四川盆區油菜花期連陰雨災害指標及風險分析

郭 翔，趙金鵬，李旭毅，王茹琳1,

（1.中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；2.南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室，四川 成都 610066；3.四川農業氣象中心，四川 成都 610072；4.四川省農村經濟綜合信息中心，四川 成都 610072；5.四川省農業科學院作物研究所，四川 成都 610066）

【研究意義】四川是我國油菜種植和產量第一大省，總產和面積連續多年居全國第1 位［1］，2020 年油菜籽產量達到317 萬t、占全國總產20%以上，油菜種植面積突破133 萬hm2。四川油菜以冬油菜為主，其中四川省盆地區（簡稱“四川盆區”）油菜產量占全省的98%，是我國最大的冬油菜集中產區。四川盆區冬、春季溫度適宜、降水充沛，種植油菜具有明顯的氣候優勢［2］，但由于極端天氣頻發在一定程度上危害其產量和品質。連陰雨天氣是四川盆區的氣候特點之一，也是主要農業氣象災害，縱觀油菜整個生育期，花期是對連陰雨天氣最敏感的時期，而此時正值春季四川盆區連陰雨天氣頻發時段，其中2 月下旬至4 月中旬四川盆區常出現階段性降水偏多、日照持續偏少、空氣濕度較大的情況，導致油菜開花結莢受阻，菌核病流行［3］，從而影響生長發育和產量形成，造成油菜減產。

【前人研究進展】目前，完善的連陰雨災害評估技術和理論體系仍在探索中，但對連陰雨災害的定性分析以及風險區劃等研究已取得了一定成果，如綜合澇害和連陰雨天氣揭示湖南省油菜春季澇漬害時空分布規律［4］；分析水蜜桃低溫、連陰雨等災害發生情況，并基于災害指數構建氣象產量模型［5］；通過構建“災害脅迫-暴露-適應”的連陰雨災害風險評估體系，對全國冬小麥連陰雨災害進行風險評估［6］；基于農業生產資料確定連陰雨災害指數臨界值，建立花生連陰雨天氣指數保險模型［7］。而已發表的對油菜連陰雨災害風險指標的研究，主要從天氣氣候和農業氣象兩方面進行，如基于油菜災損率篩選出安徽省油菜花期連陰雨災害評估指標［8］，通過分析油菜開花期、結莢期、成熟期的連陰雨等氣象災害構建湖南省油菜氣象災害綜合風險指數［9］，利用降水和日照資料建立江淮地區油菜澇漬綜合指標［10］，采用油菜澇漬判別系數模型對江淮地區油菜澇漬害進行識別［11］；基于陰雨強度系數為氣象指標的災害風險評價模型尚未見報道。【本研究切入點】在前人對自然災害風險形成機制的研究基礎上［12］，本研究以連陰雨災害為研究對象，分別分析四川省盆地區油菜花期連陰雨災害危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力，并建立綜合風險評估模型進行評價和區劃。【擬解決的關鍵問題】提高研究區氣象為農服務能力，為四川油菜產業發展和防災減災策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區背景

四川盆區（27°～33°N，102°～108°E）是四川省內油菜的主要種植區，地形以淺丘、平原和山地為主，海拔跨度達1 100 m［13］。根據地理、氣候條件的差異（表1），本研究將四川盆區劃分為5 個油菜種植區（圖1）。各種植區最冷月氣溫仍處于油菜安全越冬的下限溫度以上，使得四川盆區成為同緯度獨一無二的無休眠越冬油菜區。從各種植區的分布（表2）可知，油菜種植比例最大、總產最高的區域為盆中丘陵區；而盆周邊緣山地區由于氣候和地理條件相對較差，種植比例和產量最低。

表1 油菜種植區地理、氣候概況Table 1 General situation of geography and climate of rape planting area

圖1 油菜種植分區Fig.1 Geographical zoning of rape planting area

表2 油菜種植區面積和產量概況Table 2 General situation of rape planting area and output

1.2 資料來源

氣象資料：四川盆區105 個氣象觀測站，1981—2020 年2—4 月逐日地面氣象觀測資料（包括降水量、日照時數）、連陰雨監測資料以及氣象觀測站經緯度資料，來源于四川省農業氣象中心。

農業氣象觀測資料：1981—2020 年油菜物候觀測資料（主要包括始花期、盛花期、花期），來自四川省農業氣象中心。

統計資料：2001—2020 年四川盆區各區/縣糧食產量、農村人口人均純收入、油菜產量和種植面積等，來源于四川省統計局。

地理資料：四川省（分區縣）底圖〔審圖號GS（2017）3320 號〕，來源于四川省農業氣象中心。

1.3 數據處理

1.3.1 油菜花期確定 依據各種植區油菜種植習慣和多年油菜物候期觀測結果，結合油菜栽培專家意見，以能包括油菜主要花期為原則，采用多年油菜普遍花期的均值來反映該區域油菜的花期。

1.3.2 數據標準化處理 采用極差標準化方法［14］處理不同量綱數據，避免對評價結果的影響。

1.3.3 等級劃分 油菜花期連陰雨災害強度等級采用Fisher 最優分割法［15］，分為輕、中、重3個等級；油菜花期連陰雨災害綜合風險等級通過自然斷點法，分為低、中、高3 個等級。

1.3.4 權重確定 對油菜花期連陰雨危險性、暴露性、防災減災能力，及綜合風險評價，均采用層次分析法（AHP）［16］來確定評價模型中的權重，構建判斷矩陣（表3），其一致性比例CR＝0.037＜0.1，通過一致性檢驗。

表3 權重判斷矩陣Table 3 Judgment matrix and weights

1.3.5 空間處理 利用ArcGIS10.0 軟件，處理空間數據［17］，并生成圖片。

1.4 油菜花期連陰雨災害指標

油菜花期連陰雨災害程度取決于連陰雨發生的規模和頻次，本研究選用油菜花期連陰雨發生強度和近40 年連陰雨發生概率作為油菜花期連陰雨災害指標。

1.4.1 油菜花期連陰雨過程 參考四川盆地連陰雨災害研究［18］，將研究區內油菜花期連陰雨災害過程統計標準定義為：日降水量≥0.1 mm 且日照時數＜0.1 h 視作1 個雨日，否則視作1 個非雨日；出現連續3 d 及以上雨日視為1 個連陰雨過程，第1 個雨日出現的時間為連陰雨開始時間；出現連續2 d 日降水量＜0.1 mm 視為連陰雨過程結束，最后1 個雨日為連陰雨結束時間；連陰雨開始和結束之間的時段為連陰雨過程持續時間；若連陰雨過程在3～6 d，則允許過程中可以有1 個非雨日；若連陰雨過程在6 d 以上，則允許過程中可以有不連續的2 個非雨日。

1.4.2 油菜花期連陰雨強度 在查閱油菜花期連陰雨/漬害致災因子研究［8,11,19-20］、多地災害性天氣/氣候地標［21-22］的基礎上，征求多年從事農業氣象災害研究、油菜栽培方面的專家意見，選用連陰雨過程中單日最大降水量、過程累計降水量和持續時間來量化油菜花期連陰雨強度，將單次連陰雨過程的強度（K）表示為：式中，d為連陰雨強度系數，T為連陰雨過程持續時間（d）；rmax為連陰雨過程的日最大降水量（mm）；rsun為1 個連陰雨過程的累計降水量（mm）。其中，油菜花期連陰雨強度系數是在對四川盆區105 個氣象觀測站1981—2020 年油菜花期連陰雨過程統計后，發現連陰雨持續時間主要集中在3～16 d，結合農業氣象觀測和油菜災損指標研究［8,11］等，經過多次調整后確定。某年油菜花期連陰雨強度表示為該年該站點油菜花期所有連陰雨過程的強度之和，分別統計每年各站點在油菜花期的連陰雨強度，再用Fisher 最優分割法將連陰雨強度分為輕、中、重3 級（表4）。

表4 連陰雨強度等級Table 4 Strength grades of continuous rain

1.4.3 連陰雨頻次 依據表4 中油菜花期連陰雨強度等級標準，分別計算各站油菜花期輕、中、重3 個強度等級連陰雨災害發生頻率（F），即：

式中，n為某站油菜花期出現某一強度連陰雨災害的總年數，N為年份序列總長。

1.5 風險評價

基于自然災害風險形成機制，本研究從危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力4 個方面，構建油菜連陰雨風險評價模型［23-24］為：

式中，R為油菜花期連陰雨災害風險指數；H、E、V、C分別為油菜花期連陰雨災害危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力；wh、we、wv、wc則為H、E、V、C各自對應的權重，利用層次分析法確定，分別取0.380、0.364、0.190、0.066。

1.5.1 危險性評價模型 危險性代表致災因子的自然變異程度，本研究用油菜花期連陰雨災害指標來表征。油菜花期連陰雨災害發生的強度越大，頻率越高，則危險性越高，進而導致風險越高。將連陰雨強度分為3 個等級，需考慮不同強度等級連陰在油菜花期造成的影響，因此將危險性模型構建為：

式中，H為危險性；i為連陰雨災害的不同強度等級，i＝1 表示輕度，i＝2 表示中度，i＝3 表示重度；Xi為不同強度等級連陰雨發生頻率；Wi代表不同強度等級在連陰雨災害中的權重系數，通過層次分析法計算，分別取0.105、0.258、0.637。

1.5.2 暴露性評價模型 用暴露性表示油菜暴露于連陰雨災害環境中的情況，本研究從暴露的面積和產量兩方面進行描述，暴露性越大，連陰雨災害導致損失的可能性越大，因此最終風險也會越高。用四川盆區各縣油菜的播種面積比（播種面積與耕地面積的比值）和產量比重（各縣油菜總產與盆地油菜總產的比值）構建暴露性模型：

式中，E為暴露性；Arape、Aall分別表示區/縣油菜播種面積和該縣耕地面積；Orape、Oall分別為區/縣油菜總產和四川盆區油菜總產；wa、wo為權重系數，經層次分析法計算后，分別取值0.75 和0.25。

1.5.3 脆弱性評價模型 油菜在花期遭受連陰雨災害威脅并造成損失的難易程度用脆弱性表示，脆弱性越高，則災害造成的損失程度越大，從而風險越高。本研究用油菜產量變異程度來表征脆弱性［25］，由多年油菜單產標準差與多年油菜最高單產的比值計算得出，表達式為：

式中，V為脆弱性，Yj為某區/縣第j年油菜單產，Ymax為該縣多年最高單產，n為油菜單產序列總長。

1.5.4 防災減災能力評價模型 防災減災能力是反映油菜花期遭受連陰雨災害后，受災區域災后恢復的能力，該能力越高，風險越低。本研究從農業生產水平和經濟投入能力兩方面進行表征，其中某區/縣糧食單產水平表示該區/縣農業生產水平［26］，某區/縣農民人均純收入用以反映經濟投入能力，表達式為：

式中，C為防災減災能力；I為某區/縣農民人均純收入的標準化值；Sj、ASj分別為第j年某區/縣糧食單產和四川盆區平均糧食單產；wi、ws為權重系數，采用層次分析法確定為0.33 和0.67。

2 結果與分析

2.1 危險性分析

油菜花期連陰雨危險性高值區主要集中在盆東、盆南和盆周邊緣山地的西南部（圖2），其中高縣最高，達到0.31。高值區與油菜花期降水量相關，四川盆區冬末初春的氣候特點是，盆東、盆南和盆西邊緣山區降水最多，盆地中、西部次之，在油菜開花期高值區油菜很可能由于陰雨天氣不能正常授粉而影響結莢。盆中和盆西地區危險性較低，從水分條件的角度分析，是種植條件最好的，由油菜種植概況（表2）也能看出，該區域是油菜的主產和高產區域。

圖2 危險性分布Fig.2 Distribution of hazard

2.2 暴露性分析

從暴露性2 個指標和暴露性空間分布圖（圖3）可以看出，盆中和盆東是油菜花期連陰雨暴露性高值區，綿陽市和資陽市暴露性基本在0.45以上，尤其是三臺縣、涪城區等地暴露性達到0.6以上。當油菜進入花期發生連陰雨災害時，暴露性高會導致產量下降，從而影響該區域糧油作物產出的穩定性，其中盆南、盆周山地西南部和盆東局部油菜暴露性較低，基本在0.2 以下，受連陰雨災害影響的油菜較少，產量受到影響也較小。結合2 個指標來看，盆西和盆中區域種植面積比重和產量比重均相對較高，尤其是盆中區域，產量比重較高的區/縣大部分都分布在該區域，而盆南和盆周山區（尤其是盆周山地西南部）種植面積和產量均處于較低水平。這可能是由于四川盆區主要夏收糧油作物為油菜和小麥，而油菜較小麥耐濕，但不如小麥耐旱，因此大部分油菜種植在水分條件較好的壩區和一臺土區域，高臺位和山地上種植的油菜較少，受氣象條件制約，產量也不高。同時，盆南地區熱量資源和水分條件均較好，油菜的前作和后作均為水稻（且前作多為再生稻），在保證前后作產量的情況下，盆南油菜種植面積在減少。

圖3 暴露性2 個指標及暴露性分布Fig.3 Distribution of the two indexes and exposure

2.3 脆弱性分析

脆弱性高值區分布較為分散，在盆南和盆西區域分布相對較多，其中最高值0.41 出現在恩陽區，此外溫江區、彭山區、通川區、沿灘區、高縣、瀘縣等也屬于高值區域，其油菜產量對農業氣象災害的反應最敏感。脆弱度較低的區域在盆東、盆中、盆周邊緣山地和盆西均有分布，其中以成都市主城區最低，這些脆弱度較低地區的油菜在經受災害性天氣后，產量受到的影響較小（圖4）。

圖4 脆弱性分布Fig.4 Distribution of vulnerability

2.4 防災減災能力分析

分別處理農民人均純收入和農業生產水平2個評價指標，依照防災減災能力評價模型，得到防災減災能力。由圖5 可知，成都、德陽、眉山3 市的防災減災能力最強，基本在0.58 以上，結合防災減災2 個指標來看，農民人均純收入和農業生產水平在成都市均較高，災害發生時能有充足的抗災減災資金投入，能及時采取措施減少災損；而以廣元、雅安、樂山南部為主的盆周邊緣山地區，防災減災能力較弱，盆中大部和盆東北大部的災害防治能力處于中間水平。

圖5 防災減災2 個指標及防災減災能力分布Fig.5 Distribution of the two indexes and disaster prevention and mitigation capacity

2.5 油菜花期連陰雨災害風險區劃

通過自然斷點法將四川盆區油菜花期連陰雨災害風險劃分成低、中、高3 個等級（圖6），各等級對應的風險度閾值和所占盆區面積比重見表5。盆東平行嶺谷區風險高，主要是由于該區域花期連陰雨災害發生較頻繁，危險性很高且暴露性也較高造成的；盆南丘陵區大部綜合風險高，主要由于該區域油菜花期連陰雨天氣頻發，導致該區域危險性非常高，雖暴露性較低，但在危險性和脆弱性均較高的情況下，盆南大部仍屬于高風險區；盆中淺丘區以中-高風險為主，其中資陽市及其周邊由于暴露性較高、危險性不低、防災減災能力偏低，屬于高風險區，而其余大部由于暴露性相對較低，處于中等風險區；盆西平原區則以中-低風險區為主，有高風險區零星分布，其中成都市和德陽市區域危險性、脆弱性均偏低且防災減災能力較強，是低風險區域；盆周邊緣山地區北部危險性、暴露性和脆弱性都相對較低，而其西南部雖危險性相對偏高，但暴露性、脆弱性都屬于低值區，因此盆周山區大部屬于低風險區。

表5 風險等級及風險區劃面積比Table 5 Grade of risk and area ratio of risk zoning

圖6 四川盆區油菜花期連陰雨風險區劃Fig.6 Risk zoning of continuous rain for rape during anthesis in Sichuan Basin

從四川盆區整體情況來看，盆東、盆南、盆中風險高于盆西和盆周邊緣山地，盆周邊緣山地北部高于西南部。高風險區主要分布在盆東、盆中和盆南；低風險區主要集中在盆周山區；其余大部區域為中等風險區。從低、中、高3 個風險等級分布面積來看，分布最廣的為中風險區，占了研究區域45%以上，其次為高風險區，低風險區面積占比略小于高風險區，分布最少。

3 討論

連陰雨災害是四川盆區油菜花期頻繁出現的農業氣象災害，本研究結合四川盆區內油菜各種植區的生育期，連陰雨災害的高風險區呈現“盆東、盆南和盆中區域集中分布，盆西和盆西南邊緣區域零星分布”的特點。按照連陰雨氣象災害標準，對四川盆區105 個氣象站1981—2020 年每年2 月中旬至4 月上旬進行統計，大部分站點發生頻率在70%～90%，且盆南＞盆東＞盆中＞盆周＞盆西，與本研究危險性評價相吻合，近年來氣候變化、農業氣象災害時空特征的研究結果也與本研究對危險性的分析趨同一致［27-29］。

結合四川盆區油菜實際生產情況，從連陰雨災害風險的4 個評價要素來看，油菜花期連陰雨的發生情況嚴重影響油菜最終產量及品質，因此致災因子危險性的影響最大，權重最高；油菜暴露在連陰雨天氣下的情況對最終風險的影響也很大，權重略低于危險性；油菜生產自身對連陰雨的敏感程度在風險評價中也較為重要，因此脆弱性權重值居第3 位；社會因素和人類活動僅能在一定程度上降低風險，因此防災減災能力的權重最低。此外，本研究中暴露性、脆弱性和防災減災能力的評價，是通過統計年鑒數據分析研究得到，隨著近年來農業產業結構的調整，農業示范園區的廣泛推廣，這些要素的評價指標也應進一步改進完善。

連陰雨災害是一種復合型的農業氣象災害，春季連陰雨天氣常伴有低溫，因此油菜花期連陰雨災害是由水分、光照和溫度等多種要素共同作用的結果［30］。氣溫低于5 ℃，油菜停止開花［31］，對四川盆區105 個氣象站初春時期（3 月上旬至4月上旬）日均溫低于5 ℃的情況進行統計，發現低溫發生頻率大都在5%～20%，且頻率相對較高的站點多分布在盆周邊緣山地區或海拔較高的地方，因此本研究在連陰雨的定義統計和定量分析中沒有加入氣溫條件。然而，油菜花期遭受不同程度的低溫脅迫，會對其生長和最終產量形成造成影響，因此，將來對油菜花期連陰雨的研究，可以進一步細化評估指標。

油菜花期遭遇連陰雨天氣不利于開花授粉，可能導致落花和分段結莢現象，還影響油菜菌核病的發生［32-33］，因此在油菜花期遭遇連陰雨災害時，需重點關注預防菌核病。盆東平行嶺谷區連陰雨危險性高，且油菜種植面積較大，是油菜菌核病防治的重點區域；盆西南邊緣山地和盆南丘陵區連陰雨危險性高，但油菜種植相對較少，尤其盆南丘陵區常年3—4 月已進入后作作物大面積播種期，因此該區域發生油菜菌核病的壓力較小；盆中淺丘區和盆西平原區，雖連陰雨危險性不高，但該區域地勢相對平坦，低洼田塊較多，加之油菜種植面積和產量均較高，若花期遇連陰雨天氣，田間濕度大，種植密度高，易誘發菌核病造成產量損失，仍需高度關注。

4 結論

對油菜花期連陰雨綜合風險評價與區劃結果表明，油菜花期連陰雨災害綜合風險呈“盆東平行嶺谷、盆南丘陵、盆中淺丘區高于盆西平原和盆周邊緣山地區，盆周邊緣山地北部高于西南部”的特點。盆東平行嶺谷區、盆南丘陵區和盆中淺丘區中部多為高風險區，盆西平原區中部及盆周邊緣山地大部處于低風險區，其余地方為中等風險區。

研究結果與四川盆區氣候背景、農業氣象災害時空分布特點等吻合，能很好地呈現和解釋油菜花期連陰雨災害風險，可以為四川油菜生產中防災減災措施及災害保險研究提供參考。