內(nèi)蒙古玉米干旱風險區(qū)劃方法研究*

張 超，吳瑞芬

(內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，呼和浩特 010051)

1 引言

針對目前內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)業(yè)保險業(yè)的現(xiàn)實需求，特別是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)防災減災等的重大科技需求，急需開展農(nóng)業(yè)氣象災害影響評估技術服務，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)氣象災害風險的定量分析和動態(tài)評估。

我國學者以人工控制和大田試驗以及災害資料統(tǒng)計分析為基礎，建立了一些農(nóng)業(yè)氣象災害評價的數(shù)學模型［1-2］，對各地區(qū)不同的農(nóng)業(yè)氣象災害從不同的評價方法與技術上進行風險分析和研究［3-4］。近年來隨著3S技術的應用以及作物模型的日趨成熟，農(nóng)業(yè)氣象災害評估在時間和空間的精細化程度方面得到明顯提高［5］，建立了重慶［6-7］、冀魯豫［8-9］等地區(qū)的干旱、冰雹等災害的氣象災害風險評估、區(qū)劃模型。

內(nèi)蒙古干旱風險的評估與區(qū)劃研究尚未開展，鑒于風險評估指標在各地區(qū)有不同的適用性，不同的農(nóng)業(yè)氣象災害的對作物的影響程度也因承災體不同而各異，以及動態(tài)評估對為農(nóng)服務的重要性，該文在前人災害風險研究的基礎上，針對內(nèi)蒙古玉米的作物特性，借鑒目前比較成熟的風險評估與區(qū)劃方法，綜合考慮致災因子和承災體的地域特性，以干旱為例進行深入研究。研究結果不僅可以反映風險狀況，更可以為有關部門控制農(nóng)業(yè)氣象災害的發(fā)生、防御或減輕災害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害、制定救災措施、農(nóng)業(yè)災害保險政策、進行風險轉移提供科學依據(jù)，進而最大限度地減輕災害造成的不利影響。

2 研究方法

2.1 建立干旱風險評估指標體系

內(nèi)蒙古自東北向西南斜伸，呈狹長形，東西部氣候差異明顯。內(nèi)蒙古玉米種植品種繁多，西部和東部偏南農(nóng)區(qū)的晚熟品種于4月中下旬播種，5月中旬出苗，9月中旬成熟;東部偏北農(nóng)區(qū)的早熟品種于5月上中旬播種，5月下旬出苗，9月下旬成熟。鑒于5～9月是內(nèi)蒙古玉米主要生育期，該文的風險評估指標以1980～2008年的農(nóng)業(yè)氣象觀測資料中的發(fā)育普期作為代表時段，以旬、月作為氣象要素統(tǒng)計時段進行研究。

為了全面評估自然條件對玉米干旱風險產(chǎn)生的可能影響，建立了包括玉米氣候區(qū)劃、氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、氣候生產(chǎn)潛力和氣候適宜性等5個方面的評估指標體系。

2．1．1 玉米氣候區(qū)劃

作物氣候區(qū)劃不僅能較明顯地反映地區(qū)間氣候差異，還能較好地反映種植制度差異。區(qū)劃指標從與玉米種植相關的水分、熱量以及春季大風對農(nóng)牧業(yè)影響和下墊面狀況四個方面選擇。內(nèi)蒙古地區(qū)光照條件充足，各地區(qū)玉米生育期歷年平均日照百分率53%～76%，河套地區(qū)及東部偏南主要玉米種植區(qū)的日照百分率均達到65%以上，因此不考慮光照對玉米氣候區(qū)劃的影響。

水分指標包括年濕潤度、缺雨概率、降水時空分布等3個方面。年濕潤度是按照玉米生育期水分需求，將各地區(qū)年降水量劃分為3個級別［11］;缺雨概率是歷年旱、偏旱年總數(shù)占資料年代數(shù)的百分比，其中，干旱年份是依據(jù)各地區(qū)逐月、逐年降水距平百分率和所處的降水量區(qū)域定義的［12］;降水時空分布是玉米發(fā)育各階段降水量占需水量的比例結合該階段的水分敏感度的綜合分析指標［13］。熱量指標包括穩(wěn)定通過10℃積溫和無霜期日數(shù)等2個方面。春季大風日數(shù)是指3～5月平均風速為17．2～20．7m/s間的發(fā)生日數(shù)。內(nèi)蒙古玉米最早自4月中旬開始播種，最晚5月下旬達到出苗普期，由于播種前期大風不利于農(nóng)田保墑，并可能對埋藏較淺的種子造成風剝或刮失［14］，因此春季大風日數(shù)對玉米氣候區(qū)劃具有重要意義。下墊面指標是根據(jù)內(nèi)蒙古宜農(nóng)、宜林、宜牧土壤資源等級［15］評定得分的總指數(shù)。

2．1．2 氣象干旱

降水量距平百分率是常用的氣象干旱評估指標［16］。在歷年氣象干旱的研究中，可以采用一個地區(qū)歷年負的降水距平百分率的平均值作為指標;在當年氣象干旱評估中，可以根據(jù)玉米生育期的累積降水距平百分率進行分析?？紤]到前期降水的作用和內(nèi)蒙古玉米的生育期，該文以4～9月的累積降水量距平百分率作為氣象干旱指標。

2．1．3 農(nóng)業(yè)干旱

農(nóng)作物水分虧缺率是依據(jù)農(nóng)田水分平衡原理常用的農(nóng)業(yè)干旱指標。根據(jù)農(nóng)業(yè)干旱國家標準中的計算方法［17］，某段時間水分虧缺指數(shù) (CWDIi)為:

Pi為旬降水量 (mm)，Ii為旬灌溉量 (mm)，假設在非灌溉情況下的作物水分虧缺指數(shù)則Ii=0。ETm為作物旬潛在蒸散量 (mm)，ETM=kc*ET0，其中，ET0為旬作物參考蒸散量，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的改進Penman-Monteith公式計算［18］，kc為旬作物系數(shù)，內(nèi)蒙古地區(qū)玉米5～9月作物系數(shù)［19］分別為:0．16，0．62，1．51，1．39，1．21，全生育期作物系數(shù)為 0．86。某時段累積作物水分虧缺指數(shù) (CWDI)，由5～9月各生育階段的水分虧缺指數(shù) (CWDIi)及權重計算所得，5～9月的權重系數(shù)分別為0．1、0．15、0．2、0．25、0．3。2．1．4 氣候生產(chǎn)潛力

氣候生產(chǎn)潛力代表了充分和合理利用當?shù)氐墓?、熱、水氣候資源時單位面積土地上可能獲得的最高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。根據(jù)范·費爾圖依森估算作物最大生產(chǎn)潛力方法［20］，采用“逐步訂正法”計算玉米氣候生產(chǎn)潛力。首先計算光溫生產(chǎn)潛力ymp(kg/hm2)［21］。

當作物干物質(zhì)生產(chǎn)率 (ym)單位kg/(hm2·h)＞20 kg時:

當作物干物質(zhì)生產(chǎn)率 (ym)單位kg/(hm2·h)≤20kg時:

CL為葉面積指數(shù)對產(chǎn)量的校正值，假定葉面積指數(shù) (LAI)=5，，葉面積的校正值為0．6。CN為凈干物質(zhì)生產(chǎn)量的校正值，冷涼時 (平均溫度＜20℃)校正值為0．6，溫暖時 (平均溫度＞20℃)為0．5。CH為收獲指數(shù)，收獲部分與總干物質(zhì)的比率即為收獲指數(shù)［22］，玉米收獲指數(shù)取0．5。G為不同地區(qū)作物的總生育期天數(shù)。ym為一定氣候條件下最大干物質(zhì)生產(chǎn)率單位kg/(hm2·天)，不同作物種類及不同溫度條件下的最大干物質(zhì)生產(chǎn)量不同，玉米屬于第Ⅱ類喜溫作物，當生育期間平均溫度為15℃、20℃、25℃條件時，內(nèi)蒙古玉米最大干物質(zhì)生產(chǎn)率［23］分別為5、45、65。

y0為一定地區(qū)作物在全陰天情況下總干物質(zhì)生產(chǎn)率kg/(hm2·天)，yc為一定地區(qū)作物在全晴天情況下總干物質(zhì)生產(chǎn)率單位kg/(hm2·天)，根據(jù)范·費爾圖依森的研究，不同緯度各月的yc、y0值各不相同，內(nèi)蒙古大部分地區(qū)屬于40°范圍，玉米生育期5～9月yc、y0值如下所示。

表1 北緯40°不同月份總干物質(zhì)生產(chǎn)率

由于降水季節(jié)分配及水量的不足，妨礙著農(nóng)田“光溫潛勢”的開發(fā)，因此估算農(nóng)田的水分生產(chǎn)潛力［24］。作物實際耗水量ETa指在水分供應特定數(shù)量的情況下作物實際得到的水量 (mm)。Sa指在作物實際消耗一部分水量后，土壤貯存的有效量 (mm)。播前土壤有效水分儲存量Sa=播前N旬降水量總和-K×播前N旬可能蒸騰蒸發(fā)量的總和，其中N=3，K=0．1。當 Sa＜0時，記為零。當本旬降水量 (P)+上一旬有效儲存量 (Sa)≥ETm時，則ETa=ETm，本旬末的土壤有效水分儲存量Sa=P+上一旬Sa-ETm。當本旬降水量 (P)+上一旬有效儲存量 (Sa)＜ETm時，則ETa=P+上旬Sa，本旬末土壤有效水分儲存量 (Sa)=0。

以生育期間各旬實際耗水量總和ΣETa與作物需水量總和ΣETm的比值作為各生育階段的需水滿足率(V)。玉米不同生育階段產(chǎn)量降低率u計算方法如下。內(nèi)蒙古玉米不同生長階段的產(chǎn)量反應系數(shù) (Ky)不同，其中，5～6月產(chǎn)量反應系數(shù)為1．5，7～8月為0．5，9月為0．2。

計算各生育階段產(chǎn)量指數(shù) (Iy)。Iy1、Iy2、Iy3分別是營養(yǎng)生長階段、生殖生長階段和灌漿成熟階段的產(chǎn)量指數(shù)。u1、u2、u3分別是3個生育階段的產(chǎn)量降低率。

由此計算在無灌溉的自然降水條件下作物實際產(chǎn)量Y，即水分生產(chǎn)潛力，Y=ymp×Iy3，ymp為農(nóng)田作物光溫生產(chǎn)潛力。

2．1．4 氣候適宜性

氣候適宜性是根據(jù)玉米不同生長發(fā)育階段所要求的溫度與水分條件建立隸屬函數(shù)，反映一個地區(qū)的光熱條件對不同階段玉米的適宜性。本文從溫度適宜性和降水適宜性兩方面指標進行評估。

溫度隸屬函數(shù)是根據(jù)玉米不同發(fā)育期的極值溫度與適宜溫度建立的方程，當平均氣溫小于最低氣溫或者大于最高氣溫時，溫度隸屬度為0，當生育期平均氣溫等于適宜溫度時，溫度的隸屬度為1。以t為玉米各生育期平均氣溫，tl為最低溫度，th為最高溫度，t0為適宜溫度，玉米生育期不同月份溫度標準如表所示，溫度隸屬函數(shù)計算公式如下所示［25］。由于最適溫度時溫度隸屬度為1，因此以溫度隸屬函數(shù)與1差值的絕對值作為溫度適宜性指標。

降水量的隸屬函數(shù)是分段函數(shù)。降水隸屬度在0到1之間，當降水量在最低降水量與最高降水量之間時，降水隸屬度為1。以r為玉米各生育期平均降水量，r0為需水量，rl=0．6*r0為最低降水量，rh=1．5*r0為最高降水量，降水隸屬函數(shù)［26］計算公式為:

表2 不同月份溫度標準 (℃)

當降水量與在最高降水量與最低降水量之間時的降水隸屬度為1，最適宜作物生長發(fā)育要求，因此以降水隸屬函數(shù)與1差值的絕對值作為降水適宜性指標。

2.2 評估指標空間化與分級

根據(jù)氣象站點各要素觀測數(shù)據(jù)和評估指標計算方法，可以得到點狀分布的研究區(qū)域評估結果，結合各站點的經(jīng)度、緯度、海拔高度，建立計算各評估指標空間分布的逐步回歸模型，采用地理信息系統(tǒng)空間分析功能，進行多元回歸插值，實現(xiàn)各評估指標的空間化分布計算。

為了正確評估各指標的作用并消除量綱的影響，本文將各評估指標劃分為3級，等級一表示對玉米生長發(fā)育有利，等級三表示會導致玉米干旱風險。分級標準不僅要反映出內(nèi)蒙古地區(qū)要素空間分布特征，又要體現(xiàn)出不同年份要素間的差異。內(nèi)蒙古玉米干旱風險各評估指標分級標準如表3所示。

表3 玉米干旱風險評估指標分級標準

2.3 玉米干旱風險區(qū)劃

將上述評估指標劃分為背景條件和動態(tài)指標兩大類。在單獨年份的干旱風險評估中，玉米氣候區(qū)劃可以作為重要的背景條件，反映該地區(qū)的氣候差異的、土壤、地形、地貌等自然條件。動態(tài)評估指標是指評估指標的計算方法和分級標準固定，但要素統(tǒng)計時段隨研究需要而變化。

玉米干旱風險區(qū)劃是在干旱風險評估的基礎上，綜合各致災因子的風險程度。該文采用地理信息系統(tǒng)空間統(tǒng)計功能，將分級后的各干旱風險評估指標進行加權求和計算，疊置分析的條件是各因子間的相互聯(lián)系及權重的大小。按照玉米種植的干旱風險程度大小將研究區(qū)域劃分為高、中、低風險區(qū)，可以有效地體現(xiàn)內(nèi)蒙古干旱風險時空分布特征，評估得分大于2．12為低風險，低于1．45為高風險區(qū)。

3 結果與討論

按照內(nèi)蒙古玉米干旱風險評估指標體系，對2011～2013年逐年的玉米干旱風險進行評估。首先，以1960～2010年內(nèi)蒙古105個站點的觀測數(shù)據(jù)和1:100萬土壤數(shù)據(jù)為基礎，建立內(nèi)蒙古玉米氣候區(qū)劃，作為評估中不變的背景條件指標，如圖所示。

圖1 內(nèi)蒙古玉米氣候區(qū)劃

其次，根據(jù)2011～2013年內(nèi)蒙古119個站點觀測數(shù)據(jù)，建立逐年玉米干旱風險評估的動態(tài)指標體系，進行各評估指標的計算、空間化與分級。從圖2～7可以看出，2012年和2013年內(nèi)蒙古大部地區(qū)氣象干旱等級較低 (圖2)，然而在玉米發(fā)育需水量較大的階段，自然供水量略不足，造成內(nèi)蒙古中西部農(nóng)業(yè)干旱等級較高 (圖3)。2011年內(nèi)蒙古中東部光溫生產(chǎn)潛力略低 (圖4)，水分生產(chǎn)潛力不足 (圖5)，2012年和2013年大部分地區(qū)光溫水條件較好，生產(chǎn)潛力等級較高。2011和2013年內(nèi)蒙古東部偏北地區(qū)溫度適宜度較低 (圖6)，且西部農(nóng)區(qū)降水適宜度不高 (圖7)。

圖2 2011～2013年內(nèi)蒙古玉米氣象干旱指標等級分布

綜合上述評估指標進行2011～2013年玉米干旱風險區(qū)劃 (圖8)。2011年玉米干旱風險較高的區(qū)域位于河套偏西地區(qū);干旱低風險區(qū)主要分布于大興安嶺東麓溫涼半濕潤農(nóng)區(qū);中西部的大部農(nóng)區(qū)處于中風險區(qū)。2012年沒有干旱高風險區(qū)出現(xiàn)，河套西部和內(nèi)蒙古中部偏北農(nóng)區(qū)為中風險區(qū)，全區(qū)大部農(nóng)區(qū)為玉米干旱低風險區(qū)。2013年全區(qū)大部地區(qū)降水、光熱條件充足，零星區(qū)域出現(xiàn)干旱高風險，干旱低風險主要位于西部和中部偏北農(nóng)區(qū)，其余大部農(nóng)區(qū)為干旱低風險區(qū)。

圖4 2011～2013年內(nèi)蒙古玉米光溫生產(chǎn)潛力指標等級分布

圖5 2011～2013年內(nèi)蒙古玉米水分生產(chǎn)潛力指標等級分布

圖6 2011～2013年內(nèi)蒙古玉米溫度適宜度指標等級分布

圖7 2011～2013年內(nèi)蒙古玉米降水適宜度指標等級分布

圖8 2011～2013年內(nèi)蒙古玉米干旱風險區(qū)劃

2011年春播期間，內(nèi)蒙古大部地區(qū)氣溫總體偏高且土壤墑情較好，為大田作物播種和出苗創(chuàng)造了有利條件。幼苗生長階段，東部部分地區(qū)前期出現(xiàn)階段性低溫，作物出苗、生長遲緩，但后期水熱條件較好，作物長勢喜人，糧食總產(chǎn)量好于常年;而中西部入春以來降水持續(xù)偏少，溫度偏高，墑情較差，作物出苗率低，長勢差，糧食總產(chǎn)量接近常年?？梢姡?011年區(qū)劃結果較好地體現(xiàn)了東部玉米主產(chǎn)區(qū)的水熱條件適宜對玉米產(chǎn)量的重要作用，也體現(xiàn)了西部地區(qū)由于水分限制造成的玉米干旱高風險等級。

2012年興安盟因干旱播種推遲，農(nóng)作物發(fā)育期普遍較歷年推遲5天左右，其余大部地區(qū)農(nóng)作物適時播種;作物生長發(fā)育階段大部地區(qū)降水豐沛，溫度適宜，作物發(fā)育進程正常，農(nóng)作物長勢是1998年以來最好的一年。2013年春播前期東部偏濕，整地備播遲緩;后期散墑快，播種進度接近常年，玉米生長季內(nèi)，主要農(nóng)區(qū)水熱匹配較好，光照夠用，關鍵生長階段墑情適宜，農(nóng)業(yè)氣象條件明顯好于常年。與風險區(qū)劃結果一致，近兩年內(nèi)蒙古大部地區(qū)干旱風險較低，玉米產(chǎn)量連年豐收。

4 結論

以年降水量、穩(wěn)定通過10℃積溫、無霜期日數(shù)、春季大風日數(shù)和反映下墊面差異的土壤質(zhì)地為內(nèi)蒙古玉米氣候區(qū)劃指標，可以有效地反映反映氣候差異和土壤、地形、地貌等自然條件，在玉米干旱風險評估研究中具有明確的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)意義。

該文主要以動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)建立的干旱風險評估指標體系，不僅綜合了目前國內(nèi)較為常用的研究方法與成果，并且根據(jù)內(nèi)蒙古地理特點和玉米特性確定風險等級標準，在內(nèi)蒙古地區(qū)的評估區(qū)劃工作中有較好的應用效果。目前該評估方法已在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務中開展，顯著提高了內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)氣象災害影響評估的技術水平，實現(xiàn)了對內(nèi)蒙古主要農(nóng)業(yè)氣象災害風險的定量分析和動態(tài)評估。但是，該文的研究指標未考慮灌溉對干旱風險區(qū)劃結果的影響，在后續(xù)研究中可以結合各地區(qū)的灌溉條件進行風險區(qū)劃的訂正，使區(qū)劃結果更加符合內(nèi)蒙古玉米生產(chǎn)實際。

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