安徽省一季稻產量災損風險評價*

郭建茂，謝曉燕，吳 越，王錦杰，申雙和

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安徽省一季稻產量災損風險評價*

郭建茂1,2,3，謝曉燕3，吳 越3，王錦杰3，申雙和1

（1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044；2.江蘇省農業氣象重點實驗室，南京 210044；3.南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044）

利用安徽省1981-2014年50個市（縣）一季稻產量資料，采用直線滑動平均方法計算一季稻相對氣象產量，通過正交經驗分解（EOF）分析一季稻相對氣象產量的時空變化特征，并從一季稻產量災損角度出發，采用災年平均減產率、產量變異系數、減產風險指數及區域農業水平指數作為產量災損風險評估指標，對安徽一季稻產量災損進行風險區劃。結果表明：研究期內安徽省各市（縣）一季稻產量變化趨勢一致，北部增產或減產較南部明顯，2005年之前安徽一季稻產量波動劇烈；不同產量災損評估指標在空間上表現出一定的地域性和連續性，災年平均減產率、產量變異系數和減產風險指數均表現為北部數值高于南部，區域農業水平指數呈現由東北向西南減小的趨勢。根據產量災損綜合風險指數區劃結果，研究區域內北部災損風險高于南部，風險高值區和中值區主要分布在沿淮、江淮北部，風險低值區面積最廣，主要位于皖南山區、沿江地區及江淮南部。

一季稻；相對氣象產量；產量災損；區域農業水平指數

進入21世紀以來，以增暖為主要特征的全球氣候變化對農業氣象災害的發生與災變規律產生了顯著影響[1]。農業作為對氣候影響最敏感的領域之一，隨著近年來全球氣候變化，農業災害損失逐年上升，農業生產不確定性和糧食波動性進一步增強，造成糧食安全問題日益嚴峻[2-3]。有研究表明，隨著氣候變暖，農作物所需生長環境包括溫度、降水等的變化將對作物生長發育及產量造成影響[4-5]。安徽位于中國南北氣候帶的過渡區，省內冷暖氣團交替頻繁，天氣形勢多變，因此農業氣象災害時常發生。一季稻發育期內常有暴雨、極端高溫、干旱等災害性天氣發生，對一季稻產量往往造成不利影響。因此，對安徽省一季稻產量災損規律分析并對其進行風險區劃大有必要。

災害造成作物減產是一種風險事件，而產量災損風險是指作物受災導致減產的可能風險程度，因此，基于風險分析技術方法探討作物產量災損規律，對制定防災和減災決策，降低災損風險程度，實現穩定增收有重要意義[6]。農業氣象災害系統由孕災環境、承災體、致災因子、災情4個子系統組成[3]。國內外農業氣象災害風險研究主要集中于[7]：一是基于農業氣象災害發生可能性或災害頻率的概率風險評價；二是研究農業氣象災害致災因子危險性或承災體脆弱性；三是根據自然災害致災機理利用合成法對影響災害風險各因子進行組合建立災害風險指數。承災體的脆弱性可用于衡量承災體遭受損害的程度，是災損估算和風險評價的重要環節，因此分析承災體的脆弱性被認為是把災害與風險研究緊密聯系起來的重要橋梁[8-9]。目前根據農業氣象災害風險形成機理，基于產量災損建立災害風險指數已取得系列成果[10-12]。但基于安徽一季稻產量對省內進行災損評價較少。本文基于該風險理論，采用風險分析技術方法，利用安徽省50個市（縣）一季稻單產資料，利用一季稻災年平均減產率、產量變異系數、減產風險指數、區域農業水平指數作為產量災損評估風險指標，構建一季稻產量災損綜合風險評估模型，對安徽省一季稻產量災損進行區劃，并對各風險區域進行分析，為安徽一季稻防災減災及實現穩產增收提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源與研究區域

安徽省50個市（縣）1981-2014年一季稻產量資料來源于安徽省統計局。產量資料進行去趨勢化處理。由于淮北受溫度和水分限制，不適宜種植水稻，本文基于一季稻產量資料，將研究區域定為安徽省剔除淮北部分的地區，研究區域及市（縣）分布如圖1。

1.2 產量分解

作物產量（y）是在各種自然和非自然因素的綜合影響下形成的，可以分解為趨勢產量（yt）、氣象產量（yw）和隨機產量（Δy）[13-14]。因為各地影響增、減產的偶然因素并不經常發生，而且局部偶然因素的影響也不大，因此，在實際產量的計算中隨機產量可以忽略不計[14]，故一季稻產量可分解為

（1）

式中，y為一季稻實際產量（kg·hm-2），yt為趨勢產量（kg·hm-2），yw為氣象產量（kg·hm-2）。趨勢產量采用直線滑動平均進行估算，滑動步長為11。該方法優點是不需要預先假定趨勢產量模擬的曲線類型，不會造成資料樣本的損失[15]。氣象產量與趨勢產量的比值表示相對氣象產量（ya），即

（2）

當ya為負值時表示一季稻減產，正值表示增產。將相對氣象產量＜-0.05的年份定義為成災年。

利用經驗正交函數分解方法（EOF），根據特征向量分析1981-2014年安徽省50個市（縣）一季稻相對氣象產量時空變化特征。經過分解，前5個特征向量所占方差百分比分別為39.21%、16.9%、9.49%、6.45%及4.16%，方差累積貢獻率達到76.21%，集中了相對氣象產量主要信息。第一特征向量（EOF1）遠大于其它各個主分量的方差貢獻，能夠較好地反映一季稻相對氣象產量的時空變化特征，因此，僅對正交經驗函數第一特征向量（EOF1）進行分析。

1.3 評估指標及計算

（1）災年平均減產率（S）：利用安徽省50個市（縣）各成災年份的減產率平均值，計算所有災年的平均減產率，表示氣象災害對一季稻產量影響的多年平均狀態。

式中，n'為成災年數，Xi為成災年減產率。

（2）產量變異系數（Cv）：反映歷年一季稻產量波動情況，即

（3）減產風險指數（G）：反映災害造成減產的風險程度，考慮災害強度和災害頻率[17]。

式中，k表示分組數，d表示每一市（縣）每組災年頻數，n表示樣本長度，hi表示每組的組中值。計算時，根據每個市（縣）34a減產率按照一定的間距分組，計算每一組的災年頻數和組中值。以休寧為例，其樣本長度n=34，根據災年減產率，將休寧分為5%～15%、15%～25%減產率組，即k=2，各組災年頻數d分別為4、1，對應的組中值h1=10，h2=20，按照式（5）計算，G=1.76。具體計算方法參看文獻[8]。

（4）區域農業水平指數（AL）：反映一個地區的防災減災能力[18]，數值越大代表防災減災能力越強。

式中，yi為某市（縣）第i年一季稻單位面積產量（kg·hm-2），syi為統計的50個站點第i年平均單位面積產量（kg·hm-2），n為樣本長度。

（5）產量災損綜合風險指數（M）：由災年平均減產率、產量變異系數、減產風險指數及區域農業水平指數構成。某一地區災年平均減產率越大，產量變異系數高，減產風險指數值越大，表明該地區一季稻易受環境的影響，受災害影響的強度和頻率較高，減產程度較大，產量不穩定，風險越高。而區域農業水平指數則相反，若某地區該值高，則說明該地區較同年其它地區受災害影響較小，防災能力較強。因此，產量災損綜合風險指數與前三項指標成正相關，與區域農業水平指數成負相關。

為便于分析，采用極差標準化變換對產量災損綜合風險指數進行處理，極差標準化公式為

（8）

采用ArcGIS技術，通過反距離權重法（IDW）對各指標進行空間插值，采用自然斷點法（Natural Breaks）將其分為低值區、中值區及高值區，利用產量災損綜合風險指數對安徽部分地區一季稻災損風險進行區劃。

2 結果與分析

2.1 安徽一季稻相對氣象產量時空變化特征

統計研究區各市（縣）1981-2014年歷年一季稻相對氣象產量并進行EOF分析（圖2a），其第一特征向量一致為正，表明分析時段各市（縣）一季稻產量變化趨勢一致，即在某一年全區各市（縣）一季稻要么統一增產，要么統一減產。從空間分布上看，數值表現為由北向南逐級減小的帶狀特征。數值越大說明一季稻相對氣象產量的變化程度越大，由圖可知北部的霍邱、壽縣氣象產量波動最大，數值在0.25以上。

從EOF第一時間系數變化過程可見（圖2b），減產較為嚴重的年份有1982、1983、1991、1992、1994、2001、2003、2013年，其中2003年減產最嚴重。整體上看，2005年之前，產量波動較為劇烈，2005年后產量波動相對較小。

2.2 安徽一季稻災年平均減產率空間分布特征

圖3為安徽一季稻災年平均減產率分布。由圖可見，安徽省一季稻災年平均減產率分布具有明顯地域性，中值區和高值區主要分布在沿淮、江淮及沿江地區，也是一季稻主產區，分別占研究區域的49.7%、8.8%。高值區呈塊狀分布，主要分布在定遠、銅陵縣、望江大部分地區，壽縣北部，繁昌中西部，懷寧西南部，含山東北部，淮南西南部，長豐東北部，其災年平均減產率在18%以上，有的區域甚至高達28%。低值區主要分布在大別山區和皖南山區。

注：0.08～0.14表示低值區，0.14～0.18為中值區，0.18～0.28為高值區

Note:0.08-0.14, 0.14-0.18 and 0.18-0.28 denoted low risk, medium risk and high risk area, respectively

2.3 安徽一季稻產量變異系數的空間分布特征

如圖4所示，安徽省各市（縣）產量變異系數空間分布特征表現為由南向北、由中部向兩側增加，說明由南向北、由中部向兩側，一季稻產量受環境影響越來越大。變異系數高值區主要分布在霍邱、壽縣、南陵、望江大部分地區，定遠、無為及含山中部，宣城中西部，宿松東部，東至西部，這些區域產量變異系數均在0.17以上，霍邱、望江甚至高達0.23，表明這些地區在個別年份受氣象條件及生態環境影響，出現大幅減產，產量具有很大的不穩定性。中值區和低值區表現了一定的連續性和區域性，產量變異系數最小地區產量常年保持穩定，受外界條件影響程度較小。

注：0.07～0.14表示低值區，0.14～0.17為中值區，0.17～0.23為高值區

Note:0.07-0.14, 0.14-0.17 and 0.17-0.23 denoted low risk, medium risk and high risk area, respectively

2.4 安徽一季稻減產風險指數空間分布特征

圖5為根據式（5）計算得到的一季稻減產風險指數分布，從圖可以看出，減產風險指數分布具有明顯的區域性和連續性。總體而言，由南向北一季稻減產風險指數增加，并且不同風險區域呈帶狀分布。風險指數高值區主要分布在淮南、定遠、霍邱、壽縣、長豐、鳳陽、明光、望江等地區，以及蚌埠及宿松東部，肥東北部，東至西部，來安、全椒、和縣部分地區。風險低值區大部位于皖南山區。安徽中部較大區域為風險中值區，其位于風險高、低值區之間。風險指數往往可反映單產減產程度，由圖可知高值區與低值區減產程度存在較大差異。

2.5 安徽一季稻區域農業水平指數空間分布特征

安徽區域農業水平指數的空間分布如圖6所示。由圖可見，其具有一定的區域性和連續性。區域農業水平指數高值區主要集中在天長、來安、滁州、全椒、含山、居巢東部以及和縣西部。低值區主要位于大別山區及皖南山區，部分位于江淮流域，其它為中值區。區域農業水平指數由東北向西南呈帶狀逐級減小，而區域農業水平指數反映了區域防災減災能力，這表明由東北向西南農業防災能力有減弱的趨勢。

注：0.88～2.57表示低值區，2.57～3.70為中值區，3.70～6.47為高值區

Note:0.88-2.57, 2.57-3.70 and 3.70-6.47 denoted low risk, medium risk and high risk area, respectively

注：0.71～0.96為低值區，0.96～1.10為中值區，1.10～1.45為高值區

Note: 0.71-0.96, 0.96-1.10 and 1.10-1.45 denoted low risk, medium risk and high risk area, respectively

2.6 安徽一季稻產量災損風險區劃

利用式（7）計算安徽省一季稻產量災損綜合風險指數，并進行標準化處理。未標準化處理計算時，值域為0.01～0.40，說明安徽省不同區域一季稻綜合風險差別較大，具有明顯地域特征。根據綜合風險指數大小，將安徽省劃分為3類風險區：產量災損風險指數＞0.35為風險高值區，0.16～0.35為風險中值區，＜0.16為風險低值區，區劃結果如圖7。

注：0.00～0.16表示低值區，0.16～0.35為中值區，0.35～1.00為高值區

Note: 0.00-0.16, 0.16-0.35 and 0.35-1.00 denoted low risk, medium risk and high risk area, respectively

由圖7可見，安徽省一季稻產量災損風險高值區呈塊狀分布，主要位于霍邱東北部，壽縣北部，定遠及望江大部分地區，這些地區災年平均減產率大部分在0.18～0.28，產量變異系數均大于0.21，風險指數在3.70～6.47，區域農業水平大部分在0.96～1.10。

風險中值區具有一定連片性，其主要位于沿淮地區、江淮北部、大別山區，部分位于沿江地區，這些地區災年平均減產率大部分在0.14～0.18，少部處于高值區或低值區，產量變異系數主要在0.14～0.17，風險指數主要在2.57～3.70，少部分高于3.70，區域農業水平指數位于低值區或中值區。

風險低值區面積最廣，占研究區域的54.6%。主要位于皖南山區，沿江地區及江淮南部，部分位于大別山區。風險值最小的幾個站點分別是祁門、石臺、黟縣。

3 結論與討論

安徽省研究區域內一季稻產量變化趨勢一致，北部產量波動較南部明顯，并且以北部霍邱、壽縣相對氣象產量變化程度最大。從時間上看，2005年之前一季稻產量波動劇烈，之后波動相對較小。總體而言，研究區域內災年平均減產率、產量變異系數、減產風險指數及區域農業水平指數空間分布上具有一定的地域性和連片性，災年平均減產率、產量變異系數、減產風險指數表現為北部數值高于南部，區域農業水平指數呈現由東北向西南呈帶狀逐級減小。這與各地外界環境的不同影響和防災減災措施有關。

根據產量災損綜合風險指數區劃結果，研究區域內一季稻災損風險北部高于南部。風險高值區呈塊狀分布，主要分布于霍邱東北部、壽縣北部、定遠及望江大部分地區，而風險中值區具有一定連片性，主要位于沿淮地區、江淮北部、大別山區，部分位于沿江地區。對于沿淮、江淮北部區域，水資源條件差，土壤貧瘠，旱、瘦、荒現象突出，水利灌溉條件較差，且該區在一季稻全生育期夏秋旱發生頻繁[19-21]，一季稻產量易受旱災的影響。而大別山區農業氣候資源垂直變化較大，熱量資源比同緯度地區少，山蔭處光照資源不足[19]，影響水稻生長發育。因此，對于一季稻產量災損風險高值區和中值區應合理規劃水稻布局及播栽期，選擇合適水稻品種，提升栽培技術，興修水利，增強防災減災能力。風險低值區面積最廣，主要位于皖南山區、沿江地區及江淮南部，部分位于大別山區。沿江沿河兩岸地區易受澇害影響[20]，且高溫熱害沿江地區發生較為嚴重，但沿江地區地勢平坦，土壤肥沃，栽培技術及機械化水平程度較高[19]，因而較高風險度區域所占面積不大。皖南地區易出現連陰雨天氣，但其主要影響早稻與晚稻[22]，對一季稻產量影響不大，因此該地區為一季稻災損風險低值區。

本文采用安徽一季稻災年平均減產率、產量變異系數、減產風險指數、區域農業水平指數構建一季稻產量災損綜合風險評估模型，對安徽省進行災損區劃，綜合考慮了一季稻減產強度，產量波動及區域防災減災能力，能夠較為客觀反映一季稻產量災損區域特征。但本文僅從一季稻產量災損角度出發，未考慮社會經濟作用的影響，尚難以全面反映一季稻風險特征。目前對農業氣象災害風險的研究仍以單一災種的風險評價為主，多數為災后評價，缺少對風險的動態監測，缺少與區域氣候模式及農作物模型耦合的研究，未來需進一步加強研究。

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Risk Assessment of Single-season Rice Yield Loss in Anhui Province

GUO Jian-mao1,2,3, XIE Xiao-yan3, WU Yue3, WANG Jin-jie3, SHEN Shuang-he1

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disaster, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;2. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044; 3. College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044)

Based on yield data of single-season rice in 50 city-county from 1981 to 2014 in Anhui province, the relative meteorological yield was calculated by using the methods of linear sliding average in statistical analysis. The temporal and spatial distribution of relative meteorological yield was analyzed by the method of EOF, and by using synthetic risk index of single-season rice yield loss, which was established and consisted of average yield reduction rate, yield variation coefficient, risk index of yield reduction rate and index of regional agricultural levels, the risk regionalization of single-season rice yield loss in Anhui province was completed. The results showed that the change trend of single-season rice yield was consistent and the increase or decrease of yield in the north of Anhui was more obvious than the south. Besides, the relative meteorological yield of Anhui fluctuated violently before 2005. The different assessment indices of yield loss showed that the values of average yield reduction rate, yield variation coefficient and risk index of yield reduction rate in the north part of study areas was higher than the south, and the index of regional agricultural levels for single-season rice was reduced from northeast to southwest. In the study area, the north had the higher risk. The high risk and middle risk regions were mainly distributed in Yanhuai areas and the north of Jianghuai areas. The low risk areas had the widest distribution and were located in southern mountainous area, Yangtze river region and the south of Jianghuai region.

Single-season rice; Relative meteorological yield; Yield loss; Index of regional agricultural levels

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.08.003

2016-12-20

中國氣象局預報預測核心業務發展專項（CMAHX20160311）；江蘇省重點研發計劃（現代農業）項目（BE2015365）；科技部行業專項（GYHY201506018）；江蘇省農業氣象重點實驗室基金（KYQ201304）；河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室基金課題（AMF201401）

郭建茂（1968-），博士，副教授，主要從事農業遙感和作物生長模擬研究。E-mail：001878@nuist.edu.cn

郭建茂,謝曉燕,吳越,等.安徽省一季稻產量災損風險評價[J].中國農業氣象,2017,38(8):488-495