内蒙古玉米干旱风险区划方法研究*

2015-03-10吴瑞芬

中国农业资源与区划 2015年7期

张超，吴瑞芬

(内蒙古自治区生态与农业气象中心，呼和浩特 010051)

1 引言

针对目前内蒙古地区农业保险业的现实需求，特别是农业可持续发展、农业防灾减灾等的重大科技需求，急需开展农业气象灾害影响评估技术服务，实现对农业气象灾害风险的定量分析和动态评估。

我国学者以人工控制和大田试验以及灾害资料统计分析为基础，建立了一些农业气象灾害评价的数学模型［1-2］，对各地区不同的农业气象灾害从不同的评价方法与技术上进行风险分析和研究［3-4］。近年来随着3S技术的应用以及作物模型的日趋成熟，农业气象灾害评估在时间和空间的精细化程度方面得到明显提高［5］，建立了重庆［6-7］、冀鲁豫［8-9］等地区的干旱、冰雹等灾害的气象灾害风险评估、区划模型。

内蒙古干旱风险的评估与区划研究尚未开展，鉴于风险评估指标在各地区有不同的适用性，不同的农业气象灾害的对作物的影响程度也因承灾体不同而各异，以及动态评估对为农服务的重要性，该文在前人灾害风险研究的基础上，针对内蒙古玉米的作物特性，借鉴目前比较成熟的风险评估与区划方法，综合考虑致灾因子和承灾体的地域特性，以干旱为例进行深入研究。研究结果不仅可以反映风险状况，更可以为有关部门控制农业气象灾害的发生、防御或减轻灾害对农业生产的危害、制定救灾措施、农业灾害保险政策、进行风险转移提供科学依据，进而最大限度地减轻灾害造成的不利影响。

2 研究方法

2.1 建立干旱风险评估指标体系

内蒙古自东北向西南斜伸，呈狭长形，东西部气候差异明显。内蒙古玉米种植品种繁多，西部和东部偏南农区的晚熟品种于4月中下旬播种，5月中旬出苗，9月中旬成熟;东部偏北农区的早熟品种于5月上中旬播种，5月下旬出苗，9月下旬成熟。鉴于5～9月是内蒙古玉米主要生育期，该文的风险评估指标以1980～2008年的农业气象观测资料中的发育普期作为代表时段，以旬、月作为气象要素统计时段进行研究。

为了全面评估自然条件对玉米干旱风险产生的可能影响，建立了包括玉米气候区划、气象干旱、农业干旱、气候生产潜力和气候适宜性等5个方面的评估指标体系。

2．1．1 玉米气候区划

作物气候区划不仅能较明显地反映地区间气候差异，还能较好地反映种植制度差异。区划指标从与玉米种植相关的水分、热量以及春季大风对农牧业影响和下垫面状况四个方面选择。内蒙古地区光照条件充足，各地区玉米生育期历年平均日照百分率53%～76%，河套地区及东部偏南主要玉米种植区的日照百分率均达到65%以上，因此不考虑光照对玉米气候区划的影响。

水分指标包括年湿润度、缺雨概率、降水时空分布等3个方面。年湿润度是按照玉米生育期水分需求，将各地区年降水量划分为3个级别［11］;缺雨概率是历年旱、偏旱年总数占资料年代数的百分比，其中，干旱年份是依据各地区逐月、逐年降水距平百分率和所处的降水量区域定义的［12］;降水时空分布是玉米发育各阶段降水量占需水量的比例结合该阶段的水分敏感度的综合分析指标［13］。热量指标包括稳定通过10℃积温和无霜期日数等2个方面。春季大风日数是指3～5月平均风速为17．2～20．7m/s间的发生日数。内蒙古玉米最早自4月中旬开始播种，最晚5月下旬达到出苗普期，由于播种前期大风不利于农田保墒，并可能对埋藏较浅的种子造成风剥或刮失［14］，因此春季大风日数对玉米气候区划具有重要意义。下垫面指标是根据内蒙古宜农、宜林、宜牧土壤资源等级［15］评定得分的总指数。

2．1．2 气象干旱

降水量距平百分率是常用的气象干旱评估指标［16］。在历年气象干旱的研究中，可以采用一个地区历年负的降水距平百分率的平均值作为指标;在当年气象干旱评估中，可以根据玉米生育期的累积降水距平百分率进行分析。考虑到前期降水的作用和内蒙古玉米的生育期，该文以4～9月的累积降水量距平百分率作为气象干旱指标。

2．1．3 农业干旱

农作物水分亏缺率是依据农田水分平衡原理常用的农业干旱指标。根据农业干旱国家标准中的计算方法［17］，某段时间水分亏缺指数 (CWDIi)为:

Pi为旬降水量 (mm)，Ii为旬灌溉量 (mm)，假设在非灌溉情况下的作物水分亏缺指数则Ii=0。ETm为作物旬潜在蒸散量 (mm)，ETM=kc*ET0，其中，ET0为旬作物参考蒸散量，采用联合国粮农组织推荐的改进Penman-Monteith公式计算［18］，kc为旬作物系数，内蒙古地区玉米5～9月作物系数［19］分别为:0．16，0．62，1．51，1．39，1．21，全生育期作物系数为 0．86。某时段累积作物水分亏缺指数 (CWDI)，由5～9月各生育阶段的水分亏缺指数 (CWDIi)及权重计算所得，5～9月的权重系数分别为0．1、0．15、0．2、0．25、0．3。2．1．4 气候生产潜力

气候生产潜力代表了充分和合理利用当地的光、热、水气候资源时单位面积土地上可能获得的最高农业产量。根据范·费尔图依森估算作物最大生产潜力方法［20］，采用“逐步订正法”计算玉米气候生产潜力。首先计算光温生产潜力ymp(kg/hm2)［21］。

当作物干物质生产率 (ym)单位kg/(hm2·h)＞20 kg时:

当作物干物质生产率 (ym)单位kg/(hm2·h)≤20kg时:

CL为叶面积指数对产量的校正值，假定叶面积指数 (LAI)=5，，叶面积的校正值为0．6。CN为净干物质生产量的校正值，冷凉时 (平均温度＜20℃)校正值为0．6，温暖时 (平均温度＞20℃)为0．5。CH为收获指数，收获部分与总干物质的比率即为收获指数［22］，玉米收获指数取0．5。G为不同地区作物的总生育期天数。ym为一定气候条件下最大干物质生产率单位kg/(hm2·天)，不同作物种类及不同温度条件下的最大干物质生产量不同，玉米属于第Ⅱ类喜温作物，当生育期间平均温度为15℃、20℃、25℃条件时，内蒙古玉米最大干物质生产率［23］分别为5、45、65。

y0为一定地区作物在全阴天情况下总干物质生产率kg/(hm2·天)，yc为一定地区作物在全晴天情况下总干物质生产率单位kg/(hm2·天)，根据范·费尔图依森的研究，不同纬度各月的yc、y0值各不相同，内蒙古大部分地区属于40°范围，玉米生育期5～9月yc、y0值如下所示。

表1 北纬40°不同月份总干物质生产率

由于降水季节分配及水量的不足，妨碍着农田“光温潜势”的开发，因此估算农田的水分生产潜力［24］。作物实际耗水量ETa指在水分供应特定数量的情况下作物实际得到的水量 (mm)。Sa指在作物实际消耗一部分水量后，土壤贮存的有效量 (mm)。播前土壤有效水分储存量Sa=播前N旬降水量总和-K×播前N旬可能蒸腾蒸发量的总和，其中N=3，K=0．1。当 Sa＜0时，记为零。当本旬降水量 (P)+上一旬有效储存量 (Sa)≥ETm时，则ETa=ETm，本旬末的土壤有效水分储存量Sa=P+上一旬Sa-ETm。当本旬降水量 (P)+上一旬有效储存量 (Sa)＜ETm时，则ETa=P+上旬Sa，本旬末土壤有效水分储存量 (Sa)=0。

以生育期间各旬实际耗水量总和ΣETa与作物需水量总和ΣETm的比值作为各生育阶段的需水满足率(V)。玉米不同生育阶段产量降低率u计算方法如下。内蒙古玉米不同生长阶段的产量反应系数 (Ky)不同，其中，5～6月产量反应系数为1．5，7～8月为0．5，9月为0．2。

计算各生育阶段产量指数 (Iy)。Iy1、Iy2、Iy3分别是营养生长阶段、生殖生长阶段和灌浆成熟阶段的产量指数。u1、u2、u3分别是3个生育阶段的产量降低率。

由此计算在无灌溉的自然降水条件下作物实际产量Y，即水分生产潜力，Y=ymp×Iy3，ymp为农田作物光温生产潜力。

2．1．4 气候适宜性

气候适宜性是根据玉米不同生长发育阶段所要求的温度与水分条件建立隶属函数，反映一个地区的光热条件对不同阶段玉米的适宜性。本文从温度适宜性和降水适宜性两方面指标进行评估。

温度隶属函数是根据玉米不同发育期的极值温度与适宜温度建立的方程，当平均气温小于最低气温或者大于最高气温时，温度隶属度为0，当生育期平均气温等于适宜温度时，温度的隶属度为1。以t为玉米各生育期平均气温，tl为最低温度，th为最高温度，t0为适宜温度，玉米生育期不同月份温度标准如表所示，温度隶属函数计算公式如下所示［25］。由于最适温度时温度隶属度为1，因此以温度隶属函数与1差值的绝对值作为温度适宜性指标。

降水量的隶属函数是分段函数。降水隶属度在0到1之间，当降水量在最低降水量与最高降水量之间时，降水隶属度为1。以r为玉米各生育期平均降水量，r0为需水量，rl=0．6*r0为最低降水量，rh=1．5*r0为最高降水量，降水隶属函数［26］计算公式为:

表2 不同月份温度标准 (℃)

当降水量与在最高降水量与最低降水量之间时的降水隶属度为1，最适宜作物生长发育要求，因此以降水隶属函数与1差值的绝对值作为降水适宜性指标。

2.2 评估指标空间化与分级

根据气象站点各要素观测数据和评估指标计算方法，可以得到点状分布的研究区域评估结果，结合各站点的经度、纬度、海拔高度，建立计算各评估指标空间分布的逐步回归模型，采用地理信息系统空间分析功能，进行多元回归插值，实现各评估指标的空间化分布计算。

为了正确评估各指标的作用并消除量纲的影响，本文将各评估指标划分为3级，等级一表示对玉米生长发育有利，等级三表示会导致玉米干旱风险。分级标准不仅要反映出内蒙古地区要素空间分布特征，又要体现出不同年份要素间的差异。内蒙古玉米干旱风险各评估指标分级标准如表3所示。

表3 玉米干旱风险评估指标分级标准

2.3 玉米干旱风险区划

将上述评估指标划分为背景条件和动态指标两大类。在单独年份的干旱风险评估中，玉米气候区划可以作为重要的背景条件，反映该地区的气候差异的、土壤、地形、地貌等自然条件。动态评估指标是指评估指标的计算方法和分级标准固定，但要素统计时段随研究需要而变化。

玉米干旱风险区划是在干旱风险评估的基础上，综合各致灾因子的风险程度。该文采用地理信息系统空间统计功能，将分级后的各干旱风险评估指标进行加权求和计算，叠置分析的条件是各因子间的相互联系及权重的大小。按照玉米种植的干旱风险程度大小将研究区域划分为高、中、低风险区，可以有效地体现内蒙古干旱风险时空分布特征，评估得分大于2．12为低风险，低于1．45为高风险区。

3 结果与讨论

按照内蒙古玉米干旱风险评估指标体系，对2011～2013年逐年的玉米干旱风险进行评估。首先，以1960～2010年内蒙古105个站点的观测数据和1:100万土壤数据为基础，建立内蒙古玉米气候区划，作为评估中不变的背景条件指标，如图所示。

图1 内蒙古玉米气候区划

其次，根据2011～2013年内蒙古119个站点观测数据，建立逐年玉米干旱风险评估的动态指标体系，进行各评估指标的计算、空间化与分级。从图2～7可以看出，2012年和2013年内蒙古大部地区气象干旱等级较低 (图2)，然而在玉米发育需水量较大的阶段，自然供水量略不足，造成内蒙古中西部农业干旱等级较高 (图3)。2011年内蒙古中东部光温生产潜力略低 (图4)，水分生产潜力不足 (图5)，2012年和2013年大部分地区光温水条件较好，生产潜力等级较高。2011和2013年内蒙古东部偏北地区温度适宜度较低 (图6)，且西部农区降水适宜度不高 (图7)。

图2 2011～2013年内蒙古玉米气象干旱指标等级分布

综合上述评估指标进行2011～2013年玉米干旱风险区划 (图8)。2011年玉米干旱风险较高的区域位于河套偏西地区;干旱低风险区主要分布于大兴安岭东麓温凉半湿润农区;中西部的大部农区处于中风险区。2012年没有干旱高风险区出现，河套西部和内蒙古中部偏北农区为中风险区，全区大部农区为玉米干旱低风险区。2013年全区大部地区降水、光热条件充足，零星区域出现干旱高风险，干旱低风险主要位于西部和中部偏北农区，其余大部农区为干旱低风险区。

图4 2011～2013年内蒙古玉米光温生产潜力指标等级分布

图5 2011～2013年内蒙古玉米水分生产潜力指标等级分布

图6 2011～2013年内蒙古玉米温度适宜度指标等级分布

图7 2011～2013年内蒙古玉米降水适宜度指标等级分布

图8 2011～2013年内蒙古玉米干旱风险区划

2011年春播期间，内蒙古大部地区气温总体偏高且土壤墒情较好，为大田作物播种和出苗创造了有利条件。幼苗生长阶段，东部部分地区前期出现阶段性低温，作物出苗、生长迟缓，但后期水热条件较好，作物长势喜人，粮食总产量好于常年;而中西部入春以来降水持续偏少，温度偏高，墒情较差，作物出苗率低，长势差，粮食总产量接近常年。可见，2011年区划结果较好地体现了东部玉米主产区的水热条件适宜对玉米产量的重要作用，也体现了西部地区由于水分限制造成的玉米干旱高风险等级。

2012年兴安盟因干旱播种推迟，农作物发育期普遍较历年推迟5天左右，其余大部地区农作物适时播种;作物生长发育阶段大部地区降水丰沛，温度适宜，作物发育进程正常，农作物长势是1998年以来最好的一年。2013年春播前期东部偏湿，整地备播迟缓;后期散墒快，播种进度接近常年，玉米生长季内，主要农区水热匹配较好，光照够用，关键生长阶段墒情适宜，农业气象条件明显好于常年。与风险区划结果一致，近两年内蒙古大部地区干旱风险较低，玉米产量连年丰收。

4 结论

以年降水量、稳定通过10℃积温、无霜期日数、春季大风日数和反映下垫面差异的土壤质地为内蒙古玉米气候区划指标，可以有效地反映反映气候差异和土壤、地形、地貌等自然条件，在玉米干旱风险评估研究中具有明确的农牧业生产意义。

该文主要以动态监测数据建立的干旱风险评估指标体系，不仅综合了目前国内较为常用的研究方法与成果，并且根据内蒙古地理特点和玉米特性确定风险等级标准，在内蒙古地区的评估区划工作中有较好的应用效果。目前该评估方法已在内蒙古农业气象业务中开展，显著提高了内蒙古农业气象灾害影响评估的技术水平，实现了对内蒙古主要农业气象灾害风险的定量分析和动态评估。但是，该文的研究指标未考虑灌溉对干旱风险区划结果的影响，在后续研究中可以结合各地区的灌溉条件进行风险区划的订正，使区划结果更加符合内蒙古玉米生产实际。

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