屯昌縣蜜柚精細化農(nóng)業(yè)氣象災害風險區(qū)劃①

陳升孛 張亞杰 張明潔 陳 亮 黃 興 張京紅③

(1海南省氣象服務中心 海南海口570203;2海南省氣候中心 海南?？?70203;3海南省南海氣象防災減災重點實驗室 海南?？?70203;4中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境與植物保護研究所 海南海口571101)

屯昌蜜柚種植以‘黃金蜜柚’為主，該品種具有生長快、結果早、產(chǎn)量高、口感好、上市早、效益高、管理簡單以及果品耐貯運等特點［1］。2015年，海南省已將屯昌縣列為蜜柚發(fā)展的主要地區(qū)，屯昌縣還將繼續(xù)擴大蜜柚種植規(guī)模，規(guī)劃發(fā)展規(guī)模達到0.67萬hm2。屯昌縣雨量充沛，光照充足，農(nóng)業(yè)氣候資源豐富，有利于蜜柚生長。但屯昌地處熱帶季風氣候區(qū)域，且冬季常有寒潮侵襲，夏、秋季常受臺風影響［2］，導致熱帶作物寒害、風害頻發(fā)［3］。因此，開展屯昌縣蜜柚精細化氣象災害風險區(qū)劃，可為蜜柚種植區(qū)域布局提供重要參考，也為其栽培管理和災害防御提供依據(jù)。

20世紀80年代以來，國內(nèi)外在自然災害風險分析研究方面取得了一定成果［4-5］。在農(nóng)業(yè)氣象災害風險區(qū)劃方面的研究多是以糧食作物［6-14］為研究對象，以某種或多種氣象災害為災種，以區(qū)域或省級為研究范圍。而由于經(jīng)濟作物種植較分散，氣象站點分布稀疏，加上生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計不易獲取，關于經(jīng)濟作物的研究較少。金志鳳等［15］構建了茶葉氣象災害綜合風險指數(shù)模型，研究了浙江省茶樹種植農(nóng)業(yè)氣象災害綜合風險精細化空間分布圖；鄒海平等［16］采用加權法和自然斷點法構建海南島冬種瓜菜暴雨洪澇災害綜合風險指數(shù)，并進行風險區(qū)劃；劉少軍等［17］基于風險形成機理開展海南島橡膠寒害和風害的風險評價，并進行了綜合風險區(qū)劃；張蕾等［18］通過災情反演，構建海南冬種瓜菜苗期氣象災害致災等級指標，進行瓜菜綜合風險區(qū)劃；孟丹等［19］綜合考慮氣候、地形、社會經(jīng)濟狀況等多個因素，開展鄂西煙草種植氣象災害風險區(qū)劃；陳家金等［20-21］利用縣級氣象站點資料開展福建省番石榴、烤煙氣象災害綜合風險區(qū)劃；張亞杰等［22］通過建立海南島橡膠寒害風險評估模型，開展橡膠寒害風險區(qū)劃。

上述研究多是針對全國、省級或跨地區(qū)開展研究，而關于縣級的風險區(qū)劃研究未見報道，且針對柚類作物的風險區(qū)劃研究尚未開展。隨著氣象部門在全國建設地面區(qū)域自動氣象觀測站的發(fā)展，海南省陸地區(qū)域自動氣象站網(wǎng)已覆蓋全部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，水平網(wǎng)格8 km×8 km，相比縣級氣象站插值或小網(wǎng)格推算而言具有觀測資料準確度、空間分辨率高等優(yōu)勢。因此，本文借鑒其他作物風險區(qū)劃先進技術，嘗試利用高密度的區(qū)域氣象站點歷史資料，綜合考慮寒害和風害對屯昌蜜柚影響，選擇致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體脆弱性3個因子建立風險評估模型，開展屯昌蜜柚精細化農(nóng)業(yè)氣象災害風險區(qū)劃研究。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)域概況

屯昌縣位于海南島中部偏北，地處五指山北麓，南渡江南岸。南北長55 km，東西寬52 km，面積1 231.5 km2，占海南省陸地面積的3.6%。屯昌縣為低山丘陵地帶，地勢呈南高北低，東西有山地，山地占全縣總面積5%，丘陵占85%，其他地占10%。

1.1.2 資料來源

氣象資料為昌江縣及周邊市縣國家和區(qū)域氣象站2006～2017年39個地面氣象觀測資料（圖1），氣象要素主要為平均氣溫、最低氣溫、降水量、風速等，資料來源于海南省氣象信息中心；熱帶氣旋資料為2006～2017年影響海南省的熱帶氣旋歷史數(shù)據(jù)。地理信息資料包括DEM（Digital Elevation Model，即數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)、屯昌縣行政邊界等資料，其中DEM為SRTM空間分辨率90 m的海南省DEM數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)為2015年全國土地利用數(shù)據(jù)，來源于中國科學院地理科學與資源研究所；利用ArcGis10.2軟件提取了屯昌縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)DME、土地利用類型等信息。屯昌縣蜜柚種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于屯昌縣農(nóng)業(yè)局和海南省統(tǒng)計年鑒。

圖1 屯昌縣及周邊區(qū)劃氣象站點

1.2 方法

1.2.1 風險區(qū)劃模型 基于氣象災害風險形成的機理［23-25］，選擇致災因子危險性（H）、孕災環(huán)境敏感性（S）、承災體脆弱性（V）3個因子，構建定量化的風險區(qū)劃模型，見式（1）。

式中：R為屯昌蜜柚氣象災害風險指數(shù)；α、β、γ為評價因子的權重。

致災因子危險性是指氣象災害的異常程度，主要是由氣象危險因子活動規(guī)模（強度）和活動頻次（概率）決定的［23］。一般氣象危險因子強度越大，頻次越高，氣象災害所造成的損失越嚴重，氣象災害的風險也越大。針對單一災種，危險性評價可以僅用危險因子的變異強度和災害的發(fā)生頻次表示。

危險性評價模型可用式（2）表示：

式中：H為蜜柚氣象災害危險性指數(shù)，Hi表示第i種災害指標值，wi為第i種災害危險性指數(shù)的權重。屯昌蜜柚氣象災害有寒害、臺風、干旱災害，由于果園一般種植灌溉和排水條件較好，因此，本文主要考慮蜜柚寒害和臺風災害，寒害指數(shù)和風害指數(shù)計算方法見下文，權重分別為0.3和0.7。

孕災環(huán)境敏感性反映了在同等氣候條件下周圍環(huán)境對氣象災害影響的增加或減弱的敏感程度。地形地勢對氣溫、風力等有著再分配的作用，導致不同地形地區(qū)的氣溫、風力等差異明顯，因而使得受害程度各異，主要以高程、坡向、坡度、坡位等地形因子衡量孕災環(huán)境對蜜柚造成的綜合影響［26-27］，計算方法見式（3）。

式中：S1為高程因子，用高程標準差來衡量；S2為坡向因子；S3為坡度因子；S4為坡位因子，用地形坡位指數(shù)表示；α1、β1、γ1、δ1為各因子的權重，由層次分析法確定。

承災體脆弱性是指在給定危險地區(qū)存在的由于潛在危險因素而造成的傷害或損失程度，綜合反映了自然災害的損失程度。農(nóng)作物的脆弱性是作物自身對災害的敏感性和暴露性的綜合體現(xiàn)，并隨著地理位置、時間以及社會經(jīng)濟和環(huán)境而變化［28］。因此，承災體自身由于地理位置等外部環(huán)境的改變，在同等氣象災害強度影響下，其損失程度差異顯著，敏感性越大，則遭受的損失越大；種植面積與土地面積之比越大，暴露于災害風險中的承災體就越多，可能遭受的潛在損失就越大。綜合考慮屯昌蜜柚的敏感性和暴露性，計算其脆弱性，見式（4）。

式中：V1表示蜜柚氣象災害敏感性，用災年產(chǎn)量變異系數(shù)和區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平表示，見式（5）。

式中，C表示災年產(chǎn)量變異系數(shù)；Rs表示屯昌蜜柚應對災害的適應能力或恢復能力，用區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平來表示［22］，見式（6）。

式中：Yi表示某年蜜柚產(chǎn)量，表示n年平均產(chǎn)量。災年產(chǎn)量變異系數(shù)越大，表明產(chǎn)量波動越大，抗災能力越弱，生產(chǎn)面臨的風險越大。

Rs用區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平表示，見式（7）。

式中：Yi表示某地區(qū)第i年的蜜柚單產(chǎn)，SYi表示第i年蜜柚平均單產(chǎn)。蜜柚單產(chǎn)的多少，可以作為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平高低的標志。生產(chǎn)水平越高，對災害的抵抗能力越高，災后恢復能力越強，脆弱性越小。

V2表示屯昌蜜柚承災體暴露性，一般用作物種植面積與當?shù)氐耐恋孛娣e之比表征承災體暴露性。但由于屯昌蜜柚屬于近幾年種植的新品種，目前正處于發(fā)展期，種植區(qū)域較小，為了使氣象災害風險區(qū)劃更具有實際指導意義，本文以屯昌縣林地面積與土地面積之比表征承災體暴露程度。從中國土地利用類型空間分布圖中提取屯昌縣林地類型中其它林地（果園、桑園、茶園、熱作林園等）數(shù)據(jù)計算暴露性，見式（8）。

式中：V2為蜜柚承災體暴露性指數(shù)，Ai表示某塊林地面積，A為屯昌縣行政面積。

α2、β2為各因子的權重，由熵權法［29］確定。

1.2.2 屯昌蜜柚寒害指標 依據(jù)熱帶經(jīng)濟作物寒害發(fā)生的天氣條件，一般將寒害分為平流型寒害、輻射型寒害。參照其他熱帶經(jīng)濟作物［30-31］確定屯昌蜜柚寒害標準為：當日最低氣溫≤5.0℃（柚樹輻射型寒害的臨界溫度）時，柚樹出現(xiàn)輻射型寒害；在日照時數(shù)不大于2 h的情況下，日平均氣溫≤15.0℃（柚樹平流型寒害的臨界溫度）時，柚樹出現(xiàn)平流型寒害。選取6個致災因子：年度極端最低氣溫、年度最大降溫幅度、年度寒害持續(xù)日數(shù)、年度輻射型積寒、年度平流型積寒、年度最長平流型低溫天氣過程的持續(xù)日數(shù)，構建寒害指數(shù)［30］。針對屯昌蜜柚寒害危險性評價，用寒害的強度和頻率來描述，計算方法見式（9）。

式中：H1為蜜柚寒害的危險性；CI為寒害指數(shù)；P為寒害發(fā)生的頻率。

1.2.3 屯昌蜜柚風害指標 統(tǒng)計2006～2017年進入海南省防區(qū)［32］的所有熱帶氣旋，按照業(yè)務中使用的熱帶氣旋評價標準（表1），統(tǒng)計分析歷年歷次熱帶氣旋對各地區(qū)的影響情況，對一般影響、中等影響和嚴重影響個數(shù)加權求和，將其作為風害指數(shù)，見式（10）。

表1 熱帶氣旋評價標準

式中：H2為風害指數(shù)，C1為一般影響熱帶氣旋個數(shù)，C2為中等影響熱帶氣旋個數(shù)，C3為嚴重影響熱帶氣旋個數(shù)。

2 結果與分析

2.1 區(qū)劃指標及等級劃分

根據(jù)屯昌蜜柚氣象災害風險形成機制，在綜合分析致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體脆弱性的基礎上，建立屯昌蜜柚氣象災害的風險評價模型。各評價因子的權重主要通過層次分析法確定，依次取值為0.5、0.3、0.2。將3個指標經(jīng)過歸一化處理后，按照公式（1）進行格點計算，得到屯昌氣象災害精細化風險指數(shù)。基于Natural Breaks分類方法，將屯昌蜜柚氣象災害風險劃分為5類（表2），此分類方法的優(yōu)點是使類別之間差異明顯，而類別內(nèi)部差異最小。

2.2 氣象災害風險區(qū)劃結果

根據(jù)表2的屯昌蜜柚氣象災害風險區(qū)劃等級劃分標準，得出屯昌蜜柚氣象災害精細化風險區(qū)劃圖（圖2）。從圖中可以看出，屯昌縣蜜柚氣象災害風險總體呈現(xiàn)南部山區(qū)偏重、其他地區(qū)較輕的分布特征，各級風險區(qū)均具有較好的區(qū)域性，反映了地形地貌特征對氣象災害風險分布的重要性。屯昌蜜柚各等級氣象災害風險區(qū)劃具體分布如下：高風險區(qū)主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)、烏坡鎮(zhèn)南部山區(qū)；較高風險區(qū)在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)、坡心鎮(zhèn)部分地區(qū)；中等風險區(qū)在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，分布較為分散，主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)和烏坡鎮(zhèn)部分地區(qū)；較低風險區(qū)，除了楓木鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，主要分布在坡心鎮(zhèn)、西昌鎮(zhèn)、南坤鎮(zhèn)北部地區(qū)，以及新興鎮(zhèn)、屯城鎮(zhèn)部分地區(qū)；低風險區(qū)，除了楓木鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，主要分布在坡心鎮(zhèn)、西昌鎮(zhèn)、南坤鎮(zhèn)北部部分地區(qū)，以及新興鎮(zhèn)東部地區(qū)。

表2 屯昌蜜柚氣象災害風險區(qū)劃等級

圖2 屯昌縣蜜柚氣象災害風險區(qū)劃

3 討論

氣象災害是限制屯昌乃至全省蜜柚發(fā)展的主要原因之一。本文借鑒其他熱帶經(jīng)濟作物中寒害指標的定義，以及熱帶氣旋影響等級指標，采用屯昌及周邊市縣區(qū)域自動站的觀測資料，構建了屯昌蜜柚寒害指數(shù)、風害指數(shù)歷史序列，基于風險形成的機理，構建了由致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體脆弱性3因子組成的蜜柚綜合氣象災害風險評估模型，計算屯昌蜜柚氣象災害風險指數(shù)并進行風險區(qū)劃，得出以下結論：高風險區(qū)主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)、烏坡鎮(zhèn)南部山區(qū)；較高風險區(qū)主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)、坡心鎮(zhèn)部分地區(qū)；中等風險區(qū)主要分布在南坤鎮(zhèn)、楓木鎮(zhèn)和烏坡鎮(zhèn)部分地區(qū)；較低和低風險區(qū)，除了楓木鎮(zhèn)，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，主要分布在坡心鎮(zhèn)、西昌鎮(zhèn)、南坤鎮(zhèn)北部地區(qū)。綜合各風險評價指標及成因來看，在風險較高的地區(qū)，可以適當調整當?shù)胤N植結構，加強臺風和寒害的監(jiān)測和預警，營造防風林，推廣抗風、抗寒栽培和管理技術，及時做好風害、寒害災后恢復工作，提高蜜柚的防災能力，保證穩(wěn)產(chǎn)增收；在較低和低風險區(qū)適宜大面積種植推廣。

本文采用訂正后的區(qū)域自動站觀測資料開展農(nóng)業(yè)氣象災害風險區(qū)劃研究，克服了因觀測站點稀疏，采用插值方法開展風險區(qū)劃工作存在的精度低、準確性差等問題。此外，由于海南蜜柚氣象災害種類較多，本文只考慮了2種氣象災害，且評估指標選取未考慮果園生長環(huán)境、管理措施等影響，可能導致部分地區(qū)評估結果不準確，但本文從宏觀上給出了屯昌蜜柚種植以來的主要氣象災害風險分布情況，且屯昌縣蜜柚種植正處于大面積推廣期，可為屯昌縣蜜柚抗風、抗寒栽培，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局提供及時科學的技術支撐。