高紅霞,張曉磊,吳淑梅,陳素華,李倩文
(1.內(nèi)蒙古興安盟氣象局,內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400;2.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)
內(nèi)蒙古是我國馬鈴薯種薯和商品薯的重要生產(chǎn)基地之一[1],全區(qū)馬鈴薯種植面積穩(wěn)定在55萬hm2左右。馬鈴薯也是內(nèi)蒙古重要的高產(chǎn)糧菜兼優(yōu)勢作物,在全區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。內(nèi)蒙古具有海拔高、日照充足、晝夜溫差大、氣候冷涼等特點,可以滿足馬鈴薯喜涼特性和對積溫的要求,有利于其淀粉積累[2]。內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)在中部及呼倫貝爾市,80%以上的馬鈴薯種植在旱作農(nóng)業(yè)區(qū),其生產(chǎn)高度依賴于氣候條件,光、溫、水、風(fēng)等氣象要素,這些要素不僅是馬鈴薯生產(chǎn)過程中的物質(zhì)資源和能量來源,同時也構(gòu)成其生存環(huán)境[3]。氣象災(zāi)害的發(fā)生輕重在很大程度上決定了馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)優(yōu)劣和成本高低。近些年,氣候變暖導(dǎo)致極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生,內(nèi)蒙古災(zāi)害性極端天氣呈增多增強(qiáng)的趨勢,其中干旱災(zāi)害發(fā)生頻率高、范圍廣、持續(xù)時間長,是內(nèi)蒙古最主要的氣象災(zāi)害[4]。因此,加強(qiáng)馬鈴薯干旱災(zāi)害風(fēng)險評估研究,對提高農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)能力,增強(qiáng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。
近年來,國內(nèi)學(xué)者針對作物干旱災(zāi)害風(fēng)險評估開展了許多研究,例如:張澤中[5]、薛昌穎[6]、吳雙[7]、田宏偉[8]、王有恒[9]等針對不同地區(qū)的玉米開展了干旱災(zāi)害風(fēng)險評估研究;賈建英[10]、齊月[11]、張菡[12]、張蕾[13]等分別對甘肅、四川以及中國北方的小麥進(jìn)行了干旱災(zāi)害風(fēng)險研究;金林雪[14]、李聰[15]等分別對內(nèi)蒙古和河南的大豆干旱災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行了分析及區(qū)劃;李家文等[16]對廣西柳州的甘蔗進(jìn)行了干旱風(fēng)險研究。以上研究為農(nóng)作物干旱災(zāi)害風(fēng)險評估研究提供了很多寶貴的經(jīng)驗,但同樣的災(zāi)害在不同地區(qū),對不同作物的影響都不盡相同,同時以往的研究對馬鈴薯受旱風(fēng)險的分析較少。因此,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,以內(nèi)蒙古馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)烏蘭察布市、呼和浩特市及包頭市作為研究區(qū)域,基于自然災(zāi)害風(fēng)險理論,從馬鈴薯干旱災(zāi)害的危險性、暴露性、脆弱性以及防災(zāi)減災(zāi)能力4個方面出發(fā),構(gòu)建了內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害風(fēng)險評估模型,并進(jìn)行了風(fēng)險區(qū)劃,以期為當(dāng)?shù)販p輕馬鈴薯受災(zāi)風(fēng)險、因地制宜地制定防災(zāi)減災(zāi)措施等提供參考依據(jù)。
本文所用氣象資料來源于內(nèi)蒙古中部烏蘭察布、呼和浩特、包頭3個市共19個旗縣的國家級氣象站,主要包括1983~2018年生長季的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、降水量、風(fēng)速和水汽壓等資料。研究區(qū)域馬鈴薯產(chǎn)量數(shù)據(jù)、馬鈴薯種植面積、耕地面積等數(shù)據(jù)來源于1994~2018年的《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》。內(nèi)蒙古中部行政邊界圖來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局;中部農(nóng)區(qū)邊界圖、灌溉地占比來源于內(nèi)蒙古第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)。研究區(qū)域見圖1。
根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)3個農(nóng)業(yè)氣象觀測站(武川縣、固陽縣和察右中旗)歷年對馬鈴薯生長期的觀測數(shù)據(jù),本文把馬鈴薯的生育期劃分為5個階段,即播種~出苗期、出苗~分枝期、分枝~花序期、花序~開花期、開花~可收期。
圖1 研究區(qū)域站點的空間分布
1.2.1 馬鈴薯氣象產(chǎn)量的提取 一般來說,農(nóng)作物產(chǎn)量可分為3個部分,即趨勢產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機(jī)“噪聲”[17]。隨機(jī)“噪聲”主要是指由地震、社會變革等隨機(jī)因子影響的那部分產(chǎn)量,基本上無規(guī)律可循,故不計入方程中。因此,作物的產(chǎn)量構(gòu)成可表示為:
式(1)中Y為實際單產(chǎn),Yt為趨勢產(chǎn)量,Yw為氣象產(chǎn)量。
本研究采用直線滑動平均的方法對趨勢產(chǎn)量進(jìn)行模擬。相對氣象產(chǎn)量可表示為(Yw/Yt)×100%,其值為負(fù)的年份即為減產(chǎn)年。
1.2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法 為了消除各指標(biāo)量綱不同的影響,需對原始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文采用Min-Max方法,對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,標(biāo)準(zhǔn)化值I'i的計算公式如下:
式(2)~式(3)中,Ii為原始數(shù)據(jù),Imax和Imin分別為數(shù)據(jù)序列中的最大值和最小值。對危險性指標(biāo)、暴露性指標(biāo)和脆弱性指標(biāo)采用式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,對防災(zāi)減災(zāi)能力指標(biāo)采用式(3)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。
1.2.3 層次分析法 層次分析法采用層次化的指標(biāo)表示邏輯關(guān)系,通過矩陣計算專家評分,最終達(dá)到指標(biāo)綜合的目的,是一種定性與定量相結(jié)合的方法[18]。其使用一般分為5個步驟:(1)建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型;(2)構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣;(3)層次單排序及一致性檢驗;(4)層次總排序及一致性檢驗;(5)計算出判斷矩陣的最大特征值,其對應(yīng)的特征向量即為各因子的權(quán)重。本文采用該方法確定馬鈴薯各生育期的權(quán)重,以及馬鈴薯干旱災(zāi)害4個因子的權(quán)重,兩者均為一階模型,各需構(gòu)建1個判斷矩陣。
1.2.4 加權(quán)綜合評分法 加權(quán)綜合評分法是一種傳統(tǒng)的多指標(biāo)綜合評價法[19],其具體計算公式如式(4)所示。本文采用該方法構(gòu)建馬鈴薯全生育期干旱災(zāi)害危險性指數(shù)模型及全生育期干旱災(zāi)害風(fēng)險模型。
式(4)中,Wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重值;Xi*為第i個指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。
根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險形成機(jī)制[20],本文主要從干旱災(zāi)害的危險性、承災(zāi)體的暴露性、承災(zāi)體的脆弱性以及防災(zāi)減災(zāi)能力4個方面,并綜合考慮指標(biāo)的科學(xué)性、可操作性以及資料獲取難易程度,確定內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)。
氣象災(zāi)害危險性是指造成氣象災(zāi)害的自然變異程度,主要是由災(zāi)變活動規(guī)模(強(qiáng)度)和活動頻次(概率)決定的[20]。內(nèi)蒙古中部作物生長季為4~9月,是一年中降水較為集中的時段,降水的持續(xù)偏少是導(dǎo)致干旱災(zāi)害發(fā)生的主要原因,同時該時段作物蒸騰對土壤水分的負(fù)向作用也較為明顯。因此本文選擇作物水分虧缺距平指數(shù)表征馬鈴薯干旱災(zāi)害危險性的強(qiáng)度。
2.1.1 作物水分虧缺距平指數(shù) 作物水分虧缺指數(shù)可以反映出作物水分需求與外界水分供給之間的差值,是表征作物水分虧缺程度的指標(biāo)之一。但該指數(shù)在不同季節(jié)、不同氣候區(qū)域差別較大,因此,本文采用歸一化的作物水分虧缺指數(shù)與其平均值之差,即作物水分虧缺距平指數(shù)[21],以消除季節(jié)和區(qū)域的差異。某時段作物水分虧缺距平指數(shù)(CWDIa)的計算公式如下:
式(5)中:CWDIa為某時段作物水分虧缺距平指數(shù);CWDI為該時段作物水分虧缺指數(shù),計算方法如式(6);為同期作物水分虧缺指數(shù)的平均值(取30年)。
式(6)中,CWDI為該時段作物水分虧缺指數(shù),P為該時段的降水量,ETc為對應(yīng)時段的作物蒸散量。
基于作物水分虧缺距平指數(shù)(CWDIa)的干旱等級如表1所示。
表1 基于作物水分虧缺距平指數(shù)的干旱等級 %
本文以馬鈴薯的生育期為計算時段,進(jìn)行作物水分虧缺距平指數(shù)的計算。計算ETc時所用的馬鈴薯作物系數(shù)Kc參考了王彥平等的研究成果[22],具體如表2所示。最終的計算結(jié)果顯示,研究區(qū)域各站點歷年馬鈴薯在關(guān)鍵生長期(開花~可收期)的作物水分虧缺距平指數(shù)與相應(yīng)年份馬鈴薯氣象產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為-0.343,通過了0.05水平的顯著性檢驗,表明該指標(biāo)能夠較好地反映出內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害的危險程度。
表2 馬鈴薯在不同生育期的作物系數(shù)Kc %
2.1.2 危險性指數(shù) 依據(jù)災(zāi)害風(fēng)險評估原理,干旱災(zāi)害危險性是由干旱災(zāi)害的強(qiáng)度及其出現(xiàn)頻率共同決定的。為此,本文計算出各旗縣馬鈴薯各生育期不同等級干旱出現(xiàn)的頻率,以及各等級干旱強(qiáng)度的中值,并利用式(7)計算各旗縣相應(yīng)生育期的干旱災(zāi)害危險性指數(shù)。最后,利用層次分析法確定各生育期的權(quán)重,并采用加權(quán)綜合評分法,計算全生育期的干旱災(zāi)害危險性指數(shù),具體如式(8):
式(7)中:DRj為第j個生育期的干旱災(zāi)害危險性指數(shù);Fi為該生育期第i個等級干旱出現(xiàn)的頻數(shù);DSi為第i個等級干旱強(qiáng)度的中值;n為總年數(shù),本文中為36。式(8)中:D為馬鈴薯全生育期(播種至可收)的干旱災(zāi)害危險性指數(shù);Dj為第j個生育期的干旱災(zāi)害危險性指數(shù)的歸一化值;Wj為相應(yīng)生育期的權(quán)重,具體計算值如表3。
表3 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯各生育期的權(quán)重系數(shù)
基于上述危險性指數(shù)模型的計算結(jié)果,采用GIS技術(shù)繪制內(nèi)蒙古中部農(nóng)區(qū)馬鈴薯干旱災(zāi)害危險性的空間分布圖(圖2),并采用自然斷點法對干旱災(zāi)害危險性指數(shù)進(jìn)行分級(表4)。由圖2可知:內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害危險性指數(shù)的高值區(qū)域和次高值區(qū)域主要分布在烏蘭察布地區(qū);中危險性地區(qū)主要分布在呼和浩特市中部、北部以及包頭市北部;其余為低危險性地區(qū)。
表4 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱風(fēng)險各指數(shù)的分級
圖2 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害危險性的空間分布
2.2.1 暴露性指標(biāo) 承災(zāi)體的暴露性是指可能受到氣象危險因子威脅的所有人和財產(chǎn)安全[20]。對于馬鈴薯干旱災(zāi)害而言,就是承災(zāi)體馬鈴薯可能受到的干旱威脅的程度。研究區(qū)域馬鈴薯種植面積占比越大,該區(qū)域暴露于災(zāi)害風(fēng)險中的馬鈴薯越多,遭受潛在損失的可能性就越大。因此,本文選用研究區(qū)域各旗縣馬鈴薯種植面積占全部耕地面積的比例作為馬鈴薯干旱災(zāi)害的暴露度評價指標(biāo)(E),其計算公式如下:
式(9)中:si為某旗縣第i年馬鈴薯種植面積;Si為當(dāng)年該地區(qū)總耕地面積。受可獲取資料的限制,本文僅考慮了研究區(qū)域1994~2018年的馬鈴薯種植數(shù)據(jù),即n=25。
2.2.2 暴露性指數(shù) 暴露性指數(shù)為暴露性指標(biāo)的歸一化值。基于暴露性指數(shù)的計算結(jié)果,繪制了內(nèi)蒙古中部農(nóng)區(qū)馬鈴薯干旱災(zāi)害暴露性的空間分布圖(圖3)。由圖3可知:內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害暴露性指數(shù)的高值區(qū)域和次高值區(qū)域主要分布在烏蘭察布地區(qū)以及呼和浩特市武川縣;低暴露性地區(qū)主要分布在呼和浩特市土默特左旗和托克托縣;其余為中暴露性地區(qū)。
2.3.1 脆弱性指標(biāo) 脆弱性指承災(zāi)體遭受到特定災(zāi)害影響的損失程度,主要反映承災(zāi)體對災(zāi)害的敏感性。干旱是影響內(nèi)蒙古馬鈴薯產(chǎn)量的主要氣象災(zāi)害,本文以研究區(qū)域各旗縣馬鈴薯災(zāi)損量占馬鈴薯總產(chǎn)量的比例作為干旱災(zāi)害脆弱性的評價指標(biāo)。災(zāi)損量的計算方法參考了鄭景云等[23]的研究成果,具體計算如下式:
式(10)中:Yd為因自然災(zāi)害引起的馬鈴薯損失量,即馬鈴薯災(zāi)損量;ep為馬鈴薯產(chǎn)量隨時間變化的自然增長力;yt、yt-1分別為當(dāng)年和前一年馬鈴薯單產(chǎn);St、St-1分別為當(dāng)年和前一年的馬鈴薯的播種面積;Yt、Yt-1分別為當(dāng)年和前一年馬鈴薯的總產(chǎn)量。
2.3.2 脆弱性指數(shù) 脆弱性指數(shù)為災(zāi)損量占比的歸一化值。基于脆弱性指數(shù)的計算結(jié)果,繪制了內(nèi)蒙古中部農(nóng)區(qū)馬鈴薯干旱災(zāi)害脆弱性的空間分布圖(圖4)。由圖4可知:內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害脆弱性指數(shù)的高值區(qū)域和次高值區(qū)域主要分布在烏蘭察布市東部、呼和浩特市中西部以及包頭市大部農(nóng)區(qū);中脆弱性地區(qū)主要分布在烏蘭察布北部和南部;其余為低脆弱性地區(qū)。
圖3 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害暴露性的空間分布
圖4 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害脆弱性的空間分布
2.4.1 防災(zāi)減災(zāi)能力指標(biāo) 防災(zāi)減災(zāi)能力是指馬鈴薯受到干旱災(zāi)害影響后恢復(fù)的程度。本文采用各旗縣的灌溉地面積占比表征其防災(zāi)減災(zāi)能力。灌溉地面積占比越大,表示該地的防災(zāi)減災(zāi)能力越強(qiáng)。防災(zāi)減災(zāi)能力的計算公式如下:
式(11)中:wi為某旗縣的灌溉地面積;Si為該地區(qū)的總耕地面積。
2.4.2 防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù) 防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)為灌溉地占比的歸一化值。基于防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)的計算結(jié)果,繪制了內(nèi)蒙古中部農(nóng)區(qū)馬鈴薯干旱災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)能力的空間分布圖(圖5)。由圖5可以看出:內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害防御能力較高的區(qū)域主要分布在呼和浩特市土默特左旗、托克托縣以及包頭市土默特右旗;其余地區(qū)的干旱災(zāi)害防御能力較低。
圖5 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)能力的空間分布
采用層次分析法分別確定了馬鈴薯干旱災(zāi)害危險性、暴露性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力的權(quán)重,并采用加權(quán)綜合評分法建立了馬鈴薯全生育期干旱災(zāi)害風(fēng)險評價模型:
式(12)中,DRA為全生育期干旱災(zāi)害風(fēng)險指數(shù);Wj為干旱災(zāi)害危險性、暴露性、脆弱性及防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)的權(quán)重,其具體計算值如表5所示;Fj*為對應(yīng)指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值。
基于馬鈴薯全生育期干旱災(zāi)害風(fēng)險評價模型,在GIS中采用反距離加權(quán)插值法繪制了內(nèi)蒙古中部農(nóng)區(qū)馬鈴薯干旱災(zāi)害風(fēng)險的綜合區(qū)劃圖(圖6),并按照自然斷點法劃分為4個等級(表6)。
表5 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害風(fēng)險四要素的權(quán)重系數(shù)
表6 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害風(fēng)險的區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)
圖6 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害風(fēng)險的區(qū)劃
3.3.1 高風(fēng)險區(qū) 干旱災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)大于0.62的區(qū)域為高風(fēng)險區(qū),主要分布在烏蘭察布市東部、興和縣以及豐鎮(zhèn)。該區(qū)生長季平均降水量約300 mm,大部分年份的降水量均不能滿足馬鈴薯的需水要求;降水量偏低及降水時空變率大是該區(qū)馬鈴薯受旱的主要原因。同時該區(qū)也是馬鈴薯種植較為集中的地區(qū),暴露度高,且防災(zāi)能力較低。綜合各項指標(biāo),該區(qū)為內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱風(fēng)險最大的地區(qū)。
3.3.2 次高風(fēng)險區(qū) 干旱災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)在(0.55,0.62]的區(qū)域為次高風(fēng)險區(qū),主要分布在烏蘭察布市四子王旗、察右中旗、卓資縣、涼城縣、呼和浩特市中部及和林格爾縣。該區(qū)生長季平均降水量約320 mm,生長季降水量在350~400 mm之間的年份約占39%;該區(qū)域固有的氣候特征是造成馬鈴薯干旱災(zāi)害的主要原因,干旱致險度較高,同時暴露度也較高,但該區(qū)域的脆弱性低于高風(fēng)險區(qū)。綜合各項指標(biāo),該區(qū)為馬鈴薯干旱風(fēng)險次高的地區(qū)。3.3.3 中風(fēng)險區(qū) 干旱災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)在(0.46,0.55]的區(qū)域為中風(fēng)險區(qū),主要分布在呼和浩特市清水河縣、包頭市北部以及烏蘭察布市集寧區(qū)。該區(qū)生長季平均降水量約335 mm,生長季降水量在350~400 mm之間的年份約占50%,降水量仍不能完全滿足馬鈴薯的需水要求,但降水量明顯多于高風(fēng)險區(qū)和較高風(fēng)險區(qū),干旱致險度降低,同時該區(qū)域的脆弱性較低。綜合各項指標(biāo),該區(qū)為中等干旱風(fēng)險地區(qū)。
3.3.4 低風(fēng)險區(qū) 干旱災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)小于0.46的區(qū)域為低風(fēng)險區(qū),主要分布在呼和浩特市土默特左旗、托克托縣以及包頭市土默特右旗。該區(qū)馬鈴薯種植面積較少,干旱災(zāi)害暴露度明顯減少,同時防災(zāi)能力高。綜合各項指標(biāo),該區(qū)屬于馬鈴薯干旱災(zāi)害風(fēng)險較低地區(qū)。
本研究結(jié)果表明:內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害的高風(fēng)險區(qū)主要分布在烏蘭察布市東部、興和縣以及豐鎮(zhèn);次高風(fēng)險區(qū)主要分布在烏蘭察布市四子王旗、察右中旗、卓資縣、涼城縣、呼和浩特市中部及和林格爾縣;中風(fēng)險區(qū)主要分布在呼和浩特市清水河縣、包頭市北部以及烏蘭察布市集寧區(qū);低風(fēng)險區(qū)主要分布在呼和浩特市土默特左旗、托克托縣以及包頭市土默特右旗。
本文主要研究了內(nèi)蒙古中部馬鈴薯干旱災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險。在災(zāi)害危險性指標(biāo)選取方面,選用了作物水分虧缺距平指數(shù)這一綜合指標(biāo),該指標(biāo)能夠反映馬鈴薯在不同生育期的水分盈虧程度,較單一的降水指標(biāo)更為適用。對承災(zāi)體的暴露性、脆弱性以及防災(zāi)減災(zāi)能力方面指標(biāo)的構(gòu)建,主要基于馬鈴薯農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料,盡管農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料能最直接地反映內(nèi)蒙古中部不同地區(qū)馬鈴薯的生產(chǎn)情況,但是指標(biāo)相對單一。在未來的研究中,將綜合考慮社會、經(jīng)濟(jì)因素,進(jìn)一步完善馬鈴薯干旱災(zāi)害風(fēng)險評估模型。同時,本文主要采用層次分析法確定權(quán)重,這在一定程度上避免了主觀賦權(quán)的隨意性,但是否可以采用其他更為合理的賦權(quán)方法仍需進(jìn)一步研究。