基于主成分分析的内蒙古干旱脆弱性评价研究

2021-01-15杨晓颖都瓦拉程佳蕊

草原与草业 2020年4期

杨晓颖，玉山*，，2，都瓦拉，刘洋，李旺，程佳蕊

(1.内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特 010022；2.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，呼和浩特 010022；3.中国农业科学院草原研究所，内蒙古呼和浩特 010010)

1引言

干旱是一种复杂多变的现象，其特征随地理和气候而显著变化[1]。作为一种反复发生的自然灾害，干旱很难识别、预测和减轻[2]。干旱对农业、畜牧业、水资源以及自然和社会生态系统都有许多负面影响[3]。干旱脆弱性是指在外界条件影响下，主体容易或倾向于受到干旱的影响或造成很大的损失的状态[4]。干旱脆弱性分析可以帮助决策者在干旱发生之前提前采取应对措施，为防旱、抗旱和减灾提供科学依据，因此研究干旱脆弱性对缓解干旱和制定措施有重大的意义[5]。近年来,国内外许多不同专业领域的学者根据所要实现的目标和所采用的方法对脆弱性进行了不同的研究[6～11]。在全球变暖的大背景条件下，气候系统异常引起的干旱越来越频繁，对生态系统和人类生产生活产生了强烈的影响，干旱损失逐年增加。内蒙古是我国重要的畜牧业生产基地，近些年发生的干旱灾害直接削弱了农牧业生产水平，降低了农牧民生活层次[12]。因此，本研究以内蒙古全区12个盟市为研究区，利用主成分分析法和加权综合评价法建立适宜于该区域的干旱脆弱性评价模型，结合GIS手段制定干旱脆弱性风险图，揭示内蒙古各盟市干旱脆弱性的空间分布格局，并探讨其影响因素，进而有针对性地为内蒙古干旱脆弱性风险提供科学的决策依据[13]。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

内蒙古位于我国北部边疆，地势由南向北、由西向东缓缓倾斜[14]。全区平均海拔高度大约为1000m左右，东北部约为700～1100m，西北部能达到1200m以上。坐落于蒙古高原南部，地势复杂，高平原约占全区总面积的53.4%。全区年均温在-4～8℃，年均降水量在50～450mm，蒸发量在1000～4000mm。内蒙古自治区从东到西在行政上依次为呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市、赤峰市、锡林郭勒盟、乌兰察布市、呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市、乌海市和阿拉善盟，全区总面积超过118万km2。

2.2 数据来源及指标体系构建

本研究所用的水资源数据来源于内蒙古自治区水利厅的《内蒙古自治区水资源公报2018年》，社会经济数据在《内蒙古统计年鉴2019》和内蒙古12盟市统计年鉴中查找获得。部分2018年数据缺失采用往年数据代替；气象数据选择的是2018年的降水数据，在气象局获得。研究指标的选择是本研究分析脆弱性的关键，评价指标体系构建的全面性在很大程度上决定结果是否合理准确[15]。根据对内蒙古自治区干旱情况了解，考虑其可能受到自然因素和社会经济因素的影响，在数据可以获取的前提下根据全面性、系统性和综合性，从水资源、经济、社会、农业和防旱抗旱能力5个准则层选取29个指标对内蒙古12个盟市构建干旱脆弱性评价指标体系[16]，详见表1。

表1 内蒙古干旱脆弱性评价指标体系

在水资源脆弱性方面选取了9个指标，干旱的严重程度取决于缺乏水分的程度、持续时间以及受影响地区的程度大小。干旱的影响通常首先表现在土壤水分的减少和高蒸散发。地表水和地下水资源密度、年降水量以及生态用水占用水总量的比值都为负向指标，这些指标值反应水资源量越大，其相对的干旱脆弱性就越低。人均水资源量和用水量、农业、工业和生活用水占用水总量的比值反应水资源量越小，干旱脆弱性就越高[17]。在经济脆弱性方面选取了5个指标，5个指标均为负向指标，说明这些指标值越高经济能力越好，发生干旱时应对能力就强，干旱脆弱性也会越低[18]。在社会脆弱性方面选取了6个指标，其中粮食人均占有量为负向指标，人均粮食越多抵抗干旱发生后造成的损失的能力越强，干旱脆弱性就越低；其余为正向指标，人口密度和乡村人口比例反应人数越多，对资源需求就大，城镇化明显，对干旱脆弱性越大。在农业脆弱性方面选取了4个指标，其中旱地占耕地面积这个为正向指标，比值越大该地区旱地越多，干旱脆弱性也越大；农作物总播种面积、秋收粮食产量和大牲畜年末存栏数都为负向指标，说明这些指标越高在农业生产方面抵御干旱的能力也越强，干旱脆弱性也会越低。在防旱抗旱能力脆弱性方面选取了5个指标，都为负向指标，这些指标越高说明发生干旱后的恢复能力越强，对干旱脆弱性风险也越低[19]。

2.3 研究方法

2.3.1数据标准化处理

因为选取的指标数据量纲都不统一，进行评价时没有可比性，所以这里采用极差法标准化对数据进行去量纲处理，统一取值范围[0,1]。根据选取的指标对干旱脆弱性的影响可分为正负向[20]。正向指标与干旱脆弱性呈正相关关系，指标值越大脆弱性越大，证明越容易受到干旱影响；负向指标与干旱脆弱性呈负相关关系，指标值越大脆弱性越小，证明不容易受到干旱影响[21]。

正效应指标标准化方法为：

Xij=(xij-Min xij)/(Max xij-Min xij)

(1)

负效应指标标准化方法为：

Xij=(Max xij- xij)/(Max xij-Min xij)

(2)

在式(1)和式(2)里，Xij是标准化后的数据；xij是第i个盟市的第j项评价指标；Max xij和Min xij分别是第j项评价指标的最大值和最小值。在数据处理后Xij在[0,1]之间，Xij越趋于1表明该值对干旱脆弱性贡献越大；反之，则越小[22]。

2.3.2指标权重的确定

采用主成分分析法确定权重，具体过程为：对标准化之后的指标数据使用SPSS 22软件做主成分分析，将所得到的29个指标的特征值、贡献率和累计贡献率筛选(表2)，根据主成分性质[23]选择前7个主成分来代替原来的29个原始变量，各项指标的权重见表1。

表2 干旱脆弱性特征值、贡献率和累计贡献率

2.3.3加权综合评价法

加权综合评价法[24]的中心思想是从脆弱性的成因来建立干旱脆弱性评价模型，计算内蒙古12个盟市各地区干旱脆弱性指数Y，Y的值越大说明风险的影响越大，反之，说明风险的影响越小。计算公式为：

(3)

式中，Y为干旱脆弱性综合评价指数；Wi为指标数据的权重，该值根据主成分分析法来确定；Xij为指标标准化后的值。

根据加权综合评价法建立模型后，可得到各准则层和干旱脆弱性综合评价的得分及其排名。

水资源脆弱性：

Y1=0.0577X1+0.0238X2+0.0043X3+0.0551X4+0.0031X5+0.0075X6+0.0219X7+0.0445X8+0.0099X9

(4)

经济脆弱性：

Y2=0.0247X10+0.0091X11+0.0505X12+0.0197X13+0.0592X14

(5)

社会脆弱性：

Y3=0.0192X15+0.0198X16+0.0305X17+0.0515X18+0.0225X19+0.0651X20

(6)

农业脆弱性：

Y4=0.0666X21+0.0709X22+0.0568X23+0.0249X24

(7)

防旱抗旱能力脆弱性：

Y5=0.0607X25+0.0591X26+0.0049X27+0.0197X28+0.0592X29

(8)

3 结果与分析

通过对内蒙古12个盟市5个子系统29个指标数据进行处理、计算，基于ArcGIS 10.2软件对其进行空间分析及区划，将所求得指标层的权重系数与其对应的指标标准化数值相乘，得到每个指标的栅格图层，再依据二级评价指标对栅格图层进行叠加[25]。采取自然断点法将上述数据重分类为5个等级，依次为低等级区、次低等级区、中等级区、次高等级区和高等级区，得到内蒙古干旱脆弱性分析结果。

3.1 水资源脆弱性评价与区划

内蒙古水资源脆弱性的低等级区主要位于呼伦贝尔市，次低等级区主要位于兴安盟和通辽市，中等级区主要位于阿拉善盟和巴彦淖尔市，次高等级区位于鄂尔多斯市、锡林郭勒盟和赤峰市，高等级区是呼和浩特市、包头市和乌兰察布市(图1)。

由表3可以看出，水资源乌兰察布市的脆弱性最高，呼伦贝尔市的脆弱性最低。由主成分分析法计算的指标权重可知，自治区12个地区水资源脆弱性影响最大的是地表水资源密度。由《内蒙古自治区水资源公报2018年》得知，乌兰察布市地表水资源量较小(2.46×108m3)，人均用水量和居民用水量相对也较高，所以水资源脆弱性最高；呼伦贝尔市地表水资源量和地下水资源量在12个盟市中最大，分别为238.1×108m3、74.73×108m3，2018年降水量也最高，水资源丰富，因此水资源脆弱性最低；阿拉善盟地表水资源量仅为0.37×108m3，地下水资源量5.78×108m3，但其近几年生态补水量较大(包括从黑河调水)，改善了水资源脆弱性，位居第四；乌海市、包头市、呼和浩特市为水资源脆弱性高等级区，主要原因在于近几年经济快速发展工业用水占比较高。

表3 内蒙古干旱脆弱性综合得分及排名

3.2 经济脆弱性评价与区划

内蒙古经济脆弱性的低等级区主要位于赤峰市，次低等级区主要位于呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和巴彦淖尔市，中等级区主要位于锡林郭勒盟，次高等级区位于包头市、鄂尔多斯市、乌海市和乌兰察布市，高等级区是阿拉善盟和呼和浩特市(见图2)。

从表3看出，经济脆弱性最高是呼和浩特市，最低的是赤峰市。对比经济脆弱性指标权重可知，指标影响最大的是农林牧渔业生产总值占地区生产总值比重，其权重系数最高；第一产业增加值占地区生产总值比重权重系数仅次于上一个指标。从《内蒙古统计年鉴2019》可知，赤峰市农林牧渔业生产总值占地区生产总值比重最高达到5.16%，第一产业增加值占地区生产总值比重19.7%，相对较高，因此赤峰市脆弱性最低。呼和浩特市2018年人均地区生产总值指数仅次于呼伦贝尔市，位居全区倒数第二，第一产业所占比重也较小，所以经济脆弱性最高。

3.3 社会脆弱性评价与区划

内蒙古社会脆弱性的低等级区主要位于呼伦贝尔市，次低等级区主要位于巴彦淖尔市，中等级区主要位于阿拉善盟、兴安盟和通辽市，次高等级区位于呼和浩特市、鄂尔多斯市、乌海市、锡林郭勒盟和赤峰市，高等级区是乌兰察布市和包头市(见图3)。

从表3看出，社会脆弱性乌兰察布市最高，最低的是呼伦贝尔市。分析社会脆弱性指标权重可知，粮食人均占有量权重最高，城乡居民消费差距指数次之，所以这两个指标对社会脆弱性影响较大。呼伦贝尔市2018年全市粮食人均占有量为2773.21kg,居全区第二。城乡居民收入差距指数其权重系数为0.0515，相对较高，对社会脆弱性影响也很大。乌兰察布市城乡居民收入差距指数为2.07，在全区很高。乌兰察布市恩格尔系数在全区最大，所以社会脆弱性最大。

3.4 农业脆弱性评价与区划

内蒙古农业脆弱性的低等级区主要位于呼伦贝尔市和通辽市，次低等级区主要位于赤峰市，中等级区主要位于巴彦淖尔市和兴安盟，次高等级区位于呼和浩特市、鄂尔多斯市、乌兰察布市和锡林郭勒盟，高等级区是阿拉善盟、乌海市和包头市(见图4)。

农业脆弱性最高的是乌海市，最低的是呼伦贝尔市(见表3)。分析权重值可知，秋收粮食产量和农作物总播种面积的权重值较高。通过年鉴可知，呼伦贝尔市秋收粮食产量为701.4万t，农作物播种面积也达到全区最高(1894.25千hm2)，因此脆弱性最低；乌海市的农业脆弱性所有指标值都较低，秋收粮食产量仅为3.62万t，大牲畜年末数全区最少(0.69万头)，所以农业脆弱性最高；阿拉善盟脆弱性较高主要是农作物播种面积最少，秋收粮食产量和大牲畜存栏数较低，该系数越低说明农业生产抵御干旱的能力越低，干旱脆弱性也就越高。

3.5 防旱抗旱能力脆弱性评价与区划

内蒙古防旱抗旱能力脆弱性的低等级区主要位于通辽市，次低等级区主要位于赤峰市，中等级区主要位于兴安盟、巴彦淖尔市和呼伦贝尔市，次高等级区位于呼和浩特市、鄂尔多斯市、锡林郭勒盟、包头市和乌兰察布市，高等级区是阿拉善盟和乌海市(图5)。

防旱抗旱能力脆弱性最高的是阿拉善盟，最低的是通辽市(见表3)。对比指标权重值可以知道，单位面积农业机械总动力、农用化肥施用量对防旱抗旱能力脆弱性影响较大。阿拉善盟在防旱抗旱方面的主要原因是农业机械总动力较低、单位面积水库库容量较其他地区偏低。通辽市农业机械总动力在全自治区最高(637万千W)，有效灌溉面积占播种面积的44%，这些指标值越高脆弱性越低，因此通辽市防旱抗旱能力脆弱性最低。

3.6 干旱脆弱性评价与区划

内蒙古干旱脆弱性的低等级区主要位于呼伦贝尔市，次低等级区主要位于通辽市，中等级区主要位于赤峰市、兴安盟和巴彦淖尔市，次高等级区位于巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、锡林郭勒盟、呼和浩特市和阿拉善盟，高等级区是乌兰察布市、包头市和乌海市(图6)。

从内蒙古12个盟市的干旱脆弱性综合评价结果可知，乌海市干旱脆弱性最高，其对应水资源脆弱性、社会脆弱性和防旱抗旱能力脆弱性也相对较高。乌海市呈现高脆弱性的原因是其常年少雨，处于毛乌素沙地与乌兰布和沙漠、库布其沙漠之间。包头市干旱脆弱性较高，其主导因素是社会脆弱性较高，人口密度占全自治区第三。乌兰察布市为高脆弱区的原因是其水资源脆弱性较高，是因为人口资源集中，用水量都比较大。阿拉善盟、呼和浩特市、锡林郭勒盟和鄂尔多斯市等为次高脆弱性地区，原因是他们水资源、防旱抗旱能力脆弱性都较高，抵御干旱风险能力较弱。赤峰市和通辽市等中东部地区干旱脆弱性偏低，其水资源、经济、农业等脆弱性都比较低，所以其干旱风险较低。呼伦贝尔市的地理位置好，水资源丰富，经济比较发达，因此其脆弱性最低。