遼西北地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性評價與區(qū)劃*

劉曉靜，陳 鵬，劉家福

(吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，四平 136000)

0 引言

自然災(zāi)害風(fēng)險評價是避免或減少自然災(zāi)害損失的有效途徑[1-2]，而自然災(zāi)害危險性評價是自然災(zāi)害風(fēng)險評價的前提。區(qū)域某一災(zāi)害危險性的高低直接影響該區(qū)域在抵抗、防御該種災(zāi)害時的資源配置情況。遼寧省是我國13個糧食主產(chǎn)區(qū)之一，其中約50%的糧食耕種分布于遼寧省的西北地區(qū)。而干旱是影響遼西北地區(qū)作物生長的主要氣象災(zāi)害[3]，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了極大的危害。因此，對遼西北地區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱危險性的研究可以為該區(qū)域的觀測部門及田間管理者提供防災(zāi)減災(zāi)決策依據(jù)，保障糧食安全，在實際生產(chǎn)中具有更重要的現(xiàn)實意義。

根據(jù)聯(lián)合國國際減災(zāi)戰(zhàn)略署(International Strategy for Disaster Reduction，UNISDR或ISDR)的定義，農(nóng)業(yè)干旱危險性是指造成作物發(fā)生干旱的自然變異因素及其程度，主要包括作物干旱的致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境[4]。近年來，國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害的研究頗多，但都集中在分析、構(gòu)建致災(zāi)因子指標(biāo)評價區(qū)域的危險性，如Yamoah，C.F.(2000)采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI分析了降雨量對干旱風(fēng)險的影響[5]； 李阿龍[6](2016)認(rèn)為農(nóng)業(yè)干旱危險性僅由致災(zāi)因子構(gòu)成，并利用SPI指數(shù)構(gòu)建了河南省農(nóng)業(yè)干旱危險性評價模型； 王杰[7](2013)等利用降水距平資料探討了四川省夏季農(nóng)業(yè)干旱危險性的空間分布特征； Liu Sun和Scott W.Mitchell[8](2011)等人采用降雨數(shù)據(jù)和主成分分析法對春小麥各生育期內(nèi)的SPI、PDSI、Z-index進(jìn)行了最佳組合，以多個干旱指數(shù)為指標(biāo)評估了農(nóng)業(yè)干旱的程度； 陳曉藝[9](2008)等利用安徽省78個氣象臺站1971—2006年逐日氣象要素觀測資料，以累積濕潤指數(shù)為干旱指標(biāo)分析了各地冬小麥發(fā)育期內(nèi)干旱發(fā)生的風(fēng)險度。這些研究都忽略了孕災(zāi)環(huán)境如土壤本身的持水能力等因素在農(nóng)業(yè)干旱形成中的作用，且孕災(zāi)環(huán)境對作物受災(zāi)程度也具有不可忽視的影響。以遼西北地區(qū)為研究區(qū)，通過分析、選取導(dǎo)致研究區(qū)作物發(fā)生干旱的因子，利用層次分析法確定各因子的權(quán)重，進(jìn)而建立研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性評價模型，完成遼西北地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性分區(qū)。

1 研究材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

農(nóng)業(yè)干旱危險性是由作物干旱致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境共同決定的。致災(zāi)因子主要指降雨量，對于以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主的遼西北地區(qū)來說，降雨是作物獲得水分的主要來源。因此，降雨量的多少是決定玉米干旱發(fā)生及其造成災(zāi)害的嚴(yán)重程度的主要因子。對于研究區(qū)來說，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型、耕種地的地形和土壤類型是重要的孕災(zāi)環(huán)境。因此，研究收集了研究區(qū)23個氣象站點1985—2009年4—9月的降雨數(shù)據(jù)、空間分辨率90m的數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)(空間分辨率1km)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型數(shù)據(jù)(空間分辨率300m)。數(shù)據(jù)主要來源于國家氣象信息中心資料室、國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、國家自然科學(xué)基金委員會中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心以及歐洲太空總署GlobCover數(shù)據(jù)庫。為了便于后期計算，利用GIS技術(shù)將上述數(shù)據(jù)重采樣為1km的柵格數(shù)據(jù)。

1.2 研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性分析及其指標(biāo)的建立

遼西北地區(qū)主要是指遼寧省西北6市——沈陽、朝陽、鐵嶺、葫蘆島、阜新、錦州，是遼寧省旱災(zāi)最為頻發(fā)、最為嚴(yán)重的地區(qū)。研究以遼西北為研究區(qū)，分析了導(dǎo)致其作物發(fā)生干旱的致災(zāi)因子和影響其受災(zāi)程度的孕災(zāi)環(huán)境因子，并構(gòu)建了相關(guān)指標(biāo)。

1.2.1 致災(zāi)因子分析及其指標(biāo)的構(gòu)建

作物生長依靠根系從土壤中不斷地吸收水分，而對于旱作地區(qū)來說，土壤中的水分主要來源于自然降水。遼西北地區(qū)光照充足，熱量較好，但水分不足，氣候干旱少雨。因此，氣象干旱是農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害發(fā)生的必要條件，而降雨量多少是決定氣象干旱發(fā)生與否的根本指標(biāo)。為了實現(xiàn)不同區(qū)域間干旱情況的對比，通常采用氣象干旱指數(shù)衡量干旱程度。降水距平百分率是指某一時段的降水與多年該時段的降水平均值的偏離程度，是最常用的干旱表征指標(biāo)之一[10]。因此，研究采用降水距平百分率作為研究區(qū)致災(zāi)因子指標(biāo)，計算公式如下：

(1)

1.2.2 孕災(zāi)環(huán)境分析及其指標(biāo)的構(gòu)建

區(qū)域作物干旱的發(fā)生不僅與該地區(qū)氣象要素直接相關(guān)，還與該地區(qū)的地貌特征、土壤類型等有關(guān)。

(1)坡度

遼西北地區(qū)地處遼西丘陵山地，地貌類型多樣，包括山地、丘陵和平原，面積比例大體為27： 49： 24。坡度越大，地勢越陡，地表徑流越大，單位面積上的降雨量就越少，導(dǎo)致土壤有效水分流失越多。因此，同一降雨量，山地丘陵區(qū)域的土壤可獲得并儲存的水分少于平原區(qū)。對于擁有超過70%山地丘陵區(qū)域面積的遼西北地區(qū)來說，作物干旱發(fā)生的可能性就更高。

利用遼西北地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)提取坡度因子。分析研究區(qū)的坡度可知，遼西北地區(qū)的坡度為0°～52°，根據(jù)國家級坡度分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)實際情況，將研究區(qū)坡度分為6類，即0°～5°的平緩坡， 5°～8°中等坡， 8°～15°斜坡， 15°～25°陡坡， 25°～35°急坡和坡度>35°的急陡坡。對難于量化的坡度等級采用分級賦值法進(jìn)行處理，參考不同坡度對干旱發(fā)生的影響，即坡度越大，水分越不易停留在地表，越容易發(fā)生干旱； 反之，坡度越小，則該區(qū)域干旱越不易發(fā)生。具體賦值如表1所示。

(2)土壤類型

土壤類型與坡度一樣是影響土壤含水量重要的環(huán)境因素。土壤是作物生長的“溫床”，除了光以外，水分、養(yǎng)分絕大部分來自土壤，部分空氣和熱能也是通過土壤獲取[11]。由遼西北地區(qū)土壤類型圖(圖1)可以看出，研究區(qū)的土壤類型主要有棕壤、草甸土、褐土、風(fēng)沙土和黑土。閻莉[12](2012)對遼西北地區(qū)的土壤類型與因干旱造成的成災(zāi)率分布進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，受災(zāi)害影響嚴(yán)重的區(qū)域，沙漠化較為嚴(yán)重，土壤保熵能力弱?？梢?，土壤類型也是影響區(qū)域作物干旱災(zāi)害發(fā)生的較為重要的影響因素之一。

土壤類型決定了土壤的持水能力，不同的持水能力造成不同的土壤濕度。依據(jù)土壤保水、保肥及通透性的差異[13]，將遼西北地區(qū)的土壤類型按干旱災(zāi)害發(fā)生的可能性由高到低進(jìn)行排名：風(fēng)沙土>棕壤>褐土>草甸土>黑土。據(jù)此，對土壤類型進(jìn)行分級賦值，如表2所示。

表1 坡度分級

表2 土壤類型分級

1.3 研究方法

研究在聯(lián)合國國際減災(zāi)戰(zhàn)略署ISDR對自然災(zāi)害危險性定義的基礎(chǔ)上，運用GIS技術(shù)，采用層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)加權(quán)綜合評價法、自然間斷點分級法等方法，建立遼西北地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性評價模型，依據(jù)干旱危險性指數(shù)進(jìn)行等級區(qū)劃。

1.4 危險性評價模型的建立

根據(jù)聯(lián)合國國際減災(zāi)戰(zhàn)略署ISDR對自然災(zāi)害危險性的定義，區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱危險性可表達(dá)為：

(2)

(3)

通過對研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性分析可知，研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性指標(biāo)主要由降水距平百分率、土壤類型、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型和坡度共同構(gòu)成，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型不參與計算，主要用于提取雨養(yǎng)型農(nóng)作物。由于降水距平百分率與農(nóng)業(yè)干旱危險性呈負(fù)相關(guān)，而土壤類型和坡度已被量化為與危險性呈正相關(guān)的指標(biāo)，因此，采用式(3)對降水距平百分率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即將其標(biāo)準(zhǔn)化為與危險性呈正相關(guān)的指標(biāo)。

2 研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性評價與區(qū)劃

以2009年為例，利用遼西北農(nóng)業(yè)干旱危險性評價模型，計算研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性指數(shù)，通過自然間斷點分級法將危險性指數(shù)分為4級，即低危險、中危險、高危險和極高危險，結(jié)果如表4所示。利用GIS技術(shù)，將遼西北地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性等級繪制成圖(圖2)。

表4 遼西北農(nóng)業(yè)干旱脆弱性等級

圖1 遼西北地區(qū)土壤類型 圖2 遼西北地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性等級

整體來看，研究區(qū)作物干旱危險性呈現(xiàn)由北向南、由東至西升高的趨勢。低危險、高危險和極高危險區(qū)域面積相等，約各占總面積的24%，中危險性區(qū)域占總面積的28%。其中，低危險性主要分布于沈陽市和阜新市，分別占到低危險性總面積的59%和23%，而朝陽市和葫蘆島市低危險性區(qū)域面積為0； 除朝陽市外，中危險性區(qū)域在各市均有分布，鐵嶺市占比最高，達(dá)到了36%，其次是葫蘆島市、錦州市、阜新市和沈陽市，分別占到了中危險性總面積的24%、19%、14%、7%； 沈陽市和鐵嶺市的高危險性總面積和僅達(dá)到2%，其余面積均勻分布在阜新、朝陽、錦州和葫蘆島4市； 超過89%的極高危險性集中分布于朝陽市，而鐵嶺市和沈陽市內(nèi)沒有極高危險性區(qū)域。由圖2可以看出，除鐵嶺縣和調(diào)兵山市外，鐵嶺市超過80%的作物處于干旱中危險性區(qū)域； 沈陽市約88%的作物遭受干旱威脅較低； 對于阜新市來說，低危險性主要集中在彰武縣，高危險和極高危險面積集中分布于阜新蒙古族自治縣的西部，超過了阜新市作物總面積的40%； 葫蘆島市和錦州市的作物主要處于農(nóng)業(yè)干旱高危險和中危險區(qū)域，中危險性主要集中分布在綏中縣、興城市、北寧市以及凌海市南部； 朝陽市的作物約80%處于干旱極高危險區(qū)，另外20%則屬于干旱高危險。總的來說， 2009年作物生長期間遭受干旱的威脅由高到低排列為：朝陽市>葫蘆島市>錦州市>阜新市>鐵嶺市>沈陽市。根據(jù)遼西北地區(qū)歷史災(zāi)情資料可知[14]， 2009年該地區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重夏旱，建平縣北部、凌源市東南部、北票市西南部和朝陽縣、龍城區(qū)及雙塔區(qū)全部降水量均在100mm以下，為了應(yīng)對當(dāng)時各市干旱危險，朝陽、錦州、阜新等市將抗旱Ⅲ級響應(yīng)提升至Ⅱ級，沈陽啟動了抗旱Ⅲ級響應(yīng)，這與研究的干旱危險等級區(qū)劃結(jié)果相符。

3 結(jié)論與討論

研究在聯(lián)合國國際減災(zāi)戰(zhàn)略署對自然災(zāi)害危險性定義的基礎(chǔ)上，分析了影響研究區(qū)作物干旱危險性的致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境因子，利用降雨、土壤、地形等資料建立了研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性評價模型，通過分級危險性指數(shù)對遼西北地區(qū)進(jìn)行了區(qū)劃研究。區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱危險性等級區(qū)的劃分，能夠幫助政府管理部門為面臨干旱威脅不同的區(qū)域建立適當(dāng)?shù)姆罏?zāi)方法和有效的應(yīng)急預(yù)案。研究是基于柵格尺度對研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性進(jìn)行評價與區(qū)劃，由于數(shù)據(jù)獲取的限制，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型數(shù)據(jù)只獲得了2009年的，因此研究只能以2009年為例評價和區(qū)劃研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性，在研究的時效性上存在一定缺憾。但對于某一研究區(qū)域來說，在未發(fā)生大型地質(zhì)災(zāi)害前，其干旱孕災(zāi)環(huán)境基本上是不變的，決定危險性高低的主要變量是致災(zāi)因子，即降雨數(shù)據(jù)，且該文研究重點是探討遼西北地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱危險性評價模型的構(gòu)建方法，因此研究成果的精度基本不受影響。