劉瑞娜，陳金華，陳 曦，曹 雯

（安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心/安徽省農(nóng)業(yè)生態(tài)大數(shù)據(jù)工程實驗室，合肥 230031）

安徽省淮河以南地區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風氣候，適宜的光溫水條件為茶樹生長提供了得天獨厚的氣候資源[1]。據(jù)農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司經(jīng)濟作物處統(tǒng)計，2019年安徽省茶樹栽培面積達18.7 萬hm2，產(chǎn)量12.2 萬t，分別占全國的6.0%和4.4%。中國十大經(jīng)典名茶，出自安徽省的茶葉占4 個，更是中國名茶祁門紅茶、黃山毛峰、六安瓜片的原產(chǎn)地[2]。目前，茶葉已成為安徽省重要經(jīng)濟作物，茶產(chǎn)業(yè)也成為茶區(qū)農(nóng)民脫貧致富的支柱產(chǎn)業(yè)。受全球氣候變化影響，近年來，早春霜凍害呈現(xiàn)多發(fā)重發(fā)態(tài)勢，輕則造成芽葉焦灼，重則造成成片已發(fā)萌芽葉焦枯，嚴重影響茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)[3]，2018年4月上旬一次強寒潮，安徽省六安市約1.73 萬hm2茶園遭受嚴重霜凍害，直接經(jīng)濟損失約1.22 億元。春霜凍害已成為制約安徽省茶產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

開展災害風險評估是對災害實施有效管理、減輕災害損失的必要途徑[4]。國內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象災害風險區(qū)劃研究起步于20 世紀90年代，以農(nóng)業(yè)氣象災害風險分析技術(shù)和方法的探索研究為主[5]。研究對象涵蓋主要糧食作物和經(jīng)濟作物，并取得了系列成果[6-12]。其中針對茶樹主要氣象災害，王學林等[17-18]綜合考慮災害發(fā)生頻率、強度等因子，開展了霜凍害、凍害、干旱等災害的致災因子危險性分析。金志鳳等[16-17]綜合考慮災害強度、茶樹生長環(huán)境、農(nóng)業(yè)統(tǒng)計指標和社會經(jīng)濟指標等方面，開展了基于網(wǎng)格化的浙江省茶樹種植農(nóng)業(yè)氣象災害精細化風險區(qū)劃，但目前針對安徽省的茶樹春霜凍害精細化風險評估研究較為罕見。本文擬參考以往的研究方法，從致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性和承災體脆弱性3 個方面選取茶樹春霜凍害風險評價因子，構(gòu)建茶樹春霜凍害風險指數(shù)，借助ANUSPLIN 插值模型和地理信息系統(tǒng)對安徽省茶樹春霜凍害進行風險評估，以期為提高安徽省茶樹氣象災害防御能力，促進茶農(nóng)增收提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

基于安徽省各縣（市）茶樹種植面積，選擇淮河以南45 個縣（市）作為茶種植區(qū)，再按照地理分布特點，大致劃分為3 個茶區(qū)，即大別山茶區(qū)、江北茶區(qū)和江南茶區(qū)（圖1）。氣象觀測資料來源于安徽省氣象局，包括1981-2017年茶種植區(qū)45 個站點逐日最低氣溫數(shù)據(jù)和各站點經(jīng)度、緯度、海拔高度等地理屬性數(shù)據(jù)。茶樹生產(chǎn)資料來源于安徽省統(tǒng)計年鑒，包括1998-2017年茶種植區(qū)45 個站點所在縣（市）的茶園面積和茶葉產(chǎn)量數(shù)據(jù)。地理信息數(shù)據(jù)包括空間分辨率100m×100m 的安徽省DEM 高程數(shù)據(jù)（圖1），來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心。

圖1 安徽省茶種植區(qū)劃分Fig.1 Division of tea plantation district in Anhui province

1.2 茶樹春霜凍害風險指數(shù)及計算方法

1.2.1 致災因子危險性

致災因子危險性由不同等級春霜凍害發(fā)生頻率加權(quán)得到的春霜凍害發(fā)生綜合頻率(CFF, comprehensive frequency of spring frost occurrence)表示。依據(jù)安徽省茶樹生育期，選定每年3月11日-4月20日出現(xiàn)的霜凍為茶樹春霜凍?；跉庀笮袠I(yè)標準《茶樹霜凍害等級》（QXT 410-2017），結(jié)合安徽省茶樹歷年春霜凍災情資料，確定安徽省茶樹春霜凍害等級指標見表1。

表1 安徽茶樹春霜凍等級指標Table 1 Spring frost indicators of tea plant in Anhui province

基于茶樹春霜凍害等級指標，計算1981-2017年茶種植區(qū)各站點春霜凍害發(fā)生頻率。

式中，j 代表安徽茶種植區(qū)的45 個站點。FFj為第j 站點1981-2017年各等級茶樹春霜凍害的平均發(fā)生頻率，F(xiàn)Ni為第i年霜凍害發(fā)生天數(shù)，m 為3月11日-4月20日的天數(shù)，m=41d，n 為1981-2017年的年數(shù)，n=37a。

為揭示不同等級春霜凍害對茶樹影響的差異，根據(jù)不同等級春霜凍害茶樹受害程度，結(jié)合專家經(jīng)驗，確定輕度、中度和重度春霜凍害的權(quán)重系數(shù)分別為0.2、0.3 和0.5。各站點春霜凍害發(fā)生綜合頻率（CFFj）計算式為

式中，LFFj為輕度春霜凍害發(fā)生頻率，MFFj為中度春霜凍害發(fā)生頻率，HFFj為重度春霜凍害發(fā)生頻率。

基于廣義交叉驗證法，優(yōu)化ANUSPLIN 方法中的關(guān)鍵參數(shù)，建立了以經(jīng)緯度為自變量、海拔高度為協(xié)變量的春霜凍害發(fā)生綜合頻率小網(wǎng)格推算模型。利用ANUSPLIN 插值模型和地理信息系統(tǒng)，對春霜凍害發(fā)生綜合頻率進行空間插值，獲取像元大小為100m ×100m 的氣象要素柵格數(shù)據(jù)。

1.2.2 孕災環(huán)境敏感性

孕災環(huán)境敏感性是由代表茶樹生長環(huán)境對霜凍害敏感性水平的坡向敏感性指數(shù)（SIS, Sensitivity index of slope aspect）決定。坡向通過DEM在Arc-GIS中計算得到，像元大小為100m×100m。坡向?qū)Σ铇浯核獌龊Πl(fā)生風險影響較大。一般坡向朝北，茶樹受災風險大；坡向朝南，茶樹受災風險小[19]。因此，基于坡向像元值（A），按照表2 對坡向敏感性指數(shù)（SIS）進行賦值，坡向敏感性指數(shù)越大，表明茶樹遭遇霜凍害的風險越高。

表2 基于坡向像元值(A)的坡向敏感性指數(shù)(SIS)賦值標準Table 2 Standards of assigning value to the sensitivity index of slope aspect(SIS) based on slope image element value(A)

1.2.3 承災體脆弱性

承災體脆弱性由茶園面積（TA, tea area）和代表春霜凍害造成的茶葉產(chǎn)量損失波動大小的災年減產(chǎn)率變異系數(shù)（VCL, variation coefficient of yield reduction）決定。承災體脆弱性主要考慮茶園面積和災年氣象減產(chǎn)率變異系數(shù)。

（1）茶園面積

統(tǒng)計近5a（2014-2017年）茶種植區(qū)各縣（市）的茶園面積均值。

式中，j 代表茶種植區(qū)45 個站點，Aj為第j 個站點所在縣（市）茶園面積，Cij為j 站第i年茶園面積，M 為2014-2017年的年數(shù)，M=5a。

先將茶種植區(qū)45 個站點所在縣（市）茶園面積數(shù)字化到安徽省縣級行政區(qū)劃面狀矢量圖上，然后轉(zhuǎn)換為100m × 100m 像元大小。

（2）災年減產(chǎn)率變異系數(shù)

基于安徽省茶種植區(qū)各縣（市）1998-2017年茶葉平均單產(chǎn)，采用多元線性回歸法模擬趨勢產(chǎn)量，進而分離氣象產(chǎn)量[20]。

式中，YW為氣象產(chǎn)量（kg·hm-2）；Y 為實際產(chǎn)量（kg·hm-2）；Yt為趨勢產(chǎn)量（kg·hm-2）。

氣象減產(chǎn)率計算式為

式中， YΔ 為氣象減產(chǎn)率（%），是一個具有時空可比性的相對指標。

災年氣象減產(chǎn)率變異系數(shù)（VCL）表示災年減產(chǎn)率的幅度偏離其平均值的程度。災年減產(chǎn)率變異系數(shù)越大，說明災年減產(chǎn)率波動較大，茶樹的脆弱性越大[8]。定義為

式中，N 為成災年數(shù)，ΔYi為春霜凍害氣象減產(chǎn)率，為災年平均氣象減產(chǎn)率（%）。

將茶種植區(qū)45 個站點所在縣（市）的災年減產(chǎn)率變異系數(shù)數(shù)字化到安徽省縣級行政區(qū)劃面狀矢量圖上，然后轉(zhuǎn)換為100m×100m 像元大小。

1.2.4 茶樹春霜凍害風險指數(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)極差標準化方法[8]，應(yīng)用GIS 中柵格計算器，將春霜凍害發(fā)生綜合頻率(CFF)、茶園面積（TA）和災年減產(chǎn)率變異系數(shù)（VCL）極差標準化，計算式為

式中，I′為標準化后的數(shù)據(jù)，I 為原始數(shù)據(jù)，Imax和Imin分別為每個指標歷年的最大值和最小值。

采用加權(quán)綜合評價法構(gòu)建茶樹春霜凍害風險綜合指數(shù)（TFI）。把春霜凍害發(fā)生綜合頻率(CFF)圖層、茶園面積（TA）圖層、災年減產(chǎn)率變異系數(shù)（VCL）圖層和坡向敏感性指數(shù)（SIS）圖層按照表3 進行加權(quán)疊加，得到茶樹春霜凍害風險指數(shù)圖層。各評價指標權(quán)重系數(shù)應(yīng)用層次分析法（AHP）給定。

表3 茶樹霜凍害風險評價各因子權(quán)重Table 3 Tea spring frost risk assessment index weights

2 結(jié)果與分析

2.1 茶種植區(qū)致災因子危險性分析

2.1.1 不同等級春霜凍害發(fā)生頻率

利用ANUSPLIN 插值模型，對輕度、中度和重度春霜凍害發(fā)生頻率進行空間插值計算，得到茶種植區(qū)不同等級春霜凍害發(fā)生頻率分布。由圖2 可見，輕度春霜凍害發(fā)生頻率為0.017～0.212，平均為0.078；中度春霜凍害發(fā)生頻率為0.001～0.134，平均為0.035；重度春霜凍害發(fā)生頻率為0.004～0.055，平均為0.013。輕度春霜凍害發(fā)生頻率最高，每年3月11日-4月20日平均有3.2d 出現(xiàn)輕度霜凍害；中度次之，每年3月11日-4月20日平均有1.4d 出現(xiàn)中度霜凍害；重度最小，每年3月11日-4月20日平均有0.5d 出現(xiàn)重度霜凍害。空間分布上，輕度、中度和重度春霜凍害發(fā)生頻率高值區(qū)均分布在大別山區(qū)的金寨、霍山、岳西等地以及江南茶區(qū)的高海拔地區(qū)。

圖2 1981-2017年安徽茶種植區(qū)不同等級春霜凍發(fā)生頻率空間分布Fig.2 Frequency distribution of each grade spring frost in tea plantation district from 1981 to 2017

2.1.2 春霜凍害發(fā)生綜合頻率

茶種植區(qū)各站點春霜凍害發(fā)生綜合頻率歸一化處理后，經(jīng)插值計算并利用 GIS 中自然斷點法將春霜凍害發(fā)生綜合頻率劃分為3 個等級，分別為低值區(qū)（0～0.20）、中值區(qū)（0.20～0.35）和高值區(qū)（0.35～1.00），其空間分布見圖3。由圖可見，高值區(qū)集中分布在大別山區(qū)的金寨縣、霍山縣、岳西縣以及江南茶區(qū)南部的高海拔山區(qū)；中值區(qū)集中分布在江北 茶區(qū)的六安市、肥西縣、肥東縣、滁州市、全椒縣、含山縣、和縣、馬鞍山市等縣（市）以及江南茶區(qū)的郎溪縣、廣德縣等丘陵地帶；低值區(qū)集中分布在沿江一帶以及江北茶區(qū)的廬江縣、無為縣等縣（市）。

圖3 1981-2017年安徽省茶種植區(qū)春霜凍害發(fā)生綜合頻率空間分布Fig.3 Comprehensive frequency distribution of spring frost in tea plantation district from 1981 to 2017 in Anhui province

2.2 茶種植區(qū)承災體脆弱性分析

2.2.1 茶園面積

茶種植區(qū)各縣（市）茶園面積見圖4。由圖可見，茶園面積不足2000hm2的縣（市）主要分布在江北茶區(qū)東部以及江南茶區(qū)的當涂縣、蕪湖縣、南陵縣、繁昌縣、青陽縣、旌德縣等縣（市）。江北茶區(qū)西部的舒城縣、廬江縣、桐城市，大別山茶區(qū)的太湖縣以及江南茶區(qū)的池州市、石臺縣、黟縣、黃山市、涇縣、績溪縣、寧國市、廣德縣、郎溪縣等縣（市）茶園面積為2000～5000hm2。大別山茶區(qū)的金寨縣、霍山縣、岳西縣、潛山市以及江南茶區(qū)宣城市、東至縣等縣（市）茶園面積為5000～10000hm2。江南茶區(qū)的祁門縣、休寧縣和歙縣茶園面積超過10000hm2。

圖4 2014-2017年安徽省茶園分布Fig.4 Spatial distribution of tea plantation from 2014 to 2017 in Anhui province

2.2.2 災年減產(chǎn)率變異系數(shù)

作物減產(chǎn)不一定是由氣象災害所導致[21]。為了排除其它因素導致茶葉減產(chǎn)的樣本，根據(jù)茶種植區(qū)45 個站點所在縣（市）1998-2017年茶葉減產(chǎn)率數(shù)據(jù)，按照以下條件選取因春霜凍害造成茶葉減產(chǎn)的樣本：一是當年3月中旬-4月中旬霜凍害綜合頻率大于0.2，二是當年茶葉減產(chǎn)率大于5%，三是發(fā)生減產(chǎn)當年沒有出現(xiàn)其它重大氣象災害?；谝陨蠟膿p樣本，計算茶種植區(qū)45 個站點所在縣（市）災年平均減產(chǎn)率和災年減產(chǎn)率變異系數(shù)（表4）。災年平均減產(chǎn)率大別山區(qū)為10%～17%，均值為12%；江北茶區(qū)為8%～35%，均值為18%；江南茶區(qū)為9%～24%，均值為14%。災年減產(chǎn)率變異系數(shù)大別山區(qū)為0.31～0.50，均值為0.39；江北茶區(qū)為0.13～0.61，均值為0.35；江南茶區(qū)為0.17～0.60，均值為0.35。

表4 1998-2017年茶種植區(qū)各縣（市）災年茶葉平均減產(chǎn)率（R）及其變異系數(shù)（CV）Table 4 The average tea yield reduction(R) and its variation coefficient(CV) of each county in tea plantation district from 1981 to 2017

2.3 茶樹春霜凍害風險分析

按照表3，利用GIS 技術(shù)對各評價指標進行柵格運算，得到安徽省茶樹春霜凍害風險指數(shù)柵格圖層?；诓铇浯核獌龊︼L險指數(shù)，利用GIS 中自然斷點分級法將安徽省茶樹春霜凍害風險劃分為高風險區(qū)、中風險區(qū)和低風險區(qū)，如圖5 所示。

圖5 安徽省茶種植區(qū)霜凍害風險空間分布Fig.5 Spring frost risk distribution in tea plantation district in Anhui province

（1）春霜凍高風險區(qū)域：面積118×104hm2，約占評價區(qū)域面積的14.6%，主要分布在大別山茶區(qū)的金寨縣、霍山縣、岳西縣、潛山縣等和江南茶區(qū)南部海拔高度在600m 以上的高山區(qū)域。這些地區(qū)茶園面積較大，且海拔高，早春氣溫較低，致災因子危險性指數(shù)高。此外，高風險區(qū)還零星分布在江北茶區(qū)坡向敏感性高的迎風坡（北坡）地帶。

（2）春霜凍中風險區(qū)域：面積337×104hm2，約占評價區(qū)域面積的41.7%，主要分布在大別山茶區(qū)和江南茶區(qū)海拔高度低于600m 的山區(qū)，該區(qū)域致災因子危險性較高風險區(qū)低。此外中風險區(qū)還呈斑塊狀分布在江北茶區(qū)的丘陵和低山區(qū)。

（3）春霜凍低風險區(qū)域：面積353×104hm2，約占評價區(qū)域面積的43.7%，集中分布在蕪湖—宣城—銅陵—池州沿江一帶。該區(qū)域鄰近長江，因水體對小氣候的調(diào)節(jié)作用，茶園氣溫日較差小，日最低氣溫較高，致災因子危險性低。此外受海拔高度和地形影響，低風險區(qū)零星分布在江南茶區(qū)的低山區(qū)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

安徽省茶樹春霜凍害高風險、中風險和低風險區(qū)域面積分別占評價區(qū)域總面積的14.6%、41.7% 和43.7%。其中高風險區(qū)主要分布在大別山茶區(qū)的金寨縣、霍山縣、岳西縣、潛山縣等和江南茶區(qū)南部海拔600m 以上的高山區(qū)域，零星分布江北茶區(qū)迎風坡（北坡）地帶。中風險區(qū)多分布在大別山茶區(qū)和江南茶區(qū)海拔低于600m 的山區(qū)，呈斑塊狀分布在江北茶區(qū)的丘陵和低山區(qū)。低風險區(qū)集中分布在蕪湖—宣城—銅陵—池州沿江一帶，零星分布在江南茶區(qū)的低山區(qū)。

3.2 討論

本研究霜凍害風險區(qū)劃結(jié)果與金志鳳等[22]對江南地區(qū)霜凍害進行區(qū)劃的結(jié)果有很多吻合之處，但也存在部分差異。主要原因，一是插值方法不同，金志鳳等采用了克里金方法進行空間插值，本研究通過優(yōu)化ANUSPLIN 方法中的關(guān)鍵參數(shù)，建立了以經(jīng)緯度為自變量、海拔高度為協(xié)變量的氣象要素小網(wǎng)格推算模型，實現(xiàn)了精細化的茶樹春霜凍災害風險評估。二是選取的區(qū)劃因子不同，金志鳳等在考慮承災體脆弱性時，選取了茶樹種植面積和地均茶葉產(chǎn)值作為區(qū)劃因子，本研究綜合考慮茶葉產(chǎn)量災損，最終選取了災年減產(chǎn)率變異系數(shù)和茶園面積作為區(qū)劃因子。

基于安徽省茶樹春霜凍害風險評估結(jié)果，逐縣（市）統(tǒng)計中高風險區(qū)域面積占各縣（市）面積的比例，對比安徽省茶樹種植面積超過2000hm2的縣（市）分布發(fā)現(xiàn)，金寨、潛山、霍山、岳西、黃山、績溪、歙縣、休寧、六安、涇縣、寧國、舒城、石臺、黟縣等縣（市）中高風險區(qū)域面積比例較大（≥60%），該區(qū)域是安徽省名優(yōu)茶的主產(chǎn)區(qū)，茶葉產(chǎn)量大，經(jīng)濟產(chǎn)值高，為發(fā)揮區(qū)域比較優(yōu)勢，促進農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收，后續(xù)防災減災工作開展需關(guān)注：（1）對新建茶園，首先是選用抗寒良種；其次，園地應(yīng)設(shè)在朝南、背風、向陽的半山坡地段。（2）對于現(xiàn)有茶園，需加強茶樹春霜凍害災害監(jiān)測預警，強化防霜配套措施，提升對茶樹霜凍害的防御能力。肥西、池州、青陽、南陵、郎溪、桐城、太湖、東至等縣（市），中高風險區(qū)域面積比例較?。ǎ?0%），可根據(jù)當?shù)貧夂驐l件、土壤特性合理科學開展茶樹的優(yōu)勢區(qū)域布局。

由于茶樹氣象觀測資料精細化程度不足、資料年限較短，部分區(qū)劃結(jié)果仍然存在風險等級與實際不一致的現(xiàn)象。隨著茶樹氣象觀測的進一步規(guī)范化，茶樹氣象災害風險評估體系的科學性及完整性有望進一步提升，有利于更為客觀地揭示茶樹霜凍害風險的特征本質(zhì)。