廣西糖料蔗種植區干旱遙感時空分析

覃紋， 黃秋燕， 覃志豪， 劉劍洪， 韋高楊

(1.南寧師范大學地理科學與規劃學院,南寧 530001； 2.廣西壯族自治區環境保護科學研究院,南寧 530022； 3.南寧師范大學北部灣環境演變與資源利用重點實驗室,南寧 530001； 4.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,北京 100081 )

0 引言

糖料蔗是生產食糖的主要原料，也是廣西壯族自治區經濟支柱及貧困地區蔗農主要收入來源。廣西是中國最大的糖料蔗生產大省，廣西糖料蔗種植面積、蔗糖產量已連續26個榨季居全國第一位，種植面積和產糖量均占全國的60%左右[1]，為增加財政收入、促進農民增收、確保國家食糖供應及食糖安全起到了重要作用。但是，與先進的蔗糖生產國相比，單產低、宿根年限短等不足成為影響廣西糖料蔗生產發展的瓶頸問題[2]。其中，干旱對糖料蔗產量的制約是導致糖料蔗單產低的重要原因之一[3]。有研究表明，糖料蔗生長關鍵期遭遇干旱，將導致糖料蔗減產18%以上[4]，極端干旱甚至絕收。2009—2010年廣西糖料蔗主產區崇左市遭遇特大干旱，2009年該區糖料蔗平均單產比前5 a峰值的2007年偏少8.33%[3]。干旱的發生主要受自然因素及人類活動等多重因素的影響[5]。近年來，隨著全球氣候變暖加速，干旱的頻次、強度以及影響程度也呈上升趨勢[6-7]，人類活動強度的加劇，干旱的程度和分布格局可能發生變化[8]。因此，掌握廣西糖料蔗主產區干旱時空演變特征及演化規律，對于科學制定干旱緩解措施至關重要。

糖料蔗干旱本質上是土壤水分匱乏，不能滿足糖料蔗對水分的要求，遭遇嚴重干旱往往會造成大面積的減產。糖料蔗干旱成因比較復雜，與基因品種、土壤水分、大氣環流、灌溉條件及地形地貌及栽培管理等均有關系。因此，開展糖料蔗干旱監測方法研究，及時掌握糖料蔗的生產狀況，已成為糖料蔗田間管理的重要內容。目前相關部門主要采用氣象干旱監測方法，開展了糖料蔗干旱監測業務化作業[9-10]，并出臺了氣象行業標準《糖料蔗干旱災害等級》(GB/T 34809—2017)作為糖料蔗氣象干旱定量化評價依據[11]。此外，有學者[11-12]采用氣象數據提取氣象干旱指數如標準化降水蒸散指數(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)[13]進行糖料蔗干旱監測，也有一些學者采用水分虧缺指數[14]或土壤水分相對濕度[15]開展糖料蔗干旱監測研究，但這些研究主要是采用氣象觀測數據或陸面數據同化系統CLDAS數據為主，受氣象站點空間分布不均的影響較大，很難對大面積蔗區旱情作出快速準確的評價。

遙感干旱監測方法具有客觀、及時、覆蓋范圍廣、數據連續等特點，已成為農業干旱監測中最具有前景的技術手段[16]?？镎衙舻萚17]采用植被溫度旱情指數監測2004年和2005年的秋季糖料蔗旱情監測，其指標分級的合理性及模型的適用性都還需通過更長時間的檢驗。另外，植被溫度旱情指數只適用于植被全覆蓋地表[18]，不適用于裸土和植被的混合地表，因而該指數是否適用糖料蔗苗期或分蘗期旱情監測尚待檢驗。蒸散發(evapotranspiration，ET)與潛在蒸散發(potential evapotranspiration，PET)的比值(ET/PET)在一定程度上能反映農作物的水分脅迫信息[19]，基于ET/PET與歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)構建的干旱嚴重程度指數(drought severity index, DSI)[20]可有效監測農業干旱狀況[21]，已被應用于新疆[22]、山東[23]及西南地區[24]的區域干旱事件研究，以及我國北方冬小麥干旱監測[25]。但利用長時間序列DSI干旱指數分析廣西蔗區干旱時空演變特征，揭示糖料蔗各生育期受旱脅迫演變規律的研究，還鮮見文獻報道。

本研究利用2002—2018年間MOD16A2和MOD09A1數據集，計算DSI，獲取了年尺度的500 m空間分辨率廣西糖料蔗干旱時空分布，并分析糖料蔗種植區各生育期干旱特征，明確廣西糖料蔗生育期干旱時間演化趨勢，以期為廣西糖料蔗防旱減災工作提供參考。

1 數據來源

本文選取覆蓋廣西6個糖料蔗主產區(圖1)的MOD16A2，MYD16A2及MOD09A1，MYD09A1作為基礎數據源，計算DSI指數。數據可在美國國家航空航天局官網(https: //www.nasa.gov/)免費下載，數據時間分辨率為8 d，空間分辨率為500 m，時間跨度為2002—2018年。研究中采用最大合成法對下載的數據源進行同一天最大合成，以降低云污染像元的影響。

圖1 廣西糖料蔗種植區分布

糖料蔗生育期數據以當地糖料蔗物候確定。廣西糖料蔗一般于3月開始播種，5月進入分蘗期，6—10月為莖伸長期，11月進入成熟期[26]。研究中分別選用第57—113天、121—145天、153—297天以及305—361天數據作為糖料蔗4個生育期的研究數據。

2 研究方法

2.1 DSI干旱等級

DSI干旱指數采用NDVI和ET/PET蒸散比指數計算，NDVI主要反映紅光波段、近紅外波段反射率與土壤背景之間的差異，可定量說明作物的生長狀況[27]，而ET和PET是地表水熱平衡的重要成分，可反映作物水分脅迫狀況[28]。因此，DSI能夠綜合地反饋作物受旱脅迫信息，其取值范圍在負無窮到正無窮之間，具體計算公式為：

，

(1)

，

(2)

，

(3)

Z=ZET/PET+ZNDVI

，

(4)

，

(5)

根據文獻[25]，劃定干旱DSI指數等級標準(表1)?？梢?，DSI越小，干旱程度越強； DSI越大，干旱程度越弱[23]。

表1 DSI干旱等級標準

2.2 干旱面積重心模型

重心又稱加權平均中心，通過重心的移動可以直觀反映區域內某些屬性的變化軌跡及其空間差異性[29]。其計算公式為：

，

(6)

，

(7)

式中:X和Y分別為重心坐標；n為i變量的總數；Mi為空間變量i處的權重；Xi和Yi分別為i變量的坐標。

加權標準差橢圓能夠有效識別各類地理要素的空間分布特征[30]。其原理可簡述為計算重心遷移[31]，具體表達式為：

，

(8)

，

(9)

，

(10)

2.3 干旱變化趨勢分析

同比增長率、一元線性回歸法和Mann-Kendall趨勢檢驗法[32]可分析DSI指數干旱長時序變化趨勢。Mann-Kendall趨勢檢驗法中，UF>0表示干旱長時序變化為上升趨勢，UF<0則表示干旱長時序變化為下降趨勢； 當UF超過臨界線(±1.96，給定顯著水平a=0.05)時，表明上升或下降的趨勢顯著； UF曲線和UB曲線出現交點，且交點在臨界線之間，則交點對應的時刻便是干旱發生突變開始的時間[33]。變異系數Cv可以對DSI指數進行干旱長時序穩定性評價[34]。Hurst指數法可以定量描述DSI指數干旱長時序的未來變化趨勢[35]，當0

3 結果與分析

3.1 廣西蔗區干旱事件的時空分布特征

圖2為2002—2018年廣西蔗區DSI指數空間分布情況及不同干旱等級面積比重柱狀圖?？梢钥闯?，時序上，隨著年份的累積，廣西各蔗區干旱呈現出逐漸加重，再逐漸減弱的趨勢?？臻g上，近17 a間廣西蔗區干旱集中分布于桂中蔗區、桂東南蔗區、桂西南蔗區及桂西北蔗區； 其中，極度干旱、重度干旱及中度干旱主要發生在桂中蔗區、桂西南蔗區東北角及桂東南蔗區西北角，而輕度干旱分布范圍最廣，各蔗區均有分布； 相比之下，北部灣沿海蔗區及桂東北蔗區干旱等級及干旱范圍相對較低?？傮w上，中度及以上干旱相對集中于廣西中部區域，但不同蔗區不同年份干旱面積及干旱程度差別較明顯； 其中，2004—2005年、2007—2009年及2011年干旱面積分布最廣，與文獻[12]和[14]記載的2004—2005年、2006年、2009—2011年廣西的干旱范圍大致相吻合。建議未來加強中度干旱等級蔗區的防旱措施，必要時可通過人工灌溉緩解干旱。

(a) 2002年(b) 2003年(c) 2004年

(d) 2005年(e) 2006年(f) 2007年

(g) 2008年(h) 2009年(i) 2010年

(j) 2011年(k) 2012年(l) 2013年

(m) 2014年(n) 2015年(o) 2016年

(p) 2017年(q) 2018年

圖3為DSI年均值增長率及線性趨勢。2002—2018年蔗區DSI年均值為-0.59，最大值出現在2010年和2002年，最小值出現在2016年，一元線性下降趨勢不明顯，年降速為0.07%。DSI指數同比增長率年降速為31%，2004年、2011年和2016年DSI同比增長率超25%，但2006年、2010年和2017年相比前一年同比增長率低于-15%。

圖3 DSI年均值增長率及線性趨勢

3.2 糖料蔗全生育期的干旱特征分析

3.2.1 糖料蔗干旱面積重心遷移規律

2002—2018年廣西蔗區糖料蔗全生育干旱面積集中分布于桂中蔗區、桂西南蔗區及桂西北蔗區，如圖4所示，各年度的標準差橢圓大體上以圓形為主，局部年份標準差橢圓延長軸向兩端擴散，并且向西北方向移動，表明蔗區干旱的空間分布仍是集中分布為主。其中，苗期干旱面積重心向西北方向擴張，重心遷移軌跡多集中于桂中和桂西南蔗區，特旱年份2009年和2010年糖料蔗干旱面積分別向西北和北部擴張，重心分布于桂西南蔗區及桂中蔗區，其分布頻率依次為41%和53%。分蘗期干旱面積呈現出向西北方向蔓延，重心遷移軌跡較為分散，主要分布于桂西南蔗區和桂西北蔗區，其分布頻率依次為35%和53%。伸長期干旱面積重心向東部和東北方向擴張，重心遷移軌跡多集中于桂中蔗區其分布頻率為76%，2002年、2010年和2016年干旱面積重心分布于桂西北蔗區。蔗區成熟期干旱面積集中于桂中蔗區、桂西南蔗區、桂東南蔗區及桂西部蔗區中部，重心遷移軌跡集中于桂中蔗區，其分布頻率為59%。

(a) 苗期(b) 分蘗期

(c) 伸長期(d) 成熟期

圖4 2002—2018年糖料蔗干旱面積標準差橢圓及重心遷移

3.2.2 糖料蔗干旱變化趨勢分析

突變是指突變檢測因子從一種穩定態(或穩定持續的變化趨勢)跳躍式地轉變到另一種穩定態(或穩定持續的變化趨勢)的過程[32]。圖5為糖料蔗4個生育期DSI指數年均值Mann-Kendall突變分析結果。從圖5中可以看出，苗期存在7個干旱突變點，其中2009年、2013年和2017年突變點的上升趨勢顯著，2007年、2011年和2015年突變點的下降趨勢顯著，均超過0.05顯著性檢驗邊界線。分蘗期存在3個干旱突變點。伸長期存在4個干旱突變點，其中2016年為顯著下降突變點，2003年和2010年為顯著上升突變點。成熟期的干旱突變時間點最多，包括2003年、2004年、2006年(下降)、2008年、2009年、2010年(上升)、2012年、2013年、2014年(下降)、2016年(上升)和2018年共11個突變點。由此可見，2002—2018年近17 a間糖料蔗4個生育期的DSI均值均存在顯著上升或下降突變，表明蔗區4個生育期的DSI指數隨年份的遞增呈現出波動的變化趨勢。

(a) 苗期(b) 分蘗期

(c) 伸長期(d) 成熟期

表2為Hurst指數和變異系數Cv對DSI指數的未來變化趨勢進行預測的結果。表2表明，17 a間糖料蔗年際及4個生育期DSI的H及Cv均大于0，表明干旱事件時間序列前后具有持續性；H均介于(0，0.5)之間，且較接近于0，表明蔗區年際及4個生育期未來干旱的變化趨勢與過去干旱的變化趨勢顯著相反，即未來廣西蔗區年際及4個生育期會呈現出干旱程度較重且面積擴增的變化趨勢。文獻[37]也表示，全球氣候的變暖將在未來加速全球干旱或半干旱地區干旱的增長。因此，建議建立糖料蔗4個生育期干旱預警方案，防御干旱脅迫影響糖料蔗的產量與品質。

表2 DSI干旱未來趨勢

4 結論與討論

1)本文利用2002—2018年MODIS的500 m×500 m分辨率NDVI和ET/PET數據集，計算年尺度的廣西蔗區DSI指數。研究表明，DSI指數綜合了長時間序列作物長勢信息及水分脅迫信息，能較好反映糖料蔗干旱的空間差異及時間演變特征。DSI指數可有效監測廣西蔗區及糖料蔗4個生育期的干旱狀況，干旱監測結果與實際一致，DSI指數可應用于糖料蔗旱情監測。

2)空間上，近17 a間廣西蔗區干旱集中分布于桂中蔗區、桂東南蔗區、桂西南蔗區及桂西北蔗區。其中，極度干旱、重度干旱及中度干旱主要發生在桂中蔗區、桂西南蔗區及桂東南蔗區。但各蔗區各年份干旱面積及干旱程度差別較明顯。時間上，2002—2018年蔗區DSI年均值為-0.59，最大值出現在2010年和2002年，最小值出現在2016年，一元線性下降趨勢不明顯，年降速為0.07%。

3)加權標準差橢圓模型結果顯示，不同生育期的糖料蔗干旱面積重心呈現出由中部向西北方向擴張趨勢，重心遷移軌跡為桂中蔗區>桂西南蔗區>桂西北蔗區。

4)糖料蔗全生育期DSI年均值Mann-Kendall突變分析結果表明，蔗區4個生育期均存在顯著上升或下降的突變時間節點，干旱指標隨年份增長呈現出復雜的波動變化； 年際及4個生育期的DSI指數長時間序列前后具有持續性，H在(0，0.5)之間，預示未來干旱的變化趨勢與過去干旱的變化趨勢顯著相反。

5)隨著全球氣候變暖、人類活動加劇及ENSO等惡劣天氣的影響，廣西蔗區的干旱形勢將會愈加嚴峻。建議根據蔗區自然條件，建設糖料蔗不同生育期的干旱預警方案，防御干旱脅迫影響糖料蔗的產量與品質。如苗期時可通過加蓋地膜或架設微噴灌等節約能源的方式防旱，分蘗期及伸長期時引水管灌溉，成熟期時及時收割。

ET/PET的計算精度是影響DSI精度的主要因素。本研究中采用MOD/MYD16 ET產品計算DSI指數，由于MOD/MYD16 ET計算中采用了分辨率較粗的MERRA GMAO氣象再生數據，降低了MOD/MYD16 ET產品的區域尺度精度，因而該指數在區域尺度干旱監測能力受到影響。未來可結合高空間分辨率的多源遙感數據及氣象站點數據，獲得高時空分辨率的ET產品，提高DSI指數的區域尺度干旱監測能力。其次，本研究ET，PET與NDVI采用等權重參與DSI計算，未來可考慮地形因子及土壤類型等因素影響，重新確定ET，PET與NDVI的權重分配。另外，本文僅分析了廣西蔗區年尺度及糖料蔗生育期尺度DSI指數的干旱時空特征，旬、月、16 d和8 d尺度還有待于擴展，未來可進一步研究不同尺度下蔗區不同干旱等級及季節性干旱對糖料蔗產量造成的影響。