基于GIS的黑龙江省水稻低温灾害风险等级区划

周 见 ， 郝成元 ， 吴文祥

(1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作454000； 2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京100101)

0 引言

黑龙江省是我国水稻主产区，水稻米质优良，深受消费者喜爱。水稻产量仅次于玉米，在中国水稻产量中占有重要地位。但是，黑龙江省地处中国最高纬度，水稻易受低温冷害的影响。低温灾害使处于生长期的作物被冻伤、冻死，造成减产甚至绝收，严重威胁粮食生产安全[1]。如果水稻受到生长发育最低临界温度以下的低温影响，则正常生长发育遇到障碍而导致减产[2]。据统计，黑龙江省每3～5年发生1次低温冷害，建国后有记录的低温冷害年份垦区14 次，省内10 次，其中垦区重大冷害发生5 次[3]。低温冷害导致水稻大量减产，成为黑龙江省农业气象灾害中影响最为严重的灾害之一。

低温灾害风险的评估和区划是科学防灾减灾的重要基础，受到了国内外学者的关注。唐为安等根据自然灾害风险形成原理，建立了安徽省低温灾害风险评估模型，较为客观全面地反映了安徽省的低温冷冻灾害风险水平[4]。关于低温对水稻影响机制的研究结果表明，夏季低温主要影响水稻的正常发育，水稻生长期积温不足，导致水稻出穗延迟、生长缓慢，水稻孕穗期低温导致雄蕊受害、花粉败育，造成不育率升高，产量下降[5-7]。袭祝香等通过研究东北区低温冷害风险确定了冷害的指标[8]。袁福香等利用水稻产量数据和气象数据，建立平均减产率、水稻产量变异系数、风险指数等指标，对东北地区水稻生产进行了风险评估[9]。

风险评估理论认为，自然灾害风险是致灾因子的危险性、孕灾环境的暴露性、承灾体的易损性3个因素共同作用的结果，自然灾害的风险大小可表示为：风险=危险性×暴露性×易损性[10-11]。本研究从风险评估理论的角度出发，重新评价黑龙江省水稻低温灾害风险。选取与风险形成有关的3个因素作为评价指标，建立水稻低温灾害风险评估模型，对黑龙江省水稻低温灾害进行风险评价，并利用GIS绘制黑龙江省水稻低温灾害的风险等级区划图，区划结果可以作为黑龙江省水稻低温灾害风险管理的基础。

1 资料与方法

1.1 资料来源

气象资料来自黑龙江省安达、宝清、北安、富锦、富裕、哈尔滨、海伦、鹤岗(2009，2010年气象数据缺失)、黑河(2011，2012年气象数据缺失)、呼玛、虎林、鸡西、佳木斯、克山、明水、漠河、牡丹江、嫩江、齐齐哈尔、尚志、绥芬河、绥化(2011，2012年气象数据缺失)、孙吴、泰来、铁力、通河、伊春、依兰28个地面气象站1971—2012年的月平均气温以及日平均气温统计资料。遵循水稻资料站点与气象资料站点重合的原则，从《黑龙江统计年鉴》中选择大兴安岭、伊春、鹤岗、鸡西、黑河、双鸭山、绥化、牡丹江、佳木斯、哈尔滨、齐齐哈尔11个地市1986—2011年的水稻单产和种植面积数据。黑龙江省底图来源于全国县级区划行政图。

1.2 研究方法

1.2.1水稻低温灾害风险评价模型的建立。基于自然灾害风险形成的基本原理，灾害风险由多个因子共同作用形成，其大小可表达为：

R=f(H,E,V)。

(1)

式中：R表示灾害风险；H表示危险性；E表示暴露性；V表示易损性。3个因子分别包含次指标(表1)。为了消除指标之间的量纲差异，对每一个指标进行归一化处理[12]，计算公式如下：

Xi=(xi-xi,min)/(xi,max-xi,min)。

(2)

式中：Xi为危险性、暴露性、易损性的归一化指数；xi为危险性、暴露性、易损性的原始值；xi,min和xi,max分别为各地市中危险性、暴露性、易损性指数的最小值和最大值。

表1 黑龙江省水稻低温灾害风险指标体系

根据自然灾害风险数学公式，水稻低温灾害风险指数计算公式如下：

R=∏Xi。

(3)

式中：R为综合风险等级指数；Xi为危险性、暴露性、易损性的归一化指数。

1.2.2GIS空间分析方法。由于水稻低温灾害风险评价涉及低温灾害发生概率、水稻种植面积及水稻单产地域之间的差异性，需要用空间属性表达。利用GIS插值技术、自然断点分级法以及制图功能进行评价，其中内插方法用反距离权重方法。

(4)

如果某地5—9月平均气温和的距平小于冷害的临界距平值，则发生冷害。

一般认为，气温的波动符合正态分布[14]。5—9月平均气温和在平均值附近的年份较多，偏离平均值较大的年份较少。用SPSS检验安达市5—9月平均气温和是否符合正态分布，样本数量为42，采用单样本K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验法，当显著性水平超过0.05时，可认为符合正态分布。检验结果表明，安达市5—9月平均气温和正态分布显著性水平达到0.906，符合正态分布。同样，其他气象站5—9月平均气温和经K-S检验也符合正态分布，可以用正态分布求取各个县市发生低温冷害的概率。

黑龙江省各个县市5—9月平均气温和近似符合正态分布N(μ,σ)，μ代表5—9月平均气温和的多年平均值，σ代表标准差。正态分布的概率密度函数为：

。

(5)

分布函数为：

(6)

式中：F(t)为冷害指标以下出现的概率；t为冷害临界温度。

以各地市7月中旬至8月上旬日平均气温低于18 ℃超过3天的频率代替7月中旬至8月上旬日平均气温低于18 ℃超过3天的概率，即障碍型冷害的概率。各地市障碍型冷害概率Pj可按照下式计算：

Pj=nj/N。

(7)

式中：Pj为j地区障碍型冷害概率；nj为j地区在时间序列中7月中旬至8月上旬日平均气温低于18 ℃超过3天的年数；N为统计年数。

1.2.4暴露性指标的选择与表达。就黑龙江省水稻种植而言，暴露性是指受到潜在的低温冷害影响的水稻种植面积，面积越大，发生低温灾害时损失越大。因此，暴露性可以用水稻的种植指数，即种植面积占全省种植面积的比例来表示。考虑到时间序列内各地市的种植面积变化较大，某地的种植指数用2009—2011年该地水稻种植面积占全省水稻种植面积比例的平均值表示。

1.2.5易损性指标的选择与表达。易损性是指遭受灾害时易遭受损失的程度。每一年的水稻产量是受各种自然和非自然因素综合影响的结果。非自然因素是指因社会生产力如种植技术、灌溉技术、机械化水平等不同而导致水稻年际产量不同的因素；自然因素是指气象条件如降雨、温度等自然条件不同导致的水稻年际产量不同的因素。把水稻受自然因素影响的产量称为气象产量，把不受自然因素影响的产量称为趋势产量[15]，则实际产量与趋势产量、气象产量有如下关系：

y=yt+yw。

(8)

式中：y为实际产量；yw为气象产量；yt为趋势产量，yt用移动平均法计算，步长取6。yw与yt之比称为相对气象产量，不受年际影响，是可比较的量。若比值大于0，说明气象条件对作物增产有利，作物增产；比值小于0说明气象条件对作物增产不利，作物减产。规定作物减产5%～15%为一般灾年，减产超过15%为严重灾年。易损性具体可用灾损指数表达。灾损指数可以用损失程度与该损失程度概率相结合起来的指标来表示。将各个地市减产的时间序列按一般减产和严重减产分为两组，求出每组的频数和组中值，按照下式计算灾损指数：

k=D1/n×H1+D2/n×H2。

(9)

式中：k为灾损指数；D1和D2分别为一般减产和严重减产出现的频数；H1和H2分别为一般减产和严重减产组中值；n为减产总年数[14]。

2 水稻低温灾害风险分析

2.1 危险性

低温灾害的危险性用低温冷害发生的概率来表示。将延迟型概率和障碍型概率相加，得到黑龙江省水稻低温冷害的危险性，按照公式(2)求得危险性归一化指数，然后在GIS中绘制水稻低温冷害危险性区划图(图1a)。大兴安岭地区、黑河市的孙吴县、牡丹江东部的绥芬河低温灾害发生的概率最大，危险性最高；黑河大部分地区、伊春中部南部、牡丹江中南部发生冷害的概率属于中等；南部和东北部的大部分地区发生低温冷害的概率较低，危险性较小。

2.2 暴露性

种植指数计算结果(表2)表明，黑龙江省水稻暴露性最低的地区有：大兴安岭、黑河、伊春、牡丹江、双鸭山、鹤岗；齐齐哈尔、鸡西暴露性属中等水平；暴露性最高的区域是绥化、佳木斯和哈尔滨。

表2 黑龙江省11地市水稻种植指数

2.3 易损性

按照公式(2)计算各地市的水稻易损性归一化指数，用GIS绘制水稻低温冷害易损性区划图(图1b)。低灾损指数即灾害低易损性区域包括大兴安岭西部、伊春和哈尔滨；黑河、齐齐哈尔部分地区、鹤岗部分地区、鸡西、牡丹江的灾损指数最高，即灾害易损性最大；其他地区的灾损指数属中等水平。

图1 黑龙江省水稻低温灾害风险区划

2.4 风险等级

按照公式(2)求得危险性、暴露性、易损性归一化指数后，再按照公式(3)计算黑龙江省11个地市的水稻低温灾害风险指数。利用GIS中的反距离权重插值方法和自然段点分级方法，绘制黑龙江省水稻低温灾害风险等级区划图(图2)。黑龙江省水稻低温冷害可划分为4个风险等级区域。1)轻微风险区。大兴安岭、黑河市西北部地区虽然冷害概率大，但是种植面积占全省的比例小，冷害影响微小；齐齐哈尔虽然水稻种植面积大，但是冷害概率小，最终结果是风险较轻；伊春虽然冷害概率高，但是灾损系数小，相乘的结果是风险等级轻微；双鸭山冷害概率小，水稻种植面积比例低，风险等级是轻微；哈尔滨虽然种植面积大，但是较小的冷害概率和较低的易损性决定了其冷害风险轻微。2)低级风险区。包含黑龙江省南部、西北、东北部地区。3)中级风险区。包括黑龙江省中部、北部、绥化。4)高风险区。包括鸡西、佳木斯和鹤岗部分地区，较高的低温冷害概率和较大的水稻低温冷害易损性导致该区域的水稻低温灾害风险等级较高。

图2 黑龙江省水稻低温灾害风险等级

3 结论

基于风险评估理论，危险性、暴露性、易损性分别选取冷害概率、水稻种植面积、水稻单产减产率作为指标，建立了黑龙江省水稻低温灾害风险评估模型。利用黑龙江省28个地面气象站的气温资料，计算了水稻延迟型冷害、障碍型冷害的概率和危险性指标，利用1987—2012年《黑龙江统计年鉴》中水稻种植数据，计算了水稻种植面积比例和水稻灾损系数。利用GIS技术，绘制了黑龙江省水稻低温灾害风险等级区划图。风险等级区划图表明，黑龙江省水稻低温灾害轻风险区包括大兴安岭地区、黑河西北部、齐齐哈尔、伊春、双鸭山、哈尔滨；低风险区包括黑龙江省南部、西北、东北；中风险区包括黑龙江省中部、北部、绥化；高风险区包括鸡西、佳木斯、鹤岗部分地区。

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