河南省夏玉米干旱综合风险精细化区划

田宏伟，李树岩

(1.河南省气象科学研究所，河南 郑州 450003；2.中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 450003)



河南省夏玉米干旱综合风险精细化区划

田宏伟1,2，李树岩1,2

(1.河南省气象科学研究所，河南 郑州 450003；2.中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 450003)

利用1981—2010年河南省118站夏玉米生长季(6月中旬—9月下旬)逐日降水量、日照时数、最高最低气温、平均风速、平均水汽压等气象资料，通过交叉验证确定较优的克里金插值方法，进行基于百米网格的空间要素插值。对插值后的数据进行空间运算，计算各生育阶段夏玉米水分亏缺量，建立全生育阶段干旱危险性指标；以基于遥感反演的夏玉米种植面积作为暴露性指标；以多年平均减产率作为脆弱性指标；以近6 a社会经济条件构建综合抗灾能力指标；在此基础上综合各项风险要素建立干旱综合风险评估模型。最后，利用风险评估模型结合土地利用信息进行河南省夏玉米干旱综合风险精细化区划，把河南全省划分为高、中、低3个风险区，低风险区主要位于豫东和豫东南，高风险区主要分布在周口、驻马店及豫西北地区，其它地区为中度风险区，与历史夏季旱灾发生频次的空间分布趋势基本一致。区划结果充分考虑夏玉米种植面积和土地利用信息，具有较高的精度，可为夏玉米干旱灾害防御提供参考依据。

夏玉米；干旱灾害；风险评估模型；风险区划；水分亏缺量

引 言

河南是全国重要的农业大省和粮食生产大省。2010年河南省政府提出建设粮食生产核心区的重大战略举措，把粮食生产摆在经济工作的重要位置。夏玉米是河南省仅次于小麦的重要粮食作物，生长期内极易发生旱、涝等自然灾害[1-2]，干旱是各类气象灾害中成灾面积最大的，且华北地区灾情最为严重[3]，伏旱更是河南省发生频率最高的干旱[4]，是制约河南省夏玉米生产的主要气象灾害之一[5]，其对夏玉米的生长发育以及产量形成均会造成不利影响[6-7]。在气候变化背景下，夏玉米生长季降水量空间分布呈现两极分化趋势，干旱少雨地区雨量减少，雨量较丰沛地区降水量增加，旱涝灾害发生的风险加剧[8]。如2014年夏季干旱使河南省秋粮受灾面积达154×104hm2，严重干旱面积41×104hm2。因此，掌握夏玉米干旱的发生规律及风险分布，可为开展粮食产量预测、制定农业保险理赔指数等提供参考依据，并对夏玉米生产防灾减灾、保障高产稳产等具有重要意义。

判定干旱的指标主要有降水量、降水距平、作物水分亏缺指数等[9-10]。针对不同的评价量，有不同的等级评价指标[11-12]，各种指标在干旱时空分布等研究中有比较广泛的应用[13-15]。干旱区划方面，吴荣军等[16]基于自然水分亏缺指数、降水距平百分率和抗灾指数构建了干旱风险综合指标，并开展了风险区划；刘小雪等[17]从灾损的角度分析1971—2010年河南省夏玉米灾损风险并进行了区划。但以往研究多从气候角度对干旱的发生规律进行分析，而全面考虑灾害承灾体、社会抗灾能力等因素的灾害风险区划较少。且以往对干旱风险的研究多是对最终风险指数进行插值，较少对运算前的基础数据直接插值，插值方法的选择也比较随意。因此，本研究拟根据灾害风险评估理论，综合考虑灾害的危险性、暴露性、脆弱性和抗灾因子，优化基于百米网格的气象要素插值方法，建立河南省夏玉米干旱综合风险评估模型，并进行夏玉米干旱综合风险区划，以期为农业生产部门制定适宜的防灾减灾政策、决策和措施提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

(1)选取河南省118个气象站1981—2010年逐日日照时数、最高气温、最低气温、平均风速、平均水汽压、降水量等资料计算逐日蒸散量，降水量还用来表示生育期水分供给量。资料来源为河南省气象局30 a气候资料整编。

(2)夏玉米种植面积来源于2013和2014年5月15日—7月31日MODIS遥感资料反演结果。

(3)河南省基础地理信息及土地利用类型数据来源于1:25万国家基础地理信息系统，空间分辨率为90 m，对土地利用类型用最近邻域法重采样至100 m，与气象要素插值结果相匹配。

(4)夏玉米产量、耕灌比、农机动力、农民人均收入等资料来源于河南省农村统计年鉴，取2008—2013年平均值。其中产量数据用于计算脆弱性指数，其余要素用于计算综合抗灾能力指数。

1.2 要素插值处理

通过交叉验证法对比不同插值方法的效果。综合考虑站点空间及海拔分布，选取103个站点建模插值，15个站点作为验证站点，将验证站点实际观测值与估算值的均方根误差(RMSE)作为评价不同插值方法精度的标准[18]。以海拔300 m为界比较不同插值方法对月降水量插值结果的均方根误差(表1)，当海拔≥300 m时，反距离权重法和克里金法的RMSE分别为37.2 mm和38.9 mm，插值效果较好；当海拔<300 m时，克里金法RMSE最小，为21.6 mm。结合相关文献研究结果[19]，确定克里金法为最优插值方法。考虑到河南省大部分地区海拔在300 m以下，全省统一选择克里金法对每年各发育期降水量、需水量等要素进行百米网格精度的插值。

表1 不同插值方法月降水量插值的均方根误差(单位：mm)

1.3 风险评估模型

根据风险评估理论，一定区域自然灾害风险是由自然灾害危险性、暴露性、脆弱性和综合抗灾能力4个因素综合作用而形成的。灾害综合风险一般可表述为：

(1)

式中，M为综合风险指数，aj为土地利用类型的权重，bi为各风险因素权重，Fi为归一化后的4个风险因素。根据灾种及承灾体特点，选取夏玉米水分亏缺指数作为灾害危险性评价指标，夏玉米播种面积作为暴露性评价指标，夏玉米多年平均减产率作为脆弱性评价指标，各类社会经济指标作为抗灾能力指标，并结合土地使用类型，进行河南省夏玉米干旱综合风险区划。以专家打分法确定4个因素的权重，危险性的权重为0.4，暴露性、脆弱性和综合抗灾能力权重均为0.2。根据土地使用类型对综合风险进行权重调整，各土地使用类型权重为：水田0.3、旱田1.0、滩地0.5、盐碱地0.4、其他土地利用类型均为0。

1.3.1 危险性

水分供给不足造成干旱，用区域的标准化水分亏缺量表示气候风险大小，作为干旱危险性指数。将夏玉米全生育期划分为出苗—拔节期(6月中旬—7月上旬)、拔节—抽雄期(7月中旬—7月下旬)和抽雄—乳熟期(8月上旬—8月下旬)3个阶段。将夏玉米各生育阶段水分亏缺量进行区域标准化处理作为阶段干旱危险性指数，对各生育阶段危险性指数进行加权求和作为全生育期干旱危险性指数，公式如下：

(2)

式中CWDIi为标准化的3个阶段的水分亏缺量，ki为各阶段干旱影响权重系数。在不考虑灌溉的条件下，水分亏缺量为需水量和降水量的差值：

(3)

式中，ETc为作物需水量，R为降水量。本文采用联合国粮农组织(FAO) 推荐的Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量[20-21]，逐日累加得到各个生育阶段的参考作物蒸散量。

(4)

ET0为计算时段内的参考作物蒸散量，Kc为相应时段的作物系数。各生育阶段作物系数参考前人研究成果确定[22]，各阶段干旱影响权重系数根据方文松等[23]提出的夏玉米水分—产量反应系数来确定，具体取值见表2。

表2 不同生育阶段的夏玉米作物系数和干旱影响权重系数

1.3.2 暴露性

暴露性是指承灾体夏玉米可能受到干旱威胁的程度，在此用夏玉米种植面积比例来表示。单个像元夏玉米种植面积占的比例越大，暴露性越大。根据2014年夏玉米生长季的MODIS资料，计算夏玉米生长季内逐半月的NDVI，通过实地调查确定一定数量的夏玉米纯净像元，提取其NDVI变化特征，再利用J-M光谱可分性距离[24]，用混合像元分解方程对全区域进行逐像元分解，得到河南省夏玉米实际的种植面积比例分布[25-26]。

1.3.3 脆弱性

脆弱性指承灾体遭受特定强度灾害后可能的损失程度，反应承灾体对特定灾害的敏感性。干旱是影响河南省夏玉米产量的主要气象灾害之一，初步选用30 a平均减产率作为夏玉米脆弱性评价指标。计算公式如下：

(5)

式中Ywa为负相对气象产量，n为年份数，文中取30。

(6)

式中，Yt为趋势产量，通过王素艳等[27]提出的直线滑动平均法计算，参考气象行业标准《小麦干旱灾害等级》(QX/T81-2007)，Y为作物历年单产。

1.3.4 综合抗灾能力

农业抗旱能力受到自然条件、地域条件和人类活动等多方面因素的共同影响，对于各地区抗旱能力大小的评价需要通过多个抗旱因子综合判定。通过与多年平均减产率进行相关分析，以通过α=0.05显著性水平为标准，筛选出耕灌比、人均农机动力、农民人均纯收入和土壤有效保水系数等4个因子，根据李树岩等[28]建立的农业综合抗旱能力模型，计算综合抗灾能力指数，公式如下：

(7)

式中Si为各因子的权重系数，Xn为各因子的原始数据，m为站点数。权重系数Si根据各因子与多年平均减产率的相关系数大小来确定：

(8)

式中，Ri为各因子相关系数，n为因子总数，各因子相关系数及权重系数见表3。

表3 各抗灾因子与减产率的相关系数及其权重系数

注：**和*分别表示通过α=0.01和α=0.05的显著性水平

2 结果与分析

2.1 夏玉米干旱气候风险

2.1.1 各生育阶段夏玉米需水量

由于气温、日照、相对湿度等气象条件的地域差异，作物的蒸腾、蒸散及生长速度有明显差别，导致其需水量也随地域变化。河南省夏玉米各生育阶段30 a平均需水量分布如图1所示。夏玉米各生育阶段需水量差别较大，以拔节—抽雄期需水最多，全省均在120 mm以上；抽雄—乳熟期需水量最少，均在90 mm以下；播种—拔节期在90～130 mm。空间分布上播种—拔节期需水量呈明显的南少北多；拔节—抽雄期东南多西北少；抽雄—乳熟期需水量较多地区主要分布在豫南和沿黄河地区，其余地区较少。

2.1.2 各生育阶段夏玉米供水量

夏玉米各生育阶段30 a平均供水量如图2所示。播种—拔节期水分供给量全省在85～285 mm之间，呈明显的南多北少分布，信阳局部地区可达285 mm以上，三门峡、洛阳、郑州、开封及商丘北部均在135 mm以下；拔节—抽雄期全省在85～210 mm，豫北和豫西部分地区略少；抽雄—乳熟期水分供给量最少，全省在135 mm以下，且空间分布差异较小。

图1 夏玉米各生育阶段需水量30 a平均值(单位：mm)空间分布(a)播种—拔节期，(b) 拔节—抽雄期，(c)抽雄—乳熟期

图2 夏玉米各阶段水分供给量30 a平均值(单位：mm)的空间分布(a)播种—拔节期，(b) 拔节—抽雄期，(c)抽雄—乳熟期

2.1.3 各生育阶段夏玉米水分亏缺量

逐格点统计所有水分亏缺量为正值的年份，并将其进行平均后作为各生育阶段的水分亏缺量(图3)。夏玉米各生育阶段水分亏缺量差别不大，基本在0～60 mm。播种—拔节期和拔节—抽雄期水分亏缺量均呈南少北多分布，拔节—抽雄期豫西三门峡北部的亏缺量最大，在50 mm以上；抽雄—乳熟阶段空间分布趋势不明显。

图3 夏玉米各阶段水分亏缺量30 a平均值(单位：mm)分布(a)播种—拔节期，(b) 拔节—抽雄期，(c)抽雄—乳熟期

2.1.4 危险性

河南省夏玉米全生育期干旱危险性指数如图4所示。危险性指数呈北高南低分布：三门峡、济源、焦作、洛阳、新乡、安阳、濮阳等沿黄河一带地区危险性较高，南部及东部危险性较低，其中信阳南部及南阳北部危险性最低，安阳西部及新乡西北部危险性也较低。

2.2 暴露性

由全省夏玉米种植面积比例分布(图5)可知，周口、漯河、南阳及黄河以北地区，种植比例达80%以上，东部开封、商丘及东南部信阳、驻马店地区种植面积比例较低，西部主要以山区为主，夏玉米种植较少。

2.3 脆弱性

对各站30 a平均减产率进行归一化处理，得到脆弱性指数，如图6所示。全省夏玉米干旱脆弱性指数有2个高值区，分别位于三门峡、洛阳、济源交界地区和驻马店及周边地区；低值区主要分布在郑州东部及黄河以北地区；其余地区为中值区。

图4 夏玉米干旱危险性指数分布

图5 河南省夏玉米种植面积比例(单位：%)分布

图6 河南省夏玉米脆弱性指数分布

2.4 综合抗灾能力

如图7所示，夏玉米综合抗灾能力指数呈西南低东北高的分布。周口东南部、信阳、驻马店、平顶山南部、南阳大部、洛阳、三门峡南部综合抗灾能力指数较低，统计数据表明北部及中东部农业基础设施较为完善，综合抗灾能力指数较高，其中焦作、新乡及许昌东部抗灾能力指数最高。

2.5 夏玉米干旱综合风险区划

根据归一化的夏玉米干旱综合风险指数，把河南省夏玉米干旱风险分为3个等级，分别为高风险区(风险指数>0.6)、中风险区(风险指数介于0.5～0.6)和低风险区(风险指数<0.5)，如图8所示。信阳大部、南阳北部、商丘东部及商丘、周口、开封、许昌交界地区为低风险区，沿黄河两岸及新乡也有部分低风险区。高风险区主要分布在三门峡、洛阳、驻马店北部、周口东部、济源和焦作等地，南阳东部、新乡东部、安阳和濮阳等地也有零星的高风险区分布，其余大部分地区均为中风险区。

图7 河南省夏玉米干旱综合抗灾能力指数分布

图8 河南省夏玉米干旱综合风险区划

夏玉米干旱综合风险和危险性空间分布相比有明显区别，周口和驻马店地区危险性不高，但暴露性高、抗灾能力较弱、脆弱性较高，导致该地区综合风险较高。西部山区不仅气候风险较高，而且综合抗灾能力较弱、脆弱性较高，虽然种植面积少，但综合风险也较高。新乡和鹤壁等地区虽然危险性较高，但脆弱性低、综合抗灾指数高，因此综合风险较低。

2.6 区划结果验证

根据《中国气象灾害大典》(河南卷)[29]，统计河南省1971—2000年各地市6—9月夏季旱灾发生的频率(图9)。结果显示，西部的三门峡、洛阳及黄河以北地区干旱发生频率较高，东部及南部较低，与综合风险区划空间分布基本一致，表明本研究得到的风险区划结果基本合理。与杨平等[30]区划结果相比，周口和南阳西南部地区结果相似，而本区划由于选取作物种植面积作为暴露性指标，将种植面积较低的信阳地区划为低风险，而西北部作为高风险区也与河南省的实际情况相符。

图9 河南省各地市夏季干旱频率分布

3 结论与讨论

基于灾害风险评估原理，本文从危险性、暴露性、脆弱性和综合抗灾能力4个方面，构建了河南省夏玉米干旱综合风险评估模型。以百米网格的空间插值数据为基础，利用综合风险评估模型，计算各格点夏玉米干旱综合风险指数，并根据风险指数的大小，把河南省夏玉米干旱综合风险分为高、中和低3个等级，进行更为精细化的河南省夏玉米干旱综合风险区划。这3个等级较好地反映了河南省夏玉米干旱综合风险分布和区域特征：低风险区主要位于豫东和豫东南，高风险区主要分布在周口、驻马店及豫西北地区。通过对《中国气象灾害大典》(河南卷)夏季干旱频次的整理分析，表明本研究建立的风险区划结果较为合理。

随着防灾减灾、农业保险等工作的开展，对灾害风险区划的精细化程度提出了更高的要求。一方面，以往灾害风险区划大多是先计算风险指数，仅对最后的风险结果进行空间插值、分区。本文首先优选插值方法，进行百米网格尺度的空间要素插值，再通过空间运算，统计分析各项灾害风险指数，是提高区划结果精度的一种有益尝试。另一方面，承灾体情况是确定灾害是否发生的重要方面，用夏玉米种植面积遥感监测结果表示暴露性指标，较单纯依赖统计资料的行政区域内的种植面积相比，结果更加客观，空间分辨率更高。最后，在区划结果中加入土地利用信息，对不同类型的下垫面进行加权处理，反映了社会对于不同土地类型的产出预期及其对于农业生产的重要性。本文夏玉米干旱危险性空间分布与李喜平[14]、薛昌颖[31]等的研究结果基本吻合，干旱综合风险区划结果与杨平等[30]的区划结果有相似之处，但由于使用的数据源不同，部分地区风险值又有所差别。本文通过引入MODIS遥感面积监测、土地利用信息等资料，提高了空间针对性和分辨率，使区划结果空间精度有了一定提高，在指导夏玉米干旱灾害防御等领域具有一定的实用价值。

通过综合考虑多种要素，建立的灾害风险评估模型并开展区划，较全面地考虑了干旱风险影响因子，在插值方法选择时考虑了不同海拔高度对要素插值的影响，但是对于地形、坡度、坡向等因素的影响考虑还不够充分，需要在以后的研究中不断深入。

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Refined Zonation of Integrated Drought Risk About Summer Maize in He’nan Province

TIAN Hongwei1,2, LI Shuyan1,2

(1.He’nanInstituteofMeteorologicalSciences,Zhengzhou450003,China;2.He’nanKeyLaboratoryofAgrometeorologicalSupportandAppliedTechnique,CMA，Zhengzhou450003,China)

In this paper, the 100 m grid spatial weather data were obtained from Kringing interpolation method based on the daily weather data including precipitation, sunshine duration, maximum and minimum air temperature, wind velocity and water vapor pressure during summer maize growing season (June 11 to September 30) at 118 weather stations of He’nan Province from 1981 to 2010. The Kringing interpolation method was optimized by cross validation. Water deficit indexes during different stages of summer maize were calculated by using the interpolated weather data. Drought dangerousness index was formed by water deficit index of different stages. The summer maize planting area retrieval from remote sensing, averaged yield reduction rate and social economic condition were used as the evaluation index for exposure, vulnerability and disaster resistant ability, respectively. The integrated risk evaluation model was established using the above indexes for risk assessment and division of summer maize drought in He’nan Province, and the whole province was divided into three risk grades. The low risk area mainly located in east and southeast regions of He’nan, while the high risk area mainly distributed in Zhoukou, Zhumadian and northwest part of He’nan, and the rest regions were moderate risk, which presented the similar spatial distribution with historic frequency of summer drought. The zonation results fully considered the summer maize plant area and land use information, therefore it had highly precision and could provide a reference for prevention and mitigation of summer maize drought disaster.

summer maize; drought disaster; risk zonation; risk evaluation model; water deficit

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0852

2015-07-28；改回日期：2016-05-16

中国气象局气象关键技术集成与应用项目“河南省市县级农业气象灾害风险区划技术应用”(CMAGJ2014M32)和河南省气象局科学技术研究项目“河南省夏玉米关键期干旱影响评估方法研究与应用”(Z201603)共同资助

田宏伟(1982-)，男，河南永城人，工程师，从事农业气象与卫星遥感研究. E-mail：thwenigma@163.com

1006-7639(2016)-05-0852-08 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0852

S166

A

田宏伟，李树岩.河南省夏玉米干旱综合风险精细化区划[J].干旱气象，2016，34(5)：852-859, [TIAN Hongwei, LI Shuyan. Refined Zonation of Integrated Drought Risk About Summer Maize in He’nan Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):852-859],