2010-2018年河北省農業(yè)干旱脆弱性評價

袁重樂, 石曉昕, 錢 會， 王?？?， 楊法暄

(1.長安大學 水利與環(huán)境學院， 陜西 西安 710054； 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的影響下，干旱已成為目前全球范圍內最主要的自然災害之一。在全球氣候變化的背景下，農業(yè)自然災害不斷發(fā)生，其中干旱直接造成農作物產量降低、人民收入減少、食物短缺以及農作物生產力降低等，持續(xù)干旱還會引起農業(yè)資源環(huán)境退化、水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化，嚴重制約了農業(yè)的發(fā)展[1]。因此，如何合理有效地應對農業(yè)干旱已成為我國亟需解決的自然災害問題。

干旱脆弱性最早是在20世紀90年代提出的，隨著干旱災害事件頻發(fā)，區(qū)域不斷擴展，干旱脆弱性成為自然災害研究中的熱點問題[2-3]。眾多的學者對干旱脆弱性展開了大量研究，通過對其進行空間可視化，可以為防旱抗旱提供有效的解決方案。從研究領域來看，孔可瑩等[4]通過研究葫蘆島各縣區(qū)的農業(yè)干旱脆弱性提出了針對性的改進措施；張坤等[5]對懷化市1962-2015年的氣候干旱進行了分析，結果表明秋旱最為嚴重；Wang等[6]對京津冀地區(qū)城市干旱脆弱性的時空特征進行了評價，為政府應對干旱提供了理論基礎。從研究方法來看，程靜[7]對湖北省孝感市的農業(yè)干旱脆弱性采用模糊綜合評價法進行了評價；曹永強等[8]采用投影尋蹤技術對大連市農業(yè)干旱脆弱性的時空特征進行了分析，為農業(yè)干旱脆弱性的評價提供了一個新的思路；此外GIS評價法[9]、密切值法[10]、函數(shù)模型評價法[11]等方法在干旱脆弱性的評價中也都有所應用。

農業(yè)干旱是我國目前農業(yè)生產中面臨的主要問題之一，河北省作為農業(yè)大省，其農業(yè)發(fā)展是河北省經(jīng)濟發(fā)展的基礎，研究其農業(yè)干旱脆弱性并提出相應的應對策略，可以為河北省農業(yè)生產發(fā)展提供參考和指導[12-13]。本文利用河北省統(tǒng)計資料，從暴露度、敏感性、適應能力3個方面選取14個指標，結合熵權法和函數(shù)模型評價法，分別從時間和空間角度分析河北省農業(yè)干旱脆弱性。根據(jù)評價結果，對河北省11個地級市的農業(yè)干旱脆弱性進行等級劃分，并通過因子貢獻模型分析其主要影響因子，提出針對性建議，對河北省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和農業(yè)產業(yè)化保持穩(wěn)定健康發(fā)展具有重要的參考意義。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

河北省位于我國華北地區(qū)，總面積18.88×104km2，地理坐標為113°27′E～119°50′E，36°05′N～42°40′N，主要屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為10～20 ℃，降水量由西北向東南增加，季節(jié)性差異較大，全省多年平均降水量為484.5 mm。2018年河北省總用水量為182.42×108m3，其中農業(yè)用水占比最大，全年糧食總產量在惡劣天氣增加的情況下依然高達370.1×108kg[14]，但農業(yè)用水效率普遍不高。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取14個指標對河北省11個地級市構建農業(yè)干旱脆弱性評價指標體系，各項指標數(shù)據(jù)來源于2010、2014和2018年《河北省統(tǒng)計年鑒》和《河北水資源公報》。

2.3 研究方法

2.3.1 脆弱性評價體系構建 河北省的農業(yè)干旱主要是由自然因素和社會經(jīng)濟因素的共同作用造成的，因此構建的脆弱性評價體系是基于政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)提出的脆弱性概念與分析框架，從暴露度(EI)、敏感性(SI)和適應能力(AI)3個方面分析河北省的農業(yè)干旱脆弱性，保證了數(shù)據(jù)的科學性和完整性[15-16]。農業(yè)干旱脆弱性評價中暴露度是系統(tǒng)受外部的自然環(huán)境以及社會政治壓力干擾的程度，反映農業(yè)干旱受到影響的程度；敏感性是系統(tǒng)在外界壓力變化下受影響的程度，反映農業(yè)受干旱因素影響的難易程度；適應能力是指在研究區(qū)域內，農業(yè)干旱災害風險的防治以及減輕能力，反映農業(yè)從干擾造成的后果中恢復的速度和程度。在上述構成農業(yè)干旱脆弱性的3個方面中，暴露度和敏感性為正向影響因素，而適應能力為負向影響因素。一般來說，農業(yè)干旱脆弱性會隨暴露度和敏感性的提高而增強，隨適應能力的提升而減弱[17]。本研究建立的河北省農業(yè)干旱脆弱性評價指標體系如表1所示。

2.3.2 數(shù)據(jù)標準化 在農業(yè)干旱脆弱性評價中，為了消除原始評價指標之間量綱和作用的方向差異，使得所有指標作用方向的一致，本文對原始數(shù)據(jù)采用極差標準化的方式進行處理[18]：

正向指標：當指標值越大對評價越有利時，即指標性質為“+”，采用正向指標標準化公式(1)：

(1)

負向指標：當指標值越大對評價越不利時，即指標性質為“-”，采用負向指標標準化公式(2)：

(2)

式中：Xj max和Xj min分別為第j項指標的最大值和最小值;Xij和Yij分別為第j項指標的原始指標值和標準化值,i=1,2,…，m;j=1,2,…，n，本文中m為河北省地級市的個數(shù)，即m=11，n為評價指標的個數(shù)，即n=14。

2.3.3 指標權重計算 在農業(yè)干旱脆弱性評價體系構建之后，需要選取合適的方法確定各項指標的權重[19]。目前主要有主觀和客觀兩種確定權重的方法，層次分析法[20]、專家調查法[21]以及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡技術[22]是常用的主觀賦權方法，該方法對專家的依存度比較大、主觀意愿太強，很難客觀地對指標間的差異做出評價。本文選取的熵權法是客觀賦權方法的一種，該法運用數(shù)學方法根據(jù)指標間的差異進行賦權，規(guī)避了專家的主觀意愿，真實地體現(xiàn)了指標的影響程度[23]。熵權法的計算過程如下：

(1)基于標準化值Yij，計算第j項指標的比重Pij：

(3)

(2)計算第j項指標的熵值ej：

(4)

k=1/lnm

(5)

(3)計算第j項指標的差異性系數(shù)gj：

gj=1-ej

(6)

(4)計算第j項指標的權重wj：

(7)

式中：i=1,2,…，m；j=1,2,…，n。本文所選取的14個評價指標的權重計算結果見表1。

表1 河北省農業(yè)干旱脆弱性評價指標體系

2.3.4 脆弱性評價模型 依據(jù)現(xiàn)有的研究成果，脆弱性與構成其各要素之間的相互關系可以很好地用綜合指數(shù)法進行概括。因此，將農業(yè)干旱脆弱性理解為暴露度、敏感性和適應能力的函數(shù)，根據(jù)IPCC提出的脆弱性指數(shù)計算方法，采用綜合指數(shù)法，利用脆弱性評價方程(8)計算河北省各地級市的農業(yè)干旱脆弱性：

VI=EI+SI+AI

(8)

式中：VI為脆弱性指數(shù)；EI為暴露度指數(shù)；SI為敏感性指數(shù)；AI為適應能力指數(shù)。一般將其定義為VI=EI+SI-AI，但是在本次評價中，考慮到后續(xù)對各個指標貢獻度的計算，需保證每個指標的同向性。因此本文將適應能力指標進行逆向標準化，即脆弱性評價方程計算公式為方程(8)。

EI、SI、AI的計算過程分別如下：

(9)

(10)

(11)

式中：wej、wsj、waj分別為暴露度、敏感性和適應能力的第j項指標權重；Yeij、Ysij、Yaij分別為暴露度、敏感性和適應能力的第j項指標的標準化值。

2.3.5 因子貢獻度模型 有效減弱脆弱性的前提就是對其主要影響因素進行識別與分析，在影響因素識別研究中，因子貢獻度模型被廣泛應用[24]。根據(jù)因子貢獻度計算模型[25]，本文分析了導致河北省各地級市農業(yè)干旱脆弱性的主要貢獻因子，計算公式如下：

(12)

式中：Oj為第j指標對脆弱性的貢獻度，%；Ij為指標偏離度，常用1與各指標的標準化值Yj之差表示；wj為各指標的權重。

3 結果與分析

目前，還沒有明確的標準對農業(yè)干旱脆弱性進行等級劃分，依據(jù)相關研究成果，本文將各指數(shù)范圍劃分成低、較低、中等、較高、高5個等級，如表2所示。

表2 農業(yè)干旱脆弱性及其要素的等級劃分

3.1 脆弱性時空變化分析

2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱脆弱性評價結果及脆弱性指數(shù)等級空間分布如圖1所示。

由圖1(a)可知，河北省各地級市農業(yè)干旱脆弱性在研究期間整體呈先升高后降低趨勢。2010年河北省農業(yè)干旱脆弱性指數(shù)的均值為0.409，除秦皇島市、張家口市和承德市為低脆弱水平外，其余的8個地級市均為中等及以上水平，占比72.73%。2014年因降雨較少，導致農作物受旱面積達到274×104hm2，受旱程度較為嚴重，農業(yè)干旱脆弱性指數(shù)的均值上升至0.470。2018年河北省新建高效節(jié)水灌溉工程，農村集中供水率可達95.5%，因此農業(yè)干旱脆弱性指數(shù)的均值下降至0.408，河北省農業(yè)干旱脆弱性明顯減小。

由圖1(b)可看出，2010-2014年河北省農業(yè)干旱脆弱性高脆弱區(qū)域主要分布在南部，2018年除石家莊市和承德市脆弱性等級分別為高和較高之外，其余各地級市均處于中等及以下脆弱水平。石家莊市擁有較高的人口密度和大牲畜頭數(shù)，導致石家莊市的供水量和用水量較多，因此在2010-2018年一直處于中等脆弱水平以上。秦皇島市南鄰渤海，水資源豐富，且人口密度以及農作物播種面積均較小，因此在2010-2018年一直保持在中等脆弱水平以下。2018年河北省因遭受臺風的影響，衡水市、唐山市、滄州市等出現(xiàn)強降雨現(xiàn)象，農業(yè)干旱脆弱性有所降低，其中唐山市最為明顯。

圖1 2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱脆弱性評價結果及其指數(shù)等級空間分布特征

3.2 脆弱性要素時空變化分析

3.2.1 暴露度時空變化特征 2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱暴露度評價結果及暴露度指數(shù)等級空間分布如圖2所示。

由圖2(a)可知，2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱暴露度整體呈先升高后降低趨勢。2010年河北省農業(yè)干旱暴露度指數(shù)的均值為0.174，唐山市和石家莊市擁有最多的大牲畜頭數(shù)和總用水量，因此處于較高暴露水平，其余9個地級市均處于中等暴露水平以下，全省整體暴露度較低。2014年河北省農業(yè)干旱暴露度指數(shù)的均值增大至0.198，張家口市和承德市因年降水量減少，人口密度增大，導致人均水資源量減少，因此暴露度水平增大較為明顯，其余各地級市變化不大。2018年河北省農業(yè)干旱暴露度指數(shù)的均值下降至0.174，除石家莊市為高暴露度水平外，其余各地級市均為中等暴露度水平以下。

由圖2(b)可看出，石家莊市因為人口密度較大，人類活動對土地和水資源產生了很大的影響，因此在2010-2018年一直處于較高和高暴露水平。秦皇島市年降水量很小，但同時其人口密度小且大牲畜頭數(shù)也很少，作用于土地和水資源的壓力較小，因此在2010-2018年一直保持低暴露水平。暴露水平變化最為明顯的是唐山市，從原始數(shù)據(jù)來看，2014-2018年唐山市年降水量由65.32×108m3增加至86.86×108m3，地表水資源豐富，總用水量顯著減少，其暴露度指數(shù)等級由高下降至較低。

圖2 2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱暴露度評價結果及其指數(shù)等級空間分布特征

3.2.2 敏感性時空變化特征 2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱敏感性評價結果及敏感性指數(shù)等級空間分布如圖3所示。

圖3 2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱敏感性評價結果及其指數(shù)等級空間分布特征

由圖3(a)可知，2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱敏感性整體呈先升高后降低趨勢。2010年河北省農業(yè)干旱敏感性指數(shù)的均值為0.114，全省處于中等及以下敏感水平。2014年河北省農業(yè)干旱敏感性指數(shù)的均值增大至0.149，其中承德市、張家口市和邢臺市均處于高敏感水平。從原始數(shù)據(jù)來看，這3個地級市的農業(yè)產值比例和第一產業(yè)產值占比均增大，表明干旱對農業(yè)生產的影響較大，敏感性更高。2018年，河北省因為農作物播種面積減小，農作物的需水量較小，農業(yè)干旱敏感性指數(shù)的均值減小至0.129，中等敏感水平以上的地級市基本不變，中等敏感水平以下的地級市增多，這得益于河北省相關農業(yè)農村工作部門對“三農”工作的決策部署和貫徹落實。

由圖3(b)可看出，2010-2018年農業(yè)干旱敏感性增加最為明顯的是承德市和張家口市，該兩個地級市的共同特點是有效灌溉面積較小，第一產業(yè)產值占比較大。說明為了使水資源得以充分利用，該兩市應該選擇合理的灌溉方式，盡可能地提高灌溉效率，同時應調整產業(yè)結構，降低經(jīng)濟對農業(yè)的依賴程度。石家莊市和唐山市農業(yè)產值比例較小，體現(xiàn)出該兩市的經(jīng)濟發(fā)展水平較好，政府和人民應對干旱的恢復能力較強，因此其農業(yè)干旱敏感性一直保持在低水平。2014-2018年，邢臺市的第一產業(yè)產值占比由16.6%下降至8.8%，有效灌溉面積顯著增大，農田水利工程建設管理明顯提高，敏感性指數(shù)等級由高降為較低。從整體分析，2014-2018年河北省的高敏感性區(qū)域主要分布在西北部，東南部的敏感性較低。

3.2.3 適應能力時空變化特征 為了對河北省農業(yè)干旱脆弱性主要貢獻因子進行識別，本文對適應能力指標進行了逆向標準化，即適應能力指數(shù)越小，實際上適應能力越高。2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱適應能力評價結果及適應能力指數(shù)等級空間分布如圖4所示。

圖4 2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱適應能力評價結果及其指數(shù)等級空間分布特征

由圖4(a)可知，2010-2018年河北省各地級市農業(yè)干旱適應能力整體呈先降低后升高趨勢。2010年河北省農業(yè)干旱適應能力指數(shù)的均值為0.121，唐山市和衡水市的適應能力最差，適應能力指數(shù)分別為0.179和0.167，適應能力最強的是石家莊市和張家口市，適應能力指數(shù)分別為0.080和0.091。2014年河北省農業(yè)干旱適應能力指數(shù)的均值為0.122，與2010年相差不大。2018年，隨著河北省經(jīng)濟的快速發(fā)展和產業(yè)結構的優(yōu)化，其農業(yè)干旱適應能力指數(shù)的均值減小為0.105，河北省農業(yè)干旱適應能力整體上有所提升。

由圖4(b)可看出，2014-2018年唐山市擁有最高的人均GDP和農村居民人均可支配收入，反映出該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平較高，城市化進程相對較快，農業(yè)對干旱的防御能力有所提升，因此其適應能力相對2010年穩(wěn)步提升；衡水市人均糧食產量較高，而農村居民人均可支配收入較低，體現(xiàn)出居民對農業(yè)的依賴程度較高，因此其適應能力在2010-2018年一直處于較低水平；張家口市、承德市和秦皇島市的共同特點是人均糧食產量較小且人均GDP相對較高，因此該3個地市2010-2018年的適應能力一直處于較高及以上水平?？傮w來看，河北省農業(yè)干旱適應能力高的區(qū)域主要分布在北部，南部的適應能力相對較差。

3.3 因子貢獻度分析

根據(jù)因子貢獻度模型，對河北省2010、2014和2018年農業(yè)干旱脆弱性各指標因子的貢獻度進行計算，計算結果如表3所示。

表3 2010、2014和2018年河北省農業(yè)干旱脆弱性各指標因子的貢獻度

從表3可以看出，暴露度的關鍵影響因子是總用水量和大牲畜頭數(shù)，而這兩項均為正向指標，對暴露度具有促進作用?？傆盟康钠骄暙I度為26.93%，不僅是影響暴露度的關鍵因子，也是農業(yè)干旱脆弱性的主要影響因子。因此，在有限的水資源下，河北省應該重視用水管理能力，不斷提高居民的節(jié)水意識。敏感性的關鍵影響因子是第一產業(yè)產值占比和有效灌溉面積，說明河北省應優(yōu)化產業(yè)結構，大力發(fā)展第三產業(yè)，充分利用水資源，提高水澆地的比例。適應能力的關鍵影響因子是農村居民可支配收入和人均糧食產量，反映了經(jīng)濟的快速發(fā)展以及政府和人民財政收入的增加可以提升應對農業(yè)干旱的適應能力。整體來看，河北省農業(yè)干旱脆弱性主要受暴露度和適應能力的影響，敏感性的貢獻度最低，對河北省農業(yè)干旱脆弱性所起的作用最小。

4 討 論

通過對河北省2010、2014和2018年農業(yè)干旱脆弱性因子貢獻度的分析，影響河北省農業(yè)干旱脆弱性的因素有很多。從本文選取的指標層來看，各指標在所研究的3個不同年份中對河北省農業(yè)干旱脆弱性的影響占比大致相同，主要受大牲畜頭數(shù)、總用水量、第一產業(yè)產值占比、農村居民人均可支配收入和有效灌溉面積等因素的影響。本文研究結果與王鶯等[26]對中國北方地區(qū)農業(yè)干旱脆弱性評價的研究結論相符，表明河北省農業(yè)的主導因素是水資源和農業(yè)經(jīng)濟的脆弱性，且第一產業(yè)占比是目前存在的主要問題。因此，河北省應提供更多的非農就業(yè)崗位，優(yōu)化產業(yè)結構；各地級市應健全節(jié)水管理機構，提高用水管理能力，制定嚴格的用水制度，不斷提高居民節(jié)水意識，減少總用水量；減少人口的集中分布，合理規(guī)劃各地級市的經(jīng)濟建設，促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

本文研究河北省農業(yè)干旱脆弱性的指標多從社會經(jīng)濟因素中選取，沒有考慮到河北省各地級市的地形、天氣、土壤屬性等自然因素，后續(xù)有必要對其進行更深入的研究；本文選用2010、2014和2018年3年的數(shù)據(jù)分析了河北省11個地級市2010-2018年的農業(yè)干旱脆弱性，在未來的進一步研究中，應收集整理每個年份的指標數(shù)據(jù)，以提高河北省農業(yè)干旱脆弱分析的時間準確性。本研究雖存在以上不足之處，但通過因子貢獻度分析發(fā)現(xiàn)各指標的貢獻度在每年所占的比重大致相同，因此本文對河北省農業(yè)干旱脆弱性進行的時空分析和等級劃分具有較好的客觀性和實用性，研究成果對進一步認識河北省農業(yè)干旱的主要影響因素并采取相應的治理措施具有重要意義。

5 結 論

通過對河北省各地級市2010、2014和2018年的農業(yè)干旱脆弱性進行時空分析、等級劃分以及因子貢獻度模型分析，得出以下主要結論：

(1)2010-2018年河北省農業(yè)干旱脆弱性在整體上呈先增強后減弱的趨勢，脆弱性指數(shù)均值在2010-2014年從0.409增大至0.470，2014-2018年從0.470減小至0.408。

(2)2010-2014年河北省農業(yè)干旱脆弱性整體上呈現(xiàn)“南高北低”的分布，2018年除石家莊市和承德市脆弱性等級分別為高和較高之外，其余各地級市均處于中等及以下脆弱水平。2018年脆弱性最高的為石家莊市，脆弱性最低的為滄州市。

(3)從因子貢獻度的角度分析，暴露度和適應能力對河北省農業(yè)干旱脆弱性的影響最大，敏感性的影響最小。河北省農業(yè)干旱脆弱性的主要影響因子為總用水量，同時也是暴露度的主要影響因子。