宁夏玉米和小麦干旱风险评价研究*

包阿茹汗，覃志豪※，高懋芳，张晓煜，李红英

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081； 2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，银川 750002)

0 引言

干旱是宁夏粮食作物种植的主要制约因素之一。据统计,1990—2015年年均粮食作物因旱减产率高达10%以上[1]。宁夏粮食作物主要包括玉米、小麦、水稻和薯类等，其中玉米和小麦产量达到粮食总产量的65%左右。因此，确保玉米和小麦的产量对区域农业种植结构的调整以及保障粮食产量具有重要的参考价值。

现有农业干旱风险评价大体可分为两类，一是灾损评价法，以气象干旱造成的粮食损失概率来评估农业干旱风险，侧重于气象干旱形成机理和干旱指标的分析。这种评价法关注致灾因子的危险性与最终作物受灾结果之间的相互关系[2]，数据容易获取，主要适用于雨养农业地区的干旱风险评估，不能直接反应农作物的受旱程度。如霍治国[3]等将气象干旱趋势与农作物减产率相联系，采用概率统计方法估算了不同致灾强度下的作物损失风险。刘义花[4]等利用降水距平百指数与牧草相对产量指标建立干旱模型，确定了青海省牧区牧草干旱风险等级阈值。另一是成灾综合评价法，从致灾因子危险性、承灾体脆弱性、承灾体暴露性和抗旱能力方面确定指标体系，充分考虑了在干旱胁迫下承灾体的易损性质及人类活动对农业干旱风险的影响[5]，强调农业干旱风险是多种因素共同作用下的结果。如张继权[6]等认为灾害风险是危险性、脆弱性、暴露性、抗旱能力4个因素的乘积，并结合综合加权评价方法构建了玉米干旱风险评价模型，揭示了辽西玉米干旱风险的空间分布差异。何斌[7]等采用主成分分析建立了农业干旱风险评价指标体系，评估结果表明陕西省农业干旱风险空间分布呈从南向北逐渐增加的趋势。秦越[8]等采用层次分析法和模糊评判综合评价了河北省承德市农业干旱灾害风险，结果表明承德市上游区县风险较高，抗旱能力是农业干旱风险的主要影响因子。成灾综合评价法能更加全面的评估作物干旱风险，较符合实际情况，也代表现在灾害风险评价的发展方向。

有关宁夏农业干旱风险的研究多数集中在农业干旱风险的整体评价，其中张晓煜[9-10]等以农业系统为承灾体，建立了宁夏南部山区农业干旱预警模型，并经过检验证明所用模型得出的干旱程度与实测结果一致。李红英[11]等以灾害风险理论为基础，构建宁夏农业干旱综合评估模式，从整个农业系统宏观评价了宁夏农业干旱风险程度，评价结果表明宁夏中南部地区干旱风险较大，北部及南部泾源、隆德农业干旱风险较小。关于宁夏地区农业干旱风险评价研究中很少有从具体作物生产过程所发生的干旱灾害风险评估，因此文章将采用成灾综合评价法，从致灾因子危险性、承灾体脆弱性、承灾体暴露性、抗旱能力4个方面出发，构建作物干旱风险模型，并利用1981—2016年的气象站点数据和相关统计数据，分析研究宁夏玉米和小麦种植的干旱风险成因，评价宁夏这两种典型作物种植面临的干旱风险程度及其时空格局，为有效减缓干旱对玉米和小麦生产的影响提供科学依据。

1 数据与研究方法

1.1 研究区概况

图1 宁夏县级行政区划

宁夏地处从半湿润、半干旱过渡到干旱带的典型生态脆弱带[12]，按其气候及自然条件可分为北部引黄灌区、中部温带半干旱区与南部温带半湿润区[13]。引黄灌区包括青铜峡市、银川市、石嘴山市、吴忠市、灵武市、永宁县、贺兰县、平罗县、惠农县、中卫县东北部、中宁县大部等11个县(市)，北部光照充足、土地平坦、土壤肥沃，又有黄河水灌溉，作物受干旱影响较小。中部干旱带包括盐池县、海原县、同心县、中卫县西南大部、中宁县南部，虽光热资源充足，但水资源紧缺，年降水量在300mm左右，除扬黄灌区以外的中部地区土地沙化严重，不利于作物的生长。南部山区包括固原市(原州区)、西吉县、隆德县、彭阳县、泾源县，耕地质量差，西海固地区占总耕地面积的69%左右，粮食产量仅占全区20%左右，且水土流失面积占全区土地面积的34%左右(图1)。玉米和小麦是宁夏两大粮食作物，其产量达到粮食总产量的60%以上， 1993—2015年玉米和小麦产量占比趋势见图2。玉米和小麦产量占比平稳增长，至2015年产量占比达到了71.52%。

图2 1993—2015年宁夏玉米和小麦产量占粮食产量比重

1.2 数据来源及处理

农业干旱是由于降雨难以满足作物生长需要而产生的现象。因此，干旱风险评价需要气象、作物生育期、作物生产、社会经济等方面数据。我们通过中国气象数据共享网，下载了宁夏21个气象站点1981—2016年逐日气象数据，包括平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、平均风速、平均相对湿度、平均气压和降水量等； 宁夏玉米和小麦生育期资料为各站点1981—2010年农气资料； 各气象站点所在县历年玉米、小麦单产及面积数据来源于中国种植业管理司； 社会经济数据来源于《宁夏统计年鉴》； 灾情数据来自《中国气象灾害大典》。

采用各县玉米和小麦生育期的多年平均值表示该县的作物生育期，得出各地玉米、小麦生育期的时间范围。具体生育期范围，如表1所示。

表1 宁夏玉米和小麦生育期资料

宁夏作物生育期北部中部南部夏玉米生育期4月上旬至9月下旬4月中旬至10月上旬4月下旬至10月中下旬春小麦生育期3月上旬至7月上旬3月中旬至7月中旬3月下旬至7月下旬

农作物种植受气候影响很大，因此，作物产量可视作由代表生产技术水平的趋势产量Yt和代表气候波动影响的气象产量Yw组成[14]。为了分析干旱风险，我们需要有效地确定气候波动对农作物产量的影响。因此，运用直线滑动平均法[15]对宁夏各县区的玉米和小麦产量进行处理，分离出趋势产量Yt和气象产量Yw。分离得到的气象产量将代表玉米和小麦产量中受气候波动对作物产量的影响。最后，用以气象产量与趋势产量的比值表示受气候影响的减产率。

1.3 作物干旱风险模型

灾害风险理论认为[16]，灾害的发展，虽然受多个因素影响，但大体可以归结为如下4个方面：一是导致灾害发生的直接因素，即致灾因子的危险性，这是灾害发生导火索。二是受灾体暴露在致灾因素作用范围内，即承灾体的暴露性。在致灾因素的作用下，如果没有承灾体的存在，如沙漠地区，虽然非常干旱但没有生产，因而也就无从旱灾发生。三是承灾体本身抵抗致灾因子作用的能力，即承灾体的脆弱性。在致灾因子作用下，承灾体虽然暴露于致灾因子的作用，但如果其对致灾因子的抵抗能力很强，如耐旱植被在干旱地区的抗旱能力就非常强，因此在干旱条件下其仍然能够正常生长而不易成灾。四是人类对自然灾害的抗灾减灾能力。在致灾因子的作用下，如果区域人类活动能够有效地抗灾减灾，其灾害发生的风险自然也就较低。因此，灾害的发生及其危害程度，实际上，就是一个作用力(致灾因子的危险性)与反作用力(暴露性、脆弱性和抗灾减灾能力)的彼此消长过程。

从灾害风险的发生及其危害过程角度构建灾害风险模型，是正确评价区域灾害风险程度的最佳选择。就农业旱灾风险评估而言，就必须考虑干旱致灾因子危险性、农业生产对干旱致灾因子的暴露性、农业生产本身的脆弱性及社会经济的抗旱减灾能力等这4个方面的综合作用[16]。因此，根据灾害风险理论构建农业旱灾风险评估模型，可以把这四个灾害风险因素视为叠加作用，通过不同的权重进行指数相加，具体形式如下：

ADRI=Wh·H+We·E+Wv·V+Wr·R

(1)

式(1)中，ADRI表示评价区域单元(该研究指县域)的农业干旱风险指数，H、E、V和R分别是干旱致灾因子危险性指数、农业生产的暴露性指数、农业生产的脆弱性指数和区域抗旱减灾能力指数，Wh、We、Wv和Wr分别为干旱致灾因子危险性指数、暴露性指数、脆弱性指数和抗旱能力指数的权重。为了比较各因素的作用大小，把各个指数的取值范围限制在0～1之间，而各指数的权重之和为1，因此ADRI实际取值范围也在0～1之间，并且ADRI值越大，表明该评价区域单元的干旱风险程度越大。

由于该研究是开展宁夏主要农作物(小麦和玉米)的干旱风险评价，并且是以县域为评价的区域单元，因此，可以把公式(1)表示为如下各县不同主要农作物的干旱风险评价模型：

ADRIci=Wh·Hci+We·Eci+Wv·Vci+Wr·Rci

(2)

式(2)中，ADRIci表示第c个县的第i种作物(i=1为玉米，i=2为小麦)干旱风险指数，Hci、Eci、Vci和Rci分别是干旱致灾因子危险性指数、作物种植的暴露性指数、作物生产的脆弱性指数和县域社会经济的抗旱减灾能力指数。

1.3.1 危险性指数的确定

致灾因子危险性是指气象灾害的异常程度[17]，主要由干旱发生的强度及频率决定。因此农业干旱危险性指数是作物发生干旱的强度与其生育期内干旱发生频率的乘积，计算公式如下：

(3)

式(3)中，Hci是第c个县、第i种作物干旱危险性指数；DFcj为第j种干旱等级发生的频率，其中干旱等级分为无旱、轻旱、中旱、重旱四级；DIci为玉米或小麦全生育期内的干旱强度。

宁夏玉米和小麦的干旱强度主要受蒸发量、降水量、灌溉量等因素影响，为了计算作物干旱强度，利用作物全生育期内的潜在蒸发量、有效降水量、灌溉量作为指标计算宁夏各县的玉米和小麦的干旱强度。计算公式如下：

(4)

其中，

Pe=σ·P(5)Me=τ·M

(5)

Ge=f(H)·ETc

(6)

ETc=kc·ET0

(7)

式(4)～(7)中，DIci是第c个县、第i种作物的干旱强度；Pe为全生育期有效降水量(mm)；P代表日降水量(mm/d)；σ为降水有效系数，采用宁夏农业用水定额编制报告(宁夏回族自治区地方标准DB64/T182-2014)中的推荐值，如表2所示；Me代表全生育期灌溉量；M代表作物灌溉定额；τ表示不同降水频率下的灌溉保证率，假设北部引黄灌区τ为100%，中南部灌溉保证率参考刘学军等[18]人研究成果如表3所示，不同降水频率采用水文频率分布曲线软件Curvefitting计算；Ge表示地下水利用量，引黄灌区不同地下水埋深地下水利用系数如表4所示，中南部地下水埋较深，对作物基本无影响，因此不考虑中南部山区地下水利用情况；ETc为全生育期作物潜在蒸发量(mm)，采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算[19]；ETo为逐日参考蒸散量(mm)，使用联合国粮农组织发布的ETocalculator 软件计算；kc为作物系数，玉米初始生长期(从播种至地表覆盖率达到10%)至快速发育期(从地表作物覆盖率10%到70%～80%)的kc ini=0.7，快速发育期至生育中期(从充分覆盖到成熟期开始)的kc mid=1.2，生育中期至成熟期(从叶片变黄到生理成熟或收获)的kc end=0.45； 小麦的kc ini=0.3，kc mid=1.15，kc end=0.3。

表2 宁夏降水量有效利用系数

日降水量(mm)P<55～3030～5050～100100～150>150有效利用系数σ00.850.80.750.650.55

为了确定玉米和小麦的干旱程度，利用计算玉米和小麦的干旱强度，通过聚类分析确定干旱强度与干旱等级之间的关系(表5)。

宁夏玉米和小麦的干旱频率DFcj可以计算如下：

(8)

式(8)中，DFcj为第c县、第j种干旱等级发生的频率；DNcj为第c县、第j种干旱等级发生的次数；n为1981—2016年。

表3 宁夏中南部扬黄灌区不同地区不同降水频率时的灌溉保证率

地区(站点)τ(5%)τ(25%)τ(50%)τ(75%)τ(95%)中卫537050.340.280.240.210.19中宁537060.430.310.250.220.2盐池537230.490.470.290.280.23麻黄山537270.480.450.280.270.23兴仁堡537070.470.560.410.280.26海原538060.480.570.420.30.27同心538100.730.350.30.260.21韦州538810.710.370.320.250.2西吉539030.80.690.50.450.3隆德539140.830.740.550.470.3泾源539160.850.730.570.480.3固原538170.860.760.570.490.3 注:τ(5%)指降水频率为5%下的灌溉保证率

表4 不同地下水埋深地下水利用系数f(H)

表5 基于干旱指数的玉米、小麦干旱等级划分

1.3.2 暴露性指数的确定

农业干旱风险中的暴露性指标是指农作物接触致灾因子的面积，选取宁夏15个市县玉米和小麦播种面积与其实际耕地面积之比表征暴露性评价指标。公式如下：

Eci=Aci/Acf

(9)

式(9)中，Eci表示第c个县、第i种作物的暴露性指数；Aci为第c个县、第i种作物种植面积，m2；Acf表示第c个县耕地面积，m2。

1.3.3 脆弱性指数的确定

脆弱性表示承灾体易于遭受干旱威胁并造成损失的性质和状态[20]。作物产量波动性是直接反映农作物损失程度的指标，产量波动越大，农作物脆弱性越强。有效灌溉面积越大，雨养农业面积越小，作物干旱脆弱性减小。因此选取各市县玉米和小麦减产率、单产变异系数、有效灌溉面积占总耕地面积比为脆弱性评价指标，公式如下：

Vci=ycip·wcip

(10)

式(10)中，Vci表示第c个县、第i种作物种植对干旱的脆弱性指数；ycip为第c个县、第i种作物、第p个指标的标准化值；wcip为第c个县、第i种作物、第p个指标的权重。

为消除量纲的影响，使指标之间具有可比性，在计算前需要对每个指标进行标准化处理，首先将指标分为正向指标与反向指标2类，具体公式如下：

正向指标，如作物单产变异系数越大，作物种植对干旱的脆弱性指数越大。属于越大越优型：

(11)

负向指标，如有效灌溉面积占比越大，作物种植对干旱的脆弱性指数越小。属于越小越优型：

(12)

式(11)、(12)中，yp为标准化后的指标值；xmax与xmin分别表示指标yp中最大值与最小值。

1.3.4 抗旱能力指数的确定

抗旱能力(Re)表示人类防御、减轻、承受干旱灾害风险的能力[21]。农业抗旱能力主要体现在农业现代化水平、农业技术发展水平、农民收入水平以及农业劳动力投入水平等4个方面，主要选取农业机械总动力、农业化肥施用量、农民人均收入及农林牧渔业劳动力作为评价防灾减灾能力的指标。为确保所选指标的合理性，采用产量波动差异参数作为评价标准[22]，C越小表明粮食产量波动大，抗旱能力差，反之则抗灾能力越强。具体公式如下：

(13)

计算各县(市)抗旱能力指数步骤与脆弱性指数一样，首先利用公式(12)～(13)进行标准化，在此基础上采用灰色关联度方法得出各县各指标的权重，在根据综合评价法进行综合排序。

1.3.5 权重的确定

作物干旱风险公式(1)中的权重可以用灰色关联度方法确定，灰色关联度分析方法是根据因素之间的发展态势的相似或者差异程度来衡量因素间关联程度[23]。危险性指数、暴露性指数、脆弱性指数和抗旱能力指数的权重需要计算其灰色关联度，(与其相应县(市)的1981—2016年玉米和小麦的减产率序列之间的灰色关联度)，计算灰色关联度首先要确定一个参考序列，参考序列采用各县(市)玉米和小麦1981—2016年的减产率，通过指数与参考序列之间的关联系数公式(14)计算出灰色关联系数之后再根据公式(15)计算出各指数的权重，计算公式如下：

(14)

式(14)中，y0为1981—2016年各县的玉米和小麦的减产率序列；yl为第l个指标序列；ξlk为第l个指标序列第k项与参考序列的关联度；ρ为常数，取0.5。

根据灰色关联度矩阵可以求出各指标序列的平均关联度rk，再根据平均关联度计算n个指标序列对应的权重wi：

(15)

(16)

作物干旱风险模型包括危险性、暴露性、脆弱性与抗旱能力4个指数，分别将各要素标准化后的指标值yi′与其权重wi相乘相加，各指数对农业干旱风险的影响程度采用加权综合评价法计算，计算公式如下：

(17)

式(17)中，X表示作物干旱风险四项指数的分项综合指标值，yp′表示标准化后的指标值，wi表示指标权重，n表示各指数中指标的个数。

1.3.6 宁夏玉米与小麦干旱风险评价与区划

宁夏玉米和小麦干旱风险评价与区划主要流程包括：首先以1981—2016年各市县玉米和小麦减产率序列为标准序列，分别计算危险性指数、暴露性指数、脆弱性指数以及抗旱能力指数与标准序列之间的灰色关联度，根据灰色关联系数确定各指数的权重，采用作物干旱风险模型得出各地玉米和小麦的干旱风险。其次，采用聚类分析方法与ArcGIS克里金插值法，对各市县多年的玉米和小麦干旱风险进行评价与区划。

采用公式(3)～(9)计算各站点玉米和小麦干旱危险性指数。利用公式(10)求出各地玉米和小麦在干旱中的暴露性程度。通过有效灌溉面积比、玉米和小麦单产变异系数的灰色关联度分析，得出两个指标在脆弱性评价中的权重，再根据公式(18)求出各县玉米和小麦种植对于干旱的脆弱性指数。采用灰色关联度方法分析农业机械总动力、农业化肥施用量、农民人均收入及农林牧渔业劳动力4项指标与各县玉米和小麦的产量波动差异参数序列(公式14)之间的关联程度，保证选取指标是否能反映抗旱能力，在此基础上采用公式(16)- (17)计算4个抗旱能力指标的权重，并根据公式(18)求出各县抗旱能力指数。

2 结果与分析

2.1 作物干旱危险性分析

根据公式(4)～(8)计算宁夏玉米和小麦干旱强度，图3为宁夏玉米和小麦发生不同等级干旱强度的时间序列分布。从图3a可知，北部引黄灌区小麦干旱程度最低， 1981—2016年均在0.15以下的无旱等级。中部各县小麦干旱强度较高， 36年(1981—2016年)有15年达到重旱等级，除了1985年、1996年、1998年以外均达到中旱以上干旱等级，小麦旱情较重。南部各县相比中部小麦干旱较轻，多数年份在轻旱至中旱水平。

图3b表明宁夏玉米干旱强度排序从高到低为中部干旱带>南部山区>北部引黄灌区。中部各县玉米干旱强度在中旱至重旱水平， 36年有10年达到重旱强度，多数年份在中旱水平。南部各县玉米干旱强度时间序列分布波动最大，最高达到中旱水平，一般在轻旱至中旱，而北部引黄灌区各县多年玉米干旱强度值均在轻旱以下水平，基本不发生干旱。

对比宁夏北部引黄灌区各县、中部干旱带各县以及南部山区各县的玉米和小麦干旱强度时间序列分布，北部小麦和玉米的干旱强度差距较大，中部及南部差距较小。主要原因是北部引黄灌区玉米全生育期内的潜在蒸散量高于小麦160.85mm，因而干旱强度差距较中南部地区较大。

图3 宁夏玉米和小麦干旱强度时间序列分布

根据式(8)计算出各站点所在县(市)小麦发生各等级干旱的频率(表6)，从表6可知，引黄灌区陶乐、青铜峡、永宁、灵武、吴忠、银川等县(市)小麦36年(1981—2016)内基本没有发生干旱，无旱频率在1左右； 石炭井、惠农、大武口、平罗小麦发生轻度干旱的频率达到0.4以上，表明5年内发生2次轻旱。中部干旱带中旱至重旱发生的频率很高，其中中卫、同心韦州、兴仁、麻黄山小麦2年就会发生1次重旱等级的干旱。中宁、海源5年内至少发生1次中旱—重旱。南部山区固原市重旱频率较高，基本2年发生1次重旱。西吉县小麦各等级干旱频率分布均匀，各等级干旱均4年发生1次。隆德、泾源县发生无旱、轻度干旱频率占比较高。

表6 玉米和小麦发生不同强度干旱的频率%

玉米干旱频率气象站点无旱频率轻旱频率中旱频率重旱频率玉米小麦玉米小麦玉米小麦玉米小麦引黄灌区陶乐0.8910.1100000青铜峡0.3910.5600.06000永宁0.3110.6400.06000灵武0.8910.1100000石炭井0.1110.6400.25000惠农0.170.970.670.030.17000大武口0.280.720.610.280.11000平罗0.310.600.640.40.06000吴忠0.890.530.110.4400.0300银川0.420.420.560.530.030.0600中部干旱带中卫00000.580.310.420.69中宁0.060.060.030.060.670.190.250.69兴仁0.030.030.170.030.390.310.420.64盐池00.030.190.190.560.250.250.53麻黄山0.220.140.10.080.470.280.20.5海原0.170.030.360.060.440.470.030.44韦州0.0600.060.140.470.420.420.44同心0.060.0600.310.50.50.440.14南部山区固原0.280.190.220.170.440.390.060.53西吉0.250.170.250.250.360.330.110.25隆德0.530.360.220.330.250.1900.11泾源0.750.640.170.170.080.1100.08

图4 小麦和玉米危险性指数空间分布

从玉米各等级干旱发生频率来看，北部引黄灌区青铜峡、永宁、惠农、大武口、石炭井、平罗发生轻度干旱的频率达到56%以上，表明2年至少发生1次轻旱，其中大武口、惠农中度干旱频率也较高，至少5年发生1次中旱。陶乐、灵武、吴忠等县(市)基本无旱，无旱频率高于85%。中部各县玉发生干旱的频率主要以中旱、重旱为主，玉米中旱频率高达39%以上，说明5年发生2次中度干旱。除了海源县，其他县重旱频率在20%以上，表示5年内玉米至少发生1次重度干旱。固原市、西吉县玉米发生中旱的频率较高，隆德县、泾源县玉米不发生干旱的频率占50%以上。

通过分析宁夏各县(市)玉米和小麦干旱强度及各等级干旱强度发生的频率，计算出玉米和小麦种植对干旱的危险性指数，利用公式(3)及克里金插值法，对宁夏小麦和玉米对干旱的危险性指数进行区划(图4)。从图4a来看，小麦干旱危险性指数以同心、中卫两县为高危险区，盐池大部、中卫南部、海原东北部、固原北部为中危险区，海源西南部、固原南部、惠农北部、西吉县为低危险区，泾源、隆德、青铜峡、吴忠、永宁、灵武、银川、陶乐等县为无风险区。从图4b可看出，玉米干旱高危险区主要以同心、中卫为中心，周边中宁、海源、盐池为中危险区，低危险区主要分布在银北河西灌区(吴忠、永宁、平罗)以及西吉与固原北部等县市，而玉米无干旱危险的地区主要有南部泾源、隆德、北部陶乐、银川、灵武、青铜峡等地，宁夏玉米干旱危险性呈中部高南北低的空间分布格局。

从宁夏玉米和小麦干旱危险性指数整体空间分布来看(图4)，玉米和小麦对于干旱的危险性均呈中部高、南北低的空间分布格局。以同心、中卫为高值中心，北部引黄灌区各县、南部泾源、隆德两县为低值区。但局部地区有一定的区别，以高值区分布来看，玉米干旱危险性高值区具有一定的连片性，在中部地区的西北部(中卫、中宁、同心)，而小麦高值区集中在同心大部和中卫局部。中南部小麦危险性高于玉米危险性，其中同心小麦危险性高于玉米6.5%，中卫4.8%、韦州7.4%、麻黄山5%、盐池2%，海源、兴仁持平，固原小麦危险性高于玉米4%、西吉持平、隆德5%、泾源5%，其主要原因是中南部地区属于雨养农业区，灌溉保证率低，作物全生育期内的有效降水量是决定其危险性高低的主要因素，而宁夏雨季在6—9月份，与玉米生育期(4—9月)大部分重合，因此玉米干旱危险性相对小麦较低。

北部引黄灌区的小麦干旱危险性低，而玉米无危险性范围减小，低危险、中危险范围(惠农、石炭井、平罗、吴忠)有所增加，其主要原因是北部引黄灌区玉米全生育期内的潜在蒸散量是小麦的1.37倍，有效降水量、灌溉量无法满足玉米生育期内的需水量，因此北部引黄灌区玉米干旱危险性较小麦较高。

为检验作物干旱指标的准确性，将得出结果与《中国气象灾害大典》中记载的灾害年份进行对比，除了个别年份记载较粗略外，本方法判定的结果与历史记载基本吻合，如表7所示。

表7 1981—2000年宁夏旱情记录

年份宁夏干旱灾情1981海源、兴仁、盐池1～5月降水量仅21.8mm, 12.6mm, 6.4mm,全区因旱绝产面积2.77万hm2,海源、同心、盐池人畜用水紧缺1982严重干旱年,其中同心、海原、西吉、固原、盐池干旱严重,中卫、灵武的山区干旱更为严重。盐池、海原秋粮减产50%以上; 同心4.33万hm2有1.2万hm2绝产1983盐池、海原秋作物减产达到5成以上; 同心秋作物绝产三成以上19849—11月发生干旱,冬小麦播种面积较往年少了0.6万hm21985旱情最严重的是同心、海原、盐池和固原北部,夏粮播种面积比上年减少2.87万hm21986山区秋旱严重, 15万眼水窖中13万没收上水而枯竭,共38万人105万头牲畜吃水困难1987出现四季连旱,海原、同心两县、盐池南、彭阳东北部、固原北部、西吉北部持续干旱14～15个月。宁夏中南部8县农作物受旱面积40.27万hm2,成灾面积36.97万hm2,夏粮比1986年减产42.2%,秋粮减产28.5%。干旱特别严重的海原、固原、盐池,全年减产40%～68%1988全区受旱面积5.76万hm2,成灾4.73万hm21989中南大部分出现夏末初秋连旱,严重旱区有西吉、海原、固原、盐池、同心,农作物受灾面积11.97万hm2,成灾10.87万hm2,减产粮食3 100万kg19906月干旱较严重的有盐池、同心、彭阳、西吉、海原、固原、灵武、中卫,受旱面积23.16,夏粮15.03,其中绝产1.32万hm219916—10月宁南山区有108个乡镇受灾面积32万hm2,成灾9.2,减产8 280万kg,直接经济损失9 000多万元。因土壤表层墒情不好,使宁南山区冬小麦播种面积减少,原计划5.56万hm2,实际完成4, 65万hm2,占计划的82.3%1993受灾严重的有盐池、同心、海原、西吉、固原、彭阳因旱农作物受灾面积18.71万hm2,成灾17.4,承载人口107万; 夏粮作物生长发育受到影响,晚秋作物无法下种和出苗不齐。盐池、同心、海原受旱严重1994宁南山区干旱加重蔓延夏粮大幅度减产,宁南山区夏粮计划种植26.78万hm2,完成计划的95%; 人畜饮水十分困难, 5月底宁南山区30多条大小河道已有26条断流; 10.7万眼水窖无存水的达到9.3万1995南部春夏连旱,盐池、同心仅为8～8.4mm,普遍比历年同期减少58%～86%; 宁南山区春季干旱非常严重,盐池、同心的降水距平达到重旱标准春季3—5月同心、固原、西吉、隆德、泾源有气象数据以来的最低值,盐池、海原有记录以来的第三个低值年干旱造成的影响:夏粮作物大幅减产; 全区干旱夏粮受灾面积23.2万hm2,成灾21.53万hm2,受灾人口170万; 南部山区夏粮总产约1.8亿kg,比正常年景减产1.5亿kg; 海原、同心、彭阳、盐池、固原、西吉、隆德夏粮基本绝产。秋粮下种困难,秋波难以完成。西海固盐同秋波计划完成不足80%1997特大干旱尤其是秋波陷入困境, 8月下旬到9月上旬,除了隆德、泾源两地有少量降水外,大部分地区滴雨未降,使秋作物受旱明显。彭阳大部、固原北部、海原大部秋播困难19986月宁南山区降水较少,比往年少3～7成,小麦轻度受害。冬小麦也不同程度受害1999旱情严重,集中在宁南山区; 全区累计农田受旱面积15万hm2,成灾8.83,绝收3.3,与常年相比属于偏重。冬小麦,隆德泾源最严重。3月宁夏中南大部降水显著减少,造成春波困难; 7月下旬以来,宁南山区温度偏高,降水少。除盐池外其他地区降水为4～31mm,偏少67%～96%。对灌浆期玉米威胁很大20002—5月灌区大部及同心重旱,西吉、泾源轻度干旱,固原、隆德正常偏旱,其他地区中度干旱。7月宁夏中南部地区持续高温少雨,除盐池、泾源外,其他地区的夏粮灌浆受到严重影响,同时不利于秋粮生长8—9月大部地区降水偏少,宁夏中南部地区秋季土壤水分状况较差,除泾源、隆德南部与历年持平外,其余大部地区低于历年平均,尤其是固原北部、同心,比历年同期少4%。据了解,山区冬麦区因旱播种面积有所减小

2.2 玉米和小麦种植对干旱的暴露性分析

作物种植比例越大，作物接触干旱的暴露性越大，遭受干旱风险的可能性增加。而种植比例小，接触干旱的面积减少，发生作物干旱风险的可能性降低。从图5a小麦暴露性指数时间分布来看， 1995—2005年小麦暴露性指数逐渐增加， 2005—2015年暴露性指数呈快速下降趋势。2005年各地小麦种植面积达到峰值，暴露性指数最高达到了50%，如泾源、彭阳、隆德3个县。2005年之后宁夏小麦暴露性指数呈直线下降趋势，至2015年最低暴露性指数仅为1%左右，主要集中在盐池县、灵武市和中宁县。从图5a小麦暴露性指数空间分布来看，小麦暴露性指数呈由南向北转移的趋势，北部种植小麦的比重缓慢增加， 1995年小麦主要种植在泾源、隆德、彭阳、西吉、固原、海原等地，暴露性指数达到45%左右，至2005年同心、贺兰以北等中北部地区小麦暴露性明显增加，达到30%左右。直至2015年宁夏小麦种植比例整体呈锐减趋势时，同心、青铜峡、永宁、贺兰以北等地区种植比例保持10%～20%的种植比例。

从图5b宁夏玉米暴露性指数时空分布结果来看， 1995—2015年玉米种植面积逐渐增加，从1995年最低1.5%的种植比到2015年最低种植比例达到10%左右，全区玉米暴露性指数呈逐年增加的趋势，最高暴露性指数达到45%左右，主要集中在宁夏北部引黄灌区与同心县、南部彭阳县。

2.3 玉米和小麦种植在干旱胁迫下的脆弱性分析

在对指标量化的基础上，采用灰色关联度方法，以1981—2016年各市县玉米和小麦的减产率参考序列，计算3个指标在脆弱性评价中的权重，再根据综合加权方法得出各县玉米和小麦种植对干旱的脆弱性指数。从图6来看，宁夏玉米和小麦种植在干旱胁迫下的脆弱性指数整体呈下降趋势，两种作物脆弱度发展趋势基本相同，玉米脆弱度相对较高，至2015年均达到历史最低0.280 3、0.302 2。脆弱度降低是由于宁夏各县(市)玉米和小麦的减产率逐年降低、单产变异系数波动趋于平缓，有效灌溉面积逐年增加的结果。

两种作物在干旱胁迫下的脆弱性指数时间序列分布差别较小，而空间分布有明显的区别，图7a中可知，小麦在干旱胁迫下损失较高的地区主要分布在中宁南部、海原、西吉、隆德和泾源等县，小麦多年平均减产率分别达到23%、43.5%、25.02%、40.53%、43.7%，干旱脆弱性指数高于0.540 9。其次是固原、彭阳、同心、中卫南部、吴忠、灵武等地，平均脆弱性指数达到0.470 2，脆弱性指数低值区主要分布在北部惠农、平罗、贺兰、盐池东北部等地区，该地区灌溉条件好，是宁夏主要的粮食种植地，脆弱性指数在0.379 8以下。较小麦而言，玉米种植对干旱的脆弱性指数低值区范围增加，主要包括中宁东北部以北地区，有天然的灌溉条件，大大降低了该区各县玉米减产率，也说明北部地区农业发展水平较高，对作物干旱的人为防御能力较强。玉米干旱脆弱性指数高值区在海原中南部以南所有地区，最低减产率在23.1%以上。

图5 小麦和玉米暴露性指数时空分布

图6 玉米和小麦干旱脆弱度时间序列分布

图7 玉米和小麦干旱脆弱度空间分布

2.4 农业抗旱能力分析

该文统计宁夏各县(市)1993—2015年统计年鉴中的农业经济数据，选取了农业劳动力、农业机械总动力、农业化肥施用量、农民人均纯收入作为评价各地区农业抗旱能力的指标，其中农业劳动力是作物种植生产的直接参与者，劳动力人数的多少在一定程度上决定了作物种植生产的质量。农业机械总动力是反映各地区农业机械化水平的指标，包括耕种、灌溉、收割、运输作物的多种机械，机械化水平越高抗旱能力越强。农业化肥施用量是指一个周期内(一般为一年)用于农业生产的所有肥料的总和，增强作物生命力，可提升作物抗旱抗灾能力。农民人均纯收入表示农户是否有治理干旱灾害的经济能力。

为检验所选指标的合理性，将以上4个抗旱能力指标与玉米和小麦产量差异系数(式15)进行灰色关联分析，产量波动的大小可以反映作物的抗灾性能，因此以产量变异系数为参考序列，计算4个指标序列与参考序列的灰色关联系数，在此基础上得出各指标的权重。结果表明(表13)，各县(市)4个指标与参考指标间的关联度均在0.53以上，关联度高说明所选指标可以反映当地的抗旱能力水平。

图8 1995～2020年宁夏农业抗旱能力指数时间序列分布

图9 宁夏农业抗旱能力指数空间分布

从宁夏农业抗旱能力指数时间序列分布图8来看，整体农业抗旱能力提升速度较快，至2016年各县市抗旱能力指数平均值已经达到0.8左右，说明宁夏整体农业经济水平、农业机械化水平及农民收入均有大幅度提高。

结合4个抗旱能力指标，经加权求和后得到宁夏各地区农业抗旱能力指数，计算其多年平均值后利用GIS克里金插值进行区划，结果如图9所示。农业抗旱能力较强的地区主要分布在引黄灌区周边县市，包括青铜峡、永宁、银川、吴忠北部、惠农区以及盐池东北部地区，抗旱能力指数达到0.5以上，该区农业经济发展水平相较中南部地区较好，农业化肥施用量在7.4万t以上、农民人均收入在1.05万～1.17万元之间、农业机械总动力高达55万kW，因而抗旱能力较高。抗旱能力较低的地区有中卫大部、西吉中部以及平罗西北部等地区，抗旱能力指数在0.4～0.45之间，农民人均纯收入仅为北部各县的53%、农业机械总动力仅达到40万kW左右、农业化肥施用量在5.3万t左右，相较于北部各县差距较大，因而农业抗旱能力较弱。宁夏各县(市)农业抗旱能力指数时间分布呈逐年增加趋势，空间分布呈北部高中南部低的格局，但总体上各县(市)抗旱能力指数值相差不大。

2.5 宁夏玉米和小麦干旱风险评价与区划

采用聚类分析方法，对各县多年玉米和小麦干旱风险值进行聚类分析，将研究区分为无风险区、低风险区、中风险区及高风险区，如表8。

表8 宁夏玉米和小麦干旱风险等级

风险等级玉米干旱风险指数小麦干旱风险指数无风险区DI≤0.2DI≤0.25低风险区0.20.5DI>0.5

利用GIS中克里金插值法对1993—2016年各县玉米和小麦干旱风险平均值进行区划。图10为宁夏小麦和玉米干旱风险空间分布。由图10a可知，小麦全生育期干旱风险高值区主要分布在宁夏中南部山区(同心南部、海原东北部、西吉、隆德)，风险值均达到0.5以上，这些地区不仅气候条件恶劣，而且农业技术水平及农民收入水平较北部灌区差距较大，农民人均收入仅为北部灌区人均收入的60%左右。盐池、固原、海原西部位于中等风险区，风险值达到0.4，该区农业经济发展水平较低，常年干旱且小麦种植暴露度较高。北部引黄灌区风险指数较低，其中中宁、中卫两地小麦干旱风险较低的主要原因是小麦种植暴露度低，种植面积较小，因而受旱风险低。

由图10b可知，玉米生育期干旱高风险区主要分布在盐池东北部、同心西南及海源东北部，多年平均风险指数分别为0.52、0.54、0.51，西吉南部、海原大部、固原、同心北部、惠农位于玉米中等风险区，风险指数达到0.4以上，宁夏南部(泾源、隆德)、北部引黄灌区(银川、永宁、中卫、平罗)属于低风险区，风险指数在0.25～0.35之间，其中南部两县玉米干旱风险较小的原因是降水量较多且与玉米生育期重合，玉米干旱暴露度低于0.15。

对比宁夏玉米和小麦干旱风险空间分布可知，小麦干旱风险高值区分布范围较大，呈中南部高北部低的空间分布格局，中南部各县是雨养农业区，作物水分主要依靠降水量的补给，而小麦生育期在雨季初期，降水量较少，且种植面积比重较大，因而受旱面积较大。玉米干旱风险低值区不仅包括北部引黄灌区大部分县市，还包括南部泾源、隆德两县，主要原因是该区玉米种植面积较小，雨季降水充沛，可以满足玉米生长需要的水分。

图10 宁夏玉米和小麦干旱风险空间分布

从宁夏玉米和小麦干旱风险时间序列分布来看(图11)， 1993—2016年玉米干旱风险呈逐步上升趋势，从30%上升至45%，整体达到了中度风险水平。其主要原因是玉米干旱暴露度明显增加，至2016年玉米种植面积最高达到了45%以上。而宁夏小麦干旱风险趋势较平缓，干旱风险水平在0.3～0.4之间，主要原因是各县(市)小麦的种植面积比例逐年减少，多数县小麦种植比例低于10%。相对而言，玉米干旱风险更大，产生品种差异的原因在于两者干旱危险性指数和暴露性指数间的差异较大，玉米干旱暴露度高，接触致灾因子的面积大，且生育期较长，虽然玉米生育期与宁夏雨季重合，但其潜在蒸散量是小麦的1.37倍，降水量无法满足玉米生长所需的水分。

图11 宁夏玉米和小麦干旱风险时间序列分布 图12 作物干旱风险模型检验 注：“*”表示显著性水平为0.05； “**”表示显著性水平为0.01

为了检验作物干旱风险评估模型的可靠性，将各站23年玉米和小麦减产率与评价模型得到的农业干旱风险指数做相关分析。结果表明多数站点Pearson相关性达到了0.01、0.05显著性水平(图11)，说明该模型及选取的评价指标可较好反映宁夏玉米和小麦的干旱风险程度。

3 结论与讨论

该文以宁夏玉米和小麦全生育期内的干旱风险为研究对象，根据自然灾害风险理论，从干旱危险性、玉米和小麦种植在干旱胁迫下的脆弱性、在干旱环境下的暴露性和农业抗旱能力构建干旱风险模型，对宁夏玉米和小麦干旱风险进行评价与区划。

(1)总体上看， 23年(1993—2016年)宁夏玉米和小麦干旱风险时间序列分布呈逐步上升趋势，玉米干旱风险最高达到45%，上升趋势明显。而小麦干旱风险趋势较平缓，干旱风险水平在0.3～0.4之间。品种间的差异主要在于干旱危险性指数和暴露性指数间差异较大，玉米干旱暴露度高，生育期较长，潜在蒸散量大，降水无法供应生育期内的需水量。

(2)从空间分布来看，玉米和小麦干旱风险主要区别在于中南部地区，小麦干旱风险高值区分布范围较大，因为中南部地区降水量是作物生长中主要的水源，而小麦生育期在雨季初期，降水量较少，且种植面积大，因而受旱面积较大。泾源、隆德两县小麦干旱风险较高，而玉米干旱风险较低，主要原因是该区玉米种植面积较小，雨季降水充沛，可以满足玉米生长需要的水分。

(3)玉米和小麦干旱风险评价中危险性指数与暴露性指数对最终的评价结果贡献较大，各县(市)玉米和小麦危险性、暴露性指数权重均在0.3以上，因此为减轻干旱对作物种植的影响，应调整种植比例，减少小麦的种植面积，增加马铃薯、小秋杂粮、红枣等耐旱作物的种植比例。

(4)针对以上分析结果，各市县应从作物干旱风险的主导因素出发，制定适合各自的干旱减灾措施。宁夏北部引黄灌区灌溉条件优越，平原地区(银川平原和卫宁平原)有利于大面积机械种植，气候利于粮食作物的生长，农业经济发展速度较快，应进一步扩大玉米和小麦种植面积； 对中部扬黄灌区应调整用水结构，扩展供水范围。改造老化泵设备，提高灌溉保证率。调整种植结构，减少小麦种植面积，扩大马铃薯、枸杞、红枣等经济作物的种植面积。推广垄沟栽培、沟栽沟灌、覆膜栽培等农艺措施。以调整扬黄灌区水价调节用水量，促进节水农业的发展。利用灌区边缘小扬水等水源，拓展扬黄灌区的供水范围。中部其余地区，以建设高标准集雨拦蓄工程为主，充分利用降水以及洪水资源； 南部山区雨养农业区应加大库井灌区的改造力度，采用小畦节水灌溉或喷灌、滴灌、管灌、沟灌等高效节水灌溉技术，提高用水效率，推进旱作雨养农业的发展。调整种植结构，压夏扩秋，充分利用降雨资源，扩大马铃薯、果树、向日葵、地膜玉米、小秋杂等特色作物的种植面积。推行旱作物优先供水、优惠水价，高耗水作物无保障供水政策、提高水价等政策推动种植结构的调整步伐。