基于ORYZA2000模型的華北地區(qū)旱稻干旱風(fēng)險(xiǎn)評估

薛昌穎，胡程達(dá)

(1.中國氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450003；2.河南省氣象科學(xué)研究所， 河南 鄭州 450003)

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基于ORYZA2000模型的華北地區(qū)旱稻干旱風(fēng)險(xiǎn)評估

薛昌穎1,2，胡程達(dá)2

(1.中國氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450003；2.河南省氣象科學(xué)研究所， 河南 鄭州 450003)

摘要：針對華北地區(qū)旱稻產(chǎn)量年際不穩(wěn)定的問題，利用作物生長模擬技術(shù)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，對華北地區(qū)氣候背景下旱稻生長季內(nèi)干旱風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量評估。以模型模擬的雨養(yǎng)條件下實(shí)際蒸散量相對于潛在條件下的蒸散量(即需水量)的虧缺率(即水分虧缺指數(shù))，以雨養(yǎng)條件下產(chǎn)量相對于潛在產(chǎn)量的損失率(即災(zāi)損指數(shù))作為產(chǎn)量災(zāi)損強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo)，從受旱程度以及產(chǎn)量損失兩個(gè)角度構(gòu)建干旱風(fēng)險(xiǎn)評估模型，進(jìn)行干旱風(fēng)險(xiǎn)評估。結(jié)果表明，華北地區(qū)旱稻全生育期水分虧缺指數(shù)在0.35～0.45之間，其中出苗～穗分化階段指數(shù)值在各生育階段中最高。干旱災(zāi)損指數(shù)變化在0.24～0.50之間，其中河北的西北部、山東北部及河南的南部較高。就干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)及災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)而言，空間分布趨勢基本一致，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)低的地區(qū)主要分布在河北北部、山東南部等地區(qū)，河北中南部、河南大部等地風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較高；就綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)而言，高值區(qū)主要分布在河南的西部和南部、山東北部以及河北中部的部分地區(qū)，低值區(qū)主要分布在北京、天津、河北北部、山東大部以及河南北部的大部分地區(qū)?？傮w上看，華北大部地區(qū)旱稻干旱綜合風(fēng)險(xiǎn)較低，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中仍不能忽視高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的干旱應(yīng)對及防御。

關(guān)鍵詞：旱稻；ORYZA2000模型；干旱強(qiáng)度；產(chǎn)量災(zāi)損；風(fēng)險(xiǎn)評估；華北地區(qū)

旱稻是從水稻品種通過人工選育而產(chǎn)生的變異型，可以像小麥、玉米一樣在旱地直接播種，一生勿需淹水層，在干旱達(dá)到一定程度時(shí)輔以適量的灌水即可滿足其生理需求；同時(shí)旱稻又具有“水陸兩棲”的特點(diǎn)，在淹水條件下同樣能正常生長并獲得更好的產(chǎn)量水平。旱稻適宜在缺水的低洼地區(qū)或者有一定灌溉條件的地區(qū)種植[1]。與水稻種植方式相比，由于旱稻無需播前的水田整地過程，生育期內(nèi)無需水層，從而減少了由于側(cè)滲、深層滲漏以及無效水面蒸發(fā)造成的水分損失，因此具有巨大的節(jié)水潛力[2]。在水資源日益短缺的嚴(yán)峻形式下，為了發(fā)揮水資源特別是灌溉水資源的最大效益，國內(nèi)外相繼開展了旱稻研究，國際水稻研究所(International Rice Research Institute, IRRI)已將旱稻相關(guān)研究列入本世紀(jì)初的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。在國內(nèi)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、云南省農(nóng)科院、遼寧省農(nóng)科院及丹東農(nóng)業(yè)科學(xué)院等多家院校和科研院所長期致力于旱稻育種及栽培研究，培育出了一系列旱稻新品種。2001年我國首次召開了全國性旱稻生產(chǎn)的研討會(huì)，2007年10月中國農(nóng)業(yè)大學(xué)與國際水稻研究所(IRRI)聯(lián)合召開了“北京國際旱稻研討會(huì)”，來自亞、歐、美洲等國家的科研機(jī)構(gòu)或者大學(xué)的相關(guān)專家和國內(nèi)從事旱稻研究的科研人員參加了此次會(huì)議，對國際旱稻的合作研究進(jìn)行了充分的學(xué)術(shù)交流，展望了國際旱稻發(fā)展的趨勢與前景。兩次會(huì)議的召開對我國旱稻生產(chǎn)的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。

華北地區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，由于灌溉水資源的限制，水稻種植面積已大幅度縮減，而旱稻因其巨大的節(jié)水潛力和易于管理等特點(diǎn)在該地區(qū)獲得了較快的發(fā)展；此外，旱稻可以在冬小麥?zhǔn)斋@后作為麥茬稻播種，實(shí)現(xiàn)稻-麥輪作[3]。因此，旱稻在華北地區(qū)具有較大的發(fā)展?jié)摿?，僅河南省正陽縣旱稻種植面積就由2007年的1 333 hm2迅速擴(kuò)大到2009年的13 400 hm2以上[4]。至2002年，我國旱稻種植面積達(dá)19萬hm2，其中約8萬hm2主要分布在華北及黃淮海地區(qū)，占旱稻種植總面積的42.1%[1]。2001年，國際水稻研究所與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)合作，在田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展了旱稻在華北地區(qū)種植推廣的適宜性、產(chǎn)量潛力及灌溉水分管理等方面的研究[2，5]。研究表明，旱稻在該地區(qū)具有較高的產(chǎn)量潛力，但由于該地區(qū)降水年際波動(dòng)大，而且降水在時(shí)空分布上具有較大的不均勻性，旱稻產(chǎn)量也不穩(wěn)定，旱稻生長季內(nèi)的階段性干旱是影響旱稻產(chǎn)量穩(wěn)定的主要因素之[5]。而針對區(qū)域范圍內(nèi)氣候條件特別是降水資源對旱稻生產(chǎn)的影響，以及不同地區(qū)種植旱稻的干旱氣候風(fēng)險(xiǎn)尚未開展相關(guān)的研究，旱稻在華北地區(qū)推廣的氣候適宜性方面尚缺乏科學(xué)理論的指導(dǎo)。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估理論[6]，利用長期歷史氣象資料，以作物模型和地理信息系統(tǒng)技術(shù)為工具，系統(tǒng)分析華北地區(qū)旱稻不同生育階段干旱造成的產(chǎn)量災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)水平。研究結(jié)果對有效利用氣候資源、水資源，健康發(fā)展旱稻生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)，具有良好的應(yīng)用前景。

1資料與方法

1.1資料

(1) 氣象數(shù)據(jù)

本文用到的氣象數(shù)據(jù)為華北地區(qū)主要?dú)庀笥^測站點(diǎn)1971—2010年逐日氣象資料，主要包括降水量、最高溫度、最低溫度、平均溫度、輻射量或日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、平均水汽壓，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。通過對各站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料完整性的篩選，最終選擇51個(gè)站點(diǎn)作為本研究模型輸入的氣象數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布情況如圖1。

(2) 土壤參數(shù)

ORYZA2000模型模擬土壤水分變化需要一定的土壤水文參數(shù)，主要包括飽和含水量、飽和導(dǎo)水率以及van Genuchten模型參數(shù)α、l和n。由于這些參數(shù)通常很難直接獲得，本項(xiàng)目主要通過利用可獲得的土壤粒級(砂粒、粉粒、粘粒)含量、容重、有機(jī)質(zhì)、田間持水量、萎蔫系數(shù)等參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]提供的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以獲得模型運(yùn)行所需的參數(shù)數(shù)據(jù)。土壤粒級(砂粒、粉粒、粘粒)含量、容重、有機(jī)質(zhì)、田間持水量、萎蔫系數(shù)等參數(shù)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院南京土壤研究所建立的全國土壤參數(shù)空間數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)格式為柵格數(shù)據(jù)，其空間分辨率為0.1°×0.1°，分為0～10、10～20、20～50 cm和0～100 cm四個(gè)層次。各站點(diǎn)的土壤參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)站點(diǎn)經(jīng)緯度從空間數(shù)據(jù)庫中提取。

1.2旱稻品種介紹

本文用于區(qū)域作物模型模擬的旱稻代表品種分別為旱稻277、旱稻297和旱稻502。三個(gè)品種均由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院選育，并通過國家審定的旱稻品種。旱稻277屬粳型旱稻中晚熟常規(guī)品種，適宜在黃淮地區(qū)作油菜茬、麥茬旱稻種植，全生育期平均為113 d；旱稻297屬粳型常規(guī)旱稻品種，生育期136 d左右，適宜在東北地區(qū)南部、華北地區(qū)北部作一季旱稻種植；旱稻502屬偏粳型常規(guī)旱稻品種，適宜在黃淮地區(qū)作油菜茬或麥茬種植，全生育期平均為124 d。

圖1研究區(qū)域站點(diǎn)分布(a)及二級分區(qū)(b)

Fig.1The stations distribution in research region (a) and two level zoning (b)

1.3研究區(qū)域分區(qū)

研究區(qū)域?yàn)槿A北地區(qū)，具體包括北京市、天津市、河北省(除承德和張家口)、山東省和河南省。根據(jù)研究區(qū)域氣候及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，結(jié)合旱稻生育期長度等特性，將研究區(qū)域進(jìn)行了二級分區(qū)(見圖1b)，主要分為三個(gè)區(qū)域，其中Ⅰ區(qū)為一季稻種植區(qū)，主要包括北京和天津兩市全部，以及河北省的秦皇島、唐山、廊坊、保定和石家莊五市，代表性適宜種植品種為旱稻297；Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)為麥茬稻區(qū)，其中Ⅱ區(qū)主要包括河北省的滄州、衡水、邢臺(tái)、邯鄲4市，山東省全部，以及河南省的安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、濮陽、焦作、濟(jì)源、三門峽、洛陽、鄭州、開封等黃河以北的地區(qū)，代表性適宜的種植品種為旱稻277；Ⅲ區(qū)主要包括河南省許昌、平頂山、漯河、商丘、周口、南陽、信陽、駐馬店等地區(qū)，代表性適宜的種植品種為旱稻502。

1.4ORYZA2000模型簡介及作物品種參數(shù)確定

ORYZA2000水稻模型是ORYZA系列模型的最新版本，由國際水稻研究所與荷蘭瓦赫寧根大學(xué)聯(lián)合研制[8]。ORYZA2000模型依據(jù)de Wit的4級生產(chǎn)水平理論，從作物器官生理過程出發(fā)，以日為模擬時(shí)間步長，動(dòng)態(tài)和定量地描述作物在光溫潛在水平、水分限制水平、養(yǎng)分限制水平以及水分和養(yǎng)分共同限制水平上的水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量形成、土壤水分和植株氮素的動(dòng)態(tài)變化過程。模型中，溫度是水稻發(fā)育期的主要驅(qū)動(dòng)因子，分為基本營養(yǎng)期、光周期敏感期、孕穗期和子粒形成期4個(gè)主要發(fā)育期，根據(jù)各發(fā)育期的發(fā)育速率常數(shù)、熱量單位日增量和光周期來計(jì)算發(fā)育速率。模型中考慮了水分限制條件下土壤水分脅迫對葉片擴(kuò)展和卷曲、葉片衰老、光合作用、干物質(zhì)分配、根系生長以及小穗不孕等作物生長發(fā)育過程的影響。土壤水分模塊實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬根層土壤水分的變化。模型提供了三個(gè)不同的土壤水分模擬模塊，可以模擬水田、旱田等不同環(huán)境下的土壤水分變化過程，用戶可以根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行選擇。模型運(yùn)行需要輸入逐日氣象數(shù)據(jù)(輻射、最高溫、最低溫、風(fēng)速、水汽壓和降水)、作物品種參數(shù)、土壤數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的管理數(shù)據(jù)等。

在模型參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，利用獲取的歷史逐日氣象數(shù)據(jù)和對應(yīng)站點(diǎn)的土壤水文參數(shù)，分別模擬不同區(qū)域各站點(diǎn)在潛在和雨養(yǎng)條件下旱稻的生長發(fā)育過程，輸出逐年氣候條件下旱稻的潛在產(chǎn)量和雨養(yǎng)產(chǎn)量，以及對應(yīng)的需水量和蒸散量數(shù)據(jù)。

1.5風(fēng)險(xiǎn)評估方法

1.5.1干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)本文主要根據(jù)旱稻生育期的不缺水程度進(jìn)行干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)評估。利用ORYZA2000模型輸出結(jié)果，可以獲得旱稻各階段的潛在蒸散量和僅靠自然降水條件下的實(shí)際蒸散量。潛在蒸散量即為水分充分滿足情況下旱稻各生育階段的最大蒸散量，即需水量ETm。以雨養(yǎng)條件下實(shí)際蒸散量相對于潛在蒸散量的虧缺率(即水分虧缺指數(shù))，作為旱稻生育期干旱強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo)。水分虧缺指數(shù)(CWDI)計(jì)算方法如下：

CWDI=1-ETa/ETm

(1)

根據(jù)災(zāi)害強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)評估原理，干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)是水分虧缺指數(shù)等級及其出現(xiàn)概率的函數(shù)，將旱稻生育期劃分為播種～穗分化、穗分化～開花和開花～成熟三個(gè)主要階段，各生育階段干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)評估模型為[9]：

(2)

式中，Im為旱稻某生育階段干旱風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度指數(shù)，CWDI為水分虧缺指數(shù)，P為概率，m取值為1、2、3，分別代表播種～穗分化、穗分化～開花和開花～成熟三個(gè)生育階段。

不同生育階段缺水對最終產(chǎn)量造成的影響不同，全生育期干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)中考慮各生育階段干旱風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重系數(shù)，全生育期干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)評估模型為[10]：

(3)

式中，I為全生育期干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Im為播種～穗分化、穗分化～開花和開花～成熟三個(gè)生育階段的干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；ai為各生育階段風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)權(quán)重系數(shù)，根據(jù)各階段水分虧缺指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系來確定。

1.5.2干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)旱稻干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)是由生育期干旱造成的不同產(chǎn)量損失的災(zāi)損強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)。本研究利用作物生長模型模擬結(jié)果，以模型模擬的雨養(yǎng)條件下產(chǎn)量相對于潛在產(chǎn)量的損失率(即災(zāi)損指數(shù))作為產(chǎn)量災(zāi)損強(qiáng)度評價(jià)指標(biāo)，從產(chǎn)量損失角度進(jìn)行干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)評估。災(zāi)損即由不利氣象條件引起的減產(chǎn)，本研究的旱稻災(zāi)損指數(shù)是指雨養(yǎng)條件下產(chǎn)量相對于潛在產(chǎn)量的損失率(Ky)：

Ky=1-Ya/Ym

(4)

因此，災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)即為不同災(zāi)損指數(shù)等級及其出現(xiàn)概率的函數(shù)，如下式[9]：

(5)

式中，G為災(zāi)損強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，F(xiàn)為不同災(zāi)損指數(shù)等級出現(xiàn)的概率。

1.5.3干旱綜合風(fēng)險(xiǎn)干旱綜合風(fēng)險(xiǎn)一方面需考慮生育期內(nèi)不同干旱強(qiáng)度出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面還需考慮干旱造成的產(chǎn)量損失風(fēng)險(xiǎn)，因此，將各生育階段干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)和產(chǎn)量災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合，構(gòu)建干旱災(zāi)損綜合風(fēng)險(xiǎn)評估模型：

M=I+G

(6)

式中，M為干旱綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，I和G分別為干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和災(zāi)損強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

1.6數(shù)據(jù)分布檢驗(yàn)與概率計(jì)算

本研究中的數(shù)據(jù)分布檢驗(yàn)和概率估算主要通過Matlab工具軟件來完成。首先利用Matlab統(tǒng)計(jì)工具箱提供的kstest函數(shù)對需分析的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)，確定數(shù)據(jù)序列是否符合正態(tài)分布，對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行box-cox轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布；然后利用Matlab提供的正態(tài)概率分布函數(shù)Normcdf進(jìn)行概率計(jì)算。

1.7空間表達(dá)方法

數(shù)據(jù)結(jié)果的空間表達(dá)主要利用ArcGIS地里信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行Kriging插值，生成空間柵格數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的空間分布圖。

2結(jié)果分析

2.1模型參數(shù)確定及驗(yàn)證

ORYZA2000模型在旱稻生長發(fā)育模擬及水氮管理等方面已有了較多的研究報(bào)道[11-15]，驗(yàn)證了該模型在模擬華北地區(qū)旱稻生長發(fā)育方面具有較好的適應(yīng)性。模型中大部分的作物參數(shù)是根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果分析得出,具有普適性,只有10%左右的作物參數(shù)需要根據(jù)具體的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)試,這些參數(shù)包括發(fā)育速率、干物質(zhì)分配系數(shù)、比葉面積、葉片相對生長速率、葉片死亡速率、莖同化物轉(zhuǎn)移系數(shù)和最大粒重。其中旱稻297的模型作物參數(shù)為作者根據(jù)北京地區(qū)旱稻試驗(yàn)資料確定[16]，針對旱稻297的模型參數(shù)已有多篇文章發(fā)表；旱稻277和旱稻502的模型參數(shù)主要根據(jù)在開封、安徽蒙城等地的試驗(yàn)資料確定[17-19]。通過模型參數(shù)敏感性分析，對旱稻生育期和產(chǎn)量影響最大的作物參數(shù)是發(fā)育速率，因此在北京、開封、蒙城等地試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，分別確定了旱稻297、旱稻277和旱稻502的發(fā)育速率模型參數(shù)(表1)。圖2為模型模擬的LAI、生物量及產(chǎn)量與實(shí)測值的對比情況，可以看出該模型在模擬旱稻的生長發(fā)育方面具有較好的適用性。

圖2部分模型模擬值與實(shí)測值對比驗(yàn)證情況

Fig.2Comparative verification between parts of model simulated values with measured values

2.2旱稻需水量及各生育階段水分虧缺指數(shù)分布

由圖3知，根據(jù)模型模擬結(jié)果，華北大部分地區(qū)旱稻需水量在500～600 mm之間，河北北部及北京、天津等地由于是種植一季稻，生育期較長，需水量較大，在600～700 mm之間。而雨養(yǎng)條件下的實(shí)際蒸散量大部地區(qū)在300 mm左右，與需水量之間存在一定的差距。根據(jù)公式(1)計(jì)算，全生育期的水分虧缺指數(shù)大部分地區(qū)在0.35～0.45之間,河北西部、河南西北部的部分地區(qū)最高，在0.45～0.65之間。不同生育階段間，以出苗～穗分化階段最高，全區(qū)都在0.45～0.65之間，穗分化～開花階段水分虧缺指數(shù)最小，大部地區(qū)都在0.25以下；開花～成熟期大部地區(qū)水分虧缺指數(shù)變化在0.25～0.45之間(圖4)。

2.3旱稻產(chǎn)量潛力及災(zāi)損指數(shù)空間分布

根據(jù)模型模擬結(jié)果，華北地區(qū)旱稻產(chǎn)量潛力變化范圍在6 000～8 400 kg·hm-2(圖5)。河北大部、河南西部和北部以及山東西部等地最低，在6 000～7 000 kg·hm-2之間，山東大部、河南中部和西南部部分地區(qū)為中值區(qū)，在7 000～7 500 kg·hm-2之間，山東東部、河南南部為高值區(qū)，在7 500 kg·hm-2以上。與潛在產(chǎn)量相比，華北地區(qū)旱稻雨養(yǎng)產(chǎn)量較低，最高值是5 600 kg·hm-2，部分地區(qū)產(chǎn)量在3 500 kg·hm-2以下，總體上東部地區(qū)雨養(yǎng)產(chǎn)量較高，一般在4 000 kg·hm-2以上。

產(chǎn)量災(zāi)損指數(shù)變化范圍在0.24～0.50之間，河北的西北部、山東北部及河南的南部最高，在0.45～0.50之間，河北東北部、山東的南部和西部災(zāi)損指數(shù)較低，在0.24～0.40之間，其它地區(qū)變化在0.40～0.45之間。

2.4干旱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

在以上分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(3)和(5)分別計(jì)算了華北地區(qū)旱稻生育期干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(圖6)，在此基礎(chǔ)上完成了華北地區(qū)旱稻干旱風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃(圖7)。干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化在0.33～0.50之間，而災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)變化在0.18～0.57之間，從兩個(gè)指數(shù)的變化范圍可以看出干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)在空間上的差異小于災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)。從空間分布規(guī)律看，兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的空間分布趨勢比較接近，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)低的地區(qū)主要分布在東部，如河北北部、山東南部等地區(qū)，干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)主要分布在西部地區(qū)，如河北中南部，河南西部及南部等地，而災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的高值區(qū)更主要分布在南部地區(qū)，如河南的南部和西部。

在綜合考慮干旱發(fā)生強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)及造成的產(chǎn)量災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)，得到了華北地區(qū)旱稻干旱綜合風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)分布結(jié)果，高風(fēng)險(xiǎn)值區(qū)主要分布在河南的西部和南部，山東北部以及河北中部的部分地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)也較高，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在北京、天津、河北北部、山東大部以及河南北部的大部分地區(qū)?？傮w上看，華北大部地區(qū)旱稻干旱綜合風(fēng)險(xiǎn)都較低，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中仍不能忽視高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的干旱應(yīng)對及防御。

圖5華北地區(qū)旱稻潛在產(chǎn)量(a)、雨養(yǎng)產(chǎn)量(b)及產(chǎn)量災(zāi)損指數(shù)(c)分布

Fig.5Distribution of the potential yiel of upland rice in North China Region (a), rainfed yield (b) and the disaster yield loss index (c)

3結(jié)論與討論

本文基于作物生長模擬模型方法，分析了華北地區(qū)旱稻生產(chǎn)潛力及生育期水分供需情況，在此基礎(chǔ)上根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估理論構(gòu)建了河南省旱稻干旱災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)和模型，進(jìn)行了華北地區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)分析及區(qū)劃，主要得出以下結(jié)論：

(1) 華北大部分地區(qū)旱稻需水量在500～600 mm之間，而雨養(yǎng)條件下的實(shí)際蒸散量大部地區(qū)在300 mm左右，全生育期的水分虧缺指數(shù)大部分地區(qū)在0.35～0.45之間,河北省西部、河南西北部的部分地區(qū)最高。不同生育階段間，以出苗～穗分化階段干旱缺水最為嚴(yán)重。

(2) 華北地區(qū)旱稻產(chǎn)量潛力變化范圍在6 000～8 400 kg·hm-2，雨養(yǎng)產(chǎn)量則變化在1 900～5 600 kg·hm-2，產(chǎn)量災(zāi)損指數(shù)變化范圍在0.24～0.50之間，河北的西北部、山東北部及河南的南部較高。

圖7華北地區(qū)旱稻干旱綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

Fig.7Comprehensive drought risk zoning for

aerobic rice in North China Region

(3) 單一干旱強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)及產(chǎn)量災(zāi)損風(fēng)險(xiǎn)的空間分布趨勢比較接近，低值區(qū)主要分布在河北北部、山東南部等地區(qū)。干旱綜合風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)主要分布在河南的西部和南部、山東北部以及河北中部的部分地區(qū)，低值區(qū)主要分布在北京、天津、河北北部、山東大部以及河南北部的大部分地區(qū)。

降水是華北地區(qū)作物生育期水分消耗的主要來源，以降水作為主要供水來源進(jìn)行干旱評估也是一段時(shí)期干旱研究的主要方法，但是由于受降水強(qiáng)度和時(shí)間分布的影響，作物生育期的降水并不完全用于作物的蒸散消耗，即降水對于作物而言有一定的有效性。本文基于作物模型模擬結(jié)果構(gòu)建的水分虧缺指數(shù)是旱稻在自然降水條件下的實(shí)際耗水量，消除了降水中用于徑流、下滲等無效的部分，更能反映作物的實(shí)際水分狀態(tài)。河南西部和南部地區(qū)旱稻風(fēng)險(xiǎn)相對較高，根據(jù)模型的模擬過程看，主要是由于該地區(qū)初夏旱發(fā)生較頻繁，在播種～出苗期這段時(shí)間無降水后模型認(rèn)為作物已無法繼續(xù)生長而死亡。以南陽站為例，1971—2010年的40年間，有9年模型輸出的產(chǎn)量為零，即在這9年里作物由于嚴(yán)重受旱造成中途死亡。出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因是由于本文在進(jìn)行模擬時(shí)，設(shè)置了固定播期，實(shí)際生產(chǎn)上一般會(huì)采取調(diào)整播期的方式降低初夏旱造成的影響，也可以降低干旱風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)本文的分析結(jié)果，大部地區(qū)旱稻生育期均有一定的水分虧缺，特別是生育前期，需要進(jìn)行一定的補(bǔ)充灌溉。劉志娟[20]、張秋平[21]等以北京地區(qū)為例，分析了旱稻生育期降水與需水的耦合程度，結(jié)果表明在不同的降水年型下耦合度變化在0.39～0.82之間，生長季內(nèi)各生育階段均需灌溉水補(bǔ)充。這一結(jié)論在一定程度上驗(yàn)證了本文的結(jié)論。

本文的結(jié)論是完全基于各地自然氣候資源條件的，未考慮各地的實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，特別是灌溉條件，因此研究結(jié)果還存在一定局限性。此外，今后還需根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，綜合分析華北地區(qū)旱稻生產(chǎn)的適應(yīng)性，提出旱稻在該區(qū)域內(nèi)的發(fā)展前景和旱稻生產(chǎn)的適宜對策。

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Risk assessment of drought on upland rice in North China based on ORYZA2000 model

XUE Chang-ying1,2, HU Cheng-da2

(1.HenanKeyLaboratoryofAgrometeorologicalSafeguardandAppliedTechniqueofCMA,Zhengzhou,Henan450003,China;2.HenanInstituteofMeteorologicalScience,Zhengzhou,Henan450003,China)

Keywords:upland rice; ORYZA2000 model; drought intensity; yield loss; risk assessment; North China region

Abstract：Pointed at the problem of yield instabiliy of aerobic rice, using the method combined crop growth similation technology with the mathematical statistics, carried out the quantity evaluation for the drought risk of the aerobic rice in growing season under the climate background of North China. Taking the deficit ratio related actual rainfed evaptranspiration to the potential evaptranspiratio, as crop water deficit index (CWDI) and the loss rate related the rainfed yield to the potential yield as the disaster loss index for the evaluation index of yield disaster loss, established the drought risk evaluation model from two angles as the extent of drought and yield loss, and carried out the drought risk evaluation. The results showed that: The CWDI for whole growing period of aerobic rice in North China Region was between 0.35 and 0.45. In different growth stages, it was highest at the emergence to ear differentiation stage. The drought disaster loss index was change between 0.24 to 0.50. it was higher in Northwest of Hebei, North of Shandong and South of Henan. For the drought intensity risk and disaster loss risk, the space distribution trend was basic identical. The low risk index areas were major distribued in North of Hebei and South of Shandong and other regions. But the risk index was rather high in Mid-south of Hebei, most of Henan and so on. For the comprehensive risk index, the high value areas major distributed in West and South of Henan, North of Shandong and part areas of the Mid of Hebei, and low value areas major distributed in Beijing, Tianjin, North of Hebei, most of Shandong and most areas of North Henan. From overall look, the comprehensive drought risk of aerobic rice was lower in most areas of North China. However, in the agricultural practice it could not be ignored for the response and defense to drought in high risk areas.

文章編號：1000-7601(2016)03-0179-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.29

收稿日期：2015-06-15

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41005058)

作者簡介：薛昌穎(1979—)，女，遼寧喀左縣人，高級工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害及作物生長模型等方面的研究。 E-mail: xuecy9@163.com。

中圖分類號：S423； S511.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A