中国农业干旱灾害特征及成因分析
2022-06-01倪深海王亨力刘静楠
倪深海，王亨力，刘静楠，顾 颖
（1水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029；2南京水利科学研究院，南京 210029；3河海大学水文水资源学院，南京 210029）
0 引言
干旱灾害是全球发生频率最高、持续时间最长、影响面积最广的自然灾害之一[1]。在全球气候变暖和人类活动的影响下，全球最为严峻的灾害问题之一是干旱频繁发生[2]。中国位于亚洲季风气候区，东部濒临太平洋、西部深入亚欧大陆内部的海陆分布，呈西高东低、三级阶梯分布的地势格局，本质上决定了中国是世界上干旱灾害损失最严重的国家之一。
历史文献记载着干旱灾害发生的时间、持续季节、影响范围及严重程度等，是人们认识历史干旱灾害特征的主要途径。Libanda[3]研究了非洲赞比亚的干旱时空格局，Zhang[4]分析了美国2012年农业干旱严重程度，Carlos等[5]在考虑气候变化的条件下研究了气象、农业干旱特征。国内已有研究成果从气象记录或历史记录中，提取干旱次数或划分干旱等级等信息[6]，计算不同时间尺度干旱灾害指标，分析不同区域干旱特征及农业干旱灾害时空格局[7-10]。以上研究多数是采用气象数据开展干旱监测评估及演变规律研究，而采用完备的农业旱情旱灾统计数据研究农业干旱灾害特征却鲜见。
气候变暖及人类活动对农业干旱灾害发生频率、强度、范围和持续时间等产生影响，粮食生产对干旱的敏感性增强，国内干旱灾害的防灾减灾国家战略形势越发严峻。笔者以1949—2109年全国31个省级行政区（不含港、澳、台）具有完备的农业旱情旱灾系列统计资料，研究中国农业干旱灾害特征及演变规律，旨在为政府部门制定农业旱灾风险防控战略提供科学依据。
1 资料与方法
1.1 资料来源
收集整理1949—2019年中国的受灾面积、成灾面积、粮食产量和播种面积等系列数据，其中，1949—1990年旱情旱灾资料来源于《中国水旱灾害》[11]，1991—2007年旱情旱灾数据来源于《全国抗旱规划》[12]，2008—2018年数据来源于《中国水旱灾害公报》[13]，2019年数据来源于《中国水旱灾害防御公报》[14]，历年播种面积来源于《中国统计年鉴(2020)》[15]。
1.2 分析方法
受灾率是指因旱导致作物正常生长受到影响的受灾面积与播种面积的比值，成灾率是指在受灾面积中作物产量比正常年产量减产3成及以上的面积与播种面积的比值，因旱粮食损失率是指因旱导致粮食损失量与粮食正常年产量的比值。
因查阅全国1949—2019年统计资料时出现不同省（区、市）之间因旱粮食损失率数据精度不一及协调的困难，根据误差相对较小的全国历年受灾率、成灾率与因旱粮食损失率数据，通过建立全国因旱粮食损失率与受灾率、成灾率的回归方程，形成农业干旱灾害综合指标，见式(1)。农业干旱灾害综合指标是一项反映因旱粮食损失率的当量指标，应用干旱灾害综合指标进行各省（区、市）干旱年分析。
式中，L为干旱灾害综合指标值，%；Rdr为受灾率，%；Rdd为成灾率，%；a、b为系数。根据1949—2019年全国因旱粮食损失率、受灾率、成灾率资料，经回归计算，a=0.037，b=0.645，如式(2)。说明成灾率对因旱粮食损失率影响大，受灾率对因旱粮食损失率影响小。
首先根据全国及各省（区、市）农业干旱灾害综合指标系列，推求农业干旱灾害综合指标的经验概率分布，然后分别推得概率P为10%、25%、50%和75%相应的干旱灾害综合指标值L作为不同等级干旱灾害的划分标准，如表1，并通过典型年的实际旱情进行验证。依据此划分标准和干旱灾害系列资料可以得到1949—2019年全国及各省发生的农业干旱灾害年等级系列，分析全国农业干旱灾害发生时空特征。
表1 农业干旱灾害等级划分标准
2 农业干旱灾害时空演变特征
2.1 农业干旱灾害时间演变过程
2.1.1 农业干旱灾害演变总趋势 从图1中可以看出，1949—2000年全国农业干旱的受灾率、成灾率和因旱粮食损失率都呈现出增加趋势，其中，受灾率的增加速率为1.72%/10 a，成灾率的增加速率为1.26%/10 a，因旱粮食损失率的增加速率为0.61%/10 a。2000年以后，全国农业干旱的受灾率、成灾率和因旱粮食损失率都呈现出下降趋势。
图1 1949—2019年中国农业干旱灾害历史演变过程
2.1.2 代际间变化趋势 从中国农业干旱受灾率、成灾率代际间变化（图2）可知，20世纪50年代平均受灾率、成灾率和因旱粮食损失率分别为7.4%、2.4%和2.3%，到21世纪00年代平均受灾率、成灾率和因旱粮食损失率分别达到16.1%、9.3%和6.8%，分别是原来的2.2倍、3.9倍和近3倍，反映出中国农业干旱灾害从1949—2010年呈越来越严重趋势，干旱灾害已威胁中国粮食安全。
图2 中国农业干旱灾害年代特征
2.1.3 农业干旱灾害前10位的年份 前10位的干旱年中，包括1959—1961年影响全国的重旱年和特旱年（表2），1997年华北和西北地区的特旱年，2000—2001年北方地区和华东、华中地区的特旱年，相应的因旱粮食损失率分别达到11.5%和10.8%，排序分别为第1位和第2位。
表2 中国农业干旱灾害前10位排序表
2.2 农业干旱灾害空间分布特征
2.2.1 全国六大区空间分布 全国分为东北（辽宁、吉林、黑龙江）、黄淮海（北京、天津、河北、山西、山东、河南）、长江中下游（上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南）、华南（福建、广东、广西、海南）、西南（重庆、四川、贵州、云南、西藏）、西北（内蒙古、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆）地区等6区（不含港、澳、台）。由图3可知，1949—2019年的东北、西北和黄淮海地区多年平均受灾率较大，均超过15%，华南、西南和长江中下游地区受灾率较小，小于10%。由图4可知，1949—2019年的东北、西北和黄淮海地区成灾率较大，超过10%，华南、西南和长江中下游地区成灾率较小，低于5%。
图3 全国六大区受灾率
图4 全国六大区成灾率
2.2.2 省（区、市）空间分布 由省（区、市）受旱率、成灾率空间分布图（图5）可以看出，辽宁、吉林、内蒙古、河北、山西、陕西和甘肃等省（区）受灾较为严重，多年平均受灾率20%左右。辽宁、吉林、内蒙古、河北、山西、陕西、甘肃和宁夏等省（区）成灾较为严重，多年平均成灾率10%左右；其中，山西成灾最严重，成灾率达13.3%；其次为陕西，成灾率为12.5%。
图5 中国多年平均受旱成灾空间分布图
2.3 农业干旱灾害发生频率
图6结果表明，农业干旱灾害发生的频率在1949—2019年间全国发生轻旱以上的年份有55年，发生频率为77.5%；其中，发生重旱以上的年份为26年，发生频率为36.6%；发生特旱的年份有13年，发生频率为18.3%。反映出中国是一个干旱灾害频发的国家，平均1.3年就会有轻旱以上的干旱发生，平均每2.7年就会发生重旱以上干旱，平均每5.5年就会发生特旱。
图6 中国1949—2019年不同等级干旱年示意图
将1949—2019年系列年分为1949—1979年和1980—2019年2段来进行前后期比较。1949—1979年31年期间，全国发生重旱以上的有5年，发生频率为16.1%；平均约6年出现一次；1980—2019年40年期间，发生重旱级以上的有20年，发生频率为50%，平均约2年就发生一次重旱以上的干旱，这一时期发生重旱以上的频率是1979年以前的3倍，说明中国干旱灾害程度在加重，干旱灾害发生频率呈增加趋势。
3 农业干旱灾害成因
（1）气候变暖。气候变暖是影响农业干旱灾害最直接的要素，尤其以气温的变化最为关键。20世纪以来，中国地表年平均气温呈显著上升趋势，并伴随明显的年代际波动。1951—2019年，中国地表年平均气温呈显著上升趋势，增温速率为0.24℃/10 a[16]。1990—2019年是20世纪初以来的最暖时期，是农业干旱呈现增加趋势最主要原因。
（2）水土资源不平衡。中国径流深分布的总趋势是由东南沿海向西北内陆递减，并且与人口数耕地的分布不相适应。北方地区国土面积占全国的64%，人口约占60%，耕地约占50%，而水资源量仅占19%。水土资源时空分布不均、与耕地分布不适配的基本水情，加剧了北方地区的农业干旱灾害。
（3）人类活动导致下垫面改变。下垫面改变对农业干旱的影响体现在2个方面。一是通过不同土地利用类型之间的转换，改变原有的产汇流规律以及地表水、地下水和土壤水之间的天然转化方式，或者影响灌溉水量，进而影响土壤水分及作物吸水。对于雨养农业和以地下水为灌溉水源的灌溉农业可能造成或加剧农业干旱；对于以地表水为灌溉水源的灌溉农业，由于灌溉供水量增加可能对农业干旱起缓解作用。二是其他土地利用类型与农业用地之间转换或者农业内部种植结构改变，改变了农业生产规模和结构，可能会改变作物蒸腾，进而影响作物需水，从而在一定程度上使得农业干旱灾害更加严峻。
4 结论
（1）1949—2000年，中国农业受灾率、成灾率、因旱粮食损失率增加速率分别为1.72%/10 a，1.26%/10 a、0.61%/10 a，2001—2019年，农业干旱灾害呈逐步减缓的趋势，从代际间的变化过程来看，20世纪50年代的受灾率、成灾率和因旱粮食损失率分别为7.4%、2.4%和2.3%，21世纪00年代分别增加到16.1%、9.3%和6.8%。空间分布上，东北、西北和黄淮海地区受旱成灾较为严重，受灾率和成灾率均超过15%和10%；华南、西南和长江中下游地区受旱成灾相对较缓，受灾率和成灾率低于10%和5%。其中，山西、陕西、辽宁、吉林、内蒙古、河北、甘肃和宁夏等是受旱成灾较为严重的省区。
（2）农业干旱灾害发生的频率在1949—2019年间全国发生轻旱以上的年份有55年，发生频率为77.5%；其中，发生重旱以上的年份为26年，发生频率为36.6%；发生特旱的年份有13年，发生频率为18.3%。反映出中国是一个干旱灾害频发的国家。1980—2019年间发生重旱级以上的有20年，是1979年以前的3倍，说明中国干旱灾害程度在加重，干旱灾害发生频率呈增加趋势。
（3）气候变暖、水土资源不平衡及人类活动导致下垫面改变是农业干旱灾害加剧的主要原因。1951—2019年，中国地表年平均气温呈显著上升趋势，增温速率为0.24℃/10 a。水土资源时空分布不均，与耕地分布不适配的基本水情，加剧了北方地区的农业干旱灾害。人类活动导致下垫面的改变，对于雨养农业和以地下水为灌溉水源的灌溉农业可能造成或加剧农业干旱；对于以地表水为灌溉水源的灌溉农业干旱起缓解作用，土地利用类型与农业用地之间转换或者农业内部种植结构改变，可能会改变作物蒸腾，从而在一定程度上使农业干旱灾害形势更加严峻。
