中国草原干旱灾害风险特征研究

王莺，王健顺，张强

（1. 中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃兰州 730020；2. 兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730020）

草地通常指以草本植物占优势的植物群落［1］。作为重要的生态系统类型，草地在防风、固沙、保土、调节气候、净化空气、涵养水源等方面发挥着重要的生态功能。同时，草地资源也是草地农业的重要基础，提供饲草饲料支撑着畜牧业的生产，在改善居民膳食结构和营养水平、促进农业农村经济发展和农牧民增收方面发挥着重要作用。

中国的天然草原面积约4 亿hm2，占国土面积的42%，总面积位居世界第二。中国也是畜牧业大国之一，截至2019 年，大牲畜饲养规模达到9877.42 万头。中国的草原大约有2/3 位于干旱、半干旱地区，主要依靠雨水涵养，是陆地生态系统中最为脆弱的开放性系统，干旱灾害成为制约中国草原生产力的最重要因素［2］。20 世纪70 年代以来，由于大气环流系统从对流层到平流层发生了明显的年代际转折，中国北方干旱化趋势增强，大范围干旱连年发生，与此同时，南方干旱也出现了明显的增加和加重趋势。中国农作物干旱年均受灾面积和成灾面积分别达2.1×107和8.9×106hm2，干旱造成的直接经济损失高达440 亿元·年-1［3］。气候变化背景下，中国未来年平均气温上升，整体将呈干旱化趋势［4-5］。这将导致更多的干旱事件发生，并可能对草地生态系统造成不可逆的影响，从而为中国畜牧业的稳定发展带来极大挑战。因此，如何进行草原干旱灾害的防灾减灾工作就成了社会关注的热点问题。

随着从被动抗旱向主动防旱的防灾减灾新理念的提出，干旱灾害由危机管理向风险管理转变，而干旱灾害风险评估就是风险管理的核心内容［6］。IPCC（the intergovernmental panel on climate change）认为灾害风险是脆弱性、危险性和暴露性共同作用的结果［7］。张继权等［8］认为干旱灾害风险系统是由致灾因子危险性和旱灾脆弱性（承灾体暴露性、灾损敏感性和抗旱能力）相互联系、相互作用下形成的复杂系统。目前，对于草原干旱的研究主要是基于干旱指数来定量描述干旱程度，其中包括气象干旱指数，例如降水距平百分率、标准化降水指数、标准化降水蒸散指数、帕默尔干旱指数等［9-10］，以及遥感干旱指数，例如植被供水指数（vegetation supply water index，VSWI）、植被状态指数（vegetation condition index，VCI）、温度植被干旱指数（temperature vegetation dryness index，TVDI）等［11-12］。这些成果属于干旱致灾因子研究，是干旱灾害形成的直接影响因素，对于认识草原干旱的起止时间、发生频率、出现强度、受灾面积等具有重要意义。作为一个复杂系统，干旱灾害风险研究还需要充分考虑暴露度和脆弱性在干旱成灾中的作用。关于脆弱性，研究人员主要基于敏感性和适应能力，构建评价指标体系，分析脆弱性特征［13-14］。草原干旱灾害风险是干旱危险性、暴露性和脆弱性的耦合。李文龙等［15］基于标准化降水蒸散指数（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI）与植被指数，评价了高寒草地的干旱生态风险。张存厚等［16］通过建立干旱风险评价指标和评价模型，评价了内蒙古草原干旱灾害综合风险。

从以上分析可以看出，目前对于草原干旱风险的研究大多着眼于致灾因子，而缺少了对承灾体和孕灾环境构成的复杂系统的影响评估研究，特别是针对中国草原的干旱风险评估研究还较薄弱。基于以上原因，本研究通过干旱风险分析，从致灾因子危险性、承灾体暴露性和敏感性，以及孕灾环境脆弱性4 个方面构建了草原干旱风险评价指标框架，对中国草原干旱灾害进行风险评估和区划，以期为实现草原的科学抗旱和主动防旱提供基础数据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

中国位于亚欧大陆东部，太平洋西部，海拔落差大，气候类型复杂多样。西北部深居内陆，海拔较高，气候干旱；东南部濒临海洋，海拔较低，气候温湿。草原是中国面积最大的陆地生态系统，约占国土面积的42%，其空间分布是气候与地貌等长期共同作用的结果。主要分为草甸草原、典型草原、荒漠草原、高寒草原和草丛等。草甸草原主要分布在松辽平原和内蒙古高原的东部边缘。典型草原主要分布在内蒙古、东北西南部、黄土高原中西部和阿尔泰山、天山以及祁连山的部分区域。荒漠草原主要分布在内蒙古中部、黄土高原北部以及祁连山和天山的低山带。高寒草原主要分布在青藏高原、帕米尔高原及祁连山和天山的高海拔处。草丛主要分布在森林退化后的区域。

1.2 资料及其来源

气象数据主要包括1978-2020 年全国836 个气象站的日降水量、气温、风速、日照时数、相对湿度等观测资料，资料来源于中国气象局的国家气象科学数据共享服务平台（http：//data.cma.cn/）。该数据经过严格的质量控制［17］。

遥感资料数据来自美国宇航局中分辨率成像光谱辐射计（national aeronautics and space administration/moderate resolution imaging spectroradiometer，NASA/MODIS）陆地产品组按照统一算法开发的2000-2020 年的月最大合成植被指数产品MODIS13A3（1000 m×1000 m）和2000-2020 年的年最大合成净初级生产力（net primary productivity，NPP）产品MODIS17A3（1000 m×1000 m），下载网址为https：//search. earthdata. nasa.gov/search。该资料被广泛应用于中国的植被研究［18］。

中国草地类型数据来自1996 年出版的1∶100 万草地资源图集［19］。该数据根据植被-生境多因素分类法，将中国天然草地分为18 类。土壤田间持水量和土壤萎蔫系数空间数据是由中国科学院南京土壤研究所根据1994年完成的第二次中国土壤调查数据制作的1∶100 万中国土壤空间数据库提供。

1.3 研究方法

通过对中国草原干旱灾害风险的分析与识别，从危险性、暴露性、敏感性和脆弱性入手，构建草原干旱灾害风险评价指标体系和风险评价模型，获得中国草原干旱灾害风险空间分布特征。具体技术路线见图1。

图1 中国草原干旱灾害风险评价技术路线Fig.1 Technical route of grassland drought disaster risk assessment in China

1.3.1干旱灾害致灾因子危险性 就目前各类干旱致灾指标来看，SPEI 能够较好地表征气象干旱致灾程度，其负值越大意味着气象条件越干旱。SPEI 是由Vicente-Serrano 等［20］首次提出的，基于水分平衡原理，通过对降水量和蒸散量之间的差值序列累积概率值进行正态标准化构成的指数。它用降水量和潜在蒸散量差值的平均偏离程度来综合表征局地干湿状况。SPEI 具备多时间尺度特征，有助于识别不同的干旱类型和干旱对不同系统的影响，同时也综合考虑了温度和降水对干旱的敏感性，适用于干旱灾害风险研究［21-23］。SPEI 的计算步骤见文献［20］。

已有研究［15，24］发现，6 个月时间尺度的SPEI（SPEI6）能够较好地表征草地水分的亏缺或盈余，常用于草地干旱问题研究，所以这里用SPEI6 作为草原干旱灾害的致灾因子指标。可根据SPEI 的正态分布曲线，获得干旱等级划分阈值［25］（表1）。

从理论上讲，致灾因子危险性一般由致灾因子强度与它的出现概率共同决定。这里将草原干旱致灾因子危险性定义为：

式中：H是干旱致灾因子危险性，单位为%；IC是干旱致灾因子强度等级值，为无因次数；ICx是干旱致灾因子特强等级值，为无因次值；i是干旱致灾因子等级（表1）；PCi是等级i的干旱致灾强度的出现概率，单位为%，可用信息分配法计算得到。

表1 标准化降水蒸散指数旱涝等级划分Table 1 Classification standard of drought based on SPEI

信息分配法是在传统直方图法计算样本概率基础上的优化方法，即将直方图边界模糊化处理，使得过渡边界的信息也得以利用，从而增加小样本概率估算的合理性［26］，其具体计算流程如下：

首先，令X为研究区在过去n年内的实际观测值样本集合，在本研究中X可代表SPEI 样本集合，即：

式 中：x1、x2、x3……xm是SPEI 的样本。然后，根 据 样本集合X中的最大值和最小值，选取适当的步长（△），得到观测样本的控制点空间（U）：

式中：u1、u2、u3……un是控制点样本。然后，可以将每个单值观测样本xi所携带的信息扩散给U中的所有点：

式中：h是信息扩散系数，其解析表达式如下［27］：

相应的模糊子集的隶属函数为：

可把式（7）中μxi(uj)称为样本xi的归一化信息分布。令：

式中：Q为控制点uj获得的信息总量。可得：

式中：p(uj)为样本落在uj处的频率值，可作为概率的估计值。

1.3.2承灾体暴露性 承灾体暴露性反映了系统暴露在致灾因子影响下可能遭受损失的价值或数量。一个区域暴露于干旱危险因素的价值密度越高，可能遭受的潜在损失越大。NPP 是植被在单位时间和单位面积由光合作用所产生的有机物总量中扣除自养呼吸后的剩余部分，可以代表中国草原的生产能力［28-29］。因此选择NPP作为承灾体暴露性指标。

1.3.3承灾体敏感性 承灾体敏感性指承灾体对于环境变化的敏感程度。在本研究中选择增强型植被指数（enhanced vegetation index，EVI）变异系数和草地类型来表示。

植被指数是反映草地长势和营养信息的重要参数。很多研究人员通过构建植被指数与草地生物量的关系模型，进而去评估草地生产力［30-31］。其中EVI 通过加入蓝色波段来增强植被信号，进而矫正土壤背景和气溶胶散射对植被的影响，避免了归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）在植被高生物量区易饱和的缺点［32］。因此选择EVI 作为评价草地生长状况的评价因子。草地EVI 的变异系数指某一区域EVI 的波动大小，体现了草地对外来干扰的敏感性。EVI 波动大的地区草地的干旱敏感性较高，EVI 波动小的地区草地的干旱敏感性则较低。具体计算公式如下：

式中：CVEVI是EVI变异系数；SDEVI是EVI的标准偏差是EVI的多年平均值；i是统计单元。根据植被-生境学分类法，将具有相同水热气候带特征和植被特征，具有独特地带性，或具有广域性分布的隐域性特征的草地分为一类，可将中国天然草地分为18 类。温性草甸草原类主要位于温带半湿润地区，中旱生多年生丛生禾草及根茎禾草占优势，常混有大量中生或旱中生植物。温性草原类主要分布在温带半干旱气候带，旱生多年生丛生禾草占优势，混生一定数量的旱生小灌木。温性荒漠草原类发育在温带干旱地区，强旱生多年生草本植物占优势，也有部分旱生小半灌木。高寒草原类主要分布在高山和青藏高原寒冷干旱的气候区，植被以寒旱生多年生禾草为主，混生垫状、匍匐状植物和高寒藻类。温性荒漠类分布于温带极干旱与严重缺水的生境条件下，植被以超旱生小灌木和小半灌木占优势。高寒草甸类主要分布在高原（高山）亚寒带和寒带地区寒冷湿润的气候条件下，植被以耐寒多年生中生草本植被为主。灌草丛类主要是由于森林、灌丛被砍伐，生境趋于干旱化所形成的次生类型，以中生或旱中生多年生草本为建群种。由于草原植被的分布对长期干旱分布具有一定的选择性，因此根据草原不同类的空间分布特征和优势种的抗旱特性，结合牧草干鲜比［33］，通过专家打分法为18 类天然草地和改良草地进行干旱敏感性赋值（表2）。值越高，干旱敏感性越低。

表2 不同草原类型的干旱敏感性Table 2 Drought sensitivity of different grassland types

承灾体敏感性评估模型为：

式中：S为承灾体敏感性；XSi为第i种指标的敏感性指数；WSi为第i种指标的敏感性权重；n为指标个数。

1.3.4孕灾环境脆弱性 孕灾环境脆弱性表征了环境条件对灾害传递的脆弱性程度。主要包括土壤环境和地形地貌等自然因素。

研究区的土壤环境用0～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 剖面的土壤有效水含量来表示。土壤有效水含量是田间持水量与土壤凋萎系数之间的土壤含水量，表征了土壤中能被草地吸收利用的水量。

研究区的地形地貌用坡度和坡向来表示。土壤水分累积入渗率随坡度的增加而减少［34］。坡度小的区域，土壤容重小，单位面积降水量多，降水入渗快，地表径流少，土壤的保水能力强，有利于草地生物量的形成［35］。而大坡度还会造成草地根系表面化，影响植物对水分的吸收利用。将坡度分为0°～5°、5°～10°、10°～15°、15°～20°、20°～25°、25°～40°和＞40°共7 类，构建坡度指数。坡向对于日照时数和太阳辐射强度有较大的影响。对于北半球来说，阳坡的辐射收入最多，其次为半阳坡，再次为半阴坡，最少为阴坡。将坡向分为阴坡（315°～45°）、阳坡（135°～225°）、半阴坡（90°～135°，225°～270°）、半阳坡（45°～90°，270°～315°）和平地（0°）共5 类，构建坡向指数。

孕灾环境脆弱性评估模型为：

式中：V为脆弱性；XVi为第i种指标的脆弱性指数；WVi为第i种指标的脆弱性权重；n为指标个数。

1.3.5干旱风险评价指标标准化处理 草原干旱风险评价指标体系中涉及的多种指标存在量纲不统一的问题。为了解决这个问题，使各指标间存在可比性，就必须对其做归一化处理，使各指标值位于0～1。归一化公式如下：

式中：Rij为j区第i个指标的标准化值；Xij为j区第i个指标值；maxjXij和minjXij分别为j区第i个指标中的最大值和最小值。

1.3.6指标权重的确定 为了增加指标权重的客观性，选择熵权法确定各指标权重。该方法的基本原理是若某个指标的信息熵越小，则说明指标值的变异程度越大，提供的信息量越大，在综合评价中所占比重越大，其权重值也就越大。反之，亦然。具体计算方法见文献［36］。

1.3.7草原干旱风险评价模型的建立 构成风险的4 项要素中，危险性、暴露性、敏感性、脆弱性与风险生成的作用方向是一致的，因此，将草原干旱风险评价模型定义为：

式中：F为草原干旱风险；H、E、S和V分别为危险性、暴露性、敏感性和脆弱性；WH、WE、WS和WV分别为危险性、暴露性、敏感性和脆弱性对应的权重。

2 结果与分析

2.1 致灾因子危险性

由公式（1）可得中国草原主要生长季5-9 月的干旱危险性。中国草原干旱的高及次高危险区主要位于内蒙古高原、大兴安岭、宁夏以及甘肃的河西走廊地区和河东地区（图2），柴达木和塔里木盆地边缘，青藏高原西部以及云贵高原。低危险区主要位于青藏高原东部和祁连山区。通过区域统计发现，高及次高危险区占草原总面积的39.4%。

图2 草原干旱的危险性空间分布Fig.2 The distribution of the drought hazard for grassland

2.2 承灾体暴露性

中国草地NPP 具有从东南向西北逐渐减少的趋势。对于南方的草山草坡来说，草地NPP 在500 g C·m-2以上，华南地区水热条件好，草地NPP 可达800 g C·m-2以 上。对 于 青 藏 高 原，草 地NPP 在200 g C·m-2左右。新疆北部、内蒙古东部和甘肃南部的草地NPP 在350 g C·m-2以上。荒漠草原带的草地NPP 在100 g C·m-2以下。以单位面积草地NPP 代表承灾体暴露性（图3），可以看出高及次高暴露性区域主要位于中国的华南和华东地区，低及次低暴露区主要位于内蒙古、山西、中国西北地区以及青藏高原。通过区域统计发现，高及次高暴露区占草地总面积的7.2%。

图3 承灾体暴露性空间分布Fig.3 The distribution of the drought exposure for grassland

2.3 承灾体敏感性

从草地EVI 变异系数来看，高变异区主要位于内蒙古高原、甘肃河西走廊、宁夏地区、准格尔和塔里木盆地边缘、青藏高原南部、川西地区和云南北部（图4）。低变异区位于内蒙古西部、青藏高原腹地及中国南方地区。通过分析不同草地类型的生境，发现青藏高原东部和南部、天山山脉以及祁连山中段的主要草地类型为高寒草甸，生境寒冷而潮湿，植被具有耐寒的特性；内蒙古北部及东北地区、塔里木和柴达木盆地边缘的主要草地类型是山地和低地草甸类，生境水湿条件较好；云南、四川盆地及长江以南地区的主要草地类型是热性草丛类和灌草丛类，山西、河北、河南的主要草地类型是暖性草丛和灌草丛类，生境湿润度较大，主要是森林、灌丛退化后形成的。以上草地类型对干旱的响应敏感，属于高敏感区。位于干旱区的内蒙古中部和西部、新疆北部、青藏高原北边缘、西藏北部、宁夏、甘肃河西走廊等地的主要草地类型是温性和高寒荒漠、温性和高寒荒漠化草原、温性草原化荒漠及温性草原，生境干旱缺水，建群种对干旱的适应能力强，属于较低敏感区。

图4 承灾体敏感性指标及空间分布Fig.4 Sensitivity indices for grass and their spatial distribution

由公式（12）得，草原干旱敏感性较高的区域主要位于内蒙古东南部、东北地区、青藏高原南部和东部边坡、塔里木盆地北边缘以及西南地区。敏感性较低的区域主要位于内蒙古西部、新疆北部和青藏高原西北部。通过区域统计发现，高及次高敏感区占草原总面积的24.0%。

2.4 孕灾环境脆弱性

从土壤有效水含量指数来看，脆弱性较高的区域主要位于内蒙古、新疆北部、青藏高原、云贵高原和四川东部地区（图5）。这是由于土壤有效水含量越高，土壤中潜在的可被植物吸收利用的水分越多。从坡度指数可以看出，脆弱性较高的区域主要位于青藏高原边缘区域及青藏高原南部、川西高原、天山山脉和祁连山山脉。从坡向指数来看，高脆弱区主要位于阳坡和半阳坡。这是因为阳坡、半阳坡的日照时间长、太阳辐射强，水分条件相对较差，阴坡和半阴坡正好相反，水分条件相对较好。而草地主要分布在降水较少的半湿润、半干旱和干旱地区，使得水分成为草原干旱孕灾环境脆弱性的主导因素。

根据公式（13），获得中国草原干旱孕灾环境脆弱性，孕灾环境脆弱性较高的区域主要分布在内蒙古中部和东部、甘肃河西走廊、新疆北部、青藏高原大部分地区、云南和川东地区（图5）。脆弱性较低的区域主要位于内蒙古西北部、青藏高原北部和东部边坡。通过区域统计发现，高及次高脆弱区占草原总面积的43.1%。

图5 孕灾环境脆弱性指标及空间分布Fig.5 Vulnerability indices for grass and their spatial distribution

2.5 草原干旱风险

用熵权法获得四大因子在干旱风险形成中的权重值，危险性、暴露性、敏感性和脆弱性的权重分别为0.30、0.21、0.24 和0.25，通过公式（15）在ArcGIS 软件中得到中国草原干旱风险空间分布图，再通过自然断点法［37］将干旱风险F划分为高风险区、次高风险区、中风险区、次低风险区和低风险区，对应的F分别为＜0.23，0.23～0.40，0.40～0.54，0.54～0.69，＞0.69。中国草原干旱高及次高风险区主要位于内蒙古东北部的呼伦贝尔草原和锡林郭勒草原、东北西部科尔沁草原、宁夏北部、塔里木盆地北边缘、青藏高原南部、云贵高原、河南和山东地区（图6）。较低风险区主要位于内蒙古西部、甘肃河西走廊、新疆北部和青藏高原东北部。通过区域统计发现，高及次高风险区占草原总面积的13.9%。

图6 中国草原干旱风险空间分布Fig.6 Spatial distribution of grassland drought risk in China

3 讨论

从研究结论可以看出，各地草原干旱高风险性的主导因素是不同的。内蒙古东北部和新疆塔里木盆地北边缘主要是由高的致灾危险性、承灾体敏感性和脆弱性决定的；青藏高原西南部主要是由高的敏感性和脆弱性决定的；云贵高原主要是由高的危险性、暴露性、敏感性和脆弱性决定的；南方地区主要是由高的暴露性决定的。虽然内蒙古西部的干旱危险性很高，但由于该区域的暴露性、敏感性和脆弱性较低，因此属于干旱的低风险区。因此，各地区应因地制宜地制定防旱抗旱措施，以便最大限度地降低草原干旱风险。例如降低致灾危险性，实施人工影响天气；通过科学的草原管理技术，提高草地的抗旱性，并酌情发展人工高产饲草料基地，降低承灾体敏感性；加大草原畜牧业的基础设施建设，例如棚圈；增强气象干旱及其风险的监测、预报和预警技术，提高服务的时效性；通过发展规模化和多元化的经营，改善牧民的收入结构，提高牧民对草原干旱的防旱抗旱能力；建立草原生态红线和生态补充机制，提高草原生态系统的干旱防御能力；在个别地区还可以实施生态移民，进行草原生态环境保护。

本研究从不同方面展示了中国草原干旱的危险性、暴露性、敏感性和脆弱性特征，并绘制了草原干旱风险区划图。该结果可以为中国草原干旱风险的管理提供一定的理论依据，但依然存在诸多不足。草原干旱风险是一个复杂的系统，该系统由若干个子系统组成，而各子系统之间又存在着随机性和动态性的关联，如何构建科学完整的风险评价指标体系，并定量化各指标之间的关系就显得非常重要。在构建草原干旱风险评价指标体系前应进行充分的干旱调研和风险分析，不仅要考虑数据的代表性和连续性，还要考虑数据的可获取性和时空分辨率。未来应结合大量实测数据验证评价结果，不断优化评价指标和评价模型。并且，草地生长是一个动态的复杂过程，干旱对不同生长阶段的影响不同，在今后的研究中也应关注不同时期的草原干旱风险特征。

4 结论

基于中国草原干旱风险形成机理，从危险性、暴露性、敏感性和脆弱性四方面入手，选择具有代表性的7 个指标，建立了草原干旱风险评估模型，将中国草原干旱风险分为5 级并进行评估与区划，得到以下结论：1）高及次高危险区主要位于内蒙古地区、河西走廊、柴达木和塔里木盆地边缘、青藏高原西部以及云南地区。2）高及次高暴露区主要位于中国的西南和华南地区。3）敏感性较高的区域主要位于内蒙古东南部、东北地区、青藏高原南部和东部边坡、塔里木盆地北边缘以及西南地区。4）脆弱性较高的区域主要分布在内蒙古中部和东部、甘肃河西走廊、新疆北部、青藏高原大部分地区、云南和川东地区。5）干旱高及次高风险区主要位于内蒙古东北部、东北西部、宁夏北部、塔里木盆地北边缘、青藏高原南部、云贵高原、河南和山东地区。从草地生态系统服务总价值来看，极端干旱影响下其变化趋势为草甸草原＞典型草原＞荒漠草原［38］；从草地水分利用效率来看，青藏高原西北部和内蒙古北部最低［39］。这也从另一方面验证了评估结果的可靠性。