周 見 ， 郝成元 ， 吳文祥

(1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作454000； 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京100101)

0 引言

黑龍江省是我國水稻主產(chǎn)區(qū)，水稻米質(zhì)優(yōu)良，深受消費者喜愛。水稻產(chǎn)量僅次于玉米，在中國水稻產(chǎn)量中占有重要地位。但是，黑龍江省地處中國最高緯度，水稻易受低溫冷害的影響。低溫災(zāi)害使處于生長期的作物被凍傷、凍死，造成減產(chǎn)甚至絕收，嚴(yán)重威脅糧食生產(chǎn)安全[1]。如果水稻受到生長發(fā)育最低臨界溫度以下的低溫影響，則正常生長發(fā)育遇到障礙而導(dǎo)致減產(chǎn)[2]。據(jù)統(tǒng)計，黑龍江省每3～5年發(fā)生1次低溫冷害，建國后有記錄的低溫冷害年份墾區(qū)14 次，省內(nèi)10 次，其中墾區(qū)重大冷害發(fā)生5 次[3]。低溫冷害導(dǎo)致水稻大量減產(chǎn)，成為黑龍江省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害中影響最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一。

低溫災(zāi)害風(fēng)險的評估和區(qū)劃是科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)的重要基礎(chǔ)，受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。唐為安等根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險形成原理，建立了安徽省低溫災(zāi)害風(fēng)險評估模型，較為客觀全面地反映了安徽省的低溫冷凍災(zāi)害風(fēng)險水平[4]。關(guān)于低溫對水稻影響機制的研究結(jié)果表明，夏季低溫主要影響水稻的正常發(fā)育，水稻生長期積溫不足，導(dǎo)致水稻出穗延遲、生長緩慢，水稻孕穗期低溫導(dǎo)致雄蕊受害、花粉敗育，造成不育率升高，產(chǎn)量下降[5-7]。襲祝香等通過研究東北區(qū)低溫冷害風(fēng)險確定了冷害的指標(biāo)[8]。袁福香等利用水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，建立平均減產(chǎn)率、水稻產(chǎn)量變異系數(shù)、風(fēng)險指數(shù)等指標(biāo)，對東北地區(qū)水稻生產(chǎn)進行了風(fēng)險評估[9]。

風(fēng)險評估理論認(rèn)為，自然災(zāi)害風(fēng)險是致災(zāi)因子的危險性、孕災(zāi)環(huán)境的暴露性、承災(zāi)體的易損性3個因素共同作用的結(jié)果，自然災(zāi)害的風(fēng)險大小可表示為：風(fēng)險=危險性×暴露性×易損性[10-11]。本研究從風(fēng)險評估理論的角度出發(fā)，重新評價黑龍江省水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險。選取與風(fēng)險形成有關(guān)的3個因素作為評價指標(biāo)，建立水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險評估模型，對黑龍江省水稻低溫災(zāi)害進行風(fēng)險評價，并利用GIS繪制黑龍江省水稻低溫災(zāi)害的風(fēng)險等級區(qū)劃圖，區(qū)劃結(jié)果可以作為黑龍江省水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險管理的基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料來自黑龍江省安達、寶清、北安、富錦、富裕、哈爾濱、海倫、鶴崗(2009，2010年氣象數(shù)據(jù)缺失)、黑河(2011，2012年氣象數(shù)據(jù)缺失)、呼瑪、虎林、雞西、佳木斯、克山、明水、漠河、牡丹江、嫩江、齊齊哈爾、尚志、綏芬河、綏化(2011，2012年氣象數(shù)據(jù)缺失)、孫吳、泰來、鐵力、通河、伊春、依蘭28個地面氣象站1971—2012年的月平均氣溫以及日平均氣溫統(tǒng)計資料。遵循水稻資料站點與氣象資料站點重合的原則，從《黑龍江統(tǒng)計年鑒》中選擇大興安嶺、伊春、鶴崗、雞西、黑河、雙鴨山、綏化、牡丹江、佳木斯、哈爾濱、齊齊哈爾11個地市1986—2011年的水稻單產(chǎn)和種植面積數(shù)據(jù)。黑龍江省底圖來源于全國縣級區(qū)劃行政圖。

1.2 研究方法

1.2.1水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險評價模型的建立。基于自然災(zāi)害風(fēng)險形成的基本原理，災(zāi)害風(fēng)險由多個因子共同作用形成，其大小可表達為：

R=f(H,E,V)。

(1)

式中：R表示災(zāi)害風(fēng)險；H表示危險性；E表示暴露性；V表示易損性。3個因子分別包含次指標(biāo)(表1)。為了消除指標(biāo)之間的量綱差異，對每一個指標(biāo)進行歸一化處理[12]，計算公式如下：

Xi=(xi-xi,min)/(xi,max-xi,min)。

(2)

式中：Xi為危險性、暴露性、易損性的歸一化指數(shù)；xi為危險性、暴露性、易損性的原始值；xi,min和xi,max分別為各地市中危險性、暴露性、易損性指數(shù)的最小值和最大值。

表1 黑龍江省水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)體系

根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險數(shù)學(xué)公式，水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)計算公式如下：

R=∏Xi。

(3)

式中：R為綜合風(fēng)險等級指數(shù)；Xi為危險性、暴露性、易損性的歸一化指數(shù)。

1.2.2GIS空間分析方法。由于水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險評價涉及低溫災(zāi)害發(fā)生概率、水稻種植面積及水稻單產(chǎn)地域之間的差異性，需要用空間屬性表達。利用GIS插值技術(shù)、自然斷點分級法以及制圖功能進行評價，其中內(nèi)插方法用反距離權(quán)重方法。

(4)

如果某地5—9月平均氣溫和的距平小于冷害的臨界距平值，則發(fā)生冷害。

一般認(rèn)為，氣溫的波動符合正態(tài)分布[14]。5—9月平均氣溫和在平均值附近的年份較多，偏離平均值較大的年份較少。用SPSS檢驗安達市5—9月平均氣溫和是否符合正態(tài)分布，樣本數(shù)量為42，采用單樣本K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗法，當(dāng)顯著性水平超過0.05時，可認(rèn)為符合正態(tài)分布。檢驗結(jié)果表明，安達市5—9月平均氣溫和正態(tài)分布顯著性水平達到0.906，符合正態(tài)分布。同樣，其他氣象站5—9月平均氣溫和經(jīng)K-S檢驗也符合正態(tài)分布，可以用正態(tài)分布求取各個縣市發(fā)生低溫冷害的概率。

黑龍江省各個縣市5—9月平均氣溫和近似符合正態(tài)分布N(μ,σ)，μ代表5—9月平均氣溫和的多年平均值，σ代表標(biāo)準(zhǔn)差。正態(tài)分布的概率密度函數(shù)為：

。

(5)

分布函數(shù)為：

(6)

式中：F(t)為冷害指標(biāo)以下出現(xiàn)的概率；t為冷害臨界溫度。

以各地市7月中旬至8月上旬日平均氣溫低于18 ℃超過3天的頻率代替7月中旬至8月上旬日平均氣溫低于18 ℃超過3天的概率，即障礙型冷害的概率。各地市障礙型冷害概率Pj可按照下式計算：

Pj=nj/N。

(7)

式中：Pj為j地區(qū)障礙型冷害概率；nj為j地區(qū)在時間序列中7月中旬至8月上旬日平均氣溫低于18 ℃超過3天的年數(shù)；N為統(tǒng)計年數(shù)。

1.2.4暴露性指標(biāo)的選擇與表達。就黑龍江省水稻種植而言，暴露性是指受到潛在的低溫冷害影響的水稻種植面積，面積越大，發(fā)生低溫災(zāi)害時損失越大。因此，暴露性可以用水稻的種植指數(shù)，即種植面積占全省種植面積的比例來表示?？紤]到時間序列內(nèi)各地市的種植面積變化較大，某地的種植指數(shù)用2009—2011年該地水稻種植面積占全省水稻種植面積比例的平均值表示。

1.2.5易損性指標(biāo)的選擇與表達。易損性是指遭受災(zāi)害時易遭受損失的程度。每一年的水稻產(chǎn)量是受各種自然和非自然因素綜合影響的結(jié)果。非自然因素是指因社會生產(chǎn)力如種植技術(shù)、灌溉技術(shù)、機械化水平等不同而導(dǎo)致水稻年際產(chǎn)量不同的因素；自然因素是指氣象條件如降雨、溫度等自然條件不同導(dǎo)致的水稻年際產(chǎn)量不同的因素。把水稻受自然因素影響的產(chǎn)量稱為氣象產(chǎn)量，把不受自然因素影響的產(chǎn)量稱為趨勢產(chǎn)量[15]，則實際產(chǎn)量與趨勢產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量有如下關(guān)系：

y=yt+yw。

(8)

式中：y為實際產(chǎn)量；yw為氣象產(chǎn)量；yt為趨勢產(chǎn)量，yt用移動平均法計算，步長取6。yw與yt之比稱為相對氣象產(chǎn)量，不受年際影響，是可比較的量。若比值大于0，說明氣象條件對作物增產(chǎn)有利，作物增產(chǎn)；比值小于0說明氣象條件對作物增產(chǎn)不利，作物減產(chǎn)。規(guī)定作物減產(chǎn)5%～15%為一般災(zāi)年，減產(chǎn)超過15%為嚴(yán)重災(zāi)年。易損性具體可用災(zāi)損指數(shù)表達。災(zāi)損指數(shù)可以用損失程度與該損失程度概率相結(jié)合起來的指標(biāo)來表示。將各個地市減產(chǎn)的時間序列按一般減產(chǎn)和嚴(yán)重減產(chǎn)分為兩組，求出每組的頻數(shù)和組中值，按照下式計算災(zāi)損指數(shù)：

k=D1/n×H1+D2/n×H2。

(9)

式中：k為災(zāi)損指數(shù)；D1和D2分別為一般減產(chǎn)和嚴(yán)重減產(chǎn)出現(xiàn)的頻數(shù)；H1和H2分別為一般減產(chǎn)和嚴(yán)重減產(chǎn)組中值；n為減產(chǎn)總年數(shù)[14]。

2 水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險分析

2.1 危險性

低溫災(zāi)害的危險性用低溫冷害發(fā)生的概率來表示。將延遲型概率和障礙型概率相加，得到黑龍江省水稻低溫冷害的危險性，按照公式(2)求得危險性歸一化指數(shù)，然后在GIS中繪制水稻低溫冷害危險性區(qū)劃圖(圖1a)。大興安嶺地區(qū)、黑河市的孫吳縣、牡丹江東部的綏芬河低溫災(zāi)害發(fā)生的概率最大，危險性最高；黑河大部分地區(qū)、伊春中部南部、牡丹江中南部發(fā)生冷害的概率屬于中等；南部和東北部的大部分地區(qū)發(fā)生低溫冷害的概率較低，危險性較小。

2.2 暴露性

種植指數(shù)計算結(jié)果(表2)表明，黑龍江省水稻暴露性最低的地區(qū)有：大興安嶺、黑河、伊春、牡丹江、雙鴨山、鶴崗；齊齊哈爾、雞西暴露性屬中等水平；暴露性最高的區(qū)域是綏化、佳木斯和哈爾濱。

表2 黑龍江省11地市水稻種植指數(shù)

2.3 易損性

按照公式(2)計算各地市的水稻易損性歸一化指數(shù)，用GIS繪制水稻低溫冷害易損性區(qū)劃圖(圖1b)。低災(zāi)損指數(shù)即災(zāi)害低易損性區(qū)域包括大興安嶺西部、伊春和哈爾濱；黑河、齊齊哈爾部分地區(qū)、鶴崗部分地區(qū)、雞西、牡丹江的災(zāi)損指數(shù)最高，即災(zāi)害易損性最大；其他地區(qū)的災(zāi)損指數(shù)屬中等水平。

圖1 黑龍江省水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

2.4 風(fēng)險等級

按照公式(2)求得危險性、暴露性、易損性歸一化指數(shù)后，再按照公式(3)計算黑龍江省11個地市的水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)。利用GIS中的反距離權(quán)重插值方法和自然段點分級方法，繪制黑龍江省水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險等級區(qū)劃圖(圖2)。黑龍江省水稻低溫冷害可劃分為4個風(fēng)險等級區(qū)域。1)輕微風(fēng)險區(qū)。大興安嶺、黑河市西北部地區(qū)雖然冷害概率大，但是種植面積占全省的比例小，冷害影響微??；齊齊哈爾雖然水稻種植面積大，但是冷害概率小，最終結(jié)果是風(fēng)險較輕；伊春雖然冷害概率高，但是災(zāi)損系數(shù)小，相乘的結(jié)果是風(fēng)險等級輕微；雙鴨山冷害概率小，水稻種植面積比例低，風(fēng)險等級是輕微；哈爾濱雖然種植面積大，但是較小的冷害概率和較低的易損性決定了其冷害風(fēng)險輕微。2)低級風(fēng)險區(qū)。包含黑龍江省南部、西北、東北部地區(qū)。3)中級風(fēng)險區(qū)。包括黑龍江省中部、北部、綏化。4)高風(fēng)險區(qū)。包括雞西、佳木斯和鶴崗部分地區(qū)，較高的低溫冷害概率和較大的水稻低溫冷害易損性導(dǎo)致該區(qū)域的水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險等級較高。

圖2 黑龍江省水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險等級

3 結(jié)論

基于風(fēng)險評估理論，危險性、暴露性、易損性分別選取冷害概率、水稻種植面積、水稻單產(chǎn)減產(chǎn)率作為指標(biāo)，建立了黑龍江省水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險評估模型。利用黑龍江省28個地面氣象站的氣溫資料，計算了水稻延遲型冷害、障礙型冷害的概率和危險性指標(biāo)，利用1987—2012年《黑龍江統(tǒng)計年鑒》中水稻種植數(shù)據(jù)，計算了水稻種植面積比例和水稻災(zāi)損系數(shù)。利用GIS技術(shù)，繪制了黑龍江省水稻低溫災(zāi)害風(fēng)險等級區(qū)劃圖。風(fēng)險等級區(qū)劃圖表明，黑龍江省水稻低溫災(zāi)害輕風(fēng)險區(qū)包括大興安嶺地區(qū)、黑河西北部、齊齊哈爾、伊春、雙鴨山、哈爾濱；低風(fēng)險區(qū)包括黑龍江省南部、西北、東北；中風(fēng)險區(qū)包括黑龍江省中部、北部、綏化；高風(fēng)險區(qū)包括雞西、佳木斯、鶴崗部分地區(qū)。

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