福建省春种马铃薯寒冻害风险区划*

方 洁，陈家金



福建省春种马铃薯寒冻害风险区划*

方 洁1，陈家金2

（1．福建师范大学地理科学学院，福州 350007；2．福建省气象服务中心，福州 350001）

为了探究福建春种马铃薯寒冻害风险分布情况，利用马铃薯春种区45个县（市）的历年气象、产量和农业经济资料，在分析马铃薯寒冻害危险性、脆弱性和防寒防冻能力的基础上，构建马铃薯寒冻害风险区划指标，应用层次分析法、熵权系数法、加权综合评价法等确定风险区划指标权重和风险指数，构建福建省马铃薯春种区寒冻害风险区划指标和模型，基于GIS技术对福建省春种马铃薯的寒冻害风险进行区划。结果表明：福建省春种马铃薯的寒冻害低风险区主要分布在低海拔区域，该区域适合春种马铃薯；中度寒冻害风险区主要分布在海拔中等的区域；重度以上的寒冻害风险区主要分布在鹫峰山区、武夷山区、戴云山区和博平岭山区的高海拔区域，其中海拔800m以上地域有严重寒冻害风险，不适宜早春种植马铃薯。在风险因素构成上，寒冻害致灾危险性在综合风险中起决定性作用，种植区防寒防冻能力仅能略微减轻寒冻害带来的风险。

马铃薯；寒冻害；风险区划；春种区；GIS

马铃薯是福建省主要春粮作物之一，2014年福建马铃薯种植面积达8.05万hm2[1]，全省仅2个县（市）无马铃薯种植。2015年农业部把马铃薯主粮化工作列入重要议程[2]，福建也在大力推广种植马铃薯，然而福建省农业气象灾害多发，寒冻害常给马铃薯造成危害，部分种植者在生产过程中由于对马铃薯特性以及对当地寒冻害发生风险情况不了解，导致马铃薯在种植时间、空间布局上存在不合理现象，常引起马铃薯寒冻害。目前对福建省马铃薯寒冻害风险分析和评价的研究报道很少，仅见李丽纯对福建省马铃薯气候减产的风险进行分析和区划[3]，对马铃薯的研究大部分集中在育种和栽培技术方面[4-5]，至今仍未见基于气象要素的马铃薯种植气候适宜性和灾害风险区划研究。因此，亟需开展马铃薯寒冻害风险区划，以辨识福建复杂地形下的寒冻害风险精细化分布，为马铃薯合理种植提供决策依据。

近年来，国内外已开展农作物气象灾害风险区划和评估的相关研究[6]。国外在农业气象灾害风险方面，Snyder等[7]对霜冻发生的可能性给出了计算方法，并进行了产量损失风险的定量计算；Cittadini等[8]构建了定量评价樱桃霜冻风险的综合方法，用于估计霜冻防控系统在减灾方面的潜在影响。国内农业气象灾害风险研究始于20世纪90年代，以农业气象灾害风险分析技术、方法的探索研究为主[8]，如李世奎等[9]以风险分析技术为核心，探讨了农业自然灾害分析的理论、概念、方法和模型，白美兰等[10]针对区域马铃薯开展了农业气象灾害风险评估，陈家金等[11]针对福建区域的特色经济作物和果树开展了多灾种综合风险区划和评估。刘锦銮等[12]开展了华南地区荔枝寒害风险分析与区划。在灾害风险评估模型方面，于飞等[13]在灰色关联分析基础上建立了贵州省综合农业气象灾害风险评价模型，基于GIS空间分析开展综合农业气象灾害风险区划；何燕等[14]根据广西甘蔗生长状况、受害程度与低温冻害强度的关系，确定甘蔗冻害的等级指标，利用气象台站的气候资料和台站地理信息，建立冻害指标的空间分析模型。但是，有关农业气象灾害风险评估理论的基础研究仍相对薄弱，农业气象灾害风险评价还缺乏统一标准，农业气象灾害风险评估技术还需进一步研究。

因此，本文以福建春种马铃薯为研究对象，采用多指标综合灾害风险指数法，通过构建春种马铃薯寒冻害风险区划指标体系，采用主客观权重法计算指标权重，确定春种区各站点的马铃薯寒冻害风险指数，并基于GIS技术制作寒冻害风险精细区划图，以评估春种马铃薯不同等级寒冻害风险分布，以期为马铃薯合理布局和防寒防冻提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

福建省马铃薯春种区（图1）共45个县（市）的1971-2014年逐日气温资料来源于福建省气象局的地面气象观测数据；春种区各县（市）马铃薯1993-2014年逐年播种面积、产量资料来源于福建省农村统计年鉴；地膜覆盖面积、农民人均可支配收入来源于2014年福建省农村统计年鉴。

图1 福建春种马铃薯各县（市）2014年种植面积分布图

1.2 研究方法

采用多指标综合灾害风险指数法评估福建春种马铃薯的寒冻害综合风险[11,15]。

（1）构建风险区划指标体系

马铃薯寒冻害风险区划指标体系从致灾因子危险性、马铃薯脆弱性以及种植区防寒防冻能力三方面进行构建。

（2）计算风险区划指标权重

采用层次分析法和熵权系数法的综合应用确定风险区划指标权重[15]。层次分析法中，邀请专家按照1～９比例标度法比较各指标的重要性，构建判断矩阵并进行一致性检验，以确定各指标的主观权重；在熵权系数法中，通过构建区划指标特征值矩阵并对特征值进行标准化处理，计算指标特征值比重，再计算各区划指标的熵权，即客观权重。根据式（1），将这两种方法计算出的主、客观权重相融合，得出风险区划指标综合权重值。

式中，i为评价指标，m为评价指标个数，σi为综合权重值，ωi为主观权重，αi为客观权重。

（3）计算综合风险指数

采用加权综合评价法[16]，赋予各风险指标的综合权重系数，然后与相应的被评价对象各指标的特征值比重相乘后再相加，计算出各个评估单元的指标风险指数，即

式中，i为评价指标，j为评估单元，m为评价指标个数；λj为风险指数，σi为综合权重，Pij为每个指标i特征值在评估单元j所占的比重（0≤Pij≤1），即指标特征值比重。

2 结果与分析

2.1 春种马铃薯寒冻害风险区划指标体系的构建

2.1.1 致灾危险性指标

福建春种马铃薯播种期主要集中在1月下旬-3月中旬，出苗期在2月下旬-4月上旬，成熟期在5月中旬-6月上旬，主要分布在宁德市、南平市、三明市及龙岩市、福州市等部分县（区）的内陆地区[17]。在春种马铃薯整个生长发育过程当中，寒冻害主要出现在播种-现蕾开花阶段，当极端低温低于某一界限值时就开始危害马铃薯茎叶和块茎，当最低气温低于7℃时，茎叶停止生长；最低气温在2℃时幼苗开始受寒害；花在-0.5℃时受冻害，在-1℃时致死；-2℃时茎叶受冻害，块茎停止生长；-3℃时茎叶全部冻死；-4℃块茎受冻害，芽眼死亡[18-20]。

根据福建省春种马铃薯的物候期及寒冻害主要发生时段，即2-4月播种-现蕾开花阶段，确定以2-4月极端最低气温（Td）作为表征春种马铃薯寒冻害危险性的区划指标，并对其按影响程度划分出4个等级（表1），通过分析春种马铃薯在寒冻害主要发生时段（2-4月）的轻度（C1）、中度（C2）、重度（C3）、严重寒冻害（C4）的平均出现频次，计算致灾危险性指数，以评估春种马铃薯寒冻害的致灾危险性。

表1 马铃薯寒冻害气象等级（极端最低气温，Td）指标

2.1.2 马铃薯脆弱性指标

脆弱性强调了灾害对系统所产生的伤害程度，关注系统对灾害的暴露程度以及系统对不同灾害频率与强度冲击的敏感性。因此，脆弱性指标由暴露性和敏感性构成，暴露性越大，其灾害风险越大；对灾害的敏感性越高，耐灾能力越低，灾害造成的损失风险越大。

马铃薯种植面积越大，在一定强度致灾因子的影响下，可能遭受的损失越大，其所承受的寒冻害风险越大，因此，采用2014年评估单元马铃薯种植面积占全省总种植面积比（C5）来表征暴露性。考虑马铃薯在寒冻害的影响下，最终体现在产量的损失大小，表现为歉年，而歉年平均减产率反映了历年实际单产低于当年趋势产量的百分率平均状况，其值越大，马铃薯对寒冻害的敏感性越高；变异系数反映歉年产量减产率的幅度偏离平均值的程度，其值越大，年际间减产幅度变化越大；歉年减产率发生概率是减产率小于某一临界值的累积概率情况，发生概率越大，说明评估单元歉年出现频率越高，寒冻害风险越大，所以这3个歉年表征指标能一定程度反映评估单元春种马铃薯对寒冻害的敏感性程度，其值越大，敏感性越强，脆弱性越大，因此，采用1993-2014年各评估单元马铃薯单产量的歉年平均减产率（C6）、歉年减产率变异系数（C7）和减产率（≤-5%）发生概率（C8）3个指标来综合反映马铃薯寒冻害的综合敏感性[3]。

2.1.3 防寒防冻能力指标

目前在春种马铃薯防寒防冻的措施方面，主要采用大田覆盖地膜保温的措施，所以地膜覆盖面积比例一定程度可反映评估单元防寒防冻的能力，比例越大，防寒防冻能力越大；此外，在防灾资金投入方面，农民人均可支配收入越多，对马铃薯防寒防冻的投入可能也会增加，有利于降低寒冻害带来的损失风险。因此，结合考虑资料的来源性，确定马铃薯春种区防寒防冻能力区划指标，采用2014年评估单元地膜覆盖面积占作物总种植面积比（C9）和农民人均可支配收入（C10）这2个因子来综合表征。

综合上述影响春种马铃薯寒冻害的风险指标因子可见，极端最低气温越低，其致灾危险性越大，种植面积越大，其暴露性越大，马铃薯对低温的敏感性越强，其脆弱性越大，而区域防寒防冻能力越高，会减轻寒冻害风险。因此，构建由致灾因子危险性（B1）、马铃薯脆弱性（B2）以及种植区防寒防冻能力（B3）这3方面指标组成的春种马铃薯寒冻害综合风险区划指标（A）体系如图2。

2.1.4 指标权重

按照式（1）的风险指标权重计算方法，得到福建省马铃薯春种区各寒冻害风险区划指标体系中各指标综合权重的计算结果如表2。由表中可见，不同风险指标对春种马铃薯寒冻害风险所起的作用大小不同，寒冻害危险性的主观权重ωi、客观权重αi、综合权重值σi均最大，对综合风险起着决定性作用，而马铃薯脆弱性的3个权重相对较小，对综合风险影响其次，马铃薯春种区防寒冻能力的权重最小，仅起到微小作用。

2.2 春种马铃薯寒冻害风险区划模型构建

2.2.1 评估单元风险指数

利用式（1）确定各风险指标的权重后，再根据式（2）计算得出各评估单元的风险评估指数。表3列出了马铃薯春种区各评估单元寒冻害风险的归一化指数，由表可见，寒冻害致灾危险性归一化指数（Iwi）在0.1以下低值区分布在低海拔县（市），指数大于0.5的县（市）主要分布在东北部的柘荣县、周宁县、屏南县和寿宁县，以寿宁县为最大；脆弱性归一化指数（Ifi）介于0.1～1，其中上杭县最小，指数较大的县（市）主要分布在南部，以平和县0.8为最大；防寒防冻能力归一化指数（Ihi）介于0.04～1，周宁县防寒防冻能力指数最小，指数大于0.8的县（市）有宁化县、将乐县和泰宁县。综合风险归一化指数（Ici）介于0.007～1，其中指数大于0.5的县（市）有寿宁县、屏南县、周宁县、建宁县和柘荣县，以寿宁县为最高；指数介于0.2～0.5的有邵武市、清流县、宁化县、浦城县、泰宁县和光泽县；指数介于0.1～0.2的有平和县、政和县、松溪县、建瓯市、建阳市、明溪县和武夷山市；其余县（市）指数低于0.1，其中以上杭县最小。

图2 马铃薯寒冻害综合风险区划指标体系

表2 采用层次分析法和熵权系数法确定马铃薯寒冻害综合风险区划指标权重

表3 县域尺度春种马铃薯寒冻害归一化风险评估指数

2.2.2 风险指数等级划分

采用自然断点法[15]即通过各风险指数序列范围内所有数据值与平均值之差的原则来寻找特征点，把风险指标值所组成的数据集划分成不同的子集，以凸显指标间的个体差异性，对风险指标进行等级划分，将各风险指标划分出4个等级的风险标准（表4）。

2.2.3 风险区划空间模型

利用表3各评估单元的春种马铃薯寒冻害归一化风险评估指数，采用多元回归方法建立各站点寒冻害风险评估指数与地理因子（经度、纬度、海拔和离海距离）关系的地理模型，基于GIS技术制作出风险指数区划分布图。回归分析表明，致灾危险性指数Iwi和综合风险评估指数Ici与地理因子密切相关，其指数地理推算模型见表5，基于地理模型制作指数精细化区划图；而马铃薯脆弱性指数Ifi和防寒防冻能力指数Ihi与地理因子相关性较差，因此，只能采用评估单元的面上指数代表单元内任一点的指数，制作出以县级区域为单元的指数区划图。

2.3 春种马铃薯寒冻害风险区划结果分析

2.3.1 危险性

从春种马铃薯寒冻害危险性区划图（图3a）可以看出，轻度寒冻害危险性区域主要分布在春种区的低海拔地带，该区域春种马铃薯在2-4月发生轻度等级寒冻害的平均频次为0.3～3.2次，中度为0～1.9次，重度为0～0.6次，大部区域无严重寒冻害危险；中度寒冻害危险性区域主要分布在春种区的中等海拔地带，该区域发生轻度等级寒冻害的平均频次为2.4～5.0次，中度等级的频次为1.4～2.8次，重度等级的频次为0.6～1.4次，严重等级的频次为0.1～0.3次；重度以上的寒冻害危险性区域集中在鹫峰山区、武夷山区、戴云山区和博平岭山区的高海拔地带，该区域发生轻度等级寒冻害的平均频次为3.9～8.8次，中度等级的频次为2.4～5.2次，重度等级的频次为1.2～2.6次，严重等级的频次为0.4～1.4次，其中屏南县和寿宁县的严重等级发生频次超过1次。

表4 风险指标等级划分

表5 致灾因子风险评估指数的地理推算模型

注：**表示相关系数通过0.01水平的显著性检验。X为经度公里网X 坐标值，Y为纬度公里网Y坐标值，H为海拔高度（m），D为离海距离（m）。

Note:**is P<0.01. X is coordinate oflongitude kilometer network, Y is coordinate of latitude kilometer network, H is altitude (m), D is distance from the sea (m).

图3 春种马铃薯寒冻害风险区划

2.3.2 脆弱性

从春种马铃薯脆弱性区划图（图3b）可以看出，低脆弱性区域主要集中在除春种区东北部和南部以外的大部分县（市），主要是由于该区域种植面积小，歉年平均减产率、歉年变异系数和减产率发生概率均较小的缘故；中等脆弱性区域主要集中在东北部区域和北部部分县（市），该区域马铃薯春种面积较大，歉年平均减产率、歉年变异系数和减产率发生概率中等，故脆弱性属中等；较高以上脆弱性区域主要集中在春种区的南部县（市）和三明市辖区，其中平和县脆弱性高，这些县（市）马铃薯春种面积虽小，但歉年减产率发生概率大，所以脆弱性较高或高。

2.3.3 防寒防冻能力

从马铃薯春种区防寒防冻能力区划图（图3c）可以看出，防寒防冻能力较低的区域主要集中在春种区的东部区域，主要是缘于地膜覆盖比例普遍较低，农民人均可支配收入也低所致；防寒防冻能力较高或高的区域主要分布在南平市的松溪县、建瓯市、光泽县和邵武市，三明市的宁化县、将乐县、泰宁县、清流县和永安市，长汀县和南靖县，其中宁化县、将乐县、泰宁县的防寒防冻能力高，主要是这些县（市）地膜覆盖比例高，同时农民人均可支配收入中等所致；春种区其它县（市）的防寒防冻能力属中等，其地膜覆盖比例及农民人均可支配收入均处于中等水平。

2.3.4 综合风险

从春种马铃薯寒冻害综合风险区划图（图3d）可以看出，轻度寒冻害风险区主要分布在春种区的低海拔区域，该区域寒冻害危险性低，虽然马铃薯脆弱性中等至偏高，防寒防冻能力中等至偏低，但脆弱性和防寒防冻能力的影响权重较小，寒冻害危险性对综合风险起主导作用，因此，寒冻害对春种马铃薯影响的综合风险属轻度，是福建春种马铃薯寒冻害风险最低的区域。中度寒冻害风险区主要分布在海拔中等的区域，该区域无重度以上的寒冻害，寒冻害危险性属中等，同时马铃薯的脆弱性属中度，防寒防冻能力也属中等，因此，寒冻害对马铃薯影响的综合风险属中度，是福建春种马铃薯寒冻害风险次低的区域。重度以上的寒冻害风险区主要分布在鹫峰山区、武夷山区、戴云山区和博平岭山区的高海拔区域，其中海拔800m以上地域有严重寒冻害风险，该区域寒冻害致灾危险性高，脆弱性中等，防寒防冻能力较低，因此，春种马铃薯的寒冻害综合风险高，若要在重度及以上综合风险的区域春种马铃薯，早春要采取保护地栽培，或推迟春种时间，在严重寒冻害风险的区域，种植风险高，不适宜早春种植马铃薯。

3 结论与讨论

（1）福建省春种马铃薯寒冻害综合风险呈现出随着海拔高度升高而逐渐增加的趋势。轻度寒冻害风险区主要分布在春种区的低海拔地带；中度寒冻害风险区主要分布春种区的中等海拔地带；重度以上寒冻害综合风险区主要分布在鹫峰山区、武夷山区、戴云山区和博平岭山区等高海拔区域，其中海拔800m以上地域有严重寒冻害风险,不适宜早春露地种植马铃薯，若要种植，要考虑安全定植期，推迟种植时间，以规避寒冻害风险。

（2）根据福建春种马铃薯的实际分布，春种马铃薯主要分布在轻度至中度寒冻害风险区内，重度以上风险的区域马铃薯种植面积较小，说明寒冻害风险区划结果与马铃薯实际种植分布有着较好的一致性。

（3）大范围持续性灾害天气的出现往往是在特定的天气气候条件下才能发生，极端天气下的灾害持续时间长，会导致影响范围广，造成的损失巨大[21]。在马铃薯致灾危险性表征指标当中，考虑了低温强度的影响，但未考虑不同强度低温持续时间对马铃薯危害的差异，今后在寒冻害风险表征指标中应兼顾考虑低温强度和持续时间的因素。

（4）由于不同区域气候和春种马铃薯品种的差异，马铃薯播种时间、生长发育期存在一定的不同，造成寒冻害影响时段有所差异。本文综合考虑春种马铃薯品种类型的寒冻害主要发生时段，将致灾因子影响时段统一界定在2-4月，这会导致在评估不同区域寒冻害风险时出现一定的误差，今后可进一步针对不同区域不同品种的马铃薯进行灾害风险区划，以提高风险评估精度。

本研究区划过程未考虑坡度和坡向等孕灾环境因素对马铃薯寒冻害风险构成的影响。在构建寒冻害综合风险区划的地理模型时，考虑了福建省马铃

薯春种区各气象站点的经纬度、海拔高度以及离海距离等孕灾环境因素的影响，解决了任一地点的风险评判问题。王守忠等[22]认为，受地形因素影响，相同低温值的不同地域农作物寒冻害的程度往往不同，故而将地形、坡向、坡度对低温值的影响考虑进来更能反映实际寒冻害情况。而福建大部分为山区，地形复杂，不同坡度、坡向因素也影响马铃薯产量和质量的风险构成，因此，为更加精确地反映春种区马铃薯寒冻害风险，今后需在区划过程中补充考虑孕灾环境中的坡度、坡向因素。

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Risk Regionalization of Cold and Freezing Damage to Potato in Spring Planting Region of Fujian Province Based on Geographic Information Systems

FANG Jie1，CHEN Jia-jin2

(1．College of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007,China; 2．Fujian Meteorological Service Center, Fuzhou 350001）

This work was aimed to find out the risk-distribution of cold and freezing damage to spring planting potato in Fujian. Based on the output, meteorological and agricultural economic data from 45 counties during 1993-2014 in spring planting region of Fujian province over the years, to analyze potential hazards of cold and freezing damage, vulnerability of potato and the prevention measures of cold and freezing damage in the spring planting region were analyzed; and the index system of risk division for cold and freezing damage of potato were constructed. The weight coefficient of risk regionalization index and risk exponent were worked out by applying the AHP, entropy-weight coefficient and comprehensive weighting methods; and also, the risk regionalization index and model of cold and freezing damage to potato in the spring planting in Fujian were worked out. Finally, the regionalizationon cold and freezing damage to potato in the springplanting in Fujian were made based on GIS. The results showed that the areas which had low risk of cold and freezing damage to potato locate in low altitude in spring planting region of Fujian Province. These regions are suitable for spring-planting potato. Moderate risk region of cold and freezing damage distributed mainly over medium altitude areas. Furthermore, Jiufengmountain, Wuyimountain, Daiyunmountain and Bopinglingmountain had severe risk of cold and freezing damage. The most severe risk exists in the region of more than 800 meters above sea level, where they aren’t suitable for early spring-planting potato. In terms of risk factor composition, potential hazard was the determinant factor of cold and freezing damage and prevention measures only mitigated this potential.

Potato；Cold and freezing damage；Risk division；Spring planting region；Geographic Information System

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.12.008

方洁,陈家金.福建省春种马铃薯寒冻害风险区划[J].中国农业气象,2017,38(12):812-821

2017-04-05

。E-mail：cjj8284@163.com

福建师范大学2016年“大学生创新创业训练计划（创新训练类）”项目（cxxl-2016129）；福建省自然科学基金项目（2012J01160）

方洁（1995-），女，研究方向为地理科学。E-mail：792944203@qq.com