張淑華，李炳軍，朱曉宵

(河南農(nóng)業(yè)大學 信息與管理科學學院,河南 鄭州 450002)

1 引言

在干旱、洪澇、霜凍、臺風、地震、泥石流等自然災害中，干旱災害為全球最常見的自然災害。而在全球氣候變暖不斷加劇的背景下，我國發(fā)生干旱的范圍及強度均有顯著增強的趨勢，成為制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全的關鍵因素。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得知，全球干旱面積約為4 800萬km2,每年因干旱造成的損失近70億美元[1]。我國也是受旱災影響較大的國家之一，平均每年因干旱受災面積達21.8萬km2，其中成災面積為12.5萬km2·a-1[2]，近10 a來，每年我國因干旱造成直接經(jīng)濟損失達640.7億元，在因自然災害造成的損失中占據(jù)第二[3]。自公元前206年到1949年的2 155 a間中，我國發(fā)生過程度嚴重的旱災約1 056次，平均每兩年就發(fā)生一次大旱。新中國成立后，政府十分重視抗旱工作，修建了大量的蓄水、灌溉工程，干旱災害得到了一定的抑制，但由于經(jīng)濟發(fā)展迅速、人口增長過快、生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞等原因，致使干旱仍不時發(fā)生，并有進一步加重的趨勢。同時，農(nóng)業(yè)干旱阻礙著農(nóng)作物的生長發(fā)育，而糧食產(chǎn)量的多少及品質(zhì)的好壞直接影響著國民經(jīng)濟、社會和諧、國家安定，因此，認識和掌握干旱災害規(guī)律，預測干旱災害趨勢，對防災抗災能力的提高，糧食產(chǎn)量的提高，以及保障我國糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義[4]。

干旱災害具有持續(xù)時間長、影響范圍廣、發(fā)生頻率高的特點。黃淮海流域干旱區(qū)是我國發(fā)生干旱面積最大、頻次最高的地區(qū)，在3-10月的農(nóng)作物生長期內(nèi)都有可能發(fā)生旱災，其中春旱頻次最高，有“十年九春旱”之說。夏旱的頻次要低于春旱，但多與春旱或秋旱相連，如1942年、1957年、1974年等的大面積干旱災害，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響也比較大。中國是農(nóng)業(yè)大國，干旱災害已經(jīng)成為影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、糧食安全、社會穩(wěn)定的重要因素。鑒于此，眾多學者從不同角度進行研究：張琪等[5]利用多尺度SPI指數(shù)、判別式分析法等方法建立朝陽市玉米不同生長階段的干旱災害風險預測模型，提高了風險預測的準確性，以滿足干旱為主導災害的地區(qū)的業(yè)務服務需要。萬能涵等[6]通過從土壤、作物、大氣連續(xù)體的角度計算作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)，分析華北地區(qū)夏玉米在不同生長階段的干旱空間分布特征及其時間變化趨勢。李祎君等[7]引入安全種植指數(shù)、農(nóng)業(yè)水資源承載力飽和度等概念，分析干旱對南方農(nóng)業(yè)及其種植結構的影響。番聰聰?shù)萚8]通過Arc GIS得到河北省19個氣象站的干旱空間分布，計算SPI(標準化降水指數(shù))，并對SPI進行Mann-Kendall趨勢檢驗，運用統(tǒng)計學思想探究其與玉米生長之間的關系，研究河北省夏玉米生長期的干旱特征。曲思邈等[9]將玉米生育期水分盈虧百分率作為玉米干旱指數(shù)，運用Weibull分布模型的參數(shù)化產(chǎn)量風險分析方法計算保險費率，并分析其空間分布，建立了以干旱天氣指數(shù)為賠付標準的吉林省玉米種植保險模式。魏光輝等[10]建立灰色GM(1,1)災變預測模型，對溫州市干旱災害進行預測分析。高志勇等[11]通過改善玉米的抗旱性遺傳基因來緩解干旱災害對玉米產(chǎn)量造成的影響。此外，有研究表明，干旱災害發(fā)生的強度和頻率有上升趨勢[12～14]。從全球尺度來說，對干旱事件的長期變化趨勢進行判別還比較困難[15～17]。

干旱災害具有區(qū)域性，河南省作為糧食生產(chǎn)大省，玉米作為河南省主要糧食作物，其生產(chǎn)直接影響著食品、飼料、釀造、工業(yè)、醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)展。河南省干旱災害發(fā)生頻繁，影響范圍廣，眾多學者從不同角度采用不同方法[18～21]，探究干旱災害及其對河南省糧食生產(chǎn)的影響。但對干旱災害進行預測的研究相對較少，或僅對某一地區(qū)干旱災害進行預測，對整個區(qū)域進行系統(tǒng)研究較少，這為筆者留下了進一步的研究空間?？紤]到數(shù)據(jù)收集的局限性，研究對河南省五個區(qū)域，有代表性的5個地市的干旱災害發(fā)生情況進行定性及定量分析，并對一般干旱發(fā)生情況進行預測，基于預測結果為保障河南省玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提出相應的對策建議。

2 理論與方法

灰色預測模型具有所運算簡便，進行短期預測時模型精度較高的特點，因而筆者選用相對應的灰色災變預測模型進行研究。研究首先運用降水距平百分率對數(shù)據(jù)進行處理，然后運用弱化緩沖算子消除數(shù)據(jù)的隨機擾動性，最后采用灰色災變預測模型對河南省玉米干旱災害進行預測。

2.1 數(shù)據(jù)處理

2.1.1 降水距平百分率 降水距平百分率可體現(xiàn)出某一時段的降水量與同期平均狀態(tài)的偏離程度。在氣象相關的研究中應用廣泛，可以直接反映出降水異常而導致的干旱。其計算公式為：

(1)

(2)

2.1.2 弱化緩沖算子 定理1 設原始數(shù)據(jù)序列X=(x(1),x(2),…,x(n)),令XD=(x(1)d,x(2)d,…,x(n)d)

其中

+x(n)],k=1,2,…,n

(3)

可知當X為單調(diào)增長、單調(diào)衰減或振蕩序列時，D均為弱化算子，并稱D為平均弱化緩沖算子[23]。

緩沖算子具有排除擾動項的作用，可以弱化數(shù)據(jù)的隨機性，將數(shù)據(jù)還原至本質(zhì)狀態(tài)，使其呈現(xiàn)出應有的規(guī)律性，便于人們正確把握事物的本質(zhì)規(guī)律，從而能夠進行合理的預測，并提高模型的預測精度。

2.2 灰色災變預測

灰色災變預測最終結果的體現(xiàn)形式是給出下一個或幾個異常值出現(xiàn)的時刻，給人們提前準備的時間，采取相應地對策。灰色災變預測主要是通過對災變?nèi)掌谛蛄羞M行研究，探究其規(guī)律性，據(jù)此預測后期若干次災變發(fā)生的日期，并通過對災變?nèi)掌谛蛄薪M(1,1)模型來實現(xiàn)預測。灰色災變預測的建模機理如下：

對原始序列X=(x(1),x(2),…,x(n))，給定上限異常值(災變值)ζ，則稱X的子序列即上災變序列為：

Xζ=(x[q(1)],x[q(2)],…,x[q(m)])=

{x[q(i)]|x[q(i)]≥ζ,i=1,2,…,m}

同理，給定下限異常值(災變值)ζ，可以得到下災變序列為：

Xζ=(x[q(1)],x[q(2)],…,x[q(l)])=

{x[q(i)]|x[q(i)]≤ζ,i=1,2,…,l}

其中Q(0)=(q(1),q(2),…,q(m))，為災變?nèi)掌谛蛄小?/p>

災變?nèi)掌谛蛄械?-AGO序列為：

Q(1)=(q(1)(1),q(2)(1),…,q(m)(1)

(4)

Q(1)的緊鄰均值生成序列為Z(1)，q(k)+az(1)(k)=b為災變GM(1,1)。

(5)

3 數(shù)據(jù)收集與處理

3.1 數(shù)據(jù)來源

筆者研究選取1990-2019年河南省部分地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，主要選取相關降水數(shù)據(jù)進行分析，所選數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[25]。河南省豫東地區(qū)包括：開封、商丘、周口；豫西地區(qū)包括：濟源、三門峽、洛陽；豫中地區(qū)包括：鄭州、許昌、平頂山、漯河；豫南地區(qū)包括：南陽、駐馬店、信陽；豫北地區(qū)包括：安陽、濮陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作?？紤]到各地市的地理位置及數(shù)據(jù)的可獲得性、代表性、科學性、可操作性原則，研究選取的主要地市為豫東地區(qū)位置最靠東的商丘(氣象站站臺號：58005)；豫西地區(qū)位置最靠西的三門峽(氣象站站臺號：57051)；豫中地區(qū)位于河南省最中間的許昌(氣象站站臺號：57089)；豫南地區(qū)位置最靠南的信陽(氣象站站臺號：57297)；豫北地區(qū)位置最靠北的安陽(氣象站站臺號：53898)。

一般將350 mm以下降水量定義為干旱，而當作物在不同生育期階段發(fā)生干旱時，對作物的影響也會不同。當玉米在播種期間發(fā)生干旱時，會導致玉米無法出苗；當玉米在撥節(jié)前后出現(xiàn)干旱等雨水不足問題時，會直接導致玉米品質(zhì)下降；玉米在灌漿期出現(xiàn)干旱，則會直接使其出現(xiàn)籽粒不飽滿，或是缺失的現(xiàn)象，從而導致玉米產(chǎn)量的下降[26]。筆者研究主要對一般干旱及重旱(大旱)進行研究。通過查詢相關資料、文獻，結合中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)對干旱災害標準的劃分，確定本研究的干旱災害劃分標準：

表1 干旱標準(月降水量距平百分率)

3.2 降水距平率計算

通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得河南省商丘、三門峽、許昌、信陽、安陽五個地區(qū)的降水數(shù)據(jù)，以降水數(shù)據(jù)為基礎，計算得到各地區(qū)的降水距平百分率，見表2、續(xù)表2。

表2 河南省5個代表市降水距平百分率

續(xù)表2 河南省5個代表市降水距平百分率

4 結果分析

4.1 一般干旱

以一般干旱災害劃分標準為基礎，通過計算求得河南省5個代表市一般干旱發(fā)生情況(見表3)，其中0代表該年份玉米生育期未發(fā)生一般干旱，1代表該年份玉米生育期發(fā)生一般干旱。

表3 河南省5個代表市一般干旱

以豫東地區(qū)商丘市一般干旱數(shù)據(jù)為例進行分析。由表3可以得到原始數(shù)據(jù)序列：

X=(x(1),x(2),x(3),x(4),x(5),x(6),x(7),x(8),x(9),x(10),x(11),x(12),x(13),x(14),x(15),x(16),x(17),x(18),x(19),x(20),x(21),x(22),x(23),x(24),x(25),x(26),x(27),x(28),x(29),x(30))

=(1990,1991,1992,1993,1994,1995,1996,1997,1998,1999,2000,2001,2002,2003,2004,2005,2006,,2007,2008,2009,2010,2011,2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019)

將ζ=1作為一般干旱災害的異常值，由此得到災變序列為：

Xζ=(x(1),x(5),x(7),x(8),x(9),x(11),x(12),x(13),x(18),x(24),x(29),x(30))

=(1990,1994,1996,1997,1998,2000,2001,2002,2007,2013,2018,2019)

由此可得其對應的災變序列為：

Q(0)=(q(1),q(2),q(3),q(4),q(5),q(6),q(7),q(8),q(9),q(10),q(11),q(12))

=(1,5,7,8,9,11,12,13,18,24,29,30)

由于直接對該災變序列進行預測誤差較大，因而，本研究采用平均弱化緩沖算子對災變序列進行處理，該災變序列的一階弱化緩沖算子為：

Q(0)D=(q(1)d,q(2)d,q(3)d,q(4)d,q(5)d,q(6)d,q(7)d,q(8)d,q(9)d,q(10)d,q(11)d,q(12)d)

=(13.92,15.09,16.10,17.11,18.25,19.57,21.00,22.80,25.25,27.67,29.50,30.00)

進而對Q(0)D進行灰色GM(1,1)預測，預測結果為：

預測誤差為1.82%，預測結果可靠性較高。即豫東地區(qū)商丘市從最近一次一般干旱年份算起，4 a之后(2023年)可能會再次發(fā)生一般干旱。

同理可得，河南省其余四個區(qū)域的干旱災害發(fā)生情況(見表4)。

表4 河南省四個區(qū)域干旱災害發(fā)生情況預測

豫西地區(qū)三門峽市從2018年(最近一次一般干旱年份)算起，5 a之后(2024年)可能會再次發(fā)生一般干旱；豫中地區(qū)許昌市從2018年(最近一次一般干旱年份)算起，2 a之后(2020年)可能會再次發(fā)生一般干旱；豫南地區(qū)信陽市2019年算起，4 a之后(2023年)可能會再次發(fā)生一般干旱；豫北地區(qū)安陽市從最近一次一般干旱年份算起，4 a之后(2020年)可能會再次發(fā)生一般干旱，這些地區(qū)可在一般干旱發(fā)生前做好預防措施及防護措施。(后根據(jù)筆者方法對2020年河南省四個區(qū)域降水量數(shù)據(jù)進行分析,結果與筆者預測結果基本吻合)。

4.2 重旱

以重旱災害標準為基礎，通過計算求得河南省5個代表市重干旱發(fā)生情況(見表5)，其中0代表該年份玉米生育期未發(fā)生重旱，1代表該年份玉米生育期發(fā)生重旱。

表5 河南省5個代表市重旱

觀察表5可以發(fā)現(xiàn)：豫東地區(qū)商丘市近30 a來在1997年、2002年發(fā)生過重旱；豫西地區(qū)三門峽市近30 a來僅在1994年發(fā)生過重旱；豫中地區(qū)許昌市近30 a來未發(fā)生過重旱；豫南地區(qū)信陽市近30 a來在2001年、2019年發(fā)生過重旱；豫北地區(qū)安陽市近30 a來在1994年、1997年發(fā)生過重旱。河南省五個區(qū)域重旱發(fā)生頻率較小，最近10 a僅信陽市發(fā)生過重旱，信陽市須注意做好旱災預防工作。

5 結論與建議

5.1 結論

通過觀察分析河南省五個區(qū)域一般干旱及重旱發(fā)生情況可知，近31 a來，河南省五個區(qū)域中，豫中地區(qū)的許昌一般干旱發(fā)生頻次最高，但從未發(fā)生過重旱；豫東地區(qū)的商丘一般干旱發(fā)生頻次較高，重旱發(fā)生頻次相對最高；豫北地區(qū)的安陽一般干旱發(fā)生頻次僅次與豫東地區(qū)的商丘，重旱發(fā)生頻次最高；豫南地區(qū)的信陽一般干旱發(fā)生頻次僅次于豫北地區(qū)的安陽，重旱發(fā)生頻次最高；豫西地區(qū)的三門峽一般干旱發(fā)生頻次最低，重旱發(fā)生頻次次于豫東地區(qū)的商丘、豫南地區(qū)的信陽、豫北地區(qū)的安陽。

豫西地區(qū)的三門峽從最近一次一般干旱發(fā)生年份算起，5 a之后可能會再發(fā)生一般干旱；而豫東地區(qū)的商丘、豫南地區(qū)的信陽、豫北地區(qū)的安陽則從最近一次一般干旱發(fā)生年份算起，4 a之后可能會再發(fā)生一般干旱；而豫中地區(qū)的許昌則從最近一次干旱發(fā)生年份算起，2 a之后可能會再發(fā)生一般干旱。此外，最近10 a除信陽發(fā)生過重旱，其余地區(qū)均未發(fā)生過重旱。

5.2 建議

科學合理的防治干旱災害首先要對干旱災害進行準確的評估、預測，進而依據(jù)預測結果提前做好預防措施，預防干旱災害可從以下幾方面著手：

(1)干旱災害風險意識培訓。干旱災害作為一種自然災害，其發(fā)生具有不可控性，但可提前對相關人員做好干旱風險防治的培訓工作，以減輕其發(fā)生時所造成的損失。通過培訓使人們認識到干旱災害實際發(fā)生的過程及不同程度的干旱所帶來的危害，以及對于不同程度的干旱災害應當采取何種的預防措施，進而使人們能夠科學合理的防治干旱災害的發(fā)生。

(2)資源合理配置。河南省不同地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平不同，農(nóng)業(yè)資源的分配也存在很大的差異。通過對各區(qū)域干旱發(fā)生情況進行綜合評估，了解各區(qū)域相關農(nóng)業(yè)資源的需求情況，使農(nóng)業(yè)資源的調(diào)配更加合理，同時保證各地區(qū)農(nóng)業(yè)資源充足，具備抵御干旱災害的能力。此外，對于發(fā)展水平較低的城鎮(zhèn)，政府可給予政策補貼，以保證抗旱農(nóng)業(yè)資源的需求得到滿足。

(3)加強抗旱玉米品種的培育?！安丶Z于技”戰(zhàn)略的提出，對糧食安全生產(chǎn)提供了更加穩(wěn)定的保障。要想保障河南省玉米生產(chǎn)免受干旱災害的影響，可從源頭上抓起，通過培育耐旱抗旱的玉米品種，可在一定程度上減輕旱災對玉米生產(chǎn)的影響，同時也為保障玉米的質(zhì)量和產(chǎn)量打下基礎。

(4)科學的種植方式。玉米在不同生育時期對水分的需求不同，玉米一生需水動態(tài)基本上遵循“前期少，中期多，后期偏多”的變化規(guī)律。玉米苗期抗旱能力較強，同時苗期植株較小，水分消耗較低，對水分的需求較少，僅占一生的8%～19%，適當?shù)母珊涤欣诋a(chǎn)量的增加，在保證出苗的前提的一般不需要澆水；拔節(jié)后，玉米植株開始長大，對水分的需求逐漸增多；穗期對水分的需求較多，占一生的37%～38%；到吐絲期，對水分的需求最大，對缺水最敏感；吐絲至籽粒形成期，對缺水的敏感程度僅次于吐絲期，占一生需水的43%～44%；抽雄前10 d至抽雄后20 d是玉米需水臨界期，如果干旱發(fā)生時間靠近抽雄期則減產(chǎn)較明顯；抽雄至灌漿期時需水量最大是玉米生長期需水量的高峰，此時缺水將造成大范圍的減產(chǎn)；從乳熟期至成熟，對水分的需求降低，但此時仍然需要大量的水分。缺水可造成穗粒重降低而減產(chǎn)，因此，后期應保持土壤中較高水分含量[27]。依據(jù)玉米生長不同時期對水分的需求，合理種植，保證玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。

(5)預警方法的合理運用。在對干旱災害進行預警時，應充分考慮各預警方法的科學性及對所研究數(shù)據(jù)的適用性，科學合理的選用預警方法，以保證預警結果的準確性，從而更好地指導人們進行科學合理的種植。