黄淮海地区春花生旱涝灾害危险性评价

魏思成 李凯伟 张继权* 杨月婷 刘 聪 王春乙

1)(东北师范大学环境学院，长春 130117) 2)(中国气象科学研究院，北京 100081)

引 言

花生是我国重要的食品、油料和经济作物，是推动我国现代农业经济可持续发展的重要主导经济作物之一[1]。黄淮海地区花生种植面积和产量约占全国的60%，是我国重要的花生产地[2]。近年随着全球气候变暖，黄淮海地区旱涝灾害发生次数明显增多[3]，花生生产面临巨大威胁。因此，对黄淮海地区春花生旱涝灾害进行危险性评价，不仅可以量化春花生旱涝灾害风险，还可以优化黄淮海地区春花生产业化布局，对春花生防灾减灾意义重大。

目前，极端天气事件频繁发生，农业气象灾害被广泛关注[4-8]，其中对旱涝灾害的研究逐渐增多，主要集中在玉米、水稻及小麦等粮食作物[9-10]，有关经济作物旱涝灾害研究报道较少[11-12]。郁凌华等[13]以统计方法研究黄淮海地区夏玉米生长季的旱涝时空分布特征，运用标准化降水指数(standardized precipitation index)，对1970—2010年黄淮海地区的降水量数据进行统计。任宗悦等[14]的东北地区春玉米生长期旱涝趋势的时空演变规律研究，主要以累积水分盈亏指数为旱涝指标，并结合M-K趋势检验和突变检验法及GIS空间分析技术等展开数据分析。张爱民等[15]以水稻、小麦旱涝灾害损失评估模型分析旱涝灾害对水稻、小麦产量的影响。相对而言，关于花生旱涝灾害的研究报道较少，且研究主要集中在干旱、涝害对花生的影响及花生抗旱性、抗涝性鉴定等方面。干旱、涝害对花生的影响方面的研究主要集中在花生形态、生理生化指标、产量[16-20]等方面，揭示不同旱涝程度对花生生产及产量影响，而花生抗旱性、抗涝性鉴定研究多集中在花生性状的相关指标及抗旱指数计算[21-23]。

本文以黄淮海地区春花生为研究对象，选择标准化降水作物需水指数作为表征春花生旱涝情况的指标，分析黄淮海地区春花生旱涝灾害空间分布特征。在此基础上，根据灾害发生的强度和频率构建春花生旱涝灾害危险性评价模型，对黄淮海地区春花生旱涝灾害危险性进行评价，研究结果可为黄淮海地区春花生旱涝灾害防灾减损及安全生产保障提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

黄淮海地区土地总面积为4.08×105km2，占全国土地总量的4.3%，由黄淮平原、鲁中南丘陵、胶东丘陵、冀鲁豫低洼平原和燕山太行山山麓平原等5个自然生态区组成，其中耕地面积为2.1538×107hm2，占全国耕地总面积的16.3%。黄淮海地区东邻黄海、渤海，西倚太行山、豫西山地，北靠长城，南踞淮河，行政区划分包括北京、天津、河北、河南、山东、安徽和江苏五省二市，共369个县(市、区)。黄淮海地区地处我国东北亚经济圈，环渤海经济圈横跨其中，是我国重要的农产品生产加工基地。黄淮海地区属温带大陆性季风气候，四季分明，大于等于10℃积温为3600～4800℃·d，全年无霜期为170～200 d，年降水量为500～950 mm，旱、涝、沙、碱等为制约黄淮海地区农业发展的主要环境限制因素。2010年黄淮海地区花生播种面积约2×106hm2，占全国花生总播种面积的58%；花生产量约8×106t，占全国花生总产量的62%[24-25]。

1.2 数据来源

研究所采用的数据主要包括气象数据和作物数据。气象数据来源于国家气象信息中心，包括1960—2019年黄淮海地区186个地面观测气象站点(图1)观测的日最高气温、日最低气温、日平均气温和逐日降水量等。作物数据来源于研究区内各省市统计年鉴和中国农业技术网，包括1960—2019年黄淮海地区花生的播种面积、年产量、年平均单产数据以及春花生发育阶段划分。

图1 研究区域内气象站点分布Fig.1 Distribution of weather stations in target area

1.3 春花生发育阶段划分

春花生是喜温、较耐寒、怕涝的一年生豆科作物。在黄淮海地区，春花生生长季可达170～180 d，一般在4月中下旬播种，9月下旬—10月上旬收获。春花生生长季分为出苗期(从播种到50%的幼苗出土并展开第1片真叶)、幼苗期(从50%种子出苗到50%植株第1朵花开放)、花针期(从50%植株开始开花到50%植株出现鸡头状的幼果)、结荚期(从50%植株出现鸡头状幼果到50%植株出现饱果)、饱果期(从50%植株出现饱果到荚果饱满成熟收获)5个时期[26]，具体时间段划分如表1所示。其中，出苗期-幼苗期为发育前期，花针期为发育中期，结荚期-饱果期为发育后期。

表1 黄淮海地区春花生发育期划分Table 1 Division of spring peanut growing season in Huang-Huai-Hai Region

1.4 春花生旱涝灾害危险性评价指标选取

标准化降水蒸腾指数(standardized precipitation evapotranspiration index)是Vicente-Serrano等[27]兼顾标准化降水指数、降水和蒸发因素[28]提出的一种干旱指标。本文在综合前人研究[29]的基础上，鉴于春花生不同发育阶段需水量不同，将春花生不同发育阶段的需水量作为重要指标加入计算，构建可综合表征春花生旱涝情况的标准化降水作物需水指数(standardized precipitation requirement index，ISPR)。具体过程和计算公式如下：

①计算不同发育阶段作物日需水。

作物发育阶段需水量是由发育阶段内逐日需水量累积得到，逐日需水量反映不同时期不同地区大气蒸发能力对作物需水量的影响,参照联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)推荐的Penman-Monteith公式[30]计算，以标准条件下(长势良好，供水充足)的逐日蒸散量作为理论需水量

ETc=Kc×ET0。

(1)

式(1)中，ETc为逐日作物需水量,单位：mm；Kc为春花生作物系数，反映土壤蒸发、作物蒸腾的综合效应，分别受气候条件、土壤蒸发、作物种类、作物生长状况等多种因素的影响[31]，本文结合研究区实际情况参考FAO推荐值选用作物系数[32](表2)；ET0为逐日参考作物蒸散量,单位：mm。

表2 春花生作物系数Table 2 Spring peanut crop coefficient

②计算各发育阶段降水量与作物需水量的差值D[33]，即

Di=Pi-ETci。

(2)

式(2)中,i=1，2，3分别表示发育前期、发育中期和发育后期；P为各发育阶段降水量,单位：mm；ETc为各发育阶段作物需水量,单位：mm。

③对数据序列进行正态化。

由于原始序列中存在负值，因此在计算标准化降水作物需水指数时需采用3个参数的log-logistic概率分布函数，正态化后的数值即为标准化降水作物需水指数值[33]。

log-logistic概率分布函数公式为

(3)

式(3)中，参数α，β，γ由线性矩方法拟合获得。

对累积概率密度Y进行标准化：

Y=1-F(x)。

(4)

当累积概Y≤0.5时，

(5)

(6)

当累积概率Y>0.5时，

(7)

(8)

其中，ISPR为标准化降水作物需水指数，c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

参照文献[34-35]，基于ISPR将旱涝灾害划分为7级(如表3所示)。

表3 基于标准化降水作物需水指数(ISPR)的旱涝等级划分Table 3 Drought and flood grade based on standardized precipitation requirement index(ISPR)

1.5 春花生旱涝频率计算

旱涝频率(Pd)定义为某一站点发生某种程度旱涝的年数与研究时段总年数之比[36]，

(9)

式(9)中，n为某站点在某发育阶段发生某种程度旱涝年数，N为总年数。

1.6 春花生旱涝灾害危险性指数构建

旱涝灾害危险性主要由危害强度和发生概率表征，根据屈振江等[37]的研究成果，构建春花生主要气象灾害危险性指数：

Hx=Cs×Ps+Cm×Pm+Cl×Pl。

(10)

式(10)中，Hx为某种灾害的危险性指数，表示危险性大小，Hx值越大，则旱(涝)灾害危险性越大，灾害发生时造成的损失越大。Cs，Cm，Cl分别为重度、中度、轻度灾害的灾损系数即危害强度；Ps，Pm，Pl分别为重度、中度、轻度旱(涝)灾害的发生概率。

基于前人研究成果[18,38]以及产量数据与不同发育阶段灾害强度的相关分析结果，确定春花生不同发育阶段干旱和涝害的灾损系数(表4和表5)。

表4 春花生干旱灾损系数Table 4 The damage coefficients of drought disaster for spring peanut

表5 春花生涝害灾损系数Table 5 The damage coefficients of waterlogging for spring peanut

2 结果分析

2.1 黄淮海地区春花生旱涝灾害空间分布特征

为分析黄淮海地区春花生旱涝灾害空间分布特征，利用气象数据计算出1960—2019年ISPR，结合ISPR旱涝等级划分对春花生旱涝频率进行计算，并使用反距离权重插值法进行插值。

2.1.1 春花生干旱空间分布特征

1960—2019年黄淮海地区春花生不同发育阶段干旱发生频率均超过25%，多数地区的发生频率为30%～35%，仅个别地区发生频率为35%～45%。其中，春花生发育前期，黄河流域种植区和淮河流域种植区仅存在零散地区干旱发生率超过40%；黄河流域北部种植区、海河流域东北部种植区和淮河流域中部及北部种植区等干旱发生频率多为35%～40%。春花生发育中期，干旱发生频率为40%～45%的地区仅存在于黄河流域北部种植区，干旱发生频率为35%～40%的地区零散分布于整个黄淮海地区。春花生发育后期，仅海河流域东北部种植区小部分区域的干旱发生频率为40%～45%，干旱发生频率为35%～40%的情况在3个流域均零散分布(图2)。

图2 1960—2019年黄淮海地区春花生不同发育阶段干旱发生频率Fig.2 The frequency of drought disasters in different growth stages of spring peanut in Huang-Huai-Hai Region from 1960 to 2019

综合近60年春花生生长季干旱等级，黄淮海地区春花生干旱发生频率在30%以下，以轻度干旱和中度干旱为主。轻旱和中旱发生频率最高的地区主要位于黄河流域和海河流域，重旱发生频率最高地区出现在黄河流域北部、西部以及海河流域的南部。干旱发生频率为25%～30%的地区存在于黄河流域北部，面积极小；干旱发生频率为20%～25%的地区包括黄河流域西部、西北部、北部和中部某些种植区域、海河流域北部种植区和淮河流域的东北部种植区；干旱发生频率为15%～20%的地区分布广泛，涵盖整个黄淮海研究区；仅有零散几处位于黄河流域种植区、海河流域中南部种植区以及淮河流域西北部的种植区域干旱发生频率小于15%，不易发生干旱(图3)。

图3 1960—2019年黄淮海地区春花生生长季干旱发生频率Fig.3 The frequency of drought disasters during growing season of spring peanut in Huang-Huai-Hai Region from 1960 to 2019

2.1.2 春花生涝害空间分布特征

1960—2019年黄淮海地区春花生在生长季内涝害发生频率略高于干旱发生频率。春花生发育前期，绝大多数地区发生涝害的频率为28%～36%。春花生发育中期，有七成地区的春花生涝害发生频率达到32%～36%；在黄河流域和海河流域中部，部分种植区春花生涝害发生频率高达36%～40%。春花生发育后期，黄河流域中部种植区春花生涝害发生频率较高地区显著减少，在淮河流域北部种植区则出现春花生涝害发生频率最高的地区(图4)。

综合60年春花生生长季涝害等级，以轻度涝害和中度涝害为主，整体发生频率较高。轻涝发生频率最高的地区位于黄河流域西部，中涝发生频率最高的地区分散在整个研究区内，重涝发生频率最高地区则位于黄河流域南部。研究区涝害发生频率为35%～40%的地区分布范围较小，集中在黄河流域中部种植区、中西部种植区和北部部分种植区、海河流域北部种植区和淮河流域北部种植区；黄河流域大部分种植区、海河流域东部种植区和淮河流域北部种植区及南部种植区的春花生涝害发生频率为32%～36%，易发生涝害；黄河流域的西部种植区、东部种植区、海河流域南部种植区和淮河流域南部种植区春花生涝害发生频率较高；黄河流域西部种植区、东部少部分种植区和海河流域中部小片种植区春花生涝害发生频率较低，低于28%(图5)。

图4 1960—2019年黄淮海地区春花生不同发育阶段涝害发生频率Fig.4 The frequency of waterlogging in different growth stages of spring peanut in Huang-Huai-Hai Region from 1960 to 2019

图5 1960—2019年黄淮海地区春花生生长季涝害发生频率Fig.5 The frequency of waterlogging during growing season of spring peanut in Huang-Huai-Hai Region from 1960 to 2019

2.2 黄淮海地区春花生旱涝灾害危险性评价

对危险性指数进行归一化处理，利用自然断点法将研究区春花生旱涝灾害危险性划分为低危险性、中危险性和高危险性3个等级。分析春花生各发育阶段的干旱危险性，其中,低危险性为Hx<0.27，中危险性为0.27≤Hx<0.52，高危险性为Hx≥0.52。分析春花生各发育阶段的涝害灾害危险性，其中,低危险性为Hx<0.29，中危险性为0.29≤Hx<0.46，高危险性为Hx≥0.46。

2.2.1 春花生干旱危险性评价

春花生发育前期，黄河流域北部种植区域及西部种植区域、海河流域北部种植区域均存在春花生干旱危险性较高区域；黄河流域和淮河流域中部则是干旱危险性中等的地区。春花生发育中期，中、高干旱危险性区域主要集中在黄河流域中部，其余大部分地区干旱危险性较低。春花生发育后期，由于对水分的需求量变大，干旱危险性为中、高等级的地区明显增多，在整个黄淮海地区均有分布。从春花生生长季看，干旱危险性中、高等级地区主要分布在黄河流域北部种植区和海河流域北部种植区，这与当地气候相吻合；其余干旱危险性中、高等级地区则零散分布在黄河流域种植区和海河流域种植区，而淮河流域种植区的春花生在生长季内干旱危险性均较低(图6)。

图6 1960—2019年黄淮海地区春花生不同发育阶段和生长季干旱危险性分布Fig.6 Distribution of drought risk in different growth stages and growing seasonof spring peanut in Huang-Huai-Hai Region from 1960 to 2019

2.2.2 春花生涝害危险性评价

综合涝害等级、灾损系数构建涝害危险性评价模型，进行春花生各发育阶段涝害危险性分析(图7)。春花生发育前期，黄河流域种植区、海河流域种植区和淮河流域北部种植区均是主要涝害危险性较高地区；春花生发育中期，涝害危险性较高地区则出现整体南移。春花生发育后期，黄河流域的北部种植区和东部种植区以及海河流域的上半部种植区是涝害危险性较高的集中区，涝害危险性较高地区明显减少。综合春花生的整个生长季看，涝害危险性中、高等级的地区约占全区的20%，集中在黄河流域的中部和海河流域的北部，而淮河流域大部分地区均为春花生涝害危险性较低区域。

图7 1960—2019年黄淮海地区春花生不同发育阶段和生长季涝害危险性分布Fig.7 Risk distribution of waterlogging in different growth stages and growing season of spring peanut in Huang-Huai-Hai Region from 1960 to 2019

3 结论与讨论

本文以黄淮海地区春花生为研究对象，基于标准化降水作物需水指数(ISPR)分析春花生不同发育阶段旱涝灾害的空间分布特征，并在此基础上考虑不同发育阶段、不同程度灾害的灾损系数构建春花生旱涝灾害危险性评价模型，对春花生旱涝灾害危险性进行评价，主要结论如下：

1)春花生不同发育阶段干旱频率的空间分布差异很大。春花生发育前期干旱频率高的地区分布最广；发育中期和发育后期春花生干旱频率高地区相对较少。综合近60年春花生生长季看，干旱发生频率高的地区有黄河流域的西部、西北部、北部和中部某些区域、海河流域北部和淮河流域东北部，与不同发育阶段干旱频率空间分布基本吻合。

2)春花生不同发育阶段涝害发生频率均较高，其中发育中期涝害发生频率高的地区极为广泛，约占总区域的80%；其余两个发育阶段涝害发生频率高的地区相对较少，约占总区域的50%。综合近60年春花生生长季看，涝害高发区多为中度涝害，一般集中在黄河流域大部分种植区、海河流域东部种植区以及淮河流域北部种植区、南部种植区。

3)春花生不同发育阶段干旱以低危险性为主，中、高危险性地区分布较为分散，发育前期主要分布在黄河流域北部种植区、海河流域北部种植区以及淮河流域中部种植区，发育中期主要分布在黄河流域中西部种植区，发育后期主要分布在淮河流域大部分种植区。综合近60年春花生生长季看，春花生干旱危险性整体较低，高危险性地区零散分布，主要集中在黄河流域西北部种植区。

4)春花生不同发育阶段涝害危险性均较低，其中发育前期和发育中期涝害中、高危险地区分布范围较大，约占总区域的30%，以黄河流域西北部种植区、海河流域中北部种植区以及淮河流域外部种植区为主；发育后期中、高危险地区分布范围相对较小，以黄淮海地区中部种植区为主。综合近60年春花生生长季看，春花生涝害危险性整体较低，中、高危险性地区多数分布在黄河流域种植区，海河流域北部种植区也有部分存在。

干旱和涝害是我国典型的自然灾害[39-40]，发生频率较高、影响范围较广、危害较大。经济作物更容易受到灾害影响，且经济损失更大。在黄淮海地区，由于自然和经济条件、农业的发展程度有明显的地域差异[41]，本文从农业旱涝角度出发对该地区春花生进行旱涝危险性评价。根据花生在不同发育阶段的需水特点，将主要结论与有关黄淮海流域旱涝时空分布研究[42]进行对比，在保证结论较为吻合的前提下也获得新启发：如黄淮海地区夏秋两季旱涝问题较为严重，黄河和海河流域干旱问题较多，淮河流域则是旱涝并存，以及应该充分考虑旱涝急转等相关问题。由于本文仅考虑自然因素对该地区旱涝的影响，在今后的研究中应加入人文和社会影响因素。

总体而言，黄淮海地区春花生旱涝灾害危险性相对较低，但部分地区仍具有较高危险性。干旱危险性最高的地区集中在黄河流域西北部，这是由于该地区降水资源量相对匮乏[43]，易产生不同程度干旱，在春花生不同发育阶段造成不同程度影响。春花生发育前期，干旱影响力极大，主要表现为春花生生长缓慢，营养生长受阻，干物质积累量少[44]；发育中期，干旱对植株生长发育及产量的影响较大，易造成春花生大幅减产[45]；发育后期，干旱对春花生的影响相对较小，但此阶段发生干旱易造成春花生早衰，饱果率下降[46]。涝害危险性最高的地区集中在黄河流域中部种植区和海河流域北部种植区，该种植区降水较多、温度较低，春花生发育中期对涝害最敏感。在各发育阶段，涝害抑制种植区春花生发育期叶片的光合作用、荧光作用、根系活力等，降低了春花生发育期叶片中的叶绿素和可溶性蛋白含量，最终导致春花生减产[47]。综合春花生各发育阶段干旱及涝害危险性，在黄河流域北部及中部种植区常发生旱涝急转事件，因此应在削减旱涝急转灾害的危险性、调控种植区作物暴露度、降低脆弱性、提升整体种植防灾减灾能力和种植区管理水平等方面予以把握[48]。