广西糖料蔗种植区干旱遥感时空分析

2022-06-22覃纹黄秋燕覃志豪刘剑洪韦高杨

自然资源遥感 2022年2期

覃纹，黄秋燕，覃志豪，刘剑洪，韦高杨

(1.南宁师范大学地理科学与规划学院,南宁 530001； 2.广西壮族自治区环境保护科学研究院,南宁 530022； 3.南宁师范大学北部湾环境演变与资源利用重点实验室,南宁 530001； 4.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081 )

0 引言

糖料蔗是生产食糖的主要原料，也是广西壮族自治区经济支柱及贫困地区蔗农主要收入来源。广西是中国最大的糖料蔗生产大省，广西糖料蔗种植面积、蔗糖产量已连续26个榨季居全国第一位，种植面积和产糖量均占全国的60%左右[1]，为增加财政收入、促进农民增收、确保国家食糖供应及食糖安全起到了重要作用。但是，与先进的蔗糖生产国相比，单产低、宿根年限短等不足成为影响广西糖料蔗生产发展的瓶颈问题[2]。其中，干旱对糖料蔗产量的制约是导致糖料蔗单产低的重要原因之一[3]。有研究表明，糖料蔗生长关键期遭遇干旱，将导致糖料蔗减产18%以上[4]，极端干旱甚至绝收。2009—2010年广西糖料蔗主产区崇左市遭遇特大干旱，2009年该区糖料蔗平均单产比前5 a峰值的2007年偏少8.33%[3]。干旱的发生主要受自然因素及人类活动等多重因素的影响[5]。近年来，随着全球气候变暖加速，干旱的频次、强度以及影响程度也呈上升趋势[6-7]，人类活动强度的加剧，干旱的程度和分布格局可能发生变化[8]。因此，掌握广西糖料蔗主产区干旱时空演变特征及演化规律，对于科学制定干旱缓解措施至关重要。

糖料蔗干旱本质上是土壤水分匮乏，不能满足糖料蔗对水分的要求，遭遇严重干旱往往会造成大面积的减产。糖料蔗干旱成因比较复杂，与基因品种、土壤水分、大气环流、灌溉条件及地形地貌及栽培管理等均有关系。因此，开展糖料蔗干旱监测方法研究，及时掌握糖料蔗的生产状况，已成为糖料蔗田间管理的重要内容。目前相关部门主要采用气象干旱监测方法，开展了糖料蔗干旱监测业务化作业[9-10]，并出台了气象行业标准《糖料蔗干旱灾害等级》(GB/T 34809—2017)作为糖料蔗气象干旱定量化评价依据[11]。此外，有学者[11-12]采用气象数据提取气象干旱指数如标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)[13]进行糖料蔗干旱监测，也有一些学者采用水分亏缺指数[14]或土壤水分相对湿度[15]开展糖料蔗干旱监测研究，但这些研究主要是采用气象观测数据或陆面数据同化系统CLDAS数据为主，受气象站点空间分布不均的影响较大，很难对大面积蔗区旱情作出快速准确的评价。

遥感干旱监测方法具有客观、及时、覆盖范围广、数据连续等特点，已成为农业干旱监测中最具有前景的技术手段[16]。匡昭敏等[17]采用植被温度旱情指数监测2004年和2005年的秋季糖料蔗旱情监测，其指标分级的合理性及模型的适用性都还需通过更长时间的检验。另外，植被温度旱情指数只适用于植被全覆盖地表[18]，不适用于裸土和植被的混合地表，因而该指数是否适用糖料蔗苗期或分蘖期旱情监测尚待检验。蒸散发(evapotranspiration，ET)与潜在蒸散发(potential evapotranspiration，PET)的比值(ET/PET)在一定程度上能反映农作物的水分胁迫信息[19]，基于ET/PET与归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)构建的干旱严重程度指数(drought severity index, DSI)[20]可有效监测农业干旱状况[21]，已被应用于新疆[22]、山东[23]及西南地区[24]的区域干旱事件研究，以及我国北方冬小麦干旱监测[25]。但利用长时间序列DSI干旱指数分析广西蔗区干旱时空演变特征，揭示糖料蔗各生育期受旱胁迫演变规律的研究，还鲜见文献报道。

本研究利用2002—2018年间MOD16A2和MOD09A1数据集，计算DSI，获取了年尺度的500 m空间分辨率广西糖料蔗干旱时空分布，并分析糖料蔗种植区各生育期干旱特征，明确广西糖料蔗生育期干旱时间演化趋势，以期为广西糖料蔗防旱减灾工作提供参考。

1 数据来源

本文选取覆盖广西6个糖料蔗主产区(图1)的MOD16A2，MYD16A2及MOD09A1，MYD09A1作为基础数据源，计算DSI指数。数据可在美国国家航空航天局官网(https: //www.nasa.gov/)免费下载，数据时间分辨率为8 d，空间分辨率为500 m，时间跨度为2002—2018年。研究中采用最大合成法对下载的数据源进行同一天最大合成，以降低云污染像元的影响。

图1 广西糖料蔗种植区分布

糖料蔗生育期数据以当地糖料蔗物候确定。广西糖料蔗一般于3月开始播种，5月进入分蘖期，6—10月为茎伸长期，11月进入成熟期[26]。研究中分别选用第57—113天、121—145天、153—297天以及305—361天数据作为糖料蔗4个生育期的研究数据。

2 研究方法

2.1 DSI干旱等级

DSI干旱指数采用NDVI和ET/PET蒸散比指数计算，NDVI主要反映红光波段、近红外波段反射率与土壤背景之间的差异，可定量说明作物的生长状况[27]，而ET和PET是地表水热平衡的重要成分，可反映作物水分胁迫状况[28]。因此，DSI能够综合地反馈作物受旱胁迫信息，其取值范围在负无穷到正无穷之间，具体计算公式为：

，

(1)

，

(2)

，

(3)

Z=ZET/PET+ZNDVI

，

(4)

，

(5)

根据文献[25]，划定干旱DSI指数等级标准(表1)。可见，DSI越小，干旱程度越强； DSI越大，干旱程度越弱[23]。

表1 DSI干旱等级标准

2.2 干旱面积重心模型

重心又称加权平均中心，通过重心的移动可以直观反映区域内某些属性的变化轨迹及其空间差异性[29]。其计算公式为：

，

(6)

，

(7)

式中:X和Y分别为重心坐标；n为i变量的总数；Mi为空间变量i处的权重；Xi和Yi分别为i变量的坐标。

加权标准差椭圆能够有效识别各类地理要素的空间分布特征[30]。其原理可简述为计算重心迁移[31]，具体表达式为：

，

(8)

，

(9)

，

(10)

2.3 干旱变化趋势分析

同比增长率、一元线性回归法和Mann-Kendall趋势检验法[32]可分析DSI指数干旱长时序变化趋势。Mann-Kendall趋势检验法中，UF>0表示干旱长时序变化为上升趋势，UF<0则表示干旱长时序变化为下降趋势；当UF超过临界线(±1.96，给定显著水平a=0.05)时，表明上升或下降的趋势显著； UF曲线和UB曲线出现交点，且交点在临界线之间，则交点对应的时刻便是干旱发生突变开始的时间[33]。变异系数Cv可以对DSI指数进行干旱长时序稳定性评价[34]。Hurst指数法可以定量描述DSI指数干旱长时序的未来变化趋势[35]，当0

3 结果与分析

3.1 广西蔗区干旱事件的时空分布特征

图2为2002—2018年广西蔗区DSI指数空间分布情况及不同干旱等级面积比重柱状图。可以看出，时序上，随着年份的累积，广西各蔗区干旱呈现出逐渐加重，再逐渐减弱的趋势。空间上，近17 a间广西蔗区干旱集中分布于桂中蔗区、桂东南蔗区、桂西南蔗区及桂西北蔗区；其中，极度干旱、重度干旱及中度干旱主要发生在桂中蔗区、桂西南蔗区东北角及桂东南蔗区西北角，而轻度干旱分布范围最广，各蔗区均有分布；相比之下，北部湾沿海蔗区及桂东北蔗区干旱等级及干旱范围相对较低。总体上，中度及以上干旱相对集中于广西中部区域，但不同蔗区不同年份干旱面积及干旱程度差别较明显；其中，2004—2005年、2007—2009年及2011年干旱面积分布最广，与文献[12]和[14]记载的2004—2005年、2006年、2009—2011年广西的干旱范围大致相吻合。建议未来加强中度干旱等级蔗区的防旱措施，必要时可通过人工灌溉缓解干旱。

(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

图3为DSI年均值增长率及线性趋势。2002—2018年蔗区DSI年均值为-0.59，最大值出现在2010年和2002年，最小值出现在2016年，一元线性下降趋势不明显，年降速为0.07%。DSI指数同比增长率年降速为31%，2004年、2011年和2016年DSI同比增长率超25%，但2006年、2010年和2017年相比前一年同比增长率低于-15%。

图3 DSI年均值增长率及线性趋势

3.2 糖料蔗全生育期的干旱特征分析

3.2.1 糖料蔗干旱面积重心迁移规律

2002—2018年广西蔗区糖料蔗全生育干旱面积集中分布于桂中蔗区、桂西南蔗区及桂西北蔗区，如图4所示，各年度的标准差椭圆大体上以圆形为主，局部年份标准差椭圆延长轴向两端扩散，并且向西北方向移动，表明蔗区干旱的空间分布仍是集中分布为主。其中，苗期干旱面积重心向西北方向扩张，重心迁移轨迹多集中于桂中和桂西南蔗区，特旱年份2009年和2010年糖料蔗干旱面积分别向西北和北部扩张，重心分布于桂西南蔗区及桂中蔗区，其分布频率依次为41%和53%。分蘖期干旱面积呈现出向西北方向蔓延，重心迁移轨迹较为分散，主要分布于桂西南蔗区和桂西北蔗区，其分布频率依次为35%和53%。伸长期干旱面积重心向东部和东北方向扩张，重心迁移轨迹多集中于桂中蔗区其分布频率为76%，2002年、2010年和2016年干旱面积重心分布于桂西北蔗区。蔗区成熟期干旱面积集中于桂中蔗区、桂西南蔗区、桂东南蔗区及桂西部蔗区中部，重心迁移轨迹集中于桂中蔗区，其分布频率为59%。

(a) 苗期(b) 分蘖期

图4 2002—2018年糖料蔗干旱面积标准差椭圆及重心迁移

3.2.2 糖料蔗干旱变化趋势分析

突变是指突变检测因子从一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)跳跃式地转变到另一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)的过程[32]。图5为糖料蔗4个生育期DSI指数年均值Mann-Kendall突变分析结果。从图5中可以看出，苗期存在7个干旱突变点，其中2009年、2013年和2017年突变点的上升趋势显著，2007年、2011年和2015年突变点的下降趋势显著，均超过0.05显著性检验边界线。分蘖期存在3个干旱突变点。伸长期存在4个干旱突变点，其中2016年为显著下降突变点，2003年和2010年为显著上升突变点。成熟期的干旱突变时间点最多，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个突变点。由此可见，2002—2018年近17 a间糖料蔗4个生育期的DSI均值均存在显著上升或下降突变，表明蔗区4个生育期的DSI指数随年份的递增呈现出波动的变化趋势。

(a) 苗期(b) 分蘖期

表2为Hurst指数和变异系数Cv对DSI指数的未来变化趋势进行预测的结果。表2表明，17 a间糖料蔗年际及4个生育期DSI的H及Cv均大于0，表明干旱事件时间序列前后具有持续性；H均介于(0，0.5)之间，且较接近于0，表明蔗区年际及4个生育期未来干旱的变化趋势与过去干旱的变化趋势显著相反，即未来广西蔗区年际及4个生育期会呈现出干旱程度较重且面积扩增的变化趋势。文献[37]也表示，全球气候的变暖将在未来加速全球干旱或半干旱地区干旱的增长。因此，建议建立糖料蔗4个生育期干旱预警方案，防御干旱胁迫影响糖料蔗的产量与品质。

表2 DSI干旱未来趋势

4 结论与讨论

1)本文利用2002—2018年MODIS的500 m×500 m分辨率NDVI和ET/PET数据集，计算年尺度的广西蔗区DSI指数。研究表明，DSI指数综合了长时间序列作物长势信息及水分胁迫信息，能较好反映糖料蔗干旱的空间差异及时间演变特征。DSI指数可有效监测广西蔗区及糖料蔗4个生育期的干旱状况，干旱监测结果与实际一致，DSI指数可应用于糖料蔗旱情监测。

2)空间上，近17 a间广西蔗区干旱集中分布于桂中蔗区、桂东南蔗区、桂西南蔗区及桂西北蔗区。其中，极度干旱、重度干旱及中度干旱主要发生在桂中蔗区、桂西南蔗区及桂东南蔗区。但各蔗区各年份干旱面积及干旱程度差别较明显。时间上，2002—2018年蔗区DSI年均值为-0.59，最大值出现在2010年和2002年，最小值出现在2016年，一元线性下降趋势不明显，年降速为0.07%。

3)加权标准差椭圆模型结果显示，不同生育期的糖料蔗干旱面积重心呈现出由中部向西北方向扩张趋势，重心迁移轨迹为桂中蔗区>桂西南蔗区>桂西北蔗区。

4)糖料蔗全生育期DSI年均值Mann-Kendall突变分析结果表明，蔗区4个生育期均存在显著上升或下降的突变时间节点，干旱指标随年份增长呈现出复杂的波动变化；年际及4个生育期的DSI指数长时间序列前后具有持续性，H在(0，0.5)之间，预示未来干旱的变化趋势与过去干旱的变化趋势显著相反。

5)随着全球气候变暖、人类活动加剧及ENSO等恶劣天气的影响，广西蔗区的干旱形势将会愈加严峻。建议根据蔗区自然条件，建设糖料蔗不同生育期的干旱预警方案，防御干旱胁迫影响糖料蔗的产量与品质。如苗期时可通过加盖地膜或架设微喷灌等节约能源的方式防旱，分蘖期及伸长期时引水管灌溉，成熟期时及时收割。

ET/PET的计算精度是影响DSI精度的主要因素。本研究中采用MOD/MYD16 ET产品计算DSI指数，由于MOD/MYD16 ET计算中采用了分辨率较粗的MERRA GMAO气象再生数据，降低了MOD/MYD16 ET产品的区域尺度精度，因而该指数在区域尺度干旱监测能力受到影响。未来可结合高空间分辨率的多源遥感数据及气象站点数据，获得高时空分辨率的ET产品，提高DSI指数的区域尺度干旱监测能力。其次，本研究ET，PET与NDVI采用等权重参与DSI计算，未来可考虑地形因子及土壤类型等因素影响，重新确定ET，PET与NDVI的权重分配。另外，本文仅分析了广西蔗区年尺度及糖料蔗生育期尺度DSI指数的干旱时空特征，旬、月、16 d和8 d尺度还有待于扩展，未来可进一步研究不同尺度下蔗区不同干旱等级及季节性干旱对糖料蔗产量造成的影响。