李迪,張巧玉,孫東磊,朱琛,劉超

?

基于GIS的河北省核桃花期凍害風險評估與區(qū)劃

李迪1,張巧玉2,孫東磊1,朱琛2,劉超3

1. 邢臺市氣象局氣象災害防御中心, 河北 邢臺 054000 2. 邢臺學院資源與環(huán)境學院, 河北 邢臺 054000 3. 中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院, 北京 100193

核桃花期凍害是核桃生長中影響座果最主要的因素。利用自然災害風險理論的評估手段，結合GIS技術，對河北省核桃花期凍害風險進行評估與區(qū)劃,是減少核桃花期凍害對其產量造成損失的有效手段。本文采用河北省32個核桃主要種植縣的國家一般氣象站的氣象資料、核桃種植的基礎信息和地理信息數(shù)據(jù)。從“致災因子的危險性”、“孕災環(huán)境的敏感性”、“承載體的易損性”和“防災減災能力”4個方面進行綜合分析和評估，建立凍害綜合風險指數(shù)，創(chuàng)建核桃花期凍害風險評估模型，并依此為依據(jù)進行河北省核桃花期凍害風險區(qū)劃。

核桃花期; 凍害; 風險區(qū)劃; GIS技術; 河北省

隨著近些年高效生產技術的推廣和產業(yè)化模式應用，現(xiàn)階段主要影響河北省核桃主產區(qū)核桃商品質量、產量的主導因素開始轉變?yōu)楹颂疑L重要物候期的氣象災害（凍害、日灼等）。凍害是核桃生長中影響座果最主要的因素。資料顯示，2010年三門峽發(fā)生春季霜凍，核桃產量較正常年份大幅減產65%左右，有為數(shù)不少的果園面臨絕收[1]。2006年4月11日至12日，山西省大部分氣溫驟降，最低氣溫達-4.1 ℃，致使當年核桃減產近90%[2]。因此，做好河北省核桃主產區(qū)的核桃花期凍害風險評估與區(qū)劃，掌握核桃花期凍害風險程度的地域分異，對于加強花期凍害的預測以及開展防災減災工作的實施具有重要指導意義。

目前，國內針對核桃氣象方面的研究大多集中于低溫凍害的機理以及農業(yè)氣象災害指標體系[3-6]，而對經濟作物凍害風險的研究多以蘋果、柑橘為主[7,8]，幾乎沒有關于核桃的區(qū)劃研究。近些年來，自然災害風險理論在農業(yè)氣象災害風險的定量化研究中逐漸代替了災害指標和災害過程分析的傳統(tǒng)方法，轉變?yōu)樵诰C合分析構成區(qū)域災害系統(tǒng)的致災因子、孕災環(huán)境、承災體和防災減災能力的基礎上，構建區(qū)域災害綜合風險指標模型進行災害區(qū)劃[9]。本文利用自然災害風險理論的研究方法，建立核桃凍害綜合風險指標，評估河北省核桃花期凍害風險程度的地域分異，并結合GIS技術，對河北省核桃種植區(qū)進行凍害綜合風險區(qū)劃。

1 研究區(qū)域資料來源

1.1 研究區(qū)域概況

河北省地處東經113°27′~119°50′，北緯36°05′~42°40′之間，總面積18.85萬km2。地勢西北高、東南低，由西北向東南傾斜。地貌復雜多樣，高原、山地、丘陵、盆地、平原類型齊全，有壩上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌單元。屬溫帶大陸性季風氣候。

由于河北省太行山呈南北縱向延伸，緯度跨度較大，致使南北核桃種植區(qū)的花期有一定差異，因而發(fā)生花期凍害的時間也就不同。北種植區(qū)花期較南種植區(qū)晚，北種植區(qū)花期以昌黎為例，其雌花開放期為4月28日前后；南種植區(qū)花期以臨城綠嶺為例，其雌花開放期為4月13日前后。因此，將河北省核桃研究區(qū)域分為三個：南部核桃種植區(qū)（邯鄲、邢臺、石家莊）、中部核桃種植區(qū)（保定）和北部核桃種植區(qū)（唐山、承德、秦皇島、張家口）。

1.2 資料來源

核桃種植縣選?。悍N植面積在1000 hm2以上的縣(共計32個)。

各縣（市）主要核桃種植品種：河北省種植量較多的品種包括遼寧1號、香玲、綠嶺和清香四大類，不同核桃種植縣的主要核桃品種主要由那些統(tǒng)一品種、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一收購的以大型園區(qū)形式存在的、集約化經營的核桃基地提供，如邢臺綠嶺核桃種植基地等。

根據(jù)河北省核桃氣象中心綠嶺實驗基地2016年、2017年的數(shù)據(jù)記錄，核桃雌花的盛花期一般為2 d，是授粉的最佳時期。4個主要核桃品種（海拔、朝向一致）的雌花盛花期之間的差異在2~7 d之間，最早的綠嶺為4月10號左右，最晚的清香為4月16日左右。另一方面，受海拔和朝向影響，相同品種不同位置的核桃雌花盛花期之間的差異在1~5 d之間?？紤]到這些因素，將不同品種和立地條件的核桃盛花期發(fā)生時間設定為16 d。

氣象資料：選取河北省核桃主產區(qū)共計32個縣的國家一般氣象站，調取1996年至2015的氣象資料，其中南部核桃種植區(qū)4月10日至4月25日氣溫資料；中部核桃種植區(qū)4月15日至4月30日氣溫資料；北部核桃種植區(qū)4月25日至5月10日的氣溫資料。

社會經濟資料：河北省林業(yè)廳提供的河北省核桃種植縣及種植面積情況。

地理信息數(shù)據(jù)：全國1:400萬國家基礎地理信息數(shù)據(jù)。

DEM數(shù)據(jù)：河北省數(shù)字地面高程數(shù)據(jù)（84坐標系，90 m×90 m柵格）。

災情資料：河北省公布的果樹凍害災情信息。

2 研究方法

自然災害風險理論指出，災害系統(tǒng)由致災因子、孕災環(huán)境、承災體和防災減災能力組合而成[10,11]。凍害風險，是描述低溫凍害對核桃生長關鍵時期致災的可能性以及這種可能性造成災害的程度。因此，對核桃花期凍害風險的評估，亦就是對凍害因子的危險性、承災體的脆弱性、凍害孕災環(huán)境的敏感性和防災減災能力的分析和評估，揭示核桃花期凍害致災的動力學機制。

2.1 河北省核桃花期凍害綜合風險評估模型構建

根據(jù)自然災害風險理論，評估核桃花期凍害綜合風險的表達公式為：=(,,,) (1)

公式中，是核桃花期凍害綜合風險（Risk）；是致災因子的危險性（Hazard）；是孕災環(huán)境的敏感性（Sensitivity）；是承災體的易損性（Vulnerability）；是防災減災能力（Capability）。上述四個要素（,,,）又包含多個評價因子。為實現(xiàn)多因子數(shù)據(jù)分析，利用Spss對其進行標準化處理，公式為：（正相關因子）Z=0.5+0.5×[(X-min)/(max-min)] (2)

（負相關因子）Z=1.0-0.5×[(X-min)/(max-min)] (3)

式中：Z是柵格中第個因子標準化后的數(shù)值；X是柵格中第個因子的實際變量值。在四大要素的多個評價因子中，一部分評價因子（低溫強度、頻率、種植面積等）數(shù)值越高，受到凍害的風險越大，即正相關；另一個部分評價因子（核桃抗凍能力、防災減災能力）數(shù)值越高，受到凍害的風險越小，即負相關。因此，不同種類的評價因子采取不同的標準化方法。

公式中，U表示核桃花期凍害系統(tǒng)中各評價要素指數(shù)，是評價要素個數(shù)，是評價因子個數(shù)，W是利用Delphi法結合實際受災情況計算出的評價因子的權重，Z是評價因子經上述公示(2)(3)計算后的標準化值。

最后，結合核桃凍害風險評估公式，運用加權綜合評價法，建立河北省核桃花期凍害綜合風險評估模型：I=()·+()·+()·+()·(5)

評估模型中，I為核桃花期凍害綜合風險指數(shù)，、、、表示致災因子要素、孕災環(huán)境要素和承載體要素的凍害風險指數(shù)，、、、表示各要素的權重，亦通過Delphi法確定。在此基礎上，根據(jù)凍害綜合風險指數(shù)的分布，劃定河北省核桃花期凍害風險程度。

2.2 GIS空間分析方法

河北省核桃花期凍害風險研究的是河北省核桃種植區(qū)凍害風險程度的分異規(guī)律，其研究涉及低溫的強度和頻次、地形、各種植區(qū)的核桃品種、核桃經濟產量等都存在明顯的空間差異，運用GIS技術，為研究提供了精細化、可視化和數(shù)字化的綜合研究手段。本文運用Arcgis空間分析手段主要有：掩膜提取、空間插值、矢量轉柵格、柵格圖層疊加、自然斷點法分級等，進行河北省核桃花期凍害綜合風險區(qū)劃。

2.3 核桃花期凍害各要素及其因子權重確定方法

權重是評價凍害要素及其因子重要程度的標準，本文結合河北省歷年核桃受災情況，根據(jù)專家對凍害的研究經驗（Delphi），確定致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承載體的脆弱性和防災減災能力的權重系數(shù)配比為0.45、0.2、0.2和0.15,并構建凍害綜合風險評估指標權重體系，如圖1。

圖1 河北省花期凍害綜合風險要素及其因子權重

2.3.1 致災因子危險性及其評價因子權重確定方法致災因子危險性要素包含兩個評價因子，即“日最低氣溫”和“歷年低溫次數(shù)”。核桃花期期間，新生花器和嫩梢耐寒能力較差?；ㄆ鞴佟⒛凵沂呛颂一ㄆ趦龊ψ蠲舾械牟课?若花期溫度驟降，低于0 ℃，會導致核桃的花器官、嫩梢受害，造成大量減產[13]。經研究論證，核桃花期的受害程度取決于最低氣溫和最低氣溫持續(xù)時間的乘積[3,14]。故確定兩個評價因子的權重系數(shù)為0.5和0.5。

2.3.2 承災體脆弱性及其評價因子權重確定方法承災體脆弱性包含兩個評價因子為“核桃種植面積”和“核桃抗凍能力”。核桃抗凍能力的量化數(shù)值來源于任俊杰對不同核桃品種晚霜凍試驗中葉片和子房綜合抗凍能力的平均隸屬度[4]，將不同部位的平均隸屬度進行求和計算。綠嶺、香玲、遼寧1號和清香四個品種子房的低溫半致死溫度分別為-2.62 ℃、-2.58 ℃、-2.39 ℃和-1.07 ℃[4]，前三個品種發(fā)生凍害的低溫臨界值十分接近，當凍害天氣來臨時，僅清香品種對低溫的敏感度較高，而一旦出現(xiàn)凍害天氣，因種植面積差異所造成的經濟損失主導著承災體的易損性趨勢，因此經征求專家組意見，對兩個評價因子分別取0.7和0.3的權重系數(shù)。

2.3.3 孕災環(huán)境敏感性及其評價因子權重確定方法孕災環(huán)境的敏感性能夠在一定程度上加強或減弱凍害的危險程度。高程與核桃花期凍害的關系比較復雜。依據(jù)溫度遞減規(guī)律判斷，隨海拔升高，溫度會遞減，核桃受到凍害風險的可能性越高。另一方面，核桃始花期開始的時間取決于積溫，即當積溫達到核桃開花所需溫度的臨界值時才會開花，也就是說同一緯度條件下，高海拔核桃種植區(qū)始花期要晚于低海拔地區(qū)，并且冷空氣在不同地形條件下的流動和停滯，也會破壞這種溫度垂直遞減規(guī)律。因此，不能依據(jù)海拔溫度遞減規(guī)律判斷同一時間節(jié)點的垂直溫度差異來表示核桃花期的凍害程度。本文通過總結大量學者的實驗結論，得出高程對核桃花期凍害的影響規(guī)律。一般看來，河北省90%以上的核桃種植區(qū)位于山區(qū)，當凍害發(fā)生時，在一定海拔范圍內，同一核桃品種凍害程度均呈現(xiàn)隨高程降低而逐漸增高的趨勢[4,15,16]。因此，一定海拔高度內，海拔越高受凍害程度越輕。

2.3.4 防災減災能力及其評價因子權重確定方法防災減災能力是從人的主觀實踐方面阻止、減輕災害風險及其造成的損失程度。本文防災減災能力要素選取“人均GDP”和“各核桃種植縣區(qū)域站數(shù)量作為評價因子”?？紤]人均GDP作為一個地區(qū)的經濟發(fā)展水平的表征，因為無論是災害防御工程還是災后減災補救措施，都是要以經濟作為支撐和前提的，人均GDP越大，表明該地經濟發(fā)展水平越高，抗災能力越強；反之亦然。選擇各縣區(qū)域站的數(shù)量作為地區(qū)工程性防御預警手段，各種植區(qū)域范圍內氣象站數(shù)量越多、密度越大，監(jiān)測低溫發(fā)生和過程的能力越強，預測低溫凍害發(fā)生危險性的可能性越大。而一旦災害性天氣發(fā)生，經濟發(fā)展水平直接影響著災區(qū)應對災害的水平以及災后恢復的能力。因此對兩個評價因子分別取0.6和0.4的權重系數(shù)。

3 河北省核桃花期凍害綜合風險區(qū)劃

3.1 致災因子危險性區(qū)劃

致災因子的危險性代表著災害發(fā)生的強度和頻次，是凍害風險形成的前提條件。選取1996~2015年各核桃種植縣氣象臺站0 ℃以下低溫程度及其0 ℃以下低溫出現(xiàn)次數(shù)作為評價因子，采用公式（2），得到兩個評價因子的歸一化值，依據(jù)圖1的權重分配，利用公式（4），得到致災因子的危險性（H）指數(shù)，運用GIS反距離加權插值方法，將危險性指數(shù)插值到河北省核桃種植區(qū)90 m*90 m的柵格像元內，并運用自然斷點分級法將致災因子危險性要素分5類進行區(qū)劃圖2。致災因子危險性高風險區(qū)主要集中的保定淶源和承德興隆，其中淶源0 ℃及以下低溫的等級較高，而涿鹿的低溫頻次較多，屬于不同類型評價因子的高風險區(qū)；中等危險區(qū)主要集中在河北南部的邢臺和邯鄲核桃種植區(qū)以及石家莊中部和承德興隆。

圖 2 致災因子危險性區(qū)劃

圖 3 孕災環(huán)境的敏感性區(qū)劃

3.2 孕災環(huán)境敏感性區(qū)劃

本文選取河北省核桃種植區(qū)域的高程作為孕災環(huán)境敏感性的評價因子，采用公式（3），得到高程要素的歸一化值，在GIS平臺中運用自然斷點分級法分5級對孕災環(huán)境敏感性進行區(qū)劃如圖3。結果如下：孕災環(huán)境高風險區(qū)主要分布在山前平原地區(qū)，中風險區(qū)分布低山丘陵地區(qū)，低風險區(qū)分布在海拔較高的山地。

圖 4 承災體易損性區(qū)劃

圖 5 防災減災能力區(qū)劃

3.3 承災體脆弱性區(qū)劃

承災體的易損性表示核桃遭受花期凍害危害的損失程度狀態(tài)。核桃花期受到凍害的表現(xiàn)為對核桃雌花的損害和坐果的影響，本文考慮將河北省核桃種植區(qū)域內各縣的種植面積和主要種植核桃品種的抗凍害能力作為承災體脆弱性的評價因子，依據(jù)圖1的權重分配，采用公式（2）（3），得到兩個評價因子的歸一化值，利用公式（4）計算得出承災體脆弱性指數(shù)，使用自然斷點法進行分級并轉換為柵格圖層，得到區(qū)劃結果圖4。結果顯示，中高風險區(qū)主要集中在河北省西南部和承德、秦皇島部分地區(qū)，其中邯鄲涉縣、邢臺臨城、石家莊平山的高風險性主要體現(xiàn)在核桃種植面積大，凍害發(fā)生時受到的經濟損失總量大，易損性強；承德、秦皇島部分地區(qū)包含不同類型評價因子的高風險區(qū)。

3.4 防災減災能力區(qū)劃

致災因子危險性、孕災環(huán)境脆弱性和承災體敏感性區(qū)劃都是從花期凍害的發(fā)生過程和影響程度來評估災害風險。采用公式（2），得到各縣區(qū)域站數(shù)量和人均GDP數(shù)據(jù)的歸一化值，利用公式（4）計算得出防災減災能力指數(shù)，使用自然斷點法進行分級并轉換為柵格圖層，得到區(qū)劃結果。圖5可以看出，北部核桃種植區(qū)的防災減災能力最強，南部核桃種植區(qū)次之，中部，尤其是保定各核桃種植縣的防災減災能力最差。

3.5 河北省核桃花期凍害綜合風險區(qū)劃

圖 6 凍害綜合風險區(qū)劃圖

運用arcgis柵格計算器，將上述四幅柵格圖層依據(jù)各自權重（0.4、0.3、0.2、0.1）進行空間計算和疊加分析，得到圖6?？梢姡颖笔『颂一ㄆ趦龊Ω唢L險區(qū)域主要分布保定淶源縣，原因主要是致災因子的危險性等級高，即0℃及以下低溫的絕對值高且出現(xiàn)頻次高；次高危險區(qū)主要分布在邯鄲大部分種植縣、邢臺臨城和內丘縣、石家莊平山和正定、承德興隆縣五塊區(qū)域中，主要是由區(qū)域內致災因子危險性等級較高、海拔（高程）較低且種植面積大導致的；低危險區(qū)和次低危險區(qū)表現(xiàn)為不同要素類型的低危險區(qū)。

4 結論與討論

4.1 結論

（1）結合河北省凍害普查數(shù)據(jù)，近15年間，河北省共出現(xiàn)兩次影響范圍較大的晚霜凍害，其中2006年4月11日，河北省中南部太行山區(qū)保定、石家莊、邢臺等多地受低溫影響造成嚴重的凍害和減產；2013年4月19日至20日，石家莊、邢臺、邯鄲多縣市出現(xiàn)了雨雪降溫過程，降溫幅度大，低溫時間長，對核桃產量造成了巨大影響，較正常年份減產70%以上，局部地區(qū)絕收。經驗證，核桃花期凍害綜合風險區(qū)劃與河北省發(fā)布的普查數(shù)據(jù)顯示的情況基本一致：“倒春寒”致災較多較重的區(qū)域主要集中在邯鄲大部分地區(qū)、邢臺西北部、石家莊西部、保定淶源和承德興隆局部地區(qū)，但淶源地區(qū)區(qū)劃結果較實際情況偏重。

（2）運用自然災害系統(tǒng)論構架的核桃花期凍害綜合風險評估模型所選取的評價因子、權重的分配是合理的，模型能夠客觀的反映河北省核桃種植區(qū)域花期凍害風險程度。

4.2 討論

（1）本研究中，改變了長時間以來以溫度垂直遞減率為依據(jù)，考量不同海拔的凍害孕災環(huán)境，而是根據(jù)冷空氣的流通與停滯規(guī)律，結合他人實驗成果確定海拔與核桃凍害之間的相互關系。在承災體的易損性研究中，把不同品種核桃的抗凍害能力作為其評價因子，完善了風險評估的不足部分。

（2）本研究中，北部、中部和南部核桃種植區(qū)的劃分以縣域為單元劃分的，劃分結果不夠精確。各縣的核桃種植品種混雜，主要品種并非種植率超過50%以上的品種，而核桃種植大戶所提供的種植較多的品種，具體種植品種比例和數(shù)據(jù)不完善。各縣國家一般氣象站獲得的低溫數(shù)據(jù)進行空間插值與實際區(qū)域氣溫水平會有差異，可能導致部分區(qū)劃結果與實際情況稍有偏差。目前結果并不能做到與實際情況完全一致，還需進一步研究和探討。

[1] 趙增渠.今年核桃花期凍害給我們的啟示[J].果農之友,2010(9):24

[2] 王勇,韓玉虎,田建保,等.2006年早春山西省核桃凍害調查[J].中國果樹,2007(1):53-58

[3] 任俊杰,趙爽,李保國,等.河北綠嶺核桃春季霜凍害情況及剪除凍梢效應研究[J].河北農業(yè)大學學報,2014,37(4):36-42

[4] 任俊杰.核桃晚霜危害機理研究[D].保定:河北農業(yè)大學,2015

[5] 張建英,毛向紅,徐平.2009年河北省核桃凍害調查與分析[J].河北果樹,2012(4):8-10

[6] 劉瑾,孫東磊,李武龍,等.利用區(qū)域自動站資料分析核桃花期凍害氣象條件及成因[J].氣象科技,2014,42(6):1100-1105

[7] 孫偉.基于GIS的浙江省柑橘低溫凍害風險分析[D].烏魯木齊:新疆農業(yè)大學,2010

[8] 高菊紅.基于GIS的山東省蘋果花期凍害風險分析與區(qū)劃[D].泰安:山東農業(yè)大學,2014

[9] 張永紅,葛徽衍,郭建茂,等.基于GIS的縣域低溫凍害風險區(qū)劃問題研究[J].陜西農業(yè)科學,2014,60(6):67-71

[10] 黃崇服.自然災害風險評價理論與實踐[M].北京:科學出版社,2005

[11] 王紹玉,唐桂娟.綜合自然災害風險管理理論依據(jù)探析[J].自然災害學報,2009,18(2):33-38

[12] 唐為安,田紅,楊元建,等.基于GIS的低溫冷凍災害風險區(qū)劃研究——以安徽省為例[J].地理科學,2012,32(3):356-361

[13] 李保國.薄皮核桃標準化操作技術[M].北京:中國林業(yè)出版社,2008

[14] 郗榮庭.果樹栽培學總論[M].第三版.北京:農業(yè)出版社,1997:303

[15] 樊江斌,張金龍,許新平,等.陜西2013年核桃晚霜凍害發(fā)生情況調查與分析[J].西北林學院學報,2014,30(5):120-124

[16] 馮斌,吳建功,宋麗青,等.2010年山西省晉中市核桃晚霜凍害調查[J].山西林業(yè)科技,2011,40(4):35-37

Risk Assessment and Regionalization of Walnut Flowering Period Freezing Injury Based on GIS in Hebei Province

LI Di1, ZHANG Qiao-yu2, SUN Dong-lei1, ZHU Chen2, LIU Chao3

1.054000,2.054000,3.100193,

Freezing Risk at walnut flowering phase is the principal factor to reduce the fruit setting. Using the theory of natural disaster risk assessment method combined with GIS technology is an effective measure to reduce the huge losses of walnut production affected by freezing in flowering phase. Based on the national meteorological observing station from 32 counties planting walnut in Hebei Province, the agricultural information of walnut and geographic information data, this paper analyzed and evaluated the risk of hazard-formative factors, the environmental sensitivity of gestating disaster, the vulnerability of hazard-affected body as well as the ability of disaster prevention and reduction. The comprehensive risk index of freezing injury and the risk assessment model for freezing injury of walnut in flowering period were established, based on this, the freezing injury risk zonation in Hebei Province was carried out.

Walnut flowering phase; freezing injury; risk division; GIS; Hebei Province

P49

A

1000-2324(2019)02-0191-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.003

2017-10-23

2018-01-03

河北省氣象局科研計劃項目:太行山南部核桃農業(yè)氣象災害監(jiān)測與評估(13ky32);邢臺市科技計劃項目(2016ZC155)

李迪(1989-),男,碩士研究生,主要從事氣象災害防御工作. E-mail:15931990006@163.com