河南省冬小麦干旱指数特征分析及风险评估

颜玉倩 何赵祥睿 朱克云

摘要：为了研究干旱对河南省冬小麦产量形成的影响，准确评估干旱造成的危害程度。笔者利用河南省气候资料、冬小麦产量资料，商丘灌溉资料分析冬小麦完成各发育期的气象条件，利用Z指数等方法，讨论冬小麦干旱的时空分布特征，并对河南省冬小麦干旱风险区划。结果表明：（1）河南省冬小麦丰年和歉年降水条件东西部差异较大，当东部（西部）全生育期降水>263 mm （284 mm）时，降水条件有利于冬小麦生长和产量形成；（2）在时间分布上，1965—2014年河南省Z指数呈下降趋势，趋于干旱；空间上呈自西北向东南减少趋势；（3）河南省干旱风险呈自西向东逐渐减小的分布特征。

关键词：冬小麦；干旱指数；Z指数；风险区划；风险评估；河南省

中图分类号：S423文献标志码：A论文编号：cjas20190400017

Winter Wheat in Henan： Drought Index Characteristics and Risk Assessment

Yan Yuqian1，2， He Zhaoxiangrui2， Zhu Keyun2

（1Qinghai Institute of Meteorological Science/Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Qinghai Province， Xining 810001， Qinghai， China；2College of Atmospheric Science， Chengdu University of Information Technology/ Key Laboratory of Plateau Atmosphere and Environment in Sichuan， Chengdu 610225， Sichuan， China）

Abstract： To study the effect of drought on winter wheat yield， evaluate the damage caused by drought， based on data of climate and winter wheat yield of Henan Province， as well as the irrigation data of Shangqiu， we analyzed the meteorological conditions of winter wheat during each development period， and discussed the spatio-temporal distribution characteristics of winter wheat drought by Z index， and carried out the drought risk zoning of winter wheat in Henan. The results showed that： （1） the precipitation conditions of winter wheat in abundant and poor years in Henan varied greatly from east to west， the precipitation >263 mm （284 mm） during the whole growth period in the east （west） was conducive to the growth and yield of winter wheat； （2） in terms of time distribution， Z index showed a downward trend in Henan during 1965-2014， tending to drought； in terms of space， it showed a decreasing trend from northwest to southeast； （3） the drought risk in Henan was decreasing gradually from west to east.

Keywords： Winter Wheat； Drought Index； Z Index； Risk Zoning； Risk Assessment； Henan

0引言

河南省是中國冬小麦的主产区，在全国夏粮种植中占据重要位置，其产量的高低直接影响到中国夏粮的丰欠；近年来，随着农业种植技术的提升和农业机械化的推进，冬小麦的产量有了明显的提高[1-3]。但干旱作为河南省最主要的灾害之一，具有出现频率高、持续时间长、影响范围广特点，仍然制约着冬小麦的生产。而干旱的预测与预警，是降低冬小麦干旱损失的重要预防手段。因此，冬小麦的风险评估就显得尤为重要，较好的风险评估可以提升防范意识，采取人工增雨、引水灌溉等措施以降低干旱对冬小麦未来的影响。

目前，进行农业气象灾害风险评估的方法主要有风险指数法、GIS、信息扩散、主成分分析、综合定权等几种方法[4-9]。康西言等[4]选取3种干旱指数，根据自然灾害风险分析的基本原理，计算了气候干旱、作物干旱、产量灾损3种风险度，并进行了相应的风险区划；李军玲等[8]选取冬小麦晚霜冻有害积寒和频度（危险性）、冬小麦种植面积（暴露性）、灌耕比和单位提灌面积机井数（脆弱性）等风险评价指标建立风险评价体系，应用ArcGIS进行栅格计算，得到河南省冬小麦晚霜冻风险区划图；李亚春等[5]在确定了致灾因子和致灾指标后，采用灰色关联分析方法，构建了综合气候产量减产率和低温冻害指标的冬小麦低温冻害风险定量评估指数模型，将江苏省划分为高风险区、中风险区和低风险区。

根据前人的研究，有的风险评估模型并不是很完整，缺少某部分因素如敏感性或抗灾性；还有一些模型各因素的关系较模糊，如将敏感性从脆弱性中剥离出来，置于与脆弱性同等的地位。而本研究将采用章国材的风险评估体系[10]，该体系中，自然灾害的风险是由危险性和易损性组成，而易损性又分为物理暴露和脆弱性，脆弱性又可以进一步分为敏感性和抗灾性。不仅计算简单，而且物理含义明确，并与实际情况吻合。

选择合适的冬小麦干旱指数既是风险评估体系的基础，又能准确分析农业干旱的时空分布特征[11-12]。目前的农业干旱指数较多，这些指数既有单指标，又有复合指标[11-14]，然而有些指数或计算复杂或所需的资料不易获取，因而使用起来有一定的困难，不利于推广到干旱特征分析和预测业务中，另一方面每种指数均存在一定的使用限制，因而不一定适用于河南省冬小麦干旱。基于以上考虑，本研究在选择干旱指数时同时考虑了降水距平百分率、Z指数和水分盈亏率，分析比较以上3种指数对河南省冬小麦干旱的适用性，并在此基础上建立冬小麦干旱风险模型，以期为河南省冬小麦干旱的发生和防治提供气象决策依据。

1资料与方法

1.1资料

气候资料来源于中国气象科学数据共享网753站地面观测资料（V2.0），1951—2014年逐日的气象数据（包括降水量、平均氣温、日照时数等）。1980—2014年河南省15站冬小麦的资料包括冬小麦发育期时间、单产量、总产量、种植面积（15个站点分布如图1所示）。商丘市2008—2014年灌溉资料由中国农业科学院农田灌溉研究所和河南商丘农田生态系国家野外科学观测研究站提供，包括观测点的灌溉时间、灌溉量和单产量。

1.2方法

1.2.1冬小麦产量分离将冬小麦的单产量（kg/×103hm2）分解为3部分，分别是趋势产量、气象产量和随机“噪音”[4]。可用公式（1）表示。

1.3统计分析

采用Excel、Origin软件进行数据处理与分析。

2结果与分析

2.1丰歉年冬小麦气象条件对比

根据河南省冬小麦发育期的划分，及公式（2）～（3），定义相对气象产量为正的是丰年为负的是歉年，挑选出各个市的丰年和歉年。对比得出河南省冬小麦的丰年和歉年的气象条件的差别，如表1所示。

由表1可知，丰年的积温比歉年的积温略高，但并不明显；丰年和歉年各发育期的日照时数相差也不大，说明温度和日照并不是影响冬小麦产量的主要因素。并分析出丰年全生育期的降水量比歉年略大；丰年降水偏多的特征突出出现在播种—出苗、返青—拔节、抽穗—开花阶段，表明在这些发育阶段的降水偏多有利于冬小麦的生长和产量形成。由于河南省地形呈西高东低，北、西、南三面太行山脉、伏牛山脉、桐柏山脉、大别山脉沿省界呈半环形分布，不同地形将造成降水的差异较大，为了详细对比河南省东西部丰歉年降水条件的差别，以新乡所在的经度为界（具体见图1虚线所示），将河南省分为东部和西部（新乡为东部），表2给出了东西部丰歉年发育期降水量，由表得出：河南省西部丰年各发育期的降水都多于歉年，而河南省东部丰年除播种—出苗、返青—拔节外，其他所有发育期的降水都比歉年少。一方面这充分反映了河南省西部冬小麦干旱对降水更加敏感，降水越多对冬小麦的生长越有利。另一方面，经过当地调查表明，东部地势较为平坦，灌溉较为便利，因而充分的灌溉使得东小麦对降水的敏感性降低，当降水偏多时反而会使冬小麦减产。河南省东部全生育期降水>263 mm、西部全生育期降水>284 mm，全省全生育期降水>274 mm时有利于冬小麦生长和产量形成。

2.2河南省冬小麦干旱指标

2.2.1冬小麦干旱指标的选取对15个市的冬小麦单产用三次多项式拟合，把结果作为各地的冬小麦的趋势产量。并计算出气象产量和相对气象产量。用Z指数与相对气象产量做相关分析。根据（5）式计算得出各个地区每一年的Z指数值，表3给出Z指数距平与相对气象产量的相关系数。

从表3可以看出，Z指数距平与相对气象产量相关系数河南省东西部站点差异较为明显，西部站点要明显高于东部站点。首先选取通过了95%显著性检验的切相关系数最高的2个站洛阳和南阳，这是因为它们受干旱的影响最为显著，且分别位于河南省北部和南部并基本处于同一经度，因而对整个河南省西部的代表性较强。对洛阳和南阳冬小麦干旱指标距平与相对气象产量做线性回归（见图2）。

求出不同Z指数负距平百分率对应的减产百分率的值；取两地的减产百分率平均值，作为划分冬小麦干旱等级的指标，如表4。

农业上，规定干旱的等级为：减产<10%的为轻旱，减产为10%～20%的为中旱，减产20%～30%的为重旱，而减产>30%为严重干旱[16]。从表4中可以得到冬小麦干旱等级指标，如表5所示。由于表4中并未出现减产30%的情况，所以只给出3个干旱等级。

上述指标比较针对灌溉较少的河南西部地区，那么该指数是否对灌溉较好的东部地区是否同样适用呢？河南省东部的一些站点Z指数距平与相对气象产量相关系数出现了负值，出现负值是否合理？因此在考虑了灌溉的基础上，一方面检验Z指数的可用性，另一方面选择一个考虑灌溉、适用于东部地区的指标。由于灌溉资料获取的限制，本研究以商丘为例，定义冬小麦水分盈亏率W[17]为（6）。

Yr和W的相关系数为-0.558，能通过95%的显著性检验。式（7）中冬小麦水分盈亏率W和相对水分产量Yr′是负相关，当冬小麦水分盈亏率为负，冬小麦产量反而越高。这可能是由于河南省东部的灌溉比較充分，水分过多反而不利于冬小麦生长。这与以上的结论均是一致的，表明Z指数可用于整个河南省，而用水分盈亏率作为灌溉地区的指标适用性更强。

2.2.2 Z指数时空分布特征图3给出了全省、东部和西部的1965—2014年Z指数的时间变化序列。由于Z指数反映了某地干旱的程度，所以根据图3a可以看出Z指数Z指数在1965—2014年期间呈下降趋势，河南省的干旱日趋严重，干旱对小麦的产量的影响日益加深。对比图3b和图3c，可以看出河南省东部Z指数和西部的指数均呈下降趋势，但东部的下降趋势更明显，说明在过去50年东部干旱加重的速度比西部更快。此外，东部平均的的Z指数略大于西部，表明东部的干旱更为显著。图3d给出对每个站点1965—2014年的Z指数平均。

从图4中可看出，河南省Z指数从西北向东南逐渐升高，表明河南省西北部较为干旱而在东南部相对较为湿润。其中，安阳、焦作和三门峡的Z指数较低，而信阳、驻马店的Z指数最高。

2.3冬小麦干旱风险评估

冬小麦干旱风险评估模型分为4个组成因素，分别是危险性、物理暴露、敏感性和抗灾性。危险性用Z指数的倒数衡量，干旱的风险大小是和降水量有关的，降水越多（少），干旱越弱（强），因此用Z指数可以表示危险性的大小。物理暴露用冬小麦的种植面积表示。敏感性用Z指数与冬小麦相对气象产量的相关系数表示，它衡量的是冬小麦产量与降水的关系，若相关系数的绝对值越大（小），表示冬小麦产量对降水的变化敏感性越强（弱）。抗灾性用冬小麦单产的线性增长率表示，反映科学技术的进步使产量提高，也是灾害抵抗能力的提高。综上所述冬小麦干旱风险如式（8）。

2.3.2物理暴露分析用冬小麦的种植面积的年平均值表示冬小麦受灾的物理暴露，如式（10）。根据各地的冬小麦种植面积得到图5b。图中冬小麦的物理暴露总体来说是由东南向西北减小。物理暴露最大的是周口、南阳；最小的是鹤壁、三门峡。这表明河南省东南部种植小麦的面积较大，而在河南省西北部种植小麦较少。当有干旱发生时，若都遭受同等程度的旱灾，那么河南省东南方的受灾比西北方更严重。

2.3.4抗灾性分析用冬小麦产量的线性增长率表示当地冬小麦的抗灾性，如式（12），这是对冬小麦的历年单产用最小二乘法计算得到的。将求得的各地冬小麦产量线性增长率插值，得到图5d。图中冬小麦干旱抗灾性最小的是郑州和洛阳，最大的是驻马店和许昌。整个河南省的抗灾性大致是自西向东增加的。这与河南省东部的灌溉水平较高，而河南省西部的灌溉较少的事实是吻合的。此外，河南省西部多山区、丘陵，而河南省东部是广阔的平原，且水系发达，因此河南省东部比西部更利于冬小麦的生产。

根据刘荣花等的研究[18]，风险指数>0.5为灾损风险高值区，风险指数为0.3～0.5为灾损风险中值区，风险指数<0.3为灾损风险低值区。由图6可得，洛阳和南阳的风险指数最高，它们周围是险高值区；三门峡和河南中部接近，为险指数中值区；河南省东部是风险指数低值区。伏牛山以东，风险指数逐渐减小，近似呈经向分布。其中最低的是濮阳市和安阳市，商丘市也较小。

结合河南省的地形（见图1），可以看出在伏牛山东部的一片区域风险指数值最高，这可能与干热风或背风坡的干空气下沉增温有关[19]。伏牛山的一部分在三门峡境内，但风险并不高，这又证实了伏牛山背风坡和高风险有关。河南省东部地势平坦，灌溉充分，这些条件都利于冬小麦的种植和生长，因此河南省东部的风险指数低，而且其冬小麦单产比西部更高。根据河南省的干热风资料，郑州、平顶山和南阳的干热风次数是最多的，这与风险区划的结果是一致的，这说明风险高值区也多干热风，其他的研究也证实了这一点[20]。

3结论与讨论

（1）Z指数指标可用于河南省冬小麦干旱评价，在时间分布上，河南省东部和西部的Z指数均呈下降趋势，但东部的下降趋势更明显，说明在过去50年东部干旱加重的速度比西部更快；在空间分布上，河南省Z指数从西北向东南逐渐升高，表明河南省西北部较为干旱而在东南部相对较为湿润。根据各地的干旱风险指数区划，河南省冬小麦干旱风险总体为自西向东逐渐减小。伏牛山东部为风险高值区，其中洛阳、南阳的干旱风险最大；河南省西部和中部为风险中值区，东部为风险低值区。当东部（西部）全生育期降水>263 mm（284 mm）时，降水条件有利于冬小麦生长和产量形成。

（2）本研究采用章国材的风险评估体系，用Z指数的倒数、冬小麦种植面积、指数和冬小麦气象产量的相关系数、冬小麦单产的线性趋势分别代表风险评估体系中的危险性、物理暴露、敏感性和抗灾性。风险区划和评估的效果较好，该方法中，干旱风险是由危险性和易损性组成，而易损性又分为物理暴露和脆弱性，脆弱性又可以进一步分为敏感性和抗灾性；不仅计算简单，而且物理含义明确，并与实际情况吻合。

（3）冬小麦干旱评价指標的选取时，选用Z指数与相对气象产量的相关模式，该指标针对灌溉较少的河南西部地区效果很好，而河南省东部的一些站点Z指数距平与相对气象产量相关系数出现了负值，那么该指数是否对灌溉较好的东部地区是否同样适用呢？出现负值是否合理？因此在考虑灌溉的基础上，一方面检验Z指数的可用性，另一方面选择一个考虑灌溉、适用于东部地区的指标冬小麦水分盈亏率W和相对水分产量是负相关，当冬小麦水分盈亏率为负，冬小麦产量反而越高。这可能是由于河南省东部的灌溉比较充分，水分过多反而不利于冬小麦生长。这与本研究整体结论一致，表明Z指数可用于整个河南省，而用水分盈亏率作为灌溉地区的指标适用性更强。

（4）本研究较为详细地分析了河南省气象干旱对冬小麦产量的影响，但仍存在一些问题，例如仅使用了河南省的15个点，样本数量较少，且冬小麦产量资料的时段也不是很长。因此，结果存在一定的误差，还需要在今后的工作和实际服务当中进一步的验证和完善。

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