农业经济水旱灾害损失风险评估

梁 曼，张 萍，郭红娇

(华中师范大学生态文明研究中心地理过程分析与模拟湖北省重点实验室城市与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

农业水、旱灾害系指粮食作物和经济作物因洪水侵袭或水分持续性短缺而导致农作物减产或绝收的一种自然灾害类型［1］。水旱灾害的发生具有较大不确定性，发展速度快、持续时间长、影响范围广，不仅会造成广大农户的生计贫困化，还可能重创农业生产体系，导致不同程度的农业经济产值降低［2］。为应对其不利影响，国家开展了大量工程性和非工程性行动。对水旱灾害造成的农业经济损失风险进行科学评估，是制定相关防灾减灾行动的基础工作。在评估实践中，学者们大多采用基于灾害重演的极值风险评估模型和基于统计理论的概率风险模型，所需样本较多［3-4］，而当前我国水旱灾情数据主要来自于社会统计资料，样本量较小，信息不充分，容易导致评估结论不稳定［5］。随着数理方法的发展，对小样本事件准确分析的信息扩散理论逐渐被引入到自然灾害风险评估中，并取得一些具有较好完备性和确定性的成果［6-7］。但相关成果多以省域、县域等中小尺度为例，且针对某一类型的自然灾害风险本身展开研究［8-9］，而针对全国尺度的关联性风险评估却鲜见报道。水旱灾害具有跨区域性和强烈的经济属性［10］，全国农业经济状况与当年水旱灾害发生与否及严重程度密切相关。因此，本研究将水旱灾害与农业经济损失关联起来，依据1975-2011年全国灾情资料，在构建农业经济灾损指数的基础上，利用信息扩散理论对农业经济灾损风险进行评估，为做好相关的防灾减灾工作提供参考依据。

1 研究方法与资料

1.1 农业经济灾损指数

风险是在某一特定环境下某一特定时间段内，某种损失发生的可能性，其经济属性特别强调风险发生后产生的经济后果，即风险与经济的关联性［2］。本研究中，气候气象异常、作物制度安排、防灾减灾措施不力等均是农业经济水旱灾害损失发生的风险因素，风险因素的增加会导致作物减产或绝收的可能性增加，从而造成农业经济产值发生不同程度的降低。在现行统计资料中，成灾面积是一个描述作物减产或绝收风险事故发生的优良指标，较好刻画了相关自然灾害的危害广度。成灾面积是指在年内因遭受旱灾、水灾、风雹灾、霜冻、病虫害及其他自然灾害，使农作物实际收获量较常年产量减少3成以上的播种面积［11］。

根据自然灾害造成的农作物产量损失来计算农业经济损失是基本的常规方法，但该方法需要各类受损作物产品的市场价格和受损量数据，资料收集难度很大。鉴于此，陈香等［12］提出采用资料完备的农作物成灾面积来构建农业经济损失模型，该模型在实际工作中应用较多。本文以全国水、旱灾成灾面积为基础，参照这一模型构建农业经济水旱灾损指数。

其中，I为水灾或旱灾导致的农业经济损失指数，表示农业经济总产值中因水灾或旱灾损失的比重;S为当年农作物播种总面积，单位为0.1万hm2;Si为水灾或旱灾造成的农作物成灾面积，单位为0.1万hm2;SI为当年因自然灾害造成的农作物成灾总面积，单位为0.1万 hm2。由于文献［12］中模型衡量的是因灾害造成的农业经济损失绝对值，而本文测算的是农业经济损失相对值，所以上式合理消去了当年农业总产值W变量。

1.2 农业经济灾损风险评估模型

信息扩散理论是一种处理不完备信息的模糊数学方法，它以历史灾情资料为依据，能够将传统的观测样本点集值化，通过优化利用样本模糊信息来弥补小样本导致的信息不足，从而得出小概率事件的致险程度［13］。本研究利用该方法对农业经济灾损风险进行评估，目的在于求出不同风险水平下各类损失强度发生的可能性，并验证评估结果精度。在具体计算过程中，首先根据相关统计数据建立致灾强度指标序列yj，并设定其论域为uj。所谓信息扩散，是指对y中观测值yi按一定的规则将其携带的信息扩散到 uj中所有的点［14］。

然后，将yj的信息按照扩散方程扩散至论域ui中的每一个成员，并求得yj的归一化信息分布μyj(ui)。其中，h为扩散系数，反映每个样本点的信息向周围扩散的幅度［2］。一般当样本数量增多时，h逐渐减小，即每一样点作为“其周围的代表”这一性质逐渐减弱。根据两点择近的原则［2，4］，可根据样本集合中样本的最大值b、最小值a和样本个数m来确定h大小。

通过信息扩散将观测值yj变成了以fj(ui)为隶属度函数的模糊子集。为了使风险评估中每一集值地位均同，对隶属函数fj(ui)进行归一化处理，得到以μyj(ui)为隶属度函数的模糊子集。因此，样本落在ui处的频率值p(ui)可作为某灾情为ui的概率，相应的超越概率即风险估计值。

1.3 资料来源与处理

选取全国1975-2011年共37年的农作物播种面积、水灾成灾面积、旱灾成灾面积、总成灾总面积、农业经济产值等指标作为风险评估的基础资料，相关数据来源于国家统计局出版的《新中国农业60年统计资料》和《中国统计年鉴2012》。根据公式计算得到我国历年水、旱灾造成的农业经济损失指数，然后根据该指数的最小值、最大值及其可能的取值构建其论域。水、旱灾损失指数分别为0.19%～3.10%和1.02%～5.50%。考虑气候变化、制度改进、防灾减灾行动等因素，将水灾损失指数论域的最小值取为0.10%，最大值取为4.00%，同时将连续论域 ［0.10%，4.00%］按计算精度要求转变为离散论域，以表征不同的灾损风险水平。据此，构建出我国农业经济水灾损失指数离散论域为 ui={0.10%，0.50%，1.00%，1.50%， 2.00%， 2.50%， 3.00%， 3.50%，4.00%}。同样道理，构建的农业经济旱灾损失指数离散论域为 ui={0.50%，1.00%，1.50%，2.00%， 2.50%， 3.00%， 3.50%， 4.00%，4.50%，5.00%，5.50%，6.00%}。

2 结果与分析

2.1 我国水旱灾害与农业经济损失时序特征

对相关资料进行统计分析，发现1975-2011年全国每年因遭受旱灾、水灾、风雹灾、霜冻、病虫害及其他自然灾害而形成的成灾总面积，由1975年的1024.0万hm2波动上升到2000年的3437.4万hm2，而后下降到2011年的1244.1万hm2，波动幅度相当大 (图1)。水、旱灾害是农业自然灾害的2大基本类型，相应的成灾面积变动趋势与总成灾面积类似，也总体经历了“先上升、后下降”的倒“U”型过程，并且在上升和下降中均发生了急剧的年际波动，呈现出明显的不确定特征。由于成灾机制不同，水、旱灾危害广度有所差异，总体上水灾较轻，旱灾较重且变化幅度较大。1975-2011年我国水灾成灾面积最小值为92.0万hm2(1978年)，最大值为1461.4万hm2(1991年)，平均值为 594.2万 hm2，标准差 316.7万hm2。同期，旱灾成灾面积最小值为506.0万hm2(1998年)，最大值为2678.4万hm2(2000年)，平均值为 1202.2万 hm2，标准差达到 510.2万hm2。

图1 1975-2011年我国成灾总面积变化

水、旱灾农业经济损失指数与当年的水、旱灾成灾面积呈正比例关系 (图2)，且年际变动趋势一致，因此本文中将二者一并分析。对旱灾成灾面积和农业经济旱灾损失指数而言，其变动可大致分为2个阶段。第1阶段为1975-2000年，全国旱灾成灾面积由532万hm2波动增加到2678.4万hm2，对应的农业经济灾损指数由1.09%增加到5.50%;第2阶段为2000-2011年，成灾面积由2678.4万hm2急剧下降到659.9万hm2，农业经济灾损指数由5.50%下降到1.25%。水灾成灾面积和农业经济水灾损失指数变动也可大致分为2个阶段。第1阶段为1975-1991年，成灾面积由347.0万hm2波动增加到1461.4万hm2，农业经济灾损指数由0.71%增加到3.10%;第2阶段为1991-2011年，农业经济灾损指数由3.10%缓慢下降到0.54%。对比分析表明，1975年以来的大多数年份里水、旱灾害的危害广度 (成灾面积)与经济影响深度 (农业经济灾损指数)不尽同步，此消彼长，少数年份则表现出同步消涨特征，反映出水、旱灾害时而交替发生，时而同年发生的基本现实，对农业经济的稳定性产生了较大负面影响。

2.2 农业经济水旱灾害损失风险评估结果

图2 1975-2011年我国水、旱灾农业经济损失指数变化

由表1可知，农业经济水旱灾损概率随风险水平的增加而减小。对水灾来说，在风险水平为0.10%——即农业经济损失比重超过0.10%时，水灾发生概率为100%，可以解释为每年发生的洪涝灾害几乎必然会导致全国农业经济损失超过0.10%。而灾害发生概率与几年一遇成倒数关系，风险水平为2.00%的水灾发生概率为18.56%，即全国平均每5.39年发生1次农业经济损失比重超过2.00%的水灾。同理由表1可知，平均每30多万年才发生1次损失比重超过4.00%的水灾，可以认为现实中几乎不会发生。而反观旱灾对农业经济损失的影响，由表1可知，农业经济损失超过0.50%的旱灾几乎每年都会发生，损失比重超过5.00%的发生概率为2.44%，平均每22.18年发生1次。损失比重超过6.00%的旱灾则为190.76年一遇，现实发生的可能性较小。

从表1中可以看出，在相同风险水平下，旱灾发生概率一般要大大高于水灾发生概率。例如，在风险水平为2.00%时，水、旱灾发生概率分别为18.56%和70.37%，旱灾比水灾发生的可能性高出50多个百分点。即使在风险水平为4.00%时，旱灾发生概率仍然达到12.14%，平均每8.24年发生1次，但水灾30万年一遇。以上情况表明，与水灾相比，我国农业旱灾发生比较频繁，危害程度也比较严重，在农业经济防灾减灾规划中需要特别注意加强关于旱灾的应对措施。

2.3 农业经济水旱灾害损失风险评估验证

利用直接发生频次法对农业水、旱灾影响的时间分布特征进行分析，通过计算农业经济灾损指数在时间上的分布比率，进而检验上述风险评估方法的精确性。

如图3所示，1975-2011年，当由水灾引起的农业经济损失比重分别高于0.50%，1.50%，2.50%，3.50%时，出现的年份次数分别为35年、9年、3年、0年，在1975-2011年中所占比重分别为94.59%，24.32%，8.11%、0。与基于信息扩散理论计算的评估值仅相差1.28%，12.83%，3.13%、0.44%(图3中A)。同一时期，当农业经济旱灾损失比重高于1.00%，2.00%，3.00%，4.00%，5.00%时，出现的年份次数分别为37年、23年、12年、3年、1年，所占比重分别为100.00%，62.16%，32.43%，8.11%，2.70%，与评估值仅相差 1.08%，8.21%，6.46%，4.03%，1.81%(图3中B)。

以上情况表明，利用信息扩散理论测算得到的农业经济灾损风险与灾害实际发生比率之间的差异较小，该方法精度较高，可在一定程度上应用于实践。

表1 不同风险水平下农业经济灾损发生概率

图3 农业经济水 (A)、旱 (B)灾损失风险评估值与实际值比较

3 小结与讨论

频繁发生的水、旱自然灾害对我国农户生计和农业生产体系造成冲击［14-17］。本研究将水旱灾害与农业经济损失关联起来，在构建农业经济灾损指数的基础上，利用基于信息扩散理论的风险评估方法测算了我国水旱灾害造成的农业经济损失风险。结果表明，1975年以来的大多数年份里，我国水、旱灾害发生广度与影响深度不尽同步;在同一风险水平下，旱灾发生概率一般要大大高于水灾发生概率，因此，农业防灾减灾规划需特别加强关于旱灾的应对措施;基于正态信息扩散理论的评估方法精度较高，评估结果与实际发生情况基本吻合，可在一定程度上应用于评估工作实践。

值得指出的是，尽管我国水旱灾害频频发生，但由此引发的农业经济损失程度并不大，研究表明，两类灾害造成的损失比重主要集中在2%左右，超过4%的发生概率很小。但多种自然灾害累加对农业经济的危害还是相当严重的，必须引起足够的关注。但由于除水旱灾害外，当前比较缺乏关于“灾害-损失”对应关系的细分资料，致使相关研究不易展开。另一方面，信息扩散理论是灾害风险评估方法发展的阶段性产物，虽然具有可操作性强、数据需求少、评价结果意义明确等优势，但也应注意其不完善之处。例如，利用该方法仅能完成灾害风险评价的部分内容而非全部，对特定灾害受灾损失的超越概率可能存在高估倾向等［11］。因此，在不断完善信息扩散理论方法的基础上，对不同自然灾害的农业经济损失风险分别评估和综合评估是今后应当进一步研究的方向。

［1］张丽娟，李文亮，张冬有.基于信息扩散理论的气象灾害风险评估方法［J］.地理科学，2009，29(2):250-254.

［2］黄崇福.自然灾害风险评价理论与实践 ［M］.北京:科学出版社，2005.

［3］任鲁川.区域自然灾害风险分析研究进展［J］.地球科学进展，1999，14(3):20-23.

［4］黄崇福，刘新立.以历史灾情资料为依据的农业自然灾害风险评估方法［J］.自然灾害学报，1998，7(2):1-9.

［5］傅湘，王丽萍，纪昌明.洪灾风险评价通用模型系统的研究［J］.长江流域资源与环境，2000，9(4):518-524.

［6］何斌，武建军，吕爱锋.农业干旱风险研究进展［J］.地理科学进展，2010，29(5):557-564.

［7］娄伟平，利红，邱新法，等.柑桔农业气象灾害风险评估及农业保险产品设计 ［J］.自然资源学报，2009，24(6):1030-1040.

［8］李文娟，覃志豪，林绿.农业旱灾对国家粮食安全影响定量分析 ［J］.自然灾害学报，2010，19(3):111-118.

［9］苏高利，苗长明，毛裕定，等.浙江省台风灾害及其对农业影响的风险评估 ［J］.自然灾害学报，2008，17(5):113-119.

［10］Piao S，Ciais P，Huang Y，et al.The impacts of climate change on water resources and agriculture in China ［J］.Nature，2010，467(7311):43-51.

［11］毛熙彦，蒙吉军，康玉芳.信息扩散模型在自然灾害综合风险评估中的应用与扩展［J］.北京大学学报:自然科学版，2012，48(3):513-518.

［12］陈香，沈金瑞，陈静.灾损度指数法在灾害经济损失评估中的应用［J］.灾害学，2007，22(2):31-35.

［13］薛晔，黄崇福.自然灾害风险评估模型的研究进展 ［J］.应用基础与工程学学报，2006，14(S0):1-10.

［14］李彬，武恒.安徽省农业旱灾规律及其对粮食安全的影响［J］.干旱地区农业研究，2009，27(5):18-23.

［15］霍治国，李世奎，王素艳，等.主要农业气象灾害风险评估技术及其应用研究 ［J］.自然资源学报，2003， 18(6):692-703.

［16］周洪建，王静爱，贾慧聪，等.农业旱灾承灾体恢复力的影响因素:基于野外土地利用测量与入户调查 ［J］.长江流域资源与环境，2009，18(1):86-91.

［17］程静，陶建平.全球气候变暖背景下农业干旱灾害与粮食安全:基于西南五省面板数据的实证研究 ［J］.经济地理，2010，30(9):1524-1528.