山西農業干旱與氣象因子的相關性分析

李臘平 李小強 楊春倉 徐鑫 劉潔莉

摘?要：

經濟的發展促進農業的進步，在我國農業發展的過程中農業種植經常受到自然災害的侵襲，尤其是干旱的影響。一旦發生干旱，農作物因長期缺水而造成糧食的減產和歉收，對農業經濟的發展有一定的影響，如果旱情嚴重還可能引發作物種類減少和水土流失等災害的出現。因此，對農業干旱的時空分布與演變特征進行科學細致的研究是非常必要的，同時也是預防農業災害的重要手段。

關鍵詞：

山西;農業干旱;氣象因子;相關性分析

中圖分類號：S16

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191230043

1?研究方法與進展

本文使用的研究方法為利用歸一化植被指數NDVI（NormalizedDifferenceVegetationIndex）與地表溫度LST（LandSurfaceTemperature）數據建立NDVI-LST模型。該種模型優勢明顯，不僅可以輕易地獲取數據，同時有較強的適用性，且模型簡單，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VSWI

植物正常生長情況下，在衛星遙感技術的協助下能夠獲取以下數據：植被的指數、植被冠層溫度等，同時這些數據在正常的范圍內。如果植被供水不足或缺水，其生長情況會受到影響，將出現植被的指數降低和水分不足的情況，且植被冠層的溫度升高。在一些學者的研究中，植被指數和植被冠層溫度是重要的考察指標，植被供水指數的具體計算方法為：影像的增加強化系列數據×植被指數/農作物樹冠層面溫度。其中，呈現正比例的數據為植被指數與樹葉面積的指數，如果作物生長良好的話，那么植被指數就越大。此外，植被樹冠層的溫度與供水之間呈正比例關系，即當作物可能出現干旱情況的話，那么樹冠層的溫度將升高，即植被供水指數越小，農作物中的土壤水分也就越小，很容易出現干旱的情況。將該模型應用到具體的實踐當中，用于檢測某地農作物生長的干旱情況，結果證明檢測數據和基本事實相一致。

1.2?溫度植被干旱指數TVDI

溫度植被干旱指數主要指的是，植被指數與地表溫度之間的關系。為了得到溫度植被干旱指數，就需要研究特定時間內某一區域的干旱程度與變化特征的關系。溫度植被干旱指數越高，該區域的干旱情況就越嚴重。

1.3?條件溫度植被指數VTCI

該指數與溫度植被干旱指數相似，需要研究特定時間內某一區域的干旱程度與變化特征的關系，但是其結果與溫度植被干旱指數相反，即條件溫度植被指數越小，這一區域內的干旱將越嚴重。

綜合上面的闡述可以知道，該模型和各類檢測指數提升了檢測結果的可靠性，因而被廣泛使用。但在此過程中，植被供水指數構建模型卻因其過于簡單而逐漸被溫度植被干旱指數所取代。1994年，外國科學家首次提出了溫度植被干旱指數的概念，隨后與其相關的一系列研究也相繼出現，在許多省、市和地區得到了使用。然而，溫度植被干旱指數在發展的過程中也受到諸多因素的影響，使其存在一定的缺點，但有一些學者不斷地對其進行改進。本文就是通過對溫度植被干旱指數與維度進行校正，同時結合修正公式對山西地區的降水量進行研究和實驗后，建立了適合該地區發展的農業干旱檢測模型。本文對TVDI模型進行DEM和緯度校正后，沿用干邊擬合修正公式，針對山西省降水量少且集中的特點，以月為單位，進行大量的實驗，對C值的選取方式進行了定義，并提出只適用于山西省農業干旱監測模型。在此基礎上，對山西省2014年的農業干旱進行監測，并進行時空動態分析，為之后的山西省農業干旱遙感研究提供參考。

2?研究內容

在農業干旱遙感檢測模型和溫度植被干旱指數的基礎之上，形成了適合山西省農業干旱的溫度植被干旱指數新模型，將新模型用于檢測山西省農業干旱情況，最終得出以下從1984—2016年的干旱發展特征與氣候變化之間的關系。

2.1?數據整理

通過對地表溫度和植被指數進行一系列的分析之后發現，可以將地表溫度與植被指數的最大數據進行合成，之后對獲取的氣象數據進行整理分析，再用于實驗的備用。

2.2?對山西地表溫度進行地理緯度修正

山西省地理緯度跨度比較大，南北之間溫差也較大，可達10℃以上，因此在檢測的過程中很容易出現南部干旱、北部濕潤的錯誤判斷。為避免出現這樣的誤判，構建溫度植被干旱指數模型的過程中，需要對地表的溫度進行維度的校正。

2.3?對地表溫度進行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，地形較為復雜，平均海拔大約1300m，山區多集中在北部和中部，海拔較高，達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，在進行干旱監測時，極易形成“高濕低旱”的錯誤分析，所以，在構建TVDI模型監測山西省農業干旱前，必須對地表溫度進行DEM校正。

2.4?對形成的TVDI新模型進行驗證，同時監測山西省農業干旱

為了更好地發揮數據模型的作用，應該重視土壤相對濕度之間的關系，這就需要對溫度植被干旱指數進行必要的修正。此外，還需要結合干旱的分級對溫度植被干旱指數進行分析，從而形成對山西1984—2016年干旱情況的調查。

3?基于季節的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主要集中在北部，輕度干旱地區主要為山西中部地區和東部地區，無干旱地區主要有中部地區和南部地區。第2階段，中度干旱地區和重度干旱地區在冬季時由山西東部向中部和東部轉移;輕度干旱地區主要集中在中部大多數區域，之后向全省蔓延;無干旱地區主要分布在山西中西部等局部地區。

4?基于DEM的TVDI空間分布變化

山西的南部地區因為海拔比較低，全年基本沒有旱情;中部地區海拔適中，旱情相對較輕;北部地區海拔都在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重。從歷年山西省農業干旱情況分布可以得知，如果秋季發生干旱，分布情況與DEM高程會有明顯的關系。當海拔高于1700m，秋季的旱情多數為中度干旱或重度干旱;當海拔介于1400～1700m，秋季的旱情基本為輕度干旱或重度干旱;當海拔介于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空間分布

為了更好地促進山西地區農業的發展，必須明確山西省農業干旱的空間分布特征。從相關的研究中可以發現，當海拔介于300～600m，該地區的植被分布類型多為果蔬和農墾地帶，這時出現的旱情會呈現季節性的變化。例如，在山西南部地區主要種植冬小麥和夏玉米，在農作物成熟之前這些地區基本不發生干旱災害，一旦作物成熟就可能出現輕度旱情。當海拔達到600～1400m時，該地區的植物類型多為灌草叢和農墾帶，這時出現的旱情主要集中在夏季、冬季等。當海拔上升到1400～1700m時，該地區的主要植被類型為闊葉林或者混交林，這時基本沒有旱情或者僅是輕度的旱情。

6?農業干旱與氣象因子的相關性分析

農業干旱受到多種因素的影響，如氣候條件、土壤條件、農業種植方式等。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，因為土壤和地形會影響降水量和水分的分布，從而出現干旱差異性問題。而農作物的品種不同和生長發育的差異性，也是造成農作物需水量和耐旱性的具體因素。此外，農業生產中的生產措施以及灌溉技術等也直接決定著抗旱的能力，造成不同地區的干旱程度不同。在諸多影響農業發展的氣象因素中，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）作為分析影響農業干旱發展的主要氣象因子，以期能夠分析得到山西省農業干旱與氣象因子之間的相關性。

6.1?農業干旱與氣溫的關系

從圖1中可以發現，全年的月平均氣溫在-10～25℃之間，同時氣溫的走勢比較相似，每年同一時段溫差比較小，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，干旱分布廣且嚴重;如果氣溫相對較高，基本無旱情或輕度旱情。

6.2?農業干旱與降水的關系

通過對上面的數據分析可知，山西省月平均降水量波動較大，而且有一定的差異性，但是趨勢基本相同。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。綜合來看，月平均的溫度植物干旱指數受降水量變化影響較大，與氣溫變化關系不明顯。

通過對比可以發現，如果氣溫變化差異不大，溫度植被干旱指數與降水量之間的關系為負相關，這足以證明降水量與溫度植被干旱指數模型有一定的關系。為了進一步分析溫度植被干旱指數和降水量之間的關系，可以對二者之間的正負相關性進行研究來確定。結果發現，山西省超過79%的范圍為負相關，近20%左右的范圍為正相關，這充分表明山西省降水量越多的地區，溫度植被干旱指數值越小，越不易發生旱情。

參考文獻

[1] 武建凱. 綜合治理是山西省旱區農業應對干旱的持久戰略[J].山西農業科學，2010（01）：35-38.

[2]?程建業. 山西朔州市近55a氣象干旱趨勢及防御措施[J].干旱氣象，2012（03）：327-331.

作者簡介：

李臘平（1973-），女，本科，副研究員，高級工程師。研究方向：氣候與農業。