楊麗桃

(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010051)

內(nèi)蒙古地區(qū)海拔高、溫差大、雨熱同季、氣候冷涼等特點(diǎn)，使得具有喜冷涼習(xí)性的馬鈴薯成為當(dāng)?shù)刂饕奶厣魑?，?nèi)蒙古已成為我國最大的馬鈴薯生產(chǎn)基地。正如有關(guān)黃淮地區(qū)的研究，在氣候變暖的情況下，霜凍害發(fā)生不僅沒有減輕、反而加重[1]。在內(nèi)蒙古，霜凍也仍然是影響馬鈴薯產(chǎn)量的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，特別是在秋季，馬鈴薯一般處于塊莖增長和淀粉積累的關(guān)鍵期，此時(shí)遭遇霜凍，將直接影響馬鈴薯的品質(zhì)和產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)甚至絕收。而此時(shí)接近收獲時(shí)節(jié)，相對春季發(fā)生的霜凍而言，可用于補(bǔ)救的措施較少。因此，秋霜凍對內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯的危害應(yīng)受到高度重視。

為了揭示霜凍的潛在風(fēng)險(xiǎn)。目前，很多學(xué)者在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論的基礎(chǔ)上，綜合考慮多因子，從霜凍致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性(暴露度)和承災(zāi)體易損性(脆弱性)及防災(zāi)能力等方面構(gòu)建霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系、方法和模型，為研究區(qū)域潛在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃提供了可行的方法。王晾晾[2]、包云軒[3]和顧萬龍[4]及陳凱奇等[5]分別針對東北的水稻、江蘇和河南的冬小麥及遼寧的玉米等作物開展了霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，嚴(yán)應(yīng)存等[6]針對青海省油菜、小麥、馬鈴薯、青稞四種主要農(nóng)作物開展了霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，李紅英等[7]用四因子法對寧夏晚霜凍進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃，以上研究為霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評估研究積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，然而由于霜凍對于不同作物，不同時(shí)期影響不盡相同，針對同一種農(nóng)作物研制精細(xì)化的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估與區(qū)劃是農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害研究的必然要求。本文則在前人研究的基礎(chǔ)上，對內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害致災(zāi)危險(xiǎn)性指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)建，利用災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估指數(shù)法確定災(zāi)害評估模型，并進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)劃，為內(nèi)蒙古有效規(guī)避及防范馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害等提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 資料來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究所用內(nèi)蒙古地區(qū)80個(gè)地面氣象觀測站1961年以來的逐日平均氣溫、最低氣溫資料來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心。內(nèi)蒙古地區(qū)各旗縣1981-2015年的耕地面積、馬鈴薯產(chǎn)量資料來源于自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒。馬鈴薯發(fā)育期資料來源于自治區(qū)12個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測站。歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)來源于《中國氣象災(zāi)害大典·內(nèi)蒙古卷》和中國氣象局氣象災(zāi)害直報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。地理信息數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除數(shù)據(jù)量綱上的影響，對數(shù)據(jù)進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化，其公式為:

(1)

式中：I′i為極差標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，Ii為原始數(shù)據(jù)，Imax和Imin分別為每一列中的最大值和最小值。

1.2.2 加權(quán)綜合評價(jià)法

通過層次分析法和專家打分法確定相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，然后與相應(yīng)的被評價(jià)對象各指標(biāo)的量化值相乘后再相加。致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力指標(biāo)都采用加權(quán)綜合評價(jià)法建立。

1.2.3 自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的形成機(jī)理，自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是危險(xiǎn)性、暴露度、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力綜合作用的結(jié)果，通常采用自然災(zāi)害指數(shù)表征風(fēng)險(xiǎn)程度，可表示為：

R=Hα×Eβ×Vδ×D-ε。

(2)

式中：R為秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；H為致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性；E為承災(zāi)體的脆弱性；V為承災(zāi)體暴露度；D為防災(zāi)性能指數(shù)；α，β，δ，ε為各因子權(quán)重。秋霜凍風(fēng)險(xiǎn)程度的評估模型通過自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法建立。

1.2.4 數(shù)據(jù)插值和訂正方法

秋霜凍致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指標(biāo)基于小網(wǎng)格推算模型和殘差訂正方法得到致險(xiǎn)度的空間分布，承災(zāi)體的脆弱性、暴露度和防災(zāi)減災(zāi)能力通過反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值得到，最后利用 GIS 的空間疊加分析功能對秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)模型進(jìn)行運(yùn)算，利用自然斷點(diǎn)法結(jié)合實(shí)際情況確定區(qū)劃單元，劃分災(zāi)害區(qū)劃等級。

2 秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的構(gòu)建

2.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性

2.1.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指標(biāo)

根據(jù)內(nèi)蒙古12個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測站馬鈴薯發(fā)育期資料和80個(gè)地面氣象觀測站多年秋霜凍日期，分析得出內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害主要發(fā)生時(shí)期在其后期的成熟階段，即淀粉積累期(8月10日-9月20日)。結(jié)合歷年馬鈴薯遭受秋霜凍的實(shí)際災(zāi)情，并且借鑒《中華人民共和國氣象標(biāo)準(zhǔn)-QX/T88-2008作物霜凍害等級》及東北地區(qū)的研究成果[8-12]，將內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害的指標(biāo)進(jìn)行了修正和確定，主要分為輕、中、重三個(gè)等級(表1)。

表1 內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

2.1.2 致災(zāi)危險(xiǎn)性分析

統(tǒng)計(jì)馬鈴薯生長發(fā)育期間的秋霜凍頻率和強(qiáng)度，構(gòu)建秋霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)[13-16]，作為秋霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性的評價(jià)指標(biāo)。危險(xiǎn)性指數(shù)將秋霜凍災(zāi)害強(qiáng)度和災(zāi)害發(fā)生頻數(shù)相結(jié)合，客觀地反映秋霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性大小。其計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Kq為秋霜凍危險(xiǎn)性指數(shù),將每一站出現(xiàn)秋霜凍災(zāi)害的年份按重、中、輕分為三組，υi為每一組的災(zāi)年頻數(shù)，n為秋霜凍總年數(shù)，hi為每一組的組中數(shù)。

由于霜凍災(zāi)害與地理因素有關(guān), 其分布與地形特征緊密相連。本文選取經(jīng)度λ、緯度Φ和海拔高度H為自變量，以秋霜凍危險(xiǎn)性指數(shù)Kq作為因變量，建立回歸模型(4)，其復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.871 6，達(dá)到0.001的顯著水平。

Kq=-0.470429+0.001415λ+0.006637Φ+0.000050H。

(4)

在GIS支持下, 對模型(4)進(jìn)行小網(wǎng)格推算和殘差訂正, 最后繪制出全區(qū)馬鈴薯種植區(qū)秋霜凍危險(xiǎn)性指數(shù)空間分布圖(圖1)。依托GIS平臺自然斷點(diǎn)法結(jié)合實(shí)際情況確定區(qū)劃單元，劃分馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)分級(表2)。由圖1可見，內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性分布的高值區(qū)域和次高值區(qū)域主要在呼倫貝爾市大部農(nóng)區(qū)、興安盟北部、赤峰市西部、北部、錫林郭勒盟西南部、烏蘭察布市中南部、呼和浩特市北部和包頭市南部地區(qū)。其余大部農(nóng)區(qū)危險(xiǎn)性在中等級別以下。

表2 內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性(暴露度、脆弱性及防災(zāi)減災(zāi)能力)指數(shù)分級

圖1 內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分布

2.2 暴露度

馬鈴薯秋霜凍造成的危害程度與承受災(zāi)害的承載體有關(guān)。本文選取馬鈴薯種植面積與耕地面積比值作為評價(jià)秋霜凍災(zāi)害暴露度的指標(biāo)。利用自然斷點(diǎn)分級法將暴露度按4個(gè)等級劃分，并繪制暴露度區(qū)劃圖(圖2)。由圖2可見，烏蘭察布市大部農(nóng)區(qū)、包頭市南部以及呼和浩特市東北部和南部，馬鈴薯種植面積相對較大，因此，該地區(qū)暴露度最高；呼倫貝爾市阿榮旗、錫林郭勒盟多倫縣、太仆寺旗、呼和浩特市西南部等地暴露度為次高等級，其余農(nóng)區(qū)馬鈴薯種植面積小，其暴露度為中等或低級。

圖2 內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害暴露性分布

2.3 脆弱性

脆弱性表示馬鈴薯受到秋霜凍災(zāi)害不利影響的傾向或趨勢，本研究以農(nóng)區(qū)各旗縣(市)馬鈴薯單產(chǎn)及平均單產(chǎn)比值進(jìn)行脆弱性評價(jià)，利用自然斷點(diǎn)法將脆弱性分為4級，得到馬鈴薯脆弱性空間分布圖(圖3)。從圖3可見，內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯脆弱性高值區(qū)主要位于呼倫貝爾東南部農(nóng)區(qū)、呼和浩特市東北部地區(qū)；次高區(qū)位于興安盟東北部、烏蘭察布市南部、通遼市西中部、鄂爾多斯中東部等地；其余地區(qū)為脆弱性中等和低區(qū)。

圖3 內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害脆弱性分布

2.4 防災(zāi)減災(zāi)能力

防災(zāi)減災(zāi)能力表示馬鈴薯受到秋霜凍災(zāi)害不利影響的恢復(fù)程度，本文通過人均GDP和馬鈴薯生產(chǎn)力判定抗災(zāi)能力。其中，人均GDP表示一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，人均GDP越大，表明該地經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高，抗災(zāi)能力越強(qiáng)；反之亦然[17]。馬鈴薯生產(chǎn)力是通過把各地的趨勢產(chǎn)量作一元線性回歸，定義線性回歸方程的斜率(Ki)作為描述馬鈴薯抗災(zāi)性能指數(shù)的指標(biāo)之一[18]。通過層次分析法結(jié)合專家打分法確定抗災(zāi)性能指數(shù)(Di)為：

Di=0.2Ki+0.8GDP。

(5)

式中：Di為第i區(qū)域的抗災(zāi)性能指數(shù)，Ki為標(biāo)準(zhǔn)化后的馬鈴薯趨勢產(chǎn)量線性回歸方程的斜率，GDP為區(qū)域人均GDP。

利用上式計(jì)算出各站點(diǎn)的抗災(zāi)性能指數(shù)，利用GIS反距離權(quán)重方法進(jìn)行空間插值，并用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分級，繪制抗災(zāi)性能指數(shù)空間分布圖(圖4)。從圖4可以看出，高值區(qū)和次高值區(qū)包括呼和浩特市、包頭市、鄂爾多斯市東部、赤峰市西南部、通遼市北部和興安盟西北部地區(qū)，中值區(qū)包括興安盟西北部、通遼市中部和赤峰市西南部、烏蘭察布市西南部及巴彥淖爾市南部地區(qū)，其余農(nóng)區(qū)的抗災(zāi)性能較低。

圖4 內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)能力分布

3 秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃

3.1 秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃

基于建立的秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合評估模型，利用層次分析法結(jié)合專家打分法確定指標(biāo)權(quán)重，得到馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合評估模型：

R=H0.6129×E0.2451×V0.1066×D-0.0354。

(6)

式中：R為秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；H為致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性；E為承災(zāi)體的脆弱性；V為承災(zāi)體暴露性；D為抗災(zāi)性能指數(shù)。

利用GIS地圖代數(shù)運(yùn)算，并通過自然斷點(diǎn)法劃分為4個(gè)等級(表3)，得到內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃結(jié)果(圖5)。

表3 內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖5 內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃

3.2 分區(qū)描述

3.2.1 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在包頭市南部、呼和浩特市北部、烏蘭察布市中北部、錫林郭勒盟西南部、赤峰市西北部、興安盟中北部及呼倫貝爾市大部農(nóng)區(qū)，所占面積比例為17.1%。該區(qū)內(nèi)年平均氣溫0～5℃，8月10日-9月20日的平均氣溫12～17℃，馬鈴薯在該時(shí)段的最適氣溫為18～19℃，各站點(diǎn)平均氣溫較最適氣溫低，常年8月10日-9月20日的最低氣溫為-10～-4℃，出現(xiàn)秋霜凍的幾率相對較高，導(dǎo)致馬鈴薯秋霜凍的致災(zāi)危險(xiǎn)性高，同時(shí)本區(qū)也是馬鈴薯暴露度和脆弱性最高的地區(qū)，而抗災(zāi)能力一般，因此該區(qū)出現(xiàn)秋霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)高。

3.2.2 次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要包括包頭市西南部、呼和浩特市南部、烏蘭察布市南部、錫林郭勒盟南部、興安盟中部及呼倫貝爾市東部地區(qū)，所占面積比例為28.5%。該區(qū)內(nèi)年平均氣溫3～7℃，8月10日-9月20日的平均氣溫14～18℃，馬鈴薯在該時(shí)段的最適氣溫為18～19℃，各站點(diǎn)平均氣溫較最適氣溫低，常年中8月10日-9月20日的最低氣溫為-8～-2℃，出現(xiàn)秋霜凍的幾率也相對較高，導(dǎo)致馬鈴薯秋霜凍的致災(zāi)危險(xiǎn)性較高，同時(shí)本區(qū)也是馬鈴薯暴露度和脆弱性較高的地區(qū)，抗災(zāi)能力一般，因此該區(qū)出現(xiàn)秋霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)為次高。

3.2.3 中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要包括鄂爾多斯東北部、赤峰市西部和北部、興安盟東部地區(qū)，所占面積比例為18.1%。該區(qū)內(nèi)年平均氣溫4～8℃，8月10日-9月20日的平均氣溫15～18℃，馬鈴薯在該時(shí)段的最適氣溫為18～19℃，各站點(diǎn)平均氣溫接近馬鈴薯最適氣溫，常年8月10日-9月20日的最低氣溫為-6～0℃，出現(xiàn)秋霜凍的幾率一般，導(dǎo)致馬鈴薯秋霜凍的致災(zāi)危險(xiǎn)性也不高，同時(shí)馬鈴薯暴露度和脆弱性較低，抗災(zāi)能力中等，因此該區(qū)出現(xiàn)秋霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)為中等。

3.2.4 低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要包括巴彥淖爾市南部和東部、鄂爾多斯市東部、赤峰市東部、通遼市大部地區(qū)，所占面積比例為36.2%。該區(qū)內(nèi)年平均氣溫6～10℃，8月10日-9月20日的平均氣溫17～19℃，馬鈴薯在該時(shí)段的最適氣溫為18～19℃，各站點(diǎn)平均氣溫接近最適氣溫，且常年中8月10日-9月20日的最低氣溫為-4～0℃，出現(xiàn)秋霜凍的幾率相對較低，馬鈴薯秋霜凍的致災(zāi)危險(xiǎn)性低，同時(shí)本區(qū)也是馬鈴薯暴露度和脆弱性低的地區(qū)，抗災(zāi)能力西高東低，因此該區(qū)出現(xiàn)秋霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)低。

圖6 內(nèi)蒙古累年秋霜凍災(zāi)害出現(xiàn)次數(shù)(1984-2015年)

3.3 結(jié)果驗(yàn)證

利用《中國氣象災(zāi)害大典·內(nèi)蒙古卷》，結(jié)合中國氣象局氣象災(zāi)害直報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對1984 -2015年以來內(nèi)蒙古自治區(qū)的秋霜凍災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，基于此，繪制內(nèi)蒙古自治區(qū)累年秋霜凍災(zāi)害分布圖(圖6)，由圖6可見，內(nèi)蒙古自治區(qū)霜凍災(zāi)害主要分布地區(qū)為包頭市南部、呼和浩特市北部、烏蘭察布市大部、錫林郭勒盟西南部、赤峰市中部、興安盟局部、呼倫貝爾市東南部等地區(qū)。這個(gè)分布與馬鈴薯秋霜凍風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)劃的高風(fēng)險(xiǎn)分布趨勢基本一致，因此本文的區(qū)劃結(jié)果基本能夠客觀地反映內(nèi)蒙古地區(qū)秋霜凍災(zāi)害的發(fā)生情況。秋霜凍災(zāi)害影響的嚴(yán)重程度，通常由農(nóng)作物受災(zāi)面積來體現(xiàn)。從受災(zāi)面積與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃來看，區(qū)劃結(jié)果與全區(qū)大部地區(qū)的災(zāi)情基本一致。通過相關(guān)性分析結(jié)果表明，兩者的相關(guān)系數(shù)r = 0.67(α= 0.01)，呈極顯著相關(guān)，進(jìn)一步說明本研究區(qū)劃結(jié)果的合理性。

4 結(jié)論與討論

內(nèi)蒙古馬鈴薯種植區(qū)秋霜凍災(zāi)害主要發(fā)生在包頭市南部、呼和浩特市北部、烏蘭察布市中北部、錫林郭勒盟西南部、赤峰市西北部、興安盟中北部及呼倫貝爾市大部農(nóng)區(qū)?；谧畹蜌鉁氐膬?nèi)蒙古不同等級秋霜凍災(zāi)害出現(xiàn)次數(shù)與實(shí)際秋霜凍災(zāi)害發(fā)生情況出現(xiàn)基本相似的分布格局，表明用最低氣溫的秋霜凍災(zāi)害指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是符合內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況的。

內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃表明，馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在烏蘭察布市農(nóng)區(qū)的大部及東部呼倫貝爾市的農(nóng)區(qū)，這由當(dāng)?shù)氐匦翁攸c(diǎn)、氣候條件、馬鈴薯種植面積比重、馬鈴薯生產(chǎn)水平及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件等決定。在氣候變暖的背景下，近年來烏蘭察布市馬鈴薯種植業(yè)發(fā)展迅速，種植面積日益擴(kuò)大，且經(jīng)濟(jì)效益顯著，秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)相對較高，因此在當(dāng)前形勢下，烏蘭察布地區(qū)秋霜凍災(zāi)害防御更不可松懈。