郭小芹，司馬義·阿不力孜

（1.武威國(guó)家氣候觀象臺(tái)，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(zhǎng)過(guò)程始末，不僅加劇了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的波動(dòng)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(lèi)災(zāi)害復(fù)合性強(qiáng)，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(zhǎng)季正值高溫干旱、低溫陰雨多發(fā)時(shí)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(lái)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(xiǎn)隨之加大。如何定量評(píng)估氣象災(zāi)害對(duì)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(xiǎn)評(píng)估是對(duì)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(píng)估。近年來(lái)單一災(zāi)害評(píng)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(zhǎng)過(guò)程中多種災(zāi)害的復(fù)合影響，巨災(zāi)形成也是多個(gè)致災(zāi)因子鏈?zhǔn)接|發(fā)的結(jié)果[9]，因此如何評(píng)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(píng)估是通過(guò)一定的數(shù)學(xué)模型將多個(gè)指標(biāo)“合成”為一個(gè)整體性評(píng)價(jià)值，在很多領(lǐng)域已得到推廣[10-11]。依托高原夏菜生長(zhǎng)特征，本文對(duì)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(píng)價(jià)方法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，是對(duì)作物生長(zhǎng)時(shí)段復(fù)合災(zāi)害強(qiáng)度的一種度量方式。評(píng)價(jià)結(jié)果可以作為產(chǎn)量預(yù)報(bào)、災(zāi)損評(píng)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(chóng)害少，適合喜溫耐熱蔬菜、半耐寒與耐寒蔬菜生長(zhǎng)[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(lèi)、葉球類(lèi)、花球類(lèi)、莖菜類(lèi)、蔥蒜類(lèi)為主，以種植、加工、輸出為鏈條的產(chǎn)業(yè)帶。作為我國(guó)西菜東運(yùn)、北菜南運(yùn)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(guò)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(lái)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(gè)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(huì)有一定差異，為便于分析，以7 月15 日為分割點(diǎn)，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(shí)數(shù)，產(chǎn)量、年景、災(zāi)損數(shù)據(jù)均來(lái)自農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒，試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自觀測(cè)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(shì)西北高東南低，以海拔高度對(duì)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(qiáng)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(píng)價(jià)模型

復(fù)合災(zāi)害指在特定時(shí)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(gè)生產(chǎn)過(guò)程視為一個(gè)事件，針對(duì)每一致災(zāi)因子出現(xiàn)時(shí)間、發(fā)生頻次、災(zāi)害強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)段，按照史培軍[13]對(duì)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本思路，可對(duì)本次事件多災(zāi)種進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。評(píng)價(jià)結(jié)果代表了復(fù)合災(zāi)害相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[14]。評(píng)價(jià)值越大，復(fù)合災(zāi)害強(qiáng)度越大。

綜合評(píng)價(jià) （Comprehensive Evaluation of Composite Disasters，CED）模型為：

式中：i 表示生長(zhǎng)季內(nèi)氣象災(zāi)害種類(lèi)，DIi為某一致災(zāi)因子風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，可稱(chēng)致災(zāi)程度（Degree of influence，DI），ωi為該致災(zāi)因子在評(píng)價(jià)體系中所占權(quán)重。不同災(zāi)害類(lèi)型對(duì)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(xiǎn)評(píng)價(jià)是復(fù)合災(zāi)害評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)研究結(jié)論[15-16]，某一致災(zāi)因子風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)可用下式計(jì)算：

式中：i 表示致災(zāi)因子即氣象災(zāi)害類(lèi)型，j 表示致災(zāi)強(qiáng)度等級(jí)；qij表示第i 個(gè)氣象災(zāi)害在j 等級(jí)上的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；pij為不同等級(jí)在該評(píng)價(jià)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(cè)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(qiáng)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(jí)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(jí)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(jí)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(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為59 d，且在一個(gè)生產(chǎn)季里會(huì)出現(xiàn)2～3 次過(guò)程，成為影響高原夏菜生長(zhǎng)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(qiáng)度的綜合體現(xiàn)。除了強(qiáng)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(wú)降水以及持續(xù)弱光照日數(shù)，是長(zhǎng)時(shí)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(gè)指標(biāo)也可以看成是某一閾值隨時(shí)間的變量，累計(jì)日數(shù)越多，基礎(chǔ)溫度越高，災(zāi)害強(qiáng)度越大。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型災(zāi)害及致災(zāi)等級(jí)的權(quán)重確定

依據(jù)高原夏菜生長(zhǎng)特點(diǎn)以及種植專(zhuān)家意見(jiàn)，基于AHP 層次分析法[17]，對(duì)不同災(zāi)害類(lèi)型、不同致災(zāi)程度分別打分，1 為同等重要，2～8 為相對(duì)重要，9 為極端重要，通過(guò)比較，構(gòu)造兩類(lèi)指標(biāo)G-P 判別矩陣，二者均通過(guò)一致性檢驗(yàn)，說(shuō)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(huì)嚴(yán)重影響高原夏菜生長(zhǎng)；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(huì)對(duì)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(zhǎng)季典型災(zāi)害G-P 判斷矩陣

表4 高原夏菜生長(zhǎng)季災(zāi)害等級(jí)G-P 判斷矩陣

2.2 不同區(qū)域典型災(zāi)害變化特征

對(duì)研究時(shí)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(duì)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?、持續(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(qiáng)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(píng)價(jià)之前，對(duì)各類(lèi)典型災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用離差法［0，1］線(xiàn)性變換，并對(duì)不同區(qū)域復(fù)合災(zāi)害逐年評(píng)價(jià)，通過(guò)閾值指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合災(zāi)害強(qiáng)度評(píng)判（表5），以此量化高原夏菜生長(zhǎng)季節(jié)復(fù)合災(zāi)害強(qiáng)度，并對(duì)可能災(zāi)損程度做出判識(shí)。

表5 高原夏菜生長(zhǎng)季復(fù)合災(zāi)害強(qiáng)度判定指標(biāo)

對(duì)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(wú)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(jì)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?yàn)?zāi)損程度的主要因素。

2.4 不同種植季復(fù)合災(zāi)害強(qiáng)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(qiáng)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(guò)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(qiáng)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(qiáng)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(guò)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(xiǎn)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(qiáng)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(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)，但僅有沿沙區(qū)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。夏茬風(fēng)險(xiǎn)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(qiáng)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(shì)上看，沿川區(qū)、沿沙區(qū)呈上升趨勢(shì)，山區(qū)、淺山區(qū)呈下降趨勢(shì)，但均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

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(qiáng)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(gè)生產(chǎn)季；從復(fù)合災(zāi)害強(qiáng)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(gè)生產(chǎn)季里，沿沙區(qū)、沿川區(qū)災(zāi)害強(qiáng)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(gè)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(yàn)點(diǎn)，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(shí)數(shù)為1 020 h，≥10 ℃積溫為1 616 ℃。從2018 年起項(xiàng)目組就對(duì)高海拔冷涼山區(qū)優(yōu)質(zhì)白皮蒜苗跟蹤觀測(cè)，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(gè)樣本區(qū)（3 m×3 m）蒜苗生長(zhǎng)量正常。從歷年觀測(cè)數(shù)據(jù)看，從該生育期到蒜薹伸長(zhǎng)期（7 月30日），各指標(biāo)均應(yīng)持續(xù)增長(zhǎng)，可7 月31 日檢測(cè)結(jié)果卻明顯下滑（表6）。經(jīng)過(guò)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(yàn)區(qū)出現(xiàn)連陰雨，過(guò)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(xiǎn)指數(shù)為0.857；9 月5—11 日試驗(yàn)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(xiǎn)指數(shù)為0.102。選取抓喜秀龍測(cè)站逐日氣象資料，對(duì)種植時(shí)段復(fù)合氣象災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)，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(píng)價(jià)結(jié)果得到驗(yàn)證。

表6 2021 年高海拔冷涼山區(qū)白皮蒜苗生長(zhǎng)量

3 結(jié)論

河西東部高原夏菜露地生長(zhǎng)階段正值氣象災(zāi)害頻發(fā)期。將高溫?zé)岷Α⒊掷m(xù)干旱、低溫冷害、強(qiáng)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(guò)復(fù)合災(zāi)害影響評(píng)價(jià)，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?，加上持續(xù)干旱，復(fù)合災(zāi)害程度將會(huì)進(jìn)一步加劇。復(fù)合災(zāi)害強(qiáng)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(qiáng)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(duì)高原夏菜典型氣象災(zāi)害進(jìn)行多災(zāi)種綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果代表了一定時(shí)段復(fù)合氣象災(zāi)害影響強(qiáng)度，這種方法有別于文獻(xiàn)[2，10]中對(duì)單一災(zāi)害的度量，也是對(duì)文獻(xiàn)[13，14]中風(fēng)險(xiǎn)度量的具體化應(yīng)用。依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，高原夏菜生產(chǎn)需因時(shí)因地制宜。如選擇適宜播種期，盡量避開(kāi)晚霜凍對(duì)春季幼苗大面積凍害；適時(shí)灌溉，減輕高溫?zé)岷Α⒊掷m(xù)干旱對(duì)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(dòng)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(guò)程呈現(xiàn)出很多不確定性，災(zāi)害類(lèi)型、發(fā)生時(shí)段、影響程度、地域差異等還需要進(jìn)一步分析驗(yàn)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(píng)價(jià)將會(huì)成為趨勢(shì)，相關(guān)研究將會(huì)提升農(nóng)業(yè)災(zāi)損的科學(xué)度量。