高原夏菜復(fù)合氣象災(zāi)害綜合評判與分析

郭小芹，司馬義·阿不力孜

（1.武威國家氣候觀象臺，甘肅 武威733000；2.哈密市氣象服務(wù)中心，新疆 哈密839000）

氣候變化下極端事件頻發(fā)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常常遭遇多種災(zāi)害影響，這種影響伴隨作物生長過程始末，不僅加劇了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的波動性，還給農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究提出了挑戰(zhàn)[1-3]。與單一災(zāi)害相比，準(zhǔn)確度量多種災(zāi)害影響要復(fù)雜得多[4]，比如高溫下的持續(xù)干旱、低溫冷害下的連陰雨，這類災(zāi)害復(fù)合性強，機(jī)理復(fù)雜，災(zāi)情嚴(yán)重[5]，且隨著氣候變暖，出現(xiàn)頻次明顯增加[6]。高原夏菜生長季正值高溫干旱、低溫陰雨多發(fā)時段，加上露地種植，極易成災(zāi)而減產(chǎn)。隨著高原夏菜產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐年擴(kuò)大，近年來種植區(qū)域逐漸向河西走廊南北兩翼擴(kuò)展，生產(chǎn)風(fēng)險隨之加大。如何定量評估氣象災(zāi)害對不同種植區(qū)域的影響，是產(chǎn)業(yè)布局的迫切需要。

農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險評估是對氣象災(zāi)害發(fā)生可能性以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)損失的一種評估。近年來單一災(zāi)害評估已有諸多研究[7-8]，復(fù)合災(zāi)害研究尚處于探究階段。由于大部分災(zāi)損是作物生長過程中多種災(zāi)害的復(fù)合影響，巨災(zāi)形成也是多個致災(zāi)因子鏈?zhǔn)接|發(fā)的結(jié)果[9]，因此如何評估復(fù)合影響成為農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究的重要課題。綜合評估是通過一定的數(shù)學(xué)模型將多個指標(biāo)“合成”為一個整體性評價值，在很多領(lǐng)域已得到推廣[10-11]。依托高原夏菜生長特征，本文對復(fù)合災(zāi)害進(jìn)行定義，建立典型災(zāi)害判別指標(biāo)，利用綜合評價方法構(gòu)建評價模型，是對作物生長時段復(fù)合災(zāi)害強度的一種度量方式。評價結(jié)果可以作為產(chǎn)量預(yù)報、災(zāi)損評估、災(zāi)害防御的基礎(chǔ)。

河西綠洲地處青藏高原邊坡地帶，屬溫帶大陸性干旱氣候，降水稀少，光照充足，溫度日較差大，病蟲害少，適合喜溫耐熱蔬菜、半耐寒與耐寒蔬菜生長[12]。河西東部高原夏菜種植始于20 世紀(jì)90 年代，2010 年以后規(guī)?；a(chǎn)，目前已形成以葉菜類、葉球類、花球類、莖菜類、蔥蒜類為主，以種植、加工、輸出為鏈條的產(chǎn)業(yè)帶。作為我國西菜東運、北菜南運優(yōu)質(zhì)“菜籃子”主產(chǎn)區(qū)，2021 年河西東部蔬菜產(chǎn)業(yè)種植面積達(dá)5.778×104hm2，產(chǎn)量達(dá)3.465×109kg，收益明顯高于小麥、玉米、馬鈴薯。通過復(fù)合氣象災(zāi)害影響的綜合研究，可為產(chǎn)量提升、因地制宜生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

河西東部泛指武威綠洲區(qū)、祁連山東北緣、石羊河流域，含永昌、涼州、民勤、古浪、天祝5 個行政區(qū)。露地高原夏菜生產(chǎn)季為5—9 月，受熱量條件影響，不同區(qū)域播種期與收獲期會有一定差異，為便于分析，以7 月15 日為分割點，前期為春茬，后期為夏茬。分析數(shù)據(jù)包括2010—2021 年逐日平均溫度、最高溫度、最低溫度、降水量、日照時數(shù)，產(chǎn)量、年景、災(zāi)損數(shù)據(jù)均來自農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒，試驗數(shù)據(jù)來自觀測基地。

受祁連山復(fù)雜地形影響，河西東部從西北到東南漸次分布著山地、平原、沙漠，地勢西北高東南低，以海拔高度對種植區(qū)域劃分，并按照空間布局均一性，選取若干代表站以表征區(qū)域基本狀況。典型災(zāi)害基本特征以及復(fù)合災(zāi)害強度均源于該區(qū)域代表站平均值（表1）。

表1 河西東部高原夏菜不同種植區(qū)域

1.2 復(fù)合氣象災(zāi)害評價模型

復(fù)合災(zāi)害指在特定時段內(nèi)多種氣象致災(zāi)因子并存或相繼出現(xiàn)的一種狀態(tài)。如果將每個生產(chǎn)過程視為一個事件，針對每一致災(zāi)因子出現(xiàn)時間、發(fā)生頻次、災(zāi)害強度、持續(xù)時段，按照史培軍[13]對自然災(zāi)害綜合風(fēng)險評估的基本思路，可對本次事件多災(zāi)種進(jìn)行系統(tǒng)評估。評價結(jié)果代表了復(fù)合災(zāi)害相對風(fēng)險等級[14]。評價值越大，復(fù)合災(zāi)害強度越大。

綜合評價 （Comprehensive Evaluation of Composite Disasters，CED）模型為：

式中：i 表示生長季內(nèi)氣象災(zāi)害種類，DIi為某一致災(zāi)因子風(fēng)險指數(shù)，可稱致災(zāi)程度（Degree of influence，DI），ωi為該致災(zāi)因子在評價體系中所占權(quán)重。不同災(zāi)害類型對作物危害機(jī)理有所不同，以權(quán)重形式可最大程度突出主導(dǎo)因子的作用。

單災(zāi)種風(fēng)險評價是復(fù)合災(zāi)害評價模型的基礎(chǔ)。依據(jù)風(fēng)險指數(shù)研究結(jié)論[15-16]，某一致災(zāi)因子風(fēng)險指數(shù)可用下式計算：

式中：i 表示致災(zāi)因子即氣象災(zāi)害類型，j 表示致災(zāi)強度等級；qij表示第i 個氣象災(zāi)害在j 等級上的風(fēng)險指數(shù)；pij為不同等級在該評價體系中所占的權(quán)重。

1.3 致災(zāi)指標(biāo)

依據(jù)高原夏菜生產(chǎn)特征以及跟蹤觀測數(shù)據(jù)，基于氣象災(zāi)害表現(xiàn)形式、產(chǎn)生結(jié)果，遴選出高溫?zé)岷Γ≒1）、持續(xù)干旱（P2）、低溫冷害（P3）、強降水影響（P4）、持續(xù)弱光照（P5）5 種典型災(zāi)害，并按照可能損失程度，定義輕度、中度、重度、特大災(zāi)害閾值（表2），等級越高，可能災(zāi)損程度越高。

表2 高原夏菜致災(zāi)因子判別指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)

從典型災(zāi)害影響看，高溫?zé)岷Τ霈F(xiàn)頻次最多，輕度、中度、重度、特大等級中最多日數(shù)依次為38、15、10、3 d，在高溫影響下持續(xù)干旱頻頻出現(xiàn)，最長持續(xù)時間為59 d，且在一個生產(chǎn)季里會出現(xiàn)2～3 次過程，成為影響高原夏菜生長極其重要的因素。由表2可知，極端事件均出現(xiàn)在近幾年，除了低溫冷害以外，其余指標(biāo)均打破近60 年氣象記錄。

典型災(zāi)害影響是出現(xiàn)頻次與致災(zāi)強度的綜合體現(xiàn)。除了強降水影響以外，致災(zāi)因子判別指標(biāo)還表征了災(zāi)害的持續(xù)性，如連續(xù)無降水以及持續(xù)弱光照日數(shù)，是長時間累積值。盡管高溫?zé)岷εc低溫冷害僅表征閾值出現(xiàn)日數(shù)，但從溫度變化上看，日最高（低）溫度一定是與前一日基礎(chǔ)值相關(guān)聯(lián)的變量，后一閾值是基于前期基礎(chǔ)值的變化，因此這2 個指標(biāo)也可以看成是某一閾值隨時間的變量，累計日數(shù)越多，基礎(chǔ)溫度越高，災(zāi)害強度越大。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型災(zāi)害及致災(zāi)等級的權(quán)重確定

依據(jù)高原夏菜生長特點以及種植專家意見，基于AHP 層次分析法[17]，對不同災(zāi)害類型、不同致災(zāi)程度分別打分，1 為同等重要，2～8 為相對重要，9 為極端重要，通過比較，構(gòu)造兩類指標(biāo)G-P 判別矩陣，二者均通過一致性檢驗，說明兩種判斷矩陣均成立。

特征向量表征了不同致災(zāi)因子和致災(zāi)程度的權(quán)重。由表3 可知，典型災(zāi)害中高溫?zé)岷ψ顕?yán)重，若疊加持續(xù)干旱，將會嚴(yán)重影響高原夏菜生長；在不同影響程度上（表4），特大災(zāi)害影響極大，若疊加重度災(zāi)害，會對種植區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

表3 高原夏菜生長季典型災(zāi)害G-P 判斷矩陣

表4 高原夏菜生長季災(zāi)害等級G-P 判斷矩陣

2.2 不同區(qū)域典型災(zāi)害變化特征

對研究時段高原夏菜典型災(zāi)害出現(xiàn)頻率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多種災(zāi)害并發(fā)高發(fā)特征非常顯著。高溫?zé)岷︻l繁影響沙川地帶，在晴熱天氣下沿沙區(qū)春茬持續(xù)干旱次數(shù)明顯偏多。低溫冷害主要出現(xiàn)在春茬苗期，幾乎影響所有生產(chǎn)區(qū)域。持續(xù)弱光照對山區(qū)地帶春茬影響最重，夏茬影響多出現(xiàn)在秋季連陰雨期間。春茬中高溫?zé)岷?、持續(xù)干旱、低溫冷害在沿沙區(qū)每年都有，沿川區(qū)明顯偏多（97%、61%、83%）；山區(qū)地帶低溫冷害、持續(xù)弱光照每年都有；淺山區(qū)低溫冷害每年發(fā)生。夏茬中高溫?zé)岷υ谏炒ǖ貛磕甓加校厣硡^(qū)持續(xù)干旱、低溫冷害頻繁出現(xiàn)（67%、58%），沿川區(qū)低溫冷害明顯（58%），淺山區(qū)受高溫?zé)岷Α⒊掷m(xù)弱光照影響（75%、67%）；山區(qū)低溫冷害、持續(xù)弱光照偏多（83%、50%）。

2.3 復(fù)合災(zāi)害強度閾值指標(biāo)以及分析

為了消除量綱以及數(shù)據(jù)在取值范圍上的雙重影響，在復(fù)合災(zāi)害評價之前，對各類典型災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用離差法［0，1］線性變換，并對不同區(qū)域復(fù)合災(zāi)害逐年評價，通過閾值指標(biāo)，實現(xiàn)復(fù)合災(zāi)害強度評判（表5），以此量化高原夏菜生長季節(jié)復(fù)合災(zāi)害強度，并對可能災(zāi)損程度做出判識。

表5 高原夏菜生長季復(fù)合災(zāi)害強度判定指標(biāo)

對2010—2021 年高原夏菜生產(chǎn)季災(zāi)損程度進(jìn)行分析，從出現(xiàn)頻次上可以看出無災(zāi)、輕度災(zāi)、中度災(zāi)、重度災(zāi)、特大災(zāi)的基本特征。春茬中累計次數(shù)依次為6、31、4、2、5 次，其中特大災(zāi)、重度災(zāi)在沿沙區(qū)出現(xiàn)4 次、沿川區(qū)出現(xiàn)2 次、淺山區(qū)出現(xiàn)1 次。夏茬中依次為6、28、4、4、6 次，其中特大災(zāi)、重度災(zāi)在沿川區(qū)出現(xiàn)4 次、沿沙區(qū)出現(xiàn)3 次、淺山區(qū)出現(xiàn)2 次、山區(qū)出現(xiàn)1 次。特大災(zāi)、重度災(zāi)是影響區(qū)域災(zāi)損程度的主要因素。

2.4 不同種植季復(fù)合災(zāi)害強度特征

春茬中沿沙區(qū)溫度逐年攀升（0.298 ℃·a-1，P＜0.01），災(zāi)害強度明顯增加（0.029·a-1，P＜0.05），2014、2017、2021 年出現(xiàn)特大災(zāi)，2020 年出現(xiàn)重度災(zāi)，復(fù)合災(zāi)害已嚴(yán)重威脅到產(chǎn)業(yè)發(fā)展（圖1a）。沿川區(qū)2017 年出現(xiàn)23 d 高溫天氣、45 d 持續(xù)干旱而表現(xiàn)出特大災(zāi)，2016 年為重度災(zāi)（圖1a）；山區(qū)未出現(xiàn)過重大災(zāi)害；淺山區(qū)僅在2017 年出現(xiàn)特大災(zāi)（圖1b）。

圖1 2010—2021 年高原夏菜不同區(qū)域復(fù)合災(zāi)害強度變化

夏茬中沿川區(qū)2016、2018 年為特大災(zāi)，2010、2021 年為重度災(zāi)，成災(zāi)次數(shù)明顯偏多；沿沙區(qū)2021年為重度災(zāi)，2010、2018 年為特大災(zāi)（圖1c）。2018年高溫持續(xù)16 d 以上，最高溫度達(dá)到40.5 ℃，區(qū)域性強降水打破歷史極值，在多種災(zāi)害脅迫下，沿沙區(qū)平均畝產(chǎn)減少13%左右。山區(qū)、淺山區(qū)特大災(zāi)均出現(xiàn)在2010 年，受持續(xù)低溫以及弱光照影響，幼苗期延遲10～15 d，生產(chǎn)過程一度受阻（圖1d）；淺山區(qū)在2011 年出現(xiàn)重度災(zāi)。

春茬風(fēng)險指數(shù)最大值為0.518（2017，特大災(zāi)），次大值為0.369（2014，中度災(zāi)）。從多年平均值看，沿沙區(qū)、沿川區(qū)復(fù)合災(zāi)害強度最重（0.322、0.291），淺山區(qū)最輕（0.183）。不同區(qū)域復(fù)合災(zāi)害強度均呈增加趨勢，但僅有沿沙區(qū)通過顯著性檢驗。夏茬風(fēng)險指數(shù)最大值為0.536（2010 年，特大災(zāi)），次大值為0.407（2018 年，重度災(zāi)），復(fù)合災(zāi)害強度總體偏大。與春茬相比，沿川區(qū)、沿沙區(qū)略輕，山區(qū)略重，淺山區(qū)明顯偏重。從趨勢上看，沿川區(qū)、沿沙區(qū)呈上升趨勢，山區(qū)、淺山區(qū)呈下降趨勢，但均未通過顯著性檢驗。

氣象災(zāi)害是農(nóng)業(yè)損失的首要影響因素。從復(fù)合災(zāi)害平均強度看，夏茬比春茬偏高，主要原因是高溫干旱持續(xù)出現(xiàn)，且往往跨越2 個生產(chǎn)季；從復(fù)合災(zāi)害強弱上看，春茬依次為沿沙區(qū)、沿川區(qū)、淺山區(qū)、山區(qū)，夏茬依次為沿沙區(qū)、沿川區(qū)、山區(qū)、淺山區(qū)；在整個生產(chǎn)季里，沿沙區(qū)、沿川區(qū)災(zāi)害強度持續(xù)偏高，使高原夏菜生產(chǎn)面臨極大的不確定性。

2.5 個例分析

以天祝藏族自治縣區(qū)抓喜秀龍鄉(xiāng)蔬菜基地（37.1°N，102.5°E，海拔2 810 m）為試驗點，生產(chǎn)季（5—9 月）平均溫度為12.4 ℃，最高溫度為32.9 ℃，最低溫度為-8.0 ℃，降水量為315 mm，平均風(fēng)速為1.4 m/s，日照時數(shù)為1 020 h，≥10 ℃積溫為1 616 ℃。從2018 年起項目組就對高海拔冷涼山區(qū)優(yōu)質(zhì)白皮蒜苗跟蹤觀測，2021 年定植期始于6 月中旬，采收期為9 月中旬，首次采樣（7 月20 日）正值花芽鱗芽分化期，6 個樣本區(qū)（3 m×3 m）蒜苗生長量正常。從歷年觀測數(shù)據(jù)看，從該生育期到蒜薹伸長期（7 月30日），各指標(biāo)均應(yīng)持續(xù)增長，可7 月31 日檢測結(jié)果卻明顯下滑（表6）。經(jīng)過分析，這一結(jié)果與前期氣象條件密切關(guān)聯(lián)。7 月24—28 日試驗區(qū)出現(xiàn)連陰雨，過程降水量為28.9 mm，累積日照為4.1 h，屬于持續(xù)弱光照中度災(zāi)害，風(fēng)險指數(shù)為0.857；9 月5—11 日試驗區(qū)出現(xiàn)持續(xù)低溫，最低溫度為0.9 ℃，屬于低溫冷害輕度災(zāi)害，風(fēng)險指數(shù)為0.102。選取抓喜秀龍測站逐日氣象資料，對種植時段復(fù)合氣象災(zāi)害綜合評價，結(jié)果為0.370（中度災(zāi)害）。2021 年蒜苗每公頃產(chǎn)量為39 750～42 000 kg，比上年度減產(chǎn)5%～8%，評價結(jié)果得到驗證。

表6 2021 年高海拔冷涼山區(qū)白皮蒜苗生長量

3 結(jié)論

河西東部高原夏菜露地生長階段正值氣象災(zāi)害頻發(fā)期。將高溫?zé)岷?、持續(xù)干旱、低溫冷害、強降水影響以及持續(xù)弱光照作為典型災(zāi)害，按照可能損失程度，劃分輕度、中度、重度、特大災(zāi)害閾值指標(biāo)，通過復(fù)合災(zāi)害影響評價，揭示了不同生產(chǎn)季不同地域的成災(zāi)特征，得到以下結(jié)論：

（1）沿川區(qū)、沿沙區(qū)高溫?zé)岷ψ畹湫停由铣掷m(xù)干旱，復(fù)合災(zāi)害程度將會進(jìn)一步加劇。復(fù)合災(zāi)害強度在春茬沿沙區(qū)中明顯增加（0.029·a-1，P＜0.01），已經(jīng)威脅到產(chǎn)業(yè)發(fā)展；春茬中復(fù)合災(zāi)害強度由大到小依次為沿沙區(qū)、沿川區(qū)、淺山區(qū)、山區(qū)，夏茬依次為沿沙區(qū)、沿川區(qū)、山區(qū)、淺山區(qū)，且夏茬受災(zāi)程度明顯高于春茬。

（2）對高原夏菜典型氣象災(zāi)害進(jìn)行多災(zāi)種綜合評價，評價結(jié)果代表了一定時段復(fù)合氣象災(zāi)害影響強度，這種方法有別于文獻(xiàn)[2，10]中對單一災(zāi)害的度量，也是對文獻(xiàn)[13，14]中風(fēng)險度量的具體化應(yīng)用。依據(jù)評價結(jié)果，高原夏菜生產(chǎn)需因時因地制宜。如選擇適宜播種期，盡量避開晚霜凍對春季幼苗大面積凍害；適時灌溉，減輕高溫?zé)岷?、持續(xù)干旱對沙川地帶的危害程度，尤其在春末夏初“卡脖子”旱期，盡可能保障植株水分所需；以適應(yīng)性、抗逆性為原則，適度調(diào)整種植產(chǎn)品，盡可能使種植品種適應(yīng)區(qū)域氣候變化的要求。

（3）利用高海拔冷涼地區(qū)優(yōu)質(zhì)氣候資源，高原夏菜帶動了河西東部農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展。伴隨種植規(guī)模的逐步擴(kuò)大，高原夏菜生產(chǎn)區(qū)域逐漸延伸至沿川區(qū)、沿沙區(qū)，在復(fù)合災(zāi)害影響下生產(chǎn)過程呈現(xiàn)出很多不確定性，災(zāi)害類型、發(fā)生時段、影響程度、地域差異等還需要進(jìn)一步分析驗證，如播種期條件、產(chǎn)量與品質(zhì)指標(biāo)、區(qū)域產(chǎn)品差異化等。隨著氣候變暖與極端氣候事件頻發(fā)，復(fù)合災(zāi)害影響評價將會成為趨勢，相關(guān)研究將會提升農(nóng)業(yè)災(zāi)損的科學(xué)度量。