環(huán)青海湖天然草地干旱指標(biāo)篩選及干旱等級(jí)劃分

楊發(fā)源，安光輝，孫富蘭，赫小紅

(1.青海省海南州氣象局，青海 恰卜恰 813099；2.青海省興海縣氣象局，青海 子科灘 813300)

干旱作為一種氣象災(zāi)害，長期困擾著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，由于地形、海拔、植物的差異，不同地區(qū)的干旱幾率和實(shí)況不盡相同[1～5]。盡管關(guān)于干旱和干旱指標(biāo)已有大量的研究[6～10]，但是由于干旱的形成原因異常復(fù)雜，影響因素很多，包括氣象、水文、地質(zhì)地貌、人類活動(dòng)等，加之研究目的不同，還沒有一個(gè)可以被普遍接受的干旱定義。如帕爾默(Palmer)[11]提出干旱是“一個(gè)持續(xù)的、異常的水分缺乏”；世界氣象組織[12]定義干旱為“在較大范圍內(nèi)相對(duì)長期平均水平而言降水減少，從而導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降”；張景書[13]認(rèn)為干旱是“在一定時(shí)期內(nèi)降水量顯著減少，引起土壤水分虧缺，從而不能滿足農(nóng)作物正常生長所需水分的一種氣候現(xiàn)象”。雖然各種定義的表述不盡相同，但是這些定義中都包含有干旱的核心內(nèi)容即水分缺乏。根據(jù)建立途徑的不同可以把干旱指標(biāo)大致歸納為兩類。一類是通過研究干旱機(jī)理，力圖細(xì)致地反映干旱涉及的各個(gè)物理過程，如土壤水分蒸發(fā)、地表徑流和地表水分補(bǔ)給等，以提高對(duì)干旱強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的反映精度，這類指標(biāo)以帕爾默指數(shù)(PDSI)等為代表，即綜合干旱指標(biāo)。另一類干旱指標(biāo)則是通過氣象學(xué)方法研究降水量的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，以反映干旱的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，即單一干旱指標(biāo)。第一類指標(biāo)的物理機(jī)制較為明確，但其計(jì)算繁雜，對(duì)資料要求較高，部分參數(shù)不能依靠實(shí)驗(yàn)獲得，只能靠經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，從而大大降低了計(jì)算精度。而且由于干旱與局部的氣候、土壤、植被等多種因素有關(guān)，所以時(shí)空變異也在一定程度上降低了這類指標(biāo)的適用范圍。第二類指標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)單，所需資料容易獲取，而且由于指標(biāo)不涉及具體的干旱機(jī)理，時(shí)空適應(yīng)性較強(qiáng)?；谝陨显虮菊n題采用第二類干旱指標(biāo)，即單一干旱指標(biāo)進(jìn)行研究。本文采用氣象干旱指標(biāo)法和農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)法篩選出適合于環(huán)湖地區(qū)草甸草場(chǎng)的干旱指標(biāo)并劃分干旱等級(jí)，從而為有效預(yù)測(cè)和預(yù)防干旱提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青海省海北藏族自治州地處青海湖北部，平均海拔在3 100 m以上，海拔3 000 m以上的高原面積占85%，該地區(qū)屬于高原亞干旱氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季涼爽，秋季短暫，冬季漫長，無絕對(duì)無霜期。干旱災(zāi)害頻繁，尤其是春季和夏季旱災(zāi)頻發(fā)，對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成了巨大的損失。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展、人口增長及由此引起的以氣候變暖為標(biāo)志的全球變化的發(fā)生，干旱有進(jìn)一步加重的趨勢(shì)。

2 兩種干旱指標(biāo)計(jì)算方法

2.1 降水量距平百分率指標(biāo)

2.1.1 計(jì)算方法

降水量距平百分率(Pa)是表征某時(shí)段降水量較常年同期值偏多或偏少的指標(biāo)之一，能直觀反映降水異常引起的干旱。 某時(shí)段降水量距平百分率(Pa)按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

(2)

2.2 土壤重量含水率

2.2.1 計(jì)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(%)，是土壤中實(shí)際水分含量的體現(xiàn)，烘干法測(cè)定土壤濕度的方法按照公式(3)計(jì)算。

(3)

式中：W—土壤重量含水率(%)，g1—盒重，g2—盒與濕土共重，g3—盒與干土共重。

3 兩種干旱指標(biāo)分析比較

下面的分析中，資料取自青海湖北岸海晏縣2000～2010年的觀測(cè)資料。

3.1 兩種干旱指標(biāo)在年度干旱判定中的分析比較

計(jì)算出2000～2010年牧草生長季(4～9月)各月、旬的降水距平百分率(%)，重量含水率等干旱指標(biāo)，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際旱情進(jìn)行對(duì)比分析，劃分出合理的干旱等級(jí)。本文中以每年的3～5月為春季，6～8月為夏季，典型個(gè)例中只有春旱和夏旱，沒有出現(xiàn)大旱和特旱的情況。

表1 2000～2010年環(huán)湖草地干旱個(gè)例

3.1.1 降水量距平百分率指標(biāo)

由于環(huán)湖草地的降水時(shí)空分布極為不均，某一時(shí)段集中的大降水較多，往往在干旱發(fā)生的后期一場(chǎng)集中降水有效的緩解了旱情，而該月的降水量距平百分率達(dá)不到發(fā)生干旱的等級(jí)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實(shí)際情況，如表2所示2000～2010年發(fā)生的8次干旱個(gè)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次被反映了出來，適用頻率為50%。

表2 環(huán)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級(jí)劃分

根據(jù)計(jì)算的各月的降水量距平百分率(%)與實(shí)際發(fā)生干旱的月份的降水量距平百分率(%)進(jìn)行對(duì)比分析和篩選，并參照《青海省氣象災(zāi)害標(biāo)準(zhǔn)》制定出適合于環(huán)湖地區(qū)的干旱等級(jí)劃分表(見表3)。

表3 環(huán)湖地區(qū)降水量距平百分率干旱等級(jí)劃分表

3.1.3 土壤重量含水率模擬指標(biāo)

由于環(huán)湖地區(qū)缺乏大旱、特旱的干旱個(gè)例，本課題運(yùn)用干旱模擬的方法建立干旱試驗(yàn)區(qū)，搭建防雨棚防止雨水降落到試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，模擬長期無降水的狀態(tài)，人為的制造干旱。從搭建防雨棚開始到出現(xiàn)特旱的情況為止，每旬逢8取土測(cè)定土壤重量含水率，從而掌握從無旱到特旱的整個(gè)過程土壤中實(shí)際的水分狀況，為干旱等級(jí)的劃分提供依據(jù)。首先從本站土壤水分監(jiān)測(cè)資料中篩選出2000～2010年環(huán)湖草地發(fā)生干旱時(shí)段的土壤重量含水率(表4)，然后結(jié)合干旱模擬試驗(yàn)的土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，劃分不同的干旱等級(jí)。

表4 環(huán)湖地區(qū)2000～2010年干旱個(gè)例從干旱開始到結(jié)束的(0～10 cm)土壤重量含水率(%)

由表4可看出，發(fā)生中旱時(shí)0～10 cm的土壤重量含水率的上限為9.9%，而當(dāng)土壤重量含水率為10.7%時(shí)發(fā)生輕旱，即發(fā)生中旱的界限在9.9%～10.7%之間，取整數(shù)應(yīng)為10%，也就是說當(dāng)土壤重量含水率小于10%時(shí)即發(fā)生中旱，而干旱解除時(shí)土壤重量含水率的下限為15%左右，即可判定當(dāng)土壤重量含水率在10%～15%之間時(shí)發(fā)生輕旱，而當(dāng)土壤重量含水率大于15%時(shí)無旱情。由于環(huán)湖地區(qū)沒有出現(xiàn)過大旱、特旱的的情況，本課題設(shè)置的干旱模擬試驗(yàn)很好的模擬了長期無降水情況下，出現(xiàn)重旱時(shí)土壤重量含水率的情況(見表5)。

表5 干旱模擬試驗(yàn)地各時(shí)段土壤重量含水率(%)

表6 搭建雨棚期間干旱試驗(yàn)區(qū)干土層厚度和牧草受害癥狀

由表6可以看出，發(fā)生干旱時(shí)豆科類牧草對(duì)水分最為敏感，最先表現(xiàn)出受害癥狀，到7月18日時(shí)干旱試驗(yàn)區(qū)10 cm土壤重量含水率為3.8%，大部分牧草死亡，觀測(cè)小區(qū)內(nèi)只剩稀疏幾株冰草，觀測(cè)小區(qū)出現(xiàn)重旱的情況。發(fā)生特旱時(shí)，牧草全部死亡，草場(chǎng)毫無生機(jī)。由此得出適合于環(huán)湖草地的土壤重量含水率干旱等級(jí)劃分見表7。

表7 土壤重量含水率干旱等級(jí)劃分

4 結(jié)論

(1)環(huán)湖天然草場(chǎng)降水距平百分率可以作為該地區(qū)草地干旱的指標(biāo)，其等級(jí)劃分從-50

(2)環(huán)湖天然草場(chǎng)土壤重量含水率可以作為該地區(qū)草地干旱的指標(biāo)，其等級(jí)劃分從15

(3)環(huán)湖天然草場(chǎng)土壤重量含水率可以作為該地區(qū)草地干旱的指標(biāo)和干旱等級(jí)劃分較降水距平百分率準(zhǔn)確率高，主要原因在于同量降水在月尺度的時(shí)間分布狀況不均導(dǎo)致干旱表征的不一致。

(4)本文結(jié)論適合于環(huán)湖優(yōu)良草場(chǎng)干旱判定應(yīng)用以及高海拔同類草場(chǎng)推廣應(yīng)用，不適合草場(chǎng)類型差異較大草場(chǎng)類型中推廣應(yīng)用(譬如：荒漠化草場(chǎng)、草甸型草場(chǎng)等)。