环青海湖天然草地干旱指标筛选及干旱等级划分

杨发源，安光辉，孙富兰，赫小红

(1.青海省海南州气象局，青海 恰卜恰 813099；2.青海省兴海县气象局，青海 子科滩 813300)

干旱作为一种气象灾害，长期困扰着农业生产，由于地形、海拔、植物的差异，不同地区的干旱几率和实况不尽相同[1～5]。尽管关于干旱和干旱指标已有大量的研究[6～10]，但是由于干旱的形成原因异常复杂，影响因素很多，包括气象、水文、地质地貌、人类活动等，加之研究目的不同，还没有一个可以被普遍接受的干旱定义。如帕尔默(Palmer)[11]提出干旱是“一个持续的、异常的水分缺乏”；世界气象组织[12]定义干旱为“在较大范围内相对长期平均水平而言降水减少，从而导致自然生态系统和雨养农业生产力下降”；张景书[13]认为干旱是“在一定时期内降水量显著减少，引起土壤水分亏缺，从而不能满足农作物正常生长所需水分的一种气候现象”。虽然各种定义的表述不尽相同，但是这些定义中都包含有干旱的核心内容即水分缺乏。根据建立途径的不同可以把干旱指标大致归纳为两类。一类是通过研究干旱机理，力图细致地反映干旱涉及的各个物理过程，如土壤水分蒸发、地表径流和地表水分补给等，以提高对干旱强度和持续时间的反映精度，这类指标以帕尔默指数(PDSI)等为代表，即综合干旱指标。另一类干旱指标则是通过气象学方法研究降水量的统计分布规律，以反映干旱的强度和持续时间，即单一干旱指标。第一类指标的物理机制较为明确，但其计算繁杂，对资料要求较高，部分参数不能依靠实验获得，只能靠经验估计，从而大大降低了计算精度。而且由于干旱与局部的气候、土壤、植被等多种因素有关，所以时空变异也在一定程度上降低了这类指标的适用范围。第二类指标计算简单，所需资料容易获取，而且由于指标不涉及具体的干旱机理，时空适应性较强。基于以上原因本课题采用第二类干旱指标，即单一干旱指标进行研究。本文采用气象干旱指标法和农业干旱指标法筛选出适合于环湖地区草甸草场的干旱指标并划分干旱等级，从而为有效预测和预防干旱提供科学的依据。

1 研究区概况

青海省海北藏族自治州地处青海湖北部，平均海拔在3 100 m以上，海拔3 000 m以上的高原面积占85%，该地区属于高原亚干旱气候，春季干旱多风，夏季凉爽，秋季短暂，冬季漫长，无绝对无霜期。干旱灾害频繁，尤其是春季和夏季旱灾频发，对农牧业生产造成了巨大的损失。随着经济的迅速发展、人口增长及由此引起的以气候变暖为标志的全球变化的发生，干旱有进一步加重的趋势。

2 两种干旱指标计算方法

2.1 降水量距平百分率指标

2.1.1 计算方法

降水量距平百分率(Pa)是表征某时段降水量较常年同期值偏多或偏少的指标之一，能直观反映降水异常引起的干旱。 某时段降水量距平百分率(Pa)按公式(1)计算：

(1)

式中：

(2)

2.2 土壤重量含水率

2.2.1 计算方法

土壤重量含水率是土壤含水量占干土重的百分比，以百分率表示(%)，是土壤中实际水分含量的体现，烘干法测定土壤湿度的方法按照公式(3)计算。

(3)

式中：W—土壤重量含水率(%)，g1—盒重，g2—盒与湿土共重，g3—盒与干土共重。

3 两种干旱指标分析比较

下面的分析中，资料取自青海湖北岸海晏县2000～2010年的观测资料。

3.1 两种干旱指标在年度干旱判定中的分析比较

计算出2000～2010年牧草生长季(4～9月)各月、旬的降水距平百分率(%)，重量含水率等干旱指标，将计算结果与实际旱情进行对比分析，划分出合理的干旱等级。本文中以每年的3～5月为春季，6～8月为夏季，典型个例中只有春旱和夏旱，没有出现大旱和特旱的情况。

表1 2000～2010年环湖草地干旱个例

3.1.1 降水量距平百分率指标

由于环湖草地的降水时空分布极为不均，某一时段集中的大降水较多，往往在干旱发生的后期一场集中降水有效的缓解了旱情，而该月的降水量距平百分率达不到发生干旱的等级甚至有可能是正值。因此月尺度的降水量距平百分率不能很好的反映干旱的实际情况，如表2所示2000～2010年发生的8次干旱个例，只有2000年5月的2次，7月的1次和2010年4月的1次共4次被反映了出来，适用频率为50%。

表2 环湖草地2000～2010年4～9月降水量距平百分率(%)

3.1.2 降水量距平百分率干旱等级划分

根据计算的各月的降水量距平百分率(%)与实际发生干旱的月份的降水量距平百分率(%)进行对比分析和筛选，并参照《青海省气象灾害标准》制定出适合于环湖地区的干旱等级划分表(见表3)。

表3 环湖地区降水量距平百分率干旱等级划分表

3.1.3 土壤重量含水率模拟指标

由于环湖地区缺乏大旱、特旱的干旱个例，本课题运用干旱模拟的方法建立干旱试验区，搭建防雨棚防止雨水降落到试验区内，模拟长期无降水的状态，人为的制造干旱。从搭建防雨棚开始到出现特旱的情况为止，每旬逢8取土测定土壤重量含水率，从而掌握从无旱到特旱的整个过程土壤中实际的水分状况，为干旱等级的划分提供依据。首先从本站土壤水分监测资料中筛选出2000～2010年环湖草地发生干旱时段的土壤重量含水率(表4)，然后结合干旱模拟试验的土壤水分监测数据进行分析，划分不同的干旱等级。

表4 环湖地区2000～2010年干旱个例从干旱开始到结束的(0～10 cm)土壤重量含水率(%)

由表4可看出，发生中旱时0～10 cm的土壤重量含水率的上限为9.9%，而当土壤重量含水率为10.7%时发生轻旱，即发生中旱的界限在9.9%～10.7%之间，取整数应为10%，也就是说当土壤重量含水率小于10%时即发生中旱，而干旱解除时土壤重量含水率的下限为15%左右，即可判定当土壤重量含水率在10%～15%之间时发生轻旱，而当土壤重量含水率大于15%时无旱情。由于环湖地区没有出现过大旱、特旱的的情况，本课题设置的干旱模拟试验很好的模拟了长期无降水情况下，出现重旱时土壤重量含水率的情况(见表5)。

表5 干旱模拟试验地各时段土壤重量含水率(%)

表6 搭建雨棚期间干旱试验区干土层厚度和牧草受害症状

由表6可以看出，发生干旱时豆科类牧草对水分最为敏感，最先表现出受害症状，到7月18日时干旱试验区10 cm土壤重量含水率为3.8%，大部分牧草死亡，观测小区内只剩稀疏几株冰草，观测小区出现重旱的情况。发生特旱时，牧草全部死亡，草场毫无生机。由此得出适合于环湖草地的土壤重量含水率干旱等级划分见表7。

表7 土壤重量含水率干旱等级划分

4 结论

(1)环湖天然草场降水距平百分率可以作为该地区草地干旱的指标，其等级划分从-50

(2)环湖天然草场土壤重量含水率可以作为该地区草地干旱的指标，其等级划分从15

(3)环湖天然草场土壤重量含水率可以作为该地区草地干旱的指标和干旱等级划分较降水距平百分率准确率高，主要原因在于同量降水在月尺度的时间分布状况不均导致干旱表征的不一致。

(4)本文结论适合于环湖优良草场干旱判定应用以及高海拔同类草场推广应用，不适合草场类型差异较大草场类型中推广应用(譬如：荒漠化草场、草甸型草场等)。