基于災情數據的河北省冬小麥氣象災害與病蟲害規律分析

魏玉凱 安萍莉* 張國梁 江 麗 孟麗君

(1.中國農業大學 土地科學與技術學院，北京 100193；2.自然資源部 農用地質量與監控重點實驗室，北京 100193)

全球氣候變化背景下，極端自然災害(如旱災、洪澇災和風雹災頻繁發生)和病蟲害對農業生產造成劇烈沖擊[1]，作物大量減產甚至絕收。據統計，我國平均每年因災損失的作物產量為當年作物總產量的10%[2]，糧食安全面臨極大威脅。冬小麥作為我國主要糧食作物，2018年播種面積可占糧食作物播種總面積的21%，其產能與國家糧食安全保障能力密切相關。河北省作為我國的冬小麥主產區之一，屬于自然災害類型復雜、發生頻繁的地區[3]。冬小麥生育期內不同類型災害的交替發生導致產量出現大幅波動，因此農戶自主地選擇改良品種、灌溉以及調整種植結構等多種方式對于降低災損率至關重要，把握冬小麥生長過程中不同災害的發生規律可以為農戶采取防災減災策略提供參考，以有效減少災損量進而提高冬小麥供給水平、緩解糧食產能壓力。

圍繞冬小麥氣象災害已展開很多研究，從災害發生規律來看，一部分學者利用氣象資料分析干旱和干熱風的時空分布與變化特征，并結合災害發生機理與區域環境特征建立危險性、暴露性和脆弱性評估模型對冬小麥災害風險進行評價[4-7]，同時也有學者基于逐日最低氣溫對冬小麥低溫災害進行定量反演并分析其演變特征[8]，此外，還有部分學者通過作物模型參數的設定對作物生長過程進行模擬，實現氣象災害風險評價[9-10]。從災害減產程度來看，現有研究主要結合氣象資料與冬小麥產量數據分離氣象產量計算平均減產率、減產率變異系數等相關減產統計指標評估冬小麥產量災損水平[11-13]，江麗等[14]的研究依據歷年統計不同災害受災面積和成災面積等數據計算作物因災減產量。已有研究多針對單一災害展開研究，而缺乏冬小麥生育期內多種災害規律的探討與比較。另外，災情數據可以很好地反映在自然條件和社會因素共同作用下農作物生產過程中的實際受災情況，而依據災情數據進行冬小麥受災特征的研究鮮有報道。本研究利用河北省1990—2018年災情數據為基礎輔以必要的氣象數據，分析冬小麥生育期內不同災害發生的時空特征并對當地冬小麥受災情況進行評估，旨在探究冬小麥生育期內不同災害發生規律，以期在冬小麥生長過程中有針對性地選擇防災減災方式提供參考。

1 研究區概況與數據分析

1.1 研究區概況

河北省地處我國華北平原(36°03～42°40′ N,113°27～119°5′ E)，東臨渤海，西為太行山，北為燕山，地勢西北高、東南低。區域屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬季寒冷降雪少，春季干旱風沙多，夏季高溫多雨。河北省冬小麥主產區包括秦皇島市、唐山市、廊坊市、保定市、滄州市、石家莊市、衡水市、邢臺市以及邯鄲市(圖1)，區域內干旱、洪澇、風雹及低溫冷凍等多種災害發生頻繁，對農作物生產造成極大威脅。

圖1 研究區概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 數據來源

本研究利用Excel 2010對數據進行嚴格的質量控制，包括異常值剔除、缺失數據插補等，確保數據滿足研究要求。

1)災害數據：包括《中國氣象災害大典(河北卷)》[15]、2006—2015年《中國氣象災害年鑒》[16]、氣象災害災情數據集以及當地農業部門災害統計數據，其中氣象災害災情數據集來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)。

2)氣象數據：河北省各地市氣象站點1990—2018年的逐日氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥www.escience.gov.cn/)，包括溫度、降水量、風速和相對濕度等指標。

3)統計資料：1996—2017年各地的冬小麥播種面積、單產、有效灌溉面積、受災面積和成災面積等數據，來源于《河北農村統計年鑒》[17]。

1.3 研究方法

河北省冬小麥生育期為每年10月上旬—次年6月上旬，參照各階段發育特征將冬小麥生育期劃分為苗期(10月)、分蘗期(11月—12月上旬)、返青期(2月)、拔節期(3月—4月上旬)、抽穗期(4月中旬—5月中旬)、乳熟期(5月下旬)和成熟期(6月上旬)7個階段。在此基礎上將災情數據與冬小麥生育期進行耦合，初步梳理河北省1990—2018年冬小麥生長過程中不同災害發生的時間、大致范圍與強度特征并統計發生次數，其中局部出現冬小麥旱災、風雹災和低溫凍害等災害記錄統計為所屬地市受災，未細致區分地塊區位及其是否具有灌溉條件。部分災情數據描述寬泛，需在初步梳理的基礎上輔以氣象數據及相關指標細化災害發生地區及程度，在歸納冬小麥生育期災害發生規律的基礎上，依據減產公式計算各地區不同災害導致的冬小麥減產比例，具體指標如下。

1.4 災害程度指標

1)旱災頻率F：指冬小麥某一生育階段旱災發生的年均次數與災情數據統計總年數之比[18]，公式為：

(1)

式中：n，統計時段內該生育階段出現旱災的年數；N，統計總年數。

2)降水距平百分率Dp：在旱災發生時點，依據Dp的高低判斷發生區域，降水距平低處即為旱災發生區域，公式如下：

(2)

3)干熱風等級：采用溫度、相對濕度和風速組合(表1)作為指標細化干熱風強度，同時依據小麥干熱風災害等級標準[19]的確定方法，參考王春乙等[4]利用加權方法將1個重干熱風日轉換成2個輕干熱風日，量化冬小麥生育期內干熱風強度。

表1 冬小麥干熱風等級標準Table 1 Grade standard of dry-hot wind of winter wheat

4)低溫凍害：參考《中國氣象災害大典》[15]以及氣象災害災情數據集記錄的降溫程度，通過溫度變化來識別低溫凍害發生區域：溫度<0 ℃時冬小麥遭受凍害；溫度≥0 ℃但未達到生育期溫度時冬小麥遭受冷害；日降溫幅度為≥10 ℃，同時日最低溫度為≤5 ℃的地區冬小麥出現霜凍。

5)病蟲害發生率：衡量冬小麥生長過程中遭受病蟲害的程度，公式如下：

(3)

式中：Xs，病蟲害發生率；S1，冬小麥病蟲害受災面積，hm2；S2，冬小麥播種總面積，hm2。

6)災害減產率：根據江麗等[20]的研究，不同干旱程度下的冬小麥各生育期減產比例即敏感指數估算冬小麥旱災減產量，公式如下：

(4)

式中：Yh，每年冬小麥旱災減產量，104t；Pi，各時期不同程度干旱發生頻率；i=1…7，分別為冬小麥生育期第i個階段；Y，每年冬小麥總產量，104t；Si，各時期不同干旱條件下敏感指數。

據生育期耦合結果確定的受災成災面積、播種面積和單產等計算冬小麥風雹災和低溫凍害減產量[21]。

Yi=[(AS-AC)×C1+AC×C2]×YM

(5)

(6)

式中：Yi，冬小麥不同災害減產量，104t；As，受災面積，103hm2；Ac，成災面積，103hm2；C1，受災面積的平均減產系數，取0.2；C2，成災面積的平均減產系數，取0.5；YM，冬小麥趨勢單產，kg/hm2，由二次指數平滑法確定，此方法賦予距離預測時間點不同的歷史產量以不同的權重，在第一次指數平滑的結果上再做一次指數平滑建立趨勢預測模型，適應性強、結果穩定[22]；Ri，不同災害減產比例；S，冬小麥播種面積，103hm2。

2 結果與分析

2.1 河北省冬小麥生育期災害發生的基本特征

河北省冬小麥生育期內災害類型多樣，主要包括旱災、低溫凍害、風雹災、干熱風與病蟲害。由表2 可知，旱災持續時間較長且影響范圍廣泛，是冬小麥生長過程中面臨的最主要的災害，1990—2018年，有27年發生不同程度的旱災，嚴重威脅冬小麥的生長。風雹災具有時間短和強度大的特點，1990—2018年，研究區冬小麥共遭受風雹54次，大風和冰雹災害造成冬小麥減產甚至絕收。1990—2018年，冬小麥遭受低溫凍害27次，時間集中在秋末冬初與冬末春初，凍害導致冬小麥幼苗死亡以及穗粒數降低。每年均有不同程度的干熱風現象發生，相比旱災、風雹災和低溫凍害，干熱風對冬小麥產量影響較小。病蟲害也是冬小麥生長過程中面臨的重要災害，蚜蟲、赤霉病、白粉病、條銹病和麥蜘蛛等病蟲害在抽穗期發生阻礙了冬小麥的正常生長，多為局部地區發生。

表2 1990—2018年河北省冬小麥受災情況Table 2 Different disasters of winter wheat in Hebei Province from 1990 to 2018

2.2 冬小麥生育期不同災害發生的時間規律

2.2.1主要災害

由圖2可知，冬小麥在需水關鍵期也就是拔節期和抽穗期易發生旱災。1990—2018年，冬小麥拔節期旱災發生頻率為0.7，抽穗期旱災發生頻率為0.6，研究區春季降水少且蒸發強烈，這一時期冬小麥需水量占生長總需水量的65%以上，旱災的出現導致冬小麥的正常水分需求無法滿足。冬季干燥且降水少的氣候特征使得該地區極易發生秋冬連旱，1990—2018年，冬小麥苗期、分蘗期以及返青期出現旱災的頻率均在0.4左右，這些時期旱災的出現使得冬小麥蔫黃，分蘗數量少、質量低，易形成弱苗不利于后期正常生長。隨著降水的增多，冬小麥乳熟期和成熟期旱災發生頻率下降。從不同年份階段來看，1990—1999年與2000—2009年小麥生育期內旱災發生頻率無顯著差異，2010—2018年冬小麥各生育期旱災發生頻率較1990—1999和2000—2009年呈顯著下降趨勢；與1990—1999年相比，2010—2018年抽穗期旱災發生頻率下降0.5、返青期和乳熟期旱災頻率下降0.4。

不同小寫字母表示在同一生育期各年份之間差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters in the same growth period indicate that the difference reach a significant level (P<0.05) among different years.圖2 不同時段河北省冬小麥旱災發生頻率Fig.2 Drought frequency in different growth stages of winter wheat in Hebei Province

由圖3可知，風雹災主要發生在冬小麥的抽穗期、乳熟期和成熟期且各生育期風雹災次數隨時間推移呈現上升趨勢。1990—2018年，研究區內抽穗期風雹災次數為21.0次，占到總次數的38.89%，乳熟期發生次數占比為20.37%，成熟期發生19.0次占總發生次數的35.19%。1990—1999年，冬小麥生育期內風雹災害年均次數為1.0 次/年，主要集中在抽穗期、乳熟期和成熟期；2000—2009年，冬小麥風雹災年均次數為1.2 次/年，成熟期發生頻次增多；2010—2018年冬小麥生育期內風雹災年均次數為3.5次/年，除冬小麥抽穗期、乳熟期和成熟期受到影響之外，拔節期發生風雹災害的次數也在增加。

冬小麥的分蘗期和拔節期遭受低溫凍害最為嚴重，研究期27次低溫凍害有10次發生在分蘗期、14次發生在拔節期，2000—2018年，冬小麥遭受低溫凍害次數呈減少趨勢，2014—2017年多數地區冬小麥未遭受低溫凍害。2000—2009年，分蘗期發生低溫凍害的年均次數為0.5次/年，比1990—1999年多0.3次/年，而2010—2018年下降至0.3次/年，這表明氣候變暖趨勢下持續低溫現象有所減少，而初春的頻繁冷空氣及寒潮使得2010—2018年拔節期的低溫凍害發生次數比2000—2009年增加0.1次/年，此時冬小麥植株生長旺盛且抗寒力下降，易造成產量損失。1990—2018年，抽穗期低溫凍害發生年均次數持續減少。

圖3 不同年份河北省冬小麥生育期內風雹災(a)和低溫凍害(b)年均次數Fig.3 Average annual number of wind-hail (a) and freezing injury (b) during the growth periods of winter wheat in Hebei Province in different years

2.2.2其他災害

由圖4可知，干熱風主要集中在冬小麥抽穗期、乳熟期和成熟期，研究期內年均日數分別為0.6、0.6 和1.0 d/年，成熟期干熱風年均日數最多。1990—2018年，冬小麥各生育期干熱風年均日數均呈現增長趨勢。1990—1999年，冬小麥生育期內干熱風年均日數為2.0 d/年，2000—2009年干熱風年均日數增長至2.2 d/年，2010—2018年冬小麥生育期內干熱風年均日數達到2.6 d/年。

隨著農藥害蟲防治水平的提高，研究期內冬小麥病蟲害受災程度不斷降低，1990—1999年，抽穗期病蟲害平均發生率為3.85%，而到2010—2018年抽穗期病蟲害平均發生率僅有0.51%，病蟲害對冬小麥的危害大大減輕。

圖4 不同時期河北省冬小麥其他災害年均發生日數(a)和作物病蟲害發生面積占比(b)Fig.4 Annual average number of days (a) and proportion of average occurrens area (b) of other disasters of winter wheat in different periods in Hebei Province

2.3 冬小麥生育期不同災害發生的區域特征

2.3.1主要災害

1990—2018年，冬小麥生育期內不同災害的發生具有明顯的地區差異，由表3可知，全省各地冬小麥旱災頻率均處于較高水平，中南部地區更易出現旱災。冬小麥苗期至分蘗期，廊坊市、保定市、滄州市、石家莊市和衡水市的旱災發生頻率高于其他地區。在旱災發生最頻繁的拔節期，廊坊市、保定市、滄州市、石家莊市以及邢臺市旱災發生頻率高達0.6；抽穗期滄州市(0.5)、廊坊市(0.4)以及保定市(0.4)的旱災發生頻率仍高于其他地區。除受降水分布影響，旱災發生頻率與當地的灌溉水平也有關系，有效灌溉率越低，旱災發生頻率越高，滄州市、石家莊市和廊坊市的有效灌溉率較低，分別為47.54%、51.52%和53.06%，這些地區都是旱災發生頻率較高的地區。

表3 不同地區冬小麥各生育期旱災發生頻率Table 3 Drought frequency in different growth periods of winter wheat in different regions

由表4可知，風雹災發生隨冬小麥生育期推移由南向北推進，邢臺市發生最為頻繁。1990—2018年，衡水市、邢臺市和邯鄲市等南部地區風雹災發生時間較早，出現在冬小麥的拔節期，年均次數約為0.1次/年。隨著冬小麥生育期的推移，風雹災發生區域擴展至石家莊市等中部地區，抽穗期多數地區遭受風雹災年均次數約為0.1次/年。乳熟期邢臺市風雹災害發生年均次數處于較高水平，為0.3次/年。成熟期各地風雹災害發生較頻繁，其中邯鄲市風雹災害發生年均次數最低，為0.2次/年。整體來看，邢臺市冬小麥各生育期內風雹災發生次數較高。

表4 不同地區冬小麥各生育期風雹災年均次數Table 4 The average annual number of wind-hail in different growthperiods of winter wheat in different regions

由表5可知，全生育期內西部地區低溫凍害發生的年均次數較多，南部地區拔節期低溫凍害發生的年均次數較多。1990—2018年，冬小麥分蘗期石家莊市和保定市低溫凍害發生的年均次數為0.2次/年，遠高于其他地區。拔節期保定市(0.3次/年)和石家莊市(0.2次/年)低溫凍害發生年均次數仍保持較高水平，邯鄲市、邢臺市、衡水市和滄州市低溫凍害年均次數分別增加至0.2、0.2、0.1和0.1次/年，表明這些地區拔節期相比分蘗期更易發生低溫凍害。抽穗期各地區低溫凍害極少發生，年均次數約為0.1次/年。

表5 不同地區冬小麥各生育期低溫凍害年均次數Table 5 The average annual number of freezing injury in differentgrowth periods of winter wheat in different regions

2.3.2其他災害

由表6可知，干熱風年均日數由北向南遞增，河北省中南部為干熱風發生的高值區。1990—2018年，衡水市和邢臺市等中南部地區在冬小麥拔節期出現干熱風但年均日數較少，抽穗期滄州市、石家莊市和衡水市等中南部地區年均干熱風日數超過1.0 d/年，其中邢臺市達到1.8 d/年，成熟期秦皇島市、唐山市、廊坊市和保定市干熱風日數雖有一定增多但幅度較低，中南部地區干熱風日數水平仍舊保持較高水平。

1990—2018年南部地區病蟲害年均發生率較高，其中衡水市最高可達4.09%，其次邢臺市為3.75%、邯鄲市為3.50%，廊坊市、保定市和石家莊市病蟲害受災程度較輕，病蟲害年均發生率<1.00%，秦皇島市、唐山市和滄州市病蟲害年均發生率在1.00%～2.00%。

2.4 主要災害對冬小麥減產估算分析

由冬小麥不同災害發生情況以及實地調研可知旱災、風雹災和低溫凍害3種主要氣象災害對冬小麥產量造成嚴重影響。由表7可知，旱災對冬小麥減產的貢獻率最大，凍害貢獻率較低，中南部地區冬小麥減產水平較高。唐山市和秦皇島市旱災年均減產比例較低，分別為3.37%和3.42%。其他地區年均減產比例介于4.00%～5.00%，其中廊坊市減產最為嚴重達到5.15%。秦皇島市和唐山市的冬小麥風雹災年均減產比例分別達到1.74%和1.50%，邢臺市、邯鄲市和保定市年均減產比例都達到1.00%以上。相比之下，衡水市減產比例僅為0.60%。石家莊市凍害受災情況最為嚴重，年均減產比例為0.80%，保定市也是受災嚴重的區域，年均減產比例為0.20%，其他地區減產比例不足0.10%。從整體來看，石家莊市和廊坊市冬小麥減產比例處于較高水平在6.00%以上，其他地區減產均在5.00%左右。

3 討 論

災害災情數據充分反映了農作物在自然和人為綜合作用下受災的真實情況，即采取一定有效的防災措施前提下冬小麥的災害發生情況，但以市為統計單元分析冬小麥不同生長階段發生的局部性災害發生頻率，尺度較為寬泛可能會存在統計偏差，孕災環境脆弱性以及防災減災能力等呈現區域差異特征，

表6 不同地區冬小麥各生育期其他災害情況Table 6 Other disasters in different growth periods of winter wheat in different regions

表7 不同地區冬小麥主要災害年均減產比例Table 7 The average annual yield reduction rate of major disasters of winter wheat in different regions %

以實際災情記錄為基礎的更小尺度上的災害發生規律值得進一步研究。另外，依據災情數據記錄的災害程度、受災和成災面積可計算不同災害導致的冬小麥減產比例，但這在一定程度上忽略了多種災害迭加影響的作用，估算的減產比例可能偏低。

氣候變暖背景下北方地區干旱趨勢加劇[23]，但是根據災情數據分析冬小麥旱災發生頻率呈下降趨勢，一方面與冬小麥需水量呈顯著減少趨勢有關[24]，另一方面說明目前農業生產中出現干旱時，灌溉、節水種植和地膜覆蓋等抗旱減災措施的實施可以減少冬小麥受災[25-26]，如河北省耕地有效灌溉率由1990年的57.3%提升至2018年的68.8%，灌溉水平的提高增強了冬小麥抵御旱災的能力，不同科學技術投入減緩冬小麥受災作用程度存在差異，對其定量化可為作物防災減災提供更有針對性的參考建議。

氣候變化背景下強對流天氣增多，位于北方多雹帶的河北省風雹災害發生頻率出現增加趨勢[27]，風雹天氣來勢猛且強度大，不及時采取預防措施會導致冬小麥受災嚴重。冬小麥低溫凍害受災次數年際間差異不顯著，但其確實存在下降趨勢，這與冬春季凍害發生次數減少有關[28]，同時與采取的人為防御措施密切相關，如河北省示范推廣的冬小麥—夏玉米“雙晚”種植模式通過適當推遲冬小麥播種時間實現生育期優化配置，促進植株根部發育提高抗凍能力與水熱利用效率可以有效適應氣候變暖、減少受災[29-31]。干熱風年均日數呈持續增長趨勢，但趨勢不明顯，與前人研究結果一致[32-33]，應預見性地采取措施減少干熱風日數增多對冬小麥產量造成的不利影響。人為干預下病蟲害發生率不斷降低，南部地區適宜的溫度促進害蟲的繁殖，對冬小麥的危害更為嚴重。

4 結 論

本研究分析河北省1990—2018年冬小麥生育期不同災害發生規律，比較冬小麥主要災害減產比例，得出以下結論：

1)河北省冬小麥生育期內災害主要包括旱災、風雹災、低溫凍害、干熱風與病蟲害。旱災多發生在冬小麥拔節期和抽穗期；風雹災集中發生在抽穗期、乳熟期和成熟期；低溫凍害多發生在分蘗期和拔節期；干熱風集中在抽穗期、乳熟期和成熟期；病蟲害多出現在抽穗期。

2)1990—2018年，冬小麥生育期內旱災發生頻率呈下降趨勢，風雹災次數與干熱風日數呈現增長趨勢，低溫凍害發生次數與病蟲害受災程度持續下降。

3)中南部地區更易出現旱災；風雹災隨冬小麥生育期由南向北推進；西部地區全生育期低溫凍害年均次數多，南部地區拔節期低溫凍害年均次數多；干熱風年均日數由北向南遞增；南部地區病蟲害年均發生率較高。

4)旱災對冬小麥減產貢獻率最大，低溫凍害貢獻率較低，中南部冬小麥減產水平較高。