貴州省農(nóng)業(yè)與氣象干旱特征及其響應(yīng)關(guān)系

游 漫， 賀中華,2,3， 張 浪， 楊銘珂， 皮貴寧

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550001；2.貴州師范大學(xué)國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴陽(yáng) 550001；3.貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550001)

干旱是全球常見(jiàn)且最具破壞性的自然災(zāi)害，具有干旱歷時(shí)長(zhǎng)、干旱烈度大、發(fā)生頻率高以及范圍廣等的特點(diǎn)，是威脅著人類(lèi)生命安全及財(cái)產(chǎn)安全的自然災(zāi)害。干旱阻礙農(nóng)作物生長(zhǎng)和發(fā)展，農(nóng)作物收成降低。氣象干旱是其他干旱發(fā)生的基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)干旱的外在驅(qū)動(dòng)力，可見(jiàn)氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱具有較強(qiáng)的相關(guān)性。貴州地處南方喀斯特分布區(qū)，雖然受西南季風(fēng)影響，降水豐富，但是卻受喀斯特作用的影響，常年缺水，干旱現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，對(duì)貴州省氣象、農(nóng)業(yè)干旱特征及其二者之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究是十分必要的，可為農(nóng)業(yè)防旱抗旱工作提供參考。

干旱包括氣象、水文、農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱4種，分別用降水、徑流、土壤水分以及社會(huì)發(fā)展用水的不足表示。已有研究表明，由于大氣降水、地表水和地下水在水循環(huán)中相互聯(lián)系，且氣象、水文和農(nóng)業(yè)干旱密切相關(guān)，因此，長(zhǎng)期降水不足將引起土壤水分和徑流的異常，從而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱和水文干旱的發(fā)生。Xu等利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index)和標(biāo)準(zhǔn)化土壤水指數(shù)(standardized soil moisture index)對(duì)氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行表征，通過(guò)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生與氣象干旱的嚴(yán)重程度同步增加，在夏季農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)程度較高。羅綱等利用水分盈虧指數(shù)(crop water deficit index，CWDI)和相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)(relative moisture index，MI)研究淮河蚌埠閘以上地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱與氣象干旱關(guān)聯(lián)性發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)干旱較氣象干旱周期更長(zhǎng)，頻率及強(qiáng)度更大，氣象干旱加劇農(nóng)業(yè)干旱旱情。Yao等利用小波分析研究農(nóng)業(yè)、水文和氣象干旱的周期性特征發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)干旱與氣象干旱的聯(lián)系性更強(qiáng)。賴(lài)力等利用最大相關(guān)系數(shù)法分析農(nóng)業(yè)干旱對(duì)不同時(shí)間尺度氣象干旱的響應(yīng)，結(jié)果表明農(nóng)業(yè)干旱對(duì)3個(gè)月尺度的氣象干旱響應(yīng)最靈敏。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index)等指標(biāo)表征氣象干旱；利用標(biāo)準(zhǔn)化土壤水分指數(shù)(SSI)、植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)、水分盈虧指數(shù)(CWDI)等指標(biāo)表征農(nóng)業(yè)干旱?；谙嚓P(guān)性分析、小波分析、構(gòu)建Copula模型等對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行定性和定量，以此來(lái)判別農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)。以上研究往往只注重響應(yīng)時(shí)間，而忽略響應(yīng)的嚴(yán)重程度，很少利用指標(biāo)來(lái)定量表征農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)嚴(yán)重程度，且對(duì)2種干旱在不同下墊面之間的轉(zhuǎn)移概率研究較少。

貴州省作為喀斯特大省，流域介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因二元結(jié)構(gòu)地下存在特殊儲(chǔ)水空間，盡管降水豐富，農(nóng)業(yè)干旱現(xiàn)象仍較為嚴(yán)重。因此，本文以貴州省為研究對(duì)象，利用降水?dāng)?shù)據(jù)和土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)從季節(jié)的時(shí)空角度分析農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)，同時(shí)結(jié)合下墊面因子探討兩者的時(shí)空干旱特征以及轉(zhuǎn)移概率特征。主要研究目標(biāo)有：(1)研究氣象、農(nóng)業(yè)干旱季節(jié)性的時(shí)空演變特征；(2)研究下墊面條件下農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)特征；(3)分析下墊面條件下農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)轉(zhuǎn)移概率關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

貴州是中國(guó)南方錐狀喀斯特類(lèi)型的典型分布區(qū)，地處云貴高原向東部低山丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，為四川盆地和廣西盆地之間一個(gè)強(qiáng)烈?guī)r溶化的高原山區(qū)(圖1)。地貌深受地質(zhì)構(gòu)造控制，切割強(qiáng)烈、高差明顯、以盆地、洼地和山谷為主，地形復(fù)雜，地表破碎，巖石裸露程度高?？λ固氐孛舶l(fā)育廣，占貴州省面積的73%。位于副熱帶東亞大陸季風(fēng)區(qū)，受西南季風(fēng)的影響，降水充足，年均降水量達(dá)1 100～1 300 mm，雨熱同期。由于地下二元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降雨在地表停留時(shí)間短，絕大部分滲入地下，地下溶洞、溶溝、地下河等發(fā)育，地下排水流暢，保水和持水能力弱。同時(shí)，貴州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要受制于“地”，因此研究貴州省氣象干旱對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的影響是至關(guān)重要的。

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所使用的逐月數(shù)據(jù)資料為1980—2020年17個(gè)氣象站點(diǎn)的降水觀測(cè)數(shù)據(jù)與17個(gè)站點(diǎn)的地下土壤水分提取數(shù)據(jù)，共34個(gè)樣本站點(diǎn)數(shù)據(jù)。其中，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http：//data.cma.cn)，土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于NASA全球陸地同化系統(tǒng)(GLDAS，Global Land Date Assimilation System)(https://disc.gsfc.nasa.gov/)的GLDAS_NOAHO25_M陸地表面模型數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為1個(gè)月?？紤]到土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)比固定深度的根系土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)更適合于農(nóng)業(yè)干旱模擬，便選取土壤中0—100 cm土層最有效的部分植被根區(qū)水分。利用貴州省17個(gè)氣象站點(diǎn)借助ArcGIS軟件技術(shù)手段提取1980—2020年逐月土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)資料并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；其他數(shù)據(jù)包括貴州省地貌類(lèi)型數(shù)據(jù)和地表切割深度數(shù)據(jù)等。

2.2 研究方法

2.2.1 干旱指數(shù)選取 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)計(jì)算方法是由mc Kee等提出，被廣泛用于氣象干旱監(jiān)測(cè)和分析指標(biāo)，由不同時(shí)間尺度內(nèi)累積的降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得出，被世界氣象組織(WMO)接受為標(biāo)準(zhǔn)的干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)，用于量化和預(yù)測(cè)全球干旱。SPI具體計(jì)算方法參照Mc Kee等和孫智輝等的方法。

標(biāo)準(zhǔn)化土壤水分指數(shù)(SSI)用于農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估分析，其計(jì)算方法與SPI相似，符合伽馬分布，采用雙參數(shù)伽馬概率密度函數(shù)描述降水和土壤水分的頻率分布，計(jì)算公式為：

(1)

式中：()為gamma函數(shù)；為降水(土壤水分)累計(jì)，其中和為gamma的形狀和尺度參數(shù)。并根據(jù)國(guó)家氣象干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 20481—2206)，根據(jù)SPI、SSI值對(duì)干旱程度進(jìn)行分級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 SPI與SSI干旱程度等級(jí)劃分

2.2.2 干旱事件識(shí)別 本文通過(guò)游程理論識(shí)別干旱事件，主要用其來(lái)定量評(píng)估干旱烈度和干旱歷時(shí)2個(gè)特征變量，以此達(dá)到對(duì)貴州省農(nóng)業(yè)、氣象干旱特征選取。以計(jì)算出逐月的SPI和SSI值為基礎(chǔ)，根據(jù)干旱判別指標(biāo)，當(dāng)SPI/SSI<-0.5時(shí)，則判定發(fā)生干旱，干旱歷時(shí)即干旱持續(xù)時(shí)間，表示干旱從發(fā)生到結(jié)束的時(shí)間，干旱烈度為干旱歷時(shí)過(guò)程中SPI/SSI的累計(jì)值。本文參考相關(guān)研究，利用游程理論從SPI/SSI的時(shí)間序列中提取干旱歷時(shí)和干旱烈度2個(gè)干旱特征變量，并將時(shí)間序列中的小干旱事件進(jìn)行合并和刪除。

2.2.3 傳播響應(yīng)率 農(nóng)業(yè)干旱與氣象干旱之間的傳播百分比表示為響應(yīng)率(，response rate index)，傳播百分比越高，農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱更為敏感，兩者間的響應(yīng)越高，較低的百分比表示農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)關(guān)系弱(表2)。響應(yīng)率計(jì)算公式為：

表2 傳播響應(yīng)率與下墊面條件分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(2)

式中：為響應(yīng)率的百分比(%)；為響應(yīng)氣象干旱事件的農(nóng)業(yè)干旱事件的次數(shù)；為記錄期間發(fā)生的氣象干旱事件次數(shù)。

2.2.4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣又稱(chēng)馬爾科夫鏈，農(nóng)業(yè)、氣象系列可以看作是馬爾科夫過(guò)程，一個(gè)離散時(shí)間的馬爾科夫鏈，,,,…,,其隨機(jī)過(guò)程具有馬爾科夫性質(zhì)，即將到來(lái)的狀態(tài)只取決于當(dāng)前的狀態(tài)，不依賴(lài)于之前的狀態(tài)-1,-2,…,。設(shè)隨機(jī)序列{，=0,1,2，…，},的條件分布函數(shù)與在+1=+1條件下的條件分布函數(shù)相等，即：

(+1=+1|=,=,…,==(+1=+1|=)

(3)

設(shè)(=|=)=為狀態(tài)到狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，則表示為轉(zhuǎn)移概率矩陣形式。

對(duì)于性質(zhì)1和性質(zhì)2，第二學(xué)段教材的正文，沒(méi)有明顯地呈現(xiàn)其相關(guān)應(yīng)用，第三學(xué)段主要將其應(yīng)用于證明和計(jì)算相關(guān)問(wèn)題．

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)業(yè)、氣象干旱特征分析

3.1.1 干旱特征時(shí)間分析 本文利用游程理論選取干旱歷時(shí)和干旱烈度2個(gè)變量特征，分析農(nóng)業(yè)、氣象干旱的年際和季節(jié)性干旱特征變化趨勢(shì)。圖2和圖3為1980—2020年農(nóng)業(yè)、氣象干旱年際及不同季節(jié)下干旱特征的變化。結(jié)果表明，在年際尺度上，SPI干旱歷時(shí)的年際變化短于SSI，SPI和SSI干旱歷時(shí)最長(zhǎng)分別為7個(gè)月(2009年、2011年)和12個(gè)月(2005年)，SPI干旱烈度值小于SSI，值越小，則越干旱，兩者干旱烈度最小值分別為-7.68(2011年)和-19.03(2011年)。

圖2 氣象-農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)特征

圖3 氣象-農(nóng)業(yè)干旱烈度特征

在季尺度上，由圖2可知，2011年SPI春、夏季干旱歷時(shí)均達(dá)到3個(gè)月，而秋、冬季節(jié)分別在2009年，1995年發(fā)生3個(gè)月持續(xù)干旱。春季SSI在2012年干旱歷時(shí)達(dá)3個(gè)月，夏季(2003年、2005年、2011年、2018年)、秋季(1992年、2003年、2005年、2009年、2011年)和冬季(2007年、2009年、2011年)均在以上年份干旱歷時(shí)長(zhǎng)于其他年。由圖3可知，SSI季節(jié)性干旱烈度變化比SPI顯著，SPI干旱烈度最大發(fā)生于2009年冬季，為-3.41；SSI干旱烈度最大發(fā)生在1987年夏季，為-7.32，達(dá)特旱等級(jí)，SSI季節(jié)性干旱烈度均大于SPI。綜上，貴州省在2000年后，干旱歷時(shí)長(zhǎng)，干旱烈度增強(qiáng)。農(nóng)業(yè)干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于氣象干旱，干旱烈度也呈上升趨勢(shì)。這是由于貴州省具有特殊的喀斯特地貌，且貴州農(nóng)業(yè)干旱主要受制于“地”，降雨在地表流速快，滯留時(shí)間短，地下排水流暢，地下水不能補(bǔ)給土壤水；且貴州技術(shù)落后，經(jīng)濟(jì)條件差，對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用少。因此，一旦發(fā)生氣象干旱，便會(huì)引發(fā)更大的農(nóng)業(yè)干旱。

3.1.2 干旱特征空間分析 為探究1980—2020年氣象、農(nóng)業(yè)干旱的干旱歷時(shí)空間變化特征，根據(jù)選取的17個(gè)站點(diǎn)，計(jì)算其年際和季節(jié)的干旱歷時(shí)，并利用ArcGIS軟件中的樣條函數(shù)插值法繪制SPI和SSI干旱歷時(shí)空間分布(圖4和圖5)。從氣象干旱年際和季節(jié)空間分布來(lái)看(圖4)，干旱歷時(shí)空間分布無(wú)顯著差異且變化比較單一。春、夏及秋季變化趨勢(shì)與年際變化(91.79～174.16個(gè)月)較一致，呈北部低而其他區(qū)域高的變化趨勢(shì)，且干旱歷時(shí)較長(zhǎng)區(qū)域均處于黔西一帶。冬季干旱歷時(shí)分布差異較明顯，干旱歷時(shí)較長(zhǎng)的區(qū)域位于貴陽(yáng)、遵義地區(qū)西北部一帶。夏季(15.73～51.39個(gè)月)和冬季(17.63～50.21個(gè)月)干旱歷時(shí)相較于春季(12.52～46.13個(gè)月)和秋季(23.13～47.31個(gè)月)歷時(shí)較長(zhǎng)。干旱歷時(shí)變化與降水季節(jié)性及貴州省特殊喀斯特地貌有關(guān)。

圖4 SPI干旱歷時(shí)空間分布

圖5 SSI干旱歷時(shí)空間分布

從圖5a可以看出，貴州省農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)從西北向東南變化趨勢(shì)呈“高-低-高-低”條帶狀分布，年際發(fā)生干旱的總歷時(shí)約為122.64～162.98個(gè)月，畢節(jié)與威寧是研究區(qū)內(nèi)干旱歷時(shí)最長(zhǎng)的區(qū)域，而榕江、桐梓、盤(pán)縣、興義等區(qū)域干旱歷時(shí)相對(duì)較短。春季(圖5b)干旱歷時(shí)以西北部(畢節(jié)、威寧)、南部(望謨、羅甸)最長(zhǎng)，中部(黔西、安順、貴陽(yáng)等)次之，東北部(思南、三穗等)、西南部(興義)最短的空間變化特征，干旱歷時(shí)為25.19～43.01個(gè)月。夏季(圖5c)以北部(桐梓)、西部(盤(pán)縣)和東南部(榕江)干旱歷時(shí)較短，其他區(qū)域歷時(shí)長(zhǎng)的變化特征，干旱歷時(shí)為23.27～41.15個(gè)月。秋、冬季節(jié)(圖5d、圖5e)干旱歷時(shí)分別為25.65～39.87個(gè)月和29.04～47.54個(gè)月，秋季呈自西向東“低-高-低-高”條帶狀變化趨勢(shì)、冬季呈“北高南低”變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)干旱冬季干旱歷時(shí)相較于其他季節(jié)，干旱期較長(zhǎng)，秋季干旱歷時(shí)較短。

干旱烈度即表示為在一定程度上反映干旱強(qiáng)弱。從圖6可以看出，SPI干旱烈度空間差異性相較于SSI較為明顯且復(fù)雜，年際干旱烈度在空間上無(wú)顯著差異，干旱烈度為-0.97～0.157，其中畢節(jié)地區(qū)未發(fā)生明顯氣象干旱，其他地區(qū)發(fā)生輕度干旱。春季和夏季干旱烈度分別為-1.128～-0.204，-1.161～-0.671，顯然，春季獨(dú)山、夏季湄潭地區(qū)達(dá)中旱等級(jí)。秋季自西北向東南呈“增強(qiáng)-減弱-增強(qiáng)”演變特征，其中威寧、獨(dú)山、榕江、三穗等區(qū)域干旱化態(tài)勢(shì)較強(qiáng)，干旱烈度為-1.159～-0.643，以輕旱為主。冬季干旱烈度自西南向東北呈遞減趨勢(shì)，為-1.267～-0.421，在盤(pán)縣達(dá)中旱等級(jí)，其他地區(qū)干旱化態(tài)勢(shì)較弱。從圖7可以看出，貴州省農(nóng)業(yè)干旱年際和季節(jié)干旱烈度空間分布特征無(wú)顯著差異。由年際(圖7a)變化來(lái)看，農(nóng)業(yè)干旱表現(xiàn)為東北部干旱化態(tài)勢(shì)強(qiáng)，其余地區(qū)態(tài)勢(shì)弱的變化特征，干旱烈度為-1.721～-0.726，以輕中旱為主。從季節(jié)上看，春季干旱烈度為-1.721～-0.725，干旱顯著發(fā)生在西南部的興義地區(qū)，干旱等級(jí)達(dá)重旱，而在桐梓、貴陽(yáng)、望謨、羅甸、凱里等地區(qū)干旱化態(tài)勢(shì)較弱。夏季干旱化態(tài)勢(shì)自北向東南呈“增強(qiáng)-減弱-增強(qiáng)”變化趨勢(shì)，干旱烈度為-1.908～-0.961，北部和東南部以重旱為主，其余地區(qū)以輕中旱為主。秋季和冬季空間演變趨勢(shì)較其他季節(jié)更為顯著，干旱烈度均呈自東北向西南遷移，干旱化態(tài)勢(shì)變強(qiáng)，以中旱為主。

圖6 SPI干旱烈度空間分布

圖7 SSI干旱烈度空間分布

3.2 不同下墊面條件下農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)特征分析

3.2.1 不同地貌類(lèi)型下農(nóng)業(yè)-氣象干旱響應(yīng)特征 氣象、農(nóng)業(yè)干旱之間關(guān)系主要包括一場(chǎng)氣象干旱引發(fā)一場(chǎng)農(nóng)業(yè)干旱、一場(chǎng)氣象干旱引發(fā)多場(chǎng)農(nóng)業(yè)干旱、多場(chǎng)氣象干旱引發(fā)一場(chǎng)農(nóng)業(yè)干旱。氣象、農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生與下墊面有密切聯(lián)系，本文擬選取地貌類(lèi)型和地表切割深度2個(gè)自然因素在空間上對(duì)氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)程度進(jìn)行分析，根據(jù)貴州省綜合地貌圖，將地貌類(lèi)型劃分為6類(lèi)(表2)。在不同地貌類(lèi)型下，季節(jié)性的傳播響應(yīng)程度的空間變化特征中春季(圖8a)農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)較高的區(qū)域在威寧西部地區(qū)，傳播響應(yīng)率為80%～90%，地貌類(lèi)型主要以半喀斯特低中山地貌為主，因半喀斯特低中山地區(qū)溶蝕-侵蝕作用強(qiáng)烈，其裂隙、孔隙大，易導(dǎo)致水資源枯竭，并且春季作物需水量大，導(dǎo)致土壤水分對(duì)降水增減非常敏感，尤其在海拔較高、坡度較大的區(qū)域，因此響應(yīng)程度高。夏季(圖8b)傳播響應(yīng)率呈自西向東遞增的變化趨勢(shì)，氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)率最高的區(qū)域在貴陽(yáng)、凱里一帶，其地貌類(lèi)型以峰叢谷地為主，響應(yīng)率為80%～90%，峰叢谷地以溶蝕作用為主，夏季雖降水充足，但地下溶洞、溶溝、地下河、節(jié)理裂隙發(fā)育，保水能力弱，農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)程度較高。秋季(圖8c)和冬季(圖8d)傳播響應(yīng)率空間變化顯著且復(fù)雜，秋季響應(yīng)高的區(qū)域位于望謨和獨(dú)山南部區(qū)域一帶，地貌類(lèi)型以非喀斯特地貌為主，響應(yīng)率為80%～90%，望謨、獨(dú)山一帶石漠化嚴(yán)重，土層薄，持水能力弱，秋季降水少，因而氣象干旱對(duì)農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)程度高。冬季響應(yīng)高的區(qū)域位于東部三穗、銅仁、思南以及西部安順一帶，地貌類(lèi)型以半喀斯特低中山地貌為主，響應(yīng)率為60%～70%。綜上，在春季和冬季響應(yīng)率較高的區(qū)域，均以半喀斯特低中山地貌為主，夏季以峰叢谷地為主，秋季以非喀斯特地貌為主。冬季氣象干旱對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的響應(yīng)程度明顯低于其他季節(jié)，春季響應(yīng)范圍廣且程度大。

圖8 不同地貌類(lèi)型下季節(jié)響應(yīng)率的空間變化

3.2.2 不同切割深度下農(nóng)業(yè)-氣象干旱響應(yīng)特征 在分析不同地貌類(lèi)型下農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)的空間變化特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入探討在不同切割深度下2種干旱類(lèi)型間的傳播響應(yīng)特征，根據(jù)貴州省綜合地貌圖，將貴州省切割深度劃分為6種類(lèi)型，即無(wú)地表切割(Ⅰ)、淺切割(Ⅱ)、中切割(Ⅲ)、深切割(Ⅳ)、極深切割(Ⅴ)和最深切割(Ⅵ)。在不同地表切割深度下，季節(jié)性的傳播響應(yīng)程度空間演變特征中春季(圖9a)氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)率為80%～90%，以最深切割深度為主，位于威寧一帶。響應(yīng)率為70%～80%，以深切割為主，位于桐梓和望謨一帶，響應(yīng)程度較低的地區(qū)位于興義一帶，以無(wú)地表切割深度為主，傳播響應(yīng)率為40%～50%。夏季(圖9b)傳播響應(yīng)高發(fā)區(qū)以中切割深度為主，位于貴陽(yáng)、凱里一帶，響應(yīng)率為80%～90%，傳播響應(yīng)低發(fā)區(qū)位于桐梓西北部一帶，以極深切割為主，響應(yīng)率為30%～40%。秋季(圖9c)農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱傳播響應(yīng)程度較強(qiáng)的區(qū)域以無(wú)地表切割深度為主，主要發(fā)生在西南地區(qū)望謨，響應(yīng)率為80%～90%，響應(yīng)程度較低的區(qū)域位于遵義地區(qū)的東北部和威寧西北部一帶，以深切割深度為主，響應(yīng)率為40%～50%。冬季(圖9d)2種干旱類(lèi)型間傳播響應(yīng)率高的區(qū)域以深切割深度為主，在安順一帶以及思南、銅仁、三穗等區(qū)域，響應(yīng)率為60%～70%，傳播響應(yīng)率低的區(qū)域在桐梓西北部，以極深切割深度為主，響應(yīng)率為20%～30%。綜上，在春季傳播響應(yīng)率與地表切割深度呈正相關(guān)關(guān)系，在夏季、秋季和冬季傳播響應(yīng)率與地表切割深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖9 不同切割深度下季節(jié)響應(yīng)率空間變化

3.3 下墊面條件下農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)轉(zhuǎn)移概率

3.3.1 不同地貌類(lèi)型下農(nóng)業(yè)-氣象干旱的響應(yīng)轉(zhuǎn)移概率 為深入分析基于下墊面條件下干旱傳播響應(yīng)率在不同等級(jí)之間的轉(zhuǎn)移概率特征，選取20世紀(jì)80s至21世紀(jì)10s 2個(gè)狀態(tài)，在季尺度下，探討在不同地貌類(lèi)型下，農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)程度的轉(zhuǎn)移概率特征。在非喀斯特地貌、半喀斯特地貌、峰叢谷地、峰叢洼地、峰林谷地、峰林溶原地貌類(lèi)型下(圖10)，傳播響應(yīng)率均發(fā)生了不同程度的概率轉(zhuǎn)變。春季(圖10a)轉(zhuǎn)移概率為0～0.72，在各地貌類(lèi)型中，各等級(jí)間均發(fā)生了概率性轉(zhuǎn)移，主要呈現(xiàn)1～5級(jí)轉(zhuǎn)向3～5級(jí)，轉(zhuǎn)移較活躍，概率較低。夏季(圖10b)各級(jí)響應(yīng)率在不同地貌類(lèi)型下轉(zhuǎn)移概率分布大體相似，干旱傳播響應(yīng)率在20世紀(jì)80s轉(zhuǎn)向21世紀(jì)10s時(shí)，均呈現(xiàn)1～5級(jí)轉(zhuǎn)向4～5級(jí)，呈現(xiàn)出由“低轉(zhuǎn)高”的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)移概率為0～0.55，顯然，夏季農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率偏低。秋季(圖10c)各地貌類(lèi)型下，20世紀(jì)80s的1級(jí)響應(yīng)率向21世紀(jì)10s的2～4級(jí)響應(yīng)率發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率較大，轉(zhuǎn)移概率為0～0.97，即“低轉(zhuǎn)高”現(xiàn)象。冬季(圖10d)在不同地貌類(lèi)型下，明顯可見(jiàn)20世紀(jì)80s中不同等級(jí)均轉(zhuǎn)移在21世紀(jì)10s各等級(jí)上，轉(zhuǎn)移較為活躍，轉(zhuǎn)移概率為0～0.69。綜上，在春季和冬季轉(zhuǎn)移較活躍，概率較低，在夏、秋季主要發(fā)生“低轉(zhuǎn)高”的現(xiàn)象，其中，秋季干旱傳播響應(yīng)在4個(gè)季節(jié)中發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率最顯著。同時(shí)，在不同季節(jié)上，各地貌類(lèi)型下，干旱響應(yīng)率轉(zhuǎn)移活躍程度較高，同時(shí)也說(shuō)明干旱響應(yīng)率的高低與地貌類(lèi)型相關(guān)較弱。

圖10 不同地貌類(lèi)型下轉(zhuǎn)移概率特征

3.3.2 不同切割深度下農(nóng)業(yè)-氣象干旱的響應(yīng)轉(zhuǎn)移概率 地表切割深度是影響氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱傳播的重要影響因素，因此，將2種干旱類(lèi)型的傳播響應(yīng)率并結(jié)合貴州省地表切割深度，探討在不同的切割深度下，20世紀(jì)80s干旱響應(yīng)率等級(jí)向21世紀(jì)10s干旱響應(yīng)率等級(jí)轉(zhuǎn)移的概率特征(圖11)。春季(圖11a)在不同切割深度下，其轉(zhuǎn)移概率有所不同，在無(wú)地表切割、中切割、深切割和極深切割深度下，轉(zhuǎn)移較為活躍，概率較低，在淺切割和最深切割深度下，轉(zhuǎn)移活躍度下降，但概率較高。夏季(圖11b)干旱響應(yīng)率20世紀(jì)80s轉(zhuǎn)向21世紀(jì)10s時(shí)，呈4～5級(jí)轉(zhuǎn)向1～5級(jí)的“高轉(zhuǎn)低”現(xiàn)象，其中在10s淺切割深度的4級(jí)干旱響應(yīng)和最深切割深度的1級(jí)響應(yīng)率的轉(zhuǎn)移概率較高。秋季(圖11c)20世紀(jì)80s各切割深度下皆出現(xiàn)了1級(jí)轉(zhuǎn)向21世紀(jì)10s的2～5級(jí)，概率偏高，在中切割深度、深切割深度和極深切割深度中，轉(zhuǎn)移較活躍，在淺切割和最深切割深度下轉(zhuǎn)移概率偏高。冬季(圖11d)明顯看出，在淺切割和最深切割深度下，干旱轉(zhuǎn)移概率較高，其他切割深度下，干旱轉(zhuǎn)移較活躍，概率較低。因此，季節(jié)尺度上，在淺切割和最深切割深度下，均呈現(xiàn)干旱傳播響應(yīng)率轉(zhuǎn)移活躍度低，概率高，而在其他切割深度上，轉(zhuǎn)移活躍，概率較低的規(guī)律。其中，秋季20世紀(jì)80s干旱傳播響應(yīng)率向21世紀(jì)10s轉(zhuǎn)移的概率整體明顯高于其他季節(jié)，冬季干旱傳播響應(yīng)率的轉(zhuǎn)移活躍度明顯高于其他季節(jié)。

圖11 不同切割深度下轉(zhuǎn)移概率特征

3.3.3 干旱傳播響應(yīng)率與下墊面條件相關(guān)分析 下墊面是影響干旱傳播的重要因素，而地表切割深度與地貌類(lèi)型是下墊面主要因子。表3為干旱傳播響應(yīng)率與區(qū)域下墊面在各季節(jié)上的相關(guān)系數(shù)。由表3可知，干旱傳播特征與地貌和切割深度均有相關(guān)關(guān)系。春、秋季響應(yīng)率在地形地貌條件下呈負(fù)相關(guān)，夏、冬季呈正相關(guān)，且相關(guān)性較弱，表明農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)受地貌的影響較小。春季響應(yīng)率在地表切割深度下呈正相關(guān)，夏季呈顯著負(fù)相關(guān)，秋、冬季呈負(fù)相關(guān)。地表切割深度越深，春季傳播響應(yīng)率越高，說(shuō)明氣象干旱加劇農(nóng)業(yè)干旱，地表切割深的區(qū)域以旱坡地為主，春季作物需水量大，對(duì)氣象干旱的響應(yīng)強(qiáng)。地表切割深度越深，夏、秋與冬季傳播響應(yīng)率越低，因夏季降水豐富，地表切割深度區(qū)域地表水易匯集，農(nóng)作物需水量能夠得到及時(shí)補(bǔ)給；秋季作物進(jìn)入成熟期，需水量下降；區(qū)域冬季作物少，日照時(shí)間少，溫度低，有少量雨雪對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)給，地表蒸發(fā)量較弱；表明農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)低。由表3可知，氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱的傳播響應(yīng)率與地形地貌的相關(guān)性較弱，與地表切割深度聯(lián)系較密切。

表3 氣象干旱-農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)率與下墊面條件間的相關(guān)性分析

4 討 論

本文利用游程理論方法提取干旱特征，分析1980—2020年干旱特征時(shí)空變化趨勢(shì)，同時(shí)計(jì)算干旱傳播響應(yīng)率，利用其表征農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)程度，結(jié)合下墊面條件，分析季節(jié)時(shí)間尺度上傳播響應(yīng)率的空間變化特征。本研究發(fā)現(xiàn)，季節(jié)上貴州省農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)與干旱烈度的變化趨勢(shì)與氣象干旱變化較為一致，農(nóng)業(yè)干旱持續(xù)時(shí)間均長(zhǎng)于氣象干旱，干旱烈度上升趨勢(shì)較氣象干旱而言更快。農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)空間格局較氣象干旱變化顯著，干旱歷時(shí)短于氣象干旱，氣象干旱烈度空間變化較農(nóng)業(yè)干旱復(fù)雜，干旱烈度低于農(nóng)業(yè)干旱。本研究結(jié)果與Xu等和羅綱等的研究結(jié)果總體上基本一致。但是各區(qū)域地形地貌、水熱條件和氣候特征等分布特征存在差異，從而2種干旱空間分布存在差異。由于貴州下墊面復(fù)雜，旱坡地多、坡度大，透水強(qiáng)，排水快，土層薄，土壤保水蓄水能力弱，農(nóng)業(yè)灌溉面積少，是典型的山地農(nóng)業(yè)，地下水不能有效補(bǔ)給土壤水分，降水分布不均，導(dǎo)致氣象干旱一旦發(fā)生且持續(xù)發(fā)生，農(nóng)業(yè)干旱隨之發(fā)生，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，烈度大。

在不同地貌類(lèi)型下，春季干旱傳播響應(yīng)率最高，且覆蓋范圍廣，其中春、冬季響應(yīng)率最高的地區(qū)以半喀斯特低中山為主，夏季以峰叢谷地為主，秋季以非喀斯特地貌為主，這種差異是由喀斯特特殊地質(zhì)構(gòu)造以及流域巖性導(dǎo)致。在不同切割深度下，切割越深春季傳播響應(yīng)率越高，夏、秋和冬季節(jié)傳播響應(yīng)越弱。據(jù)資料顯示，貴州省以山地農(nóng)業(yè)為主，春季為播種季節(jié)，作物需水量大，同時(shí)由于地表切割深度大，坡陡，土壤水側(cè)流，農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)土壤不斷翻松，土壤緊密程度改變，受降雨影響，易形成坡面土壤侵蝕，則土壤保水能力弱，抗旱能力降低；秋季作物需水量小，降水少，日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，地表切割深度越大，溫度高，土壤水蒸發(fā)越快。夏季降水充足，地表切割深度越小，土壤含水量受降水的影響越敏感；冬季降水少，且貴州冬季作物少。因此，在春秋季，地表切割深度越大，干旱傳播響應(yīng)率越高；在夏冬季節(jié)，地表切割深度越小，更能直接表現(xiàn)氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱轉(zhuǎn)移的程度。

本文僅從自然條件的角度分析農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)，但在實(shí)際的干旱傳播響應(yīng)過(guò)程中，人類(lèi)活動(dòng)、土地利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展均對(duì)流域空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，甚至是破壞流域下墊面的主要因素，從而影響氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱的傳播。影響干旱傳播的因素較多且復(fù)雜，結(jié)合貴州省的實(shí)際情況，下一步需要全面分析在自然條件與社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件相結(jié)合的基礎(chǔ)上研究氣象干旱向農(nóng)業(yè)干旱傳播的影響因素。

5 結(jié) 論

(1)在2000年后，貴州省氣象、農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)長(zhǎng)，干旱烈度大，氣象干旱加劇農(nóng)業(yè)干旱旱情，農(nóng)業(yè)干旱持續(xù)時(shí)間比氣象干旱更長(zhǎng)，干旱烈度大。氣象干旱歷時(shí)空間格局較農(nóng)業(yè)干旱而言更為復(fù)雜，干旱烈度空間變化卻較農(nóng)業(yè)干旱單一。

(2)干旱傳播響應(yīng)特征明顯，貴州省春季農(nóng)業(yè)干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)較敏感，氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱傳播響應(yīng)程度高且范圍廣，冬季干旱傳播響應(yīng)率較其他季節(jié)低，春、冬季節(jié)傳播響應(yīng)率高的地區(qū)均在半喀斯特低中山地貌區(qū)；夏季主要發(fā)生在峰叢谷地地貌區(qū)；秋季以非喀斯特地貌為主。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，地表切割越深，春季較高，而夏、秋和冬季節(jié)較低?？梢?jiàn)，干旱傳播響應(yīng)程度與地貌差異的相關(guān)性弱，但是與地表切割深度關(guān)系密切。

(3)從下墊面條件分析干旱傳播轉(zhuǎn)移概率特征發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)80s轉(zhuǎn)向21世紀(jì)10s間，各地貌類(lèi)型下，均發(fā)生了不同程度的概率轉(zhuǎn)移，春、冬季節(jié)轉(zhuǎn)移活躍，概率低，夏、秋季主要呈“低轉(zhuǎn)高”現(xiàn)象，夏季轉(zhuǎn)移概率偏低，秋季轉(zhuǎn)移概率普遍偏高。不同切割深度下，各季節(jié)淺切割與最深切割深度轉(zhuǎn)移活躍度低，概率高，其他切割深度下轉(zhuǎn)移活躍，但概率低。