安徽省夏玉米涝渍灾害时空特征及其灾损风险

魏忠光 崔修来 孙瑶 王晓东

(1 安徽海峰分析测试科技有限公司，合肥 230031；2 辽宁省营口市气象局，营口 115001；3 安徽省农业气象中心，合肥 230031)

引言

涝渍灾害主要是指由于长时间维持阴雨天气，降水量过多，地下水位过高，地面排水不畅，造成植物根层土壤水分长时间处于饱和或过饱和、土壤中空气含量不足，危害植物正常生长的一种土壤水分过多的农业气象灾害。其中田间作物涝渍主要表现出土壤相对湿度(土壤含水量占田间持水量的百分比)长时间维持在85%以上、植株间的空气相对湿度大，导致作物生长不良和病虫草害严重等[1-5]。确定涝渍灾害指标的方法前人已作过较多研究，也建立了许多定量指标和模型，针对夏玉米涝渍这种特殊的灾害，国内在指标方法的确定以及定量指标和模型等方面开展了相关的研究，很好的揭示了不同区域玉米涝渍灾害时空发生规律，对科学开展区域种植布局具有重要参考意义[6-12]。另外采用风险评估指标(包括受灾减产率出现的概率、风险指数、变异系数等)来研究涝渍害产量灾损程度，并利用风险分析技术探讨作物产量灾损规律，对制定防灾减灾决策，降低灾损风险程度，实现稳产增收具有重要意义[13-17]。

由于安徽省地处暖温带和北亚热带两大气候带的过渡区，过渡型气候特征明显，南北冷暖气团交汇频繁，天气多变，降水年际变率大，旱涝自然灾害频发，降水集中时段与夏玉米的生长季基本吻合，期间作物水分基本处于供大于求的状况，涝渍灾害发生概率较大，严重影响玉米的籽粒灌浆、结实粒数和千粒重等产量构成因素，因此涝渍是安徽省夏玉米稳产、高产的主要限制因子[18-21]。本文综合考虑夏玉米涝渍孕灾环境、涝渍致灾因子(涝渍害发生时期的降水量、雨日、日照时数)等因素，利用夏玉米涝渍指数模型对涝渍的时空分布特征进行了详细的分析，同时参考国家气象行业标准《冬小麦油菜涝渍等级》[22]，确定了适合安徽省的夏玉米涝渍害分级指标;另外为揭示夏玉米涝渍可能造成的灾损风险, 采用灾损风险指数模型计算得到了安徽省夏玉米产量涝渍灾损风险分布[23-24]，研究结果对开展区域农业气象防灾减灾有很好的借鉴意义。

1 研究资料与方法

1.1 研究资料

本文所用气象资料为安徽省1971—2018年78个气象观测站的逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数、水汽压、平均风速、相对湿度等;夏玉米发育期及土壤水分资料均来源于安徽省气象信息中心；夏玉米产量资料来源于安徽省统计部门，包括78个站点1981—2017年的夏玉米分县产量数据。研究区内根据气候、地形和农业种植等可将其分为淮北地区、沿淮地区、江淮地区、大别山区、沿江地区和江南地区共6个不同区域，每个区域分别包含16个、12个、14个、4个、19个和13个气象站点(图1)[25]。

图1 安徽省主要种植分区及气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 夏玉米水分敏感系数的计算

作物各生育阶段对水分胁迫的影响程度不同，一般用水分敏感系数来表示，主要由作物实际产量、最大产量、实际蒸散量、参考作物蒸散量、作物系数和土壤水分系数等参数决定，各阶段水分敏感系数的计算方法详见文献[26]。安徽省夏玉米一般6 月上中旬播种，9月中下旬收获，播种较早的江南地区和播种较晚的淮北地区生育进程普遍相差1旬左右，充分考虑夏玉米南北生育进程的差异，本文首先计算获得了安徽省夏玉米各站点的逐日水分敏感系数，基于逐日水分敏感系数通过统计分析得到了分区逐旬作物水分敏感系数，最后将分旬水分敏感系数作为各区计算全生育期夏玉米涝渍指数的分旬权重，具体的分区分旬水分敏感系数值见表1。

表1 安徽省夏玉米分区分旬水分敏感系数

1.2.2 夏玉米涝渍指数Qw

在气象行业标准《冬小麦、油菜涝渍等级》[22]中涝渍指数计算方法的基础上,结合安徽省的实际情况,通过优化和改进建立夏玉米涝渍指数的计算公式。

(1)

其中,Qwi为第i时间段的涝渍指数，Ri、Rdi、Si分别为第i时段的降水量、降水日数和日照时数，Rmax、Rdmax、Smax分别为序列内的降水量、降水日数和日照时数的最大值。

本文中计算的时间尺度以旬作为基本单位，分别计算全省各站点1971—2018年6月上旬至9月下旬逐旬的涝渍指数，例如计算合肥站2000年的8月上旬的涝渍指数，其中Ri为8月上旬的降水量，Rmax为1971—2018年共48年每年8月上旬降水量的最大值，降水日数和日照时数情况类似。参数a1、a2、a3为表征降水量、雨日和日照时数对形成涝渍灾害贡献的经验系数，参考涝渍等级的气象行业标准并结合本地区涝渍发生的实际情况，a1、a2、a3的值分别取1、1、0.75。

1.2.3 夏玉米趋势产量的分解

影响作物最终产量形成的因素很多，一般把作物最终产量分解为趋势产量和气象产量，其中农业技术措施类包括施肥、经营管理、病虫害控制、品种改良以及其它增产措施等，它反映了一定历史时期的社会经济技术发展水平；相应的产量分量称为时间技术，简称趋势产量。而由于年际间气象条件的差异造成作物产量的波动，相应的产量分量称为气象产量。本文采用直线滑动平均法模拟趋势产量，该方法是将产量的时间序列在某个阶段内的变化看作线性函数，呈一直线；随着阶段的连续滑动，直线不断改变位置、后延滑动而反映产量历史演变趋势的连续变化；依次求取各个阶段内的回归模型，而各时间点上各直线滑动回归模拟值的均值, 即为其趋势产量值[27]。

y=yt+yw

(2)

式中，y为作物的实际产量，单位为kg/hm2；yt为作物的趋势产量，单位为kg/hm2；yw为作物产量的气象分量，又称为气象产量，单位为kg/hm2。

1.2.4 产量涝渍灾损风险指数

灾损减产风险指数[13]是指不同减产率与相应出现概率乘积的总和，是反映减产风险程度的一个指标，指数越大，风险就越大。玉米产量灾损风险指数(M)由3方面因素综合构成，其中产量灾损风险强度指数(Q)是灾损风险在强度上的表示；减产变异系数(Cv)可反映实际灾损的年际波动情况，是灾损风险振幅的体现；涝渍年发生概率(F)是涝渍在时域尺度上的度量；3者分别代表实际灾损风险发生的强度、幅度和频度，均与实际灾损呈正比。

玉米减产变异系数(Cv)指减产年(气象产量为负)玉米产量的波动情况。

(3)

采用概率分布函数计算玉米不同等级的减产强度及其发生概率，定义不同等级的减产强度与其发生概率之积的总和为灾损的风险强度指数(Q)。

(4)

式中,Ei为第i个涝渍等级的减产强度，共3个等级的涝渍减产强度，减产5%～10%为轻度，减产10%～20%为中度，减产20%以上为重度；Pi为第i个减产强度出现的概率。

基于产量减产序列获取因涝渍导致的减产年，并确定涝渍减产年发生概率(F):

(5)

式中,d为因涝渍导致的减产年数；D为统计的总年数，1971—2018年共48年。

则玉米灾损风险指数M的表达式为

(6)

2 结果与分析

2.1 夏玉米涝渍指数的时间变化特征

安徽省1971—2018年夏玉米全生育期涝渍指数多年平均值为0.239，全省平均值随年代变化呈显著上升趋势，其上升趋势为0.027/10a，通过α=0.1的显著性检验(图2)。

图2 1971—2018年安徽省夏玉米全生育期涝渍指数变化

全省分旬涝渍指数的时间变化特征不尽相同，其中6月上旬和8月上旬涝渍指数均呈明显的上升趋势，通过α=0.1的显著性检验，其余各旬变化不显著。其中涝渍指数最大的是6月下旬，其次是7月上旬和7月中旬，期间正值我省的梅雨期，降水较为集中，易发生涝渍害；涝渍指数最小的是9月中旬和9月下旬，期间受副热带高压控制，正值我省晴热少雨的时期，出现涝渍害的可能性也较低(表2)。

从夏玉米全生育期涝渍指数的年代际变化特征来看，20世纪70年代涝渍指数最小，20世纪80年代涝渍指明显增大，20世纪90年代涝渍指数有所减小，进入21世纪涝渍指数也是明显增大，其中20世纪80年代和21世纪分别为玉米涝渍指数的2个高值时期，这与夏玉米典型涝渍灾害年多发生在这2个时期的实际情况相吻合。随机选取了几个代表旬分析了其涝渍指数年代的特征，存在的共同的特征为20世纪70年代普遍为涝渍指数的低值区(表3)。

表2 1971—2018年安徽省夏玉米分旬涝渍指数及其变化特征

表3 1971—2018年安徽省夏玉米旬及全生育期各年代涝渍指数

2.2 夏玉米涝渍指数的空间变化特征

图3为安徽省1971—2018年各站点夏玉米全生育期涝渍指数的空间分布特征，全省各站点涝渍指数的变化幅度在0.08～0.38之间，其中大别山区、江南中东部和淮北局部是夏玉米涝渍指数的高值区(Qw>0.25)，淮北北部、江淮北部、沿江西部以及皖南南部是夏玉米涝渍指数的低值区(Qw<0.2)。

图3 1971—2018年安徽省夏玉米全生育期 涝渍指数空间分布

安徽省1971—2018 年各站点夏玉米分月涝渍指数空间分布特征显示：6月正值安徽省夏玉米的苗期生长阶段，全省自南向北陆续进入汛期，降水南多北少，涝渍指数呈明显的纬向分布特征，沿淮淮北地区涝渍指数普遍在0.05～0.15，其它大部分地区0.2～0.5，其中江南部分地区在0.5以上(图4a)；7月正值安徽省夏玉米的拔节抽雄期，也是夏玉米需水关键期，期间雨带北移，北部的涝渍指数普遍高于南部，沿淮淮北大部涝渍指数普遍在0.3～0.4，其他大部分地区普遍在0.1～0.3(图4b)；8月安徽省夏玉米普遍处于抽雄至开花吐丝期，涝渍指数普遍在0.1～0.4，南北差异不是很明显，2个高值区分别位于大别山区和皖南中东部地区(图4c)；9月安徽省夏玉米普遍处于灌浆至乳熟期，涝渍指数普遍在0.05～0.25，南部的涝渍指数普遍高于北部(图4d)。

2.3 夏玉米涝渍灾害等级指标确定

参考国家行业标准《冬小麦、油菜涝渍等级》[22]，结合因涝渍导致的夏玉米减产年，以各旬夏玉米涝渍指数(以两旬的平均值作为判别的依据)确定不同减产程度下的夏玉米涝渍等级指标；其中分别确定了各生育阶段的涝渍等级指标，将夏玉米涝渍分为轻度、中度、重度3级(表4)。

为了确定夏玉米涝渍等级指标在安徽省的适用性，对其进行了指标验证，同时为了排除其它灾害导致夏玉米减产的样本，通过统计年鉴并结合当年灾害实际发生的情况，对灾害年样本进行筛选，挑选出安徽省1981-2010年主要由涝渍引起减产的年份作为夏玉米涝渍灾损的样本，全省各县共计467个样本，对灾害评估指标(表5)进行检验。检验结果显示，计算得到的涝渍等级对应的减产率与实际由于涝渍灾害导致的减产率一致的比例为82.2%，其中中度涝渍样本达到一致的比例最高，为85.5%，涝渍等级与实际减产率相差1个等级的比例为15.2%，两者之和为97.4%，可以看出夏玉米涝渍灾害指标的评价结果与实际涝渍减产的结果较为一致。

表4 安徽省夏玉米涝渍等级指标

表5 1981—2010年安徽省夏玉米涝渍灾害评估指标检验结果

2.4 安徽省夏玉米产量涝渍灾损风险分布特征

图5 安徽省夏玉米产量涝渍灾损风险分布

基于产量灾损风险理论，分别计算安徽省各个站点的夏玉米产量涝渍灾损风险，采用ArcGIS中的克里格插值方法对各站的涝渍灾损风险指数进行插值，得到安徽省夏玉米产量涝渍灾损风险分布(图5)，可知安徽省夏玉米产量涝渍灾害损失的低风险区主要分布在淮北大部以及江淮的东北部地区，其值普遍在0.05～0.16;中风险区主要分布在沿淮中西部、江淮大部和沿江江南中西部地区，其值普遍在0.16～0.24;高风险区主要分布大别山区、江淮东部和江南东部地区，其值普遍在0.24～0.32，夏玉米产量涝渍灾损风险指数与夏玉米全生育期涝渍指数空间分布特征存在一定的差异，其中大别山区较为吻合，为涝渍指数的高值区和产量涝渍灾害损失风险的高值区，而江南中东部作为夏玉米全生育期涝渍指数的高值区，实际上仅江南东部为夏玉米产量涝渍灾害损失的高风险区，另外江淮东部为山地丘陵区，受地形等因素的影响，其也成为夏玉米产量涝渍灾害损失的高风险区，因此涝渍灾害风险的高低与当地海拔较高，土壤类型和当地的实际作物抗灾能力存在较大的关系。

3 结论与讨论

(1) 安徽省夏玉米涝渍的时空特征显示：夏玉米全生育期涝渍指数以0.027/10a的速率呈显著上升趋势，其中6月上旬和8月上旬上升趋势最为明显，涝渍指数的年代际变化总体呈现上升的趋势，仅90年代涝渍指数有所减小；涝渍指数的空间分布其值变幅在0.08～0.38之间，其中大别山区、江南中东部和淮北局部是夏玉米涝渍指数的高值区，分月的涝渍指数空间分布随着夏季雨带的南北摆动呈现出不同的特征。

(2) 根据国家气象行业标准《冬小麦、油菜涝渍等级》，结合安徽夏玉米全生育期涝渍发生特征，确定了安徽省夏玉米涝渍灾害等级指标；指标验证结果与实际因涝渍灾害而减产的结果较为一致，其中涝渍等级与实际减产率一致的比例为82.2%，一致和相差1个等级的比例大于95%。

(3) 根据夏玉米产量涝渍灾损综合风险指数将安徽省夏玉米划分为高、中、低3 个风险区，低风险区主要分布在淮北大部以及江淮的东北部地区；中风险区主要分布在沿淮中西部、江淮大部和沿江江南中西部地区，高风险区主要分布大别山区、江淮东部和江南东部地区。

由于作物灾害风险分析尚处在研究阶段，在风险评估指标的选择上，仅选择了灾损风险发生的强度、幅度和频度等常用的指标，有待作更深一步的研究确定更精细和更合理的风险评估指标；另外在确定渍指数等级分类指标时，存在很大的经验性，还需更进一步对指标进行验证，精确分类指标。