宁夏农业干旱风险评估与区划

郑方　马力文

摘要 基于灾害风险评估理论，从孕灾环境脆弱性、致灾因子危险性、承灾体暴露度和防灾减灾能力4个方面入手，选取了主要气象因子、土壤水分、作物单产等作为指标因子，利用GIS空间插值、栅格计算器等功能，生产各类专题图层，利用层次分析法最终生成农业干旱综合风险区划专题图。结果表明：宁夏农业干旱风险具有南北低、中部高的特征，低风险区主要分布在引黄灌区大部和南部山区环六盘山海拔较高的区域;中度风险区在引黄灌区与中部干旱带的交界地带、贺兰山沿山灌水不足的地区;高度风险区主要分布在中部干旱带，呈“工”字形分布;极高风险区分布在中部干旱带的东西两侧旱地为主的区域。

关键词 农业干旱;灾害风险;评估;区划

中图分类号：S423 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）06–0152–04

宁夏地处西北地区东部的气候敏感带上，降水少且季节分配、区域分布不均，干旱发生范围大、持续时间长、危害作物种类多。干旱主要发生在宁夏南部山区和中部干旱带，包括原州区、西吉、隆德、泾源、彭阳、海原、同心、盐池、中卫市、吴忠市的山区。随着气候变暖，黄河上下游供水矛盾逐渐突出，加上城市发展和工农业用水矛盾的加剧，引黄灌区和扬黄灌区因灌溉量、灌溉时间受限而发生干旱的情形也越来越严重。干旱灾害是宁夏自然灾害中最常見、影响范围最广、损失最大的一种自然灾害[1]。1949—2010年，发生干旱44 a，其中轻旱25 a，重旱10 a，特大旱9 a。期间共发生春旱43 a，夏旱37 a，秋旱28 a，阶段性干旱几乎年年都会发生。季节性连旱也很普遍，春夏连旱最多，秋春夏连旱影响最大，受旱严重地区干旱持续时间长达300 d以上。61 a来，干旱造成的直接经济损失以504万元/10 a速度递增。因此，加强宁夏干旱灾害风险评估与区划具有重要的现实和战略意义。

很多学者在干旱评估方面做了大量研究，从不同角度系统地研究了区域旱灾的演变规律[2-9]。张学艺等[10]利用区域站资料和ArcGIS技术，综合考虑孕灾环境、致灾因子、承灾体和抗灾能力，开展了海原县干旱灾害风险区划。李阳等[11]利用彭阳县气象、地形、土壤类型等数据对彭阳县玉米干旱灾害进行了风险评估与区划。宁夏干旱风险发生概率较低的区域主要集中在宁夏的引黄灌溉区，灌溉条件对降低干旱风险起到很大的作用，中部干旱带风险较大[12-14]。陕西省和甘肃省也做过相似研究，但基于面上土壤水分监测数据的干旱风险评估目前还较少，引入土壤湿度因子后区划更加科学[15-16]。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用数据包括地理信息资料、气象资料、社会资料、产量资料，气象资料包括宁夏境内（县）23个大气监测站1981—2010年逐日降水资料，来源于宁夏气象局信息中心。地理信息资料包括宁夏行政边界、经纬度、DEM高程等，精度为1：50 000，来源于中国气象局下发的地理信息数据集。全区111套农田小气候站中的土壤湿度监测值来源于宁夏气象局信息中心。社会资料包括各乡镇经纬度信息、海拔高度和产量资料。其中，经纬度、海拔高度信息来源于地理信息数据集，产量资料来源于宁夏农业调查队统计年鉴。

1.2 风险区划指标的选取

按照反映孕灾环境脆弱性、致灾因子危险性、承灾体暴露度和防灾减灾能力4个方面选取的气象资料构建相关气象指标因子。

1.2.1 孕灾环境脆弱性指标 影响农业生产最直接的地理环境因素是土壤，保水性能和土壤水分补给量决定了该地区孕灾环境的脆弱性，在中国气象局三农专项和宁夏两个体系项目的支持下，全区先后建设了148套自动土壤水分观测站，其中117套农田自动土壤水分站通过了业务化校验，可以直接选取宁夏多年土壤湿度表征该地区的孕灾环境脆弱性。多年土壤湿度能够体现该地区土壤的保墒、补墒和增墒的能力，土壤湿度越大说明该地区的干旱风险越小，即使在降水量较小的条件下，发生干旱的风险也相对较低。

1.2.2 致灾因子危险性指标 将粮食作物单产与不同时段的降水量和降水日数进行相关分析，发现作物生长季节（4—9月）的降水量和有效降水日数（≥5 mm）对产量影响较大，前者表示农作物全生育期降水量越少，发生干旱的危险性越大，后者表示有效降水的日数就越多，发生干旱的可能性就越小，因此选取这两个因子。降水量直接决定了该地区土壤能够从空中得到的水量，即使是川台灌溉地的水分，也是来自于该区域降水在水库、水窖中形成的径流，降水日数决定了在生育期内土壤属于“收入”状态的日数。

1.2.3 承灾体指标的选取 选择各县粮食作物面积来表征宁夏农作物干旱风险区划的承灾体暴露度指标。粮食作物面积越大，干旱承灾体暴露度越高，发生干旱的风险也越大;反之，粮食作物面积越小，农作物干旱受灾风险也越低。

1.2.4 抗灾能力指标的选取 灌溉面积占可耕地播种面积的比例、地膜覆盖种植面积比例、农业机械化程度、农田基本建设程度、劳动力知识层次和科学种田知识普及程度、农家肥和化肥施用量、农药施用量、农业气候资源的满足率等都是反映防灾减灾能力的重要指标，但涉及的影响因素过多，很难采用几项要素全面反映防灾减灾能力，加上很难得到这些资料，也很难量化，而粮食作物产量能综合反映出上述因子的作用，农田越平整，保灌能力越强;土壤保水保肥能力越强，土壤养分越充足;农业气候资源越丰富，单位面积投入的机械、人力、肥料和农药等越多;科技投入越多，集中反映出作物的单产水平越高，年际间产量波动越缓和。因此，考虑采用单产作为抗灾能力指标，一个地区单产主要决定光温水配合，只有在适合的水分条件下才能获得较高的产量，单产可间接决定抗灾能力。

1.3 资料的无量纲化

由于各指标间的量纲不同，为了消除差异，需要对各指标进行标准化处理。采用归一化方法进行资料的无量纲化：

在以上两个公式中，xi为归一化后的数据，x为序列当前值，xmax和xmin为序列中的最大值和最小值，x为序列中的平均值。公式（1）适用于数值越大，干旱风险越低的因子，如降水量和灌溉面积占比等。公式（2）适用于数值越大，干旱风险越高的因子，如作物面积占比、土壤渗水率等。

1.4 无资料地区资料推算

1.4.1 气象资料的推算 基于GIS，采用小网格分析方法建立气候要素与站点经度、纬度、海拔高程等地理信息的数学模型，将宁夏气候资源数据推算到空间分辨率为250 m×250 m的面上数据。

气候资源推算模型：

公式（3）中，Y为区划气候因子，指降水因子;λ、ψ、h分别代表经度、纬度、海拔高度等地理因子，为残差，可消除小地形影响，因宁夏地理范围小，可忽略不计。以各个气象站的经度、纬度和海拔为基本图层，运用GIS 栅格图层计算功能，得到气候指标因子分布图层。借助回归方程，采用GIS中的地图代数功能进行指标数据空间推算，形成4—9月降水量和≥5 mm降水日数的专题图层。

1.4.2 土壤、社会资料的推算 因土壤相对湿度、产量等两个因素是社会因子，与所在地点的精度、纬度和海拔关系不明显，因此采用GIS软件自带的反距离权重法，将社会因子推算到250 m×250 m的面上，形成土壤相对湿度和产量两个图层。由于土壤湿度有117个点，推算精度比较精细，产量以宁夏调查总队的各市县作物单产进行推算，精度不够理想。

1.5 农业气象灾害风险区划流程

农业气象灾害风险（A层）是孕災环境脆弱性、致灾因子危险性、承灾体暴露度和防灾减灾能力4个因子（B层）综合作用的结果，考虑各风险评价指标（C层）对风险的构成所起作用不同，因此对B、C层因子分别赋予权重[17]。即组织多名专家就C层因子对相应B层因子的重要性、B层因子相对A层因子的重要性进行打分，采用层次分析法计算C层与B层每个因子的权重，并整理得出A、B、C层各因子的指数表达式（图1）。

1.6 权重系数的确定

按照孕灾环境脆弱性、致灾因子危险性、承灾体暴露度和抗灾能力4个方面，进行专家打分，将一层次元素两两比较的重要性进行定量描述，计算判断矩阵的特征值和指标权重，决定粮食作物干旱风险的层次结构和经专家打分后的权重系数（图2）。

经层次分析法得到宁夏农业干旱灾害风险评估模型公式（4），各因子按照权重的重要性从大到小依次为：4—9月降水量、土壤相对湿度、4—9月降水日数、单产、粮食作物面积。可以看出，决定宁夏干旱风险的主要因子是气象因子，降水少的年份干旱风险高，土壤相对湿度也是非常重要的因素。

A=0.35×C1+0.3×C2+0.2×C3+0.05×C4+0.10×C5                                      （4）

公式（4）中，A为宁夏农业干旱灾害风险系数，C1为土壤相对湿度，C2为4—9月降水量，C3为4—9月≥5 mm降水量日数，C4为粮食作物面积，C5为单产，公式（4）中各项因子均为归一化后的数值。

1.7 Arc-GIS 空间分析

利用GIS中地图栅格计算器将已经推算好的C1～C5图层，按照风险指数A层表达式公式（4）进行栅格运算，按照其对灾害风险的作用权重的不同进行叠加;叠加后的综合层（A）的取值范围为0.33～0.63，无量纲。采用GIS中分类功能，将风险区划图分为4类。其中，≥0.56为极高风险区、0.5～0.56为高风险区、0.47～0.50为中度风险区、0.33～0.47为低风险区，最终生成农业气象灾害风险区划图。

2 结果与分析

2.1 宁夏农业干旱危险性、脆弱性、暴露度及抗旱能力分析

根据前期研究可知，宁夏农业干旱的致灾因子为4—9月降水量和4—9月≥5 mm降水量日数。按照公式（3）的推算方法得到4—9月降水量和4—9月降水日数（图3）。宁夏农作物生育期（4—9月）降水量的分布从南到北为递减趋势，降水量较大的地区主要分布在南部山区，降水量较小的地区主要分布在北部地势低洼地区。降水日数的分布趋势与降水量一致，但因具体地貌的不同，细节上有所不同。

根据农田小气候观测站多年的平均值，利用GIS软件的克里金插值法，将资料推算到空间区域（图4）。宁夏多年土壤相对湿度的高值分布在宁夏北部灌区和南部山区，北部灌区因有灌溉条件，地下水位较高，农田土壤水分相对较大，干旱风险低，南部山区降水量相对较大，土壤有雨水补充，干旱风险较小，中部干旱带土壤相对湿度小，干旱风险高。

统计1981—2010年宁夏各县粮食作物面积和产量数据可以看出，宁夏粮食高产区在灌区，中南部山区单产水平低，单产水平高说明灌溉条件优越，抗旱能力强，单产水平低，说明抗旱能力弱，干旱风险高。

2.2 宁夏农业干旱综合风险评价与区划

根据上述分析，将宁夏农业干旱灾害风险系数<0.47的地区划分为低风险区，0.47～0.50的地区划分为中风险区，0.50～0.57的地区划分为高风险区，≥0.57的地区划分为极高风险区（图5）。

3 结论

（1）宁夏农业干旱风险两头低、中间高。低风险区主要分布在引黄灌区，包括惠农县、平罗县、贺兰县、银川市辖区的全部、永宁县东部、灵武市北部、中宁县北部以及沙坡头区的东北角。南部山区的泾源县、隆德县全部、彭阳县西部、西吉县东部的原州区南部等地区，多年土壤相对湿度的平均值在70%以上，4—9月降水量在380 mm以上，或有灌溉条件，是干旱灾害的低风险区。

（2）中度风险区在北部灌区靠近中部干旱带的边缘地区，靠近沿山灌水困难的地区，包括永宁县西部征沙渠一带、利通区、灵武市南部、青铜峡市、中宁县南部以及中卫市北部。南部山区干旱中度风险区在靠近中部干旱带的边缘，包括彭阳县东部、西吉县东部以及原州区北部。

（3）干旱灾害高度风险区主要分布在中部干旱带，呈“工”字形。灵武市南部的山区、红寺堡区、沙坡头区中南部、海原县、西吉县，这些地区虽然分布着固海扬黄灌区、紅寺堡、盐环定灌区，但该区域分布着大量旱作农田，扬黄灌区、库灌地、引水工程灌溉地的占比仍然有限，且单位面积可灌溉水量比传统灌区少，而该区域气温高、降水资源少、风大沙多、土壤偏沙性、土壤保水保肥能力差，農业干旱频繁发生，农作物单产受干旱影响仍然很大，特别在遭受严重干旱且持续干旱的年份，水库水窖也无水可灌，黄河渠系供水也会减少，作物因干旱减产的幅度较大。

（4）干旱灾害极高风险区分布在中部干旱带的东西两侧，东部包括盐池县大部、同心县东部，西部包括兴仁镇、海原县西部，这些地区以旱作农业为主，库灌、水窖、蓄水池可支撑的灌溉面积很小，农业节水以地膜覆盖为主，单产水平很低，地广人稀，人力、农资等投入严重不足，是干旱的极高风险区，干旱发生频率极高，是抗旱的重点区域。

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责任编辑：黄艳飞

Abstract Based on the theory of disaster risk assessment， this study selected the main meteorological factors， soil moisture， crop yield as the index factors from the four aspects of the vulnerability of disaster pregnant environment， the risk of disaster causing factors， the exposure of disaster bearing body and the ability of disaster prevention and mitigation， and produced various thematic layers by using GIS spatial interpolation， grid calculator and other functions， The analytic hierarchy process （AHP） was used to generate the thematic map of agricultural drought comprehensive risk regionalization. The results show that the risk of agricultural drought in Ningxia is low in the north and South and high in the middle. The low-risk areas are mainly distributed in the most part of the Yellow River irrigation area and the higher elevation area around Liupan Mountain in the southern mountainous area. The middle risk area is in the junction of the Yellow River irrigation area and the central arid zone， and the area with insufficient irrigation along the Helan Mountain. The high-risk areas are mainly distributed in the central arid zone， with an Ⅰ-shaped distribution. The extremely high risk areas are mainly dry land areas on the East and west sides of the central arid zone.

Key words Agricultural drought; Disa-ster Risk; Assessment; Regionalization