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Drought risk of summer maize in Huanghuaihai area, China.

黄淮海地区夏玉米生长季的干旱风险


干旱是对农业影响最大的农业气象灾害,进行干旱风险评估对于提升区域灾害风险管理和决策水平、减轻农业损失具有重要的指导意义.本文基于自然灾害风险理论,利用黄淮海夏玉米主产区69个站点的气象、夏玉米播种面积和产量数据,以及当地有效灌溉面积等数据,从灾害风险的危险性、脆弱性、暴露性和防灾减灾能力4个方面构建风险评估指标和模型,对黄淮海夏玉米主产区干旱灾害的风险进行评估分析.结果表明: 黄淮海地区夏玉米生长季(6—9月),干旱发生危险性最大的阶段主要是播种出苗期和乳熟成熟期,其中,河北中南部、河南西部和北部的危险性最大.经加权叠加脆弱性、暴露性和防灾减灾能力后,夏玉米干旱综合风险最大的地区主要分布在河南西部和西南部部分地区;其次是河南南部、河北沧州、邢台以及山东德州等地,属于次高风险区;风险低值区主要分布在山东南部、安徽北部和河南的信阳等地;其他地区属于中度风险区.

Drought is the greatest agrometeorological disaster. Risk assessment of drought is of great guiding significance to improve the regional risk management and decisionmaking level, and to further reduce agricultural loss. In this paper, drought risk of summer maize was analyzed according to natural disaster risk theory, using the data of weather, planting area and yield of summer maize, and local effective irrigation area of 69 stations in Huanghuaihai area. The assessing indices and models of drought risk were established from the aspects of danger, vulnerability, exposure, and disaster prevention and mitigation capacity. The results showed that, in Huanghuaihai area, the most dangerous periods for drought during summer maize season (June-September) were the following two stages: sowing to emergence and milky to maturity. Spatially, the highest drought risk was mainly distributed in central and southern  Hebei, western and northern  Henan. After weighting the vulnerability, exposure, and disaster prevention and mitigation capacity, the integrated highest drought risk was mainly distributed in the west and southwest of Henan Province. The subhigh risk area was distributed in the south of Henan, Cangzhou and Xingtai of Hebei, and Dezhou of Shandong. The lowest risk area was located in south of Shandong, north of Anhui, and Xinyang of Henan. The other areas were at moderate risk.


全 文 :黄淮海地区夏玉米生长季的干旱风险
薛昌颖1,2  张  弘1,2  刘荣花1,2∗
( 1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, 郑州 450003; 2河南省气象科学研究所, 郑州 450003)
摘  要  干旱是对农业影响最大的农业气象灾害,进行干旱风险评估对于提升区域灾害风险
管理和决策水平、减轻农业损失具有重要的指导意义.本文基于自然灾害风险理论,利用黄淮
海夏玉米主产区 69个站点的气象、夏玉米播种面积和产量数据,以及当地有效灌溉面积等数
据,从灾害风险的危险性、脆弱性、暴露性和防灾减灾能力 4 个方面构建风险评估指标和模
型,对黄淮海夏玉米主产区干旱灾害的风险进行评估分析.结果表明: 黄淮海地区夏玉米生长
季(6—9月),干旱发生危险性最大的阶段主要是播种⁃出苗期和乳熟⁃成熟期,其中,河北中南
部、河南西部和北部的危险性最大.经加权叠加脆弱性、暴露性和防灾减灾能力后,夏玉米干
旱综合风险最大的地区主要分布在河南西部和西南部部分地区;其次是河南南部、河北沧州、
邢台以及山东德州等地,属于次高风险区;风险低值区主要分布在山东南部、安徽北部和河南
的信阳等地;其他地区属于中度风险区.
关键词  干旱; 综合风险; 危险性; 脆弱性; 防灾减灾能力
Drought risk of summer maize in Huanghuaihai area, China. XUE Chang⁃ying1,2, ZHANG
Hong1,2, LIU Rong⁃hua1,2∗ ( 1 Key Laboratory of Agrometeorological Safeguard and Applied Tech⁃
nique, China Meteorological Administration / Henan Province, Zhengzhou 450003, China; 2Henan
Institute of Meteorological Science, Zhengzhou 450003, China) .
Abstract: Drought is the greatest agro⁃meteorological disaster. Risk assessment of drought is of
great guiding significance to improve the regional risk management and decision⁃making level, and
to further reduce agricultural loss. In this paper, drought risk of summer maize was analyzed accor⁃
ding to natural disaster risk theory, using the data of weather, planting area and yield of summer
maize, and local effective irrigation area of 69 stations in Huanghuaihai area. The assessing indices
and models of drought risk were established from the aspects of danger, vulnerability, exposure,
and disaster prevention and mitigation capacity. The results showed that, in Huanghuaihai area, the
most dangerous periods for drought during summer maize season (June-September) were the follo⁃
wing two stages: sowing to emergence and milky to maturity. Spatially, the highest drought risk was
mainly distributed in central and southern Hebei, western and northern Henan. After weighting the
vulnerability, exposure, and disaster prevention and mitigation capacity, the integrated highest
drought risk was mainly distributed in the west and southwest of Henan Province. The sub⁃high risk
area was distributed in the south of Henan, Cangzhou and Xingtai of Hebei, and Dezhou of Shan⁃
dong. The lowest risk area was located in south of Shandong, north of Anhui, and Xinyang of
Henan. The other areas were at moderate risk.
Key words: drought; integrated risk; danger; vulnerability; disaster prevention and mitigation
capacity.
本文由公益性行业(气象)科研专项( GYHY201006041)和国家科技支撑计划项目( 2012BAD20B04)资助 This work was supported by the
Special Fund for Meteorology⁃scientific Research in the Public Interest ( GYHY201006041 ) and the National Key Technology Support Program
(2012BAD20B04).
2015⁃09⁃08 Received, 2016⁃02⁃22 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: Liurongh@ 126.com
应 用 生 态 学 报  2016年 5月  第 27卷  第 5期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2016, 27(5): 1521-1529                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201605.017
    农业气象灾害是中国最主要的农业自然灾害,
约占全部农业自然灾害的 70%[1-2] .在未来气候变
化的情况下,风险也将越来越大,其风险评价和预测
研究越来越引起各国政策制定者和学者的关注.当
前农业气象灾害风险研究既是灾害学领域中研究的
热点,又是政府当前急需应用性较强的课题[1] .干旱
是对我国农业生产影响最为严重的农业气象灾害,
而且随着全球气候的变化,呈现出干旱区域不断增
大、干旱损失日渐加剧的趋势[3-4],因此,围绕不同
的粮食作物,开展干旱灾害的风险评估成为一项主
要的研究内容.黄淮海地区是中国重要的粮食生产
基地,也是中国最大的夏玉米集中产区,常年播种面
积占全国 40%以上[5] .近年来,该区夏玉米播种面积
和产量均呈现出逐渐增加的趋势,对保障全国粮食
安全起着重要作用.但该地区夏玉米生育期间气温
高、蒸发量大、降水分布不均、干旱灾害发生频繁,因
而,干旱是影响范围最大、造成产量损失最重的农业
气象灾害之一.如 1997年 7—8月,河南省全省性的
干旱造成一半播种面积以上的秋作物受旱,旱情严
重的洛阳和三门峡分别占到播种面积的 90%和
75%;1986年,河南遭遇历史上罕见的大旱,全省秋
作物受旱面积占 60%以上,重灾面积超过 180×104
hm2,另外 66.7×104 hm2绝收或基本绝收[6] .2014年,
河南再次遭遇 63年来最严重干旱,入汛后降雨量较
常年同期减少五成,严重者减少六到七成,这场百年
不遇的特大旱灾导致全省 21 座大型水库蓄水量锐
减近 1 / 3.根据农业部种植业管理司历史自然灾害数
据库显示,2014 年河南因旱受灾面积 180.93× 104
hm2、成灾 77.53×104 hm2、绝收 1.3×104 hm2[7] .因此,
开展黄淮海地区夏玉米干旱风险评估有助于提升该
地区灾害风险管理和决策水平,可减轻干旱灾害造
成的损失,对于保障区域乃至全国粮食安全具有重
要意义.
我国农业气象灾害风险评估经过 30 余年的发
展,取得了众多的研究成果.如王春乙等[1]对近 30
年来农业气象灾害风险评估方面所取得的研究成果
进行总结和评述,概括了我国农业气象灾害风险评
估发展的 3个阶段.由李世奎等[8]主编的《中国农业
灾害风险评价与对策》一书,较全面地展现了 20 世
纪 90年代我国农业气象灾害风险评估的研究成果,
此书以风险分析技术为核心,探讨了农业自然灾害
风险分析的理论、概念、方法和模型.21 世纪,我国
农业气象灾害风险评估进入以风险化、数量化技术
方法为主的研究发展阶段,在“十五”中国国家科技
攻关计划项目所属课题“农业气象灾害影响评估技
术研究”的推动下,取得了重要的研究进展[9],提出
了我国几种主要农业气象灾害风险评估的技术方
法[10],包括一年生农作物、多年生果树减产率序列
的构建技术[11-13],不同致灾因子、致灾指标序列的
构建技术,灾害风险估算模型的构建技术[14-15];致
灾损失(减产率)的风险评估技术[16-17],致灾指标的
风险评估技术[18-20],减灾措施降低灾害风险的评估
技术等[21];建立了主要农业气象灾害风险评估技术
体系,实现了区域灾害致灾强度、灾损、抗灾能力风
险的量化评估[22] .但这些研究只单独针对致灾因子
或承灾体进行单一的评估,不能反映农业气象灾害
风险产生机制.根据灾害风险形成机理,对农业气象
灾害风险进行综合评估已成为目前农业气象灾害风
险评估的主要趋势和发展方向.张继权等[23]在总结
相关研究成果的基础上,完善了灾害风险概念和形
成机制,提出了基于形成机理的综合灾害风险形成
理论,并将其引入农业领域,农业气象灾害风险评估
技术开始进入定量化、动态化方向发展阶段.自然灾
害风险分析理论认为,灾害的风险度主要由 4 个因
子构成,分别为灾害的危险性、暴露性、脆弱性和防
灾减灾能力,这 4 个因子的乘积可作为评价自然灾
害风险度的综合指标.该评价方法在中国自然灾害
风险评估中得到了广泛应用,并针对影响农业生产
的主要农业气象灾害,如干旱、洪涝、低温等灾害都
进行了研究和应用[24-29] .杨平等[30]基于该理论对黄
淮海地区夏玉米生长季的干旱危险性、敏感性和易
损性进行了评价,但其评估结果中没有考虑各地对
于干旱灾害的防灾减灾能力,随着农业基础设施条
件的不断改善,灌溉条件的差异已是影响干旱风险
的重要因子.此外,危险性评价指标的选取对于风险
评估结果也是至关重要,水分亏缺指数相对于降水
距平、标准化降水指数等评价指标对于评价农业干
旱更具有理论依据.本文主要依据自然灾害风险评
价理论,以水分亏缺指数、夏玉米播种面积占耕地面
积比例、灾年平均减产率、有效灌溉面积占耕地面积
比例作为评价指标,从灾害的危险性、脆弱性、暴露
性和防灾减灾能力 4 个方面构建风险综合评价模
型,对黄淮海地区夏玉米干旱综合风险进行定量化
评价.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
本研究区域在行政区划上包括河南和山东两省
2251 应  用  生  态  学  报                                      27卷
全部、河北省大部(除张家口和承德)、安徽省北部
以及北京、天津 2 个直辖市.在玉米种植区划中,该
区属于黄淮海夏玉米区,是我国最大的夏玉米种植
区,以冬小麦⁃夏玉米一年两熟轮作制为主.该区属
暖温带半湿润气候,年无霜期 170 ~ 220 d,降雨量丰
富,年降水量 500~800 mm,且 70%以上主要分布在
夏玉米生长季.由于该区处于黄淮海 3 条河流水系
下游,地上水和地下水资源都比较丰富,灌溉面积占
50%左右.由于本区气温高、蒸发量大、降雨过分集
中,导致夏玉米生育期内季节性干旱时有发生,对夏
玉米生产不利.
1􀆰 2  资料来源
本文所用数据主要为研究区域内各气象台站
1971—2010年逐日气象数据和 1981—2010 年农业
气象观测站夏玉米主要发育期数据,均来源于中国
气象局数据共享网.逐日气象数据包括降水、日照时
数、平均温度、最高温度、最低温度、平均风速、水汽
压.根据各台站气象资料的完整性,通过筛选确定 69
个站点(图 1).发育期数据主要包括夏玉米播种、出
苗、拔节、抽雄、乳熟和成熟的日期,主要用来确定不
同区域夏玉米平均生育期(表 1).此外,本文还用到
研究区域内 69个站点 1971—2010年夏玉米单产数
据,以及 2008—2012 年夏玉米播种面积、有效灌溉
面积和耕地面积数据,这些数据来源于各地的统计
年鉴.
1􀆰 3  干旱风险评估模型的构建
根据风险评估理论[23],区域自然灾害风险是由
自然灾害危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力 4
个因素相互综合作用而形成.危险性指气象灾害的
异常程度,主要由气象危险因子活动规模和活动频
次决定.暴露性指可能受到气象危险因子威胁的所
有人或财产,如人员、房屋、农作物等.脆弱性指在给
定危险地区存在的所有财产,由于潜在的气象危险
图 1  研究区域及气象站点分布
Fig.1  Study area and distribution of weather stations.
因素而造成的伤害或损失程度,其综合反映了自然
灾害的损失程度.防灾减灾能力表示受灾区在短期
和长期内能够从气象灾害中恢复的程度.本文主要
基于以上理论,选取并构建夏玉米干旱风险评价指
标及综合评价模型.
1􀆰 3􀆰 1危险性指数  用于干旱危险性评价的指标较
多,不同学者根据各自的研究目的选用的指标不同.
作物水分亏缺指数(CWDI)作为研究农业干旱的综
合性指标之一,它综合考虑了土壤、植物、气象 3 方
面因素的影响,能较好地反映各站点主要生长季作
物水分亏缺与农业干旱情况[31] .在应用中,考虑到
水分亏缺的累计效应及对后期作物生长发育的影
响,多计算累计水分亏缺指数,公式如下:
CWDIs,j =a×CWDI j +b×CWDI j-1 +c×CWDI j-2 +d×
CWDI j-3+e×CWDI j-4 (1)
式中:CWDIs,j为第 j 旬累计水分亏缺指数 (%);
CWDI j、CWDI j-1、CWDI j-2、CWDI j-3、CWDI j-4分别为第 j
旬、 j-1 旬、j-2 旬、j-3 旬、j-4 旬的水分亏缺指数
(%);a、b、c、d、e为权重系数,分别取值为 0.3、0.25、
0.2、0.15、0.1.各地可根据当地实际情况确定相应系
表 1  不同地区夏玉米主要发育阶段
Table 1  Main growing stages of summer maize in different areas
区域
Area
播种⁃出苗
Sowing⁃
emergence
出苗⁃拔节
Emergence⁃
jointing
拔节⁃抽雄
Jointing⁃
heading
抽雄⁃乳熟
Heading⁃
milky
乳熟⁃成熟
Milky⁃
maturity
北京、天津、河北中北部、山东北部
Beijing, Tianjin, mid⁃north of Hebei,
north of Shandong
6月中旬 6月下旬—
7月中旬
7月下旬—
8月上旬
8月中旬—
9月上旬
9月中旬—
9月下旬
河北南部、河南中北部、山东大部
South of Hebei, mid⁃north of Henan,
most part of Shandong
6月上旬 6月中旬—
7月上旬
7月中旬—
8月上旬
8月中旬—
8月下旬
9月上旬—
9月中旬
河南南部、安徽北部
South of Henan, north of Anhui
6月上旬 6月中旬—
7月上旬
7月中旬—
7月下旬
8月上旬—
8月下旬
9月上旬—
9月中旬
32515期                                薛昌颖等: 黄淮海地区夏玉米生长季的干旱风险         
数值.有关水分亏缺指数的详细计算方法参见文献
[31].
根据灾害强度风险评估原理,干旱致灾因子危
险性是水分亏缺指数等级及其出现概率的函数.将
夏玉米生育期划分为播种⁃出苗、出苗⁃拔节、拔节⁃抽
雄、抽雄⁃乳熟和乳熟⁃成熟 5 个阶段,各生育阶段干
旱危险性评价模型为:
Im =∑

i = 1
(CWDImi × Pmi) (2)
式中: Im 为夏玉米某阶段的干旱危险性指数;
CWDImi为水分亏缺指数;Pmi为相应水分亏缺指数出
现的概率;m 取值为 1、2、3、4、5,分别代表播种⁃出
苗、出苗⁃拔节、拔节⁃抽雄、抽雄⁃乳熟和乳熟⁃成熟 5
个生育阶段;i为水分亏缺指数等级;n 为水分亏缺
指数等级数.水分亏缺指数取值 0~1,按 0.05间隔进
行等级划分,计算不同等级出现的概率.
本文概率通过 Matlab 软件计算.首先利用 Mat⁃
lab统计工具箱的 Kstest 函数对各站点水分亏缺指
数的时间数据序列进行 Kolmogorov⁃Smirnov 检验,
确定数据序列是否符合正态分布,对不符合正态分
布的数据进行 box⁃cox 转换,将其转换为正态分布;
然后利用 Matlab 提供的正态概率分布函数计算不
同水分亏缺指数等级出现的概率.
不同生育阶段缺水对最终产量造成的影响不
同,故全生育期干旱危险性应考虑各生育阶段干旱
风险的权重系数.全生育期干旱危险性风险评估模
型为:
I =∑

i = 1
(ai × Ii) (3)
式中:I 为全生育期干旱危险性指数; Ii为播种⁃出
苗、出苗⁃拔节、拔节⁃抽雄、抽雄⁃乳熟和乳熟⁃成熟 5
个生育阶段的干旱风险指数;ai为各生育阶段危险
性权重系数,根据各阶段水分亏缺指数与产量的相
关关系来确定[32] .
首先根据各地夏玉米发育期确定各阶段起止时
间,分生育阶段计算水分亏缺指数(CWDI),然后再
用式(1)和(2)计算危险性指数.
1􀆰 3􀆰 2暴露性指数   夏玉米种植面积越大,意味着
该区域暴露于气象危险中的夏玉米越多,可能遭受
的潜在损失就越大,气象灾害风险越大[25] .本文选
取夏玉米播种面积占耕地面积比例作为承灾体暴露
性评价指标(E),计算公式如下:
E = 1
n∑

i = 1
(di / Di) (4)
式中:di为某县第 i年夏玉米播种面积;Di为当年总
耕地面积.考虑到历史上各地作物种植结构的变化
较大,且风险评价应更多针对各地当前实际生产条
件,本文在计算暴露性指数时,只选取能够反映当前
实际生产条件的近 5年(2008—2012 年)的数据,即
n= 5.
1􀆰 3􀆰 3脆弱性指数  脆弱性主要反映承灾体遭受灾
害后的损失程度,本文以夏玉米灾年平均减产率
(R)作为承灾体脆弱性评价指标.减产率指历年实
际产量通过产量分解获得的相对气象产量的负值百
分比.考虑到由于非灾害因素造成的产量年际的波
动,本文定义减产率在 5%以上的年份为灾年.灾年
平均减产率计算公式[17]为:
F = 1
n∑

i = 1
xi (5)
式中:xi为灾年减产序列的逐年减产率;n 为序列年
数.趋势产量分离采用直线滑动平均模拟方法[33] .
1􀆰 3􀆰 4防灾减灾能力指数  农业干旱的防灾减灾能
力主要体现在当地的灌溉条件和水平上,本文利用
有效灌溉面积占当地耕地面积的比例作为防灾减灾
能力指数(K),计算公式为:
K = 1
n∑

i = 1
(gi / Di) (6)
式中:gi为某县第 i年有效灌溉面积;Di为当年总耕地
面积.与暴露性指数类似,选取能够反映当前实际生
产条件的近 5年(2008—2012年)的数据,即 n=5.
1􀆰 3􀆰 5干旱综合风险指数  构建夏玉米干旱综合风
险指数之前,根据数据极差标准化方法[24],将危险
性指数、脆弱性指数、暴露性指数和防灾减灾能力指
数进行极差标准化.为确保标准化后数据非零,改进
计算公式如下:
Xs =(X j-S1) / (S2-S1)
S1 =(9Xmin-Xmax) / 8
S2 =(9Xmax-Xmin) / 8 (7)
式中:Xs为极差标准化后的数据;X j为原始数据;Xmin
为原始数据序列中的最小值;Xmax为原始数据序列
中的最大值.
在干旱风险评价各项指标中,危险性、脆弱性、
暴露性在干旱综合风险中起正效应,即危险性、脆弱
性、暴露性越高,风险越大;但防灾减灾能力在干旱
综合风险中起负效应,即某区域的防灾减灾能力越
强,干旱危险性、脆弱性和暴露性对灾害生成的作用
力就会受到一定抑制,从而可降低干旱的风险.考虑
到防灾减灾能力的反向作用力,构建综合评价模型
4251 应  用  生  态  学  报                                      27卷
如下:
R= IWl×EWE×FWF×K-WK
式中:R 为干旱综合风险指数;I、E、F、K分别为危险
性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力指数;WI、WE、
WF、WK分别为危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能
力对应的权重,表示各因子对形成灾害风险的相对
重要性,正值表示该指数对干旱综合风险的作用是
正效应,负值表示负效应.采用灰色关联法,通过分
析危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力指数与减
产率多年平均值的灰色关联度,从而确定各影响因
子权重[25] .
1􀆰 4  数据处理
根据各项指标的站点数据,利用 Surfer 11.0 提
供的克里金插值方法进行插值,获得各指标的空间
分布图,进行空间分布分析.
2  结果与分析
2􀆰 1  夏玉米干旱发生的危险性
由图 2可知,单从干旱发生的危险性看,较高的
阶段主要是播种⁃出苗期和乳熟⁃成熟期,危险性指
数分别在 0.13 ~ 0.63 和 0.16 ~ 0.58,其次是出苗⁃拔
节期,在 0.04 ~ 0.47,拔节⁃抽雄期和抽雄⁃乳熟期的
干旱危险性最小,分别为 0.02 ~ 0.21 和 0.09 ~ 0.27,
5个阶段区域平均危险性指数分别为 0. 38、0. 21、
0.10、0.18 和 0.32,呈现为先降低后升高的变化趋
势,这主要受夏玉米生长季降水时间变化规律的影
响.播种⁃出苗期和乳熟⁃成熟期分别是夏季降水的转
折时段,特别是播种⁃出苗期黄淮海地区气温上升
快、蒸发量大,但降水稀少,因此这一阶段经常发生
初夏旱,影响夏玉米的播种和出苗;而乳熟⁃成熟期,
雨季基本结束,降水减少,但夏玉米尚处于产量形成
后期,对水分还有一定需求,因此降水的自然变化和
作物生长发育规律造成播种⁃出苗期和乳熟⁃成熟期
两个阶段干旱发生的危险性偏高.从空间分布趋势
看,夏玉米干旱发生的危险性在前 3 个阶段具有较
明显的由东南部向西北部逐渐升高的变化趋势,即
河北大部、河南北部和西部危险性较高,山东东南
部、河南东部和南部、安徽北部等地危险性较低.抽
雄⁃乳熟期的干旱危险性空间分布略有变化,除河北
南部、河南北部和西部外,北京、天津以及安徽北部
的部分地区危险性也较高.乳熟⁃成熟期则基本表现
为由南向北逐渐升高的趋势,高危险性地区主要分
布在北京、天津以及河北的唐山、秦皇岛等地,河南
大部及山东部分地区危险性较低,这与降水由南向
图 2  黄淮海地区夏玉米各阶段干旱危险性指数分布
Fig.2  Distributions of danger index for different summer maize growing stages in Huanghuaihai area.
a) 播种⁃出苗 Sowing⁃emergence; b) 出苗⁃拔节 Emergence⁃jointing; c) 拔节⁃抽雄 Jointing⁃heading; d) 抽雄⁃乳熟 Heading⁃milky; e) 乳熟⁃成熟
Milky⁃maturity; f) 全生育期 Whole season.
52515期                                薛昌颖等: 黄淮海地区夏玉米生长季的干旱风险         
北、由东向西逐渐减少的变化规律一致.
由于不同阶段干旱对夏玉米产量的影响不同,
因此,全生育期干旱危险性需考虑各阶段危险性权
重,根据各阶段水分亏缺指数与产量的相关分析,确
定各阶段的权重系数分别为 0.15、0.10、0.30、0.35
和 0.10,据此得出研究区夏玉米全生育期的危险性
指数在 0.11 ~ 0.31,区域平均值为 0.20.从空间分布
上看,表现为由东南部向西北部升高的趋势,山东大
部、安徽北部、河南的西南部和南部危险性较低,在
0.2以下,河北中部和南部、河南的西部和北部危险
性较高,在 0.25以上.
2􀆰 2  夏玉米干旱发生的脆弱性
利用 1971—2010年社会历史产量资料,通过趋
势产量分离技术,计算得到各地灾年平均减产率,以
此为评价指标进行夏玉米干旱脆弱性评估,可以综
合反映一个地区品种的抗灾特性、土壤肥力水平、管
理水平等农业生产方面的差异(图 3).全区灾年夏
玉米平均减产率在 0.05~0.36.脆弱性高的地区主要
分布在河南西部和南部、安徽的西北部以及河北沧
州、山东北部等地,脆弱性指数在 0.15 以上,即灾年
平均减灾率在 15%以上,这些地区主要受当地气
候、土壤等自然条件影响,夏玉米生产稳定性较差;
脆弱性较低的地区主要分布在河南的北部、山东中
南部、河北中部和南部等地,脆弱性指数在 0.07 以
下,这些地区地处黄淮平原,是夏玉米主产区,高产
优质品种推广面积大,农业生产管理水平较高,抗灾
能力强,因此脆弱性较低;其他地区脆弱性指数在
0􀆰 07~0.15.
2􀆰 3  夏玉米干旱发生的暴露性
承灾体的暴露性即为夏玉米播种面积占当地耕
地面积的比例.从图 3可以看出,河北省除衡水邢台
部分地区夏玉米播种面积较小,在 50%以下,其他
大部地区均在 50%以上;河南的西部和北部夏玉米
种植面积所占比例较高,在 50%以上,东南部地区
比例较小,在 30%以下;山东省夏玉米种植面积比
例基本都在 30%以上,北部地区更高,在 50%以上;
安徽北部的大部地区夏玉米种植面积在 30%以下.
2􀆰 4  夏玉米干旱发生的防灾减灾能力
干旱的抗灾能力主要通过灌溉条件反映,根据
计算,全区防灾减灾能力指数为 0.16 ~ 0.99.从图 3
可见,黄淮海大部地区防灾减灾能力指数都较高,河
南北部和东部、山东西南部、河北中部和东北部地
区、安徽北部等地在 0.75 以上,说明这些地区 75%
以上的耕地面积都能进行有效灌溉;河南西部防灾
图 3  黄淮海地区夏玉米脆弱性(a)、暴露性(b)、防灾减灾能力(c)、干旱综合风险指数(d)分布
Fig.3  Distribution of vulnerability (a), exposure (b), disaster prevention and mitigation capacity ( c) and integrated drought risk
(d) of summer maize in Huanghuaihai area.
6251 应  用  生  态  学  报                                      27卷
减灾能力指数最低,在 0.20 以下,西南部和南部地
区也较低,在 0.50以下;其他地区在 0.50~0.75.
2􀆰 5  夏玉米干旱发生的干旱综合风险
根据夏玉米危险性、脆弱性、暴露性以及防灾
减灾能力指数,通过与减产率的灰色关联度分析,
得出各因子的权重分别为 0.2532、0.2016、0.2193、
0􀆰 3478.从各因子的权重可以看出,防灾减灾能力在
综合风险中所占权重最大,其次是干旱发生的危险
性,而暴露性和脆弱性相对较小.这与夏玉米干旱发
生的实际情况基本符合,在灌溉条件好的地区,即使
干旱发生的危险性大,但干旱综合风险仍会较小.在
此基础上,利用风险评估模型,进行黄淮海夏玉米干
旱风险综合评估.从干旱综合风险指数看(图 3),河
南西部地区干旱风险最高,综合风险指数在 0.75 以
上,主要是由于该地区危险性、脆弱性都较高,但是
防灾减灾能力又较弱;其次是河南西南部、南部和河
北沧州等地,综合风险指数在 0.50 ~ 0.75,主要是由
于脆弱性较高,同时防灾减灾能力较弱;低风险地区
主要分布在山东西部和南部、河北唐山和秦皇岛地
区、河南北部和东部、安徽北部等地,综合风险指数
在 0.35 以下,这些地区脆弱性低,防灾减灾能力又
较高;其他地区风险指数在 0.35~0.50.
3  讨    论
根据最近关于农业气象灾害风险评价的研究
看,基于自然灾害系统理论的风险评价方法已被大
多数学者所接受.该理论认为,在进行灾害风险评价
时,要综合考虑灾害的危险性、暴露性、脆弱性、防灾
减灾能力[23] .利用该理论,已有不少学者对不同地
区农业气象灾害风险评价进行研究[24-29] .但从研究
结果看,由于不同学者在构建评价模型时指标的选
取及其代表性、模型构建方法、指标权重等都各不相
同,且有的研究受所掌握数据资料的限制,只能考虑
到部分风险评价因子,尤其是有关社会经济属性方
面考虑较少,不同评估指标影响权重的确定等,仍缺
乏科学与量化的方法,造成即使针对同一研究区域
同一灾害,评估结果会有所不同[1] .作者将本文的分
析结果与已有的相关性较强的两个研究结果进行对
比.张文宗等[34]对河北省夏玉米干旱风险进行评
估,从选取的评价指标看,主要完成了干旱的危险性
和脆弱性评价,从其计算的河北省各市不同减产程
度的旱灾发生频数看,石家庄、邢台、衡水地区发生
频数最高,这些地区干旱的危险性在河北属于中高
值区,这与本文的分析结论基本一致;各地旱灾年份
的减产率在 5%~25%,石家庄和邢台在各地市中的
平均减产率最低,这与本文对脆弱性的分析结果也
比较一致.但本文的综合评估结果与杨平等[30]的分
析结论差异较大,从研究方法上看,主要是由于各自
选取的评价指标和构建的评价模型不同.在模型构
建上,本文考虑了各地因灌溉条件差异形成的防灾
减灾能力对干旱综合风险的影响.近年来,各地都在
不断加强高标准粮田建设,农田水利等基本设施不
断改善,灌溉条件得到加强,会大大降低干旱综合风
险.以河南省北部地区为例,尽管由于生长季降水较
少,干旱发生的危险性较高,但由于地处引黄灌区,
具有较完备的灌溉条件,干旱的防灾减灾能力较强,
因此该地区干旱综合风险相对较低,但在杨平等[30]
研究结果中,豫北大部地区属于中等风险区.本文由
于未考虑致灾环境敏感性因素,特别是土地利用类
型方面,导致一些山区也具有较高的风险性,这是本
文考虑不足之处.从危险性评价指标选取方面,由于
作物水分亏缺指数是一个综合指标,能够反映不同
时期降水对作物需水的满足程度,相对于单一的降
水指标,对农业干旱监测具有更好的适用性.
尽管自然灾害风险分析理论和技术已被全面引
入农业领域,农业气象灾害风险评估技术正逐步向
定量化、动态化方向发展,但由于不同研究者对灾害
风险的自然属性和社会经济属性的理解及侧重点不
同,在不同属性因子、指标因子选择及其权重分配、
评估模型构建以及等级划分等方面差异性明显,农
业气象灾害风险评估标准缺乏统一的规范[1] .
4  结    论
本文基于自然灾害风险评价理论,从灾害的危
险性、脆弱性、暴露性和防灾减灾能力 4 个方面,对
黄淮海夏玉米主产区干旱风险进行定量评价.以水
分亏缺指数作为致灾因子的危险性分析表明,黄淮
海地区夏玉米生长季干旱发生危险性最大的阶段主
要是播种⁃出苗期和乳熟⁃成熟期,河北中南部、河南
西部和北部的危险性最大.经加权叠加脆弱性、暴露
性和防灾减灾能力后,夏玉米干旱综合风险最大的
地区主要分布在河南西部和西南部部分地区;其次
是河南南部、河北沧州、邢台以及山东德州等地,属
于次高风险区;风险低值区主要分布在山东南部、安
徽北部和河南信阳等地,其他地区属于中度风险区.
本文的分析结果与已有结论存在一定差异,这主要
是由于各自选取的评价指标和模型构建方法不同,
这也是目前农业气象灾害风险评估研究中存在的普
72515期                                薛昌颖等: 黄淮海地区夏玉米生长季的干旱风险         
遍问题.在基础理论和技术方法不断完善的同时,建
立规范统一的农业气象灾害风险评估标准体系应该
成为今后研究的重点.
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作者简介  薛昌颖,女,1979 年生,博士,高级工程师. 主要
从事农业气象灾害及作物生长模型研究. E⁃mail: xuecy9@
163.com
责任编辑  杨  弘
薛昌颖, 张弘, 刘荣花. 黄淮海地区夏玉米生长季的干旱风险. 应用生态学报, 2016, 27(5): 1521-1529
Xue C⁃Y, Zhang H, Liu R⁃H. Drought risk of summer maize in Huanghuaihai area, China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016,
27(5): 1521-1529 (in Chinese)
92515期                                薛昌颖等: 黄淮海地区夏玉米生长季的干旱风险