黑龍江省水稻初霜凍災(zāi)害致災(zāi)因子危險性分析*

朱紅蕊，于宏敏，姚俊英，劉赫男，孫爽

(黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱，150030)

0 引言

霜凍是指日平均氣溫高于0℃的溫暖時期，地面和作物體表面的溫度驟降至0℃以下，使作物遭受凍害或死亡的現(xiàn)象。主要發(fā)生在春、秋兩季，春季霜凍也叫終霜凍，主要危害作物幼苗期和果樹花芽期;秋季霜凍也叫初霜凍，主要危害作物乳熟期，影響作物成熟。鑒于霜凍危害多種農(nóng)作物，造成巨大經(jīng)濟損失，很早就引起許多學(xué)者的關(guān)注［1－3］。

黑龍江省是我國重要商品糧基地之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在全國有舉足輕重的地位。同時，由于黑龍江省地處中高緯地區(qū)，其特定的地理位置使其無霜期較短，霜凍常使黑龍江省大田作物受害或致死，影響糧食作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，造成巨大的經(jīng)濟損失。水稻是黑龍江的主要作物，成熟期在9月中上旬，霜凍較早，將會對其產(chǎn)量和質(zhì)量造成重大影響，較早的強霜凍將使糧食減產(chǎn)5%～10%，大約15～30億kg，中等強度的早霜將使糧食減產(chǎn)2%。可見霜凍造成減產(chǎn)的危害程度之大，是影響黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最主要的氣象災(zāi)害之一［4－6］。

盡管近40年來受全球氣候變暖的影響，黑龍江省氣候條件也相應(yīng)地發(fā)生了較大的變化，但初秋冷空氣活動仍然較頻繁，黑龍江省大田主要作物遭受霜凍的潛在危險性仍然存在，因此，有必要對黑龍江省主要農(nóng)作物開展霜凍災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃方法研究，掌握各地霜凍災(zāi)害的等級，進行積極防御，對作物的合理布局，提高糧食產(chǎn)量和質(zhì)量具有積極的參考作用。同時，為了適應(yīng)氣候變化，減輕氣象災(zāi)害損失，保障國家經(jīng)濟建設(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展，有必要重新認識在氣候變化背景下霜凍災(zāi)害的自然屬性和社會屬性，認識霜凍災(zāi)害的時空分布特點和發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，根據(jù)霜凍災(zāi)害的空間分布、影響范圍、影響程度，結(jié)合黑龍江省社會經(jīng)濟發(fā)展水平進行霜凍災(zāi)害區(qū)劃，這對指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)有很重要的現(xiàn)實意義。

本文根據(jù)黑龍江省水稻的生長發(fā)育期，以全省77個臺站1961－2009年的逐日最低氣溫資料、霜凍歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟資料、地理信息數(shù)據(jù)及作物生育期資料為基礎(chǔ)，綜合運用GIS空間分析和災(zāi)害風(fēng)險評估數(shù)學(xué)方法，分析了黑龍江省初霜凍災(zāi)害的災(zāi)情時空特征，并根據(jù)霜凍災(zāi)害的形成機制，確定了致災(zāi)因子，對致災(zāi)因子危險性進行分析與評估，從而為大尺度的作物霜凍災(zāi)害區(qū)劃及農(nóng)業(yè)保險提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料介紹

作物霜凍災(zāi)害常采用的溫度指標有地面最低溫度、最低氣溫、植株體溫。地面最低溫度受下墊面影響較大，情況復(fù)雜，代表性有限;植株溫度高低是霜凍時植株本身溫度的真實反應(yīng)，但葉溫數(shù)據(jù)通常需要通過實驗獲得，區(qū)域較大時數(shù)據(jù)獲取困難，不適用于較大區(qū)域的研究。有研究認為最低葉溫與最低氣溫之間存在統(tǒng)計學(xué)關(guān)系，由實驗得到的作物霜凍災(zāi)害葉溫經(jīng)驗值可以換算成氣溫數(shù)據(jù)，并做成標準以供使用。在實際預(yù)報中，最低氣溫是常規(guī)預(yù)報項目，較易獲得，因此在農(nóng)業(yè)氣象研究中，以氣溫為指標來分析霜凍對農(nóng)作物的影響較合適，可以利用最低氣溫的歷史資料分析霜凍的出現(xiàn)情況。

本研究選用逐日最低氣溫作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所用資料包括:

(1)1961－2009年8－9月全省各臺站逐日最低氣溫資料;

(2)1984－2009年全省以縣為單元的霜凍歷史災(zāi)情數(shù)據(jù);

(3)社會經(jīng)濟資料(人口、耕地面積、經(jīng)濟GDP等);

(4)水稻生育期、種植面積、產(chǎn)量等農(nóng)業(yè)氣象資料。

1.2 研究方法

1.2.1初霜凍發(fā)生頻率

根據(jù)氣象行業(yè)標準《作物霜凍害等級》［7］，把黑龍江省水稻霜凍害溫度指標，初步確定為以≤0℃為標準，統(tǒng)計8－9月黑龍江省初霜凍發(fā)生頻率。

將全年霜凍日數(shù)為零視為無霜凍發(fā)生的情況，其它均視為霜凍發(fā)生，霜凍災(zāi)害發(fā)生概率為:

式中:n為經(jīng)篩選與統(tǒng)計得到全年霜凍日數(shù)為零的年數(shù);N為氣象觀測總年數(shù)。由此得到各站點霜凍發(fā)生概率［8－9］。

1.2.2 水稻偏早初霜凍害發(fā)生頻率

根據(jù)《中國災(zāi)害性天氣氣候圖集》(1961－2006年)［10］，將偏早、偏晚初霜凍標準定為:初霜凍日期距平＜－σ為偏早霜凍，＞σ為偏晚霜凍，σ為初霜凍日期的均方差。計算黑龍江省水稻偏早初霜凍(最低氣溫≤0℃為標準)發(fā)生的頻率。

1.2.3 綜合計算初霜凍致災(zāi)因子的危險度

利用層次分析法對初霜凍和偏早初霜凍發(fā)生概率進行權(quán)重賦值，并對兩個指標進行綜合疊加，得到黑龍江省水稻初霜凍災(zāi)害致災(zāi)因子指標，對該指標進行危險性評價，進而揭示黑龍江省水稻初霜凍災(zāi)害在地域空間上的差異性規(guī)律和特征，為各地因地制宜制定災(zāi)害防治規(guī)劃及對策提供科學(xué)依據(jù)。研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 黑龍江省水稻初霜凍災(zāi)害致災(zāi)因子危險性評價流程

1.2.4 自然斷點分級法

自然斷點分級法用統(tǒng)計公式來確定屬性值的自然聚類。公式的功能就是減少同一級中的差異，增加級間的差異。

式中:A為數(shù)組(數(shù)組長度為N);meani－j為每個等級中的平均值。該方法可用GIS軟件實現(xiàn)。

2 黑龍江省初霜凍災(zāi)情分析

統(tǒng)計黑龍江省1984－2009年初霜凍災(zāi)害發(fā)生次數(shù)及受災(zāi)面積，結(jié)果如圖2、圖3所示。由初霜凍災(zāi)害發(fā)生次數(shù)分布圖可見，嫩江發(fā)生次數(shù)最多達11次，其次為五大連池6次，黑河、遜克、五常、肇東、海林和饒河出現(xiàn)3～5次，其它地區(qū)發(fā)生次數(shù)較少。

根據(jù)黑龍江省霜凍災(zāi)害年平均受災(zāi)面積分布可見，受災(zāi)較重區(qū)域與霜凍發(fā)生高頻區(qū)基本一致，受災(zāi)較重區(qū)域主要集中在大興安嶺南部，黑河大部，松嫩平原部分縣市以及三江平原部分地區(qū)，其中嫩江和肇東年均受災(zāi)面積超過5 000 hm2。

圖2 1984－2009年黑龍江省初霜凍災(zāi)害發(fā)生次數(shù)

圖3 黑龍江省初霜凍災(zāi)害年平均受災(zāi)面積

3 水稻初霜凍災(zāi)害致災(zāi)因子危險性分析

3.1 水稻初霜凍發(fā)生頻率分析

圖4為黑龍江省水稻初霜凍發(fā)生概率分布圖。由圖4可以看出，水稻初霜凍災(zāi)害發(fā)生的概率隨緯度的增加大致呈增大的分布，大興安嶺、黑河、伊春大部、通河、木蘭、尚志、林口、穆棱、綏芬河是水稻初霜凍災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，發(fā)生概率在60%以上，尤其是大興安嶺大部、嫩江、孫吳、伊春發(fā)生概率在80%以上，松嫩平原北部、哈爾濱東部、牡丹江大部發(fā)生概率為40%～60%，牡丹江地區(qū)水稻初霜凍的發(fā)生頻率高于同緯度地區(qū)，這與當(dāng)?shù)厣降氐匦斡绊懴碌臍夂蛞蛩赜嘘P(guān)。松嫩平原西南部和三江平原大部發(fā)生概率較小。

3.2 水稻偏早初霜凍發(fā)生頻率分析

圖5為黑龍江省水稻偏早初霜凍發(fā)生概率分布圖，可以看出，大興安嶺大部、黑河南部、松嫩平原北部、三江平原大部為水稻偏早初霜凍相對多發(fā)區(qū)，概率在15%以上，其中，呼瑪、遜克、嘉蔭、克山、明水、林甸、海倫、富錦等地發(fā)生概率在20%以上，伊春、鶴崗、綏化、哈爾濱部分市縣、牡丹江水稻偏早初霜凍發(fā)生概率較小在10%以下，其它地區(qū)為10%～15%。

圖4 黑龍江省水稻初霜凍發(fā)生概率分布圖

圖5 黑龍江省水稻偏早初霜凍發(fā)生概率分布圖

圖6 黑龍江省水稻初霜凍致災(zāi)因子危險度評價

3.3 水稻初霜凍災(zāi)害危險度評價

利用層次分析法計算初霜凍和偏早初霜凍發(fā)生概率的權(quán)重，并將兩個指標進行綜合疊加，得到黑龍江省水稻初霜凍災(zāi)害致災(zāi)因子指標，這里權(quán)重系數(shù)均取0.5，該指標不僅考慮了溫度條件(既包含緯度因素也包含局地小環(huán)境影響)，還考慮了霜凍的變異性。圖6是黑龍江省水稻初霜凍災(zāi)害危險度評價結(jié)果圖。利用自然斷點分級法將致災(zāi)因子劃分為低危險，次低危險，中等危險，次高危險和高危險五個等級。大興安嶺、孫吳、遜克、嘉蔭、伊春、嫩江、克山、拜泉、海倫等市縣為高危險區(qū)，黑河大部、齊齊哈爾東部、綏化北部、尚志、穆棱、富錦為次高危險區(qū)，松嫩平原南部、三江平原大部、牡丹江南部為次低及低危險區(qū)。

將黑龍江省水稻初霜凍致災(zāi)因子危險度評價結(jié)果與1984－2009年黑龍江省初霜凍災(zāi)情進行比較，由于大興安嶺地區(qū)無水稻種植區(qū)，因而不對該區(qū)進行考慮，致災(zāi)因子危險度評價結(jié)果與災(zāi)情結(jié)果存在差異，這主要是由于，黑龍江省霜凍災(zāi)情數(shù)據(jù)從1984年開始統(tǒng)計，而評價結(jié)果自1961年開始計算，而且評價結(jié)果顯示為針對水稻單一農(nóng)作物發(fā)生初霜凍災(zāi)害時的危險度，因而兩者結(jié)果存在一定差異，但在黑河地區(qū)，兩者基本一致，均表現(xiàn)為初霜凍發(fā)生頻率較大，危險性較高，為次高和高危險區(qū)。

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)黑龍江省水稻的生長發(fā)育期，以全省77個臺站1961－2009年的逐日最低氣溫資料、霜凍歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟資料、地理信息數(shù)據(jù)及作物生育期資料為基礎(chǔ)，綜合運用GIS空間分析和災(zāi)害風(fēng)險評估數(shù)學(xué)方法，分析了黑龍江省初霜凍災(zāi)害的災(zāi)情特征，并根據(jù)霜凍災(zāi)害的形成機制，確定了致災(zāi)因子，對致災(zāi)因子危險性進行分析與評估，得出如下結(jié)論:

(1)水稻初霜凍災(zāi)害發(fā)生的概率隨緯度的增加大致呈增大的分布形勢，大興安嶺、黑河、伊春大部、通河、木蘭、尚志、林口、穆棱、綏芬河是水稻初霜凍災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，發(fā)生概率在60%以上，尤其是大興安嶺大部、嫩江、孫吳、伊春發(fā)生概率在80%以上。

(2)大興安嶺大部、黑河南部、松嫩平原北部、三江平原大部為水稻偏早初霜凍相對多發(fā)區(qū)。

(3)大興安嶺、孫吳、遜克、嘉蔭、伊春、嫩江、克山、拜泉、海倫等市縣為高危險區(qū)，黑河大部、齊齊哈爾東部、綏化北部、尚志、穆棱、富錦為次高危險區(qū)，松嫩平原南部、三江平原大部、牡丹江南部為次低及低危險區(qū)。

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