屯昌縣蜜柚精細(xì)化農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃①

陳升孛 張亞杰 張明潔 陳 亮 黃 興 張京紅③

(1海南省氣象服務(wù)中心 海南海口570203;2海南省氣候中心 海南海口570203;3海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海南海口570203;4中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所 海南海口571101)

屯昌蜜柚種植以‘黃金蜜柚’為主，該品種具有生長快、結(jié)果早、產(chǎn)量高、口感好、上市早、效益高、管理簡單以及果品耐貯運(yùn)等特點(diǎn)［1］。2015年，海南省已將屯昌縣列為蜜柚發(fā)展的主要地區(qū)，屯昌縣還將繼續(xù)擴(kuò)大蜜柚種植規(guī)模，規(guī)劃發(fā)展規(guī)模達(dá)到0.67萬hm2。屯昌縣雨量充沛，光照充足，農(nóng)業(yè)氣候資源豐富，有利于蜜柚生長。但屯昌地處熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域，且冬季常有寒潮侵襲，夏、秋季常受臺(tái)風(fēng)影響［2］，導(dǎo)致熱帶作物寒害、風(fēng)害頻發(fā)［3］。因此，開展屯昌縣蜜柚精細(xì)化氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，可為蜜柚種植區(qū)域布局提供重要參考，也為其栽培管理和災(zāi)害防御提供依據(jù)。

20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析研究方面取得了一定成果［4-5］。在農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方面的研究多是以糧食作物［6-14］為研究對象，以某種或多種氣象災(zāi)害為災(zāi)種，以區(qū)域或省級(jí)為研究范圍。而由于經(jīng)濟(jì)作物種植較分散，氣象站點(diǎn)分布稀疏，加上生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不易獲取，關(guān)于經(jīng)濟(jì)作物的研究較少。金志鳳等［15］構(gòu)建了茶葉氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型，研究了浙江省茶樹種植農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)化空間分布圖；鄒海平等［16］采用加權(quán)法和自然斷點(diǎn)法構(gòu)建海南島冬種瓜菜暴雨洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；劉少軍等［17］基于風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)理開展海南島橡膠寒害和風(fēng)害的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，并進(jìn)行了綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；張蕾等［18］通過災(zāi)情反演，構(gòu)建海南冬種瓜菜苗期氣象災(zāi)害致災(zāi)等級(jí)指標(biāo)，進(jìn)行瓜菜綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；孟丹等［19］綜合考慮氣候、地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況等多個(gè)因素，開展鄂西煙草種植氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；陳家金等［20-21］利用縣級(jí)氣象站點(diǎn)資料開展福建省番石榴、烤煙氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃；張亞杰等［22］通過建立海南島橡膠寒害風(fēng)險(xiǎn)評估模型，開展橡膠寒害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

上述研究多是針對全國、省級(jí)或跨地區(qū)開展研究，而關(guān)于縣級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究未見報(bào)道，且針對柚類作物的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究尚未開展。隨著氣象部門在全國建設(shè)地面區(qū)域自動(dòng)氣象觀測站的發(fā)展，海南省陸地區(qū)域自動(dòng)氣象站網(wǎng)已覆蓋全部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，水平網(wǎng)格8 km×8 km，相比縣級(jí)氣象站插值或小網(wǎng)格推算而言具有觀測資料準(zhǔn)確度、空間分辨率高等優(yōu)勢。因此，本文借鑒其他作物風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃先進(jìn)技術(shù)，嘗試?yán)酶呙芏鹊膮^(qū)域氣象站點(diǎn)歷史資料，綜合考慮寒害和風(fēng)害對屯昌蜜柚影響，選擇致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性3個(gè)因子建立風(fēng)險(xiǎn)評估模型，開展屯昌蜜柚精細(xì)化農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)域概況

屯昌縣位于海南島中部偏北，地處五指山北麓，南渡江南岸。南北長55 km，東西寬52 km，面積1 231.5 km2，占海南省陸地面積的3.6%。屯昌縣為低山丘陵地帶，地勢呈南高北低，東西有山地，山地占全縣總面積5%，丘陵占85%，其他地占10%。

1.1.2 資料來源

氣象資料為昌江縣及周邊市縣國家和區(qū)域氣象站2006～2017年39個(gè)地面氣象觀測資料（圖1），氣象要素主要為平均氣溫、最低氣溫、降水量、風(fēng)速等，資料來源于海南省氣象信息中心；熱帶氣旋資料為2006～2017年影響海南省的熱帶氣旋歷史數(shù)據(jù)。地理信息資料包括DEM（Digital Elevation Model，即數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)、屯昌縣行政邊界等資料，其中DEM為SRTM空間分辨率90 m的海南省DEM數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)為2015年全國土地利用數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所；利用ArcGis10.2軟件提取了屯昌縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)DME、土地利用類型等信息。屯昌縣蜜柚種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于屯昌縣農(nóng)業(yè)局和海南省統(tǒng)計(jì)年鑒。

圖1 屯昌縣及周邊區(qū)劃氣象站點(diǎn)

1.2 方法

1.2.1 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型 基于氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成的機(jī)理［23-25］，選擇致災(zāi)因子危險(xiǎn)性（H）、孕災(zāi)環(huán)境敏感性（S）、承災(zāi)體脆弱性（V）3個(gè)因子，構(gòu)建定量化的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型，見式（1）。

式中：R為屯昌蜜柚氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；α、β、γ為評價(jià)因子的權(quán)重。

致災(zāi)因子危險(xiǎn)性是指氣象災(zāi)害的異常程度，主要是由氣象危險(xiǎn)因子活動(dòng)規(guī)模（強(qiáng)度）和活動(dòng)頻次（概率）決定的［23］。一般氣象危險(xiǎn)因子強(qiáng)度越大，頻次越高，氣象災(zāi)害所造成的損失越嚴(yán)重，氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)也越大。針對單一災(zāi)種，危險(xiǎn)性評價(jià)可以僅用危險(xiǎn)因子的變異強(qiáng)度和災(zāi)害的發(fā)生頻次表示。

危險(xiǎn)性評價(jià)模型可用式（2）表示：

式中：H為蜜柚氣象災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)，Hi表示第i種災(zāi)害指標(biāo)值，wi為第i種災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)的權(quán)重。屯昌蜜柚氣象災(zāi)害有寒害、臺(tái)風(fēng)、干旱災(zāi)害，由于果園一般種植灌溉和排水條件較好，因此，本文主要考慮蜜柚寒害和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害，寒害指數(shù)和風(fēng)害指數(shù)計(jì)算方法見下文，權(quán)重分別為0.3和0.7。

孕災(zāi)環(huán)境敏感性反映了在同等氣候條件下周圍環(huán)境對氣象災(zāi)害影響的增加或減弱的敏感程度。地形地勢對氣溫、風(fēng)力等有著再分配的作用，導(dǎo)致不同地形地區(qū)的氣溫、風(fēng)力等差異明顯，因而使得受害程度各異，主要以高程、坡向、坡度、坡位等地形因子衡量孕災(zāi)環(huán)境對蜜柚造成的綜合影響［26-27］，計(jì)算方法見式（3）。

式中：S1為高程因子，用高程標(biāo)準(zhǔn)差來衡量；S2為坡向因子；S3為坡度因子；S4為坡位因子，用地形坡位指數(shù)表示；α1、β1、γ1、δ1為各因子的權(quán)重，由層次分析法確定。

承災(zāi)體脆弱性是指在給定危險(xiǎn)地區(qū)存在的由于潛在危險(xiǎn)因素而造成的傷害或損失程度，綜合反映了自然災(zāi)害的損失程度。農(nóng)作物的脆弱性是作物自身對災(zāi)害的敏感性和暴露性的綜合體現(xiàn)，并隨著地理位置、時(shí)間以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境而變化［28］。因此，承災(zāi)體自身由于地理位置等外部環(huán)境的改變，在同等氣象災(zāi)害強(qiáng)度影響下，其損失程度差異顯著，敏感性越大，則遭受的損失越大；種植面積與土地面積之比越大，暴露于災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)中的承災(zāi)體就越多，可能遭受的潛在損失就越大。綜合考慮屯昌蜜柚的敏感性和暴露性，計(jì)算其脆弱性，見式（4）。

式中：V1表示蜜柚氣象災(zāi)害敏感性，用災(zāi)年產(chǎn)量變異系數(shù)和區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平表示，見式（5）。

式中，C表示災(zāi)年產(chǎn)量變異系數(shù)；Rs表示屯昌蜜柚應(yīng)對災(zāi)害的適應(yīng)能力或恢復(fù)能力，用區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平來表示［22］，見式（6）。

式中：Yi表示某年蜜柚產(chǎn)量，表示n年平均產(chǎn)量。災(zāi)年產(chǎn)量變異系數(shù)越大，表明產(chǎn)量波動(dòng)越大，抗災(zāi)能力越弱，生產(chǎn)面臨的風(fēng)險(xiǎn)越大。

Rs用區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平表示，見式（7）。

式中：Yi表示某地區(qū)第i年的蜜柚單產(chǎn)，SYi表示第i年蜜柚平均單產(chǎn)。蜜柚單產(chǎn)的多少，可以作為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平高低的標(biāo)志。生產(chǎn)水平越高，對災(zāi)害的抵抗能力越高，災(zāi)后恢復(fù)能力越強(qiáng)，脆弱性越小。

V2表示屯昌蜜柚承災(zāi)體暴露性，一般用作物種植面積與當(dāng)?shù)氐耐恋孛娣e之比表征承災(zāi)體暴露性。但由于屯昌蜜柚屬于近幾年種植的新品種，目前正處于發(fā)展期，種植區(qū)域較小，為了使氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃更具有實(shí)際指導(dǎo)意義，本文以屯昌縣林地面積與土地面積之比表征承災(zāi)體暴露程度。從中國土地利用類型空間分布圖中提取屯昌縣林地類型中其它林地（果園、桑園、茶園、熱作林園等）數(shù)據(jù)計(jì)算暴露性，見式（8）。

式中：V2為蜜柚承災(zāi)體暴露性指數(shù)，Ai表示某塊林地面積，A為屯昌縣行政面積。

α2、β2為各因子的權(quán)重，由熵權(quán)法［29］確定。

1.2.2 屯昌蜜柚寒害指標(biāo) 依據(jù)熱帶經(jīng)濟(jì)作物寒害發(fā)生的天氣條件，一般將寒害分為平流型寒害、輻射型寒害。參照其他熱帶經(jīng)濟(jì)作物［30-31］確定屯昌蜜柚寒害標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)日最低氣溫≤5.0℃（柚樹輻射型寒害的臨界溫度）時(shí)，柚樹出現(xiàn)輻射型寒害；在日照時(shí)數(shù)不大于2 h的情況下，日平均氣溫≤15.0℃（柚樹平流型寒害的臨界溫度）時(shí)，柚樹出現(xiàn)平流型寒害。選取6個(gè)致災(zāi)因子：年度極端最低氣溫、年度最大降溫幅度、年度寒害持續(xù)日數(shù)、年度輻射型積寒、年度平流型積寒、年度最長平流型低溫天氣過程的持續(xù)日數(shù)，構(gòu)建寒害指數(shù)［30］。針對屯昌蜜柚寒害危險(xiǎn)性評價(jià)，用寒害的強(qiáng)度和頻率來描述，計(jì)算方法見式（9）。

式中：H1為蜜柚寒害的危險(xiǎn)性；CI為寒害指數(shù)；P為寒害發(fā)生的頻率。

1.2.3 屯昌蜜柚風(fēng)害指標(biāo) 統(tǒng)計(jì)2006～2017年進(jìn)入海南省防區(qū)［32］的所有熱帶氣旋，按照業(yè)務(wù)中使用的熱帶氣旋評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表1），統(tǒng)計(jì)分析歷年歷次熱帶氣旋對各地區(qū)的影響情況，對一般影響、中等影響和嚴(yán)重影響個(gè)數(shù)加權(quán)求和，將其作為風(fēng)害指數(shù)，見式（10）。

表1 熱帶氣旋評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

式中：H2為風(fēng)害指數(shù)，C1為一般影響熱帶氣旋個(gè)數(shù)，C2為中等影響熱帶氣旋個(gè)數(shù)，C3為嚴(yán)重影響熱帶氣旋個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)劃指標(biāo)及等級(jí)劃分

根據(jù)屯昌蜜柚氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制，在綜合分析致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性的基礎(chǔ)上，建立屯昌蜜柚氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型。各評價(jià)因子的權(quán)重主要通過層次分析法確定，依次取值為0.5、0.3、0.2。將3個(gè)指標(biāo)經(jīng)過歸一化處理后，按照公式（1）進(jìn)行格點(diǎn)計(jì)算，得到屯昌氣象災(zāi)害精細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。基于Natural Breaks分類方法，將屯昌蜜柚氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分為5類（表2），此分類方法的優(yōu)點(diǎn)是使類別之間差異明顯，而類別內(nèi)部差異最小。

2.2 氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果

根據(jù)表2的屯昌蜜柚氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，得出屯昌蜜柚氣象災(zāi)害精細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖（圖2）。從圖中可以看出，屯昌縣蜜柚氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)總體呈現(xiàn)南部山區(qū)偏重、其他地區(qū)較輕的分布特征，各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)均具有較好的區(qū)域性，反映了地形地貌特征對氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布的重要性。屯昌蜜柚各等級(jí)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃具體分布如下：高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)、烏坡鎮(zhèn)南部山區(qū)；較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)、坡心鎮(zhèn)部分地區(qū)；中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，分布較為分散，主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)和烏坡鎮(zhèn)部分地區(qū)；較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，除了楓木鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，主要分布在坡心鎮(zhèn)、西昌鎮(zhèn)、南坤鎮(zhèn)北部地區(qū)，以及新興鎮(zhèn)、屯城鎮(zhèn)部分地區(qū)；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，除了楓木鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，主要分布在坡心鎮(zhèn)、西昌鎮(zhèn)、南坤鎮(zhèn)北部部分地區(qū)，以及新興鎮(zhèn)東部地區(qū)。

表2 屯昌蜜柚氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等級(jí)

圖2 屯昌縣蜜柚氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

3 討論

氣象災(zāi)害是限制屯昌乃至全省蜜柚發(fā)展的主要原因之一。本文借鑒其他熱帶經(jīng)濟(jì)作物中寒害指標(biāo)的定義，以及熱帶氣旋影響等級(jí)指標(biāo)，采用屯昌及周邊市縣區(qū)域自動(dòng)站的觀測資料，構(gòu)建了屯昌蜜柚寒害指數(shù)、風(fēng)害指數(shù)歷史序列，基于風(fēng)險(xiǎn)形成的機(jī)理，構(gòu)建了由致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性3因子組成的蜜柚綜合氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型，計(jì)算屯昌蜜柚氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，得出以下結(jié)論：高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)、烏坡鎮(zhèn)南部山區(qū)；較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)、坡心鎮(zhèn)部分地區(qū)；中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)和烏坡鎮(zhèn)部分地區(qū)；較低和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，除了楓木鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，主要分布在坡心鎮(zhèn)、西昌鎮(zhèn)、南坤鎮(zhèn)北部地區(qū)。綜合各風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)及成因來看，在風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)，可以適當(dāng)調(diào)整當(dāng)?shù)胤N植結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和寒害的監(jiān)測和預(yù)警，營造防風(fēng)林，推廣抗風(fēng)、抗寒栽培和管理技術(shù)，及時(shí)做好風(fēng)害、寒害災(zāi)后恢復(fù)工作，提高蜜柚的防災(zāi)能力，保證穩(wěn)產(chǎn)增收；在較低和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)適宜大面積種植推廣。

本文采用訂正后的區(qū)域自動(dòng)站觀測資料開展農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，克服了因觀測站點(diǎn)稀疏，采用插值方法開展風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃工作存在的精度低、準(zhǔn)確性差等問題。此外，由于海南蜜柚氣象災(zāi)害種類較多，本文只考慮了2種氣象災(zāi)害，且評估指標(biāo)選取未考慮果園生長環(huán)境、管理措施等影響，可能導(dǎo)致部分地區(qū)評估結(jié)果不準(zhǔn)確，但本文從宏觀上給出了屯昌蜜柚種植以來的主要?dú)庀鬄?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分布情況，且屯昌縣蜜柚種植正處于大面積推廣期，可為屯昌縣蜜柚抗風(fēng)、抗寒栽培，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局提供及時(shí)科學(xué)的技術(shù)支撐。