劉金濤,張鐘鳴,陳　靜,劉秋怡,吳鵬飛

(1. 河海大學水文水資源學院, 江蘇 南京　210098;2. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京　210098)

徐州地區(qū)2009
—2013年旱情及其對農(nóng)業(yè)的影響

劉金濤1,2,張鐘鳴1,陳靜1,劉秋怡1,吳鵬飛1

(1. 河海大學水文水資源學院, 江蘇 南京210098;2. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京210098)

摘要：利用降水數(shù)據(jù),采用Mann-Kendall檢驗和SPI指數(shù)方法從不同時間尺度分析徐州地區(qū)干旱發(fā)展趨勢,結合實地調(diào)研結果,給出近年干旱形成的原因。降水趨勢分析表明,徐州地區(qū)1951—2013年降水量呈逐年減少趨勢,其中春、秋和冬季更顯著。年尺度的SPI指數(shù)結果顯示,徐州地區(qū)干旱有顯著增強趨勢。從季度尺度SPI指數(shù)分析來看,春、秋和冬季干旱程度整體有增強趨勢,夏季相反但并不明顯。計算了2009—2013年徐州地區(qū)的逐月SPI指數(shù),發(fā)現(xiàn)除2011年各月主要呈現(xiàn)為中旱外,其余年份各月則以輕旱為主。自然降水過程通常不能滿足小麥生長需水量,需要灌溉補償。部分縣鄉(xiāng)存在農(nóng)田水利設施薄弱、缺乏合理灌溉措施等問題,這也是加重其農(nóng)業(yè)干旱的重要原因之一。

關鍵詞：標準化降水指數(shù)(SPI);Mann-Kendall檢驗;干旱;實地調(diào)研;農(nóng)業(yè)旱情成因分析;徐州地區(qū)

近年來,在全球氣候變化以及經(jīng)濟社會迅猛發(fā)展的背景下,干旱災害有擴展的趨勢,一些地區(qū)因干旱缺水等造成的損失也愈加嚴重。徐州地區(qū)位于黃淮海平原東南部,其所處的蘇北地區(qū)較為缺水[1-2],正常年缺水量在10×108m3左右,干旱年則高達29×108m3[3]。據(jù)報道,2009—2013年,徐州地區(qū)多次出現(xiàn)農(nóng)業(yè)旱情且不斷加重,小麥受旱面積達33.3萬hm2[4]。目前,已有研究分別關注了徐州地區(qū)近年來的降水量和土壤墑情等水文氣象因素,試圖揭示干旱發(fā)生原因及影響因素[1,4]。應該看到,干旱是復雜的自然和社會問題,通常由降水減少等氣象條件引發(fā),然而其致災程度不僅取決于水文氣象等自然條件,還受灌溉、引水等御災設施建設狀況及其他社會因素的綜合影響[5-6]。

本文采用地面代表站實測資料,利用Mann-Kendall檢驗法以及不同時間尺度的標準化降水指數(shù)(SPI)[7]分析徐州地區(qū)干旱發(fā)展趨勢,結合作物需水和實地調(diào)研資料對徐州地區(qū)2009—2013年的農(nóng)業(yè)旱情成因進行研究,以期為當?shù)胤篮禍p災提供科學依據(jù)。

1研究資料與研究方法

1.1研究資料

a. 地面站數(shù)據(jù)。選用沛城閘站等7個代表雨量站、徐州等3個氣象站點的數(shù)據(jù)。其中,收集了各雨量站1961—2013年的逐日、逐月降水數(shù)據(jù),1961—2013年徐州、邳州、睢寧站氣象資料以及徐州1951—2013年面降水數(shù)據(jù)。

b. 實地調(diào)研數(shù)據(jù)。為分析致災原因,筆者于2011年5—12月先后3次前往徐州地區(qū)的銅山縣漢王鎮(zhèn)、邳州市房亭河流域及睢寧縣等地區(qū)的40余個村鎮(zhèn)進行實地調(diào)研,發(fā)放調(diào)研問卷300份,并對當?shù)剞r(nóng)田水利設施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及作物產(chǎn)量進行了調(diào)查。徐州地區(qū)雨量站點及實地調(diào)研點分布如圖1所示。

圖1　徐州地區(qū)雨量站點及實地調(diào)研點分布Fig. 1　Distributions of rain gauge stations and field investigation sites in Xuzhou City

1.2研究方法

1.2.1SPI指數(shù)

SPI指數(shù)是標準化的干旱指數(shù),其采用Γ函數(shù)來描述降水量的分布概率[8-9],并用標準化降水累計頻率分布來劃分干旱等級,具體的計算方法及干旱等級劃分標準在相關文獻中有詳細的說明[10-12],在此不再贅述。基于SPI指數(shù)的干旱頻率(F)是評價某區(qū)域在一定年份內(nèi)發(fā)生干旱的頻繁程度,可用式(1)表示:

(1)

式中:m——發(fā)生干旱的總年數(shù);M——降水資料的系列長度。

1.2.2Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall趨勢檢驗[13](以下簡稱MK檢驗)是一種非參數(shù)檢驗方法,目前被廣泛用于水文趨勢檢驗研究。MK檢驗的統(tǒng)計量S及顯著性指標Z的計算公式如下:

(2)

(3)

式中:xj、xk——樣本數(shù)據(jù)(本文中為降水數(shù)據(jù)和SPI指數(shù)序列);n——序列長度。對于Z,大于0時是上升趨勢,小于0時是下降趨勢。給定顯著性水平α,若Z的絕對值大于Zα/2(臨界值),則認為時間序列有明顯變化趨勢。研究中,Z的絕對值大于或等于1.64和1.96時,分別表示通過了信度90%和95%的顯著性檢驗[12]。

表1　1961—2013年代表站降水趨勢(Z值)的年季變化

2結 果 分 析

2.1徐州地區(qū)歷史干旱特征分析

2.1.1多年平均降水趨勢分析

依據(jù)MK檢驗法,分析了徐州地區(qū)63年(1951—2013年)的面降水量整體趨勢(Z=-1.21),降水量總體呈下降趨勢。在進一步的研究中,筆者選取了5個代表站(1961—2013年)的降水數(shù)據(jù),分別統(tǒng)計全年和各季的降水變化趨勢,結果見表1。

圖2　徐州地區(qū)1951—2013年際SPI指數(shù)變化Fig. 2　Changes of annual SPI during period from 1951 to 2013 in Xuzhou City

從表1可以看出,徐州地區(qū)各代表站全年降水量變化趨勢Z值均為負值,其中新安站較為顯著。這說明各站年降水量均呈下降趨勢,與面降水統(tǒng)計結果一致。在季節(jié)尺度上,各站春、秋和冬季降水量均呈下降趨勢,夏季降水量為局部上升趨勢,然而趨勢均不顯著。

2.1.2年尺度干旱特征分析

利用1951—2013年的面降水數(shù)據(jù)計算了SPI指數(shù)(見圖2),經(jīng)統(tǒng)計得出徐州地區(qū)發(fā)生干旱(輕旱及以上)的頻率為33.3%。經(jīng)MK檢驗,得到Z值為-1.65,可見徐州地區(qū)SPI指數(shù)總體呈顯著下降趨勢(置信度達90%),表明這60年來干旱有顯著增強趨勢?？傮w上說,2009—2013年的SPI指數(shù)一直呈波動下降趨勢,這表明2009—2013年處于一個相對干旱的周期。

2.1.3季節(jié)尺度干旱特征分析

由于年尺度的SPI指數(shù)不能反映年內(nèi)降雨不均導致的干旱程度,因此筆者計算了1961—2013年徐州地區(qū)逐月降水數(shù)據(jù)季節(jié)尺度的SPI指數(shù)(圖3),并采用MK檢驗對季節(jié)尺度SPI序列進行趨勢和顯著性分析。

圖3　徐州市1961—2013年季節(jié)SPI指數(shù)變化Fig. 3　Changes of seasonal SPI during period from 1961 to 2013 in Xuzhou City

由圖3(a)可知：1961年以來共發(fā)生了14場不同程度的春旱,其中特旱1 a,重旱3 a,中旱2 a和輕旱8 a,干旱頻率為26.4%,經(jīng)MK檢驗得出Z值為-0.30,表明整體呈下降趨勢(不顯著)；總共出現(xiàn)了12次冬旱,特旱、重旱、中旱和輕旱分別出現(xiàn)了2次、1次、2次和7次,干旱頻率為22.6%,略小于春季,MK法的Z值為-1.20,表明SPI指數(shù)整體呈降低趨勢。從圖3(b)可以看出：夏季共出現(xiàn)了16次干旱,頻率為30.2%,其中以輕旱和中旱為主,無特旱年,計算得出Z值為0.33,其SPI指數(shù)整體呈上升趨勢,但并不顯著；秋季共出現(xiàn)了17次干旱,發(fā)生頻率為32.1%,其中特旱1 a,重旱3 a,中旱5 a,輕旱8 a,Z值為-0.84,表明SPI指數(shù)呈降低趨勢。對于2009—2013年,除2012年冬季外,徐州地區(qū)春季和冬季SPI指數(shù)整體均呈持續(xù)下降趨勢。此外,2010、2012和2013年夏季也發(fā)生了不同程度的干旱。

2.22009—2013年干旱過程分析

圖4是2009年1月至2013年12月的逐月SPI指數(shù)和月降水量隨時間變化,以及月降水量與同期多年平均月降水(1961—2013年)的對比。可以看到,這期間SPI指數(shù)波動較大。2009年初徐州市月降水量極低,1—4月降水量僅有71.2 mm且均低于同期平均月降水量(113.8 mm),SPI指數(shù)顯示1月和4月出現(xiàn)了輕旱,9—10月因降水量僅43.7 mm,遠低于同期降水量(120.3 mm),導致輕旱再次出現(xiàn)。2010年1—9月,SPI指數(shù)隨著降水量變化而起伏,其中1月、3月、7月降水量較少，出現(xiàn)輕旱,而10—12月降水量比歷史同期減少近90%,導致11月出現(xiàn)了重旱。2011年旱情持續(xù)發(fā)展,3—4月降水量僅15.2 mm,旱情進一步加重。進入2012年后,旱情并未顯著緩解,在小麥關鍵的生育期(5—6月)出現(xiàn)重旱。2013年同期(6月)降水較歷史同期偏少近80%,導致重旱再次出現(xiàn)。

圖4　徐州市多年平均月降水量與2009—2013年逐月SPI指數(shù)及降水量隨時間變化Fig. 4　Average monthly precipitation, and changes of monthly SPI and precipitation over time during period from 2009 to 2013 in Xuzhou City

值得注意的是,根據(jù)季節(jié)尺度和月尺度SPI指數(shù)計算的干旱等級,2009—2013年期間SPI指數(shù)雖然持續(xù)降低,但干旱始終以輕旱為主,少部分月份出現(xiàn)重旱。顯然,這與新聞報道和實地調(diào)研得出的結果略有不符。主要原因在于,SPI指數(shù)是表征某時段降水量出現(xiàn)概率多少的指標,它只考慮了降水單一要素對干旱的貢獻。因此,還應綜合考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物需水、灌溉措施等人為因素,以合理分析徐州地區(qū)旱情的成因。

2.32009—2013年干旱對農(nóng)業(yè)影響的分析

前面已經(jīng)采用MK檢驗和SPI指數(shù)分析得出了徐州地區(qū)2009—2013年的干旱趨勢變化,但并未結合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際。以徐州地區(qū)主要農(nóng)作物小麥為例,探討其生育期需水、自然降水與灌溉管理等人為因素之間的關系,揭示影響旱情發(fā)展的綜合因素。表2給出了該地區(qū)小麥生育期需水量(多年平均值)、多年平均降水量(1961—2013年)以及近年同期實際降水量等[14-15]。

表2　徐州地區(qū)小麥需水量及實際降水量

從表2可以看出,小麥各生育期的需水量多大于同期多年平均降水量,而2009—2013年的小麥全生育期內(nèi)降水量均無法滿足小麥全生育期需水,其中2010—2013年多個生育階段的降水量遠低于歷史平均水平,以播種—分蘗、返青—拔節(jié)、拔節(jié)—抽穗以及抽穗—成熟階段尤為嚴重?？紤]到自然降水并非全部轉化為作物可利用的水量,因此實際缺水情況將更加嚴重?？梢?徐州地區(qū)的小麥生產(chǎn)需要大量灌溉水的補償。為此,2011年5—12月通過直接走訪農(nóng)戶及問卷調(diào)查的形式(見圖1),進一步調(diào)查了徐州銅山縣、睢寧縣和邳州市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況,發(fā)現(xiàn):(a)徐州部分地區(qū)的農(nóng)田水利基礎設施薄弱,其中灌溉設施的缺乏尤為嚴重,灌溉渠道等設施大多已廢棄不用;(b)部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉技術相對落后,灌溉方式主要為電機抽水、直接引河水大面積灌溉等,缺乏合理有效的灌溉措施;(c)隨著城市化的進展,農(nóng)村勞力流失、農(nóng)業(yè)設施與管理相對滯后問題突顯,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)抵御干旱能力有所下降。筆者發(fā)現(xiàn)以上問題進一步加重了干旱對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。以銅山縣漢王鎮(zhèn)為例,2011年降水量接近多年平均水平,但問卷調(diào)查顯示當?shù)禺a(chǎn)量減少近50%。實地考察發(fā)現(xiàn),當?shù)毓喔葪l件較差,如灌溉渠道多已廢棄、無任何有效灌溉措施等,可見人為因素進一步加重了當?shù)睾登?類似原因,睢寧縣慶安鎮(zhèn)等地年單位面積產(chǎn)量減少近30%。

3結語

本文采用理論分析(干旱指數(shù)法)與實地調(diào)研相結合的方法,綜合考慮了自然因素和人為因素,以期更加全面揭示農(nóng)業(yè)旱情成因。研究中,利用SPI指數(shù)和MK檢驗對徐州地區(qū)1951—2013年歷史降水數(shù)據(jù)進行了不同尺度的分析,結合40余個村鎮(zhèn)近300份問卷調(diào)查的結果,可以得出以下結論:

a. 通過MK檢驗法計算徐州市1951—2013年的地面站降水數(shù)據(jù),得出徐州地區(qū)年降水量正在逐漸減少;進而選取5個代表雨量站,對1961—2013年各季度降水數(shù)據(jù)進行MK分析,得出徐州大部分地區(qū)春季、秋季和冬季降水量呈現(xiàn)逐年減少趨勢。

b. 根據(jù)年尺度SPI指數(shù)分析,徐州地區(qū)干旱有進一步增強的趨勢,且較為顯著;根據(jù)季節(jié)SPI分析,1961年以來春、秋和冬季SPI指數(shù)整體呈下降趨勢,2009—2013年期間徐州春、冬季SPI指數(shù)均呈持續(xù)下降趨勢,表明干旱逐步增強;從2009—2013年月尺度SPI指數(shù)變化來看,SPI指數(shù)隨降水量變化而大幅度波動,2009—2010年秋季各干旱月份均為輕旱,2010年末至2011年初各干旱月份主要以中旱為主,2011年下半年至2013年各月干旱則主要以輕旱為主。

c. 通過對比徐州主要農(nóng)作物(小麥)需水量和其同期降水量,發(fā)現(xiàn)自然降水過程通常不足以維持作物的正常需水,需要灌溉以補償部分缺水量。通過進一步針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況的調(diào)研,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田水利基礎設施薄弱。此外,調(diào)查還發(fā)現(xiàn)徐州市城市化進展較快,對周邊農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了沖擊,導致農(nóng)村勞力流失、農(nóng)業(yè)設施與管理滯后,造成抵御干旱能力下降。因此,人為因素也是造成徐州地區(qū)近年農(nóng)業(yè)干旱致災的重要原因之一。

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Drought severity in Xuzhou City during period from 2009 to 2013 and its influence on agriculture

LIU Jintao1, 2, ZHANG Zhongming1, CHEN Jing1, LIU Qiuyi1, WU Pengfei1

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract:Based on precipitation data and field investigation, we used the Mann-Kendall test and the standard precipitation index (SPI) method to analyze the trends of drought in Xuzhou City at different temporal scales and tried to determine the reasons for the drought disasters in recent years. The precipitation trend analysis showed that the precipitation over Xuzhou City gradually decreased during the period from 1951 to 2013, especially in the spring, autumn, and winter. The annual SPI analysis showed that the drought severity had significantly increased over the study area. Through analysis of the seasonal SPI, we found that the drought severity showed an increasing trend on the whole in the spring, autumn, and winter, while the situation was opposite in the summer and the trend was not significant. The monthly SPI over the period from 2009 to 2013 in Xuzhou City was calculated, and the results showed that there was a moderate drought in the year 2011 and mild droughts in other years. The water demand of wheat growth cannot be satisfied by natural rainfall alone; it requires compensation from irrigation water. Some counties and townships are facing problems such as insufficient farmland water infrastructure and inefficient irrigation techniques, which are among the main factors aggravating the agricultural drought in the city.

Key words:standard precipitation index (SPI); Mann-Kendall test; drought; field investigation; cause analysis of agricultural drought; Xuzhou City

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.03.010

收稿日期：2015-10-27

基金項目：國家自然科學基金(41271040);國家重點實驗室自主科研項目(20145028012);江蘇省自然科學基金(BK2010516)

作者簡介：劉金濤(1977—),男,河北唐山人,教授,博士,主要從事流域水文模擬研究。E-mail:jtliu@hhu.edu.cn

中圖分類號：TU443

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1980(2016)03-0246-06