福建省春種馬鈴薯寒凍害風險區劃*

方 潔，陳家金

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福建省春種馬鈴薯寒凍害風險區劃*

方 潔1，陳家金2

（1．福建師范大學地理科學學院，福州 350007；2．福建省氣象服務中心，福州 350001）

為了探究福建春種馬鈴薯寒凍害風險分布情況，利用馬鈴薯春種區45個縣（市）的歷年氣象、產量和農業經濟資料，在分析馬鈴薯寒凍害危險性、脆弱性和防寒防凍能力的基礎上，構建馬鈴薯寒凍害風險區劃指標，應用層次分析法、熵權系數法、加權綜合評價法等確定風險區劃指標權重和風險指數，構建福建省馬鈴薯春種區寒凍害風險區劃指標和模型，基于GIS技術對福建省春種馬鈴薯的寒凍害風險進行區劃。結果表明：福建省春種馬鈴薯的寒凍害低風險區主要分布在低海拔區域，該區域適合春種馬鈴薯；中度寒凍害風險區主要分布在海拔中等的區域；重度以上的寒凍害風險區主要分布在鷲峰山區、武夷山區、戴云山區和博平嶺山區的高海拔區域，其中海拔800m以上地域有嚴重寒凍害風險，不適宜早春種植馬鈴薯。在風險因素構成上，寒凍害致災危險性在綜合風險中起決定性作用，種植區防寒防凍能力僅能略微減輕寒凍害帶來的風險。

馬鈴薯；寒凍害；風險區劃；春種區；GIS

馬鈴薯是福建省主要春糧作物之一，2014年福建馬鈴薯種植面積達8.05萬hm2[1]，全省僅2個縣（市）無馬鈴薯種植。2015年農業部把馬鈴薯主糧化工作列入重要議程[2]，福建也在大力推廣種植馬鈴薯，然而福建省農業氣象災害多發，寒凍害常給馬鈴薯造成危害，部分種植者在生產過程中由于對馬鈴薯特性以及對當地寒凍害發生風險情況不了解，導致馬鈴薯在種植時間、空間布局上存在不合理現象，常引起馬鈴薯寒凍害。目前對福建省馬鈴薯寒凍害風險分析和評價的研究報道很少，僅見李麗純對福建省馬鈴薯氣候減產的風險進行分析和區劃[3]，對馬鈴薯的研究大部分集中在育種和栽培技術方面[4-5]，至今仍未見基于氣象要素的馬鈴薯種植氣候適宜性和災害風險區劃研究。因此，亟需開展馬鈴薯寒凍害風險區劃，以辨識福建復雜地形下的寒凍害風險精細化分布，為馬鈴薯合理種植提供決策依據。

近年來，國內外已開展農作物氣象災害風險區劃和評估的相關研究[6]。國外在農業氣象災害風險方面，Snyder等[7]對霜凍發生的可能性給出了計算方法，并進行了產量損失風險的定量計算；Cittadini等[8]構建了定量評價櫻桃霜凍風險的綜合方法，用于估計霜凍防控系統在減災方面的潛在影響。國內農業氣象災害風險研究始于20世紀90年代，以農業氣象災害風險分析技術、方法的探索研究為主[8]，如李世奎等[9]以風險分析技術為核心，探討了農業自然災害分析的理論、概念、方法和模型，白美蘭等[10]針對區域馬鈴薯開展了農業氣象災害風險評估，陳家金等[11]針對福建區域的特色經濟作物和果樹開展了多災種綜合風險區劃和評估。劉錦鑾等[12]開展了華南地區荔枝寒害風險分析與區劃。在災害風險評估模型方面，于飛等[13]在灰色關聯分析基礎上建立了貴州省綜合農業氣象災害風險評價模型，基于GIS空間分析開展綜合農業氣象災害風險區劃；何燕等[14]根據廣西甘蔗生長狀況、受害程度與低溫凍害強度的關系，確定甘蔗凍害的等級指標，利用氣象臺站的氣候資料和臺站地理信息，建立凍害指標的空間分析模型。但是，有關農業氣象災害風險評估理論的基礎研究仍相對薄弱，農業氣象災害風險評價還缺乏統一標準，農業氣象災害風險評估技術還需進一步研究。

因此，本文以福建春種馬鈴薯為研究對象，采用多指標綜合災害風險指數法，通過構建春種馬鈴薯寒凍害風險區劃指標體系，采用主客觀權重法計算指標權重，確定春種區各站點的馬鈴薯寒凍害風險指數，并基于GIS技術制作寒凍害風險精細區劃圖，以評估春種馬鈴薯不同等級寒凍害風險分布，以期為馬鈴薯合理布局和防寒防凍提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

福建省馬鈴薯春種區（圖1）共45個縣（市）的1971-2014年逐日氣溫資料來源于福建省氣象局的地面氣象觀測數據；春種區各縣（市）馬鈴薯1993-2014年逐年播種面積、產量資料來源于福建省農村統計年鑒；地膜覆蓋面積、農民人均可支配收入來源于2014年福建省農村統計年鑒。

圖1 福建春種馬鈴薯各縣（市）2014年種植面積分布圖

1.2 研究方法

采用多指標綜合災害風險指數法評估福建春種馬鈴薯的寒凍害綜合風險[11,15]。

（1）構建風險區劃指標體系

馬鈴薯寒凍害風險區劃指標體系從致災因子危險性、馬鈴薯脆弱性以及種植區防寒防凍能力三方面進行構建。

（2）計算風險區劃指標權重

采用層次分析法和熵權系數法的綜合應用確定風險區劃指標權重[15]。層次分析法中，邀請專家按照1～９比例標度法比較各指標的重要性，構建判斷矩陣并進行一致性檢驗，以確定各指標的主觀權重；在熵權系數法中，通過構建區劃指標特征值矩陣并對特征值進行標準化處理，計算指標特征值比重，再計算各區劃指標的熵權，即客觀權重。根據式（1），將這兩種方法計算出的主、客觀權重相融合，得出風險區劃指標綜合權重值。

式中，i為評價指標，m為評價指標個數，σi為綜合權重值，ωi為主觀權重，αi為客觀權重。

（3）計算綜合風險指數

采用加權綜合評價法[16]，賦予各風險指標的綜合權重系數，然后與相應的被評價對象各指標的特征值比重相乘后再相加，計算出各個評估單元的指標風險指數，即

式中，i為評價指標，j為評估單元，m為評價指標個數；λj為風險指數，σi為綜合權重，Pij為每個指標i特征值在評估單元j所占的比重（0≤Pij≤1），即指標特征值比重。

2 結果與分析

2.1 春種馬鈴薯寒凍害風險區劃指標體系的構建

2.1.1 致災危險性指標

福建春種馬鈴薯播種期主要集中在1月下旬-3月中旬，出苗期在2月下旬-4月上旬，成熟期在5月中旬-6月上旬，主要分布在寧德市、南平市、三明市及龍巖市、福州市等部分縣（區）的內陸地區[17]。在春種馬鈴薯整個生長發育過程當中，寒凍害主要出現在播種-現蕾開花階段，當極端低溫低于某一界限值時就開始危害馬鈴薯莖葉和塊莖，當最低氣溫低于7℃時，莖葉停止生長；最低氣溫在2℃時幼苗開始受寒害；花在-0.5℃時受凍害，在-1℃時致死；-2℃時莖葉受凍害，塊莖停止生長；-3℃時莖葉全部凍死；-4℃塊莖受凍害，芽眼死亡[18-20]。

根據福建省春種馬鈴薯的物候期及寒凍害主要發生時段，即2-4月播種-現蕾開花階段，確定以2-4月極端最低氣溫（Td）作為表征春種馬鈴薯寒凍害危險性的區劃指標，并對其按影響程度劃分出4個等級（表1），通過分析春種馬鈴薯在寒凍害主要發生時段（2-4月）的輕度（C1）、中度（C2）、重度（C3）、嚴重寒凍害（C4）的平均出現頻次，計算致災危險性指數，以評估春種馬鈴薯寒凍害的致災危險性。

表1 馬鈴薯寒凍害氣象等級（極端最低氣溫，Td）指標

2.1.2 馬鈴薯脆弱性指標

脆弱性強調了災害對系統所產生的傷害程度，關注系統對災害的暴露程度以及系統對不同災害頻率與強度沖擊的敏感性。因此，脆弱性指標由暴露性和敏感性構成，暴露性越大，其災害風險越大；對災害的敏感性越高，耐災能力越低，災害造成的損失風險越大。

馬鈴薯種植面積越大，在一定強度致災因子的影響下，可能遭受的損失越大，其所承受的寒凍害風險越大，因此，采用2014年評估單元馬鈴薯種植面積占全省總種植面積比（C5）來表征暴露性。考慮馬鈴薯在寒凍害的影響下，最終體現在產量的損失大小，表現為歉年，而歉年平均減產率反映了歷年實際單產低于當年趨勢產量的百分率平均狀況，其值越大，馬鈴薯對寒凍害的敏感性越高；變異系數反映歉年產量減產率的幅度偏離平均值的程度，其值越大，年際間減產幅度變化越大；歉年減產率發生概率是減產率小于某一臨界值的累積概率情況，發生概率越大，說明評估單元歉年出現頻率越高，寒凍害風險越大，所以這3個歉年表征指標能一定程度反映評估單元春種馬鈴薯對寒凍害的敏感性程度，其值越大，敏感性越強，脆弱性越大，因此，采用1993-2014年各評估單元馬鈴薯單產量的歉年平均減產率（C6）、歉年減產率變異系數（C7）和減產率（≤-5%）發生概率（C8）3個指標來綜合反映馬鈴薯寒凍害的綜合敏感性[3]。

2.1.3 防寒防凍能力指標

目前在春種馬鈴薯防寒防凍的措施方面，主要采用大田覆蓋地膜保溫的措施，所以地膜覆蓋面積比例一定程度可反映評估單元防寒防凍的能力，比例越大，防寒防凍能力越大；此外，在防災資金投入方面，農民人均可支配收入越多，對馬鈴薯防寒防凍的投入可能也會增加，有利于降低寒凍害帶來的損失風險。因此，結合考慮資料的來源性，確定馬鈴薯春種區防寒防凍能力區劃指標，采用2014年評估單元地膜覆蓋面積占作物總種植面積比（C9）和農民人均可支配收入（C10）這2個因子來綜合表征。

綜合上述影響春種馬鈴薯寒凍害的風險指標因子可見，極端最低氣溫越低，其致災危險性越大，種植面積越大，其暴露性越大，馬鈴薯對低溫的敏感性越強，其脆弱性越大，而區域防寒防凍能力越高，會減輕寒凍害風險。因此，構建由致災因子危險性（B1）、馬鈴薯脆弱性（B2）以及種植區防寒防凍能力（B3）這3方面指標組成的春種馬鈴薯寒凍害綜合風險區劃指標（A）體系如圖2。

2.1.4 指標權重

按照式（1）的風險指標權重計算方法，得到福建省馬鈴薯春種區各寒凍害風險區劃指標體系中各指標綜合權重的計算結果如表2。由表中可見，不同風險指標對春種馬鈴薯寒凍害風險所起的作用大小不同，寒凍害危險性的主觀權重ωi、客觀權重αi、綜合權重值σi均最大，對綜合風險起著決定性作用，而馬鈴薯脆弱性的3個權重相對較小，對綜合風險影響其次，馬鈴薯春種區防寒凍能力的權重最小，僅起到微小作用。

2.2 春種馬鈴薯寒凍害風險區劃模型構建

2.2.1 評估單元風險指數

利用式（1）確定各風險指標的權重后，再根據式（2）計算得出各評估單元的風險評估指數。表3列出了馬鈴薯春種區各評估單元寒凍害風險的歸一化指數，由表可見，寒凍害致災危險性歸一化指數（Iwi）在0.1以下低值區分布在低海拔縣（市），指數大于0.5的縣（市）主要分布在東北部的柘榮縣、周寧縣、屏南縣和壽寧縣，以壽寧縣為最大；脆弱性歸一化指數（Ifi）介于0.1～1，其中上杭縣最小，指數較大的縣（市）主要分布在南部，以平和縣0.8為最大；防寒防凍能力歸一化指數（Ihi）介于0.04～1，周寧縣防寒防凍能力指數最小，指數大于0.8的縣（市）有寧化縣、將樂縣和泰寧縣。綜合風險歸一化指數（Ici）介于0.007～1，其中指數大于0.5的縣（市）有壽寧縣、屏南縣、周寧縣、建寧縣和柘榮縣，以壽寧縣為最高；指數介于0.2～0.5的有邵武市、清流縣、寧化縣、浦城縣、泰寧縣和光澤縣；指數介于0.1～0.2的有平和縣、政和縣、松溪縣、建甌市、建陽市、明溪縣和武夷山市；其余縣（市）指數低于0.1，其中以上杭縣最小。

圖2 馬鈴薯寒凍害綜合風險區劃指標體系

表2 采用層次分析法和熵權系數法確定馬鈴薯寒凍害綜合風險區劃指標權重

表3 縣域尺度春種馬鈴薯寒凍害歸一化風險評估指數

2.2.2 風險指數等級劃分

采用自然斷點法[15]即通過各風險指數序列范圍內所有數據值與平均值之差的原則來尋找特征點，把風險指標值所組成的數據集劃分成不同的子集，以凸顯指標間的個體差異性，對風險指標進行等級劃分，將各風險指標劃分出4個等級的風險標準（表4）。

2.2.3 風險區劃空間模型

利用表3各評估單元的春種馬鈴薯寒凍害歸一化風險評估指數，采用多元回歸方法建立各站點寒凍害風險評估指數與地理因子（經度、緯度、海拔和離海距離）關系的地理模型，基于GIS技術制作出風險指數區劃分布圖。回歸分析表明，致災危險性指數Iwi和綜合風險評估指數Ici與地理因子密切相關，其指數地理推算模型見表5，基于地理模型制作指數精細化區劃圖；而馬鈴薯脆弱性指數Ifi和防寒防凍能力指數Ihi與地理因子相關性較差，因此，只能采用評估單元的面上指數代表單元內任一點的指數，制作出以縣級區域為單元的指數區劃圖。

2.3 春種馬鈴薯寒凍害風險區劃結果分析

2.3.1 危險性

從春種馬鈴薯寒凍害危險性區劃圖（圖3a）可以看出，輕度寒凍害危險性區域主要分布在春種區的低海拔地帶，該區域春種馬鈴薯在2-4月發生輕度等級寒凍害的平均頻次為0.3～3.2次，中度為0～1.9次，重度為0～0.6次，大部區域無嚴重寒凍害危險；中度寒凍害危險性區域主要分布在春種區的中等海拔地帶，該區域發生輕度等級寒凍害的平均頻次為2.4～5.0次，中度等級的頻次為1.4～2.8次，重度等級的頻次為0.6～1.4次，嚴重等級的頻次為0.1～0.3次；重度以上的寒凍害危險性區域集中在鷲峰山區、武夷山區、戴云山區和博平嶺山區的高海拔地帶，該區域發生輕度等級寒凍害的平均頻次為3.9～8.8次，中度等級的頻次為2.4～5.2次，重度等級的頻次為1.2～2.6次，嚴重等級的頻次為0.4～1.4次，其中屏南縣和壽寧縣的嚴重等級發生頻次超過1次。

表4 風險指標等級劃分

表5 致災因子風險評估指數的地理推算模型

注：**表示相關系數通過0.01水平的顯著性檢驗。X為經度公里網X 坐標值，Y為緯度公里網Y坐標值，H為海拔高度（m），D為離海距離（m）。

Note:**is P<0.01. X is coordinate oflongitude kilometer network, Y is coordinate of latitude kilometer network, H is altitude (m), D is distance from the sea (m).

圖3 春種馬鈴薯寒凍害風險區劃

2.3.2 脆弱性

從春種馬鈴薯脆弱性區劃圖（圖3b）可以看出，低脆弱性區域主要集中在除春種區東北部和南部以外的大部分縣（市），主要是由于該區域種植面積小，歉年平均減產率、歉年變異系數和減產率發生概率均較小的緣故；中等脆弱性區域主要集中在東北部區域和北部部分縣（市），該區域馬鈴薯春種面積較大，歉年平均減產率、歉年變異系數和減產率發生概率中等，故脆弱性屬中等；較高以上脆弱性區域主要集中在春種區的南部縣（市）和三明市轄區，其中平和縣脆弱性高，這些縣（市）馬鈴薯春種面積雖小，但歉年減產率發生概率大，所以脆弱性較高或高。

2.3.3 防寒防凍能力

從馬鈴薯春種區防寒防凍能力區劃圖（圖3c）可以看出，防寒防凍能力較低的區域主要集中在春種區的東部區域，主要是緣于地膜覆蓋比例普遍較低，農民人均可支配收入也低所致；防寒防凍能力較高或高的區域主要分布在南平市的松溪縣、建甌市、光澤縣和邵武市，三明市的寧化縣、將樂縣、泰寧縣、清流縣和永安市，長汀縣和南靖縣，其中寧化縣、將樂縣、泰寧縣的防寒防凍能力高，主要是這些縣（市）地膜覆蓋比例高，同時農民人均可支配收入中等所致；春種區其它縣（市）的防寒防凍能力屬中等，其地膜覆蓋比例及農民人均可支配收入均處于中等水平。

2.3.4 綜合風險

從春種馬鈴薯寒凍害綜合風險區劃圖（圖3d）可以看出，輕度寒凍害風險區主要分布在春種區的低海拔區域，該區域寒凍害危險性低，雖然馬鈴薯脆弱性中等至偏高，防寒防凍能力中等至偏低，但脆弱性和防寒防凍能力的影響權重較小，寒凍害危險性對綜合風險起主導作用，因此，寒凍害對春種馬鈴薯影響的綜合風險屬輕度，是福建春種馬鈴薯寒凍害風險最低的區域。中度寒凍害風險區主要分布在海拔中等的區域，該區域無重度以上的寒凍害，寒凍害危險性屬中等，同時馬鈴薯的脆弱性屬中度，防寒防凍能力也屬中等，因此，寒凍害對馬鈴薯影響的綜合風險屬中度，是福建春種馬鈴薯寒凍害風險次低的區域。重度以上的寒凍害風險區主要分布在鷲峰山區、武夷山區、戴云山區和博平嶺山區的高海拔區域，其中海拔800m以上地域有嚴重寒凍害風險，該區域寒凍害致災危險性高，脆弱性中等，防寒防凍能力較低，因此，春種馬鈴薯的寒凍害綜合風險高，若要在重度及以上綜合風險的區域春種馬鈴薯，早春要采取保護地栽培，或推遲春種時間，在嚴重寒凍害風險的區域，種植風險高，不適宜早春種植馬鈴薯。

3 結論與討論

（1）福建省春種馬鈴薯寒凍害綜合風險呈現出隨著海拔高度升高而逐漸增加的趨勢。輕度寒凍害風險區主要分布在春種區的低海拔地帶；中度寒凍害風險區主要分布春種區的中等海拔地帶；重度以上寒凍害綜合風險區主要分布在鷲峰山區、武夷山區、戴云山區和博平嶺山區等高海拔區域，其中海拔800m以上地域有嚴重寒凍害風險,不適宜早春露地種植馬鈴薯，若要種植，要考慮安全定植期，推遲種植時間，以規避寒凍害風險。

（2）根據福建春種馬鈴薯的實際分布，春種馬鈴薯主要分布在輕度至中度寒凍害風險區內，重度以上風險的區域馬鈴薯種植面積較小，說明寒凍害風險區劃結果與馬鈴薯實際種植分布有著較好的一致性。

（3）大范圍持續性災害天氣的出現往往是在特定的天氣氣候條件下才能發生，極端天氣下的災害持續時間長，會導致影響范圍廣，造成的損失巨大[21]。在馬鈴薯致災危險性表征指標當中，考慮了低溫強度的影響，但未考慮不同強度低溫持續時間對馬鈴薯危害的差異，今后在寒凍害風險表征指標中應兼顧考慮低溫強度和持續時間的因素。

（4）由于不同區域氣候和春種馬鈴薯品種的差異，馬鈴薯播種時間、生長發育期存在一定的不同，造成寒凍害影響時段有所差異。本文綜合考慮春種馬鈴薯品種類型的寒凍害主要發生時段，將致災因子影響時段統一界定在2-4月，這會導致在評估不同區域寒凍害風險時出現一定的誤差，今后可進一步針對不同區域不同品種的馬鈴薯進行災害風險區劃，以提高風險評估精度。

本研究區劃過程未考慮坡度和坡向等孕災環境因素對馬鈴薯寒凍害風險構成的影響。在構建寒凍害綜合風險區劃的地理模型時，考慮了福建省馬鈴

薯春種區各氣象站點的經緯度、海拔高度以及離海距離等孕災環境因素的影響，解決了任一地點的風險評判問題。王守忠等[22]認為，受地形因素影響，相同低溫值的不同地域農作物寒凍害的程度往往不同，故而將地形、坡向、坡度對低溫值的影響考慮進來更能反映實際寒凍害情況。而福建大部分為山區，地形復雜，不同坡度、坡向因素也影響馬鈴薯產量和質量的風險構成，因此，為更加精確地反映春種區馬鈴薯寒凍害風險，今后需在區劃過程中補充考慮孕災環境中的坡度、坡向因素。

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Risk Regionalization of Cold and Freezing Damage to Potato in Spring Planting Region of Fujian Province Based on Geographic Information Systems

FANG Jie1，CHEN Jia-jin2

(1．College of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007,China; 2．Fujian Meteorological Service Center, Fuzhou 350001）

This work was aimed to find out the risk-distribution of cold and freezing damage to spring planting potato in Fujian. Based on the output, meteorological and agricultural economic data from 45 counties during 1993-2014 in spring planting region of Fujian province over the years, to analyze potential hazards of cold and freezing damage, vulnerability of potato and the prevention measures of cold and freezing damage in the spring planting region were analyzed; and the index system of risk division for cold and freezing damage of potato were constructed. The weight coefficient of risk regionalization index and risk exponent were worked out by applying the AHP, entropy-weight coefficient and comprehensive weighting methods; and also, the risk regionalization index and model of cold and freezing damage to potato in the spring planting in Fujian were worked out. Finally, the regionalizationon cold and freezing damage to potato in the springplanting in Fujian were made based on GIS. The results showed that the areas which had low risk of cold and freezing damage to potato locate in low altitude in spring planting region of Fujian Province. These regions are suitable for spring-planting potato. Moderate risk region of cold and freezing damage distributed mainly over medium altitude areas. Furthermore, Jiufengmountain, Wuyimountain, Daiyunmountain and Bopinglingmountain had severe risk of cold and freezing damage. The most severe risk exists in the region of more than 800 meters above sea level, where they aren’t suitable for early spring-planting potato. In terms of risk factor composition, potential hazard was the determinant factor of cold and freezing damage and prevention measures only mitigated this potential.

Potato；Cold and freezing damage；Risk division；Spring planting region；Geographic Information System

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.12.008

方潔,陳家金.福建省春種馬鈴薯寒凍害風險區劃[J].中國農業氣象,2017,38(12):812-821

2017-04-05

。E-mail：cjj8284@163.com

福建師范大學2016年“大學生創新創業訓練計劃（創新訓練類）”項目（cxxl-2016129）；福建省自然科學基金項目（2012J01160）

方潔（1995-），女，研究方向為地理科學。E-mail：792944203@qq.com