基于水分虧缺指數的四川省水稻干旱災害綜合風險評價

金垚，王銳婷，鄒雨伽，楊德勝

1. 德陽市氣象局， 四川 德陽 618000；2. 四川省農業氣象中心， 成都 610072

自古以來， 農業一直是與氣象條件依存度最高的產業之一， 在全球氣候變化的大背景下， 農業受到的影響最為顯著， 各類極端氣候事件對農業生產的影響也越來越受到國內外學術界的重視， 其中干旱是受關注度最高的一種氣象災害[1-2]． 我國水資源雖然豐富， 但其分布極為不均， 因此， 對以農耕為立身之本的中華文明來說， 旱澇災害從幾千年前開始就始終存在并不斷展示其巨大威力．

目前中國是全球最大的水稻生產國， 其中四川是13個糧食主產區之一， 水稻產量占全國糧食總產量的6.9%[3-4]． 四川地理位置特殊， 地形地貌多樣， 大氣環流復雜， 四川水稻生產易受干旱、 洪澇、 高溫、 冷害等多種氣象災害的影響， 其中又以干旱最為常見， 對產量影響最大[5]． 水稻是水生植物， 生長過程中需水量大， 但在四川省農業生產中， 各類水利工程設施覆蓋面較小， 水稻能夠有效灌溉的地區不多， 水稻產量很大程度上仍然受自然降水的影響． 因此， 研究四川水稻干旱災害綜合風險對水稻生產規劃布局有著十分重要的指導意義．

近十幾年來， 西南地區嚴重干旱災害頻發， 因此針對該地區的干旱研究不斷增多． 如張峰[6]對川渝地區農業氣象干旱風險與損失進行評估；張建平等[7]改進相對濕潤指數， 對西南地區水稻干旱時空分布特征進行評述；趙海燕等[8]修正綜合氣象干旱指數并分析其在西南地區的適用程度；宋艷玲等[9]針對干旱對貴州地區水稻產量的影響進行分析；王明田等[10]、 李金建等[11]、 袁淑杰等[12]都基于相對濕潤指數分別對西南和四川盆地干旱時空變化特征進行分析． 針對四川地區的水稻干旱， 陳超等[13]、 陳東東等[14]分別針對水稻不同生育階段開展干旱風險研究；龐艷梅等[15]、 楊世民等[16]對四川盆區直播與移栽水稻的干旱風險進行了對比評估． 但以上研究或是基于相對濕潤指數， 或是僅以四川盆地水稻作為研究對象， 或是針對水稻某個生育期進行分析， 而基于水分虧缺指數[17]對四川全部水稻產區干旱災害風險的分析評估較少．

本研究基于水分虧缺指數(crop water deficit index， CWDI)， 從自然災害形成機制的角度， 提出以危險性、 脆弱性、 暴露性和防旱減災能力4個要素[18-19]作為種植制度優化評價指數， 構建風險評價模型， 研究干旱對區域作物種植制度演變的影響， 明確干旱氣候背景下， 各區域種植制度布局如何根據農業氣候資源變化進行優化， 以期為相關決策生產部門開展農業生產應對氣候變化采取相關措施提供科學參考依據．

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究收集了四川省盆地及攀西農區125個氣象站點1980-2017年的逐日降水量、 平均氣溫、 最高氣溫、 最低氣溫、 日照時數、 平均氣壓、 平均水汽壓、 平均相對濕度、 風速以及海拔等數據[20]；四川省盆地23個及攀西農區3個共計26個水稻農業氣象觀測站1980-2017年的水稻生育期資料． 現實生產力數據來自于《四川省統計年鑒》．

1.2 研究方法

1.2.1 水稻分區及生育時間確定

四川省水稻主要分布在四川盆地、 盆周山區及川西南山地區域， 按地理地貌類型及種植區形成， 將全省劃分為7個種植區(圖1)及1個非種植區(川西高原區， 本文略)[21]． 通過統計水稻農業氣象觀測站觀測報表的生育期資料， 結合大田生產調查， 得出各區域水稻播種至成熟期全生育階段的時間． 根據研究需要， 現僅將各區域水稻移栽-成熟過程中的所有生育階段時間列出(表1)．

審圖號： GS(2017)3320號圖1 四川省水稻種植分區圖

成都平原區(Ⅰ區)為5月上旬至9月上旬， 盆中丘陵區(Ⅱ區)為5月上旬至9月上旬， 盆南丘陵低山區(Ⅲ區)為4月上旬至8月上旬， 盆東平行嶺谷區(Ⅳ區)為5月上旬至8月下旬， 盆北深丘低山區(Ⅴ區)為5月下旬至9月下旬， 川西南山地半濕潤氣候區(Ⅵ區)為5月上旬至10月上旬， 川西南山地干熱河谷區(Ⅶ區)為5月上旬至9月上旬．

表1 四川省不同區域水稻發育時段劃分

1.2.2 水稻干旱災害風險評價模型構建

1.2.2.1 致災因子危險性評價模型

1.2.2.1.1 水稻水分虧缺指數計算方法

水稻水分虧缺指數(I)計算公式[22]

(1)

式中，P10為前10日累積降水量；W10為前10日累積作物需水量；P為固定時段的累計降水量；W為固定時段累計作物需水量， 通過式(2)計算；C為固定區域的徑流系數， 采用美國土壤保持局的徑流曲線法(USDA-SCS， 1988a， Sharpley and Williams， 1990)， 通過式(3)和式(4)計算．

W=KcET0

(2)

式中，ET0為參考作物蒸散量， 采用Penman-Monteith公式計算[23]；Kc為作物系數， 可由四川省已有資料和田間試驗結果計算[24]．

(3)

式中，P為日降水量；S為表面水分保持力因子， 受土壤水分量影響較大．

S=254×(100-CN)/CN

(4)

式中，CN為土壤徑流曲線值， 由相應表查出[25-26]．

根據干旱標準結合《中國氣象災害大典》(四川卷)， 參考盆地區典型年份水稻干旱評估指數， 并進行對比分析， 確定水稻干旱等級指標， 將其分為無旱、 輕旱、 中旱、 重旱、 特旱5個級別[27](表2)．

表2 水稻干旱等級劃分

1.2.2.1.2 干旱頻率計算方法

干旱頻率計算公式[28]

(5)

式中，Xh2為干旱頻率；Di為某個生育期干旱次數， 通過表2確定；i為第i年份；n為資料總年數， 本研究取值為38．

1.2.2.1.3 標準化計算方法

通過對水稻干旱頻率進行標準化處理， 得到水稻干旱災害風險評價指標：

正向指標(Xij)： 指標值越大， 水稻干旱災害風險越大．

(6)

負向指標(Xij)： 指標值越大， 水稻干旱災害風險越小．

(7)

式中，Xjmin為樣本最小值；Xjmax為樣本最大值；Xij為干旱災害風險評價指標．

1.2.2.1.4 水稻各生育階段劃分和權重計算方法

為了研究方便， 將水稻全生育期劃分為5個主要生育階段(表3)．

表3 水稻主要生育階段劃分

綜合考慮四川省水稻各生育階段特征和影響， 本研究采用層次分析法(AHP)對各生育階段的影響權重進行了劃分．

1.2.2.1.5 水稻干旱災害危險性指數計算方法

水稻各生育階段干旱災害危險性指數按式(8)計算

Ht=Wt1X1+Wt2X2

(8)

式中，Ht為水稻t生育期干旱災害危險性指數；X1，X2分別為t生育期的標準化干旱頻率和水分盈虧指數；Wt1，Wt2分別是t生育期X1，X2權重， 取0.4和0.6．

計算得到各生育階段水稻干旱災害危險性指數后， 建立水稻全生育期干旱災害危險性模型為

(9)

式中，H為全生育期干旱災害危險性指數，Qt為各生育階段干旱危險指數影響權重． 對應表3各生育期的影響權重采用層次分析法確定， 經過計算， 分別為0.1， 0.1， 0.2， 0.3， 0.3．

1.2.2.2 脆弱性評價模型

承災體的脆弱性越高， 則在一定災變條件下造成的損失或傷害程度越重， 風險越高． 選用產量變異程度作為脆弱性評價指標能夠從作物敏感性的角度反映出災年產量損失嚴重地區脆弱度高的特點． 將產量變異程度用多年單產的標準差與多年單產最大值的比值來表示， 模型為

(10)

式中，V為脆弱度，Yi為某縣第i年單產，Ymax為該縣多年單產最大值，n為單產資料總年份數．

1.2.2.3 暴露性評價模型

承災體暴露于孕災環境的部分越大， 災害損失的可能性越大， 風險也就越高． 暴露性依據研究的側重點不同選取不同的指標， 本研究從《四川省農業統計年鑒》中篩選出全省盆地及攀西地區各種植縣的水稻播種面積及耕地面積， 用耕地面積與水稻播種面積構建暴露性模型為

(11)

式中，E為暴露度，Sbo為縣域水稻播種面積，Sall為縣域內耕地面積．

1.2.2.4 防災減災能力評價模型

采用有效灌溉率和人均GDP兩個指標來構建防災減災能力評價模型， 其中有效灌溉率按式(12)計算

(12)

式中，T為有效灌溉率；Sg為區域當年有效灌溉面積．

水稻干旱災害防災減災能力指數按式(13)計算

R=U1V1+U2V2

(13)

式中，R為水稻干旱災害防災減災能力指數；V1，V2分別為不同地區水稻標準化有效灌溉率和人均GDP指數；U1，U2分別為有效灌溉率和人均GDP指標的權重， 取0.6和0.4．

1.2.2.5 綜合風險評價模型

農業氣象災害風險是潛在的災害， 本文根據自然災害形成機制， 提出以致災因子危險性、 承災體脆弱性、 暴露性和防災減災能力4個方面作為評價因子共同構建綜合風險評價模型．

致災因子危險性、 脆弱性、 暴露性為風險評價正向因子， 其值越高危險性越大；防災減災能力為風險評價的逆向因子， 故定義綜合風險評價模型為

(14)

式中，Z為水稻干旱綜合風險評價指標， 指數越大， 風險越大；H為水稻干旱致災因子危險性指數；E為水稻干旱災害暴露性指數；V為水稻干旱災害脆弱性指數；R為防災減災能力指數．

2 結果與分析

根據式(8)至式(14)， 對125個氣象站點數據進行運算， 得到四川省水稻干旱災害危險性、 脆弱性、 暴露性、 防災減災能力結果， 并最終得出全省水稻干旱災害綜合風險評價結果．

2.1 危險性分析

四川水稻干旱災害危險性等級空間分布呈現出北高南低的特征． 高危險區集中分布于Ⅱ區東北部、 Ⅳ區西南部、 Ⅴ區南部， 極高值出現在遂寧和南充蓬溪， 都在0.8以上． 次高危險區分布于高危險區周邊， 基本覆蓋整個盆北、 盆東、 盆中地區． 中等危險區主要分布于Ⅰ區西部和南部、 Ⅲ區北部和東部． 次低危險區主要分布于Ⅱ區南部、 Ⅲ區西部、 Ⅵ區東部、 Ⅶ區大部． 低危險區主要分布于Ⅵ區大部、 Ⅱ區西部， 其中以雅安的天全、 蘆山、 滎經最低， 都在0.2以下(圖2)．

2.2 脆弱性分析

四川水稻產區干旱災害脆弱性等級分布呈現出南北高、 中間低的區域分布特征， 其中中等脆弱區域范圍最大， 而脆弱性高值區和低值區都相對較小． 極高值出現在成都簡陽、 涼山喜德， 分別為0.30和0.27；高脆弱區呈分散分布， 分布于成都簡陽、 涼山喜德的周邊地區， 綿陽的西部和東部以及Ⅵ區西部． 次高脆弱區主要分布于Ⅱ西北部和中部、 Ⅵ區西部和東部、 Ⅲ區西南部、 Ⅴ區中部． 中等脆弱區廣泛分布于Ⅳ區、 Ⅲ區、 Ⅶ區大部， 以及Ⅱ區東北部和Ⅴ區東部． 次低脆弱區和低脆弱區分布比較集中， 主要位于Ⅰ區大部、 Ⅱ區東部、 Ⅵ區中部． 極低值出現在成都的都江堰和龍泉驛， 都在0.02以下(圖3)．

審圖號： GS(2017)3320號圖2 四川省水稻干旱災害危險性等級分布圖

審圖號： GS(2017)3320號圖3 四川省水稻干旱災害脆弱性等級分布圖

2.3 暴露性分析

四川水稻產區干旱災害高暴露區主要分布于Ⅳ區大部、 Ⅴ區西部、 Ⅱ區東部． 暴露性最高值出現在開江、 大竹、 渠縣、 青川， 都在0.37以上． 次高暴露區主要分布于Ⅳ區西部、 Ⅴ區西部、 Ⅲ區東南部、 Ⅵ區西南部、 Ⅶ區大部． 中等暴露區主要分布于Ⅱ區北部、 Ⅴ區中部、 Ⅵ區大部． 次低暴露區和低暴露區分布區域類似， 主要分布于Ⅱ區大部、 Ⅲ區西南部和東部、 Ⅳ區南部、 Ⅴ區中部． 極低值出現在樂至、 納溪、 翠屏、 合江等地， 均在0.02以下(圖4)．

2.4 防災減災能力分析

干旱防災減災能力指數與水稻干旱災害風險呈負相關， 干旱防災減災能力越高， 干旱災害風險就越低． 水稻主產區高抗災能力區主要分布于Ⅰ區和Ⅱ區的成都、 德陽、 眉山、 樂山一帶， 以及Ⅶ區的攀枝花西南部． 次高抗災能力區主要分布于Ⅱ區大部、 Ⅲ區北部、 Ⅵ區南部． 中等抗災能力區主要分布于高抗災能力區和次高抗災能力區的周邊． 次低抗災能力區和低抗災能力區主要分布于Ⅱ區東北部、 Ⅲ區南部、 Ⅳ區大部、 Ⅴ區大部、 Ⅵ區西部和東部． 防災減災能力的高低與經濟社會發展狀況高度吻合， 成都平原及周邊地區能力最高， 而涼山州的美姑、 昭覺、 布拖一帶的防災減災能力在0.1以下， 為水稻產區最低(圖5)．

審圖號： GS(2017)3320號圖4 四川省水稻干旱災害暴露性等級分布圖

審圖號： GS(2017)3320號圖5 四川省水稻干旱災害防災減災能力等級分布圖

2.5 干旱災害綜合風險模型建立與評價

本研究以四川省水稻產區干旱災害風險為對象， 綜合考慮孕災環境、 災害發展特點、 水稻生育期干旱災害致害程度、 地方經濟發展和防災減災能力等因素， 構建出四川省水稻干旱災害風險評價模型． 用自然斷點法(natural breaks)將四川水稻干旱災害風險度劃分為高風險、 中高風險、 中等風險、 中低風險、 低風險5個等級(表4)．

表4 風險等級劃分

審圖號： GS(2017)3320號圖6 四川省水稻干旱綜合風險等級分布圖

根據四川水稻產區干旱災害綜合風險等級分布圖(圖6)， 高風險區主要分布于盆東平行嶺谷區(Ⅳ區)南部、 盆北深丘低山區(Ⅴ區)西部、 盆中丘陵區(Ⅱ區)遂寧和南充接壤地區， 其中以達州大竹、 綿陽梓潼、 廣元青川劍閣為最高． 次高風險區主要分布于Ⅳ區大部、 Ⅴ區大部、 Ⅱ區北部、 盆南丘陵低山區(Ⅲ區)東南部． 中等風險區主要分布于Ⅱ區東北部和東南部、 Ⅴ區中部、 Ⅲ區西南部、 川西南山地半濕潤氣候區(Ⅵ區)和川西南山地干熱河谷區(Ⅶ)大部． 干旱災害風險較低區域主要分布于成都平原區(Ⅰ區)和Ⅱ區的成德綿樂經濟帶及其輻射區域， 以及部分較發達地區如巴中、 南充、 廣安、 宜賓、 瀘州等地城區周邊， 其中又以Ⅰ區干旱風險最低， 該地區地處都江堰灌區的中心地帶， 灌溉條件良好， 經濟發達， 社會管理水平高， 防災減災軟硬件條件好， 因此能夠很好應對水稻干旱災害．

3 結論與討論

3.1 結論

本研究以四川省水稻干旱災害為研究對象， 從干旱災害危險性、 水稻受災脆弱性和暴露度、 各地區防災減災能力4個影響因子入手， 對四川省水稻干旱災害綜合風險進行評價， 結論如下：

1980-2017年間， 四川水稻干旱災害危險性空間差異顯著， 呈現出北部高危、 南部低危的特點， 中等危險性等級的地區較少． 危險性等級高的地區， 以遂寧、 南充為中心， 向周邊輻射． 危險性等級低的地區， 則以雅安、 涼山為中心， 向東部的樂山、 宜賓、 攀枝花等地輻射． 中等危險區從川西北到川東南呈狹長帶狀分布． 水稻干旱災害脆弱性的空間分布特點與危險性差異較大， 呈現出南北脆弱性等級較高， 而以成都平原為中心的中部地區脆弱性等級較低的特征， 且中等脆弱區面積占比最大． 水稻干旱災害暴露性呈現出東北高、 中間低、 西南較高的特征， 高暴露區域呈分散分布， 主要位于達州大部、 廣元西部、 遂寧與南充的接壤地區、 內江與瀘州的部分地區． 在防災減災能力方面， 以成都平原為中心的成德綿樂經濟帶是抗災能力最強地區， 其他地區以各市(州)中心城區為抗災能力高值區， 向周邊地區逐漸降低．

綜上所述， 水稻干旱災害風險的高低與干旱強度與頻率、 地形水系以及經濟發展水平有關， 導致四川水稻干旱災害綜合風險空間差異很大， 呈現出“北高、 南中、 中間低”的分布特點， 盆地中部、 東部和北部高， 成德綿樂經濟帶及其周邊地區、 其他經濟較發達城市如南充、 廣安、 遂寧、 資陽、 宜賓、 自貢等地中心城區及周邊地區災害風險較低， 其余地區干旱災害等級為中等． 其中成都平原及盆中丘陵大部干旱頻率雖然較高， 但該區域地形平坦， 水系豐富， 經濟發達， 干旱風險較低， 而盆北深丘低山區(Ⅴ區)、 盆東平行嶺谷區(Ⅳ區)等地干旱頻率較高， 地形復雜， 灌溉率較低， 經濟發展水平一般， 水稻干旱災害風險偏高．

3.2 討論

本研究采用水分虧缺指數， 以典型年份水稻干旱評估指數作為依據， 結合《中國氣象災害大典》(四川卷)對樣本站點進行水稻干旱等級劃分． 該方法經專家打分， 科學性較高， 與四川水稻實際受旱情況相符， 能夠在大部分干旱事件發生時判斷出水稻受旱程度． 該方法在干旱災害危險性評估中大大提高了分析結果的定量化和精細化程度， 與以往四川水稻干旱災害的研究相比， 更具有針對性． 本研究利用該方法， 對四川水稻干旱災害危險性進行評估， 可信度較高， 能夠較準確地反映水稻全生育期， 特別是孕穗-成熟這一關鍵生育階段干旱對水稻影響的空間差異． 但研究過程中， 沒有采用遙感監測數據進行輔助評估， 這是由于四川盆地陰雨天、 霧天較多， 遙感監測資料連續性較差． 我們將在以后的研究中， 開發出遙感資料的應用方法， 進一步提高危險性評估的精度．

水稻干旱災害脆弱性主要是用來表征其對外部壓力的敏感和適應程度， 通過查閱文獻資料[29-30]， 發現海拔、 坡度坡向、 水系分布等因素隨著空間的變化而改變， 這些因素互相作用的同時， 也對水稻產生影響， 如果將各因素的影響簡單疊加， 則容易忽略這種相互作用． 因此本研究從結果入手， 利用多年產量數據， 計算得到產量變異程度， 并構建脆弱性評價模型， 得出的研究結果與實際情況相符， 能較準確地反映四川水稻受旱的實際情況． 在水稻干旱災害暴露性模型構建方面， 本研究收集了各地區水稻年度種植面積與耕地面積， 通過模型計算得到暴露性評價結果． 經驗證， 暴露性高的地區在干旱年份普遍減產， 而暴露性低的地區減產幅度較小或未受影響． 但受資料所限， 本研究主要依靠種植面積來評估暴露性程度， 并未考慮到地形地貌和植被的影響， 將在以后的研究中進一步改進．

水稻生產過程中， 經常同時受到多種農業氣象災害的影響， 并且各種災害之間會互相作用， 相同的災害對不同品種水稻影響程度也不一樣． 比如在四川水稻生產過程中， 高溫熱害與干旱就是一對“兄弟”災害， 高溫熱害出現時容易發生干旱， 干旱出現時也往往伴隨著高溫熱害， 它們互相作用影響的同時， 往往還有利于部分病蟲害的發生． 本研究中采用的脆弱性評估指數， 主要是基于產量變異程度進行分析， 容易對伴生的高溫熱害、 病蟲害等災害損失進行重復計算， 導致分析結果較實際結果偏高． 在今后的研究中， 我們將致力于尋找更精確的產量變異分析方法， 提高干旱災害致損評估的精確性． 同時， 采用多種方式， 加強對水稻生長發育期的跟蹤觀測， 實現四川水稻干旱災害風險對產量影響的量化評估， 使四川水稻干旱災害綜合風險評價能夠更好地為各地生產管理部門提供決策依據， 以滿足四川省水稻安全生產日益增長的需求．