柴達(dá)木盆地枸杞霜凍災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

祁貴明，李海鳳*，雒維萍，梅 朵

（1.格爾木市氣象局，青海 格爾木816099；2.格爾木市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，青海 格爾木816099）

柴達(dá)木盆地位于青藏高原西北部，面積約25.3萬km2，人口約41.25萬人，柴達(dá)木盆地宜農(nóng)地適宜枸杞的生長發(fā)育，是中國枸杞種植面積最大區(qū)域之一。這里氣候類型獨(dú)特，以干旱、少雨、日照豐富為主要特點(diǎn)。柴達(dá)木枸杞病蟲危害極輕，農(nóng)藥使用量、使用頻次極少，被認(rèn)為是有機(jī)枸杞生長的天然絕佳生態(tài)區(qū)，枸杞品質(zhì)和口感絕佳。截止2018年柴達(dá)木盆地枸杞種植面積達(dá)2.7×104hm2，在枸杞產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)力拉動下，枸杞種植業(yè)總產(chǎn)值在農(nóng)牧業(yè)總產(chǎn)值的占比從32%上升到46.7%。2017年青海省國土資源廳，首次在柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)探明了544.1 km2的綠色富硒土壤資源，硒含量0.4 mg·kg-1。富硒土壤中重金屬元素均不超標(biāo)，具有硒來源穩(wěn)定，清潔無污染，有效硒含量高的突出優(yōu)勢。

柴達(dá)木盆地枸杞因其獨(dú)特的適應(yīng)環(huán)境條件，大部分種植地在高寒地區(qū)，高原溫度變化劇烈，霜凍是影響枸杞生長發(fā)育的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。在全球變暖、極端氣候事件增多的氣候背景下[1]，霜凍是柴達(dá)木盆地發(fā)生范圍廣、危害作物種類多、造成經(jīng)濟(jì)損失大的一種氣象災(zāi)害[2]。近年來，柴達(dá)木盆地枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，種植面積逐年擴(kuò)大，且經(jīng)濟(jì)效益顯著。枸杞種植區(qū)氣象災(zāi)害風(fēng)險較高，尤其是枸杞受晚霜凍影響明顯。嚴(yán)應(yīng)存等[3]認(rèn)為減少霜凍災(zāi)害，可以有效提高枸杞生長期產(chǎn)量和品質(zhì)。劉義花等[4-5]對青海省牧草干旱和春小麥干旱進(jìn)行風(fēng)險區(qū)劃研究。劉彩紅等[6]構(gòu)建了青海省冰雹災(zāi)害區(qū)劃模型，研究了青海高原冰雹災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖。關(guān)于柴達(dá)木盆地枸杞發(fā)生霜凍氣象災(zāi)害評估和風(fēng)險區(qū)劃，目前未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)研究。因此，引入霜凍災(zāi)害風(fēng)險評估和制定綜合管理對策，對霜凍災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)加強(qiáng)風(fēng)險管理，制定應(yīng)對措施是防災(zāi)減災(zāi)最新理念[7-17]。本文通過研究枸杞生長期內(nèi)霜凍災(zāi)害頻次和霜凍災(zāi)害影響程度，結(jié)合自然地理和社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)，構(gòu)建了霜凍災(zāi)害評估模型。以期得出柴達(dá)木盆地枸杞霜凍災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃等級，繪制柴達(dá)木盆地枸杞霜凍災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖。為保障柴達(dá)木枸杞新興特色經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)發(fā)展布局調(diào)整，進(jìn)一步提升特色經(jīng)濟(jì)作物經(jīng)濟(jì)效益提供科技支撐。

1 資料方法

1.1 資料

選取1961—2017年柴達(dá)木盆地格爾木、小灶火、諾木洪、都蘭、烏蘭、德令哈、大柴旦、天峻、茫崖、冷湖10個氣象觀測站日≤0℃逐時氣溫觀測數(shù)據(jù)。依據(jù)《2018年青海省統(tǒng)計年鑒》，統(tǒng)計2017年柴達(dá)木盆地各縣（市）人口、GDP、土地總面積及可利用面積數(shù)據(jù)，地理海拔高度、行政邊界圖等來源于青海省衛(wèi)星遙感中心。

1.2 研究方法

1.2.1 氣象災(zāi)害風(fēng)險評估方法

自然災(zāi)害的風(fēng)險度（R）用災(zāi)害的危險度（h）和承災(zāi)體的易損度（v）的乘積來表示：

式（1）是一個歸一化的函數(shù)。由于災(zāi)害危害度和承災(zāi)體易損度的組成元素復(fù)雜又具有不同量綱[18]，為了構(gòu)建表達(dá)式，各種評估要素的評估值指標(biāo)都應(yīng)當(dāng)歸一化。

1.2.2 加權(quán)綜合評價

在AcrGIS平臺上加權(quán)綜合評價，加權(quán)綜合評價法是綜合考慮各個因子對總體對象的影響程度，將影響因子的作用大小進(jìn)行綜合評價，然后用一個數(shù)量化指標(biāo)進(jìn)行集中，來實(shí)現(xiàn)評價總體的優(yōu)劣。其表達(dá)式為：

其中，Cij為評價因子的總得分值，Qcij為評價因子j的指標(biāo)i項(xiàng)（Qcij≥0），Wci是指標(biāo)i的權(quán)重系數(shù)值（0≤Wci≤1），m則是評價指標(biāo)的個數(shù)。

1.2.3 權(quán)重系數(shù)賦值

柴達(dá)木盆地枸杞受霜凍風(fēng)險災(zāi)害影響程度的因素復(fù)雜，除霜凍自然條件外，孕災(zāi)環(huán)境（包括海拔高度、地形因子、植被因子）、承災(zāi)體（人口密度、耕地面積比、地均GDP）和防災(zāi)減災(zāi)能力（人均GDP）影響因子綜合作用形成，難以實(shí)現(xiàn)定量化計算。因此，進(jìn)行分層級要素因子權(quán)重賦值采用專家打分法[19]。

1.3 霜凍災(zāi)害風(fēng)險災(zāi)害評估模型

圖1為柴達(dá)木盆地霜凍災(zāi)害風(fēng)險評估模型圖。將致災(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項(xiàng)指標(biāo)作為枸杞霜凍災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的評價因子。

圖1 柴達(dá)木盆地枸杞霜凍災(zāi)害風(fēng)險評估模型

影響柴達(dá)木盆地枸杞霜凍災(zāi)害的風(fēng)險因子主要是霜凍災(zāi)害發(fā)生的頻次和影響程度；其次海拔高度、坡向、坡度、下墊面性質(zhì)等因素是枸杞霜凍災(zāi)害風(fēng)險的重要形成條件；采用柴達(dá)木盆地人口密度、可利用面積、地均GDP作為承災(zāi)體脆弱性和枸杞種植區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力；綜合形成枸杞霜凍災(zāi)害風(fēng)險評估模型。

2 枸杞霜凍災(zāi)害不同等級日最低氣溫指標(biāo)

霜凍是指植物生長季節(jié)里因土壤表面和植株體溫度降低到0℃或0℃以下而引起植物凍害，是一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[20]。柴達(dá)木枸杞晚霜凍發(fā)生在枸杞春梢生長期、花蕾期、初花期、盛花期；早霜凍發(fā)生在秋果成熟期。肖芳等[21]研究不同溫度和持續(xù)時間處理下寧夏枸杞花蕾期、初花期、盛花期的霜凍率，最終確定寧夏枸杞的霜凍等級。祁貴明對枸杞春梢期進(jìn)行霜凍指標(biāo)進(jìn)行界定[22]。結(jié)合柴達(dá)木盆地枸杞霜凍災(zāi)害實(shí)際災(zāi)情發(fā)生時地面最低溫度及持續(xù)時間。得出柴達(dá)木盆地枸杞關(guān)鍵發(fā)育期霜凍受凍程度最低氣溫或持續(xù)時間指標(biāo)閾值（表1）。

3 結(jié)果與分析

3.1 時間變化特征

表2為柴達(dá)木盆地5—9月枸杞霜凍輕、中、重災(zāi)氣候傾向率。柴達(dá)木盆地5—9月霜凍災(zāi)害發(fā)生年變化趨勢總體均呈減少趨勢。各月輕災(zāi)為-1.12～-0.27次/10 a，中災(zāi)為-0.87～-0.05次/10 a，重災(zāi)為-0.75～-0.02次/10 a。5、9月輕霜減輕幅度最為明顯，中災(zāi)5、6月減輕較為明顯，重災(zāi)9月減輕最明顯，且重災(zāi)發(fā)生次數(shù)多。霜凍災(zāi)害發(fā)生總次數(shù)由多到少依次為：5月＞9月＞6月＞8月，7月僅出現(xiàn)1次輕霜。5、9月輕霜減輕幅度最為明顯，中災(zāi)5—6月減輕較為明顯，9月重災(zāi)減輕幅度最明顯。

表1 柴達(dá)木盆地枸杞關(guān)鍵發(fā)育期霜凍程度及持續(xù)時間指標(biāo)閾值

表2 柴達(dá)木盆地5—9月枸杞霜凍輕、中、重災(zāi)氣候傾向率/（次/10 a）

3.2 空間變化特征

柴達(dá)木盆地東南部都蘭、諾木洪是枸杞霜凍災(zāi)害發(fā)生頻次最高區(qū)，位于盆地西北的冷湖、茫崖、大柴旦等地發(fā)生霜凍頻次低，其中冷湖、茫崖，無枸杞霜凍災(zāi)害出現(xiàn)（圖2）。這個分布與實(shí)際各地枸杞種植分布吻合。從枸杞種植分布來看，枸杞霜凍災(zāi)害主要分布在都蘭、諾木洪、烏蘭縣、格爾木、天峻西北部和德令哈等綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，冷湖、茫崖等地因自然環(huán)境、土地利用率等因素，枸杞種植面積較少，影響程度低。

圖2 柴達(dá)木盆地枸杞霜凍災(zāi)害空間分布

4 霜凍災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

4.1 致災(zāi)因子風(fēng)險評估

4.1.1 霜凍頻次

霜凍災(zāi)害發(fā)生頻次越高，致災(zāi)危險程度越高，發(fā)生霜凍災(zāi)害的風(fēng)險越大。表3為柴達(dá)木盆地基于≤0℃最低氣溫的不同等級（輕、中、重）霜凍出現(xiàn)累積總次數(shù)。柴達(dá)木盆地霜凍輕災(zāi)發(fā)生頻次最高，其次是中災(zāi)，重災(zāi)較少，占全部霜凍的8.6%。大柴旦輕、中、重災(zāi)均為最多，格爾木輕、重災(zāi)最少，烏蘭中災(zāi)最少?？傮w呈現(xiàn)西北高，東北次之，盆地中部和南緣最少的整體布局。

表3 柴達(dá)木盆地霜凍發(fā)生等級次數(shù)/次

4.1.2 霜凍強(qiáng)度

表2中的輕、中、重度和霜凍次數(shù)據(jù)，在AcrGIS平臺上加權(quán)綜合評價，得出災(zāi)害等級為輕度、中度、重度及霜凍發(fā)生頻次的空間分布，再根據(jù)公式（3）做加權(quán)計算，得出不同等級強(qiáng)度影響因子。

式中，Hf為霜凍強(qiáng)度影響，hl為輕霜凍，hm為中霜凍，hs為重霜凍。

4.1.3霜凍致災(zāi)因子危險性區(qū)劃

用公式（3），加權(quán)計算得出霜凍的致災(zāi)危險性因子，繪制出柴達(dá)木盆地枸杞霜凍致災(zāi)危險性因子圖（圖3）。

式中，Hs為霜凍強(qiáng)度，Hf為霜凍發(fā)生頻次。

圖3 柴達(dá)木盆地枸杞霜凍致災(zāi)危險性因子

致災(zāi)因子危險性對于霜凍災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險表現(xiàn)為茫崖到天峻呈遞增趨勢，茫崖最低，格爾木、德令哈的中心區(qū)域表現(xiàn)出的較低霜凍風(fēng)險，主要因?yàn)樵搮^(qū)域?yàn)槌擎?zhèn)建設(shè)區(qū)，故災(zāi)害風(fēng)險低；而天峻地區(qū)氣溫最低，最低氣溫變幅大，故發(fā)生災(zāi)害風(fēng)險最高。

4.2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性風(fēng)險評估

4.2.1 海拔高度影響

對海拔高度高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并賦權(quán)重值，得到海拔高度影響因子。

川水指河谷地帶，一般海拔在1700～2600 m，屬于熱量條件較好、又有灌溉條件的地區(qū)，形成綠洲農(nóng)業(yè)。柴達(dá)木盆地枸杞種植主要分布在因內(nèi)陸河流形成的洪積平原，是枸杞穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)地區(qū)，但枸杞面積較少。權(quán)重賦值為0.06。

淺山指海拔在2600～2800 m的低山丘陵地帶。這里干旱少雨，灌溉條件有限，由于陽光充足，可以種植枸杞等耐干旱的枸杞。該地帶是柴達(dá)木盆地枸杞種植的主要分布區(qū)。權(quán)重賦值為0.09。

腦山指海拔在2800～3200 m的地區(qū)。該地帶氣溫低，相對濕度大，枸杞生長期短，霜凍災(zāi)害嚴(yán)重，適合種植的枸杞品種更少，權(quán)重賦值為0.14。

其它高山地區(qū)是指3200 m以上地區(qū)，枸杞不能正常生長，權(quán)重賦值為0.01。

參考海拔高度影響要素，綜合柴達(dá)木盆地枸杞海拔影響因子權(quán)重賦值為0.3。

4.2.2 地形因子柴達(dá)木盆地的海拔高度高程數(shù)據(jù)對坡度和坡向進(jìn)行提取，并根據(jù)表4中的權(quán)重值對坡度坡向分類并賦值，再用公式（4）做權(quán)重計算得出地形因子。

表4為坡度vs影響地形權(quán)重賦值分級表。柴達(dá)木盆地各枸杞主要種植區(qū)地形坡度區(qū)間在25°～5°，屬于緩斜坡地帶，地形坡度權(quán)重賦值0.7。

表4 坡度影響地形權(quán)重賦值分級表

表5為坡向ve影響地形權(quán)重賦值分級表。從柴達(dá)木盆地枸杞分布來看，種植綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)坡向主要為平緩坡、陽坡、半陽坡地帶，其賦值在0.3～0.4。綜合地形坡向權(quán)重賦值定為0.3。

表5 坡向影響地形權(quán)重賦值分級

4.2.3 植被因子

柴達(dá)木盆地植被數(shù)據(jù)中，考慮到枸杞種植大部分在盆地原有的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，下墊面覆蓋度高，依據(jù)土地利用率情況，枸杞種植相對于小麥、油菜等密植性作物，枸杞植株間隙大，土地利用率相對變小，在實(shí)際霜凍風(fēng)險中易受地面輻射冷卻降溫的影響。按照直接賦權(quán)重值得到植被因子，下墊面影響權(quán)重賦值為0.4。

對海拔高度、地形因子和植被因子進(jìn)行權(quán)重計算得到孕災(zāi)環(huán)境敏感性因子影響，根據(jù)公式（5），進(jìn)行加權(quán)計算，得出孕災(zāi)環(huán)境敏感性風(fēng)險因子。

式中，vr為孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險因子，vh為海拔高度影響因子，vt為地形因子影響，vv為植被因子影響。

可以看出，對于柴達(dá)木枸杞種植區(qū)枸杞易受霜凍災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境因子中海拔高度、地形因子影響是一個相對固定的影響因子。因枸杞屬于稀植植物，下墊面植被覆蓋度是影響種植輻射狀況和熱量分布，在很大程度上決定該種植區(qū)是否發(fā)生霜凍的重要因子之一。

枸杞霜凍災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性低值區(qū)主要在海拔3000 m以上的山區(qū)和湖泊河流的無枸杞種植區(qū)（圖4）；高災(zāi)害風(fēng)險敏感區(qū)分布在都蘭、諾木洪、格爾木、小灶火等枸杞主要種植區(qū)域。

圖4 柴達(dá)木盆地枸杞霜凍孕災(zāi)環(huán)境敏感性因子分布

4.3 承災(zāi)體的脆弱性風(fēng)險評估

依據(jù)2017年柴達(dá)木盆地各縣級行政區(qū)域的人口、GDP、土地總面積及可利用面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進(jìn)行歸一化處理，計算得出各縣域的人口密度（vd）、耕地面積比重（va）、地均GDP（vg）（表6）。專家打分進(jìn)行權(quán)重賦值，計算得出承災(zāi)體脆弱性風(fēng)險評估系數(shù)。

表6 柴達(dá)木盆地承災(zāi)體脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力歸一化要素

從表6看出，承災(zāi)體脆弱性低值區(qū)在冷湖，因該地區(qū)人口密度大、可利用面積少使得地均GDP值為0、枸杞面積少，導(dǎo)致枸杞霜凍災(zāi)害風(fēng)險低。高值區(qū)在德令哈東南面，人口密度和可利用面積比較高，使得地均GDP值也偏高，發(fā)生枸杞霜凍災(zāi)害的承災(zāi)體脆弱性相應(yīng)地偏大。

結(jié)合柴達(dá)木盆地人口比例密度、可利用面積、地均GDP進(jìn)行權(quán)重賦值，繪制出柴達(dá)木盆地枸杞霜凍承災(zāi)體的脆弱性因子分布圖（圖5）。

圖5 柴達(dá)木盆地枸杞霜凍承災(zāi)體脆弱性因子分布

4.4 防災(zāi)減災(zāi)能力風(fēng)險評價

防災(zāi)減災(zāi)能力則是直接從表6中人均GDP（Vd）數(shù)據(jù)直接賦值做插值計算得出，低值區(qū)分布在人均GDP低的冷湖北部區(qū)和都蘭至天峻的東北地區(qū)，高值區(qū)在人均GDP高的大柴旦和格爾木東北區(qū)域。

4.5 枸杞霜凍災(zāi)害綜合風(fēng)險評價及區(qū)劃

綜合考慮柴達(dá)木盆地枸杞霜凍的致災(zāi)因子，孕災(zāi)環(huán)境因子、承災(zāi)體脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力指數(shù)，利用專家打分賦值權(quán)重系數(shù)，得出枸杞霜凍評價模型公式（8）。

整個柴達(dá)木盆地枸杞種植可以劃分為4個區(qū)（圖6）。

不宜種植區(qū)。柴達(dá)木盆地處于青藏高原北部，四面環(huán)山、平均海拔2700～3200 m，西高東低西寬東窄、四周高山環(huán)繞，南面昆侖山脈、北面祁連山脈、西北阿爾金山脈、東月山，海拔高度均在3200 m以上，無種植枸杞，霜凍災(zāi)害無影響。

低風(fēng)險區(qū)（輕災(zāi)害區(qū)）。在靠近四面山脈一帶的冷湖、茫崖大部地區(qū)，格爾木南部、大柴旦、德令哈、烏蘭以及都蘭地區(qū)靠近山脈區(qū)域。這里氣溫低，相對濕度大，枸杞生長期短，適合耕種的枸杞品種更少，對于霜凍災(zāi)害影響比較輕，對枸杞生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益影響較輕。

次高風(fēng)險區(qū)（中災(zāi)害區(qū)）。在諾木洪、格爾木西部和大柴旦東部地區(qū)，這一帶多為戈壁，水資源缺乏，適宜種植枸杞面積相對較少。對于霜凍災(zāi)害發(fā)生的影響程度較嚴(yán)重，造成的經(jīng)濟(jì)損失較大。

高風(fēng)險區(qū)（重災(zāi)害區(qū)）。在盆區(qū)南緣都蘭經(jīng)諾木洪至格爾木的小灶火一帶，這里是盆地枸杞主要種植區(qū)，該區(qū)域也是霜凍災(zāi)害發(fā)生對枸杞影響最大的區(qū)域，對枸杞生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失影響最大。

圖6 柴達(dá)木盆地枸杞霜凍災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

5 結(jié)論與討論

枸杞霜凍災(zāi)害的氣象指標(biāo)和成災(zāi)的致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力影響，對柴達(dá)木盆地枸杞種植區(qū)霜凍災(zāi)害風(fēng)險評估與區(qū)劃，得到以下結(jié)論：

（1）致災(zāi)因子對于霜凍災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險，表現(xiàn)為茫崖到天峻呈遞增趨勢，茫崖最低，格爾木、德令哈的中心區(qū)域表現(xiàn)出的較低霜凍風(fēng)險，都蘭、天峻地區(qū)氣溫最低，故發(fā)生霜凍災(zāi)害風(fēng)險最高。

（2）承災(zāi)體脆弱性低值區(qū)在冷湖，因該地區(qū)人口密度小、可利用面積少、地均GDP值為0、無枸杞種植，導(dǎo)致霜凍災(zāi)害風(fēng)險低。德令哈東南人口密度和可利用面積相對較高，使得地均GDP值也偏高，發(fā)生災(zāi)害的承災(zāi)體脆弱性高。

（3）綜合考慮柴達(dá)木盆地枸杞霜凍的致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性和防災(zāi)減災(zāi)能力4個評價指標(biāo)，得出海拔高度在3200 m以上，枸杞不宜生長，霜凍災(zāi)害無影響；冷湖、茫崖大部地區(qū)，格爾木南部、大柴旦、德令哈、烏蘭以及都蘭地區(qū)靠近山脈區(qū)域，霜凍災(zāi)害影響比較輕。都蘭經(jīng)諾木洪至格爾木的小灶火一帶，這里是盆地的枸杞主要種植區(qū)，是霜凍災(zāi)害對枸杞生產(chǎn)影響最大的區(qū)域。

柴達(dá)木盆地枸杞霜凍高風(fēng)險區(qū)出現(xiàn)在中東部地

區(qū)，大柴旦西部、天峻、小灶火等地霜凍以重災(zāi)最多，但考慮實(shí)際枸杞種植面積因素后，其風(fēng)險指數(shù)影響并不是最高。說明考慮枸杞適宜種植區(qū)的面積和可利用面積比因素，對評價霜凍災(zāi)害風(fēng)險具有一定的合理性和實(shí)際意義。通過與實(shí)際霜凍災(zāi)情進(jìn)行對比，上述評估方法和霜凍災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，可作為區(qū)域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)布局調(diào)整的依據(jù)。