全 文 ：第 11卷 第 4期
2 0 0 3年 1 0月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．11 NO．4
oct．， 2003
宁夏南部山区小麦干旱监测与灾损评估模型研究
刘 静 王连喜 马力文 武万里 孙银 川
(宁夏气象防灾减灾重点实验室 银川 750002)(宁夏银川市气象局 银川 750002)
摘 要 研究计算 了宁夏 回族 自治区南部 山区 1961～2000年参考作物蒸散量，并利用 FAO提供 的山区小麦 K
值和历年小麦生育期资料模拟历年逐旬小麦需水量。通过土壤水分平衡方程各分量 的订正，求算 出历年小麦生长
期间实际耗水量和水分满足率，运用包络产量和作物水分生产函数建立 了小麦单产干旱监测与灾损评估模 型，应
用 效 果 良好 ，可 满足 监 测 与灾 损评 估 需 要。
关 键词 干 旱 监测 灾损 评估 模 型
A loss estimation model and drought monitoring of wheat in mountainous areas of South Ningxia．LIU Jing，W ANG
Lian—Xi，MA Li—Wen(Ningxia Main Laboratory for Preventing Meteorological Disaster，Yinchuan 750002)，WU Wan—Li，
SUN Yin—Chuan(Yinchuan Meteorologica1 Bureau，Yinchuan 750002)，CJEA ，2003，11(4)：143～147
Abstract In this paper，the daily ET0and ETcare calculated using K and FAO—PM from 1961 to 2000，and the evapo—
transpiration in every 10 days of wheat is estimated by the soil water balance equation．The real water consumption，as well
as the degree of the water consumption and requirements of wheat during the growing Season are established by using the
soil water balance equation and means of correcting leakage of soil water and flow of precipitation every year．Based on this
work，a loss estimation method on monitoring drought and estimating yield loss of wheat is established using functions of
crop growth water and max limit of yield．The results show that the effects is satisfied and suitable for monitoring drought
and estimating yield los of wheat on mountainous areas of south Ningxia．
Key words Drought，Monitor，Mod e1 of estimation yield 1OSS
宁夏 回族 自治 区南 部 山区位 于黄土高原北部 ，十年九旱 ，产 量低 而不稳 ，制 约 了当地农 业 的发展 。本研
究综合分析了造成该区旱灾的降水 、土壤水分条件和产量表现等，模拟建立了小麦单产干旱监测与灾损评估
模 型 ，为旱 灾监测 与产 量灾损评 估提供理论 依据 。
1 研究方法
1．1 干旱历史产量损失的确定
以 1971-2000年宁夏回族 自治区固原县小麦平均单位面积产量序列为例 ，将产量以固海扬水工程建设
前后分为 2段并分别模拟趋势产量 ，即 1971～1981年 ：
YⅣ = 11．364t+ 569 (1)
1982～ 2000年 ：
YⅣ = 6．479t+891．38 (2)
上包络产量 ：
Y上 = 591．781807+ 62．402162t一 1．395672t + 0
． 013439t (3)
下包络产量 ：
y下 = 3．724894 + 74．242869t一 2．514278t + 0．025581t (4)
由于固原地区干旱发生频率高，其作物趋势产量仍受干旱影响 ，且近年来气候带来的产量波幅呈渐增趋
势。陈素华 等提出将最优气候条件下期望产量作为上包络产量 ，本研究将最恶劣气候条件下受当地生产
力和投入水平及作物遗传特性所决定的基础产量作为下包络产量 ，二者之差表示由气候因素引起的产量波
动 区间(见 图1)，并对南 部 山区各 县采 用相对 于当地平均 气候状 况 的相对 趋势 产量 (y
相对)，分别计算相对于
*宁夏科技厅“宁夏主要农业气象灾害监测与灾损评估”项 目资助
收稿 日期 ：2002—10—31 改回日期：2002—11．31
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144 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
I
奎t
＼
捌
产百分比(y减)和相对于最干旱状况理论相
用土壤湿度测点资料求算产量 ，用相似外
年 产量 和因灾减产百分 比 ，利用 当地 基础 产
产量损失和经济损失 ，从而弥补土壤湿度和
不 足 。
年序( 971年， ) 旱地作物产量与水分供应有直接关系，土壤水分平衡方程为：
图l 固原县小麦单产趋势 盯 = +矾 = 1一 +P+(1一r) ：尺一G +Gf(5)
Fig· Yi Id tends of wheat in Guyuan Co““ty 式中，ET为农 田蒸散量，ET 为作物蒸腾量 ，ETo为土壤蒸发
量，Ⅳ。、w：分别为某时段开始和结束时一定土层土壤容积贮水量，，一为平均径流系数， ：R为某时段累计
降水量 ，G 、G十分别为水分下渗量和毛管水上升量 ，P为灌溉量。旱地土层足够深时 G 和 G十可忽略不
计 ，即 ：
ET=W1一W2+(1一r)>：R (6)
当土层>im时 Ⅳ 、Ⅳ 尚未达到产生渗漏的土壤持水量，一般观测站小麦土壤湿度测定深度为 0～
50cm，则不能忽略渗漏。采用逐 日降水资料 ，渗漏项可折算 ，即若 1次降水过程降水量 (R )减去径流后
> 0～ 50cm土层 田间持水量 (w )与 降雨前 土壤贮水量 (w )的差 ，则渗漏 (G )为 ：
G = (1一 ，一)R 一(Ⅵ — w。 ) (7)
同样毛细管上升水的补给也不容忽视，但若每旬测定土壤湿度 ，间隔时间较短，而计算小麦等作物某 阶
段实际蒸散量时对每甸进行累加，则该旬下渗量(G )在其后几旬中上升至0～50cm土层内并通过土壤湿
度反映出来 ，因而计算旬蒸散量时虽未考虑毛管水上升量，但进行旬累积时包含了大部分毛管上升水，某旬
农 田蒸散量(ET，)可表示为：
ET =10∑ 7ajh ( H一 )"4-P"4-(1一，一)∑R—G (8)
J 1
其 中：
一 —
G =(1一，一)R 一[10∑ ^( 一 H)] (9)
式 中 ，T／为测定 土 层 总数 目，0～50cm 土 层 =5， ，为J层 土 壤 容重 ，h，为 层 土 壤 厚 度 ，一 般 测定 厚 度
h，=10cm，R 为第 旬大降水过程降水量， 为 层土壤容重。式(9)中若 G <0，则令 G =0，即无下
渗。李淑玲 认为黄土高原 3～5月份降水基本不产生径流，6～8月份是宁夏 回族 自治区南部山区汛期 ，降
雨量较大且多对流性降水 ，必须考虑径流。洛曼诺娃 E．H 提出 日降水量 >70mm时不同坡度 、土壤湿度
农田将产生地表径流。王渺林等 ¨给出黄河中游 9个子流域 1956～1995年平均径流系数为 0．005～0．38，
宁夏段年径流系数仅 0．005～0．02。张学成等b 分析了黄河不同段降雨与径流的关系，宁夏段径流在全流
域最小。本研究参考黄土高原地区径流系数研究结果 ，按 日降水量~40mm开始按 0．1折算径流 ，日降水
量每增加 10mm，径流系数增加 0．05，基本能反映降水与径流的关 系。作物第 k生长 阶段总耗水量(E )
为 ：
ETk：∑ET (10)
i= 1
式中，7Ft为该阶段旬数。
参考作物蒸散量计算。用彭曼公式计算参考作物蒸散量 (ET。，mm／d)为：
E = 0．408A(R 一G)+y( )【，：VPD △ + y(1+0．34 U，) (11)
式中，R 为作物表面净辐射(~U／m ·d)，G为土壤热通量密度(~U／m ·d)，T为 日均气温，U：为 2m处平均
风速(m／s)，Ⅵ)D为水汽压差(kPa)，△为饱和水汽压曲线斜率(kPa／℃)，7为干湿表常数。采用 FAO—PM方
法 ，利用常规气象观测资料计算固原县 1961-2000年历年逐 日参考作物蒸散量(E )，其中净长波辐射
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第 4期 刘 静等 ：宁夏南部 山区小麦干旱监测与灾损评估模型研究 145
一Z)Ra—o．35)(0．34一o． 4 ) ( 丁 +丁 —— 一 (12)
式中，a=4．90×10 ( ／m2·K4·d)。土壤热通量密度可用土壤剖面热量平衡简化法计算：
G：0．1 f Ti一 【二 2_+_ 1 (13) 、 j ，
式中， 、丁 一。、TH 、丁H 分别为 当 日和前 3d日均气温，上述变量均可用常规气象观测资料求算，代入式
(11)可计算山区各站历年逐 日参考作物蒸散量(ET。 )。
历年作物生长期内作物需水量的估算 。作物生长第 i日需水量(ET )为 ：
ET = K。ETo (14)
式中，K 为第 日作物系数 ，不同作物和不同生育阶段 K 不同，一般需采用试验确定 ，FAO根据世界不同地
区大量试验确定了多种作物不同生长阶段 的K 值(见表1)，表1中K瑚 、K冲、K 末分别为小麦前期 、中期 和
表 1 宁夏南部山区不同作物 K 值
Tab．1 K for different crops in south of Ningxia
作 物 K K冲 K 最大高度／m 作 物 K漕 K冲 K 最大高度／m
Crops The biggest height Crops The biggest h6ght
小 麦 0 30 1．15 0．25 1．O0 酿酒 葡 萄 0．30 0．70 0．45 2．O0
冬 小 麦 0．30 1．15 0．25 1．O0 甜 瓜 0．40 1．05 0．90 0．70
玉 米 0．30 1．15 0．60 2．20 西 瓜 0．40 1．05 0．75 0．40
胡 麻 0．35 1 15 0．30 1．O0 甜 菜 0．35 1．20 1．O0 0．60
马 铃 薯 0．40 1．15 0．75 0l80 紫花苜蓿 0．40 1．20 1．15 0 70
豌 豆 0．40 1．15 0．30 0．40 苏 丹 草 0．60 1．15 1．10 0．1～0．6
向 日 葵 0．35 1．15 0．35 2．O0 天然草场 0．30 0．75 0．75 0．10
糜 子 0 30 1．10 0．30 1．50 人工草场 0．40 0．85 0．85 0．15
高 粱 0．30 1．O0 0．55 1．O0 杏 树 0．40 0．95 0．65 5．O0
食用 葡萄 0．50 0．85 0．45 2．O0
后期 K 值，与灌溉小麦出苗 ～三叶期、拔节 ～乳熟期 、乳熟 ～成熟期相
对应 ，其中三叶 ～拔节期 、乳熟 ～成熟期 K 值分别 为 0．3～1．15和
1．15～0．25，考虑到山区旱地一般小麦乳熟前 lOd下部叶片开始枯黄 ，
本研究以出苗 ～三叶期、三叶～拔节期、拔节 ～乳熟前 lOd、乳熟前 lOd
～ 成熟期分别定其 K 值为 0．3、0．3～1．15、1．15和1．15～0．25，其余
生长逐 日 K 内插确定(见图 2)。作物第 k生长阶段总需水量(ET )
为 ：
ET ：∑ET (15)
图 2 小麦不同生长期 K 值曲线
Fig．2 The K curve of wheat
式 中， 为 k阶段 日数 。求算 愚时段小麦水 分盈 亏量 ( )和水分满 足率( ) 式为 ：
B ： E — E丁
：
ETk
相对 水分盈 亏(B )为 ：
(16)
(17)
B )= 每 = 一1 (18)
一 ，
式(16)～ (18)可反映作物受旱对产量的影响，根据小麦不同年份产量资料所确定的上包络产量与实际
产量 ，与上述 因子建立关 系即可确定 不同年 间产量 损失 。
1．3 作物水分生产函数
作物相对产量与作物第 k时段蒸散亏缺关系式为：
一
， ， I J _ ●
＼
一
为 =
m
R
／
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
一 = ( 一是 ) ，
式中，Y为实际产量，Y 为当地水分充足时最高产量或潜在产量 ，C 为减产系数。Stewart等 发现 C 与
地理和年份关系较小 ，有普遍适用性。笔者考虑到作物耗水量与产量一般呈抛物线关系 ，下式物理意义和适
用 性更强 ：
一 = C,k( 一是) (20
为分析全生育期不同阶段缺水对作物产量的影响 ，可建立多阶段累加模型：
1一 )= 砉C,k( 一是) (21
式中，优 为作物发育阶段数 ，C 为作物产量对 阶段缺水的敏感系数 ， 为k阶段水分满足率( )。该模
型反映了作物缺水与产量损失的关系，但认为各生育阶段缺水对产量的影响相互独立与实际不符，作物干旱
不仅对该阶段生长不利，还影响以后生长。在极度干旱导致绝产下不能应用该模型，故采用累乘模型可反映
历史极值年份减产状况：
1一 )= [C,k( 一是
式中，优 为截止监测时作物发育期个数或参与统计的阶段数，可以月或旬为单位 ，为减小引进模型带来的误
差或奇变可把时段分长些 ，如按作物发育进程计算生物学意义则更明确。
2 结果与分析
2．1 小麦干旱监测与灾损评估模型的建立及效果检验
利用 1961~2000年固原县逐 日气象资料，采用式(11)计算该县历年逐 日参考作物蒸散量；利用 1980～
2000年固原县春小麦 0～50cm土层逐旬土壤湿度资料，结合逐 日降水资料并剔除下渗水量，用式(8)～(10)
计算春小麦历年不同时段实际耗水量，统计时段按测量土壤湿度的 日期计算 ，避免了以旬资料气象要素与土
壤湿度计算 日期不同步所带来的误差；结合 1980～2000年固原县春小麦发育期资料，用式(14)～(18)计算
该县历年小麦生长期间逐 日实际蒸散量和逐旬、逐月 、各发育期水分满足率 ；将历年播种～成熟期分为 4个
时段计算水分满足率 ，用上包络产量近似替代水分充足时由当年气象条件所决定的潜在产量 ，可建立相对减
产百分比与各阶段水分满足率间的水分生产函数，按式(19)～(21)建立干旱监测与灾损评估模型，并根据所
获得土壤湿度资料的时间分别建立了不同时段的评估模型。小麦干旱与灾损评估累乘模型：
播种 ～04—28：
1一 y／Y = 0．2248+0．183(1一 1)+0．1465(1一 1) (23)
播种～05—28：
1一 y／Y = 0．2248+0．183(1一 1)+0．1465(1一 1) ]× (24)
[0．1046+0．3563(1一 2)+0．3809(1一 2) ]}
播 种～06—28：
1一 y／Y = {[0．2248+0．183(1一 1)+0．1465(1一 1) ]× (25)
[0．1046+0．3563(1一 2)+0．3809(1一 2) ]×
[一0．076+1．2571(1一 3)一0．9018(1一 3) ]}
播种～成熟 期 ：
1一 y／Y = 0．2248+0．183(1一 1)+0．1465(1一 1) ]× (26)
[0．1046+0．3563(1一 2)+0．3809(1一 2) ]×
[一0．076+1．2571(1一 3)一0．9o18(1一 ) ]X
[0．213—0．6893(1一 )+0．4249(1一 ) ]}“
小麦 干旱与灾损评估 累加模 型 ：
播种 ～04—28：
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1一 y／Y ： 0．2248+0．183(1一卢 )+0．1465(1一 ) (27)
播种～05—28：
1一 y／Y ： 1／2× {[0．2248+0．183(1一卢1)+0．1465(1一卢1) ]+ (28)
[0．1046+0．3563(1一 2)+0．3809(1一卢2)‘j}
播种～06—28：
1一y／y ： 1／3× {[0．2248+0．183(1一卢1)+0．1465(1一卢1) ]十 (29)
[0．1046+0．3563(1一 2)+0．3809(1一 2) ]+
[一0．076+1．2571(1一 )一0．9018(1一卢 ) ]}
播种～成熟期 ：
1一y／Y ： 1／4× {[0．2248+0．183(1一 1)+0．1465(1一卢1) ]+ (30)
[0．1046+0．3563(1一 2)+0．3809(1一卢2) ]十
[一0．076十1．2571(1一 3)一0．9018(1一卢3) ]+
[0．213—0．6893(1一 )+0．4249(1一卢 ) ]}
小麦干旱与灾损评估简化模型(若需快速监测小麦干旱与灾损状况可用线性模式计算)：
1一 y／Y ： 一0．0129+0．0555(1一 1)+0．457(1一卢2)+0．428(1一卢3)一 (31)
0．0418(1一 ) (F = 11．09，R = 0．760， ： 20)
式中， 、卢 、 ，、卢 分别为各 自时段 内作物水分满足率，即作物耗水量与同期需水量 比值。
模拟效果表明，小麦干旱与灾损评估累乘模型平均绝对误差为 0．16，最大为 0．395，小麦干旱与灾损评
估累加模型平均和最大绝对误差分别为 0．153和 0．314，小麦干旱与灾损评估简化模型平均和最大绝对误
差分别为 0．094和 0．187。累乘模型反映极值状况优于线性模型，但平均预报误差略大于累加模型 ，简化模
型模拟效果最佳 ，该结果可能与水分生产函数模型本身尚不成熟有关 ，若假设某时段作物水分充足时则模拟
产量损失为 0，其他时段虽受干旱的影响，但累乘结果总产量损失为 0，这与事实不符，有必要对水分生产函
数进行更 深入研究 。
2．2 南部山区各县小麦产量损失模型的建立
在建立宁夏回族 自治区南部山区小麦干旱监测与灾损评估模型基础上 ，又建立了南部山区各县小麦产
量损失模型，在山区大气候背景相似下南部山区各县小麦产量损失百分率仅受 当地土壤水分的影响。在确
定各县上包络产量 (y )后 县当年实际单产( )为 ：
Y ： Y × 【1一-厂(1一 y／y )J (32)
式中，f(1一y／y )为由 i县土壤水分平衡方程确定的水分满足率(卢 ～ )所决定的产量损失百分率，可
采用上述 3种模型，故与作物水分充足相比，减产 Y碱： Ym 一y ，经济损失 Yp：PY碱；与作物生长平均年
份相 比 ，减产 Y减 ： — y ，经 济损 失 Yp： PY减， 为趋势产量 。若研究采用 遥感监测 的土壤湿度格点
资料，可计算出南部山区各地产量场和减产百分率场 ，开展分辨率更高的干旱灾害监测与灾害损失评估。
参 考 文 献
1 宫德吉，陈素华．农业气象灾害损失评估方法及其在产量预报中的应用．应用气象学报，1999，10(1)：66～71
2 李淑玲．年降水径流关系变化因素分析实例 ．山西水利科技 ，1998(4)：63～67
3 洛曼诺娃 E．H，王炳忠译 ．基本气候要素的小气候变化 ．北京 ：科学出版社，1981
4 王渺林 ，郭生练 ．基于月水量平衡模型的黄河中游径流变化分析．西北水资源与水工程 ，1999，10(2)：1～6
5 张学成等 ．黄河流域降雨径流关系动态分析 ．水利水电技术 ，2001，32(8)：1～5
6 中国科学院黄土高原综合科学考察队．黄土高原地区土壤侵蚀区域特征及其治理途径．北京 ：科学出版社，1991．7～22
7 戴小笠 ，陈晓光．利用土壤有效水分实现宁南山区干旱的实时监测 ．内蒙古气象，1997．5
8 陈玉民等 中国主要作物需水量与灌溉．北京：水利电力出版社 ，1995．33～44
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