辽西北地区农业干旱危险性评价与区划*

刘晓静，陈 鹏，刘家福

(吉林师范大学旅游与地理科学学院，四平 136000)

0 引言

自然灾害风险评价是避免或减少自然灾害损失的有效途径[1-2]，而自然灾害危险性评价是自然灾害风险评价的前提。区域某一灾害危险性的高低直接影响该区域在抵抗、防御该种灾害时的资源配置情况。辽宁省是我国13个粮食主产区之一，其中约50%的粮食耕种分布于辽宁省的西北地区。而干旱是影响辽西北地区作物生长的主要气象灾害[3]，对当地的农业生产和社会经济发展造成了极大的危害。因此，对辽西北地区进行农业干旱危险性的研究可以为该区域的观测部门及田间管理者提供防灾减灾决策依据，保障粮食安全，在实际生产中具有更重要的现实意义。

根据联合国国际减灾战略署(International Strategy for Disaster Reduction，UNISDR或ISDR)的定义，农业干旱危险性是指造成作物发生干旱的自然变异因素及其程度，主要包括作物干旱的致灾因子和孕灾环境[4]。近年来，国内外对农业干旱灾害的研究颇多，但都集中在分析、构建致灾因子指标评价区域的危险性，如Yamoah，C.F.(2000)采用标准化降水指数SPI分析了降雨量对干旱风险的影响[5]； 李阿龙[6](2016)认为农业干旱危险性仅由致灾因子构成，并利用SPI指数构建了河南省农业干旱危险性评价模型； 王杰[7](2013)等利用降水距平资料探讨了四川省夏季农业干旱危险性的空间分布特征； Liu Sun和Scott W.Mitchell[8](2011)等人采用降雨数据和主成分分析法对春小麦各生育期内的SPI、PDSI、Z-index进行了最佳组合，以多个干旱指数为指标评估了农业干旱的程度； 陈晓艺[9](2008)等利用安徽省78个气象台站1971—2006年逐日气象要素观测资料，以累积湿润指数为干旱指标分析了各地冬小麦发育期内干旱发生的风险度。这些研究都忽略了孕灾环境如土壤本身的持水能力等因素在农业干旱形成中的作用，且孕灾环境对作物受灾程度也具有不可忽视的影响。以辽西北地区为研究区，通过分析、选取导致研究区作物发生干旱的因子，利用层次分析法确定各因子的权重，进而建立研究区农业干旱危险性评价模型，完成辽西北地区农业干旱危险性分区。

1 研究材料与方法

1.1 数据准备

农业干旱危险性是由作物干旱致灾因子和孕灾环境共同决定的。致灾因子主要指降雨量，对于以雨养农业为主的辽西北地区来说，降雨是作物获得水分的主要来源。因此，降雨量的多少是决定玉米干旱发生及其造成灾害的严重程度的主要因子。对于研究区来说，农业生产类型、耕种地的地形和土壤类型是重要的孕灾环境。因此，研究收集了研究区23个气象站点1985—2009年4—9月的降雨数据、空间分辨率90m的数字高程DEM数据、土壤类型数据(空间分辨率1km)以及农业生产类型数据(空间分辨率300m)。数据主要来源于国家气象信息中心资料室、国际科学数据服务平台、国家自然科学基金委员会中国西部环境与生态科学数据中心以及欧洲太空总署GlobCover数据库。为了便于后期计算，利用GIS技术将上述数据重采样为1km的栅格数据。

1.2 研究区农业干旱危险性分析及其指标的建立

辽西北地区主要是指辽宁省西北6市——沈阳、朝阳、铁岭、葫芦岛、阜新、锦州，是辽宁省旱灾最为频发、最为严重的地区。研究以辽西北为研究区，分析了导致其作物发生干旱的致灾因子和影响其受灾程度的孕灾环境因子，并构建了相关指标。

1.2.1 致灾因子分析及其指标的构建

作物生长依靠根系从土壤中不断地吸收水分，而对于旱作地区来说，土壤中的水分主要来源于自然降水。辽西北地区光照充足，热量较好，但水分不足，气候干旱少雨。因此，气象干旱是农业干旱灾害发生的必要条件，而降雨量多少是决定气象干旱发生与否的根本指标。为了实现不同区域间干旱情况的对比，通常采用气象干旱指数衡量干旱程度。降水距平百分率是指某一时段的降水与多年该时段的降水平均值的偏离程度，是最常用的干旱表征指标之一[10]。因此，研究采用降水距平百分率作为研究区致灾因子指标，计算公式如下：

(1)

1.2.2 孕灾环境分析及其指标的构建

区域作物干旱的发生不仅与该地区气象要素直接相关，还与该地区的地貌特征、土壤类型等有关。

(1)坡度

辽西北地区地处辽西丘陵山地，地貌类型多样，包括山地、丘陵和平原，面积比例大体为27： 49： 24。坡度越大，地势越陡，地表径流越大，单位面积上的降雨量就越少，导致土壤有效水分流失越多。因此，同一降雨量，山地丘陵区域的土壤可获得并储存的水分少于平原区。对于拥有超过70%山地丘陵区域面积的辽西北地区来说，作物干旱发生的可能性就更高。

利用辽西北地区的DEM数据提取坡度因子。分析研究区的坡度可知，辽西北地区的坡度为0°～52°，根据国家级坡度分级标准，结合研究区实际情况，将研究区坡度分为6类，即0°～5°的平缓坡， 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。对难于量化的坡度等级采用分级赋值法进行处理，参考不同坡度对干旱发生的影响，即坡度越大，水分越不易停留在地表，越容易发生干旱； 反之，坡度越小，则该区域干旱越不易发生。具体赋值如表1所示。

(2)土壤类型

土壤类型与坡度一样是影响土壤含水量重要的环境因素。土壤是作物生长的“温床”，除了光以外，水分、养分绝大部分来自土壤，部分空气和热能也是通过土壤获取[11]。由辽西北地区土壤类型图(图1)可以看出，研究区的土壤类型主要有棕壤、草甸土、褐土、风沙土和黑土。阎莉[12](2012)对辽西北地区的土壤类型与因干旱造成的成灾率分布进行了分析，结果表明，受灾害影响严重的区域，沙漠化较为严重，土壤保熵能力弱。可见，土壤类型也是影响区域作物干旱灾害发生的较为重要的影响因素之一。

土壤类型决定了土壤的持水能力，不同的持水能力造成不同的土壤湿度。依据土壤保水、保肥及通透性的差异[13]，将辽西北地区的土壤类型按干旱灾害发生的可能性由高到低进行排名：风沙土>棕壤>褐土>草甸土>黑土。据此，对土壤类型进行分级赋值，如表2所示。

表1 坡度分级

表2 土壤类型分级

1.3 研究方法

研究在联合国国际减灾战略署ISDR对自然灾害危险性定义的基础上，运用GIS技术，采用层次分析法确定指标的权重，根据加权综合评价法、自然间断点分级法等方法，建立辽西北地区农业干旱危险性评价模型，依据干旱危险性指数进行等级区划。

1.4 危险性评价模型的建立

根据联合国国际减灾战略署ISDR对自然灾害危险性的定义，区域农业干旱危险性可表达为：

(2)

(3)

通过对研究区农业干旱危险性分析可知，研究区农业干旱危险性指标主要由降水距平百分率、土壤类型、农业生产类型和坡度共同构成，其中农业生产类型不参与计算，主要用于提取雨养型农作物。由于降水距平百分率与农业干旱危险性呈负相关，而土壤类型和坡度已被量化为与危险性呈正相关的指标，因此，采用式(3)对降水距平百分率进行标准化处理，即将其标准化为与危险性呈正相关的指标。

2 研究区农业干旱危险性评价与区划

以2009年为例，利用辽西北农业干旱危险性评价模型，计算研究区农业干旱危险性指数，通过自然间断点分级法将危险性指数分为4级，即低危险、中危险、高危险和极高危险，结果如表4所示。利用GIS技术，将辽西北地区农业干旱危险性等级绘制成图(图2)。

表4 辽西北农业干旱脆弱性等级

图1 辽西北地区土壤类型 图2 辽西北地区农业干旱危险性等级

整体来看，研究区作物干旱危险性呈现由北向南、由东至西升高的趋势。低危险、高危险和极高危险区域面积相等，约各占总面积的24%，中危险性区域占总面积的28%。其中，低危险性主要分布于沈阳市和阜新市，分别占到低危险性总面积的59%和23%，而朝阳市和葫芦岛市低危险性区域面积为0； 除朝阳市外，中危险性区域在各市均有分布，铁岭市占比最高，达到了36%，其次是葫芦岛市、锦州市、阜新市和沈阳市，分别占到了中危险性总面积的24%、19%、14%、7%； 沈阳市和铁岭市的高危险性总面积和仅达到2%，其余面积均匀分布在阜新、朝阳、锦州和葫芦岛4市； 超过89%的极高危险性集中分布于朝阳市，而铁岭市和沈阳市内没有极高危险性区域。由图2可以看出，除铁岭县和调兵山市外，铁岭市超过80%的作物处于干旱中危险性区域； 沈阳市约88%的作物遭受干旱威胁较低； 对于阜新市来说，低危险性主要集中在彰武县，高危险和极高危险面积集中分布于阜新蒙古族自治县的西部，超过了阜新市作物总面积的40%； 葫芦岛市和锦州市的作物主要处于农业干旱高危险和中危险区域，中危险性主要集中分布在绥中县、兴城市、北宁市以及凌海市南部； 朝阳市的作物约80%处于干旱极高危险区，另外20%则属于干旱高危险。总的来说， 2009年作物生长期间遭受干旱的威胁由高到低排列为：朝阳市>葫芦岛市>锦州市>阜新市>铁岭市>沈阳市。根据辽西北地区历史灾情资料可知[14]， 2009年该地区发生了严重夏旱，建平县北部、凌源市东南部、北票市西南部和朝阳县、龙城区及双塔区全部降水量均在100mm以下，为了应对当时各市干旱危险，朝阳、锦州、阜新等市将抗旱Ⅲ级响应提升至Ⅱ级，沈阳启动了抗旱Ⅲ级响应，这与研究的干旱危险等级区划结果相符。

3 结论与讨论

研究在联合国国际减灾战略署对自然灾害危险性定义的基础上，分析了影响研究区作物干旱危险性的致灾因子和孕灾环境因子，利用降雨、土壤、地形等资料建立了研究区农业干旱危险性评价模型，通过分级危险性指数对辽西北地区进行了区划研究。区域农业干旱危险性等级区的划分，能够帮助政府管理部门为面临干旱威胁不同的区域建立适当的防灾方法和有效的应急预案。研究是基于栅格尺度对研究区农业干旱危险性进行评价与区划，由于数据获取的限制，农业生产类型数据只获得了2009年的，因此研究只能以2009年为例评价和区划研究区农业干旱危险性，在研究的时效性上存在一定缺憾。但对于某一研究区域来说，在未发生大型地质灾害前，其干旱孕灾环境基本上是不变的，决定危险性高低的主要变量是致灾因子，即降雨数据，且该文研究重点是探讨辽西北地区农业干旱危险性评价模型的构建方法，因此研究成果的精度基本不受影响。