王純枝 霍治國 郭安紅 黃 沖 張 蕾陸明紅 何延波 劉萬才

1)(國家氣象中心， 北京 100081)2)(中國氣象科學(xué)研究院， 北京100081)3)(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044)4)(全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心， 北京 100125)

引 言

作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，中國的主要糧食作物為小麥，小麥蚜蟲是危害小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的主要蟲害[1-3]，其中麥長管蚜和禾谷縊管蚜是最主要的害蟲[4-5]，麥長管蚜是穗期危害的優(yōu)勢種[3,6]。穗期麥蚜為害嚴(yán)重時(shí)不僅可使小麥千粒重降低造成減產(chǎn)，還可作為病毒載體傳播植物病毒病，如影響最嚴(yán)重的大麥黃矮病毒(barley yellow dwarf virus，BYDV)[3,7]，惡化小麥品質(zhì)，對我國麥區(qū)糧食安全造成嚴(yán)重威脅。小麥蚜蟲屬于典型的r對策昆蟲，世代重疊，繁殖速率高，有翅蚜和無翅蚜混生，擴(kuò)散能力較強(qiáng)。受氣候變化影響，小麥蚜蟲始見期、危害程度均有逐漸提早和加重的趨勢。因此，開展小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢的研究，對減輕小麥蚜蟲危害有重要意義。

氣候和天敵是影響小麥蚜蟲消長動態(tài)變化的主要因素[8]。冬季偏暖有利于小麥蚜蟲越冬基數(shù)提高和始發(fā)期偏早[9]，春季偏暖有利于蟲害發(fā)生發(fā)展[10]，氣候變暖有利于加重小麥蚜蟲發(fā)生危害態(tài)勢[11]。大多數(shù)農(nóng)業(yè)流行性病蟲害的發(fā)生發(fā)展與氣象因素關(guān)系密切[12-14]，溫度、濕度等條件與害蟲的繁殖、行為、種群密度、擴(kuò)散和發(fā)生程度直接相關(guān)[12,15-16]。目前，針對小麥蚜蟲的研究多集中在發(fā)生規(guī)律[7,17-18]、防治指標(biāo)[2]、預(yù)測模型研究[1,13,19-20]等方面。對小麥主產(chǎn)區(qū)小麥蚜蟲發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行合理區(qū)劃，是開展針對性防治的基礎(chǔ)，但目前研究較少。王賀軍等[21]采用模糊聚類和判別分析等數(shù)學(xué)方法，對棉花苗蚜進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃。在區(qū)劃方法上，基于關(guān)鍵因子的病蟲害氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是普遍采用的方法[22-23]，但以往研究多限于從氣象單因子或組合因子角度對病蟲害氣候危險(xiǎn)性進(jìn)行狹義風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和分析，而結(jié)合氣候危險(xiǎn)性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力等多因素進(jìn)行病蟲害綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究報(bào)道較少，從氣候綜合致災(zāi)指數(shù)和綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)的角度分析小麥蚜蟲發(fā)生范圍和危害程度變化趨勢的研究報(bào)道尤為鮮見。

本文基于風(fēng)險(xiǎn)角度，考慮小麥蚜蟲氣候致災(zāi)指標(biāo)構(gòu)建氣候危險(xiǎn)性指數(shù)，根據(jù)發(fā)生實(shí)況，結(jié)合小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性和脆弱性及防災(zāi)減災(zāi)能力對北方冬小麥主要種植區(qū)域進(jìn)行小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)評估，從年代際變化角度，分析小麥蚜蟲發(fā)生和風(fēng)險(xiǎn)趨勢，為適時(shí)開展小麥蚜蟲監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警、危害程度評估以及氣象保障提供重要科技支撐，為相關(guān)部門及時(shí)有效防控提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

研究區(qū)域?yàn)橹袊狈蕉←溨饕N植區(qū)域的8個(gè)主產(chǎn)省(市)，包括河北、北京、天津、山西、河南、山東、江蘇和安徽。小麥蚜蟲發(fā)生資料來自全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，包括1949—2018年各省(市)小麥蚜蟲的年發(fā)生面積、防治面積、發(fā)生程度等級、實(shí)際損失及2012—2018年始發(fā)期、盛發(fā)期等資料，其中發(fā)生程度等級資料序列連續(xù)性偏差，經(jīng)對華北、黃淮各省麥蚜發(fā)生面積分級[13]與實(shí)際發(fā)生程度等級的一致性分析，得到華北、黃淮的等級匹配一致性準(zhǔn)確率分別為90.3%和95.8%(華北樣本量n=93，黃淮樣本量n=72)，因此采用發(fā)生面積分級代替實(shí)際發(fā)生程度等級。由小麥蚜蟲多年平均發(fā)生面積(圖1)可以看到，全國主要25個(gè)省(市)有小麥蚜蟲發(fā)生，且各省(市)發(fā)生面積差異明顯，河南省小麥蚜蟲發(fā)生面積最大(189.25萬公頃次)，廣西發(fā)生面積最小(0.47萬公頃次)，河南、山東、河北、江蘇、安徽、山西等排名前9個(gè)省(市)小麥蚜蟲發(fā)生面積之和占全國發(fā)生面積的87.6%，本研究包括的8個(gè)省(市)小麥蚜蟲發(fā)生面積之和占全國發(fā)生面積的75.3%，因此具有典型性和代表性。小麥種植面積資料來自中國統(tǒng)計(jì)局，包括1958—2018年冬小麥和春小麥種植面積等。由于研究區(qū)以冬小麥為主，春小麥僅在華北北部小部分地區(qū)播種，冬小麥播種面積占比在95%以上，因此本文的研究范圍為8個(gè)主產(chǎn)省(市)的冬小麥區(qū)(圖2)。1981—2018年冬小麥不同年份發(fā)育期和常年發(fā)育期資料來自國家氣象中心。氣象資料來自國家氣象中心，由于1958年后氣象資料開始有較完整記錄，故采用資料長度為1958—2018年，要素包括上年12月至當(dāng)年6月上旬的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、空氣相對濕度、大雨日數(shù)等。另外，引進(jìn)溫雨系數(shù)指標(biāo)C，

C=P/T。

(1)

式(1)中，P為月或旬累積降雨量，單位為mm；T為月或旬平均氣溫，單位為℃。

圖1 小麥蚜蟲平均發(fā)生面積 Fig.1 Average occurrence area of wheat aphids

氣象站點(diǎn)選擇時(shí)，利用中國土地利用圖[24]和 ArcGIS分析工具中的疊加Intersect功能剔除高山、城市開發(fā)區(qū)等非農(nóng)田站點(diǎn)后，選取8個(gè)省(市)561個(gè)氣象站點(diǎn)，其中華北206站，包括北京10站、河北119站、天津11站、山西66站；黃淮216站，包括山東106站、河南110站；蘇皖地區(qū)139站，包括安徽70站、江蘇69站。

圖2 冬小麥研究區(qū)Fig.2 Study area of winter wheat

1.2 百分位數(shù)法

百分位數(shù)法是一種常用的統(tǒng)計(jì)方法，將一組數(shù)據(jù)由小至大排序，并計(jì)算相應(yīng)的累計(jì)百分位，則某一百分位對應(yīng)數(shù)據(jù)的值就稱為該百分位的百分位數(shù)[25-26]，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上也稱PR(percentile ranks)值。在實(shí)際應(yīng)用中，百分位數(shù)作為位置指標(biāo)，用來描述數(shù)據(jù)在樣本中的水平，經(jīng)常使用的百分位數(shù)有P2.5，P5，P25，P50，P75，P95，P97.5等，其中P25，P50，P75也稱為四分位數(shù)。結(jié)合使用多個(gè)百分位數(shù)能更全面描述數(shù)據(jù)分布特征，計(jì)算公式為[26]

(2)

(3)

γ=(p×n+(1+p)/3)-j。

(4)

1.3 小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性指數(shù)

根據(jù)小麥蚜蟲生物學(xué)特性[4-5]和冬小麥主產(chǎn)區(qū)小麥常年發(fā)育期規(guī)律[27]，采用相關(guān)分析、主成分分析和回歸分析等方法，依據(jù)文獻(xiàn)[13]中氣象適宜度指數(shù)模型的構(gòu)建方法和篩選出的關(guān)鍵因子，構(gòu)建北方冬小麥主產(chǎn)區(qū)分區(qū)域的小麥蚜蟲氣候致災(zāi)指數(shù)，具體見文獻(xiàn)[13]?；谖墨I(xiàn)[13]構(gòu)建的北方地區(qū)分區(qū)域的小麥蚜蟲氣象適宜度模型，以小麥蚜蟲發(fā)生氣候適宜度指數(shù)作為氣候適宜指標(biāo)和氣候致災(zāi)因子，并計(jì)算1958—2018年小麥蚜蟲氣候致災(zāi)指數(shù)，構(gòu)建北方主產(chǎn)麥區(qū)小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性指數(shù)序列數(shù)據(jù)集。采用百分位數(shù)法，將小麥蚜蟲氣候致災(zāi)指數(shù)劃分為不同致災(zāi)等級，統(tǒng)計(jì)1958—2018年及不同年代各等級致災(zāi)指數(shù)發(fā)生頻次作為小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性致災(zāi)指標(biāo)，利用小麥蚜蟲不同致災(zāi)等級和發(fā)生頻次構(gòu)建氣候危險(xiǎn)性指數(shù)[23,28]

(5)

式(5)中，χi為不同年代小麥蚜蟲各等級致災(zāi)指數(shù)出現(xiàn)頻率，di為對應(yīng)各強(qiáng)度的平均氣候致災(zāi)指數(shù)，i為致災(zāi)等級。強(qiáng)度共分4個(gè)等級，對應(yīng)氣象等級為不適宜、較適宜、適宜和非常適宜。

1.4 小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性指數(shù)

脆弱性是指受危險(xiǎn)影響地區(qū)的承載體面對致災(zāi)因子危險(xiǎn)性可能遭受的傷害或損失程度[23]。為消除不同省份小麥種植面積的差異，利用各省小麥蚜蟲不同年份實(shí)際發(fā)生面積與小麥種植面積的比值計(jì)算各年代平均的小麥蚜蟲發(fā)生面積率作為年代際小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性指數(shù)，指數(shù)越大，表明受小麥蚜蟲危害的影響越重。

(6)

式(6)中，v為小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性指數(shù)，Sa為小麥蚜蟲發(fā)生面積(單位：104hm2)，Sg為小麥種植面積(單位：104hm2)。

1.5 小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)

防災(zāi)減災(zāi)能力體現(xiàn)抵御災(zāi)害的能力，主要包括工程性和非工程性兩類。對小麥蚜蟲的抵御能力包括資金投入、物資、人力、防治水平以及災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急管理與調(diào)控能力等。利用小麥蚜蟲防治面積與發(fā)生面積的比值作為小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)，指數(shù)越大，說明可供投入的防災(zāi)減災(zāi)能力越強(qiáng)，損失概率越小，災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)也越低。

(7)

式(7)中，c為小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)，Sp為小麥蚜蟲防治面積(單位：104hm2)，Sa為小麥蚜蟲發(fā)生面積(單位：104hm2)。

1.6 小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

計(jì)算綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)時(shí)，為消除不同指數(shù)量級之間的差異，且避免底數(shù)為0(如小麥蚜蟲脆弱性為0)，先對各指數(shù)進(jìn)行規(guī)范化處理[23]：

(8)

式(8)中，fi為各指數(shù)值，fmax和fmin分別為各指數(shù)的歷史最大值和最小值?；跒?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析原理[28-31]，綜合考慮小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性、脆弱性和種植區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力，構(gòu)建小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

s=χ×v×(1-c)。

(9)

式(9)中，s為小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，χ為小麥蚜蟲危險(xiǎn)性指數(shù)，v為小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性指數(shù)，c為小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)。

本文基于GIS 技術(shù)，利用IDW插值法、柵格運(yùn)算、百分位數(shù)法等方法，開展小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力和綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性評估

在地理信息系統(tǒng)ArcGIS10.2支持下，利用小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性指數(shù)將研究區(qū)域劃分為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(表1)，研究區(qū)域內(nèi)各年代小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)性見圖3。由圖3可以看到，20世紀(jì)60年代以來我國北方小麥主產(chǎn)區(qū)小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)空間上自南向北呈現(xiàn)增加趨勢，時(shí)間上呈現(xiàn)逐漸加重態(tài)勢。從小麥蚜蟲年代際氣候風(fēng)險(xiǎn)性看，20世紀(jì)60—70年代小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)性普遍較低；80年代開始華北和黃淮氣候危險(xiǎn)性逐漸增大，江淮80年代和90年代的年代際氣候風(fēng)險(xiǎn)性分布相似，普遍較低；90年代高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在河北東部、河南北部、山東北部；進(jìn)入21世紀(jì)后，山東小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)性與20世紀(jì)90年代變化不大，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)呈現(xiàn)由華北東部向黃淮擴(kuò)大南移趨勢，黃淮中南部、江淮小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)性明顯增大，2011—2018年最高。分析小麥蚜蟲造成的各省小麥產(chǎn)量年代損失，均呈增加趨勢，其中河南20世紀(jì)90年代以后產(chǎn)量損失增長率達(dá)1.7×105t/(10 a)，與氣候危險(xiǎn)性年代趨勢相一致。由圖3中1958—2018年平均氣候危險(xiǎn)性指數(shù)可知，安徽中南部、江蘇中南部、河南東南部為小麥蚜蟲氣候低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；蘇皖北部、河南中部偏南地區(qū)為氣候中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；河南西部和中部偏北地區(qū)、山東南部、京津地區(qū)、河北中北部、山西西部為氣候較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；河南北部、山東中北部、河北南部、山西東南部為氣候高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)程度最高。

表1 小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)評估因子分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grade criterion of factors for assessing risk of wheat aphids

圖3 不同年代小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性Fig.3 Climatic hazard of wheat aphids during different decades

續(xù)圖3

2.2 小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性評估

從小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性分布(圖4)看，小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性隨著年代呈現(xiàn)逐步加重的趨勢。由圖4可見，20 世紀(jì)60年代小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性中等區(qū)主要位于江蘇，其他地區(qū)脆弱性較低；70年代，小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性有所增加，較高值區(qū)位于北京，中等值區(qū)位于山西、河北、山東；進(jìn)入80年代，小麥蚜蟲脆弱性高值區(qū)位于北京，較高值區(qū)主要位于河北，中等值集中在山西、山東、河南；90 年代，華北、黃淮、江淮小麥蚜蟲脆弱性增強(qiáng)，小麥蚜蟲脆弱性高值區(qū)集中在京津地區(qū)、河北和山東，較高值區(qū)位于山西、河南、江蘇地區(qū)，中等值位于安徽；21世紀(jì)初，小麥蚜蟲脆弱性高值區(qū)范圍最廣，高值區(qū)主要位于山西、京津地區(qū)、河北和山東，較高值在河南和江蘇，中等值位于安徽地區(qū)；2011—2018年華北西部小麥蚜蟲脆弱性略降低，江淮西部有所增強(qiáng)?？傮w看，北京為

圖4 不同年代小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性Fig.4 Vulnerability of wheat aphids occurrence in different decades

續(xù)圖4

小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性的高值區(qū)，河北、天津地區(qū)為小麥蚜蟲的較高值區(qū)，山西、河南、山東、江蘇為小麥蚜蟲的中等脆弱性區(qū)，安徽為小麥蚜蟲的低脆弱性區(qū)。

2.3 小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力評估

從小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力分布(圖5)看，小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力隨著年代呈逐步增強(qiáng)趨勢。由圖5可知，20 世紀(jì)60年代小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力中等區(qū)主要位于北京和河南，其他地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力較弱；70年代小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力中等區(qū)主要位于北京、山東、安徽，其他地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力較弱，其中河南防災(zāi)減災(zāi)能力較20世紀(jì)60年代有所降低；80年代，天津、河南、山東、江蘇和安徽小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力均為中等水平，北京升為較高水平，河北、山西防災(zāi)減災(zāi)能力仍較弱；90年代，8省(市)小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力普遍提升為較高水平，這與張福山[32]的結(jié)論一致，即1994年起糧食作物有害生物植保防治的被動狀況開始從總體上得到改變，防治面積增速快于發(fā)生面積增速；21世紀(jì)初和2011—2018年，河北、河南、江蘇和安徽小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力均提升為高水平，北京、天津、山西和山東與90年代一致，保持在較高水平，這與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、糧食價(jià)格、對農(nóng)業(yè)重視程度、農(nóng)藥成本比重和植保投資力度有關(guān)。研究[32]顯示，90年代后期我國糧食生產(chǎn)已形成相對穩(wěn)定的植保減災(zāi)能力，但與農(nóng)藥等科技性物質(zhì)投入相關(guān)的科技水平處于停滯狀態(tài)，農(nóng)藥投入效率和農(nóng)藥成本制約農(nóng)戶在小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力的提升?？傮w看，河南、江蘇、安徽為小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力較高水平區(qū)，河北、北京、天津、山東為小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力中等水平區(qū)，山西為小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力較弱水平區(qū)。

圖5 不同年代小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力Fig.5 Disaster prevention capability of wheat aphids in different decades

續(xù)圖5

2.4 小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

利用小麥蚜蟲綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)將研究區(qū)域劃分為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(圖6)。從1958—2018年平均看，小麥蚜蟲氣候高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于北京、天津、河北中南部大部、山東北部部分地區(qū)，較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在山東大部、河南北部、山西東部和南部及江蘇北部，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在河南中南部、江蘇中南部，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在安徽地區(qū)。20世紀(jì)60年代大部分種植區(qū)小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)較低；70年代華北地區(qū)小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)程度有所增加，河北、山西西南部、北京西部和天津地區(qū)由60年代的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在北京中東部，河南、山東、江蘇、安徽風(fēng)險(xiǎn)仍較低；進(jìn)入80年代，華北、黃淮東部小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)程度均有所加強(qiáng)，山東中北部、山西東部由80年代之前的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，北京西南部、天津、河北東部轉(zhuǎn)為較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，北京大部轉(zhuǎn)為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，僅山西西南部風(fēng)險(xiǎn)程度降低；90年代華北、黃淮、江淮東部小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)一步加重，中等以上氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍進(jìn)一步南擴(kuò)，河北大部、山東北部、北京西南部、天津逐漸轉(zhuǎn)為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，山西東部、河南北部、山東中南部、河北南部、江蘇東北部逐漸轉(zhuǎn)為較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，山西大部、河南中南部、江蘇中部由低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，僅安徽仍為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；2001—2010年小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)水平明顯增加、程度加重，華北普遍處于高風(fēng)險(xiǎn)水平、風(fēng)險(xiǎn)程度歷史最高，山東大部也轉(zhuǎn)為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在河南大部、江蘇北部、山東西南部，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在河南東南部、江蘇南部；2011—2018年華北西部風(fēng)險(xiǎn)水平有所下降，黃淮、江淮風(fēng)險(xiǎn)水平繼續(xù)增加、分別位居歷史最高水平，河南北部和西部轉(zhuǎn)為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、全省高風(fēng)險(xiǎn)范圍達(dá)到歷史最大，河南東南部、安徽北部轉(zhuǎn)為較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，安徽中南部提升為中等風(fēng)險(xiǎn)水平。

從小麥蚜蟲實(shí)際發(fā)生情況分析，小麥蚜蟲廣泛分布在我國各小麥主產(chǎn)區(qū)，以河南、山東、河北、江蘇等地發(fā)生最為普遍(圖1)。20世紀(jì)70年代以前，北方地區(qū)小麥蚜蟲主要發(fā)生在河南、江蘇，平均發(fā)生面積率僅17.4%，程度和范圍相對較??；70年代中期至80年代，河南、山東、河北和北京相繼發(fā)生，并向華北西部發(fā)展；90年代后，小麥蚜蟲范圍不僅遍及華北、黃淮麥區(qū)，且進(jìn)一步南擴(kuò)到蘇皖兩省，發(fā)生面積呈不斷擴(kuò)大趨勢。從北方小麥主產(chǎn)區(qū)小麥蚜蟲實(shí)際發(fā)生面積看，小麥蚜蟲實(shí)際年均發(fā)生面積從20世紀(jì)60年代(244萬公頃次) 到21世紀(jì)初逐年代增加，2001—2018年年均發(fā)生面積超過1200萬公頃次，且80年代、90年代小麥蚜蟲發(fā)展迅速，分別比上個(gè)年代增加235.1萬公頃次和554.1萬公頃次；2001—2010 年、2011—2018年小麥蚜蟲發(fā)生面積保持穩(wěn)定和緩慢增長態(tài)勢，分別比20世紀(jì)90年代、21世紀(jì)初增加31萬公頃次和110.3萬公頃次。以小麥主產(chǎn)省河南、山東、河北為例(表2)：20世紀(jì)80年代以前，河南省小麥蚜蟲發(fā)生面積較小[33]，風(fēng)險(xiǎn)水平較低，20世紀(jì)80年代、90年代、2001—2010年、2011—2018年年均發(fā)生面積分別為143.4，306.7，355.5萬公頃次和376.4萬公頃次，風(fēng)險(xiǎn)水平逐漸加重；山東省小麥蚜蟲年均發(fā)生面積從20世紀(jì)60年代的14.1萬公頃次增長到2011—2018年的350.9萬公頃次，風(fēng)險(xiǎn)水平不斷提高；河北20世紀(jì)90年代小麥蚜蟲發(fā)生面積迅速增加，較80年代增加了75.8萬公頃次，之后雖略有波動，但均在200萬公頃次以上，發(fā)生面積率均超過90%，風(fēng)險(xiǎn)維持在較高水平。上述小麥蚜蟲實(shí)際發(fā)生時(shí)空分布特征及發(fā)展趨勢與本文的小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)分布及變化趨勢一致(圖6)。綜合近61年小麥蚜蟲脆弱性變化趨勢，從小麥蚜蟲發(fā)生面積率的變化趨勢 (圖7)和氣候危險(xiǎn)性年代際變化(圖3)可以看到，我國北方小麥主產(chǎn)區(qū)8個(gè)省(市)小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性總體呈增加趨勢，發(fā)生面積率傾向率也均呈增長趨勢，因此北方地區(qū)小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)水平總體逐漸增加，其中山東、天津發(fā)生面積率傾向率最高、風(fēng)險(xiǎn)增速最快，蘇皖兩省最低、風(fēng)險(xiǎn)增速最慢。

圖6 不同年代小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃Fig.6 Climatic risk of wheat aphids in different decades

續(xù)圖6

2014年和2015年是小麥蚜蟲發(fā)生典型年份[34-35]，對于2014年小麥蚜蟲實(shí)際發(fā)生程度等級空間分布，北京和山東均為大發(fā)生、程度最重，天津和河北總體均偏重發(fā)生，河南、山西、江蘇中等發(fā)生，安徽偏輕發(fā)生；對于2015年，河北和山東大發(fā)生、程度最重，北京、天津、河南偏重發(fā)生，山西中等發(fā)生，江蘇和安徽總體偏輕發(fā)生。從這兩個(gè)典型年份小麥蚜蟲實(shí)際發(fā)生程度分布可知，京津冀地區(qū)及山東小麥蚜蟲總體發(fā)生等級最高，蘇皖地區(qū)偏低，這與圖6中年代際麥蚜氣候風(fēng)險(xiǎn)分布格局總體一致，說明圖6的小麥蚜蟲綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分布合理。

表2 北方冬麥區(qū)代表省(市)小麥蚜蟲發(fā)生面積和發(fā)生面積率年代變化Table 2 Occurrence area,the ratio of occurrence area of wheat aphids in different decades in representative provinces of northern China

圖7 北方8個(gè)省(市) 小麥蚜蟲發(fā)生面積率趨勢Fig.7 Tendency of wheat aphids ocurrence in 8 main winter wheat production provinces of northern China

3 結(jié)論與討論

本文基于1958—2018年中國北方冬小麥主產(chǎn)區(qū)的8個(gè)省(市)小麥蚜蟲逐年發(fā)生面積、防治面積和小麥播種面積、產(chǎn)量損失及對應(yīng)的561個(gè)氣象站逐日氣象資料、典型農(nóng)氣站小麥發(fā)育期資料，采用相關(guān)分析、主成分分析和回歸分析等方法，以適宜小麥蚜蟲發(fā)生的氣象條件為致災(zāi)因子，構(gòu)建華北、黃淮及蘇皖地區(qū)小麥蚜蟲分區(qū)域的氣候致災(zāi)指數(shù)。從風(fēng)險(xiǎn)的角度，利用小麥蚜蟲氣候致災(zāi)指數(shù)構(gòu)建氣候危險(xiǎn)性指標(biāo)，結(jié)合小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性指標(biāo)、防災(zāi)減災(zāi)能力指標(biāo)，綜合評估小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)趨勢，以支持小麥蚜蟲監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)，得到以下主要結(jié)論：

1) 北方冬小麥主要種植區(qū)小麥蚜蟲氣候危險(xiǎn)性總體呈增加趨勢，且年代際變化明顯，尤其20世紀(jì)90年代后增加顯著。1958—2018年北方冬小麥主產(chǎn)區(qū)小麥蚜蟲多年平均氣候危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)分布，從南向北增強(qiáng)，安徽中南部、江蘇中南部、河南東南部為小麥蚜蟲氣候低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；蘇皖北部、河南中部偏南地區(qū)為氣候中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；河南西部和中部偏北地區(qū)、山東南部、京津地區(qū)、河北中北部、山西西部為氣候較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；河南北部、山東中北部、河北南部、山西東南部為氣候高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)程度最高，需重點(diǎn)監(jiān)測和防范。

2) 以小麥蚜蟲發(fā)生面積率評估小麥蚜蟲發(fā)生脆弱性，隨著年代變化，脆弱性逐步加重。小麥蚜蟲防災(zāi)減災(zāi)能力總體呈逐步增強(qiáng)趨勢，20世紀(jì)90年代提升顯著，2001年以來趨于穩(wěn)定。小麥蚜蟲綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)逐年代呈加重趨勢，尤其自20世紀(jì)90年代起高風(fēng)險(xiǎn)范圍逐漸加大；2001—2010年和2011—2018年較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)范圍相對趨于穩(wěn)定，華北、黃淮分別于21世紀(jì)初、2011—2018年綜合風(fēng)險(xiǎn)等級達(dá)到最高；空間上綜合風(fēng)險(xiǎn)等級總體從南向北加重。

3) 北方冬小麥主產(chǎn)區(qū)小麥蚜蟲綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域主要分布在北京、天津、河北中南部大部、山東北部部分地區(qū)，較高區(qū)域在山東大部、河南北部、山西東部和南部及江蘇北部地區(qū)，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)集中在河南中南部、江蘇中南部地區(qū)，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在安徽地區(qū)?？傮w看，小麥蚜蟲綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)高或較高的區(qū)域主要集中在北京、天津、河北、山東、河南北部和山西東部與南部等地，即這些地區(qū)是小麥蚜蟲的常發(fā)區(qū)和易發(fā)區(qū)，需加強(qiáng)小麥蚜蟲的監(jiān)測預(yù)警和防治工作。

小麥蚜蟲發(fā)生發(fā)展和干旱密切相關(guān)[13]，因?yàn)樗秩狈梢蕴岣吒珊档貐^(qū)蚜蟲潛在的適應(yīng)能力，蚜蟲需耗費(fèi)更多的時(shí)間取食[7]。從近61年小麥蚜蟲綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)空間分布看，北方冬小麥主產(chǎn)區(qū)8個(gè)省(市)麥蚜氣候風(fēng)險(xiǎn)從南向北加重。張蕾等[36]對1981—2012年華北與黃淮冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)評估的結(jié)論與小麥蚜蟲綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)空間分布總體一致：全生育期內(nèi)冬小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)總體上從南向北逐漸增加，北京、天津?qū)儆诙←湼珊蹈唢L(fēng)險(xiǎn)區(qū)，抽穗期冬小麥干旱的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要在北京、天津、河北中南部、山東北部等地；王連喜等[37]分析河南省1961—2014年冬小麥干旱的時(shí)空特征認(rèn)為豫北一帶重旱、特旱發(fā)生頻率明顯要高于豫中南部，這說明本文研究結(jié)果的合理性和正確性。如2014年春季后期華北中南部、黃淮東部等地氣溫高雨水少，致使河北中南部、山東中西部及半島西部、河南北部部分地區(qū)出現(xiàn)旱情[13,38]，致使黃淮海麥區(qū)穗期蚜蟲偏重發(fā)生，造成2014年全國因小麥蚜蟲導(dǎo)致小麥產(chǎn)量損失達(dá)9.186×105t[13,34]。

河南、山東作為全國小麥蚜蟲常年發(fā)生面積最大的兩個(gè)省份，小麥蚜蟲多年綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃并非屬高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其原因在于雖然兩省多年綜合氣候危險(xiǎn)性較高，但小麥蚜蟲發(fā)生面積率均處于中等水平，存在抵消，導(dǎo)致山東小麥蚜蟲綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)處于較高水平，河南處于中等至較高水平。20世紀(jì)60年代以來，河南、山東兩省冬小麥播種面積始終占全國冬小麥主產(chǎn)區(qū)即北方8個(gè)典型省(市)播種面積的50%以上，其中河南為第一大省(1958—2018年平均麥播面積為4.56×106hm2)，山東為第二大省(1958—2018年平均麥播面積為3.74×106hm2)，這是兩省小麥蚜蟲發(fā)生面積位于全國前列的主要原因，氣候危險(xiǎn)性較高對小麥蚜蟲發(fā)生面積增大、發(fā)生程度加重存在促進(jìn)作用。

在致災(zāi)因子選取上，從氣候綜合致災(zāi)指數(shù)角度出發(fā)，對開展大范圍小麥蚜蟲危害評估有一定指示意義。致災(zāi)指數(shù)呈現(xiàn)春季降水偏少、氣溫偏高及引發(fā)的干旱有利于小麥蚜蟲危害加重[13]。IPCC第5次評估報(bào)告指出：近130年全球氣溫呈升高趨勢，1983—2012年這30年比之前幾十年氣溫偏高，每10年的地表溫度均高于1850年以來的任何時(shí)期[39]，氣候變暖促進(jìn)絕大多數(shù)病蟲害發(fā)育期變短、危害期變長[40]、害蟲種群增長力提高[11,41]。本研究結(jié)果與氣候變化的趨勢[42]一致，自20世紀(jì)80年代以來，北方小麥主產(chǎn)區(qū)小麥蚜蟲年代際氣候危險(xiǎn)性、發(fā)生脆弱性和氣候風(fēng)險(xiǎn)總體均呈逐漸加重趨勢，尤其90年代以來風(fēng)險(xiǎn)明顯增大，分析發(fā)現(xiàn)小麥蚜蟲氣候風(fēng)險(xiǎn)年代分布與發(fā)生實(shí)況一致。已有研究表明：全球氣候變暖導(dǎo)致的溫室效應(yīng)和極端天氣等衍生的干旱等災(zāi)害的頻發(fā)[13,43-44]，導(dǎo)致小麥蚜蟲對逆境環(huán)境的適應(yīng)能力也在顯著提高[11，13,45-46]，這也是20世紀(jì)90年代以后小麥蚜蟲呈偏重發(fā)生態(tài)勢的原因。研究表明本文所依據(jù)的華北、黃淮分區(qū)域麥蚜氣候致災(zāi)指數(shù)模型具有一定的業(yè)務(wù)可行性，可用于氣象服務(wù)。