李蒙 竇小東 張明達 魯韋坤 周建琴 朱勇

(1 云南省氣候中心 云南昆明 650034;2 云南省氣象服務(wù)中心 云南昆明 650034)

咖啡為多年生喬木，畏寒、喜濕潤、溫涼、庇蔭或半庇蔭環(huán)境［1］。全世界咖啡種植主要以小?？Х葹橹鳌Ｖ袊N植咖啡已有一個多世紀的歷史，種植種主要為小?？Х?。云南既是小?？Х确N植最早的省份［2］，也是中國最大的咖啡種植基地，種植面積和產(chǎn)量均超過全國的98%［1］，且咖啡品質(zhì)位居世界一流水平。云南小?？Х鹊漠a(chǎn)地主要集中在南部、西南部以及干熱河谷地帶。這些地區(qū)干濕季分明，干季降水僅占全年的15%左右，是我國干旱發(fā)生頻繁的地區(qū)之一［3］。干旱嚴重影響小?？Х仍诟靼l(fā)育期，尤其是開花期的植物光合生理過程，制約小?？Х鹊纳L，導(dǎo)致小?？Х鹊漠a(chǎn)量和品質(zhì)下降［4-7］。2009 年云南特大干旱導(dǎo)致全省絕收的小?？Х让娣e多達4 000 hm2，新種植的咖啡幼苗枯死率高達50%。特大旱災(zāi)不僅造成2009 年的小?？Х葴p產(chǎn)，品質(zhì)也受到了嚴重的影響，還持續(xù)影響了2010 年以及2011 年度的產(chǎn)量。研究表明［8］，21 世紀以來，云南降水減少，高溫干旱事件有增強增多趨勢，由2～3年一遇變?yōu)?～2 年一遇，因此，云南小粒咖啡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨更大的干旱風(fēng)險和挑戰(zhàn)，而干旱災(zāi)害風(fēng)險評估是科學(xué)預(yù)防干旱災(zāi)害，控制和降低干旱災(zāi)害風(fēng)險的重要基礎(chǔ)性研究和重要途徑［9-10］，可通過干旱災(zāi)害風(fēng)險管理更有效地減緩干旱災(zāi)害的影響［11］。

隨著自然災(zāi)害風(fēng)險理論［12］的發(fā)展，干旱災(zāi)害風(fēng)險評估、區(qū)劃在包括云南在內(nèi)的不同區(qū)域［13-17］和不同作物上［18-20］得到了廣泛的研究和應(yīng)用。目前關(guān)于云南小?？Х鹊难芯慷嗉性谛×？Х鹊倪m宜性區(qū)劃，不同環(huán)境因素、病蟲害以及施肥條件等對小?？Х鹊钠焚|(zhì)、產(chǎn)量的影響方面。張明達等［1］運用層次分析法研究了云南省小粒咖啡種植的生態(tài)適宜性區(qū)劃，章宇陽等［21］研究了不同遮蔭條件下施肥量對云南干熱區(qū)小?？Х犬a(chǎn)量和肥料利用的影響，李貴平［22］研究了云南怒江干熱河谷區(qū)咖啡綠蚧的周年發(fā)生規(guī)律。而關(guān)于云南小?？Х雀珊碉L(fēng)險評估的研究鮮有報道，基于此，本研究以云南125個縣級氣象站點多年實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在自然災(zāi)害風(fēng)險理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合小?？Х茸魑锏淖陨硖匦砸约霸颇系臍夂蛱攸c，構(gòu)建小粒咖啡干旱災(zāi)害風(fēng)險評估指標和模型，開展干旱災(zāi)害風(fēng)險評估，旨在為云南省小粒咖啡種植防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)及來源

數(shù)據(jù)包括云南125 個縣級氣象站點多年平均（1981—2010 年）的逐日、逐月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量以及上述各要素月值的100 m×100 m網(wǎng)格化推算數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均來自于云南省氣候中心，各項數(shù)據(jù)均經(jīng)過質(zhì)量控制檢驗。

1.2 方法

1.2.1 干旱風(fēng)險評估模型構(gòu)建

采用干旱風(fēng)險指數(shù)表征小?？Х人惺艿母珊禐?zāi)害風(fēng)險強弱程度。研究表明，干旱災(zāi)害風(fēng)險主要由危險性（致災(zāi)因子的強弱）、脆弱性（成災(zāi)環(huán)境的特征）、暴露度（承災(zāi)體的暴露面積）、防災(zāi)減災(zāi)能力（該區(qū)域面對災(zāi)害的防御與緩解災(zāi)害影響的能力）4個因子構(gòu)成［12］?？紤]到承災(zāi)體小粒咖啡作為經(jīng)濟作物，各地基本上都采取標準化的種植管理方式，因此，本研究模型構(gòu)建時忽略防災(zāi)減災(zāi)能力指標因子的影響，僅采用危險性、脆弱性和暴露度這3個指標因子構(gòu)建模型。由于模型構(gòu)建涉及多個因子，且各因子均由多個指標構(gòu)成，故采用加權(quán)綜合評估法［23］構(gòu)建模型見公式（1）：

式中，RISK干旱風(fēng)險指數(shù)，H為危險性指數(shù)，S為脆弱性指數(shù)，V為暴露度指數(shù)，WH、WS、WV為危險性、脆弱性、暴露度的權(quán)重，權(quán)重值采用層次分析［24］結(jié)合專家打分［25］的方法依次確定為 0.6、0.3、0.1。為了消除各指標之間的量綱差異，對每一個指標進行歸一化［25］處理，使用0～1的數(shù)值來表示指標的強度。

1.2.2 危險性指數(shù)構(gòu)建

干旱災(zāi)害風(fēng)險中的危險性指數(shù)是指造成干旱災(zāi)害的自然變異因素及其程度，這些變異因素主要是指極端的氣候條件。一般來說，致災(zāi)因子的危險性指數(shù)越大，干旱災(zāi)害的風(fēng)險就越大［26］。小粒咖啡不同發(fā)育期均需要一定的水分供應(yīng)，對種植地區(qū)的降水總量有一定的要求［1］，尤其開花期的需水量最大［27］。因此，本研究考慮小?？Х刃杷目傮w情況及開花期的需水特征，采用全年以及開花期降水虧缺率作為指標，綜合構(gòu)建危險性評估指數(shù)見公式（2）～（4），即：

式中，H為危險性指數(shù)，WH1和WH2分別為年降水和開花期降水虧缺率指標因子權(quán)重，分別取值0.4和0.6，H1和H2分別為年降水和開花期降水虧缺率；RPi為全年或開花期降水量，ETwi為全年或開花期（3～5 月）需水量；n為分析時段天數(shù)，Kc為作物系數(shù)，開花期取值0.9，其余發(fā)育期取值1.0，C0為常數(shù)，取值0.000 939，Ra為第j天天文輻射，參考王學(xué)鋒等[28]的方法計算，Tmeanj為第j天平均氣溫，Tmaxj為第j天最高氣溫，Tminj為第j天最低氣溫，實際計算中可使用月氣象要素值近似計算月需水量。

1.2.3 脆弱性指數(shù)構(gòu)建

孕災(zāi)環(huán)境脆弱性主要指干旱危險區(qū)的氣候背景、植被狀況、地理條件、土壤性質(zhì)和水文環(huán)境［9，11］。本研究側(cè)重從孕災(zāi)環(huán)境的地形條件和水文環(huán)境兩個方面分別選取坡度和河網(wǎng)密度作為脆弱性指標。坡度越大越不利于降水的下滲，提高土壤含水率，干旱風(fēng)險也就越高，而河網(wǎng)密度越大，則表示咖啡種植區(qū)灌溉條件越好，越有利于干旱的防御，降低干旱風(fēng)險。兩個指標值分別均一化處理后加權(quán)計算得到脆弱性指數(shù)（5）。

式中，S為脆弱性指數(shù)，WS1和WS2分別為坡度和河網(wǎng)密度指標因子權(quán)重，分別取值0.4 和0.6，S1和S2分別為坡度和均一化河網(wǎng)密指數(shù)指標值，在arcgis 中使用自然斷點法分別將其分為四個等級，即高脆弱性、次高脆弱性、中等脆弱性和低脆弱性，并分別賦值0.8、0.6、0.4和0.1。

1.2.4 暴露度指數(shù)

干旱災(zāi)害風(fēng)險的暴露度指數(shù)是指該區(qū)域內(nèi)的承災(zāi)體可能會受到干旱危險威脅的范圍和影響程度的大小。參考張明達等［1］選取的氣候要素指標因子，基于arcgis 柵格計算實現(xiàn)各指標的精細化推算，并根據(jù)各指標因子的分級標準及綜合評價標準，得到各柵格點的氣候適宜性等級：最適宜、適宜、次適宜、不適宜四級，并分別賦值0.8、0.6、0.4、0.1，得到各柵格點的氣候適宜度指數(shù)。將氣候適宜度指數(shù)作為小?？Х雀珊当┞抖戎笖?shù)指標，即適宜度指數(shù)越高，暴露度就越大，干旱風(fēng)險等級越高，災(zāi)害造成的損失可能就越大。

1.2.5 空間數(shù)據(jù)分析

為了實現(xiàn)格點化的小?？Х雀珊碉L(fēng)險評估，運用Arcgis 將各個指標進行柵格化處理，并通過柵格計算得到各因子的格點數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合運算后得到干旱風(fēng)險指數(shù)，再通過自然斷點分級來完成云南小?？Х雀珊禐?zāi)害風(fēng)險等級評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 危險性分析

就年降水量虧缺率（圖1-a），高危險區(qū)主要位于金沙江、元江及怒江中下游的河谷區(qū)，主要由于該地區(qū)年降水量不足600 mm，遠低于小?？Х刃杷浚邓澣甭食^40%；次高危險區(qū)主要位于元江以東、以北的大部地區(qū)以及瀾滄江流域的河谷地帶，其原因在于該區(qū)域年降水量大多低于1 000 mm，僅占需水量的60%～80%，降水虧缺率在20%以上；中危險區(qū)滇東南的東部地區(qū)及瀾滄江流域的中下游大部地區(qū)，年降水量超過1 200 mm，稍低于需水量，降水虧缺率在20%以內(nèi)；低危險區(qū)主要位于哀牢山南側(cè)-瀾滄江以東地區(qū)、怒江中下游西部地區(qū)以及滇西南的西部邊緣地區(qū)，部分地區(qū)年降水超2 000 mm，明顯大于需水量，局部地區(qū)降水量是需水量的2倍以上。就開花期降水虧缺率（圖1-b）而言，高危險區(qū)和次高危險區(qū)的面積明顯大于年降水量虧缺率，滇中及以北以及各流域干熱河谷地區(qū)開花期降水量不足200 mm，不到需水量的40%，為高危險區(qū)，滇西南的大部地區(qū)及滇東南的北部地區(qū)開花期降水量不到300 mm，不足需水量的40%，為次高風(fēng)險區(qū)；中危險區(qū)主要位于東部及滇西南的部分地區(qū)，開花期降水量約為需水量的60%～80%；低危險區(qū)主要位于怒江下游以西以及南部邊緣地區(qū)，部分地區(qū)超過500 mm，花期降水量大于需水量，能完全滿足小?？Х乳_花期的降水需求。

綜合全生育期和開花期降水虧缺率（圖1-c）來看，高危險區(qū)主要是金沙江、元江、怒江中下游河谷地區(qū)以及中北部可種植區(qū)，次高危險區(qū)主要是保山東部、臨滄東部、普洱西部以及玉溪大部、紅河北部等地，中低風(fēng)險區(qū)主要是德宏、臨滄西部、普洱東部、西雙版納、紅河南部等種植區(qū)?？傮w而言，云南小粒咖啡主產(chǎn)區(qū)大多屬于低危險區(qū)或中等危險區(qū)，開花期降水偏少是大部分地區(qū)干旱危險性等級較高的原因。

2.2 脆弱性分析

從坡度脆弱性因子分布（圖1-d）來看，哀牢山以東大部地區(qū)以及德宏、普洱、西雙版納等地的大部可種植區(qū)地勢比較平緩，脆弱性等級明顯低于其他區(qū)域，為低脆弱區(qū)或中等脆弱區(qū)，而哀牢山區(qū)以及怒江下游、瀾滄江中下游、元江兩側(cè)則地形起伏度大，脆弱性等級較高。從河網(wǎng)密度（圖1-e）來看，元江流域及南盤江流域總體河流分布較少，河網(wǎng)密度較低，脆弱性等級較高，滇中及滇西南的小?？Х瓤煞N植區(qū)河網(wǎng)密度較高，脆弱性等級也較低。綜合來看，脆弱性等級較高的地區(qū)主要是哀牢山山區(qū)及以東的紅河南部、文山大部等地（圖1-f），為高脆弱區(qū)或次高脆弱區(qū)，滇西南的大部地區(qū)尤其是德宏、普洱、西雙版納的大部地區(qū)脆弱性等級較低。

圖1 云南小?？Х雀珊碉L(fēng)險評估

續(xù)圖1 云南小粒咖啡干旱風(fēng)險評估

2.3 暴露度分析

云南小粒咖啡氣候適宜區(qū)主要分布在滇西南的大部地區(qū)以及滇東南的部分地區(qū)，尤其是德宏、普洱、西雙版納等地，這些區(qū)域也是小粒咖啡的主產(chǎn)區(qū)，暴露度較高，干旱災(zāi)害一旦發(fā)生，造成的經(jīng)濟損失也較大。滇中及以北地區(qū)主要為小?？Х鹊牟贿m宜區(qū)或次適宜區(qū)，干旱災(zāi)害對小?？Х仍斐傻挠绊懸蚕鄬^小，暴露度等級較低（圖1-g）。

2.4 干旱風(fēng)險綜合分析

云南小粒咖啡可種植區(qū)干旱風(fēng)險等級以中風(fēng)險及次高風(fēng)險為主（圖1-h），哀牢山以東以北種植區(qū)以高風(fēng)險區(qū)和次高風(fēng)險區(qū)為主，哀牢山南側(cè)以及怒江下游西部種植區(qū)以低風(fēng)險等級為主。為了進一步分析各小?？Х戎鳟a(chǎn)區(qū)及全省干旱風(fēng)險區(qū)的分布情況，本文計算了各產(chǎn)區(qū)各干旱風(fēng)險等級面積占小粒咖啡可種植區(qū)的比例（表1）。由表1可知，全省可種植區(qū)14.2%為低風(fēng)險區(qū)，31.1%為中風(fēng)險區(qū)，46.6%為次高風(fēng)險區(qū)，8.1%為高風(fēng)險區(qū)，次高風(fēng)險區(qū)和中風(fēng)險區(qū)占比較高，占可種植區(qū)面積77.6%，占全省國土面積的43.7%，總體干旱風(fēng)險等級偏高。從各主產(chǎn)區(qū)風(fēng)險等級分布來看，德宏、怒江、保山、紅河低風(fēng)險區(qū)占比較高，超過30%，其中德宏超過50%，而大理、臨滄、玉溪、文山占比較低，不足10%，低于全省平均水平；相應(yīng)地，德宏、文山、西雙版納、普洱、臨滄等地高風(fēng)險區(qū)占比較低，不到5%，但是文山、普洱、臨滄次高風(fēng)險區(qū)的占比超過了40%，風(fēng)險不容忽視。值得注意的是，文山、臨滄、普洱雖然高風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)占比在全省并不突出，但是中風(fēng)險區(qū)和次高風(fēng)險區(qū)的占比較高，其風(fēng)險等級更容易受到氣候變化的影響而大范圍的增加或減少。另外，雖然文山、普洱、西雙版納、臨滄等地高風(fēng)險區(qū)占比少，但可種植區(qū)面積占比超過90%，相應(yīng)的高風(fēng)險區(qū)國土面積也大，尤其是普洱、西雙版納是主要的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)，需要特別注意小?？Х壬a(chǎn)的抗旱工作。

表1 云南小粒咖啡干旱風(fēng)險區(qū)占可種植區(qū)比例分布 單位：%

為了進一步分析云南小?？Х葘嶋H種植區(qū)的干旱風(fēng)險分布情況，以氣象部門設(shè)置的咖啡作物小氣候觀測站為采樣點，共采集了73 個小?？Х确N植區(qū)位置信息。從各采樣點的風(fēng)險等級分布來看，低風(fēng)險占比為13%，中風(fēng)險占比為46%，次高風(fēng)險區(qū)為39%，高風(fēng)險為3%，其中低風(fēng)險區(qū)主要是分布在德宏、普洱及西雙版納種植區(qū)，這些區(qū)域無論是年降水量還是小?？Х乳_花期降水均十分充足，同時自然條件不利于水土流失，灌溉條件較好；中風(fēng)險區(qū)主要分布在德宏、普洱南部及文山南部，這些區(qū)域干旱危險性等級較低，但是由于坡度因子的影響，以及普洱中部、文山南部河網(wǎng)密度較低，灌溉條件相對較差，加之這些地區(qū)基本上是小?？Х壬鷳B(tài)最適宜區(qū)，干旱災(zāi)損大，風(fēng)險高，需要改善自然條件對小?？Х裙┧挠绊?；次高風(fēng)險區(qū)主要是保山，臨滄、普洱西部和北部、西雙版納西部種植區(qū)，這些區(qū)域干旱風(fēng)險多由幾個因子共同影響造成，總體上高溫蒸發(fā)大，大部區(qū)域小?？Х乳_花期或者整體降水均不足，基本為中危險區(qū)或次高危險區(qū)，加上地形地貌不利于儲水和灌溉，生態(tài)適宜度高，咖啡產(chǎn)值高，干旱影響大；高風(fēng)險區(qū)主要是保山潞江壩的局部種植區(qū)，無論是年降水量還是開花期降水量都遠低于同期需水量，是干旱高危險區(qū)，雖然脆弱性等級較低，但暴露度等級較高，綜合風(fēng)險等級高。

3 討論與結(jié)論

本研究根據(jù)云南小?？Х鹊姆N植生產(chǎn)實際情況，在自然災(zāi)害風(fēng)險理論基礎(chǔ)上構(gòu)建了小?？Х雀珊禐?zāi)害風(fēng)險評估模型，通過精細化柵格處理和分析，得出如下結(jié)論：（1）云南大部小粒咖啡種植區(qū)年降水量能滿足生長需求，但開花期僅南部和西部邊緣能滿足需求，滇中及以北大部地區(qū)干旱危險性等級最高，滇西南大部較低；（2）滇東南大部小?？Х瓤煞N植區(qū)脆弱性等級較高，其余地區(qū)總體偏低，河網(wǎng)密度是主要影響因素；（3）滇中及以北大部地區(qū)小?？Х葰夂蜻m宜性等級最低，干旱暴露度較低，而滇西南地區(qū)則相反；（4）綜合而言，小?？Х乳_花期降水量偏少是干旱風(fēng)險等級較高的主要影響因素，哀牢山以東以北干旱風(fēng)險等級最高，尤其是各大流域河谷地區(qū)基本以高風(fēng)險等級為主，滇西南大部小?？Х戎鳟a(chǎn)區(qū)以中低風(fēng)險等級為主，但少部分優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)為中高風(fēng)險區(qū)，需要加強灌溉管理。

本研究中模型的指標圍繞小?？Х鹊纳L特性，側(cè)重于選取氣候和自然因子，使得模型更為客觀，也解決了社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)不易空間精細化的問題。同王鶯、柳媛普等［15，29］、姚玉璧等［30］采用的綜合氣象干旱指數(shù)或者彭曼公式相比，本研究構(gòu)建的風(fēng)險評估模型結(jié)構(gòu)簡單，易于計算，且本研究實現(xiàn)了所有指標因子及綜合分析結(jié)果的精細化柵格處理，解決了無氣象臺站地區(qū)局地氣候不易描述，風(fēng)險評估困難的問題，使得小?？Х雀珊禐?zāi)害的風(fēng)險分析更加精準。本研究對于其他小?？Х确N植省份以及其他亞熱帶經(jīng)濟作物的干旱風(fēng)險分析具有一定的借鑒作用，對于小?？Х鹊姆N植布局、災(zāi)害風(fēng)險管理也有一定的指導(dǎo)作用。同時，由于本研究僅分析了基于氣候態(tài)的小?？Х雀珊碉L(fēng)險分布特征，沒有充分考慮氣候變化的影響，尤其是未來氣候變化對小粒咖啡干旱災(zāi)害的可能影響，后續(xù)工作需要繼續(xù)開展相關(guān)研究以便更好地為小粒咖啡產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供服務(wù)。