基于水分虧缺率的貴州地區煙草干旱指標

朱曉萌，張澤中，袁義杰，慎東方，商崇菊，李彥彬

(1.貴州省水利工程建設質量與安全中心，貴州 貴陽 550002； 2.華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046;3.貴州省水利科學研究院，貴州 貴陽 550002)

貴州省是全國第二大優質煙葉生產基地，煙草產業是貴州的傳統優勢產業，在地方經濟建設中占有重要地位。同時，貴州省地處云貴高原，是我國西南喀斯特地區的腹心地帶，喀斯特面積達10.9萬km2，占貴州省土地總面積的61.92%。貴州省的生態環境較為脆弱，干旱狀況比較嚴重，每年均會發生旱情，并且平均每十年會發生一次特大干旱[1]。貴州省有著“八山一水一分田”之說，山多水少，并且水資源在時空上分布并不均勻，水旱災害發生頻繁。隨著貴州省社會經濟不斷發展和人口數量持續增加，農業受旱情況和因旱造成糧食減產現象越來越嚴重[2]。

鑒于貴州近些年來干旱影響面積、干旱等級和干旱發生頻率不斷增加，許多相關專家與學者從不同的方面對其進行了系統的研究分析，研究主要集中在對貴州氣象干旱指標[3-4]、不同時間尺度下干旱時空特征分析[5-7]、干旱預警研究[8]，而對貴州農業干旱的研究較少。王備等[9]利用黔西南州1961—2010年月降水和氣溫資料，通過對該區域越冬作物生長期內相對濕潤度指數的變化趨勢以及氣象干旱發生頻次的研究，得到黔西南州氣象干旱的發生次數增多，強度增大，11月處于越冬作物的播種期和幼苗生長期，作物耐旱水平低的結論。張帥等[10]從氣象因素出發，將玉米的受災強度、干旱指標以及農業抗災能力因子三者相結合，建立線性方程，并綜合分析出降水距平百分率與降水潛在蒸散差指標能快速、準確地反映出干旱強度與受災程度。宋艷玲等[11]利用2010—2011年貴州省縣級水稻產量資料，分析干旱對水稻單產的影響，結果表明當累計干旱天數少于40天時，干旱對水稻產量尚不構成影響；當累計干旱天數超過86天時，干旱會造成水稻減產。

煙草生長期內，貴州煙區正好是雨熱同步時期，同時也是該地區旱澇災害頻繁發生時期，尤其是生育后期，易發生伏旱，造成煙草生長水分脅迫。然而對貴州煙草生育期內干旱指標的研究幾乎沒有，而且以往的研究很少考慮到貴州地形坡度大、土地瘠薄等因素。作物水分虧缺率是最常用的作物干旱診斷指標之一[12]，它綜合考慮了氣象、作物、土壤等因素的影響, 能較好地反映出降水量和作物需水量之間關系。鑒于此，本文擬從有效降水量和作物需水量入手，綜合作物減產情況，構建基于作物缺水率的干旱評價指標，以期為貴州煙草干旱災害監測及災損評估提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取貴州省4個典型縣、市(區)的氣象(最高溫度、最低溫度、平均水汽壓、風速、日照時數、相對濕度)以及產量資料，氣象資料來源于中國氣象網(www.date.cma.cn)，產量資料來源于《貴州省統計年鑒》。選取資料的時間序列為1955—2005年，主要原因是2005年之后，貴州省煙草公司為了落實國家工業反哺農業的政策，在貴州煙區開展煙水配套工程建設，使數以萬公頃的煙田得以灌溉。灌溉可以減少災害損失，并不能杜絕干旱的存在，但會使干旱對煙草產量的影響結果被掩蓋，增加了干旱分析的難度。

1.2 研究方法

1.2.1煙草產量分解

煙草產量的形成受各種各樣自然和環境因素的相互制約。通常情況下，從影響產量形成的各個因素的性質和時間尺度的角度來將煙草的產量分解為氣象產量、趨勢產量和隨機產量3個組成部分。其煙草實際產量的分解采用如下公式[13]：

y=yt+yw+ε

(1)

式中：y為煙草的實際產量；yt為煙草的趨勢產量；yw為煙草的氣象產量；ε為煙草的隨機產量，該部分影響很小，可忽略不計，單位均為kg/hm2。

趨勢產量的模擬采用Origin2017軟件中分析板塊的多項式擬合。

本文采用相對氣象產量來表示實際產量相對于趨勢產量的偏離程度，相對氣象產量是由逐年的煙草實際產量與其趨勢產量的差值除以趨勢產量而計算得出，其相應的計算公式為

(2)

式中：YW為煙草相對氣象產量。相對氣象產量可為負值或正值，負值表示煙草產量減少，氣象條件不適宜于煙草生長；正值表示煙草產量增加，氣象條件適宜于煙草生長。

1.2.2煙草生育階段需水量

煙草在生育階段內的逐旬需水量經過累積，可以計算得到煙草生育階段需水量。運用FAO推薦的作物系數法可計算逐旬需水量，理論需水量可以看作是標準條件下的旬蒸散量，計算公式如下[15]：

ETc=K×ET0

(3)

式中：ETc為逐旬作物需水量，mm；ET0為逐旬參照作物蒸散量，mm，反映出不同地區和時期大氣蒸發能力對于植物需水量所造成的影響，與氣象因素有關；K為逐旬作物系數，反映出土壤蒸發和作物蒸騰的綜合影響，它與作物生長狀況、作物類型、土壤蒸發、氣候條件等多種因素有關。K的取值如表1所示。

表1 煙草旬作物系數

參考劉國順等[14]研究成果，采用作物系數法計算作物需水量ETc。根據貴州省灌溉試驗站提供的主要種植結構以及當地農業氣象站提供的試驗結果等資料，確定不同作物逐時段的作物系數。有研究表明，彭曼-蒙蒂斯公式在我國西南地區有較好的適用性。本文ET0的計算采用此公式[15-16]:

(4)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓-氣溫關系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；U2為近地面2 m高處的風速，m/s；γ為濕度計常數，kPa/℃。

1.2.3煙草生育階段有效降水量

有效降水量是指在總降水量中扣除地表徑流和滲漏至作物根系吸水層的水分，可以保存在作物根系層中用來滿足作物蒸發蒸騰所需要的那部分雨量。

單次降水有效降水量P計算公式[17]為

P=αj，iPj,i

(5)

式中：Pj,i為生育階段i(i=1，2，3，分別表示還苗—團棵期(伸根期)、團棵—現蕾期(旺長期)、現蕾—采收結束(成熟期))內第j次降水的降水總量，mm；αj,i為有效利用系數。考慮到貴州地區地形坡度大、土地瘠薄以及獨特的喀斯特地貌等因素，αj,i的取值如下：當Pj,i≤5 mm 時，αj,i=0；當 5 mm50 mm 時，αj,i=0.75[18]。

生育階段i內多次降水的有效降水量累加Pi計算公式為

(6)

式中：n為降水次數。

1.2.4煙草生育階段水分盈虧指數計算

煙草生育階段水分盈虧指數是基于作物水分虧缺指數而構建，從而可表征出水分盈虧程度，其中以有效降水量為供水指標，以生育階段潛在蒸散量為需水指標[19]：

(7)

式中：Ii為水分盈虧指數；ETi為生育階段i的需水量，mm。當Ii=0時，表示水分收支平衡；當Ii>0時，表示生育階段i水分盈余；當Ii<0時，表示水分虧缺，水分虧缺率可用其絕對值表示[20-21]。

2 結果與分析

2.1 煙草相對氣象產量求解

2.1.1趨勢產量模擬

為了比較3次多項式、4次多項式和5次多項式3種方法的擬合效果，分別用湄潭縣相對氣象產量和煙草全生育期的水分盈虧指數進行相關分析。

從表2可以看出，湄潭縣煙草相對氣象產量和全生育期水分盈虧指數的相關關系十分顯著，因此，用水分盈虧指數來反映氣象條件對產量的影響，用作判斷煙草干旱的標準是可行的。但3種方法的模擬效果有些差異，其中以5次多項式模擬效果最好。因此，在進行產量趨勢項模擬時，均采用5次多項式。

表2 3種模擬方法所得相對氣象產量和煙草全生育期水分盈虧指數的關系

以5次多項式模擬各站點的趨勢產量，圖1 顯示了對湄潭縣歷年煙草實際產量的趨勢產量模擬。

圖1 1956—2005年貴州湄潭歷年煙草實際產量與趨勢產量

2.1.2相對氣象產量獲取

得到煙草趨勢產量后，用式(2)計算，可得到煙草相對氣象產量，圖2給出了湄潭縣煙草的相對氣象產量，相對氣象產量為負時即為減產率。

圖2 1956—2005年貴州湄潭縣歷年煙草相對氣象產量

從圖2可以看出，相對氣象產量為負的年份較多，說明湄潭縣煙草大多數年份存在減產現象，其中減產率超過30%的有5 a。從變化趨勢線可以看出，湄潭縣煙草相對氣象產量有增加趨勢，遞增速率為1.40%/10 a，即減產率有下降趨勢，表明氣候條件向有利于煙草生產方向轉變。

由于影響相對氣象產量的各種氣象因子的時間序列具有正態分布特征，即極端氣象條件通常表現為致災因子發生的概率較小，一般氣象條件發生的概率較多，故相對氣象產量序列也應具有正態分布的屬性。圖3給出了湄潭縣相對氣象產量的正態分布概率圖，圖形呈線性，說明數據來自正態分布。

圖3 湄潭縣煙草相對氣象產量的正態概率

2.2 煙草不同生育水分盈虧指數

2.2.1煙草不同生育水分盈虧指數變化趨勢

選取湄潭縣1956—2005年煙草全生育期(5—8月)氣象資料，采用式(2)～(7)計算不同生育期水分盈虧指數如圖4所示。

圖4 湄潭縣煙草生長期內水分盈虧指數變化規律

由圖4可知，湄潭縣煙草伸根期內水分盈虧指數在大多數年間為正值，說明在該生育期內發生水分虧缺的概率很小，不易發生干旱事件，僅有1986年發生嚴重水分虧缺，在該生育期水分盈虧指數趨勢沒有明顯變化；在旺長期水分盈虧指數在大多數年間為負值，說明在該生育期易發生干旱事件，該生育期缺水率超過50%的有4 a，易發生極端干旱事件，水分盈虧指數呈顯著遞增趨勢，通過α=0.01顯著性檢驗，遞增速率為10.40%/10 a，說明在該時期極端干旱事件有減少趨勢；在成熟期水分盈虧指數在大多數年間為負值，說明在該生育期極易發生干旱事件，該生育期缺水率超過50%的有9 a，是極端干旱事件多發時段，水分盈虧指數呈遞增趨勢，通過α=0.01顯著性檢驗，遞增速率為6.90%/10 a，說明在該時期極端干旱事件有減少趨勢；在全生育期水分盈虧指數在大多數年間為負值，湄潭縣煙草在全生育期以干旱為主，水分盈虧指數呈遞增趨勢，說明受氣候變化影響，干旱事件有減少趨勢。

2.2.2水分盈虧指數與煙草相對氣象產量關系

分析煙草水分盈虧指數和相對氣象產量之間的相關關系。結果如表3所示。

表3 不同生育階段水分盈虧指數和相對氣象產量的相關分析

可以看出，煙草在不同生育階段的水分盈虧指數和產量的相關性是不同的。其中，降水在旺長期對煙草產量的影響最大，這個時期的水分盈虧指數和產量的相關關系最為密切，相關系數均達到了極顯著水平。其次，成熟期的水分盈虧指數也同產量具有顯著的相關性。同時，在4個典型區中，水分盈虧指數在伸根期階段和產量的相關性均不顯著，這是由于在煙草移栽的時候，多數站點均有補充灌溉，保證煙苗成活。

2.3 煙草旺長期干旱指標

貴州地區煙草團棵—現蕾期(旺長期)，通常為5月中下旬至 6月中下旬。通過水分盈虧指數與相對氣象產量的分析得出，旺長期的水分盈虧指數和相對氣象產量具有顯著的相關性。因此將旺長期水分盈虧指數與對應的相對氣象產量時間序列數據進行回歸分析，構建它們兩者之間的回歸方程，量化干旱年份內水分虧缺率和減產率之間的相互關系。經過統計分析，貴州省湄潭和威寧兩站點的水分盈虧指數和相對氣象產量的關系如圖5所示。

圖5 煙草旺長期水分盈虧指數和相對氣象產量

用同樣的方法，對其他站點進行類似分析，建立類似的一元線性回歸方程，不同站點此期水分虧缺率(水分盈虧指數負值的絕對值)同減產率(相對氣象產量負值的絕對值)的關系如表4所示。

通常情況下以減產率來劃分農業干旱等級，當減產為≤10%時為輕旱，(10%，20%]時為中旱，(20%，30%]時為重旱，大于30%時為嚴重干旱[22-23]。根據表4，得到以煙草旺長期水分虧缺率為指標的干旱等級標準如表5所示。

表4 煙草旺長期不同水分虧缺率所對應的減產率

表5 不同干旱等級對應的煙草旺長期水分虧缺率

2.4 煙草成熟期干旱指標

貴州地區煙草現蕾—采收結束(成熟期)，通常為6月中下旬至8月中下旬。經過統計分析，貴州省湄潭和威寧兩站點的水分盈虧指數和相對氣象產量的關系如圖6所示。

圖6 煙草成熟期水分盈虧指數和相對氣象產量

用同樣的方法，對其他站點進行類似分析，建立相對應的一元線性回歸方程，不同站點該期水分虧缺率和減產率的關系如表6所示。

表6 煙草成熟期不同水分虧缺率所對應的減產率

因此，用煙草在成熟期的水分虧缺率來評估煙草產量損失的線性回歸方程如下：

Y=0.249X+1.154

(8)

式中：X為成熟期的煙草水分虧缺率，%；Y為煙草減產率，%。

根據表6并結合減產率劃分的農業干旱等級，可以得到以煙草成熟期水分虧缺率為指標的旱情等級標準，結果如表7所示。

表7 不同干旱等級對應的成熟期水分虧缺率

2.5 煙草全生育期干旱指標

貴州地區煙草全生育期，通常為4月中下旬至9月上旬。經過統計分析，貴州省湄潭和威寧兩站點的水分盈虧指數和相對氣象產量的關系如圖7所示。

圖7 煙草全生育期水分盈虧指數和相對氣象產量

因此，用煙草全生育期水分虧缺率評估煙草產量損失的線性回歸方程為

Y=0.543X+1.113

(9)

用同樣的方法，對其他站點進行類似分析，建立相應的一元線性回歸方程，不同站點此期水分虧缺率和減產率的關系如表8所示。

表8 煙草全生育期水分虧缺率和對應的減產率

根據表8，結合減產率劃分的農業干旱等級，得到煙草全生育期水分虧缺率為指標的干旱等級標準(表9)。

3 結 論

a.煙草不同生育階段的水分盈虧指數對產量的影響結果不同。其中，旺長期降水對煙草產量的影響最大，該時期的水分盈虧指數和產量的相關性達到極顯著水平。其次，成熟期的水分盈虧指數也同產量具有顯著的相關性。而在4個典型區中，伸根期的水分盈虧指數和產量的相關性均不顯著。

b.全生育期水分虧缺率為≤15%、(15%,35%]、(35%,55%]、>55%時，分別發生輕、中、重、嚴重干旱，對應的減產率分別為≤10%、(10%,20%]、(20%,30%]、>30%；旺長期水分虧缺率為≤35%、(35%,70%]、>70%時，分別發生輕、中、重旱，對應的減產率分別為≤10%、(10%,20%]、(20%,30%]；成熟期水分虧缺率為≤35%、(35%,75%]、>75%時，分別發生輕、中、重旱，對應的減產率分別為≤10%、(10%,20%]、(20%,30%]。

c.本文中以煙草各生育期缺水率為災損評估指標，分析不同生育期缺水率所對應的干旱等級和減產率，盡管這一指標的選取考慮到了降水的有效利用，運用彭曼公式計算的煙草需水量，考慮到了諸多氣象因子較為符合實際，但煙草產量還與其他諸多因素如水肥條件、田間管理措施、澇災、干旱引發的次生蟲害等密切相關，要想完全分離出因干旱造成的煙草產量損失具有一定難度。