杨青青, 罗纲, 高超
(1.安徽师范大学 地理与旅游学院,安徽 芜湖 241000; 2.宁波大学 地理与空间信息技术系,浙江 宁波 315211)
政府间气候变化专门委员会发布的《管理极端事件和灾害风险推进气候变化适应》特别报告指出,未来干旱风险有增加的趋势。中国历来就是一个干旱灾害发生极为频繁的国家,与洪涝、台风等灾害相比,干旱具有持续时间长、影响范围大、发生频率高等特点,对工农业生产等容易造成巨大损失,尤其对农业损害最为严重。公元前206年至2018年,在2 224 a的时间里,中国发生了大约1 076起重大旱灾,平均2 a发生1次干旱灾害;而建国后,因干旱造成的多年平均粮食损失约3 000万t,约占全国粮食总产量的6.5%。农业干旱已成为中国农业生产的重要制约因素之一[1-2]。
农业干旱是指农作物生长的需水量与土壤有效供水量之间因收支不平衡造成的水分短缺现象。农业干旱发生的原因可能包含气象、土壤和水资源利用效率等多种因素造成的农作物水分收支失衡,但究其根源则是长期无降水或降水异常减少。当农业干旱出现时,由于人类的抗灾能力不足、减灾措施不当等原因,不能满足农作物生长需水量的供给,从而造成农作物产量降低的现象即为农业干旱灾害。总体上,农业干旱灾害是农业干旱累积到一定程度的结果,给农业生产带来了破坏。
地理学(geography)是研究组成地球表层各圈层要素在时间、空间上的分布格局、演变过程和驱动机制的学科。换而言之,地理学是为了更好地利用地球表面的自然资源,走可持续发展道路,研究人与地理环境关系的学科。而农业是人类利用动植物在自然环境中的生长发育规律,通过人工培育来获得产品的产业,与地理环境、乃至地理学密切相关。正因地理学具有综合性、复杂性等特性,从地理学视角来观察农业系统,能很好地阐释农业生产与自然环境之间的复杂性、生产过程的阶段性和空间分布的差异性等。对于农业干旱,可以从地理学角度的综合性、系统性、时空差异性等方面,沿着“格局—过程—机制”来深入认识,更好地理解农业干旱的形成因子、驱动机制和灾害风险等。
干旱是一种自然现象,对于干旱及其评估指标的研究较为充分,但由于干旱触发机制的复杂性及研究目的的差异性等,产生了不同的干旱分类。较为通用的是美国气象学会[3]划分的4种类型:气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱。4种干旱类型的关系如图1所示。
图1 4种干旱类型的关系
气象干旱主要是指降水不足造成的降水和蒸发失衡,导致水资源短缺的现象。着眼于气象要素中降水因子的描述,相应的评价指标可归纳为单因素指标和综合多因素指标。单因素指标包括连续(无)降水日、降水异常、标准差指数、Z指数等。综合多因素指标尝试描述蒸散量、土壤水分供给、径流及地表土壤水分损失等因素,如相对湿润度指数、综合气象干旱指数和帕尔默干旱指数等[4-5]。
水文干旱是较为严重的气象干旱发生后,大气降水、地表径流和地下径流三者之间的平衡遭到破坏,地表水、地下水总量减少的现象。当地表水、地下水总量不能满足农业灌溉需求时,水文干旱将加剧农业干旱。通常用地表水径流供给量不足、农作物缺水程度等来指征水文干旱的发生,或者利用径流量与其他要素组合来表征,形成综合多因子指标,如最大供需比指数和水资源总量短缺指数等[6-7]。
农业干旱是指在农作物生育期内,由于土壤供水量不能满足农作物需水量,导致农作物体内水分亏缺,影响农作物正常生长发育的现象。农业干旱主要是由气象干旱或土壤干旱导致农业生产对象生理干旱而引发的[3],涉及气象、土壤持水能力、农作物生理特征和人类对水资源利用等多方面综合因素。其中,气象干旱引起的降水异常减少是农业干旱最直接的原因;土壤持水能力、地形地貌等下垫面因素影响土壤的供水能力和农业干旱的空间分布等;农作物本身的生理特性等决定着农作物的需水量与抗旱能力;农业田间管理措施、灌溉基础设施建设水平等一系列人类活动因素决定着农作物的水分供给。在发生气象干旱后,若及时灌溉,满足作物需求,就不会形成农业干旱。农业干旱的代表性指标有土壤墒情、作物形态指标等[8]。
社会经济干旱是指由自然系统与人类社会经济系统中水资源供需不平衡造成的异常水分短缺的现象。社会需水主要表现在工业、农业和生活与服务行业需水等方面。可建立大气降水、河川径流和农业经济生产、能源消耗以及人类社会经济损失等之间的定量化关系来刻画社会经济干旱的严重程度。如OHLSSON提出的社会缺水指数(Social Water Scarcity Index,SWSI),反映了社会经济受影响的程度[9]。
上述4种干旱的核心内容是水分缺乏或者水分时空分布不能满足工农业生产等社会经济活动的现象。在发生时间上,先后顺序依次是气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱。气象干旱是干旱的根本原因,也是其他3种干旱发生的前提。农业干旱是持续后的气象干旱在农业上的反映,因农作物需水量与大气降水、土壤供水量的差值达到一定的阈值而产生,即农作物水分收支失衡影响正常生长。进一步的气象干旱可能导致河流径流减少、湖泊和水库的地表水和地下水储量减少,并发生水文干旱;水文干旱一旦发生,对于农业的供水量将会减少,从而加剧农业干旱;持续的水文干旱,将导致地下水和地表水对于人类生活或经济需水供给减少,引起社会经济干旱。因此,水文干旱是联系气象干旱、农业干旱和社会经济干旱的纽带。上述3种干旱的社会经济影响可以用社会经济干旱来表达。
从地理学视角的“格局”来认识农业干旱,需要全面了解农业干旱时空分布特征。选择合适的监测数据源、借助恰当的监测模型或者分析方法,构建农业干旱监测指标,利用指标推演和预测农业干旱的时间和空间演化过程,评估干旱发生的程度。
2.1.1 传统监测指标
传统意义上的农业干旱监测方法是通过野外实地采集土壤,获取含水量等信息来监测农业干旱,如常规的土钻取土称重法或中子仪法。结合气象、土壤等要素不断演化后,形成了气象指标、土壤墒情指标、生理生态指标和综合性指标等农业干旱监测指标[10]。
1)气象指标。多数是基于气象站点的降水、气温数据建立干旱指数,难以与农业土壤含水量等建立对应定量关系,反映的还是气象干旱的内容。如降水距平百分率、Z指数、帕默尔干旱指数、标准化降水指数、标准化降水蒸散指数、Bhalme-Mooley干旱指标、综合干旱指标等[11]。
2)土壤墒情指标。事实上,社会公众最关心的干旱也正是由于土壤湿度长时间低于农作物承受程度而造成的农业干旱,可用土壤墒情表达土壤湿度情况,而土壤湿度与土壤含水量密切相关。土壤墒情指标是农业干旱监测中最常见的指标之一,其优势在于能直观地反映旱地作物农田水分多少。但全国仅有640个农业气象观测站和1 504个土壤墒情观测站,其对土壤湿度的监测存在站点分布稀疏、观测时间间隔过长的问题,导致数据空间代表性差、信息发布不及时。具体指标如土壤相对湿度指标、土壤区域综合相对湿润指数等[12]。
3)生理生态指标。对农作物而言,农业干旱造成供水量与农作物需水量失衡,这种失衡导致农作物的生理性缺水形成不可逆损害。生理生态指标是基于作物需水量的监测指标,能反映农作物对水分的需求程度。常用的指标有:叶水势指标、作物水分胁迫指数、水分亏缺指数、作物湿度指标、气孔导度指标、光合速率指标和蒸腾速率指标等[13]。
4)综合性指标。以农作物为主体,综合评估其缺水程度,如从作物水量供需平衡角度,选择有效供水量、作物需水量、地下水利用量指标综合评估干旱的形成和发展[14]。
2.1.2 遥感监测指标
相对于传统土壤采样点或者气象站点获取的农业干旱数据源,遥感具有多时相、多波段、大范围等特点,可定量化反演大区域的下垫面土壤水分含量状况等。
1)基于低农作物覆盖地表的遥感反演指标,可分为:热惯量指标、微波遥感监测指标等。热惯量遥感反演模型是在估算土壤昼夜温差的基础上,反演地表土壤的相对干旱程度,其局限性是:多适用于裸露地表或者较低农作物植被覆盖地区,并且必须同时获取白天和夜晚的晴空遥感数据。微波遥感受云层等天气现象影响较小,被广泛应用到干旱遥感监测中。通过建立土壤湿度与微波后向散射系数的统计函数关系,进行农业干旱监测。
2)基于高农作物覆盖地表的遥感反演指标。对于农作物植被覆盖较好的地区,利用植被生长形态特征与多年平均植被生长状态的差异程度来反映该地区的干旱情况。如:条件植被温度指数、温度植被指数、归一化植被指数、距平植被指数、标准植被指数、植被供水指数、短波红外垂直失水指数、归一化差异水分指数以及全球植被水分指数等。监测方法尝试综合地表温度和植被指数达到有效地消除土壤影响的目标[15]。
3)基于植被冠层温度的遥感反演指标。农作物的蒸腾过程将导致冠层温度微弱降低,当农作物遭受干旱时,蒸腾过程受到抑制,冠层温度相对充分供水时将有所上升,因而可利用冠层温度来反演农业干旱程度。但冠层温度变化除受蒸腾过程影响外,还受外界环境等诸多因子影响,若单一借助遥感反演冠层温度来表征农业干旱并不十分理想。尝试把遥感干旱监测和农作物生产过程、环境要素信息等相互结合,构建反映农作物生理特征、土壤墒情的大尺度的农业干旱监测方法,将是基于遥感数据源的农业干旱监测研究的重要方向之一。
2.1.3 农业干旱综合指数
随着研究的深入开展,农业干旱监测逐渐将气象观测数据与遥感技术相结合。如空间尺度上的干旱监测,可以利用气象干旱指数和植被指数,结合下垫面信息,建立植被干旱响应指数(Vegetation Drought Response Index,VegDRI)[16];时间尺度上,尝试将历史观测气象数据与准实时的遥感数据进行数据同化,构建多源数据驱动的准实时农业干旱综合指数[17];从实践应用角度出发,综合气象站点降水量、河川径流量、蒸发估算量和土壤湿度观测数据或土壤湿度遥感反演数据等构建多变量干旱监测指数(Multivariate Standardized Drought Index,MSDI),尝试利用MSDI综合监测气象干旱、水文干旱和农业干旱[18]。近年来,虽然诸多学者尝试建立了多种基于多影响因素的农业干旱综合指数[19],但此项研究仍处于起步阶段,存在一定的缺陷,尚未形成适用于不同区域和不同时空尺度的农业干旱综合指数。如基于线性加权法的农业干旱综合指数虽然考虑了多个影响因素,但不能很好地从物理机制上给出解释[20];基于联合分布函数的农业干旱综合指数可以计算农业干旱概率分布,便于后续的农业干旱风险评估,但也是仅考虑了多个影响因素的统计特征,不能很好地描述物理过程[21]。
目前,对于农业干旱时空特征的研究多数是建立在农业干旱指标的基础上,即根据历史气象数据、土壤墒情数据或遥感数据等建立农业干旱指标;在时间尺度上建立长时间序列来分析农业干旱的时间特征,综合多站点的农业干旱监测指标来剖析农业干旱的空间分布特征。也有学者借助农业干旱灾害统计资料或者自然灾害数据库,构建受旱率、成灾率和粮食减产率等干旱指标,探究农业干旱的时空演化规律。
2.2.1 时间特征分析方法
对于长时间序列的农业干旱特征分析,主要借助Mann-Kendall趋势检验等时序特征分析方法来分析农业干旱变化趋势[22];或借助小波分析等周期分析方法探究农业干旱的周期变化特征等;或借助经验正交函数EOF方法等研究农业干旱在时间尺度上的变化特征;或借助分形理论,计算农业干旱时间序列的分形特征等。时间尺度上分析的农业干旱特征可以为未来农业干旱预测等研究提供科学支撑[23-24]。
2.2.2 空间特征分析方法
农业干旱的影响空间范围比较广,常借助ArcGIS的空间分析方法,如反距离权重法或者克里金法(Kriging)等,基于站点观测数据或者灾情统计数据探究农业干旱空间分异规律。遥感因其具有的宏观性、像元格点分辨率等特点,已经成为农业干旱空间特征研究的重要工具,可以借助遥感图像处理方法直观地反映出农业干旱的空间分布[25-26]。
从地理学视角的“机制”来认识农业干旱,首先需要识别农业干旱影响因素。农业干旱是气象干旱传导过来的[7],但归根到底是因大气降水异常减少所引起的,同时受土壤理化性质、农作物蒸腾、农作物生理特性和地形地貌等综合因素的影响。甄别农业干旱影响因素并筛选农业干旱关键致灾因子,探究农业干旱与各类因子的互馈机制,对农业干旱灾害的防治十分必要。
认识地理现象要从全局性、宏观性、系统性上进行把控,用系统论的观点来观察、分析地理现象。农业干旱表象是农作物群落的水分收支平衡出现异常,但是究其缘由主要是气象气候条件、下垫面属性、农作物生理特性和人类活动影响等综合作用导致的[26]。气象气候条件等通过诸如降水的增减影响农作物水分供给总量,光照、气温、风速和湿度等气象因子影响农作物蒸腾、土壤蒸发等蒸散发量;最终水分不足程度超过农作物自身调节阈值,构成了农业干旱发生的首要诱导条件。
下垫面的土壤含水量、土壤孔隙度与持水力等土壤理化性质为能否高效利用、节约有限水资源提供了承载条件,为是否进一步触发或减缓农业干旱提供了次要条件。这部分条件可以通过人类合理有效的干预发生改变,如提高水土保持能力,可以减缓农业干旱的发生、发展。
人类活动的影响既可减少农业干旱发生的概率,也可增加其发生概率,这主要取决于人类活动是否合理。如兴修水利等工程措施和蓄洪补枯等水库调度的非工程措施,在发生气象干旱后及时对农作物进行灌溉以保持土壤水分,满足作物需要,则会降低农业干旱的发生概率;但人类不合理的开发利用水资源、改变土地利用方式,导致土壤含水量降低,则会增加农业干旱的发生概率。
农作物抗旱能力等取决于其自身生理特性,能否培育出更加耐旱的农作物品种,以及农作物耕作制度是否合理等都能影响到农业干旱的发生与否。
农业干旱的发生、发展主要是由于气象气候条件或者下垫面属性对农作物的供水不足,造成农作物生理干旱,涉及气象气候、土壤植被、地形地貌和水资源利用以及应急管理等多个方面,同时与作物本身的生物过程等有关。其驱动机制复杂,简明概化为:由于降水、气温和光照等气象要素的变化,降低了土壤含水量、增加了土壤和作物的蒸散发量。当作物的水分供给不能满足自身需求时,农作物呈现缺水状态;当这种缺水状态造成农作物生长不可逆恢复时,则触发农业干旱的发生。同时,人类不合理的开发利用水资源可能会促使农业干旱的进一步发展,人类活动造成的下垫面属性改变亦会加重农业干旱程度。农业干旱驱动因素及驱动机制图解如图2所示。
图2 农业干旱驱动因素及驱动机制图解[23]
从系统论角度,着眼于灾害风险系统的整体性研究:探索农业干旱整体效应,揭示农业干旱系统的等级包容、空间有序以及结构关系的实质[27]。
农业干旱灾害系统由降水等致灾因子、地表自然环境等孕灾环境、农作物等承灾体及人类社会经济活动等共同构建[28]。致灾因子危险性是指造成农业干旱的主要气象因子的变化特征和异常程度;暴露性是指可能受到缺水威胁的下垫面自然环境、人类社会经济环境等,孕灾环境和承灾体对致灾因子都具有暴露性特征;脆弱性是指易受到不利影响的倾向或习性,包括承灾体对致灾因子的易损性以及人类社会经济活动对农业干旱的应对和适应的能力。致灾因子、孕灾环境、承灾体和人类社会经济活动等子系统,通过危险性、暴露性和脆弱性等相互联系、相互影响,共同构成了复杂的农业干旱灾害风险系统,如图3所示。
图3 农业干旱灾害风险系统
4.1.1 致灾因子
农业干旱的致灾因子是指能够引起农业干旱灾害且造成农作物减产等不可逆后果的影响因素,通常降水异常减少是驱动农业干旱灾害的主要气象因素;而影响蒸发的温度、日照等气象因素可能导致农作物蒸散发量增加,使其超过土壤水分供给量,造成农业干旱的进一步发展。人类的不合理社会经济活动,如过量的工农业生产取水等,也可能成为农业干旱灾害的致灾因子之一。
4.1.2 孕灾环境
除气象因素外,农业干旱的发生通常都拥有特定的时空环境,尤其是自然环境对其孕育、发生和发展具有决定性的作用。农业干旱的孕灾环境主要包括下垫面自然环境、人类社会经济环境等。自然环境涵盖了气象气候、地形地貌和土壤植被等自然要素,良好的自然环境可以促进水土保持、涵养水源,为农业生产系统的稳定发展提供物质支撑;社会经济等人文环境包括农作物种植结构、种植制度、农业基础水利工程等。自然环境因素是孕灾环境的主导因素。
4.1.3 承灾体
承灾体是农业干旱系统中各类致灾因子的作用对象。农作物作为主要承灾体在农业干旱灾害系统中具有一定的脆弱性,同时对致灾因子具有暴露性特征,通常使用暴露性和脆弱性指标来表征。如暴露性方面可以用农作物播种面积等表征,脆弱性方面可以用农作物产量、干旱成灾面积或直接农业损失等来反映。
4.1.4 人类社会经济活动
与其他类型灾害不同,农业干旱发生、发展过程中,人类社会经济活动在其中起到了增强或减缓等作用。如人口数量的迅速增加、社会经济的快速发展将导致对水资源需求量的不断增加,伴随着可能出现的地表、地下水资源过度开发利用,挤占农业生产用水,这些活动都将增加农业干旱的发生概率。但同时,若能合理进行水资源利用,提高现代农业科学技术水平、培育更节水的农作物、调整农业耕作经营管理制度、提高农业干旱风险意识、增强抗旱防灾水平等,反而会降低农业干旱灾害发生的可能性。因而,人作为最活跃的生产要素,在农业干旱发生、发展过程中的作用日益凸显。
农业干旱灾害的出现具有较高的不确定性,可看作是一种概率事件。因此,有学者认为农业干旱风险是指农业生产、生活受到旱灾影响的可能性概率。其可以从自然和社会经济两方面理解:自然角度,农业干旱风险指农业干旱强度超过农作物水分调节阈值的概率大小;社会经济角度,指干旱导致的农作物等承灾体经济损失概率的大小。农业干旱风险的研究可为农业保险等灾害风险转移、应急管理保障等提供科学依据。早期的农业干旱风险研究侧重于干旱灾害自然属性的研究,现在越来越侧重于社会经济属性研究,即经济风险、社会风险和综合风险等。
农业干旱灾害风险评估可从干旱灾害的自然属性和社会经济属性的角度来研究。目前,主要的方式有:①基于概率统计的农业干旱风险评估,即结合历史农业干旱受灾、成灾资料,对干旱风险计算其风险概率,研究可能的干旱灾害概率,并进一步预测未来农业干旱风险发生的可能性。研究方法上主要有可变模糊算法[29]、灰色理论[30]等评估方法;在研究数据中,考虑了受灾面积、灾损等。②基于农业干旱系统的综合评估,从致灾因子危险性、承灾体暴露性和脆弱性以及防灾减灾能力等建立的综合评价体系中,选择恰当的评价指标,从农业干旱事件识别、干旱可能损失估算和干旱风险综合评价等方面开展研究。研究方法上,利用熵值法、AHP法等确定各个评价指标的权重,完善农业干旱风险评价体系,构建农业干旱风险评价模型;或者基于突变理论,利用拟合函数构建综合评价模型;或基于地理信息系统空间分析技术进行农业干旱风险区划分析,从不同角度研究农业干旱风险的演变规律[31-32]。③基于干旱事件过程的农业干旱灾害风险评估方法,即通过建立干旱频率-潜在损失-抗旱能力之间的定量关系来实现对农业干旱灾害风险的定量评估。此方法的评估主题框架已基本建立,但其评估方法与技术流程尚未成熟,在农业干旱风险评估中尚未广泛应用[33-34]。
在气候变化背景下,人与自然系统相互作用愈加复杂,潜在的自然灾害风险不确定性愈加增大,单一部门、单一学科的风险防范和应急管理措施面临巨大挑战,必须加强多学科综合应对灾害风险及应急管理能力建设。
与农业干旱灾害系统类似,农业干旱灾害防灾减灾及综合管理亦是一个复杂的系统工程,如图4所示。其包括:农业干旱灾害孕育形成机制、发展机制和灾害重建适应机制3部分,是整体的、动态的自然与人类社会互动适应的过程。
图4 农业干旱灾害风险发生发展过程概化图
农业干旱灾害孕育形成机制是指农业干旱灾害的致灾因子与承灾体暴露性、脆弱性以及防灾减灾能力的平衡遭到破坏。农业干旱灾害在孕育和形成过程中,各方面条件进一步累积,则进入农业干旱灾害发展阶段,即:农业干旱的存续条件仍旧得以发展维持,没有截断农业干旱发展过程的因素出现,如降水的充分补给或者人为水源的供给补充等。长期缺水将造成农作物恢复不到正常生长的状态,影响农作物产量及人类社会生产生活等。此时进入第3个阶段,即农业干旱灾害重建和适应阶段,此阶段农业干旱对自然环境、社会经济和人类生活等均造成一定程度的影响和破坏。在这3个阶段中,对于第2阶段农业干旱灾害发展阶段,可以通过合理有效的管理手段(如水利工程调水等)阻止农业干旱灾害的进一步发展;在第3阶段,采取抗旱防灾减灾等一系列管理手段强化灾后重建和适应措施等,可以降低农业干旱灾害对自然和人类社会等的影响[35]。
从地理学角度的综合性、系统性、时空差异性等方面出发,沿着“格局—过程—机制”来深入认识和更好地理解农业干旱的形成因子、驱动机制和制定相应防灾减灾措施等。
从地理学视角看,农业干旱发生的根本原因是气象干旱,同时与水文、社会经济干旱相互联系,并形成一个相互转化、相互联系的复杂系统。农业干旱是土壤供水量不能满足农作物需水量,导致农作物体内水分亏缺而影响正常生长发育的现象。水文干旱会加重农业干旱,社会经济干旱是其他3种类型的干旱在社会经济上的反映。
从农业干旱时空分布特征看,农业干旱研究选择多种监测数据源、借助恰当的监测模型或者分析方法,构建相应的农业干旱监测指数,推演和预测农业干旱的时间和空间演化过程。目前,对于农业干旱时空特征的研究多数是建立在农业干旱监测指标的基础上,主要有传统监测指标、遥感监测指标和农业干旱综合指数三大类。传统监测指标数据难获取,监测点分布稀疏;遥感监测指标易受外界环境影响,局限性多;农业干旱综合指数研究处于起步阶段,尚未形成适用于不同区域和不同时空、空间尺度的农业干旱综合指数。三者都存在一定的缺陷,需要进一步研究。
从农业干旱驱动机制上分析,首先筛选形成农业干旱的关键因子,如气象气候条件、下垫面属性、人类活动影响和农作物生理特性等。其次,探究农业干旱和各关键因子的作用机制,明晰农业干旱驱动机制。各地的农业干旱原因不同,需因地制宜,筛选出关键致灾因子进行分析。
从灾害系统的角度出发,致灾因子、孕灾环境、承灾体和人类社会经济活动通过危险性、暴露性和脆弱性相互联系、相互影响共同构成了复杂的农业干旱灾害风险系统。从干旱灾害的自然属性和社会经济属性角度研究农业干旱灾害风险评估,目前主要有3类方式:基于概率统计的农业干旱风险评估、基于对农业干旱系统的综合评估和基于干旱事件过程的农业干旱灾害风险评估。基于农业干旱灾害演化过程,将农业干旱灾害防灾减灾及应急管理系统分为孕育形成机制、发展机制和灾害重建适应机制3个部分。