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我国西南地区干旱变化及对贵州水稻产量影响

宋艳玲 蔡雯悦 柳艳菊 张存杰

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我国西南地区干旱变化及对贵州水稻产量影响

Drought Changes in Southwest China and Its Impacts on Rice Yield of Guizhou Province

  • 摘要: 近几年,我国西南地区干旱频繁发生,严重影响农业生产。为了探讨干旱和水稻产量之间关系的复杂性,采用中国气象局国家气象信息中心提供的西南地区348个站气象数据,计算了西南地区干旱的变化趋势,并利用2000—2011年贵州省县级水稻产量资料分析了干旱对水稻单产的影响,探讨了干旱、水资源灌溉以及水稻产量之间的关系。结果表明:1951—2012年西南地区降水量平均减少16.9 mm/10 a,特别是8—10月降水量明显减少。同时,西南地区干旱日数呈上升趋势,平均增加3.3 d/10 a。对比水稻产量发现,当累计干旱日数少于40 d时,干旱对水稻产量一般不会造成影响;当累计干旱日数超过86 d时,干旱造成水稻减产20%~73%,这意味着当累计干旱日数超过3个月时,江河塘库蓄水将受到影响,进而影响水稻的灌溉,造成水稻严重减产;当累计干旱日数为40~86 d时,水稻减产一般少于20%,但地区差异较大。
  • 图 1  我国西南地区具有1951—2012年数据序列的37个站 (a) 和具有1961—2012年序列的348个站 (b) 分布

    Fig.1  The distribution of 37 stations from 1951 to 2012 (a) and 348 stations from 1961 to 2012 (b) in Southwest China

    图 2  1951—2012年我国西南地区年降水距平百分率 (a) 和8—10月降水量 (b) 变化

    Fig.2  The change of precipitation anomaly percentage (a) and the change of precipitation from Aug to Oct (b) from 1951 to 2012 in Southwest China

    图 3  1951—2012年南亚夏季风指数变化

    Fig.3  The change of the South Asian summer monsoon index from 1951 to 2012

    图 4  1951—2012年我国西南地区年干旱日数和生长季干旱日数变化

    Fig.4  The change of the number of annual drought days and the number of growing season drought days from 1951 to 2012 in Southwest China

    图 5  2000—2011年贵州省县级水稻产量变化率及水稻生长季内累计干旱日数的关系

    Fig.5  The relationship between county rice yields and the number of drought days of growing season in Guizhou Province from 2000 to 2011

    表 1  ISWAP等级划分

    Table 1.  The classification of ISWAP

    等级 类型 ISWAP
    1 无旱 -0.5 < ISWAP
    2 轻旱 -1.0 < ISWAP≤-0.5
    3 中旱 -1.5 < ISWAP≤-1.0
    4 重旱 -2.0 < ISWAP≤-1.5
    5 特旱 ISWAP≤-2.0
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    表 2  2011年贵州省部分县水稻产量变化以及降水和干旱日数信息

    Table 2.  Changes of rice yields, precipitation and the number of drought days for some counties of Guizhou Province in 2011

    县名 水稻产量变化幅度/% 4—9月降水量/mm 4—9月降水距平百分率/% 累计干旱日数/d
    石阡 -72.9 336.1 -59.2 155
    余庆 -67.7 456.8 -42.9 112
    正安 -67.6 433.1 -47.4 102
    黔西 -63.6 353.1 -53.5 136
    水城 -60.4 559.7 -42.5 113
    凤冈 -59.9 544.9 -39.9 117
    德江 -58.5 597.2 -35.8 99
    册亨 -57.1 524.6 -47.9 117
    习水 -52.0 392.7 -52.2 140
    开阳 -44.8 407.6 -51.6 147
    毕节 -43.8 441.4 -37.2 127
    金沙 -42.9 422.0 -46.8 115
    安龙 -42.2 448.2 -53.7 141
    榕江 -41.1 548.1 -37.6 100
    锦屏 -39.0 546.2 -38.4 110
    关岭 -38.9 712.4 -35.4 76
    岑巩 -38.6 616.5 -24.7 92
    福泉 -37.6 518.5 -40.7 111
    贵定 -35.1 435.2 -49.7 142
    独山 -34.5 519.5 -40.9 89
    剑河 -31.3 556.8 -35.4 105
    从江 -30.4 615.3 -29.8 68
    长顺 -26.5 724.5 -33.8 93
    赤水 -26.4 522.3 -41.4 107
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-06-10
  • 修回日期:  2014-07-09
  • 刊出日期:  2014-09-30

我国西南地区干旱变化及对贵州水稻产量影响

  • 国家气候中心,北京 100081

摘要: 近几年,我国西南地区干旱频繁发生,严重影响农业生产。为了探讨干旱和水稻产量之间关系的复杂性,采用中国气象局国家气象信息中心提供的西南地区348个站气象数据,计算了西南地区干旱的变化趋势,并利用2000—2011年贵州省县级水稻产量资料分析了干旱对水稻单产的影响,探讨了干旱、水资源灌溉以及水稻产量之间的关系。结果表明:1951—2012年西南地区降水量平均减少16.9 mm/10 a,特别是8—10月降水量明显减少。同时,西南地区干旱日数呈上升趋势,平均增加3.3 d/10 a。对比水稻产量发现,当累计干旱日数少于40 d时,干旱对水稻产量一般不会造成影响;当累计干旱日数超过86 d时,干旱造成水稻减产20%~73%,这意味着当累计干旱日数超过3个月时,江河塘库蓄水将受到影响,进而影响水稻的灌溉,造成水稻严重减产;当累计干旱日数为40~86 d时,水稻减产一般少于20%,但地区差异较大。

English Abstract

    • 受全球变暖和其他各种因素的影响,地球环境急剧恶化。如目前全球大约有20亿人口面临缺水的困难,沙漠化的土地占全球面积的1/4,并且正以每年600×104 hm2速度推进[1]。近年来,极端天气气候事件的发生频率和强度都在增加,严重影响了人类的生存和社会的可持续发展[2-3]。我国地处生存环境脆弱多变的东亚地区,受全球变化和社会经济高速发展的影响,环境问题尤为突出。其中干旱是我国最主要的极端气候事件之一,严重影响了我国农业生产和社会经济的发展。

      研究发现,我国各地干旱均有发生,平均每年受旱面积达2000×104 hm2[4]。过去普遍认为干旱主要发生在我国北方地区,20世纪后期以来的北方干旱常态化,南方季节性干旱扩大化趋势明显[5]。据不同时段统计,我国干旱的发生和成灾面积均呈上升趋势。傅伯杰[6]统计的1951—1989年旱灾资料显示,全国平均每年受旱灾影响的农田面积达到2093.3×104 hm2,占全国耕地面积的21.9%。顾颖等[7]统计了1949—2007年旱灾资料,我国平均每年干旱受灾面积达到2188×104 hm2,旱灾面积持续攀升,南方地区轻旱年和中旱年发生频率增加,干旱发生的范围不断扩大。特别是我国西南地区,近几年干旱频繁发生,严重影响农业生产。如2003年3—5月重庆西南部、云南北部、贵州西部降水量较常年同期偏少20%~50%,加之同期气温偏高,加速了土壤水分蒸发,致使四川、重庆、云南和贵州部分地区出现不同程度的春旱,导致西南部分地区一季稻无水移栽[8]。2006年夏季川渝地区发生大旱,重庆因旱农作物受灾面积为132.7×104 hm2,绝收面积为37.5×104 hm2, 直接经济损失达90.7亿元;四川农作物成灾面积为116.6×104 hm2,绝收面积为31.1×104 hm2,伏旱造成直接经济损失125.7亿元[9]。2009年9月—2010年3月西南地区又发生历史罕见秋冬春特大干旱,贵州最长干旱日数达148 d,严重干旱导致云南、贵州粮油作物大幅减产或绝收。据统计,云南、贵州、广西、四川农作物受灾面积为660×104 hm2,直接经济损失达400多亿元[10]。2011年西南地区又发生严重干旱,此次干旱范围广、持续时间长,使贵州、四川、云南和广西3952万人受灾,1188.2万人饮水困难,经济损失达218.5亿元[11]。严重干旱使西南地区地下水位下降,江河来水量和库塘蓄水量减少,对当地人们的正常生活特别是农业生产产生了极为不利的影响。因此,研究西南地区的干旱变化特征及影响显得尤为迫切。

      西南地区处于东亚季风和南亚季风交汇影响区域,干湿季分明,通常5—10月处于雨季,雨季降水量占年降水量的80%;而11月—次年4月处于干季,降水少,属干旱易发期。西南地区种植的农作物主要有水稻、玉米和小麦,2012年西南地区农作物种植面积为2523.8×104 hm2,占全国种植面积的15.4%。其中水稻种植面积为445.1×104 hm2,占西南地区种植面积的17.6%[12],水稻是西南地区人们的主要粮食作物之一。

      由于近几年西南地区严重干旱事件频发,因此针对西南干旱的研究逐渐增多,如刘德等[13]从欧亚大气环流异常分析了重庆地区夏季干旱和洪涝的成因;彭京备等[14]从观测资料入手分析了2006年夏季西南地区的严重干旱灾害的特征及成因,并指出西太平洋副热带高压和大陆副热带高压异常对2006年夏季西南地区严重干旱有直接影响;李永华等[15]也系统分析了2006年夏季西南地区东部严重干旱的特征和成因,发现2006年夏季西太平洋副热带高压偏北、偏西以及南亚高压偏东、偏强,使我国西南地区下沉气流偏强,抑制了孟加拉湾向该地区的水汽输送,同时北方南下冷空气偏弱导致了西南地区发生严重干旱;黄荣辉等[4]详细分析了2009—2010年我国西南地区严重干旱的成因。

      可见,我国科研工作者对西南地区干旱发生的成因研究较多,但对西南地区干旱演变规律及影响研究较少。因此,本文利用国家气象信息中心提供的我国西南地区高质量、高密度 (基本站和一般站)348个站的气象数据和干旱指数 (ISWAP) 的计算方法,分析了西南地区干旱的演变趋势,并利用2000—2011年贵州省县级水稻产量资料分析了干旱对水稻单产的影响,探讨了干旱、灌溉水资源及水稻产量之间关系的复杂性。

    • 本研究所用数据包括我国西南地区气象数据和贵州省县级水稻单产数据。

      气象数据来自国家气象信息中心,西南地区 (四川、重庆、贵州和云南) 基本站和一般站共405个,本文根据数据质量选取37个站 (图 1), 这些站点具有1951—2012年完整序列数据,选取原则为每年的数据缺失率低于5%,否则不予选取。再从405个站中选取348个站,这些站具有1961—2012年的52年的完整序列数据。

      图  1  我国西南地区具有1951—2012年数据序列的37个站 (a) 和具有1961—2012年序列的348个站 (b) 分布

      Figure 1.  The distribution of 37 stations from 1951 to 2012 (a) and 348 stations from 1961 to 2012 (b) in Southwest China

      贵州省县级水稻单产数据来自中国农业部。县级水稻单产数据与348个站的气象数据有较好的对应关系,有利于分析气候条件和干旱与产量的关系。

    • 国内外干旱指标研究很多[16-20],每个干旱指标均有其优缺点,其中被广泛使用的气象干旱指标是标准降水指数ISP (standardized precipitation index), 但ISP未考虑前期降水的衰减作用。对此,本文在ISP的基础上进行了改进,引入新的指数IWAP (weighted average of precipiation)[21]IWAP基于下面的物理模型:

      (1)

      通过该物理模型来描述干旱程度 (f (t)) 的变化,该模型仅考虑了降水因子。其中,t为时间;-bf (t) 考虑了径流、蒸散、渗透等因素的干旱程度衰减项,b > 0;P (t) 为降水量。f (t) 随当地降水强度的变化而变化。经过数学处理,得到另一种形式的加权平均降水指数即IWAP,定义为

      (2)

      其中,Pn为降水量,n为距离当前的日数,a为贡献参数。

      ISPIWAP指数的一个特例,即当a=1时的特例。由于a=1,因此ISP没有考虑前期降水的衰减作用,只是将一定时间尺度范围内的降水进行简单的等权平均,仅反映这段时间内大体的旱涝情况。而干旱是一个累计过程,不仅与当前降水有关,还与前期降水有关[22]。而IWAP考虑了前期降水的衰减作用,即当a趋近于1时,式 (2) 可进一步简化为

      (3)

      IWAP可以对逐日旱涝情况进行动态和定量化的监测。IWAP符合Γ分布,为了便于划分干旱等级,对指数进行标准化处理得到ISWAP[23]。根据气象干旱等级划分方法[24],将ISWAP划分为5个等级 (表 1)。本文使用干旱指数ISWAP (standard weighted average of precipitation)[23]对我国西南地区1951—2012年逐日干旱情况进行计算分析。

      表 1  ISWAP等级划分

      Table 1.  The classification of ISWAP

      等级 类型 ISWAP
      1 无旱 -0.5 < ISWAP
      2 轻旱 -1.0 < ISWAP≤-0.5
      3 中旱 -1.5 < ISWAP≤-1.0
      4 重旱 -2.0 < ISWAP≤-1.5
      5 特旱 ISWAP≤-2.0
    • 为了研究我国西南地区干旱的演变特征,本文首先利用长序列高质量的气候数据 (1951—2012年的37个站和1961—2012年的348个站) 从不同时间尺度上分析了西南地区降水变化特点。在年代际尺度上,37个站降水量和348个站降水量变化趋势基本一致,均呈减少趋势 (图 2a)。1951—2012年西南地区37个站平均减少16.9 mm/10 a。同时,西南地区降水量年际波动大,1954年西南地区降水量达到1352.2 mm, 但2011年仅为823.7 mm。且近10年来,降水量偏少年份较多,10年中有6年降水偏少。通过逐月降水量分析发现,西南地区降水量减少主要是由于8—10月降水量减少造成的,1981—2010年我国西南地区8—10月降水量为378.6 mm,占全年降水量的35%,但1951—2012年西南地区8—10月降水量明显减少,平均减少12.3 mm/10 a (图 2b),这一结果说明西南地区降水量减少,有73%的比例是由于8—10月降水量减少引起的。

      图  2  1951—2012年我国西南地区年降水距平百分率 (a) 和8—10月降水量 (b) 变化

      Figure 2.  The change of precipitation anomaly percentage (a) and the change of precipitation from Aug to Oct (b) from 1951 to 2012 in Southwest China

      此外,西南地区气温呈上升趋势,1951—2012年西南地区37个站的年平均气温上升了0.6 ℃ (图略),比全国平均升温幅度略低[25]。但20世纪90年代后期,西南地区进入显著增温阶段,特别是2009年以来,气温持续偏高。西南地区降水量减少,平均气温升高,导致西南地区干旱频繁发生。

      西南地区属于亚热带、温带季风气候,是气候变暖最敏感的地区之一。区域型的气候异常往往是在大尺度环流背景下发生的,1951—2012年南亚夏季风总体上表现出减弱的趋势,且年代际变化特征明显 (图 3)。20世纪50—90年代中期,南亚夏季风主要表现出偏强的特征。近20年来,南亚夏季风却主要表现为偏弱特征,尤其是21世纪初以来,南亚夏季风异常偏弱。受此影响,自印度洋向我国西南地区的水汽输送明显减少,西南地区夏季降水量偏少,地下水位持续下降,土壤墒情降低、库塘蓄水量严重不足,致使西南地区干旱频繁发生。

      图  3  1951—2012年南亚夏季风指数变化

      Figure 3.  The change of the South Asian summer monsoon index from 1951 to 2012

    • 干旱是指某一时段由于蒸发量和降水量的收支不平衡,水份支出大于水份收入而造成的水份短缺现象[26]。干旱主要受降水和气温的影响,特别是降水量年尺度和月尺度的分布直接影响干旱的发生、持续和缓解,同时大气环流的改变以及ENSO等事件都可能对某一地区的干旱产生影响。

      在全球变暖背景下,西南地区平均气温升高,降水减少,特别是8—10月降水减少,势必改变西南地区干旱发生的时空分布特征。本文利用干旱指数ISWAP计算了西南地区干旱日数。研究发现,利用我国西南地区37个站计算的干旱日数与348个站计算干旱日数基本一致,1981—2010年西南地区年平均干旱日数为60 d,但年际波动大,干旱日数出现最多的年份是2011年,达到101.8 d。文献[11]记载,2011年西南地区干旱从6月持续到9月,经济损失达到218.5亿元,其中贵州受灾最重,部分地区水稻和玉米绝收,农业经济损失达158亿元。这说明利用ISWAP计算西南地区干旱与文献记载基本一致,该干旱指标适用于西南地区。利用气象ISWAP计算干旱日数最少的年份为1954年,干旱日数为32 d。线性趋势分析显示,西南地区干旱日数总体上呈上升趋势,增加趋势为3.3 d/10 a, 而生长季干旱日数增加趋势为1.5 d/10 a。20世纪50年代、60年代、70年代、80年代和90年代的平均干旱日数分别为53 d, 51 d, 52 d, 58 d和56 d,但2001年以来,西南地区干旱日数明显增多,平均达到63 d,比20世纪60年代增加12 d (图 4)。

      图  4  1951—2012年我国西南地区年干旱日数和生长季干旱日数变化

      Figure 4.  The change of the number of annual drought days and the number of growing season drought days from 1951 to 2012 in Southwest China

    • 水稻是西南地区主要农作物之一,主要生长季为4—9月, 一般4月开始播种出苗,8月抽穗灌浆,对水分比较敏感,9月成熟收割。西南地区水稻主要受到干旱、低温冷害和高温等农业气象灾害的影响[27],其中干旱是主要的农业气象灾害之一,对水稻产量影响突出。西南地区干旱对水稻的影响比较复杂,西南地区的水稻是灌溉作物,水稻灌溉水源主要为江河以及塘库蓄水。一般情况下,江河塘库只要有足够蓄水,干旱对水稻的生长就不会产生影响。但当干旱持续时间较长时,江河塘库的水源就会受到影响,此时干旱会对水稻生长产生严重影响。但究竟持续多长时间的干旱才会对水稻产生影响,一直是人们研究的热点。

      本文以贵州省为例,探讨干旱对水稻产量的影响。贵州省包括86个区县,大面积种植水稻且数据质量较好的有70个县,研究时段为2000—2011年,其中2002年7—8月贵州省大部分地区多低温阴雨天气,影响了水稻开花结实,且水稻发生严重的病虫害,水稻大幅度减产[28],因此,2002年贵州水稻减产主要是因为低温阴雨导致的,这里2002年的水稻产量被剔除。

      研究发现,水稻生长季内的干旱日数与水稻产量变化率存在明显的线性关系 (图 5),并达到了0.01的显著性水平。当累计干旱日数少于40 d时,干旱对水稻增产有利,在研究样本中,干旱日数少于40 d共426个样本,其中326个样本增产,占87%,即当累计干旱日数少于40 d时,87%的年份为增产。可能的原因是当干旱日数少于40 d时,对当地的江河库塘蓄水还未造成影响,水稻灌溉水源比较充足,干旱对水稻生长未构成威胁。一般情况下,干旱时段气温偏高,日照较好,在一定程度上有利于水稻生长,且抑制了病虫害的发生。如2005年贵州省毕节累计干旱日数达到37 d,同时平均气温比1991—2000年平均值偏高1.0 ℃,日照时数为821 h,比1991—2000年平均值偏多97 h,生产条件整体对水稻生长有利,水稻增产7%。研究显示,当累计干旱日数超过86 d (近3个月) 时,干旱造成水稻减产20%~73%。研究中,有49个样本累计干旱日数超过90 d,这些县水稻全部减产,且减产幅度超过20%。即当累计干旱日数超过3个月时,贵州省江河塘库蓄水将受到严重影响,进而影响水稻的灌溉,造成水稻大幅度减产。如减产幅度最大的是贵州省石阡县,减产率达72.9%。据统计,2011年4—9月,石阡气象站降水量仅为336.1 mm,比1981—2010年同期偏少一半以上,累计干旱日数达到155 d,水稻几乎绝产 (表 2)。当累计干旱日数为40~86 d时,水稻一般减产少于20%,且地区差异较大,有60%的年份表现为增产,即当累计干旱日数为40~86 d时,对抗旱能力比较好的地区水稻产量影响不大,如贵州省毕节地区2003年干旱日数达到50 d,但水稻产量仍增产8.2%。当累计干旱日数为40~86 d时,贵州省各地区水稻有23%的年份表现为减产,特别是部分年份可能还有其他灾害的发生,如冰雹、大风和病虫害等。这些结果也说明了干旱对西南地区水稻生长影响的复杂性。

      图  5  2000—2011年贵州省县级水稻产量变化率及水稻生长季内累计干旱日数的关系

      Figure 5.  The relationship between county rice yields and the number of drought days of growing season in Guizhou Province from 2000 to 2011

      表 2  2011年贵州省部分县水稻产量变化以及降水和干旱日数信息

      Table 2.  Changes of rice yields, precipitation and the number of drought days for some counties of Guizhou Province in 2011

      县名 水稻产量变化幅度/% 4—9月降水量/mm 4—9月降水距平百分率/% 累计干旱日数/d
      石阡 -72.9 336.1 -59.2 155
      余庆 -67.7 456.8 -42.9 112
      正安 -67.6 433.1 -47.4 102
      黔西 -63.6 353.1 -53.5 136
      水城 -60.4 559.7 -42.5 113
      凤冈 -59.9 544.9 -39.9 117
      德江 -58.5 597.2 -35.8 99
      册亨 -57.1 524.6 -47.9 117
      习水 -52.0 392.7 -52.2 140
      开阳 -44.8 407.6 -51.6 147
      毕节 -43.8 441.4 -37.2 127
      金沙 -42.9 422.0 -46.8 115
      安龙 -42.2 448.2 -53.7 141
      榕江 -41.1 548.1 -37.6 100
      锦屏 -39.0 546.2 -38.4 110
      关岭 -38.9 712.4 -35.4 76
      岑巩 -38.6 616.5 -24.7 92
      福泉 -37.6 518.5 -40.7 111
      贵定 -35.1 435.2 -49.7 142
      独山 -34.5 519.5 -40.9 89
      剑河 -31.3 556.8 -35.4 105
      从江 -30.4 615.3 -29.8 68
      长顺 -26.5 724.5 -33.8 93
      赤水 -26.4 522.3 -41.4 107
    • 本文研究表明:

      1) 1951—2012年我国西南地区降水量平均减少16.9 mm/10 a。特别是8—10月,降水量明显减少,平均减少12.3 mm/10 a,即西南地区全年降水量减少有73%的比例是该地区8—10月降水量减少引起的。

      2) 总体上, 我国西南地区干旱日数呈增加趋势 (3.3 d/10 a)。且2001年以来,西南地区干旱日数明显增多,平均达到63 d,比20世纪60年代增加了12 d。主要农作物生长季 (4—9月) 干旱日数也呈增加趋势,平均每10年增加1.5 d,且呈波动性增大,2011年最多,平均达到77 d, 超过2个月。

      3) 对于贵州省水稻生产而言,当干旱日数少于40 d时,干旱对水稻生长不会构成威胁;当累计干旱日数为40~86 d时,水稻一般减产少于20%;当累计干旱日数超过86 d时,干旱会造成水稻减产20%~73%。

参考文献 (28)

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