遼寧玉米典型復合農業氣象災害影響損失評估*

于文穎，紀瑞鵬，王 鵬，馮 銳，武晉雯，張玉書

(1.中國氣象局沈陽大氣環境研究所，遼寧 沈陽 110166；2. 遼寧省農業氣象災害重點實驗室，遼寧 沈陽 110166；3.遼寧省黑土地演化與生態效應重點實驗室，遼寧 沈陽 110034；4.遼寧省氣象服務中心，遼寧 沈陽 110166)

IPCC第六次評估報告提到，自20世紀50年代以來，人類影響很可能增加了復合極端天氣事件發生的概率，如全球范圍內熱浪和干旱同時發生的頻率增加、部分地區復合型洪澇事件增加；如果全球變暖持續加劇，一些過去和現在氣候中發生頻率較低的復合極端事件將頻發[1]。即使全球變暖，極端低溫事件仍然出現，如2020年底至2021年1月，中國發生了兩次破記錄低溫寒潮事件，2021年2月北美中西部和南部發生了極端低溫事件，這是由于極渦、平流層增溫的相互作用，產生了有利于極端低溫寒潮發生的天氣條件[2]。氣候變化對農業生產的影響關系到全球糧食安全，是全球氣候變化研究的主要內容之一[3]。由于氣候變化的復雜性和未來氣候變化的不確定性，氣候變化成了實現糧食安全的“抗解問題”(無法用簡單方法解決的復雜問題)[4]。極端氣候事件的增多加劇農業生產的波動，加重了農業災害[5]。面對復合極端天氣事件的頻發，農業生產如何趨利避害、保障糧食安全，對農業氣象災害研究提出了新的要求與挑戰。

農作物在生長過程中常遭遇復合農業氣象災害，如高溫和干旱復合、干旱和低溫冷害復合等災害。我國每年因干旱、洪澇、高溫和低溫冷害等多種氣象災害導致的農田受災面積達0.5×109hm2以上[6]。據統計，我國2010年代發生的干旱事件中90%以上伴有一次或多次高溫[7]，氣溫上升導致干旱期蒸發量增加，加速氣象干旱向土壤干旱傳遞，干旱和高溫事件造成的影響可能比單個事件造成的影響總和還要大[8]。我國東北地區農業干旱、低溫冷害及其復合災害等極端災害頻發，1961—2017年的57年間，遼寧省玉米有37年遭受了干旱和低溫冷害復合災害[9]，干旱和低溫冷害并發可能大于兩者單一發生時對作物的影響[10-11]。在氣候變化背景下，隨著復合天氣事件的頻發，復合農業氣象災害的發生頻率和強度很可能增大，亟需開展復合農業氣象災害的監測預警和影響評估等方面的研究。

目前，針對復合農業氣象災害的研究主要集中在復合脅迫試驗觀測[12-13]、復合災害發生特征規律[9, 14-15]、綜合災害風險評估[16-17]等方面，缺乏系統的復合農業氣象災害指標體系研究。以往農業氣象災害評估多是采用多個指標進行分離式評估，忽略了作物生長過程受到的多重災害影響[17]，且較少考慮災害過程對農作物的生產力或產量的影響進展[18]。本研究以遼寧省為例，基于玉米復合農業氣象災害歷史實況，通過分析復合農業氣象災害發生過程與玉米凈初級生產力的關系，定量評估玉米復合農業氣象災害損失率，并探討單一和復合農業氣象災害對玉米生產力的影響差異，為復合農業氣象災害對玉米生長過程的影響機制研究提供依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源與處理

研究區域為遼寧省，所用數據包括1985—2015年50個氣象站(圖1)的氣溫、降水量等氣象數據、玉米發育期等農業氣象資料和1985—2015年逐月凈初級生產力(NPP)數據。氣象數據和農業氣象資料來源于遼寧省氣象局，玉米播種面積及產量數據來源于遼寧省統計局(http://tjj.ln.gov.cn/tjsj/sjcx/ndsj/)，NPP數據來源于全球變化數據學報(http://www.geodoi.ac.cn/)[19]，空間分辨率為1 km。利用ArcGIS9.3 軟件，提取1985—2015年遼寧省玉米種植區的逐月NPP，并逐格點求平均值，得到逐月NPP區域平均值。利用IBM SPSS Statistics 25 軟件對NPP與氣象因子進行逐步回歸分析、相關分析等。

圖1 遼寧省5個氣候區及50個氣象站點位置分布(審圖號：遼S(2006)031號)

1.2 玉米復合農業氣象災害類型

玉米農業氣象災害包括兩大類：單一農業氣象災害、復合農業氣象災害。遼寧玉米復合農業氣象災害(Multiple Agrometeorological Disaster, MAD)主要包括5種類型：多發育期干旱(Drought in multiple periods, M1-D)、干旱+霜凍害(Drought and frost damage, M2-DF)、干旱+低溫冷害(Drought and cold damage, M2-DC)、低溫冷害+霜凍害(Cold and frost damage, M2-CF)、干旱+霜凍害+低溫冷害(Drought, frost and cold damage, M3)[9]。

1.3 玉米多年平均發育期

遼寧5個氣候區(圖1)玉米多年平均發育期見表1。

表1 遼寧省5個氣候區玉米多年平均發育期日期 月/日

1.4 趨勢NPP和氣象NPP計算

由于玉米產量的高低只能反映災害影響損失最終結果，而不能反映災害對玉米生長過程的影響程度和損失過程，因此，用氣象NPP(NPPm)代替氣象產量，趨勢NPP(NPPt)代替趨勢產量，基于1985—2015年5—9月實際NPP(NPPa)，利用5點滑動平均法分別逐格點計算1987—2013年5—9月NPPm和NPPt。

(1)

NPPm,i=NPPa,i-NPPt,i;

(2)

(3)

2 結果與分析

2.1 基于多個單一指標綜合識別復合農業氣象災害

利用水分虧缺指數法、5—9月平均氣溫和的距平法、日最低溫度閾值法等多個單一指標[20-22]，綜合判識1987—2013年遼寧省50個氣象站點玉米復合農業氣象災害發生情況。1987—2013年遼寧玉米發生了不同范圍和類型的復合農業氣象災害，其中有8年出現了大范圍復合災害，有11年出現了區域級復合災害，有8年出現了局部復合災害。27年間遼寧玉米遭遇最多的復合農業氣象災害是多發育期干旱(M1-D)和干旱+低溫冷害(M2-DC)兩種類型。

2.2 玉米典型復合農業氣象災害影響損失評估

基于識別的復合農業氣象災害類別和玉米災害損失率ΔNPP模擬結果，比較1987—2013年兩種復合型災害(多發育期干旱、干旱+低溫冷害)的玉米氣象NPP損失情況。

2.2.1 多發育期干旱

1987—2013年間，有22年遼寧玉米受到多發育期干旱災害影響，其平均氣象NPP損失率為7.1%，其中1988年損失率最高(17.8%)，2004年最低(1.0%)；22年中分別有8年、9年、5年發生了大范圍、區域級和局部多發育期干旱災害，其中2000年災害發生范圍最大(占玉米種植區的92.7%)，2005年發生范圍最小(占玉米種植區的0.5%)(圖2)。

圖2 1987—2013年遼寧玉米多發育期干旱復合型災害損失率和發生范圍

2.2.2 干旱+低溫冷害

1987—2013年間，有12年遼寧玉米受到干旱+低溫冷害影響，其平均氣象NPP損失率為3.5%，其中2008年損失率最高(7.8%)，1987年最低(0.3%)；12年中分別有2年、4年、6年發生了大范圍、區域級和局部干旱+低溫冷害，其中1995年災害發生范圍最大(占玉米種植區的56.8%)，2010年發生范圍最小(占玉米種植區的2.0%)(圖3)。干旱+低溫冷害復合對遼寧玉米造成的影響低于多發育期干旱災害。

圖3 1987—2013年遼寧玉米干旱+低溫冷害復合型災害損失率和發生范圍

2.3 典型年玉米復合農業氣象災害損失評估

綜合考慮復合災害影響范圍和損失率，選擇1989年、1997年和2000年為典型年，評估3年遼寧玉米復合農業氣象災害影響損失。

2.3.1 1989年多發育期干旱和干旱+低溫冷害

1989年5—9月，受多發育期干旱影響的區域(以下簡稱M1-D區)，氣象NPP累積損失率呈逐月升高趨勢，說明多發育期干旱造成玉米NPP降低，成熟期未得到緩解；受干旱+低溫冷害影響的區域(以下簡稱M2-DC區)，氣象NPP累積損失率呈微弱下降趨勢，說明干旱和低溫冷害復合造成玉米NPP減少，但在成熟期略有回升；多發育期干旱造成的最終損失率高于干旱+低溫冷害(圖4)。

圖4 1989 5—9月遼寧玉米受復合災害影響下的氣象NPP損失率變化

1989年玉米拔節期之前(6月底之前)，M1-D區和M2-DC區遭受的干旱災害程度和范圍均較大，但由于M2-DC區還遭受低溫冷害影響，M2-DC區的氣象NPP累積損失率高于M1-D區。拔節期之后(6月底之后)，M1-D區遭受干旱災害的范圍和程度均比M2-DC區大，雖然M2-DC區遭受輕度低溫冷害影響，但與大范圍干旱災害相比，輕度低溫冷害對玉米造成的影響較小(圖5)。因此，拔節期之后M1-D區的累積損失逐漸增大，而M2-DC區的災害損失率逐漸減少。1989年多發育期干旱災害的發生范圍占玉米種植區面積的51.4%，主要分布在遼西和遼南大部分地區；干旱+低溫冷害復合災害的發生范圍占42.8%，主要分布在遼北、遼中和遼西部分地區(圖6)。兩類復合災害發生范圍占玉米種植區的94.2%，大部分地區氣象NPP為負值。研究表明，玉米在關鍵發育期遭受干旱災害，生產力難以恢復，M1-D區災害損失高于M2-DC區的主要原因，是玉米在生長中后期受到嚴重干旱影響，比前期受到災害對產量影響更大，災損程度更高。

圖5 1989年不同發育期玉米干旱等級空間分布(審圖號：遼S(2006)031號,底圖無修改，下同。)注：M1-D區：受多發育期干旱影響的區域(紅色邊界內)，M2-DC區：受干旱+低溫冷害影響的區域(紅色邊界內)

圖6 1989年遼寧玉米受多發育期干旱和干旱+低溫冷害影響下的氣象NPP變化

2.3.2 1997年和2000年多發育期干旱

1997年5—9月，受多發育期干旱影響的區域(以下簡稱為A1區)，氣象NPP累積損失率呈減少的趨勢，說明多發育期干旱造成玉米NPP降低，成熟期得到明顯緩解；2000年5—9受多發育期干旱影響的區域(以下簡稱為A2區)，氣象NPP累積損失率呈升高的趨勢，說明干旱引發的玉米NPP降低，成熟期未得到緩解；2000年5—7月由于多發育期干旱造成的損失均低于1997年，但2000年8—9月的累積損失高于1997年，即2000年遼寧玉米的最終損失高于1997年，說明干旱發生時段往往決定玉米NPP的最終損失(圖7)。

圖7 1997和2000年5—9月遼寧玉米受多發育期干旱災害影響下的氣象NPP損失率變化

1997年玉米拔節期之前A1區遭受的干旱災害程度和范圍均比2000年A2區同時期大，而2000年玉米拔節期之后A2區遭受的干旱災害程度和范圍均比1997年A1區同時期大(圖8)。前期研究表明，玉米在拔節—吐絲期受到干旱脅迫，比三葉—拔節期受到干旱脅迫更難以恢復[23]，1997年A1區在拔節期之前遭受的干旱災害較重，而2000年A2區在拔節期之后遭受的干旱災害較重，因此，2000年A2區的干旱累積損失呈增加趨勢，1997年A1區的干旱累積損失呈減少趨勢，且2000年A2區玉米NPP最終損失高于1997年A1區。1997和2000年受多發育期干旱災害的影響區域分別占玉米種植區的85.9%、92.7%，大部分地區氣象NPP為負值(圖9)。

2.4 典型站點玉米氣象NPP損失情況

以兩種類型復合災害發生頻率較高的代表站點(北票、康平、建平)為例，評估典型站點玉米復合農業氣象災害歷年損失情況。1987—2013年，北票、康平、建平分別有10年、14年、11年遭遇多發育期干旱災害，其年均氣象NPP損失率分別為11.1%、5.8%、10.1%；北票、康平和建平分別有8年、6年、7年遭遇干旱+低溫冷害，其年均氣象NPP損失率分別為1.2%、2.0%、5.1%。3個典型站點多發育期干旱災害發生頻率和平均損失率均顯著高于干旱+低溫冷害(圖10)。

北票復合農業氣象災害損失率最高的年份為1988年(損失率為24.7%)，其次是2000年(24.3%)；康平損失率最高的年份為1997年(15.9%)，其次是2000年(12.8%)；建平損失率最高的年份為2000年(31.8%)，其次是1988年(23.4%)。比較3個站點氣象損失率較高的年份災害發生情況，發現1988年多發育期干旱造成北票、康平、建平玉米的損失率分別為24.7%、3.5%、23.4%，其中北票和建平損失率較高，而康平損失率較低；2000年，多發育期干旱造成北票、康平、建平玉米的損失率分別為24.3%、12.8%、31.8%，其中建平損失率最高。

圖8 1997和2000年不同發育期玉米干旱等級空間分布注：A1區：1997年受多發育期干旱影響的區域(紅色邊界)，A2區：2000年受多發育期干旱影響的區域

圖9 1997年和2000年遼寧玉米受多發育期干旱災害影響下的氣象NPP變化

圖10 1987—2013年北票、康平、建平玉米復合型農業氣象災害損失率

1988年，北票和建平在播種-出苗期、出苗-拔節期、拔節-抽雄期、抽雄-乳熟期均發生了不同程度的干旱(包括輕旱、中旱和重旱)，而康平站僅在播種-出苗期和拔節-抽雄期發生了輕度干旱，因此康平玉米損失率較小；2000年，3個站在播種-乳熟期均發生了不同程度的干旱，建平在拔節-抽雄期和抽雄-乳熟期發生特旱，在關鍵發育期遭受重度干旱將導致嚴重減產，建平玉米損失率最高(圖11)。

干旱+低溫冷害造成的損失率普遍較低，3個站其損失率最高的年份為1992年，其次是1989年。建平在1992年遭遇3個發育期干旱和輕度冷害，氣象損失率為16.4%；建平在1989年遭遇2個發育期干旱和輕度冷害，氣象損失率為9.9%，康平在1989年遭遇1個發育期干旱和中度冷害，氣象損失率為5.8%。多發育期干旱與低溫冷害復合發生，較單發育期干旱與低溫冷害復合對玉米的影響大。

圖11 1987—2013年北票、康平、建平玉米不同發育期干旱災害和延遲型低溫冷害等級

2.5 單一型和復合型農業氣象災害損失比較

1987—2013年遼寧玉米受到單發育期干旱影響，氣象NPP平均年損失率為4.3%，平均損失范圍占玉米種植區的18.3%；受延遲型冷害影響，氣象NPP平均年損失率為1.9%，平均損失范圍占玉米種植區的12.9%。多發育期干旱造成的氣象NPP平均損失率最高，干旱+低溫冷害造成的平均損失率低于單一干旱，單一冷害造成的平均損失率最低(圖12a)。受多發育期干旱影響的平均損失范圍最大，其次是干旱+低溫冷害，單一干旱和單一冷害兩種類型影響范圍均較小(圖12b)。

圖12 1987—2013年遼寧玉米單一和復合型災害損失率和發生范圍

1987—2013年造成遼寧玉米損失的農業氣象災害主要是多發育期干旱和單一干旱，而干旱+低溫冷害和單一冷害發生的年份、影響范圍和損失程度均較低。多發育期干旱造成的損失普遍高于單一發育期干旱，干旱+低溫冷害造成的損失普遍高于單一冷害。但干旱+低溫冷害造成的平均損失低于單一干旱，主要原因是干旱+低溫冷害的發生年份較少、影響范圍較小，其平均損失率較低。

3 結論與結論

本文基于多個單一指標綜合識別的復合農業氣象災害和玉米災害損失率模擬結果，評估了1987—2013年遼寧省兩種復合型災害(多發育期干旱、干旱+低溫冷害)的玉米氣象NPP損失情況，并分析了典型年和典型站點玉米氣象NPP損失情況及其原因。

1987—2013年27年中，有22年遼寧玉米受到多發育期干旱災害影響，其平均氣象NPP損失率為7.1%，有12年玉米受到干旱+低溫冷害影響，其平均氣象NPP損失率為3.5%，干旱+低溫冷害復合型災害對玉米造成的影響低于多發育期干旱災害。

以1989、1997和2000年為典型年，評估了兩類復合農業氣象災害影響下玉米損失情況及其原因。1989年5—9月多發育期干旱影響范圍內的氣象NPP損失逐漸增大，干旱+低溫冷害影響區域內的氣象NPP損失呈減少趨勢，多發育期干旱造成的玉米最終損失高于干旱+低溫冷害。玉米拔節期之前受到嚴重復合災害影響，后期生產力可能得到回升，但關鍵發育期如拔節期之后遭受嚴重復合災害則難以恢復。1997年玉米在拔節期之前遭受干旱災害較重，而2000年在拔節期之后遭受干旱災害較重，因此，1997年5—9月，受多發育期干旱影響區域的氣象NPP損失率呈減少趨勢，2000年則呈升高趨勢且造成的最終損失高于1997年。

以北票市、康平縣、建平縣為例，評估3個站點玉米復合農業氣象災害歷年損失情況及其原因。27年來，3個站點多發育期干旱造成的損失普遍高于干旱+低溫冷害，由于3個站點復合災害的影響時段和災害程度不同，兩類復合農業氣象災害造成的氣象NPP損失率不同。多發育期干旱造成的損失主要與發育期、干旱程度有關，干旱+低溫冷害造成的損失主要與干旱影響時長有關。

研究發現，玉米在不同發育期遭遇不同農業氣象災害，產量損失不同，嚴重低溫和持續干旱復合發生對玉米影響更大[15, 24]；玉米在拔節-吐絲期受到干旱脅迫比三葉-拔節期之前受到干旱脅迫更難以恢復[23]；開花-吐絲期發生嚴重干旱將導致減產率較高[25-26]。本文通過對典型站點和典型年分析得到的結果均與該結果一致。對遼寧玉米產量影響最大的農業氣象災害是單一發育期或多發育期干旱，近年來多發育期干旱災害的發生范圍呈增加趨勢[9]，因此，應在關鍵發育期(拔節-乳熟期)適度補充灌水，以減輕玉米災害損失。

比較1987—2013年單一農業氣象災害和復合農業氣象災害造成的損失，發現遼寧玉米受多發育期干旱和單一干旱影響較大，無論是發生年數、影響范圍還是損失程度均較高，多發育期干旱造成的損失普遍高于單一發育期干旱。干旱+低溫冷害和單一冷害造成的影響較小，損失率較低，干旱+低溫冷害造成的損失普遍高于單一冷害，而由于影響范圍較小，干旱+低溫冷害造成的平均損失低于單一干旱。因此，玉米生長發育過程受干旱、低溫冷害復合影響造成的損失，不是單個災害造成損失的簡單疊加，而受復合災害中的不同災害類別發生時段、影響范圍和災害程度的多重影響。

不同類型災害出現的發育期不同、脅迫時長和程度均不同，多個單一指標無法直接判別復合災害造成的疊加影響，而利用氣象NPP損失率能夠直接判別災害損失程度。由于復合災害對玉米生長的影響過程比較復雜，還需要通過脅迫試驗進一步研究復合災害對玉米的影響機制，為復合農業氣象災害的預警和災損評估提供基礎。