内蒙古中部马铃薯霜冻灾害风险区划

高红霞，张晓磊，祁 蕾，陈素华

（1.兴安盟气象局，内蒙古 乌兰浩特 137400；2.内蒙古生态与农业气象中心，呼和浩特 010051）

内蒙古中部是内蒙古马铃薯主要生产区，马铃薯种植面积约33万hm2，占全区马铃薯种植面积的60%以上。同时该地区也是气象灾害发生较多的地区，其中霜冻是对该地区马铃薯生产影响较大的气象灾害之一。特别是在成熟期，马铃薯正处于淀粉积累的关键期，此时出现霜冻，将对其产量和品质产生直接影响。因此，开展内蒙古中部马铃薯霜冻灾害风险研究，对当地因地制宜制定防灾减灾措施、减少马铃薯受灾风险具有重要现实意义。

近年来，国内许多学者针对不同地区、不同作物的霜冻灾害风险进行了研究。王晾晾等［1］依据灾害系统理论，对东北地区水稻霜冻灾害风险进行了评估。沈鸿等［2］结合冬小麦物候期及其霜冻指标，评估了黄淮地区冬小麦霜冻灾害风险。许彦平等［3］对天水蜜桃坐果期霜冻灾害进行了综合评估。朱红蕊等［4］基于GIS技术，对黑龙江省水稻初霜冻灾害的危险性和脆弱性进行了分析。李红英等［5］对宁夏晚霜冻灾害风险进行了分析和评价。郑驰等［6］采用GIS技术对玉米霜冻灾害风险进行了区划。袁佰顺等［7］构建了天水苹果坐果期霜冻害风险评估指标体系，并对天水苹果霜冻灾害风险进行了区划。严应存等［8］构建了青海省霜冻灾害风险危险性、暴露性和灾损敏感性指数，开展了青海省霜冻灾害变化特征及区划研究。刘瑞娜等［9］对安徽省茶区各县霜冻发生规律及分布特征进行了分析。祁贵明等［10］基于气象灾害风险评估方法，对柴达木盆地枸杞霜冻灾害风险进行了评估和区划。但对马铃薯霜冻灾害风险的研究较为少见，因此，本研究结合内蒙古中部马铃薯生产实际，综合考虑致灾因子危险性、承灾体的暴露性、脆弱性以及防灾减灾能力4个灾害风险因素，对内蒙古中部马铃薯霜冻灾害风险进行了区划和分析。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究所用日最低气温资料来源于内蒙古中部乌兰察布市、呼和浩特市、包头市共19个旗县的国家级气象站（图1），资料序列为1983—2018年；马铃薯生育期资料来源于武川县、固阳县和察右中旗3个农业气象观测站，资料序列为1983—2018年；研究区域耕地面积、马铃薯种植面积、马铃薯产量等数据来源于《内蒙古统计年鉴》，资料序列为1994—2018年；内蒙古中部行政边界图来源于内蒙古自治区气象局；中部农区边界图来源于内蒙古第二次土地调查数据。

图1 研究区域气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 减产率计算方法 一般情况下，作物的产量构成可表示为［11］：

式中，Y为实际单产，Yt为趋势产量，Yw为气象产量，本研究中采用直线滑动平均的方法对趋势产量进行模拟。则减产率可表示为：

1.2.2 数据标准化方法 由于各指标数据量纲不同，需对数据进行标准化处理。本研究采用极差标准化方法对各指标原数据进行标准化，即：

式中，Ii、Imin和Imax分别为原数据、原数据序列中的最小值和最大值。

1.2.3 层次分析法 灾害风险评估中各因子的影响大小不同，常常要确定各因子的权重系数。目前较为常用的确定权重的方法有专家打分法、层次分析法及熵权法等。其中层次分析法是一种将定性赋权问题定量化的多准则决策方法，是一种定性与定量相结合的方法。该方法采用层次化的指标表示逻辑关系，通过矩阵计算专家评分，最终达到指标综合的目的［12］。本研究采用层次分析法确定霜冻灾害风险4因子的权重。

1.2.4 加权综合评分法 采用加权综合评分法［13］得出研究区域马铃薯霜冻灾害综合风险值ICA，其计算方法如下：

1.3 霜冻灾害风险评估指标

1.3.1 致灾因子危险性指标 根据内蒙古中部19个地面气象观测站日最低气温观测数据和3个农业气象观测站马铃薯生育期观测资料，分析得出内蒙古中部马铃薯霜冻灾害主要发生在后期成熟阶段，即9月1—20日。本研究参考气象行业标准《QX/T 88—2008作物霜冻害等级》［14］，并结合内蒙中部实际情况，确定了内蒙古中部马铃薯成熟期霜冻灾害危险性指标（表1）。

表1 马铃薯成熟期霜冻灾害指标

1.3.2 暴露性指标 依据承灾体暴露性的定义［15］，马铃薯霜冻灾害就是承灾体马铃薯可能受到霜冻威胁的程度，因此本研究采用各旗县马铃薯耕地面积占全部耕地面积的比例，作为霜冻灾害的暴露性评价指标，该指标越大，表明该地区马铃薯霜冻灾害暴露性越大。计算公式如下：

式中，si为某旗县第i年马铃薯种植面积；Si为当年该地区总耕地面积；n为总年数，本研究中为25。

1.3.3 脆弱性指标 孕灾环境脆弱性主要反映承灾体对灾害的敏感性［15］。本研究选用研究区域各旗县霜冻灾害年份马铃薯平均减产率作为马铃薯霜冻灾害脆弱性指标。该指标越大，表明该地区马铃薯霜冻灾害脆弱性越大，马铃薯霜冻灾害风险就越大。马铃薯减产率计算方法如式（2）。

1.3.4 防灾减灾能力指标 防灾减灾能力是指马铃薯受到灾害影响后恢复的程度［15］。本研究采用各旗县马铃薯减产率变异系数作为表征其防灾减灾能力强弱的指标。减产率变异系数越小，表示该地马铃薯产量越稳定，防灾减灾能力越强；反之，减产率变异系数越大，表示防灾减灾能力越弱。减产率变异系数计算公式如下：

式中，v为马铃薯减产率变异系数，xi为历年减产率序列，xd为平均减产率，n为对应的减产年序号。

2 结果与分析

2.1 马铃薯霜冻灾害风险因子分析

2.1.1 致灾因子危险性分析 按照内蒙古中部马铃薯霜冻灾害指标，统计各旗县马铃薯成熟期霜冻出现的频率和强度，构建马铃薯霜冻灾害危险性指数，其计算公式如下：

式中，FR为某地霜冻灾害危险性指数；Fi为该地第i个等级霜冻出现的频数；FSi为第i个等级霜冻强度的中值；n为总年数，本研究中为36。

基于上述危险性指数模型，采用GIS技术，绘制内蒙古中部农区马铃薯霜冻灾害危险性空间分布图（图2），并采用自然断点法对危险性指数分级（表1）。由图2可知，内蒙古中部马铃薯霜冻灾害危险性指数高值区域和次高值区域主要分布在乌兰察布市北部，呼和浩特市武川县以及包头市达茂旗；中危险性地区主要分布在乌兰察布市南部和包头市固阳县；其余为低危险性地区。

图2 内蒙古中部马铃薯霜冻灾害危险性分布

表1 内蒙古中部马铃薯霜冻灾害风险各指数分级

2.1.2 承灾体暴露性分析 基于暴露性指数（暴露性指标的归一化值）计算结果，绘制内蒙古中部农区马铃薯霜冻灾害暴露性空间分布图（图3）。由图3可知，内蒙古中部马铃薯霜冻灾害暴露性指数高值区域和次高值区域主要分布在乌兰察布地区以及呼和浩特市武川县，低暴露性地区主要分布在呼和浩特市土默特左旗，其余为中暴露性地区。

图3 内蒙古中部马铃薯霜冻灾害暴露性分布

2.1.3 承灾体脆弱性分析 基于脆弱性指数（马铃薯霜冻年份平均减产率的归一化值）计算结果，绘制内蒙古中部农区马铃薯霜冻灾害脆弱性空间分布图（图4）。由图4可知，内蒙古中部马铃薯霜冻灾害脆弱性指数高值区域和次高值区域主要分布在乌兰察布市北部、卓资县、兴和县、凉城县，呼和浩特市武川县、和林格尔县，包头市固阳县；低脆弱性地区主要分布在乌兰察布市察右前旗，呼和浩特市中部及清水河县；其余地区为中脆弱性地区。

图4 内蒙古中部马铃薯霜冻灾害脆弱性分布

2.1.4 防灾减灾能力分析 基于防灾减灾能力指数（马铃薯减产率变异系数的归一化值）计算结果，绘制内蒙古中部农区马铃薯灾害防御能力空间分布图（图5）。由图5可知，内蒙古中部马铃薯灾害防御能力较低的地区主要分布在乌兰察布市察右中旗、呼和浩特市武川县；防御能力较高地区主要分布在乌兰察布市化德县、商都县、兴和县、卓资县、凉城县、察右前旗，呼和浩特市土默特左旗和林格尔县以及包头市南部和土默特右旗。其余地区为防灾减灾能力中等地区。

图5 内蒙古中部马铃薯灾害防御能力分布

2.2 马铃薯霜冻灾害风险综合分析

2.2.1 马铃薯霜冻灾害风险评估模型 采用层次分析法确定马铃薯霜冻灾害危险性、暴露性、脆弱性、防灾减灾能力的权重，并建立马铃薯霜冻灾害风险评价模型：

式中，FRA为马铃薯霜冻灾害风险指数；ωj为灾害危险性、暴露性、脆弱性及防灾减灾能力指数的权重，其具体计算值如表2；Fj*为对应指数的标准化值。

表2 内蒙古中部马铃薯霜冻灾害风险4要素权重系数

2.2.2 马铃薯霜冻灾害风险区划 基于马铃薯霜冻灾害风险评价模型，在GIS中采用反距离权重插值法，得到内蒙古中部农区马铃薯霜冻灾害风险综合区划结果（图6），并按照自然断点法将其划分为4个等级（表3）。

图6 内蒙古中部马铃薯霜冻灾害风险分布

表3 内蒙古中部马铃薯霜冻灾害风险区划指标

2.2.3 分区描述

1）高风险区。霜冻风险指数大于0.55的区域为高风险区，主要分布在乌兰察布市察右中旗和呼和浩特市武川县。该区9月1—20日平均气温11.4～12.8℃，马铃薯该阶段的最适气温为16～18℃，该区各站点平均气温较最适气温低。同时，该时段出现日最低气温小于-0.5℃的年份占40%以上，出现霜冻的几率高，导致马铃薯霜冻致灾危险性高，是该区马铃薯霜冻灾害风险较大的主要原因。同时该区也是马铃薯种植面积较大地区，暴露度高，且防灾能力较低，综合各项指标，该区为内蒙古中部马铃薯霜冻灾害风险最大的地区。

2）次高风险区。该区霜冻风险指数为0.40～0.55，主要分布在乌兰察布市四子王旗、商都县、卓资县、化德县以及包头市达茂旗。该区内9月1—20日平均气温12.7～14.8℃，仍低于该时段马铃薯生长的最适气温。该时段出现日最低气温小于-0.5℃的年份占14%～36%，霜冻致险危险性较高风险区有所下降，但该区域马铃薯暴露性、脆弱性仍较高，同时防灾能力偏低，综合各项指标，该区为马铃薯霜冻灾害次高风险地区。

3）中风险区。该区霜冻风险指数为0.28～0.40，主要分布在乌兰察布市东南部地区，呼和浩特市中部以及包头市固阳县。该区内9月1—20日平均气温13.4～16.6℃，部分地区已达到马铃薯生长的最适气温。该时段出现日最低气温小于-0.5℃的年份占比小于10%，霜冻灾害致险度减少，同时该区防灾减灾能力较高，但马铃薯暴露性、脆弱性略高，综合各项指标，该区为中等霜冻灾害风险地区。

4）低风险区。霜冻风险指数小于0.28的区域为低风险区，主要分布在乌兰察布市凉城县，呼和浩特市土默特左旗、托克托县、和林格尔县、清水河县，包头市南部及土默特右旗。该区内9月1—20日平均气温15.8～16.9℃，大部地区均达到马铃薯生长的最适气温。该时段出现日最低气温小于-0.5℃的年份占比小于5%，霜冻灾害危险性低，同时防灾能力高，综合各项指标，该区属于马铃薯霜冻灾害风险较低地区。

3 小结与讨论

本研究利用内蒙古中部马铃薯成熟期日最低气温数据、马铃薯生育期观测资料、马铃薯种植面积、马铃薯产量等资料，从霜冻灾害的危险性、承灾体暴露性、脆弱性和防灾减灾能力4个要素出发，建立了内蒙古中部马铃薯霜冻灾害风险评估指标体系；采用层次分析法、加权综合评分法构建了马铃薯霜冻灾害风险评价模型；最后，采用GIS技术，绘制了内蒙古中部马铃薯霜冻灾害综合风险分布图。结果表明，马铃薯成熟期霜冻灾害高风险区主要分布在乌兰察布市察右中旗和呼和浩特市武川县；次高风险区主要分布在乌兰察布市四子王旗、商都县、卓资县、化德县，以及包头市达茂旗；中风险区主要分布在乌兰察布市东南部地区，呼和浩特市中部以及包头市固阳县；低风险区主要分布在乌兰察布市凉城县，呼和浩特市土默特左旗、托克托县、和林格尔县、清水河县，包头市南部及土默特右旗。

本研究基于自然灾害风险评估理论，构建了内蒙古中部马铃薯成熟期霜冻灾害风险评估模型，并进行了区划分析，其结果可为当地马铃薯生产规划、种植结构调整及防灾减灾措施制定等提供一定的科学依据。但在风险指标的构建上本研究主要以马铃薯农业统计资料为主，未来的研究中将综合考虑社会经济因素，进一步完善评估模型。