地理學(xué)視角的農(nóng)業(yè)干旱研究進(jìn)展

楊青青, 羅綱, 高超

(1.安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241000； 2.寧波大學(xué) 地理與空間信息技術(shù)系，浙江 寧波 315211)

政府間氣候變化專門委員會發(fā)布的《管理極端事件和災(zāi)害風(fēng)險推進(jìn)氣候變化適應(yīng)》特別報告指出，未來干旱風(fēng)險有增加的趨勢。中國歷來就是一個干旱災(zāi)害發(fā)生極為頻繁的國家，與洪澇、臺風(fēng)等災(zāi)害相比，干旱具有持續(xù)時間長、影響范圍大、發(fā)生頻率高等特點，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等容易造成巨大損失，尤其對農(nóng)業(yè)損害最為嚴(yán)重。公元前206年至2018年，在2 224 a的時間里，中國發(fā)生了大約1 076起重大旱災(zāi)，平均2 a發(fā)生1次干旱災(zāi)害；而建國后，因干旱造成的多年平均糧食損失約3 000萬t，約占全國糧食總產(chǎn)量的6.5%。農(nóng)業(yè)干旱已成為中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要制約因素之一[1-2]。

農(nóng)業(yè)干旱是指農(nóng)作物生長的需水量與土壤有效供水量之間因收支不平衡造成的水分短缺現(xiàn)象。農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生的原因可能包含氣象、土壤和水資源利用效率等多種因素造成的農(nóng)作物水分收支失衡，但究其根源則是長期無降水或降水異常減少。當(dāng)農(nóng)業(yè)干旱出現(xiàn)時，由于人類的抗災(zāi)能力不足、減災(zāi)措施不當(dāng)?shù)仍?，不能滿足農(nóng)作物生長需水量的供給，從而造成農(nóng)作物產(chǎn)量降低的現(xiàn)象即為農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害?？傮w上，農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害是農(nóng)業(yè)干旱累積到一定程度的結(jié)果，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了破壞。

地理學(xué)(geography)是研究組成地球表層各圈層要素在時間、空間上的分布格局、演變過程和驅(qū)動機制的學(xué)科。換而言之，地理學(xué)是為了更好地利用地球表面的自然資源，走可持續(xù)發(fā)展道路，研究人與地理環(huán)境關(guān)系的學(xué)科。而農(nóng)業(yè)是人類利用動植物在自然環(huán)境中的生長發(fā)育規(guī)律，通過人工培育來獲得產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)，與地理環(huán)境、乃至地理學(xué)密切相關(guān)。正因地理學(xué)具有綜合性、復(fù)雜性等特性，從地理學(xué)視角來觀察農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，能很好地闡釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與自然環(huán)境之間的復(fù)雜性、生產(chǎn)過程的階段性和空間分布的差異性等。對于農(nóng)業(yè)干旱，可以從地理學(xué)角度的綜合性、系統(tǒng)性、時空差異性等方面，沿著“格局—過程—機制”來深入認(rèn)識，更好地理解農(nóng)業(yè)干旱的形成因子、驅(qū)動機制和災(zāi)害風(fēng)險等。

1 農(nóng)業(yè)干旱與其他干旱的關(guān)系

干旱是一種自然現(xiàn)象，對于干旱及其評估指標(biāo)的研究較為充分，但由于干旱觸發(fā)機制的復(fù)雜性及研究目的的差異性等，產(chǎn)生了不同的干旱分類。較為通用的是美國氣象學(xué)會[3]劃分的4種類型：氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會經(jīng)濟(jì)干旱。4種干旱類型的關(guān)系如圖1所示。

圖1 4種干旱類型的關(guān)系

氣象干旱主要是指降水不足造成的降水和蒸發(fā)失衡，導(dǎo)致水資源短缺的現(xiàn)象。著眼于氣象要素中降水因子的描述，相應(yīng)的評價指標(biāo)可歸納為單因素指標(biāo)和綜合多因素指標(biāo)。單因素指標(biāo)包括連續(xù)(無)降水日、降水異常、標(biāo)準(zhǔn)差指數(shù)、Z指數(shù)等。綜合多因素指標(biāo)嘗試描述蒸散量、土壤水分供給、徑流及地表土壤水分損失等因素，如相對濕潤度指數(shù)、綜合氣象干旱指數(shù)和帕爾默干旱指數(shù)等[4-5]。

水文干旱是較為嚴(yán)重的氣象干旱發(fā)生后，大氣降水、地表徑流和地下徑流三者之間的平衡遭到破壞，地表水、地下水總量減少的現(xiàn)象。當(dāng)?shù)乇硭?、地下水總量不能滿足農(nóng)業(yè)灌溉需求時，水文干旱將加劇農(nóng)業(yè)干旱。通常用地表水徑流供給量不足、農(nóng)作物缺水程度等來指征水文干旱的發(fā)生，或者利用徑流量與其他要素組合來表征，形成綜合多因子指標(biāo)，如最大供需比指數(shù)和水資源總量短缺指數(shù)等[6-7]。

農(nóng)業(yè)干旱是指在農(nóng)作物生育期內(nèi)，由于土壤供水量不能滿足農(nóng)作物需水量，導(dǎo)致農(nóng)作物體內(nèi)水分虧缺，影響農(nóng)作物正常生長發(fā)育的現(xiàn)象。農(nóng)業(yè)干旱主要是由氣象干旱或土壤干旱導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象生理干旱而引發(fā)的[3]，涉及氣象、土壤持水能力、農(nóng)作物生理特征和人類對水資源利用等多方面綜合因素。其中，氣象干旱引起的降水異常減少是農(nóng)業(yè)干旱最直接的原因；土壤持水能力、地形地貌等下墊面因素影響土壤的供水能力和農(nóng)業(yè)干旱的空間分布等；農(nóng)作物本身的生理特性等決定著農(nóng)作物的需水量與抗旱能力；農(nóng)業(yè)田間管理措施、灌溉基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平等一系列人類活動因素決定著農(nóng)作物的水分供給。在發(fā)生氣象干旱后，若及時灌溉，滿足作物需求，就不會形成農(nóng)業(yè)干旱。農(nóng)業(yè)干旱的代表性指標(biāo)有土壤墑情、作物形態(tài)指標(biāo)等[8]。

社會經(jīng)濟(jì)干旱是指由自然系統(tǒng)與人類社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中水資源供需不平衡造成的異常水分短缺的現(xiàn)象。社會需水主要表現(xiàn)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活與服務(wù)行業(yè)需水等方面?？山⒋髿饨邓⒑哟◤搅骱娃r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、能源消耗以及人類社會經(jīng)濟(jì)損失等之間的定量化關(guān)系來刻畫社會經(jīng)濟(jì)干旱的嚴(yán)重程度。如OHLSSON提出的社會缺水指數(shù)(Social Water Scarcity Index，SWSI)，反映了社會經(jīng)濟(jì)受影響的程度[9]。

上述4種干旱的核心內(nèi)容是水分缺乏或者水分時空分布不能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等社會經(jīng)濟(jì)活動的現(xiàn)象。在發(fā)生時間上，先后順序依次是氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟(jì)干旱。氣象干旱是干旱的根本原因，也是其他3種干旱發(fā)生的前提。農(nóng)業(yè)干旱是持續(xù)后的氣象干旱在農(nóng)業(yè)上的反映，因農(nóng)作物需水量與大氣降水、土壤供水量的差值達(dá)到一定的閾值而產(chǎn)生，即農(nóng)作物水分收支失衡影響正常生長。進(jìn)一步的氣象干旱可能導(dǎo)致河流徑流減少、湖泊和水庫的地表水和地下水儲量減少，并發(fā)生水文干旱；水文干旱一旦發(fā)生，對于農(nóng)業(yè)的供水量將會減少，從而加劇農(nóng)業(yè)干旱；持續(xù)的水文干旱，將導(dǎo)致地下水和地表水對于人類生活或經(jīng)濟(jì)需水供給減少，引起社會經(jīng)濟(jì)干旱。因此，水文干旱是聯(lián)系氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會經(jīng)濟(jì)干旱的紐帶。上述3種干旱的社會經(jīng)濟(jì)影響可以用社會經(jīng)濟(jì)干旱來表達(dá)。

2 農(nóng)業(yè)干旱時空特征的研究方法

從地理學(xué)視角的“格局”來認(rèn)識農(nóng)業(yè)干旱，需要全面了解農(nóng)業(yè)干旱時空分布特征。選擇合適的監(jiān)測數(shù)據(jù)源、借助恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測模型或者分析方法，構(gòu)建農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測指標(biāo)，利用指標(biāo)推演和預(yù)測農(nóng)業(yè)干旱的時間和空間演化過程，評估干旱發(fā)生的程度。

2.1 農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測指標(biāo)

2.1.1 傳統(tǒng)監(jiān)測指標(biāo)

傳統(tǒng)意義上的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測方法是通過野外實地采集土壤，獲取含水量等信息來監(jiān)測農(nóng)業(yè)干旱，如常規(guī)的土鉆取土稱重法或中子儀法。結(jié)合氣象、土壤等要素不斷演化后，形成了氣象指標(biāo)、土壤墑情指標(biāo)、生理生態(tài)指標(biāo)和綜合性指標(biāo)等農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測指標(biāo)[10]。

1)氣象指標(biāo)。多數(shù)是基于氣象站點的降水、氣溫數(shù)據(jù)建立干旱指數(shù)，難以與農(nóng)業(yè)土壤含水量等建立對應(yīng)定量關(guān)系，反映的還是氣象干旱的內(nèi)容。如降水距平百分率、Z指數(shù)、帕默爾干旱指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)、Bhalme-Mooley干旱指標(biāo)、綜合干旱指標(biāo)等[11]。

2)土壤墑情指標(biāo)。事實上，社會公眾最關(guān)心的干旱也正是由于土壤濕度長時間低于農(nóng)作物承受程度而造成的農(nóng)業(yè)干旱，可用土壤墑情表達(dá)土壤濕度情況，而土壤濕度與土壤含水量密切相關(guān)。土壤墑情指標(biāo)是農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測中最常見的指標(biāo)之一，其優(yōu)勢在于能直觀地反映旱地作物農(nóng)田水分多少。但全國僅有640個農(nóng)業(yè)氣象觀測站和1 504個土壤墑情觀測站，其對土壤濕度的監(jiān)測存在站點分布稀疏、觀測時間間隔過長的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)空間代表性差、信息發(fā)布不及時。具體指標(biāo)如土壤相對濕度指標(biāo)、土壤區(qū)域綜合相對濕潤指數(shù)等[12]。

3)生理生態(tài)指標(biāo)。對農(nóng)作物而言，農(nóng)業(yè)干旱造成供水量與農(nóng)作物需水量失衡，這種失衡導(dǎo)致農(nóng)作物的生理性缺水形成不可逆損害。生理生態(tài)指標(biāo)是基于作物需水量的監(jiān)測指標(biāo)，能反映農(nóng)作物對水分的需求程度。常用的指標(biāo)有：葉水勢指標(biāo)、作物水分脅迫指數(shù)、水分虧缺指數(shù)、作物濕度指標(biāo)、氣孔導(dǎo)度指標(biāo)、光合速率指標(biāo)和蒸騰速率指標(biāo)等[13]。

4)綜合性指標(biāo)。以農(nóng)作物為主體，綜合評估其缺水程度，如從作物水量供需平衡角度，選擇有效供水量、作物需水量、地下水利用量指標(biāo)綜合評估干旱的形成和發(fā)展[14]。

2.1.2 遙感監(jiān)測指標(biāo)

相對于傳統(tǒng)土壤采樣點或者氣象站點獲取的農(nóng)業(yè)干旱數(shù)據(jù)源，遙感具有多時相、多波段、大范圍等特點，可定量化反演大區(qū)域的下墊面土壤水分含量狀況等。

1)基于低農(nóng)作物覆蓋地表的遙感反演指標(biāo)，可分為：熱慣量指標(biāo)、微波遙感監(jiān)測指標(biāo)等。熱慣量遙感反演模型是在估算土壤晝夜溫差的基礎(chǔ)上，反演地表土壤的相對干旱程度，其局限性是：多適用于裸露地表或者較低農(nóng)作物植被覆蓋地區(qū)，并且必須同時獲取白天和夜晚的晴空遙感數(shù)據(jù)。微波遙感受云層等天氣現(xiàn)象影響較小，被廣泛應(yīng)用到干旱遙感監(jiān)測中。通過建立土壤濕度與微波后向散射系數(shù)的統(tǒng)計函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測。

2)基于高農(nóng)作物覆蓋地表的遙感反演指標(biāo)。對于農(nóng)作物植被覆蓋較好的地區(qū)，利用植被生長形態(tài)特征與多年平均植被生長狀態(tài)的差異程度來反映該地區(qū)的干旱情況。如：條件植被溫度指數(shù)、溫度植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)、距平植被指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)植被指數(shù)、植被供水指數(shù)、短波紅外垂直失水指數(shù)、歸一化差異水分指數(shù)以及全球植被水分指數(shù)等。監(jiān)測方法嘗試綜合地表溫度和植被指數(shù)達(dá)到有效地消除土壤影響的目標(biāo)[15]。

3)基于植被冠層溫度的遙感反演指標(biāo)。農(nóng)作物的蒸騰過程將導(dǎo)致冠層溫度微弱降低，當(dāng)農(nóng)作物遭受干旱時，蒸騰過程受到抑制，冠層溫度相對充分供水時將有所上升，因而可利用冠層溫度來反演農(nóng)業(yè)干旱程度。但冠層溫度變化除受蒸騰過程影響外，還受外界環(huán)境等諸多因子影響，若單一借助遙感反演冠層溫度來表征農(nóng)業(yè)干旱并不十分理想。嘗試把遙感干旱監(jiān)測和農(nóng)作物生產(chǎn)過程、環(huán)境要素信息等相互結(jié)合，構(gòu)建反映農(nóng)作物生理特征、土壤墑情的大尺度的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測方法，將是基于遙感數(shù)據(jù)源的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測研究的重要方向之一。

2.1.3 農(nóng)業(yè)干旱綜合指數(shù)

隨著研究的深入開展，農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測逐漸將氣象觀測數(shù)據(jù)與遙感技術(shù)相結(jié)合。如空間尺度上的干旱監(jiān)測，可以利用氣象干旱指數(shù)和植被指數(shù)，結(jié)合下墊面信息，建立植被干旱響應(yīng)指數(shù)(Vegetation Drought Response Index,VegDRI)[16]；時間尺度上，嘗試將歷史觀測氣象數(shù)據(jù)與準(zhǔn)實時的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，構(gòu)建多源數(shù)據(jù)驅(qū)動的準(zhǔn)實時農(nóng)業(yè)干旱綜合指數(shù)[17]；從實踐應(yīng)用角度出發(fā)，綜合氣象站點降水量、河川徑流量、蒸發(fā)估算量和土壤濕度觀測數(shù)據(jù)或土壤濕度遙感反演數(shù)據(jù)等構(gòu)建多變量干旱監(jiān)測指數(shù)(Multivariate Standardized Drought Index,MSDI)，嘗試?yán)肕SDI綜合監(jiān)測氣象干旱、水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱[18]。近年來，雖然諸多學(xué)者嘗試建立了多種基于多影響因素的農(nóng)業(yè)干旱綜合指數(shù)[19]，但此項研究仍處于起步階段，存在一定的缺陷，尚未形成適用于不同區(qū)域和不同時空尺度的農(nóng)業(yè)干旱綜合指數(shù)。如基于線性加權(quán)法的農(nóng)業(yè)干旱綜合指數(shù)雖然考慮了多個影響因素，但不能很好地從物理機制上給出解釋[20]；基于聯(lián)合分布函數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱綜合指數(shù)可以計算農(nóng)業(yè)干旱概率分布，便于后續(xù)的農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險評估，但也是僅考慮了多個影響因素的統(tǒng)計特征，不能很好地描述物理過程[21]。

2.2 農(nóng)業(yè)干旱時空特征的分析方法

目前，對于農(nóng)業(yè)干旱時空特征的研究多數(shù)是建立在農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)的基礎(chǔ)上，即根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)、土壤墑情數(shù)據(jù)或遙感數(shù)據(jù)等建立農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)；在時間尺度上建立長時間序列來分析農(nóng)業(yè)干旱的時間特征，綜合多站點的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測指標(biāo)來剖析農(nóng)業(yè)干旱的空間分布特征。也有學(xué)者借助農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害統(tǒng)計資料或者自然災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建受旱率、成災(zāi)率和糧食減產(chǎn)率等干旱指標(biāo)，探究農(nóng)業(yè)干旱的時空演化規(guī)律。

2.2.1 時間特征分析方法

對于長時間序列的農(nóng)業(yè)干旱特征分析，主要借助Mann-Kendall趨勢檢驗等時序特征分析方法來分析農(nóng)業(yè)干旱變化趨勢[22]；或借助小波分析等周期分析方法探究農(nóng)業(yè)干旱的周期變化特征等；或借助經(jīng)驗正交函數(shù)EOF方法等研究農(nóng)業(yè)干旱在時間尺度上的變化特征；或借助分形理論，計算農(nóng)業(yè)干旱時間序列的分形特征等。時間尺度上分析的農(nóng)業(yè)干旱特征可以為未來農(nóng)業(yè)干旱預(yù)測等研究提供科學(xué)支撐[23-24]。

2.2.2 空間特征分析方法

農(nóng)業(yè)干旱的影響空間范圍比較廣，常借助ArcGIS的空間分析方法，如反距離權(quán)重法或者克里金法(Kriging)等，基于站點觀測數(shù)據(jù)或者災(zāi)情統(tǒng)計數(shù)據(jù)探究農(nóng)業(yè)干旱空間分異規(guī)律。遙感因其具有的宏觀性、像元格點分辨率等特點，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)干旱空間特征研究的重要工具，可以借助遙感圖像處理方法直觀地反映出農(nóng)業(yè)干旱的空間分布[25-26]。

3 農(nóng)業(yè)干旱形成的驅(qū)動機制

3.1 識別農(nóng)業(yè)干旱影響因素

從地理學(xué)視角的“機制”來認(rèn)識農(nóng)業(yè)干旱，首先需要識別農(nóng)業(yè)干旱影響因素。農(nóng)業(yè)干旱是氣象干旱傳導(dǎo)過來的[7]，但歸根到底是因大氣降水異常減少所引起的，同時受土壤理化性質(zhì)、農(nóng)作物蒸騰、農(nóng)作物生理特性和地形地貌等綜合因素的影響。甄別農(nóng)業(yè)干旱影響因素并篩選農(nóng)業(yè)干旱關(guān)鍵致災(zāi)因子，探究農(nóng)業(yè)干旱與各類因子的互饋機制，對農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害的防治十分必要。

認(rèn)識地理現(xiàn)象要從全局性、宏觀性、系統(tǒng)性上進(jìn)行把控，用系統(tǒng)論的觀點來觀察、分析地理現(xiàn)象。農(nóng)業(yè)干旱表象是農(nóng)作物群落的水分收支平衡出現(xiàn)異常，但是究其緣由主要是氣象氣候條件、下墊面屬性、農(nóng)作物生理特性和人類活動影響等綜合作用導(dǎo)致的[26]。氣象氣候條件等通過諸如降水的增減影響農(nóng)作物水分供給總量，光照、氣溫、風(fēng)速和濕度等氣象因子影響農(nóng)作物蒸騰、土壤蒸發(fā)等蒸散發(fā)量；最終水分不足程度超過農(nóng)作物自身調(diào)節(jié)閾值，構(gòu)成了農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生的首要誘導(dǎo)條件。

下墊面的土壤含水量、土壤孔隙度與持水力等土壤理化性質(zhì)為能否高效利用、節(jié)約有限水資源提供了承載條件，為是否進(jìn)一步觸發(fā)或減緩農(nóng)業(yè)干旱提供了次要條件。這部分條件可以通過人類合理有效的干預(yù)發(fā)生改變，如提高水土保持能力，可以減緩農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生、發(fā)展。

人類活動的影響既可減少農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生的概率，也可增加其發(fā)生概率，這主要取決于人類活動是否合理。如興修水利等工程措施和蓄洪補枯等水庫調(diào)度的非工程措施，在發(fā)生氣象干旱后及時對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉以保持土壤水分，滿足作物需要，則會降低農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生概率；但人類不合理的開發(fā)利用水資源、改變土地利用方式，導(dǎo)致土壤含水量降低，則會增加農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生概率。

農(nóng)作物抗旱能力等取決于其自身生理特性，能否培育出更加耐旱的農(nóng)作物品種，以及農(nóng)作物耕作制度是否合理等都能影響到農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生與否。

3.2 明晰農(nóng)業(yè)干旱驅(qū)動機制

農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生、發(fā)展主要是由于氣象氣候條件或者下墊面屬性對農(nóng)作物的供水不足，造成農(nóng)作物生理干旱，涉及氣象氣候、土壤植被、地形地貌和水資源利用以及應(yīng)急管理等多個方面，同時與作物本身的生物過程等有關(guān)。其驅(qū)動機制復(fù)雜，簡明概化為：由于降水、氣溫和光照等氣象要素的變化，降低了土壤含水量、增加了土壤和作物的蒸散發(fā)量。當(dāng)作物的水分供給不能滿足自身需求時，農(nóng)作物呈現(xiàn)缺水狀態(tài)；當(dāng)這種缺水狀態(tài)造成農(nóng)作物生長不可逆恢復(fù)時，則觸發(fā)農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生。同時，人類不合理的開發(fā)利用水資源可能會促使農(nóng)業(yè)干旱的進(jìn)一步發(fā)展，人類活動造成的下墊面屬性改變亦會加重農(nóng)業(yè)干旱程度。農(nóng)業(yè)干旱驅(qū)動因素及驅(qū)動機制圖解如圖2所示。

圖2 農(nóng)業(yè)干旱驅(qū)動因素及驅(qū)動機制圖解[23]

4 農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險

4.1 農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害系統(tǒng)

從系統(tǒng)論角度，著眼于災(zāi)害風(fēng)險系統(tǒng)的整體性研究：探索農(nóng)業(yè)干旱整體效應(yīng)，揭示農(nóng)業(yè)干旱系統(tǒng)的等級包容、空間有序以及結(jié)構(gòu)關(guān)系的實質(zhì)[27]。

農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害系統(tǒng)由降水等致災(zāi)因子、地表自然環(huán)境等孕災(zāi)環(huán)境、農(nóng)作物等承災(zāi)體及人類社會經(jīng)濟(jì)活動等共同構(gòu)建[28]。致災(zāi)因子危險性是指造成農(nóng)業(yè)干旱的主要氣象因子的變化特征和異常程度；暴露性是指可能受到缺水威脅的下墊面自然環(huán)境、人類社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境等，孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體對致災(zāi)因子都具有暴露性特征；脆弱性是指易受到不利影響的傾向或習(xí)性，包括承災(zāi)體對致災(zāi)因子的易損性以及人類社會經(jīng)濟(jì)活動對農(nóng)業(yè)干旱的應(yīng)對和適應(yīng)的能力。致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和人類社會經(jīng)濟(jì)活動等子系統(tǒng)，通過危險性、暴露性和脆弱性等相互聯(lián)系、相互影響，共同構(gòu)成了復(fù)雜的農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險系統(tǒng)

4.1.1 致災(zāi)因子

農(nóng)業(yè)干旱的致災(zāi)因子是指能夠引起農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害且造成農(nóng)作物減產(chǎn)等不可逆后果的影響因素，通常降水異常減少是驅(qū)動農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害的主要氣象因素；而影響蒸發(fā)的溫度、日照等氣象因素可能導(dǎo)致農(nóng)作物蒸散發(fā)量增加，使其超過土壤水分供給量，造成農(nóng)業(yè)干旱的進(jìn)一步發(fā)展。人類的不合理社會經(jīng)濟(jì)活動，如過量的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取水等，也可能成為農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害的致災(zāi)因子之一。

4.1.2 孕災(zāi)環(huán)境

除氣象因素外，農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生通常都擁有特定的時空環(huán)境，尤其是自然環(huán)境對其孕育、發(fā)生和發(fā)展具有決定性的作用。農(nóng)業(yè)干旱的孕災(zāi)環(huán)境主要包括下墊面自然環(huán)境、人類社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境等。自然環(huán)境涵蓋了氣象氣候、地形地貌和土壤植被等自然要素，良好的自然環(huán)境可以促進(jìn)水土保持、涵養(yǎng)水源，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展提供物質(zhì)支撐；社會經(jīng)濟(jì)等人文環(huán)境包括農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、種植制度、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)水利工程等。自然環(huán)境因素是孕災(zāi)環(huán)境的主導(dǎo)因素。

4.1.3 承災(zāi)體

承災(zāi)體是農(nóng)業(yè)干旱系統(tǒng)中各類致災(zāi)因子的作用對象。農(nóng)作物作為主要承災(zāi)體在農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害系統(tǒng)中具有一定的脆弱性，同時對致災(zāi)因子具有暴露性特征，通常使用暴露性和脆弱性指標(biāo)來表征。如暴露性方面可以用農(nóng)作物播種面積等表征，脆弱性方面可以用農(nóng)作物產(chǎn)量、干旱成災(zāi)面積或直接農(nóng)業(yè)損失等來反映。

4.1.4 人類社會經(jīng)濟(jì)活動

與其他類型災(zāi)害不同，農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生、發(fā)展過程中，人類社會經(jīng)濟(jì)活動在其中起到了增強或減緩等作用。如人口數(shù)量的迅速增加、社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展將導(dǎo)致對水資源需求量的不斷增加，伴隨著可能出現(xiàn)的地表、地下水資源過度開發(fā)利用，擠占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，這些活動都將增加農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生概率。但同時，若能合理進(jìn)行水資源利用，提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)水平、培育更節(jié)水的農(nóng)作物、調(diào)整農(nóng)業(yè)耕作經(jīng)營管理制度、提高農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險意識、增強抗旱防災(zāi)水平等，反而會降低農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害發(fā)生的可能性。因而，人作為最活躍的生產(chǎn)要素，在農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生、發(fā)展過程中的作用日益凸顯。

4.2 農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險評估

農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害的出現(xiàn)具有較高的不確定性，可看作是一種概率事件。因此，有學(xué)者認(rèn)為農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活受到旱災(zāi)影響的可能性概率。其可以從自然和社會經(jīng)濟(jì)兩方面理解：自然角度，農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險指農(nóng)業(yè)干旱強度超過農(nóng)作物水分調(diào)節(jié)閾值的概率大小；社會經(jīng)濟(jì)角度，指干旱導(dǎo)致的農(nóng)作物等承災(zāi)體經(jīng)濟(jì)損失概率的大小。農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險的研究可為農(nóng)業(yè)保險等災(zāi)害風(fēng)險轉(zhuǎn)移、應(yīng)急管理保障等提供科學(xué)依據(jù)。早期的農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險研究側(cè)重于干旱災(zāi)害自然屬性的研究，現(xiàn)在越來越側(cè)重于社會經(jīng)濟(jì)屬性研究，即經(jīng)濟(jì)風(fēng)險、社會風(fēng)險和綜合風(fēng)險等。

農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險評估可從干旱災(zāi)害的自然屬性和社會經(jīng)濟(jì)屬性的角度來研究。目前，主要的方式有：①基于概率統(tǒng)計的農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險評估，即結(jié)合歷史農(nóng)業(yè)干旱受災(zāi)、成災(zāi)資料，對干旱風(fēng)險計算其風(fēng)險概率，研究可能的干旱災(zāi)害概率，并進(jìn)一步預(yù)測未來農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險發(fā)生的可能性。研究方法上主要有可變模糊算法[29]、灰色理論[30]等評估方法；在研究數(shù)據(jù)中，考慮了受災(zāi)面積、災(zāi)損等。②基于農(nóng)業(yè)干旱系統(tǒng)的綜合評估，從致災(zāi)因子危險性、承災(zāi)體暴露性和脆弱性以及防災(zāi)減災(zāi)能力等建立的綜合評價體系中，選擇恰當(dāng)?shù)脑u價指標(biāo)，從農(nóng)業(yè)干旱事件識別、干旱可能損失估算和干旱風(fēng)險綜合評價等方面開展研究。研究方法上，利用熵值法、AHP法等確定各個評價指標(biāo)的權(quán)重，完善農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險評價體系，構(gòu)建農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險評價模型；或者基于突變理論，利用擬合函數(shù)構(gòu)建綜合評價模型；或基于地理信息系統(tǒng)空間分析技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險區(qū)劃分析，從不同角度研究農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險的演變規(guī)律[31-32]。③基于干旱事件過程的農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險評估方法，即通過建立干旱頻率-潛在損失-抗旱能力之間的定量關(guān)系來實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險的定量評估。此方法的評估主題框架已基本建立，但其評估方法與技術(shù)流程尚未成熟，在農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險評估中尚未廣泛應(yīng)用[33-34]。

4.3 農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險防災(zāi)減災(zāi)及應(yīng)急管理

在氣候變化背景下，人與自然系統(tǒng)相互作用愈加復(fù)雜，潛在的自然災(zāi)害風(fēng)險不確定性愈加增大，單一部門、單一學(xué)科的風(fēng)險防范和應(yīng)急管理措施面臨巨大挑戰(zhàn)，必須加強多學(xué)科綜合應(yīng)對災(zāi)害風(fēng)險及應(yīng)急管理能力建設(shè)。

與農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害系統(tǒng)類似，農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)及綜合管理亦是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如圖4所示。其包括：農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害孕育形成機制、發(fā)展機制和災(zāi)害重建適應(yīng)機制3部分，是整體的、動態(tài)的自然與人類社會互動適應(yīng)的過程。

圖4 農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險發(fā)生發(fā)展過程概化圖

農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害孕育形成機制是指農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害的致災(zāi)因子與承災(zāi)體暴露性、脆弱性以及防災(zāi)減災(zāi)能力的平衡遭到破壞。農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害在孕育和形成過程中，各方面條件進(jìn)一步累積，則進(jìn)入農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害發(fā)展階段，即：農(nóng)業(yè)干旱的存續(xù)條件仍舊得以發(fā)展維持，沒有截斷農(nóng)業(yè)干旱發(fā)展過程的因素出現(xiàn)，如降水的充分補給或者人為水源的供給補充等。長期缺水將造成農(nóng)作物恢復(fù)不到正常生長的狀態(tài)，影響農(nóng)作物產(chǎn)量及人類社會生產(chǎn)生活等。此時進(jìn)入第3個階段，即農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害重建和適應(yīng)階段，此階段農(nóng)業(yè)干旱對自然環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)和人類生活等均造成一定程度的影響和破壞。在這3個階段中，對于第2階段農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害發(fā)展階段，可以通過合理有效的管理手段(如水利工程調(diào)水等)阻止農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害的進(jìn)一步發(fā)展；在第3階段，采取抗旱防災(zāi)減災(zāi)等一系列管理手段強化災(zāi)后重建和適應(yīng)措施等，可以降低農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害對自然和人類社會等的影響[35]。

5 結(jié)語

從地理學(xué)角度的綜合性、系統(tǒng)性、時空差異性等方面出發(fā)，沿著“格局—過程—機制”來深入認(rèn)識和更好地理解農(nóng)業(yè)干旱的形成因子、驅(qū)動機制和制定相應(yīng)防災(zāi)減災(zāi)措施等。

從地理學(xué)視角看，農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生的根本原因是氣象干旱，同時與水文、社會經(jīng)濟(jì)干旱相互聯(lián)系，并形成一個相互轉(zhuǎn)化、相互聯(lián)系的復(fù)雜系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)干旱是土壤供水量不能滿足農(nóng)作物需水量，導(dǎo)致農(nóng)作物體內(nèi)水分虧缺而影響正常生長發(fā)育的現(xiàn)象。水文干旱會加重農(nóng)業(yè)干旱，社會經(jīng)濟(jì)干旱是其他3種類型的干旱在社會經(jīng)濟(jì)上的反映。

從農(nóng)業(yè)干旱時空分布特征看，農(nóng)業(yè)干旱研究選擇多種監(jiān)測數(shù)據(jù)源、借助恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測模型或者分析方法，構(gòu)建相應(yīng)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測指數(shù)，推演和預(yù)測農(nóng)業(yè)干旱的時間和空間演化過程。目前，對于農(nóng)業(yè)干旱時空特征的研究多數(shù)是建立在農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測指標(biāo)的基礎(chǔ)上，主要有傳統(tǒng)監(jiān)測指標(biāo)、遙感監(jiān)測指標(biāo)和農(nóng)業(yè)干旱綜合指數(shù)三大類。傳統(tǒng)監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)難獲取，監(jiān)測點分布稀疏；遙感監(jiān)測指標(biāo)易受外界環(huán)境影響，局限性多；農(nóng)業(yè)干旱綜合指數(shù)研究處于起步階段，尚未形成適用于不同區(qū)域和不同時空、空間尺度的農(nóng)業(yè)干旱綜合指數(shù)。三者都存在一定的缺陷，需要進(jìn)一步研究。

從農(nóng)業(yè)干旱驅(qū)動機制上分析，首先篩選形成農(nóng)業(yè)干旱的關(guān)鍵因子，如氣象氣候條件、下墊面屬性、人類活動影響和農(nóng)作物生理特性等。其次，探究農(nóng)業(yè)干旱和各關(guān)鍵因子的作用機制，明晰農(nóng)業(yè)干旱驅(qū)動機制。各地的農(nóng)業(yè)干旱原因不同，需因地制宜，篩選出關(guān)鍵致災(zāi)因子進(jìn)行分析。

從災(zāi)害系統(tǒng)的角度出發(fā)，致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和人類社會經(jīng)濟(jì)活動通過危險性、暴露性和脆弱性相互聯(lián)系、相互影響共同構(gòu)成了復(fù)雜的農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險系統(tǒng)。從干旱災(zāi)害的自然屬性和社會經(jīng)濟(jì)屬性角度研究農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險評估，目前主要有3類方式：基于概率統(tǒng)計的農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險評估、基于對農(nóng)業(yè)干旱系統(tǒng)的綜合評估和基于干旱事件過程的農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險評估。基于農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害演化過程，將農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)及應(yīng)急管理系統(tǒng)分為孕育形成機制、發(fā)展機制和災(zāi)害重建適應(yīng)機制3個部分。