2001—2020年江西省农业干旱发生时空格局的遥感评价

李彤彤,齐述华,2*

(1.江西师范大学地理与环境学院,江西 南昌 330022;2.江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,江西 南昌 330022)

0 引言

农业干旱是指由长期高温、降水量持续偏低而导致农作物产量大幅减产、绝收的自然灾害[1].近年来由全球变暖、气候异常而导致的需水量增加和水文气象变量的变化，干旱频繁发生，给全球粮食安全带来巨大威胁[2-3].

传统的农业干旱监测是利用农业气象观测站监测土壤水分等指标，监测点尺度虽然能提供精确评价，但难以合理评价区域尺度农业干旱.遥感技术的快速发展为区域尺度农业干旱监测提供了新的手段.不仅热惯量法[4-5]、冠层温度法[6-7]、植被指数法[8-9]和微波遥感法[10-11]等都被用于干旱遥感监测，而且S.B. Idso等[12]提出了作物水分胁迫指数(crop water stress index,CWSI),其物理意义清晰，被广泛用于区域干旱遥感监测[13-17].特别是2011年NASA团队发布的全球陆地蒸散数据集产品(MOD16),为计算CWSI和开展区域干旱监测提供了数据基础，进一步推动了CWSI的广泛应用[18-21].

江西省是以水稻种植为主的农业大省，受季风性气候的影响，降水时空分布不均，季节性干旱频繁发生.据统计，在1949—2005年间江西省共发生大小干旱42年次，其中特大干旱(特旱)4年次，严重干旱(重旱)8年次，中度干旱(中旱)16年次，轻度干旱(轻旱)14年次，对江西省粮食生产造成显著的影响[22-23].但针对江西省粮食生产开展的江西省农业干旱遥感评价缺乏.本文利用MOD16蒸散数据产品计算CWSI，分析了2001—2020年江西省农业干旱发生的时空特征.

1 研究区概况

江西省地处长江中下游南岸(113°34′～118°29′E、24°29′～30°05′N),总面积1.669×105km2,农业资源丰富，2019年粮食种植面积为36.651 km2，2019年粮食总产量2 157.4万t，素有“鱼米之乡”的美誉，是新中国成立以来中国2个从未间断输出商品粮的省份之一，对于保障中国的国家粮食安全具有重要地位.江西省东、西、南三面环山，山间多有盆地，北面是地势较为平坦的鄱阳湖平原，其中赣中吉泰盆地和赣北鄱阳湖平原是江西省重要的商品粮生产基地(见图1).气候属于亚热带季风性湿润气候，气候温和湿润，光照充足，降水丰沛但季节分配不均，季节性干旱时常发生，甚至发生两季或三季连旱，农业干旱成为江西省粮食减产的主要原因之一.近年来，由于粮食作物复种指数降低以及撂荒等情况增加，所以政府实行了耕地保护制度.因此，利用遥感方式分析江西省农业干旱发生的时空分布，这对于粮食生产具有重要的意义.

图1 研究区地理位置

2 数据与方法

2.1 MOD16蒸散数据产品

MOD16蒸散数据产品是基于改进的Penman-Monteith方程，利用MODIS光学反射率计算植被冠层参数、热红外亮温反演的地表温度数据和气象数据等来得出实际蒸散量(AET)和潜在蒸散量(PET)[24-25].本文使用GeoTiff格式MOD16A2.006版本数据，数据的时间分辨率为8 d,空间分辨率为500 m,数据下载地址为https://lpdaac.usgs.gov/products/mod16a2v006.

2.2 耕地空间分布数据

收集2019年覆盖江西省的GF-1卫星获取的光学遥感影像152景，利用多光谱影像和全色波段影像进行RGB融合、拼接、匀色、生成县(区)影像等预处理，按照GB/T 21010—2017 《土地利用现状分类》分类体系，以2018年土地利用数据库为基础，通过人机交互开展土地利用变化更新解译，产生2019年江西省土地利用空间数据库，获取江西省耕地多边形图斑216 272个，面积为27 504.68 km2,其中面积大于1.00 km2的大图斑4 299个，面积为>0.50～1.00 km2的中型图斑4 557个，面积为0.25～0.50 km2的小图斑8 624个，面积小于0.25 km2的微小图斑198 792个.

2.3 作物水分胁迫指数

蒸散量包括植被蒸腾、土壤水分蒸发和截留降水或露水的蒸发，是地面输送到大气的总水汽通量.通常把在一定气象条件下水分供应充足的蒸散量定义为潜在蒸散量，而把在实际气象及水分供应条件下的水分蒸散量定义为实际蒸散量，把实际蒸散量与潜在蒸散量之比作为作物缺水的指标[26].R.D. Jackson等[27]在利用Penman-Monteith方程分别计算冠层实际蒸散量与潜在蒸散量的基础上提出CWSI的计算方法:

ICWSI=1-AET/PET,

(1)

其中AET是地表实际蒸散量,PET是地表潜在蒸散量,ICWSI值越大说明干旱程度越高，反之干旱程度越低，值域范围为0≤ICWSI≤1.

2.4 农业干旱遥感评价

根据江西省粮食作物生长季(4—10月)，在获取2001—2020年生长季每8 dICWSI的基础上按照最大值合成法分别计算各月份ICWSImax-monthly和各年度ICWSImax-yearly,将计算结果作为各月份和各年度的受旱最大等级[28](见表1).

参照农作物成灾面积的定义[29],以江西省水耕地分布范围为掩膜，分别按照各像素点在年度内有ICWSI>0.7作为水耕地受旱标准；以在年度内连续2期ICWSI>0.8(持续重旱15 d以上)作为水耕地受旱成灾标准，统计各年度受旱成灾面积；以ICWSI>0.7为标准，统计各年度粮食作物生长季各年度和各月份的干旱发生频率.

表1 干旱等级划分标准

3 结果与分析

3.1 农业干旱发生的时空分布特征

根据4—10月份每8 dICWSI,以最大值合成法计算每个农耕地像素点ICWSI的年度最大值(即ICWSImax-yearly),根据表1的标准评价各年度农业受旱范围和受旱程度(见图2),并统计各年度所有耕地的ICWSImax-yearly平均值和中旱以上受旱面积(见图3),这表明江西省干旱灾害对农业生产的影响时间长、范围广.1)从农业干旱发生空间分布可看出，赣北鄱阳湖平原、赣中吉泰盆地农业受旱程度较高，而周边山地丘陵区的农业受旱程度较低；2)在评估期内，各年份农业受旱面积平均为21 630.17 km2,中旱以上受旱面积平均为14 311.26 km2,重旱以上受旱面积平均为5 041.44 km2;其中2003、2004、2007、2008、2009、2013、2019和2020等年份的中旱以上的受旱面积超过耕地总面积的50%，农业受旱面积分别为22 334.38、22 430.11、21 616.12、19 746.50、19 004.36、17 771.56、15 403.46、19 300.01 km2;3)在评估期内,2003、2004、2007和2013年重旱以上的受旱面积分别为15 322.69、11 748.11、12 082.59、11 263.47 km2,其超过耕地总面积的40%;2003、2013和2019年特旱受灾面积分别为899.89、379.32、1 227.00 km2;4)按照表1所示的干旱等级划分标准，根据各年度所有耕地的ICWSImax-yearly平均值进行评估，结果表明:在评估期的20年中，只有2016年属于湿润年份，2001、2003—2005、2007—2009、2011、2013、2019和2020等年份为中旱年份，其余为轻旱年份，其中2003年ICWSImax-yearly平均值最大，受旱程度最严重.

图2 江西省2001—2020年各年度粮食作物干旱程度空间分布图

图3 江西省2001—2020年粮食作物生长季的ICWSImax-yearly平均值和中旱以上面积

3.2 农业干旱发生频率的时空分布特征

根据各年份4—10月份27个时相ICWSI,以ICWSI>0.7作为水耕地受旱的评价标准，统计各年度农业干旱发生频率的空间分布以及不同受旱频率耕地面积占比，并分析各年度总体农业受旱情况.结果表明:

1)以鄱阳湖平原和吉泰盆地为代表的粮食生产基地的农业干旱频发，而周边山地丘陵区的农业受旱频率相对较低(见图4);

2)从各年度耕地受旱频次均值来看，2001—2020的受旱频次呈下降趋势(见图5),其中2001、2003、2004、2009、2013、2018和2019年的受旱频次高于趋势线表征频次，2003和2004年是典型的农业干旱年;

3)在典型的干旱年份2003年和2004年中，超过70%的耕地的受旱频率大于0.60，2004年超过10%的耕地的受旱频率大于0.80(见图6).

利用最大值合成法计算每年粮食作物生长季4—10月的各月份最大的ICWSI,以ICWSI>0.7作为水耕地受旱的评价标准，考察2001—2020年各月份干旱发生的情况(见图7),结果表明:在粮食作物生长季内，江西省农业干旱主要发生在4、5和10月份，与各年度农业干旱发生频率空间分布一致，4、5和10月份的农业干旱也主要发生在鄱阳湖平原和吉泰盆地农业区中.

图4 江西省2001—2020年粮食作物生长季的各年度农业干旱频率空间分布

图5 江西省2001—2020年粮食作物生长季的农业干旱发生频次年际变化

图6 江西省2001—2020年粮食作物生长季的农业不同受旱频率耕地面积占比

3.3 农业受旱成灾时空分布特征

以粮食作物生长季4—10月份MOD16产品计算的8 dICWSI数据为指标,根据连续2期ICWSI>0.8作为判断水耕地受旱成灾的标准，展示各年度粮食生产受旱成灾的分布(见图8),统计各年度受旱成灾面积，与统计部门发布的成灾面积进行比较(见图9).结果表明:1)遥感提取的多年平均农业受旱成灾面积为1 226.24 km2，其中2003、2007和2009年的成灾面积分别为9 879.83、3 421.50、3 373.08 km2，2003、2007和2009年是在评估期内受旱成灾面积最大的3个年份;2)农业受旱成灾耕地主要分布在鄱阳湖平原农业区中;3)遥感提取的受旱成灾面积与统计部门发布的结果高度一致.

图7 江西省2001—2020年粮食作物生长季的各月份农业干旱频率空间分布

图8 江西省2001—2020年粮食作物生长季的各年度农业受旱成灾分布

图9 江西省2001—2020年遥感提取成灾面积与统计农业受旱成灾面积比较

4 讨论

根据CWSI的评价结果，鄱阳湖平原和吉泰盆地农业区的干旱发生程度和频率都显著高于山地丘陵区，造成这种评价结果的原因主要在于:1)山地丘陵区森林覆盖率较高，森林的水源涵养能力较强，地下水向地表水转移在一定程度上缓解了山地丘陵区农耕地的旱情;2)风速是影响蒸发速率的空气动力学因素，鄱阳湖平原盛行偏北风，根据1964—1985年资料统计，年平均风速>3.5 m·s-1,日平均风速≥5.0 m·s-1的天数达 99.4 d,鄱阳湖平原农业干旱发生频次高与较高的蒸发速率有关;3)采用年最大值合成CWSI来评价粮食作物生长季农业受旱范围，这可能高估了农业受旱程度和受旱频率，特别是对于种植单季稻的地块，在4—10月份大量的时间内农田都处于休闲状态.

为了更好地评价农业受旱情况，有必要结合农作物物候学特征提取各耕地地块的农业种植方式，精准把握农作物在生长期内的受旱程度，这就要求利用更高分辨率的卫星影像开展地块尺度农业干旱评价.

5 结论

本文以2001—2020年粮食作物生长季(4—10月)作为评估期，以MOD16数据产品计算的ICWSI为干旱评价指标，采用最大值合成法把8 dICWSI数据合成ICWSImax,将ICWSImax作为各年份和各月份农业干旱最大受旱程度，分析了江西省各年度粮食作物受旱面积、受旱频率和受旱成灾范围，得到如下主要结论:

1)利用CWSI遥感提取的农业受旱成灾耕地面积与统计部门发布的结果具有高度一致性，这表明ICWSI作为干旱评价指标具有一定的合理性；

2)根据CWSI评价结果，江西省农业干旱主要发生在赣北鄱阳湖平原和赣中吉泰盆地等农业耕地集中连片分布区中，而农业耕地相对破碎化分布的山地丘陵区的农业受旱程度较低；

3)在评估期内，2003、2004、2007、2008、2009、2013、2019和2020等年份农业干旱严重，其中2003年重旱以上面积最大、受旱程度最严重；

4)尽管江西省处于亚热带季风性湿润气候区，但是受降水季节性分配不均的影响，农业干旱在4、5和10月份发生频繁，这是影响农业生产的主要自然灾害.