辽宁玉米典型复合农业气象灾害影响损失评估*

于文颖，纪瑞鹏，王 鹏，冯 锐，武晋雯，张玉书

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166；2. 辽宁省农业气象灾害重点实验室，辽宁 沈阳 110166；3.辽宁省黑土地演化与生态效应重点实验室，辽宁 沈阳 110034；4.辽宁省气象服务中心，辽宁 沈阳 110166)

IPCC第六次评估报告提到，自20世纪50年代以来，人类影响很可能增加了复合极端天气事件发生的概率，如全球范围内热浪和干旱同时发生的频率增加、部分地区复合型洪涝事件增加；如果全球变暖持续加剧，一些过去和现在气候中发生频率较低的复合极端事件将频发[1]。即使全球变暖，极端低温事件仍然出现，如2020年底至2021年1月，中国发生了两次破记录低温寒潮事件，2021年2月北美中西部和南部发生了极端低温事件，这是由于极涡、平流层增温的相互作用，产生了有利于极端低温寒潮发生的天气条件[2]。气候变化对农业生产的影响关系到全球粮食安全，是全球气候变化研究的主要内容之一[3]。由于气候变化的复杂性和未来气候变化的不确定性，气候变化成了实现粮食安全的“抗解问题”(无法用简单方法解决的复杂问题)[4]。极端气候事件的增多加剧农业生产的波动，加重了农业灾害[5]。面对复合极端天气事件的频发，农业生产如何趋利避害、保障粮食安全，对农业气象灾害研究提出了新的要求与挑战。

农作物在生长过程中常遭遇复合农业气象灾害，如高温和干旱复合、干旱和低温冷害复合等灾害。我国每年因干旱、洪涝、高温和低温冷害等多种气象灾害导致的农田受灾面积达0.5×109hm2以上[6]。据统计，我国2010年代发生的干旱事件中90%以上伴有一次或多次高温[7]，气温上升导致干旱期蒸发量增加，加速气象干旱向土壤干旱传递，干旱和高温事件造成的影响可能比单个事件造成的影响总和还要大[8]。我国东北地区农业干旱、低温冷害及其复合灾害等极端灾害频发，1961—2017年的57年间，辽宁省玉米有37年遭受了干旱和低温冷害复合灾害[9]，干旱和低温冷害并发可能大于两者单一发生时对作物的影响[10-11]。在气候变化背景下，随着复合天气事件的频发，复合农业气象灾害的发生频率和强度很可能增大，亟需开展复合农业气象灾害的监测预警和影响评估等方面的研究。

目前，针对复合农业气象灾害的研究主要集中在复合胁迫试验观测[12-13]、复合灾害发生特征规律[9, 14-15]、综合灾害风险评估[16-17]等方面，缺乏系统的复合农业气象灾害指标体系研究。以往农业气象灾害评估多是采用多个指标进行分离式评估，忽略了作物生长过程受到的多重灾害影响[17]，且较少考虑灾害过程对农作物的生产力或产量的影响进展[18]。本研究以辽宁省为例，基于玉米复合农业气象灾害历史实况，通过分析复合农业气象灾害发生过程与玉米净初级生产力的关系，定量评估玉米复合农业气象灾害损失率，并探讨单一和复合农业气象灾害对玉米生产力的影响差异，为复合农业气象灾害对玉米生长过程的影响机制研究提供依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源与处理

研究区域为辽宁省，所用数据包括1985—2015年50个气象站(图1)的气温、降水量等气象数据、玉米发育期等农业气象资料和1985—2015年逐月净初级生产力(NPP)数据。气象数据和农业气象资料来源于辽宁省气象局，玉米播种面积及产量数据来源于辽宁省统计局(http://tjj.ln.gov.cn/tjsj/sjcx/ndsj/)，NPP数据来源于全球变化数据学报(http://www.geodoi.ac.cn/)[19]，空间分辨率为1 km。利用ArcGIS9.3 软件，提取1985—2015年辽宁省玉米种植区的逐月NPP，并逐格点求平均值，得到逐月NPP区域平均值。利用IBM SPSS Statistics 25 软件对NPP与气象因子进行逐步回归分析、相关分析等。

图1 辽宁省5个气候区及50个气象站点位置分布(审图号：辽S(2006)031号)

1.2 玉米复合农业气象灾害类型

玉米农业气象灾害包括两大类：单一农业气象灾害、复合农业气象灾害。辽宁玉米复合农业气象灾害(Multiple Agrometeorological Disaster, MAD)主要包括5种类型：多发育期干旱(Drought in multiple periods, M1-D)、干旱+霜冻害(Drought and frost damage, M2-DF)、干旱+低温冷害(Drought and cold damage, M2-DC)、低温冷害+霜冻害(Cold and frost damage, M2-CF)、干旱+霜冻害+低温冷害(Drought, frost and cold damage, M3)[9]。

1.3 玉米多年平均发育期

辽宁5个气候区(图1)玉米多年平均发育期见表1。

表1 辽宁省5个气候区玉米多年平均发育期日期 月/日

1.4 趋势NPP和气象NPP计算

由于玉米产量的高低只能反映灾害影响损失最终结果，而不能反映灾害对玉米生长过程的影响程度和损失过程，因此，用气象NPP(NPPm)代替气象产量，趋势NPP(NPPt)代替趋势产量，基于1985—2015年5—9月实际NPP(NPPa)，利用5点滑动平均法分别逐格点计算1987—2013年5—9月NPPm和NPPt。

(1)

NPPm,i=NPPa,i-NPPt,i;

(2)

(3)

2 结果与分析

2.1 基于多个单一指标综合识别复合农业气象灾害

利用水分亏缺指数法、5—9月平均气温和的距平法、日最低温度阈值法等多个单一指标[20-22]，综合判识1987—2013年辽宁省50个气象站点玉米复合农业气象灾害发生情况。1987—2013年辽宁玉米发生了不同范围和类型的复合农业气象灾害，其中有8年出现了大范围复合灾害，有11年出现了区域级复合灾害，有8年出现了局部复合灾害。27年间辽宁玉米遭遇最多的复合农业气象灾害是多发育期干旱(M1-D)和干旱+低温冷害(M2-DC)两种类型。

2.2 玉米典型复合农业气象灾害影响损失评估

基于识别的复合农业气象灾害类别和玉米灾害损失率ΔNPP模拟结果，比较1987—2013年两种复合型灾害(多发育期干旱、干旱+低温冷害)的玉米气象NPP损失情况。

2.2.1 多发育期干旱

1987—2013年间，有22年辽宁玉米受到多发育期干旱灾害影响，其平均气象NPP损失率为7.1%，其中1988年损失率最高(17.8%)，2004年最低(1.0%)；22年中分别有8年、9年、5年发生了大范围、区域级和局部多发育期干旱灾害，其中2000年灾害发生范围最大(占玉米种植区的92.7%)，2005年发生范围最小(占玉米种植区的0.5%)(图2)。

图2 1987—2013年辽宁玉米多发育期干旱复合型灾害损失率和发生范围

2.2.2 干旱+低温冷害

1987—2013年间，有12年辽宁玉米受到干旱+低温冷害影响，其平均气象NPP损失率为3.5%，其中2008年损失率最高(7.8%)，1987年最低(0.3%)；12年中分别有2年、4年、6年发生了大范围、区域级和局部干旱+低温冷害，其中1995年灾害发生范围最大(占玉米种植区的56.8%)，2010年发生范围最小(占玉米种植区的2.0%)(图3)。干旱+低温冷害复合对辽宁玉米造成的影响低于多发育期干旱灾害。

图3 1987—2013年辽宁玉米干旱+低温冷害复合型灾害损失率和发生范围

2.3 典型年玉米复合农业气象灾害损失评估

综合考虑复合灾害影响范围和损失率，选择1989年、1997年和2000年为典型年，评估3年辽宁玉米复合农业气象灾害影响损失。

2.3.1 1989年多发育期干旱和干旱+低温冷害

1989年5—9月，受多发育期干旱影响的区域(以下简称M1-D区)，气象NPP累积损失率呈逐月升高趋势，说明多发育期干旱造成玉米NPP降低，成熟期未得到缓解；受干旱+低温冷害影响的区域(以下简称M2-DC区)，气象NPP累积损失率呈微弱下降趋势，说明干旱和低温冷害复合造成玉米NPP减少，但在成熟期略有回升；多发育期干旱造成的最终损失率高于干旱+低温冷害(图4)。

图4 1989 5—9月辽宁玉米受复合灾害影响下的气象NPP损失率变化

1989年玉米拔节期之前(6月底之前)，M1-D区和M2-DC区遭受的干旱灾害程度和范围均较大，但由于M2-DC区还遭受低温冷害影响，M2-DC区的气象NPP累积损失率高于M1-D区。拔节期之后(6月底之后)，M1-D区遭受干旱灾害的范围和程度均比M2-DC区大，虽然M2-DC区遭受轻度低温冷害影响，但与大范围干旱灾害相比，轻度低温冷害对玉米造成的影响较小(图5)。因此，拔节期之后M1-D区的累积损失逐渐增大，而M2-DC区的灾害损失率逐渐减少。1989年多发育期干旱灾害的发生范围占玉米种植区面积的51.4%，主要分布在辽西和辽南大部分地区；干旱+低温冷害复合灾害的发生范围占42.8%，主要分布在辽北、辽中和辽西部分地区(图6)。两类复合灾害发生范围占玉米种植区的94.2%，大部分地区气象NPP为负值。研究表明，玉米在关键发育期遭受干旱灾害，生产力难以恢复，M1-D区灾害损失高于M2-DC区的主要原因，是玉米在生长中后期受到严重干旱影响，比前期受到灾害对产量影响更大，灾损程度更高。

图5 1989年不同发育期玉米干旱等级空间分布(审图号：辽S(2006)031号,底图无修改，下同。)注：M1-D区：受多发育期干旱影响的区域(红色边界内)，M2-DC区：受干旱+低温冷害影响的区域(红色边界内)

图6 1989年辽宁玉米受多发育期干旱和干旱+低温冷害影响下的气象NPP变化

2.3.2 1997年和2000年多发育期干旱

1997年5—9月，受多发育期干旱影响的区域(以下简称为A1区)，气象NPP累积损失率呈减少的趋势，说明多发育期干旱造成玉米NPP降低，成熟期得到明显缓解；2000年5—9受多发育期干旱影响的区域(以下简称为A2区)，气象NPP累积损失率呈升高的趋势，说明干旱引发的玉米NPP降低，成熟期未得到缓解；2000年5—7月由于多发育期干旱造成的损失均低于1997年，但2000年8—9月的累积损失高于1997年，即2000年辽宁玉米的最终损失高于1997年，说明干旱发生时段往往决定玉米NPP的最终损失(图7)。

图7 1997和2000年5—9月辽宁玉米受多发育期干旱灾害影响下的气象NPP损失率变化

1997年玉米拔节期之前A1区遭受的干旱灾害程度和范围均比2000年A2区同时期大，而2000年玉米拔节期之后A2区遭受的干旱灾害程度和范围均比1997年A1区同时期大(图8)。前期研究表明，玉米在拔节—吐丝期受到干旱胁迫，比三叶—拔节期受到干旱胁迫更难以恢复[23]，1997年A1区在拔节期之前遭受的干旱灾害较重，而2000年A2区在拔节期之后遭受的干旱灾害较重，因此，2000年A2区的干旱累积损失呈增加趋势，1997年A1区的干旱累积损失呈减少趋势，且2000年A2区玉米NPP最终损失高于1997年A1区。1997和2000年受多发育期干旱灾害的影响区域分别占玉米种植区的85.9%、92.7%，大部分地区气象NPP为负值(图9)。

2.4 典型站点玉米气象NPP损失情况

以两种类型复合灾害发生频率较高的代表站点(北票、康平、建平)为例，评估典型站点玉米复合农业气象灾害历年损失情况。1987—2013年，北票、康平、建平分别有10年、14年、11年遭遇多发育期干旱灾害，其年均气象NPP损失率分别为11.1%、5.8%、10.1%；北票、康平和建平分别有8年、6年、7年遭遇干旱+低温冷害，其年均气象NPP损失率分别为1.2%、2.0%、5.1%。3个典型站点多发育期干旱灾害发生频率和平均损失率均显著高于干旱+低温冷害(图10)。

北票复合农业气象灾害损失率最高的年份为1988年(损失率为24.7%)，其次是2000年(24.3%)；康平损失率最高的年份为1997年(15.9%)，其次是2000年(12.8%)；建平损失率最高的年份为2000年(31.8%)，其次是1988年(23.4%)。比较3个站点气象损失率较高的年份灾害发生情况，发现1988年多发育期干旱造成北票、康平、建平玉米的损失率分别为24.7%、3.5%、23.4%，其中北票和建平损失率较高，而康平损失率较低；2000年，多发育期干旱造成北票、康平、建平玉米的损失率分别为24.3%、12.8%、31.8%，其中建平损失率最高。

图8 1997和2000年不同发育期玉米干旱等级空间分布注：A1区：1997年受多发育期干旱影响的区域(红色边界)，A2区：2000年受多发育期干旱影响的区域

图9 1997年和2000年辽宁玉米受多发育期干旱灾害影响下的气象NPP变化

图10 1987—2013年北票、康平、建平玉米复合型农业气象灾害损失率

1988年，北票和建平在播种-出苗期、出苗-拔节期、拔节-抽雄期、抽雄-乳熟期均发生了不同程度的干旱(包括轻旱、中旱和重旱)，而康平站仅在播种-出苗期和拔节-抽雄期发生了轻度干旱，因此康平玉米损失率较小；2000年，3个站在播种-乳熟期均发生了不同程度的干旱，建平在拔节-抽雄期和抽雄-乳熟期发生特旱，在关键发育期遭受重度干旱将导致严重减产，建平玉米损失率最高(图11)。

干旱+低温冷害造成的损失率普遍较低，3个站其损失率最高的年份为1992年，其次是1989年。建平在1992年遭遇3个发育期干旱和轻度冷害，气象损失率为16.4%；建平在1989年遭遇2个发育期干旱和轻度冷害，气象损失率为9.9%，康平在1989年遭遇1个发育期干旱和中度冷害，气象损失率为5.8%。多发育期干旱与低温冷害复合发生，较单发育期干旱与低温冷害复合对玉米的影响大。

图11 1987—2013年北票、康平、建平玉米不同发育期干旱灾害和延迟型低温冷害等级

2.5 单一型和复合型农业气象灾害损失比较

1987—2013年辽宁玉米受到单发育期干旱影响，气象NPP平均年损失率为4.3%，平均损失范围占玉米种植区的18.3%；受延迟型冷害影响，气象NPP平均年损失率为1.9%，平均损失范围占玉米种植区的12.9%。多发育期干旱造成的气象NPP平均损失率最高，干旱+低温冷害造成的平均损失率低于单一干旱，单一冷害造成的平均损失率最低(图12a)。受多发育期干旱影响的平均损失范围最大，其次是干旱+低温冷害，单一干旱和单一冷害两种类型影响范围均较小(图12b)。

图12 1987—2013年辽宁玉米单一和复合型灾害损失率和发生范围

1987—2013年造成辽宁玉米损失的农业气象灾害主要是多发育期干旱和单一干旱，而干旱+低温冷害和单一冷害发生的年份、影响范围和损失程度均较低。多发育期干旱造成的损失普遍高于单一发育期干旱，干旱+低温冷害造成的损失普遍高于单一冷害。但干旱+低温冷害造成的平均损失低于单一干旱，主要原因是干旱+低温冷害的发生年份较少、影响范围较小，其平均损失率较低。

3 结论与结论

本文基于多个单一指标综合识别的复合农业气象灾害和玉米灾害损失率模拟结果，评估了1987—2013年辽宁省两种复合型灾害(多发育期干旱、干旱+低温冷害)的玉米气象NPP损失情况，并分析了典型年和典型站点玉米气象NPP损失情况及其原因。

1987—2013年27年中，有22年辽宁玉米受到多发育期干旱灾害影响，其平均气象NPP损失率为7.1%，有12年玉米受到干旱+低温冷害影响，其平均气象NPP损失率为3.5%，干旱+低温冷害复合型灾害对玉米造成的影响低于多发育期干旱灾害。

以1989、1997和2000年为典型年，评估了两类复合农业气象灾害影响下玉米损失情况及其原因。1989年5—9月多发育期干旱影响范围内的气象NPP损失逐渐增大，干旱+低温冷害影响区域内的气象NPP损失呈减少趋势，多发育期干旱造成的玉米最终损失高于干旱+低温冷害。玉米拔节期之前受到严重复合灾害影响，后期生产力可能得到回升，但关键发育期如拔节期之后遭受严重复合灾害则难以恢复。1997年玉米在拔节期之前遭受干旱灾害较重，而2000年在拔节期之后遭受干旱灾害较重，因此，1997年5—9月，受多发育期干旱影响区域的气象NPP损失率呈减少趋势，2000年则呈升高趋势且造成的最终损失高于1997年。

以北票市、康平县、建平县为例，评估3个站点玉米复合农业气象灾害历年损失情况及其原因。27年来，3个站点多发育期干旱造成的损失普遍高于干旱+低温冷害，由于3个站点复合灾害的影响时段和灾害程度不同，两类复合农业气象灾害造成的气象NPP损失率不同。多发育期干旱造成的损失主要与发育期、干旱程度有关，干旱+低温冷害造成的损失主要与干旱影响时长有关。

研究发现，玉米在不同发育期遭遇不同农业气象灾害，产量损失不同，严重低温和持续干旱复合发生对玉米影响更大[15, 24]；玉米在拔节-吐丝期受到干旱胁迫比三叶-拔节期之前受到干旱胁迫更难以恢复[23]；开花-吐丝期发生严重干旱将导致减产率较高[25-26]。本文通过对典型站点和典型年分析得到的结果均与该结果一致。对辽宁玉米产量影响最大的农业气象灾害是单一发育期或多发育期干旱，近年来多发育期干旱灾害的发生范围呈增加趋势[9]，因此，应在关键发育期(拔节-乳熟期)适度补充灌水，以减轻玉米灾害损失。

比较1987—2013年单一农业气象灾害和复合农业气象灾害造成的损失，发现辽宁玉米受多发育期干旱和单一干旱影响较大，无论是发生年数、影响范围还是损失程度均较高，多发育期干旱造成的损失普遍高于单一发育期干旱。干旱+低温冷害和单一冷害造成的影响较小，损失率较低，干旱+低温冷害造成的损失普遍高于单一冷害，而由于影响范围较小，干旱+低温冷害造成的平均损失低于单一干旱。因此，玉米生长发育过程受干旱、低温冷害复合影响造成的损失，不是单个灾害造成损失的简单叠加，而受复合灾害中的不同灾害类别发生时段、影响范围和灾害程度的多重影响。

不同类型灾害出现的发育期不同、胁迫时长和程度均不同，多个单一指标无法直接判别复合灾害造成的叠加影响，而利用气象NPP损失率能够直接判别灾害损失程度。由于复合灾害对玉米生长的影响过程比较复杂，还需要通过胁迫试验进一步研究复合灾害对玉米的影响机制，为复合农业气象灾害的预警和灾损评估提供基础。