遼寧省玉米旱災時空分布特征及綜合風險評價

烏日娜,張興東,曹永強,王 妍

遼寧師范大學地理科學學院,大連 116029

干旱災害是指因土壤水分和作物需水不平衡而造成的作物減產現象[1],是直接影響作物產量、影響范圍較廣、影響持續時間較久、發生次數比較頻繁的氣象災害[2]。近年來,隨著全球氣候變暖和極端氣候事件的加劇,導致干旱災害發生頻率、強度、范圍和持續時間均呈現增加態勢。然而,干旱災害風險評價是進行干旱災害風險管理和減少干旱災害損失的有效途徑[3—4]。

旱災風險評估作為旱災風險防控、保障糧食安全的重要內容和關鍵環節,一直是旱災研究的前沿和難點問題。干旱災害風險形成機制理論主要有“二因子說”、“三因子說”和“四因子說”[5—8]。其中“四因子說”理論認為災害風險是由危險性、脆弱性、暴露性和防災減災能力綜合作用的結果,該觀點得到許多學者的認同。干旱災害風險評估方法分為三類：第一類是基于指標的綜合評估方法[9],主要是以形成干旱風險的各種因子(如致災因子、暴露性因子和防災減災能力等)為基礎,探尋干旱災害風險形成因子的指標,如標準化降水蒸散指數[10]、標準化降水指數[11]、降水異常百分比[12]、標準化蒸散虧缺指數[13]、植被歸一化指數和氣候敏感指數等[14—15],從而對干旱災害風險進行評估,本方法基于干旱災害風險形成機制,對干旱災害發生前、發生中和發生后的相關因素進行了綜合考慮,但缺少對于干旱災害風險形成危險性、脆弱性、暴露性和防災減災能力各因子之間相互作用機制的探討[16]。第二類是基于數據的概率重現期評估方法[17],主要是基于研究區域的歷史災害和災損樣本數據,利用數學模型對樣本數據進行統計分析得出干旱災害發生概率和損失規律,從而對干旱災害風險進行評估。其分析方法包括回歸模型、聚類分析和風險概率評估法等[18—20]。該方法雖然計算過程較為簡單,但過于依賴樣本數據的準確性,并且未考慮干旱災害風險的形成機制,在實際進行干旱災害風險評估中具有一定的局限性。第三類是基于情景模擬的評估方法[21],本方法主要依靠RS/GIS和數值模式等復雜系統仿真建模手段相結合,對人類活動干擾下未來可能發生的災害過程進行模擬,形成對災害風險的可視化表達,從而實現對災害風險的動態評估,是未來干旱災害風險評估的主要趨勢[6]。

遼寧省是我國重要的糧食生產基地,其主要種植農作物是玉米,全區玉米播種面積達到242.49萬hm2,占全省經濟作物播種面積的56.65%。在遼寧省,種植玉米基本是以雨養為主,如果在玉米生育期遇到干旱災害,對玉米產量造成顯著影響很有可能絕收。然而,隨著全球氣候變暖導致極端氣候事件的加劇,遼寧省干旱災害頻發。據統計,1992—2010年干旱災害總計發生355次,年均發生頻次為18.7次,其中,輕旱發生85次,中旱發生182次,重旱發生75次[22]。從1999—2018年受災作物面積累計已達0.18億hm2,經濟損失累計達420億[23]。因此,本文依據自然災害風險形成理論,由干旱災害風險的危險性、脆弱性、暴露性和防災減災能力四因子入手,選取10個副指標,利用組合加權方法和GIS空間分析方法,構建遼寧省玉米旱災風險評價指標體系。利用自然災害指數法和加權綜合評價方法,構建遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價模型,并進行遼寧省玉米干旱災害時空分布特征分析及綜合風險評價與區劃研究。研究結果可以為保障遼寧省糧食生產和糧食安全做出貢獻,還可為遼寧省防災減災救災提供重要科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

遼寧省位于我國東北地區南部,南臨黃海和渤海,與日本、韓國隔海相望,地處東經118°53′—125°46′,北緯38°43′—43°26′(圖1)。遼寧省屬于溫帶大陸型季風氣候,境內雨熱同期,日照充足,積溫較高,冬長夏暖,春秋季短,雨量不均,東部地區濕潤,西部地區較干。遼寧省的年平均氣溫在8—11℃之間,但是由于受季風氣候影響,各地差異較大,出現自西南向東北,自平原向山區遞減趨勢；年降水量在463—1077mm之間,空間分布不均勻,自東向西降水量呈逐漸減少趨勢。高值中心位于東部山地丘陵區,年降水量在1000mm以上；中部平原降水量居中,年平均在600mm左右；低值中心處于西北部山地丘陵區,且與內蒙古高原相連,年降水量在400mm左右,是全省降水量最少的地區。

圖1 研究區地理位置、年平均氣溫和年平均降水量變化趨勢空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of geographical location, annual average temperature and annual average precipitation in the study area

1.2 數據來源

研究所用到的數據包括遼寧省的氣象數據、統計數據、空間數據和田間管理數據等。其中氣象數據為1960—2019年遼寧省逐日氣象觀測數據,來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/),包括降水量、平均氣溫、蒸發量和平均風速等。歸一化植被指數(NDVI)來源于美國宇航局的全球植被指數數據集GIMMS NDVI3g version1(1981—2015),空間分辨率約8km×8km,時間分辨率為15天。統計數據和田間管理數據主要來源于遼寧省統計局的相關統計年鑒[24]。

2 研究方法

2.1 組合加權法

為了避免評價過程中主觀隨意性和客觀唯一性,本文采取了層次分析法[25]和熵權法[26]相結合的評價方法,從而確定指標的權重。并采用乘法歸一化的方法求出各個指標的組合權重[27],組合加權法公式如下：

(1)

式中,wja為第j個指標的層次分析法權重系數,wjb為指標j的熵權法系數,wj為第j指標的組合權重系數。

2.2 加權綜合評價法

加權綜合評價法(WCA)是依據各個評價指標對總目標的影響程度,預先分配一個相應的權重系數,然后與相應的被評價指標的量化值相乘后再相加[28]。用如下公式表達：

(2)

2.3 氣候敏感指數

氣候敏感指數主要反映的是氣候生產力與實際生產力之間的關系[29],其定義如下：

(3)

Yv=30000(1-e-0.000956(V-20))

(4)

(5)

L=300+25t+0.05t3

(6)

式中,Km為氣候敏感指數,Yw為某地區實際生產力(kg/hm2),Yv為氣候生產力(kg/hm2),采用Thornthwaite[30]記憶模型計算作物氣候生產力。此外,3000是經驗系數,e=2.718,V是年平均蒸發量(mm),R是年降水量(mm),L是年平均最大蒸發量(mm),而t是年平均氣溫(℃)。

2.4 自然災害風險指數法

自然災害風險是指未來某一個時期可能達到的災害程度及其發生的可能性。根據自然災害風險的形成機理[8,31—32],自然災害風險是由致災因子的危險性、承災體的暴露性、脆弱性和防災減災能力綜合作用的結果,通常采用自然災害指數表征風險程度,可表示為：

自然災害風險指數=危險性∩暴露性∩脆弱性∩防災減災能力

2.5 SPEI干旱指數

SPEI干旱指數具有多時間尺度特征,可以反映不同時間不同地區的干旱變化情況[33]。其具體計算方法如下所示。

首先估計水汽平衡：

Di=Pi-PETi

(7)

式中,Di為第i月降水量和蒸發量的差值(mm),Pi為第i月降水量(mm),PETi為第i月潛在蒸發量(mm),可以通過Thornthwaite方法[30]求得。

其次,建立不同時間尺度氣候學意義上的水分盈虧累計序列：

(8)

式中,k為時間尺度(月)；n為計算次數。

最后采用三參數的Log-Logistic概率密度函數對D數據序列進行正態化轉化,計算出每個數值所對應的SPEI值：

(9)

式中,P為超過待定D值的累計概率,當P>0.5時,SPEI值的符號被逆轉；c0=2.515517,c1=0.802853,c2=0.010328,d1=1.432788,d2=0.189269,d3=0.001308。SPEI干旱等級劃分標準如表1所示。

表1 SPEI干旱指數等級劃分

2.6 干旱評估指標

為了更加直觀和科學的分析遼寧省玉米干旱時空特征,本文選擇干旱指數SPEI對遼寧省玉米干旱進行量化。依據中華人民共和國農業部種植業管理司(http://www.moa.gov.cn/)數據,將 4—9月定為遼寧省玉米主要生育期,加之玉米作為典型的喜溫和高需水量作物,在其生育期內對于氣象因素的變化較為敏感[34]。因此,本文選擇涵蓋玉米整個生育期的SPEI_6時間尺度,對遼寧省玉米干旱特征進行表征分析。本文統計與分析SPEI_6≤-0.5的所有干旱等級的干旱,并依據表2所示的公式及說明計算干旱次數、干旱歷時、干旱強度等指標來進一步表征遼寧省玉米干旱特征。

2.7 歸一化處理

由于選取的不同指標處在不同的量級,而且評價單位也不同,因此在權重計算時必須對數據進行標準化處理,使得每個指標的標準化值在某個確定的區間內。本文采取的是極差化方法[35],公式如下所示：

正向指標：

(10)

負向指標：

(11)

式中,yij是標準化指數值；xij是第j年中的第i個評價指標的測量值；max(xj)代表第j年中的第i個指標的最大值,min(xj)而代表年j中的第i個指標的最小值。

3 遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價模型的建立

3.1 指標的選取及權重的確定

本文基于自然災害風險形成理論,從致災因子的危險性、孕災環境的暴露性和承災體的脆弱性以及防災減災能力四個因子入手,結合指標選擇的系統性、代表性、可獲得性和動態性原則[36],選取10個副指標,構建了遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價指標體系(表2)。并通過組合加權法和歸一化處理,確定其各因子的權重(圖2)。

表 2 遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價指標的選取及說明

圖2 遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價指標體系及指標權重概念框架Fig.2 The index system and the conceptual framework of index weight of comprehensive risk assessment of maize drought disaster in Liaoning Province NDVI: 歸化植被指數Normalized difference vegotation index

3.2 遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價模型的建立

根據自然災害風險指數數學公式,結合干旱災害風險形成理論,利用加權綜合評價法(WCA)和組合加權法,建立如下遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價模型:

R=(H)WH×(E)WE×(V)WV×(1-C)WC

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中,R為干旱災害風險指數,用于表示干旱災害風險程度,其值越大,則干旱災害風險程度越大；H、E、V和C的值相應地表示根據加權綜合評價法建立的干旱災害風險的危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力因子指數,WH、WE、WV和WC分別代表危險性、暴露性、脆弱性和防災減災能力的權重值；hi為第i個危險性指標歸一化數值；whi為第i個危險性指標的權重。ej為第j個暴露性指標歸一化數值；wej為第j個暴露性指標的權重。Vk為第k個脆弱性指標歸一化數值；wvk為第k個脆弱性指標的權重。ls為第x個防災減災能力指標歸一化數值；wls為第x個防災減災能力指標的權重。

4 結果與分析

4.1 遼寧省玉米旱災風險評價指標選取及空間化

本文基于自然災害風險形成理論,從致災因子的危險性、脆弱性、承災體的暴露性和防災減災能力四因子出發,選取了干旱次數、干旱烈度、產量變異系數、NDVI、暴露性指數、有效灌溉面積比、氣候敏感指數等10個指標,并對其進行插值化處理,得到各指標的空間分布狀況(圖3)。由圖3可知,遼寧省干旱次數、干旱烈度和干旱歷時空間分布較一致,均處于一個較高的閾值范圍內。此外,遼寧省北部地區相對暴露性指數、蒸發量和氣象敏感指數較高,但有效灌溉面積比相對較低。因此,遼寧省北部地區產量變異系數和產量波動系數較高。

圖3 遼寧省玉米干旱災害風險因子空間分布Fig.3 Spatial distribution of maize drought risk factors in Liaoning Province

4.2 遼寧省玉米干旱災害時空分布特征分析

本文利用遼寧省25個氣象站點的1960—2019年氣象數據和降水量數據,采用SPEI計算公式,計算得到了遼寧省不同尺度的干旱頻率空間分布圖、不同年份干旱頻率空間分布圖、平均干旱強度和平均干旱歷時空間分布圖等(圖4—6)。

遼寧省不同時間尺度的干旱頻率如圖4所示。如圖可知,遼寧省西北部干旱頻率較高,相反東南部干旱頻率較低,并且干旱頻率呈自西北向東南遞減趨勢。從月尺度來看,遼寧省干旱頻率高值在遼西北的朝陽、葫蘆島、阜新和錦州等地,其中東部干旱頻率相對較低。從季節尺度來看,遼寧省干旱有明顯的季節性。其中,遼寧省整體干旱頻率較高,僅朝陽西部和葫蘆島西北部干旱頻率較低。從生長季尺度來看,遼寧省干旱頻率具有自中部向東西兩側遞減趨勢。從年際尺度來看,遼寧省干旱頻率與其生長季尺度干旱頻率空間變化趨勢略有不同,主要呈現出自西北向東南遞減的變化趨勢,其干旱頻率西北高,東南低。總之,遼寧省西北部干旱發生頻率最高,其次是中部地區,東部地區干旱頻率最低。

遼寧省年際變化干旱頻率空間分布如圖5可示。首先,遼寧省不同年代的干旱空間分布具有一定的差異性,但總的來看,遼寧省北部的干旱頻率相對于南方是較高的,其東部地區的干旱頻率高于其西部地區的干旱頻率；其次,自1960年以來,遼寧省干旱頻率總體呈上升趨勢,并且在2010—2019年間干旱頻率達到最高。各年代中,20世紀60年代和21世紀10年代的干旱頻率最高,其干旱頻率約為35%；其次為20世紀70年代、20世紀80年代和20世紀90年代,其干旱頻率在28%左右；20世紀80年代干旱頻率最低,約為25%。此外,從空間尺度上看,其干旱空間分布范圍存在著一個擴大—縮小—擴大的過程,其中1960—1979年間高干旱頻率地區呈現擴大趨勢,1980—1999年間高干旱頻率地區面積有所縮減,但自2000年以后,遼寧省干旱頻率高值地區逐漸擴大,并且逐漸向西北方向靠攏,呈遼西北地區干旱頻率高但遼東南地區干旱頻率低的現象?？傊?1959—2019年間,遼寧省干旱具有明顯的交替性。

遼寧省平均干旱強度和平均干旱歷時空間分布如圖6所示。如圖可知,遼寧省除了極少數區域干旱強度較低以外,大部分區域干旱強度還是很高。整體呈現自中部向東西方向遞減的趨勢,而且遼寧省東部的干旱強度大于其西部的干旱強度。其中干旱強度峰值出現在遼寧省中部的阜新、錦州、盤錦、營口、大連、鞍山和遼陽等地,相反干旱強度低值出現在朝陽西部、葫蘆島西北部、本溪和撫順東南部等地。從干旱歷時空間分布來看,遼寧省中部地區正經歷著較長時間的干旱災害,其次為遼寧省東部區域,其西部地區干旱持續時間相對較短,并且遼寧省的中西部地區干旱歷時具有向西遞減的趨勢。其中遼寧省鐵嶺北部、鞍山、營口和大連南部等地干旱持續時間較長,朝陽中西部、葫蘆島西北部、本溪東部、丹東東北部以及撫順南部等地干旱持續時間較短。

圖4 遼寧省不同尺度干旱頻率空間分布圖Fig.4 Drought frequency distribution of different scales in the study area

圖5 遼寧省不同年代干旱頻率空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of drought frequency in different years in Liaoning Province

圖6 遼寧省平均干旱歷時和平均干旱強度空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of mean drought duration and mean drought intensity in Liaoning Province

4.3 遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價

4.3.1單指標風險評價

從圖7可知,遼寧省北部和南部旱災危險性指數較高,這是由其旱災頻發、干旱烈度較大、干旱歷時較長和蒸發量較高等因素引起的；但朝陽西部和葫蘆島西北部等地由于干旱次數較低、干旱烈度較小且干旱歷時較短等原因,旱災危險性指數較低。旱災脆弱性最高的區域為遼寧省的西北部,主要是因其產量變異系數和氣象敏感指數較高；而遼寧省中南部地區旱災脆弱性相對較低,主要是因為其NDVI值較高,并且其產量變異系數遠低于遼寧省西北部。遼寧省西北部作為遼寧省玉米主產區,其相對暴露性指數最高,因此其面臨的旱災暴露性也就越大；遼寧省的東南部旱災暴露性較低,其暴露性指數均在0.40以下,主要是因為東南部玉米種植范圍較小且比例較低。遼寧省東北部的阜新、沈陽和鐵嶺等地防災減災能力最低,主要是因為產量波動系數遠高于其它地區,并且有效灌溉面積比值較低；而環渤海地區的營口、盤錦和葫蘆島等地防災減災能力較高,主要是因為玉米種植比例較低,玉米產量波動較小,并且其灌溉設施較為完善。

圖7 遼寧省玉米干旱災害風險四因子空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of maize drought disaster risk factors in Liaoning Province

圖8 遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of comprehensive risk assessment of maize drought disaster in Liaoning Province

4.3.2綜合風險評價

由圖8可知,遼寧省旱災風險指數以遼西北地區最高,遼寧省中南部地區次之,遼寧省東南部地區的丹東北部、本溪和撫順等地旱災風險指數最低。其中,遼西北地區面臨的旱災風險形勢最為嚴峻,其旱災風險指數在0.60以上,主要是因為其旱災危險性、脆弱性和暴露性較高,但其防災減災能力相對較低,因此在四因子的疊加作用下產生了遼西北地區旱災風險較高的現象。遼寧省東南部地區旱災風險指數較低,均在0.40左右,主要是因為此地危險性指數遠低于其它地區,再加上此地暴露性指數和脆弱性指數較低,因此遼東南地區所面臨的旱災風險較小。

5 討論

本文依據自然災害風險形成理論,從危險性、脆弱性、暴露性和防災減災能力四因子入手,構建評價指標體系及評價模型,進行遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價研究。自1960年以來,遼寧省干旱頻率呈上升趨勢。不管是月尺度、生長季尺度、年代尺度還是生育期尺度,遼寧省干旱災害具有明顯的季節變化和年代變化,在玉米生育期內對干旱災害較敏感性,在2010—2019年間干旱頻率達到最高。并且遼寧省干旱災害具有較強的區域性。遼寧省西北部干旱發生頻率最高,其次是中部地區,東南地區干旱頻率最低,自西北向東南呈遞減趨勢。此結果與侯陳瑤和林佳楠等人研究結果基本一致[37—38]。

遼寧省降水量空間分布特征可知(圖1),全省降水量由東南向西北逐漸遞減。東南部降水量最多,其次中部,西部地區降水量最少。從遼寧省蒸發量空間分布來看(圖3),蒸發量變化趨勢為東部小,西部大,中部過渡,跟降水量空間分布正好相反。加之遼寧省水資源總體分布趨勢與降水量分布基本一致都是自東南向西北遞減[39]。因此,水資源短缺、蒸發量大而且降水量少的西部和中北部地區極易發生干旱災害。遼寧省大部分區域屬于大陸性季風氣候,遼寧省東南部靠海域,地形以山脈為主,存在對降水再分配有利的迎風坡地形,并且水汽的來源對遼寧省干旱區域分布起到重要的作用。因此,遼寧省東南地區相比較于西北部地區受干旱災害影響較弱。年代之間季風的不穩定性,將會導致降水在年內及年代間分布不均勻,也是年際干旱頻率不同的主要因素。隨著全球氣候變暖導致極端氣候事件加劇,對遼寧省干旱頻率增長也有促進作用,固然導致遼寧省干旱災害高發頻發現象[40]。

本文利用偏主觀的層次分析法和偏客觀的熵權法相結合的組合加權法,對選取的指標進行權重的確定,使得干旱災害綜合風險評價結果更加準確。從單指標風險評價結果來看,遼寧省普遍存在干旱災害危險性較高；遼寧省西北部干旱災害脆弱性和暴露性均較高；遼寧省整個區域防災減災能力普遍較低。通過加權綜合評價發現,遼寧省遼西北地區是玉米干旱災害高風險區,也是防災減災工作重點把控區。研究所得到的結果與張巍[41]、盧曉昱等[42]、曹永強等[43]和吳宜宣等[44]研究結果大致相同。

遼寧省水資源總量有限,特別是西北部是屬于本省貧水區,且干旱風險指數較高,要有效抵抗旱災風險,必須加強節水意識,提高地表水資源綜合利用效率,改善生態環境,提高水資源涵養能力,需要因地制宜的選取工程節水技術較先進的設備及灌溉方式。遼寧中北部多數區域產業結構導致的缺水也是引起干旱災害風險指數較高的主要原因。應采取的措施是推廣抗旱耐旱農作物品種及耕作技術,提高農作物的干旱適應性,優化調整農業結構,改變粗放型耕作方式[41]。

6 結論

本文從干旱災害風險形成的危險性、脆弱性、暴露性和防災減災能力四個因子入手,構建了遼寧省玉米干旱災害綜合風險評價指標體系及評價模型,并進行遼寧省玉米干旱災害時空分布特征分析及綜合風險評價研究,結果如下：

(1)從空間特征來看,遼寧省西北部干旱頻率較高,而東南部干旱頻率較低,并且干旱頻率呈現出自西北向東南遞減趨勢。從時間序列來看,自1960年以來,研究區干旱頻率總體呈上升趨勢,尤其2010年以后有明顯增加態勢。其中1970—1979年間干旱發生頻率較低,2010—2019年間干旱頻率最高?？偟膩砜?遼寧省干旱災害發生次數較多,干旱頻率較高。

(2)從危險性、脆弱性、暴露性和防災減災能力四因子來看,遼寧省大部分地區干旱災害危險性較高；遼寧省西北部的葫蘆島、朝陽和阜新干旱災害脆弱性較高；干旱災害暴露性較高的區域集中分布在遼寧省的西北部；遼寧省大部分地區防災減災能力較低,僅環渤海地區的營口、盤錦、葫蘆島、錦州和大連等地防災減災能力較高。由于遼寧省西北部干旱災害風險的危險性較高、脆弱性較高和暴露性較高,但防災減災能力整體相對較低。因此,遼西北地區是遼寧省玉米干旱災害高風險區,也是防災減災工作重點把控區。