內蒙古大豆干旱災害風險分析與區劃

金林雪, 唐紅艷* , 武榮盛, 王惠貞, 劉林春

(1.內蒙古自治區生態與農業氣象中心, 呼和浩特 010050; 2.內蒙古自治區氣象臺, 呼和浩特 010050)

受全球氣候變化的影響，近50年中國大部分地區呈增溫趨勢，干旱問題日益凸顯，2017年全國耕地受旱超266×104hm2，已成為困擾經濟社會發展的重大問題[1]。內蒙古地區幅員遼闊，氣候類型多樣，水熱分布不均；同時，該區也是我國重要的農業生產基地，農業生產以“雨養”為主，生產過程中極易遭受干旱災害，嚴重制約了農業生產發展。國內外關于農業干旱的研究成果日趨豐富[2-4]，其中自然災害風險評估方法近年來應用較為廣泛[5-6]。朱琳等[7]以風險指數為區劃指標，獲得GIS系統支持的陜西省冬小麥干旱風險區劃圖，并分區評述；吳東麗等[8]以考慮抗災能力的風險指數和災年減產率為分類標準進行聚類，完成華北地區冬小麥干旱風險綜合區劃；劉玉英等[9]采用加權綜合法對吉林省農業影響的干旱風險區劃進行研究；楊平等[10]開展了黃淮海地區玉米生長季的干旱危險性、敏感性和易損性評價；薛昌穎等[11]利用自然災害風險理論，確定黃淮海地區夏玉米生長季內易受干旱危險的發育階段和區域；田宏偉等[12]從河南省夏玉米種植面積、土地利用信息等多種要素考慮，開展了干旱綜合風險的精細化區劃工作。已有的研究對象主要為玉米和小麥[13-20]，大豆干旱風險區劃的研究鮮見報道。大豆是世界上種植面積僅次于玉米、小麥、水稻的第四大作物，內蒙古大豆種植面積位于全國前列。根據農業農村部(原農業部)《全國種植業結構調整規劃(2016—2020年)》和《全國大宗油料作物生產發展規劃(2016—2020年)》，在內蒙古東北部培育大豆優勢產區，保障國家糧食安全和大豆的有效供給。內蒙古大豆一般于5月開始播種，7月中旬至8月中旬進入生長發育關鍵時期(開花-結莢-鼓粒時期)，也是造成大豆產量波動的關鍵時期。因此，干旱對大豆產量影響最大，研究其風險評估方法及風險區劃，對于防災減災、農業產業結構調整具有重要意義。

本文結合內蒙古地區第二次土地調查數據，基于自然災害風險評估方法，綜合考慮干旱災害的致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性及防災減災能力，構建內蒙古大豆干旱風險綜合指數，并依托GIS技術進行精細化風險區劃，最后利用內蒙古各地歷史災損資料、產量資料對干旱區劃結果進行驗證，為大豆種植的布局調整和防災減災戰略等方面提供科學的決策依據。

1 數據來源與方法

1.1 研究區概況

內蒙古自治區東西長2 400 km，南北寬1 700 km，自西向東橫跨中國西北、華北、東北地區，總面積占國土面積的12.3%。區域內氣候類型復雜多樣，受海拔高度、地勢、土質等因素影響，生態條件十分復雜，地區間熱量和水分差異顯著；其中光能資源充沛，大部地區年日照時數都大于2 700 h；全年太陽輻射量從東北向西南遞增；年總降水量50～450 mm，東北降水多，向西部遞減；年平均氣溫為0～8 ℃。

1.2 數據來源

研究區域及位置見圖1。氣象資料來源于內蒙古119個氣象站，包括1971—2018年逐日降水量；發育期資料來源于大豆農業氣象觀測站；產量資料來源于內蒙古統計局，包括1971—2016年各旗縣大豆總播面積、總產量、單產；干旱災情數據來源于內蒙古自治區災情直報系統，包括1981—2016年各旗縣干旱災害發生時間、受災面積、成災面積、絕收面積等。地理信息數據來源于SRTM (shuttle radar topography mission)航天飛機雷達地形測繪數據，下載SRTM 的V1版采樣成75 m的數據，空間分辨率為 75 m；人口密度、人均GDP、人均農業生產總值等社會經濟數據來源于國家地球系統科學數據共享服務平臺(http://www.geodata.cn)；耕地區域、耕地面積占土地面積比例、灌溉面積占耕地面積比例數據來源于內蒙古第二次土地調查數據，分辨率為1∶10 000；并利用GIS最近鄰域法對各項要素重采樣至75 m，與氣象要素及社會經濟要素插值結果相匹配。

1.3 數據處理

1.3.1產量資料處理 本文采用5 a直線滑動平均法進行產量分離[21]，計算趨勢產量Yt；相對氣象產量Yr可以用實際產量(Y)偏離趨勢產量(Yt)的百分比表示[22]。

(1)

1.3.2小網格推算模型的建立 利用SPSS軟件將大豆干旱風險區劃指標與地理信息數據通過多元回歸方法，構建小網格推算模型，并利用ArcGIS實現指標要素的推算。

1.3.3數據標準化 文中所構建的指標要素單位不同，為了統一量綱，對所選的指標要素進行數據標準化處理[23]，使其值處于0～1之間，表達式如式(2)所示。

圖1 研究區域及位置Fig.1 Location of the study area in Inner Mongolia

(2)

其中，xi為指標要素值，xmax和xmin分別為該要素的最大值和最小值，yi為標準化后的值。

1.4 大豆干旱指標的選取和驗證

1.4.1干旱指標選取 本文在前人研究的基礎上[7,10]，基于降水量距平百分率(percentage of precipitation anomalies，Pa)的氣象干旱等級的國家標準[24]及歷史上出現的干旱年的災情情況，經過反復調整、驗證，最終采用大豆關鍵生長期(7月中旬至8月中旬)的降水量距平百分率作為判斷干旱災害發生的指標(表1)。

表1 基于降水量距平百分率的大豆干旱等級Table 1 Evaluation index of drought grades based on precipitation anomaly percentage of soybean

1.4.2干旱指標驗證 為了說明干旱指標的客觀性，利用內蒙古大豆主產區(呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市，以下簡稱東四盟)1983年以來干旱災情資料對指標進行驗證。具體驗證步驟為：①篩選出東四盟各旗縣1983—2016年所有的干旱年并分別統計總年數；②根據干旱指標(表1)，篩選出東四盟各旗縣1983—2016年出現旱情(Pa≤-70%)的年份并分別統計其總年數；③計算各旗縣根據指標篩選出的旱年與干旱災情資料上出現的干旱總年數的對應率；④計算統計東四盟各盟市的平均對應率。

1.5 干旱風險區劃方法

干旱災害風險受4個因子綜合影響，包括致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性和防災減災能力[25]。決定大豆干旱風險區劃的指標較多，本文根據掌握的數據資料及自然災害風險理論和指標體系的構建原則，分別從致災因子、孕災環境、承災體、防災減災能力4個方面考慮，選取10個指標進行干旱災害風險分析，通過咨詢專家、層次分析法[26]等確定各評價因子及其指標的權重系數，最后參考國內外學者提出的自然災害風險指數模型構建干旱災害風險評估模型，利用加權綜合評價法[27]得到綜合的干旱災害風險指數 (表2)。

表2 內蒙古地區大豆干旱風險評價指標系統及權重Table 2 Evaluation index system and corresponding weight values of drought disaster of soybean Inner Mongolia

1.5.1致災因子危險性 致災因子危險性與干旱災害的風險具有密切的正相關關系。本研究以降水量距平百分率作為干旱致災因子危險性的評估指標，分別統計輕旱、中旱、重旱發生頻率，得到干旱致災因子危險性指數fz。具體計算方法如下。

①首先計算出基于大豆干旱指標的干旱頻率(W)：在1971—2018年期間，不考慮抗災條件下，干旱發生的可能性和頻率。全區各旗縣的W用以下公式表達。

(3)

其中，Wj為基于干旱指標的干旱發生頻率，Nj為基于干旱指標的干旱發生次數，j為內蒙古地區每個旗縣(119個站點)，n為總年份(1971—2018年)，干旱發生頻率越大，則干旱災害發生的可能性越大。

②利用公式(3)得出各旗縣輕旱、中旱和重旱發生頻率，并分別賦予權重0.15、0.35 和0.50，得到全區119個站點的干旱致災因子危險性指數fz。

③為反映大豆干旱致災因子危險性的立體多樣性，該研究中用大豆致災因子危險性指數分別與海拔高度xh、經度xj、緯度xw通過回歸分析建立小網格推算模型(式4)，相關系數為0.67，通過0.01水平統計學分析。

fz=1.236 9-0.010 2xj+0.006 1xw-0.000 1xh

(4)

干旱災害風險區劃圖應用ArcGIS的自然斷點法繪制。

1.5.2孕災環境敏感性 孕災環境敏感性越大，干旱危害越易發生，相應的干旱風險度也增大。孕災環境的敏感性與地形、水系及下墊面類型等有關，本研究選取坡度、距離河流遠近表示干旱孕災環境敏感性fm，權重系數見表2。

1.5.3承災體易損性 承災體易損性與干旱風險度呈負相關關系，即承災體易損性越小，說明承災體抵御干旱的能力越大，干旱風險越小。本文選取3個因子，即人口密度、人均農業生產總值、耕地面積占土地面積比重表示干旱承災體易損性fs，權重系數見表2。

1.5.4防災減災能力 防災減災能力主要是指承災體發生干旱后的恢復能力，防災減災能力值越大，則恢復能力越強，干旱風險越小。本研究選取人均GDP、灌溉面積占農田面積比例表示干旱防災減災能力fr，權重系數見表2。

1.5.5干旱災害綜合風險指數 基于自然災害風險理論，綜合上述能夠體現風險程度的四因子，結合內蒙古地區實際情況，利用層次分析法得到的致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性及防災減災能力的權重系數分別為0.7、0.1、0.1和0.1。干旱災害綜合風險指數計算如式(5)所示。

F=0.7×fz+0.1×fm+0.1×fs+0.1×(1-fr)

(5)

式中，F為大豆干旱災害綜合風險指數，值越大，干旱發生風險程度越大。

1.6 驗證方法

本文采用各旗縣歷史災情數據及產量數據對所研究的干旱風險區劃結果進行驗證，其中，災情數據用內蒙古災情直報數據庫中各旗縣歷年受旱面積平均值占行政面積比，產量數據用各旗縣歷年大豆減產率的平均值，與區劃結果進行對比驗證。

2 結果與分析

2.1 大豆干旱指標驗證結果分析

2.1.1干旱指標驗證 由表3可見，根據降水量距平百分率(Pa)制定的大豆干旱指標與干旱災情資料的對應較好，平均對應率為77.1%，說明上述干旱指標能夠客觀反映內蒙古地區的干旱發生情況；以大豆主產區呼倫貝爾市的3個旗縣為例，達到中旱及重旱的年份與輕旱年份對比，受災、成災及絕收面積明顯呈遞增趨勢，說明上述干旱指標能夠反映出內蒙古地區的干旱范圍。

2.2 大豆干旱災害風險區劃分析

2.2.1致災因子危險性區劃 由圖2可以看出，內蒙古地區大豆干旱致災因子危險性分布地區差異顯著，總體呈西高東低的變化趨勢；其中巴彥淖爾市大部、鄂爾多斯偏西的危險性最高，也是全區降水最少的地區，年降水量小于150 mm；中等危險區主要集中在鄂爾多斯市東北部、包頭市南部、呼和浩特市中部、赤峰市偏東、通遼市中部、興安盟偏西及呼倫貝爾市大部；中東部偏南地區、呼倫貝爾市偏東、興安盟大部降水偏多，年降水量大于300 mm，干旱危險性最低。

圖2 內蒙古地區大豆干旱致災因子危險性區劃Fig.2 Disaster-causing factors regionalization of drought for soybean in Inner Mongolia

2.2.2孕災環境敏感性區劃 內蒙古大豆干旱孕災環境敏感性指數3個等級的區劃如圖3所示。由于受水系距離、地形起伏的影響，孕災環境敏感性的分布很不規則，高風險區位于中部零星地區及大興安嶺沿山一帶，主要是由于地勢地形起伏較大且離水源較遠，可灌溉性小；而西遼河灌區、河套灌區由于位于水系附近，利于灌溉緩解干旱，敏感性相對較弱，干旱風險較低；其余地區為中風險區。

圖3 內蒙古地區大豆干旱孕災環境敏感性區劃Fig.3 Sensitivity of hazard-formative environments regionalization of drought for soybean in Inner Mongolia

2.2.3承災體易損性區劃 由圖4可以看出，河套灌區大部、呼和浩特中部偏西、東部偏南零星地區、興安盟東部、呼倫貝爾市嶺西及嶺東南地區為承災體易損性風險最高的地區，這與人均農業生產總值指數高、人口密度大及農田比例高密切相關；其余地區承災體的易損性相對較低。

表3 內蒙古地區大豆干旱指標驗證Table 3 Verified the drought index of soybean in Inner Mongolia

表4 內蒙古地區干旱災情資料與大豆干旱指標對比情況Table 4 Comparison between drought disaster data and soybean drought index in Inner Mongolia

表5 內蒙古地區大豆不同干旱等級對應減產率Table 5 Soybean yield reduction rate range under different drought grades in Inner Mongolia

2.2.4防災減災能力區劃 從圖5可以看出，鄂爾多斯偏北、巴彥淖爾市南部、呼和浩特市中部偏西、赤峰市東南部、通遼市偏南、興安盟零星地區防災減災能力最強，這些地區的GDP較高，且灌溉條件較優越。雖然中部偏南地區GDP也較高，但由于人口較多且無灌溉水系，因此,其防災減災能力反而較弱。

2.2.5綜合風險區劃 內蒙古地區大豆干旱災害綜合風險區劃如圖6所示，不同的風險區特點如下。

(1)低風險區。該區域風險指數低于0.40，包括興安盟偏西、通遼市偏西南、赤峰市大部、中部偏南大部地區；年降水量大部為400 mm以上，≥10 ℃積溫為1 300～2 500 ℃，無霜期日數為60～130 d。由于自然降水較多，且灌溉水平較高，使其風險大大降低；其干旱頻率、強度都是全區最小地區，干旱的發生多為輕旱，對產量的影響較小。該區應進一步保持和優化當前灌溉能力，充分利用該區域較好的水系條件，適當擴大大豆種植規模。

圖4 內蒙古地區大豆干旱承災體易損性區劃Fig.4 Vulnerability of hazard-affected bodies regionalization of drought for soybean in Inner Mongolia

圖5 內蒙古地區大豆干旱防災減災能力區劃Fig.5 Disaster prevention and mitigation capacity regionalization of drought for soybean in Inner Mongolia

圖6 內蒙古地區干旱綜合風險指數區劃Fig.6 Integrated drought risk regionalization of soybean in Inner Mongolia

(2)中等風險區。該區域風險指數為0.40～0.54，包括呼倫貝爾市嶺西大部及嶺東南地區、興安盟東部、通遼市大部、赤峰市東北部，主要由致災因子的中危險性、孕災中敏感度及防災減災能力較低引起的；上述地區年降水量約為150～400 mm，≥10 ℃積溫為2 000～3 000 ℃，無霜期日數為100～150 d，有一定的灌溉能力。因此，該區應發展蓄水、保水技術，氣象部門應加強對干旱的滾動監測，做到早時能澆；同時要提高抗旱能力，要充分利用區域水系開展水利設施建設，提高有效灌溉率。

(3)高風險區。該區域風險指數高于0.54，包括呼倫貝爾市偏西北、鄂爾多斯市偏北及偏西零星地區、巴彥淖爾市大部；該區域致災因子危險性、孕災敏感度均較高，大豆干旱災害風險最高；上述地區年降水量約為50～150 mm，大部地區≥10 ℃積溫為3 000 ℃以上、無霜期日數140 d以上；溫度高、雨水少、蒸發大，灌溉條件較匱乏，干旱發生頻率高、強度大。建議適當擴大人工種植牧草面積，減少地面蒸發，抑制土壤的鹽堿化。

2.3 大豆干旱災害風險區劃驗證

大豆干旱災害風險區劃驗證結果如圖7所示，可以看出，受旱面積比及平均減產率較低的地區與干旱低風險區基本一致，主要集中在東部大部地區，該區域是大豆的主產區；受旱面積比及平均減產率較高的地區主要分布在呼倫貝爾市偏西、錫盟偏南、烏蘭察布市中部、鄂爾多斯市偏西地區，與高風險區劃結果也基本一致。但巴彥淖爾市的風險程度與實際發生情況不一致，區劃結果偏重，這可能是由于該區域雖然生長季降水較少，干旱發生的危險性較高，但由于地處河套灌區，具有較完備的灌溉條件，干旱的防災減災能力較強，因此該地區干旱實際發生情況程度較輕、面積較小。以上的兩種驗證結果和建立的大豆干旱風險指標、模型及區劃所得到的結論雖局地存在差異，但整體上比較合理，與實際發生情況吻合，區劃結果較為準確。

3 討論

本文應用自然災害風險原理，利用氣象觀測資料、大豆產量資料及研究區地理信息等資料，結合區域實際，選擇合理的區劃指標，建立了大豆干旱致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性和防災減災能力4個因子的區劃模型，并綜合上述4個因子構建了適用于內蒙古地區的大豆干旱風險區劃模型，為指導內蒙古地區大豆干旱災害防御提供理論參考。本文分析結果表明：低風險區位于興安盟偏西、通遼市偏西南、赤峰市大部、中部偏南大部地區，上述地區農業發達，水資源豐富，利于大豆產量、品質的提高，可在該區域大力發展大豆生產，擴大種植規模；對于呼倫貝爾市偏西北及西部部分地區的干旱高風險區，降水偏少、空氣干燥、灌溉成本較高，應適量減少大豆種植面積，改種其他相對耐旱的農作物品種或人工牧草等；干旱中風險區需大力發展灌溉農業，同時在大豆關鍵生育期加強干旱監測及預報，提高干旱防御能力。

圖7 內蒙古大豆干旱綜合風險區劃驗證Fig.7 Verified the integrated drought risk regionalization of soybean in Inner Mongolia

與已有的干旱風險分析研究相比，本文使用了社會經濟因素等相關資料，增加了第二次土地調查數據，多角度詮釋了干旱風險影響因子，包括地形、坡度、人口密度、人均GDP、人均農業生產總值等因素的影響，提高了風險的空間針對性和分辨率，對內蒙古地區大豆干旱災害的防災減災有一定參考作用；另外，本研究使用了歷年的災損及減產率數據對區劃結果進行驗證，從而更加切合內蒙古地區大豆因旱受損的實際情況，使區劃結果能夠有效應用于業務服務中，加強了氣象為農服務的實用性。自然災害風險分析理論和技術已被全面引入農業領域，但本研究中由于資料收集的局限性、自身研究水平等原因，對干旱災害風險的研究還需多方面的加強、完善；如干旱災情資料中的受旱面積包括各類農作物及牧草，出現多種災害的共同影響的年份等較為復雜的情況，導致大豆受災情況的有效數據不容易被篩選出來，影響風險區劃的精確性；干旱災害風險研究的時間尺度還需多樣化；指標的權重系數的依據還不夠充分，尚有待進一步的深入研究，需要通過試驗或業務來不斷進行驗證、優化。