云南小粒咖啡干旱风险评估

李蒙 窦小东 张明达 鲁韦坤 周建琴 朱勇

(1 云南省气候中心 云南昆明 650034;2 云南省气象服务中心 云南昆明 650034)

咖啡为多年生乔木，畏寒、喜湿润、温凉、庇荫或半庇荫环境［1］。全世界咖啡种植主要以小粒咖啡为主。中国种植咖啡已有一个多世纪的历史，种植种主要为小粒咖啡。云南既是小粒咖啡种植最早的省份［2］，也是中国最大的咖啡种植基地，种植面积和产量均超过全国的98%［1］，且咖啡品质位居世界一流水平。云南小粒咖啡的产地主要集中在南部、西南部以及干热河谷地带。这些地区干湿季分明，干季降水仅占全年的15%左右，是我国干旱发生频繁的地区之一［3］。干旱严重影响小粒咖啡在各发育期，尤其是开花期的植物光合生理过程，制约小粒咖啡的生长，导致小粒咖啡的产量和品质下降［4-7］。2009 年云南特大干旱导致全省绝收的小粒咖啡面积多达4 000 hm2，新种植的咖啡幼苗枯死率高达50%。特大旱灾不仅造成2009 年的小粒咖啡减产，品质也受到了严重的影响，还持续影响了2010 年以及2011 年度的产量。研究表明［8］，21 世纪以来，云南降水减少，高温干旱事件有增强增多趋势，由2～3年一遇变为1～2 年一遇，因此，云南小粒咖啡产业的发展面临更大的干旱风险和挑战，而干旱灾害风险评估是科学预防干旱灾害，控制和降低干旱灾害风险的重要基础性研究和重要途径［9-10］，可通过干旱灾害风险管理更有效地减缓干旱灾害的影响［11］。

随着自然灾害风险理论［12］的发展，干旱灾害风险评估、区划在包括云南在内的不同区域［13-17］和不同作物上［18-20］得到了广泛的研究和应用。目前关于云南小粒咖啡的研究多集中在小粒咖啡的适宜性区划，不同环境因素、病虫害以及施肥条件等对小粒咖啡的品质、产量的影响方面。张明达等［1］运用层次分析法研究了云南省小粒咖啡种植的生态适宜性区划，章宇阳等［21］研究了不同遮荫条件下施肥量对云南干热区小粒咖啡产量和肥料利用的影响，李贵平［22］研究了云南怒江干热河谷区咖啡绿蚧的周年发生规律。而关于云南小粒咖啡干旱风险评估的研究鲜有报道，基于此，本研究以云南125个县级气象站点多年实测数据为基础，在自然灾害风险理论的基础上，结合小粒咖啡作物的自身特性以及云南的气候特点，构建小粒咖啡干旱灾害风险评估指标和模型，开展干旱灾害风险评估，旨在为云南省小粒咖啡种植防灾减灾提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据及来源

数据包括云南125 个县级气象站点多年平均（1981—2010 年）的逐日、逐月平均气温、最高气温、最低气温、降水量以及上述各要素月值的100 m×100 m网格化推算数据，数据均来自于云南省气候中心，各项数据均经过质量控制检验。

1.2 方法

1.2.1 干旱风险评估模型构建

采用干旱风险指数表征小粒咖啡所承受的干旱灾害风险强弱程度。研究表明，干旱灾害风险主要由危险性（致灾因子的强弱）、脆弱性（成灾环境的特征）、暴露度（承灾体的暴露面积）、防灾减灾能力（该区域面对灾害的防御与缓解灾害影响的能力）4个因子构成［12］。考虑到承灾体小粒咖啡作为经济作物，各地基本上都采取标准化的种植管理方式，因此，本研究模型构建时忽略防灾减灾能力指标因子的影响，仅采用危险性、脆弱性和暴露度这3个指标因子构建模型。由于模型构建涉及多个因子，且各因子均由多个指标构成，故采用加权综合评估法［23］构建模型见公式（1）：

式中，RISK干旱风险指数，H为危险性指数，S为脆弱性指数，V为暴露度指数，WH、WS、WV为危险性、脆弱性、暴露度的权重，权重值采用层次分析［24］结合专家打分［25］的方法依次确定为 0.6、0.3、0.1。为了消除各指标之间的量纲差异，对每一个指标进行归一化［25］处理，使用0～1的数值来表示指标的强度。

1.2.2 危险性指数构建

干旱灾害风险中的危险性指数是指造成干旱灾害的自然变异因素及其程度，这些变异因素主要是指极端的气候条件。一般来说，致灾因子的危险性指数越大，干旱灾害的风险就越大［26］。小粒咖啡不同发育期均需要一定的水分供应，对种植地区的降水总量有一定的要求［1］，尤其开花期的需水量最大［27］。因此，本研究考虑小粒咖啡需水的总体情况及开花期的需水特征，采用全年以及开花期降水亏缺率作为指标，综合构建危险性评估指数见公式（2）～（4），即：

式中，H为危险性指数，WH1和WH2分别为年降水和开花期降水亏缺率指标因子权重，分别取值0.4和0.6，H1和H2分别为年降水和开花期降水亏缺率；RPi为全年或开花期降水量，ETwi为全年或开花期（3～5 月）需水量；n为分析时段天数，Kc为作物系数，开花期取值0.9，其余发育期取值1.0，C0为常数，取值0.000 939，Ra为第j天天文辐射，参考王学锋等[28]的方法计算，Tmeanj为第j天平均气温，Tmaxj为第j天最高气温，Tminj为第j天最低气温，实际计算中可使用月气象要素值近似计算月需水量。

1.2.3 脆弱性指数构建

孕灾环境脆弱性主要指干旱危险区的气候背景、植被状况、地理条件、土壤性质和水文环境［9，11］。本研究侧重从孕灾环境的地形条件和水文环境两个方面分别选取坡度和河网密度作为脆弱性指标。坡度越大越不利于降水的下渗，提高土壤含水率，干旱风险也就越高，而河网密度越大，则表示咖啡种植区灌溉条件越好，越有利于干旱的防御，降低干旱风险。两个指标值分别均一化处理后加权计算得到脆弱性指数（5）。

式中，S为脆弱性指数，WS1和WS2分别为坡度和河网密度指标因子权重，分别取值0.4 和0.6，S1和S2分别为坡度和均一化河网密指数指标值，在arcgis 中使用自然断点法分别将其分为四个等级，即高脆弱性、次高脆弱性、中等脆弱性和低脆弱性，并分别赋值0.8、0.6、0.4和0.1。

1.2.4 暴露度指数

干旱灾害风险的暴露度指数是指该区域内的承灾体可能会受到干旱危险威胁的范围和影响程度的大小。参考张明达等［1］选取的气候要素指标因子，基于arcgis 栅格计算实现各指标的精细化推算，并根据各指标因子的分级标准及综合评价标准，得到各栅格点的气候适宜性等级：最适宜、适宜、次适宜、不适宜四级，并分别赋值0.8、0.6、0.4、0.1，得到各栅格点的气候适宜度指数。将气候适宜度指数作为小粒咖啡干旱暴露度指数指标，即适宜度指数越高，暴露度就越大，干旱风险等级越高，灾害造成的损失可能就越大。

1.2.5 空间数据分析

为了实现格点化的小粒咖啡干旱风险评估，运用Arcgis 将各个指标进行栅格化处理，并通过栅格计算得到各因子的格点数据，经综合运算后得到干旱风险指数，再通过自然断点分级来完成云南小粒咖啡干旱灾害风险等级评价。

2 结果与分析

2.1 危险性分析

就年降水量亏缺率（图1-a），高危险区主要位于金沙江、元江及怒江中下游的河谷区，主要由于该地区年降水量不足600 mm，远低于小粒咖啡需水量，降水亏缺率超过40%；次高危险区主要位于元江以东、以北的大部地区以及澜沧江流域的河谷地带，其原因在于该区域年降水量大多低于1 000 mm，仅占需水量的60%～80%，降水亏缺率在20%以上；中危险区滇东南的东部地区及澜沧江流域的中下游大部地区，年降水量超过1 200 mm，稍低于需水量，降水亏缺率在20%以内；低危险区主要位于哀牢山南侧-澜沧江以东地区、怒江中下游西部地区以及滇西南的西部边缘地区，部分地区年降水超2 000 mm，明显大于需水量，局部地区降水量是需水量的2倍以上。就开花期降水亏缺率（图1-b）而言，高危险区和次高危险区的面积明显大于年降水量亏缺率，滇中及以北以及各流域干热河谷地区开花期降水量不足200 mm，不到需水量的40%，为高危险区，滇西南的大部地区及滇东南的北部地区开花期降水量不到300 mm，不足需水量的40%，为次高风险区；中危险区主要位于东部及滇西南的部分地区，开花期降水量约为需水量的60%～80%；低危险区主要位于怒江下游以西以及南部边缘地区，部分地区超过500 mm，花期降水量大于需水量，能完全满足小粒咖啡开花期的降水需求。

综合全生育期和开花期降水亏缺率（图1-c）来看，高危险区主要是金沙江、元江、怒江中下游河谷地区以及中北部可种植区，次高危险区主要是保山东部、临沧东部、普洱西部以及玉溪大部、红河北部等地，中低风险区主要是德宏、临沧西部、普洱东部、西双版纳、红河南部等种植区。总体而言，云南小粒咖啡主产区大多属于低危险区或中等危险区，开花期降水偏少是大部分地区干旱危险性等级较高的原因。

2.2 脆弱性分析

从坡度脆弱性因子分布（图1-d）来看，哀牢山以东大部地区以及德宏、普洱、西双版纳等地的大部可种植区地势比较平缓，脆弱性等级明显低于其他区域，为低脆弱区或中等脆弱区，而哀牢山区以及怒江下游、澜沧江中下游、元江两侧则地形起伏度大，脆弱性等级较高。从河网密度（图1-e）来看，元江流域及南盘江流域总体河流分布较少，河网密度较低，脆弱性等级较高，滇中及滇西南的小粒咖啡可种植区河网密度较高，脆弱性等级也较低。综合来看，脆弱性等级较高的地区主要是哀牢山山区及以东的红河南部、文山大部等地（图1-f），为高脆弱区或次高脆弱区，滇西南的大部地区尤其是德宏、普洱、西双版纳的大部地区脆弱性等级较低。

图1 云南小粒咖啡干旱风险评估

续图1 云南小粒咖啡干旱风险评估

2.3 暴露度分析

云南小粒咖啡气候适宜区主要分布在滇西南的大部地区以及滇东南的部分地区，尤其是德宏、普洱、西双版纳等地，这些区域也是小粒咖啡的主产区，暴露度较高，干旱灾害一旦发生，造成的经济损失也较大。滇中及以北地区主要为小粒咖啡的不适宜区或次适宜区，干旱灾害对小粒咖啡造成的影响也相对较小，暴露度等级较低（图1-g）。

2.4 干旱风险综合分析

云南小粒咖啡可种植区干旱风险等级以中风险及次高风险为主（图1-h），哀牢山以东以北种植区以高风险区和次高风险区为主，哀牢山南侧以及怒江下游西部种植区以低风险等级为主。为了进一步分析各小粒咖啡主产区及全省干旱风险区的分布情况，本文计算了各产区各干旱风险等级面积占小粒咖啡可种植区的比例（表1）。由表1可知，全省可种植区14.2%为低风险区，31.1%为中风险区，46.6%为次高风险区，8.1%为高风险区，次高风险区和中风险区占比较高，占可种植区面积77.6%，占全省国土面积的43.7%，总体干旱风险等级偏高。从各主产区风险等级分布来看，德宏、怒江、保山、红河低风险区占比较高，超过30%，其中德宏超过50%，而大理、临沧、玉溪、文山占比较低，不足10%，低于全省平均水平；相应地，德宏、文山、西双版纳、普洱、临沧等地高风险区占比较低，不到5%，但是文山、普洱、临沧次高风险区的占比超过了40%，风险不容忽视。值得注意的是，文山、临沧、普洱虽然高风险区和低风险区占比在全省并不突出，但是中风险区和次高风险区的占比较高，其风险等级更容易受到气候变化的影响而大范围的增加或减少。另外，虽然文山、普洱、西双版纳、临沧等地高风险区占比少，但可种植区面积占比超过90%，相应的高风险区国土面积也大，尤其是普洱、西双版纳是主要的优质产区，需要特别注意小粒咖啡生产的抗旱工作。

表1 云南小粒咖啡干旱风险区占可种植区比例分布 单位：%

为了进一步分析云南小粒咖啡实际种植区的干旱风险分布情况，以气象部门设置的咖啡作物小气候观测站为采样点，共采集了73 个小粒咖啡种植区位置信息。从各采样点的风险等级分布来看，低风险占比为13%，中风险占比为46%，次高风险区为39%，高风险为3%，其中低风险区主要是分布在德宏、普洱及西双版纳种植区，这些区域无论是年降水量还是小粒咖啡开花期降水均十分充足，同时自然条件不利于水土流失，灌溉条件较好；中风险区主要分布在德宏、普洱南部及文山南部，这些区域干旱危险性等级较低，但是由于坡度因子的影响，以及普洱中部、文山南部河网密度较低，灌溉条件相对较差，加之这些地区基本上是小粒咖啡生态最适宜区，干旱灾损大，风险高，需要改善自然条件对小粒咖啡供水的影响；次高风险区主要是保山，临沧、普洱西部和北部、西双版纳西部种植区，这些区域干旱风险多由几个因子共同影响造成，总体上高温蒸发大，大部区域小粒咖啡开花期或者整体降水均不足，基本为中危险区或次高危险区，加上地形地貌不利于储水和灌溉，生态适宜度高，咖啡产值高，干旱影响大；高风险区主要是保山潞江坝的局部种植区，无论是年降水量还是开花期降水量都远低于同期需水量，是干旱高危险区，虽然脆弱性等级较低，但暴露度等级较高，综合风险等级高。

3 讨论与结论

本研究根据云南小粒咖啡的种植生产实际情况，在自然灾害风险理论基础上构建了小粒咖啡干旱灾害风险评估模型，通过精细化栅格处理和分析，得出如下结论：（1）云南大部小粒咖啡种植区年降水量能满足生长需求，但开花期仅南部和西部边缘能满足需求，滇中及以北大部地区干旱危险性等级最高，滇西南大部较低；（2）滇东南大部小粒咖啡可种植区脆弱性等级较高，其余地区总体偏低，河网密度是主要影响因素；（3）滇中及以北大部地区小粒咖啡气候适宜性等级最低，干旱暴露度较低，而滇西南地区则相反；（4）综合而言，小粒咖啡开花期降水量偏少是干旱风险等级较高的主要影响因素，哀牢山以东以北干旱风险等级最高，尤其是各大流域河谷地区基本以高风险等级为主，滇西南大部小粒咖啡主产区以中低风险等级为主，但少部分优质产区为中高风险区，需要加强灌溉管理。

本研究中模型的指标围绕小粒咖啡的生长特性，侧重于选取气候和自然因子，使得模型更为客观，也解决了社会经济数据不易空间精细化的问题。同王莺、柳媛普等［15，29］、姚玉璧等［30］采用的综合气象干旱指数或者彭曼公式相比，本研究构建的风险评估模型结构简单，易于计算，且本研究实现了所有指标因子及综合分析结果的精细化栅格处理，解决了无气象台站地区局地气候不易描述，风险评估困难的问题，使得小粒咖啡干旱灾害的风险分析更加精准。本研究对于其他小粒咖啡种植省份以及其他亚热带经济作物的干旱风险分析具有一定的借鉴作用，对于小粒咖啡的种植布局、灾害风险管理也有一定的指导作用。同时，由于本研究仅分析了基于气候态的小粒咖啡干旱风险分布特征，没有充分考虑气候变化的影响，尤其是未来气候变化对小粒咖啡干旱灾害的可能影响，后续工作需要继续开展相关研究以便更好地为小粒咖啡产业发展提供服务。