屯昌县蜜柚精细化农业气象灾害风险区划①

陈升孛 张亚杰 张明洁 陈 亮 黄 兴 张京红③

(1海南省气象服务中心 海南海口570203;2海南省气候中心 海南海口570203;3海南省南海气象防灾减灾重点实验室 海南海口570203;4中国热带农业科学院环境与植物保护研究所 海南海口571101)

屯昌蜜柚种植以‘黄金蜜柚’为主，该品种具有生长快、结果早、产量高、口感好、上市早、效益高、管理简单以及果品耐贮运等特点［1］。2015年，海南省已将屯昌县列为蜜柚发展的主要地区，屯昌县还将继续扩大蜜柚种植规模，规划发展规模达到0.67万hm2。屯昌县雨量充沛，光照充足，农业气候资源丰富，有利于蜜柚生长。但屯昌地处热带季风气候区域，且冬季常有寒潮侵袭，夏、秋季常受台风影响［2］，导致热带作物寒害、风害频发［3］。因此，开展屯昌县蜜柚精细化气象灾害风险区划，可为蜜柚种植区域布局提供重要参考，也为其栽培管理和灾害防御提供依据。

20世纪80年代以来，国内外在自然灾害风险分析研究方面取得了一定成果［4-5］。在农业气象灾害风险区划方面的研究多是以粮食作物［6-14］为研究对象，以某种或多种气象灾害为灾种，以区域或省级为研究范围。而由于经济作物种植较分散，气象站点分布稀疏，加上生产数据统计不易获取，关于经济作物的研究较少。金志凤等［15］构建了茶叶气象灾害综合风险指数模型，研究了浙江省茶树种植农业气象灾害综合风险精细化空间分布图；邹海平等［16］采用加权法和自然断点法构建海南岛冬种瓜菜暴雨洪涝灾害综合风险指数，并进行风险区划；刘少军等［17］基于风险形成机理开展海南岛橡胶寒害和风害的风险评价，并进行了综合风险区划；张蕾等［18］通过灾情反演，构建海南冬种瓜菜苗期气象灾害致灾等级指标，进行瓜菜综合风险区划；孟丹等［19］综合考虑气候、地形、社会经济状况等多个因素，开展鄂西烟草种植气象灾害风险区划；陈家金等［20-21］利用县级气象站点资料开展福建省番石榴、烤烟气象灾害综合风险区划；张亚杰等［22］通过建立海南岛橡胶寒害风险评估模型，开展橡胶寒害风险区划。

上述研究多是针对全国、省级或跨地区开展研究，而关于县级的风险区划研究未见报道，且针对柚类作物的风险区划研究尚未开展。随着气象部门在全国建设地面区域自动气象观测站的发展，海南省陆地区域自动气象站网已覆盖全部乡镇，水平网格8 km×8 km，相比县级气象站插值或小网格推算而言具有观测资料准确度、空间分辨率高等优势。因此，本文借鉴其他作物风险区划先进技术，尝试利用高密度的区域气象站点历史资料，综合考虑寒害和风害对屯昌蜜柚影响，选择致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性3个因子建立风险评估模型，开展屯昌蜜柚精细化农业气象灾害风险区划研究。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区域概况

屯昌县位于海南岛中部偏北，地处五指山北麓，南渡江南岸。南北长55 km，东西宽52 km，面积1 231.5 km2，占海南省陆地面积的3.6%。屯昌县为低山丘陵地带，地势呈南高北低，东西有山地，山地占全县总面积5%，丘陵占85%，其他地占10%。

1.1.2 资料来源

气象资料为昌江县及周边市县国家和区域气象站2006～2017年39个地面气象观测资料（图1），气象要素主要为平均气温、最低气温、降水量、风速等，资料来源于海南省气象信息中心；热带气旋资料为2006～2017年影响海南省的热带气旋历史数据。地理信息资料包括DEM（Digital Elevation Model，即数字高程模型）数据、屯昌县行政边界等资料，其中DEM为SRTM空间分辨率90 m的海南省DEM数据；土地利用数据为2015年全国土地利用数据，来源于中国科学院地理科学与资源研究所；利用ArcGis10.2软件提取了屯昌县各乡镇DME、土地利用类型等信息。屯昌县蜜柚种植面积和产量数据来源于屯昌县农业局和海南省统计年鉴。

图1 屯昌县及周边区划气象站点

1.2 方法

1.2.1 风险区划模型 基于气象灾害风险形成的机理［23-25］，选择致灾因子危险性（H）、孕灾环境敏感性（S）、承灾体脆弱性（V）3个因子，构建定量化的风险区划模型，见式（1）。

式中：R为屯昌蜜柚气象灾害风险指数；α、β、γ为评价因子的权重。

致灾因子危险性是指气象灾害的异常程度，主要是由气象危险因子活动规模（强度）和活动频次（概率）决定的［23］。一般气象危险因子强度越大，频次越高，气象灾害所造成的损失越严重，气象灾害的风险也越大。针对单一灾种，危险性评价可以仅用危险因子的变异强度和灾害的发生频次表示。

危险性评价模型可用式（2）表示：

式中：H为蜜柚气象灾害危险性指数，Hi表示第i种灾害指标值，wi为第i种灾害危险性指数的权重。屯昌蜜柚气象灾害有寒害、台风、干旱灾害，由于果园一般种植灌溉和排水条件较好，因此，本文主要考虑蜜柚寒害和台风灾害，寒害指数和风害指数计算方法见下文，权重分别为0.3和0.7。

孕灾环境敏感性反映了在同等气候条件下周围环境对气象灾害影响的增加或减弱的敏感程度。地形地势对气温、风力等有着再分配的作用，导致不同地形地区的气温、风力等差异明显，因而使得受害程度各异，主要以高程、坡向、坡度、坡位等地形因子衡量孕灾环境对蜜柚造成的综合影响［26-27］，计算方法见式（3）。

式中：S1为高程因子，用高程标准差来衡量；S2为坡向因子；S3为坡度因子；S4为坡位因子，用地形坡位指数表示；α1、β1、γ1、δ1为各因子的权重，由层次分析法确定。

承灾体脆弱性是指在给定危险地区存在的由于潜在危险因素而造成的伤害或损失程度，综合反映了自然灾害的损失程度。农作物的脆弱性是作物自身对灾害的敏感性和暴露性的综合体现，并随着地理位置、时间以及社会经济和环境而变化［28］。因此，承灾体自身由于地理位置等外部环境的改变，在同等气象灾害强度影响下，其损失程度差异显著，敏感性越大，则遭受的损失越大；种植面积与土地面积之比越大，暴露于灾害风险中的承灾体就越多，可能遭受的潜在损失就越大。综合考虑屯昌蜜柚的敏感性和暴露性，计算其脆弱性，见式（4）。

式中：V1表示蜜柚气象灾害敏感性，用灾年产量变异系数和区域农业经济发展水平表示，见式（5）。

式中，C表示灾年产量变异系数；Rs表示屯昌蜜柚应对灾害的适应能力或恢复能力，用区域经济发展水平来表示［22］，见式（6）。

式中：Yi表示某年蜜柚产量，表示n年平均产量。灾年产量变异系数越大，表明产量波动越大，抗灾能力越弱，生产面临的风险越大。

Rs用区域农业经济发展水平表示，见式（7）。

式中：Yi表示某地区第i年的蜜柚单产，SYi表示第i年蜜柚平均单产。蜜柚单产的多少，可以作为区域农业生产水平高低的标志。生产水平越高，对灾害的抵抗能力越高，灾后恢复能力越强，脆弱性越小。

V2表示屯昌蜜柚承灾体暴露性，一般用作物种植面积与当地的土地面积之比表征承灾体暴露性。但由于屯昌蜜柚属于近几年种植的新品种，目前正处于发展期，种植区域较小，为了使气象灾害风险区划更具有实际指导意义，本文以屯昌县林地面积与土地面积之比表征承灾体暴露程度。从中国土地利用类型空间分布图中提取屯昌县林地类型中其它林地（果园、桑园、茶园、热作林园等）数据计算暴露性，见式（8）。

式中：V2为蜜柚承灾体暴露性指数，Ai表示某块林地面积，A为屯昌县行政面积。

α2、β2为各因子的权重，由熵权法［29］确定。

1.2.2 屯昌蜜柚寒害指标 依据热带经济作物寒害发生的天气条件，一般将寒害分为平流型寒害、辐射型寒害。参照其他热带经济作物［30-31］确定屯昌蜜柚寒害标准为：当日最低气温≤5.0℃（柚树辐射型寒害的临界温度）时，柚树出现辐射型寒害；在日照时数不大于2 h的情况下，日平均气温≤15.0℃（柚树平流型寒害的临界温度）时，柚树出现平流型寒害。选取6个致灾因子：年度极端最低气温、年度最大降温幅度、年度寒害持续日数、年度辐射型积寒、年度平流型积寒、年度最长平流型低温天气过程的持续日数，构建寒害指数［30］。针对屯昌蜜柚寒害危险性评价，用寒害的强度和频率来描述，计算方法见式（9）。

式中：H1为蜜柚寒害的危险性；CI为寒害指数；P为寒害发生的频率。

1.2.3 屯昌蜜柚风害指标 统计2006～2017年进入海南省防区［32］的所有热带气旋，按照业务中使用的热带气旋评价标准（表1），统计分析历年历次热带气旋对各地区的影响情况，对一般影响、中等影响和严重影响个数加权求和，将其作为风害指数，见式（10）。

表1 热带气旋评价标准

式中：H2为风害指数，C1为一般影响热带气旋个数，C2为中等影响热带气旋个数，C3为严重影响热带气旋个数。

2 结果与分析

2.1 区划指标及等级划分

根据屯昌蜜柚气象灾害风险形成机制，在综合分析致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性的基础上，建立屯昌蜜柚气象灾害的风险评价模型。各评价因子的权重主要通过层次分析法确定，依次取值为0.5、0.3、0.2。将3个指标经过归一化处理后，按照公式（1）进行格点计算，得到屯昌气象灾害精细化风险指数。基于Natural Breaks分类方法，将屯昌蜜柚气象灾害风险划分为5类（表2），此分类方法的优点是使类别之间差异明显，而类别内部差异最小。

2.2 气象灾害风险区划结果

根据表2的屯昌蜜柚气象灾害风险区划等级划分标准，得出屯昌蜜柚气象灾害精细化风险区划图（图2）。从图中可以看出，屯昌县蜜柚气象灾害风险总体呈现南部山区偏重、其他地区较轻的分布特征，各级风险区均具有较好的区域性，反映了地形地貌特征对气象灾害风险分布的重要性。屯昌蜜柚各等级气象灾害风险区划具体分布如下：高风险区主要分布在南坤镇、枫木镇、乌坡镇南部山区；较高风险区在各乡镇均有分布，主要分布在南坤镇、枫木镇、坡心镇部分地区；中等风险区在各乡镇均有分布，分布较为分散，主要分布在南坤镇、枫木镇和乌坡镇部分地区；较低风险区，除了枫木镇，其他乡镇均有分布，主要分布在坡心镇、西昌镇、南坤镇北部地区，以及新兴镇、屯城镇部分地区；低风险区，除了枫木镇，其他乡镇均有分布，主要分布在坡心镇、西昌镇、南坤镇北部部分地区，以及新兴镇东部地区。

表2 屯昌蜜柚气象灾害风险区划等级

图2 屯昌县蜜柚气象灾害风险区划

3 讨论

气象灾害是限制屯昌乃至全省蜜柚发展的主要原因之一。本文借鉴其他热带经济作物中寒害指标的定义，以及热带气旋影响等级指标，采用屯昌及周边市县区域自动站的观测资料，构建了屯昌蜜柚寒害指数、风害指数历史序列，基于风险形成的机理，构建了由致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性3因子组成的蜜柚综合气象灾害风险评估模型，计算屯昌蜜柚气象灾害风险指数并进行风险区划，得出以下结论：高风险区主要分布在南坤镇、枫木镇、乌坡镇南部山区；较高风险区主要分布在南坤镇、枫木镇、坡心镇部分地区；中等风险区主要分布在南坤镇、枫木镇和乌坡镇部分地区；较低和低风险区，除了枫木镇，其他乡镇均有分布，主要分布在坡心镇、西昌镇、南坤镇北部地区。综合各风险评价指标及成因来看，在风险较高的地区，可以适当调整当地种植结构，加强台风和寒害的监测和预警，营造防风林，推广抗风、抗寒栽培和管理技术，及时做好风害、寒害灾后恢复工作，提高蜜柚的防灾能力，保证稳产增收；在较低和低风险区适宜大面积种植推广。

本文采用订正后的区域自动站观测资料开展农业气象灾害风险区划研究，克服了因观测站点稀疏，采用插值方法开展风险区划工作存在的精度低、准确性差等问题。此外，由于海南蜜柚气象灾害种类较多，本文只考虑了2种气象灾害，且评估指标选取未考虑果园生长环境、管理措施等影响，可能导致部分地区评估结果不准确，但本文从宏观上给出了屯昌蜜柚种植以来的主要气象灾害风险分布情况，且屯昌县蜜柚种植正处于大面积推广期，可为屯昌县蜜柚抗风、抗寒栽培，优化产业布局提供及时科学的技术支撑。