貴州喀斯特地貌下的水稻旱災(zāi)損失評(píng)估

胡家敏， 古書(shū)鴻， 張 波， 趙 娟

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002；3.貴州省桐梓縣氣象局，貴州 桐梓 563000)

貴州省水稻播種總面積為67萬(wàn)hm2左右，除大災(zāi)年外，產(chǎn)量基本上維持在400萬(wàn)t以上，占全年糧食產(chǎn)量的30%以上，幾乎占秋糧的50%，為全省重要的糧食作物之一。近年來(lái)，在全球氣候變暖背景下，極端天氣氣候事件頻發(fā)。農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生頻率和強(qiáng)度明顯增加，特別是近幾年較頻繁發(fā)生的季節(jié)性干旱對(duì)貴州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較大。2006年川渝及黔北地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，貴州遵義市水稻減產(chǎn)率達(dá)30%以上，減產(chǎn)嚴(yán)重。2009年秋至2010年春，西南地區(qū)發(fā)生罕見(jiàn)秋冬春連旱。2011年和2013年發(fā)生特大夏伏旱，導(dǎo)致貴州水稻嚴(yán)重減產(chǎn)，其中2011年發(fā)生范圍廣，程度深，全省水稻減產(chǎn)率達(dá)31%。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估干旱對(duì)貴州水稻生產(chǎn)的影響具有重要意義。而土壤水分監(jiān)測(cè)是最直接的干旱監(jiān)測(cè)方法，但由于受儀器穩(wěn)定性、站點(diǎn)代表性、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性等因素的限制，導(dǎo)致土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)尚不能很好地滿足干旱監(jiān)測(cè)的需求，數(shù)據(jù)經(jīng)常失真。因此，應(yīng)用穩(wěn)定地面氣象數(shù)據(jù)模擬土壤水分成為一種重要的方法。土壤水分模擬主要包括水文模型[1-2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立時(shí)間序列模型[3]等，宋麗莉等[4-5]基于稻田水分平衡方程，建立干旱動(dòng)態(tài)模型, 并對(duì)廣東水稻歷史干旱進(jìn)行了分析研究。目前，未見(jiàn)關(guān)于貴州喀斯特地貌下的相關(guān)研究報(bào)道。為此，在前人研究的基礎(chǔ)上，基于貴州氣候背景和地形地貌特征，研究建立適合貴州氣候背景和自然環(huán)境條件下的水稻干旱評(píng)估模型，以期為農(nóng)業(yè)救災(zāi)和水稻氣象保險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

水稻產(chǎn)量：1949-2014年貴州省34個(gè)縣的水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)，貴州省統(tǒng)計(jì)局。

氣象數(shù)據(jù)：貴州省34個(gè)縣的光溫水逐日氣象數(shù)據(jù)，貴州省氣象局氣象信息中心。

34個(gè)縣(圖1)分布于貴州省不同生態(tài)類型，能夠代表貴州水稻的種植水平和生態(tài)種植區(qū)域，反映出貴州水稻生產(chǎn)的真實(shí)情況。貴州水稻播種出苗期為3月下旬至4月下旬，移栽返青期為5月中旬至6月中旬；分蘗期為6月上旬至7月上旬；拔節(jié)孕穗期為6月下旬至7月下旬；抽穗揚(yáng)花期為8月上旬至8月下旬；灌漿成熟期為8月下旬至9月中旬。

圖1 水稻研究區(qū)域選取的站點(diǎn)分布

Fig.1 Station distribution of study area of rice

1.2 研究方法

1.2.1水稻干旱模型 不同降雨強(qiáng)度形成的徑流不同，對(duì)稻田水分補(bǔ)充的效果也不同。研究假定日降雨量(Rd)不同級(jí)情況下，其徑流補(bǔ)充系數(shù)(kd)不同。即Rd<5mm(kd=0)，5 mm≤Rd<10 mm(kd=0.1)，10 mm≤Rd<20 mm(kd=0.3)，20 mm≤Rd<50 mm(kd=0.5)，Rd≥50 mm(kd=0.7)。則水稻田的水分收入(WId，mm)計(jì)算公式如下。

WId=Rd×(1+Kd)

水稻蒸散以及滲漏是稻田水分支出的主要途徑。其中，滲漏量按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的2 mm/d計(jì)。蒸散消耗根據(jù)每天的氣象條件確定，其中溫度和日照是主要影響因子。參照文獻(xiàn)[6]的方法構(gòu)建土壤水分蒸散消耗〔W(T,S,H)，mm〕模型。

W(T,S,H)=(T/10)×{1+(S/10)×[1+(T/10000)]}

式中，T為日氣溫，S為日照時(shí)數(shù)，H為海拔。

該計(jì)算公式可代替彭曼公式，又能實(shí)時(shí)獲取氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算稻田水分蒸散消耗，經(jīng)文獻(xiàn)[7]的方法驗(yàn)證，計(jì)算得到的貴州喀斯特地貌下的干旱時(shí)空發(fā)展規(guī)律與貴州實(shí)際干旱情況相符。

依據(jù)稻田水分收支平衡原理，建立稻田土壤含水量(mm)模型。

當(dāng)Wd-1≥Wfc時(shí)，

Wd=Wd-1+WId-W(T,S,H)-2

選取各地級(jí)市工業(yè)的廢水、二氧化硫和煙塵排放量，工業(yè)的固體廢物利用率、煙塵去除量5個(gè)指標(biāo)，記x1、x2、x3、x4、x5，數(shù)據(jù)均來(lái)源《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒2016》。

當(dāng)Wd-1

Wd=Wd-1+WId-W(T,S,H)×(Wd-1/Wfc)

式中，Wd為當(dāng)日稻田含水量，Wd-1為前一日含水量(mm)，WId為稻田當(dāng)天水分收入(mm)，Wfc田間持水量狀態(tài)下的土壤有效水分含量(mm)，W(T,S,H)為當(dāng)日稻田水分蒸散消耗量(mm)。

當(dāng)?shù)咎锼趾看笥谔镩g持水量時(shí)，無(wú)旱。當(dāng)?shù)咎锼趾啃∮谔镩g持水量時(shí)，則出現(xiàn)干旱。基于此，構(gòu)建稻田動(dòng)態(tài)日干旱指數(shù)(RDI)模型。

RDI=(Wd-Wfc)/Wfc

因?yàn)楦珊凳且粋€(gè)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)程造成的結(jié)果，故干旱對(duì)水稻的影響也是一個(gè)積累過(guò)程，研究采用累積干旱指數(shù)評(píng)估旱情。

1.2.2 作物減產(chǎn)率模型 尹東等[7-8]認(rèn)為，作物產(chǎn)量可分解為反映生產(chǎn)力水平的趨勢(shì)產(chǎn)量和影響波動(dòng)的氣象產(chǎn)量以及隨機(jī)產(chǎn)量，這種分解方式是在氣象條件沒(méi)有造成較大損失或者是毀滅性的災(zāi)害時(shí)可行，但是當(dāng)遭遇重大農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害時(shí)，這種分解方法就不再適用，這時(shí)氣象災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重影響到生產(chǎn)力水平，趨勢(shì)就不存在了。最高產(chǎn)量為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)力水平下氣象條件最為適宜情況下的產(chǎn)量。因此，計(jì)算減產(chǎn)率時(shí)可考慮選用近年來(lái)(品種穩(wěn)定情況下)的最高產(chǎn)量作為分母。根據(jù)1981-2014年貴州水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)以及M-K秩次檢驗(yàn)[9]， 1989年貴州省水稻的單產(chǎn)可能由于品種改良或者是種植水平的大幅提高，單產(chǎn)水平出現(xiàn)一個(gè)質(zhì)的飛躍，1989年至今就沒(méi)有出現(xiàn)突變點(diǎn)，1989年以后全省水稻品種始終維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，采用各地1989年以來(lái)的最高單產(chǎn)作為分母計(jì)算減產(chǎn)率(Y)。

式中，Y代表減產(chǎn)率，Yd代表當(dāng)年實(shí)際單產(chǎn)，Ymax為當(dāng)?shù)刈罡邌萎a(chǎn)。

利用逐日氣象數(shù)據(jù)計(jì)算輸出各年逐日水稻田的干旱指數(shù)，并將不同生育期和整個(gè)生長(zhǎng)季的逐日干旱指數(shù)累加起來(lái)計(jì)算出累積干旱指數(shù)。并挑選出2009-2010年的特大夏秋春連旱(主要分析春旱對(duì)水稻的影響)，2011年的特大干旱以及2013年的特大夏旱年等干旱災(zāi)害典型年份的累積干旱指數(shù)與當(dāng)年水稻減產(chǎn)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 2010年干旱評(píng)估

2010年1月至3月中旬降水異常偏少，大部偏少在50%以上，3月旱情迅速發(fā)展和加劇。旱情發(fā)展為全省性的干旱。4月西部和南部旱情繼續(xù)發(fā)展，5月上旬至6月上旬全省各地旱情陸續(xù)解除。6月中旬后光溫水匹配較好，全省沒(méi)有出現(xiàn)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。因此，2010年的干旱發(fā)生在水稻苗期。從圖2看出，2010年水稻產(chǎn)量與最高年份相比略有下降，干旱幾乎無(wú)影響。各地水稻播種育苗期旱情累積指數(shù)基本在-2以上。由于各地采取了科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施，苗期干旱對(duì)水稻生產(chǎn)基本未產(chǎn)生不利影響，而且由于苗期輕旱利于水稻根系生長(zhǎng)，中部以南的大部地區(qū)水稻獲得高產(chǎn)，與歷史最高年份接近。

圖2 2010年水稻播種育苗期累積干旱指數(shù)及其減產(chǎn)率分布

Fig.2 Drought index and Distribution of yield reduction rate of seedling period of rice in 2010

2.2 2011年特大干旱評(píng)估

2011年6月貴州省的雨水較為集中，7月上中旬，雖然全省發(fā)生少雨時(shí)段近10 d，但由于7月5-7日全省出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣過(guò)程，旱情并不明顯。7月20日后，由于氣溫高、蒸發(fā)大，旱情逐步發(fā)展，隨著晴熱高溫天氣持續(xù)且范圍擴(kuò)大，致使干旱迅速發(fā)展。發(fā)生干旱時(shí)段正好與水稻灌漿成熟期重合。

2011年水稻灌漿成熟期的累積干旱指數(shù)經(jīng)剔除掉大于等于0的站點(diǎn)(無(wú)旱站點(diǎn))，利用剩下25個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)建立水稻減產(chǎn)率與灌漿成熟期累積干旱指數(shù)的關(guān)系方程為y=0.5546x-35.428，相關(guān)關(guān)系(R)為0.453 5，當(dāng)n=25時(shí)，R的臨界值為0.418 2，通過(guò)0.05的置信度檢驗(yàn)，表明方程顯著。2011年的干旱發(fā)生在水稻灌漿成熟期，干旱不但使植株光合作用速率、體內(nèi)同化物的生產(chǎn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和積累受到影響，還會(huì)加速葉片的老化及根系的早衰，導(dǎo)致千粒重和結(jié)實(shí)率降低，減產(chǎn)明顯。從圖3看出，累積干旱指數(shù)在-10以下，減產(chǎn)率達(dá)30%以上。

2.3 2013年特大干旱評(píng)估

2013年7月貴州省大部出現(xiàn)持續(xù)的高溫少雨天氣，平均氣溫偏高1.6℃，為1961年以來(lái)同期最束。2013年的干旱主要發(fā)生在水稻抽穗揚(yáng)花期。從圖4可知，2013年水稻抽穗揚(yáng)花期累積干旱指數(shù)與2013年水稻減產(chǎn)率的變化趨勢(shì)非常一致，中部以北以及東部大部累積干旱指數(shù)的絕對(duì)值較大，而相應(yīng)的水稻減產(chǎn)率也較大。

圖3 2011年水稻灌漿成熟期累積干旱指數(shù)與減產(chǎn)率的線性關(guān)系

Fig.3 Linear relationship between drought index and yield reduction rate in filling and ripening stage of rice in 2011

高，42個(gè)縣(市、區(qū))出現(xiàn)35℃以上高溫天氣。全省7月平均降水量為42.1 mm，較常年偏少78.6%，為1961年以來(lái)同期第1低位。8月1-3日，僅西南部、西部局地出現(xiàn)強(qiáng)降水，其余大部降水持續(xù)偏少，造成旱情進(jìn)一步蔓延和加重。8月16-18日，全省僅局地旱情得到緩解，旱情仍在繼續(xù)。直至8月23-25日全省出現(xiàn)大范圍降雨過(guò)程，旱情漸趨結(jié)

圖4 2013年水稻減產(chǎn)率分布與水稻抽穗揚(yáng)花期累積干旱指數(shù)分布

Fig.4 Drought index and distribution of yield reduction rate in heading and flowering stage of rice in 2013

2013年水稻抽穗揚(yáng)花期的累積干旱指數(shù)經(jīng)剔除掉大于等于0的站點(diǎn)(無(wú)旱站點(diǎn))，利用剩下30個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)建立水稻減產(chǎn)率與累積干旱指數(shù)的關(guān)系方程為y=0.678 2x-28.181，相關(guān)關(guān)系(R)為0.440 9。當(dāng)n=30時(shí),R的臨界值為0.418 2，通過(guò)0.05的信度檢驗(yàn)，表明方程是顯著的。2013年的干旱發(fā)生在水稻抽穗揚(yáng)花期，正是水稻需水關(guān)鍵期，干旱造成嚴(yán)重減產(chǎn)。從圖5看出，抽穗揚(yáng)花期累積干旱指數(shù)在-5以下，減產(chǎn)率達(dá)30%以上。

圖5 2013年水稻抽穗揚(yáng)花期干旱指數(shù)與減產(chǎn)率的線性關(guān)系

Fig.5 Linear relationship between drought index and yield reduction rate in heading and flowering stage of rice in 2013

3 小結(jié)

貴州水稻品種的特性在1989年有一次質(zhì)的飛躍，品種改良達(dá)到相對(duì)最佳水平，1989年以后的單產(chǎn)波動(dòng)基本上是由于氣候異常原因所致。

研究結(jié)果表明，不同生育期干旱對(duì)水稻產(chǎn)量影響不同，水稻抽穗揚(yáng)花期干旱對(duì)產(chǎn)量的影響最大。水稻播種育苗期旱情累積指數(shù)在-2以下時(shí)對(duì)產(chǎn)量基本無(wú)影響；水稻抽穗揚(yáng)花期，正是水稻需水關(guān)鍵期，累積干旱指數(shù)在-5以下，減產(chǎn)率達(dá)30%以上；而水稻灌漿成熟期累積干旱指數(shù)在-10以下，減產(chǎn)率達(dá)30%以上。研究?jī)H基于空間點(diǎn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)方法而得出結(jié)論，在時(shí)間尺度上的驗(yàn)證還屬于空白，因?yàn)?014至今，貴州基本無(wú)全省性的夏伏旱發(fā)生，僅在局部發(fā)生了較為明顯的干旱。因此，水稻旱情評(píng)估結(jié)論無(wú)法用實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證，還需在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中加以驗(yàn)證和完善。