内蒙古大豆秋季霜冻风险指数分析及灾害风险区划研究*

王惠贞，唐红艳※，韩 雪，武荣盛，张 超，金林雪，越 昆

（1.内蒙古生态与农业气象中心，呼和浩特 010051；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

0 引言

尽管在气候变化的背景下，热量资源不断增加[1-2]，但加剧了极端天气状况的发生，其中，霜冻作为一种主要的农业气象灾害，是防灾减灾的重要部分[3]。霜冻分布广泛，在北方的高纬度地区霜冻发生较频繁[4]。国内外研究者已经进行了玉米、水稻、小麦等作物的霜冻气候风险区划，将风险原理有效地引入到灾害影响评估中，在全球变暖的背景下从霜冻规律、霜冻指标及防霜技术等几个角度进行了发生风险的量化评估，得到了具有参考价值的区划结果[5-8]。

霜冻是对内蒙古地区大豆影响较为严重的气象灾害之一，在内蒙古地区的发生具有明显的区域特征，遭受霜冻灾害的大豆可造成减产和品质降低[9]。用大豆霜冻发生的历史灾情资料可如实反映霜冻灾害发生的情况，但却不能更好地揭示霜冻发生的潜在风险，通过多种相关指标的层次分析可得到具有参考价值的区划结果[10]。近年来，研究者综合考虑多种因子，在风险理论的基础上，建立了灾害影响评估的技术体系，从多个方面构建霜冻风险评估指标体系、方法和模型，为研究区域潜在灾害风险区划研究提供了可行性的方法[11-15]，但对于内蒙古地区大豆霜冻灾害进行系统的风险评估和风险分区尚未见报道。为了助力国家大豆振兴计划，文章结合多种方法，从霜冻灾害的危险性、敏感性、脆弱性和防灾减灾能力四个方面构建霜冻风险指数，利用ArcGIS 地理信息系统的技术，完成内蒙古大豆秋季霜冻风险区划，以期为内蒙古自治区大豆进行合理的风险分区提供有效的依据，对内蒙古科学合理布局大豆生产和各级政府规划决策有重要意义。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

内蒙古地处中国北部，地域辽阔，地貌以蒙古高原为主体，由东北向西南斜伸，呈狭长形，介于东经97°12＇～126°04＇，北纬37°24＇～53°23＇。全区地势较高，平均海拔高度1 000 m 左右，气候类型多样，地形复杂，是自然灾害多发的地区。内蒙古是中国重要的大豆产区，（大豆种植面积仅次于黑龙江省全国排名第二）实行一年一熟制，春季播种秋季收获，品种生态类型丰富，大豆生长期通常为90～130d，结荚至鼓粒成熟期有发生霜冻危害的风险。

1.2 资料来源

气象资料为1981—2010 年内蒙古自治区119 个气象站日最低气温及初霜冻发生日期，来源于内蒙古气象局信息中心。各旗县大豆种植面积、产量统计数据及国土面积均来源于内蒙古统计年鉴[16]，时间序列为1987—2015年。

地理信息资料包括经度、纬度、海拔、坡向等基础因子及灌溉面积占耕地面积比例的栅格数据等，其中，经纬度数据采用国家基础地理信息中心提供的1∶100 万内蒙古基础地理背景数据，灌溉面积占耕地面积比例的数据来源于内蒙古自治区发布的第二次土地调查数据[17]，分辨率为1∶1万。

大豆发育期资料来自内蒙古3个农业气象观测站（扎兰屯、科右前旗、和林格尔）历年发育期数据及内蒙古（扎兰屯、赤峰、呼和浩特、杭锦后旗、额济纳旗）大豆品种区域和生产试验数据（时间序列为2009—2014年）。

2 研究方法

2.1 内蒙古大豆秋季霜冻灾害评定指标

大豆生长的发育期及其日最低气温共同决定了霜冻灾害是否发生。对内蒙古的大豆而言，霜冻灾害多发生在秋季（大豆鼓粒成熟期），即在大豆灌浆期出现的霜冻灾害。参考中华人民共和国气象行业标准——《作物霜冻害等级》[18]，采用日最低气温作为判定霜冻灾害发生的指标，结合内蒙古实际情况，将大豆秋季霜冻灾害划分为轻、中、重3 级（表1）。

表1 内蒙古大豆不同等级秋季霜冻灾害标准

根据不同区域气象条件相近程度，基于聚类分析理论，利用全区3个大豆农业气象观测站历年发育期资料，结合内蒙古大豆品种区域和生产试验数据，同时借鉴内蒙古农牧业厅生态区划分结果，将内蒙古自治区划分为7个气候生态区（表2）。

表2 内蒙古不同区域大豆平均成熟期

2.2 风险区划指标的选取

从霜冻灾害的危险性、脆弱性、敏感性和防灾减灾能力四个方面[19]评估内蒙古大豆秋季霜冻灾害风险。霜冻灾害危险性主要是由气象危险因子活动强度和活动频率决定，因此，选取霜冻灾害等级、各等级霜冻灾害发生频率及霜冻灾害发生日期的变异性作为评估指标，选取各旗（县）单位国土面积的大豆播种面积作为脆弱性评估指标，选取海拔和坡向这两个因子作为敏感性评估指标，选取灌溉面积百分比作为防灾减灾能力指标（图1）。

图1 内蒙古大豆秋季霜冻灾害风险评估体系

2.2.1 致灾因子危险性指标的选取

根据灾害风险理论，致灾因子危险性由灾害强度和频率共同决定[20]，综合考虑霜冻灾害发生等级、各等级霜冻灾害的发生频率及霜冻灾害发生时的日最低气温等因素[21]。

2.2.1.1 霜冻发生强度频率指标

根据内蒙古的气候特点、霜冻害发生的温度指标范围以及内蒙古大豆的种植结构，在9—10月期间，内蒙古地区大豆处于结荚至鼓粒成熟期，以轻霜冻（日最低气温≤0.5℃）、中霜冻（日最低气温≤0℃）、重霜冻（日最低气温≤－1℃）为界限，通过判断初霜冻发生日期是否在80%保证率成熟期界限日期之前来判定霜冻灾害是否发生。

用1981—2010 年各旗（县）霜冻发生的次数表示内蒙古霜冻发生的频率，以此作为霜冻灾害频率指标。选取霜冻灾害发生时日最低气温的中间值作为内蒙古大豆初霜冻的强度指标。据此将内蒙古各旗县出现霜冻灾害的年份按霜冻灾害发生强度等级分为3组，即轻霜冻、中霜冻和重霜冻，计算不同等级霜冻灾害的发生频率，同时，找出霜冻灾害发生时日最低气温的中间值，结合发生频率计算霜冻灾害强度频率指标lh为：

式（1）中，Dj为不同等级霜冻灾害出现的频率；n为统计的年数；Gj为日最低气温中间值。通过计算得到霜冻灾害发生强度频率指数。

2.2.1.2 变异系数

由于同一地区霜冻灾害的发生日期不稳定，年际间差异较大，直接影响该地区霜冻灾害致灾因子危险性的大小，因此将霜冻害发生日期的变异性作为反映致灾因子危险性大小的另一个指标，公式为：

式（2）中，σ为日序的标准差；D为日序的数学期望。通过计算得到初霜冻日期序列的变异系数Dv。

2.2.1.3 危险性指数

上述两个指标分别从霜冻灾害发生的强度、频率以及变异性角度反映了霜冻灾害危险性的大小[7]，考虑内蒙古大豆种植结构的实际情况，运用专家打分法确定霜冻灾害强度频率指标和霜冻灾害发生日期的变异系数对危险性指数的权重分别为0.75 和0.25，将二者进行加权求和，即可得到各旗（县）致灾因子危险性指数W为:

式（3）中，、分别为Ih和Dv的标准化值。

2.2.2 承灾体脆弱性指标的选取

脆弱性表示霜冻灾害发生时的影响程度，因此，脆弱性评估是研究霜冻灾害风险在区域中与风险受体之间的接触暴露关系，对于霜冻灾害的承灾体——大豆而言，大豆的种植密度即为承灾体的脆弱性，种植越密集，暴露性越高，脆弱程度越大，灾害风险也就越高。根据大豆受霜冻灾害影响程度的差异[10]，从内蒙古自治区的大豆种植结构来分析霜冻脆弱性，以近5年内蒙古地区大豆的种植面积比例作为评价脆弱性的指标，以此来评价霜冻灾害对内蒙古地区大豆造成的损害程度。

2.2.3 孕灾环境敏感性指标的选取

结合内蒙古的地势和地貌特征，将海拔和坡向作为敏感性因素的因子，其中海拔对霜冻的敏感程度，随着海拔的增加，分别赋予从1～5的影响系数（表3）；坡向，由于内蒙古多以西北风为主，故从西北向到东南向同样划分为5 个等级（图2），以此分别赋予从5～1的影响系数（表3）。运用专家打分法来确定海拔和坡向两因素对霜冻敏感性的权重分别为0.833 和0.167，敏感性计算公式为:

DN315、DN250、DN200、DN160 等管沟采用斗宽1.2 m的挖掘机开挖，人工辅助底面修整，管沟断面为矩形，自地面向下1.8m，管沟底宽1.2 m， 底部应平顺；DN110、DN90、DN75、DN63、DN50、DN32、DN25、DN20各种管沟采用人工开挖，人工底面修整，管沟断面为矩形，自地面向下0.8m，管沟底宽0.5m，底部应平顺。管沟开挖应根据管道敷设方向合理确定开挖区段，分段施工，敞沟时间尽量缩短。

图2 坡向级

表3 孕灾环境敏感性影响因子分级

式（4）中，H为海拔，P为坡向，通过计算得到敏感性指数M。

2.2.4 防灾减灾能力指标的选取

霜冻防灾减灾能力与当地的科技、防灾技术水平和投入有关，代表对霜冻灾害防御能力的大小。结合各盟市经济和技术能力等实际情况，不同旗县对霜冻的防灾水平相差不大，熏烟法是最常用的霜冻防御技术，有条件的地区，通过灌溉可以适当调节地温达到防霜的目的。由于不同地区灌溉水平的差异较大，以灌溉面积百分比作为防灾减灾能力指标。

2.3 霜冻灾害综合风险指数权重系数的确定

运用AHP 层次分析法，通过专家打分，构造判断矩阵，进行权重求算，并得到矩阵的最大特征根λmax为4.064 649（表4）。为了对求得的权重进行一致性检验，通过式（5）计算矩阵的一致性指标CI=（4.064 649-4）∕3=0.021 55，而检验一个矩阵的一致性指标为矩阵的随即一致性比率CR见式（6），其中RI表示平均随机一致性指标，这是一个常量，根据阶数可以在量表里查询到4 阶RI 值为0.9，该矩阵中CR=0.021 55∕0.9=0.023 944＜0.1，即保持显著水平，说明对比矩阵是保持一致性的[22]。

表4 不同因子间权重求算矩阵

通过上述分析得到霜冻灾害的危险性、脆弱性、敏感性和防灾减灾能力4个因子分别对灾害风险的贡献为0.593、0.255、0.106、0.046，建立内蒙古大豆霜冻灾害综合风险指数模型:

式（7）中，Z为霜冻灾害综合风险指数，W为危险性指数，C为脆弱性指数，M为敏感性指数，F表示防灾减灾能力指数。

2.4 资料标准化处理

式（8）中，k*为极差化后的数据，k为原始数据，kmax和kmin分别为该指标中的最大值和最小值。

2.5 专题图制作

ArcGIS是目前最流行的地理信息系统平台软件，在使用GIS的过程中，实际获得的空间数据往往是离散点的形式，对于给定站点的资料，可以通过设置一些关键样本点来反映空间分布的特征，然后利用空间内插方法获取未采样点的值[24]。由于自然地理原因，因环境变量会显著不同，不同空间内插方法的准确度有一定差异，内插结果也不同，因而，关键的问题是内插方法的选择[25]。经过对比不同插值方法的数据交叉检验后，在考虑气候要素与经度、纬度等地理信息的基础上，采用小网格推算模型进行霜冻发生危险性和脆弱性指标因子的空间分布的推算（表5）。霜冻灾害综合风险指数是各专题图层基于权重系数的栅格运算结果，最后将4个因子图层进行栅格运算得到综合区划指标。专题图及综合区划风险图的制作采用ArcGIS 10.2版本。

表5 霜冻灾害风险区划指标气候资源推算小网格模型

3 结果与分析

3.1 大豆霜冻致灾因子危险性分析

按照危险性气候资源小网格推算模型在ArcGIS 中进行栅格计算，并对霜冻灾害危险性指数进行等级划分，得到全区大豆秋季霜冻灾害危险性分布图（图3）。从图3可以看出高危险区主要分布在呼伦贝尔大兴安岭山脉地区和兴安盟阿尔山地区，危险性指数在0.55 以上，该区中霜冻和重霜冻发生较频繁，且变异性较高；中危险区主要分布在我区东北部地区，包括呼伦贝尔市中部偏北地区、兴安盟北部地区及锡林郭勒盟北部零星地区，危险性指数在0.40～0.55；较低危险区主要包括呼伦贝尔市西部和东南部、兴安盟中部、通辽北部、赤峰西北部、锡林郭勒盟东部和南部及阴山北麓地区，危险性指数在0.20～0.40；低危险区包括东部偏南农区和锡林郭勒盟西部及以西大部地区，危险性指数在0.20以下。

图3 内蒙古大豆秋季霜冻灾害危险性分布

3.2 承灾体脆弱性分析

进行大豆秋季霜冻灾害脆弱性评价时，将各旗（县）大豆播种面积除以各旗（县）国土面积，即可得到单位国土面积的大豆种植面积的比例（hm2∕km2），将此值作为承灾体脆弱性的评价指标，在ArcGIS中进行栅格计算，并利用GIS技术对脆弱性指数进行等级划分，得到全区大豆秋季霜冻灾害脆弱性分布图（图4）。从图4 可以看出，脆弱性高的区域主要分布在内蒙古东部偏南地区，脆弱性指数在0.07以上包括呼伦贝尔东部、兴安盟东部和南部、通辽中部和南部及赤峰市东南部地区，上述地区为内蒙古大豆主产区，故为脆弱性高值区；东北部地区脆弱性指数在0.02～0.07，包括呼伦贝尔大部、兴安盟中部、通辽市北部、赤峰市中西部及锡林郭勒盟大部，上述地区多为牧区和林区，农田分布较少，处于中低脆弱性区域；乌兰察布及以西大部地区脆弱性指数小于0.02，虽包括中西部主要农区，但大豆种植面积相对较小，故为低脆弱性区域。

图4 内蒙古大豆秋季霜冻灾害脆弱性指数

3.3 孕灾环境敏感性分析

一般情况下，植物霜冻灾害是在明显降温的天气形势下发生的，内蒙古霜冻以平流——辐射霜冻类型最多，对农业生产形成的危害也最大。尤其是在寒潮爆发引发霜冻时，往往伴有强风，冷空气入侵导致近地面温度下降，因此，在相同的天气、植物种类和植物发育期条件下，霜冻害评估时应根据作物所处的地势进行具体分析，同时，迎风坡和背风坡等也是影响霜冻发生的关键因素[10]。因此，利用Arc⁃GIS 地理信息系统的空间分析方法分别对海拔和坡向制作栅格图层，用矢量型空间叠置分析模型对海拔和坡向的栅格图层进行叠加，参考内蒙古大豆历史霜冻灾情数据及专家经验对敏感性指数进行等级划分，并形成霜冻孕灾环境敏感性分布图（图5）。

从图5 可以看出，大兴安岭山脉地区、锡林郭勒盟及以西地区，敏感性指数均在4～5 级，该区海拔较高，且坡向西北向居多，故为高敏感性区域；大兴安岭北麓西部区及大兴安岭南麓偏西地区敏感性指数在2～4 级，海拔相对较低，属于敏感性指数较低值至中值区；大兴安岭南麓偏北地区、西辽河灌区敏感性指数在1～2 级，包括呼伦贝尔东南部、兴安盟东部、通辽南部及赤峰市东南部地区，上述地区多为丘陵平原地带，海拔较低，故为霜冻灾害发生的低敏感性区。

图5 内蒙古大豆秋季霜冻灾害敏感性指数

3.4 防灾减灾能力

采用ArcGIS 提供的“Polygon To Raster”数据转换功能[10]，对灌溉面积百分比进行等级划分，形成霜冻防灾减灾能力分布图（图6）。从图6可以看出，河套灌区、阴山南麓西部、燕山丘陵区、西辽河灌区及大兴安岭南麓偏南部地区灌溉条件较好，大部地区防灾指数在0.75以上，主要得益于有黄河流域及支流、西辽河、老哈河、西拉木伦河等水域经过，上述地区距河流稍远地带灌溉能力略差，防灾指数为0.25～0.75，为防灾减灾能力较低值至中值区，其余农区属于低防灾减灾能力区，防灾指数低于0.25。

图6 内蒙古大豆秋季霜冻灾防灾减灾能力区划

3.5 综合风险评价与区划

根据对霜冻灾害综合风险指数进行等级划分，分别为低风险区、较低风险区、中风险区和高风险区（图7）。

图7 内蒙古大豆秋季霜冻灾害综合风险指数

低风险区霜冻灾害风险指数＜0.40，约占全区总面积的21.5%，面积约为24.7 万km2，其中农区占51%。主要分布在呼伦贝尔莫力达瓦旗、阿荣旗和扎兰屯偏南部地区、兴安盟东南部、通辽南部大部、赤峰东南部、鄂尔多斯南部、巴彦淖尔南部及阿拉善盟南部，包括燕山丘陵区、西辽河灌区、阴山南麓偏西地区及河套灌区。

较低风险区霜冻灾害风险指数在0.40～0.55，约占全区总面积的42.5%，面积约为48.8 万km2，但以牧区为主，农区仅占0.6%。主要分布在呼伦贝尔东南部和偏西部、兴安盟中部、通辽扎鲁特旗中部、赤峰东北部和西北部、锡林郭勒盟西部、乌兰察布南部和偏北部、呼和浩特东南部、包头大部、鄂尔多斯北部、巴彦淖尔北部及阿拉善盟北部大部，位于大兴安岭南麓偏北地区、阴山北麓大部地区和阴山南麓东段地区。

中风险区霜冻灾害风险指数在0.55～0.65，约占全区总面积的22.4%，面积约为25.7 万km2，但以牧区和林区为主，农区仅占2%。主要分布在呼伦贝尔西部、锡林郭勒盟东部、通辽扎鲁特旗北部、赤峰西北部、乌兰察布中部、呼和浩特北部、包头中部及巴彦淖尔中部，主要位于大兴安岭北麓以西地区和阴山北麓偏南地区，霜冻发生的危险性和敏感性均相对较高，但大部地区为非主要农区。

高风险区霜冻灾害风险指数＞0.65，约占全区总面积的13.6%，面积约为15.6万km2，但该区域以林区为主，农区仅占0.2%。主要分布在大兴安岭北麓偏东地区，包括呼伦贝尔市中部、兴安盟偏北部、锡林郭勒盟东北部、通辽市扎鲁特旗偏北部和赤峰市克什克腾旗东北部，主要是由于上述地区霜冻发生的危险性极高。

4 结论与讨论

内蒙古地区地形较复杂，东北部地区有大兴安岭山脉经过，海拔相对较高，霜冻发生危险性和敏感性普遍较高；东部偏南地区大豆种植面积较大，脆弱性指数偏高；河套灌区和西辽河平原地区有黄河和西辽河等河流经过，可通过灌溉进行防霜，防灾减灾能力相对较高。从霜冻灾害风险指数来看，中、高风险区主要分布在大兴安岭北麓和阴山北麓偏南地区，占全区总面积的36%，是内蒙古自治区霜冻发生较早的地区，山地众多，霜冻发生强度频率较高。低风险区和较低风险区约占全区总面积的64%，主要分布在东部偏南和西部地区，大豆秋霜冻风险相对偏低主要原因是该区域地势平坦，从气候评价来看，初霜冻发生日期相对延迟，有黄河和西辽河的经过，灌溉面积占耕地比例较高。在气候变暖的大气候背景条件下，优化调整种植制度，在内蒙古东南部和西部低风险区扩大优质大豆的种植面积，东北部高风险区应尽量选育和推广早熟抗寒品种，减轻霜冻带来的损失，助力国家大豆振兴计划，实现大豆稳产增。

内蒙古大豆秋季霜冻灾害低风险区地处河套平原、土黙川平原、西辽河平原及丘陵、沙漠地带，无霜期日数平均在130～180d左右，≥10℃积温在2 500～4 150℃，初霜日（日最低气温≤0℃）出现在10月末至11月中旬，终霜日出现在3 月。该区域地势平坦，从气候评价来看，初霜冻发生日期相对延迟，发生霜冻的危险性较低，且有黄河和西辽河等河流经过，灌溉面积占耕地面积比例较高，抗灾能力较强，故成为低风险区。建议该地区考虑种植结构基础上，可适当发展大豆种植业。

较低风险区地处阿拉善高原、阴山山脉、乌兰察布高原、蒙古高原、燕山山脉地段，地势相对较高，无霜期日数110～140d，≥10℃积温2 500～3 000℃，初霜日（日最低气温≤0℃）出现在10 月下旬至11 月上旬期间，终霜日出现在3月中、下旬至4月上旬期间。霜冻发生的强度和频率相对中风险区略低，但由于引起霜冻灾害的冷空气入侵具有较大的随机性，初霜冻发生日期的变异性较大，危险性处于中低水平。该区域大都属于农牧业交错区，单产处于全区中间水平，霜冻灾害危险性较低，乌兰察布市以西部分地段灌溉条件较好，有灌溉设施的耕地比例较小，故处于较低风险区。因此该区域应利用良好的水域资源，发展灌溉条件，适当改进耕作和栽培技术。

中风险区地处蒙古高原和乌兰察布高原地带，无霜期日数100～120d，≥10℃积温2 000～2 500℃，初霜日（日最低气温≤0℃）出现在10 月中、下旬，终霜日出现在4 月上旬，霜冻发生的危险性和敏感性均相对较高，但大部地区为非主要农区，大豆的种植比例也较低、产量小，故该区为中风险区。该区应尽量选育和推广早熟抗寒品种，减轻霜冻带来的损失。

高风险区地处大兴安岭山脉，海拔较高，且是坡向多为西北方向的地区，无霜期日数平均不足100d，≥10℃积温不足2 000℃，是内蒙古自治区霜冻发生时间较早的地区，初霜日（日最低气温≤0℃）出现在9月下旬至10月中旬，终霜日出现在3月中下旬至5月上旬，而秋季（9—10月），大豆基本处于结荚至鼓粒成熟期，极易发生霜冻灾害，故该地区属于高风险区。但该地区山地众多，非大豆的主要种植区域，农田较少，防御重点是加强该地区的灌溉措施，在降温过程来临前，做好防霜准备。

影响大豆秋季霜冻灾害的因子较复杂，该文通过建立霜冻风险指标评价体系，从危险性、敏感性、脆弱性和防灾减灾能力四个方面分析了内蒙古大豆发生秋季霜冻风险的影响因素，可较好地反映内蒙古地区大豆秋季霜冻风险分布和区域特征，为内蒙古科学合理布局大豆生产提供了有效的科学依据。霜冻灾害发生的关键影响因素对霜冻风险区划大趋势具有决定性，因此该文研究结论可作为内蒙古自治区大豆霜冻风险分区和政府规划决策的参考依据，但由于霜冻对大豆不同品种的影响各有不同，受灾和成灾的原因均有差异，因此下一步有必要针对内蒙古地区的大豆主要品种，充分研究不同熟性大豆受霜冻害的情况，为内蒙古地区大豆霜冻的防灾减灾提供更加精细化的指导。