基于GIS技術的常山胡柚凍害風險評估

高操　張方敏　孫瑜

摘要：對常山胡柚（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）凍害進行風險評估，為常山縣胡柚種植提高產量及凍害防災減災提供科學指導。通過自然災害風險指數及層次分析法，綜合考慮常山縣致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體脆弱性和防災減災能力4個方面的影響，確定常山縣胡柚凍害的風險分布情況。常山縣胡柚凍害地區(qū)分布不均勻，從西南到東北凍害風險有遞增趨勢。西南部是遭受凍害的低風險區(qū)，更適宜胡柚的種植，而東北部及南部的山地丘陵地帶是遭受凍害的高風險區(qū)，不適宜胡柚的種植。凍害區(qū)劃可以為今后胡柚的種植及防災減災提供指導。

關鍵詞：胡柚（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）；凍害；等級劃分；風險區(qū)劃

中圖分類號：S666 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）09-0108-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.09.026

Application of GIS to Risk Assessment of Frost Damage of Changshan Grapefruit

GAO Cao1，ZHANG Fang-min2，SUN Yu2，LI Lan-xin2，LIU Jiang2，LI Wei-peng2，HUANG Chong3

（1.Guodian Environmental Protection Research Institute，Nanjing 210031，China；2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China；3.Quzhou Meteorological Center，Quzhou 324000，Zhejiang，China）

Abstract： To evaluate the risk of freezing damage of Changshan Grapefruit（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou），and to provide scientific guidance for Grapefruit production in Changshan county and the prevention of freezing damage. Through the natural disaster risk index and the analytic hierarchy process，the dangerousness of freezing disaster-causing factors，the environmental susceptibility of the disaster，the vulnerability of the disaster-bearing body and the ability of disaster prevention and mitigation of freezing damage were studied. According to the risk division map of Grapefruit in Changshan county，it was found that the distribution of the freezing damage in Changshan county was uneven. The risk of freezing damage increases from southwest to northeast. The southwest region is the lowest risk area of freezing damage，and more suitable for the cultivation of grapefruit. In contrast，the northeastern and southern mountainous hills is a highly risk area of frost damage，so it is less suitable for the cultivation of Grapefruit. Results provide guidance for the Grapefruit cultivation and freezing disaster prevention and reduction for grapefruit.

Key words： grapefruit（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）；freezing damage；grading；risk zoning

常山胡柚（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）是浙江省特有的珍貴的地方良種雜柑[1]。近年來，極端天氣頻發(fā)，加重了低溫危害，給胡柚造成減產甚至絕收[2，3]。研究發(fā)現(xiàn)當最低氣溫降至-4～-5 ℃時，冬季負積溫達20 ℃·d以上，低于0 ℃天數達15 d以上，將造成胡柚苗木和幼齡樹不同程度的凍害[4-6]。貝增明等[5]提出當溫度低于-13.7 ℃胡柚枝條將被凍死。汪紅燕等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)若極端最低氣溫持續(xù)在 -3 ℃以下，將對胡柚產量造成極大影響，如果連續(xù) 3 d以上最低氣溫低于-3 ℃會引起較嚴重的減產。

常山胡柚作為常山縣特有的地方柑橘良種，擁有極高的商品經濟價值。由于常山縣地處柑橘種植的北緣地區(qū)，凍害不僅影響胡柚的生長發(fā)育，導致產量下降，品質降低，而且削弱樹勢，降低果樹抗寒能力[2]。基于凍害對該地區(qū)胡柚的影響研究目前還比較少，本研究通過建立常山胡柚凍害等級指標及其災損評估標準，客觀評估胡柚凍害的風險區(qū)劃情況，為胡柚種植提供指導。

1 材料與方法

數據資料包括常山胡柚主要種植區(qū)的16個氣象臺站2013—2016年的氣象觀測資料、30 m分辨率高程（DEM）數據、人口數據及胡柚種植產值數據。

通過計算得到年極端最低氣溫Tmin（℃）和低于-5 ℃的持續(xù)天數，然后采用反距離加權方法進行30 m×30 m的插值處理。利用DEM數據在ArcGIS 10.2中計算得到30 m分辨率的坡度和坡向。對于16個鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道胡柚種植面積、胡柚產量和人口3個指標，先將其數字化到常山縣行政區(qū)劃面狀矢量圖上，然后再在ArcGIS 10.2中轉換成30 m×30 m的柵格數據。

2 風險評估系統(tǒng)的建立方法

2.1 確立風險評估指標

本研究基于自然災害風險形成機制，采用自然災害風險指數法（Natural Disaster Risk Index，簡稱NDRI）[8，9]，即自然災害風險度=危險性×敏感性×脆弱性×防災減災能力，綜合考慮致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體脆弱性和防災減災能力4個方面影響估算凍害對胡柚的影響，綜合確立常山胡柚凍害風險評估指標。

2.2 計算評價因子權重

采用層次分析法確定綜合區(qū)劃指標權重。層次分析法是將多層次、多準則的復雜問題分解為各個組成因素，將這些因素按支配關系分組形成有序的階層次結構，通過兩兩比較的方式，確定層次中各因素的相對重要性，再加以綜合以決定評價因子的相對重要性順序，也就是權重[2]。

1）建立層次結構模型。首先把復雜問題分解為不同的層次。同一層次的要素作為準則，對下一層的某些要素起支配作用，同時它又受上一層次要素的支配。

2）構造判斷矩陣。將同一層中各因素相對于上一層而言進行兩兩比較，對每一層中各因素相對重要性給出一定的判斷，并進行兩兩因素之間的比較，就形成了判斷矩陣。

3）CR檢驗。對判斷矩陣所求的權重是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗公式為CR=CI/RI。公式中CR為判斷矩陣的一次性比率，CI為判斷矩陣的一般一致性指標，RI為判斷矩陣。當CR<0.1時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權數是分配合理的，否則就需要調整判斷矩陣，直到取得具有滿意的一致性為止。

根據常山胡柚生長發(fā)育的實際情況，選取年極端最低氣溫（Tmin）和低于-5 ℃的持續(xù)天數作為胡柚凍害致災因子危險性指標；選取海拔高度和坡向作為胡柚凍害孕災環(huán)境敏感性指標；選擇地均胡柚面積和地均胡柚產值作為承災體脆弱性指標；選取國內生產總值和人口等表示常山縣的防災減災能力。根據層次分析法，分別計算得出年極端最低氣溫（Tmin）、低于-5 ℃的持續(xù)天數、海拔高度、坡向、地均胡柚面積、地均胡柚產值、國內生產總值和人口的權重系數。

通過層次分析法計算得到年極端最低氣溫Tmin（℃）和低于-5 ℃的持續(xù)天數權重系數分別為0.6和0.4；海拔高度和坡向權重系數分別為0.65和0.35；胡柚種植面積和胡柚產量權重系數分別為0.55和0.45；人口數權重系數為0，國內生產總值權重系數為1。

2.3 建立風險評估系統(tǒng)

由于所選指標的單位和量級不同，為了便于計算，首先對各指標值進行預處理，即將各指標量化成可計算的0～1之間的無量綱指標，計算公式如下：

3 胡柚凍害風險評估

由圖1可知，常山縣胡柚凍害致災因子危險性由東南向西北遞增，南部低于北部，說明北部低溫天氣更多，發(fā)生凍害的危害性更大，南部較為溫暖，發(fā)生凍害的危害性相對較小。凍害發(fā)生的低危險區(qū)主要分布于常山縣東南部的水南村和湖頭村，凍害發(fā)生的可能危害最小；周邊的古縣村、三衢石林、五里亭村等發(fā)生凍害的危險性也較低，屬于次低危險區(qū)。相比而言，常山縣東北部的詹村、芙蓉湖村及新昌村最易遭受凍害，特別是詹村遭受凍害的危害最嚴重；西南部比如紅旗崗村、長風電站、十八里村等及東北中部的金源村屬于中等危險區(qū)。

由圖2可知，常山縣中部地形較為平坦，如長風電站、官莊橋村、十八里村等，屬于凍害孕災環(huán)境低敏感區(qū)。常山縣東北部、西北部、南部多為山地丘陵地帶，屬于凍害孕災環(huán)境高敏感區(qū)，特別是東北部的詹村和芙蓉湖村附近為凍害孕災環(huán)境高敏感區(qū)，更易遭受凍害。

考慮胡柚種植面積及產量分析凍害對胡柚承災體脆弱性，如圖3所示，常山縣西南部脆弱性低于東北部和東南部。西南的長風電站、官莊橋村及十八里村屬于低脆弱區(qū)，胡柚種植面積大，能獲得較高的產量。而東南部的古縣村、水南村及湖頭村由于丘陵地帶，種植面積及產量都不大，但是該區(qū)域為高脆弱區(qū)，而東北部的詹村和芙蓉湖村及中部的三衢石林為胡柚受凍害影響的中脆弱區(qū)。

考慮各鄉(xiāng)鎮(zhèn)常住人口分析凍害防災減災能力，由圖4可知，兩個高風險區(qū)和兩個低風險區(qū)，從西南向東北呈現(xiàn)交替分布的狀態(tài)。西南部山嶺村及紅旗崗村和偏中部的三衢石林、水南村、湖頭村的防災減災能力高，受凍害后恢復能力最強；其次是東北部的詹村、芙蓉湖村，屬于次高防災減災能力區(qū)。偏西南中部的長風電站、官莊橋村、十八里村及偏東北中部的新昌村、金源村人口較少，受災后不能更快地恢復，防災減災能力較低。

綜合考慮常山縣胡柚致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體脆弱性及防災減災能力，得到凍害風險空間分布，如圖5所示。從圖5可知，常山縣胡柚凍害風險大致呈現(xiàn)東高西低的趨勢。西南部和中北部的紅旗崗村、長風電站、官莊橋村、十八里村、五里亭村屬于低風險區(qū)，是胡柚種植的最適宜區(qū)，受凍害影響最小，災害后能更快恢復。東北部至南部屬于丘陵地區(qū)，是胡柚凍害的高風險區(qū)，不適宜胡柚的種植。但是不同地區(qū)不適宜種植的原因不同，比如東北部的詹村、芙蓉村等，雖然胡柚對冷害脆弱性很強，同時該地區(qū)針對冷害的減災防災能力強，但是該地區(qū)的冷害對胡柚的危險性和敏感性很強，造成該區(qū)域是胡柚受凍害影響的高風險區(qū)，而南部的湖頭村等是雖然冷害發(fā)生的危險性低，減災防災能力強，但是胡柚對冷害影響很敏感也很脆弱，所以造成該區(qū)域也是胡柚種植受冷害影響的高風險區(qū)。

4 結論與討論

根據常山縣的氣象資料、地形、人口經濟、胡柚種植信息等建立了胡柚的凍害風險評估模型，定量對影響胡柚的致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體脆弱性及防災減災能力進行了分析，評價了影響常山縣胡柚的凍害風險情況。總體上，從西南到東北凍害風險有遞增趨勢。西南部地勢較為平坦，溫度適宜，種植面積大，人口較多，胡柚產量大，災后能更快地恢復，是遭受凍害的低風險區(qū)，長風電站及官莊橋村一帶雖人口較少，防災減災能力較弱，但氣候、地形條件適宜，所以適宜大范圍的種植胡柚。而東北部屬于山地丘陵地帶，低溫天氣多，種植面積少，產量相對較低，災后恢復能力差，屬于凍害高風險區(qū)。南部的湖頭村一帶雖然較為溫暖，天氣條件適宜，人口較多防災能力強，但地屬山地丘陵，地形的條件限制了胡柚的種植與生長，只適宜小范圍的種植。中部地區(qū)由于其氣候條件、地形條件及人口條件等適中，屬于凍害中風險、次高風險區(qū)。影響凍害風險的因素中氣象因子占主要部分，地形的影響次之，人口分布及胡柚種植面積都受這兩個因素影響，從而影響胡柚產量及災后恢復。

依托GIS系統(tǒng)技術下，考慮氣象要素、地理要素、社會經濟人口要素進行綜合考慮，得到直觀的、科學的區(qū)劃，可以科學地指導胡柚種植，搭建了應用氣象與農業(yè)的橋梁[10]，為以后更多的應用做準備。結合遙感反演技術和GIS技術將是未來區(qū)域評估的重要應用手段[11，12]。風險區(qū)劃能直觀地大致指導生產實踐活動，但是由于數據的精度及時效性[13-15]，可能區(qū)域評估在實際應用中有一定的偏差，這就要求未來加強精細化工作的開展，更進一步地提高區(qū)劃精度。

參考文獻：

[1] 俞日梁，陳新建，葉杏元，等.常山胡柚品種起源及栽培研究進展[J].浙江林業(yè)科技，2006，26（3）：83-86.

[2] 余麗萍，李正洲，金志鳳，等.衢州市胡柚種植生態(tài)適宜性分析[J].生態(tài)學雜志，2012（11）：2762-2766.

[3] 葉杏元，貝增明，繆天綱.常山胡柚抗凍性測定和田間凍害調查[J].中國南方樹，2000，29（S0）：19-21.

[4] 李 婷.胡柚凍害預防與凍后護理[N].云南科技報，2009-12-14（3）.

[5] 貝增明，葉杏元.常山胡柚特性及栽培技術[M].北京：中國科學技術出版社，2003.

[6] 趙四清，貝增明，葉杏元.胡柚落花落果及果實生長發(fā)育規(guī)律研究[J].中國南方果樹，2000，29（S）：24-25.

[7] 汪紅燕，吳文明.凍害的氣象因子與胡柚產量的相關性分析[J].浙江農業(yè)科學，2008（6）：669-671.

[8] 黃崇福.自然災害風險分析的基本原理[J].自然災害學報，1999， 8（2）：21-30.

[9] 王春乙，張繼權，霍治國，等.農業(yè)氣象災害風險評估研究進展與展望[J].氣象學報，2015（1）：1-19.

[10] 許 昌，陳 琦，王領香.柑橘優(yōu)質高產與浙江氣候[M].北京：中國林業(yè)出版社，1999.

[11] 金志鳳，尚華勤.GIS技術在常山縣胡柚種植氣候區(qū)劃中的應用[J].農業(yè)工程學報，2003，19（3）：153-155.

[12] 周治國，曹衛(wèi)星，朱 艷，等.基于GIS的作物生產管理信息系統(tǒng)[J].農業(yè)工程學報，2005，21（1）：114-118.

[13] 金志鳳，黃敬峰，李 波，等.基于GIS及氣候-土壤-地形因子的浙江省茶樹栽培適宜性評價[J].農業(yè)工程學報，2011，27（3）：231-236.

[14] 黃淑娥，殷劍敏，王懷清.“3S”技術在縣級農業(yè)氣候區(qū)劃中的應用[J].江西農業(yè)大學學報，2000，2（2）：271-273.

[15] 李迎春，殷劍敏，辜曉青，等.3S技術支持下南方早梨氣候-地形-土壤精細化綜合區(qū)劃[J].中國農業(yè)氣象，2007，28（4）：94-99.