鄧國衛(wèi)，孫 俊，賴 江，張 玲

（1.四川省氣候中心，四川 成都 610072；2.中國氣象局成都高原氣象研究所，高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；3.中國氣象局干部培訓學院四川分院，四川 成都 610072；4.四川省遂寧市氣象局，四川 遂寧 629000）

引言

四川是中國水稻種植大省，其水稻種植面積占西南稻區(qū)的45%以上，對西南水稻產量貢獻超過50%［1］。四川位于青藏高原東側，屬于典型的氣候敏感區(qū)、脆弱區(qū)，農業(yè)氣象災害頻發(fā)、重發(fā)［2］。在眾多氣象災害中，季節(jié)性干旱發(fā)生頻率高、分布范圍廣，加之區(qū)域內降水時空分布與水稻生長季水分需求不匹配，干旱已成為影響四川水稻產量及品質的主要氣象災種［3-4］。因此，分析干旱與水稻產量關系有利于提升四川水稻干旱防御管理和決策水平。

干旱指標是評估干旱發(fā)生程度的主要依據(jù)。近年來，水稻干旱監(jiān)測指標主要有3類：一是表征降水的指標，常用的有降水距平百分率［5］、標準化降水指數(shù)［6］等；二是表征水分收支平衡的指標，如相對濕潤度指數(shù)［7-8］、濕潤指數(shù)距平率［9-10］、水分盈虧指數(shù)［11］等；三是表征作物生理生態(tài)特征的旱情指標，如診斷作物缺水狀況的作物形態(tài)指標、作物生理指標等［12］。水分盈虧指數(shù)考慮了農田水分主要收入項和支出項，既反映了作物正常生長發(fā)育及產量形成對水分的需求，也考慮了前期水分盈虧的影響，在四川農業(yè)干旱評估中有較好的應用效果［13-14］。然而，四川盆地水稻生育期降水量多、徑流量大，在水分盈虧指數(shù)中加入徑流項能夠獲取更好的評估效果［15］。由于影響水稻產量的因素較多，各生育期干旱對產量影響分離存在較大困難，致使干旱對產量的階段性影響研究進展較為緩慢。目前，一部分研究主要采用農田試驗方法，通過監(jiān)測各生育期干旱脅迫對水稻產量及品質作用，分析水稻缺水影響機理［16-17］；另一部分研究則基于災情資料，采用主成分分析、灰色關聯(lián)度分析等數(shù)理統(tǒng)計方法，研究干旱對水稻產量損失影響［9，18-20］。前者通過控制試驗，對水稻缺水條件與時段進行控制，但試驗條件與實際干旱之間存在一定差異；后者基于觀測資料分析水稻產量與實際災情的關系，但對水稻產量、災情等資料要求較高，且難以分離不同生育期干旱影響。

四川地形復雜，區(qū)域干旱特征差異大、稻區(qū)生育期不同且水稻干旱承災體脆弱性分布不均［4-5，9-11，21］，探究水稻不同生育期干旱對產量影響的空間特征，對當?shù)厮旧a規(guī)劃和防災減災具有現(xiàn)實意義。鑒于此，本文在前人研究基礎上克服災情資料收集不足和不同生育期災情影響分離困難，充分發(fā)揮豐富、詳實、規(guī)范化的氣象觀測資料優(yōu)勢，以增加稻田徑流項的水分盈虧指數(shù)作為干旱指標，結合水稻產量數(shù)據(jù)，采用灰色關聯(lián)分析法，多維度研究四川稻作區(qū)不同生育期干旱對水稻產量影響的空間特征。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

四川水稻種植區(qū)主要分布于四川盆地及西南山地。根據(jù)氣候相似性、水稻發(fā)育期及農業(yè)生產水平相近原則，將四川水稻種植區(qū)劃分為7個稻作區(qū)［1，4，11，22］，分別為盆北深丘低山區(qū)、盆東平行嶺谷區(qū)、盆中丘陵區(qū)、成都平原區(qū)、盆南丘陵低山區(qū)、川西南山地半濕潤區(qū)及川西南山地干熱河谷區(qū)（圖1）。文中四川省及其市（縣）行政邊界基于四川省測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為川S（2021）00059號的標準地圖制作，底圖無修改。

圖1 四川水稻種植區(qū)分區(qū)及氣象站點分布Fig.1 Division of rice planting area and distribution of meteorological stations in Sichuan Province

選取稻作區(qū)78個縣1981—2015年水稻生育期及單產資料和氣象觀測數(shù)據(jù)。其中，生育期資料來源于農業(yè)氣象觀測報表，單產數(shù)據(jù)來源于四川省農業(yè)統(tǒng)計年鑒；氣象數(shù)據(jù)包括逐日降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、平均氣壓、平均水汽壓、平均相對濕度、平均風速及海拔高度等，來自四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心。四川稻作區(qū)共有152個縣，利用78個縣的農業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)，將基于反距離權重法插值到縣域幾何中心點的值賦給無資料的縣。

四川水稻以單季稻種植為主，各地品種有一定差異，但以汕優(yōu)、矮優(yōu)系列居多。本研究的水稻全生育期是指大田期，即移栽至成熟。研究表明，干旱脅迫對水稻移栽、分蘗、抽穗等各階段生長均有重要影響［16-17］，故將全生育期分成移栽—分蘗、分蘗—拔節(jié)、拔節(jié)—孕穗、孕穗—抽穗、抽穗—成熟5個關鍵期。根據(jù)田間生產調查和生育期觀測資料，稻作區(qū)水稻移栽期最早始于4月中旬，最晚始于5月下旬；成熟期最早結束于8月中旬，最晚結束于9月下旬（表1）。

表1 四川不同稻作區(qū)水稻生育期Tab.1 The growth stages of rice in different planting regions of Sichuan Province

1.2 干旱指標及等級劃分標準

作物水分盈虧指數(shù)是常用的農業(yè)干旱監(jiān)測指標之一，由某時段農業(yè)有效降水量與作物需水量相減同作物需水量的比值得到［13-14］?？紤]到四川水稻全生育期覆蓋了整個汛期（降水充沛，徑流量大），故增加稻田徑流項對水分盈虧指數(shù)進行改進。計算公式如下：

式中：I為改進的水稻水分盈虧指數(shù)；R10、W10（mm）分別為前10 d累計降水量和水稻累計需水量；R、W（mm）分別為水稻某一生育期累計降水量和累計需水量；Kc為作物系數(shù)，根據(jù)四川省水稻作物田間試驗、聯(lián)合國糧農組織推薦值及前人研究成果［11，15］，不同月份取值見表2；ET0（mm）為參考作物蒸散量，采用Penman-Monteith公式［23］計算得到；C為稻田徑流系數(shù)；M（mm）為某站15 a的平均年最大日降水量，本文參考站取值為95.6 mm。

表2 四川不同稻作區(qū)不同月份水稻作物系數(shù)Tab.2 Crop coefficients of rice in each month in different planting regions of Sichuan Province

根據(jù)四川省水稻干旱等級劃分標準［11，15］，基于改進的水分盈虧指數(shù)，將水稻干旱劃分為5個等級，具體劃分標準如表3。

表3 四川水稻干旱等級劃分標準Tab.3 Criteria of rice drought grades in Sichuan Province

1.3 干旱頻率和干旱強度

干旱特征的描述包含干旱頻率和干旱強度?；谒钟澲笖?shù)及水稻干旱等級劃分標準（表3），計算水稻各生育期干旱頻率和干旱強度。計算公式如下：

式中：Fj（%）為水稻j生育期干旱頻率；Gi，j為第i年（i=1，2，…，n）水稻j生育期是否發(fā)生干旱（“是”為1，“否”為0）；-Sj為水稻j生育期平均干旱強度（等級）；Si，j是第i年水稻j生育期干旱強度（等級）。

1.4 灰色關聯(lián)分析法

灰色關聯(lián)分析法是根據(jù)各因素變化曲線幾何形狀的相似程度，來判斷因素之間的關聯(lián)程度，常用于對系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較，判別系統(tǒng)各因素的主次，且對樣本量大小和樣本有無規(guī)律無特殊要求［24］。需要指出的是，關聯(lián)度的大小僅具有相對意義，一般通過關聯(lián)度排序來體現(xiàn)各因素對參考因素的相對影響程度。針對參考序列和比較序列數(shù)值波動較大且不具有典型概率分布，若序列時間不夠長，宜采用灰色關聯(lián)度進行相關分析。根據(jù)分析對象特征，本文將水稻單產數(shù)據(jù)取倒數(shù)后作為參考序列，以各生育期水稻水分盈虧指數(shù)數(shù)據(jù)作為比較序列，進行灰色關聯(lián)分析。

2 結果與分析

2.1 基于水分盈虧指數(shù)的水稻干旱頻率特征

圖2統(tǒng)計了1981—2015年四川水稻各生育期和全生育期干旱（輕旱及以上）頻率。可以看出，移栽—分蘗期水稻干旱頻率基本在60%以上，盆地西北部、中部和攀西地區(qū)南部超過80%［圖2（a）］；分蘗—拔節(jié)期水稻干旱頻率呈北高、南低分布，北部盆地的干旱頻率分布與移栽—分蘗期一致，超過80%，而南部攀西地區(qū)大多低于40%［圖2（b）］。與前2個生育期相比，拔節(jié)—孕穗期水稻干旱頻率整體明顯減小，北部盆地（盆地中部除外）干旱頻率低于60%，而南部攀西地區(qū)低于40%的范圍進一步擴大［圖2（c）］。孕穗—抽穗期［圖2（d）］和抽穗—成熟期［圖2（e）］水稻干旱頻率的空間分布較為一致，高值區(qū)（60%～90%）出現(xiàn)在盆地東北部和中部，低值區(qū)（20%～40%）出現(xiàn)在雅安、樂山、宜賓和涼山州西部。盆地中部大部地區(qū)全生育期水稻干旱頻率在60%以上，遂寧和綿陽南部最高超過80%，而盆地西南部、南部和攀西地區(qū)則低于40%［圖2（f）］。

圖2 四川稻區(qū)水稻各生育期干旱頻率分布（單位：%）Fig.2 Distribution of drought frequency at different growth stages of rice in planting regions of Sichuan Province（Unit：%）

綜上可見，各生育期水稻干旱頻率高值區(qū)一般位于盆地中部或東北部，而攀西地區(qū)略低，其中攀枝花高于涼山州地區(qū)；伴隨著水稻生育進程，盆地水稻干旱頻率高值區(qū)范圍不斷縮小，中心逐漸東移。對比各生育期干旱頻率發(fā)現(xiàn)，移栽—分蘗期水稻干旱頻率較高，平均為77.9%，分蘗—拔節(jié)期次之，平均為66.3%，拔節(jié)—孕穗期、孕穗—抽穗期、抽穗—成熟期分別為46.0%、51.5%、48.0%，表明水稻干旱頻率隨著生育進程逐漸降低。

2.2 水稻干旱與產量灰色關聯(lián)度

2.2.1 灰色關聯(lián)度空間分布特征

圖3是四川稻區(qū)各生育期水稻水分盈虧指數(shù)與產量的灰色關聯(lián)度。為了更清晰地認識干旱對水稻產量的影響，將關聯(lián)度數(shù)值從低到高分為4個等級，即小于或等于0.70的為低關聯(lián)度，＞0.70～0.80為較低關聯(lián)度，＞0.80～0.90為較高關聯(lián)度，＞0.90～1.00為高關聯(lián)度。由圖3可見，移栽—分蘗期稻作區(qū)干旱與水稻產量普遍存在較高的關聯(lián)度，特別是盆周、涼山州等山區(qū)具有高關聯(lián)度［圖3（a）］；分蘗—拔節(jié)期，除涼山州東部金沙江沿線外，其他地區(qū)干旱與水稻產量的關聯(lián)度均在較高以上等級，其中盆地西北邊緣、東南邊緣和涼山州西部等山區(qū)具有高關聯(lián)度，與移栽—分蘗期一致［圖3（b）］；拔節(jié)—孕穗期，稻作區(qū)干旱與水稻產量的關聯(lián)度明顯降低，盆地西北邊緣、東南邊緣和涼山州東部等山區(qū)降為較高關聯(lián)度，其他地區(qū)則在較低關聯(lián)度以下［圖3（c）］；孕穗—抽穗期，干旱與水稻產量較高關聯(lián)度出現(xiàn)在盆地東北部、雅安、涼山州等地形復雜的山區(qū)，低關聯(lián)度出現(xiàn)在德陽至瀘州沱江沿線［圖3（d）］；抽穗—成熟期，干旱與水稻產量較低關聯(lián)度的區(qū)域范圍進一步擴大，關聯(lián)度較高的區(qū)域零散分布于達州、瀘州、雅安、涼山州等地區(qū)［圖3（e）］。從全生育期看，全省稻作區(qū)干旱與水稻產量基本在較高關聯(lián)度以上，盆周、攀西等復雜地形區(qū)屬于高關聯(lián)度［圖3（f）］。綜上可見，移栽—分蘗期、分蘗—拔節(jié)期和全生育期干旱與水稻產量均存在較高的關聯(lián)度，特別是盆周、攀西等地形復雜區(qū)域出現(xiàn)成片的高關聯(lián)區(qū)，而拔節(jié)—孕穗期、孕穗—抽穗期和抽穗—成熟期的關聯(lián)度相對偏低，但盆周、攀西等山區(qū)關聯(lián)度仍較高。

圖3 四川稻區(qū)水稻各生育期干旱與產量灰色關聯(lián)度分布Fig.3 Distribution of grey correlation degree between drought and yield at different growth stages of rice in planting region of Sichuan Province

2.2.2 水稻干旱與灰色關聯(lián)度的相關性

對比圖2與圖3發(fā)現(xiàn)，前2個水稻生育期干旱與產量整體具有較高的關聯(lián)度，這與同期較高的干旱頻率相一致，但關聯(lián)度高的區(qū)域一般位于盆周和攀西地區(qū)，而干旱頻率高值區(qū)常出現(xiàn)在盆地中部或東北部區(qū)域，表明四川稻區(qū)水稻干旱與產量的關聯(lián)度和干旱頻率的空間分布并不完全對應。除干旱頻率外，干旱特征還與干旱強度密切相關。為探討四川稻區(qū)干旱特征與關聯(lián)度的空間一致性，分別統(tǒng)計水稻各生育期干旱頻率、強度同水分盈虧指數(shù)與產量灰色關聯(lián)度的空間相關系數(shù)。從表4可見，水稻各生育期干旱頻率、強度與灰色關聯(lián)度的空間相關系數(shù)平均分別為-0.06～0.18和-0.20～0.17，其中孕穗—抽穗期和抽穗—成熟期出現(xiàn)了負相關?？梢姡靖魃诟珊殿l率、強度與灰色關聯(lián)度的空間相關性較低，說明水稻各生育期干旱與產量關聯(lián)度同干旱特征的空間一致性不高。

表4 四川稻區(qū)干旱特征指標和水稻不同生育期干旱與產量灰色關聯(lián)度的空間相關系數(shù)Tab.4 The spatial correlation coefficients between drought feature indexes and grey correlation degree of rice drought with yield at different growth stages in planting region of Sichuan Province

2.3 各生育期干旱對水稻產量的影響程度

2.3.1 各縣不同生育期干旱影響排序

為獲悉各縣不同生育期干旱對水稻產量的影響程度，以縣為單元對5個生育期水分盈虧指數(shù)與水稻產量的灰色關聯(lián)度由大到小進行1～5排序。從圖4可知，總體上隨著降水和水稻耐旱能力的增加，從移栽期至成熟期干旱對水稻產量的影響逐漸減弱。具體表現(xiàn)為：大部分縣（57%）移栽—分蘗期排序為1，僅個別縣移栽—分蘗期排序為4或5［圖4（a）］；分蘗—拔節(jié)期排序為2的縣最多，占44%，排序為1的縣次多，少數(shù)縣排序為4或5［圖4（b）］；拔節(jié)—孕穗期排序為3的縣最多，占54%，僅個別縣排序為1［圖4（c）］；孕穗—抽穗期和抽穗—成熟期排序在4及以上的縣分別占77%、74%［圖4（d）和圖4（e）］。由于各縣干旱頻率、強度和防旱條件不同，各生育期干旱對水稻產量影響也呈現(xiàn)一定的區(qū)域性差異。具體表現(xiàn)為移栽—分蘗期干旱對盆周及攀西山區(qū)各縣水稻影響最大（排序1），分蘗—拔節(jié)期干旱對盆中丘陵區(qū)各縣水稻影響最大（排序1），拔節(jié)—孕穗期干旱對盆地東北部各縣水稻影響最?。ㄅ判?），孕穗—抽穗期干旱對涪江、沱江、岷江流域沿線各縣水稻影響最?。ㄅ判?），抽穗—成熟期干旱對瀘州地區(qū)水稻影響較大（排序1～2）?？梢?，各縣不同生育期干旱對水稻產量的影響具有總體性和區(qū)域性特征。

圖4 四川稻區(qū)水稻各生育期干旱與產量灰色關聯(lián)度排序分布Fig.4 Rank distribution of grey correlation degree between drought and yield at different growth stages of rice in planting region of Sichuan Province

2.3.2 各稻作區(qū)不同生育期干旱影響排序

四川地形復雜，不同稻作區(qū)氣候條件、水稻種植期和農業(yè)生產水平差異顯著，故而統(tǒng)計了不同稻作區(qū)水稻各生育期干旱與產量灰色關聯(lián)度排序對應縣的占比（表5）。從表5看出，在盆北深丘低山區(qū)，90%的縣干旱對水稻產量影響最大（排序為1）出現(xiàn)在移栽—分蘗期，其余縣出現(xiàn)在分蘗—拔節(jié)期；在盆東平行嶺谷區(qū)，80%的縣干旱對水稻產量影響最大出現(xiàn)在移栽—分蘗期，其余縣出現(xiàn)在孕穗—抽穗期；在盆中丘陵區(qū)，37%的縣干旱對水稻產量影響最大的生育期為移栽—分蘗期，56%的縣為分蘗—拔節(jié)期；在成都平原區(qū)，80%的縣干旱對水稻產量影響最大的生育期為分蘗—拔節(jié)期，其余縣為移栽—分蘗期；在盆南丘陵低山區(qū)，91%的縣干旱對水稻產量影響最大的生育期為移栽—分蘗期，其余縣為抽穗—成熟期；在川西南山地半濕潤區(qū)，60%的縣移栽—分蘗期干旱對水稻產量影響最大，而20%的縣孕穗—抽穗期干旱影響最大；在川西南山地干熱河谷區(qū)，各縣干旱對水稻產量影響最大均出現(xiàn)在移栽—分蘗期。對于整個稻作區(qū)，62%的縣干旱對水稻產量影響最大的生育期為移栽—分蘗期，28%的縣為分蘗—拔節(jié)期。

表5 四川稻作區(qū)各生育期干旱與水稻產量灰色關聯(lián)度排序對應縣的占比Tab.5 Proportion of counties with each order of grey correlation degree between drought and rice yield at different growth stages to total counties of different planting regions of Sichuan Province單位：%

綜上可見，四川水稻產量受干旱影響最明顯的生育期為移栽—分蘗期和分蘗—拔節(jié)期。其中，盆中丘陵區(qū)和成都平原區(qū)分蘗—拔節(jié)期干旱對水稻產量影響最大，其余5個稻作區(qū)移栽—分蘗期的干旱影響最大，且川西南山地干熱河谷區(qū)干旱影響最大的生育期一致，而川西南山地半濕潤區(qū)干旱影響最大的生育期較為復雜。

3 結論與討論

本文以改進的水分盈虧指數(shù)（增加了徑流項）為水稻干旱監(jiān)測指標，對四川不同稻作區(qū)各生育期水稻干旱特征進行評估。在此基礎上，結合水稻產量數(shù)據(jù)，分析各生育期干旱與水稻產量的關聯(lián)度，并探討不同稻作區(qū)各生育期干旱對水稻產量的影響程度。整體上，復雜地形和氣候條件以及農業(yè)生產水平，使得四川水稻各生育期干旱對產量的影響具有明顯的區(qū)域性特征。主要結論如下：

（1）四川水稻各生育期干旱頻率從高到低依次為移栽—分蘗期、分蘗—拔節(jié)期、孕穗—抽穗期、抽穗—成熟期、拔節(jié)—孕穗期。各生育期水稻干旱頻率基本呈北高、南低分布，高值區(qū)位于盆地中部或東北部，低值區(qū)位于涼山州境內。伴隨水稻生長發(fā)育進程，盆地水稻干旱頻率高值區(qū)范圍不斷縮小、中心逐漸東移。

（2）四川水稻移栽—分蘗期、分蘗—拔節(jié)期干旱與產量存在較高的灰色關聯(lián)度，而拔節(jié)—孕穗期、孕穗—抽穗期和抽穗—成熟期的關聯(lián)度相對偏低，與各生育期干旱頻率變化趨勢一致。全省各生育期水分盈虧指數(shù)與水稻產量灰色關聯(lián)度和干旱特征的空間相關性較低，關聯(lián)度高的區(qū)域主要位于盆周、攀西等復雜山區(qū)，而干旱高頻區(qū)主要分布于盆地中部或東北部區(qū)域。

（3）從移栽至成熟期，各生育期干旱對水稻產量的影響逐漸減弱，水稻產量受干旱影響最明顯的生育期為移栽—分蘗期和分蘗—拔節(jié)期。其中，移栽—分蘗期干旱對盆周和攀西山區(qū)各縣水稻影響最大，而分蘗—拔節(jié)期干旱則對盆中丘陵區(qū)各縣水稻影響最大。對于成都平原、盆中丘陵稻作區(qū)應重點關注分蘗—拔節(jié)期水稻干旱防御，而其他5個稻作區(qū)應重點關注移栽—分蘗期水稻干旱防御。

與前人相關研究結果［4-5，11］相比，本文因考慮了稻田徑流（徑流系數(shù)隨降水量變化）對土壤水分流失的影響，水稻干旱頻率明顯增加，特別是汛期降水較多的四川盆地，其結果更接近實際。其中，水稻干旱頻率高值區(qū)位于盆地中部或東北部，與陳超等［25］研究結論一致。伴隨著水稻依次進入不同生育期，盆地水稻干旱頻率高值區(qū)范圍不斷縮小、中心逐漸東移，這可能與副熱帶高壓西伸北抬對四川汛期旱澇影響有關。齊東梅等［26］研究表明，副熱帶高壓脊線位置與四川盆地東部區(qū)域旱澇等級呈正相關，與盆地西部區(qū)域旱澇等級呈負相關，6月副熱帶高壓開始西伸北抬，盆地西部偏澇、盆地東部偏旱，干旱中心出現(xiàn)東移。四川水稻各生育期干旱與產量關聯(lián)度和干旱特征空間上的一致性較低，這與地形、經濟及農業(yè)灌溉水平等承災體要素密切相關?？梢姡瑐鹘y(tǒng)基于干旱頻率或強度開展的四川水稻干旱風險評估［4-5］存在一定不足，還需考慮水稻干旱承災體脆弱性的影響。另外，與以往研究［4-11］不同，本文基于氣象與水稻產量資料，研究四川稻作區(qū)水稻各生育期干旱指標與產量的空間關系，探討了縣域各生育期干旱對水稻產量的影響排序，一方面克服災情資料收集不足，充分發(fā)揮豐富、規(guī)范化的氣象觀測資料優(yōu)勢，提高了水稻干旱對產量影響分析的精細化水平；另一方面多維度（各生育期間、同一生育期各縣間）分析了干旱對水稻產量的影響，部分克服了干旱對產量影響難以分離的困難。