黃土高原北部地區榆林市旱澇急轉特征及其對作物產量的影響*

宋惠敏，張雪艷，馬 欣

(1.中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2.中國科學院地理科學與資源研究所 陸地表層格局與模擬院重點實驗室，北京 100101)

旱澇急轉事件發生規律及其災損評估具有重要意義。國內外關于旱災或澇災發生規律的研究很多，對旱澇急轉事件性規律的研究較少[1-2]。近年，以2011年春夏季長江中下游地區嚴重的旱澇急轉事件為契機，對長江中下游地區旱澇急轉特征[3]和成因[4]進行了探索，提出大氣環流異常為主的歸因結果。在淮河流域，程智等[5]揭示了淮河流域旱澇急轉的氣候特征，唐明等[6]和張效武等[7]提出了安徽省旱澇急轉發生規律和淮北地區旱澇急轉的應對措施建議。孫小婷等[8]還對我國西南地區的旱澇急轉事件長周期規律進行了分析。在旱澇急轉事件的評估方法方面，主要有基于氣候因素中降水量設計的長周期旱澇急轉指數(LDFAI)[9]、標準化降水指數(SPI)[5]、旬降水距平百分率(Pa)[10]、標準降水蒸發指數(SPEI)[11]，或采用降水距平和一組降水閾值[12]等對區域旱澇急轉事件進行分析。其中，LDFAI的絕對值可以反映旱澇急轉事件的強度，Pa能反映作物生育期內的旱澇情況[13-14]。然而，當前對旱澇急轉事件發生規律的研究主要集中在長流流域、淮河流域和西南地區，對我國北方地區的旱澇急轉事件規律關注較少。

水旱災害是農業生產最主要的挑戰之一，每年因干旱和洪澇災害造成的農業減產在10%以上，在極端的條件下可以接近20%[15]。在我國北方地區，5—6月是玉米、大豆和薯類的播種期、出苗期和三葉期，作物需水量較少，7—8月是作物的開花期和成熟期，作物需水量較高，旱澇急轉事件的發生會對作物產量產生一定影響[16-17]。研究表明，旱澇急轉對南方水稻產量具有正/負補償效應[18]，水稻生育后期重旱下的旱澇急轉會導致作物嚴重減產[19-20]。但對于北方地區，特別是生態脆弱地區的農業生產，旱澇急轉給作物產量帶來的影響仍未進行深入的研究。

黃土高原北部的榆林市位于陜西省北部，水土流失嚴重、農業用地破碎、多種作物混種，是我國北方地區典型的農業生態環境脆弱區[21]，夏季降水的異常會給當地農業生產帶來較大影響[22]，嚴重的旱澇急轉災害會使農業生產遭受巨大損失。歷史上榆林市曾多次發生旱澇急轉事件[23-25]，但發生規律尚不清楚[14,26-28]、對農業的影響尚不明確[28-29]。鑒于此，本研究選擇榆林市作為北方農業生態環境脆弱區的代表，開展旱澇急轉事件發生規律和對農業影響評估的研究，以期為北方地區生態脆弱區應對旱澇急轉事件提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

榆林市位于陜西省北部(36°57′～39°35′N，107°28′～111°15′E)，是典型的溫帶季風氣候，多年平均降水量約為429 mm，受季風影響，降水主要集中在夏季，常以暴雨形式出現[30]。榆林市主要作物有玉米、大豆、薯類等，2018年榆林市玉米總產量占榆林市糧食總產量的56.52%，大豆在榆林市糧食作物總產量中排名第三，榆林市馬鈴薯占全陜西省馬鈴薯播種面積的50%以上[31]，這三類作物在榆林市的農業發展中有著至關重要的地位。

圖1 研究區及氣象站點分布示意圖

1.2 資料來源與處理

榆林市降水量數據來自中國氣象數據共享網(http://data.cma.cn/)，研究區內站點包括府谷、神木、佳縣、米脂、子洲、綏德、吳堡、清澗、榆林、橫山、靖邊和定邊。對原始數據進行質量整理和補差，將1981—2018年作物生育期(5—8月)逐日降水量整理成逐月降水量，對1981—2018年的主要作物玉米、大豆和薯類的產量進行標準化處理。

榆林市干旱、洪澇災害歷史數據來源于1981—2018年的《神木縣志》[32]《子洲縣志》[24]《府谷縣志》[33]《佳縣志》[34]《米脂縣志》[25]《靖邊縣志》[35]《吳堡縣志》[36]《清澗縣志》[23]《定邊縣志》[37]《綏德縣志》[38]《中國氣象災害大典·陜西卷》[39]。

1.3 方法

本研究中長周期變化的時間尺度為2個月，“旱轉澇”事件通常指5—6月發生較長時間連續無降水的干旱事件，7—8月突發強降水或連陰雨，發生水澇事件；反之，則為“澇轉旱”[9]。榆林市典型作物生育期主要在5—8月，故對每個氣象站點5—6月和7—8月的降水量標準化后計算長周期旱澇急轉指數(LDFAI)：

LDFAI=(R78-R56)×(|R56|+|R78|)×1.8-|R56+R78|。

(1)

式中：R56為5—6月標準化降水量；R78為7—8月標準化降水量；(|R56-R78|)是旱澇急轉強度項；(|R56|+|R78|)是旱澇強度項；1.8-|R56+R78|為權重系數，其作用是增加旱澇急轉事件所占權重，降低全旱或全澇事件權重。采用LDFAI值的絕對值(ILDFAI)表達旱澇急轉事件的強度，ILDFAI值越大，說明旱澇急轉事件越嚴重[40]。根據榆林市氣候及農業特征，使用降水距平百分率(Pa)輔助判斷旱澇情況，定義Pa>25%為偏澇，定義Pa<-25%為偏旱[29]。

計算榆林市12個氣象站點1981—2018年逐年作物生育期LDFAI，采用線性傾向法、M-K突變檢驗分析時間序列變化，使用ARCGIS軟件運用反距離權重插值法(IDW)對旱澇急轉事件進行空間演變分析，基于非旱澇急轉事件，使用SPSS對不同旱澇急轉類型的作物產量進行獨立性T檢驗。分析過程中將各年代依次表示為1980年代(1981—1990)、1990年代(1991—2000)、2000年代(2001—2010)、2010年代(2011—2018)。

2 結果與分析

2.1 榆林市作物生育期旱澇急轉事件時間變化及趨勢分析

1981—2018年，榆林市LDFAI在時間上以0.148/10年的速率變化(圖2a)，ILDFAI以0.076/10年的速率變化(圖2b)。LDFAI在年代上變化幅度逐漸減小，在1上下波動；ILDFAI在年代上具有一定的階段性，1980年代平均強度相對較弱，1990年代平均強度相對最高，從1990年代往后逐年代降低。圖2c和2d可以看出，LDFAI和ILDFAI的正序列曲線UF在1981—1994年間的年份均為負值，這表明LDFAI和ILDFAI在1981—1994年間波動下降，其中1983—1987年超過-1.96(α=0.05的顯著性水平信度線)，表明1983—1987年后榆林市“旱轉澇”事件發生頻率顯著減少，“澇轉旱”事件顯著增多，旱澇急轉發生強度顯著降低；1994年以后在顯著性水平信度線的正值區間內平穩波動，表明1994年以后“旱轉澇”事件發生頻率趨于增多，旱澇急轉強度升高。UFk和UBk序列在顯著水平信度線內交叉點的數量可確定突變[41]，榆林市38年間LDFAI和ILDFAI的UF、UB正反序列曲線在顯著性水平信度線(α=0.05)之間有多個交點，表明旱澇急轉事件及強度未發生突變。

圖2 1981—2018年榆林市作物生育期內長周期旱澇急轉指數(LDFAI)及強度(ILDFAI)的變化及M-K檢驗結果

表1 1981—2018年榆林市作物生育期內旱澇急轉事件特征

2.2 榆林市典型年份作物生育期旱澇及LDFAI特征

根據表1中的LDFAI結果，結合《中國氣象大典·陜西卷》和榆林市各縣縣志中查到的在5—8月有旱災、又發生澇災的年份，選出旱轉澇、澇轉旱發生典型年份如下：①對于旱轉澇年，1994—1995年最為典型。1994年前半年大旱，到7月26日和8月5日出現兩次歷史罕見大暴雨，定邊縣經濟損失達1億元以上[37]；1994年秋至1995年7月，榆林市連旱300 d，1995年8月底至9月上旬，大部分地區出現了十多天的連陰雨天氣，數萬公頃馬鈴薯就地腐爛[39]。②對于澇轉旱年，其中1991年最為嚴重，5月下旬榆林市部分地區突發暴雨，7月底榆林市大部分溝溪斷流，萬余公頃耕地絕收[36]。綜上，旱澇急轉年的5—6月Pa和7—8月Pa之差的絕對值在50%以上，典型旱轉澇年份5—8月降水量偏多，但5—6月偏少30%以上，7—8月偏多30%以上，LDFAI均大于1.8；典型澇轉旱年份除1983年外其余年份5—8月降水量偏少但接近正常，5—6月偏多30%以上，旱情嚴重的年份7—8月偏少40%以上，LDFAI絕對值小于0.7?？梢姡琇DFAI和降水距平的組合可以較好地識別出榆林市長周期旱澇急轉事件的典型年份。

2.3 作物生育期旱澇急轉事件空間分布特征

從圖3a和圖3b可得，榆林市1981—2018年多年平均旱澇急轉指數及強度在空間上分布一致，均呈現為“東高西低”的特征。多年平均高值區分布在以吳堡、神木為代表的東部地區，低值區分布在以定邊、靖邊、橫山為代表的西部山區。圖3c和圖3d可得，榆林市旱轉澇事件與澇轉旱事件發生頻率相當，且分布規律相對一致，整體呈現“南高北低”的特點。其中，旱轉澇事件發生頻率最高的是子洲，發生頻次為10次，府谷和佳縣發生頻次相對較少，為5次；澇轉旱事件子洲發生頻次較高，為9次，府谷發生頻次最少，為5次?？傮w來看，子洲旱澇急轉事件總發生頻次為19次，發生頻率全區最高，超過平均值的35.71%，府谷發生頻次為10次，低于全區發生平均次數的28.57%，發生頻率全區最低。

2.4 榆林市作物生育期內旱澇急轉事件對作物產量的影響

在表2中，按旱澇急轉事件劃分標準，將1981—2018年榆林市12個區縣的旱澇急轉事件進行統計發現，12個區縣累計發生“旱轉澇”事件74次，“澇轉旱”事件76次。將作物總產量和單產按照旱轉澇(D-F)、澇轉旱(F-D)、非旱澇急轉分為三類，基于非旱澇急轉比較不同類型旱澇急轉事件下作物產量的變化。遭遇旱轉澇事件，作物產量變化不明顯(P>0.05)；遭遇澇轉旱事件，糧食單產、大豆單產、薯類單產分別顯著減少17.85%(P<0.05)、16.63%(P<0.05)、19.46%(P<0.01)。

圖3 1981—2018年榆林市作物生育期平均LDFAI、ILDFAI及旱澇急轉事件發生頻次的空間分布示意圖

表2 榆林市作物生育期內旱澇急轉事件對作物產量的影響

3 討論

通過榆林市5—8月降水變化發現，作物生育期旱澇急轉發生頻率為34.37%。其成因機制異常復雜，南部丘陵溝壑區復雜的地形必然會加強對流天氣的發生和發展程度[40]。榆林市5—8月的水汽主要來源于印度洋和太平洋，深受西太平洋副熱帶高壓和南邊界的水汽輸送影響[40,42]。在澇轉旱年澇期(5—6月)，榆林市位于副高西側和蒙古低壓底部，偏弱的西風帶使中高緯度冷空氣南下，西南暖濕氣流充足北上，降水激增；旱期(7—8月)，副高雖然偏強但在西太平洋上，西風帶偏強阻止了中高緯度冷空氣南下，使榆林市降水偏少。旱轉澇年機制則相反。

由表2可知，糧食單產、大豆單產、薯類單產分別顯著減少17.85%(P<0.05)、16.63%(P<0.05)、19.46%(P<0.01)。遭遇澇轉旱事件，前期降水過多導致植株芽期的分化與根系養分的積累都無法達到正常水平，生育期長的大豆播種時間越晚其產量損失越嚴重[16]，宜選育短生育期品種大豆保證作物產量。馬鈴薯結薯期對溫度較敏感，且需水量占全生育期耗水量的50%以上，干熱的天氣會嚴重抑制塊莖生長[17]，應對馬鈴薯進行陰坡種植，控溫保水，并選擇早熟品種以避免氣象災害威脅。大豆、馬鈴薯和玉米前期幼苗期以地下根系生長為主，需水量較少[17,43]，前期輕微的干旱在一定程度上能緩解、補償后期濕澇對大豆的脅迫[44]，后期結實期需水量較高，因此大豆、馬鈴薯和玉米受旱轉澇事件產量變化不顯著(P>0.05)，為避免前期旱情對玉米、大豆的影響，宜選擇抗旱品種進行覆膜濕播，生育期后期及時補充灌溉。為保障農民收入，需進一步豐富政策性農業氣象災害保險體系?，F有政策性農業氣象災害保險僅針對單一作物設保，間種或套種的其他作物暫未納入其中[45]，因此可考慮將玉米、馬鈴薯、大豆的混種比例納入氣象災害保險產品設計參考范圍。

4 結論

經過對1981—2018年間榆林市作物生育期旱澇急轉事件進行分析，發現榆林市旱澇急轉事件的發生頻率為34.37%。旱澇急轉強度具有階段性特征，1980年代平均強度相對較弱，1990年代平均強度相對最高，從1990年代往后逐年代降低。榆林市多年平均旱澇急轉指數及強度在空間上分布一致，均呈現為“東高西低”的特征，多年平均高值區分布在東部地區，多年平均低值區分布在西部山區。澇轉旱事件對作物產量影響顯著，發生澇轉旱事件，糧食單產、大豆單產、薯類單產分別顯著減少17.85%(P<0.05)、16.63%(P<0.05)、19.46%(P<0.01)。根據榆林市農業生產特點提出旱澇急轉農業綜合應對措施建議，包括加強作物灌溉管理、作物品種優化和豐富農業氣象災害保險體系，以期為北方地區生態脆弱區應對旱澇急轉事件提供參考。