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(guó)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(méi)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(píng)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(wàn)龍[4]及陳凱奇等[5]分別針對(duì)東北的水稻、江蘇和河南的冬小麥及遼寧的玉米等作物開(kāi)展了霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃,嚴(yán)應(yīng)存等[6]針對(duì)青海省油菜、小麥、馬鈴薯、青稞四種主要農(nóng)作物開(kāi)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(duì)寧夏晚霜凍進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃,以上研究為霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn),然而由于霜凍對(duì)于不同作物,不同時(shí)期影響不盡相同,針對(duì)同一種農(nóng)作物研制精細(xì)化的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(duì)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(píng)估指數(shù)法確定災(zāi)害評(píng)估模型,并進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)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)。
研究所用內(nèi)蒙古地區(qū)80個(gè)地面氣象觀測(cè)站1961年以來(lái)的逐日平均氣溫、最低氣溫資料來(lái)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(lái)源于自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒。馬鈴薯發(fā)育期資料來(lái)源于自治區(qū)12個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站。歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)氣象災(zāi)害大典·內(nèi)蒙古卷》和中國(guó)氣象局氣象災(zāi)害直報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。地理信息數(shù)據(jù)來(lái)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局。
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(duì)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(píng)價(jià)法
通過(guò)層次分析法和專(zhuān)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(píng)價(jià)對(duì)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(píng)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(píng)估模型通過(guò)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(guò)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(duì)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(jí)。
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(cè)站馬鈴薯發(fā)育期資料和80個(gè)地面氣象觀測(cè)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(guó)氣象標(biāo)準(zhǔn)-QX/T88-2008作物霜凍害等級(jí)》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(jí)(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(zhǎng)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(píng)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(duì)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(tái)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(jí)(表2)。由圖1可見(jiàn),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(jí)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(jí)
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
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(píng)價(jià)秋霜凍災(zāi)害暴露度的指標(biāo)。利用自然斷點(diǎn)分級(jí)法將暴露度按4個(gè)等級(jí)劃分,并繪制暴露度區(qū)劃圖(圖2)。由圖2可見(jiàn),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(duì)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(jí),其余農(nóng)區(qū)馬鈴薯種植面積小,其暴露度為中等或低級(jí)。
圖2 內(nèi)蒙古馬鈴薯秋霜凍災(zāi)害暴露性分布
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(shì),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(píng)價(jià),利用自然斷點(diǎn)法將脆弱性分為4級(jí),得到馬鈴薯脆弱性空間分布圖(圖3)。從圖3可見(jiàn),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
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(guò)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(guò)把各地的趨勢(shì)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(guò)層次分析法結(jié)合專(zhuān)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(shì)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(jí),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
基于建立的秋霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估模型,利用層次分析法結(jié)合專(zhuān)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(píng)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(guò)自然斷點(diǎn)法劃分為4個(gè)等級(jí)(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
3.2.1 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(duì)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(duì)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(duì)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)
利用《中國(guó)氣象災(zāi)害大典·內(nèi)蒙古卷》,結(jié)合中國(guó)氣象局氣象災(zāi)害直報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)1984 -2015年以來(lái)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(jiàn),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(shì)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(lái)體現(xiàn)。從受災(zāi)面積與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃來(lái)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(guò)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(shuō)明本研究區(qū)劃結(jié)果的合理性。
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(jí)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(lái)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(duì)較高,因此在當(dāng)前形勢(shì)下,烏蘭察布地區(qū)秋霜凍災(zāi)害防御更不可松懈。