气候变化背景下广西甘蔗秋旱演变特征分析

卢小凤 匡昭敏 李莉 刘一江

摘要：【目的】研究气候变化背景下广西甘蔗秋季干旱的演变特征，为提高甘蔗生产应对气候变化的能力提供参考依据。【方法】利用1961～2010年广西降水资料和甘蔗资料，借助数理统计方法结合甘蔗需水特点确定甘蔗秋旱的评价指标，并基于地理信息系统分析干旱的空间分布及演变特征。【结果】近50年来，广西甘蔗秋季轻度干旱发生频率较高的地区主要是桂西和桂南蔗区，中度和重度干旱的高发区主要位于桂中和桂东北蔗区。在气候变化背景下，1991～2010年相比1961～1990年，大部蔗区中度以上甘蔗干旱频率增加26%～45%，重度以上干旱频率增加16%～35%；中度以上甘蔗干旱强度增加0.1～5.2 d，重度以上干旱强度增加0.1～4.8 d。【结论】20世纪90年代以后，广西甘蔗秋季中度和重度以上干旱发生的频率和强度总体呈增加和加重趋势，一些年份秋季干旱日数增加，干旱对甘蔗生产的影响程度加重。

关键词： 气候变化；甘蔗；秋季干旱；演变特征；广西

中图分类号： S162 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）02-0217-06

0 引言

【研究意义】近百年来全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化，气候变化必然引起水分循环的变化，导致干旱、洪涝等气象灾害的频率和强度发生变化（《气候变化国家评估报告》编写委员会，2007），进而影响生态环境和社会经济的发展。黄嘉宏等（2003）利用1957～2001年广西气象资料，通过计算发现广西年降水量没有明显的长期异常变化，秋季降水全区表现出一致减少的趋势。李艳兰等（2010）分析了1961～2009年广西气温、降水量和干旱的变化特征，结果表明，各季降水量变化趋势不一致，春、秋季减少，冬、夏季增加。甘蔗是热带、亚热带经济作物，广西作为全国甘蔗主产区，约有90%面积的甘蔗种植在旱地上（杨丽涛和李杨瑞，1995），甘蔗生产很大程度上依赖于天气气候条件。虽然广西年降水量丰富，但降水时空分布不均，干旱灾害发生频繁，尤其是严重秋旱对蔗糖业生产的影响最明显（广西壮族自治区气候中心，2007）。因此，研究气候变化背景下甘蔗秋季干旱的演变特征对于广西甘蔗生产的防灾减灾具有重要意义。【前人研究进展】农业干旱演变问题引人关注，已有文献对玉米和冬小麦等作物干旱发生的时空变化特征进行研究（董朝阳等，2013；张淑杰等，2013；姚小英等，2014），有学者曾于20世纪90年代研究气候可能变化趋势对我国甘蔗生产的影响（龙国夏等，1994），但90年代以后未见对甘蔗干旱演变特征的研究。其他与甘蔗干旱相关的研究较多，在甘蔗气象方面，谭宗琨和吴全衍（1994）运用数学统计方法分析了影响广西甘蔗生产的主要气象因子并进行了甘蔗产量预报研究，苏永秀等（2006）基于地理信息系统（GIS）对广西甘蔗种植进行气候区划，段居琦和王凇（2009）利用农业气象统计分析方法研究了广西来宾市春植蔗生长季的降水变化及影响；在甘蔗遥感方面，匡昭敏等（2007）研究了多源卫星数据在甘蔗干旱遥感监测中的应用；此外，还有关于干旱胁迫对甘蔗生理的影响（朱理环等，2010；吴杨等，2011；贺俐等，2012）、甘蔗耐旱品种试验（檀小辉等，2011；杨建波等，2012）及甘蔗灌溉技术改进（许莉敏等，2013）等方面的研究。【本研究切入点】随着科学技术的发展，目前在甘蔗抗旱研究中已取得诸多成果，并在甘蔗生产中得到应用，一定程度上減少了由于干旱造成的经济损失，然而研究成果主要集中于甘蔗品种改良和灌溉技术改进等领域，对于气候变化因素对甘蔗生产的影响，尤其是近50年来甘蔗秋季干旱的演变特征尚无报道。【拟解决的关键问题】通过筛选代表蔗区站点的典型干旱年份，分析甘蔗秋季干旱与气象条件之间的关系，确定广西甘蔗秋季干旱的评价指标，基于地理信息系统的空间分析功能支持，对近50年来甘蔗秋季干旱的频率和强度变化进行研究，实现广西甘蔗秋季干旱的演变特征分析，为气候变化背景下甘蔗的科学防旱避灾，提高甘蔗生产应对气候变化的能力提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 资料来源

1961～2010年89个气象台站逐日降水量资料来自广西气象信息中心，甘蔗总产量、种植面积数据来自广西统计局，灾情数据来自《中国气象灾害大典：广西卷》（《中国气象灾害大典》编委会，2007）及广西农业气象试验站观测资料。1961～2010年甘蔗历史干旱灾害情况，尤其是近年来的甘蔗旱情资料来自各地农业部门及对有关乡镇、村农户的调查。

1. 2 甘蔗资料处理

随着生产水平的不断提高，甘蔗单位面积产量逐渐提高。甘蔗产量的年际变化与环境因子（主要考虑气象条件）密切相关。拟将单位面积产量分解为：

Y=YT +YW

式中，Y为单位面积实际产量，YT为趋势产量，YW为气象产量。

趋势产量是正常条件下甘蔗生产可达到的理论产量，气象产量是甘蔗生长期间气象条件偏离正常状态而造成甘蔗实际产量对理论常量的偏离值。本研究采用5年直线滑动平均法模拟甘蔗的趋势产量（温晓慧等，1994），通过模拟趋势产量，可求得气象产量：

YW =Y-YT

为消除年际间单位面积产量对气象产量的影响，以相对气象产量YW'作为气象条件对甘蔗产量的影响序列。当其为负值时为不利气象条件造成的减产率。相对气象产量的计算公式为：

YW'（%）=（Y-YT）/YT×100

1. 3 气象资料处理

甘蔗干旱由多种因素综合影响而形成，不仅与气象因素有关，还与地质、土壤、水利设施及人类活动等因素有关。水分供应对甘蔗干旱产生直接的影响，尤其在甘蔗伸长的中后期，如果停止供水（干旱胁迫）一段时期，不仅甘蔗产量下降，还会造成成熟期延迟和品质变劣，持续时间越久，影响越严重（陆国盈等，2007）。广西大部分甘蔗种植在旱地上，缺乏灌溉条件，自然降水对甘蔗干旱形成影响明显。因此，本研究选取甘蔗生育期无雨日数、少雨（日降水量<5 mm）日数、降水距平百分率和降水量等作为影响因子，利用逐日降水资料分别进行统计处理。

1. 4 干旱指标构建和演变特征分析

分别选取位于广西不同甘蔗主产区的来宾市（兴宾区）、扶绥县和田东县作为代表站点，根据广西甘蔗历史干旱灾害情况，剔除干旱以外其他灾害年份，利用甘蔗相对气象产量与各影响因子进行相关分析和显著性检验，选择相关性较高的影响因子建立干旱评价指标。依据评价指标，计算1961～2010年期间各等级干旱的发生频率，并以20世纪90年代为界，分别计算冷期（1961～1990年）和暖期（1991～2010年）两个时期不同等级干旱发生的频率和强度变化，最后基于GIS的空间分析功能制作分布图，分析在气候变化背景下广西甘蔗秋季干旱的时空演变特征。

干旱发生强度为某时期干旱年份的平均干旱日数。干旱发生频率计算公式：

F=N/n

式中，F为干旱发生频率，N为某时期干旱出现的年数，n为某时期统计总年数。

2 结果与分析

2. 1 干旱评价指标的确定

2. 1. 1 干旱气象因子的选择 一般进入秋季后广西各地降雨量开始减少，该时期相比夏季无雨或少雨日数显著增多，与此同时广西甘蔗正处于伸长与糖分积累时期，如果这个时期甘蔗得不到持续的水分供应，将会对植株伸长造成直接影响；而进入11月后各地陆续进入甘蔗榨季，此时适当少雨反而有利于甘蔗生产。通过对甘蔗生育期各时段气象因子的分析，结果（表1）表明，甘蔗相对气象产量与9～10月的无雨日数呈显著负相关（P<0.05），且相关性高于同一时段的其他因子，说明9～10月无雨日数多少与甘蔗秋季干旱形成情况较为密切，而甘蔗其他生育期时段内各降水相关因子对气象产量影响不显著（P>0.05）。因此，本研究选取9～10月无雨日数作为广西甘蔗秋季干旱的评估因子。

2. 3 气候变化背景下干旱的演变特征

2. 3. 1 干旱频率变化 20世纪90年代前后广西甘蔗不同等级干旱发生频率变化见图2。由图2-1可以看出，1991～2010年相比1961～1990年广西甘蔗秋季轻度干旱发生频率主要呈减少趋势，大部地方减少的幅度在0～20%。由图2-2、图2-3可以看出，20世纪90年代以后，广西甘蔗秋季中度和重度以上干旱发生的频率呈增加趋势，其中，中度以上干旱发生频率的增幅普遍在26%～45%，以桂西和桂南蔗区增加较明显；重度以上干旱发生频率的增幅普遍在16%～35%，以桂中和桂东北蔗区增加较明显。可见，20世纪90年代以后，虽然广西大部蔗区秋季轻度干旱发生的频率降低，但中度和重度以上干旱的发生频率却呈不同程度增加的趋势。表明20世纪90年代以后，广西大部蔗区轻度干旱发生的年份减少，但中度或重度以上干旱发生的年份增多，某些年份干旱由影响程度较小的轻度等级向影响程度较大的中度或重度以上等级转变。

2. 3. 2 干旱强度变化 20世纪90年代前后广西甘蔗不同等级干旱发生强度变化见图3。由图3可以看出，20世纪90年代以后广西甘蔗各等级秋季干旱发生的强度大部增强，即该时期9～10月各等级干旱年份的平均无雨日数在多数地方呈增加趋势，尤其中度和重度以上干旱强度增加比较明显。中度以上干旱发生强度的增幅为0.1～5.2 d，其中增幅较大的是广西中部、西南部和东北部蔗区，平均无雨日数增多2.6～5.2 d；重度以上干旱发生强度的增幅为0.1～4.8 d，部分蔗区平均无雨日数增多达2.1～4.8 d。可见，20世纪90年代以后，除各级秋季干旱的发生频率有变化之外，大部蔗区各等级秋季干旱的发生强度有不同程度增大。

3 討论

本研究结果表明，近50年来广西甘蔗秋季轻度干旱主要发生在桂西和桂南蔗区，中度和重度干旱的高发区主要位于桂中和桂东北蔗区，与前人的研究成果（广西壮族自治区气候中心，2007）相符。在气候变化影响下，广西大部蔗区轻度等级秋季干旱发生的频率减少，中度或重度以上干旱发生频率增加，表明中度或重度以上干旱发生的年份增多，某些年份干旱由轻度向中度或重度以上等级转变；各等级干旱发生的强度均有不同程度增强的趋势，尤其是中度和重度以上干旱发生强度增大较明显，表明秋季干旱对甘蔗生产的影响程度加重，与龙国夏等（1994）研究认为我国未来部分蔗区降水量将减少，干旱威胁加重的结论一致。

随着气候条件的改变，广西甘蔗秋季干旱主要表现为中度及重度以上干旱发生年份的比例总体升高，干旱年份平均无雨日数呈总体增加的趋势。分析其原因是20世纪90年代以后由于全球气候变暖，广西一些地区秋季降雨减少，尤其每年9～10月期间广西甘蔗处于伸长和糖分积累时期，一些年份此期间无雨日数持续增多，导致甘蔗中度和重度以上干旱发生的频率和强度均呈不同程度增加和加重趋势。本研究探讨了气候变化背景下广西甘蔗秋季不同干旱等级发生频率和发生强度的变化，得到广西甘蔗秋季干旱的演变特征，对于合理利用降水资源，科学安排甘蔗田间灌溉和人工增雨作业具有一定的指导意义。但由于目前收集到的资料有限，本研究主要选择不同甘蔗主产区为代表，用于构建指标的站点较少；另外，进行干旱评价指标评定时，主要考虑影响甘蔗干旱的直接因子，因此，对于甘蔗秋季干旱的评价指标有待进一步研究和完善。

4 结论

本研究结果表明，在气候变化背景下，1991～2010年相比1961～1990年，广西蔗区秋季中度和重度以上等级干旱发生的频率和强度呈不同程度升高和增强的趋势，甘蔗秋季中度或重度以上干旱发生的年份增多，在某些年份秋季干旱的日数增加，秋季干旱对甘蔗生产的影响程度加重。

参考文献：

董朝阳，杨晓光，杨婕，解文娟，叶清，赵锦，李克南. 2013. 中国北方地区春玉米干旱的时间演变特征和空间分布规律[J]. 中国农业科学，46（20）：4234-4245.

Dong C Y， Yang X G， Yang J， Xie W J， Ye Q， Zhao J， Li K N. 2013. The temporal variation characteristics and spatial distribution laws of drought of spring maize in Northern China[J]. Scientia Agricultura Sinica， 46（20）：4234-4245.

段居琦，王凇. 2009. 春植蔗生长季降水变化及其影响[J]. 安徽农业科学，37（4）：1509-1510.

Duan J Q， Wang S. 2009. Precipitation changes during growing season of spring sugarcane and its affects[J]. Journal of Anhui Agriculture Science，37（4）：1509-1510.

广西壮族自治区气候中心. 2007. 广西气候[M]. 北京：气象出版社：104-106.

Guangxi Zhuang Autonomous Region Climate Center. 2007. Guangxi Climate[M]. Beijing：China Meteorological Press：104-106.

贺俐，许东风，吴杨. 2012. 干旱胁迫下甘蔗幼苗eDNA文库构建与乙烯反应转录因子eDNA筛选研究[J]. 广东农业科学，（21）：154-156.

He L， Xu D F， Wu Y. 2012. Study on construction of cDNA library of sugarcane under drought stress and the screening of ERF cDNA from library[J]. Guangdong Agricultural Sciences，（21）：154-156.

黄嘉宏，张勇，罗忠红. 2003. 广西45年来降水和气温的长期变化特征[J]. 广西气象，24（4）：35-39.

Huang J H， Zhang Y， Luo Z H. 2003. Tendency characteristic of precipitation and temperature changes in the past 45 years in Guangxi[J]. Journal of Guangxi Meteorology，24（4）：35-39.

匡昭敏，朱伟军，丁美花， 谭宗坤， 孙涵. 2007. 多源卫星数据在甘蔗干旱遥感監测中的应用[J]. 中国农业气象，28（1）： 93-96.

Kuang Z M， Zhu W J， Ding M H， Tan Z K， Sun H. 2007. Application of multi-sources satellite data in monitoring su-

garcane droughts[J]. Chinese Journal of Agrometeorology，28（1）：93-96.

李艳兰，何如，覃卫坚. 2010. 气候变化对广西干旱灾害的影响[J]. 安徽农业科学，38（21）： 11299-11301.

Li Y L， He R， Qin W J. 2010. Influence of climate change on drought disaster in Guangxi[J]. Journal of Anhui Agriculture Science，38（21）： 11299-11301.

龙国夏， 李桂峰， 程延年. 1994. 气候变化对我国甘蔗生产的影响[J]. 中国农业气象，15（4）： 23-25.

Long G X， Li G F， Cheng Y N. 1994. Influence of climate change on sugarcane production in China[J]. Chinese Journal of Agrometeorology，15（4）： 23-25.

陆国盈，唐仕云，韩世健，刘甫清，周主贵. 2007. 伸长期不同供水量处理对甘蔗生长、产量和品质的影响[J]. 广西农业生物科学，26（1）：50-54.

Lu G Y， Tang S Y， Han S J， Liu F Q， Zhou Z G. 2007. Effects of water supply treatment on growth， yield， quality at elongating stage of sugarcane[J]. Journal of Guangxi Agricultural and Biological Science， 26（1）：50-54.

《气候变化国家评估报告》编写委员会. 2007. 气候变化国家评估报告[M]. 北京：科学出版社：1-5.

Editorial Committee of China National Assessment Report on Climate Change. 2007. China National Assessment Report on Climate Change[M]. Beijing：Science Press：1-5.

苏永秀，李政，孙涵. 2006. 基于GIS的广西甘蔗种植气候区划[J]. 中国农业气象，27（3）：252-255.

Su Y X， Li Z， Sun H. 2006. Climate division of sugarcane planting based on GIS in Guangxi[J]. Chinese Journal of Agrometeorology，27（3）：252-255.

檀小辉，廖洁，刘铭，牛俊奇，杨丽涛，李杨瑞，王爱勤. 2011. 广西28个区试甘蔗品种抗旱性分析[J]. 安徽农业科学，39（21）： 12687-12690.

Tan X H， Liao J， Liu M， Niu J Q， Yang L T， Li Y R， Wang A Q. 2011. Analysis of drought resistance of sugarcanes in 28 regional trials of Guangxi[J]. Journal of Anhui Agriculture Science，39（21）：12687-12690.

谭宗琨，吴全衍. 1994. 影响广西原料蔗产量的主要气象因子及产量预报研究[J]. 广西农业科学，（3）：108-111.

Tan Z K， Wu Q Y. 1994. Main meteorological factors affecting sugarcane yield and yield prediction in Guangxi[J]. Guangxi Agricultural Sciences，（3）：108-111.

温晓慧，温桂清，薛敏. 1994. 用直线滑动均值法做作物趋势产量预报[J]. 黑龙江气象，（1）：19-20.

Wen X H， Wen G Q， Xue M. 1994. Trend forecast of crop yield by linear sliding average method[J]. Heilongjiang Meteorology，（1）：19-20.

吴杨，贺俐， 贺根和. 2011. 干旱胁迫下甘蔗幼苗消减文库的构建[J]. 江苏农业学报，27（5）：1148-1150.

Wu Y， He L， He G H. 2011. Construction of subtractive cDNA library of sugarcane under drought stress[J]. Jiangsu Journal of Agriculture Science，27（5）：1148-1150.

许莉敏，赵定国，农天石. 2013. 施用保水剂对甘蔗的影响[J]. 广西蔗糖，（2）：13-15.

Xu L M， Zhao D G， Nong T S. 2013. Influence of water-retai-

ning agent application on sugarcane[J]. Guangxi Sugarcane & Canesugar，（2）：13-15.

杨建波，诸葛少军，黎海涛，杨丽涛，李杨瑞. 2012. 干旱胁迫对甘蔗生长生理的影响及品种抗旱性评价[J]. 南方农业学报， 43（8）：1114-1120.

Yang J B， Zhuge S J， Li H T， Yang L T， Li Y R. 2012. Impact of drought stress on sugarcane growth physiology and evaluation on drought resistance of sugarcane cultivars[J]. Journal of Southern Agriculture，43（8）：1114-1120.

楊丽涛，李杨瑞. 1995. 干旱条件下后期灌溉对不同品种甘蔗产量、蔗糖分和某些生理生化特性的效应研究[J]. 作物学报，21（1）：76-82.

Yang L T， Li Y R. 1995. Studies on the effects of late irrigation on cane yield， Sucrose content and some physiological and biochemical characters of different sugarcane varieties under drought condition[J]. Acta Agronomica Sinica，21（1）：76-82.

姚小英，张强，王劲松，王莺，周忠文，马杰. 2014. 甘肃冬小麦主产区40年干旱变化特征及影响风险评估[J]. 干旱地区农业研究，32（2）：1-7.

Yao X Y， Zhang Q， Wang J S， Wang Y， Zhou Z W， Ma J. 2014. Variation characteristics of drought and influence risk assessment for the main growing areas of winter wheat in Gansu Province during 40 years[J]. Agricultural Research in the Arid Areas，32（2）：1-7.

张淑杰，张玉书，孙龙彧，纪瑞鹏，蔡福，武晋雯，李广霞. 2013. 东北地区玉米生育期干旱分布特征及其成因分析[J]. 中国农业气象，34（3）：350-357.

Zhang S J， Zhang Y S， Sun L Y， Ji R P， Cai F， Wu J W， Li G X. 2013. Analysis of distributional characteristics and primary causes of maize drought in Northeast China[J]. Chinese Journal of Agrometeorology，34（3）：350-357.

《中国气象灾害大典》编委会. 2007. 中国气象灾害大典：广西卷[M]. 北京：气象出版社：190-222.

Editorial Committee of China Meteorological Disaster. 2007. China Meteorological Disaster： Volume Guangxi[M]. Beijing： China Meteorological Press：190-222.

朱理环，邢永秀，杨丽涛，李杨瑞，杨荣仲，莫磊兴. 2010. 干旱胁迫对苗期甘蔗叶片水分和叶绿素荧光参数的影响[J]. 安徽农业科学，38（23）：12570-12573.

Zhu L H，Xing Y X，Yang L T，Li Y R，Yang R Z，Mo L X. 2010. Effects of water stress on leaf water and chlorophyll fluorescence parameters of sugarcane seedling[J]. Journal of Anhui Agriculture Science，38（23）：12570-12573.

（责任编辑 麻小燕）