气象年会报告

第31届中国气象学会年会2014年11月3-5日中国玉米旱灾风险评价与防范研究贾慧聪Email:中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室全球灾害研究室1

研究背景与意义农业旱灾风险评价的理论构建农业旱灾风险评价的方法体系

基于分区EPIC-Re的玉米旱灾风险评价基于分时EPIC-Ti的玉米旱灾风险评价结论与讨论目录21.研究背景与意义3研究背景粮食安全问题是关系国家稳定和经济发展的战略性问题。气候变暖影响人类社会的生存与发展，直接导致灾害风险加大（IPCC，2010）；旱灾是世界上影响最广、造成农业经济损失最大的自然灾害之一；中国作为世界上人口最多的农业大国，受季风气候的影响，旱灾对农业生产影响巨大（高庆华等，2005）；农业旱灾的直接承灾体是农作物。玉米是我国三大粮食作物之一，因其较高的需水量，受气候影响，极易遭受旱灾。4农业旱灾风险评估多针对区域旱灾的发生风险评估主要从气象干旱形成机理和评价指标的角度进行。在不同的区域尺度上，大多依据事先拟定的干旱等级及其标准，应用气象干旱指数，对干旱事件进行早期识别以及风险评估。区域农业旱灾风险评估多基于干旱常发区的特征分析我国的农业旱灾风险研究区域仍集中于北方干旱与半干旱区，对于南方湿润地区的季节性干旱研究以及对于具有独特孕灾环境的生态环境脆弱带的研究还比较欠缺。针对农业系统承灾体：基于灾害系统动力学机制的综合风险评估研究处于探索阶段目前，如何合理构建农业旱灾系统的脆弱性、恢复性、适应性指标体系是重点和难点所在。针对农作物承灾体：系统分析干旱的致灾、孕灾、成灾和抗灾等因素的评估比较薄弱多数研究都是利用作物模型定量模拟特定干旱指标（降水量，作物水分亏缺等）与作物生物量之间的关系，对作物因旱损失进行微观风险评估。研究进展在全国尺度下，基于农业旱灾风险的成因机理，从系统评价的角度进行玉米的旱灾风险评价研究还比较欠缺。

5农业旱灾承灾体作物脆弱性曲线农业旱灾风险（R）评价玉米旱灾风险评价空间数据库气象数据库土壤数据库土地利用数据库R2R3R4R1“分区”评价分不同生育期“分时”评价Rt1Rt2Rt3Rt4Rt5T图谱1图谱2R图谱n评价图谱分不同种植区田间管理数据……评价方法农业旱灾致灾因子危险性评价农业旱灾孕灾环境暴露性评价基于分区EPIC-Re的玉米旱灾风险评价基于分时EPIC-Ti的玉米旱灾风险评价致灾因子危险性评价（H）承灾体脆弱性评价（V）EPIC模型高风险区减灾对策高风险时段减灾对策玉米旱灾风险图谱田间试验实证中国玉米旱灾致灾因子危险性评价图6大分区玉米脆弱性曲线R=H×V中国玉米旱灾风险评价图评价应用不同生育期玉米脆弱性曲线黄淮海夏播玉米区致灾因子危险性评价图黄淮海夏播玉米区旱灾风险评价图理论构建…自然脆弱性曲线与分区EPIC-Re模型生物量损失与分时EPIC-Ti模型评价单元评价指标评价模型评价图谱R=H×V研究框架评价方法理论构建评价应用62.

农业旱灾风险评价的理论构建7“H-Vc-R”系统评价模型农业旱灾风险评价的理论模型……强度A/概率1强度B/概率2强度C/概率3………………强度N/概率p致灾因子H某区域某强度干旱发生的概率承灾体Sp孕灾环境E当地可能遭受损失的农作物种类、数量及干旱耐受力玉米水稻小麦灾情D概率×减产损失NLN：干旱强度L：减产损失………………合计：年期望损失致灾因子危险性评价暴露性分析脆弱性曲线风险性评价&1个均质单元HVcEiR农业旱灾系统农业旱灾风险评价过程

理论基础：人地关系地域系统理论和灾害系统理论8Vc1Vc2Vc3Vc4为什么“分区”评价Why?分区风险评价脆弱性差异（Vulnerability）地域分异规律如何“分区”评价How?“分区”评价的目的ToWhat?因地制宜高风险区减灾基于Rv的农业旱灾风险评价风险评价H-Vc-R模型1423H1L1图例1，2，3，4为区域代码H为致灾因子强度L为作物产量损失率；R为风险

H3L3H2L2H4作物种植区划研究区L4R=f(H,V)R1R4R2R3制图脆弱性曲线基于“分区评价-脆弱性差异”（Rv）的风险评价模型

理论基础：自然区划理论和灾害系统理论9基于“分时评价-生物量差异”（Tb）的风险评价模型为什么“分时”评价Why?生物量差异（Biomass）作物阶段发育理论如何“分时”评价How?“分时”评价的目的ToWhat?因时制宜高风险时段减灾基于Tb的农业旱灾风险评价风险评价H-Vc-R模型图例T1，T2，T3，T4…Tn为不同生育阶段代码Rt1，Rt2，Rt3，Rt4，Rtn为不同生育阶段旱灾风险Rt1R=f(H,V)Rt2Rt3Rt4作物全生育期T1T2T4Rtn划分作物生育阶段T3Tn分时风险评价Vc1Vc2Vc3Vcn……不同生育阶段脆弱性曲线

理论基础：农作物阶段发育理论10

基于“风险成因-时空评价结果”的风险评价图谱4个基础理论+2个技术支持：GIS和数字地图技术“风险评价图谱”真正从成因机制、空间维度、时间维度以及时空耦合角度深刻理解农业旱灾风险，而且以形象、直观的方式来表达，使得旱灾风险评价的结果更加简洁和富有明辨性。H图谱V图谱R图谱中国玉米旱灾风险评价图谱示例113.

农业旱灾风险评价的方法体系12玉米分区的划分玉米分区划分中国玉米区划图引自中国农业科学院数据共享网13日期划分播种-出苗期出苗-拔节期拔节-抽雄期抽雄-乳熟期乳熟-成熟期起始日4月20日5月1日6月11日7月12日8月9日终止日5月10日6月10日7月11日8月8日9月10日黄淮海夏播玉米区玉米的生育时期划分玉米分时划分玉米分时段的划分按玉米外部形态以及和内部器官发育的相关性农业部种植管理司，200414EPIC模型介绍

EPIC模型的结构组成

为什么选择EPIC模型？适用性强已在美国和许多其他国家得到了广泛应用；与之兼容的天气和土壤数据资料容易获得可控性强可利用长时间序列的历史气象数据，控制一些因子（例如：施肥、灌溉等）来模拟作物的生长发育进程机理性强较好地反映作物生育进程、产量与各生育阶段降水、温度以及土壤水分动态变化的关系

动态性和综合性强可以模拟不同作物品种、不同播种时期及各种气候因子组合条件下的产量1984年，EPIC（EnvironmentalPolicyImpactClimate）模型由美国国家农业研究机构侵蚀-生产力模型研究小组研制提出。15研究区数据库的构建数据库名称数据内容数据来源数据年份地面气象观测数据库752个气象站点的降水量、气温、辐射、风速、相对湿度等日值数据中国国家气象局信息中心1961-2005年中国土地利用图1:100万土地利用数据，包括水田、旱地、林地、草地等主要土地利用类型中国科学院2000年2’分辨率的全球土壤类型分布图土壤属性为202类联合国粮农组织（FAO）1992年中国土壤理化属性数据库包括土层分布、机械组成和有机碳含量等联合国粮农组织（FAO）；《中国土种志》1992年中国玉米种植区划图中国玉米种植分区国家农业科学数据共享中心.全国农业区划数据库2003年农作物田间观测数据库中国农业气象观测站玉米生长发育过程数据中国国家气象局档案馆1980-2005年中国分县统计农业数据库中国各县小麦、玉米、水稻播种面积、产量、化肥施用量等中国科学院；《中国统计年鉴》1996，2001年1:100万数字化中国地形底图1:100万政区、居民地、土地覆盖等要素北京师范大学环境演变与自然灾害重点实验室2000年基础数据库列表

16

土壤总体参数数据库:提供16个变量，用来描述被模拟的土壤的一般性信息。土壤剖面属性数据库:提供20个参数，用来描述每一层土壤剖面的物理和化学性质。全国752个站点1961-2005年日最高气温、日最低气温、日降水量、日照时数、日相对湿度、日平均风速和120个站点日太阳辐射数据。采用IDW方法对1961年到2005年每日的气象数据进行空间插值，形成空间尺度的气象数据。

气象数据处理

土壤数据处理EPIC模型土壤属性数据库数据结构17中国气象局农作物生长发育状况观测记录样表

农作物田间观测数据处理田间管理措施示例18中国玉米旱灾风险评价空间数据库的整合19积温潜热积温指数积温因素水分胁迫温度胁迫氮胁迫磷胁迫通气胁迫叶面积指数太阳辐射大气CO2浓度蒸汽压差能量-生物量转换系数光合有效辐射潜在增长的生物量作物胁迫因子实际增长的生物量作物最终产量EPIC模型模拟作物产量的基本流程EPIC模型应用20

EPIC模型的站点尺度校准站点EPIC模型的运转流程“单玉十三”典型玉米品种模拟产量和实测产量的验证

21参数名称参数的意义参数值WA能量-生物量转换因子39.0HI收获指数0.70TB作物生长最适宜温度25.0TG作物生长最低温度5.0DMLA最大潜在叶面积指数5.0DLAILAI下降阶段占整个生长季的比例0.50DLP1作物面积生长曲线参数115.050DLP2作物面积生长曲线参数245.950RLAD叶面积指数下降参数0.1敏感性的玉米作物参数EPIC模型玉米作物参数指标意义及参数校准22土壤数据气象数据土地利用DEM田间管理数据……8KM8KM基于网格循环控制文件栅格数据IDL土地利用类型是EPIC输入文件EPIC模型否栅格输出文件年输出值日输出值缺省输出模拟下个网格输出输入

EPIC模型的空间尺度应用EPIC模型的校验

EPIC模型的空间尺度运转流程

23分区脆弱性曲线气象数据土地利用数据中国玉米种植区划土壤数据田间观测数据空间数据库EPIC站点模拟调整玉米作物参数EPIC空间模拟水分胁迫累加值旱灾强度模拟旱灾损失率模拟S1产量S2产量玉米分区logistic曲线拟合图例①北方春播玉米区②黄淮海夏播玉米区③西南山地玉米区④南方丘陵玉米区⑤西北灌溉玉米区⑥青藏高原玉米区①②③④⑤⑥自然脆弱性曲线与分区EPIC-Re模型24气象数据土地利用数据玉米生育阶段划分土壤数据田间观测数据空间数据库EPIC站点模拟调整玉米作物参数EPIC空间模拟生育阶段与生物量损失模拟图S1生物量S2生物量玉米分时玉米全生育期T1T2T3T4T5图例T1播种-出苗期;T2出苗-拔节期;T3拔节-抽雄期;T4抽雄-乳熟期;T5乳熟-成熟期生物量损失1966-2005年时间生物量损失与分时EPIC-Ti模型25选取评价单元基于分区Rv的旱灾风险评价EPIC-Re模型构建指标体系建立评价模型EPIC-Ti模型基于分时Tb的旱灾风险评价风险制图农业旱灾风险评价程序

农业旱灾风险评价方法体系①②③⑤④

玉米旱灾危险性评价的指标（H）

其中，H为玉米生长季内的干旱致灾强度指数，Hyj

为y

年第j

站的干旱致灾强度指数，WSi为第i天受水分胁迫影响的当天的胁迫值，n为生长季内受水分胁迫影响的天数，maxH，minH为所模拟的所有站点所有年份内的最大和最小值26

玉米旱灾脆弱性评价的指标（Vyj）玉米干旱致灾强度的评价指标为玉米生长季内逐日水分胁迫的累加值H；产量损失率的评价指标为每个站点每年生长季内S1情景的产量减去S2情景的产量损失率指数。其中，Vyj为y年j站旱灾的单位产量损失率，Ys1和Ys2分别为两种情景下的单位产量，maxYs1j，minYs1j为j站多年最大和最小单位产量。

玉米旱灾风险性评价的指标（RL）玉米旱灾产量损失的概率分布值（RL）作为中国玉米旱灾风险评价的指标。其中，RL为某时段j站旱灾产量损失率的概率，Vyj为y年j站旱灾的单位产量损失率。27

农业旱灾风险评价图谱基于分区EPIC-Re农业旱灾风险评价图谱

基于分时EPIC-Ti农业旱灾风险评价图谱284.基于分区EPIC-Re的玉米旱灾风险评价29中国玉米旱灾致灾强度时空格局致灾指数均值30中国各玉米分区旱灾致灾指数均值分布图（1966-2005年）

中国玉米旱灾致灾强度时空格局31致灾指数标准差中国玉米旱灾致灾强度时空格局32玉米旱灾致灾强度年际变化中国玉米旱灾致灾强度时空格局33中国玉米旱灾致灾风险评价结果中国各玉米分区旱灾致灾指数概率密度曲线图（1966-2005年）北方春播玉米区黄淮海平原夏播玉米区西南山地玉米区南方丘陵玉米区西北灌溉玉米区青藏高原玉米区34中国玉米旱灾致灾风险评价中国各玉米分区旱灾致灾指数超越概率曲线图（1966-2005年）北方春播玉米区黄淮海平原夏播玉米区西南山地玉米区南方丘陵玉米区西北灌溉玉米区青藏高原玉米区35固定超越概率算致灾指数

2年一遇5年一遇10年一遇20年一遇

中国玉米旱灾致灾风险概率分布图分析36H≥0.35H≥0.40H≥0.45H≥0.50H≥0.55H≥0.60固定致灾指数强度算概率风险37北方春播玉米区黄淮海平原夏播玉米区西南山地玉米区南方丘陵玉米区西北灌溉玉米区青藏高原玉米区中国玉米分区自然脆弱性曲线38中国玉米旱灾成灾风险评价39中国玉米旱灾成灾风险评价40中国各玉米分区旱灾产量损失率年际变化曲线图（1966-2005年）

412年一遇5年一遇10年一遇20年一遇

中国玉米旱灾成灾风险评价结果42旱灾高风险区适应对策致灾因子分析——中国玉米种植区划图叠加中国地貌图和中国DEM高程分布图43脆弱性分析——中国6大玉米区旱灾自然脆弱性曲线叠加IIIIII第Ⅰ阶段缓慢增长，第Ⅱ阶段快速增长，第Ⅲ阶段灾害损失率增加到一个高值区内速度逐渐放缓并逼近一个较高的损失率水平44

西北灌溉玉米区致灾特点：气候干燥，种植玉米海拔高度相差很大。种植特点：灌溉农业系统较发达减轻玉米旱灾致灾强度对策：1）加大保障可靠的灌溉系统;2）发展喷灌、滴灌等节水灌溉技术;3）提高施肥水平，增加物质投入来提高土壤保水的能力降低玉米旱灾自然脆弱性对策：改良或改变玉米作物品种

北方春播玉米区在空间分布上，由于受气候差异及地理环境的影响，玉米的旱灾风险空间分布特征也不尽相同。减轻玉米旱灾致灾强度对策——农牧交错带

1)根据地形与土质条件，打旱井、建库坝以储存雨水

2)改良坡地中低产旱田，增加施肥投入改变土壤质地，增加其保持土壤有效水的能力

3)调整种植结构以降低玉米承灾体的暴露性河套平原地区

1)提高灌溉能力（引黄灌溉和机井灌溉等）;2)扩大地膜覆盖面积

黄淮海夏播玉米区减轻玉米旱灾致灾强度对策：1)加强农田水利基础设施建设;2)推广小麦套种玉米的种植方式降低玉米旱灾脆弱性对策：尽量采用较晚熟的玉米品种，尽量把玉米的生长期安排在适宜的气候条件范围内致灾风险水平和成灾风险水平都是最高旱灾高风险区适应对策455.基于分时EPIC-Ti的玉米旱灾风险评价46不同时段黄淮海夏播玉米区致灾风险评价各生育阶段划分与旱灾致灾风险变化的对应关系（1966-2005年）

播种-出苗出苗-拔节期拔节-抽雄期抽雄-乳熟期乳熟-成熟期收获47不同时段黄淮海夏播玉米区成灾风险年际变化48各生育阶段划分与旱灾成灾风险变化的对应关系（1966-2005年）

不同时段黄淮海夏播玉米区成灾风险评价拔节-抽雄期49播种-出苗期

出苗-拔节期黄淮海夏播玉米区不同生育期（分旬）的玉米成灾风险系列图（1966-2005年）拔节-抽雄期4月20日-4月30日5月1日-5月10日5月11日-5月20日5月21日-5月31日6月1日-6月10日6月11日-6月20日6月21日-6月30日7月1日-7月10日50抽雄-乳熟期乳熟-成熟期黄淮海夏播玉米区不同生育期（分旬）的玉米成灾风险系列图（1966-2005年）7月11日-7月20日7月21日-7月31日8月1日-8月10日8月11日-8月20日8月21日-8月31日9月1日-9月10日9月11日-9月20日51

播种-出苗期农事活动与抗旱适应目的相结合保墒整地地膜覆盖中耕除草

拔节-抽雄期及时浇水（第1次大喇叭口时期；第2次抽雄前后）

追肥中耕培土

抽雄-乳熟-成熟期补肥浇水——抽雄-乳熟期应灌好2次关键水：第一次在开花至籽粒形成期，是促粒数的关键水；第二次在乳熟期，是增加粒重的关键水。旱灾高风险时段适应对策526.结论与讨论53结论

构建了“Hp-Vc-R”农业旱灾风险评价系统模型；构建了基于“分区评价-脆弱性差异”（Rv）和基于“分时评价-生物量差异”（Tb）的农业旱灾风险评价的概念模型；基于风险的成因和时空评价的结果图，利用GIS和数字地图技术，编制农业旱灾风险评价的输出端——风险评价图谱。

基于农业旱灾风险评价的科学原理——“4理论+2技术”

,改进了风险评估的理论和概念模型，构建了农业旱灾风险评价的理论。

综合考虑“分区承灾体脆弱性”和“分时段生物量损失”的差异，引入作物EPIC模型进行模拟，建立了一套农作物旱灾风险评价的方法体系。

基于EPIC模型，构建了“自然脆弱性曲线与分区EPIC-Re模型”以及“生物量损失与分时EPIC-Ti模型”。从评价的程序（过程）、评价的结构（组成）和评价图谱的输出（结果）3方面构建了农业旱灾风险评价的方法体系。54

总体呈现从西北向东南方向递减的趋势。致灾风险险高值区集中分布在西北灌溉玉米区和北方春播玉米区的河套灌区致灾风险年际变化的高值区分布在生态环境脆弱的农牧交错带附近

结合构建的“自然脆弱性曲线与分区EPIC-Re模型”，对中国不同种植区的玉米旱灾风险进行了评价

都符合Logistic曲线分布固定旱灾致灾因子指数的值0.5，各分区玉米旱灾自然脆弱性从高到低依次为：西北灌溉玉米区＞北方春播玉米