气候变化背景下内蒙古春玉米主要农业气象灾害风险评估及预估研究

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内蒙古地区位于我国北部边疆,主要以农牧业生产为主。春玉米为这一地区主要种植农作物,受气候变化负面影响,春玉米生长正在遭受严重威胁。目前,气候变化已显著改变内蒙古地区气候资源,对春玉米农业用水产生重大影响,同时,受复杂气象因子变化的影响,暴雨、洪涝、干旱、热浪及冰冻等极端气候事件频繁发生,严重制约着该区农业的生产。为缓解气候变化对该区农业用水带来的压力,进一步加强农业气象灾害监测及防灾减灾能力,本文以内蒙古农业区气象干旱、洪涝和冷害为研究对象,基于气象数据、农作物生产资料分析了气候变化背景下主要气象因子时空变化特征;量化了春玉米熟型变化和品种布局对春玉米生育期需水规律的影响;通过指数构建和选取揭示了春玉米生育期干旱、洪涝和冷害灾害发生特征;构建了春玉米生育期主要气象灾害风险评估体系;预估RCP4.5和RCP8.5排放情景下气象灾害危险性。为内蒙古春玉米灾害监测、防灾减灾政策制定以及粮食安全保障提供理论依据。主要研究结果如下:(1)利用空间插值和Mann-Kendall突变检验分析内蒙古地区主要气象因子和春玉米生产要素时空分布特征。结果表明:1959-2018年内蒙古地区平均气温为4.58℃,以0.31℃/10a呈显著上升趋势,西部地区增温速率大于东部地区,平均气温和最高气温突变年份在1989年附近;降雨量呈不显著下降趋势,空间分布上自西向东呈增加趋势;相对湿度总体呈下降趋势,在空间分布上与降雨量相似;日照时数介于6.01和9.33 h之间;风速平均值为3.13 m/s;春玉米播种面积和产量增加幅度均较大,目前为内蒙古地区播种面积最广和产量占比最高的农作物。(2)通过对内蒙古地区热量资源(≥10℃)进行总结,分析了春玉米熟型更替及栽培模式(早熟、中早熟、中熟、中晚熟和晚熟)的空间变化,并在此基础上计算了春玉米生育期有效降雨量和作物需水量时空变化特征。结果表明:1959-2018年内蒙古地区积温呈增加趋势,2009-2018年较1959-1968年积温增加了307℃,积温等值线发生明显偏移,不同熟型春玉米种植边界线北移东扩明显;1959-2018年春玉米生长期有效降雨量平均值为114 mm,自西向东表现为增加趋势;春玉米需水量为481mm,自西向东表现为减少趋势,生长季ET0增加和生育期天数延长共同导致该地区春玉米需水量以5.24 mm/10a平均速度增加;不同气候区作物需水量与有效降雨量、地下水补给量的耦合度均较低,除特干旱区耦合度呈增加趋势外,其余气候区整体呈减少趋势,加重了该地区水资源负担。(3)针对该区干旱区和灌区并存的情况,本研究综合考虑春玉米生育期作物需水量、有效降雨量和地下水补给量的影响,以水分盈亏量为基本量,参照SPEI指数构建过程,构建了标准化水分亏缺指数(SPEI-IR),并对其进行检验和适用性分析。同时以农区主要气象灾害为基础,选用SPEI-IR、Z指数和积温距平指数分析春玉米生育期干旱、洪涝和低温冷害等灾害时空分布特征。结果如下:在时间尺度上生育初期干旱指数有变湿倾向,生育中期、生育后期和全生育期有变干倾向,在空间分布上总体呈现西部地区干旱减弱,东部地区干旱加强的趋势,各生育期干旱频率维持在33%左右,主要以轻旱为主,除生育初期外其余时期干旱范围主要以增加趋势为主;各生育期洪涝发生频率在20%左右,主要以大涝为主,生育初期和生育中期洪涝范围整体呈增加趋势,生育后期和全生育期洪涝范围整体呈下降趋势;随着作物生育期延长,冷害发生频率也呈增加趋势,高度冷害主要分布在中东部和东北部地区。(4)基于灾害发生特征,利用农业生产资料和社会经济指标,从致灾因子危险性、承灾体暴露性和脆弱性,以及防灾减灾能力四个方面建立风险评估体系。研究表明:内蒙古中西部地区、西部地区和东北部地区综合危险性较高;春玉米生育期高暴露区主要分布在科左后旗、乌兰浩特、开鲁和阿拉善左旗等地;脆弱性等级在0.30~0.86之间,东部地区脆弱性指数整体大于西部和中部地区;防灾减灾能力较强的地区主要集中巴彦淖尔市、赤峰和通辽的南部地区以及扎兰屯附近;在气象灾害风险评估中,中值以上风险区分布范围较大,主要集中分布在内蒙古西部、中东部和东北部地区。(5)气象灾害预估研究表明:RCP4.5和RCP8.5情景下气温和降雨均呈显著增加趋势,两种情景下各站点干旱指数SPEI均表现为下降趋势,其中西部地区下降趋势较大;2031-2060年,RCP4.5情景下干旱危险性较高的地区主要在阿拉善盟以及呼伦贝尔的西部地区,RCP8.5情景下全区主要以中危险区为主,2071-2100年两种情景下干旱危险性有相似的空间分布;在不同时间段两种情景下洪涝危险性和冷害危险性在东北部地区均较高;除2071-2100年,RCP4.5情景下综合危险性高值区分布在西部和中东部地区,其余时间段东部地区的综合危险性均较高。
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