安徽省夏玉米澇漬災(zāi)害時(shí)空特征及其災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)

魏忠光 崔修來(lái) 孫瑤 王曉東

(1 安徽海峰分析測(cè)試科技有限公司，合肥 230031；2 遼寧省營(yíng)口市氣象局，營(yíng)口 115001；3 安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心，合肥 230031)

引言

澇漬災(zāi)害主要是指由于長(zhǎng)時(shí)間維持陰雨天氣，降水量過多，地下水位過高，地面排水不暢，造成植物根層土壤水分長(zhǎng)時(shí)間處于飽和或過飽和、土壤中空氣含量不足，危害植物正常生長(zhǎng)的一種土壤水分過多的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。其中田間作物澇漬主要表現(xiàn)出土壤相對(duì)濕度(土壤含水量占田間持水量的百分比)長(zhǎng)時(shí)間維持在85%以上、植株間的空氣相對(duì)濕度大，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)不良和病蟲草害嚴(yán)重等[1-5]。確定澇漬災(zāi)害指標(biāo)的方法前人已作過較多研究，也建立了許多定量指標(biāo)和模型，針對(duì)夏玉米澇漬這種特殊的災(zāi)害，國(guó)內(nèi)在指標(biāo)方法的確定以及定量指標(biāo)和模型等方面開展了相關(guān)的研究，很好的揭示了不同區(qū)域玉米澇漬災(zāi)害時(shí)空發(fā)生規(guī)律，對(duì)科學(xué)開展區(qū)域種植布局具有重要參考意義[6-12]。另外采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)(包括受災(zāi)減產(chǎn)率出現(xiàn)的概率、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、變異系數(shù)等)來(lái)研究澇漬害產(chǎn)量災(zāi)損程度，并利用風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)探討作物產(chǎn)量災(zāi)損規(guī)律，對(duì)制定防災(zāi)減災(zāi)決策，降低災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)程度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增收具有重要意義[13-17]。

由于安徽省地處暖溫帶和北亞熱帶兩大氣候帶的過渡區(qū)，過渡型氣候特征明顯，南北冷暖氣團(tuán)交匯頻繁，天氣多變，降水年際變率大，旱澇自然災(zāi)害頻發(fā)，降水集中時(shí)段與夏玉米的生長(zhǎng)季基本吻合，期間作物水分基本處于供大于求的狀況，澇漬災(zāi)害發(fā)生概率較大，嚴(yán)重影響玉米的籽粒灌漿、結(jié)實(shí)粒數(shù)和千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素，因此澇漬是安徽省夏玉米穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的主要限制因子[18-21]。本文綜合考慮夏玉米澇漬孕災(zāi)環(huán)境、澇漬致災(zāi)因子(澇漬害發(fā)生時(shí)期的降水量、雨日、日照時(shí)數(shù))等因素，利用夏玉米澇漬指數(shù)模型對(duì)澇漬的時(shí)空分布特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時(shí)參考國(guó)家氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《冬小麥油菜澇漬等級(jí)》[22]，確定了適合安徽省的夏玉米澇漬害分級(jí)指標(biāo);另外為揭示夏玉米澇漬可能造成的災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn), 采用災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型計(jì)算得到了安徽省夏玉米產(chǎn)量澇漬災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)分布[23-24]，研究結(jié)果對(duì)開展區(qū)域農(nóng)業(yè)氣象防災(zāi)減災(zāi)有很好的借鑒意義。

1 研究資料與方法

1.1 研究資料

本文所用氣象資料為安徽省1971—2018年78個(gè)氣象觀測(cè)站的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、水汽壓、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度等;夏玉米發(fā)育期及土壤水分資料均來(lái)源于安徽省氣象信息中心；夏玉米產(chǎn)量資料來(lái)源于安徽省統(tǒng)計(jì)部門，包括78個(gè)站點(diǎn)1981—2017年的夏玉米分縣產(chǎn)量數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi)根據(jù)氣候、地形和農(nóng)業(yè)種植等可將其分為淮北地區(qū)、沿淮地區(qū)、江淮地區(qū)、大別山區(qū)、沿江地區(qū)和江南地區(qū)共6個(gè)不同區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分別包含16個(gè)、12個(gè)、14個(gè)、4個(gè)、19個(gè)和13個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)[25]。

圖1 安徽省主要種植分區(qū)及氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

1.2.1 夏玉米水分敏感系數(shù)的計(jì)算

作物各生育階段對(duì)水分脅迫的影響程度不同，一般用水分敏感系數(shù)來(lái)表示，主要由作物實(shí)際產(chǎn)量、最大產(chǎn)量、實(shí)際蒸散量、參考作物蒸散量、作物系數(shù)和土壤水分系數(shù)等參數(shù)決定，各階段水分敏感系數(shù)的計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[26]。安徽省夏玉米一般6 月上中旬播種，9月中下旬收獲，播種較早的江南地區(qū)和播種較晚的淮北地區(qū)生育進(jìn)程普遍相差1旬左右，充分考慮夏玉米南北生育進(jìn)程的差異，本文首先計(jì)算獲得了安徽省夏玉米各站點(diǎn)的逐日水分敏感系數(shù)，基于逐日水分敏感系數(shù)通過統(tǒng)計(jì)分析得到了分區(qū)逐旬作物水分敏感系數(shù)，最后將分旬水分敏感系數(shù)作為各區(qū)計(jì)算全生育期夏玉米澇漬指數(shù)的分旬權(quán)重，具體的分區(qū)分旬水分敏感系數(shù)值見表1。

表1 安徽省夏玉米分區(qū)分旬水分敏感系數(shù)

1.2.2 夏玉米澇漬指數(shù)Qw

在氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《冬小麥、油菜澇漬等級(jí)》[22]中澇漬指數(shù)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合安徽省的實(shí)際情況,通過優(yōu)化和改進(jìn)建立夏玉米澇漬指數(shù)的計(jì)算公式。

(1)

其中,Qwi為第i時(shí)間段的澇漬指數(shù)，Ri、Rdi、Si分別為第i時(shí)段的降水量、降水日數(shù)和日照時(shí)數(shù)，Rmax、Rdmax、Smax分別為序列內(nèi)的降水量、降水日數(shù)和日照時(shí)數(shù)的最大值。

本文中計(jì)算的時(shí)間尺度以旬作為基本單位，分別計(jì)算全省各站點(diǎn)1971—2018年6月上旬至9月下旬逐旬的澇漬指數(shù)，例如計(jì)算合肥站2000年的8月上旬的澇漬指數(shù)，其中Ri為8月上旬的降水量，Rmax為1971—2018年共48年每年8月上旬降水量的最大值，降水日數(shù)和日照時(shí)數(shù)情況類似。參數(shù)a1、a2、a3為表征降水量、雨日和日照時(shí)數(shù)對(duì)形成澇漬災(zāi)害貢獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，參考澇漬等級(jí)的氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合本地區(qū)澇漬發(fā)生的實(shí)際情況，a1、a2、a3的值分別取1、1、0.75。

1.2.3 夏玉米趨勢(shì)產(chǎn)量的分解

影響作物最終產(chǎn)量形成的因素很多，一般把作物最終產(chǎn)量分解為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量，其中農(nóng)業(yè)技術(shù)措施類包括施肥、經(jīng)營(yíng)管理、病蟲害控制、品種改良以及其它增產(chǎn)措施等，它反映了一定歷史時(shí)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平；相應(yīng)的產(chǎn)量分量稱為時(shí)間技術(shù)，簡(jiǎn)稱趨勢(shì)產(chǎn)量。而由于年際間氣象條件的差異造成作物產(chǎn)量的波動(dòng)，相應(yīng)的產(chǎn)量分量稱為氣象產(chǎn)量。本文采用直線滑動(dòng)平均法模擬趨勢(shì)產(chǎn)量，該方法是將產(chǎn)量的時(shí)間序列在某個(gè)階段內(nèi)的變化看作線性函數(shù)，呈一直線；隨著階段的連續(xù)滑動(dòng)，直線不斷改變位置、后延滑動(dòng)而反映產(chǎn)量歷史演變趨勢(shì)的連續(xù)變化；依次求取各個(gè)階段內(nèi)的回歸模型，而各時(shí)間點(diǎn)上各直線滑動(dòng)回歸模擬值的均值, 即為其趨勢(shì)產(chǎn)量值[27]。

y=yt+yw

(2)

式中，y為作物的實(shí)際產(chǎn)量，單位為kg/hm2；yt為作物的趨勢(shì)產(chǎn)量，單位為kg/hm2；yw為作物產(chǎn)量的氣象分量，又稱為氣象產(chǎn)量，單位為kg/hm2。

1.2.4 產(chǎn)量澇漬災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

災(zāi)損減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[13]是指不同減產(chǎn)率與相應(yīng)出現(xiàn)概率乘積的總和，是反映減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)程度的一個(gè)指標(biāo)，指數(shù)越大，風(fēng)險(xiǎn)就越大。玉米產(chǎn)量災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(M)由3方面因素綜合構(gòu)成，其中產(chǎn)量災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度指數(shù)(Q)是災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)在強(qiáng)度上的表示；減產(chǎn)變異系數(shù)(Cv)可反映實(shí)際災(zāi)損的年際波動(dòng)情況，是災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)振幅的體現(xiàn)；澇漬年發(fā)生概率(F)是澇漬在時(shí)域尺度上的度量；3者分別代表實(shí)際災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的強(qiáng)度、幅度和頻度，均與實(shí)際災(zāi)損呈正比。

玉米減產(chǎn)變異系數(shù)(Cv)指減產(chǎn)年(氣象產(chǎn)量為負(fù))玉米產(chǎn)量的波動(dòng)情況。

(3)

采用概率分布函數(shù)計(jì)算玉米不同等級(jí)的減產(chǎn)強(qiáng)度及其發(fā)生概率，定義不同等級(jí)的減產(chǎn)強(qiáng)度與其發(fā)生概率之積的總和為災(zāi)損的風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度指數(shù)(Q)。

(4)

式中,Ei為第i個(gè)澇漬等級(jí)的減產(chǎn)強(qiáng)度，共3個(gè)等級(jí)的澇漬減產(chǎn)強(qiáng)度，減產(chǎn)5%～10%為輕度，減產(chǎn)10%～20%為中度，減產(chǎn)20%以上為重度；Pi為第i個(gè)減產(chǎn)強(qiáng)度出現(xiàn)的概率。

基于產(chǎn)量減產(chǎn)序列獲取因澇漬導(dǎo)致的減產(chǎn)年，并確定澇漬減產(chǎn)年發(fā)生概率(F):

(5)

式中,d為因澇漬導(dǎo)致的減產(chǎn)年數(shù)；D為統(tǒng)計(jì)的總年數(shù)，1971—2018年共48年。

則玉米災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)M的表達(dá)式為

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米澇漬指數(shù)的時(shí)間變化特征

安徽省1971—2018年夏玉米全生育期澇漬指數(shù)多年平均值為0.239，全省平均值隨年代變化呈顯著上升趨勢(shì)，其上升趨勢(shì)為0.027/10a，通過α=0.1的顯著性檢驗(yàn)(圖2)。

圖2 1971—2018年安徽省夏玉米全生育期澇漬指數(shù)變化

全省分旬澇漬指數(shù)的時(shí)間變化特征不盡相同，其中6月上旬和8月上旬澇漬指數(shù)均呈明顯的上升趨勢(shì)，通過α=0.1的顯著性檢驗(yàn)，其余各旬變化不顯著。其中澇漬指數(shù)最大的是6月下旬，其次是7月上旬和7月中旬，期間正值我省的梅雨期，降水較為集中，易發(fā)生澇漬害；澇漬指數(shù)最小的是9月中旬和9月下旬，期間受副熱帶高壓控制，正值我省晴熱少雨的時(shí)期，出現(xiàn)澇漬害的可能性也較低(表2)。

從夏玉米全生育期澇漬指數(shù)的年代際變化特征來(lái)看，20世紀(jì)70年代澇漬指數(shù)最小，20世紀(jì)80年代澇漬指明顯增大，20世紀(jì)90年代澇漬指數(shù)有所減小，進(jìn)入21世紀(jì)澇漬指數(shù)也是明顯增大，其中20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)分別為玉米澇漬指數(shù)的2個(gè)高值時(shí)期，這與夏玉米典型澇漬災(zāi)害年多發(fā)生在這2個(gè)時(shí)期的實(shí)際情況相吻合。隨機(jī)選取了幾個(gè)代表旬分析了其澇漬指數(shù)年代的特征，存在的共同的特征為20世紀(jì)70年代普遍為澇漬指數(shù)的低值區(qū)(表3)。

表2 1971—2018年安徽省夏玉米分旬澇漬指數(shù)及其變化特征

表3 1971—2018年安徽省夏玉米旬及全生育期各年代澇漬指數(shù)

2.2 夏玉米澇漬指數(shù)的空間變化特征

圖3為安徽省1971—2018年各站點(diǎn)夏玉米全生育期澇漬指數(shù)的空間分布特征，全省各站點(diǎn)澇漬指數(shù)的變化幅度在0.08～0.38之間，其中大別山區(qū)、江南中東部和淮北局部是夏玉米澇漬指數(shù)的高值區(qū)(Qw>0.25)，淮北北部、江淮北部、沿江西部以及皖南南部是夏玉米澇漬指數(shù)的低值區(qū)(Qw<0.2)。

圖3 1971—2018年安徽省夏玉米全生育期 澇漬指數(shù)空間分布

安徽省1971—2018 年各站點(diǎn)夏玉米分月澇漬指數(shù)空間分布特征顯示：6月正值安徽省夏玉米的苗期生長(zhǎng)階段，全省自南向北陸續(xù)進(jìn)入汛期，降水南多北少，澇漬指數(shù)呈明顯的緯向分布特征，沿淮淮北地區(qū)澇漬指數(shù)普遍在0.05～0.15，其它大部分地區(qū)0.2～0.5，其中江南部分地區(qū)在0.5以上(圖4a)；7月正值安徽省夏玉米的拔節(jié)抽雄期，也是夏玉米需水關(guān)鍵期，期間雨帶北移，北部的澇漬指數(shù)普遍高于南部，沿淮淮北大部澇漬指數(shù)普遍在0.3～0.4，其他大部分地區(qū)普遍在0.1～0.3(圖4b)；8月安徽省夏玉米普遍處于抽雄至開花吐絲期，澇漬指數(shù)普遍在0.1～0.4，南北差異不是很明顯，2個(gè)高值區(qū)分別位于大別山區(qū)和皖南中東部地區(qū)(圖4c)；9月安徽省夏玉米普遍處于灌漿至乳熟期，澇漬指數(shù)普遍在0.05～0.25，南部的澇漬指數(shù)普遍高于北部(圖4d)。

2.3 夏玉米澇漬災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)確定

參考國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《冬小麥、油菜澇漬等級(jí)》[22]，結(jié)合因澇漬導(dǎo)致的夏玉米減產(chǎn)年，以各旬夏玉米澇漬指數(shù)(以兩旬的平均值作為判別的依據(jù))確定不同減產(chǎn)程度下的夏玉米澇漬等級(jí)指標(biāo)；其中分別確定了各生育階段的澇漬等級(jí)指標(biāo)，將夏玉米澇漬分為輕度、中度、重度3級(jí)(表4)。

為了確定夏玉米澇漬等級(jí)指標(biāo)在安徽省的適用性，對(duì)其進(jìn)行了指標(biāo)驗(yàn)證，同時(shí)為了排除其它災(zāi)害導(dǎo)致夏玉米減產(chǎn)的樣本，通過統(tǒng)計(jì)年鑒并結(jié)合當(dāng)年災(zāi)害實(shí)際發(fā)生的情況，對(duì)災(zāi)害年樣本進(jìn)行篩選，挑選出安徽省1981-2010年主要由澇漬引起減產(chǎn)的年份作為夏玉米澇漬災(zāi)損的樣本，全省各縣共計(jì)467個(gè)樣本，對(duì)災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)(表5)進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，計(jì)算得到的澇漬等級(jí)對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)率與實(shí)際由于澇漬災(zāi)害導(dǎo)致的減產(chǎn)率一致的比例為82.2%，其中中度澇漬樣本達(dá)到一致的比例最高，為85.5%，澇漬等級(jí)與實(shí)際減產(chǎn)率相差1個(gè)等級(jí)的比例為15.2%，兩者之和為97.4%，可以看出夏玉米澇漬災(zāi)害指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際澇漬減產(chǎn)的結(jié)果較為一致。

表4 安徽省夏玉米澇漬等級(jí)指標(biāo)

表5 1981—2010年安徽省夏玉米澇漬災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

2.4 安徽省夏玉米產(chǎn)量澇漬災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)分布特征

圖5 安徽省夏玉米產(chǎn)量澇漬災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)分布

基于產(chǎn)量災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)理論，分別計(jì)算安徽省各個(gè)站點(diǎn)的夏玉米產(chǎn)量澇漬災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)，采用ArcGIS中的克里格插值方法對(duì)各站的澇漬災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行插值，得到安徽省夏玉米產(chǎn)量澇漬災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)分布(圖5)，可知安徽省夏玉米產(chǎn)量澇漬災(zāi)害損失的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在淮北大部以及江淮的東北部地區(qū)，其值普遍在0.05～0.16;中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在沿淮中西部、江淮大部和沿江江南中西部地區(qū)，其值普遍在0.16～0.24;高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布大別山區(qū)、江淮東部和江南東部地區(qū)，其值普遍在0.24～0.32，夏玉米產(chǎn)量澇漬災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與夏玉米全生育期澇漬指數(shù)空間分布特征存在一定的差異，其中大別山區(qū)較為吻合，為澇漬指數(shù)的高值區(qū)和產(chǎn)量澇漬災(zāi)害損失風(fēng)險(xiǎn)的高值區(qū)，而江南中東部作為夏玉米全生育期澇漬指數(shù)的高值區(qū)，實(shí)際上僅江南東部為夏玉米產(chǎn)量澇漬災(zāi)害損失的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，另外江淮東部為山地丘陵區(qū)，受地形等因素的影響，其也成為夏玉米產(chǎn)量澇漬災(zāi)害損失的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，因此澇漬災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的高低與當(dāng)?shù)睾０屋^高，土壤類型和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際作物抗災(zāi)能力存在較大的關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

(1) 安徽省夏玉米澇漬的時(shí)空特征顯示：夏玉米全生育期澇漬指數(shù)以0.027/10a的速率呈顯著上升趨勢(shì)，其中6月上旬和8月上旬上升趨勢(shì)最為明顯，澇漬指數(shù)的年代際變化總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，僅90年代澇漬指數(shù)有所減?。粷碀n指數(shù)的空間分布其值變幅在0.08～0.38之間，其中大別山區(qū)、江南中東部和淮北局部是夏玉米澇漬指數(shù)的高值區(qū)，分月的澇漬指數(shù)空間分布隨著夏季雨帶的南北擺動(dòng)呈現(xiàn)出不同的特征。

(2) 根據(jù)國(guó)家氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《冬小麥、油菜澇漬等級(jí)》，結(jié)合安徽夏玉米全生育期澇漬發(fā)生特征，確定了安徽省夏玉米澇漬災(zāi)害等級(jí)指標(biāo)；指標(biāo)驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際因澇漬災(zāi)害而減產(chǎn)的結(jié)果較為一致，其中澇漬等級(jí)與實(shí)際減產(chǎn)率一致的比例為82.2%，一致和相差1個(gè)等級(jí)的比例大于95%。

(3) 根據(jù)夏玉米產(chǎn)量澇漬災(zāi)損綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)將安徽省夏玉米劃分為高、中、低3 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在淮北大部以及江淮的東北部地區(qū)；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在沿淮中西部、江淮大部和沿江江南中西部地區(qū)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布大別山區(qū)、江淮東部和江南東部地區(qū)。

由于作物災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析尚處在研究階段，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的選擇上，僅選擇了災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的強(qiáng)度、幅度和頻度等常用的指標(biāo)，有待作更深一步的研究確定更精細(xì)和更合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)；另外在確定漬指數(shù)等級(jí)分類指標(biāo)時(shí)，存在很大的經(jīng)驗(yàn)性，還需更進(jìn)一步對(duì)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，精確分類指標(biāo)。