基于敏感因子的河南省小麥干熱風風險區劃分析

張金平， 李香顏

(1.中國氣象局·河南氣象局農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室，河南鄭州 450003； 2.蘭州大學大氣科學學院，甘肅蘭州 730000；3.河南省新鄉市氣象局，河南新鄉 453003)

河南省是小麥主要生產基地，小麥種植面積占全國的10%，總產量占全國的25%左右。近年來，隨著中國小麥生產格局的演變，小麥生產更加集中，河南在小麥生產的重要性更加突出[1]。但是在全球氣候變化的大背景下，氣候變化也導致我國糧食主產區氣候事件頻發，促進了農業生物災害與農業氣象災害形成與發展[2]，尤其是旱、澇、風、雹、霜凍等高影響農業氣象災害的發生頻度和強度都有上升趨勢，對河南省小麥高產、穩產帶來威脅[3]。其中干熱風災害是發生在冬小麥灌漿期的高溫、低濕并伴有一定風力的天氣，發生干熱風時植株蒸騰加劇，而根系吸水能力有限，導致小麥灌漿不足甚至枯萎死亡，可造成小麥減產5%～10%，嚴重年份減產可達20%，是河南省危害小麥生長的主要農業氣象災害。

建國以來，國內外氣象工作者針對干熱風開展了大量研究，前期研究內容主要是干熱風的氣象指標和防御措施等，1975年中國農業科學院委托原華北農業大學組成的北方麥區干熱風科研協作組，后中國氣象局又委托甘肅等十幾個省參與研究，對干熱風危害的氣象指標、生理機制、天氣形勢、氣候特征，以及防御措施效應等進行了大量的研究[4-10]。進入21世紀，眾多學者對干熱風的研究進一步深入，主要針對區域性干熱風的發生規律及致災機制和預報預警[11-13]方面進行研究應用。劉靜等以寧夏引黃灌區為例分析了春小麥干熱風災害的監測指標和損失評估模型[14]。鄔定榮等對華北地區近50年干熱風發生時空分布特征進行了研究，得出華北大部分區域干熱風日數呈明顯遞減的趨勢[15]。張志紅等進行了連續2個年度的干熱風人工控制試驗數據，研究了干熱風對冬小麥籽粒灌漿速率和千粒質量的影響，結果表明，灌漿后期的重度干熱風影響最大，其次為灌漿中期的重度和輕度干熱風[16-17]。楊霏云等做了華北冬麥區的風險區劃，得出河北東南部和山東西北部為干熱風影響高風險區，而河南南部、山東東部、河北東部為干熱風影響低風險區[18]。

河南省作為冬小麥的主要生產基地，針對干熱風災害的研究也較為廣泛。陳懷亮等對河南省冬小麥干熱風發生規律進行了研究，認為河南省的干熱風日數主要呈“南少北多”空間分布特征。并且具有準6年和準3年周期的時間特征[19]；成林等對河南省近47年冬小麥干熱風災害的變化進行了分析，得出干熱風三要素中14：00時風速明顯減小，其他要素變化不明顯[20]。

本研究針對河南省常發的高溫低濕型干熱風災害，利用1981—2014年的干熱風發生資料，選取冬小麥的千粒質量和相對氣象產量波動等敏感因子對河南省冬小麥干熱風發生的風險進行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河南省地處我國中東部中緯度地區，面積占全國總面積的1.73%，廣袤的土地使得河南省氣候兼有南北之長，屬亞熱帶向暖溫帶過渡地區，氣候溫和、四季分明、日照充足、雨量適中、全省降水量自南向北遞減，有利于多種動植物生長繁殖。河南省西南部為丘陵山地，東部為平原區，耕地面積為 726萬hm2，農業有效灌溉面積479萬hm2，優良的農業資源使其成為全國重要的農畜產品生產基地。

1.2 資料來源

干熱風災害主要影響小麥的灌漿進程，尤其對正處于灌漿中后期的小麥千粒質量影響最大，對小麥抽穗前和蠟熟后影響較小[13]。根據河南省小麥發育期進程和氣候特點，本研究選取1981—2014年近34年5月5—31日小麥灌漿期間全省121個觀測站的逐日最高溫度、14：00時濕度和風速，根據干熱風行業標準采用統計分析方法篩選出河南省干熱風發生的日數及區域。數據來源于河南省氣候中心。

干熱風災害氣象指標采用中華人民共和國氣象行業標準(QX/T 82—2007)規定的相應等級[21](表1)。

表1 黃淮海冬麥區高溫低濕型干熱風等級指標(揚花灌漿期)

河南省1981—2014年歷年的小麥單產、18地市2010—2014年小麥播種面積和耕地面積，數據來源于《河南省統計年鑒》；千粒質量數據來自河南省18個農業氣象基本觀測站1981—2010年的觀測數據。

基礎地理信息數據來自河南省1 ∶25萬基礎地理信息系統。

1.3 指標選取及數據處理

1.3.1 干熱風風險評估指標體系 根據聯合國人道主義事務部(1991)[22]的定義，自然災害的風險度RD由風險源的危險度Hh和承災體的易損性Vb的乘積表示。

RD=Hh×Vb。

(1)

自然災害風險源的危險度是氣象災害的發生程度，由風險發生強度和其概率表征。本研究利用干熱風的發生強度和概率2個指標建立干熱風的危險性指標。

承災體的易損性Vb由暴露在自然災害中的承災體的量E和承災體的脆弱性Vfragility組成。

Vb=E×Vfragility。

(2)

由于小麥是干熱風的主要影響作物，本研究采用河南省各地市2010—2014年小麥播種面積占全市耕地面積的比例作為暴露性指標；干熱風主要影響小麥的灌漿速度進而影響最終的產量，因此，本研究選用河南省18地市小麥的千粒質量和相對氣象產量的綜合因子作為承災體脆弱性指標。

本研究主要探討災害區劃的自然屬性，因此暫不考慮防災減災能力。

根據以上所選指標，建立干熱風災害風險評估體系(圖1)。

1.3.2 數據處理及方法 數據處理及分析采用了Microsoft Excel，SPSS 23.0、VB 6.0來實現，風險區劃制圖采用ArcGIS 10軟件。

1.3.2.1 數據歸一化處理 為了消除各個不同量綱對評價指標的影響，使數據處于統一數量級，利用歸一化方法，對所有的評價指標數據進行極差標準化處理，其表達式為：

(3)

式中：x′為歸一化處理后的數據，x為原始數據，xmax和xmin分別為數據系列中的最大值和最小值。

1.3.2.2 層次分析法(AHP) 層次分析法(the analytic hierarchy pricess，簡稱AHP)[23]是美國運籌學家Saaty教授于20世紀70年代初期提出的一種靈活簡便而又實用的多準則決策方法。利用層次分析法確定各指標的權重，利用此方法確定的指標權重見表2。

表2 層次分析法確定指標的權重

1.3.2.3 空間插值法 空間插值法是GIS空間分析功能中一種十分重要的方法，它是從已計算出的數據找到一個函數關系式，使該關系式最好地逼近這些已知的空間數據，并根據函數關系式推求出區域范圍內其他未知點的數據[24]。本研究采用IDW(反距離權重空間插值法)方法，利用計算出的河南省18個地市數據作為指標，結合GIS(地理信息系統)技術，對河南省全區的干熱風災害發生風險進行區劃分析。

2 結果與分析

2.1 風險源的危險性區劃

風險源的危險性一般是由致災因子發生的強度及其概率表征的，本研究將選取干熱風發生日數和概率2個指標，對干熱風的危險性分布進行分析和評估，其表達式為：

(4)

式中：I為干熱風危險性風險指數，Gi為第i種干熱風發生強度，Pi為第i種干熱風發生概率，n為強度種類數。

利用公式(4)計算出河南全省干熱風危險性指數，將計算得出的危險性數值歸一化處理后，利用ArcGIS 10進行區劃制圖，得到河南省干熱風危險性風險區劃結果(圖2)。

根據圖2分析可知，河南省干熱風危險性分布呈現自西向東升高的規律，豫北的安陽市、鶴壁市和中部的許昌市、開封市干熱風發生的危險指數最高，豫西和西南部為干熱風的低風險區域。

2.2 承災體的易損性區劃

分析圖3可知，河南省冬小麥的種植面積占當地耕地面積的比例自東向西遞減，豫北和豫東地區小麥種植比例偏高，屬于小麥主產區；西南部多丘陵山地，冬小麥的種植比例偏小，為暴露性指數低值區。

2.2.2 承災體的脆弱性 高溫低濕型干熱風發生在小麥灌漿期，高溫高濕并伴有一定的風力，會使蒸騰加劇，根系吸水不及，導致小麥灌漿不足；因此干熱風主要影響小麥的灌漿速度和時間，而灌漿時間的減少會降低小麥粒質量；產量也可間接反映小麥是否易受干熱風的影響，隨著生產力水平的提高，河南省各地小麥的單產呈逐年增加趨勢，本研究采用直線滑動平均模擬法[25]將趨勢產量和氣象產量分離，利用相對氣象產量的波動情況來反映小麥受災的脆弱性。

(5)

式中：D為所選因子的均方差，反映因子的波動情況；xi所選因子第i年的數值，μ為xi的算術平均值，N為樣本的個數；D值越大反映受災體越脆弱。

綜合考慮將千粒質量的波動和相對氣象產量的波動分別賦予權重0.5，來表征承災體的脆弱性，根據干熱風災害風險評估指標體系C2=0.5×D5+0.5×D6，歸一化處理后得出干熱風承災體脆弱性指標C2，利用ArcGIS 10進行區劃制圖(圖4)。

由圖4分析可知，河南省干熱風脆弱性分布呈現南高北低的趨勢，以三門峽為中心的豫西地區和以駐馬店地區為中心的豫南地區脆弱性指數偏高，易受干熱風的影響，豫北地區則處于低值區，抗干熱風影響能力較強。

2.3 干熱風評估綜合風險區劃

根據層次分析法(AHP)方法確定的各指標權重，得到公式

A=0.65×B1+0.20×C1+0.15C2。

(6)

將干熱風危險性、承災體的暴露性和脆弱性因子指數，代入公式(6)得出干熱風災害風險指數，將風險等級分為高風險區、中風險區、低風險區3個等級，通過ArcGIS 10進行區劃制圖，得出干熱風災害的綜合風險區劃(圖5)。

由圖5分析可知，河南省干熱風綜合風險分布規律為東部高于西部，北部高于南部，駐馬店市為干熱風的高風險區，次高區為豫北和豫東等地，西部各地的干熱風風險等級最低，屬低風險地帶。

3 結論與討論

利用干熱風發生強度和頻率對河南省干熱風風險性進行區劃分析，分布規律呈現自西向東升高的規律，豫北的安陽市、鶴壁市和中部的許昌市、開封市干熱風發生的危險指數最高，豫西和西南部為干熱風的低風險區域。在不考慮抗災能力的情況下，構建干熱風的危險性和承災體的易損性的干熱風風險評估模型，河南省干熱風綜合風險分布規律為東部高于西部，北部高于南部，駐馬店市為干熱風的高風險區，次高區為豫北和豫東等地，西部各地的干熱風風險等級最低，屬低風險地帶。抗災能力和土地利用信息在研究分析中未考慮，在后期研究中會加入這2個因子的影響分析。