地区冬小麦干旱风险分析研究

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1资料与方法

1.1资料选取

为了计算方便,各站冬小麦全生育期均取10月1日翌年6月10日。

1.2研究方法

1降水量负距平百分率:冬小麦全生育阶段的降水量与常年同期气候平均降水量的差值占常年同期气候平均降水量的百分率的负值,能直观反映降水异常引起的干旱,计算公式如下[20]:Pa=P-PP@100%1式中,Pa为冬小麦全生育期降水量负距平百分率%;P为冬小麦全生育期降水量mm;P为同期气候平均降水量mm。2作物水分亏缺率:冬小麦全生育期水分亏缺率为冬小麦全生育期自然供水量与需水量的差占需水量的百分比的负值,计算公式如下[20]:G=W-EE@100%2式中,G为冬小麦全生育期水分亏缺率%;E为冬小麦全生育期需水量mm;W为冬小麦全生育期自然供水量mm,它包括两部分:播种前土壤有效储水量W1和全生育期有效降水量W2近似取实际降水量,计算公式如下:W=W1+W23W1=播前N旬降水量总和-K@播前N旬可能蒸散量的总和一般选播种以前3个旬来计算土壤有效储水量即N=3,取K=0.1[21]。E=Kc@ET04式中,Kc为作物系数,全生育期取0.85;ET0为可能蒸散量mm,采用联合国粮农组织推荐的FAOPenmanMonteith公式[22]求得。3冬小麦减产率:采用逐年的实际产量偏离其趋势产量的相对气象产量的负值表示。计算公式[20]为:yw=y-ytyt@100%5式中,yw为冬小麦减产率%;y为冬小麦实际产量kg/hm2;yt为冬小麦趋势产量kg/hm2,采用直线滑动平均模拟方法计算[20]。4正态性检验与偏态分布正态化:本研究采用偏度系数、峰度系数检验样本序列是否遵从正态分布[23],对于不遵从正态分布的样本序列,采用一种简化的方法对样本进行正态化处理,即/偏态分布正态化0[24-25],经/正态化0处理的样本序列就可以视为/正态序列0,以新的均值和方差作为特征参数。5概率的估算:对/正态序列0选取正态分布模型的概率分布函数进行序列的风险概率估算[26]。6风险度:对风险的定量表达称为风险度。由于对自然灾害风险有不同的定义,相应风险度的表达也有一些差异[3],气象上对冬小麦生产干旱风险的评定常使用不同干旱强度与其出现概率的乘积的总和表示,表达式为:I=Eni=1PeiPi6式中,I为干旱风险度,其值越大干旱风险越高;Pei为以干旱指数划分的干旱等级;Pi为不同等级干旱发生的概率;n为干旱等级总数。

2结果与分析

2.1气候干旱风险分析

可能造成灾害的因素称为致灾因子,研究给定地理区域内一定时段内各种强度的致灾因子发生的可能性称为致灾因子风险分析[3]。对于冬小麦生产干旱风险分析而言,致灾因子即为气候干旱,致灾因子风险分析的任务就是估计各种强度的气候干旱发生的风险。1气候干旱风险度气候干旱是指某时段内,由于蒸发量和降水量的收支不平衡,水分支出大于水分收入而造成的水分短缺现象。降水偏少是形成干旱的首要条件,因此这里选取能直观反映降水异常引起干旱的降水量负距平百分率表示气候干旱。首先应用1式计算各站逐年冬小麦全生育期Pa,然后检验各站Pa序列是否遵从正态分布,对不符合正态分布站点的Pa序列进行正态化处理,最后根据正态分布密度函数计算各等级干旱出现的概率,代入6式即得到气候干旱风险度干旱等级见表1。2气候干旱风险区划根据计算的气候干旱风险度的大小,将其划分为四个等级:0~0.08为低风险区,0.08~0.16为中风险区,0.16~0.24为较高风险区,>0.24为高风险区见图1。注:张家口、承德不种植冬小麦,去除北京、天津。下同。Note:ZhangjiakouandChengdedon.tplantwinterwheat,andBeijingandTianjinisnotincludedinHebei.Theyarethesameinthefollows.图1河北省冬小麦气候干旱风险度分布Fig.1ThedistributionofclimaticriskofwinterwheatinHebei由图1可以看出,廊坊西北部和南部,沧州中东部,石家庄西南部和东南部的部分地区,邢台中部,以及唐山、衡水、邯郸三市的局部地区为气候干旱低风险区;高风险区主要分布在邯郸东南部和北部的个别站点;其它大部分地区为气候干旱中风险区或较高风险区。

2.2作物干旱风险分析

承受灾害的对象称为承灾体,根据给定的致灾因子强度推算承灾体的破坏程度称为承灾体易损性评价。对于承灾体冬小麦而言,气候干旱风险的大小是外在条件,是否会造成灾害,还应从冬小麦供需水状况考虑,评价冬小麦的易损性,即探讨作物干旱风险度。1作物干旱风险度作物干旱反映的是某一地区某一时段内降水与其多年平均值发生偏离的程度与所研究作物需水状况的不协调程度。作物水分亏缺率反映了土壤、植物、气象三方面因素的综合影响,能比较真实地反映出作物水分亏缺状况,是常用的作物干旱指数,因此应用作物水分亏缺率表示作物干旱强度。首先应用2式计算各站逐年冬小麦全生育期水分亏缺率,然后按照气候干旱风险度的计算步骤得到各站冬小麦全生育期作物干旱风险度干旱等级见表1。2作物干旱风险区划依据作物干旱风险度的大小,将其划分为四个等级:0~0.15为低风险区,0.15~0.30为中风险区,0.30~0.45为较高风险区,>0.45为高风险区见图2。图2河北省冬小麦作物干旱风险度分布Fig.2ThedistributionofcropdroughtriskofwinterwheatinHebei由图2可以看出,保定除西南和东南部的小部分地区为作物干旱较高风险区外,其它大部分地区为中风险区,唐山北部、沧州东北部、石家庄和邢台两市的局部地区、邯郸的西南和东南部也为中风险区,其它大部分麦区为作物干旱较高风险区,河北省冬麦区未出现低风险和高风险区。

2.3产量灾损风险分析

灾害损失评估是指评估风险区内一定时段可能发生的一系列不同强度自然灾害给风险区造成的可能后果。对冬小麦生产干旱损失评估而言,就是要探讨产量损失的风险大小,即产量灾损风险分析。1产量灾损风险度严格来讲,没有损失,就无所谓风险,对冬小麦生产而言损失就是指产量的减少。由于干旱是造成河北省冬小麦减产的主要因素,因此以冬小麦减产率表示干旱强度。首先,采用直线滑动平均模拟方法进行冬小麦趋势产量计算该模拟方法的优点在于不必主观假定产量历史演变的曲线类型,也可不损失样本年序列的年数,是一种较好的趋势模拟方法,然后根据5式计算各站逐年冬小麦减产率,最后按照气候干旱风险度的计算步骤得到各站产量灾损风险度干旱等级见表1,产量灾损风险度反映了干旱造成冬小麦产量灾损风险的大小。2产量灾损风险区划依据产量灾损风险度的大小,将其划分为四个等级:0.00~0.04为低风险区,0.04~0.08为中风险区,0.08~0.12为较高风险区,>0.12为高风险区见图3。图3河北省冬小麦产量灾损风险度分布Fig.3ThedistributionofyieldlossesriskofwinterwheatinHebei由图3可以看出,仅沧州东部为产量灾损高风险区,邢台西部、邯郸西北部、沧州中部为较高风险区,秦皇岛、唐山东北部、廊坊西北部、沧州西北部、保定、石家庄中东部的大部地区、衡水西部、邢台东北部小部分地区、邯郸中东部为低风险区,其它地区为中风险区。由以上分析可以看出,气候干旱风险、作物干旱风险、产量灾损风险各等级风险区分布无明显相关关系,气候干旱的低风险区与作物干旱、产量灾损的低风险区并不一致,产量灾损的低风险区多对应气候干旱的较高风险区。

2.4减灾决策分析

为减轻自然灾害的损失或影响程度而采取的对策称为减灾对策。对冬小麦而言,灌溉是防御、减轻干旱的主要农业生产措施,产量水平反映了一个地区农业生产水平和抗御灾害的综合能力。冬小麦减产率反映了气象条件年际间的差异对产量的影响,在大气候环境下,某一地区的光温资源是相对稳定的,降水的波动是影响气象产量的重要因素,但灌溉是河北省土壤水分的另一主要来源,其对减产率的影响很难与降水分离开来,因此以冬小麦减产率为干旱指数得到的产量灾损风险度,对各地的灌溉情况有一定的反映。下面依据河北省冬小麦产量灾损风险度分布讨论减灾对策。高风险区:产量灾损高风险区位于沧州东部,范围较小。该区年降水量540~570mm,冬小麦全生育期降水量132~136mm图略,是自然降水较多的区域,为气候干旱风险低值区;但自然降水远不能满足冬小麦生长需求,差额部分只能靠底墒和灌溉补充,为作物干旱风险的中风险或较高风险区;该区灌溉条件较差,水资源严重亏缺,有效灌溉面积不足30%,主要依靠自然降水,因此该区产量低而不稳定,减产幅度大,是产量灾损的高风险区。本区减灾对策应以防旱为主,采取一系列保墒措施,提高自然水分利用率,还可采用化学措施抗御干旱。较高风险区:产量灾损较高风险区位于邢台西部、邯郸西北部、沧州中部,范围相对较小。该区年降水量520~540mm,冬小麦全生育期降水量128~152mm图略,也是自然降水较多的区域,气候干旱为中低风险区;由于河北省冬小麦全生育期降水量大部地区为110~162mm,自然降水仅相当于冬小麦需水量的1/4~1/5,均不能满足冬小麦生长需求,因此作物干旱风险大部冬麦区为较高风险区;该区有一定的灌溉条件,部分麦田为纯旱地,无灌溉条件,灌溉率一般30%~50%,因此该区产量受天气影响较大,干旱造成的产量损失在全省处于较高风险区。本区减灾对策应以抗旱防旱为主,除采取必要的保墒措施外,应加强农田水利基本建设,改善灌溉条件,扩大保浇地面积,改造纯旱地为可浇地,提高该区抗御干旱的能力,保证冬小麦稳产高产。中风险区:产量灾损中风险区位于唐山西南部、廊坊北部和南部的中东部、沧州中西部、衡水中东部、石家庄西部和西南部、邢台中部、邯郸西南部和中部的一部分地区。该区年降水量和冬小麦全生育期降水量分布差异较大,年降水量有的地区多达680mm,有的地区不足500mm,全生育期降水量多的地区158mm左右,少的128mm左右,包括气候干旱的各等级风险区;由于该区生产条件的改善,灌溉率一般达到50%~75%,增强了农业抗御干旱灾害的能力,是产量灾损的中风险区。低风险区:产量灾损低风险区位于秦皇岛、唐山东北部、廊坊西北部、沧州西北部、保定、石家庄中东部的大部地区、衡水西部、邢台东北部小部分地区、邯郸中东部。该区除东北部麦区唐山、秦皇岛年降水量和冬小麦全生育期降水量相对较多外,其它大部地区均为河北省降水量较小的区域,气候干旱为中度以上风险区;但该区是河北省灌溉条件最好的地区,灌溉率一般在75%以上,部分县达到99.98%,这使该地区防旱抗旱能力大大增强,是产量灾损的低风险区。中低风险区的减灾对策应以发展优化灌溉制度为主,建立根据冬小麦需水特点、土壤水分供应特征和降水情况的灌溉量预报系统,确定冬小麦适宜灌溉时期和灌溉量,并配合其它节水保墒综合技术,在提高冬小麦产量的同时,减少灌溉用水量,实现节水高产。

3结语

1河北省冬麦区气候干旱风险以中风险或较高风险为主,低风险和高风险区域相对较小;作物干旱风险以较高风险为主,无低风险和高风险区;产量灾损低风险区范围较大,其次为中风险区,较高和高风险区范围较小。2气候干旱风险、作物干旱风险、产量灾损风险各等级风险区分布无明显相关关系,气候干旱的低风险区与作物干旱、产量灾损的低风险区并不一致,产量灾损风险与各地的灌溉条件关系密切。3根据产量灾损风险区划结果,提出了不同风险区应采用的减灾对策。高风险区应以防旱为主,提高自然水分利用率,还可采用化学措施抗御干旱;较高风险区应以抗旱防旱为主,应加强农田水利基本建设,改善灌溉条件,提高该区抗御干旱的能力,保证冬小麦稳产高产;中低风险区的减灾对策应以发展优化灌溉制度为主,确定冬小麦适宜灌溉时期和灌溉量,并配合其它节水保墒综合技术,在提高冬小麦产量的同时,减少灌溉用水量,实现节水高产。

本文作者：康西言李春强代立芹工作单位：河北省气象与生态环境重点实验室