內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害風險區劃

高紅霞，張曉磊，祁 蕾，陳素華

（1.興安盟氣象局，內蒙古 烏蘭浩特 137400；2.內蒙古生態與農業氣象中心，呼和浩特 010051）

內蒙古中部是內蒙古馬鈴薯主要生產區，馬鈴薯種植面積約33萬hm2，占全區馬鈴薯種植面積的60%以上。同時該地區也是氣象災害發生較多的地區，其中霜凍是對該地區馬鈴薯生產影響較大的氣象災害之一。特別是在成熟期，馬鈴薯正處于淀粉積累的關鍵期，此時出現霜凍，將對其產量和品質產生直接影響。因此，開展內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害風險研究，對當地因地制宜制定防災減災措施、減少馬鈴薯受災風險具有重要現實意義。

近年來，國內許多學者針對不同地區、不同作物的霜凍災害風險進行了研究。王晾晾等［1］依據災害系統理論，對東北地區水稻霜凍災害風險進行了評估。沈鴻等［2］結合冬小麥物候期及其霜凍指標，評估了黃淮地區冬小麥霜凍災害風險。許彥平等［3］對天水蜜桃坐果期霜凍災害進行了綜合評估。朱紅蕊等［4］基于GIS技術，對黑龍江省水稻初霜凍災害的危險性和脆弱性進行了分析。李紅英等［5］對寧夏晚霜凍災害風險進行了分析和評價。鄭馳等［6］采用GIS技術對玉米霜凍災害風險進行了區劃。袁佰順等［7］構建了天水蘋果坐果期霜凍害風險評估指標體系，并對天水蘋果霜凍災害風險進行了區劃。嚴應存等［8］構建了青海省霜凍災害風險危險性、暴露性和災損敏感性指數，開展了青海省霜凍災害變化特征及區劃研究。劉瑞娜等［9］對安徽省茶區各縣霜凍發生規律及分布特征進行了分析。祁貴明等［10］基于氣象災害風險評估方法，對柴達木盆地枸杞霜凍災害風險進行了評估和區劃。但對馬鈴薯霜凍災害風險的研究較為少見，因此，本研究結合內蒙古中部馬鈴薯生產實際，綜合考慮致災因子危險性、承災體的暴露性、脆弱性以及防災減災能力4個災害風險因素，對內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害風險進行了區劃和分析。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究所用日最低氣溫資料來源于內蒙古中部烏蘭察布市、呼和浩特市、包頭市共19個旗縣的國家級氣象站（圖1），資料序列為1983—2018年；馬鈴薯生育期資料來源于武川縣、固陽縣和察右中旗3個農業氣象觀測站，資料序列為1983—2018年；研究區域耕地面積、馬鈴薯種植面積、馬鈴薯產量等數據來源于《內蒙古統計年鑒》，資料序列為1994—2018年；內蒙古中部行政邊界圖來源于內蒙古自治區氣象局；中部農區邊界圖來源于內蒙古第二次土地調查數據。

圖1 研究區域氣象站點分布

1.2 研究方法

1.2.1 減產率計算方法 一般情況下，作物的產量構成可表示為［11］：

式中，Y為實際單產，Yt為趨勢產量，Yw為氣象產量，本研究中采用直線滑動平均的方法對趨勢產量進行模擬。則減產率可表示為：

1.2.2 數據標準化方法 由于各指標數據量綱不同，需對數據進行標準化處理。本研究采用極差標準化方法對各指標原數據進行標準化，即：

式中，Ii、Imin和Imax分別為原數據、原數據序列中的最小值和最大值。

1.2.3 層次分析法 災害風險評估中各因子的影響大小不同，常常要確定各因子的權重系數。目前較為常用的確定權重的方法有專家打分法、層次分析法及熵權法等。其中層次分析法是一種將定性賦權問題定量化的多準則決策方法，是一種定性與定量相結合的方法。該方法采用層次化的指標表示邏輯關系，通過矩陣計算專家評分，最終達到指標綜合的目的［12］。本研究采用層次分析法確定霜凍災害風險4因子的權重。

1.2.4 加權綜合評分法 采用加權綜合評分法［13］得出研究區域馬鈴薯霜凍災害綜合風險值ICA，其計算方法如下：

1.3 霜凍災害風險評估指標

1.3.1 致災因子危險性指標 根據內蒙古中部19個地面氣象觀測站日最低氣溫觀測數據和3個農業氣象觀測站馬鈴薯生育期觀測資料，分析得出內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害主要發生在后期成熟階段，即9月1—20日。本研究參考氣象行業標準《QX/T 88—2008作物霜凍害等級》［14］，并結合內蒙中部實際情況，確定了內蒙古中部馬鈴薯成熟期霜凍災害危險性指標（表1）。

表1 馬鈴薯成熟期霜凍災害指標

1.3.2 暴露性指標 依據承災體暴露性的定義［15］，馬鈴薯霜凍災害就是承災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，作為霜凍災害的暴露性評價指標，該指標越大，表明該地區馬鈴薯霜凍災害暴露性越大。計算公式如下：

式中，si為某旗縣第i年馬鈴薯種植面積；Si為當年該地區總耕地面積；n為總年數，本研究中為25。

1.3.3 脆弱性指標 孕災環境脆弱性主要反映承災體對災害的敏感性［15］。本研究選用研究區域各旗縣霜凍災害年份馬鈴薯平均減產率作為馬鈴薯霜凍災害脆弱性指標。該指標越大，表明該地區馬鈴薯霜凍災害脆弱性越大，馬鈴薯霜凍災害風險就越大。馬鈴薯減產率計算方法如式（2）。

1.3.4 防災減災能力指標 防災減災能力是指馬鈴薯受到災害影響后恢復的程度［15］。本研究采用各旗縣馬鈴薯減產率變異系數作為表征其防災減災能力強弱的指標。減產率變異系數越小，表示該地馬鈴薯產量越穩定，防災減災能力越強；反之，減產率變異系數越大，表示防災減災能力越弱。減產率變異系數計算公式如下：

式中，v為馬鈴薯減產率變異系數，xi為歷年減產率序列，xd為平均減產率，n為對應的減產年序號。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯霜凍災害風險因子分析

2.1.1 致災因子危險性分析 按照內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害指標，統計各旗縣馬鈴薯成熟期霜凍出現的頻率和強度，構建馬鈴薯霜凍災害危險性指數，其計算公式如下：

式中，FR為某地霜凍災害危險性指數；Fi為該地第i個等級霜凍出現的頻數；FSi為第i個等級霜凍強度的中值；n為總年數，本研究中為36。

基于上述危險性指數模型，采用GIS技術，繪制內蒙古中部農區馬鈴薯霜凍災害危險性空間分布圖（圖2），并采用自然斷點法對危險性指數分級（表1）。由圖2可知，內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害危險性指數高值區域和次高值區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茂旗；中危險性地區主要分布在烏蘭察布市南部和包頭市固陽縣；其余為低危險性地區。

圖2 內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害危險性分布

表1 內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害風險各指數分級

2.1.2 承災體暴露性分析 基于暴露性指數（暴露性指標的歸一化值）計算結果，繪制內蒙古中部農區馬鈴薯霜凍災害暴露性空間分布圖（圖3）。由圖3可知，內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害暴露性指數高值區域和次高值區域主要分布在烏蘭察布地區以及呼和浩特市武川縣，低暴露性地區主要分布在呼和浩特市土默特左旗，其余為中暴露性地區。

圖3 內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害暴露性分布

2.1.3 承災體脆弱性分析 基于脆弱性指數（馬鈴薯霜凍年份平均減產率的歸一化值）計算結果，繪制內蒙古中部農區馬鈴薯霜凍災害脆弱性空間分布圖（圖4）。由圖4可知，內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害脆弱性指數高值區域和次高值區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，包頭市固陽縣；低脆弱性地區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；其余地區為中脆弱性地區。

圖4 內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害脆弱性分布

2.1.4 防災減災能力分析 基于防災減災能力指數（馬鈴薯減產率變異系數的歸一化值）計算結果，繪制內蒙古中部農區馬鈴薯災害防御能力空間分布圖（圖5）。由圖5可知，內蒙古中部馬鈴薯災害防御能力較低的地區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。其余地區為防災減災能力中等地區。

圖5 內蒙古中部馬鈴薯災害防御能力分布

2.2 馬鈴薯霜凍災害風險綜合分析

2.2.1 馬鈴薯霜凍災害風險評估模型 采用層次分析法確定馬鈴薯霜凍災害危險性、暴露性、脆弱性、防災減災能力的權重，并建立馬鈴薯霜凍災害風險評價模型：

式中，FRA為馬鈴薯霜凍災害風險指數；ωj為災害危險性、暴露性、脆弱性及防災減災能力指數的權重，其具體計算值如表2；Fj*為對應指數的標準化值。

表2 內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害風險4要素權重系數

2.2.2 馬鈴薯霜凍災害風險區劃 基于馬鈴薯霜凍災害風險評價模型，在GIS中采用反距離權重插值法，得到內蒙古中部農區馬鈴薯霜凍災害風險綜合區劃結果（圖6），并按照自然斷點法將其劃分為4個等級（表3）。

圖6 內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害風險分布

表3 內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害風險區劃指標

2.2.3 分區描述

1）高風險區。霜凍風險指數大于0.55的區域為高風險區，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℃，該區各站點平均氣溫較最適氣溫低。同時，該時段出現日最低氣溫小于-0.5℃的年份占40%以上，出現霜凍的幾率高，導致馬鈴薯霜凍致災危險性高，是該區馬鈴薯霜凍災害風險較大的主要原因。同時該區也是馬鈴薯種植面積較大地區，暴露度高，且防災能力較低，綜合各項指標，該區為內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害風險最大的地區。

2）次高風險區。該區霜凍風險指數為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茂旗。該區內9月1—20日平均氣溫12.7～14.8℃，仍低于該時段馬鈴薯生長的最適氣溫。該時段出現日最低氣溫小于-0.5℃的年份占14%～36%，霜凍致險危險性較高風險區有所下降，但該區域馬鈴薯暴露性、脆弱性仍較高，同時防災能力偏低，綜合各項指標，該區為馬鈴薯霜凍災害次高風險地區。

3）中風險區。該區霜凍風險指數為0.28～0.40，主要分布在烏蘭察布市東南部地區，呼和浩特市中部以及包頭市固陽縣。該區內9月1—20日平均氣溫13.4～16.6℃，部分地區已達到馬鈴薯生長的最適氣溫。該時段出現日最低氣溫小于-0.5℃的年份占比小于10%，霜凍災害致險度減少，同時該區防災減災能力較高，但馬鈴薯暴露性、脆弱性略高，綜合各項指標，該區為中等霜凍災害風險地區。

4）低風險區。霜凍風險指數小于0.28的區域為低風險區，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。該區內9月1—20日平均氣溫15.8～16.9℃，大部地區均達到馬鈴薯生長的最適氣溫。該時段出現日最低氣溫小于-0.5℃的年份占比小于5%，霜凍災害危險性低，同時防災能力高，綜合各項指標，該區屬于馬鈴薯霜凍災害風險較低地區。

3 小結與討論

本研究利用內蒙古中部馬鈴薯成熟期日最低氣溫數據、馬鈴薯生育期觀測資料、馬鈴薯種植面積、馬鈴薯產量等資料，從霜凍災害的危險性、承災體暴露性、脆弱性和防災減災能力4個要素出發，建立了內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害風險評估指標體系；采用層次分析法、加權綜合評分法構建了馬鈴薯霜凍災害風險評價模型；最后，采用GIS技術，繪制了內蒙古中部馬鈴薯霜凍災害綜合風險分布圖。結果表明，馬鈴薯成熟期霜凍災害高風險區主要分布在烏蘭察布市察右中旗和呼和浩特市武川縣；次高風險區主要分布在烏蘭察布市四子王旗、商都縣、卓資縣、化德縣，以及包頭市達茂旗；中風險區主要分布在烏蘭察布市東南部地區，呼和浩特市中部以及包頭市固陽縣；低風險區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。

本研究基于自然災害風險評估理論，構建了內蒙古中部馬鈴薯成熟期霜凍災害風險評估模型，并進行了區劃分析，其結果可為當地馬鈴薯生產規劃、種植結構調整及防災減災措施制定等提供一定的科學依據。但在風險指標的構建上本研究主要以馬鈴薯農業統計資料為主，未來的研究中將綜合考慮社會經濟因素，進一步完善評估模型。