四川盆区油菜花期连阴雨灾害指标及风险分析

2021-12-15赵金鹏李旭毅王茹琳1

广东农业科学 2021年11期

郭翔，赵金鹏，李旭毅，王茹琳1,

（1.中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川成都 610072；2.南方丘区节水农业研究四川省重点实验室，四川成都 610066；3.四川农业气象中心，四川成都 610072；4.四川省农村经济综合信息中心，四川成都 610072；5.四川省农业科学院作物研究所，四川成都 610066）

【研究意义】四川是我国油菜种植和产量第一大省，总产和面积连续多年居全国第1 位［1］，2020 年油菜籽产量达到317 万t、占全国总产20%以上，油菜种植面积突破133 万hm2。四川油菜以冬油菜为主，其中四川省盆地区（简称“四川盆区”）油菜产量占全省的98%，是我国最大的冬油菜集中产区。四川盆区冬、春季温度适宜、降水充沛，种植油菜具有明显的气候优势［2］，但由于极端天气频发在一定程度上危害其产量和品质。连阴雨天气是四川盆区的气候特点之一，也是主要农业气象灾害，纵观油菜整个生育期，花期是对连阴雨天气最敏感的时期，而此时正值春季四川盆区连阴雨天气频发时段，其中2 月下旬至4 月中旬四川盆区常出现阶段性降水偏多、日照持续偏少、空气湿度较大的情况，导致油菜开花结荚受阻，菌核病流行［3］，从而影响生长发育和产量形成，造成油菜减产。

【前人研究进展】目前，完善的连阴雨灾害评估技术和理论体系仍在探索中，但对连阴雨灾害的定性分析以及风险区划等研究已取得了一定成果，如综合涝害和连阴雨天气揭示湖南省油菜春季涝渍害时空分布规律［4］；分析水蜜桃低温、连阴雨等灾害发生情况，并基于灾害指数构建气象产量模型［5］；通过构建“灾害胁迫-暴露-适应”的连阴雨灾害风险评估体系，对全国冬小麦连阴雨灾害进行风险评估［6］；基于农业生产资料确定连阴雨灾害指数临界值，建立花生连阴雨天气指数保险模型［7］。而已发表的对油菜连阴雨灾害风险指标的研究，主要从天气气候和农业气象两方面进行，如基于油菜灾损率筛选出安徽省油菜花期连阴雨灾害评估指标［8］，通过分析油菜开花期、结荚期、成熟期的连阴雨等气象灾害构建湖南省油菜气象灾害综合风险指数［9］，利用降水和日照资料建立江淮地区油菜涝渍综合指标［10］，采用油菜涝渍判别系数模型对江淮地区油菜涝渍害进行识别［11］；基于阴雨强度系数为气象指标的灾害风险评价模型尚未见报道。【本研究切入点】在前人对自然灾害风险形成机制的研究基础上［12］，本研究以连阴雨灾害为研究对象，分别分析四川省盆地区油菜花期连阴雨灾害危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力，并建立综合风险评估模型进行评价和区划。【拟解决的关键问题】提高研究区气象为农服务能力，为四川油菜产业发展和防灾减灾策略提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区背景

四川盆区（27°～33°N，102°～108°E）是四川省内油菜的主要种植区，地形以浅丘、平原和山地为主，海拔跨度达1 100 m［13］。根据地理、气候条件的差异（表1），本研究将四川盆区划分为5 个油菜种植区（图1）。各种植区最冷月气温仍处于油菜安全越冬的下限温度以上，使得四川盆区成为同纬度独一无二的无休眠越冬油菜区。从各种植区的分布（表2）可知，油菜种植比例最大、总产最高的区域为盆中丘陵区；而盆周边缘山地区由于气候和地理条件相对较差，种植比例和产量最低。

表1 油菜种植区地理、气候概况Table 1 General situation of geography and climate of rape planting area

图1 油菜种植分区Fig.1 Geographical zoning of rape planting area

表2 油菜种植区面积和产量概况Table 2 General situation of rape planting area and output

1.2 资料来源

气象资料：四川盆区105 个气象观测站，1981—2020 年2—4 月逐日地面气象观测资料（包括降水量、日照时数）、连阴雨监测资料以及气象观测站经纬度资料，来源于四川省农业气象中心。

农业气象观测资料：1981—2020 年油菜物候观测资料（主要包括始花期、盛花期、花期），来自四川省农业气象中心。

统计资料：2001—2020 年四川盆区各区/县粮食产量、农村人口人均纯收入、油菜产量和种植面积等，来源于四川省统计局。

地理资料：四川省（分区县）底图〔审图号GS（2017）3320 号〕，来源于四川省农业气象中心。

1.3 数据处理

1.3.1 油菜花期确定依据各种植区油菜种植习惯和多年油菜物候期观测结果，结合油菜栽培专家意见，以能包括油菜主要花期为原则，采用多年油菜普遍花期的均值来反映该区域油菜的花期。

1.3.2 数据标准化处理采用极差标准化方法［14］处理不同量纲数据，避免对评价结果的影响。

1.3.3 等级划分油菜花期连阴雨灾害强度等级采用Fisher 最优分割法［15］，分为轻、中、重3个等级；油菜花期连阴雨灾害综合风险等级通过自然断点法，分为低、中、高3 个等级。

1.3.4 权重确定对油菜花期连阴雨危险性、暴露性、防灾减灾能力，及综合风险评价，均采用层次分析法（AHP）［16］来确定评价模型中的权重，构建判断矩阵（表3），其一致性比例CR＝0.037＜0.1，通过一致性检验。

表3 权重判断矩阵Table 3 Judgment matrix and weights

1.3.5 空间处理利用ArcGIS10.0 软件，处理空间数据［17］，并生成图片。

1.4 油菜花期连阴雨灾害指标

油菜花期连阴雨灾害程度取决于连阴雨发生的规模和频次，本研究选用油菜花期连阴雨发生强度和近40 年连阴雨发生概率作为油菜花期连阴雨灾害指标。

1.4.1 油菜花期连阴雨过程参考四川盆地连阴雨灾害研究［18］，将研究区内油菜花期连阴雨灾害过程统计标准定义为：日降水量≥0.1 mm 且日照时数＜0.1 h 视作1 个雨日，否则视作1 个非雨日；出现连续3 d 及以上雨日视为1 个连阴雨过程，第1 个雨日出现的时间为连阴雨开始时间；出现连续2 d 日降水量＜0.1 mm 视为连阴雨过程结束，最后1 个雨日为连阴雨结束时间；连阴雨开始和结束之间的时段为连阴雨过程持续时间；若连阴雨过程在3～6 d，则允许过程中可以有1 个非雨日；若连阴雨过程在6 d 以上，则允许过程中可以有不连续的2 个非雨日。

1.4.2 油菜花期连阴雨强度在查阅油菜花期连阴雨/渍害致灾因子研究［8,11,19-20］、多地灾害性天气/气候地标［21-22］的基础上，征求多年从事农业气象灾害研究、油菜栽培方面的专家意见，选用连阴雨过程中单日最大降水量、过程累计降水量和持续时间来量化油菜花期连阴雨强度，将单次连阴雨过程的强度（K）表示为：式中，d为连阴雨强度系数，T为连阴雨过程持续时间（d）；rmax为连阴雨过程的日最大降水量（mm）；rsun为1 个连阴雨过程的累计降水量（mm）。其中，油菜花期连阴雨强度系数是在对四川盆区105 个气象观测站1981—2020 年油菜花期连阴雨过程统计后，发现连阴雨持续时间主要集中在3～16 d，结合农业气象观测和油菜灾损指标研究［8,11］等，经过多次调整后确定。某年油菜花期连阴雨强度表示为该年该站点油菜花期所有连阴雨过程的强度之和，分别统计每年各站点在油菜花期的连阴雨强度，再用Fisher 最优分割法将连阴雨强度分为轻、中、重3 级（表4）。

表4 连阴雨强度等级Table 4 Strength grades of continuous rain

1.4.3 连阴雨频次依据表4 中油菜花期连阴雨强度等级标准，分别计算各站油菜花期轻、中、重3 个强度等级连阴雨灾害发生频率（F），即：

式中，n为某站油菜花期出现某一强度连阴雨灾害的总年数，N为年份序列总长。

1.5 风险评价

基于自然灾害风险形成机制，本研究从危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力4 个方面，构建油菜连阴雨风险评价模型［23-24］为：

式中，R为油菜花期连阴雨灾害风险指数；H、E、V、C分别为油菜花期连阴雨灾害危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力；wh、we、wv、wc则为H、E、V、C各自对应的权重，利用层次分析法确定，分别取0.380、0.364、0.190、0.066。

1.5.1 危险性评价模型危险性代表致灾因子的自然变异程度，本研究用油菜花期连阴雨灾害指标来表征。油菜花期连阴雨灾害发生的强度越大，频率越高，则危险性越高，进而导致风险越高。将连阴雨强度分为3 个等级，需考虑不同强度等级连阴在油菜花期造成的影响，因此将危险性模型构建为：

式中，H为危险性；i为连阴雨灾害的不同强度等级，i＝1 表示轻度，i＝2 表示中度，i＝3 表示重度；Xi为不同强度等级连阴雨发生频率；Wi代表不同强度等级在连阴雨灾害中的权重系数，通过层次分析法计算，分别取0.105、0.258、0.637。

1.5.2 暴露性评价模型用暴露性表示油菜暴露于连阴雨灾害环境中的情况，本研究从暴露的面积和产量两方面进行描述，暴露性越大，连阴雨灾害导致损失的可能性越大，因此最终风险也会越高。用四川盆区各县油菜的播种面积比（播种面积与耕地面积的比值）和产量比重（各县油菜总产与盆地油菜总产的比值）构建暴露性模型：

式中，E为暴露性；Arape、Aall分别表示区/县油菜播种面积和该县耕地面积；Orape、Oall分别为区/县油菜总产和四川盆区油菜总产；wa、wo为权重系数，经层次分析法计算后，分别取值0.75 和0.25。

1.5.3 脆弱性评价模型油菜在花期遭受连阴雨灾害威胁并造成损失的难易程度用脆弱性表示，脆弱性越高，则灾害造成的损失程度越大，从而风险越高。本研究用油菜产量变异程度来表征脆弱性［25］，由多年油菜单产标准差与多年油菜最高单产的比值计算得出，表达式为：

式中，V为脆弱性，Yj为某区/县第j年油菜单产，Ymax为该县多年最高单产，n为油菜单产序列总长。

1.5.4 防灾减灾能力评价模型防灾减灾能力是反映油菜花期遭受连阴雨灾害后，受灾区域灾后恢复的能力，该能力越高，风险越低。本研究从农业生产水平和经济投入能力两方面进行表征，其中某区/县粮食单产水平表示该区/县农业生产水平［26］，某区/县农民人均纯收入用以反映经济投入能力，表达式为：

式中，C为防灾减灾能力；I为某区/县农民人均纯收入的标准化值；Sj、ASj分别为第j年某区/县粮食单产和四川盆区平均粮食单产；wi、ws为权重系数，采用层次分析法确定为0.33 和0.67。

2 结果与分析

2.1 危险性分析

油菜花期连阴雨危险性高值区主要集中在盆东、盆南和盆周边缘山地的西南部（图2），其中高县最高，达到0.31。高值区与油菜花期降水量相关，四川盆区冬末初春的气候特点是，盆东、盆南和盆西边缘山区降水最多，盆地中、西部次之，在油菜开花期高值区油菜很可能由于阴雨天气不能正常授粉而影响结荚。盆中和盆西地区危险性较低，从水分条件的角度分析，是种植条件最好的，由油菜种植概况（表2）也能看出，该区域是油菜的主产和高产区域。

图2 危险性分布Fig.2 Distribution of hazard

2.2 暴露性分析

从暴露性2 个指标和暴露性空间分布图（图3）可以看出，盆中和盆东是油菜花期连阴雨暴露性高值区，绵阳市和资阳市暴露性基本在0.45以上，尤其是三台县、涪城区等地暴露性达到0.6以上。当油菜进入花期发生连阴雨灾害时，暴露性高会导致产量下降，从而影响该区域粮油作物产出的稳定性，其中盆南、盆周山地西南部和盆东局部油菜暴露性较低，基本在0.2 以下，受连阴雨灾害影响的油菜较少，产量受到影响也较小。结合2 个指标来看，盆西和盆中区域种植面积比重和产量比重均相对较高，尤其是盆中区域，产量比重较高的区/县大部分都分布在该区域，而盆南和盆周山区（尤其是盆周山地西南部）种植面积和产量均处于较低水平。这可能是由于四川盆区主要夏收粮油作物为油菜和小麦，而油菜较小麦耐湿，但不如小麦耐旱，因此大部分油菜种植在水分条件较好的坝区和一台土区域，高台位和山地上种植的油菜较少，受气象条件制约，产量也不高。同时，盆南地区热量资源和水分条件均较好，油菜的前作和后作均为水稻（且前作多为再生稻），在保证前后作产量的情况下，盆南油菜种植面积在减少。

图3 暴露性2 个指标及暴露性分布Fig.3 Distribution of the two indexes and exposure

2.3 脆弱性分析

脆弱性高值区分布较为分散，在盆南和盆西区域分布相对较多，其中最高值0.41 出现在恩阳区，此外温江区、彭山区、通川区、沿滩区、高县、泸县等也属于高值区域，其油菜产量对农业气象灾害的反应最敏感。脆弱度较低的区域在盆东、盆中、盆周边缘山地和盆西均有分布，其中以成都市主城区最低，这些脆弱度较低地区的油菜在经受灾害性天气后，产量受到的影响较小（图4）。

图4 脆弱性分布Fig.4 Distribution of vulnerability

2.4 防灾减灾能力分析

分别处理农民人均纯收入和农业生产水平2个评价指标，依照防灾减灾能力评价模型，得到防灾减灾能力。由图5 可知，成都、德阳、眉山3 市的防灾减灾能力最强，基本在0.58 以上，结合防灾减灾2 个指标来看，农民人均纯收入和农业生产水平在成都市均较高，灾害发生时能有充足的抗灾减灾资金投入，能及时采取措施减少灾损；而以广元、雅安、乐山南部为主的盆周边缘山地区，防灾减灾能力较弱，盆中大部和盆东北大部的灾害防治能力处于中间水平。

图5 防灾减灾2 个指标及防灾减灾能力分布Fig.5 Distribution of the two indexes and disaster prevention and mitigation capacity

2.5 油菜花期连阴雨灾害风险区划

通过自然断点法将四川盆区油菜花期连阴雨灾害风险划分成低、中、高3 个等级（图6），各等级对应的风险度阈值和所占盆区面积比重见表5。盆东平行岭谷区风险高，主要是由于该区域花期连阴雨灾害发生较频繁，危险性很高且暴露性也较高造成的；盆南丘陵区大部综合风险高，主要由于该区域油菜花期连阴雨天气频发，导致该区域危险性非常高，虽暴露性较低，但在危险性和脆弱性均较高的情况下，盆南大部仍属于高风险区；盆中浅丘区以中-高风险为主，其中资阳市及其周边由于暴露性较高、危险性不低、防灾减灾能力偏低，属于高风险区，而其余大部由于暴露性相对较低，处于中等风险区；盆西平原区则以中-低风险区为主，有高风险区零星分布，其中成都市和德阳市区域危险性、脆弱性均偏低且防灾减灾能力较强，是低风险区域；盆周边缘山地区北部危险性、暴露性和脆弱性都相对较低，而其西南部虽危险性相对偏高，但暴露性、脆弱性都属于低值区，因此盆周山区大部属于低风险区。

表5 风险等级及风险区划面积比Table 5 Grade of risk and area ratio of risk zoning

图6 四川盆区油菜花期连阴雨风险区划Fig.6 Risk zoning of continuous rain for rape during anthesis in Sichuan Basin

从四川盆区整体情况来看，盆东、盆南、盆中风险高于盆西和盆周边缘山地，盆周边缘山地北部高于西南部。高风险区主要分布在盆东、盆中和盆南；低风险区主要集中在盆周山区；其余大部区域为中等风险区。从低、中、高3 个风险等级分布面积来看，分布最广的为中风险区，占了研究区域45%以上，其次为高风险区，低风险区面积占比略小于高风险区，分布最少。

3 讨论

连阴雨灾害是四川盆区油菜花期频繁出现的农业气象灾害，本研究结合四川盆区内油菜各种植区的生育期，连阴雨灾害的高风险区呈现“盆东、盆南和盆中区域集中分布，盆西和盆西南边缘区域零星分布”的特点。按照连阴雨气象灾害标准，对四川盆区105 个气象站1981—2020 年每年2 月中旬至4 月上旬进行统计，大部分站点发生频率在70%～90%，且盆南＞盆东＞盆中＞盆周＞盆西，与本研究危险性评价相吻合，近年来气候变化、农业气象灾害时空特征的研究结果也与本研究对危险性的分析趋同一致［27-29］。

结合四川盆区油菜实际生产情况，从连阴雨灾害风险的4 个评价要素来看，油菜花期连阴雨的发生情况严重影响油菜最终产量及品质，因此致灾因子危险性的影响最大，权重最高；油菜暴露在连阴雨天气下的情况对最终风险的影响也很大，权重略低于危险性；油菜生产自身对连阴雨的敏感程度在风险评价中也较为重要，因此脆弱性权重值居第3 位；社会因素和人类活动仅能在一定程度上降低风险，因此防灾减灾能力的权重最低。此外，本研究中暴露性、脆弱性和防灾减灾能力的评价，是通过统计年鉴数据分析研究得到，随着近年来农业产业结构的调整，农业示范园区的广泛推广，这些要素的评价指标也应进一步改进完善。

连阴雨灾害是一种复合型的农业气象灾害，春季连阴雨天气常伴有低温，因此油菜花期连阴雨灾害是由水分、光照和温度等多种要素共同作用的结果［30］。气温低于5 ℃，油菜停止开花［31］，对四川盆区105 个气象站初春时期（3 月上旬至4月上旬）日均温低于5 ℃的情况进行统计，发现低温发生频率大都在5%～20%，且频率相对较高的站点多分布在盆周边缘山地区或海拔较高的地方，因此本研究在连阴雨的定义统计和定量分析中没有加入气温条件。然而，油菜花期遭受不同程度的低温胁迫，会对其生长和最终产量形成造成影响，因此，将来对油菜花期连阴雨的研究，可以进一步细化评估指标。

油菜花期遭遇连阴雨天气不利于开花授粉，可能导致落花和分段结荚现象，还影响油菜菌核病的发生［32-33］，因此在油菜花期遭遇连阴雨灾害时，需重点关注预防菌核病。盆东平行岭谷区连阴雨危险性高，且油菜种植面积较大，是油菜菌核病防治的重点区域；盆西南边缘山地和盆南丘陵区连阴雨危险性高，但油菜种植相对较少，尤其盆南丘陵区常年3—4 月已进入后作作物大面积播种期，因此该区域发生油菜菌核病的压力较小；盆中浅丘区和盆西平原区，虽连阴雨危险性不高，但该区域地势相对平坦，低洼田块较多，加之油菜种植面积和产量均较高，若花期遇连阴雨天气，田间湿度大，种植密度高，易诱发菌核病造成产量损失，仍需高度关注。