中國草原干旱災害風險特征研究

王鶯，王健順，張強

（1. 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災重點開放實驗室，甘肅蘭州 730020；2. 蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州 730020）

草地通常指以草本植物占優勢的植物群落［1］。作為重要的生態系統類型，草地在防風、固沙、保土、調節氣候、凈化空氣、涵養水源等方面發揮著重要的生態功能。同時，草地資源也是草地農業的重要基礎，提供飼草飼料支撐著畜牧業的生產，在改善居民膳食結構和營養水平、促進農業農村經濟發展和農牧民增收方面發揮著重要作用。

中國的天然草原面積約4 億hm2，占國土面積的42%，總面積位居世界第二。中國也是畜牧業大國之一，截至2019 年，大牲畜飼養規模達到9877.42 萬頭。中國的草原大約有2/3 位于干旱、半干旱地區，主要依靠雨水涵養，是陸地生態系統中最為脆弱的開放性系統，干旱災害成為制約中國草原生產力的最重要因素［2］。20 世紀70 年代以來，由于大氣環流系統從對流層到平流層發生了明顯的年代際轉折，中國北方干旱化趨勢增強，大范圍干旱連年發生，與此同時，南方干旱也出現了明顯的增加和加重趨勢。中國農作物干旱年均受災面積和成災面積分別達2.1×107和8.9×106hm2，干旱造成的直接經濟損失高達440 億元·年-1［3］。氣候變化背景下，中國未來年平均氣溫上升，整體將呈干旱化趨勢［4-5］。這將導致更多的干旱事件發生，并可能對草地生態系統造成不可逆的影響，從而為中國畜牧業的穩定發展帶來極大挑戰。因此，如何進行草原干旱災害的防災減災工作就成了社會關注的熱點問題。

隨著從被動抗旱向主動防旱的防災減災新理念的提出，干旱災害由危機管理向風險管理轉變，而干旱災害風險評估就是風險管理的核心內容［6］。IPCC（the intergovernmental panel on climate change）認為災害風險是脆弱性、危險性和暴露性共同作用的結果［7］。張繼權等［8］認為干旱災害風險系統是由致災因子危險性和旱災脆弱性（承災體暴露性、災損敏感性和抗旱能力）相互聯系、相互作用下形成的復雜系統。目前，對于草原干旱的研究主要是基于干旱指數來定量描述干旱程度，其中包括氣象干旱指數，例如降水距平百分率、標準化降水指數、標準化降水蒸散指數、帕默爾干旱指數等［9-10］，以及遙感干旱指數，例如植被供水指數（vegetation supply water index，VSWI）、植被狀態指數（vegetation condition index，VCI）、溫度植被干旱指數（temperature vegetation dryness index，TVDI）等［11-12］。這些成果屬于干旱致災因子研究，是干旱災害形成的直接影響因素，對于認識草原干旱的起止時間、發生頻率、出現強度、受災面積等具有重要意義。作為一個復雜系統，干旱災害風險研究還需要充分考慮暴露度和脆弱性在干旱成災中的作用。關于脆弱性，研究人員主要基于敏感性和適應能力，構建評價指標體系，分析脆弱性特征［13-14］。草原干旱災害風險是干旱危險性、暴露性和脆弱性的耦合。李文龍等［15］基于標準化降水蒸散指數（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI）與植被指數，評價了高寒草地的干旱生態風險。張存厚等［16］通過建立干旱風險評價指標和評價模型，評價了內蒙古草原干旱災害綜合風險。

從以上分析可以看出，目前對于草原干旱風險的研究大多著眼于致災因子，而缺少了對承災體和孕災環境構成的復雜系統的影響評估研究，特別是針對中國草原的干旱風險評估研究還較薄弱。基于以上原因，本研究通過干旱風險分析，從致災因子危險性、承災體暴露性和敏感性，以及孕災環境脆弱性4 個方面構建了草原干旱風險評價指標框架，對中國草原干旱災害進行風險評估和區劃，以期為實現草原的科學抗旱和主動防旱提供基礎數據和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

中國位于亞歐大陸東部，太平洋西部，海拔落差大，氣候類型復雜多樣。西北部深居內陸，海拔較高，氣候干旱；東南部瀕臨海洋，海拔較低，氣候溫濕。草原是中國面積最大的陸地生態系統，約占國土面積的42%，其空間分布是氣候與地貌等長期共同作用的結果。主要分為草甸草原、典型草原、荒漠草原、高寒草原和草叢等。草甸草原主要分布在松遼平原和內蒙古高原的東部邊緣。典型草原主要分布在內蒙古、東北西南部、黃土高原中西部和阿爾泰山、天山以及祁連山的部分區域。荒漠草原主要分布在內蒙古中部、黃土高原北部以及祁連山和天山的低山帶。高寒草原主要分布在青藏高原、帕米爾高原及祁連山和天山的高海拔處。草叢主要分布在森林退化后的區域。

1.2 資料及其來源

氣象數據主要包括1978-2020 年全國836 個氣象站的日降水量、氣溫、風速、日照時數、相對濕度等觀測資料，資料來源于中國氣象局的國家氣象科學數據共享服務平臺（http：//data.cma.cn/）。該數據經過嚴格的質量控制［17］。

遙感資料數據來自美國宇航局中分辨率成像光譜輻射計（national aeronautics and space administration/moderate resolution imaging spectroradiometer，NASA/MODIS）陸地產品組按照統一算法開發的2000-2020 年的月最大合成植被指數產品MODIS13A3（1000 m×1000 m）和2000-2020 年的年最大合成凈初級生產力（net primary productivity，NPP）產品MODIS17A3（1000 m×1000 m），下載網址為https：//search. earthdata. nasa.gov/search。該資料被廣泛應用于中國的植被研究［18］。

中國草地類型數據來自1996 年出版的1∶100 萬草地資源圖集［19］。該數據根據植被-生境多因素分類法，將中國天然草地分為18 類。土壤田間持水量和土壤萎蔫系數空間數據是由中國科學院南京土壤研究所根據1994年完成的第二次中國土壤調查數據制作的1∶100 萬中國土壤空間數據庫提供。

1.3 研究方法

通過對中國草原干旱災害風險的分析與識別，從危險性、暴露性、敏感性和脆弱性入手，構建草原干旱災害風險評價指標體系和風險評價模型，獲得中國草原干旱災害風險空間分布特征。具體技術路線見圖1。

圖1 中國草原干旱災害風險評價技術路線Fig.1 Technical route of grassland drought disaster risk assessment in China

1.3.1干旱災害致災因子危險性 就目前各類干旱致災指標來看，SPEI 能夠較好地表征氣象干旱致災程度，其負值越大意味著氣象條件越干旱。SPEI 是由Vicente-Serrano 等［20］首次提出的，基于水分平衡原理，通過對降水量和蒸散量之間的差值序列累積概率值進行正態標準化構成的指數。它用降水量和潛在蒸散量差值的平均偏離程度來綜合表征局地干濕狀況。SPEI 具備多時間尺度特征，有助于識別不同的干旱類型和干旱對不同系統的影響，同時也綜合考慮了溫度和降水對干旱的敏感性，適用于干旱災害風險研究［21-23］。SPEI 的計算步驟見文獻［20］。

已有研究［15，24］發現，6 個月時間尺度的SPEI（SPEI6）能夠較好地表征草地水分的虧缺或盈余，常用于草地干旱問題研究，所以這里用SPEI6 作為草原干旱災害的致災因子指標。可根據SPEI 的正態分布曲線，獲得干旱等級劃分閾值［25］（表1）。

從理論上講，致災因子危險性一般由致災因子強度與它的出現概率共同決定。這里將草原干旱致災因子危險性定義為：

式中：H是干旱致災因子危險性，單位為%；IC是干旱致災因子強度等級值，為無因次數；ICx是干旱致災因子特強等級值，為無因次值；i是干旱致災因子等級（表1）；PCi是等級i的干旱致災強度的出現概率，單位為%，可用信息分配法計算得到。

表1 標準化降水蒸散指數旱澇等級劃分Table 1 Classification standard of drought based on SPEI

信息分配法是在傳統直方圖法計算樣本概率基礎上的優化方法，即將直方圖邊界模糊化處理，使得過渡邊界的信息也得以利用，從而增加小樣本概率估算的合理性［26］，其具體計算流程如下：

首先，令X為研究區在過去n年內的實際觀測值樣本集合，在本研究中X可代表SPEI 樣本集合，即：

式 中：x1、x2、x3……xm是SPEI 的樣本。然后，根 據 樣本集合X中的最大值和最小值，選取適當的步長（△），得到觀測樣本的控制點空間（U）：

式中：u1、u2、u3……un是控制點樣本。然后，可以將每個單值觀測樣本xi所攜帶的信息擴散給U中的所有點：

式中：h是信息擴散系數，其解析表達式如下［27］：

相應的模糊子集的隸屬函數為：

可把式（7）中μxi(uj)稱為樣本xi的歸一化信息分布。令：

式中：Q為控制點uj獲得的信息總量。可得：

式中：p(uj)為樣本落在uj處的頻率值，可作為概率的估計值。

1.3.2承災體暴露性 承災體暴露性反映了系統暴露在致災因子影響下可能遭受損失的價值或數量。一個區域暴露于干旱危險因素的價值密度越高，可能遭受的潛在損失越大。NPP 是植被在單位時間和單位面積由光合作用所產生的有機物總量中扣除自養呼吸后的剩余部分，可以代表中國草原的生產能力［28-29］。因此選擇NPP作為承災體暴露性指標。

1.3.3承災體敏感性 承災體敏感性指承災體對于環境變化的敏感程度。在本研究中選擇增強型植被指數（enhanced vegetation index，EVI）變異系數和草地類型來表示。

植被指數是反映草地長勢和營養信息的重要參數。很多研究人員通過構建植被指數與草地生物量的關系模型，進而去評估草地生產力［30-31］。其中EVI 通過加入藍色波段來增強植被信號，進而矯正土壤背景和氣溶膠散射對植被的影響，避免了歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）在植被高生物量區易飽和的缺點［32］。因此選擇EVI 作為評價草地生長狀況的評價因子。草地EVI 的變異系數指某一區域EVI 的波動大小，體現了草地對外來干擾的敏感性。EVI 波動大的地區草地的干旱敏感性較高，EVI 波動小的地區草地的干旱敏感性則較低。具體計算公式如下：

式中：CVEVI是EVI變異系數；SDEVI是EVI的標準偏差是EVI的多年平均值；i是統計單元。根據植被-生境學分類法，將具有相同水熱氣候帶特征和植被特征，具有獨特地帶性，或具有廣域性分布的隱域性特征的草地分為一類，可將中國天然草地分為18 類。溫性草甸草原類主要位于溫帶半濕潤地區，中旱生多年生叢生禾草及根莖禾草占優勢，常混有大量中生或旱中生植物。溫性草原類主要分布在溫帶半干旱氣候帶，旱生多年生叢生禾草占優勢，混生一定數量的旱生小灌木。溫性荒漠草原類發育在溫帶干旱地區，強旱生多年生草本植物占優勢，也有部分旱生小半灌木。高寒草原類主要分布在高山和青藏高原寒冷干旱的氣候區，植被以寒旱生多年生禾草為主，混生墊狀、匍匐狀植物和高寒藻類。溫性荒漠類分布于溫帶極干旱與嚴重缺水的生境條件下，植被以超旱生小灌木和小半灌木占優勢。高寒草甸類主要分布在高原（高山）亞寒帶和寒帶地區寒冷濕潤的氣候條件下，植被以耐寒多年生中生草本植被為主。灌草叢類主要是由于森林、灌叢被砍伐，生境趨于干旱化所形成的次生類型，以中生或旱中生多年生草本為建群種。由于草原植被的分布對長期干旱分布具有一定的選擇性，因此根據草原不同類的空間分布特征和優勢種的抗旱特性，結合牧草干鮮比［33］，通過專家打分法為18 類天然草地和改良草地進行干旱敏感性賦值（表2）。值越高，干旱敏感性越低。

表2 不同草原類型的干旱敏感性Table 2 Drought sensitivity of different grassland types

承災體敏感性評估模型為：

式中：S為承災體敏感性；XSi為第i種指標的敏感性指數；WSi為第i種指標的敏感性權重；n為指標個數。

1.3.4孕災環境脆弱性 孕災環境脆弱性表征了環境條件對災害傳遞的脆弱性程度。主要包括土壤環境和地形地貌等自然因素。

研究區的土壤環境用0～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 剖面的土壤有效水含量來表示。土壤有效水含量是田間持水量與土壤凋萎系數之間的土壤含水量，表征了土壤中能被草地吸收利用的水量。

研究區的地形地貌用坡度和坡向來表示。土壤水分累積入滲率隨坡度的增加而減少［34］。坡度小的區域，土壤容重小，單位面積降水量多，降水入滲快，地表徑流少，土壤的保水能力強，有利于草地生物量的形成［35］。而大坡度還會造成草地根系表面化，影響植物對水分的吸收利用。將坡度分為0°～5°、5°～10°、10°～15°、15°～20°、20°～25°、25°～40°和＞40°共7 類，構建坡度指數。坡向對于日照時數和太陽輻射強度有較大的影響。對于北半球來說，陽坡的輻射收入最多，其次為半陽坡，再次為半陰坡，最少為陰坡。將坡向分為陰坡（315°～45°）、陽坡（135°～225°）、半陰坡（90°～135°，225°～270°）、半陽坡（45°～90°，270°～315°）和平地（0°）共5 類，構建坡向指數。

孕災環境脆弱性評估模型為：

式中：V為脆弱性；XVi為第i種指標的脆弱性指數；WVi為第i種指標的脆弱性權重；n為指標個數。

1.3.5干旱風險評價指標標準化處理 草原干旱風險評價指標體系中涉及的多種指標存在量綱不統一的問題。為了解決這個問題，使各指標間存在可比性，就必須對其做歸一化處理，使各指標值位于0～1。歸一化公式如下：

式中：Rij為j區第i個指標的標準化值；Xij為j區第i個指標值；maxjXij和minjXij分別為j區第i個指標中的最大值和最小值。

1.3.6指標權重的確定 為了增加指標權重的客觀性，選擇熵權法確定各指標權重。該方法的基本原理是若某個指標的信息熵越小，則說明指標值的變異程度越大，提供的信息量越大，在綜合評價中所占比重越大，其權重值也就越大。反之，亦然。具體計算方法見文獻［36］。

1.3.7草原干旱風險評價模型的建立 構成風險的4 項要素中，危險性、暴露性、敏感性、脆弱性與風險生成的作用方向是一致的，因此，將草原干旱風險評價模型定義為：

式中：F為草原干旱風險；H、E、S和V分別為危險性、暴露性、敏感性和脆弱性；WH、WE、WS和WV分別為危險性、暴露性、敏感性和脆弱性對應的權重。

2 結果與分析

2.1 致災因子危險性

由公式（1）可得中國草原主要生長季5-9 月的干旱危險性。中國草原干旱的高及次高危險區主要位于內蒙古高原、大興安嶺、寧夏以及甘肅的河西走廊地區和河東地區（圖2），柴達木和塔里木盆地邊緣，青藏高原西部以及云貴高原。低危險區主要位于青藏高原東部和祁連山區。通過區域統計發現，高及次高危險區占草原總面積的39.4%。

圖2 草原干旱的危險性空間分布Fig.2 The distribution of the drought hazard for grassland

2.2 承災體暴露性

中國草地NPP 具有從東南向西北逐漸減少的趨勢。對于南方的草山草坡來說，草地NPP 在500 g C·m-2以上，華南地區水熱條件好，草地NPP 可達800 g C·m-2以 上。對 于 青 藏 高 原，草 地NPP 在200 g C·m-2左右。新疆北部、內蒙古東部和甘肅南部的草地NPP 在350 g C·m-2以上。荒漠草原帶的草地NPP 在100 g C·m-2以下。以單位面積草地NPP 代表承災體暴露性（圖3），可以看出高及次高暴露性區域主要位于中國的華南和華東地區，低及次低暴露區主要位于內蒙古、山西、中國西北地區以及青藏高原。通過區域統計發現，高及次高暴露區占草地總面積的7.2%。

圖3 承災體暴露性空間分布Fig.3 The distribution of the drought exposure for grassland

2.3 承災體敏感性

從草地EVI 變異系數來看，高變異區主要位于內蒙古高原、甘肅河西走廊、寧夏地區、準格爾和塔里木盆地邊緣、青藏高原南部、川西地區和云南北部（圖4）。低變異區位于內蒙古西部、青藏高原腹地及中國南方地區。通過分析不同草地類型的生境，發現青藏高原東部和南部、天山山脈以及祁連山中段的主要草地類型為高寒草甸，生境寒冷而潮濕，植被具有耐寒的特性；內蒙古北部及東北地區、塔里木和柴達木盆地邊緣的主要草地類型是山地和低地草甸類，生境水濕條件較好；云南、四川盆地及長江以南地區的主要草地類型是熱性草叢類和灌草叢類，山西、河北、河南的主要草地類型是暖性草叢和灌草叢類，生境濕潤度較大，主要是森林、灌叢退化后形成的。以上草地類型對干旱的響應敏感，屬于高敏感區。位于干旱區的內蒙古中部和西部、新疆北部、青藏高原北邊緣、西藏北部、寧夏、甘肅河西走廊等地的主要草地類型是溫性和高寒荒漠、溫性和高寒荒漠化草原、溫性草原化荒漠及溫性草原，生境干旱缺水，建群種對干旱的適應能力強，屬于較低敏感區。

圖4 承災體敏感性指標及空間分布Fig.4 Sensitivity indices for grass and their spatial distribution

由公式（12）得，草原干旱敏感性較高的區域主要位于內蒙古東南部、東北地區、青藏高原南部和東部邊坡、塔里木盆地北邊緣以及西南地區。敏感性較低的區域主要位于內蒙古西部、新疆北部和青藏高原西北部。通過區域統計發現，高及次高敏感區占草原總面積的24.0%。

2.4 孕災環境脆弱性

從土壤有效水含量指數來看，脆弱性較高的區域主要位于內蒙古、新疆北部、青藏高原、云貴高原和四川東部地區（圖5）。這是由于土壤有效水含量越高，土壤中潛在的可被植物吸收利用的水分越多。從坡度指數可以看出，脆弱性較高的區域主要位于青藏高原邊緣區域及青藏高原南部、川西高原、天山山脈和祁連山山脈。從坡向指數來看，高脆弱區主要位于陽坡和半陽坡。這是因為陽坡、半陽坡的日照時間長、太陽輻射強，水分條件相對較差，陰坡和半陰坡正好相反，水分條件相對較好。而草地主要分布在降水較少的半濕潤、半干旱和干旱地區，使得水分成為草原干旱孕災環境脆弱性的主導因素。

根據公式（13），獲得中國草原干旱孕災環境脆弱性，孕災環境脆弱性較高的區域主要分布在內蒙古中部和東部、甘肅河西走廊、新疆北部、青藏高原大部分地區、云南和川東地區（圖5）。脆弱性較低的區域主要位于內蒙古西北部、青藏高原北部和東部邊坡。通過區域統計發現，高及次高脆弱區占草原總面積的43.1%。

圖5 孕災環境脆弱性指標及空間分布Fig.5 Vulnerability indices for grass and their spatial distribution

2.5 草原干旱風險

用熵權法獲得四大因子在干旱風險形成中的權重值，危險性、暴露性、敏感性和脆弱性的權重分別為0.30、0.21、0.24 和0.25，通過公式（15）在ArcGIS 軟件中得到中國草原干旱風險空間分布圖，再通過自然斷點法［37］將干旱風險F劃分為高風險區、次高風險區、中風險區、次低風險區和低風險區，對應的F分別為＜0.23，0.23～0.40，0.40～0.54，0.54～0.69，＞0.69。中國草原干旱高及次高風險區主要位于內蒙古東北部的呼倫貝爾草原和錫林郭勒草原、東北西部科爾沁草原、寧夏北部、塔里木盆地北邊緣、青藏高原南部、云貴高原、河南和山東地區（圖6）。較低風險區主要位于內蒙古西部、甘肅河西走廊、新疆北部和青藏高原東北部。通過區域統計發現，高及次高風險區占草原總面積的13.9%。

圖6 中國草原干旱風險空間分布Fig.6 Spatial distribution of grassland drought risk in China

3 討論

從研究結論可以看出，各地草原干旱高風險性的主導因素是不同的。內蒙古東北部和新疆塔里木盆地北邊緣主要是由高的致災危險性、承災體敏感性和脆弱性決定的；青藏高原西南部主要是由高的敏感性和脆弱性決定的；云貴高原主要是由高的危險性、暴露性、敏感性和脆弱性決定的；南方地區主要是由高的暴露性決定的。雖然內蒙古西部的干旱危險性很高，但由于該區域的暴露性、敏感性和脆弱性較低，因此屬于干旱的低風險區。因此，各地區應因地制宜地制定防旱抗旱措施，以便最大限度地降低草原干旱風險。例如降低致災危險性，實施人工影響天氣；通過科學的草原管理技術，提高草地的抗旱性，并酌情發展人工高產飼草料基地，降低承災體敏感性；加大草原畜牧業的基礎設施建設，例如棚圈；增強氣象干旱及其風險的監測、預報和預警技術，提高服務的時效性；通過發展規模化和多元化的經營，改善牧民的收入結構，提高牧民對草原干旱的防旱抗旱能力；建立草原生態紅線和生態補充機制，提高草原生態系統的干旱防御能力；在個別地區還可以實施生態移民，進行草原生態環境保護。

本研究從不同方面展示了中國草原干旱的危險性、暴露性、敏感性和脆弱性特征，并繪制了草原干旱風險區劃圖。該結果可以為中國草原干旱風險的管理提供一定的理論依據，但依然存在諸多不足。草原干旱風險是一個復雜的系統，該系統由若干個子系統組成，而各子系統之間又存在著隨機性和動態性的關聯，如何構建科學完整的風險評價指標體系，并定量化各指標之間的關系就顯得非常重要。在構建草原干旱風險評價指標體系前應進行充分的干旱調研和風險分析，不僅要考慮數據的代表性和連續性，還要考慮數據的可獲取性和時空分辨率。未來應結合大量實測數據驗證評價結果，不斷優化評價指標和評價模型。并且，草地生長是一個動態的復雜過程，干旱對不同生長階段的影響不同，在今后的研究中也應關注不同時期的草原干旱風險特征。

4 結論

基于中國草原干旱風險形成機理，從危險性、暴露性、敏感性和脆弱性四方面入手，選擇具有代表性的7 個指標，建立了草原干旱風險評估模型，將中國草原干旱風險分為5 級并進行評估與區劃，得到以下結論：1）高及次高危險區主要位于內蒙古地區、河西走廊、柴達木和塔里木盆地邊緣、青藏高原西部以及云南地區。2）高及次高暴露區主要位于中國的西南和華南地區。3）敏感性較高的區域主要位于內蒙古東南部、東北地區、青藏高原南部和東部邊坡、塔里木盆地北邊緣以及西南地區。4）脆弱性較高的區域主要分布在內蒙古中部和東部、甘肅河西走廊、新疆北部、青藏高原大部分地區、云南和川東地區。5）干旱高及次高風險區主要位于內蒙古東北部、東北西部、寧夏北部、塔里木盆地北邊緣、青藏高原南部、云貴高原、河南和山東地區。從草地生態系統服務總價值來看，極端干旱影響下其變化趨勢為草甸草原＞典型草原＞荒漠草原［38］；從草地水分利用效率來看，青藏高原西北部和內蒙古北部最低［39］。這也從另一方面驗證了評估結果的可靠性。