顏玉倩 何趙祥睿 朱克云

摘要：為了研究干旱對(duì)河南省冬小麥產(chǎn)量形成的影響，準(zhǔn)確評(píng)估干旱造成的危害程度。筆者利用河南省氣候資料、冬小麥產(chǎn)量資料，商丘灌溉資料分析冬小麥完成各發(fā)育期的氣象條件，利用Z指數(shù)等方法，討論冬小麥干旱的時(shí)空分布特征，并對(duì)河南省冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。結(jié)果表明：（1）河南省冬小麥豐年和歉年降水條件東西部差異較大，當(dāng)東部（西部）全生育期降水>263 mm （284 mm）時(shí)，降水條件有利于冬小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成；（2）在時(shí)間分布上，1965—2014年河南省Z指數(shù)呈下降趨勢(shì)，趨于干旱；空間上呈自西北向東南減少趨勢(shì)；（3）河南省干旱風(fēng)險(xiǎn)呈自西向東逐漸減小的分布特征。

關(guān)鍵詞：冬小麥；干旱指數(shù)；Z指數(shù)；風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；河南省

中圖分類號(hào)：S423文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas20190400017

Winter Wheat in Henan： Drought Index Characteristics and Risk Assessment

Yan Yuqian1，2， He Zhaoxiangrui2， Zhu Keyun2

（1Qinghai Institute of Meteorological Science/Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Qinghai Province， Xining 810001， Qinghai， China；2College of Atmospheric Science， Chengdu University of Information Technology/ Key Laboratory of Plateau Atmosphere and Environment in Sichuan， Chengdu 610225， Sichuan， China）

Abstract： To study the effect of drought on winter wheat yield， evaluate the damage caused by drought， based on data of climate and winter wheat yield of Henan Province， as well as the irrigation data of Shangqiu， we analyzed the meteorological conditions of winter wheat during each development period， and discussed the spatio-temporal distribution characteristics of winter wheat drought by Z index， and carried out the drought risk zoning of winter wheat in Henan. The results showed that： （1） the precipitation conditions of winter wheat in abundant and poor years in Henan varied greatly from east to west， the precipitation >263 mm （284 mm） during the whole growth period in the east （west） was conducive to the growth and yield of winter wheat； （2） in terms of time distribution， Z index showed a downward trend in Henan during 1965-2014， tending to drought； in terms of space， it showed a decreasing trend from northwest to southeast； （3） the drought risk in Henan was decreasing gradually from west to east.

Keywords： Winter Wheat； Drought Index； Z Index； Risk Zoning； Risk Assessment； Henan

0引言

河南省是中國冬小麥的主產(chǎn)區(qū)，在全國夏糧種植中占據(jù)重要位置，其產(chǎn)量的高低直接影響到中國夏糧的豐欠；近年來，隨著農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的提升和農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推進(jìn)，冬小麥的產(chǎn)量有了明顯的提高[1-3]。但干旱作為河南省最主要的災(zāi)害之一，具有出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣特點(diǎn)，仍然制約著冬小麥的生產(chǎn)。而干旱的預(yù)測(cè)與預(yù)警，是降低冬小麥干旱損失的重要預(yù)防手段。因此，冬小麥的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就顯得尤為重要，較好的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以提升防范意識(shí)，采取人工增雨、引水灌溉等措施以降低干旱對(duì)冬小麥未來的影響。

目前，進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法主要有風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法、GIS、信息擴(kuò)散、主成分分析、綜合定權(quán)等幾種方法[4-9]?？滴餮缘萚4]選取3種干旱指數(shù)，根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析的基本原理，計(jì)算了氣候干旱、作物干旱、產(chǎn)量災(zāi)損3種風(fēng)險(xiǎn)度，并進(jìn)行了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；李軍玲等[8]選取冬小麥晚霜凍有害積寒和頻度（危險(xiǎn)性）、冬小麥種植面積（暴露性）、灌耕比和單位提灌面積機(jī)井?dāng)?shù)（脆弱性）等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，應(yīng)用ArcGIS進(jìn)行柵格計(jì)算，得到河南省冬小麥晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖；李亞春等[5]在確定了致災(zāi)因子和致災(zāi)指標(biāo)后，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，構(gòu)建了綜合氣候產(chǎn)量減產(chǎn)率和低溫凍害指標(biāo)的冬小麥低溫凍害風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估指數(shù)模型，將江蘇省劃分為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

根據(jù)前人的研究，有的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型并不是很完整，缺少某部分因素如敏感性或抗災(zāi)性；還有一些模型各因素的關(guān)系較模糊，如將敏感性從脆弱性中剝離出來，置于與脆弱性同等的地位。而本研究將采用章國材的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系[10]，該體系中，自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)是由危險(xiǎn)性和易損性組成，而易損性又分為物理暴露和脆弱性，脆弱性又可以進(jìn)一步分為敏感性和抗災(zāi)性。不僅計(jì)算簡(jiǎn)單，而且物理含義明確，并與實(shí)際情況吻合。

選擇合適的冬小麥干旱指數(shù)既是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的基礎(chǔ)，又能準(zhǔn)確分析農(nóng)業(yè)干旱的時(shí)空分布特征[11-12]。目前的農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)較多，這些指數(shù)既有單指標(biāo)，又有復(fù)合指標(biāo)[11-14]，然而有些指數(shù)或計(jì)算復(fù)雜或所需的資料不易獲取，因而使用起來有一定的困難，不利于推廣到干旱特征分析和預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中，另一方面每種指數(shù)均存在一定的使用限制，因而不一定適用于河南省冬小麥干旱。基于以上考慮，本研究在選擇干旱指數(shù)時(shí)同時(shí)考慮了降水距平百分率、Z指數(shù)和水分盈虧率，分析比較以上3種指數(shù)對(duì)河南省冬小麥干旱的適用性，并在此基礎(chǔ)上建立冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)模型，以期為河南省冬小麥干旱的發(fā)生和防治提供氣象決策依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料

氣候資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)753站地面觀測(cè)資料（V2.0），1951—2014年逐日的氣象數(shù)據(jù)（包括降水量、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)等）。1980—2014年河南省15站冬小麥的資料包括冬小麥發(fā)育期時(shí)間、單產(chǎn)量、總產(chǎn)量、種植面積（15個(gè)站點(diǎn)分布如圖1所示）。商丘市2008—2014年灌溉資料由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所和河南商丘農(nóng)田生態(tài)系國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站提供，包括觀測(cè)點(diǎn)的灌溉時(shí)間、灌溉量和單產(chǎn)量。

1.2方法

1.2.1冬小麥產(chǎn)量分離將冬小麥的單產(chǎn)量（kg/×103hm2）分解為3部分，分別是趨勢(shì)產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機(jī)“噪音”[4]?？捎霉剑?）表示。

1.3統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel、Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2結(jié)果與分析

2.1豐歉年冬小麥氣象條件對(duì)比

根據(jù)河南省冬小麥發(fā)育期的劃分，及公式（2）～（3），定義相對(duì)氣象產(chǎn)量為正的是豐年為負(fù)的是歉年，挑選出各個(gè)市的豐年和歉年。對(duì)比得出河南省冬小麥的豐年和歉年的氣象條件的差別，如表1所示。

由表1可知，豐年的積溫比歉年的積溫略高，但并不明顯；豐年和歉年各發(fā)育期的日照時(shí)數(shù)相差也不大，說明溫度和日照并不是影響冬小麥產(chǎn)量的主要因素。并分析出豐年全生育期的降水量比歉年略大；豐年降水偏多的特征突出出現(xiàn)在播種—出苗、返青—拔節(jié)、抽穗—開花階段，表明在這些發(fā)育階段的降水偏多有利于冬小麥的生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成。由于河南省地形呈西高東低，北、西、南三面太行山脈、伏牛山脈、桐柏山脈、大別山脈沿省界呈半環(huán)形分布，不同地形將造成降水的差異較大，為了詳細(xì)對(duì)比河南省東西部豐歉年降水條件的差別，以新鄉(xiāng)所在的經(jīng)度為界（具體見圖1虛線所示），將河南省分為東部和西部（新鄉(xiāng)為東部），表2給出了東西部豐歉年發(fā)育期降水量，由表得出：河南省西部豐年各發(fā)育期的降水都多于歉年，而河南省東部豐年除播種—出苗、返青—拔節(jié)外，其他所有發(fā)育期的降水都比歉年少。一方面這充分反映了河南省西部冬小麥干旱對(duì)降水更加敏感，降水越多對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)越有利。另一方面，經(jīng)過當(dāng)?shù)卣{(diào)查表明，東部地勢(shì)較為平坦，灌溉較為便利，因而充分的灌溉使得東小麥對(duì)降水的敏感性降低，當(dāng)降水偏多時(shí)反而會(huì)使冬小麥減產(chǎn)。河南省東部全生育期降水>263 mm、西部全生育期降水>284 mm，全省全生育期降水>274 mm時(shí)有利于冬小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成。

2.2河南省冬小麥干旱指標(biāo)

2.2.1冬小麥干旱指標(biāo)的選取對(duì)15個(gè)市的冬小麥單產(chǎn)用三次多項(xiàng)式擬合，把結(jié)果作為各地的冬小麥的趨勢(shì)產(chǎn)量。并計(jì)算出氣象產(chǎn)量和相對(duì)氣象產(chǎn)量。用Z指數(shù)與相對(duì)氣象產(chǎn)量做相關(guān)分析。根據(jù)（5）式計(jì)算得出各個(gè)地區(qū)每一年的Z指數(shù)值，表3給出Z指數(shù)距平與相對(duì)氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)。

從表3可以看出，Z指數(shù)距平與相對(duì)氣象產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)河南省東西部站點(diǎn)差異較為明顯，西部站點(diǎn)要明顯高于東部站點(diǎn)。首先選取通過了95%顯著性檢驗(yàn)的切相關(guān)系數(shù)最高的2個(gè)站洛陽和南陽，這是因?yàn)樗鼈兪芨珊档挠绊懽顬轱@著，且分別位于河南省北部和南部并基本處于同一經(jīng)度，因而對(duì)整個(gè)河南省西部的代表性較強(qiáng)。對(duì)洛陽和南陽冬小麥干旱指標(biāo)距平與相對(duì)氣象產(chǎn)量做線性回歸（見圖2）。

求出不同Z指數(shù)負(fù)距平百分率對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)百分率的值；取兩地的減產(chǎn)百分率平均值，作為劃分冬小麥干旱等級(jí)的指標(biāo)，如表4。

農(nóng)業(yè)上，規(guī)定干旱的等級(jí)為：減產(chǎn)<10%的為輕旱，減產(chǎn)為10%～20%的為中旱，減產(chǎn)20%～30%的為重旱，而減產(chǎn)>30%為嚴(yán)重干旱[16]。從表4中可以得到冬小麥干旱等級(jí)指標(biāo)，如表5所示。由于表4中并未出現(xiàn)減產(chǎn)30%的情況，所以只給出3個(gè)干旱等級(jí)。

上述指標(biāo)比較針對(duì)灌溉較少的河南西部地區(qū)，那么該指數(shù)是否對(duì)灌溉較好的東部地區(qū)是否同樣適用呢？河南省東部的一些站點(diǎn)Z指數(shù)距平與相對(duì)氣象產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)了負(fù)值，出現(xiàn)負(fù)值是否合理？因此在考慮了灌溉的基礎(chǔ)上，一方面檢驗(yàn)Z指數(shù)的可用性，另一方面選擇一個(gè)考慮灌溉、適用于東部地區(qū)的指標(biāo)。由于灌溉資料獲取的限制，本研究以商丘為例，定義冬小麥水分盈虧率W[17]為（6）。

Yr和W的相關(guān)系數(shù)為-0.558，能通過95%的顯著性檢驗(yàn)。式（7）中冬小麥水分盈虧率W和相對(duì)水分產(chǎn)量Yr′是負(fù)相關(guān)，當(dāng)冬小麥水分盈虧率為負(fù)，冬小麥產(chǎn)量反而越高。這可能是由于河南省東部的灌溉比較充分，水分過多反而不利于冬小麥生長(zhǎng)。這與以上的結(jié)論均是一致的，表明Z指數(shù)可用于整個(gè)河南省，而用水分盈虧率作為灌溉地區(qū)的指標(biāo)適用性更強(qiáng)。

2.2.2 Z指數(shù)時(shí)空分布特征圖3給出了全省、東部和西部的1965—2014年Z指數(shù)的時(shí)間變化序列。由于Z指數(shù)反映了某地干旱的程度，所以根據(jù)圖3a可以看出Z指數(shù)Z指數(shù)在1965—2014年期間呈下降趨勢(shì)，河南省的干旱日趨嚴(yán)重，干旱對(duì)小麥的產(chǎn)量的影響日益加深。對(duì)比圖3b和圖3c，可以看出河南省東部Z指數(shù)和西部的指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，但東部的下降趨勢(shì)更明顯，說明在過去50年東部干旱加重的速度比西部更快。此外，東部平均的的Z指數(shù)略大于西部，表明東部的干旱更為顯著。圖3d給出對(duì)每個(gè)站點(diǎn)1965—2014年的Z指數(shù)平均。

從圖4中可看出，河南省Z指數(shù)從西北向東南逐漸升高，表明河南省西北部較為干旱而在東南部相對(duì)較為濕潤(rùn)。其中，安陽、焦作和三門峽的Z指數(shù)較低，而信陽、駐馬店的Z指數(shù)最高。

2.3冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型分為4個(gè)組成因素，分別是危險(xiǎn)性、物理暴露、敏感性和抗災(zāi)性。危險(xiǎn)性用Z指數(shù)的倒數(shù)衡量，干旱的風(fēng)險(xiǎn)大小是和降水量有關(guān)的，降水越多（少），干旱越弱（強(qiáng)），因此用Z指數(shù)可以表示危險(xiǎn)性的大小。物理暴露用冬小麥的種植面積表示。敏感性用Z指數(shù)與冬小麥相對(duì)氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)表示，它衡量的是冬小麥產(chǎn)量與降水的關(guān)系，若相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大（?。?，表示冬小麥產(chǎn)量對(duì)降水的變化敏感性越強(qiáng)（弱）?？篂?zāi)性用冬小麥單產(chǎn)的線性增長(zhǎng)率表示，反映科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使產(chǎn)量提高，也是災(zāi)害抵抗能力的提高。綜上所述冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)如式（8）。

2.3.2物理暴露分析用冬小麥的種植面積的年平均值表示冬小麥?zhǔn)転?zāi)的物理暴露，如式（10）。根據(jù)各地的冬小麥種植面積得到圖5b。圖中冬小麥的物理暴露總體來說是由東南向西北減小。物理暴露最大的是周口、南陽；最小的是鶴壁、三門峽。這表明河南省東南部種植小麥的面積較大，而在河南省西北部種植小麥較少。當(dāng)有干旱發(fā)生時(shí)，若都遭受同等程度的旱災(zāi)，那么河南省東南方的受災(zāi)比西北方更嚴(yán)重。

2.3.4抗災(zāi)性分析用冬小麥產(chǎn)量的線性增長(zhǎng)率表示當(dāng)?shù)囟←湹目篂?zāi)性，如式（12），這是對(duì)冬小麥的歷年單產(chǎn)用最小二乘法計(jì)算得到的。將求得的各地冬小麥產(chǎn)量線性增長(zhǎng)率插值，得到圖5d。圖中冬小麥干旱抗災(zāi)性最小的是鄭州和洛陽，最大的是駐馬店和許昌。整個(gè)河南省的抗災(zāi)性大致是自西向東增加的。這與河南省東部的灌溉水平較高，而河南省西部的灌溉較少的事實(shí)是吻合的。此外，河南省西部多山區(qū)、丘陵，而河南省東部是廣闊的平原，且水系發(fā)達(dá)，因此河南省東部比西部更利于冬小麥的生產(chǎn)。

根據(jù)劉榮花等的研究[18]，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)>0.5為災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.3～0.5為災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)中值區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)<0.3為災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)低值區(qū)。由圖6可得，洛陽和南陽的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，它們周圍是險(xiǎn)高值區(qū)；三門峽和河南中部接近，為險(xiǎn)指數(shù)中值區(qū)；河南省東部是風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)低值區(qū)。伏牛山以東，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)逐漸減小，近似呈經(jīng)向分布。其中最低的是濮陽市和安陽市，商丘市也較小。

結(jié)合河南省的地形（見圖1），可以看出在伏牛山東部的一片區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值最高，這可能與干熱風(fēng)或背風(fēng)坡的干空氣下沉增溫有關(guān)[19]。伏牛山的一部分在三門峽境內(nèi)，但風(fēng)險(xiǎn)并不高，這又證實(shí)了伏牛山背風(fēng)坡和高風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。河南省東部地勢(shì)平坦，灌溉充分，這些條件都利于冬小麥的種植和生長(zhǎng)，因此河南省東部的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)低，而且其冬小麥單產(chǎn)比西部更高。根據(jù)河南省的干熱風(fēng)資料，鄭州、平頂山和南陽的干熱風(fēng)次數(shù)是最多的，這與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的結(jié)果是一致的，這說明風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)也多干熱風(fēng)，其他的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)[20]。

3結(jié)論與討論

（1）Z指數(shù)指標(biāo)可用于河南省冬小麥干旱評(píng)價(jià)，在時(shí)間分布上，河南省東部和西部的Z指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，但東部的下降趨勢(shì)更明顯，說明在過去50年東部干旱加重的速度比西部更快；在空間分布上，河南省Z指數(shù)從西北向東南逐漸升高，表明河南省西北部較為干旱而在東南部相對(duì)較為濕潤(rùn)。根據(jù)各地的干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)區(qū)劃，河南省冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)總體為自西向東逐漸減小。伏牛山東部為風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)，其中洛陽、南陽的干旱風(fēng)險(xiǎn)最大；河南省西部和中部為風(fēng)險(xiǎn)中值區(qū)，東部為風(fēng)險(xiǎn)低值區(qū)。當(dāng)東部（西部）全生育期降水>263 mm（284 mm）時(shí)，降水條件有利于冬小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成。

（2）本研究采用章國材的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，用Z指數(shù)的倒數(shù)、冬小麥種植面積、指數(shù)和冬小麥氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)、冬小麥單產(chǎn)的線性趨勢(shì)分別代表風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系中的危險(xiǎn)性、物理暴露、敏感性和抗災(zāi)性。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和評(píng)估的效果較好，該方法中，干旱風(fēng)險(xiǎn)是由危險(xiǎn)性和易損性組成，而易損性又分為物理暴露和脆弱性，脆弱性又可以進(jìn)一步分為敏感性和抗災(zāi)性；不僅計(jì)算簡(jiǎn)單，而且物理含義明確，并與實(shí)際情況吻合。

（3）冬小麥干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取時(shí)，選用Z指數(shù)與相對(duì)氣象產(chǎn)量的相關(guān)模式，該指標(biāo)針對(duì)灌溉較少的河南西部地區(qū)效果很好，而河南省東部的一些站點(diǎn)Z指數(shù)距平與相對(duì)氣象產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)了負(fù)值，那么該指數(shù)是否對(duì)灌溉較好的東部地區(qū)是否同樣適用呢？出現(xiàn)負(fù)值是否合理？因此在考慮灌溉的基礎(chǔ)上，一方面檢驗(yàn)Z指數(shù)的可用性，另一方面選擇一個(gè)考慮灌溉、適用于東部地區(qū)的指標(biāo)冬小麥水分盈虧率W和相對(duì)水分產(chǎn)量是負(fù)相關(guān)，當(dāng)冬小麥水分盈虧率為負(fù)，冬小麥產(chǎn)量反而越高。這可能是由于河南省東部的灌溉比較充分，水分過多反而不利于冬小麥生長(zhǎng)。這與本研究整體結(jié)論一致，表明Z指數(shù)可用于整個(gè)河南省，而用水分盈虧率作為灌溉地區(qū)的指標(biāo)適用性更強(qiáng)。

（4）本研究較為詳細(xì)地分析了河南省氣象干旱對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響，但仍存在一些問題，例如僅使用了河南省的15個(gè)點(diǎn)，樣本數(shù)量較少，且冬小麥產(chǎn)量資料的時(shí)段也不是很長(zhǎng)。因此，結(jié)果存在一定的誤差，還需要在今后的工作和實(shí)際服務(wù)當(dāng)中進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善。

參考文獻(xiàn)

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