基于GIS下的旱地馬鈴薯干旱風險區劃技術探討

岳淑蘭　王有毅

【摘? ?要】 通過榆中縣馬鈴薯逐年減產率與實測資料計算出的馬鈴薯不同生育時段的農田蒸散量進行線性回歸分析，建立干旱監測模型。以減產率農業干旱指標等級⑴為標準，通過干旱監測模型計算出馬鈴薯的農田蒸散量農業干旱指數，用此指數統計馬鈴薯不同生育時段干旱等級的發生概率，用Pearson-Ⅲ頻次密度函數⑵統計出馬鈴薯全生育期不同重現期的各鄉鎮減產率，最后利用GIS空間分析模塊繪制馬鈴薯干旱等級概率分布圖、不同重現期下的減產率分布圖、不同干旱等級風險區劃圖。

【關鍵詞】 減產率;農田蒸散量;干旱監測模型;農業干旱指數;風險區劃圖

Discussion on the risk zoning of potato drought in dry land

based on GIS

Yue Shulan? ?Wang Youyi

（Yuzhong County Meteorological Bureau? ?730100）

[Abstract] Based on the linear regression analysis of potato yield reduction and measured potato evaporation at different growth periods in Yuzhong County， a drought monitoring model was established. Based on the agricultural drought index grade 1 of yield reduction rate， the agricultural drought index of potato field evaporation was calculated by drought monitoring model， and the occurrence probability of potato drought grade in different growth periods was calculated by using this index. The probability distribution map of potato drought grade was drawn by using Pearson- III frequency density function 2 to calculate the yield reduction rate of potato in different recurrence periods during the whole growth period. Finally， the probability distribution map of potato drought grade was drawn by using GIS spatial analysis module. Different reappearance The distribution map of yield reduction rate and the risk zoning map of different drought grades.

[Keywords] production rate; evapotranspiration of farmland; drought monitoring model; agricultural drought index; risk zoning

榆中縣是半干旱雨養農業大縣，極適宜種植馬鈴薯，但榆中境內年降雨量300mm～400mm，蒸發量卻高達1450mm，十年九旱，特別是春季干旱，常常造成馬鈴薯缺苗、產量低而不穩、商品率低，干旱成為當地旱作菜用優質馬鈴薯生產的主要制約因素。多年來，縣級氣象部門在各鄉鎮開展旱作地段0-50厘米旬土壤墑情觀測，并逐步安裝了自動土壤水分觀測站，因此充分利用好現有資源，進行旱地馬鈴薯干旱監測，利用先進的GIS空間分析功能進行旱地馬鈴薯干旱風險區劃， 為政府部門指導當地農業生產提供理論依據，從而有效防御干旱對馬鈴薯生產的影響具有重要意義，而且這種區劃制作技術對其它農作物與致災種類的風險區劃也具有一定的指導作用。

1? 資料來源與處理

馬鈴薯種植面積、產量等資料取自榆中縣統計局，資料年代為33a（1980-2012年）;工農業生產總值、農村人口、土地總面積、年初耕地面積、年末耕地面積等資料取自榆中縣統計局，資料年代為10a（2002-2012年）;土壤墑情資料來自三角城、馬坡、貢井、上花、新營、園子等6個鄉鎮土壤墑情觀測點，資料年代11a（2002-2012年）。地理數據為榆中縣1： 5 萬經度和緯度及柵格數據及數字高程（DEM）資料。

2? 研究技術方法

通過拉個郎日插值法計算馬鈴薯減產率與農田蒸散量進行相關分析，確定農田蒸散量為致災因子，運用物理學統計方法建立減產率為因變量、農田蒸散量為自變量的干旱監測模型。

以國家規定的減產率農業干旱指標等級劃分為標準，通過建立的干旱監測模型計算馬鈴薯全生育期及生長期不同月份對應的農田蒸散量農業干旱指標。

根據各鄉鎮不同時段農田蒸散量與農田蒸散量農業干旱指數，統計馬鈴薯生長期各時段（4-9月）不同干旱等級的發生概率，應用GIS空間分析模塊繪制概率分布圖。

用Pearson-Ⅲ頻次密度函數統計出馬鈴薯全生育期重現期為3年、5年、10年時的各鄉鎮減產率，利用GIS的空間分析模塊繪制各重現期下的減產率分布圖。

在GIS中以減產率為數據矢量圖層，應用空間用加權綜合與層次分析法，繪制出高風險區、次高風險區、中等風險區、次低風險區和低風險區等不同干旱等級風險區劃圖。

2.1? 干旱監測模型建立

考慮到作物產量與水分供應有直接關系，而且榆中縣各鄉鎮建均有土壤墑情觀測點，各墑情點資料能夠反映榆中縣不同地理氣候區域的旱地土壤水分變化，因此用土壤水分平衡方程⑶計算農田蒸散量，根據馬鈴薯各發育期分別建立氣象產量、減產率與農田蒸散量的關系模型，確定出干旱對馬鈴薯產量的影響。

2.1.1? 減產率計算? 根據宮德吉⑷等提出將最優氣候條件下期望產量作為上包絡產量，當地實際產量作為下包絡產量，二者之差為氣候因素引起的減產率，用榆中縣三角城鄉1980-2012年的馬鈴薯產量資料、災情資料，將基本無災年的產量作為相應年份的“期望產量”，用拉格郎日插值方法得到其它年份的期望產量。對于個別基本無災，但產量明顯偏小于前期無災年的產量時予以剔除，主要原因是該年產量選取后，插值計算會破壞趨勢產量正常的上升趨勢。計算出的三角城鄉歷年減產率分布圖如圖1所示。

利用下式計算出氣象產量與減率進行關聯度、差異性分析，對計算出的減產率準確性進行驗證。

氣象產量=實際產量-趨勢產量

其中趨勢產量用9階正交多項式擬次麥夸特法⑸計算出，擬合結果的F檢驗值為11.1389，P值0.0，R2值0.8134，通過了信度95%驗證。

關聯度分析：應用灰色系統分析法⑹對計算的氣象產量、減產率進行關聯度分析。在進行關聯度分析時對數據進行了均值化（用各序列的平均值分別去除對應序列中的各個原始數據），取Dmin=0，ρ（分辨系數）=0.1。經分析，計算出的減產率、氣象產量關聯系數為1。

趨勢變化分析：由于計算的氣象產量與減產率的量綱不同，且氣象產量變幅較大，為了便于分析比較，對數據進行了標準化處理，即將各序列數據的平均值和標準差，然后用各原始數據減去平均值后再除以標準差。由于氣象產量與氣候條件呈正相關，而減產率與氣候條件呈反相關，為便于比較，減產率做反值處理。繪制出的趨勢圖如圖2所示。

通過以上分析可知，減產率與氣象產量具有完全的一致性和相同的時間變化趨勢。

由于榆中縣各鄉鎮海拔高度差異大，根據榆中縣地理分布特征，將各鄉鎮分為三大區域，分別為川源地帶、北山區和南山區，各區域具有相似氣候特征，因此用拉格朗日插值法計算減產率時，也按三大區域分別計算各區域的期望產量，再用各鄉鎮的實產計算出各鄉鎮的減產率。

2.1.2 致災因子選取? 考慮到作物產量與水分供應有直接關系，而且榆中在各鄉鎮測墑情點資料能夠反映榆中縣不同地理氣候區域的旱地土壤水分變化，通過土壤水分平衡方程，確定出了以0-30cm土壤深度層計算的農田蒸散量為致災因子。

農田土壤水分平衡是指某一時段內某一土壤容積中進入的水分與流出的水分之間的差額，運用水量平衡方程⑺可描述為：

W2—W1= （R +I+G）一（T+ E + r+ B + D）

式中R為該時段的降水量，G為毛管上升水量， I為灌水量，E為土壤蒸發量，T為作物蒸騰量， r為地表逕流量，B為作物截流量，D 為滲漏量，W1和W2 分別為開始和結束時土壤水分貯存量。

根據土壤水分平衡方程可知，影響農田蒸散量的因子中，水分下滲量和毛管水上升量在土層>1m時，可以忽略不計，而榆中縣各墑情點測量深度為0-30cm，直接用0-30cm深度的土壤墑情資料分析時，必然要考慮下滲量與毛管水上升量的影響，由于每旬測定土壤濕度，間隔時間短，以發育期為階段計算實際蒸散量時對每旬進行累加，則該旬下滲量在其后幾旬中上升至0-30cm土層內并通過土壤濕度反映出來，故計算旬蒸散量時可以忽略不計。洛曼諾娃E.H⑵提出日降水量>70mm時不同坡度、土壤濕度農田將產生地表徑流，經統計榆中縣1980-2012年的降水資料，日降水量>70mm時過程只出現過兩次，分別為98.1mm和73.2mm;根據黃土高原地區徑流系數研究結果⑻，按日降水量≥40mm產生徑流分析，榆中1980-2012年日降水量≥40mm的日數僅有10次，因此忽略徑流量對計算的農田蒸散量影響極小，也可以忽略不計，作物截流量同時忽略，因旱地段灌水量也忽略不計，而農田蒸量ET=E+T，所以上式可以簡化為：

ET=W2-W1-R

按照簡化后的農田蒸散量計算公式，計算出三角城鄉0-30cm、 0-50cm、0-100cm的4-9月農田蒸散量（23個樣本）進行相關分析與回歸檢驗，結果見表1。

通過表1可見不同深度層間具有極顯著的相關，回歸擬合誤差較小，回歸方程均通過了95%信度檢驗，證明農田中的降水滲漏量和毛管上升水對農田蒸散量的影響極小，簡化計算的0-30cm農田蒸散量可以代表實際的農田蒸散量。

對三角城鄉4-9月的0.-30CM農田蒸散量與馬鈴薯減產率、氣象產量進行相關分析，結果見表2。

從表2看出，0.-30CM農田蒸散量與馬鈴薯產量的形成具有較高的相關性，因此可以作為致災因子。

2.1.3 干旱監測模型建立? 應用線性回歸統計方法，根據三角城鄉馬鈴薯減產率與不同月份的0-30CM農田蒸散量建立了播種至收獲期間不同月份的干旱監測模型，干旱監測模型方差檢驗值見表3。

式中X1-X6分別為4-9月的逐月0.-30CM農田蒸散量，Y為減產率。

播種至5月28日：Y =47.492908-284.503521/X1

播種至6月28日：Y=90.3036353+1.3535747337*X1-1.6281617603*X2-3.0479257427*X3-0.013313783190*X2*X2+0.019959288882*X3*X3+0.04665962913*X2*X3

播種至7月28日：Yd=65.1903022-2.9239896144*X2-0.009199904393*X2*X2+0.006128580210*X3*X3+0.005938625712*X1*X4+0.024194015036*X2*X3+0.027248009584*X2*X4-0.016159483691*X3*X4

播種至8月28日：Y=51.4442361-2.8479836794*X1-0.007534709662*X5*X5+0.04412172163*X1*X5+0.0028891793630*X2*X3+0.004720473206*X2*X5+0.0023599300869*X4*X5

播種至9月28日：Y=8.72529353-2.2270598240*X1+3.0144819603*X3-1.3118818118*X4+0.9990298196*X6-0.006633937094*X6*X6+0.030469406838*X1*X6+0.009637967277*X2*X5-0.012393874837*X2*X6-0.04329568763*X3*X6+0.017753119147*X4*X6

從表3可以看出，除播種至6月28日的回歸方程未通過顯著性檢驗外，其它方程均通過了90%信度的顯著性檢驗，特別是播種至9月28日的回歸方程為馬鈴薯全生育期的監測模型，不僅通過了信度95%的顯著性檢驗，決定系數高達0.96，反映出了干旱監測模型較高的可用性。

2.2? 不同干旱等級的概率分布圖制作

根據三角城鄉減產率與農田蒸散量，建立馬鈴薯生長期各月的線型回歸模型，結合統計出的各鄉鎮逐年減產率反算出各月、各鄉鎮的農田蒸散量，以前面建立的線型回歸模型為基準，國家規定的減產率農業干旱指標等級劃分（見表4）為標準，以農田蒸散量為因變量，減產率為自變量計算出馬鈴薯生長期不同月份對應的農田蒸散量農業干旱指，如表5所示。

2.3? 基于GIS下的榆中縣馬鈴薯干旱概率分布圖制作

根據各鄉鎮33年的馬鈴薯減產率，結合“農田蒸散量農業干旱指數等級劃分”指標，計算出各鄉鎮馬鈴薯全生育期（4-9月）減產率達到輕旱級及其以上級別出現的總概率和總次數，通過GIS制作的干旱概率分布圖見圖3所示。

2.4? 基于GIS下的馬鈴薯不同重現期下干旱等級分布圖制作

通過各鄉鎮33年的馬鈴薯減產率，利用Pearson-Ⅲ頻次密度函數統計出馬鈴薯全生育期重現期為3年、5年、10年時，各鄉鎮減產率可能出現的最大減產率，繪制出各重現期下的最大減產率分布圖，如圖4-圖6所示。

2.5? 干旱風險區劃

由于各鄉鎮馬鈴薯種植面積不同，即時各鄉鎮遭遇干旱時的等級不同，但造成的經濟損失會出現明顯差異，因此通過各鄉鎮的馬鈴薯種植面積、減產率以加權綜合與層次分析法，繪制不同干旱等級風險區劃圖，劃分出高風險區、次高風險區、中等風險區、次低風險區和低風險區等五個風險區，分別如圖7-圖11所示。

3? 結果與討論

以統計確立的農田蒸散量農業干旱等級指數建立的馬鈴薯減產率監測模型，由于充分應用了當前氣象部門在縣級行政區域建立的自動土壤水分站和人工測墑資料，在馬鈴薯的不同生長發育期能夠開干旱展監測和預警，對于指導安排當地馬鈴薯種植和田間管理發揮重要作用。

由3年、5年、10年一遇干旱等級分布圖可看出，3年重現期下出現特旱等級的鄉鎮主要為北部山區，而5年、10年重現期下出現特旱等級的鄉鎮除北部山區外，其范圍增大到東部至東南部的鄉鎮，而且3年以上重現期下，各鄉鎮出現干旱的等級基本都在重旱以上，這充分說明了干旱對榆中縣各鄉鎮馬鈴薯產量影響之大，是造成榆中縣馬鈴薯產量較低的關鍵氣象因子。

制作出的風險區劃圖經實地調研，區劃結果與實況完全一致。

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