高红霞，张晓磊，吴淑梅，陈素华，李倩文

（1.内蒙古兴安盟气象局，内蒙古 乌兰浩特 137400；2.内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051）

内蒙古是我国马铃薯种薯和商品薯的重要生产基地之一［1］，全区马铃薯种植面积稳定在55万hm2左右。马铃薯也是内蒙古重要的高产粮菜兼优势作物，在全区农业生产中占有举足轻重的地位。内蒙古具有海拔高、日照充足、昼夜温差大、气候冷凉等特点，可以满足马铃薯喜凉特性和对积温的要求，有利于其淀粉积累［2］。内蒙古马铃薯主产区在中部及呼伦贝尔市，80%以上的马铃薯种植在旱作农业区，其生产高度依赖于气候条件，光、温、水、风等气象要素，这些要素不仅是马铃薯生产过程中的物质资源和能量来源，同时也构成其生存环境［3］。气象灾害的发生轻重在很大程度上决定了马铃薯产量、品质优劣和成本高低。近些年，气候变暖导致极端天气气候事件频繁发生，内蒙古灾害性极端天气呈增多增强的趋势，其中干旱灾害发生频率高、范围广、持续时间长，是内蒙古最主要的气象灾害［4］。因此，加强马铃薯干旱灾害风险评估研究，对提高农业气象灾害防灾减灾能力，增强农业可持续发展具有重要的现实意义。

近年来，国内学者针对作物干旱灾害风险评估开展了许多研究，例如：张泽中［5］、薛昌颖［6］、吴双［7］、田宏伟［8］、王有恒［9］等针对不同地区的玉米开展了干旱灾害风险评估研究；贾建英［10］、齐月［11］、张菡［12］、张蕾［13］等分别对甘肃、四川以及中国北方的小麦进行了干旱灾害风险研究；金林雪［14］、李聪［15］等分别对内蒙古和河南的大豆干旱灾害风险进行了分析及区划；李家文等［16］对广西柳州的甘蔗进行了干旱风险研究。以上研究为农作物干旱灾害风险评估研究提供了很多宝贵的经验，但同样的灾害在不同地区，对不同作物的影响都不尽相同，同时以往的研究对马铃薯受旱风险的分析较少。因此，本文在前人研究的基础上，以内蒙古马铃薯主产区乌兰察布市、呼和浩特市及包头市作为研究区域，基于自然灾害风险理论，从马铃薯干旱灾害的危险性、暴露性、脆弱性以及防灾减灾能力4个方面出发，构建了内蒙古中部马铃薯干旱灾害风险评估模型，并进行了风险区划，以期为当地减轻马铃薯受灾风险、因地制宜地制定防灾减灾措施等提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文所用气象资料来源于内蒙古中部乌兰察布、呼和浩特、包头3个市共19个旗县的国家级气象站，主要包括1983~2018年生长季的逐日平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、降水量、风速和水汽压等资料。研究区域马铃薯产量数据、马铃薯种植面积、耕地面积等数据来源于1994~2018年的《内蒙古统计年鉴》。内蒙古中部行政边界图来源于内蒙古自治区气象局；中部农区边界图、灌溉地占比来源于内蒙古第二次土地调查数据。研究区域见图1。

根据研究区域内3个农业气象观测站（武川县、固阳县和察右中旗）历年对马铃薯生长期的观测数据，本文把马铃薯的生育期划分为5个阶段，即播种~出苗期、出苗~分枝期、分枝~花序期、花序~开花期、开花~可收期。

1.2 研究方法

图1 研究区域站点的空间分布

1.2.1 马铃薯气象产量的提取 一般来说，农作物产量可分为3个部分，即趋势产量、气象产量和随机“噪声”［17］。随机“噪声”主要是指由地震、社会变革等随机因子影响的那部分产量，基本上无规律可循，故不计入方程中。因此，作物的产量构成可表示为：

式（1）中Y为实际单产，Yt为趋势产量，Yw为气象产量。

本研究采用直线滑动平均的方法对趋势产量进行模拟。相对气象产量可表示为（Yw/Yt）×100%，其值为负的年份即为减产年。

1.2.2 数据标准化方法 为了消除各指标量纲不同的影响，需对原始指标数据进行标准化处理。本文采用Min-Max方法，对各指标进行标准化处理，标准化值I＇i的计算公式如下：

式（2）~式（3）中，Ii为原始数据，Imax和Imin分别为数据序列中的最大值和最小值。对危险性指标、暴露性指标和脆弱性指标采用式（2）进行标准化处理，对防灾减灾能力指标采用式（3）进行标准化处理。

1.2.3 层次分析法 层次分析法采用层次化的指标表示逻辑关系，通过矩阵计算专家评分，最终达到指标综合的目的，是一种定性与定量相结合的方法［18］。其使用一般分为5个步骤：（1）建立递阶层次结构模型；（2）构造出各层次中的所有判断矩阵；（3）层次单排序及一致性检验；（4）层次总排序及一致性检验；（5）计算出判断矩阵的最大特征值，其对应的特征向量即为各因子的权重。本文采用该方法确定马铃薯各生育期的权重，以及马铃薯干旱灾害4个因子的权重，两者均为一阶模型，各需构建1个判断矩阵。

1.2.4 加权综合评分法 加权综合评分法是一种传统的多指标综合评价法［19］，其具体计算公式如式（4）所示。本文采用该方法构建马铃薯全生育期干旱灾害危险性指数模型及全生育期干旱灾害风险模型。

式（4）中，Wi为第i个指标的权重值；Xi*为第i个指标数据标准化后的数值。

2 干旱灾害风险评估指标

根据自然灾害风险形成机制［20］，本文主要从干旱灾害的危险性、承灾体的暴露性、承灾体的脆弱性以及防灾减灾能力4个方面，并综合考虑指标的科学性、可操作性以及资料获取难易程度，确定内蒙古中部马铃薯干旱灾害风险评估指标。

2.1 致灾因子的危险性

气象灾害危险性是指造成气象灾害的自然变异程度，主要是由灾变活动规模（强度）和活动频次（概率）决定的［20］。内蒙古中部作物生长季为4~9月，是一年中降水较为集中的时段，降水的持续偏少是导致干旱灾害发生的主要原因，同时该时段作物蒸腾对土壤水分的负向作用也较为明显。因此本文选择作物水分亏缺距平指数表征马铃薯干旱灾害危险性的强度。

2.1.1 作物水分亏缺距平指数 作物水分亏缺指数可以反映出作物水分需求与外界水分供给之间的差值，是表征作物水分亏缺程度的指标之一。但该指数在不同季节、不同气候区域差别较大，因此，本文采用归一化的作物水分亏缺指数与其平均值之差，即作物水分亏缺距平指数［21］，以消除季节和区域的差异。某时段作物水分亏缺距平指数（CWDIa）的计算公式如下：

式（5）中：CWDIa为某时段作物水分亏缺距平指数；CWDI为该时段作物水分亏缺指数，计算方法如式（6）；为同期作物水分亏缺指数的平均值（取30年）。

式（6）中，CWDI为该时段作物水分亏缺指数，P为该时段的降水量，ETc为对应时段的作物蒸散量。

基于作物水分亏缺距平指数（CWDIa）的干旱等级如表1所示。

表1 基于作物水分亏缺距平指数的干旱等级 %

本文以马铃薯的生育期为计算时段，进行作物水分亏缺距平指数的计算。计算ETc时所用的马铃薯作物系数Kc参考了王彦平等的研究成果［22］，具体如表2所示。最终的计算结果显示，研究区域各站点历年马铃薯在关键生长期（开花~可收期）的作物水分亏缺距平指数与相应年份马铃薯气象产量的相关系数为-0.343，通过了0.05水平的显著性检验，表明该指标能够较好地反映出内蒙古中部马铃薯干旱灾害的危险程度。

表2 马铃薯在不同生育期的作物系数Kc %

2.1.2 危险性指数 依据灾害风险评估原理，干旱灾害危险性是由干旱灾害的强度及其出现频率共同决定的。为此，本文计算出各旗县马铃薯各生育期不同等级干旱出现的频率，以及各等级干旱强度的中值，并利用式（7）计算各旗县相应生育期的干旱灾害危险性指数。最后，利用层次分析法确定各生育期的权重，并采用加权综合评分法，计算全生育期的干旱灾害危险性指数，具体如式（8）：

式（7）中：DRj为第j个生育期的干旱灾害危险性指数；Fi为该生育期第i个等级干旱出现的频数；DSi为第i个等级干旱强度的中值；n为总年数，本文中为36。式（8）中：D为马铃薯全生育期（播种至可收）的干旱灾害危险性指数；Dj为第j个生育期的干旱灾害危险性指数的归一化值；Wj为相应生育期的权重，具体计算值如表3。

表3 内蒙古中部马铃薯各生育期的权重系数

基于上述危险性指数模型的计算结果，采用GIS技术绘制内蒙古中部农区马铃薯干旱灾害危险性的空间分布图（图2），并采用自然断点法对干旱灾害危险性指数进行分级（表4）。由图2可知：内蒙古中部马铃薯干旱灾害危险性指数的高值区域和次高值区域主要分布在乌兰察布地区；中危险性地区主要分布在呼和浩特市中部、北部以及包头市北部；其余为低危险性地区。

表4 内蒙古中部马铃薯干旱风险各指数的分级

图2 内蒙古中部马铃薯干旱灾害危险性的空间分布

2.2 承灾体的暴露性

2.2.1 暴露性指标 承灾体的暴露性是指可能受到气象危险因子威胁的所有人和财产安全［20］。对于马铃薯干旱灾害而言，就是承灾体马铃薯可能受到的干旱威胁的程度。研究区域马铃薯种植面积占比越大，该区域暴露于灾害风险中的马铃薯越多，遭受潜在损失的可能性就越大。因此，本文选用研究区域各旗县马铃薯种植面积占全部耕地面积的比例作为马铃薯干旱灾害的暴露度评价指标（E），其计算公式如下：

式（9）中：si为某旗县第i年马铃薯种植面积；Si为当年该地区总耕地面积。受可获取资料的限制，本文仅考虑了研究区域1994~2018年的马铃薯种植数据，即n=25。

2.2.2 暴露性指数 暴露性指数为暴露性指标的归一化值。基于暴露性指数的计算结果，绘制了内蒙古中部农区马铃薯干旱灾害暴露性的空间分布图（图3）。由图3可知：内蒙古中部马铃薯干旱灾害暴露性指数的高值区域和次高值区域主要分布在乌兰察布地区以及呼和浩特市武川县；低暴露性地区主要分布在呼和浩特市土默特左旗和托克托县；其余为中暴露性地区。

2.3 承灾体的脆弱性

2.3.1 脆弱性指标 脆弱性指承灾体遭受到特定灾害影响的损失程度，主要反映承灾体对灾害的敏感性。干旱是影响内蒙古马铃薯产量的主要气象灾害，本文以研究区域各旗县马铃薯灾损量占马铃薯总产量的比例作为干旱灾害脆弱性的评价指标。灾损量的计算方法参考了郑景云等［23］的研究成果，具体计算如下式：

式（10）中：Yd为因自然灾害引起的马铃薯损失量，即马铃薯灾损量；ep为马铃薯产量随时间变化的自然增长力；yt、yt-1分别为当年和前一年马铃薯单产；St、St-1分别为当年和前一年的马铃薯的播种面积；Yt、Yt-1分别为当年和前一年马铃薯的总产量。

2.3.2 脆弱性指数 脆弱性指数为灾损量占比的归一化值。基于脆弱性指数的计算结果，绘制了内蒙古中部农区马铃薯干旱灾害脆弱性的空间分布图（图4）。由图4可知：内蒙古中部马铃薯干旱灾害脆弱性指数的高值区域和次高值区域主要分布在乌兰察布市东部、呼和浩特市中西部以及包头市大部农区；中脆弱性地区主要分布在乌兰察布北部和南部；其余为低脆弱性地区。

图3 内蒙古中部马铃薯干旱灾害暴露性的空间分布

图4 内蒙古中部马铃薯干旱灾害脆弱性的空间分布

2.4 防灾减灾能力

2.4.1 防灾减灾能力指标 防灾减灾能力是指马铃薯受到干旱灾害影响后恢复的程度。本文采用各旗县的灌溉地面积占比表征其防灾减灾能力。灌溉地面积占比越大，表示该地的防灾减灾能力越强。防灾减灾能力的计算公式如下：

式（11）中：wi为某旗县的灌溉地面积；Si为该地区的总耕地面积。

2.4.2 防灾减灾能力指数 防灾减灾能力指数为灌溉地占比的归一化值。基于防灾减灾能力指数的计算结果，绘制了内蒙古中部农区马铃薯干旱灾害防灾减灾能力的空间分布图（图5）。由图5可以看出：内蒙古中部马铃薯干旱灾害防御能力较高的区域主要分布在呼和浩特市土默特左旗、托克托县以及包头市土默特右旗；其余地区的干旱灾害防御能力较低。

图5 内蒙古中部马铃薯干旱灾害防灾减灾能力的空间分布

3 马铃薯干旱灾害风险评价模型

3.1 全生育期干旱灾害风险评价模型

采用层次分析法分别确定了马铃薯干旱灾害危险性、暴露性、脆弱性、防灾减灾能力的权重，并采用加权综合评分法建立了马铃薯全生育期干旱灾害风险评价模型：

式（12）中，DRA为全生育期干旱灾害风险指数；Wj为干旱灾害危险性、暴露性、脆弱性及防灾减灾能力指数的权重，其具体计算值如表5所示；Fj*为对应指数的标准化值。

3.2 马铃薯全生育期干旱灾害风险评价区划

基于马铃薯全生育期干旱灾害风险评价模型，在GIS中采用反距离加权插值法绘制了内蒙古中部农区马铃薯干旱灾害风险的综合区划图（图6），并按照自然断点法划分为4个等级（表6）。

表5 内蒙古中部马铃薯干旱灾害风险四要素的权重系数

表6 内蒙古中部马铃薯干旱灾害风险的区划标准

图6 内蒙古中部马铃薯干旱灾害风险的区划

3.3 分区描述

3.3.1 高风险区 干旱灾害风险指数大于0.62的区域为高风险区，主要分布在乌兰察布市东部、兴和县以及丰镇。该区生长季平均降水量约300 mm，大部分年份的降水量均不能满足马铃薯的需水要求；降水量偏低及降水时空变率大是该区马铃薯受旱的主要原因。同时该区也是马铃薯种植较为集中的地区，暴露度高，且防灾能力较低。综合各项指标，该区为内蒙古中部马铃薯干旱风险最大的地区。

3.3.2 次高风险区 干旱灾害风险指数在（0.55，0.62］的区域为次高风险区，主要分布在乌兰察布市四子王旗、察右中旗、卓资县、凉城县、呼和浩特市中部及和林格尔县。该区生长季平均降水量约320 mm，生长季降水量在350～400 mm之间的年份约占39%；该区域固有的气候特征是造成马铃薯干旱灾害的主要原因，干旱致险度较高，同时暴露度也较高，但该区域的脆弱性低于高风险区。综合各项指标，该区为马铃薯干旱风险次高的地区。3.3.3 中风险区 干旱灾害风险指数在（0.46，0.55］的区域为中风险区，主要分布在呼和浩特市清水河县、包头市北部以及乌兰察布市集宁区。该区生长季平均降水量约335 mm，生长季降水量在350～400 mm之间的年份约占50%，降水量仍不能完全满足马铃薯的需水要求，但降水量明显多于高风险区和较高风险区，干旱致险度降低，同时该区域的脆弱性较低。综合各项指标，该区为中等干旱风险地区。

3.3.4 低风险区 干旱灾害风险指数小于0.46的区域为低风险区，主要分布在呼和浩特市土默特左旗、托克托县以及包头市土默特右旗。该区马铃薯种植面积较少，干旱灾害暴露度明显减少，同时防灾能力高。综合各项指标，该区属于马铃薯干旱灾害风险较低地区。

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究结果表明：内蒙古中部马铃薯干旱灾害的高风险区主要分布在乌兰察布市东部、兴和县以及丰镇；次高风险区主要分布在乌兰察布市四子王旗、察右中旗、卓资县、凉城县、呼和浩特市中部及和林格尔县；中风险区主要分布在呼和浩特市清水河县、包头市北部以及乌兰察布市集宁区；低风险区主要分布在呼和浩特市土默特左旗、托克托县以及包头市土默特右旗。

4.2 讨论

本文主要研究了内蒙古中部马铃薯干旱灾害发生的风险。在灾害危险性指标选取方面，选用了作物水分亏缺距平指数这一综合指标，该指标能够反映马铃薯在不同生育期的水分盈亏程度，较单一的降水指标更为适用。对承灾体的暴露性、脆弱性以及防灾减灾能力方面指标的构建，主要基于马铃薯农业统计资料，尽管农业统计资料能最直接地反映内蒙古中部不同地区马铃薯的生产情况，但是指标相对单一。在未来的研究中，将综合考虑社会、经济因素，进一步完善马铃薯干旱灾害风险评估模型。同时，本文主要采用层次分析法确定权重，这在一定程度上避免了主观赋权的随意性，但是否可以采用其他更为合理的赋权方法仍需进一步研究。