基于水分亏缺指数的贵州省水稻干旱特征分析

邢 愿 贺中华 ，2

（1贵州师范大学地理与环境科学学院（喀斯特研究院），550001，贵州贵阳；2贵州师范大学国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，550001，贵州贵阳）

农业干旱是目前国际社会研究的热点问题，究其根源为长期无降水或降水异常减少[1]。总体上，农业干旱灾害是干旱累积到一定程度的结果，破坏了农业生产。造成农业干旱的原因众多，包括气象、土壤和水资源利用效率等，使得农作物水分收支失衡[2]。因此，分析影响贵州省水稻种植的气候特点，以及水稻各生育期的需水特点，对贵州省农业干旱研究具有重要意义。

目前，常用的评定农业干旱指标众多，有降水距平百分率[3-5]、标准化降水蒸散指数[6-8]、Palmer干旱指数[9-10]、相对湿润度指数[11-13]和综合气象干旱指数等[14-15]。其中，作物水分亏缺指数因计算简便，涉及资料较少，在不同地区和作物间得到了广泛应用。王连喜等[16]以气象数据为基础资料，分析各生育期内作物的干旱特征；刘雪梅等[17]利用夏旱强度指数和修正的Palmer指数等指标，研究了贵州地区干旱类型、发生频率及地区分布特征，同时根据贵州省的主要干旱特征进行了分区；李家文等[18]利用气象资料，结合甘蔗的发育期，构建柳州市甘蔗干旱风险指数，最后制作柳州市干旱风险区划图；何斌[19]在分析冬小麦需水关键期水分亏缺指数的变化趋势基础上，开展关中地区冬小麦干旱特征研究。曹言等[20]计算夏玉米生育期逐旬作物水分亏缺指数，采用线性趋势和M-K检验法，分析云南省不同地区夏玉米干旱的时空变化特征，并探究了水分亏缺指数与夏玉米产量的关系；李闯等[21]根据水分亏缺指数，采用通径分析方法研究各气象因子对水分亏缺指数的影响，对昆明地区水稻生长季干旱特征进行了研究。

由于贵州省高原山地居多，人均耕地面积少，而且受大气环流及地形等影响，不良气候对农业生产危害严重，粮食安全生产对该区粮食安全及社会经济持续发展至关重要[22]。众多学者将水分亏缺指数应用到我国部分区域的干旱研究中，但利用水分亏缺指数研究贵州省水稻各生长期干旱特征的研究较少。因此，本研究以贵州省31个气象站点气象数据为基础资料，计算2001-2018年水稻生长各时期的降水－需水量，选取作物水分亏缺指数作为干旱指标，探究贵州省水稻种植区干旱时空特征，分析水稻各生长期面临的不同干旱威胁，为相关部门抗旱减灾和趋利避害提供参考依据。

1 研究区概况

由图1可知，贵州省地处云贵高原，位于103°36′～109°35′E、24°37′～29°13′N，地势西高东低，自中部向北、东和南三面倾斜，平均海拔在1100m左右。贵州省高原山地居多，素有“八山一水一分田”之说，人均耕地面积不到0.05hm2，远低于全国平均水平，且土层厚、肥力高和水利条件好的耕地占比低；贵州省气候温暖湿润，属亚热带湿润季风气候，常年降雨量充沛，但时空分布不均，特点为南多北少，东多西少，全省多年平均降雨量在1100～1300mm之间，光照条件差，全省大部分地区日照时数为1200～1600h，分布特点为西多东少；受大气环流及地形等影响，气候不稳定，灾害性天气种类较多，干旱、秋风、凝冻和冰雹等频度大，对农业生产危害严重。

图1 研究区概况及水稻种植区位Fig.1 Overview of the study region and rice planting location

2 数据与方法

2.1 数据来源

气象资料来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn）提供的地面气象观测数据集，选取2001-2018年覆盖贵州省的31个气象站点的逐日气象资料，统计得出水稻各生长期的降水量、最高气温、最低气温、日照时数、风速、相对湿度和水汽压，以上数据均取平均值。水稻种植区数据来源于清华大学地球系统科学系（http：//data.ess.tsinghua.edu.cn）2015年土地覆盖数据。

2.2 研究方法

2.2.1 参考作物蒸散发量 以水汽扩散理论与热量平衡理论相结合的半经验公式法为理论基础，由英国学者彭曼提出用于计算作物蒸散发量[23]的计算公式，该公式是目前世界公认理论上较严密、应用上较简单且误差较小的方法，公式如下：

式中，P0为海平面标准大气压（kPa）；P为计算点实际大气压（kPa）；Δ为饱和水气压-温度曲线上的斜率；γ为温度计常数，kPa/℃；Rn为到达地表的净辐射量；Ea为干燥力因子。用联合国粮食及农业组织下载的ETo Calculator进行计算。

2.2.2 作物需水量 作物需水量（CWR）是在理想的生长条件下，作物从种植到收获所需的蒸散发量。一般作物需水量（ETc）等于整个生长期作物蒸散发量（ET0）的累积值，可通过ET0和不同阶段的作物系数（Kc）得到，公式如下：ETc=Kc×ET0。依据高晓丽等[24]研究划分贵州省水稻各生育期的需水系数（Kc）：播种-秧苗期（Kc=0.85）、移栽-分蘖期（Kc=1.31）、拔节-孕穗期（Kc=1.69）、抽穗-成熟期（Kc=1.3）。

2.2.3 作物水分亏缺指数 作物水分亏缺指数（CWDI）是衡量作物需水量与实际供水能力平衡状况的指标，反映农作物某时段累积水分亏缺的程度，依据研究[25-26]，将贵州省水稻生长期分为播种-秧苗期（4月10日-5月10日）、移栽-分蘖期（5月11日-7月10日）、拔节-孕穗期（7月11日-7月31日）、抽穗-成熟期（8月1日-9月10日）和全生长期（4月10日-9月10日），分别计算水稻各生长期连续累积水分亏缺状况，指标值越大，表明水分亏缺越严重。

式中，CWDIi为i时期水稻水分亏缺指数；ETc为水稻需水量（mm）；Pi为i时期累积降水量。当水稻需水量大于降水量，水稻发生水分亏缺，即发生干旱；当水稻需水量小于降水量时，视为水稻水分不亏缺，即CWDIi=0，未发生干旱。根据农业干旱指标分级[27]，对水稻的整个生长期划分为5个干旱等级，CWDI≤15%为无旱，15%＜CWDI≤25%为轻旱，25%＜CWDI≤35%为中旱，35%＜CWDI≤50%为重旱，CWDI＞50%为特旱。本研究在计算作物水分亏缺指数时，由于贵州省特殊的地貌类型，在供水量部分只考虑了自然降水量，忽略人工灌溉及其他水量来源。

3 结果分析

3.1 水稻生长期降水-需水特征分析

3.1.1 水稻生长期降水时空特征 空间降水插值一直是个难题，影响降水的因素很多。何红艳等[28]比较了各种降雨插值的优缺点得出，协同克里金插值法不仅考虑气象站点的空间相关性，同时考虑高程等因素对降水的影响。本研究利用协同克里金插值法对贵州省水稻不同生长期的累积降水进行插值分析，同时，利用趋势分析法研究贵州省多年水稻不同生长期降水量的空间分布趋势（图2）。

图2 贵州省水稻各生长期降水变化趋势空间特征Fig.2 Spatial characteristics of precipitation variation trend in each growing period of rice in Guizhou province

由图2a可得，2001-2018年贵州省的降水量在水稻的整个生长期整体呈“东增西减”特征分布，减小趋势较为明显的地区为黔西南地区、六盘水南部地区及遵义北部地区，降水增加明显地区分布于黔东南地区的东南部。水稻播种-秧苗期（图2b）的降水趋势特征（除铜仁地区）全省基本保持稳定；移栽-分蘖期（图2c）降水变化趋势呈明显的阶梯状分布，自东向西降水量逐级递减，黔西南、六盘水及毕节等地区的西部和遵义地区的西北部降水量减小趋势尤为显著；拔节-孕穗期（图2d）各地区降水变化趋势与移栽-分蘖期（图2c）变化趋势相反，即降水变化趋势自东向西降水趋势逐级递增；抽穗-成熟期（图2e）贵州省西部地区为降水轻微增加区，东部地区基本保持不变。

为更加详细研究水稻各生长期降水趋势特征，利用ArcGIS提取水稻种植区2001-2018年各生长期的降水平均值，研究水稻种植区的各生长期的降水趋势（图3）。由图3可得，水稻种植区降水量在播种-秧苗期呈减少趋势，以每10年15.992mm的量减少；移栽-分蘖期降水呈增加趋势，增加趋势不显著；拔节-孕穗期降水变化波动较大，2010-2018年呈显著的先减后增再减的趋势，最高降水量与最低降水量相差200mm；抽穗-成熟期降水趋势总体呈增加趋势，以每10年18.703mm的量增加，2014年为降水最低值年份（42.99mm）。在贵州省水稻整个生长期间，降水量主要集中在移栽-分蘖期（5月10日-7月10日），水稻种植区的平均降水量稳定保持在300mm左右，与贵州省的雨季时期一致[29]。不同年代水稻种植区4个生长期平均降水量为移栽-分蘖期＞抽穗-成熟期＞播种-秧苗期＞拔节-孕穗期。

图3 贵州省各生长期水稻种植区降水－需水平均值变化Fig.3 Variation of average value of precipitation–water demand in rice planting regions of Guizhou province in each growth period

3.1.2 水稻各生长期需水量特征分析 为分析贵州省水稻种植区各个时期的需水量空间分布特征，分别统计水稻种植区各个生长期需水量（图4）。由图4可知，贵州省多年水稻种植区的需水量分布特征为东高西低，贵阳市、安顺地区和六盘水地区的西北部及毕节西部一带地区各个时期需水量均低于其他地区。

图4 贵州省各生长期水稻种植区需水量空间特征Fig.4 Spatial characteristics of water demand in rice planting regions in each growing period in Guizhou province

由图4a可以看出，贵州省水稻全生长期的需水量最大地区主要分布于遵义、铜仁、黔东南及黔西南地区，大部分水稻种植区年均累积需水量在620～1000mm，需水量较小地区主要分布在贵阳市南部地区，年均累积需水量为520～560mm，毕节西部水稻种植区年均累积需水量为全省最小需水地区，年均累积需水量为480～500mm。由图4b可以看出，全省水稻在播种-秧苗期需水量较小，年均累积需水量为50～60mm，同时结合图3可以看出，在播种-秧苗期有效降水量大于水稻实际需水量，因此在贵州省水稻播种-秧苗期发生干旱的概率较低。由图4c可以看出，水稻移栽-分蘖期需水量远大于播种-秧苗期水稻需水量，水稻需水量较大区域主要集中在铜仁、黔东南地区以及黔西南地区的西南部；需水量小的区域主要分布于贵阳市及安顺地区，以及毕节西部地区与六盘水北部地区，需水量为160～180mm；综合图3可知，水稻移栽-分蘖期降水量大于需水量，且需水量变化趋势保持稳定。由图4d可以看出，拔节-孕穗期水稻的需水量明显低于移栽-分蘖期的需水量，总体来看，贵州省东部地区需水量高于西部地区，但水稻需水量最低种植区仍然为毕节西部；综合图3可知，拔节-孕穗期水稻的需水量多年高于降水量，即降水量满足不了水稻生长的需水量，易造成干旱。由图4e可以看出，抽穗-成熟期水稻种植区的需水量最高区主要位于铜仁地区以及黔东南地区的东部，需水量最低区保持不变，为毕节地区的西北部。综合图3可知，抽穗-成熟期水稻种植区的需水量常年高于降水量，且以每10年12.679mm趋势增加，因此抽穗-成熟期为水稻干旱的高发期。

3.2 水稻各生长期干旱特征

3.2.1 各生长期干旱强度特征 为了分析贵州省水稻干旱特征的空间分布情况，采用水稻水分亏缺指数干旱等级划分标准[30]，计算2001-2018年水稻各个生长期贵州省种植区发生轻旱、中旱、重旱和特旱的频率及各干旱等级不同频率的面积（表1）；并利用ArcGIS空间分析功能，得到贵州省水稻各生长期不同干旱等级及干旱频率的空间分布特征（图5-图8）。

图5 贵州省水稻种植区播种-秧苗期不同等级干旱强度及频率空间特征Fig.5 Spatial characteristics of drought intensity and frequency of different grades in sowing-seedling period of rice growing regions in Guizhou province

图6 贵州省水稻种植区移栽-分蘖期不同等级干旱强度及频率空间特征Fig.6 Spatial characteristics of drought intensity and frequency of different grades in transplanting-tillering period of rice growing areas in Guizhou province

图7 贵州省水稻种植区拔节-孕穗期不同等级干旱强度及频率空间特征Fig.7 Spatial characteristics of drought intensity and frequency of different grades in jointing-booting period of rice growing areas in Guizhou province

图8 贵州省水稻种植区抽穗-成熟期不同等级干旱强度及频率空间特征Fig.8 Spatial characteristics of drought intensity and frequency of different grades in heading-ripening period of rice growing areas in Guizhou province

表1 贵州省水稻各生长期不同等级干旱频率面积统计Table 1 Area statistics of drought frequency of different grades in each growing period of rice in Guizhou province km2

由图5-图8可知，贵州省水稻各个生长期的干旱空间分布特征，轻旱发生面积逐渐增加，由播种-秧苗期到抽穗-成熟期，干旱面积从6.55km2增加至13.01km2；播种-秧苗期轻旱发生区主要分布于毕节地区西部、六盘水和黔西南地区的西南部地区；移栽-分蘖期为水稻种植区轻旱发生的低频时期，轻旱频率介于0%～5%；拔节-孕穗期轻旱主要发生区分布于铜仁地区；抽穗-成熟期轻旱发生区以贵阳市、安顺地区、六盘水、毕节以及遵义地区的南部为主。中旱发生面积呈显著增加趋势，以贵阳、遵义、铜仁和黔东南地区增加尤为显著，播种-秧苗期到抽穗-成熟期中旱发生面积增加了9.20km2。重旱主要发生在水稻拔节-孕穗期和抽穗-成熟期，发生地区主要集中在铜仁、遵义及黔东南地区，水稻拔节-孕穗期发生重旱面积达12.33km2，抽穗-成熟期发生重旱面积达17.90km2。特旱主要发生在水稻拔节-孕穗期和抽穗-成熟期，此时期降水量小于水稻需水量，导致干旱发生，在拔节-孕穗期全省水稻种植区均发生特旱，抽穗-成熟期特旱发生区主要位于铜仁地区。

3.2.2 各生长期干旱频率特征 由图5-图8和表1可得，在播种-秧苗期与移栽-分蘖期水稻种植区各等级干旱发生频率较低，各等级干旱频率均在0%～5%。贵州省水稻生长期轻旱高频发生区主要分布于毕节、安顺及铜仁等地区，播种-秧苗期轻旱频率为5%～10%的水稻面积达5.09km2，移栽-分蘖期干旱频率大于5%的水稻种植面积为1.09km2，拔节-孕穗期轻旱发生区主要分布于铜仁地区，干旱频率大于5%的水稻种植面积占全省水稻种植面积的40.7%，抽穗-成熟期轻旱高频发生区集中在毕节地区，频率在5%～10%的面积为7.71km2。中旱在遵义和黔东南地区发生频率较高，在水稻抽穗-成熟期中旱频率大于5%的水稻种植区面积占水稻总面积的90.2%，中旱频率在15%～20%的水稻种植面积为4.35km2。重旱高频发生区主要分布于遵义、铜仁及黔东南地区，其中在水稻抽穗-成熟期铜仁及遵义地区重旱频率超过20%的面积为7.15km2。特旱在铜仁地区发生频率最高，在拔节-孕穗期，全省大部分水稻种植区特旱发生频率大于70%，基本上每年拔节-孕穗期都要发生特旱。

总体上，贵州省不同等级干旱频率的分布特征与作物蒸散发量分布特征一致，东多西少，北多南少。由于贵州省地处西南地区，属亚热带湿润季风气候，常年降雨量充沛，但时空分布不均，因此易造成部分地区水分亏缺，但发生水分亏缺的持续时间较短，即各等级干旱发生频率以低频为主。铜仁及遵义地区发生特旱的频率最高，由于该区域作物蒸散量较高，降水量小于水稻生长的需水量，所以旱情严重。

4 结论

贵州省的降水量在水稻的整个生长期整体呈“东增西减”特征分布，降水量主要集中在水稻的移栽-分蘖期。水稻种植区各生长期累积降水量为移栽-分蘖期＞抽穗-成熟期＞播种-秧苗期＞拔节-孕穗期，水稻种植区降水量在播种-秧苗期呈减少趋势，可能会加剧干旱灾害的发生，移栽-分蘖期降水呈增加趋势，但增加趋势不显著；拔节-孕穗期降水变化波动较大，抽穗-成熟期呈增加趋势。多年水稻种植区的需水量分布特征为东高西低，与降水分布趋势一致，水稻生长期累积需水量为抽穗-成熟期＞移栽-分蘖期＞拔节-孕穗期＞播种-秧苗期，水稻在播种-秧苗期需水量远小于降水量，因此各等级干旱发生的频率较低，铜仁地区以及黔东南地区的东部在拔节-孕穗期和抽穗-成熟期水稻的需水量远高于降水量，是重旱及特旱的高频发生区。水稻种植区在播种-秧苗期和移栽-分蘖期各等级干旱发生频率以低频为主，各等级干旱高频发生期主要集中在水稻拔节-孕穗期和抽穗-成熟期，重旱及特旱高频发生区主要集中在铜仁及遵义地区。