基于GIS技術(shù)的常山胡柚凍害風(fēng)險評估

高操　張方敏　孫瑜

摘要：對常山胡柚（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）凍害進行風(fēng)險評估，為常山縣胡柚種植提高產(chǎn)量及凍害防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)指導(dǎo)。通過自然災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)及層次分析法，綜合考慮常山縣致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力4個方面的影響，確定常山縣胡柚凍害的風(fēng)險分布情況。常山縣胡柚凍害地區(qū)分布不均勻，從西南到東北凍害風(fēng)險有遞增趨勢。西南部是遭受凍害的低風(fēng)險區(qū)，更適宜胡柚的種植，而東北部及南部的山地丘陵地帶是遭受凍害的高風(fēng)險區(qū)，不適宜胡柚的種植。凍害區(qū)劃可以為今后胡柚的種植及防災(zāi)減災(zāi)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：胡柚（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）；凍害；等級劃分；風(fēng)險區(qū)劃

中圖分類號：S666 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）09-0108-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.09.026

Application of GIS to Risk Assessment of Frost Damage of Changshan Grapefruit

GAO Cao1，ZHANG Fang-min2，SUN Yu2，LI Lan-xin2，LIU Jiang2，LI Wei-peng2，HUANG Chong3

（1.Guodian Environmental Protection Research Institute，Nanjing 210031，China；2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China；3.Quzhou Meteorological Center，Quzhou 324000，Zhejiang，China）

Abstract： To evaluate the risk of freezing damage of Changshan Grapefruit（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou），and to provide scientific guidance for Grapefruit production in Changshan county and the prevention of freezing damage. Through the natural disaster risk index and the analytic hierarchy process，the dangerousness of freezing disaster-causing factors，the environmental susceptibility of the disaster，the vulnerability of the disaster-bearing body and the ability of disaster prevention and mitigation of freezing damage were studied. According to the risk division map of Grapefruit in Changshan county，it was found that the distribution of the freezing damage in Changshan county was uneven. The risk of freezing damage increases from southwest to northeast. The southwest region is the lowest risk area of freezing damage，and more suitable for the cultivation of grapefruit. In contrast，the northeastern and southern mountainous hills is a highly risk area of frost damage，so it is less suitable for the cultivation of Grapefruit. Results provide guidance for the Grapefruit cultivation and freezing disaster prevention and reduction for grapefruit.

Key words： grapefruit（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）；freezing damage；grading；risk zoning

常山胡柚（Citrus paradisi cv.Changshanhuyou）是浙江省特有的珍貴的地方良種雜柑[1]。近年來，極端天氣頻發(fā)，加重了低溫危害，給胡柚造成減產(chǎn)甚至絕收[2，3]。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)最低氣溫降至-4～-5 ℃時，冬季負(fù)積溫達20 ℃·d以上，低于0 ℃天數(shù)達15 d以上，將造成胡柚苗木和幼齡樹不同程度的凍害[4-6]。貝增明等[5]提出當(dāng)溫度低于-13.7 ℃胡柚枝條將被凍死。汪紅燕等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)若極端最低氣溫持續(xù)在 -3 ℃以下，將對胡柚產(chǎn)量造成極大影響，如果連續(xù) 3 d以上最低氣溫低于-3 ℃會引起較嚴(yán)重的減產(chǎn)。

常山胡柚作為常山縣特有的地方柑橘良種，擁有極高的商品經(jīng)濟價值。由于常山縣地處柑橘種植的北緣地區(qū)，凍害不僅影響胡柚的生長發(fā)育，導(dǎo)致產(chǎn)量下降，品質(zhì)降低，而且削弱樹勢，降低果樹抗寒能力[2]?；趦龊υ摰貐^(qū)胡柚的影響研究目前還比較少，本研究通過建立常山胡柚凍害等級指標(biāo)及其災(zāi)損評估標(biāo)準(zhǔn)，客觀評估胡柚凍害的風(fēng)險區(qū)劃情況，為胡柚種植提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

數(shù)據(jù)資料包括常山胡柚主要種植區(qū)的16個氣象臺站2013—2016年的氣象觀測資料、30 m分辨率高程（DEM）數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)及胡柚種植產(chǎn)值數(shù)據(jù)。

通過計算得到年極端最低氣溫Tmin（℃）和低于-5 ℃的持續(xù)天數(shù)，然后采用反距離加權(quán)方法進行30 m×30 m的插值處理。利用DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.2中計算得到30 m分辨率的坡度和坡向。對于16個鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道胡柚種植面積、胡柚產(chǎn)量和人口3個指標(biāo)，先將其數(shù)字化到常山縣行政區(qū)劃面狀矢量圖上，然后再在ArcGIS 10.2中轉(zhuǎn)換成30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)。

2 風(fēng)險評估系統(tǒng)的建立方法

2.1 確立風(fēng)險評估指標(biāo)

本研究基于自然災(zāi)害風(fēng)險形成機制，采用自然災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)法（Natural Disaster Risk Index，簡稱NDRI）[8，9]，即自然災(zāi)害風(fēng)險度=危險性×敏感性×脆弱性×防災(zāi)減災(zāi)能力，綜合考慮致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力4個方面影響估算凍害對胡柚的影響，綜合確立常山胡柚凍害風(fēng)險評估指標(biāo)。

2.2 計算評價因子權(quán)重

采用層次分析法確定綜合區(qū)劃指標(biāo)權(quán)重。層次分析法是將多層次、多準(zhǔn)則的復(fù)雜問題分解為各個組成因素，將這些因素按支配關(guān)系分組形成有序的階層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較的方式，確定層次中各因素的相對重要性，再加以綜合以決定評價因子的相對重要性順序，也就是權(quán)重[2]。

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。首先把復(fù)雜問題分解為不同的層次。同一層次的要素作為準(zhǔn)則，對下一層的某些要素起支配作用，同時它又受上一層次要素的支配。

2）構(gòu)造判斷矩陣。將同一層中各因素相對于上一層而言進行兩兩比較，對每一層中各因素相對重要性給出一定的判斷，并進行兩兩因素之間的比較，就形成了判斷矩陣。

3）CR檢驗。對判斷矩陣所求的權(quán)重是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗公式為CR=CI/RI。公式中CR為判斷矩陣的一次性比率，CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)，RI為判斷矩陣。當(dāng)CR<0.1時，即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權(quán)數(shù)是分配合理的，否則就需要調(diào)整判斷矩陣，直到取得具有滿意的一致性為止。

根據(jù)常山胡柚生長發(fā)育的實際情況，選取年極端最低氣溫（Tmin）和低于-5 ℃的持續(xù)天數(shù)作為胡柚凍害致災(zāi)因子危險性指標(biāo)；選取海拔高度和坡向作為胡柚凍害孕災(zāi)環(huán)境敏感性指標(biāo)；選擇地均胡柚面積和地均胡柚產(chǎn)值作為承災(zāi)體脆弱性指標(biāo)；選取國內(nèi)生產(chǎn)總值和人口等表示常山縣的防災(zāi)減災(zāi)能力。根據(jù)層次分析法，分別計算得出年極端最低氣溫（Tmin）、低于-5 ℃的持續(xù)天數(shù)、海拔高度、坡向、地均胡柚面積、地均胡柚產(chǎn)值、國內(nèi)生產(chǎn)總值和人口的權(quán)重系數(shù)。

通過層次分析法計算得到年極端最低氣溫Tmin（℃）和低于-5 ℃的持續(xù)天數(shù)權(quán)重系數(shù)分別為0.6和0.4；海拔高度和坡向權(quán)重系數(shù)分別為0.65和0.35；胡柚種植面積和胡柚產(chǎn)量權(quán)重系數(shù)分別為0.55和0.45；人口數(shù)權(quán)重系數(shù)為0，國內(nèi)生產(chǎn)總值權(quán)重系數(shù)為1。

2.3 建立風(fēng)險評估系統(tǒng)

由于所選指標(biāo)的單位和量級不同，為了便于計算，首先對各指標(biāo)值進行預(yù)處理，即將各指標(biāo)量化成可計算的0～1之間的無量綱指標(biāo)，計算公式如下：

3 胡柚凍害風(fēng)險評估

由圖1可知，常山縣胡柚凍害致災(zāi)因子危險性由東南向西北遞增，南部低于北部，說明北部低溫天氣更多，發(fā)生凍害的危害性更大，南部較為溫暖，發(fā)生凍害的危害性相對較小。凍害發(fā)生的低危險區(qū)主要分布于常山縣東南部的水南村和湖頭村，凍害發(fā)生的可能危害最?。恢苓叺墓趴h村、三衢石林、五里亭村等發(fā)生凍害的危險性也較低，屬于次低危險區(qū)。相比而言，常山縣東北部的詹村、芙蓉湖村及新昌村最易遭受凍害，特別是詹村遭受凍害的危害最嚴(yán)重；西南部比如紅旗崗村、長風(fēng)電站、十八里村等及東北中部的金源村屬于中等危險區(qū)。

由圖2可知，常山縣中部地形較為平坦，如長風(fēng)電站、官莊橋村、十八里村等，屬于凍害孕災(zāi)環(huán)境低敏感區(qū)。常山縣東北部、西北部、南部多為山地丘陵地帶，屬于凍害孕災(zāi)環(huán)境高敏感區(qū)，特別是東北部的詹村和芙蓉湖村附近為凍害孕災(zāi)環(huán)境高敏感區(qū)，更易遭受凍害。

考慮胡柚種植面積及產(chǎn)量分析凍害對胡柚承災(zāi)體脆弱性，如圖3所示，常山縣西南部脆弱性低于東北部和東南部。西南的長風(fēng)電站、官莊橋村及十八里村屬于低脆弱區(qū)，胡柚種植面積大，能獲得較高的產(chǎn)量。而東南部的古縣村、水南村及湖頭村由于丘陵地帶，種植面積及產(chǎn)量都不大，但是該區(qū)域為高脆弱區(qū)，而東北部的詹村和芙蓉湖村及中部的三衢石林為胡柚受凍害影響的中脆弱區(qū)。

考慮各鄉(xiāng)鎮(zhèn)常住人口分析凍害防災(zāi)減災(zāi)能力，由圖4可知，兩個高風(fēng)險區(qū)和兩個低風(fēng)險區(qū)，從西南向東北呈現(xiàn)交替分布的狀態(tài)。西南部山嶺村及紅旗崗村和偏中部的三衢石林、水南村、湖頭村的防災(zāi)減災(zāi)能力高，受凍害后恢復(fù)能力最強；其次是東北部的詹村、芙蓉湖村，屬于次高防災(zāi)減災(zāi)能力區(qū)。偏西南中部的長風(fēng)電站、官莊橋村、十八里村及偏東北中部的新昌村、金源村人口較少，受災(zāi)后不能更快地恢復(fù)，防災(zāi)減災(zāi)能力較低。

綜合考慮常山縣胡柚致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性及防災(zāi)減災(zāi)能力，得到凍害風(fēng)險空間分布，如圖5所示。從圖5可知，常山縣胡柚凍害風(fēng)險大致呈現(xiàn)東高西低的趨勢。西南部和中北部的紅旗崗村、長風(fēng)電站、官莊橋村、十八里村、五里亭村屬于低風(fēng)險區(qū)，是胡柚種植的最適宜區(qū)，受凍害影響最小，災(zāi)害后能更快恢復(fù)。東北部至南部屬于丘陵地區(qū)，是胡柚凍害的高風(fēng)險區(qū)，不適宜胡柚的種植。但是不同地區(qū)不適宜種植的原因不同，比如東北部的詹村、芙蓉村等，雖然胡柚對冷害脆弱性很強，同時該地區(qū)針對冷害的減災(zāi)防災(zāi)能力強，但是該地區(qū)的冷害對胡柚的危險性和敏感性很強，造成該區(qū)域是胡柚受凍害影響的高風(fēng)險區(qū)，而南部的湖頭村等是雖然冷害發(fā)生的危險性低，減災(zāi)防災(zāi)能力強，但是胡柚對冷害影響很敏感也很脆弱，所以造成該區(qū)域也是胡柚種植受冷害影響的高風(fēng)險區(qū)。

4 結(jié)論與討論

根據(jù)常山縣的氣象資料、地形、人口經(jīng)濟、胡柚種植信息等建立了胡柚的凍害風(fēng)險評估模型，定量對影響胡柚的致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性及防災(zāi)減災(zāi)能力進行了分析，評價了影響常山縣胡柚的凍害風(fēng)險情況?？傮w上，從西南到東北凍害風(fēng)險有遞增趨勢。西南部地勢較為平坦，溫度適宜，種植面積大，人口較多，胡柚產(chǎn)量大，災(zāi)后能更快地恢復(fù)，是遭受凍害的低風(fēng)險區(qū)，長風(fēng)電站及官莊橋村一帶雖人口較少，防災(zāi)減災(zāi)能力較弱，但氣候、地形條件適宜，所以適宜大范圍的種植胡柚。而東北部屬于山地丘陵地帶，低溫天氣多，種植面積少，產(chǎn)量相對較低，災(zāi)后恢復(fù)能力差，屬于凍害高風(fēng)險區(qū)。南部的湖頭村一帶雖然較為溫暖，天氣條件適宜，人口較多防災(zāi)能力強，但地屬山地丘陵，地形的條件限制了胡柚的種植與生長，只適宜小范圍的種植。中部地區(qū)由于其氣候條件、地形條件及人口條件等適中，屬于凍害中風(fēng)險、次高風(fēng)險區(qū)。影響凍害風(fēng)險的因素中氣象因子占主要部分，地形的影響次之，人口分布及胡柚種植面積都受這兩個因素影響，從而影響胡柚產(chǎn)量及災(zāi)后恢復(fù)。

依托GIS系統(tǒng)技術(shù)下，考慮氣象要素、地理要素、社會經(jīng)濟人口要素進行綜合考慮，得到直觀的、科學(xué)的區(qū)劃，可以科學(xué)地指導(dǎo)胡柚種植，搭建了應(yīng)用氣象與農(nóng)業(yè)的橋梁[10]，為以后更多的應(yīng)用做準(zhǔn)備。結(jié)合遙感反演技術(shù)和GIS技術(shù)將是未來區(qū)域評估的重要應(yīng)用手段[11，12]。風(fēng)險區(qū)劃能直觀地大致指導(dǎo)生產(chǎn)實踐活動，但是由于數(shù)據(jù)的精度及時效性[13-15]，可能區(qū)域評估在實際應(yīng)用中有一定的偏差，這就要求未來加強精細(xì)化工作的開展，更進一步地提高區(qū)劃精度。

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