李蒙 竇小東 張明達(dá) 魯韋坤 周建琴 朱勇
(1 云南省氣候中心 云南昆明 650034;2 云南省氣象服務(wù)中心 云南昆明 650034)
咖啡為多年生喬木,畏寒、喜濕潤(rùn)、溫涼、庇蔭或半庇蔭環(huán)境[1]。全世界咖啡種植主要以小??Х葹橹?。中國(guó)種植咖啡已有一個(gè)多世紀(jì)的歷史,種植種主要為小??Х?。云南既是小??Х确N植最早的省份[2],也是中國(guó)最大的咖啡種植基地,種植面積和產(chǎn)量均超過全國(guó)的98%[1],且咖啡品質(zhì)位居世界一流水平。云南小??Х鹊漠a(chǎn)地主要集中在南部、西南部以及干熱河谷地帶。這些地區(qū)干濕季分明,干季降水僅占全年的15%左右,是我國(guó)干旱發(fā)生頻繁的地區(qū)之一[3]。干旱嚴(yán)重影響小??Х仍诟靼l(fā)育期,尤其是開花期的植物光合生理過程,制約小??Х鹊纳L(zhǎng),導(dǎo)致小??Х鹊漠a(chǎn)量和品質(zhì)下降[4-7]。2009 年云南特大干旱導(dǎo)致全省絕收的小粒咖啡面積多達(dá)4 000 hm2,新種植的咖啡幼苗枯死率高達(dá)50%。特大旱災(zāi)不僅造成2009 年的小粒咖啡減產(chǎn),品質(zhì)也受到了嚴(yán)重的影響,還持續(xù)影響了2010 年以及2011 年度的產(chǎn)量。研究表明[8],21 世紀(jì)以來,云南降水減少,高溫干旱事件有增強(qiáng)增多趨勢(shì),由2~3年一遇變?yōu)?~2 年一遇,因此,云南小??Х犬a(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨更大的干旱風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn),而干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是科學(xué)預(yù)防干旱災(zāi)害,控制和降低干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要基礎(chǔ)性研究和重要途徑[9-10],可通過干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理更有效地減緩干旱災(zāi)害的影響[11]。
隨著自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論[12]的發(fā)展,干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、區(qū)劃在包括云南在內(nèi)的不同區(qū)域[13-17]和不同作物上[18-20]得到了廣泛的研究和應(yīng)用。目前關(guān)于云南小??Х鹊难芯慷嗉性谛×?Х鹊倪m宜性區(qū)劃,不同環(huán)境因素、病蟲害以及施肥條件等對(duì)小??Х鹊钠焚|(zhì)、產(chǎn)量的影響方面。張明達(dá)等[1]運(yùn)用層次分析法研究了云南省小??Х确N植的生態(tài)適宜性區(qū)劃,章宇陽(yáng)等[21]研究了不同遮蔭條件下施肥量對(duì)云南干熱區(qū)小??Х犬a(chǎn)量和肥料利用的影響,李貴平[22]研究了云南怒江干熱河谷區(qū)咖啡綠蚧的周年發(fā)生規(guī)律。而關(guān)于云南小粒咖啡干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究鮮有報(bào)道,基于此,本研究以云南125個(gè)縣級(jí)氣象站點(diǎn)多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論的基礎(chǔ)上,結(jié)合小粒咖啡作物的自身特性以及云南的氣候特點(diǎn),構(gòu)建小??Х雀珊禐?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)和模型,開展干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,旨在為云南省小??Х确N植防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。
數(shù)據(jù)包括云南125 個(gè)縣級(jí)氣象站點(diǎn)多年平均(1981—2010 年)的逐日、逐月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量以及上述各要素月值的100 m×100 m網(wǎng)格化推算數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)均來自于云南省氣候中心,各項(xiàng)數(shù)據(jù)均經(jīng)過質(zhì)量控制檢驗(yàn)。
1.2.1 干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建
采用干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表征小??Х人惺艿母珊禐?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)弱程度。研究表明,干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)主要由危險(xiǎn)性(致災(zāi)因子的強(qiáng)弱)、脆弱性(成災(zāi)環(huán)境的特征)、暴露度(承災(zāi)體的暴露面積)、防災(zāi)減災(zāi)能力(該區(qū)域面對(duì)災(zāi)害的防御與緩解災(zāi)害影響的能力)4個(gè)因子構(gòu)成[12]??紤]到承災(zāi)體小??Х茸鳛榻?jīng)濟(jì)作物,各地基本上都采取標(biāo)準(zhǔn)化的種植管理方式,因此,本研究模型構(gòu)建時(shí)忽略防災(zāi)減災(zāi)能力指標(biāo)因子的影響,僅采用危險(xiǎn)性、脆弱性和暴露度這3個(gè)指標(biāo)因子構(gòu)建模型。由于模型構(gòu)建涉及多個(gè)因子,且各因子均由多個(gè)指標(biāo)構(gòu)成,故采用加權(quán)綜合評(píng)估法[23]構(gòu)建模型見公式(1):
式中,RISK干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),H為危險(xiǎn)性指數(shù),S為脆弱性指數(shù),V為暴露度指數(shù),WH、WS、WV為危險(xiǎn)性、脆弱性、暴露度的權(quán)重,權(quán)重值采用層次分析[24]結(jié)合專家打分[25]的方法依次確定為 0.6、0.3、0.1。為了消除各指標(biāo)之間的量綱差異,對(duì)每一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化[25]處理,使用0~1的數(shù)值來表示指標(biāo)的強(qiáng)度。
1.2.2 危險(xiǎn)性指數(shù)構(gòu)建
干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)中的危險(xiǎn)性指數(shù)是指造成干旱災(zāi)害的自然變異因素及其程度,這些變異因素主要是指極端的氣候條件。一般來說,致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性指數(shù)越大,干旱災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)就越大[26]。小??Х炔煌l(fā)育期均需要一定的水分供應(yīng),對(duì)種植地區(qū)的降水總量有一定的要求[1],尤其開花期的需水量最大[27]。因此,本研究考慮小??Х刃杷目傮w情況及開花期的需水特征,采用全年以及開花期降水虧缺率作為指標(biāo),綜合構(gòu)建危險(xiǎn)性評(píng)估指數(shù)見公式(2)~(4),即:
式中,H為危險(xiǎn)性指數(shù),WH1和WH2分別為年降水和開花期降水虧缺率指標(biāo)因子權(quán)重,分別取值0.4和0.6,H1和H2分別為年降水和開花期降水虧缺率;RPi為全年或開花期降水量,ETwi為全年或開花期(3~5 月)需水量;n為分析時(shí)段天數(shù),Kc為作物系數(shù),開花期取值0.9,其余發(fā)育期取值1.0,C0為常數(shù),取值0.000 939,Ra為第j天天文輻射,參考王學(xué)鋒等[28]的方法計(jì)算,Tmeanj為第j天平均氣溫,Tmaxj為第j天最高氣溫,Tminj為第j天最低氣溫,實(shí)際計(jì)算中可使用月氣象要素值近似計(jì)算月需水量。
1.2.3 脆弱性指數(shù)構(gòu)建
孕災(zāi)環(huán)境脆弱性主要指干旱危險(xiǎn)區(qū)的氣候背景、植被狀況、地理?xiàng)l件、土壤性質(zhì)和水文環(huán)境[9,11]。本研究側(cè)重從孕災(zāi)環(huán)境的地形條件和水文環(huán)境兩個(gè)方面分別選取坡度和河網(wǎng)密度作為脆弱性指標(biāo)。坡度越大越不利于降水的下滲,提高土壤含水率,干旱風(fēng)險(xiǎn)也就越高,而河網(wǎng)密度越大,則表示咖啡種植區(qū)灌溉條件越好,越有利于干旱的防御,降低干旱風(fēng)險(xiǎn)。兩個(gè)指標(biāo)值分別均一化處理后加權(quán)計(jì)算得到脆弱性指數(shù)(5)。
式中,S為脆弱性指數(shù),WS1和WS2分別為坡度和河網(wǎng)密度指標(biāo)因子權(quán)重,分別取值0.4 和0.6,S1和S2分別為坡度和均一化河網(wǎng)密指數(shù)指標(biāo)值,在arcgis 中使用自然斷點(diǎn)法分別將其分為四個(gè)等級(jí),即高脆弱性、次高脆弱性、中等脆弱性和低脆弱性,并分別賦值0.8、0.6、0.4和0.1。
1.2.4 暴露度指數(shù)
干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的暴露度指數(shù)是指該區(qū)域內(nèi)的承災(zāi)體可能會(huì)受到干旱危險(xiǎn)威脅的范圍和影響程度的大小。參考張明達(dá)等[1]選取的氣候要素指標(biāo)因子,基于arcgis 柵格計(jì)算實(shí)現(xiàn)各指標(biāo)的精細(xì)化推算,并根據(jù)各指標(biāo)因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),得到各柵格點(diǎn)的氣候適宜性等級(jí):最適宜、適宜、次適宜、不適宜四級(jí),并分別賦值0.8、0.6、0.4、0.1,得到各柵格點(diǎn)的氣候適宜度指數(shù)。將氣候適宜度指數(shù)作為小粒咖啡干旱暴露度指數(shù)指標(biāo),即適宜度指數(shù)越高,暴露度就越大,干旱風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高,災(zāi)害造成的損失可能就越大。
1.2.5 空間數(shù)據(jù)分析
為了實(shí)現(xiàn)格點(diǎn)化的小??Х雀珊碉L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,運(yùn)用Arcgis 將各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行柵格化處理,并通過柵格計(jì)算得到各因子的格點(diǎn)數(shù)據(jù),經(jīng)綜合運(yùn)算后得到干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),再通過自然斷點(diǎn)分級(jí)來完成云南小粒咖啡干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)。
就年降水量虧缺率(圖1-a),高危險(xiǎn)區(qū)主要位于金沙江、元江及怒江中下游的河谷區(qū),主要由于該地區(qū)年降水量不足600 mm,遠(yuǎn)低于小??Х刃杷?,降水虧缺率超過40%;次高危險(xiǎn)區(qū)主要位于元江以東、以北的大部地區(qū)以及瀾滄江流域的河谷地帶,其原因在于該區(qū)域年降水量大多低于1 000 mm,僅占需水量的60%~80%,降水虧缺率在20%以上;中危險(xiǎn)區(qū)滇東南的東部地區(qū)及瀾滄江流域的中下游大部地區(qū),年降水量超過1 200 mm,稍低于需水量,降水虧缺率在20%以內(nèi);低危險(xiǎn)區(qū)主要位于哀牢山南側(cè)-瀾滄江以東地區(qū)、怒江中下游西部地區(qū)以及滇西南的西部邊緣地區(qū),部分地區(qū)年降水超2 000 mm,明顯大于需水量,局部地區(qū)降水量是需水量的2倍以上。就開花期降水虧缺率(圖1-b)而言,高危險(xiǎn)區(qū)和次高危險(xiǎn)區(qū)的面積明顯大于年降水量虧缺率,滇中及以北以及各流域干熱河谷地區(qū)開花期降水量不足200 mm,不到需水量的40%,為高危險(xiǎn)區(qū),滇西南的大部地區(qū)及滇東南的北部地區(qū)開花期降水量不到300 mm,不足需水量的40%,為次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū);中危險(xiǎn)區(qū)主要位于東部及滇西南的部分地區(qū),開花期降水量約為需水量的60%~80%;低危險(xiǎn)區(qū)主要位于怒江下游以西以及南部邊緣地區(qū),部分地區(qū)超過500 mm,花期降水量大于需水量,能完全滿足小粒咖啡開花期的降水需求。
綜合全生育期和開花期降水虧缺率(圖1-c)來看,高危險(xiǎn)區(qū)主要是金沙江、元江、怒江中下游河谷地區(qū)以及中北部可種植區(qū),次高危險(xiǎn)區(qū)主要是保山東部、臨滄東部、普洱西部以及玉溪大部、紅河北部等地,中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要是德宏、臨滄西部、普洱東部、西雙版納、紅河南部等種植區(qū)??傮w而言,云南小??Х戎鳟a(chǎn)區(qū)大多屬于低危險(xiǎn)區(qū)或中等危險(xiǎn)區(qū),開花期降水偏少是大部分地區(qū)干旱危險(xiǎn)性等級(jí)較高的原因。
從坡度脆弱性因子分布(圖1-d)來看,哀牢山以東大部地區(qū)以及德宏、普洱、西雙版納等地的大部可種植區(qū)地勢(shì)比較平緩,脆弱性等級(jí)明顯低于其他區(qū)域,為低脆弱區(qū)或中等脆弱區(qū),而哀牢山區(qū)以及怒江下游、瀾滄江中下游、元江兩側(cè)則地形起伏度大,脆弱性等級(jí)較高。從河網(wǎng)密度(圖1-e)來看,元江流域及南盤江流域總體河流分布較少,河網(wǎng)密度較低,脆弱性等級(jí)較高,滇中及滇西南的小??Х瓤煞N植區(qū)河網(wǎng)密度較高,脆弱性等級(jí)也較低。綜合來看,脆弱性等級(jí)較高的地區(qū)主要是哀牢山山區(qū)及以東的紅河南部、文山大部等地(圖1-f),為高脆弱區(qū)或次高脆弱區(qū),滇西南的大部地區(qū)尤其是德宏、普洱、西雙版納的大部地區(qū)脆弱性等級(jí)較低。
圖1 云南小??Х雀珊碉L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
續(xù)圖1 云南小粒咖啡干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
云南小??Х葰夂蜻m宜區(qū)主要分布在滇西南的大部地區(qū)以及滇東南的部分地區(qū),尤其是德宏、普洱、西雙版納等地,這些區(qū)域也是小??Х鹊闹鳟a(chǎn)區(qū),暴露度較高,干旱災(zāi)害一旦發(fā)生,造成的經(jīng)濟(jì)損失也較大。滇中及以北地區(qū)主要為小??Х鹊牟贿m宜區(qū)或次適宜區(qū),干旱災(zāi)害對(duì)小??Х仍斐傻挠绊懸蚕鄬?duì)較小,暴露度等級(jí)較低(圖1-g)。
云南小??Х瓤煞N植區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以中風(fēng)險(xiǎn)及次高風(fēng)險(xiǎn)為主(圖1-h),哀牢山以東以北種植區(qū)以高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主,哀牢山南側(cè)以及怒江下游西部種植區(qū)以低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為主。為了進(jìn)一步分析各小粒咖啡主產(chǎn)區(qū)及全省干旱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的分布情況,本文計(jì)算了各產(chǎn)區(qū)各干旱風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積占小粒咖啡可種植區(qū)的比例(表1)。由表1可知,全省可種植區(qū)14.2%為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū),31.1%為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū),46.6%為次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),8.1%為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比較高,占可種植區(qū)面積77.6%,占全省國(guó)土面積的43.7%,總體干旱風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)偏高。從各主產(chǎn)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布來看,德宏、怒江、保山、紅河低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比較高,超過30%,其中德宏超過50%,而大理、臨滄、玉溪、文山占比較低,不足10%,低于全省平均水平;相應(yīng)地,德宏、文山、西雙版納、普洱、臨滄等地高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比較低,不到5%,但是文山、普洱、臨滄次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的占比超過了40%,風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。值得注意的是,文山、臨滄、普洱雖然高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比在全省并不突出,但是中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的占比較高,其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)更容易受到氣候變化的影響而大范圍的增加或減少。另外,雖然文山、普洱、西雙版納、臨滄等地高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比少,但可種植區(qū)面積占比超過90%,相應(yīng)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)國(guó)土面積也大,尤其是普洱、西雙版納是主要的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū),需要特別注意小粒咖啡生產(chǎn)的抗旱工作。
表1 云南小??Х雀珊碉L(fēng)險(xiǎn)區(qū)占可種植區(qū)比例分布 單位:%
為了進(jìn)一步分析云南小粒咖啡實(shí)際種植區(qū)的干旱風(fēng)險(xiǎn)分布情況,以氣象部門設(shè)置的咖啡作物小氣候觀測(cè)站為采樣點(diǎn),共采集了73 個(gè)小??Х确N植區(qū)位置信息。從各采樣點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布來看,低風(fēng)險(xiǎn)占比為13%,中風(fēng)險(xiǎn)占比為46%,次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為39%,高風(fēng)險(xiǎn)為3%,其中低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要是分布在德宏、普洱及西雙版納種植區(qū),這些區(qū)域無論是年降水量還是小??Х乳_花期降水均十分充足,同時(shí)自然條件不利于水土流失,灌溉條件較好;中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在德宏、普洱南部及文山南部,這些區(qū)域干旱危險(xiǎn)性等級(jí)較低,但是由于坡度因子的影響,以及普洱中部、文山南部河網(wǎng)密度較低,灌溉條件相對(duì)較差,加之這些地區(qū)基本上是小??Х壬鷳B(tài)最適宜區(qū),干旱災(zāi)損大,風(fēng)險(xiǎn)高,需要改善自然條件對(duì)小粒咖啡供水的影響;次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要是保山,臨滄、普洱西部和北部、西雙版納西部種植區(qū),這些區(qū)域干旱風(fēng)險(xiǎn)多由幾個(gè)因子共同影響造成,總體上高溫蒸發(fā)大,大部區(qū)域小粒咖啡開花期或者整體降水均不足,基本為中危險(xiǎn)區(qū)或次高危險(xiǎn)區(qū),加上地形地貌不利于儲(chǔ)水和灌溉,生態(tài)適宜度高,咖啡產(chǎn)值高,干旱影響大;高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要是保山潞江壩的局部種植區(qū),無論是年降水量還是開花期降水量都遠(yuǎn)低于同期需水量,是干旱高危險(xiǎn)區(qū),雖然脆弱性等級(jí)較低,但暴露度等級(jí)較高,綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高。
本研究根據(jù)云南小粒咖啡的種植生產(chǎn)實(shí)際情況,在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論基礎(chǔ)上構(gòu)建了小粒咖啡干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,通過精細(xì)化柵格處理和分析,得出如下結(jié)論:(1)云南大部小粒咖啡種植區(qū)年降水量能滿足生長(zhǎng)需求,但開花期僅南部和西部邊緣能滿足需求,滇中及以北大部地區(qū)干旱危險(xiǎn)性等級(jí)最高,滇西南大部較低;(2)滇東南大部小??Х瓤煞N植區(qū)脆弱性等級(jí)較高,其余地區(qū)總體偏低,河網(wǎng)密度是主要影響因素;(3)滇中及以北大部地區(qū)小??Х葰夂蜻m宜性等級(jí)最低,干旱暴露度較低,而滇西南地區(qū)則相反;(4)綜合而言,小??Х乳_花期降水量偏少是干旱風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的主要影響因素,哀牢山以東以北干旱風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高,尤其是各大流域河谷地區(qū)基本以高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為主,滇西南大部小??Х戎鳟a(chǎn)區(qū)以中低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為主,但少部分優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)為中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),需要加強(qiáng)灌溉管理。
本研究中模型的指標(biāo)圍繞小粒咖啡的生長(zhǎng)特性,側(cè)重于選取氣候和自然因子,使得模型更為客觀,也解決了社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)不易空間精細(xì)化的問題。同王鶯、柳媛普等[15,29]、姚玉璧等[30]采用的綜合氣象干旱指數(shù)或者彭曼公式相比,本研究構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于計(jì)算,且本研究實(shí)現(xiàn)了所有指標(biāo)因子及綜合分析結(jié)果的精細(xì)化柵格處理,解決了無氣象臺(tái)站地區(qū)局地氣候不易描述,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估困難的問題,使得小??Х雀珊禐?zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)分析更加精準(zhǔn)。本研究對(duì)于其他小??Х确N植省份以及其他亞熱帶經(jīng)濟(jì)作物的干旱風(fēng)險(xiǎn)分析具有一定的借鑒作用,對(duì)于小??Х鹊姆N植布局、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理也有一定的指導(dǎo)作用。同時(shí),由于本研究?jī)H分析了基于氣候態(tài)的小??Х雀珊碉L(fēng)險(xiǎn)分布特征,沒有充分考慮氣候變化的影響,尤其是未來氣候變化對(duì)小粒咖啡干旱災(zāi)害的可能影響,后續(xù)工作需要繼續(xù)開展相關(guān)研究以便更好地為小??Х犬a(chǎn)業(yè)發(fā)展提供服務(wù)。