高紅霞，張曉磊，祁 蕾，陳素華

（1.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，呼和浩特 010051）

內(nèi)蒙古中部是內(nèi)蒙古馬鈴薯主要生產(chǎn)區(qū)，馬鈴薯種植面積約33萬(wàn)hm2，占全區(qū)馬鈴薯種植面積的60%以上。同時(shí)該地區(qū)也是氣象災(zāi)害發(fā)生較多的地區(qū)，其中霜凍是對(duì)該地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)影響較大的氣象災(zāi)害之一。特別是在成熟期，馬鈴薯正處于淀粉積累的關(guān)鍵期，此時(shí)出現(xiàn)霜凍，將對(duì)其產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生直接影響。因此，開(kāi)展內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究，對(duì)當(dāng)?shù)匾虻刂埔酥贫ǚ罏?zāi)減災(zāi)措施、減少馬鈴薯受災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)、不同作物的霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。王晾晾等［1］依據(jù)災(zāi)害系統(tǒng)理論，對(duì)東北地區(qū)水稻霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。沈鴻等［2］結(jié)合冬小麥物候期及其霜凍指標(biāo)，評(píng)估了黃淮地區(qū)冬小麥霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。許彥平等［3］對(duì)天水蜜桃坐果期霜凍災(zāi)害進(jìn)行了綜合評(píng)估。朱紅蕊等［4］基于GIS技術(shù)，對(duì)黑龍江省水稻初霜凍災(zāi)害的危險(xiǎn)性和脆弱性進(jìn)行了分析。李紅英等［5］對(duì)寧夏晚霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。鄭馳等［6］采用GIS技術(shù)對(duì)玉米霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了區(qū)劃。袁佰順等［7］構(gòu)建了天水蘋果坐果期霜凍害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并對(duì)天水蘋果霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了區(qū)劃。嚴(yán)應(yīng)存等［8］構(gòu)建了青海省霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)危險(xiǎn)性、暴露性和災(zāi)損敏感性指數(shù)，開(kāi)展了青海省霜凍災(zāi)害變化特征及區(qū)劃研究。劉瑞娜等［9］對(duì)安徽省茶區(qū)各縣霜凍發(fā)生規(guī)律及分布特征進(jìn)行了分析。祁貴明等［10］基于氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，對(duì)柴達(dá)木盆地枸杞霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估和區(qū)劃。但對(duì)馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的研究較為少見(jiàn)，因此，本研究結(jié)合內(nèi)蒙古中部馬鈴薯生產(chǎn)實(shí)際，綜合考慮致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體的暴露性、脆弱性以及防災(zāi)減災(zāi)能力4個(gè)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素，對(duì)內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了區(qū)劃和分析。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

本研究所用日最低氣溫資料來(lái)源于內(nèi)蒙古中部烏蘭察布市、呼和浩特市、包頭市共19個(gè)旗縣的國(guó)家級(jí)氣象站（圖1），資料序列為1983—2018年；馬鈴薯生育期資料來(lái)源于武川縣、固陽(yáng)縣和察右中旗3個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站，資料序列為1983—2018年；研究區(qū)域耕地面積、馬鈴薯種植面積、馬鈴薯產(chǎn)量等數(shù)據(jù)來(lái)源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》，資料序列為1994—2018年；內(nèi)蒙古中部行政邊界圖來(lái)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局；中部農(nóng)區(qū)邊界圖來(lái)源于內(nèi)蒙古第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)域氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

1.2.1 減產(chǎn)率計(jì)算方法 一般情況下，作物的產(chǎn)量構(gòu)成可表示為［11］：

式中，Y為實(shí)際單產(chǎn)，Yt為趨勢(shì)產(chǎn)量，Yw為氣象產(chǎn)量，本研究中采用直線滑動(dòng)平均的方法對(duì)趨勢(shì)產(chǎn)量進(jìn)行模擬。則減產(chǎn)率可表示為：

1.2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法 由于各指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱不同，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)各指標(biāo)原數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即：

式中，Ii、Imin和Imax分別為原數(shù)據(jù)、原數(shù)據(jù)序列中的最小值和最大值。

1.2.3 層次分析法 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中各因子的影響大小不同，常常要確定各因子的權(quán)重系數(shù)。目前較為常用的確定權(quán)重的方法有專家打分法、層次分析法及熵權(quán)法等。其中層次分析法是一種將定性賦權(quán)問(wèn)題定量化的多準(zhǔn)則決策方法，是一種定性與定量相結(jié)合的方法。該方法采用層次化的指標(biāo)表示邏輯關(guān)系，通過(guò)矩陣計(jì)算專家評(píng)分，最終達(dá)到指標(biāo)綜合的目的［12］。本研究采用層次分析法確定霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)4因子的權(quán)重。

1.2.4 加權(quán)綜合評(píng)分法 采用加權(quán)綜合評(píng)分法［13］得出研究區(qū)域馬鈴薯霜凍災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)值ICA，其計(jì)算方法如下：

1.3 霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)

1.3.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指標(biāo) 根據(jù)內(nèi)蒙古中部19個(gè)地面氣象觀測(cè)站日最低氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)和3個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站馬鈴薯生育期觀測(cè)資料，分析得出內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害主要發(fā)生在后期成熟階段，即9月1—20日。本研究參考?xì)庀笮袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QX/T 88—2008作物霜凍害等級(jí)》［14］，并結(jié)合內(nèi)蒙中部實(shí)際情況，確定了內(nèi)蒙古中部馬鈴薯成熟期霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性指標(biāo)（表1）。

表1 馬鈴薯成熟期霜凍災(zāi)害指標(biāo)

1.3.2 暴露性指標(biāo) 依據(jù)承災(zāi)體暴露性的定義［15］，馬鈴薯霜凍災(zāi)害就是承災(zāi)體馬鈴薯可能受到霜凍威脅的程度，因此本研究采用各旗縣馬鈴薯耕地面積占全部耕地面積的比例，作為霜凍災(zāi)害的暴露性評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)越大，表明該地區(qū)馬鈴薯霜凍災(zāi)害暴露性越大。計(jì)算公式如下：

式中，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；n為總年數(shù)，本研究中為25。

1.3.3 脆弱性指標(biāo) 孕災(zāi)環(huán)境脆弱性主要反映承災(zāi)體對(duì)災(zāi)害的敏感性［15］。本研究選用研究區(qū)域各旗縣霜凍災(zāi)害年份馬鈴薯平均減產(chǎn)率作為馬鈴薯霜凍災(zāi)害脆弱性指標(biāo)。該指標(biāo)越大，表明該地區(qū)馬鈴薯霜凍災(zāi)害脆弱性越大，馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)就越大。馬鈴薯減產(chǎn)率計(jì)算方法如式（2）。

1.3.4 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災(zāi)害影響后恢復(fù)的程度［15］。本研究采用各旗縣馬鈴薯減產(chǎn)率變異系數(shù)作為表征其防災(zāi)減災(zāi)能力強(qiáng)弱的指標(biāo)。減產(chǎn)率變異系數(shù)越小，表示該地馬鈴薯產(chǎn)量越穩(wěn)定，防災(zāi)減災(zāi)能力越強(qiáng)；反之，減產(chǎn)率變異系數(shù)越大，表示防災(zāi)減災(zāi)能力越弱。減產(chǎn)率變異系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，v為馬鈴薯減產(chǎn)率變異系數(shù)，xi為歷年減產(chǎn)率序列，xd為平均減產(chǎn)率，n為對(duì)應(yīng)的減產(chǎn)年序號(hào)。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因子分析

2.1.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析 按照內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)各旗縣馬鈴薯成熟期霜凍出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度，構(gòu)建馬鈴薯霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)R為某地霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)；Fi為該地第i個(gè)等級(jí)霜凍出現(xiàn)的頻數(shù)；FSi為第i個(gè)等級(jí)霜凍強(qiáng)度的中值；n為總年數(shù)，本研究中為36。

基于上述危險(xiǎn)性指數(shù)模型，采用GIS技術(shù)，繪制內(nèi)蒙古中部農(nóng)區(qū)馬鈴薯霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性空間分布圖（圖2），并采用自然斷點(diǎn)法對(duì)危險(xiǎn)性指數(shù)分級(jí)（表1）。由圖2可知，內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)高值區(qū)域和次高值區(qū)域主要分布在烏蘭察布市北部，呼和浩特市武川縣以及包頭市達(dá)茂旗；中危險(xiǎn)性地區(qū)主要分布在烏蘭察布市南部和包頭市固陽(yáng)縣；其余為低危險(xiǎn)性地區(qū)。

圖2 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性分布

表1 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)各指數(shù)分級(jí)

2.1.2 承災(zāi)體暴露性分析 基于暴露性指數(shù)（暴露性指標(biāo)的歸一化值）計(jì)算結(jié)果，繪制內(nèi)蒙古中部農(nóng)區(qū)馬鈴薯霜凍災(zāi)害暴露性空間分布圖（圖3）。由圖3可知，內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害暴露性指數(shù)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，其余為中暴露性地區(qū)。

圖3 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害暴露性分布

2.1.3 承災(zāi)體脆弱性分析 基于脆弱性指數(shù)（馬鈴薯霜凍年份平均減產(chǎn)率的歸一化值）計(jì)算結(jié)果，繪制內(nèi)蒙古中部農(nóng)區(qū)馬鈴薯霜凍災(zāi)害脆弱性空間分布圖（圖4）。由圖4可知，內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害脆弱性指數(shù)高值區(qū)域和次高值區(qū)域主要分布在烏蘭察布市北部、卓資縣、興和縣、涼城縣，呼和浩特市武川縣、和林格爾縣，包頭市固陽(yáng)縣；低脆弱性地區(qū)主要分布在烏蘭察布市察右前旗，呼和浩特市中部及清水河縣；其余地區(qū)為中脆弱性地區(qū)。

圖4 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害脆弱性分布

2.1.4 防災(zāi)減災(zāi)能力分析 基于防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)（馬鈴薯減產(chǎn)率變異系數(shù)的歸一化值）計(jì)算結(jié)果，繪制內(nèi)蒙古中部農(nóng)區(qū)馬鈴薯災(zāi)害防御能力空間分布圖（圖5）。由圖5可知，內(nèi)蒙古中部馬鈴薯災(zāi)害防御能力較低的地區(qū)主要分布在烏蘭察布市察右中旗、呼和浩特市武川縣；防御能力較高地區(qū)主要分布在烏蘭察布市化德縣、商都縣、興和縣、卓資縣、涼城縣、察右前旗，呼和浩特市土默特左旗和林格爾縣以及包頭市南部和土默特右旗。其余地區(qū)為防災(zāi)減災(zāi)能力中等地區(qū)。

圖5 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯災(zāi)害防御能力分布

2.2 馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合分析

2.2.1 馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型 采用層次分析法確定馬鈴薯霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力的權(quán)重，并建立馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型：

式中，F(xiàn)RA為馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；ωj為災(zāi)害危險(xiǎn)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(jì)算值如表2；Fj*為對(duì)應(yīng)指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

表2 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)4要素權(quán)重系數(shù)

2.2.2 馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃 基于馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，在GIS中采用反距離權(quán)重插值法，得到內(nèi)蒙古中部農(nóng)區(qū)馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃結(jié)果（圖6），并按照自然斷點(diǎn)法將其劃分為4個(gè)等級(jí)（表3）。

圖6 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布

表3 內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)

2.2.3 分區(qū)描述

1）高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。霜凍風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大于0.55的區(qū)域?yàn)楦唢L(fēng)險(xiǎn)區(qū)，主要分布在烏蘭察布市察右中旗和呼和浩特市武川縣。該區(qū)9月1—20日平均氣溫11.4～12.8℃，馬鈴薯該階段的最適氣溫為16～18℃，該區(qū)各站點(diǎn)平均氣溫較最適氣溫低。同時(shí)，該時(shí)段出現(xiàn)日最低氣溫小于-0.5℃的年份占40%以上，出現(xiàn)霜凍的幾率高，導(dǎo)致馬鈴薯霜凍致災(zāi)危險(xiǎn)性高，是該區(qū)馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大的主要原因。同時(shí)該區(qū)也是馬鈴薯種植面積較大地區(qū)，暴露度高，且防災(zāi)能力較低，綜合各項(xiàng)指標(biāo)，該區(qū)為內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)最大的地區(qū)。

2）次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。該區(qū)霜凍風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.40～0.55，主要分布在烏蘭察布市四子王旗、商都縣、卓資縣、化德縣以及包頭市達(dá)茂旗。該區(qū)內(nèi)9月1—20日平均氣溫12.7～14.8℃，仍低于該時(shí)段馬鈴薯生長(zhǎng)的最適氣溫。該時(shí)段出現(xiàn)日最低氣溫小于-0.5℃的年份占14%～36%，霜凍致險(xiǎn)危險(xiǎn)性較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有所下降，但該區(qū)域馬鈴薯暴露性、脆弱性仍較高，同時(shí)防災(zāi)能力偏低，綜合各項(xiàng)指標(biāo)，該區(qū)為馬鈴薯霜凍災(zāi)害次高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。

3）中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。該區(qū)霜凍風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.28～0.40，主要分布在烏蘭察布市東南部地區(qū)，呼和浩特市中部以及包頭市固陽(yáng)縣。該區(qū)內(nèi)9月1—20日平均氣溫13.4～16.6℃，部分地區(qū)已達(dá)到馬鈴薯生長(zhǎng)的最適氣溫。該時(shí)段出現(xiàn)日最低氣溫小于-0.5℃的年份占比小于10%，霜凍災(zāi)害致險(xiǎn)度減少，同時(shí)該區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力較高，但馬鈴薯暴露性、脆弱性略高，綜合各項(xiàng)指標(biāo)，該區(qū)為中等霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)。

4）低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。霜凍風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小于0.28的區(qū)域?yàn)榈惋L(fēng)險(xiǎn)區(qū)，主要分布在烏蘭察布市涼城縣，呼和浩特市土默特左旗、托克托縣、和林格爾縣、清水河縣，包頭市南部及土默特右旗。該區(qū)內(nèi)9月1—20日平均氣溫15.8～16.9℃，大部地區(qū)均達(dá)到馬鈴薯生長(zhǎng)的最適氣溫。該時(shí)段出現(xiàn)日最低氣溫小于-0.5℃的年份占比小于5%，霜凍災(zāi)害危險(xiǎn)性低，同時(shí)防災(zāi)能力高，綜合各項(xiàng)指標(biāo)，該區(qū)屬于馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較低地區(qū)。

3 小結(jié)與討論

本研究利用內(nèi)蒙古中部馬鈴薯成熟期日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)、馬鈴薯生育期觀測(cè)資料、馬鈴薯種植面積、馬鈴薯產(chǎn)量等資料，從霜凍災(zāi)害的危險(xiǎn)性、承災(zāi)體暴露性、脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力4個(gè)要素出發(fā)，建立了內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系；采用層次分析法、加權(quán)綜合評(píng)分法構(gòu)建了馬鈴薯霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；最后，采用GIS技術(shù)，繪制了內(nèi)蒙古中部馬鈴薯霜凍災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分布圖。結(jié)果表明，馬鈴薯成熟期霜凍災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在烏蘭察布市察右中旗和呼和浩特市武川縣；次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在烏蘭察布市四子王旗、商都縣、卓資縣、化德縣，以及包頭市達(dá)茂旗；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在烏蘭察布市東南部地區(qū)，呼和浩特市中部以及包頭市固陽(yáng)縣；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在烏蘭察布市涼城縣，呼和浩特市土默特左旗、托克托縣、和林格爾縣、清水河縣，包頭市南部及土默特右旗。

本研究基于自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，構(gòu)建了內(nèi)蒙古中部馬鈴薯成熟期霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并進(jìn)行了區(qū)劃分析，其結(jié)果可為當(dāng)?shù)伛R鈴薯生產(chǎn)規(guī)劃、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及防災(zāi)減災(zāi)措施制定等提供一定的科學(xué)依據(jù)。但在風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的構(gòu)建上本研究主要以馬鈴薯農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料為主，未來(lái)的研究中將綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，進(jìn)一步完善評(píng)估模型。