基于GIS的水稻氣象災害風險評估
——以四川廣元旺蒼縣為例*

侯奇奇， 楊 柳， 張秀瓊， 謝士娟，馮文帥， 鄒雨伽， 張玉芳

1. 廊坊市氣象局， 河北 廊坊 065000； 2. 四川省農村科技發展中心， 成都 610041；3. 四川省農業氣象中心， 成都 610072； 4. 南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室， 成都 610066

旺蒼縣位于四川盆地北緣， 米倉山南麓， 區域地形以山地為主， 北部地區中山地形為主， 南部地區呈低山地形， 地勢呈現北高南低， 地處中亞熱帶濕潤季風氣候， 降水充沛， 光熱資源豐富， 水稻是旺蒼縣主要的糧食作物之一， 據統計， 2017年旺蒼縣水稻種植面積達1.02萬hm2[1]． 旺蒼縣氣象災害頻發， 干旱、 洪澇、 風雹、 暴雨、 低溫、 陰雨等災害常給旺蒼水稻正常生長帶來影響．

農業氣象災害風險評估是指評估氣象災害對農業生產的危害及其造成損失的過程[2]， 是農業防災減災的重要手段． 國際上關于農業氣象災害風險的研究開始于20世紀80年代后期， 主要集中于建立評估方法體系等方面[3-4]． 國內研究起步相對較晚， 20世紀90年代以后， 一些學者開始對農業氣象災害風險分析的理論、 方法、 模型、 指標等展開研究[5-7]． 針對單種作物災害風險評估， 許多學者開展了大量研究并取得了一定成果[8-10]． 朱琳等[11]根據自然災害分析原理， 建立陜西省冬小麥干旱風險評價模型． 王明田等[12]基于自然災害風險原理， 分別建立玉米干旱氣象風險、 作物風險、 災損風險和抗災模型， 構建綜合風險評估模型． 張雪芬等[13]基于WOFOST作物模型提取晚霜凍災損評估技術， 建立以晚霜凍危險性、 暴露性和脆弱性為風險因子的風險評估模型． 孫寧等[14]利用APSIM-Wheat農業生產模擬模型對北京地區干旱對冬小麥產量影響進行風險評估． 2010年之后， 關于多災種綜合氣象災害風險評價的研究逐漸引起學者關注， 陳家金等[15-17]考慮致災因子危險性、 承災體脆弱性和防災減災能力等方面建立枇杷、 龍眼、 橄欖、 茶葉等產量風險評估模型． 陸魁東等[18]采用相關分析和專家評分的方法， 建立基于氣象因子的油菜氣象災害風險評估綜合指標． 趙俊曄等[19]基于區域自然災害理論， 構建作物自然災害風險綜合評價指標體系， 對省級單元小麥自然災害風險進行綜合評估． 當前關于作物綜合氣象災害風險的研究， 大部分以省、 市為研究對象， 而對縣一級的研究鮮有報道， 本研究利用自然災害風險評估原理， 針對旺蒼縣水稻生育期內主要氣象災害， 綜合分析致災因子危險性、 孕災環境敏感性、 承災體特性及防災減災能力， 構建水稻風險評估體系， 評估旺蒼縣水稻主要氣象災害風險． 以期為復雜地形下的旺蒼水稻科學種植和防災減災提供依據．

1 材料與方法

1.1 資料來源

氣象觀測資料： 國家站資料選取旺蒼及附近4個氣象站點1981-2017年逐日氣溫、 日照時數和降水等氣象資料， 區域站資料選取旺蒼縣19個區域站點2012-2017年逐日氣溫、 降水等氣象資料， 以上資料均由四川省氣候中心提供(站點分布如圖1所示)．

圖1 研究區域氣象觀測站點分布

水稻數據： 水稻生育期資料來自四川省水稻和玉米農業氣象觀測站點數據， 縣級水稻產量、 種植面積等數據來自2017年《四川省統計年鑒》， 鄉鎮水稻種植面積來自2017年《旺蒼縣統計年鑒》．

社會經濟數據來自2017年《旺蒼縣統計年鑒》， 地理信息資料來自國家基礎地理信息中心提供的1∶250 000的數字高程模型(DEM)資料．

1.2 研究方法

根據地理地貌類型以及種植區形成的現狀， 四川盆地分為盆南丘陵區、 盆中淺丘區、 盆西平丘區、 盆周邊緣山地區、 盆東平行嶺谷區5個種植區， 其中旺蒼縣及本研究所選附近氣象站點均屬于盆周邊緣山地區[20]， 片區氣候具有相似性， 由于鄉鎮水稻產量資料局限性， 本研究通過提取同片區(廣元、 蒼溪、 旺蒼、 南江)主要氣象災害類型確定區劃因子， 從而對旺蒼縣水稻氣象災害開展評估．

本研究采用災害風險評估原理對旺蒼縣水稻進行風險評估， 綜合考慮旺蒼縣水稻種植情況、 地形地貌特征和經濟數據等資料， 基于GIS技術平臺， 對旺蒼縣水稻不同生育期氣象災害進行風險評估， 采用加權綜合評價法和層次分析法建立旺蒼水稻綜合氣象災害風險評估體系， 從而對旺蒼縣水稻進行氣象災害風險評估， 利用GIS技術中自然斷點法確定旺蒼縣水稻氣象災害風險等級， 并將其劃分為低風險性、 次低風險性、 中風險性、 次高風險性、 高風險性5個等級．

災害風險評估原理： 自然災害風險是致災因子、 孕災環境、 承災體特征和防災減災能力多方面因素綜合作用的結果， 其中致災因子危險性由氣象災害發生種類、 頻次、 強度等反映． 孕災環境是孕育災害的外部自然環境． 承災體特征是指暴露在自然災害環境下的承災體的危險程度， 主要由脆弱性和暴露性兩方面構成． 防災減災能力作為社會屬性， 由經濟水平、 文化水平、 公共設施以及當地政策等因素共同構成[21]．

FDRI=f(D、V、E、S、P)

(1)

式中：FDRI為危險性；D為致災因子危險性；V為承災體脆弱性；E為承災體暴露性；S為孕災環境敏感性；P為防災減災能力．

加權綜合評價法是根據各指標因子對研究對象的影響程度賦予各因子不同的數量化指標， 并進行綜合評價的方法[21]．

(2)

式中：f為綜合評價指標；Di為第i指標歸一化值；Wi為第i指標權重；m為評價指標個數．

層次分析法是通過專家打分的方法對同一層次指標的重要性進行兩兩比較， 并將比較結果Aij(i，j=1， 2， …，n)寫成n*n階矩陣形式， 構建判斷矩陣， 在建立有序遞階的基礎上， 計算得出矩陣中各指標權重向量和特征根， 計算各層指標權重系數[22]．

自然斷點法是一種根據數值統計分布規律分級和分類的統計方法， 利用數列中的自然轉折點、 特征點， 將相似值進行最恰當地分組， 并使各個類之間的差異最大化．

2 結果與分析

2.1 水稻氣象災害指標提取

水稻屬喜溫、 喜濕、 短日照作物， 研究認為水稻適宜出苗溫度為12～18 ℃， 日均溫20～25 ℃時稻苗生長旺盛， 溫度過高或過低都會影響水稻的正常生長． 溫度過高時， 水稻無法正常開花結實， 空秕粒所占比重上升， 結實率下降， 水稻產量降低， 溫度過低也會影響水稻的秧苗素質， 孕穗期冷害會使得籽粒灌漿過程受阻， 千粒質量下降， 從而造成水稻產量大幅下降． 水稻生長過程中對水分要求也比較嚴格， 水分不足或過多， 都會影響水稻秧苗的正常生長． 綜合水稻生長發育所需環境要求和旺蒼縣特殊地理地形， 初選低溫冷害(灌漿期、 乳熟期)、 高溫(孕穗期、 抽穗期)、 暴雨(抽穗期、 灌漿期)、 連陰雨(抽穗期、 灌漿期)4類8種災害， 并分析不同災害對水稻產量的影響， 具體災害閾值如表1所示．

表1 旺蒼縣水稻主要農業氣象災害指標

采用滑動平均方法從水稻單產中分離得出各地水稻氣象產量[23]， 并與各氣象災害進行相關分析(表2)． 由表2可知， 大部分站點水稻氣象產量與氣象災害之間表現為負相關關系， 其中乳熟期低溫冷害、 抽穗期連陰雨和灌漿期連陰雨對水稻產量影響較顯著， 綜合相關分析結果和旺蒼水稻實際生產， 選取抽穗期高溫、 抽穗期暴雨、 抽穗期連陰雨、 灌漿期冷害、 灌漿期連陰雨和乳熟期冷害6種災害作為旺蒼水稻氣象災害評估的主要影響因素．

表2 各災害發生頻次與氣象產量相關系數(R)

2.2 孕災環境信息分析

旺蒼縣以山地為主， 壑谷縱橫， 地形復雜， 氣象災害與海拔、 地形地貌等環境條件密切相關． 本研究提取海拔、 坡度、 坡向3個地形因子(圖2)， 根據不同氣象災害致災機理， 選取不同地形指標來表示孕災環境敏感性， 參考專家打分法分別賦予不同地形因子對孕災環境敏感性的影響指數(表3)．

圖2 旺蒼縣海拔(a)、 坡向(b)、 坡度(c)分布圖

表3 主要氣象災害地形因子影響指數

2.3 承災體特征分析

2.3.1 承災體脆弱性分析

承災體脆弱性是指承災體在遭受自然災害打擊時的易損程度， 承災體脆弱性越高， 易損程度越嚴重． 本研究從作物敏感性角度分析旺蒼縣水稻種植環境脆弱性程度， 采用歷史產量的變異程度作為脆弱性評價指標[24]． 利用自然斷點法劃分為5個等級， 得到圖3， 其中0≤V<0.2為低脆弱性， 0.2≤V<0.39為次低脆弱性， 0.39≤V<0.57為中脆弱性， 0.57≤V<0.75為次高脆弱性， 0.75≤V≤1為高脆弱性． 由圖3可知旺蒼中西部地區水稻生產脆弱性較低， 易損度低， 檬子鄉、 大河鄉、 萬山鄉、 五權鎮、 大德鄉、 金溪鎮等東部鄉鎮水稻生產脆弱性較高， 易損程度高．

圖3 旺蒼縣水稻生產脆弱性分布

2.3.2 承災體暴露性提取

承災體暴露性是指暴露在自然災害環境下的水稻種植程度， 水稻種植程度越大， 承災體暴露性越高， 受氣象災害威脅越嚴重， 本研究用水稻種植比例來表征承災體暴露性指標[24]， 繪制水稻種植暴露性分布圖(圖4)， 圖中， 0≤E<0.21為低暴露性， 0.21≤E<0.37為次低暴露性， 0.37≤E<0.57為中暴露性， 0.57≤E<0.76為次高暴露性， 0.76≤E≤1為高暴露性． 可知以白水鎮至大德鄉為界， 南部地區水稻種植比例較大， 暴露性較高， 北部地區山地較多， 水稻種植面積小， 承災體暴露性低．

圖4 旺蒼縣水稻暴露性分布

2.4 防災減災能力分析

防災減災能力是指風險承擔者抵御自然災害所制定的方針、 政策、 行動等一系列活動的總稱， 防災減災能力越強， 災害所造成的潛在損失越小． 本研究選取農村居民人均純收入來表征當地防災減災能力， 0≤P<0.33為低防災減災能力， 0.33≤P<0.52為次低防災減災能力， 0.52≤P<0.65為中防災減災能力， 0.65≤P<0.78為次高防災減災能力， 0.78≤P≤1為高防災減災能力． 可知防災減災能力較強地區分布在白水鎮至金溪鎮、 燕子鄉等地區， 檬子鄉、 正源鄉防災減災能力最弱(圖5)．

圖5 旺蒼縣防災減災能力分布圖

2.5 各項指標權重

采用層次分析法(AHP)， 分別計算單災種風險評估指標權重(表4)和綜合氣象災害各指標權重系數(表5)．

表4 水稻單災種風險評估指標權重系數

表5 水稻綜合氣象災害權重系數

2.6 水稻單災種風險評估

2.6.1 抽穗期高溫風險評估

抽穗期是水稻高溫熱害的敏感期， 溫度過高直接影響水稻幼穗分化， 導致最終產量下降． 以抽穗期高溫年平均發生日數為致災因子， 綜合考慮高程、 坡向等地形因子和承災體脆弱性、 暴露性以及防災減災能力， 根據自然斷點法得出旺蒼縣水稻抽穗期高溫風險分布， 如圖6所示， 圖中5個等級分別為： 低風險性(0.25～0.40)、 次低風險性(0.41～0.50)、 中風險性(0.51～0.60)、 次高風險性(0.61～0.70)、 高風險性(0.71～0.88)， 由圖6可知， 旺蒼縣水稻抽穗期高溫風險分布呈現較強的層次性， 西南高東北低， 其中東河鎮、 柳溪鄉、 嘉川鎮、 黃洋鎮、 龍鳳鄉、 尚武鎮等地高溫風險性最高．

圖6 抽穗期高溫風險分布圖

2.6.2 抽穗期暴雨風險評估

水稻不同生育階段耐澇性不同， 據研究， 水稻苗期、 分蘗期耐澇性較強， 抽穗開花期耐澇性最差， 此時遭遇暴雨會影響水稻小穗分化和生殖細胞發育[25-27]． 分析旺蒼縣抽穗期暴雨發生頻率， 地形因子， 承災體脆弱性、 暴露性和當地防災減災能力， 繪制旺蒼縣水稻抽穗期暴雨風險分布圖(圖7)． 分別為： 低風險性(0.25～0.38)、 次低風險性(0.39～0.45)、 中風險性(0.46～0.52)、 次高風險性(0.53～0.60)、 高風險性(0.61～0.75)， 由圖7可知， 旺蒼縣水稻抽穗期暴雨風險分布自西南向東北遞減， 水稻抽穗期暴雨高風險區域主要分布在東河鎮、 黃洋鎮、 嘉川鎮、 柳溪鄉、 龍鳳鄉等地區． 中部和東北部等鄉鎮處于暴雨中風險性或次低風險性地區．

圖7 抽穗期暴雨風險分布圖

2.6.3 抽穗期連陰雨風險評估

連陰雨是指連續多日的陰雨天氣， 8月下旬至9月末的秋季連陰雨正值水稻成熟收獲的關鍵時期， 連陰雨及其伴隨的低溫、 寡照、 高濕等外界環境直接影響水稻干物質積累， 導致水稻減產． 旺蒼縣水稻抽穗期連陰雨風險分布如圖8所示， 5個等級分別為： 低風險性(0.13～0.29)、 次低風險性(0.30～0.37)、 中風險性(0.38～0.46)、 次高風險性(0.47～0.56)、 高風險性(0.57～0.78)． 由圖8可知， 旺蒼縣水稻抽穗期連陰雨風險性呈現東高西低的變化特征， 且大部分地區處于次低、 低風險性區域， 僅檬子鄉至三江鎮以東的鄉鎮， 風險性等級較高， 其中大河鄉、 大德鄉、 金溪鎮東部、 五權鎮東部風險等級最高．

圖8 抽穗期連陰雨風險分布

2.6.4 灌漿期冷害風險評估

考慮灌漿期冷害年平均日數、 水稻產量變異程度以及旺蒼縣海拔和坡向等因素， 利用自然斷點法對旺蒼縣水稻進行灌漿期冷害風險評估， 分別為： 低風險性(0.27～0.40)、 次低風險性(0.41～0.47)、 中風險性(0.48～0.55)、 次高風險性(0.56～0.61)、 高風險性(0.62～0.78)． 由圖9可知， 水稻灌漿期冷害風險呈現自西向東遞減的分布． 其中白水鎮、 尚武鎮、 棗林鎮、 嘉川鎮、 柳溪鄉、 東河鎮、 龍鳳鄉、 九龍鄉等西南鄉鎮水稻灌漿期冷害風險最高， 次高風險性區域沿萬家鄉—麻英鄉—龍鳳鄉呈倒V型分布， 中風險性區域沿鼓城鄉—高陽鎮—三江鎮分布， 東部鄉鎮水稻灌漿期冷害風險性較低．

圖9 灌漿期冷害風險分布圖

2.6.5 灌漿期連陰雨風險評估

灌漿期是連陰雨災害發生的主要時期， 灌漿期連陰雨會影響水稻灌漿結實， 增大水稻空秕率， 影響水稻的成熟收獲， 嚴重時可造成田間籽粒發芽或者籽粒霉爛、 病蟲害滋生， 水稻產量和品質嚴重下降． 旺蒼縣灌漿期連陰雨風險評估為： 低風險性(0.27～0.41)、 次低風險性(0.42～0.48)、 中風險性(0.49～0.55)、 次高風險性(0.56～0.62)、 高風險性(0.63～0.75)． 由圖10可知旺蒼縣西南鄉鎮大多處于高風險或次高風險區域， 其中東河鎮、 嘉川鎮、 柳溪鄉、 尚武鎮東部、 棗林鄉、 黃洋鎮、 龍鳳鄉風險等級最高， 萬家鄉、 鹽河鄉、 天星鄉、 國華鎮、 福慶鄉等西北部鄉鎮水稻灌漿期連陰雨風險等級為中級， 旺蒼東部地區灌漿期連陰雨風險等級較低．

圖10 灌漿期連陰雨風險分布圖

2.6.6 乳熟期冷害風險評估

旺蒼縣水稻乳熟期一般開始于九月中旬， 受大氣環流控制， 這一階段旺蒼縣溫度較低， 水稻主要氣象災害為低溫冷害． 綜合分析水稻乳熟期低溫冷害年平均發生日數、 海拔、 坡向、 水稻產量、 種植比例以及防災減災能力等相關因素， 繪制旺蒼縣水稻乳熟期冷害風險分布圖： 低風險性(0.10～0.25)、 次低風險性(0.26～0.35)、 中風險性(0.36～0.43)、 次高風險性(0.44～0.49)、 高風險性(0.50～0.62)． 由圖11可知， 旺蒼大部分地區水稻處于乳熟期冷害高風險或次高風險區域， 主要分布在中西部鄉鎮， 其中福慶鄉—龍鳳鎮以西鄉鎮均為高風險性地區． 中風險性地區自鼓城鄉至九龍鄉呈南北向分布， 大河鄉、 大德鄉、 金溪鎮和五權鎮西部水稻乳熟期冷害風險等級最低．

圖11 乳熟期冷害風險分布圖

2.7 旺蒼縣水稻氣象災害風險評估

采用多指標綜合風險評估法建立旺蒼縣水稻氣象災害指標體系， 通過專家打分和層次分析方法設定不同氣象災害因子權重， 將不同氣象災害風險均一化處理后， 通過GIS平臺進行柵格計算， 利用自然段點分級法， 將旺蒼縣水稻氣象災害風險劃分為高風險性(1.31～1.62)、 次高風險性(1.08～0.30)、 中風險性(0.86～1.07)、 次低風險性(0.63～0.85)、 低風險性(0.34～0.62) 5個等級， 得出旺蒼縣水稻氣象災害風險分布圖(圖12)． 高風險區： 尚武鎮南部、 棗林鄉東部、 嘉川鎮中南部、 東河鎮中南部、 黃洋鎮中南部、 龍鳳鄉西部、 柳溪鄉． 次高風險區： 白水鎮、 棗林鎮西部、 尚武鎮北部、 嘉川鎮北部、 東河鎮北部、 高陽鎮西南部、 黃洋鎮北部、 普濟鎮中南部、 農建鄉大部、 化龍鄉、 木門鎮、 九龍鄉． 中風險區： 燕子鄉、 麻英鄉北部、 福慶鄉、 雙匯鎮、 高陽鎮中東部、 天星鄉西南部、 國華鎮西南部、 正源鄉南部、 普濟鎮北部、 三江鎮中南部． 次低風險區： 天星鄉中北部、 萬家鄉、 鹽河鄉、 鼓城鄉西部、 國華鎮中北部、 正源鄉北部、 英萃鎮、 大兩鄉大部以及三江鎮北部、 金溪鎮． 低風險區： 鼓城鄉東部、 檬子鄉、 大河鄉、 水磨鄉、 萬山鄉、 五權鎮、 大德鄉、 大兩鄉東部．

圖12 旺蒼縣水稻氣象災害風險分布圖

3 結論與討論

本研究基于自然災害風險評估原理， 基于GIS技術綜合考慮旺蒼縣附近國家站和區域站氣象觀測數據、 水稻種植自然環境、 旺蒼地理地貌特征復雜性、 水稻產量變異性、 種植面積以及當地防災減災能力等相關信息， 構建水稻氣象災害風險評估體系， 對旺蒼縣水稻氣象災害風險開展初步評估， 具體結果如下：

氣象災害風險評估是致災因子、 孕災環境、 承災體和防災減災能力等因子相互作用下的綜合評價的結果． 從致災因子來看， 旺蒼縣對水稻種植影響較大的氣象災害主要有低溫冷害、 連陰雨、 暴雨以及高溫， 主要發生在水稻抽穗至乳熟階段， 其中灌漿期低溫冷害和抽穗期連陰雨對水稻產量影響最大， 高溫對旺蒼水稻生產影響最小． 從孕災環境來看， 旺蒼縣以山地為主， 地勢北高南緩， 腹部低平， 復雜山地下的孕災環境對不同災種的影響存在差異， 高海拔、 陰面山坡對低溫冷害有促進作用， 地勢陡峭、 海拔高地區則有利于暴雨、 連陰雨等災害的發生． 從承災體來看， 暴露性和脆弱性的大小可以用來表征孕災環境對水稻氣象災害的促進或延緩作用， 旺蒼縣南部鄉鎮地勢平緩， 屬農業重點發展區， 水稻種植面積較大， 水稻暴露性較高， 脆弱性較小， 東北部鄉鎮海拔較高地勢險峻， 是生態重點保護區， 水稻種植面積少， 產量變異程度較大， 脆弱性較高但暴露性較小． 防災減災能力是區域范圍內政策、 人力、 物力、 生產力水平等多種因素綜合作用下的結果， 東河、 嘉川等西南鄉鎮是旺蒼經濟發展的核心地區， 經濟水平高， 綜合防災減災能力強， 東北部鄉鎮經濟較薄弱， 綜合防災減災能力弱．

水稻綜合氣象災害風險分布受單災種災害風險分布影響， 旺蒼縣水稻災害風險呈現為西南高東北低的分布， 這與抽穗期高溫、 抽穗期暴雨、 灌漿期連陰雨、 灌漿期冷害以及乳熟期冷害的風險分布類似， 但綜合氣象災害風險分布較單災種風險分布層次較分明． 次高、 高風險地區大多分布在西南鄉鎮， 主要由致災因子危險性高和承災體暴露性高導致， 應不斷提高農業發展水平， 選育抗性強的水稻品種， 提高抵御風險能力， 中風險地區大多在旺蒼中部地區， 該區域在生產過程中應加強水稻種植管理， 改進種植方式， 東北部鄉鎮水稻綜合風險等級低， 但地勢較高， 地形復雜， 孕災環境較為敏感， 且防災減災能力較弱， 也應加以重視．