山西農(nóng)業(yè)干旱與氣象因子的相關(guān)性分析

李臘平 李小強(qiáng) 楊春倉(cāng) 徐鑫 劉潔莉

摘?要：

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)農(nóng)業(yè)的進(jìn)步，在我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的過(guò)程中農(nóng)業(yè)種植經(jīng)常受到自然災(zāi)害的侵襲，尤其是干旱的影響。一旦發(fā)生干旱，農(nóng)作物因長(zhǎng)期缺水而造成糧食的減產(chǎn)和歉收，對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有一定的影響，如果旱情嚴(yán)重還可能引發(fā)作物種類減少和水土流失等災(zāi)害的出現(xiàn)。因此，對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的時(shí)空分布與演變特征進(jìn)行科學(xué)細(xì)致的研究是非常必要的，同時(shí)也是預(yù)防農(nóng)業(yè)災(zāi)害的重要手段。

關(guān)鍵詞：

山西;農(nóng)業(yè)干旱;氣象因子;相關(guān)性分析

中圖分類號(hào)：S16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191230043

1?研究方法與進(jìn)展

本文使用的研究方法為利用歸一化植被指數(shù)NDVI（NormalizedDifferenceVegetationIndex）與地表溫度LST（LandSurfaceTemperature）數(shù)據(jù)建立NDVI-LST模型。該種模型優(yōu)勢(shì)明顯，不僅可以輕易地獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)有較強(qiáng)的適用性，且模型簡(jiǎn)單，而且還有重要的物理意義。以下具體分析該模型的組成部分。

1.1?植被供水指數(shù)VSWI

植物正常生長(zhǎng)情況下，在衛(wèi)星遙感技術(shù)的協(xié)助下能夠獲取以下數(shù)據(jù)：植被的指數(shù)、植被冠層溫度等，同時(shí)這些數(shù)據(jù)在正常的范圍內(nèi)。如果植被供水不足或缺水，其生長(zhǎng)情況會(huì)受到影響，將出現(xiàn)植被的指數(shù)降低和水分不足的情況，且植被冠層的溫度升高。在一些學(xué)者的研究中，植被指數(shù)和植被冠層溫度是重要的考察指標(biāo)，植被供水指數(shù)的具體計(jì)算方法為：影像的增加強(qiáng)化系列數(shù)據(jù)×植被指數(shù)/農(nóng)作物樹(shù)冠層面溫度。其中，呈現(xiàn)正比例的數(shù)據(jù)為植被指數(shù)與樹(shù)葉面積的指數(shù)，如果作物生長(zhǎng)良好的話，那么植被指數(shù)就越大。此外，植被樹(shù)冠層的溫度與供水之間呈正比例關(guān)系，即當(dāng)作物可能出現(xiàn)干旱情況的話，那么樹(shù)冠層的溫度將升高，即植被供水指數(shù)越小，農(nóng)作物中的土壤水分也就越小，很容易出現(xiàn)干旱的情況。將該模型應(yīng)用到具體的實(shí)踐當(dāng)中，用于檢測(cè)某地農(nóng)作物生長(zhǎng)的干旱情況，結(jié)果證明檢測(cè)數(shù)據(jù)和基本事實(shí)相一致。

1.2?溫度植被干旱指數(shù)TVDI

溫度植被干旱指數(shù)主要指的是，植被指數(shù)與地表溫度之間的關(guān)系。為了得到溫度植被干旱指數(shù)，就需要研究特定時(shí)間內(nèi)某一區(qū)域的干旱程度與變化特征的關(guān)系。溫度植被干旱指數(shù)越高，該區(qū)域的干旱情況就越嚴(yán)重。

1.3?條件溫度植被指數(shù)VTCI

該指數(shù)與溫度植被干旱指數(shù)相似，需要研究特定時(shí)間內(nèi)某一區(qū)域的干旱程度與變化特征的關(guān)系，但是其結(jié)果與溫度植被干旱指數(shù)相反，即條件溫度植被指數(shù)越小，這一區(qū)域內(nèi)的干旱將越嚴(yán)重。

綜合上面的闡述可以知道，該模型和各類檢測(cè)指數(shù)提升了檢測(cè)結(jié)果的可靠性，因而被廣泛使用。但在此過(guò)程中，植被供水指數(shù)構(gòu)建模型卻因其過(guò)于簡(jiǎn)單而逐漸被溫度植被干旱指數(shù)所取代。1994年，外國(guó)科學(xué)家首次提出了溫度植被干旱指數(shù)的概念，隨后與其相關(guān)的一系列研究也相繼出現(xiàn)，在許多省、市和地區(qū)得到了使用。然而，溫度植被干旱指數(shù)在發(fā)展的過(guò)程中也受到諸多因素的影響，使其存在一定的缺點(diǎn)，但有一些學(xué)者不斷地對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。本文就是通過(guò)對(duì)溫度植被干旱指數(shù)與維度進(jìn)行校正，同時(shí)結(jié)合修正公式對(duì)山西地區(qū)的降水量進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)后，建立了適合該地區(qū)發(fā)展的農(nóng)業(yè)干旱檢測(cè)模型。本文對(duì)TVDI模型進(jìn)行DEM和緯度校正后，沿用干邊擬合修正公式，針對(duì)山西省降水量少且集中的特點(diǎn)，以月為單位，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)C值的選取方式進(jìn)行了定義，并提出只適用于山西省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)山西省2014年的農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行時(shí)空動(dòng)態(tài)分析，為之后的山西省農(nóng)業(yè)干旱遙感研究提供參考。

2?研究?jī)?nèi)容

在農(nóng)業(yè)干旱遙感檢測(cè)模型和溫度植被干旱指數(shù)的基礎(chǔ)之上，形成了適合山西省農(nóng)業(yè)干旱的溫度植被干旱指數(shù)新模型，將新模型用于檢測(cè)山西省農(nóng)業(yè)干旱情況，最終得出以下從1984—2016年的干旱發(fā)展特征與氣候變化之間的關(guān)系。

2.1?數(shù)據(jù)整理

通過(guò)對(duì)地表溫度和植被指數(shù)進(jìn)行一系列的分析之后發(fā)現(xiàn)，可以將地表溫度與植被指數(shù)的最大數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，之后對(duì)獲取的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，再用于實(shí)驗(yàn)的備用。

2.2?對(duì)山西地表溫度進(jìn)行地理緯度修正

山西省地理緯度跨度比較大，南北之間溫差也較大，可達(dá)10℃以上，因此在檢測(cè)的過(guò)程中很容易出現(xiàn)南部干旱、北部濕潤(rùn)的錯(cuò)誤判斷。為避免出現(xiàn)這樣的誤判，構(gòu)建溫度植被干旱指數(shù)模型的過(guò)程中，需要對(duì)地表的溫度進(jìn)行維度的校正。

2.3?對(duì)地表溫度進(jìn)行DEM修正

山西（海拔200～2942m）位于太行山和黃河之間的黃土高原上，地形較為復(fù)雜，平均海拔大約1300m，山區(qū)多集中在北部和中部，海拔較高，達(dá)1400km以上，且溫度較低。盆地位于中部，多分布在太行山與呂梁山之間，海拔低，一般在600m以下且溫度較高，在進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)時(shí)，極易形成“高濕低旱”的錯(cuò)誤分析，所以，在構(gòu)建TVDI模型監(jiān)測(cè)山西省農(nóng)業(yè)干旱前，必須對(duì)地表溫度進(jìn)行DEM校正。

2.4?對(duì)形成的TVDI新模型進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)監(jiān)測(cè)山西省農(nóng)業(yè)干旱

為了更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)模型的作用，應(yīng)該重視土壤相對(duì)濕度之間的關(guān)系，這就需要對(duì)溫度植被干旱指數(shù)進(jìn)行必要的修正。此外，還需要結(jié)合干旱的分級(jí)對(duì)溫度植被干旱指數(shù)進(jìn)行分析，從而形成對(duì)山西1984—2016年干旱情況的調(diào)查。

3?基于季節(jié)的TVDI空間分布變化

第1階段，山西的中度干旱和重度干旱地區(qū)主要集中在北部，輕度干旱地區(qū)主要為山西中部地區(qū)和東部地區(qū)，無(wú)干旱地區(qū)主要有中部地區(qū)和南部地區(qū)。第2階段，中度干旱地區(qū)和重度干旱地區(qū)在冬季時(shí)由山西東部向中部和東部轉(zhuǎn)移;輕度干旱地區(qū)主要集中在中部大多數(shù)區(qū)域，之后向全省蔓延;無(wú)干旱地區(qū)主要分布在山西中西部等局部地區(qū)。

4?基于DEM的TVDI空間分布變化

山西的南部地區(qū)因?yàn)楹０伪容^低，全年基本沒(méi)有旱情;中部地區(qū)海拔適中，旱情相對(duì)較輕;北部地區(qū)海拔都在1300m以上，干旱的情況為中等干旱。綜合上面的闡述可知，海拔越高旱情就越嚴(yán)重。從歷年山西省農(nóng)業(yè)干旱情況分布可以得知，如果秋季發(fā)生干旱，分布情況與DEM高程會(huì)有明顯的關(guān)系。當(dāng)海拔高于1700m，秋季的旱情多數(shù)為中度干旱或重度干旱;當(dāng)海拔介于1400～1700m，秋季的旱情基本為輕度干旱或重度干旱;當(dāng)海拔介于1000～1400m，旱情基本為輕度干旱。

5?基于土地利用類型的溫度植被干旱指數(shù)空間分布

為了更好地促進(jìn)山西地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須明確山西省農(nóng)業(yè)干旱的空間分布特征。從相關(guān)的研究中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海拔介于300～600m，該地區(qū)的植被分布類型多為果蔬和農(nóng)墾地帶，這時(shí)出現(xiàn)的旱情會(huì)呈現(xiàn)季節(jié)性的變化。例如，在山西南部地區(qū)主要種植冬小麥和夏玉米，在農(nóng)作物成熟之前這些地區(qū)基本不發(fā)生干旱災(zāi)害，一旦作物成熟就可能出現(xiàn)輕度旱情。當(dāng)海拔達(dá)到600～1400m時(shí)，該地區(qū)的植物類型多為灌草叢和農(nóng)墾帶，這時(shí)出現(xiàn)的旱情主要集中在夏季、冬季等。當(dāng)海拔上升到1400～1700m時(shí)，該地區(qū)的主要植被類型為闊葉林或者混交林，這時(shí)基本沒(méi)有旱情或者僅是輕度的旱情。

6?農(nóng)業(yè)干旱與氣象因子的相關(guān)性分析

農(nóng)業(yè)干旱受到多種因素的影響，如氣候條件、土壤條件、農(nóng)業(yè)種植方式等。其中，降雨少或者不降雨是造成干旱的最主要原因。土壤條件也是影響干旱的重要因素，因?yàn)橥寥篮偷匦螘?huì)影響降水量和水分的分布，從而出現(xiàn)干旱差異性問(wèn)題。而農(nóng)作物的品種不同和生長(zhǎng)發(fā)育的差異性，也是造成農(nóng)作物需水量和耐旱性的具體因素。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的生產(chǎn)措施以及灌溉技術(shù)等也直接決定著抗旱的能力，造成不同地區(qū)的干旱程度不同。在諸多影響農(nóng)業(yè)發(fā)展的氣象因素中，氣溫和降水最為重要。因此，本文將選取山西省1984—2016年30多年的1—12月的平均氣溫和降水資料（圖1）作為分析影響農(nóng)業(yè)干旱發(fā)展的主要?dú)庀笠蜃?，以期能夠分析得到山西省農(nóng)業(yè)干旱與氣象因子之間的相關(guān)性。

6.1?農(nóng)業(yè)干旱與氣溫的關(guān)系

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，全年的月平均氣溫在-10～25℃之間，同時(shí)氣溫的走勢(shì)比較相似，每年同一時(shí)段溫差比較小，1月最低，7、8月最高。此外，從圖1中也可以分析看出山西省氣溫低的月份，干旱分布廣且嚴(yán)重;如果氣溫相對(duì)較高，基本無(wú)旱情或輕度旱情。

6.2?農(nóng)業(yè)干旱與降水的關(guān)系

通過(guò)對(duì)上面的數(shù)據(jù)分析可知，山西省月平均降水量波動(dòng)較大，而且有一定的差異性，但是趨勢(shì)基本相同。這主要是由山西省的氣候條件所決定的。從圖中的溫度植被干旱指數(shù)分布情況可以得出，其最小值通常在6—8月，最大值在1—2月，因此可以得知，6—8月山西省旱情較輕，而1—2月旱情較重。綜合來(lái)看，月平均的溫度植物干旱指數(shù)受降水量變化影響較大，與氣溫變化關(guān)系不明顯。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，如果氣溫變化差異不大，溫度植被干旱指數(shù)與降水量之間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，這足以證明降水量與溫度植被干旱指數(shù)模型有一定的關(guān)系。為了進(jìn)一步分析溫度植被干旱指數(shù)和降水量之間的關(guān)系，可以對(duì)二者之間的正負(fù)相關(guān)性進(jìn)行研究來(lái)確定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，山西省超過(guò)79%的范圍為負(fù)相關(guān)，近20%左右的范圍為正相關(guān)，這充分表明山西省降水量越多的地區(qū)，溫度植被干旱指數(shù)值越小，越不易發(fā)生旱情。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

李臘平（1973-），女，本科，副研究員，高級(jí)工程師。研究方向：氣候與農(nóng)業(yè)。