遼西北地區農業干旱危險性評價與區劃*

劉曉靜，陳 鵬，劉家福

(吉林師范大學旅游與地理科學學院，四平 136000)

0 引言

自然災害風險評價是避免或減少自然災害損失的有效途徑[1-2]，而自然災害危險性評價是自然災害風險評價的前提。區域某一災害危險性的高低直接影響該區域在抵抗、防御該種災害時的資源配置情況。遼寧省是我國13個糧食主產區之一，其中約50%的糧食耕種分布于遼寧省的西北地區。而干旱是影響遼西北地區作物生長的主要氣象災害[3]，對當地的農業生產和社會經濟發展造成了極大的危害。因此，對遼西北地區進行農業干旱危險性的研究可以為該區域的觀測部門及田間管理者提供防災減災決策依據，保障糧食安全，在實際生產中具有更重要的現實意義。

根據聯合國國際減災戰略署(International Strategy for Disaster Reduction，UNISDR或ISDR)的定義，農業干旱危險性是指造成作物發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因子和孕災環境[4]。近年來，國內外對農業干旱災害的研究頗多，但都集中在分析、構建致災因子指標評價區域的危險性，如Yamoah，C.F.(2000)采用標準化降水指數SPI分析了降雨量對干旱風險的影響[5]； 李阿龍[6](2016)認為農業干旱危險性僅由致災因子構成，并利用SPI指數構建了河南省農業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業干旱危險性的空間分布特征； Liu Sun和Scott W.Mitchell[8](2011)等人采用降雨數據和主成分分析法對春小麥各生育期內的SPI、PDSI、Z-index進行了最佳組合，以多個干旱指數為指標評估了農業干旱的程度； 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，以累積濕潤指數為干旱指標分析了各地冬小麥發育期內干旱發生的風險度。這些研究都忽略了孕災環境如土壤本身的持水能力等因素在農業干旱形成中的作用，且孕災環境對作物受災程度也具有不可忽視的影響。以遼西北地區為研究區，通過分析、選取導致研究區作物發生干旱的因子，利用層次分析法確定各因子的權重，進而建立研究區農業干旱危險性評價模型，完成遼西北地區農業干旱危險性分區。

1 研究材料與方法

1.1 數據準備

農業干旱危險性是由作物干旱致災因子和孕災環境共同決定的。致災因子主要指降雨量，對于以雨養農業為主的遼西北地區來說，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生及其造成災害的嚴重程度的主要因子。對于研究區來說，農業生產類型、耕種地的地形和土壤類型是重要的孕災環境。因此，研究收集了研究區23個氣象站點1985—2009年4—9月的降雨數據、空間分辨率90m的數字高程DEM數據、土壤類型數據(空間分辨率1km)以及農業生產類型數據(空間分辨率300m)。數據主要來源于國家氣象信息中心資料室、國際科學數據服務平臺、國家自然科學基金委員會中國西部環境與生態科學數據中心以及歐洲太空總署GlobCover數據庫。為了便于后期計算，利用GIS技術將上述數據重采樣為1km的柵格數據。

1.2 研究區農業干旱危險性分析及其指標的建立

遼西北地區主要是指遼寧省西北6市——沈陽、朝陽、鐵嶺、葫蘆島、阜新、錦州，是遼寧省旱災最為頻發、最為嚴重的地區。研究以遼西北為研究區，分析了導致其作物發生干旱的致災因子和影響其受災程度的孕災環境因子，并構建了相關指標。

1.2.1 致災因子分析及其指標的構建

作物生長依靠根系從土壤中不斷地吸收水分，而對于旱作地區來說，土壤中的水分主要來源于自然降水。遼西北地區光照充足，熱量較好，但水分不足，氣候干旱少雨。因此，氣象干旱是農業干旱災害發生的必要條件，而降雨量多少是決定氣象干旱發生與否的根本指標。為了實現不同區域間干旱情況的對比，通常采用氣象干旱指數衡量干旱程度。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之一[10]。因此，研究采用降水距平百分率作為研究區致災因子指標，計算公式如下：

(1)

1.2.2 孕災環境分析及其指標的構建

區域作物干旱的發生不僅與該地區氣象要素直接相關，還與該地區的地貌特征、土壤類型等有關。

(1)坡度

遼西北地區地處遼西丘陵山地，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，導致土壤有效水分流失越多。因此，同一降雨量，山地丘陵區域的土壤可獲得并儲存的水分少于平原區。對于擁有超過70%山地丘陵區域面積的遼西北地區來說，作物干旱發生的可能性就更高。

利用遼西北地區的DEM數據提取坡度因子。分析研究區的坡度可知，遼西北地區的坡度為0°～52°，根據國家級坡度分級標準，結合研究區實際情況，將研究區坡度分為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行處理，參考不同坡度對干旱發生的影響，即坡度越大，水分越不易停留在地表，越容易發生干旱； 反之，坡度越小，則該區域干旱越不易發生。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境因素。土壤是作物生長的“溫床”，除了光以外，水分、養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]。由遼西北地區土壤類型圖(圖1)可以看出，研究區的土壤類型主要有棕壤、草甸土、褐土、風沙土和黑土。閻莉[12](2012)對遼西北地區的土壤類型與因干旱造成的成災率分布進行了分析，結果表明，受災害影響嚴重的區域，沙漠化較為嚴重，土壤保熵能力弱。可見，土壤類型也是影響區域作物干旱災害發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。依據土壤保水、保肥及通透性的差異[13]，將遼西北地區的土壤類型按干旱災害發生的可能性由高到低進行排名：風沙土>棕壤>褐土>草甸土>黑土。據此，對土壤類型進行分級賦值，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

研究在聯合國國際減災戰略署ISDR對自然災害危險性定義的基礎上，運用GIS技術，采用層次分析法確定指標的權重，根據加權綜合評價法、自然間斷點分級法等方法，建立遼西北地區農業干旱危險性評價模型，依據干旱危險性指數進行等級區劃。

1.4 危險性評價模型的建立

根據聯合國國際減災戰略署ISDR對自然災害危險性的定義，區域農業干旱危險性可表達為：

(2)

(3)

通過對研究區農業干旱危險性分析可知，研究區農業干旱危險性指標主要由降水距平百分率、土壤類型、農業生產類型和坡度共同構成，其中農業生產類型不參與計算，主要用于提取雨養型農作物。由于降水距平百分率與農業干旱危險性呈負相關，而土壤類型和坡度已被量化為與危險性呈正相關的指標，因此，采用式(3)對降水距平百分率進行標準化處理，即將其標準化為與危險性呈正相關的指標。

2 研究區農業干旱危險性評價與區劃

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

表4 遼西北農業干旱脆弱性等級

圖1 遼西北地區土壤類型 圖2 遼西北地區農業干旱危險性等級

整體來看，研究區作物干旱危險性呈現由北向南、由東至西升高的趨勢。低危險、高危險和極高危險區域面積相等，約各占總面積的24%，中危險性區域占總面積的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域面積為0； 除朝陽市外，中危險性區域在各市均有分布，鐵嶺市占比最高，達到了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沒有極高危險性區域。由圖2可以看出，除鐵嶺縣和調兵山市外，鐵嶺市超過80%的作物處于干旱中危險性區域； 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業干旱高危險和中危險區域，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，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。根據遼西北地區歷史災情資料可知[14]， 2009年該地區發生了嚴重夏旱，建平縣北部、凌源市東南部、北票市西南部和朝陽縣、龍城區及雙塔區全部降水量均在100mm以下，為了應對當時各市干旱危險，朝陽、錦州、阜新等市將抗旱Ⅲ級響應提升至Ⅱ級，沈陽啟動了抗旱Ⅲ級響應，這與研究的干旱危險等級區劃結果相符。

3 結論與討論

研究在聯合國國際減災戰略署對自然災害危險性定義的基礎上，分析了影響研究區作物干旱危險性的致災因子和孕災環境因子，利用降雨、土壤、地形等資料建立了研究區農業干旱危險性評價模型，通過分級危險性指數對遼西北地區進行了區劃研究。區域農業干旱危險性等級區的劃分，能夠幫助政府管理部門為面臨干旱威脅不同的區域建立適當的防災方法和有效的應急預案。研究是基于柵格尺度對研究區農業干旱危險性進行評價與區劃，由于數據獲取的限制，農業生產類型數據只獲得了2009年的，因此研究只能以2009年為例評價和區劃研究區農業干旱危險性，在研究的時效性上存在一定缺憾。但對于某一研究區域來說，在未發生大型地質災害前，其干旱孕災環境基本上是不變的，決定危險性高低的主要變量是致災因子，即降雨數據，且該文研究重點是探討遼西北地區農業干旱危險性評價模型的構建方法，因此研究成果的精度基本不受影響。