包阿茹汗，覃志豪※，高懋芳，張曉煜，李紅英

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081； 2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002)

0 引言

干旱是寧夏糧食作物種植的主要制約因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),1990—2015年年均糧食作物因旱減產(chǎn)率高達(dá)10%以上[1]。寧夏糧食作物主要包括玉米、小麥、水稻和薯類等，其中玉米和小麥產(chǎn)量達(dá)到糧食總產(chǎn)量的65%左右。因此，確保玉米和小麥的產(chǎn)量對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及保障糧食產(chǎn)量具有重要的參考價(jià)值。

現(xiàn)有農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)大體可分為兩類，一是災(zāi)損評(píng)價(jià)法，以氣象干旱造成的糧食損失概率來(lái)評(píng)估農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)，側(cè)重于氣象干旱形成機(jī)理和干旱指標(biāo)的分析。這種評(píng)價(jià)法關(guān)注致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性與最終作物受災(zāi)結(jié)果之間的相互關(guān)系[2]，數(shù)據(jù)容易獲取，主要適用于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)的干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，不能直接反應(yīng)農(nóng)作物的受旱程度。如霍治國(guó)[3]等將氣象干旱趨勢(shì)與農(nóng)作物減產(chǎn)率相聯(lián)系，采用概率統(tǒng)計(jì)方法估算了不同致災(zāi)強(qiáng)度下的作物損失風(fēng)險(xiǎn)。劉義花[4]等利用降水距平百指數(shù)與牧草相對(duì)產(chǎn)量指標(biāo)建立干旱模型，確定了青海省牧區(qū)牧草干旱風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值。另一是成災(zāi)綜合評(píng)價(jià)法，從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性、承災(zāi)體暴露性和抗旱能力方面確定指標(biāo)體系，充分考慮了在干旱脅迫下承災(zāi)體的易損性質(zhì)及人類活動(dòng)對(duì)農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)的影響[5]，強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)是多種因素共同作用下的結(jié)果。如張繼權(quán)[6]等認(rèn)為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是危險(xiǎn)性、脆弱性、暴露性、抗旱能力4個(gè)因素的乘積，并結(jié)合綜合加權(quán)評(píng)價(jià)方法構(gòu)建了玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，揭示了遼西玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)的空間分布差異。何斌[7]等采用主成分分析建立了農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)估結(jié)果表明陜西省農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)空間分布呈從南向北逐漸增加的趨勢(shì)。秦越[8]等采用層次分析法和模糊評(píng)判綜合評(píng)價(jià)了河北省承德市農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明承德市上游區(qū)縣風(fēng)險(xiǎn)較高，抗旱能力是農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因子。成災(zāi)綜合評(píng)價(jià)法能更加全面的評(píng)估作物干旱風(fēng)險(xiǎn)，較符合實(shí)際情況，也代表現(xiàn)在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的發(fā)展方向。

有關(guān)寧夏農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)的研究多數(shù)集中在農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)的整體評(píng)價(jià)，其中張曉煜[9-10]等以農(nóng)業(yè)系統(tǒng)為承災(zāi)體，建立了寧夏南部山區(qū)農(nóng)業(yè)干旱預(yù)警模型，并經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)證明所用模型得出的干旱程度與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。李紅英[11]等以災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建寧夏農(nóng)業(yè)干旱綜合評(píng)估模式，從整個(gè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)宏觀評(píng)價(jià)了寧夏農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)程度，評(píng)價(jià)結(jié)果表明寧夏中南部地區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)較大，北部及南部涇源、隆德農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)較小。關(guān)于寧夏地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究中很少有從具體作物生產(chǎn)過(guò)程所發(fā)生的干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，因此文章將采用成災(zāi)綜合評(píng)價(jià)法，從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性、承災(zāi)體暴露性、抗旱能力4個(gè)方面出發(fā)，構(gòu)建作物干旱風(fēng)險(xiǎn)模型，并利用1981—2016年的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)和相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析研究寧夏玉米和小麥種植的干旱風(fēng)險(xiǎn)成因，評(píng)價(jià)寧夏這兩種典型作物種植面臨的干旱風(fēng)險(xiǎn)程度及其時(shí)空格局，為有效減緩干旱對(duì)玉米和小麥生產(chǎn)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 寧夏縣級(jí)行政區(qū)劃

寧夏地處從半濕潤(rùn)、半干旱過(guò)渡到干旱帶的典型生態(tài)脆弱帶[12]，按其氣候及自然條件可分為北部引黃灌區(qū)、中部溫帶半干旱區(qū)與南部溫帶半濕潤(rùn)區(qū)[13]。引黃灌區(qū)包括青銅峽市、銀川市、石嘴山市、吳忠市、靈武市、永寧縣、賀蘭縣、平羅縣、惠農(nóng)縣、中衛(wèi)縣東北部、中寧縣大部等11個(gè)縣(市)，北部光照充足、土地平坦、土壤肥沃，又有黃河水灌溉，作物受干旱影響較小。中部干旱帶包括鹽池縣、海原縣、同心縣、中衛(wèi)縣西南大部、中寧縣南部，雖光熱資源充足，但水資源緊缺，年降水量在300mm左右，除揚(yáng)黃灌區(qū)以外的中部地區(qū)土地沙化嚴(yán)重，不利于作物的生長(zhǎng)。南部山區(qū)包括固原市(原州區(qū))、西吉縣、隆德縣、彭陽(yáng)縣、涇源縣，耕地質(zhì)量差，西海固地區(qū)占總耕地面積的69%左右，糧食產(chǎn)量?jī)H占全區(qū)20%左右，且水土流失面積占全區(qū)土地面積的34%左右(圖1)。玉米和小麥?zhǔn)菍幭膬纱蠹Z食作物，其產(chǎn)量達(dá)到糧食總產(chǎn)量的60%以上， 1993—2015年玉米和小麥產(chǎn)量占比趨勢(shì)見(jiàn)圖2。玉米和小麥產(chǎn)量占比平穩(wěn)增長(zhǎng)，至2015年產(chǎn)量占比達(dá)到了71.52%。

圖2 1993—2015年寧夏玉米和小麥產(chǎn)量占糧食產(chǎn)量比重

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

農(nóng)業(yè)干旱是由于降雨難以滿足作物生長(zhǎng)需要而產(chǎn)生的現(xiàn)象。因此，干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)需要?dú)庀?、作物生育期、作物生產(chǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面數(shù)據(jù)。我們通過(guò)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，下載了寧夏21個(gè)氣象站點(diǎn)1981—2016年逐日氣象數(shù)據(jù)，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度、平均氣壓和降水量等； 寧夏玉米和小麥生育期資料為各站點(diǎn)1981—2010年農(nóng)氣資料； 各氣象站點(diǎn)所在縣歷年玉米、小麥單產(chǎn)及面積數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)種植業(yè)管理司； 社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》； 災(zāi)情數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》。

采用各縣玉米和小麥生育期的多年平均值表示該縣的作物生育期，得出各地玉米、小麥生育期的時(shí)間范圍。具體生育期范圍，如表1所示。

表1 寧夏玉米和小麥生育期資料

寧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月中下旬春小麥生育期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

農(nóng)作物種植受氣候影響很大，因此，作物產(chǎn)量可視作由代表生產(chǎn)技術(shù)水平的趨勢(shì)產(chǎn)量Yt和代表氣候波動(dòng)影響的氣象產(chǎn)量Yw組成[14]。為了分析干旱風(fēng)險(xiǎn)，我們需要有效地確定氣候波動(dòng)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響。因此，運(yùn)用直線滑動(dòng)平均法[15]對(duì)寧夏各縣區(qū)的玉米和小麥產(chǎn)量進(jìn)行處理，分離出趨勢(shì)產(chǎn)量Yt和氣象產(chǎn)量Yw。分離得到的氣象產(chǎn)量將代表玉米和小麥產(chǎn)量中受氣候波動(dòng)對(duì)作物產(chǎn)量的影響。最后，用以氣象產(chǎn)量與趨勢(shì)產(chǎn)量的比值表示受氣候影響的減產(chǎn)率。

1.3 作物干旱風(fēng)險(xiǎn)模型

災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論認(rèn)為[16]，災(zāi)害的發(fā)展，雖然受多個(gè)因素影響，但大體可以歸結(jié)為如下4個(gè)方面：一是導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的直接因素，即致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性，這是災(zāi)害發(fā)生導(dǎo)火索。二是受災(zāi)體暴露在致災(zāi)因素作用范圍內(nèi)，即承災(zāi)體的暴露性。在致災(zāi)因素的作用下，如果沒(méi)有承災(zāi)體的存在，如沙漠地區(qū)，雖然非常干旱但沒(méi)有生產(chǎn)，因而也就無(wú)從旱災(zāi)發(fā)生。三是承災(zāi)體本身抵抗致災(zāi)因子作用的能力，即承災(zāi)體的脆弱性。在致災(zāi)因子作用下，承災(zāi)體雖然暴露于致災(zāi)因子的作用，但如果其對(duì)致災(zāi)因子的抵抗能力很強(qiáng)，如耐旱植被在干旱地區(qū)的抗旱能力就非常強(qiáng)，因此在干旱條件下其仍然能夠正常生長(zhǎng)而不易成災(zāi)。四是人類對(duì)自然災(zāi)害的抗災(zāi)減災(zāi)能力。在致災(zāi)因子的作用下，如果區(qū)域人類活動(dòng)能夠有效地抗災(zāi)減災(zāi)，其災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)自然也就較低。因此，災(zāi)害的發(fā)生及其危害程度，實(shí)際上，就是一個(gè)作用力(致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性)與反作用力(暴露性、脆弱性和抗災(zāi)減災(zāi)能力)的彼此消長(zhǎng)過(guò)程。

從災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生及其危害過(guò)程角度構(gòu)建災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)模型，是正確評(píng)價(jià)區(qū)域?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度的最佳選擇。就農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估而言，就必須考慮干旱致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)干旱致災(zāi)因子的暴露性、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身的脆弱性及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的抗旱減災(zāi)能力等這4個(gè)方面的綜合作用[16]。因此，根據(jù)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論構(gòu)建農(nóng)業(yè)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，可以把這四個(gè)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素視為疊加作用，通過(guò)不同的權(quán)重進(jìn)行指數(shù)相加，具體形式如下：

ADRI=Wh·H+We·E+Wv·V+Wr·R

(1)

式(1)中，ADRI表示評(píng)價(jià)區(qū)域單元(該研究指縣域)的農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，H、E、V和R分別是干旱致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指數(shù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的暴露性指數(shù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的脆弱性指數(shù)和區(qū)域抗旱減災(zāi)能力指數(shù)，Wh、We、Wv和Wr分別為干旱致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指數(shù)、暴露性指數(shù)、脆弱性指數(shù)和抗旱能力指數(shù)的權(quán)重。為了比較各因素的作用大小，把各個(gè)指數(shù)的取值范圍限制在0～1之間，而各指數(shù)的權(quán)重之和為1，因此ADRI實(shí)際取值范圍也在0～1之間，并且ADRI值越大，表明該評(píng)價(jià)區(qū)域單元的干旱風(fēng)險(xiǎn)程度越大。

由于該研究是開(kāi)展寧夏主要農(nóng)作物(小麥和玉米)的干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并且是以縣域?yàn)樵u(píng)價(jià)的區(qū)域單元，因此，可以把公式(1)表示為如下各縣不同主要農(nóng)作物的干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型：

ADRIci=Wh·Hci+We·Eci+Wv·Vci+Wr·Rci

(2)

式(2)中，ADRIci表示第c個(gè)縣的第i種作物(i=1為玉米，i=2為小麥)干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，Hci、Eci、Vci和Rci分別是干旱致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指數(shù)、作物種植的暴露性指數(shù)、作物生產(chǎn)的脆弱性指數(shù)和縣域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的抗旱減災(zāi)能力指數(shù)。

1.3.1 危險(xiǎn)性指數(shù)的確定

致災(zāi)因子危險(xiǎn)性是指氣象災(zāi)害的異常程度[17]，主要由干旱發(fā)生的強(qiáng)度及頻率決定。因此農(nóng)業(yè)干旱危險(xiǎn)性指數(shù)是作物發(fā)生干旱的強(qiáng)度與其生育期內(nèi)干旱發(fā)生頻率的乘積，計(jì)算公式如下：

(3)

式(3)中，Hci是第c個(gè)縣、第i種作物干旱危險(xiǎn)性指數(shù)；DFcj為第j種干旱等級(jí)發(fā)生的頻率，其中干旱等級(jí)分為無(wú)旱、輕旱、中旱、重旱四級(jí)；DIci為玉米或小麥全生育期內(nèi)的干旱強(qiáng)度。

寧夏玉米和小麥的干旱強(qiáng)度主要受蒸發(fā)量、降水量、灌溉量等因素影響，為了計(jì)算作物干旱強(qiáng)度，利用作物全生育期內(nèi)的潛在蒸發(fā)量、有效降水量、灌溉量作為指標(biāo)計(jì)算寧夏各縣的玉米和小麥的干旱強(qiáng)度。計(jì)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個(gè)縣、第i種作物的干旱強(qiáng)度；Pe為全生育期有效降水量(mm)；P代表日降水量(mm/d)；σ為降水有效系數(shù)，采用寧夏農(nóng)業(yè)用水定額編制報(bào)告(寧夏回族自治區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)DB64/T182-2014)中的推薦值，如表2所示；Me代表全生育期灌溉量；M代表作物灌溉定額；τ表示不同降水頻率下的灌溉保證率，假設(shè)北部引黃灌區(qū)τ為100%，中南部灌溉保證率參考劉學(xué)軍等[18]人研究成果如表3所示，不同降水頻率采用水文頻率分布曲線軟件Curvefitting計(jì)算；Ge表示地下水利用量，引黃灌區(qū)不同地下水埋深地下水利用系數(shù)如表4所示，中南部地下水埋較深，對(duì)作物基本無(wú)影響，因此不考慮中南部山區(qū)地下水利用情況；ETc為全生育期作物潛在蒸發(fā)量(mm)，采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算[19]；ETo為逐日參考蒸散量(mm)，使用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織發(fā)布的ETocalculator 軟件計(jì)算；kc為作物系數(shù)，玉米初始生長(zhǎng)期(從播種至地表覆蓋率達(dá)到10%)至快速發(fā)育期(從地表作物覆蓋率10%到70%～80%)的kc ini=0.7，快速發(fā)育期至生育中期(從充分覆蓋到成熟期開(kāi)始)的kc mid=1.2，生育中期至成熟期(從葉片變黃到生理成熟或收獲)的kc end=0.45； 小麥的kc ini=0.3，kc mid=1.15，kc end=0.3。

表2 寧夏降水量有效利用系數(shù)

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

為了確定玉米和小麥的干旱程度，利用計(jì)算玉米和小麥的干旱強(qiáng)度，通過(guò)聚類分析確定干旱強(qiáng)度與干旱等級(jí)之間的關(guān)系(表5)。

寧夏玉米和小麥的干旱頻率DFcj可以計(jì)算如下：

(8)

式(8)中，DFcj為第c縣、第j種干旱等級(jí)發(fā)生的頻率；DNcj為第c縣、第j種干旱等級(jí)發(fā)生的次數(shù)；n為1981—2016年。

表3 寧夏中南部揚(yáng)黃灌區(qū)不同地區(qū)不同降水頻率時(shí)的灌溉保證率

地區(qū)(站點(diǎn))τ(5%)τ(25%)τ(50%)τ(75%)τ(95%)中衛(wèi)537050.340.280.240.210.19中寧537060.430.310.250.220.2鹽池537230.490.470.290.280.23麻黃山537270.480.450.280.270.23興仁堡537070.470.560.410.280.26海原538060.480.570.420.30.27同心538100.730.350.30.260.21韋州538810.710.370.320.250.2西吉539030.80.690.50.450.3隆德539140.830.740.550.470.3涇源539160.850.730.570.480.3固原538170.860.760.570.490.3 注:τ(5%)指降水頻率為5%下的灌溉保證率

表4 不同地下水埋深地下水利用系數(shù)f(H)

表5 基于干旱指數(shù)的玉米、小麥干旱等級(jí)劃分

1.3.2 暴露性指數(shù)的確定

農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)中的暴露性指標(biāo)是指農(nóng)作物接觸致災(zāi)因子的面積，選取寧夏15個(gè)市縣玉米和小麥播種面積與其實(shí)際耕地面積之比表征暴露性評(píng)價(jià)指標(biāo)。公式如下：

Eci=Aci/Acf

(9)

式(9)中，Eci表示第c個(gè)縣、第i種作物的暴露性指數(shù)；Aci為第c個(gè)縣、第i種作物種植面積，m2；Acf表示第c個(gè)縣耕地面積，m2。

1.3.3 脆弱性指數(shù)的確定

脆弱性表示承災(zāi)體易于遭受干旱威脅并造成損失的性質(zhì)和狀態(tài)[20]。作物產(chǎn)量波動(dòng)性是直接反映農(nóng)作物損失程度的指標(biāo)，產(chǎn)量波動(dòng)越大，農(nóng)作物脆弱性越強(qiáng)。有效灌溉面積越大，雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)面積越小，作物干旱脆弱性減小。因此選取各市縣玉米和小麥減產(chǎn)率、單產(chǎn)變異系數(shù)、有效灌溉面積占總耕地面積比為脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)，公式如下：

Vci=ycip·wcip

(10)

式(10)中，Vci表示第c個(gè)縣、第i種作物種植對(duì)干旱的脆弱性指數(shù)；ycip為第c個(gè)縣、第i種作物、第p個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；wcip為第c個(gè)縣、第i種作物、第p個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

為消除量綱的影響，使指標(biāo)之間具有可比性，在計(jì)算前需要對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，首先將指標(biāo)分為正向指標(biāo)與反向指標(biāo)2類，具體公式如下：

正向指標(biāo)，如作物單產(chǎn)變異系數(shù)越大，作物種植對(duì)干旱的脆弱性指數(shù)越大。屬于越大越優(yōu)型：

(11)

負(fù)向指標(biāo)，如有效灌溉面積占比越大，作物種植對(duì)干旱的脆弱性指數(shù)越小。屬于越小越優(yōu)型：

(12)

式(11)、(12)中，yp為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值；xmax與xmin分別表示指標(biāo)yp中最大值與最小值。

1.3.4 抗旱能力指數(shù)的確定

抗旱能力(Re)表示人類防御、減輕、承受干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的能力[21]。農(nóng)業(yè)抗旱能力主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平、農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展水平、農(nóng)民收入水平以及農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力投入水平等4個(gè)方面，主要選取農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、農(nóng)業(yè)化肥施用量、農(nóng)民人均收入及農(nóng)林牧漁業(yè)勞動(dòng)力作為評(píng)價(jià)防災(zāi)減災(zāi)能力的指標(biāo)。為確保所選指標(biāo)的合理性，采用產(chǎn)量波動(dòng)差異參數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[22]，C越小表明糧食產(chǎn)量波動(dòng)大，抗旱能力差，反之則抗災(zāi)能力越強(qiáng)。具體公式如下：

(13)

計(jì)算各縣(市)抗旱能力指數(shù)步驟與脆弱性指數(shù)一樣，首先利用公式(12)～(13)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，在此基礎(chǔ)上采用灰色關(guān)聯(lián)度方法得出各縣各指標(biāo)的權(quán)重，在根據(jù)綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合排序。

1.3.5 權(quán)重的確定

作物干旱風(fēng)險(xiǎn)公式(1)中的權(quán)重可以用灰色關(guān)聯(lián)度方法確定，灰色關(guān)聯(lián)度分析方法是根據(jù)因素之間的發(fā)展態(tài)勢(shì)的相似或者差異程度來(lái)衡量因素間關(guān)聯(lián)程度[23]。危險(xiǎn)性指數(shù)、暴露性指數(shù)、脆弱性指數(shù)和抗旱能力指數(shù)的權(quán)重需要計(jì)算其灰色關(guān)聯(lián)度，(與其相應(yīng)縣(市)的1981—2016年玉米和小麥的減產(chǎn)率序列之間的灰色關(guān)聯(lián)度)，計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度首先要確定一個(gè)參考序列，參考序列采用各縣(市)玉米和小麥1981—2016年的減產(chǎn)率，通過(guò)指數(shù)與參考序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)公式(14)計(jì)算出灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)之后再根據(jù)公式(15)計(jì)算出各指數(shù)的權(quán)重，計(jì)算公式如下：

(14)

式(14)中，y0為1981—2016年各縣的玉米和小麥的減產(chǎn)率序列；yl為第l個(gè)指標(biāo)序列；ξlk為第l個(gè)指標(biāo)序列第k項(xiàng)與參考序列的關(guān)聯(lián)度；ρ為常數(shù)，取0.5。

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度矩陣可以求出各指標(biāo)序列的平均關(guān)聯(lián)度rk，再根據(jù)平均關(guān)聯(lián)度計(jì)算n個(gè)指標(biāo)序列對(duì)應(yīng)的權(quán)重wi：

(15)

(16)

作物干旱風(fēng)險(xiǎn)模型包括危險(xiǎn)性、暴露性、脆弱性與抗旱能力4個(gè)指數(shù)，分別將各要素標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值yi′與其權(quán)重wi相乘相加，各指數(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)的影響程度采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(17)

式(17)中，X表示作物干旱風(fēng)險(xiǎn)四項(xiàng)指數(shù)的分項(xiàng)綜合指標(biāo)值，yp′表示標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值，wi表示指標(biāo)權(quán)重，n表示各指數(shù)中指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

1.3.6 寧夏玉米與小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)劃

寧夏玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)劃主要流程包括：首先以1981—2016年各市縣玉米和小麥減產(chǎn)率序列為標(biāo)準(zhǔn)序列，分別計(jì)算危險(xiǎn)性指數(shù)、暴露性指數(shù)、脆弱性指數(shù)以及抗旱能力指數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)序列之間的灰色關(guān)聯(lián)度，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)確定各指數(shù)的權(quán)重，采用作物干旱風(fēng)險(xiǎn)模型得出各地玉米和小麥的干旱風(fēng)險(xiǎn)。其次，采用聚類分析方法與ArcGIS克里金插值法，對(duì)各市縣多年的玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)與區(qū)劃。

采用公式(3)～(9)計(jì)算各站點(diǎn)玉米和小麥干旱危險(xiǎn)性指數(shù)。利用公式(10)求出各地玉米和小麥在干旱中的暴露性程度。通過(guò)有效灌溉面積比、玉米和小麥單產(chǎn)變異系數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度分析，得出兩個(gè)指標(biāo)在脆弱性評(píng)價(jià)中的權(quán)重，再根據(jù)公式(18)求出各縣玉米和小麥種植對(duì)于干旱的脆弱性指數(shù)。采用灰色關(guān)聯(lián)度方法分析農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、農(nóng)業(yè)化肥施用量、農(nóng)民人均收入及農(nóng)林牧漁業(yè)勞動(dòng)力4項(xiàng)指標(biāo)與各縣玉米和小麥的產(chǎn)量波動(dòng)差異參數(shù)序列(公式14)之間的關(guān)聯(lián)程度，保證選取指標(biāo)是否能反映抗旱能力，在此基礎(chǔ)上采用公式(16)- (17)計(jì)算4個(gè)抗旱能力指標(biāo)的權(quán)重，并根據(jù)公式(18)求出各縣抗旱能力指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物干旱危險(xiǎn)性分析

根據(jù)公式(4)～(8)計(jì)算寧夏玉米和小麥干旱強(qiáng)度，圖3為寧夏玉米和小麥發(fā)生不同等級(jí)干旱強(qiáng)度的時(shí)間序列分布。從圖3a可知，北部引黃灌區(qū)小麥干旱程度最低， 1981—2016年均在0.15以下的無(wú)旱等級(jí)。中部各縣小麥干旱強(qiáng)度較高， 36年(1981—2016年)有15年達(dá)到重旱等級(jí)，除了1985年、1996年、1998年以外均達(dá)到中旱以上干旱等級(jí)，小麥旱情較重。南部各縣相比中部小麥干旱較輕，多數(shù)年份在輕旱至中旱水平。

圖3b表明寧夏玉米干旱強(qiáng)度排序從高到低為中部干旱帶>南部山區(qū)>北部引黃灌區(qū)。中部各縣玉米干旱強(qiáng)度在中旱至重旱水平， 36年有10年達(dá)到重旱強(qiáng)度，多數(shù)年份在中旱水平。南部各縣玉米干旱強(qiáng)度時(shí)間序列分布波動(dòng)最大，最高達(dá)到中旱水平，一般在輕旱至中旱，而北部引黃灌區(qū)各縣多年玉米干旱強(qiáng)度值均在輕旱以下水平，基本不發(fā)生干旱。

對(duì)比寧夏北部引黃灌區(qū)各縣、中部干旱帶各縣以及南部山區(qū)各縣的玉米和小麥干旱強(qiáng)度時(shí)間序列分布，北部小麥和玉米的干旱強(qiáng)度差距較大，中部及南部差距較小。主要原因是北部引黃灌區(qū)玉米全生育期內(nèi)的潛在蒸散量高于小麥160.85mm，因而干旱強(qiáng)度差距較中南部地區(qū)較大。

圖3 寧夏玉米和小麥干旱強(qiáng)度時(shí)間序列分布

根據(jù)式(8)計(jì)算出各站點(diǎn)所在縣(市)小麥發(fā)生各等級(jí)干旱的頻率(表6)，從表6可知，引黃灌區(qū)陶樂(lè)、青銅峽、永寧、靈武、吳忠、銀川等縣(市)小麥36年(1981—2016)內(nèi)基本沒(méi)有發(fā)生干旱，無(wú)旱頻率在1左右； 石炭井、惠農(nóng)、大武口、平羅小麥發(fā)生輕度干旱的頻率達(dá)到0.4以上，表明5年內(nèi)發(fā)生2次輕旱。中部干旱帶中旱至重旱發(fā)生的頻率很高，其中中衛(wèi)、同心韋州、興仁、麻黃山小麥2年就會(huì)發(fā)生1次重旱等級(jí)的干旱。中寧、海源5年內(nèi)至少發(fā)生1次中旱—重旱。南部山區(qū)固原市重旱頻率較高，基本2年發(fā)生1次重旱。西吉縣小麥各等級(jí)干旱頻率分布均勻，各等級(jí)干旱均4年發(fā)生1次。隆德、涇源縣發(fā)生無(wú)旱、輕度干旱頻率占比較高。

表6 玉米和小麥發(fā)生不同強(qiáng)度干旱的頻率%

玉米干旱頻率氣象站點(diǎn)無(wú)旱頻率輕旱頻率中旱頻率重旱頻率玉米小麥玉米小麥玉米小麥玉米小麥引黃灌區(qū)陶樂(lè)0.8910.1100000青銅峽0.3910.5600.06000永寧0.3110.6400.06000靈武0.8910.1100000石炭井0.1110.6400.25000惠農(nóng)0.170.970.670.030.17000大武口0.280.720.610.280.11000平羅0.310.600.640.40.06000吳忠0.890.530.110.4400.0300銀川0.420.420.560.530.030.0600中部干旱帶中衛(wèi)00000.580.310.420.69中寧0.060.060.030.060.670.190.250.69興仁0.030.030.170.030.390.310.420.64鹽池00.030.190.190.560.250.250.53麻黃山0.220.140.10.080.470.280.20.5海原0.170.030.360.060.440.470.030.44韋州0.0600.060.140.470.420.420.44同心0.060.0600.310.50.50.440.14南部山區(qū)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涇源0.750.640.170.170.080.1100.08

圖4 小麥和玉米危險(xiǎn)性指數(shù)空間分布

從玉米各等級(jí)干旱發(fā)生頻率來(lái)看，北部引黃灌區(qū)青銅峽、永寧、惠農(nóng)、大武口、石炭井、平羅發(fā)生輕度干旱的頻率達(dá)到56%以上，表明2年至少發(fā)生1次輕旱，其中大武口、惠農(nóng)中度干旱頻率也較高，至少5年發(fā)生1次中旱。陶樂(lè)、靈武、吳忠等縣(市)基本無(wú)旱，無(wú)旱頻率高于85%。中部各縣玉發(fā)生干旱的頻率主要以中旱、重旱為主，玉米中旱頻率高達(dá)39%以上，說(shuō)明5年發(fā)生2次中度干旱。除了海源縣，其他縣重旱頻率在20%以上，表示5年內(nèi)玉米至少發(fā)生1次重度干旱。固原市、西吉縣玉米發(fā)生中旱的頻率較高，隆德縣、涇源縣玉米不發(fā)生干旱的頻率占50%以上。

通過(guò)分析寧夏各縣(市)玉米和小麥干旱強(qiáng)度及各等級(jí)干旱強(qiáng)度發(fā)生的頻率，計(jì)算出玉米和小麥種植對(duì)干旱的危險(xiǎn)性指數(shù)，利用公式(3)及克里金插值法，對(duì)寧夏小麥和玉米對(duì)干旱的危險(xiǎn)性指數(shù)進(jìn)行區(qū)劃(圖4)。從圖4a來(lái)看，小麥干旱危險(xiǎn)性指數(shù)以同心、中衛(wèi)兩縣為高危險(xiǎn)區(qū)，鹽池大部、中衛(wèi)南部、海原東北部、固原北部為中危險(xiǎn)區(qū)，海源西南部、固原南部、惠農(nóng)北部、西吉縣為低危險(xiǎn)區(qū)，涇源、隆德、青銅峽、吳忠、永寧、靈武、銀川、陶樂(lè)等縣為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。從圖4b可看出，玉米干旱高危險(xiǎn)區(qū)主要以同心、中衛(wèi)為中心，周邊中寧、海源、鹽池為中危險(xiǎn)區(qū)，低危險(xiǎn)區(qū)主要分布在銀北河西灌區(qū)(吳忠、永寧、平羅)以及西吉與固原北部等縣市，而玉米無(wú)干旱危險(xiǎn)的地區(qū)主要有南部涇源、隆德、北部陶樂(lè)、銀川、靈武、青銅峽等地，寧夏玉米干旱危險(xiǎn)性呈中部高南北低的空間分布格局。

從寧夏玉米和小麥干旱危險(xiǎn)性指數(shù)整體空間分布來(lái)看(圖4)，玉米和小麥對(duì)于干旱的危險(xiǎn)性均呈中部高、南北低的空間分布格局。以同心、中衛(wèi)為高值中心，北部引黃灌區(qū)各縣、南部涇源、隆德兩縣為低值區(qū)。但局部地區(qū)有一定的區(qū)別，以高值區(qū)分布來(lái)看，玉米干旱危險(xiǎn)性高值區(qū)具有一定的連片性，在中部地區(qū)的西北部(中衛(wèi)、中寧、同心)，而小麥高值區(qū)集中在同心大部和中衛(wèi)局部。中南部小麥危險(xiǎn)性高于玉米危險(xiǎn)性，其中同心小麥危險(xiǎn)性高于玉米6.5%，中衛(wèi)4.8%、韋州7.4%、麻黃山5%、鹽池2%，海源、興仁持平，固原小麥危險(xiǎn)性高于玉米4%、西吉持平、隆德5%、涇源5%，其主要原因是中南部地區(qū)屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，灌溉保證率低，作物全生育期內(nèi)的有效降水量是決定其危險(xiǎn)性高低的主要因素，而寧夏雨季在6—9月份，與玉米生育期(4—9月)大部分重合，因此玉米干旱危險(xiǎn)性相對(duì)小麥較低。

北部引黃灌區(qū)的小麥干旱危險(xiǎn)性低，而玉米無(wú)危險(xiǎn)性范圍減小，低危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)范圍(惠農(nóng)、石炭井、平羅、吳忠)有所增加，其主要原因是北部引黃灌區(qū)玉米全生育期內(nèi)的潛在蒸散量是小麥的1.37倍，有效降水量、灌溉量無(wú)法滿足玉米生育期內(nèi)的需水量，因此北部引黃灌區(qū)玉米干旱危險(xiǎn)性較小麥較高。

為檢驗(yàn)作物干旱指標(biāo)的準(zhǔn)確性，將得出結(jié)果與《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》中記載的災(zāi)害年份進(jìn)行對(duì)比，除了個(gè)別年份記載較粗略外，本方法判定的結(jié)果與歷史記載基本吻合，如表7所示。

表7 1981—2000年寧夏旱情記錄

年份寧夏干旱災(zāi)情1981海源、興仁、鹽池1～5月降水量?jī)H21.8mm, 12.6mm, 6.4mm,全區(qū)因旱絕產(chǎn)面積2.77萬(wàn)hm2,海源、同心、鹽池人畜用水緊缺1982嚴(yán)重干旱年,其中同心、海原、西吉、固原、鹽池干旱嚴(yán)重,中衛(wèi)、靈武的山區(qū)干旱更為嚴(yán)重。鹽池、海原秋糧減產(chǎn)50%以上; 同心4.33萬(wàn)hm2有1.2萬(wàn)hm2絕產(chǎn)1983鹽池、海原秋作物減產(chǎn)達(dá)到5成以上; 同心秋作物絕產(chǎn)三成以上19849—11月發(fā)生干旱,冬小麥播種面積較往年少了0.6萬(wàn)hm21985旱情最嚴(yán)重的是同心、海原、鹽池和固原北部,夏糧播種面積比上年減少2.87萬(wàn)hm21986山區(qū)秋旱嚴(yán)重, 15萬(wàn)眼水窖中13萬(wàn)沒(méi)收上水而枯竭,共38萬(wàn)人105萬(wàn)頭牲畜吃水困難1987出現(xiàn)四季連旱,海原、同心兩縣、鹽池南、彭陽(yáng)東北部、固原北部、西吉北部持續(xù)干旱14～15個(gè)月。寧夏中南部8縣農(nóng)作物受旱面積40.27萬(wàn)hm2,成災(zāi)面積36.97萬(wàn)hm2,夏糧比1986年減產(chǎn)42.2%,秋糧減產(chǎn)28.5%。干旱特別嚴(yán)重的海原、固原、鹽池,全年減產(chǎn)40%～68%1988全區(qū)受旱面積5.76萬(wàn)hm2,成災(zāi)4.73萬(wàn)hm21989中南大部分出現(xiàn)夏末初秋連旱,嚴(yán)重旱區(qū)有西吉、海原、固原、鹽池、同心,農(nóng)作物受災(zāi)面積11.97萬(wàn)hm2,成災(zāi)10.87萬(wàn)hm2,減產(chǎn)糧食3 100萬(wàn)kg19906月干旱較嚴(yán)重的有鹽池、同心、彭陽(yáng)、西吉、海原、固原、靈武、中衛(wèi),受旱面積23.16,夏糧15.03,其中絕產(chǎn)1.32萬(wàn)hm219916—10月寧南山區(qū)有108個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)面積32萬(wàn)hm2,成災(zāi)9.2,減產(chǎn)8 280萬(wàn)kg,直接經(jīng)濟(jì)損失9 000多萬(wàn)元。因土壤表層墑情不好,使寧南山區(qū)冬小麥播種面積減少,原計(jì)劃5.56萬(wàn)hm2,實(shí)際完成4, 65萬(wàn)hm2,占計(jì)劃的82.3%1993受災(zāi)嚴(yán)重的有鹽池、同心、海原、西吉、固原、彭陽(yáng)因旱農(nóng)作物受災(zāi)面積18.71萬(wàn)hm2,成災(zāi)17.4,承載人口107萬(wàn); 夏糧作物生長(zhǎng)發(fā)育受到影響,晚秋作物無(wú)法下種和出苗不齊。鹽池、同心、海原受旱嚴(yán)重1994寧南山區(qū)干旱加重蔓延夏糧大幅度減產(chǎn),寧南山區(qū)夏糧計(jì)劃種植26.78萬(wàn)hm2,完成計(jì)劃的95%; 人畜飲水十分困難, 5月底寧南山區(qū)30多條大小河道已有26條斷流; 10.7萬(wàn)眼水窖無(wú)存水的達(dá)到9.3萬(wàn)1995南部春夏連旱,鹽池、同心僅為8～8.4mm,普遍比歷年同期減少58%～86%; 寧南山區(qū)春季干旱非常嚴(yán)重,鹽池、同心的降水距平達(dá)到重旱標(biāo)準(zhǔn)春季3—5月同心、固原、西吉、隆德、涇源有氣象數(shù)據(jù)以來(lái)的最低值,鹽池、海原有記錄以來(lái)的第三個(gè)低值年干旱造成的影響:夏糧作物大幅減產(chǎn); 全區(qū)干旱夏糧受災(zāi)面積23.2萬(wàn)hm2,成災(zāi)21.53萬(wàn)hm2,受災(zāi)人口170萬(wàn); 南部山區(qū)夏糧總產(chǎn)約1.8億kg,比正常年景減產(chǎn)1.5億kg; 海原、同心、彭陽(yáng)、鹽池、固原、西吉、隆德夏糧基本絕產(chǎn)。秋糧下種困難,秋波難以完成。西海固鹽同秋波計(jì)劃完成不足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、涇源兩地有少量降水外,大部分地區(qū)滴雨未降,使秋作物受旱明顯。彭陽(yáng)大部、固原北部、海原大部秋播困難19986月寧南山區(qū)降水較少,比往年少3～7成,小麥輕度受害。冬小麥也不同程度受害1999旱情嚴(yán)重,集中在寧南山區(qū); 全區(qū)累計(jì)農(nóng)田受旱面積15萬(wàn)hm2,成災(zāi)8.83,絕收3.3,與常年相比屬于偏重。冬小麥,隆德涇源最嚴(yán)重。3月寧夏中南大部降水顯著減少,造成春波困難; 7月下旬以來(lái),寧南山區(qū)溫度偏高,降水少。除鹽池外其他地區(qū)降水為4～31mm,偏少67%～96%。對(duì)灌漿期玉米威脅很大20002—5月灌區(qū)大部及同心重旱,西吉、涇源輕度干旱,固原、隆德正常偏旱,其他地區(qū)中度干旱。7月寧夏中南部地區(qū)持續(xù)高溫少雨,除鹽池、涇源外,其他地區(qū)的夏糧灌漿受到嚴(yán)重影響,同時(shí)不利于秋糧生長(zhǎng)8—9月大部地區(qū)降水偏少,寧夏中南部地區(qū)秋季土壤水分狀況較差,除涇源、隆德南部與歷年持平外,其余大部地區(qū)低于歷年平均,尤其是固原北部、同心,比歷年同期少4%。據(jù)了解,山區(qū)冬麥區(qū)因旱播種面積有所減小

2.2 玉米和小麥種植對(duì)干旱的暴露性分析

作物種植比例越大，作物接觸干旱的暴露性越大，遭受干旱風(fēng)險(xiǎn)的可能性增加。而種植比例小，接觸干旱的面積減少，發(fā)生作物干旱風(fēng)險(xiǎn)的可能性降低。從圖5a小麥暴露性指數(shù)時(shí)間分布來(lái)看， 1995—2005年小麥暴露性指數(shù)逐漸增加， 2005—2015年暴露性指數(shù)呈快速下降趨勢(shì)。2005年各地小麥種植面積達(dá)到峰值，暴露性指數(shù)最高達(dá)到了50%，如涇源、彭陽(yáng)、隆德3個(gè)縣。2005年之后寧夏小麥暴露性指數(shù)呈直線下降趨勢(shì)，至2015年最低暴露性指數(shù)僅為1%左右，主要集中在鹽池縣、靈武市和中寧縣。從圖5a小麥暴露性指數(shù)空間分布來(lái)看，小麥暴露性指數(shù)呈由南向北轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，北部種植小麥的比重緩慢增加， 1995年小麥主要種植在涇源、隆德、彭陽(yáng)、西吉、固原、海原等地，暴露性指數(shù)達(dá)到45%左右，至2005年同心、賀蘭以北等中北部地區(qū)小麥暴露性明顯增加，達(dá)到30%左右。直至2015年寧夏小麥種植比例整體呈銳減趨勢(shì)時(shí)，同心、青銅峽、永寧、賀蘭以北等地區(qū)種植比例保持10%～20%的種植比例。

從圖5b寧夏玉米暴露性指數(shù)時(shí)空分布結(jié)果來(lái)看， 1995—2015年玉米種植面積逐漸增加，從1995年最低1.5%的種植比到2015年最低種植比例達(dá)到10%左右，全區(qū)玉米暴露性指數(shù)呈逐年增加的趨勢(shì)，最高暴露性指數(shù)達(dá)到45%左右，主要集中在寧夏北部引黃灌區(qū)與同心縣、南部彭陽(yáng)縣。

2.3 玉米和小麥種植在干旱脅迫下的脆弱性分析

在對(duì)指標(biāo)量化的基礎(chǔ)上，采用灰色關(guān)聯(lián)度方法，以1981—2016年各市縣玉米和小麥的減產(chǎn)率參考序列，計(jì)算3個(gè)指標(biāo)在脆弱性評(píng)價(jià)中的權(quán)重，再根據(jù)綜合加權(quán)方法得出各縣玉米和小麥種植對(duì)干旱的脆弱性指數(shù)。從圖6來(lái)看，寧夏玉米和小麥種植在干旱脅迫下的脆弱性指數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，兩種作物脆弱度發(fā)展趨勢(shì)基本相同，玉米脆弱度相對(duì)較高，至2015年均達(dá)到歷史最低0.280 3、0.302 2。脆弱度降低是由于寧夏各縣(市)玉米和小麥的減產(chǎn)率逐年降低、單產(chǎn)變異系數(shù)波動(dòng)趨于平緩，有效灌溉面積逐年增加的結(jié)果。

兩種作物在干旱脅迫下的脆弱性指數(shù)時(shí)間序列分布差別較小，而空間分布有明顯的區(qū)別，圖7a中可知，小麥在干旱脅迫下?lián)p失較高的地區(qū)主要分布在中寧南部、海原、西吉、隆德和涇源等縣，小麥多年平均減產(chǎn)率分別達(dá)到23%、43.5%、25.02%、40.53%、43.7%，干旱脆弱性指數(shù)高于0.540 9。其次是固原、彭陽(yáng)、同心、中衛(wèi)南部、吳忠、靈武等地，平均脆弱性指數(shù)達(dá)到0.470 2，脆弱性指數(shù)低值區(qū)主要分布在北部惠農(nóng)、平羅、賀蘭、鹽池東北部等地區(qū)，該地區(qū)灌溉條件好，是寧夏主要的糧食種植地，脆弱性指數(shù)在0.379 8以下。較小麥而言，玉米種植對(duì)干旱的脆弱性指數(shù)低值區(qū)范圍增加，主要包括中寧東北部以北地區(qū)，有天然的灌溉條件，大大降低了該區(qū)各縣玉米減產(chǎn)率，也說(shuō)明北部地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平較高，對(duì)作物干旱的人為防御能力較強(qiáng)。玉米干旱脆弱性指數(shù)高值區(qū)在海原中南部以南所有地區(qū)，最低減產(chǎn)率在23.1%以上。

圖5 小麥和玉米暴露性指數(shù)時(shí)空分布

圖6 玉米和小麥干旱脆弱度時(shí)間序列分布

圖7 玉米和小麥干旱脆弱度空間分布

2.4 農(nóng)業(yè)抗旱能力分析

該文統(tǒng)計(jì)寧夏各縣(市)1993—2015年統(tǒng)計(jì)年鑒中的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，選取了農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、農(nóng)業(yè)化肥施用量、農(nóng)民人均純收入作為評(píng)價(jià)各地區(qū)農(nóng)業(yè)抗旱能力的指標(biāo)，其中農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力是作物種植生產(chǎn)的直接參與者，勞動(dòng)力人數(shù)的多少在一定程度上決定了作物種植生產(chǎn)的質(zhì)量。農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力是反映各地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的指標(biāo)，包括耕種、灌溉、收割、運(yùn)輸作物的多種機(jī)械，機(jī)械化水平越高抗旱能力越強(qiáng)。農(nóng)業(yè)化肥施用量是指一個(gè)周期內(nèi)(一般為一年)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的所有肥料的總和，增強(qiáng)作物生命力，可提升作物抗旱抗災(zāi)能力。農(nóng)民人均純收入表示農(nóng)戶是否有治理干旱災(zāi)害的經(jīng)濟(jì)能力。

為檢驗(yàn)所選指標(biāo)的合理性，將以上4個(gè)抗旱能力指標(biāo)與玉米和小麥產(chǎn)量差異系數(shù)(式15)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，產(chǎn)量波動(dòng)的大小可以反映作物的抗災(zāi)性能，因此以產(chǎn)量變異系數(shù)為參考序列，計(jì)算4個(gè)指標(biāo)序列與參考序列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，在此基礎(chǔ)上得出各指標(biāo)的權(quán)重。結(jié)果表明(表13)，各縣(市)4個(gè)指標(biāo)與參考指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度均在0.53以上，關(guān)聯(lián)度高說(shuō)明所選指標(biāo)可以反映當(dāng)?shù)氐目购的芰λ健?/p>

圖8 1995～2020年寧夏農(nóng)業(yè)抗旱能力指數(shù)時(shí)間序列分布

圖9 寧夏農(nóng)業(yè)抗旱能力指數(shù)空間分布

從寧夏農(nóng)業(yè)抗旱能力指數(shù)時(shí)間序列分布圖8來(lái)看，整體農(nóng)業(yè)抗旱能力提升速度較快，至2016年各縣市抗旱能力指數(shù)平均值已經(jīng)達(dá)到0.8左右，說(shuō)明寧夏整體農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平及農(nóng)民收入均有大幅度提高。

結(jié)合4個(gè)抗旱能力指標(biāo)，經(jīng)加權(quán)求和后得到寧夏各地區(qū)農(nóng)業(yè)抗旱能力指數(shù)，計(jì)算其多年平均值后利用GIS克里金插值進(jìn)行區(qū)劃，結(jié)果如圖9所示。農(nóng)業(yè)抗旱能力較強(qiáng)的地區(qū)主要分布在引黃灌區(qū)周邊縣市，包括青銅峽、永寧、銀川、吳忠北部、惠農(nóng)區(qū)以及鹽池東北部地區(qū)，抗旱能力指數(shù)達(dá)到0.5以上，該區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相較中南部地區(qū)較好，農(nóng)業(yè)化肥施用量在7.4萬(wàn)t以上、農(nóng)民人均收入在1.05萬(wàn)～1.17萬(wàn)元之間、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力高達(dá)55萬(wàn)kW，因而抗旱能力較高?？购的芰^低的地區(qū)有中衛(wèi)大部、西吉中部以及平羅西北部等地區(qū)，抗旱能力指數(shù)在0.4～0.45之間，農(nóng)民人均純收入僅為北部各縣的53%、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力僅達(dá)到40萬(wàn)kW左右、農(nóng)業(yè)化肥施用量在5.3萬(wàn)t左右，相較于北部各縣差距較大，因而農(nóng)業(yè)抗旱能力較弱。寧夏各縣(市)農(nóng)業(yè)抗旱能力指數(shù)時(shí)間分布呈逐年增加趨勢(shì)，空間分布呈北部高中南部低的格局，但總體上各縣(市)抗旱能力指數(shù)值相差不大。

2.5 寧夏玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)劃

采用聚類分析方法，對(duì)各縣多年玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行聚類分析，將研究區(qū)分為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，如表8。

表8 寧夏玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)DI≤0.2DI≤0.25低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)0.20.5DI>0.5

利用GIS中克里金插值法對(duì)1993—2016年各縣玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)平均值進(jìn)行區(qū)劃。圖10為寧夏小麥和玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)空間分布。由圖10a可知，小麥全生育期干旱風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)主要分布在寧夏中南部山區(qū)(同心南部、海原東北部、西吉、隆德)，風(fēng)險(xiǎn)值均達(dá)到0.5以上，這些地區(qū)不僅氣候條件惡劣，而且農(nóng)業(yè)技術(shù)水平及農(nóng)民收入水平較北部灌區(qū)差距較大，農(nóng)民人均收入僅為北部灌區(qū)人均收入的60%左右。鹽池、固原、海原西部位于中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到0.4，該區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，常年干旱且小麥種植暴露度較高。北部引黃灌區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較低，其中中寧、中衛(wèi)兩地小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)較低的主要原因是小麥種植暴露度低，種植面積較小，因而受旱風(fēng)險(xiǎn)低。

由圖10b可知，玉米生育期干旱高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在鹽池東北部、同心西南及海源東北部，多年平均風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分別為0.52、0.54、0.51，西吉南部、海原大部、固原、同心北部、惠農(nóng)位于玉米中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)達(dá)到0.4以上，寧夏南部(涇源、隆德)、北部引黃灌區(qū)(銀川、永寧、中衛(wèi)、平羅)屬于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在0.25～0.35之間，其中南部?jī)煽h玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)較小的原因是降水量較多且與玉米生育期重合，玉米干旱暴露度低于0.15。

對(duì)比寧夏玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)空間分布可知，小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)分布范圍較大，呈中南部高北部低的空間分布格局，中南部各縣是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，作物水分主要依靠降水量的補(bǔ)給，而小麥生育期在雨季初期，降水量較少，且種植面積比重較大，因而受旱面積較大。玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)低值區(qū)不僅包括北部引黃灌區(qū)大部分縣市，還包括南部涇源、隆德兩縣，主要原因是該區(qū)玉米種植面積較小，雨季降水充沛，可以滿足玉米生長(zhǎng)需要的水分。

圖10 寧夏玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)空間分布

從寧夏玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列分布來(lái)看(圖11)， 1993—2016年玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)呈逐步上升趨勢(shì)，從30%上升至45%，整體達(dá)到了中度風(fēng)險(xiǎn)水平。其主要原因是玉米干旱暴露度明顯增加，至2016年玉米種植面積最高達(dá)到了45%以上。而寧夏小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)較平緩，干旱風(fēng)險(xiǎn)水平在0.3～0.4之間，主要原因是各縣(市)小麥的種植面積比例逐年減少，多數(shù)縣小麥種植比例低于10%。相對(duì)而言，玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)更大，產(chǎn)生品種差異的原因在于兩者干旱危險(xiǎn)性指數(shù)和暴露性指數(shù)間的差異較大，玉米干旱暴露度高，接觸致災(zāi)因子的面積大，且生育期較長(zhǎng)，雖然玉米生育期與寧夏雨季重合，但其潛在蒸散量是小麥的1.37倍，降水量無(wú)法滿足玉米生長(zhǎng)所需的水分。

圖11 寧夏玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列分布 圖12 作物干旱風(fēng)險(xiǎn)模型檢驗(yàn) 注：“*”表示顯著性水平為0.05； “**”表示顯著性水平為0.01

為了檢驗(yàn)作物干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的可靠性，將各站23年玉米和小麥減產(chǎn)率與評(píng)價(jià)模型得到的農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)做相關(guān)分析。結(jié)果表明多數(shù)站點(diǎn)Pearson相關(guān)性達(dá)到了0.01、0.05顯著性水平(圖11)，說(shuō)明該模型及選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)可較好反映寧夏玉米和小麥的干旱風(fēng)險(xiǎn)程度。

3 結(jié)論與討論

該文以寧夏玉米和小麥全生育期內(nèi)的干旱風(fēng)險(xiǎn)為研究對(duì)象，根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論，從干旱危險(xiǎn)性、玉米和小麥種植在干旱脅迫下的脆弱性、在干旱環(huán)境下的暴露性和農(nóng)業(yè)抗旱能力構(gòu)建干旱風(fēng)險(xiǎn)模型，對(duì)寧夏玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)與區(qū)劃。

(1)總體上看， 23年(1993—2016年)寧夏玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間序列分布呈逐步上升趨勢(shì)，玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)最高達(dá)到45%，上升趨勢(shì)明顯。而小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)較平緩，干旱風(fēng)險(xiǎn)水平在0.3～0.4之間。品種間的差異主要在于干旱危險(xiǎn)性指數(shù)和暴露性指數(shù)間差異較大，玉米干旱暴露度高，生育期較長(zhǎng)，潛在蒸散量大，降水無(wú)法供應(yīng)生育期內(nèi)的需水量。

(2)從空間分布來(lái)看，玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)主要區(qū)別在于中南部地區(qū)，小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)高值區(qū)分布范圍較大，因?yàn)橹心喜康貐^(qū)降水量是作物生長(zhǎng)中主要的水源，而小麥生育期在雨季初期，降水量較少，且種植面積大，因而受旱面積較大。涇源、隆德兩縣小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)較高，而玉米干旱風(fēng)險(xiǎn)較低，主要原因是該區(qū)玉米種植面積較小，雨季降水充沛，可以滿足玉米生長(zhǎng)需要的水分。

(3)玉米和小麥干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中危險(xiǎn)性指數(shù)與暴露性指數(shù)對(duì)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果貢獻(xiàn)較大，各縣(市)玉米和小麥危險(xiǎn)性、暴露性指數(shù)權(quán)重均在0.3以上，因此為減輕干旱對(duì)作物種植的影響，應(yīng)調(diào)整種植比例，減少小麥的種植面積，增加馬鈴薯、小秋雜糧、紅棗等耐旱作物的種植比例。

(4)針對(duì)以上分析結(jié)果，各市縣應(yīng)從作物干旱風(fēng)險(xiǎn)的主導(dǎo)因素出發(fā)，制定適合各自的干旱減災(zāi)措施。寧夏北部引黃灌區(qū)灌溉條件優(yōu)越，平原地區(qū)(銀川平原和衛(wèi)寧平原)有利于大面積機(jī)械種植，氣候利于糧食作物的生長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快，應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大玉米和小麥種植面積； 對(duì)中部揚(yáng)黃灌區(qū)應(yīng)調(diào)整用水結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展供水范圍。改造老化泵設(shè)備，提高灌溉保證率。調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，減少小麥種植面積，擴(kuò)大馬鈴薯、枸杞、紅棗等經(jīng)濟(jì)作物的種植面積。推廣壟溝栽培、溝栽溝灌、覆膜栽培等農(nóng)藝措施。以調(diào)整揚(yáng)黃灌區(qū)水價(jià)調(diào)節(jié)用水量，促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展。利用灌區(qū)邊緣小揚(yáng)水等水源，拓展揚(yáng)黃灌區(qū)的供水范圍。中部其余地區(qū)，以建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)集雨攔蓄工程為主，充分利用降水以及洪水資源； 南部山區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)加大庫(kù)井灌區(qū)的改造力度，采用小畦節(jié)水灌溉或噴灌、滴灌、管灌、溝灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)，提高用水效率，推進(jìn)旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，壓夏擴(kuò)秋，充分利用降雨資源，擴(kuò)大馬鈴薯、果樹(shù)、向日葵、地膜玉米、小秋雜等特色作物的種植面積。推行旱作物優(yōu)先供水、優(yōu)惠水價(jià)，高耗水作物無(wú)保障供水政策、提高水價(jià)等政策推動(dòng)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整步伐。