. 内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 2. 内蒙古气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051)

内蒙古是我国马铃薯的主产区，主要种植在东部的呼伦贝尔市东南部、兴安盟、赤峰和中部的锡林郭勒盟南部、乌兰察布市、呼和浩特市和包头市，种植区域相对集中，且已经形成很好的产业化格局。马铃薯主要选种在灌溉条件较差的雨养农业区，受天气气候条件的影响最为明显，特别是经常受到干旱的困扰。旱灾也是内蒙古地区最主要的自然灾害，其发生的特点是范围广、频率高、程度重、时间久[1]。其中降水分布不均匀是该区最主要的干旱致灾因子，直接影响着干旱灾害的分布格局和发展趋势[2]。

干旱指标是确定干旱是否发生及其严重程度的标准，是干旱研究分析的基础，也是干旱监测预警和评价的重要环节[3-6]。国内外就干旱指标已经开展了大量研究，从不同的评价对象出发，得出一系列干旱指标，其中降水指标应用最为广泛[7-12]。围绕马铃薯干旱指标的研究多侧重于干旱胁迫对生理生化和品质方面的影响[13-15]，对区域干旱灾害监测及评估的指标较少，郑丽娟[16]基于GIS分析了乌兰察布市马铃薯干旱风险，苗百岭等[17]以生长季平均温差、降雨量为指标制作了阴山旱作区马铃薯气候区划图，田志会等[18]通过降水量就内蒙古武川的马铃薯干旱制定了指标并进行了评价，但制定的指标适用范围较小，因此有必要通过降水距平建立区域干旱指标。本文从降水和产量资料出发，运用统计学方法研究二者之间的关系，确定马铃薯全生育期、苗期和花期的农业气象干旱指标，以期为全区马铃薯干旱灾害监测及评估提供依据，同时对粮食稳产和农业防灾减灾有一定参考价值。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

马铃薯单产资料主要来自各县(市)统计年鉴等，73个站点的产量资料较完善且连续，其中35个站点产量资料序列样本数为35a(1979-2013年)，其余均为27a(1987-2013 年)。同期地面气象观测资料来源于各旗县观测站点(图1)。

干旱发生情况参照内蒙古灾情数据库和《内蒙古灾害大典》。

图1 内蒙古马铃薯种植站点分布图Fig.1 The distribution map of potato planting areas in Inner Mongolia

1.2 马铃薯发育期的确定

根据内蒙古地区各农业气象站实际观测的马铃薯发育期均值，并结合农业部门品种试验的观测资料，马铃薯生育期可划分为：播种～出苗期，出苗～分枝期，分枝～开花期，开花～可收期。内蒙古地区从西到东马铃薯在5月上旬～5月下旬播种，出苗期在6月上旬～6月下旬，分枝期在7月上旬～7月中旬，开花期在7月中旬～8月中旬，可收期在8月下旬～9月下旬。依据内蒙古地区马铃薯生长发育时段的分布，本文将5～9月划分为马铃薯全生育期，5～6月为苗期，7～8月为开花期。从降水和产量资料出发，运用统计学方法建立二者之间的回归方程，结合农业干旱等级和降水距平百分率气象干旱等级国家标准,确定马铃薯苗期、花期和全生育期的轻、中、重旱的干旱指标体系。

1.3 产量分解和模拟方法

作物的产量一般分为三部分，即趋势产量、气象产量和随机噪声[19,20]，用下式表示：

Y=yt+yv+e

其中，Y为作物历年单产；yt为反映历史时期生产力发展水平的长周期产量分量，称为趋势产量；yv是受以气象要素为主的短周期变化因子影响的产量分量，称为气象产量；e为随机噪声，由于所占比例很小，一般不作考虑，即上式简化为:

Y=yt+yv

本文采用直线滑动平均(滑动步长为10)模拟和建立回归模型的方法，求取马铃薯趋势产量。为了消除地区间生产水平差异和历史时期不同农业技术水平差异的影响，用波动产量除以趋势产量，得到相对气象产量yr(yr=yv/yt)。

以下降水距平和产量的分析中，使用的都是相对气象产量资料。

2 结果与分析

2.1 干旱指标的选取

影响马铃薯生长、发育和产量形成的主要气象因子是降水，分别统计73个站点的历年降水距平百分率，并分析其与相对气象产量的相关关系，其中53.4%的站点二者存在显著和较显著的正相关；37%的站点主要受灌溉影响，产量资料和降水关系不明显；分布在东部区9.5%的站点因降水太多导致减产，二者呈现显著的负相关，可以看出内蒙古大部分地区马铃薯是雨养种植，故本文选择降水距平百分率来评价马铃薯干旱是可行的。由于单一降水距平指标不能满足不同时空干旱评价的需要，文中依据农业气候相似原理，采取聚类分析方法，对内蒙古马铃薯雨养农业种植分为中西部和东部两个区域进行干旱指标的建立与评价。

2.2 干旱指标的建立

参照内蒙古灾情数据库和《内蒙古灾害大典》，选取由干旱引起减产率大于5%的年份，建立与对应三个时期的降水负距平百分率的全部数据序列之间的回归方程，确定二者的定量关系(表1)。所建立的6个方程中相关系数都通过了显著性检验，中西部苗期的相关性较低，只通过了0.05水平的检验，其它时段都通过了0.01水平的显著性检验，特别是花期减产率和降水负距平百分率的相关性最高，可见该时期的降水对最终产量高低起决定性作用。

表1 减产率(5%)和对应降水负距平百分率的回归方程

注：(1)X为降水负距平百分率，Y为减产率。(2)“**”和“*” 代表0.01和0.05的显著水平。

Note:(1)Xis the precipitation negative anomaly percentage,Yis the yield reducing rate. (2)“**”and“*”means the significant level of 0.01 and 0.05.

根据表2的方程，求得与不同降水距平百分率相对应的减产率。最终建立以降水距平百分率为主要划分因子，结合农业干旱等级[21]和降水距平百分率气象干旱等级国家标准[22]，确定马铃薯苗期、花期和全生育期适合于内蒙古东部和中西部地区的轻、中、重旱的干旱指标体系(表2)，包括降水距平百分率和减产率指标。

从表2中可以看出，中西部较东部降水量少，马铃薯对水分的亏缺更为敏感，对于全生育期和苗期所建立的降水距平百分率指标梯度较小，而减产率指标则相反。在同一区域内，由于苗期需水较少，降水对其影响较小，所以降水量变化对产量的影响也较低。例如中西部地区同样导致减产率降低5%，花期和全生育期降水距平-5%就可能发生，而苗期降水距平达到-10%才可能发生。开花时期的降水对产量的高低起到了决定性作用，不仅二者相关性最好，且指标值也较高。内蒙古地区降水量主要集中在7、8月份，中西部和东部的降水在这两个月的差异较小，所以干旱对马铃薯花期的影响相差不明显，最终建立的干旱指标也是相同的。

对建立降水距平干旱指标所用的降水距平百分率数据进行概率分布统计，其中轻旱比例为46%～50.2%，中旱比例为28%～39.7%，重旱比例为12.5%～17.9%；对建立减产率指标所用的旱灾年减产率率数据进行概率分布统计，其中轻旱比例为46%～59%，中旱比例为27.5%～38.1%，重旱比例为14%～21%；二者概率分布都较合理。同时按照降水距平干旱指标对研究区全部非灌溉站点三个时期三个干旱等级的降水距平百分率进行概率统计，其中轻旱比例为47%～60%，中旱比例为25.5%～36.6%，重旱比例为11.3%～19.4%，分布也较合理，可见在不同区域不同发育时段建立的马铃薯干旱指标具有很好的适用性。

2.3 干旱指标的验证

利用2014和2015年内蒙古灾情数据库关于干旱发生的上报资料，主要以7-8月份发生严重干旱为主，此时正值马铃薯花期，因而我们主要统计花期降水距平干旱指标进行验证(表2)。从验证表中可以看出，2014年的严重干旱主要发生在通辽的西部、赤峰的大部、锡林郭勒盟的西南部和乌兰察布市的东北部。通过降水距平计算的干旱等级中66.7%的站点达到重旱，26.6%的站点达到中旱，只有通辽市的奈曼旗是无旱。2015年的干旱主要发生在通辽的西南部、赤峰的大部、乌兰察布市北部、呼和浩特市的南部和包头大部。统计马铃薯种植站点的降水距平，得到93.3%的站点干旱等级是重旱，只有1个站点是中旱。通过对近两年的重旱验证可见，计算结果与实际发生基本吻合。

3 结论与讨论

气候条件是决定马铃薯生长的关键因子，通过分析内蒙古地区历年降水距平百分率与相对气象产量的关系，二者相关性较好，说明降水是本区马铃薯产量的主要影响因子，这与姚玉璧等研究得到的半干旱区马铃薯产量的主要影响因子是一致的[23-25]。马铃薯生长发育过程中对水的需求量在300～450mm，需水关键期是分枝期～开花期，即我区的7月上旬到8月中旬，该时段缺水或降水量过多，产量将大幅度下降。

通过内蒙古中西部和东部地区马铃薯全生育期、苗期和花期的降水负距平百分率与相对气象产量的回归方程，结合农业干旱等级和降水距平百分率气象干旱等级(GB/T20481-2006)国家标准, 得出了三个时段基于降水距平的马铃薯轻旱、中旱和重旱干旱等级指标。即全生育期中西部降水距平-5%～-25%、-25%～-40%、<-40% 时,相对气象产量减产率分别为-5%～-25%、-25%～-45%、<-45%；东部降水距平-10%～-30%、-30%～-45%、<-45% 时,相对气象产量减产率分别为-5%～-20%、-20%～-40%、<-40%。苗期中西部降水距平-10%～-35%、-35%～-50%、<-50% 时,相对气象产量减产率分别为-5%～-20%、-20%～-35%、<-35%；东部降水距平-20%～-45%、-45%～-60%、<-60% 时,相对气象产量减产率分别为-5%～-15%、-15%～-30%、<-30%。内蒙古地区降水集中在7、8月，所以花期中西部和东部地区干旱指标相同，即降水距平-5%～-30%、-30%～-50%、<-50% 时,相对气象产量减产率分别为-5%～-25%、-25%～-45%、<-45%。

表2 基于降水距平百分率确定的干旱指标

表3 降水距平干旱指标对花期干旱的验证

影响马铃薯生长、发育、产量的形成主要气象因子除了降水还有各生育期的平均温度[26-27]。另外，马铃薯晚疫病也是制约内蒙古马铃薯生产的主要因素之一，而蚜虫是传播病毒的最普遍的昆虫媒介，以往的研究表明，温度和7月平均风速对马铃薯蚜虫的生长发育、存活、繁殖及种群增长有显著的影响[28]。利用2014和2015年马铃薯主要种植区正值花期发生重旱的灾情进行降水距平和减产率干旱指标验证，降水距平计算结果与实际发生基本吻合，但是产量资料与实际灾情发生不很一致，导致减产率指标的验证结果不好，这可能和各县(市)统计年鉴数据的可信度、温度、病虫害以及其它时段的降水情况有关，所以建立的减产率只能作为干旱判定的辅助指标，指标的合理性还需要用其它方式进行验证。内蒙古大部分地区的马铃薯种植属于雨养农业区，利用历史产量资料建立的减产率指标较农业干旱等级国家标准的指标值较大，这是符合当地实情的。

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