黄淮海地区干旱分区研究

高 珊，陈 杰，许 朗

(南京农业大学经济管理学院，南京 210095)

全球变暖已成趋势，2013年联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出长期气候趋势呈现升温，1880-2012年全球气温平均升温0.85 ℃。气候变化改变了作物生长环境，有学者研究结果显示黄淮海地区2000年干旱面积相较于1963年有所增加，增加了黄淮海地区农业生产的不稳定。黄淮海地区是我国原始农业发展最早的地区之一，农田面积约为2.6 万km2，是我国重要的商品粮、棉、油、肉及水果生产基地。干旱分区对于地区旱灾风险管理，提高区域防灾能力建设具有重要意义。学者们也对此开展了探索性的研究工作，黄晚华等利用气象数据，选取气象因子、地形地貌因子以及干旱强度因子对南方地区进行三级干旱分区，反映不同干旱分区的季节性干旱特征[1]。常文娟等采用主成分分析法并选取流域地貌特征指数、多年平均干旱指数等指标，对云南省进行干旱分区的结果显示，滇东北是干旱易发区，滇西南是干旱少发区[2]。王栋等基于主成分聚类分析法，选用地形起伏度、多年平均干旱指数和P75%年降水量负距平百分率和年降水变差系数4个指标对云南省进行干旱自然分区，结论显示云南省中东部地区干旱易发程度高于西部地区[3]。

黄淮海作为粮食主产地区之一，学者们也基于不同角度展开了对黄淮海部分地区干旱特征的研究。欧真真分别选取地貌、降水等自然因素以及有效灌溉率、粮食单产等社会因素作为划分淮河流域干旱分区的指标，将淮河流域分为5个一级区和10个二级区，分析各区的农业干旱特征[4]。吴霞等利用黄淮海地区玉米生长期的降水量数据和玉米生产数据，分析玉米生长季干旱分布的时空特征，认为在玉米不同生长期中，各地区干旱频率和干旱强度呈现明显差异[5]。徐建文等构建湿润指数对黄淮海地区小麦生长季的干旱变化特征，结果显示春季和秋季干旱强度和频率较高，且4个季节中黄淮海地区干旱强度和干旱频率区域分布特征为由南向北递增[6]。

综上可知，关于地区干旱特征的研究区别主要包括两方面，一是分区指标体系构建的差异，二是分区方法的不同。上述研究中指标构建中主要基于气象干旱角度，较少综合作物生产数据以及社会经济因素，干旱分区指标体系还有待完善，研究方法有主成分分析以及聚类分析等。主成分分析法通过构造综合指标反映原始变量的信息的一种数学变换方法，但当主成分因子负荷的符号有正有负时，容易影响函数的评价意义。聚类分析按“物以类聚”原则研究事物分类的一种多元统计分析方法，它根据样本的多指标、多个观察样品数据，定量地确定样品、指标之间存在的相似性或亲疏关系，并据此联结这些样品或指标，归成大小类群，分类更具客观实际且结论形式简洁直观。聚类分析也分别在气候分区[7]、水文分区[8,9]、农业分区[10]等领域都有应用。黄淮海地区干旱特征的研究表明，黄淮海地区干旱存在区域差异，有必要对区域内干旱分布情况作进一步分析，以期减少干旱损失，发挥主产区优势。

黄淮海各区域的农田灌溉用水特征和管理方式所基于的自然和经济条件、农业的发展和布局都存在着明显的地域差异。因此，本文从农业干旱的角度，结合黄淮海地区的相关统计资料，定性分析(经验定性法)与定量分析(聚类分析法)相结合，从自然因素和社会因素两方面对地区内不同的水文地理条件、农业灾害的发生状况以及现有农田灌溉和生产状况进行研究分析，在此基础上构建分区指标体系将黄淮海地区划分为不同的干旱区，以便为后续调整抗旱措施的研究奠定基础。

1 干旱分区的指标体系建立

干旱分区是为了表现出农业干旱的地域差异，分区的原则需要明确反映出区域差异的基本法则。结合以往学者的归纳总结和研究区域特征，主要涉及自然因素和社会经济要素，具体而言黄淮海地区的干旱分区包含以下几个原则：自然地理条件一致性原则、资源禀赋条件一致性原则、农业灾害规律一致性原则、农业生产水平一致性原则。

根据上述干旱分区的原则，结合黄淮海地区统计资料的可得性，共筛选出对农业干旱分区产生重要影响的9个指标：全年降水量、地形地貌、农作物干旱受灾面积、耕地面积、农作物干旱成灾面积、有效灌溉耕地面积、粮食作物播种面积、农作物播种面积和粮食单产。其中前3项属于自然因素指标，地貌形态指标以相对高度为主；后6项属于社会因素指标，农作物干旱成灾面积和有效灌溉耕地面积主要用来反映区域的抗旱能力，耕地面积、粮食作物播种面积、农作物播种面积和粮食单产则主要来反映区域的农业生产情况。

黄淮海地区农业干旱分区指标体系具体如图1所示。

图1 黄淮海地区农业干旱分区指标体系Fig.1 Dividing index system of agricultural drought in Huang-huai-hai Region

2 干旱分区具体步骤和数据说明

2.1 干旱分区具体步骤

根据不同方法的适用性和研究需求，本文选取聚类分析方法进行黄淮海地区的农业干旱分区。在具体应用中，聚类分析方法被分为系统聚类法和K-均值聚类法两大类，系统聚类法又可进一步分为Q型和R型聚类两种。Q型聚类是使得特征比较相似的样本聚集在一起，分离开差异性较大的样本；R型聚类是使得比较相似的变量聚集在一起，分离开差异性较大的变量。K-均值聚类法效率较高，能够克服少量样本情况下聚类的不准确性，而且对于数值型的数据集更容易进行聚类，比较贴合研究样本数据特征，因此本文选用K-均值聚类法并采用SPSS 21统计软件按照黄淮海地区干旱分区指标体系进行聚类分析。

具体步骤如下：①根据黄淮海地区自然因素以及社会因素的不同，将研究区域的53市作为代表样点，在定性与定量基础上，利用系统聚类分析中的Ward分类法将样本分为5个初始类别。②在系统聚类指定5个类别的基础上，利用K-均值聚类的提供的初始聚类中心以及所有样本点到聚类中心的平方欧式距离(Euclidean Distanse)，将所有样本重新派分到中心点所在类中，重复迭代进行聚类，直到作为标准测度函数的均方差开始收敛为止。③对最终形成的聚类结果进行评估和分析。

2.2 数据说明

黄淮海地区的主体为由黄河、淮河与海河及其支流冲积而成的黄淮海平原(即华北平原)，以及与其相毗连的鲁中南丘陵和山东半岛，包括河北、河南、山东、安徽、江苏以及北京、天津等7个省市地区(安徽省与江苏省为淮河以北地区)。具体而言，本文选取了黄淮海地区的51个地级市和北京、天津2个直辖市，共53个地区作为研究区域。

为了保持数据的完整性，减少缺失值，样本窗口期选择为2017年，变量为黄淮海地区干旱分区指标体系中全年降水量、地形地貌、农作物干旱受灾面积、耕地面积、农作物干旱成灾面积、有效灌溉耕地面积、粮食作物播种面积、农作物播种面积和粮食单产共9个变量。其中，农作物成灾面积为成灾和绝收面积的总和计算，粮食单产为按照粮食播种面积计算所得。考虑到研究区域的地形地貌特点，确定将黄淮海地区分为山地区、丘陵区和平原区3种地貌形态。

样本数据主要来源于各个省市的经济或农村统计年鉴，部分数据来源于省级水利年鉴和中国区域经济统计年鉴。个别地区样本期的农作物受灾面积、农作物成灾面积、有效灌溉耕地面积的变量值缺失，以年鉴中有统计值的最近三年的平均值进行补充；耕地面积的变量缺失值，以年鉴中有统计值的最近一年的值进行补充；全年降水量的变量缺失值，则以距离最近两个市的平均值进行补充。

3 黄淮海地区农业干旱的分区结果

3.1 类别数的确定

K-均值聚类法需要人为设定聚类类别，为了避免指定聚类数的主观随意性，本文首先用系统聚类分析法进行聚类，然后根据聚类结果结合以往研究的实践经验进行调整确定，最后运用K-均值聚类结果进行讨论分析。在进行系统聚类分析时，类与类之间距离的计算方法选用离差平方和法(Ward法)，即同类间的离差平方和较小，而类与类之间的离差平方和较大；度量标准为区间-平方Euclidean距离；转换值标准化为全距从0到1。聚类分析得到树状图如图2所示。

根据图2可知，应用系统聚类时，较为适合的类别数为3类、5类和8类。由于类别太多时区域范围过小又不便于进行分析，类别太少时不容易区别不同类别间的差异性，因此在进行K-均值聚类分析时，类别数被设定为5类。

3.2 农业干旱分区变量描述与结果分析

3.2.1 农业干旱分区变量描述

根据黄淮海地区干旱分区指标体系，搜集、整理和统计相关变量可知(如表1所示)，黄淮海地区全年降水量均值为732.01 mm，地形地貌以平原为主，有效灌溉面积占耕地面积的比例为73.28%，农作物干旱受灾面积占农作物播种面积的比例为4.55%，农作物干旱绝收面积占农作物播种面积的比例为1.56%。这表明黄淮海地区虽然有一定的抗旱能力，但是农业干旱仍然对农业生产造成了相当程度的不利影响。

表1 农业干旱分区变量描述性统计Tab.1 Descriptive statistics of agricultural drought division variables

3.2.2 农业干旱分区结果与特征分析

(1)农业干旱分区结果。通过应用K-均值聚类法，依托51个地级市和2个直辖市2017年的样本数据，黄淮海地区的农业干旱分区情况如表2所示。

表2 黄淮海地区农业干旱分区情况Tab.2 Agricultural drought divisions in Huang-huai-hai region

由农业干旱分区情况可知，黄淮海地区内43.4%的样本城市处于轻旱区，7.5%的样本城市处于极轻旱区，22.6%的样本城市处于中旱区，15.1%的样本城市处于重旱区，11.3%的样本城市处于极重旱区。超过20%的样本城市处于重旱区和极重旱区，这表明黄淮海地区的农业水资源短缺状况仍然比较严峻。此外，部分沿海城市被划入到严重缺水区域，这主要是由于沿海城市通常位于流域的下游，流域上游水资源的高度开发利用加重了下游城市的农业干旱灾害状况。

表3为不同农业干旱区的统计情况，各分区农业干旱状况如下。

Ⅰ类中，该区域主要分布在黄淮海地区的西南部，地形为平原或丘陵，全年降水充沛，降水量在整个区域中最大，农作物播种面积和粮食播种面积也显著高于其他几个区域，是黄淮海地区农业生产的重要区域。尽管该区域的农作物受灾面积和绝收面积较大，但是在区域农作物播种面积中仅占比为1.63%和1.04%，与极重旱区的4.04%和1.89%相比，农作物受到干旱灾害的比例明显较小。这是由于降水量较为充足，同时由于地势较为平坦，土壤蓄水能力较强，因此该区域农业干旱状况最轻。

图2 系统聚类分析树状图Fig.2 System cluster analysis tree diagram

Ⅱ类中，该区域主要分布在黄淮海地区的北部、中部和东部，地形地貌以平原和丘陵为主，山地较少，部分区域濒临渤海和黄海。该区域全年降水量较为充沛，有效灌溉面积占耕地面积的73.98%，农业抗旱能力较强。该区域的农作物播种面积在整个地区中最少，农业水资源总需求量较少，因此农业干旱状况较轻。

Ⅲ类中，该区域主要分布在黄淮海地区的西北部和东南部，地形地貌以平原和山地为主。该区域的全年降水量在整个黄淮海地区较少，在五类分区中倒数第二位，仅高于极重旱区的全年降水量。较多的山地和较少的降水量，造成该区域土壤蓄水能力较弱，地表径流量较小，农业水资源短缺状况增加。但是，该区域有效灌溉面积占耕地面积的84.38%，农业干旱治理技术应用率在整个黄淮海地区最高，有效提高了农业水资源

表3 不同农业干旱区的统计情况Tab.3 Statistics of different agricultural drought regions

的利用效率，具备良好的农业抗旱能力。因此该区域农业干旱综合状况处于中度旱区。

Ⅳ类中，该区域的分布比较分散，在黄淮海地区的北部、西南部和东南部均有分布，地形地貌以平原和丘陵为主，山地占到区域的12.5%。该区域的全年降水量在整个黄淮海地区处于中等水平，有效灌溉面积占耕地面积的比例也超过了80%，但是农作物受灾面积占农作物播种面积的比例达到了6.03%，粮食单产在整个黄淮海地区的分区中也最低，这表明该区域的降水量空间和时间分布可能十分不均匀。因此综合看来该区域的农业干旱情况比较严重。

Ⅴ类中，该区域主要分布在黄淮海地区的西南部，地形地貌以平原为主，山地和丘陵范围基本相同，山地的区域占比在整个黄淮海地区的农业干旱分区中最大，为16.67%。该区域的全年降水量为540.58 mm，在所有农业干旱分区中最少。这表明该区域的降水量不足且土壤蓄水能力差。有效灌溉面积占耕地面积的比例为47.79%，在所有农业干旱分区中的比例最小，这表明该区域农业干旱的治理技术推广应用差，抗旱能力弱。因此，该区域的农业干旱情况与其他区域相比最为严重。

(2)不同农业干旱区的地形地貌与行政区划特征。由表4所示，不同农业干旱区中的地形地貌情况可知，在不同农业干旱区中，重旱区和极重旱区中山地的地形地貌比例显著高于轻旱区和极轻旱区，这表明黄淮海地区的地形地貌由平原向丘陵和山地过渡时，农业干旱情况也在随之不断加重。

从行政区划的角度看(如表5所示)，极轻旱区集中在河南省，轻旱区集中在山东省，中旱区分布比较均匀，在山东、河北、河南和江苏分布基本相同，重度区集中在河南、安徽和河北，极重旱区集中在河南和山东两省。由此可知，农业干旱最为轻度与最为严重的情况都集中于黄淮海地区中心区域的河南和山东两省。这表明河南和山东两省内的农业干旱情况在空间分布上差异较大，需要对不同地区进行农业抗旱的差异化管理。

4 结 语

综合以上分析可知，从农业干旱角度，干旱程度由轻到强可以将黄淮海地区分为5个区域，极轻旱区、轻旱区、中旱区、重旱区和极重旱区。全年降水量、地形地貌和耕地有效灌溉面积对于区域内的农业干旱情况有重要影响，地理位置越靠近内陆，地势越高农业干旱状况倾向越严重。从行政区划角度看，河南和山东两省内部的农业干旱情况在空间分布上存在较大差异。

表4 不同农业干旱区中的地形地貌情况Tab.4 Topographic and landforms in different agricultural drought regions

表5 农业干旱区在行政区域的分布情况Tab.5 Distribution of agricultural drought regions in administrative regions

因此，在黄淮海地区抗旱措施中可以从以下几点着手：第一，提高区域内的耕地有效灌溉面积，缓解旱情损失。具体措施包括增加小型农田水利的投资与管护，提高渠系水利用系数；同时总结水价综合改革试点县经验并推广实行，提高灌溉用水效率，促进农业节水，在水资源的约束下保证粮食生产。第二，对不同地区需要进行农业抗旱的差异化管理。河南和山东省域内干旱分布情况相差较大，比如对旱情严重地区增加相关抗旱项目补贴与投入，针对性开展季节性专题气象服务，及时向农户预报气象信息。第三根据区域内干旱程度对土地利用结构进行优化，尽量降低高耗水强度的建设用地面积占比，增加林地等生态用地的面积。