不同流域下農業干旱和水文干旱的影響、變化及成因

何劉鵬，仝亮

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理和水安全重點實驗室（籌），河南 鄭州 450003）

1 引言

干旱是由長期缺水引起的自然災害，由于干旱發生過程緩慢，因此干旱與洪水和其他自然災害有根本區別。盡管干旱發展緩慢，但干旱對區域的生態、水文和經濟情況的影響較大，并且干旱發生結束后造成的影響需較長時間恢復。在全球氣候變化的背景下，干旱事件的頻率和強度均在一定程度下有所增加。社會的發展和人口數量的增加，工業和農業對水資源的需求量也隨之增加。因此，有必要了解在不同時空尺度上干旱的成因、變化特征和傳遞規律。

根據氣象、水文、土壤和社會系統缺水情況的不同，干旱一般可分為氣象干旱、水文干旱、農業干旱和社會經濟干旱。水文干旱可以解釋為在一段時期內，水資源（地表和地下）存在不足的情況。農業干旱通常與土壤水分有關，同時可能影響作物產量。目前，一些研究使用單一干旱指數來描述干旱特征。例如：利用農業干旱指數（self-calibrating Palmer Drought Severity Index）分析不同時間尺度下的干旱與植被動態的關系；利用氣象干旱指數，分析不同流域的植被對干旱的敏感程度；分析渭河流域水文干旱的產生機制和變化特征；利用氣象干旱指數和水文干旱指數（standardized runoff index），分析中國不同氣候區域從氣象干旱向水文干旱的傳播規律和特性。

農業干旱的發生可能引起當地的水文干旱，而不同流域和不同季節干旱的傳播也存在差異。探究長時間序列的干旱特征變化也更有利于揭示干旱的變化趨勢。分析不同干旱的成分，則有利于揭示干旱變化規律的內在機制。因此，研究分析中國不同季節的流域水文干旱對農業干旱的響應特征，旨在揭示干旱傳播規律；探究百年長時間序列的水文和農業干旱變化，旨在分析探究干旱變化特征的可靠規律；分析水文和農業干旱的成因，旨在揭示干旱的形成機制。

2 材料與方法

2.1 研究區域

中國位于亞洲的東部（3°51N～53°34N，73°29E～135°04E），土地和海洋面積分別約為9.63 ×106km2和3.00 ×103km2。中國地勢西高東低，包含高原、盆地、丘陵和平原等地形，主要的高原包括：內蒙古高原、黃土高原、云貴高原和青藏高原；主要的平原包括：東北平原、華北平原、長江中下游平原；主要的盆地包括：塔里木盆地、準噶爾盤底和四川盆地；中國河流水系分布密集，主要的河流包括松花江、遼河、海河、黃河、淮河、長江、錢塘江、閩江、珠江雅魯藏布江、金沙江、怒江、塔里木河和疏勒河；主要的流域包括：松遼河流域（Ⅰ）、海河流域（Ⅱ）、黃河流域（Ⅲ）、淮河流域（Ⅳ）、長江流域（Ⅴ）、東南諸河（Ⅵ）、珠江流域（Ⅶ）、西南諸河（Ⅷ）和內陸河（Ⅸ），如圖1。

圖1 研究區域概況圖

2.2 數據來源

此研究的地表徑流模擬數據（GRUN）由蘇黎世聯邦理工學院（ETH）的大氣和氣候科學機構提供。GRUN數據集利用隨機森林算法和實測徑流數據模擬全球1902-2014年的徑流數據變化。同時該數據集模擬的結果優于目前其他的13個最先進的全球水文模型徑流模擬的結果。GRUN數據集的時空分辨率分別為1個月尺度和0.50 °×0.50 °，長時間序列為1902-2014年；描述農業干旱的自相關帕米爾干旱指數（scPDSI）由英國東英吉利大學的氣候研究中心提供。CRU TS4.04 版本的scPDSI數據集的時空分辨率與GRUN數據集相同，分別為1個月尺度和0.50 °×0.50 °，長時間序列為1901-2019年；土壤濕度數據由歐洲再分析數據（ERAI）的氣候數據接口（CDL）的1.6.9版本。該數據集的時空分辨率分別為1個月尺度和1.25°×0.94°，長時間序列為1979-2014年。研究選取0～1m深度土層的土壤含水量，因為scPDSI同樣應用0～1m深度土層的土壤含水量進行計算。利用雙線性插值將土壤含水量分辨率處理成0.50 °×0.50 °，與其他數據集的空間分辨率一致；降水和潛在蒸散量數據由英國東英吉利大學的氣候研究中心提供。降水和潛在蒸散發數據的時空分辨率分別為1個月尺度和0.50°×0.50°，選取與土壤含水量數據集時間序列一致的1979-2014年。

2.3 干旱指數計算

水文干旱指數SRI的計算方法是將時間序列的徑流數據利用對數正態分布標準化處理。農業干旱指數scPDSI定義的干旱在數月或數年內，水分供應持續低于氣候上所期望的水分供給。計算時利用水量平衡原理，同時考慮到區域的降水、潛在蒸散發和土壤含水量因素變化，之后計算出水分距平指數，在此基礎上增加持續因子的影響，最終得到干旱指標。SRI和scPDSI的數值越小則表示該地區相對干旱程度越大，反之干旱程度越小。根據袁超等和Van等的研究，對SRI和scPDSI的干旱級別進行劃分，見表1。

表1 水文干旱和農業干旱的干旱級別表

2.4 干旱的響應程度

研究利用1902-2014年的SRI和scPDSI分析水文干旱對農業干旱的響應的程度。由于時間序列較長，通過計算SRI和scPDSI在不同季節的相關系數，可以較準確的計算出不同季節水文干旱對農業干旱的響應關系。因此研究利用皮爾遜相關系數確定干旱的響應程度。不同季節定義月份分別為：春季（3-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月）和生長季（3-10月）。

式（1）中：Rxy是變量x與y之間的相關系數，n是變量時間序列的個數，x是scPDSI的時間序列的平均值，yi是SRI的第i個時間序列的值。

2.5 干旱歸因分析

研究利用Lindeman-Merenda-Gold（LGM）方法量化自然驅動因素影響干旱的相對重要程度。該方法避免了回歸變量的順序效應，量化了解釋變量的相對重要性。因此，LMG方法可以量化降水、潛在蒸散量和土壤含水量在不同流域對水文和農業干旱的影響程度。由于土壤濕度的時間序列為1979-2014年，因此只分析1979-2014年之間水文和農業干旱的驅動因素。

3 結果

3.1 水文干旱對農業干旱的響應關系

通過圖2可以看出，夏季、秋季和生長季的水文干旱對農業干旱的響應關系空間分布較為相似，均為中國東北部、中部和南部有較高的相關系數；春季中國南部的水文干旱對農業干旱的響應程度較高，東北和西北部響應程度較低。因此，在中國東北部，夏季、秋季和生長季的響應關系較強，但在春季的響應關系較弱。

圖2 不同季節水文干旱對農業干旱的響應程度圖

通過圖3可以看出，不同流域的夏季、秋季和生長季的水文干旱對農業干旱的響應關系數值分布同樣較為相似。春季的淮河、長江、東南諸河和珠江流域的響應關系較強，相關系數主要分布在0.50 ～0.70 之間；松遼、海河、黃河和西南諸河流域的響應關系較弱，相關系數主要分布在0.10 ～0.50 之間；內陸河的相關關系最弱，相關系數主要分布在0.20 ～0.30 。夏季、秋季和生長季的海河和淮河流域的響應關系最強，主要分布在0.65 ～0.75 之間；松遼、黃河、長江、東南諸河和珠江流域的響應關系較強，主要分布在0.50 ～0.70 之間；西南諸河的響應關系較弱，主要分布在0.40 ～0.60 之間；內陸河的響應關系最弱，主要分布在0.20 ～0.45 之間。因此可以看出，松遼、海河和黃河流域在春季的水文干旱對農業干旱的響應程度較低，在夏季、秋季和生長季的響應程度較高。中國東北和華北地區由于春冬季的溫差較大，且冬季的積雪在春季融化形成融雪徑流。Ding等的研究表明，東北和華北地區的春季融雪徑流的過程較為復雜，且影響干旱的傳播過程。因此，松遼流域和海河流域春季的水文干旱對農業干旱的響應關系弱于其他季節，可能由于春季融雪徑流影響從農業干旱向水文干旱的傳遞過程。

圖3 不同流域在不同季節的水文干旱對農業干旱的響應程度圖

3.2 水文干旱和農業干旱趨勢變化

此研究選取干旱風險較高的松遼流域、海河流域、黃河流域和內陸河作為分析干旱長時間序列變化的區域。從圖4可以看出，不同流域的不同農業干旱頻率從高到低依次為輕度干旱、中度干旱、重度干旱和極度干旱。松遼流域農業的輕度、中度、重度和極度干旱頻率在1902-1960年呈現降低趨勢，在1931-2014年的呈現增加趨勢；海河流域農業的輕度和中度干旱頻率在1902-1930年呈現降低趨勢，在1931-2014年呈現增加的趨勢。海河流域農業的重度干旱頻率在1902-1990年呈現降低趨勢，在1961-2014年呈現增加趨勢。海河流域農業的極度干旱頻率在1902-2014呈現降低趨勢。在1902-2014年間，海河流域農業的輕度、重度和重度干旱頻率總體上均呈現增加趨勢，極度干旱呈現降低趨勢；黃河流域農業的輕度、中度、重度和極度干旱頻率在1902-2014年均呈現增加趨勢；內陸河農業的輕度干旱頻率在1902-1960呈現增加趨勢，在1931-1960年呈現相對穩定不變趨勢。內陸河農業的中度、重度和極度干旱頻率在1902-1990年呈現增加趨勢，在1961-2014年呈現降低趨勢。在1902-2014年間，內陸河農業的輕度、重度和重度干旱頻率總體上均呈現先增后減的趨勢。

圖4 1902-2014年不同流域農業干旱頻率的變化趨勢圖

從圖5可以看出，松遼流域、黃河流域和內陸河的不同水文干旱頻率從高到低依次為重度干旱、中度干旱、重度干旱和極度干旱，海河流域的不同水文干旱頻率從高到低依次為：中度干旱、輕度干旱、重度干旱和極度干旱。1902-2014年，松遼流域、海河流域、黃河流域和內陸河的水文輕度干旱頻率均呈現相對穩定不變的趨勢，水文極度干旱均呈現增加趨勢。1902-2014年，松遼流域、黃河流域和內陸河的水文中度干旱頻率均呈現增加的趨勢，海河流域的水文中度干旱頻率呈現相對穩定的不變趨勢。1902-2014年，海河流域、黃河流域和內陸河的水文重度干旱頻率均呈現增長的趨勢，松遼流域水文重度干旱在1902-1990年和1991-2014年分布呈現降低和增加的趨勢。

圖5 1902-2014年不同流域水文干旱頻率的變化趨勢圖

3.3 水文干旱和農業干旱的歸因分析

通過圖6可以看出，黃河流域、海河流域的水文干旱首要驅動因素為土壤濕度。松遼流域北部的水文干旱首要驅動因素為降水，東南部的首要驅動因素為參考作物蒸散量，中部的首要驅動因素為土壤濕度。內陸河中部的水文干旱首要驅動因素為降水，北部和南部的首要驅動因素為土壤濕度。長江流域、淮河流域、東南諸河和珠江流域的水文干旱的首要驅動因素為參考作物蒸散量。西南諸河的南部和西部的水文干旱首要驅動因素為土壤濕度，中部為參考作物蒸散量；松遼流域、海河流域、黃河流域、長江流域、淮河流域、東南諸河、珠江流域和西南諸河的農業干旱首要驅動因素為土壤濕度。內陸河北部和西南部的農業干旱首要驅動因素為參考作物蒸散量，東南部的首要驅動因素為降水，中部和東部的首要驅動因素為土壤濕度。

圖6 不同流域影響水文干旱和農業干旱的主要驅動因素圖

從圖7可以看出，松遼流域、海河流域、黃河流域、長江流域、淮河流域、東南諸河、珠江流域和西南諸河的土壤濕度對農業干旱的相對重要程度主要分布在0.50 ～0.90 之間，降水和參考作物蒸散量的相對重要程度主要分布在0.05 ～0.30 之間。內陸河的降水、參考作物蒸散量和土壤濕度驅動因素對農業干旱的相對重要程度主要分布分別在0.20 ～0.45 、0.10 ～0.20 和0.35 ～0.60 之間；松遼流域和內陸河的降水、參考作物蒸散量和土壤濕度驅動因素對水文干旱的相對重要程度主要分布分別在0.10 ～0.35 、0.15 ～0.45 和0.25 ～0.60 。海河流域和黃河流域的降水、參考作物蒸散量和土壤濕度驅動因素對水文干旱的相 對 重 要 程 度 主 要 分 布 分 別 在0.20 ～0.45 、0.05 ～0.20 和0.40 ～0.65 。淮河流域、長江流域、東南諸河和珠江流域的降水、參考作物蒸散量和土壤濕度驅動因素對水文干旱的相對重要程度主要分布分別在0.45 ～0.85 、0.05 ～0.20 和0.10 ～0.35 。

圖7 不同流域環境因素對干旱的相對重要程度圖

4 結論

夏季、秋季和生長季的水文干旱對農業干旱的響應關系空間分布較為相似，春季的融雪徑流導致松遼流域和海河流域水文干旱的響應程度與其他季節不同。在南方流域（長江、淮河、東南諸河和珠江流域），水文干旱對農業干旱的響應程度較高，在北方流域（黃河和內陸河流域）干旱的響應程度較低。

在松遼、海河、黃河和內陸河流域，1902-2014年不同等級的農業干旱頻率從高到低依次為：輕度、中度、重度和極度干旱，水文干旱頻率從高到低依次為：重度、中度、輕度和極度干旱。在1902-2014年，不同等級的農業干旱頻率總體上呈現增加的趨勢，水文干旱頻率總體上呈現保持穩定不變的趨勢。

不同流域的農業干旱的首要驅動因素均為土壤濕度。中國南方流域（長江、淮河、東南諸河和珠江流域）的水文干旱首要驅動因素為參考作物蒸散量，黃河、海河和西南諸河流域的水文干旱的首要驅動因素為土壤濕度和參考作物蒸散量，松遼河流和內陸河流域的首要驅動因素為降水和土壤濕度。