基于APSIM模型的遼寧省玉米旱災風險評估*

王亞許，呂 娟，孫洪泉，屈艷萍，蘇志誠

(1.水利部防洪抗旱減災工程技術(shù)研究中心， 北京 100038；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038)

基于APSIM模型的遼寧省玉米旱災風險評估*

王亞許1, 2，呂 娟1, 2，孫洪泉1, 2，屈艷萍1, 2，蘇志誠1, 2

(1.水利部防洪抗旱減災工程技術(shù)研究中心， 北京 100038；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038)

利用位于遼寧省內(nèi)的14個國家氣象站1961-2013年的氣象數(shù)據(jù)作為APSIM作物模型的輸入數(shù)據(jù)，統(tǒng)計年鑒中1996-2005年各地市玉米產(chǎn)量及玉米生育期數(shù)據(jù)對APSIM作物模型進行參數(shù)率定，2006-2013年產(chǎn)量數(shù)據(jù)對模型進行驗證。利用參數(shù)率定后的APSIM模型對各地市玉米生長過程進行模擬，分析玉米因旱損失規(guī)律，評估玉米旱災風險等級。研究結(jié)果表明：APSIM作物模型在遼寧省各地市具有良好的適用性，能較好地模擬玉米生長過程；模型模擬遼寧省1961-2013年平均玉米因旱損失為2 250 kg/hm2，因旱損失嚴重；玉米因旱損失-頻率曲線符合P-Ⅲ型概率分布；旱災風險評估結(jié)果表明遼寧西北部地區(qū)玉米旱災風險較大。

APSIM模型；玉米；因旱損失；旱災；風險評估；遼寧

旱災是影響人類生活和社會經(jīng)濟發(fā)展的主要自然災害之一，它在持續(xù)時間、影響范圍和災害影響等方面位列自然災害之首[1]。自1990年以來，我國因旱年均糧食損失高達260 Gkg[2]，干旱災害已被視為影響糧食安全的決定性因素[3-4]。近年來，大范圍的干旱災害頻發(fā)，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展及糧食安全等造成了嚴重威脅[5]。目前對于干旱的管理我國也于2003年提出了防洪抗旱“兩個轉(zhuǎn)變”的新思路，隨著由傳統(tǒng)的消極被動抗旱、應急管理向積極主動抗旱、風險管理轉(zhuǎn)變，旱災風險管理逐漸興起[6]。農(nóng)業(yè)旱災風險評估為干旱風險管理的重要內(nèi)容，對采取抗旱措施、評價干旱程度、抗旱物資調(diào)配以及抗旱規(guī)劃等具有重要意義。

目前對于農(nóng)業(yè)旱災風險評估方法已有廣泛研究，金菊良等[7]將已有方法歸納為三類：基于旱災損失風險構(gòu)成要素的旱災損失風險指數(shù)評估方法，基于歷史旱災損失頻率分析的旱災損失風險曲線評估方法以及基于旱災損失風險物理成因過程的旱災損失風險曲線評估方法。HE B等[8]分析致災因子的危險性、承災體的暴露性和災損敏感性以及抗災能力等方面著手建立評價指標體系，對旱災風險的等級評價，此方法屬于第一類。屈艷萍等[9]通過建立干旱頻率-潛在損失-抗旱能力之間的定量關(guān)系實現(xiàn)對旱災風險的定量評估，在第二類方法的基礎(chǔ)上提出了旱災風險定量評估總體框架。單琨等[10]通過對作物種植產(chǎn)量與種植面積，用實際干旱發(fā)生頻率、農(nóng)業(yè)氣象干旱發(fā)生頻率、玉米生產(chǎn)相對暴露率和單產(chǎn)水平等4個因素構(gòu)建了遼寧地區(qū)玉米干旱風險指數(shù)，在分析旱災成因的基礎(chǔ)上對遼寧地區(qū)玉米干旱進行了風險分析和風險區(qū)劃，屬于第三類評估方法。由于干旱發(fā)生機理復雜，旱災風險評估對資料要求較高，且難以量化。本研究在第二類方法的基礎(chǔ)上，運用作物模型對作物生長過程進行模擬，跳過了干旱的復雜機理，運用模型設置統(tǒng)一的耕作方式、作物品種及田間管理方式來研究旱災損失風險，構(gòu)建基于作物模型及歷史旱災損失頻率的旱災風險定量評估總體框架。

1 研究區(qū)及資料

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省作為中國東北糧食基地的重要組成部分，是中國重要的優(yōu)質(zhì)玉米生產(chǎn)基地和玉米出口基地[11]，2014年遼寧省玉米播種面積為2 245.6 khm2，總產(chǎn)量為1 563.2萬t。遼寧地處溫帶季風氣候，四季分明，氣候災害頻發(fā)，是全國干旱災害頻發(fā)的省份之一，遼西北更有“十年九旱”的稱謂，干旱災害是制約遼寧省工農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一[12]。近些年，遼寧省更是重旱頻發(fā)，1999-2001年遼寧省連續(xù)3年發(fā)生干旱，2000年發(fā)生了新中國成立以來最為嚴重的大面積干旱，2006年遼西北遭遇特大伏旱，2007年全省遭遇嚴重夏旱，2009年遼西北又發(fā)生百年不遇的特大干旱，均造成了農(nóng)業(yè)大幅度減產(chǎn)[13]。遼寧省的農(nóng)業(yè)旱災風險評估對遼寧省抗旱減災，抗旱管理等提供支撐。

1.2 資料

本研究的數(shù)據(jù)資料主要涉及用于APSIM模型輸入的氣象數(shù)據(jù)以及用于模型參數(shù)率定及驗證的玉米產(chǎn)量、生育期數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)包括遼寧省各地市14個氣象站點1961-2013年長序列逐日氣象數(shù)據(jù)，具體包括降雨、最低氣溫、最高氣溫、風速、相對濕度、日照等來源于“中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)”。本研究以地市為單位，運用14個氣象站點代表遼寧14個地市的氣象輸入。玉米作物品種生育期數(shù)據(jù)主要來源于文獻[14]。APSIM作物模型所需的土壤數(shù)據(jù)來源于北京師范大學戴永久面向陸面模擬的中國土壤數(shù)據(jù)集[15]，運用此數(shù)據(jù)集對模型土壤特性數(shù)據(jù)進行設置。用于模型參數(shù)率定及驗證的地市級玉米單產(chǎn)數(shù)據(jù)及播種面積數(shù)據(jù)主要來源于歷年的統(tǒng)計年鑒[16]

2 模型與方法

2.1 APSIM模型

APSIM(Agricultural Production System Simulator)模型是澳大利亞科學家開發(fā)研制的，用于模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)各生物過程的機理模型。自1991年問世以來，已在澳大利亞、意大利、荷蘭、新西蘭等國家得到廣泛驗證，在國內(nèi)部分地區(qū)也得到了驗證[17]。

對模型設置統(tǒng)一的種植參數(shù)及管理參數(shù)。利用1996-2005年玉米單產(chǎn)及生育期數(shù)據(jù)對各地市進行參數(shù)率定。以鐵嶺市參數(shù)率定結(jié)果為例，參數(shù)率定結(jié)果見表1。

采用以下統(tǒng)計量對APSIM模型在各地區(qū)產(chǎn)量模擬結(jié)果進行評價，模擬值與實測值之間的決定系數(shù)(R2)；均方根誤差(RMSE)以及Willmott[18]提出的一致性指標(D指標)。其中R2和D指標反映模擬值與實測值的一致性，其值越接近1說明模擬效果越好；RMSE反映了模擬值與實測值之間的絕對誤差，其值越小，表明誤差值越小[19]。

表1 APSIM模型鐵嶺市玉米作物參數(shù)率定結(jié)果

(1)

(2)

式中：Si為模擬值，Oi為實測值，O為平均值，N為樣本數(shù)。

2.2 損失-頻率計算

運用APSIM作物模型，模擬1961-2013年的各地市玉米生長過程及產(chǎn)量，將歷年最高產(chǎn)量作為潛在產(chǎn)量或是期望產(chǎn)量，由于模型對玉米種植參數(shù)相同，耕作管理等措施設置相同，排除其他因素的影響，只有氣象條件對產(chǎn)量的影響，故將潛在產(chǎn)量與模擬年份產(chǎn)量的差值即為玉米因旱損失量。

Yloss=Ym-Ys，

(3)

式中：Yloss為玉米因旱損失量；Ym為潛在產(chǎn)量；Ys為模擬產(chǎn)量。

對玉米因旱損失量計算經(jīng)驗頻率：

(1)將旱災損失序列由大到小排列，計算其經(jīng)驗頻率；設玉米因旱損失數(shù)據(jù)長度為n，按從大到小的次序排列為x1、x2、…、xm、…、xn，則按下式計算經(jīng)驗頻率：

(4)

式中：P為等于和大于xm的經(jīng)驗頻率；m為xm的序號，即等于和大于xm的項數(shù)；n為樣本容量，即旱災時序數(shù)據(jù)的總項數(shù)。

(2)用適線法進行配線；

(3)反查不同重現(xiàn)期的玉米因旱損失；

(4)對不同重現(xiàn)期因旱損失劃分風險等級。

3 結(jié)果分析

3.1 模型驗證

運用以上方法對模型進行評價，各地市評價結(jié)果見表2。評價結(jié)果可以看出，除了營口市決定系數(shù)(R2)小于0.6，一致性指標小于0.7外，其他地市模擬效果較好，這表明模型在遼寧省總體適用性

表2 遼寧各地市模型評價結(jié)果

圖1 遼寧省1996-2013年APSIM模型模擬產(chǎn)量與統(tǒng)計產(chǎn)量對比及擬合

結(jié)果良好。圖1為模型模擬歷年玉米總產(chǎn)量與統(tǒng)計產(chǎn)量的比較，從圖1左圖中看出在2000年及2009年產(chǎn)量模擬誤差較大，2000年及2009年均發(fā)生嚴重干旱，由此說明APSIM模型在發(fā)生極端干旱時產(chǎn)量模擬偏低。圖1右圖表明模型對于遼寧省1996-2013年玉米總產(chǎn)量模擬結(jié)果較好，達到0.935。

3.2 因旱損失序列數(shù)據(jù)計算

運用驗證過的APSIM模型，對各地市玉米歷年的生長過程進行模擬，得出各地市1961-2013年玉米模擬產(chǎn)量，計算歷年玉米因旱損失。對結(jié)果進行“損失-頻率”分析，采用P-Ⅲ曲線擬合，以錦州市為例，適線結(jié)果均值Ex=233,變差系數(shù)Cv=0.6,偏態(tài)系數(shù)Cs=2Cv，擬合度達到0.94，表明玉米因旱損失-頻率曲線服從P-Ⅲ概率分布。通過對遼寧省14個計算單元的干旱“損失-頻率”擬合曲線的分析，均能生成比較合理的P-Ⅲ曲線，通過與實際情況的對比，曲線能比較真實地反應出遼寧省玉米因旱損失狀況。

3.3 玉米旱災風險等級劃分

根據(jù)適線法配線結(jié)果，反查各地市不同重現(xiàn)期下的玉米因旱損失，根據(jù)玉米因旱損失量劃分旱災風險等級，分4個等級提出5年、10年、20年、50年、100年、多年平均等6種干旱情況下的玉米旱災風險等級劃分標準，根據(jù)此等級標準，劃分各地市不同干旱情境下的玉米旱災風險等級，見表3。根據(jù)等級劃分的結(jié)果，在玉米旱災風險值上，疊加地理信息，形成遼寧省不同干旱等級旱災風險分布圖，見圖2。由圖2可以看出遼寧西北部地區(qū)玉米因旱損失風險較大，中部地區(qū)旱災風險相對較小。

表3 遼寧省地市級行政區(qū)玉米因旱損失風險等級劃分標準 kg/hm2

圖2 遼寧省不同重現(xiàn)期下的糧食損失風險等級

4 結(jié)論

旱災風險評估是旱災風險管理的核心內(nèi)容，為抗旱決策提供重要的技術(shù)支撐，但是現(xiàn)階段關(guān)于旱災風險評估全面量化還存在一定的難度。本研究應用APSIM作物模型對遼寧省各地市玉米生長過程進行模擬，模型驗證結(jié)果表明APSIM模型在各地市具有較好的適用性，因旱損失分析表明遼寧省1961-2013年平均玉米因旱損失為2 250 kg/hm2，因旱損失嚴重。玉米因旱損失-頻率曲線符合P-Ⅲ概率分布，通過適線后的P-Ⅲ曲線反查不同重現(xiàn)期下的玉米因旱損失，劃分旱災風險等級，結(jié)果表明遼寧西北地區(qū)玉米旱災風險較大，中部地區(qū)玉米旱災風險較小。對遼寧省玉米旱災風險量化為進一步研究抗旱能力、實施干旱管理以及抗旱減災策略提供依據(jù)。

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《災害學》被評為“RCCSE中國核心學術(shù)期刊(A)”

據(jù)中國科教評價網(wǎng)消息，在《中國學術(shù)期刊評價研究報告(武大版)(2017-2018)》(第5版)中，《災害學》雜志被評為“RCCSE中國核心學術(shù)期刊(A)”。

《中國學術(shù)期刊評價研究報告》(以下簡稱《報告》)是武漢大學中國科學評價研究中心的四大評價報告之一，于2009年3月聯(lián)合國內(nèi)外多家科研機構(gòu)正式推出第1版，隨后于2011年、2013年、2015年分別推出第2版、第3版和第4版。

《災害學》編輯部

Risk Assessment of Maize Drought in Liaoning Provincebased on APSIM Model

WANG Yaxu1, 2, LV Juan1, 2, SUN Hongquan1, 2, QU Yanping1, 2and SU Zhicheng1, 2

(1.ResearchCenteronFloodandDroughtDisasterReductionoftheMinistryofWaterResources,Beijing100038,China; 2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)

Usingmeteorologicaldatafrom14nationalweatherstationsinLiaoningProvinceduring1961-2013astheinputdataofAPSIMcropmodel,TheparametersofAPSIMcropmodelaredeterminedbyusingthespringmaizeyielddataofalloverthecityofLiaoningin1996-2005,andthemodelisvalidatedby2006-2013data.TheAPSIMmodelisusedtosimulatethegrowthprocessofspringmaizeindifferentpartsofLiaoningProvince,andthelawofagriculturaldroughtlossinLiaoningprovinceisanalyzed.Theresearchresultsshowthat:APSIMmodelhasgoodapplicabilityinLiaoningProvince,anditcanreflectthegrowthprocessofspringmaizeinLiaoningprovince. 1961-2013annualaveragespringmaizedroughtlossesof150kg/acre,maizedroughtlossesaresevere.DroughtlossesandfrequencycurvesofLiaoningspringmaizewereinlinewiththeprobabilitydistributionofP-Ⅲ.DroughtriskassessmentresultsshowthatthedroughtriskofMaizeinthenorthwestregionofLiaoningisgreater.

APSIMmodel;maize;droughtloss;droughtdisaster;riskassessment;Liaoning

2016-11-28

2017-01-10

國家自然科學基金項目(51209220)；中國水利水電科學研究院科研專項(JZ0145B592016)；水利部公益性行業(yè)科研專項(201401036)

王亞許(1990-)，男，河南許昌人，碩士研究生，主要從事旱災風險評估研究. E-mail:wangyxiwhr@sina.com

孫洪泉(1983-)，男，遼寧丹東人，高級工程師，主要從事抗旱減災研究. E-mail：sunhq@iwhr.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.038.]

X43;S42

A

1000-811X(2017)03-0230-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.038

王亞許，呂娟，孫洪泉，等. 基于APSIM模型的遼寧省玉米旱災風險評估[J]. 災害學，2017，32(3)：230-234. [WANG Yaxu, LV Juan, SUN Hongquan,et al. Risk Assessment of Maize Drought in Liaoning Province Based on APSIM Model[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(3)：230-234.