基于降水距平的內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯干旱指標(biāo)研究

王永利，侯 瓊，云文麗，苗百嶺，賈成朕

(1. 內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2. 內(nèi)蒙古氣象科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

內(nèi)蒙古是我國馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)，主要種植在東部的呼倫貝爾市東南部、興安盟、赤峰和中部的錫林郭勒盟南部、烏蘭察布市、呼和浩特市和包頭市，種植區(qū)域相對集中，且已經(jīng)形成很好的產(chǎn)業(yè)化格局。馬鈴薯主要選種在灌溉條件較差的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，受天氣氣候條件的影響最為明顯，特別是經(jīng)常受到干旱的困擾。旱災(zāi)也是內(nèi)蒙古地區(qū)最主要的自然災(zāi)害，其發(fā)生的特點是范圍廣、頻率高、程度重、時間久[1]。其中降水分布不均勻是該區(qū)最主要的干旱致災(zāi)因子，直接影響著干旱災(zāi)害的分布格局和發(fā)展趨勢[2]。

干旱指標(biāo)是確定干旱是否發(fā)生及其嚴重程度的標(biāo)準(zhǔn)，是干旱研究分析的基礎(chǔ)，也是干旱監(jiān)測預(yù)警和評價的重要環(huán)節(jié)[3-6]。國內(nèi)外就干旱指標(biāo)已經(jīng)開展了大量研究，從不同的評價對象出發(fā)，得出一系列干旱指標(biāo)，其中降水指標(biāo)應(yīng)用最為廣泛[7-12]。圍繞馬鈴薯干旱指標(biāo)的研究多側(cè)重于干旱脅迫對生理生化和品質(zhì)方面的影響[13-15]，對區(qū)域干旱災(zāi)害監(jiān)測及評估的指標(biāo)較少，鄭麗娟[16]基于GIS分析了烏蘭察布市馬鈴薯干旱風(fēng)險，苗百嶺等[17]以生長季平均溫差、降雨量為指標(biāo)制作了陰山旱作區(qū)馬鈴薯氣候區(qū)劃圖，田志會等[18]通過降水量就內(nèi)蒙古武川的馬鈴薯干旱制定了指標(biāo)并進行了評價，但制定的指標(biāo)適用范圍較小，因此有必要通過降水距平建立區(qū)域干旱指標(biāo)。本文從降水和產(chǎn)量資料出發(fā)，運用統(tǒng)計學(xué)方法研究二者之間的關(guān)系，確定馬鈴薯全生育期、苗期和花期的農(nóng)業(yè)氣象干旱指標(biāo)，以期為全區(qū)馬鈴薯干旱災(zāi)害監(jiān)測及評估提供依據(jù)，同時對糧食穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)有一定參考價值。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

馬鈴薯單產(chǎn)資料主要來自各縣(市)統(tǒng)計年鑒等，73個站點的產(chǎn)量資料較完善且連續(xù)，其中35個站點產(chǎn)量資料序列樣本數(shù)為35a(1979-2013年)，其余均為27a(1987-2013 年)。同期地面氣象觀測資料來源于各旗縣觀測站點(圖1)。

干旱發(fā)生情況參照內(nèi)蒙古災(zāi)情數(shù)據(jù)庫和《內(nèi)蒙古災(zāi)害大典》。

圖1 內(nèi)蒙古馬鈴薯種植站點分布圖Fig.1 The distribution map of potato planting areas in Inner Mongolia

1.2 馬鈴薯發(fā)育期的確定

根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)各農(nóng)業(yè)氣象站實際觀測的馬鈴薯發(fā)育期均值，并結(jié)合農(nóng)業(yè)部門品種試驗的觀測資料，馬鈴薯生育期可劃分為：播種～出苗期，出苗～分枝期，分枝～開花期，開花～可收期。內(nèi)蒙古地區(qū)從西到東馬鈴薯在5月上旬～5月下旬播種，出苗期在6月上旬～6月下旬，分枝期在7月上旬～7月中旬，開花期在7月中旬～8月中旬，可收期在8月下旬～9月下旬。依據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯生長發(fā)育時段的分布，本文將5～9月劃分為馬鈴薯全生育期，5～6月為苗期，7～8月為開花期。從降水和產(chǎn)量資料出發(fā)，運用統(tǒng)計學(xué)方法建立二者之間的回歸方程，結(jié)合農(nóng)業(yè)干旱等級和降水距平百分率氣象干旱等級國家標(biāo)準(zhǔn),確定馬鈴薯苗期、花期和全生育期的輕、中、重旱的干旱指標(biāo)體系。

1.3 產(chǎn)量分解和模擬方法

作物的產(chǎn)量一般分為三部分，即趨勢產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機噪聲[19,20]，用下式表示：

Y=yt+yv+e

其中，Y為作物歷年單產(chǎn)；yt為反映歷史時期生產(chǎn)力發(fā)展水平的長周期產(chǎn)量分量，稱為趨勢產(chǎn)量；yv是受以氣象要素為主的短周期變化因子影響的產(chǎn)量分量，稱為氣象產(chǎn)量；e為隨機噪聲，由于所占比例很小，一般不作考慮，即上式簡化為:

Y=yt+yv

本文采用直線滑動平均(滑動步長為10)模擬和建立回歸模型的方法，求取馬鈴薯趨勢產(chǎn)量。為了消除地區(qū)間生產(chǎn)水平差異和歷史時期不同農(nóng)業(yè)技術(shù)水平差異的影響，用波動產(chǎn)量除以趨勢產(chǎn)量，得到相對氣象產(chǎn)量yr(yr=yv/yt)。

以下降水距平和產(chǎn)量的分析中，使用的都是相對氣象產(chǎn)量資料。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱指標(biāo)的選取

影響馬鈴薯生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成的主要氣象因子是降水，分別統(tǒng)計73個站點的歷年降水距平百分率，并分析其與相對氣象產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，其中53.4%的站點二者存在顯著和較顯著的正相關(guān)；37%的站點主要受灌溉影響，產(chǎn)量資料和降水關(guān)系不明顯；分布在東部區(qū)9.5%的站點因降水太多導(dǎo)致減產(chǎn)，二者呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)，可以看出內(nèi)蒙古大部分地區(qū)馬鈴薯是雨養(yǎng)種植，故本文選擇降水距平百分率來評價馬鈴薯干旱是可行的。由于單一降水距平指標(biāo)不能滿足不同時空干旱評價的需要，文中依據(jù)農(nóng)業(yè)氣候相似原理，采取聚類分析方法，對內(nèi)蒙古馬鈴薯雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)種植分為中西部和東部兩個區(qū)域進行干旱指標(biāo)的建立與評價。

2.2 干旱指標(biāo)的建立

參照內(nèi)蒙古災(zāi)情數(shù)據(jù)庫和《內(nèi)蒙古災(zāi)害大典》，選取由干旱引起減產(chǎn)率大于5%的年份，建立與對應(yīng)三個時期的降水負距平百分率的全部數(shù)據(jù)序列之間的回歸方程，確定二者的定量關(guān)系(表1)。所建立的6個方程中相關(guān)系數(shù)都通過了顯著性檢驗，中西部苗期的相關(guān)性較低，只通過了0.05水平的檢驗，其它時段都通過了0.01水平的顯著性檢驗，特別是花期減產(chǎn)率和降水負距平百分率的相關(guān)性最高，可見該時期的降水對最終產(chǎn)量高低起決定性作用。

表1 減產(chǎn)率(5%)和對應(yīng)降水負距平百分率的回歸方程

注：(1)X為降水負距平百分率，Y為減產(chǎn)率。(2)“**”和“*” 代表0.01和0.05的顯著水平。

Note:(1)Xis the precipitation negative anomaly percentage,Yis the yield reducing rate. (2)“**”and“*”means the significant level of 0.01 and 0.05.

根據(jù)表2的方程，求得與不同降水距平百分率相對應(yīng)的減產(chǎn)率。最終建立以降水距平百分率為主要劃分因子，結(jié)合農(nóng)業(yè)干旱等級[21]和降水距平百分率氣象干旱等級國家標(biāo)準(zhǔn)[22]，確定馬鈴薯苗期、花期和全生育期適合于內(nèi)蒙古東部和中西部地區(qū)的輕、中、重旱的干旱指標(biāo)體系(表2)，包括降水距平百分率和減產(chǎn)率指標(biāo)。

從表2中可以看出，中西部較東部降水量少，馬鈴薯對水分的虧缺更為敏感，對于全生育期和苗期所建立的降水距平百分率指標(biāo)梯度較小，而減產(chǎn)率指標(biāo)則相反。在同一區(qū)域內(nèi)，由于苗期需水較少，降水對其影響較小，所以降水量變化對產(chǎn)量的影響也較低。例如中西部地區(qū)同樣導(dǎo)致減產(chǎn)率降低5%，花期和全生育期降水距平-5%就可能發(fā)生，而苗期降水距平達到-10%才可能發(fā)生。開花時期的降水對產(chǎn)量的高低起到了決定性作用，不僅二者相關(guān)性最好，且指標(biāo)值也較高。內(nèi)蒙古地區(qū)降水量主要集中在7、8月份，中西部和東部的降水在這兩個月的差異較小，所以干旱對馬鈴薯花期的影響相差不明顯，最終建立的干旱指標(biāo)也是相同的。

對建立降水距平干旱指標(biāo)所用的降水距平百分率數(shù)據(jù)進行概率分布統(tǒng)計，其中輕旱比例為46%～50.2%，中旱比例為28%～39.7%，重旱比例為12.5%～17.9%；對建立減產(chǎn)率指標(biāo)所用的旱災(zāi)年減產(chǎn)率率數(shù)據(jù)進行概率分布統(tǒng)計，其中輕旱比例為46%～59%，中旱比例為27.5%～38.1%，重旱比例為14%～21%；二者概率分布都較合理。同時按照降水距平干旱指標(biāo)對研究區(qū)全部非灌溉站點三個時期三個干旱等級的降水距平百分率進行概率統(tǒng)計，其中輕旱比例為47%～60%，中旱比例為25.5%～36.6%，重旱比例為11.3%～19.4%，分布也較合理，可見在不同區(qū)域不同發(fā)育時段建立的馬鈴薯干旱指標(biāo)具有很好的適用性。

2.3 干旱指標(biāo)的驗證

利用2014和2015年內(nèi)蒙古災(zāi)情數(shù)據(jù)庫關(guān)于干旱發(fā)生的上報資料，主要以7-8月份發(fā)生嚴重干旱為主，此時正值馬鈴薯花期，因而我們主要統(tǒng)計花期降水距平干旱指標(biāo)進行驗證(表2)。從驗證表中可以看出，2014年的嚴重干旱主要發(fā)生在通遼的西部、赤峰的大部、錫林郭勒盟的西南部和烏蘭察布市的東北部。通過降水距平計算的干旱等級中66.7%的站點達到重旱，26.6%的站點達到中旱，只有通遼市的奈曼旗是無旱。2015年的干旱主要發(fā)生在通遼的西南部、赤峰的大部、烏蘭察布市北部、呼和浩特市的南部和包頭大部。統(tǒng)計馬鈴薯種植站點的降水距平，得到93.3%的站點干旱等級是重旱，只有1個站點是中旱。通過對近兩年的重旱驗證可見，計算結(jié)果與實際發(fā)生基本吻合。

3 結(jié)論與討論

氣候條件是決定馬鈴薯生長的關(guān)鍵因子，通過分析內(nèi)蒙古地區(qū)歷年降水距平百分率與相對氣象產(chǎn)量的關(guān)系，二者相關(guān)性較好，說明降水是本區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量的主要影響因子，這與姚玉璧等研究得到的半干旱區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量的主要影響因子是一致的[23-25]。馬鈴薯生長發(fā)育過程中對水的需求量在300～450mm，需水關(guān)鍵期是分枝期～開花期，即我區(qū)的7月上旬到8月中旬，該時段缺水或降水量過多，產(chǎn)量將大幅度下降。

通過內(nèi)蒙古中西部和東部地區(qū)馬鈴薯全生育期、苗期和花期的降水負距平百分率與相對氣象產(chǎn)量的回歸方程，結(jié)合農(nóng)業(yè)干旱等級和降水距平百分率氣象干旱等級(GB/T20481-2006)國家標(biāo)準(zhǔn), 得出了三個時段基于降水距平的馬鈴薯輕旱、中旱和重旱干旱等級指標(biāo)。即全生育期中西部降水距平-5%～-25%、-25%～-40%、<-40% 時,相對氣象產(chǎn)量減產(chǎn)率分別為-5%～-25%、-25%～-45%、<-45%；東部降水距平-10%～-30%、-30%～-45%、<-45% 時,相對氣象產(chǎn)量減產(chǎn)率分別為-5%～-20%、-20%～-40%、<-40%。苗期中西部降水距平-10%～-35%、-35%～-50%、<-50% 時,相對氣象產(chǎn)量減產(chǎn)率分別為-5%～-20%、-20%～-35%、<-35%；東部降水距平-20%～-45%、-45%～-60%、<-60% 時,相對氣象產(chǎn)量減產(chǎn)率分別為-5%～-15%、-15%～-30%、<-30%。內(nèi)蒙古地區(qū)降水集中在7、8月，所以花期中西部和東部地區(qū)干旱指標(biāo)相同，即降水距平-5%～-30%、-30%～-50%、<-50% 時,相對氣象產(chǎn)量減產(chǎn)率分別為-5%～-25%、-25%～-45%、<-45%。

表2 基于降水距平百分率確定的干旱指標(biāo)

表3 降水距平干旱指標(biāo)對花期干旱的驗證

影響馬鈴薯生長、發(fā)育、產(chǎn)量的形成主要氣象因子除了降水還有各生育期的平均溫度[26-27]。另外，馬鈴薯晚疫病也是制約內(nèi)蒙古馬鈴薯生產(chǎn)的主要因素之一，而蚜蟲是傳播病毒的最普遍的昆蟲媒介，以往的研究表明，溫度和7月平均風(fēng)速對馬鈴薯蚜蟲的生長發(fā)育、存活、繁殖及種群增長有顯著的影響[28]。利用2014和2015年馬鈴薯主要種植區(qū)正值花期發(fā)生重旱的災(zāi)情進行降水距平和減產(chǎn)率干旱指標(biāo)驗證，降水距平計算結(jié)果與實際發(fā)生基本吻合，但是產(chǎn)量資料與實際災(zāi)情發(fā)生不很一致，導(dǎo)致減產(chǎn)率指標(biāo)的驗證結(jié)果不好，這可能和各縣(市)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)的可信度、溫度、病蟲害以及其它時段的降水情況有關(guān)，所以建立的減產(chǎn)率只能作為干旱判定的輔助指標(biāo)，指標(biāo)的合理性還需要用其它方式進行驗證。內(nèi)蒙古大部分地區(qū)的馬鈴薯種植屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，利用歷史產(chǎn)量資料建立的減產(chǎn)率指標(biāo)較農(nóng)業(yè)干旱等級國家標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)值較大，這是符合當(dāng)?shù)貙嵡榈摹?/p>

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