石河子墾區(qū)鮮食葡萄冬季休眠期凍害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

黃 娟，顧雅文，王 曼，谷 然

（新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心，新疆 烏魯木齊 830002）

新疆葡萄凍害發(fā)生頻繁，是常見的自然災(zāi)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(xù)時(shí)間長或者晚霜危害的時(shí)候，葡萄容易受到傷害，從而造成極大的經(jīng)濟(jì)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(xiàn)較長時(shí)間的嚴(yán)寒天氣，最低氣溫降至-36 ℃，面積為7000 hm2的石河子墾區(qū)中的鮮食葡萄，149團(tuán)、150團(tuán)的受凍面積超過80%，136團(tuán)將近400 hm2的葡萄園中的葡萄全部?jī)鏊?。越冬凍害已成為影響新疆特色林果業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要制約因素［1］。目前，國內(nèi)有關(guān)葡萄越冬凍害風(fēng)險(xiǎn)的研究方法主要有2種：一方面，結(jié)合對(duì)受凍葡萄園的實(shí)地調(diào)查，根據(jù)歷年凍害減產(chǎn)情況，對(duì)凍害發(fā)生的原因進(jìn)行綜合分析［2-4］；另一方面，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，以氣象資料、單產(chǎn)、種植面積資料為基礎(chǔ)，從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體易損性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、防災(zāi)減災(zāi)能力等方面進(jìn)行分析評(píng)估，構(gòu)建模型，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃［5-8］。

近年來，由于凍害造成石河子市葡萄園減產(chǎn)甚至毀園的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失［9］。災(zāi)前防范措施能在一定程度上減輕氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失，例如改善農(nóng)田管理技術(shù)措施、增設(shè)農(nóng)業(yè)氣象防災(zāi)減災(zāi)設(shè)施、調(diào)整土地管理計(jì)劃等，但農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)的災(zāi)后重建功能是其他防范措施無法替代的［10］。在一些沒有農(nóng)業(yè)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及補(bǔ)貼的地區(qū)，發(fā)生相關(guān)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害后，農(nóng)戶只能依靠緊急貸款、社會(huì)援助或親屬救濟(jì)來恢復(fù)災(zāi)后生產(chǎn)與建設(shè)［11］。本研究通過構(gòu)建葡萄休眠期凍害氣象指標(biāo)，從孕災(zāi)環(huán)境敏感性、致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力4個(gè)方面進(jìn)行分析，對(duì)石河子墾區(qū)葡萄休眠期凍害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以期為今后氣象指數(shù)保險(xiǎn)的應(yīng)用和發(fā)展提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

石河子墾區(qū)地處84°58′~86°24′E， 43°26′~45°20′N。轄14個(gè)團(tuán)場(chǎng)，總面積6007 km2，耕地面積為2456 km2。石河子墾區(qū)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(qū)是全國鮮食葡萄種植面積最大的地區(qū)之一，2021年種植面積達(dá)7333.3 hm2。2013年9月10日，“石河子鮮食葡萄”獲批地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品［12］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來自石河子氣象站的地面氣象觀測(cè)資料，時(shí)間序列為1981—2020年冬季（12月—翌年2月），主要數(shù)據(jù)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(nóng)業(yè)部門1981—2020年災(zāi)情統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以及《中國氣象災(zāi)害大典——新疆卷》《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒》及氣象部門災(zāi)情直報(bào)信息。

1.3 數(shù)據(jù)處理

主成分分析(Principal Components Analysis)作為一種把多個(gè)變量化為少數(shù)幾個(gè)主成分的降維技術(shù)統(tǒng)計(jì)方法，是常用降維方法之一［13］。計(jì)算主成分得分及主成分變量的值。主成分分析等數(shù)據(jù)相關(guān)處理采用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 綜合凍害指數(shù)的構(gòu)建

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)［14-17］，篩選出1981—2020年可能影響石河子墾區(qū)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(jìn)行相關(guān)性分析（表1），這10個(gè)表征冬季低溫的因子之間，除V1、V2、V10之外，其余7個(gè)因子呈極顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。表明7個(gè)因子之間的共線性很強(qiáng)，存在信息重合，可以對(duì)因子的主要成分進(jìn)行分析，將其構(gòu)建為一個(gè)綜合性的因子。

表1 1981—2020年冬季10種凍害因子的相關(guān)系數(shù)

對(duì)以上7個(gè)因子進(jìn)行主成分分析，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)。各因子間KMO統(tǒng)計(jì)量值為 0.762，表明上述7個(gè)凍害因子樣本適用于進(jìn)行主成分分析，Bartlett球形檢驗(yàn)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(guān)性，適用于主成分分析。由表2可見，前3個(gè)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(gè)主成分進(jìn)行，即主成分個(gè)數(shù)m=3(表3)。

表2 冬季7種凍害因子主成分分析結(jié)果

表3 主成分因子載荷矩陣

表3中系數(shù)的絕對(duì)值越大，則該主成分與指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。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(gè)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(gè)主成分基本能夠反映全部指標(biāo)的信息，選用3個(gè)新變量代替原來7個(gè)變量的主要信息。

通過主成分因子載荷矩陣和相應(yīng)的特征值計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)的單位特征向量（表4），將得到的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的原始因子數(shù)據(jù)相乘，即得出主成分函數(shù)計(jì)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(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)。根據(jù)各主成分分析中的方差百分比計(jì)算出綜合得分函數(shù)，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(shù)。

2.2 綜合凍害指數(shù)的驗(yàn)證

利用主成分分析方法計(jì)算得出1981—2020年石河子鮮食葡萄休眠期綜合凍害指數(shù)，結(jié)合各年凍害調(diào)查資料及文獻(xiàn)中冷冬（年度負(fù)積溫距平高于標(biāo)準(zhǔn)差為冷冬，低于標(biāo)準(zhǔn)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(tái)、石河子、烏蘭烏蘇等站點(diǎn)的冬季綜合凍害指數(shù)，劃分凍害等級(jí)（表5）。

表5 凍害等級(jí)的劃分

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

表6 驗(yàn)證年份準(zhǔn)確率 %

2.3 孕災(zāi)環(huán)境敏感性分析

一般來說，孕育災(zāi)害的環(huán)境主要包括大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)、水文條件、地形、植被條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等。這些環(huán)境因素通常被理解為風(fēng)險(xiǎn)載體對(duì)破壞的敏感性。葡萄根部的凍害是一種較常見的自然災(zāi)害，石河子冬季寒冷多雨，當(dāng)溫度較低或急劇下降時(shí)，土壤中的含水量越多，對(duì)葡萄根系的損害就越嚴(yán)重［20］。

土壤容重應(yīng)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(zhì)量與干燥前的體積之比。土壤的體積密度表示其密實(shí)度，容重越大，壓實(shí)度就越大，容重也與土壤質(zhì)量有關(guān)。

本研究選取田間持水量、土壤容重作為孕災(zāi)環(huán)境敏感性的指標(biāo)，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(fù)雜的土壤類型。對(duì)2個(gè)因子分別賦予5個(gè)影響等級(jí)（表7）；依據(jù)不同土壤的田間持水量確定不同的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，利用德爾菲法來確定2個(gè)因子的權(quán)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表8）。

表7 孕災(zāi)環(huán)境敏感性因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表8 孕災(zāi)環(huán)境敏感性等級(jí)的劃分

由孕災(zāi)環(huán)境敏感性分級(jí)指標(biāo)計(jì)算得出，烏蘭烏蘇（143團(tuán)）、133團(tuán)、135團(tuán)、141團(tuán)、142團(tuán)、144團(tuán)、147團(tuán)、148團(tuán)、149團(tuán)為孕災(zāi)環(huán)境高級(jí)敏感區(qū)，莫索灣、136團(tuán)為中級(jí)敏感區(qū)，炮臺(tái)、151團(tuán)為次低級(jí)敏感區(qū)，122團(tuán)、132團(tuán)、134團(tuán)、152團(tuán)為低級(jí)敏感區(qū)。

2.4 承災(zāi)體脆弱性分析

氣象災(zāi)害的危險(xiǎn)程度與人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)相關(guān)，只有當(dāng)人類社會(huì)生活和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)受到切實(shí)影響時(shí)，致災(zāi)因子作用于承災(zāi)體的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)才能夠體現(xiàn)。承載體的特征要素主要反映其脆弱性、承載力和可恢復(fù)性，包括承載體的類型、范圍、數(shù)量和密度。承災(zāi)體的決定作用體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：一方面，承災(zāi)體決定了氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)存在的可能性；另一方面，承災(zāi)體的性質(zhì)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的形式和大小都起到?jīng)Q定作用。在國外，災(zāi)害承受體的災(zāi)害脆弱性通常被理解為災(zāi)害承受體對(duì)損害的敏感性，或其被災(zāi)害事件損壞的可能性。

在氣象研究中，災(zāi)害承載體的脆弱性是指一旦發(fā)生災(zāi)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(zāi)體的暴露程度，暴露程度越大，脆弱性程度就越高。由于承災(zāi)體的脆弱性反映了災(zāi)前和災(zāi)后區(qū)域經(jīng)濟(jì)對(duì)災(zāi)害的敏感性，因此選擇種植面積作為分析承災(zāi)體脆弱性的指標(biāo)（表9）。

表9 鮮食葡萄種植面積影響程度的劃分

本研究結(jié)果表明，承災(zāi)體脆弱性5級(jí)團(tuán)場(chǎng)有石河子、炮臺(tái)、莫索灣、142團(tuán)、147團(tuán)、148團(tuán)、151團(tuán)、152團(tuán)；4級(jí)團(tuán)場(chǎng)有122團(tuán)、132團(tuán)、133團(tuán)、141團(tuán)、149團(tuán)；3級(jí)團(tuán)場(chǎng)有烏蘭烏蘇、134團(tuán)、144團(tuán)；2級(jí)團(tuán)場(chǎng)有135團(tuán)，1級(jí)團(tuán)場(chǎng)有136團(tuán)。

2.5 防災(zāi)減災(zāi)能力分析

防災(zāi)減災(zāi)能力是指各個(gè)地區(qū)對(duì)于氣象災(zāi)害的防御能力和抵抗水平。防災(zāi)減災(zāi)能力值大的地區(qū)，說明災(zāi)害發(fā)生前對(duì)氣象災(zāi)害的防御和抵抗能力強(qiáng)，災(zāi)害發(fā)生后的恢復(fù)能力也強(qiáng)；防災(zāi)減災(zāi)能力值小的地區(qū)，說明災(zāi)前抵御能力和災(zāi)后恢復(fù)能力都較弱。在農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生時(shí)，防災(zāi)減災(zāi)能力越強(qiáng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平就越高，自然災(zāi)害對(duì)作物的減產(chǎn)作用就越小。因此，防災(zāi)減災(zāi)能力評(píng)估對(duì)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響至關(guān)重要。

本研究計(jì)劃選擇研究區(qū)域的人均GDP作為防災(zāi)減災(zāi)能力的指標(biāo)。人均國內(nèi)生產(chǎn)總值越大，地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高，可用于應(yīng)對(duì)凍害的潛在投資資源就越大，防災(zāi)減災(zāi)能力就越強(qiáng)。但是在實(shí)際分析中發(fā)現(xiàn)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(jīng)濟(jì)指標(biāo)”概念，包含人均GDP、人均收入、人均社會(huì)總產(chǎn)值（按照1∶1∶1的比例分配），劃分經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響度（表10）。

表10 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響度劃分

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

2.6 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析

氣象災(zāi)害發(fā)生的必要條件是致災(zāi)因子，沒有致災(zāi)因子災(zāi)害的發(fā)生就缺乏必要條件。致災(zāi)因子表示氣象條件的異常程度，致災(zāi)因子危險(xiǎn)性表示氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)程度。作用范圍越大，風(fēng)險(xiǎn)程度越高，受災(zāi)面積越大，災(zāi)害等級(jí)越高，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的破壞性越大。破壞性越大，對(duì)人類生產(chǎn)生活的影響程度越大，災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也越高。此處直接用上文計(jì)算出的綜合凍害指數(shù)表示致災(zāi)因子危險(xiǎn)性（表5）。

2.7 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的建立

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的組成部分有孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體脆弱性、致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、防災(zāi)減災(zāi)能力等4個(gè)因子，運(yùn)用層次分析法、加權(quán)綜合平均法確定系數(shù)，建立墾區(qū)葡萄休眠期凍害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型如式（5），凍害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分指標(biāo)見表11。

表11 石河子墾區(qū)葡萄休眠期凍害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分

基于石河子墾區(qū)18個(gè)團(tuán)場(chǎng)（鄉(xiāng)鎮(zhèn)）葡萄休眠期凍害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及等級(jí)劃分指標(biāo)，利用ArcGIS技術(shù)完成墾區(qū)鮮食葡萄越冬休眠期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃（圖1）。

圖1 石河子墾區(qū)鮮食葡萄休眠期凍害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

由圖1可知，墾區(qū)南部?jī)龊Φ燃?jí)低，凍害風(fēng)險(xiǎn)程度較輕，由南向北凍害風(fēng)險(xiǎn)程度呈增加趨勢(shì)。這與石河子墾區(qū)冬季北部沙漠冷湖效應(yīng)，故溫度較低相符合，與孫桂香等［23］的研究結(jié)果相一致。

3 小結(jié)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(fā)現(xiàn)石河子葡萄冬季凍害與1—2月平均氣溫、40 cm地溫相關(guān)的研究結(jié)果相符。本研究完善了氣象要素因子，篩選出平均氣溫指標(biāo)的信息、最高氣溫的指標(biāo)信息、地面溫度的指標(biāo)信息，與王進(jìn)等［24］的研究結(jié)論相一致。

本研究選取田間持水量、土壤容重作為孕災(zāi)環(huán)境敏感性的指標(biāo)，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(duì)氣溫的反映不同，因此影響葡萄園內(nèi)的地表熱量。選取種植面積作為分析承災(zāi)體脆弱性的指標(biāo)，與當(dāng)前典型的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究方法相同［25-26］，引入“經(jīng)濟(jì)指標(biāo)”概念（包含人均GDP、人均收入、人均社會(huì)總產(chǎn)值）作為防災(zāi)減災(zāi)能力的指標(biāo)，不同于以往研究，能更全面地反映減災(zāi)能力。本研究構(gòu)建了鮮食葡萄休眠期綜合凍害指數(shù)，經(jīng)驗(yàn)證，綜合凍害指數(shù)在驗(yàn)證年份中特重等級(jí)準(zhǔn)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(zāi)害等級(jí)均與實(shí)際相符，說明該綜合凍害指數(shù)能夠很好地反映石河子的實(shí)際災(zāi)情，尤其在重度、特重凍害預(yù)測(cè)中具有參考價(jià)值。

本研究運(yùn)用層次分析法、加權(quán)綜合平均法建立墾區(qū)葡萄休眠期凍害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，結(jié)果顯示墾區(qū)南部?jī)龊Φ燃?jí)低，凍害風(fēng)險(xiǎn)程度較輕，由南向北凍害風(fēng)險(xiǎn)程度呈增加趨勢(shì)，這與石河子墾區(qū)冬季北部沙漠冷湖效應(yīng)，故溫度較低相符合。該研究還可以進(jìn)行延展，用風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)系數(shù)，進(jìn)行保險(xiǎn)費(fèi)率的厘定，可以結(jié)合遙感等技術(shù)手段進(jìn)行不同地物類型下墊面的差別分析。