黃河流域農(nóng)業(yè)干旱時(shí)空演變規(guī)律及其自然恢復(fù)期特征

劉 曄，薛萬(wàn)來(lái)

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056000；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100084)

關(guān)鍵字：農(nóng)業(yè)干旱；干旱恢復(fù)時(shí)間；空間異質(zhì)性；黃河流域

黃河流域水資源量?jī)H占全國(guó)的2%，卻承擔(dān)著全國(guó)15%耕地面積和12%人口的供水任務(wù)，人均水資源量約為408 m3，僅為全國(guó)水資源平均水平的20%左右[1]。同時(shí)，灌溉農(nóng)業(yè)是黃河水資源高消耗用戶(hù)，2018年黃河總?cè)∷繛?16.22×108m3，其中農(nóng)田灌溉取水量為327.7×108m3，占總?cè)∷康?3.48%[2]。此外，受全球變暖和高強(qiáng)度下墊面變化的影響，地處氣候濕潤(rùn)-干旱過(guò)渡帶的黃河流域河川徑流量逐年減少，農(nóng)業(yè)干旱呈頻發(fā)和廣發(fā)的態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致流域糧食生產(chǎn)安全面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3-4]。因此，精準(zhǔn)評(píng)估黃河流域不同氣候區(qū)農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生、發(fā)展的時(shí)空演變格局及其自然恢復(fù)期，對(duì)農(nóng)業(yè)抗旱、防汛工作的順利開(kāi)展以及旱澇保收水平的提高具有實(shí)際意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)黃河流域干旱的時(shí)空演變規(guī)律開(kāi)展了大量研究，并取得了較好的評(píng)估結(jié)果[5-7]。在氣象干旱評(píng)估方面，王璐等[8]采用Copula函數(shù)和綜合干旱指數(shù)(MSDI)分析了干旱多屬性概率特征及其動(dòng)態(tài)變化，并運(yùn)用交叉小波變換方法探究了太陽(yáng)黑子、大氣環(huán)流異常因子和植被覆蓋對(duì)黃河干旱的影響。王飛等[9]以標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI作為干旱指標(biāo)，應(yīng)用極點(diǎn)對(duì)稱(chēng)模態(tài)分解方法對(duì)SPEI序列進(jìn)行時(shí)頻分解，并從干旱年際變化、季節(jié)變化、干旱頻率和干旱強(qiáng)度等方面揭示了黃河流域8個(gè)水資源分區(qū)干旱的時(shí)空分布格局。在農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估方面，錢(qián)云平等[10]以土壤含水率為基礎(chǔ)建立了作物干旱評(píng)估指標(biāo)，研究了黃河流域農(nóng)業(yè)干旱的地域性、季節(jié)性、持續(xù)性等特征。王飛以黃河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于MODIS遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歸一化植被指數(shù)NDVI與地表溫度LST數(shù)據(jù)，采用S-G濾波方法重構(gòu)NDVI和LST時(shí)間序列，構(gòu)建了5種不同的農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估指標(biāo)(VCI、TCI、VHI、MTVDI、NVSWI)，揭示了2000—2015年黃河流域農(nóng)業(yè)干旱的時(shí)間演變、空間分布特征[5]。梳理過(guò)去的研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)研究側(cè)重于氣象干旱評(píng)估，對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的研究較少，且對(duì)其自然恢復(fù)期方面的研究存在明顯不足，這將使得流域糧食生產(chǎn)安全面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

因此，本文以典型氣候過(guò)渡區(qū)黃河流域?yàn)槔紤]到氣象、下墊面要素的空間異質(zhì)性，以水資源分區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)將黃河流域劃分為8個(gè)子區(qū)域，并利用1970—2014年氣象數(shù)據(jù)集，構(gòu)建了修正的帕默爾干旱指數(shù)(sc_PDSI)，揭示了不同氣候區(qū)農(nóng)業(yè)干旱事件的時(shí)空演變特征；其次，采用游程理論方法探究了干旱特征變量空間分布格局，并以分辨率0.25°×0.25°柵格為響應(yīng)單元，耦合農(nóng)業(yè)干旱檢驗(yàn)結(jié)果，利用陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)(TWS)計(jì)算了農(nóng)業(yè)干旱的恢復(fù)期；最后，采用地理統(tǒng)計(jì)方法(全局和局部Moran’sI指數(shù))揭示了不同子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)期的空間異質(zhì)性分布特征。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

黃河是我國(guó)第二大河，從源頭至入海途經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東共9個(gè)省份，干流長(zhǎng)度為5 464 km，流域面積約為79.5萬(wàn)km2，屬于典型的復(fù)雜氣候過(guò)渡帶(半濕潤(rùn)、干旱、半干旱)。降水量年內(nèi)分配不均，主要集中于6—10月份，占1970—2014年多年平均降水量的69.50%左右，降水量自東南至西北逐漸遞減且多年平均氣溫介于-4℃～14℃之間，氣溫西北低、東南高[11-12]。考慮到氣候要素和下墊面因子的空間異質(zhì)性影響，本文以二級(jí)水資源分區(qū)為例，分別為龍羊峽以上、龍羊峽至蘭州、蘭州至河口鎮(zhèn)、內(nèi)流區(qū)、河口鎮(zhèn)至龍門(mén)、龍門(mén)至三門(mén)峽、三門(mén)峽至花園口以及花園口以下(分別簡(jiǎn)稱(chēng)為區(qū)域 I、II、III、IV、V、VI、VII和VIII)。流域地理位置及陸地水儲(chǔ)量站點(diǎn)空間分布如圖1所示(見(jiàn) YE頁(yè))。

圖1 陸地水儲(chǔ)量站點(diǎn)空間分布及流域地理位置圖(I、II、III、IV、V、VI、VII和VIII分別為龍羊峽以上、龍羊峽至蘭州、蘭州至河口鎮(zhèn)、內(nèi)流區(qū)、河口鎮(zhèn)至龍門(mén)、龍門(mén)至三門(mén)峽、三門(mén)峽至花園口以及花園口以下區(qū)間邊界；TWS代表陸地水儲(chǔ)量)

研究數(shù)據(jù)包括：1970—2014年月尺度降水量、平均氣溫、潛在蒸發(fā)量、土壤體積含水量以及陸地水儲(chǔ)量等數(shù)據(jù)，其中潛在蒸發(fā)量采用彭曼公式計(jì)算得到。氣象數(shù)據(jù)集來(lái)源于英國(guó)東英吉利大學(xué)的氣候研究中心(Climate Research Unit，CRU)，版本選用CRU TS 4.03，數(shù)據(jù)由氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)空間插值獲得，空間分辨率為0.5°×0.5°。土壤體積含水量和陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)來(lái)源于GLDAS(https://disc.gsfc.nasa.gov/)數(shù)據(jù)集中的CLSM模式，其為由美國(guó)航空航天局(NASA)、戈達(dá)德太空飛行中心(GSFC)和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的全球高分辨率的陸面數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°。為保證空間分辨率一致，將所有數(shù)據(jù)通過(guò)反距離權(quán)重方法(IDW)重采樣為0.25°×0.25°的空間分辨率。

土壤濕度單位(kg·m-2)轉(zhuǎn)化為國(guó)際單位制的體積含水量(m3·m-3)的計(jì)算公式為[13]：

(1)

式中，θ為土壤體積含水量，m3·m-3；D為土壤層厚度，mm；kg為重量單位；mm為厘米單位。值得指出的是，由于GLDAS土壤濕度產(chǎn)品的單位為kg·m-2,通過(guò)公式(1)將其轉(zhuǎn)化為單位體積含水量。

2 研究方法

2.1 修正的帕默爾干旱指數(shù)(sc_PDSI)

(1)計(jì)算農(nóng)業(yè)干旱水分異常指數(shù)Z

(2)

將水分距平d與相應(yīng)月份的氣候權(quán)重系數(shù)K相乘，獲得Palmer Z指數(shù)[14]：

Z=dK

(3)

(2)氣候權(quán)重系數(shù)K的計(jì)算公式為：

(4)

(5)

(3)PDSI指數(shù)的計(jì)算公式為：

(6)

2004年WELLS等[15]提出了修正的PDSI指數(shù)，計(jì)算出每個(gè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)和持續(xù)因子，具有較好的空間可比性，sc_PDSI干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 sc_PDSI干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 游程理論

游程理論方法是YEVJEVICH于1967年提出的廣泛用于識(shí)別干旱事件的重要手段[16]。為了揭示農(nóng)業(yè)干旱事件的多變量屬性特征，本文利用游程理論各個(gè)響應(yīng)單元的干旱特征量，其詳細(xì)計(jì)算過(guò)程為：當(dāng)sc_PDSI≤-1時(shí)，記作一次干旱事件，該次干旱事件從發(fā)生至結(jié)束記為干旱歷時(shí)(月)，該次干旱歷時(shí)相應(yīng)的sc_PDSI絕對(duì)值的累加之和記為干旱烈度，其與干旱歷時(shí)的比值記為干旱強(qiáng)度；所有干旱事件烈度的最大值記為干旱峰值，即特定干旱事件中最嚴(yán)重月份的干旱程度。

2.3 干旱恢復(fù)時(shí)間

基于游程理論農(nóng)業(yè)干旱的識(shí)別過(guò)程和陸地水儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)干旱的自然恢復(fù)時(shí)間計(jì)算過(guò)程為：

(1)當(dāng)sc_PDSI≤-1時(shí)，記作一次干旱事件，并識(shí)別出該次干旱事件的起始和終止時(shí)間；

(2)利用陸地水儲(chǔ)量時(shí)間序列，識(shí)別出每次干旱事件對(duì)應(yīng)的平均土壤含水量赤字水量，識(shí)別出農(nóng)業(yè)干旱起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的土壤含水量，并計(jì)算其差值，即農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)其初始狀態(tài)所缺的水量；

(3)以一次農(nóng)業(yè)干旱終止時(shí)刻為干旱自然恢復(fù)期的起始時(shí)間，當(dāng)(2)中所缺水量大于零時(shí)，相應(yīng)的恢復(fù)歷時(shí)記為農(nóng)業(yè)干旱自然恢復(fù)期；

(4)將所有干旱事件干旱恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行平均，即為該響應(yīng)單元對(duì)應(yīng)的干旱恢復(fù)期。

2.4 地理統(tǒng)計(jì)方法(全局和局部Moran’s I指數(shù))

Moran’sI指數(shù)是廣泛用于度量空間相關(guān)性的一個(gè)重要指標(biāo)，其包含全局Moran’sI(Global Moran’s index，GMI)和局部Moran’sI(Local Moran’s index，LMI)。前者是由澳大利亞統(tǒng)計(jì)學(xué)家PATRICK[17]于1950年開(kāi)發(fā)的空間自相關(guān)性度量指標(biāo)，后者則由美國(guó)ANSELIN教授[18]于1995年提出。其計(jì)算公式分別為：

z(ui),z(uj)∈δ(u,h)

(7)

(8)

式中,n為樣本個(gè)數(shù)；z為空間變量的屬性值，即本文的農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間；h為相鄰柵格之間的距離；u為空間位置；δ(u，h)表示滿足||ui-uj||≈h的點(diǎn)對(duì)集合；ωij為空間權(quán)重矩陣；m為樣本均值。

全局Moran’sI可以分析整個(gè)不同子區(qū)域的干旱恢復(fù)時(shí)間在空間上的潛在依賴(lài)性，用單一的值來(lái)反映其空間自相關(guān)程度；GMI>0(<0)代表干旱恢復(fù)時(shí)間在空間上呈正相關(guān)(負(fù)相關(guān))，其值越大(小)空間相關(guān)性越強(qiáng)(弱)，GMI∈[-1,1]；局部Moran’sI指數(shù)揭示了柵格響應(yīng)單元與相鄰單元在干旱恢復(fù)時(shí)間的相關(guān)性，即揭示空間聚集或離散狀態(tài)。

局域性關(guān)聯(lián)性確定空間權(quán)重的計(jì)算公式為：

(9)

(10)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱事件的時(shí)空演變特征

基于8個(gè)子區(qū)域1970—2014年面平均氣象和土壤水?dāng)?shù)據(jù)，采用修正的帕默爾干旱指數(shù)計(jì)算了月尺度農(nóng)業(yè)干旱事件的時(shí)程變化特征。分析圖2發(fā)現(xiàn)：黃河流域不同子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱的時(shí)程演變特征大致分為兩個(gè)階段：1970—1990年和1990—2014年，其中，1990年以前，不同子區(qū)域?qū)?yīng)的農(nóng)業(yè)干旱時(shí)程變化規(guī)律交替變化，即藍(lán)色和紅色渲染相當(dāng)，而1990年以后，不同子區(qū)域間農(nóng)業(yè)干旱程度差異顯著，如子區(qū)域 I 多以藍(lán)色渲染為主，而子區(qū)域 III～VII 多以紅色渲染為主，即黃河源區(qū)農(nóng)業(yè)干旱呈暖濕化的趨勢(shì)，而其他區(qū)域呈暖干化的趨勢(shì)；從sc_PDSI值角度出發(fā)，由黃河上游至黃河下游，農(nóng)業(yè)干旱程度逐漸加劇(紅色渲染對(duì)應(yīng)的干旱面積較大)，尤其是1990年以后，這可能歸因于該時(shí)期人類(lèi)活動(dòng)影響加劇，如黃河中下游存在四大農(nóng)業(yè)灌區(qū)(寧蒙灌區(qū)、河套灌區(qū)、汾河灌區(qū)和關(guān)中灌區(qū))，農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)大量取水導(dǎo)致河川徑流量顯著減少[19]；由此看來(lái)，黃河流域農(nóng)業(yè)干旱在空間上具有異質(zhì)性，且隨著氣候變化，這一差距愈加突顯。

圖2 黃河流域8個(gè)子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱事件的時(shí)程變化特征

為進(jìn)一步揭示黃河流域8個(gè)子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱的空間變化規(guī)律，本文采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)不同響應(yīng)單元下的sc_PDSI序列進(jìn)行趨勢(shì)性檢驗(yàn)，并采用反距離權(quán)重方法(IDW)對(duì)趨勢(shì)變化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值進(jìn)行空間插值，結(jié)果如圖3所示(見(jiàn)218YE頁(yè))。分析圖3發(fā)現(xiàn)，龍羊峽以上(I)、龍羊峽至蘭州(II)西北部區(qū)域統(tǒng)計(jì)量Z值均大于0，即該區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱整體呈濕潤(rùn)化特征，且區(qū)域 I 大部分區(qū)域在99%置信水平下是顯著的(統(tǒng)計(jì)量Z>2.57)，這一結(jié)果側(cè)面印證了黃河上游農(nóng)業(yè)干旱時(shí)間尺度農(nóng)業(yè)干旱化程度降低的科學(xué)性和合理性；內(nèi)流域(IV)農(nóng)業(yè)干旱趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z值均小于-2.57(99%置信水平)，即未來(lái)內(nèi)流區(qū)農(nóng)業(yè)干旱化程度加劇；通過(guò)分析不同子區(qū)域統(tǒng)計(jì)量Z值可知，黃河流域中下游區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱愈加嚴(yán)重，而黃河上游未來(lái)農(nóng)業(yè)干旱程度將得以緩解，該研究結(jié)果與葉培龍等[20]得到的近40 a來(lái)黃河上游全區(qū)域暖濕化趨勢(shì)的氣候特征基本一致。

圖3 黃河流域8個(gè)子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱事件的空間變化趨勢(shì)

整體而言，黃河流域農(nóng)業(yè)干旱化演變趨勢(shì)在空間上干濕分明，黃河上游地處高海拔寒區(qū)，氣候變暖導(dǎo)致冰川融水，局地降水增加，農(nóng)業(yè)干旱程度減弱，而中下游存在大型農(nóng)業(yè)灌區(qū)、高密集人類(lèi)活動(dòng)區(qū)，天然河道取用水增大，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱程度加劇。

3.2 基于游程理論的干旱特征變量識(shí)別結(jié)果

由于農(nóng)業(yè)干旱具有多變量屬性(干旱次數(shù)、干旱歷時(shí)、干旱強(qiáng)度和干旱峰值)，采用游程理論方法從各響應(yīng)單元sc_PDIS序列中分離出農(nóng)業(yè)干旱的多變量屬性，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

分析圖4發(fā)現(xiàn)：由歷史時(shí)間序列(1970—2014年)干旱特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果箱型圖中值可知，干旱特征變量屬性在不同子區(qū)域之間差異明顯，且干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度具有很好的長(zhǎng)程相依性，即干旱歷時(shí)長(zhǎng)，干旱強(qiáng)度大；子區(qū)域I、II、III、IV、V、VI、VII和VIII對(duì)應(yīng)的干旱次數(shù)分別為18、16、23、24、25、17、27、35次，相應(yīng)的干旱歷時(shí)分別為13、16、10、14、15、17、10、9個(gè)月(箱體中位數(shù)可知)，需要指出的是子區(qū)域VI的干旱強(qiáng)度和干旱峰值最大，子區(qū)域VIII最小，即前者發(fā)生極端干旱的風(fēng)險(xiǎn)較大；由干旱峰值箱體寬度可知，子區(qū)域 I、子區(qū)域 VII和子區(qū)域VIII的箱體寬度較小，而子區(qū)域II～I(xiàn)V的箱體寬度較大，這歸因于前者多屬于半濕潤(rùn)氣候區(qū)，而后者屬于干旱、半干旱過(guò)渡帶，導(dǎo)致計(jì)算的農(nóng)業(yè)干旱特征變量值在年際直接差異程度較大。

圖4 黃河流域8個(gè)子區(qū)域1970—2014年農(nóng)業(yè)干旱特征變量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過(guò)深入分析發(fā)現(xiàn)，黃河流域農(nóng)業(yè)干旱化程度與地理位置息息相關(guān)，流域中游區(qū)域干旱化程度最高，而下游次之，上游最小，這可能歸因于上游和下游均屬于半濕潤(rùn)氣候區(qū)，而中游地處干旱、半干旱過(guò)渡區(qū)。

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，受氣候、下墊面類(lèi)型的空間異質(zhì)性影響，干旱特征變量屬性值在區(qū)域之間具有顯著的差異性。為了更好地展示其空間差異性，基于各響應(yīng)單元對(duì)應(yīng)的干旱特征值，采用IDW方法進(jìn)行空間插值，結(jié)果如圖5所示。

分析圖5發(fā)現(xiàn)：(1)由西至東，黃河流域農(nóng)業(yè)干旱次數(shù)整體呈逐漸增加的變化趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在子區(qū)域 VIII；(2)通過(guò)對(duì)比干旱歷時(shí)、干旱強(qiáng)度和干旱峰值的空間變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，三者的空間分布規(guī)律基本相同，但局部區(qū)域略有差異；(3)子區(qū)域II(龍羊峽至蘭州)南部和子區(qū)域VI(龍門(mén)至三門(mén)峽)農(nóng)業(yè)干旱歷時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度和峰值均較大，這可能歸因于該區(qū)域?yàn)檗r(nóng)業(yè)高耗水區(qū)(汾河灌區(qū)和關(guān)中灌區(qū))，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱化程度較高；(4)縱觀上述研究發(fā)現(xiàn)，各子區(qū)域之間，農(nóng)業(yè)干旱既有差異性、又有相似性，有必要深入厘清農(nóng)業(yè)干旱屬性值在空間上的空間異質(zhì)性特征，重點(diǎn)布控干旱高發(fā)區(qū)。

3.3 不同子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱自然恢復(fù)時(shí)間的空間分布規(guī)律

由前文分析可知，不同子區(qū)域間農(nóng)業(yè)干旱時(shí)空變化特征具有顯著的差異性，本節(jié)通過(guò)耦合游程理論檢驗(yàn)和陸地水儲(chǔ)量變化過(guò)程，計(jì)算了不同子區(qū)域的農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間，結(jié)果如圖6和圖7所示。

分析圖6發(fā)現(xiàn)：黃河流域農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間介于4～8個(gè)月之間(箱型圖中位數(shù))，各區(qū)域之間存在差異性，整體呈現(xiàn)為：子區(qū)域 IV的干旱恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，其中位數(shù)高達(dá)8個(gè)月左右；子區(qū)域 III次之，約為6個(gè)月；子區(qū)域 II和 VII的干旱恢復(fù)時(shí)間最小，約為4個(gè)月。值得注意的是子區(qū)域 IV的干旱修復(fù)時(shí)間最長(zhǎng)，這主要?dú)w因于該區(qū)域?qū)儆诘湫偷膬?nèi)流域，與外界不存在水資源之間的交換，僅為降水補(bǔ)給，從而導(dǎo)致其農(nóng)業(yè)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖6 不同子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱自然恢復(fù)期的差異性特征

圖7為不同子區(qū)域各響應(yīng)單元下農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間的空間分布規(guī)律。由圖可知，黃河流域北部和南部區(qū)域干旱恢復(fù)時(shí)間較短，而流域中部區(qū)域干旱恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，局部區(qū)域干旱恢復(fù)時(shí)間高達(dá)36個(gè)月；不同子區(qū)域，農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間存在明顯的聚集性空間分布特征，如子區(qū)域 I的中部、子區(qū)域 II的南部等；黃河流域農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間介于1～36個(gè)月，4個(gè)月以?xún)?nèi)所占的響應(yīng)單元面積比重為42.68%，相應(yīng)的大于4個(gè)月的響應(yīng)單元面積比重為57.32%。

圖7 不同子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱自然恢復(fù)期的空間差異性

總的來(lái)說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)干旱地區(qū)(北部)的生態(tài)系統(tǒng)從干旱中迅速恢復(fù)，這歸因于該生態(tài)系統(tǒng)中的植物通過(guò)不同的生理、解剖和功能機(jī)制來(lái)適應(yīng)長(zhǎng)期缺水，幫助它們減少水分損失、呼吸成本、光合活性和最大限度地吸收水分。

3.4 農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間的全局和局部空間自相關(guān)性

受氣候、下墊面要素等影響，干旱因子特征變量屬性值存在一定的空間相關(guān)性，即農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間亦具有“相近相似”的空間分布格局[21]。因此，本文以不同子區(qū)域?yàn)槔捎玫乩斫y(tǒng)計(jì)分析方法(全局和局部Moran’sI指數(shù))揭示農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間的空間自相關(guān)性。

圖8為不同子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱自然恢復(fù)時(shí)間的全局空間自相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果。分析圖8可知：除子區(qū)域 II，其他子區(qū)域的全局空間自相關(guān)性統(tǒng)計(jì)量Moran’sI值均大于0.20，且在99%置信水平下是顯著的(T-檢驗(yàn))；子區(qū)域I、II、III、IV、V、VI、VII和VIII對(duì)應(yīng)的Moran’sI值分別為0.44、0.02、0.35、0.41、0.26、0.26、0.66和0.26；在99%置信水平下，統(tǒng)計(jì)量T值分別為12.45、0.60、11.43、6.95、7.10、9.14、11.19和4.50，這意味著除了子區(qū)域 II，其他區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間在空間上均存在顯著的空間自相關(guān)性。

圖8 不同子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱自然恢復(fù)時(shí)間的全局空間自相關(guān)性

圖9為不同子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱自然恢復(fù)時(shí)間的局部空間自相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果。由圖可知：黃河流域大部分區(qū)域局部空間自相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果為非顯著性，即相鄰區(qū)域之間農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間的差異性較小，而流域中部區(qū)域存在顯著的高高聚集現(xiàn)象；以子區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，子區(qū)域 I中部、子區(qū)域 II北部、子區(qū)域 III西南部、子區(qū)域 IV 南部、子區(qū)域 V西南部和子區(qū)域 VI的北部均存在顯著性的“高高聚集”現(xiàn)象，即該區(qū)域的農(nóng)業(yè)干旱修復(fù)時(shí)間明顯高于相鄰區(qū)域，且在99%置信水平下是顯著的；流域中部的子區(qū)域高高聚集位置周邊存在“低高異常”現(xiàn)象，這意味著隨著農(nóng)業(yè)干旱程度的加劇，其干旱恢復(fù)時(shí)間將增加(被同化)；通過(guò)本文的研究可以精準(zhǔn)識(shí)別出農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生時(shí)其所需要的自然干旱恢復(fù)時(shí)間，并檢驗(yàn)出其區(qū)域性空間集聚特征，可為抗旱減災(zāi)提供依據(jù)，能夠適時(shí)提高農(nóng)業(yè)糧食安全生產(chǎn)的保障水平。

圖9 不同子區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱自然恢復(fù)時(shí)間的局部空間自相關(guān)性

4 討 論

隨著氣候變化的加劇，農(nóng)業(yè)干旱已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全的重要影響因素[22]。本文以黃河流域?yàn)槔ㄟ^(guò)構(gòu)建修正的帕默爾干旱指數(shù)(sc_PDSI)，探究了不同氣候區(qū)農(nóng)業(yè)干旱的時(shí)空演變規(guī)律，結(jié)果表明：流域上游農(nóng)業(yè)干旱程度最小，中游和下游農(nóng)業(yè)干旱化程度加劇，這一結(jié)論與王飛采用VCI、TCI等農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)得到的干旱趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果一致[5]。同時(shí)，龐愛(ài)萍等[23]研究發(fā)現(xiàn)黃河上游降水量呈增加趨勢(shì)，而其他區(qū)域顯著減少，該結(jié)論側(cè)面證實(shí)了本研究結(jié)論。

本研究發(fā)現(xiàn)，干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生農(nóng)業(yè)干旱可以迅速恢復(fù)，而干旱、半干旱過(guò)渡帶的農(nóng)業(yè)干旱時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)半濕潤(rùn)區(qū)(黃河源區(qū))的干旱恢復(fù)時(shí)間也較長(zhǎng)。該結(jié)論與ZHANG等[24]得到的不同氣候區(qū)干旱恢復(fù)時(shí)間不同、且干旱氣候區(qū)對(duì)干旱恢復(fù)時(shí)間較短的結(jié)論相一致。本研究對(duì)于水資源短缺的黃河流域抗旱減災(zāi)工作的順利開(kāi)展可提供一定的理論支撐。

在本研究基礎(chǔ)上，尚需開(kāi)展以下研究，如土壤需水量數(shù)據(jù)源的選擇仍具有不確定性，未來(lái)將增加集合土壤水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，并利用GPP或NPP等植被生態(tài)系統(tǒng)要素，深入探究農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生后生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干旱的響應(yīng)機(jī)理。此外，本研究以相鄰區(qū)域進(jìn)行全局和局部空間自相關(guān)性檢驗(yàn)，為了增加檢驗(yàn)結(jié)果的魯棒性，未來(lái)將以0.25°×0.25°為響應(yīng)單元，按照距離的方式計(jì)算農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間空間自相關(guān)性。

5 結(jié) 論

本文研究旨在分析黃河流域農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生、發(fā)展的空間演變特征，并采用科學(xué)合理的指標(biāo)揭示在氣候、下墊面空間異質(zhì)性影響下農(nóng)業(yè)干旱的自然恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)精準(zhǔn)量化評(píng)估干旱恢復(fù)時(shí)間的空間分布格局。主要結(jié)論為：

(1)時(shí)間上，1990年以前，農(nóng)業(yè)干旱化程度較低，但隨著氣候變化，流域干旱化程度加劇；空間上，上游大部分區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱化程度有所減緩，而中游和下游區(qū)域干旱化程度加劇，且在95%置信水平下是顯著的；

(2)自上游至下游，干旱發(fā)生頻次逐漸增加，但干旱歷時(shí)、干旱烈度和干旱峰度均呈“先增加后減小”的變化趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)干旱化程度與地理位置、降水要素息息相關(guān)，受農(nóng)業(yè)取用水、人類(lèi)活動(dòng)影響較大；

(3)干旱區(qū)農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間較短，干旱、半干旱過(guò)渡區(qū)以及濕潤(rùn)區(qū)農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)，黃河流域農(nóng)業(yè)干旱恢復(fù)時(shí)間介于4～8個(gè)月之間，干旱恢復(fù)時(shí)間小于4個(gè)月所占的響應(yīng)單元面積比重為42.68%，然而大于4個(gè)月的響應(yīng)單元面積比重高達(dá)57.32%。