石河子墾區鮮食葡萄冬季休眠期凍害風險評估

黃 娟，顧雅文，王 曼，谷 然

（新疆興農網信息中心，新疆 烏魯木齊 830002）

新疆葡萄凍害發生頻繁，是常見的自然災害之一。在特殊年份，如遇冬季低溫提前來臨，極端溫度過低，低溫持續時間長或者晚霜危害的時候，葡萄容易受到傷害，從而造成極大的經濟損失。如2007年12月—2008年3月，喀什、和田、伊利、石河子和昌吉等地出現較長時間的嚴寒天氣，最低氣溫降至-36 ℃，面積為7000 hm2的石河子墾區中的鮮食葡萄，149團、150團的受凍面積超過80%，136團將近400 hm2的葡萄園中的葡萄全部凍死。越冬凍害已成為影響新疆特色林果業發展的一個重要制約因素［1］。目前，國內有關葡萄越冬凍害風險的研究方法主要有2種：一方面，結合對受凍葡萄園的實地調查，根據歷年凍害減產情況，對凍害發生的原因進行綜合分析［2-4］；另一方面，結合地理信息系統(GIS)技術，以氣象資料、單產、種植面積資料為基礎，從致災因子危險性、承災體易損性、孕災環境敏感性、防災減災能力等方面進行分析評估，構建模型，進行風險區劃［5-8］。

近年來，由于凍害造成石河子市葡萄園減產甚至毀園的現象時有發生，造成了較大的經濟損失［9］。災前防范措施能在一定程度上減輕氣象災害對農業生產造成的損失，例如改善農田管理技術措施、增設農業氣象防災減災設施、調整土地管理計劃等，但農業保險的災后重建功能是其他防范措施無法替代的［10］。在一些沒有農業災害風險評估及補貼的地區，發生相關農業氣象災害后，農戶只能依靠緊急貸款、社會援助或親屬救濟來恢復災后生產與建設［11］。本研究通過構建葡萄休眠期凍害氣象指標，從孕災環境敏感性、致災因子危險性、承災體脆弱性、防災減災能力4個方面進行分析，對石河子墾區葡萄休眠期凍害風險進行綜合風險評估，以期為今后氣象指數保險的應用和發展提供科學參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

石河子墾區地處84°58′~86°24′E， 43°26′~45°20′N。轄14個團場，總面積6007 km2，耕地面積為2456 km2。石河子墾區冬季寒冷漫長、夏季炎熱短暫，無霜期168~171 d，屬于溫帶大陸性氣候。氣候條件適于鮮食葡萄的種植，因此，石河子墾區是全國鮮食葡萄種植面積最大的地區之一，2021年種植面積達7333.3 hm2。2013年9月10日，“石河子鮮食葡萄”獲批地理標志農產品［12］。

1.2 數據來源

氣象資料來自石河子氣象站的地面氣象觀測資料，時間序列為1981—2020年冬季（12月—翌年2月），主要數據包括逐日的地面最高溫度、地面最低溫度、平均地面溫度(0 cm)、平均地溫(40 cm)、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、最大雪深等。鮮食葡萄越冬凍害資料來自石河子市農業部門1981—2020年災情統計數據，以及《中國氣象災害大典——新疆卷》《新疆生產建設兵團統計年鑒》及氣象部門災情直報信息。

1.3 數據處理

主成分分析(Principal Components Analysis)作為一種把多個變量化為少數幾個主成分的降維技術統計方法，是常用降維方法之一［13］。計算主成分得分及主成分變量的值。主成分分析等數據相關處理采用SPSS 19.0 統計軟件實現。

2 結果與分析

2.1 綜合凍害指數的構建

通過查閱相關文獻［14-17］，篩選出1981—2020年可能影響石河子墾區鮮食葡萄冬季休眠期凍害的氣象因子：地面最高溫度、地面最低溫度、平均地面溫度、平均地溫、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、最大雪深，分別定義為變量V1~V10，進行相關性分析（表1），這10個表征冬季低溫的因子之間，除V1、V2、V10之外，其余7個因子呈極顯著的相關關系（P＜0.01）。表明7個因子之間的共線性很強，存在信息重合，可以對因子的主要成分進行分析，將其構建為一個綜合性的因子。

表1 1981—2020年冬季10種凍害因子的相關系數

對以上7個因子進行主成分分析，利用SPSS統計軟件實現。各因子間KMO統計量值為 0.762，表明上述7個凍害因子樣本適用于進行主成分分析，Bartlett球形檢驗Sig值為1.71E-137，小于P=0.01顯著水平，說明變量之間存在相關性，適用于主成分分析。由表2可見，前3個主成分能夠解釋總方差的83.464%，故主成分載荷分析選用前3個主成分進行，即主成分個數m=3(表3)。

表2 冬季7種凍害因子主成分分析結果

表3 主成分因子載荷矩陣

表3中系數的絕對值越大，則該主成分與指標間的關聯性越強。由表3可知，V6、V7、V9在第1主成分中的載荷較大，是用來表征冬季平均氣溫的3個因子，說明第1主成分基本反映了平均氣溫的信息；V5、V8在第2主成分上有較高的載荷，說明第2主成分反映了最高氣溫的信息；V3、V4在第3主成分上有較高的載荷，說明第3主成分反映了地面溫度的信息。因此，提取3個主成分基本能夠反映全部指標的信息，選用3個新變量代替原來7個變量的主要信息。

通過主成分因子載荷矩陣和相應的特征值計算，得出對應的單位特征向量（表4），將得到的特征向量與標準化后的原始因子數據相乘，即得出主成分函數計算式為：

表4 特征向量矩陣

式（1）、（2）、（3）中，Zi1、Zi2、Zi3分別為第i年的第1、第2、第3主成分得分值，Vi′為原始數據標準化后的數據。根據各主成分分析中的方差百分比計算出綜合得分函數，即

式(4)中，Zi為第i年的綜合主成分得分，定義為鮮食葡萄休眠期綜合凍害指數。

2.2 綜合凍害指數的驗證

利用主成分分析方法計算得出1981—2020年石河子鮮食葡萄休眠期綜合凍害指數，結合各年凍害調查資料及文獻中冷冬（年度負積溫距平高于標準差為冷冬，低于標準差為暖冬，中間年份為正常年）年份分析［18］，求解40 a間莫索灣、炮臺、石河子、烏蘭烏蘇等站點的冬季綜合凍害指數，劃分凍害等級（表5）。

表5 凍害等級的劃分

其中，取1981—2020年間的實際冷冬年份1984、1985、1987、1993、1995、2001、2004、2007、2010、2017年為驗證年份［19］，在驗證年份中特重等級準確率為100%，重度為67%以上（莫索灣為67%，其余站點為100%），中度為67%以上（莫索灣為67%，其余站點為100%），輕度和較輕度在50%以上（莫索灣誤差較大，其余站點準確率均在70%以上）（表6）。災害等級均與實際相符，說明該綜合凍害指數能夠很好地反映石河子的實際災情，尤其是重度、特重凍害。

表6 驗證年份準確率 %

2.3 孕災環境敏感性分析

一般來說，孕育災害的環境主要包括大氣環流、天氣系統、水文條件、地形、植被條件、社會經濟條件等。這些環境因素通常被理解為風險載體對破壞的敏感性。葡萄根部的凍害是一種較常見的自然災害，石河子冬季寒冷多雨，當溫度較低或急劇下降時，土壤中的含水量越多，對葡萄根系的損害就越嚴重［20］。

土壤容重應稱為干容重，也稱為土壤擬比重，是指一定容積的土壤（包括土壤顆粒和顆粒之間的孔隙）在干燥后的質量與干燥前的體積之比。土壤的體積密度表示其密實度，容重越大，壓實度就越大，容重也與土壤質量有關。

本研究選取田間持水量、土壤容重作為孕災環境敏感性的指標，其中土壤容重、田間持水量則直接決定著土壤的持水能力，能夠表征石河子復雜的土壤類型。對2個因子分別賦予5個影響等級（表7）；依據不同土壤的田間持水量確定不同的分級標準，利用德爾菲法來確定2個因子的權重分別為田間持水量0.67、土壤容重0.33。分析確定石河子葡萄休眠期凍害的敏感性分級標準（表8）。

表7 孕災環境敏感性因子的分級標準

表8 孕災環境敏感性等級的劃分

由孕災環境敏感性分級指標計算得出，烏蘭烏蘇（143團）、133團、135團、141團、142團、144團、147團、148團、149團為孕災環境高級敏感區，莫索灣、136團為中級敏感區，炮臺、151團為次低級敏感區，122團、132團、134團、152團為低級敏感區。

2.4 承災體脆弱性分析

氣象災害的危險程度與人類經濟社會活動相關，只有當人類社會生活和經濟生產活動受到切實影響時，致災因子作用于承災體的災害風險才能夠體現。承載體的特征要素主要反映其脆弱性、承載力和可恢復性，包括承載體的類型、范圍、數量和密度。承災體的決定作用體現在以下2個方面：一方面，承災體決定了氣象災害風險存在的可能性；另一方面，承災體的性質對災害風險的形式和大小都起到決定作用。在國外，災害承受體的災害脆弱性通常被理解為災害承受體對損害的敏感性，或其被災害事件損壞的可能性。

在氣象研究中，災害承載體的脆弱性是指一旦發生災害，它們可能受到的影響程度［21］。脆弱性在一定程度上也反映出了承災體的暴露程度，暴露程度越大，脆弱性程度就越高。由于承災體的脆弱性反映了災前和災后區域經濟對災害的敏感性，因此選擇種植面積作為分析承災體脆弱性的指標（表9）。

表9 鮮食葡萄種植面積影響程度的劃分

本研究結果表明，承災體脆弱性5級團場有石河子、炮臺、莫索灣、142團、147團、148團、151團、152團；4級團場有122團、132團、133團、141團、149團；3級團場有烏蘭烏蘇、134團、144團；2級團場有135團，1級團場有136團。

2.5 防災減災能力分析

防災減災能力是指各個地區對于氣象災害的防御能力和抵抗水平。防災減災能力值大的地區，說明災害發生前對氣象災害的防御和抵抗能力強，災害發生后的恢復能力也強；防災減災能力值小的地區，說明災前抵御能力和災后恢復能力都較弱。在農業氣象災害發生時，防災減災能力越強，農業生產水平就越高，自然災害對作物的減產作用就越小。因此，防災減災能力評估對農業氣象災害風險評估的影響至關重要。

本研究計劃選擇研究區域的人均GDP作為防災減災能力的指標。人均國內生產總值越大，地方經濟發展水平越高，可用于應對凍害的潛在投資資源就越大，防災減災能力就越強。但是在實際分析中發現人均GDP單一因素的局限性，所以此處引用汪海霞［22］的研究成果，引入“經濟指標”概念，包含人均GDP、人均收入、人均社會總產值（按照1∶1∶1的比例分配），劃分經濟指標影響度（表10）。

表10 經濟指標影響度劃分

表10的結果表明，防災減災能力5級的有135團、136團、151團；4級 的 有122團、132團、133團、134團、141團、144團、147團、152團；3級的有烏蘭烏蘇、炮臺、142團、148團、149團；2級的有莫索灣，1級的有石河子。

2.6 致災因子危險性分析

氣象災害發生的必要條件是致災因子，沒有致災因子災害的發生就缺乏必要條件。致災因子表示氣象條件的異常程度，致災因子危險性表示氣象災害的風險程度。作用范圍越大，風險程度越高，受災面積越大，災害等級越高，對農業生產經濟的破壞性越大。破壞性越大，對人類生產生活的影響程度越大，災害的風險等級也越高。此處直接用上文計算出的綜合凍害指數表示致災因子危險性（表5）。

2.7 風險評估模型的建立

風險評估模型的組成部分有孕災環境敏感性、承災體脆弱性、致災因子危險性、防災減災能力等4個因子，運用層次分析法、加權綜合平均法確定系數，建立墾區葡萄休眠期凍害風險評估模型如式（5），凍害風險等級劃分指標見表11。

表11 石河子墾區葡萄休眠期凍害風險等級的劃分

基于石河子墾區18個團場（鄉鎮）葡萄休眠期凍害風險指數及等級劃分指標，利用ArcGIS技術完成墾區鮮食葡萄越冬休眠期凍害風險區劃（圖1）。

圖1 石河子墾區鮮食葡萄休眠期凍害風險區劃

由圖1可知，墾區南部凍害等級低，凍害風險程度較輕，由南向北凍害風險程度呈增加趨勢。這與石河子墾區冬季北部沙漠冷湖效應，故溫度較低相符合，與孫桂香等［23］的研究結果相一致。

3 小結與討論

（1）1981—2020年期間影響石河子鮮食葡萄休眠期凍害的氣象因子為：逐日平均地面溫度（0 cm)、平均地溫(40 cm)、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫，這與孫桂香等［23］發現石河子葡萄冬季凍害與1—2月平均氣溫、40 cm地溫相關的研究結果相符。本研究完善了氣象要素因子，篩選出平均氣溫指標的信息、最高氣溫的指標信息、地面溫度的指標信息，與王進等［24］的研究結論相一致。

本研究選取田間持水量、土壤容重作為孕災環境敏感性的指標，土壤容重、田間持水量表征土壤的持水能力，不同的土壤類型有不同的熱容量，考慮不同熱容量對氣溫的反映不同，因此影響葡萄園內的地表熱量。選取種植面積作為分析承災體脆弱性的指標，與當前典型的災害風險評估研究方法相同［25-26］，引入“經濟指標”概念（包含人均GDP、人均收入、人均社會總產值）作為防災減災能力的指標，不同于以往研究，能更全面地反映減災能力。本研究構建了鮮食葡萄休眠期綜合凍害指數，經驗證，綜合凍害指數在驗證年份中特重等級準確率為100%，重度為67%以上，中度為67%以上，輕度和較輕度在50%以上。災害等級均與實際相符，說明該綜合凍害指數能夠很好地反映石河子的實際災情，尤其在重度、特重凍害預測中具有參考價值。

本研究運用層次分析法、加權綜合平均法建立墾區葡萄休眠期凍害風險評估模型，結果顯示墾區南部凍害等級低，凍害風險程度較輕，由南向北凍害風險程度呈增加趨勢，這與石河子墾區冬季北部沙漠冷湖效應，故溫度較低相符合。該研究還可以進行延展，用風險指數結合當地經濟系數，進行保險費率的厘定，可以結合遙感等技術手段進行不同地物類型下墊面的差別分析。