柴达木盆地枸杞霜冻灾害风险区划

祁贵明，李海凤*，雒维萍，梅 朵

（1.格尔木市气象局，青海 格尔木816099；2.格尔木市农业科学研究所，青海 格尔木816099）

柴达木盆地位于青藏高原西北部，面积约25.3万km2，人口约41.25万人，柴达木盆地宜农地适宜枸杞的生长发育，是中国枸杞种植面积最大区域之一。这里气候类型独特，以干旱、少雨、日照丰富为主要特点。柴达木枸杞病虫危害极轻，农药使用量、使用频次极少，被认为是有机枸杞生长的天然绝佳生态区，枸杞品质和口感绝佳。截止2018年柴达木盆地枸杞种植面积达2.7×104hm2，在枸杞产业的强力拉动下，枸杞种植业总产值在农牧业总产值的占比从32%上升到46.7%。2017年青海省国土资源厅，首次在柴达木盆地绿洲农业区探明了544.1 km2的绿色富硒土壤资源，硒含量0.4 mg·kg-1。富硒土壤中重金属元素均不超标，具有硒来源稳定，清洁无污染，有效硒含量高的突出优势。

柴达木盆地枸杞因其独特的适应环境条件，大部分种植地在高寒地区，高原温度变化剧烈，霜冻是影响枸杞生长发育的主要气象灾害之一。在全球变暖、极端气候事件增多的气候背景下[1]，霜冻是柴达木盆地发生范围广、危害作物种类多、造成经济损失大的一种气象灾害[2]。近年来，柴达木盆地枸杞产业发展迅速，种植面积逐年扩大，且经济效益显著。枸杞种植区气象灾害风险较高，尤其是枸杞受晚霜冻影响明显。严应存等[3]认为减少霜冻灾害，可以有效提高枸杞生长期产量和品质。刘义花等[4-5]对青海省牧草干旱和春小麦干旱进行风险区划研究。刘彩红等[6]构建了青海省冰雹灾害区划模型，研究了青海高原冰雹灾害风险区划图。关于柴达木盆地枸杞发生霜冻气象灾害评估和风险区划，目前未发现相关文献研究。因此，引入霜冻灾害风险评估和制定综合管理对策，对霜冻灾害高风险区加强风险管理，制定应对措施是防灾减灾最新理念[7-17]。本文通过研究枸杞生长期内霜冻灾害频次和霜冻灾害影响程度，结合自然地理和社会经济等数据，构建了霜冻灾害评估模型。以期得出柴达木盆地枸杞霜冻灾害风险区划等级，绘制柴达木盆地枸杞霜冻灾害风险区划图。为保障柴达木枸杞新兴特色经济农业发展布局调整，进一步提升特色经济作物经济效益提供科技支撑。

1 资料方法

1.1 资料

选取1961—2017年柴达木盆地格尔木、小灶火、诺木洪、都兰、乌兰、德令哈、大柴旦、天峻、茫崖、冷湖10个气象观测站日≤0℃逐时气温观测数据。依据《2018年青海省统计年鉴》，统计2017年柴达木盆地各县（市）人口、GDP、土地总面积及可利用面积数据，地理海拔高度、行政边界图等来源于青海省卫星遥感中心。

1.2 研究方法

1.2.1 气象灾害风险评估方法

自然灾害的风险度（R）用灾害的危险度（h）和承灾体的易损度（v）的乘积来表示：

式（1）是一个归一化的函数。由于灾害危害度和承灾体易损度的组成元素复杂又具有不同量纲[18]，为了构建表达式，各种评估要素的评估值指标都应当归一化。

1.2.2 加权综合评价

在AcrGIS平台上加权综合评价，加权综合评价法是综合考虑各个因子对总体对象的影响程度，将影响因子的作用大小进行综合评价，然后用一个数量化指标进行集中，来实现评价总体的优劣。其表达式为：

其中，Cij为评价因子的总得分值，Qcij为评价因子j的指标i项（Qcij≥0），Wci是指标i的权重系数值（0≤Wci≤1），m则是评价指标的个数。

1.2.3 权重系数赋值

柴达木盆地枸杞受霜冻风险灾害影响程度的因素复杂，除霜冻自然条件外，孕灾环境（包括海拔高度、地形因子、植被因子）、承灾体（人口密度、耕地面积比、地均GDP）和防灾减灾能力（人均GDP）影响因子综合作用形成，难以实现定量化计算。因此，进行分层级要素因子权重赋值采用专家打分法[19]。

1.3 霜冻灾害风险灾害评估模型

图1为柴达木盆地霜冻灾害风险评估模型图。将致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力4项指标作为枸杞霜冻灾害风险区划的评价因子。

图1 柴达木盆地枸杞霜冻灾害风险评估模型

影响柴达木盆地枸杞霜冻灾害的风险因子主要是霜冻灾害发生的频次和影响程度；其次海拔高度、坡向、坡度、下垫面性质等因素是枸杞霜冻灾害风险的重要形成条件；采用柴达木盆地人口密度、可利用面积、地均GDP作为承灾体脆弱性和枸杞种植区防灾减灾能力；综合形成枸杞霜冻灾害风险评估模型。

2 枸杞霜冻灾害不同等级日最低气温指标

霜冻是指植物生长季节里因土壤表面和植株体温度降低到0℃或0℃以下而引起植物冻害，是一种农业气象灾害[20]。柴达木枸杞晚霜冻发生在枸杞春梢生长期、花蕾期、初花期、盛花期；早霜冻发生在秋果成熟期。肖芳等[21]研究不同温度和持续时间处理下宁夏枸杞花蕾期、初花期、盛花期的霜冻率，最终确定宁夏枸杞的霜冻等级。祁贵明对枸杞春梢期进行霜冻指标进行界定[22]。结合柴达木盆地枸杞霜冻灾害实际灾情发生时地面最低温度及持续时间。得出柴达木盆地枸杞关键发育期霜冻受冻程度最低气温或持续时间指标阈值（表1）。

3 结果与分析

3.1 时间变化特征

表2为柴达木盆地5—9月枸杞霜冻轻、中、重灾气候倾向率。柴达木盆地5—9月霜冻灾害发生年变化趋势总体均呈减少趋势。各月轻灾为-1.12～-0.27次/10 a，中灾为-0.87～-0.05次/10 a，重灾为-0.75～-0.02次/10 a。5、9月轻霜减轻幅度最为明显，中灾5、6月减轻较为明显，重灾9月减轻最明显，且重灾发生次数多。霜冻灾害发生总次数由多到少依次为：5月＞9月＞6月＞8月，7月仅出现1次轻霜。5、9月轻霜减轻幅度最为明显，中灾5—6月减轻较为明显，9月重灾减轻幅度最明显。

表1 柴达木盆地枸杞关键发育期霜冻程度及持续时间指标阈值

表2 柴达木盆地5—9月枸杞霜冻轻、中、重灾气候倾向率/（次/10 a）

3.2 空间变化特征

柴达木盆地东南部都兰、诺木洪是枸杞霜冻灾害发生频次最高区，位于盆地西北的冷湖、茫崖、大柴旦等地发生霜冻频次低，其中冷湖、茫崖，无枸杞霜冻灾害出现（图2）。这个分布与实际各地枸杞种植分布吻合。从枸杞种植分布来看，枸杞霜冻灾害主要分布在都兰、诺木洪、乌兰县、格尔木、天峻西北部和德令哈等绿洲农业区，冷湖、茫崖等地因自然环境、土地利用率等因素，枸杞种植面积较少，影响程度低。

图2 柴达木盆地枸杞霜冻灾害空间分布

4 霜冻灾害风险区划

4.1 致灾因子风险评估

4.1.1 霜冻频次

霜冻灾害发生频次越高，致灾危险程度越高，发生霜冻灾害的风险越大。表3为柴达木盆地基于≤0℃最低气温的不同等级（轻、中、重）霜冻出现累积总次数。柴达木盆地霜冻轻灾发生频次最高，其次是中灾，重灾较少，占全部霜冻的8.6%。大柴旦轻、中、重灾均为最多，格尔木轻、重灾最少，乌兰中灾最少。总体呈现西北高，东北次之，盆地中部和南缘最少的整体布局。

表3 柴达木盆地霜冻发生等级次数/次

4.1.2 霜冻强度

表2中的轻、中、重度和霜冻次数据，在AcrGIS平台上加权综合评价，得出灾害等级为轻度、中度、重度及霜冻发生频次的空间分布，再根据公式（3）做加权计算，得出不同等级强度影响因子。

式中，Hf为霜冻强度影响，hl为轻霜冻，hm为中霜冻，hs为重霜冻。

4.1.3霜冻致灾因子危险性区划

用公式（3），加权计算得出霜冻的致灾危险性因子，绘制出柴达木盆地枸杞霜冻致灾危险性因子图（图3）。

式中，Hs为霜冻强度，Hf为霜冻发生频次。

图3 柴达木盆地枸杞霜冻致灾危险性因子

致灾因子危险性对于霜冻灾害发生风险表现为茫崖到天峻呈递增趋势，茫崖最低，格尔木、德令哈的中心区域表现出的较低霜冻风险，主要因为该区域为城镇建设区，故灾害风险低；而天峻地区气温最低，最低气温变幅大，故发生灾害风险最高。

4.2 孕灾环境敏感性风险评估

4.2.1 海拔高度影响

对海拔高度高程数据进行分类，并赋权重值，得到海拔高度影响因子。

川水指河谷地带，一般海拔在1700～2600 m，属于热量条件较好、又有灌溉条件的地区，形成绿洲农业。柴达木盆地枸杞种植主要分布在因内陆河流形成的洪积平原，是枸杞稳产高产地区，但枸杞面积较少。权重赋值为0.06。

浅山指海拔在2600～2800 m的低山丘陵地带。这里干旱少雨，灌溉条件有限，由于阳光充足，可以种植枸杞等耐干旱的枸杞。该地带是柴达木盆地枸杞种植的主要分布区。权重赋值为0.09。

脑山指海拔在2800～3200 m的地区。该地带气温低，相对湿度大，枸杞生长期短，霜冻灾害严重，适合种植的枸杞品种更少，权重赋值为0.14。

其它高山地区是指3200 m以上地区，枸杞不能正常生长，权重赋值为0.01。

参考海拔高度影响要素，综合柴达木盆地枸杞海拔影响因子权重赋值为0.3。

4.2.2 地形因子柴达木盆地的海拔高度高程数据对坡度和坡向进行提取，并根据表4中的权重值对坡度坡向分类并赋值，再用公式（4）做权重计算得出地形因子。

表4为坡度vs影响地形权重赋值分级表。柴达木盆地各枸杞主要种植区地形坡度区间在25°～5°，属于缓斜坡地带，地形坡度权重赋值0.7。

表4 坡度影响地形权重赋值分级表

表5为坡向ve影响地形权重赋值分级表。从柴达木盆地枸杞分布来看，种植绿洲农业区坡向主要为平缓坡、阳坡、半阳坡地带，其赋值在0.3～0.4。综合地形坡向权重赋值定为0.3。

表5 坡向影响地形权重赋值分级

4.2.3 植被因子

柴达木盆地植被数据中，考虑到枸杞种植大部分在盆地原有的绿洲农业区，下垫面覆盖度高，依据土地利用率情况，枸杞种植相对于小麦、油菜等密植性作物，枸杞植株间隙大，土地利用率相对变小，在实际霜冻风险中易受地面辐射冷却降温的影响。按照直接赋权重值得到植被因子，下垫面影响权重赋值为0.4。

对海拔高度、地形因子和植被因子进行权重计算得到孕灾环境敏感性因子影响，根据公式（5），进行加权计算，得出孕灾环境敏感性风险因子。

式中，vr为孕灾环境风险因子，vh为海拔高度影响因子，vt为地形因子影响，vv为植被因子影响。

可以看出，对于柴达木枸杞种植区枸杞易受霜冻灾害孕灾环境因子中海拔高度、地形因子影响是一个相对固定的影响因子。因枸杞属于稀植植物，下垫面植被覆盖度是影响种植辐射状况和热量分布，在很大程度上决定该种植区是否发生霜冻的重要因子之一。

枸杞霜冻灾害孕灾环境敏感性低值区主要在海拔3000 m以上的山区和湖泊河流的无枸杞种植区（图4）；高灾害风险敏感区分布在都兰、诺木洪、格尔木、小灶火等枸杞主要种植区域。

图4 柴达木盆地枸杞霜冻孕灾环境敏感性因子分布

4.3 承灾体的脆弱性风险评估

依据2017年柴达木盆地各县级行政区域的人口、GDP、土地总面积及可利用面积统计数据，进行归一化处理，计算得出各县域的人口密度（vd）、耕地面积比重（va）、地均GDP（vg）（表6）。专家打分进行权重赋值，计算得出承灾体脆弱性风险评估系数。

表6 柴达木盆地承灾体脆弱性和防灾减灾能力归一化要素

从表6看出，承灾体脆弱性低值区在冷湖，因该地区人口密度大、可利用面积少使得地均GDP值为0、枸杞面积少，导致枸杞霜冻灾害风险低。高值区在德令哈东南面，人口密度和可利用面积比较高，使得地均GDP值也偏高，发生枸杞霜冻灾害的承灾体脆弱性相应地偏大。

结合柴达木盆地人口比例密度、可利用面积、地均GDP进行权重赋值，绘制出柴达木盆地枸杞霜冻承灾体的脆弱性因子分布图（图5）。

图5 柴达木盆地枸杞霜冻承灾体脆弱性因子分布

4.4 防灾减灾能力风险评价

防灾减灾能力则是直接从表6中人均GDP（Vd）数据直接赋值做插值计算得出，低值区分布在人均GDP低的冷湖北部区和都兰至天峻的东北地区，高值区在人均GDP高的大柴旦和格尔木东北区域。

4.5 枸杞霜冻灾害综合风险评价及区划

综合考虑柴达木盆地枸杞霜冻的致灾因子，孕灾环境因子、承灾体脆弱性、防灾减灾能力指数，利用专家打分赋值权重系数，得出枸杞霜冻评价模型公式（8）。

整个柴达木盆地枸杞种植可以划分为4个区（图6）。

不宜种植区。柴达木盆地处于青藏高原北部，四面环山、平均海拔2700～3200 m，西高东低西宽东窄、四周高山环绕，南面昆仑山脉、北面祁连山脉、西北阿尔金山脉、东月山，海拔高度均在3200 m以上，无种植枸杞，霜冻灾害无影响。

低风险区（轻灾害区）。在靠近四面山脉一带的冷湖、茫崖大部地区，格尔木南部、大柴旦、德令哈、乌兰以及都兰地区靠近山脉区域。这里气温低，相对湿度大，枸杞生长期短，适合耕种的枸杞品种更少，对于霜冻灾害影响比较轻，对枸杞生产经济效益影响较轻。

次高风险区（中灾害区）。在诺木洪、格尔木西部和大柴旦东部地区，这一带多为戈壁，水资源缺乏，适宜种植枸杞面积相对较少。对于霜冻灾害发生的影响程度较严重，造成的经济损失较大。

高风险区（重灾害区）。在盆区南缘都兰经诺木洪至格尔木的小灶火一带，这里是盆地枸杞主要种植区，该区域也是霜冻灾害发生对枸杞影响最大的区域，对枸杞生产的经济损失影响最大。

图6 柴达木盆地枸杞霜冻灾害风险区划

5 结论与讨论

枸杞霜冻灾害的气象指标和成灾的致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力影响，对柴达木盆地枸杞种植区霜冻灾害风险评估与区划，得到以下结论：

（1）致灾因子对于霜冻灾害发生风险，表现为茫崖到天峻呈递增趋势，茫崖最低，格尔木、德令哈的中心区域表现出的较低霜冻风险，都兰、天峻地区气温最低，故发生霜冻灾害风险最高。

（2）承灾体脆弱性低值区在冷湖，因该地区人口密度小、可利用面积少、地均GDP值为0、无枸杞种植，导致霜冻灾害风险低。德令哈东南人口密度和可利用面积相对较高，使得地均GDP值也偏高，发生灾害的承灾体脆弱性高。

（3）综合考虑柴达木盆地枸杞霜冻的致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性和防灾减灾能力4个评价指标，得出海拔高度在3200 m以上，枸杞不宜生长，霜冻灾害无影响；冷湖、茫崖大部地区，格尔木南部、大柴旦、德令哈、乌兰以及都兰地区靠近山脉区域，霜冻灾害影响比较轻。都兰经诺木洪至格尔木的小灶火一带，这里是盆地的枸杞主要种植区，是霜冻灾害对枸杞生产影响最大的区域。

柴达木盆地枸杞霜冻高风险区出现在中东部地

区，大柴旦西部、天峻、小灶火等地霜冻以重灾最多，但考虑实际枸杞种植面积因素后，其风险指数影响并不是最高。说明考虑枸杞适宜种植区的面积和可利用面积比因素，对评价霜冻灾害风险具有一定的合理性和实际意义。通过与实际霜冻灾情进行对比，上述评估方法和霜冻灾害风险区划图符合当地实际情况，可作为区域农业种植结构布局调整的依据。