高 珊，陳 杰，許 朗

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，南京 210095)

全球變暖已成趨勢(shì)，2013年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告指出長(zhǎng)期氣候趨勢(shì)呈現(xiàn)升溫，1880-2012年全球氣溫平均升溫0.85 ℃。氣候變化改變了作物生長(zhǎng)環(huán)境，有學(xué)者研究結(jié)果顯示黃淮海地區(qū)2000年干旱面積相較于1963年有所增加，增加了黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定。黃淮海地區(qū)是我國原始農(nóng)業(yè)發(fā)展最早的地區(qū)之一，農(nóng)田面積約為2.6 萬km2，是我國重要的商品糧、棉、油、肉及水果生產(chǎn)基地。干旱分區(qū)對(duì)于地區(qū)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理，提高區(qū)域防災(zāi)能力建設(shè)具有重要意義。學(xué)者們也對(duì)此開展了探索性的研究工作，黃晚華等利用氣象數(shù)據(jù)，選取氣象因子、地形地貌因子以及干旱強(qiáng)度因子對(duì)南方地區(qū)進(jìn)行三級(jí)干旱分區(qū)，反映不同干旱分區(qū)的季節(jié)性干旱特征[1]。常文娟等采用主成分分析法并選取流域地貌特征指數(shù)、多年平均干旱指數(shù)等指標(biāo)，對(duì)云南省進(jìn)行干旱分區(qū)的結(jié)果顯示，滇東北是干旱易發(fā)區(qū)，滇西南是干旱少發(fā)區(qū)[2]。王棟等基于主成分聚類分析法，選用地形起伏度、多年平均干旱指數(shù)和P75%年降水量負(fù)距平百分率和年降水變差系數(shù)4個(gè)指標(biāo)對(duì)云南省進(jìn)行干旱自然分區(qū)，結(jié)論顯示云南省中東部地區(qū)干旱易發(fā)程度高于西部地區(qū)[3]。

黃淮海作為糧食主產(chǎn)地區(qū)之一，學(xué)者們也基于不同角度展開了對(duì)黃淮海部分地區(qū)干旱特征的研究。歐真真分別選取地貌、降水等自然因素以及有效灌溉率、糧食單產(chǎn)等社會(huì)因素作為劃分淮河流域干旱分區(qū)的指標(biāo)，將淮河流域分為5個(gè)一級(jí)區(qū)和10個(gè)二級(jí)區(qū)，分析各區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱特征[4]。吳霞等利用黃淮海地區(qū)玉米生長(zhǎng)期的降水量數(shù)據(jù)和玉米生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析玉米生長(zhǎng)季干旱分布的時(shí)空特征，認(rèn)為在玉米不同生長(zhǎng)期中，各地區(qū)干旱頻率和干旱強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯差異[5]。徐建文等構(gòu)建濕潤(rùn)指數(shù)對(duì)黃淮海地區(qū)小麥生長(zhǎng)季的干旱變化特征，結(jié)果顯示春季和秋季干旱強(qiáng)度和頻率較高，且4個(gè)季節(jié)中黃淮海地區(qū)干旱強(qiáng)度和干旱頻率區(qū)域分布特征為由南向北遞增[6]。

綜上可知，關(guān)于地區(qū)干旱特征的研究區(qū)別主要包括兩方面，一是分區(qū)指標(biāo)體系構(gòu)建的差異，二是分區(qū)方法的不同。上述研究中指標(biāo)構(gòu)建中主要基于氣象干旱角度，較少綜合作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，干旱分區(qū)指標(biāo)體系還有待完善，研究方法有主成分分析以及聚類分析等。主成分分析法通過構(gòu)造綜合指標(biāo)反映原始變量的信息的一種數(shù)學(xué)變換方法，但當(dāng)主成分因子負(fù)荷的符號(hào)有正有負(fù)時(shí)，容易影響函數(shù)的評(píng)價(jià)意義。聚類分析按“物以類聚”原則研究事物分類的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，它根據(jù)樣本的多指標(biāo)、多個(gè)觀察樣品數(shù)據(jù)，定量地確定樣品、指標(biāo)之間存在的相似性或親疏關(guān)系，并據(jù)此聯(lián)結(jié)這些樣品或指標(biāo)，歸成大小類群，分類更具客觀實(shí)際且結(jié)論形式簡(jiǎn)潔直觀。聚類分析也分別在氣候分區(qū)[7]、水文分區(qū)[8,9]、農(nóng)業(yè)分區(qū)[10]等領(lǐng)域都有應(yīng)用。黃淮海地區(qū)干旱特征的研究表明，黃淮海地區(qū)干旱存在區(qū)域差異，有必要對(duì)區(qū)域內(nèi)干旱分布情況作進(jìn)一步分析，以期減少干旱損失，發(fā)揮主產(chǎn)區(qū)優(yōu)勢(shì)。

黃淮海各區(qū)域的農(nóng)田灌溉用水特征和管理方式所基于的自然和經(jīng)濟(jì)條件、農(nóng)業(yè)的發(fā)展和布局都存在著明顯的地域差異。因此，本文從農(nóng)業(yè)干旱的角度，結(jié)合黃淮海地區(qū)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，定性分析(經(jīng)驗(yàn)定性法)與定量分析(聚類分析法)相結(jié)合，從自然因素和社會(huì)因素兩方面對(duì)地區(qū)內(nèi)不同的水文地理?xiàng)l件、農(nóng)業(yè)災(zāi)害的發(fā)生狀況以及現(xiàn)有農(nóng)田灌溉和生產(chǎn)狀況進(jìn)行研究分析，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建分區(qū)指標(biāo)體系將黃淮海地區(qū)劃分為不同的干旱區(qū)，以便為后續(xù)調(diào)整抗旱措施的研究奠定基礎(chǔ)。

1 干旱分區(qū)的指標(biāo)體系建立

干旱分區(qū)是為了表現(xiàn)出農(nóng)業(yè)干旱的地域差異，分區(qū)的原則需要明確反映出區(qū)域差異的基本法則。結(jié)合以往學(xué)者的歸納總結(jié)和研究區(qū)域特征，主要涉及自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素，具體而言黃淮海地區(qū)的干旱分區(qū)包含以下幾個(gè)原則：自然地理?xiàng)l件一致性原則、資源稟賦條件一致性原則、農(nóng)業(yè)災(zāi)害規(guī)律一致性原則、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平一致性原則。

根據(jù)上述干旱分區(qū)的原則，結(jié)合黃淮海地區(qū)統(tǒng)計(jì)資料的可得性，共篩選出對(duì)農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)產(chǎn)生重要影響的9個(gè)指標(biāo)：全年降水量、地形地貌、農(nóng)作物干旱受災(zāi)面積、耕地面積、農(nóng)作物干旱成災(zāi)面積、有效灌溉耕地面積、糧食作物播種面積、農(nóng)作物播種面積和糧食單產(chǎn)。其中前3項(xiàng)屬于自然因素指標(biāo)，地貌形態(tài)指標(biāo)以相對(duì)高度為主；后6項(xiàng)屬于社會(huì)因素指標(biāo)，農(nóng)作物干旱成災(zāi)面積和有效灌溉耕地面積主要用來反映區(qū)域的抗旱能力，耕地面積、糧食作物播種面積、農(nóng)作物播種面積和糧食單產(chǎn)則主要來反映區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況。

黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)指標(biāo)體系具體如圖1所示。

圖1 黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)指標(biāo)體系Fig.1 Dividing index system of agricultural drought in Huang-huai-hai Region

2 干旱分區(qū)具體步驟和數(shù)據(jù)說明

2.1 干旱分區(qū)具體步驟

根據(jù)不同方法的適用性和研究需求，本文選取聚類分析方法進(jìn)行黃淮海地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)。在具體應(yīng)用中，聚類分析方法被分為系統(tǒng)聚類法和K-均值聚類法兩大類，系統(tǒng)聚類法又可進(jìn)一步分為Q型和R型聚類兩種。Q型聚類是使得特征比較相似的樣本聚集在一起，分離開差異性較大的樣本；R型聚類是使得比較相似的變量聚集在一起，分離開差異性較大的變量。K-均值聚類法效率較高，能夠克服少量樣本情況下聚類的不準(zhǔn)確性，而且對(duì)于數(shù)值型的數(shù)據(jù)集更容易進(jìn)行聚類，比較貼合研究樣本數(shù)據(jù)特征，因此本文選用K-均值聚類法并采用SPSS 21統(tǒng)計(jì)軟件按照黃淮海地區(qū)干旱分區(qū)指標(biāo)體系進(jìn)行聚類分析。

具體步驟如下：①根據(jù)黃淮海地區(qū)自然因素以及社會(huì)因素的不同，將研究區(qū)域的53市作為代表樣點(diǎn)，在定性與定量基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)聚類分析中的Ward分類法將樣本分為5個(gè)初始類別。②在系統(tǒng)聚類指定5個(gè)類別的基礎(chǔ)上，利用K-均值聚類的提供的初始聚類中心以及所有樣本點(diǎn)到聚類中心的平方歐式距離(Euclidean Distanse)，將所有樣本重新派分到中心點(diǎn)所在類中，重復(fù)迭代進(jìn)行聚類，直到作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)度函數(shù)的均方差開始收斂為止。③對(duì)最終形成的聚類結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和分析。

2.2 數(shù)據(jù)說明

黃淮海地區(qū)的主體為由黃河、淮河與海河及其支流沖積而成的黃淮海平原(即華北平原)，以及與其相毗連的魯中南丘陵和山東半島，包括河北、河南、山東、安徽、江蘇以及北京、天津等7個(gè)省市地區(qū)(安徽省與江蘇省為淮河以北地區(qū))。具體而言，本文選取了黃淮海地區(qū)的51個(gè)地級(jí)市和北京、天津2個(gè)直轄市，共53個(gè)地區(qū)作為研究區(qū)域。

為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，減少缺失值，樣本窗口期選擇為2017年，變量為黃淮海地區(qū)干旱分區(qū)指標(biāo)體系中全年降水量、地形地貌、農(nóng)作物干旱受災(zāi)面積、耕地面積、農(nóng)作物干旱成災(zāi)面積、有效灌溉耕地面積、糧食作物播種面積、農(nóng)作物播種面積和糧食單產(chǎn)共9個(gè)變量。其中，農(nóng)作物成災(zāi)面積為成災(zāi)和絕收面積的總和計(jì)算，糧食單產(chǎn)為按照糧食播種面積計(jì)算所得。考慮到研究區(qū)域的地形地貌特點(diǎn)，確定將黃淮海地區(qū)分為山地區(qū)、丘陵區(qū)和平原區(qū)3種地貌形態(tài)。

樣本數(shù)據(jù)主要來源于各個(gè)省市的經(jīng)濟(jì)或農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于省級(jí)水利年鑒和中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒。個(gè)別地區(qū)樣本期的農(nóng)作物受災(zāi)面積、農(nóng)作物成災(zāi)面積、有效灌溉耕地面積的變量值缺失，以年鑒中有統(tǒng)計(jì)值的最近三年的平均值進(jìn)行補(bǔ)充；耕地面積的變量缺失值，以年鑒中有統(tǒng)計(jì)值的最近一年的值進(jìn)行補(bǔ)充；全年降水量的變量缺失值，則以距離最近兩個(gè)市的平均值進(jìn)行補(bǔ)充。

3 黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱的分區(qū)結(jié)果

3.1 類別數(shù)的確定

K-均值聚類法需要人為設(shè)定聚類類別，為了避免指定聚類數(shù)的主觀隨意性，本文首先用系統(tǒng)聚類分析法進(jìn)行聚類，然后根據(jù)聚類結(jié)果結(jié)合以往研究的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整確定，最后運(yùn)用K-均值聚類結(jié)果進(jìn)行討論分析。在進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析時(shí)，類與類之間距離的計(jì)算方法選用離差平方和法(Ward法)，即同類間的離差平方和較小，而類與類之間的離差平方和較大；度量標(biāo)準(zhǔn)為區(qū)間-平方Euclidean距離；轉(zhuǎn)換值標(biāo)準(zhǔn)化為全距從0到1。聚類分析得到樹狀圖如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，應(yīng)用系統(tǒng)聚類時(shí)，較為適合的類別數(shù)為3類、5類和8類。由于類別太多時(shí)區(qū)域范圍過小又不便于進(jìn)行分析，類別太少時(shí)不容易區(qū)別不同類別間的差異性，因此在進(jìn)行K-均值聚類分析時(shí)，類別數(shù)被設(shè)定為5類。

3.2 農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)變量描述與結(jié)果分析

3.2.1 農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)變量描述

根據(jù)黃淮海地區(qū)干旱分區(qū)指標(biāo)體系，搜集、整理和統(tǒng)計(jì)相關(guān)變量可知(如表1所示)，黃淮海地區(qū)全年降水量均值為732.01 mm，地形地貌以平原為主，有效灌溉面積占耕地面積的比例為73.28%，農(nóng)作物干旱受災(zāi)面積占農(nóng)作物播種面積的比例為4.55%，農(nóng)作物干旱絕收面積占農(nóng)作物播種面積的比例為1.56%。這表明黃淮海地區(qū)雖然有一定的抗旱能力，但是農(nóng)業(yè)干旱仍然對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了相當(dāng)程度的不利影響。

表1 農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)變量描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Descriptive statistics of agricultural drought division variables

3.2.2 農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)結(jié)果與特征分析

(1)農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)結(jié)果。通過應(yīng)用K-均值聚類法，依托51個(gè)地級(jí)市和2個(gè)直轄市2017年的樣本數(shù)據(jù)，黃淮海地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)情況如表2所示。

表2 黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)情況Tab.2 Agricultural drought divisions in Huang-huai-hai region

由農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)情況可知，黃淮海地區(qū)內(nèi)43.4%的樣本城市處于輕旱區(qū)，7.5%的樣本城市處于極輕旱區(qū)，22.6%的樣本城市處于中旱區(qū)，15.1%的樣本城市處于重旱區(qū)，11.3%的樣本城市處于極重旱區(qū)。超過20%的樣本城市處于重旱區(qū)和極重旱區(qū)，這表明黃淮海地區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源短缺狀況仍然比較嚴(yán)峻。此外，部分沿海城市被劃入到嚴(yán)重缺水區(qū)域，這主要是由于沿海城市通常位于流域的下游，流域上游水資源的高度開發(fā)利用加重了下游城市的農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害狀況。

表3為不同農(nóng)業(yè)干旱區(qū)的統(tǒng)計(jì)情況，各分區(qū)農(nóng)業(yè)干旱狀況如下。

Ⅰ類中，該區(qū)域主要分布在黃淮海地區(qū)的西南部，地形為平原或丘陵，全年降水充沛，降水量在整個(gè)區(qū)域中最大，農(nóng)作物播種面積和糧食播種面積也顯著高于其他幾個(gè)區(qū)域，是黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要區(qū)域。盡管該區(qū)域的農(nóng)作物受災(zāi)面積和絕收面積較大，但是在區(qū)域農(nóng)作物播種面積中僅占比為1.63%和1.04%，與極重旱區(qū)的4.04%和1.89%相比，農(nóng)作物受到干旱災(zāi)害的比例明顯較小。這是由于降水量較為充足，同時(shí)由于地勢(shì)較為平坦，土壤蓄水能力較強(qiáng)，因此該區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱狀況最輕。

圖2 系統(tǒng)聚類分析樹狀圖Fig.2 System cluster analysis tree diagram

Ⅱ類中，該區(qū)域主要分布在黃淮海地區(qū)的北部、中部和東部，地形地貌以平原和丘陵為主，山地較少，部分區(qū)域?yàn)l臨渤海和黃海。該區(qū)域全年降水量較為充沛，有效灌溉面積占耕地面積的73.98%，農(nóng)業(yè)抗旱能力較強(qiáng)。該區(qū)域的農(nóng)作物播種面積在整個(gè)地區(qū)中最少，農(nóng)業(yè)水資源總需求量較少，因此農(nóng)業(yè)干旱狀況較輕。

Ⅲ類中，該區(qū)域主要分布在黃淮海地區(qū)的西北部和東南部，地形地貌以平原和山地為主。該區(qū)域的全年降水量在整個(gè)黃淮海地區(qū)較少，在五類分區(qū)中倒數(shù)第二位，僅高于極重旱區(qū)的全年降水量。較多的山地和較少的降水量，造成該區(qū)域土壤蓄水能力較弱，地表徑流量較小，農(nóng)業(yè)水資源短缺狀況增加。但是，該區(qū)域有效灌溉面積占耕地面積的84.38%，農(nóng)業(yè)干旱治理技術(shù)應(yīng)用率在整個(gè)黃淮海地區(qū)最高，有效提高了農(nóng)業(yè)水資源

表3 不同農(nóng)業(yè)干旱區(qū)的統(tǒng)計(jì)情況Tab.3 Statistics of different agricultural drought regions

的利用效率，具備良好的農(nóng)業(yè)抗旱能力。因此該區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱綜合狀況處于中度旱區(qū)。

Ⅳ類中，該區(qū)域的分布比較分散，在黃淮海地區(qū)的北部、西南部和東南部均有分布，地形地貌以平原和丘陵為主，山地占到區(qū)域的12.5%。該區(qū)域的全年降水量在整個(gè)黃淮海地區(qū)處于中等水平，有效灌溉面積占耕地面積的比例也超過了80%，但是農(nóng)作物受災(zāi)面積占農(nóng)作物播種面積的比例達(dá)到了6.03%，糧食單產(chǎn)在整個(gè)黃淮海地區(qū)的分區(qū)中也最低，這表明該區(qū)域的降水量空間和時(shí)間分布可能十分不均勻。因此綜合看來該區(qū)域的農(nóng)業(yè)干旱情況比較嚴(yán)重。

Ⅴ類中，該區(qū)域主要分布在黃淮海地區(qū)的西南部，地形地貌以平原為主，山地和丘陵范圍基本相同，山地的區(qū)域占比在整個(gè)黃淮海地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)中最大，為16.67%。該區(qū)域的全年降水量為540.58 mm，在所有農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)中最少。這表明該區(qū)域的降水量不足且土壤蓄水能力差。有效灌溉面積占耕地面積的比例為47.79%，在所有農(nóng)業(yè)干旱分區(qū)中的比例最小，這表明該區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱的治理技術(shù)推廣應(yīng)用差，抗旱能力弱。因此，該區(qū)域的農(nóng)業(yè)干旱情況與其他區(qū)域相比最為嚴(yán)重。

(2)不同農(nóng)業(yè)干旱區(qū)的地形地貌與行政區(qū)劃特征。由表4所示，不同農(nóng)業(yè)干旱區(qū)中的地形地貌情況可知，在不同農(nóng)業(yè)干旱區(qū)中，重旱區(qū)和極重旱區(qū)中山地的地形地貌比例顯著高于輕旱區(qū)和極輕旱區(qū)，這表明黃淮海地區(qū)的地形地貌由平原向丘陵和山地過渡時(shí)，農(nóng)業(yè)干旱情況也在隨之不斷加重。

從行政區(qū)劃的角度看(如表5所示)，極輕旱區(qū)集中在河南省，輕旱區(qū)集中在山東省，中旱區(qū)分布比較均勻，在山東、河北、河南和江蘇分布基本相同，重度區(qū)集中在河南、安徽和河北，極重旱區(qū)集中在河南和山東兩省。由此可知，農(nóng)業(yè)干旱最為輕度與最為嚴(yán)重的情況都集中于黃淮海地區(qū)中心區(qū)域的河南和山東兩省。這表明河南和山東兩省內(nèi)的農(nóng)業(yè)干旱情況在空間分布上差異較大，需要對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)抗旱的差異化管理。

4 結(jié) 語

綜合以上分析可知，從農(nóng)業(yè)干旱角度，干旱程度由輕到強(qiáng)可以將黃淮海地區(qū)分為5個(gè)區(qū)域，極輕旱區(qū)、輕旱區(qū)、中旱區(qū)、重旱區(qū)和極重旱區(qū)。全年降水量、地形地貌和耕地有效灌溉面積對(duì)于區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)干旱情況有重要影響，地理位置越靠近內(nèi)陸，地勢(shì)越高農(nóng)業(yè)干旱狀況傾向越嚴(yán)重。從行政區(qū)劃角度看，河南和山東兩省內(nèi)部的農(nóng)業(yè)干旱情況在空間分布上存在較大差異。

表4 不同農(nóng)業(yè)干旱區(qū)中的地形地貌情況Tab.4 Topographic and landforms in different agricultural drought regions

表5 農(nóng)業(yè)干旱區(qū)在行政區(qū)域的分布情況Tab.5 Distribution of agricultural drought regions in administrative regions

因此，在黃淮海地區(qū)抗旱措施中可以從以下幾點(diǎn)著手：第一，提高區(qū)域內(nèi)的耕地有效灌溉面積，緩解旱情損失。具體措施包括增加小型農(nóng)田水利的投資與管護(hù)，提高渠系水利用系數(shù)；同時(shí)總結(jié)水價(jià)綜合改革試點(diǎn)縣經(jīng)驗(yàn)并推廣實(shí)行，提高灌溉用水效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水，在水資源的約束下保證糧食生產(chǎn)。第二，對(duì)不同地區(qū)需要進(jìn)行農(nóng)業(yè)抗旱的差異化管理。河南和山東省域內(nèi)干旱分布情況相差較大，比如對(duì)旱情嚴(yán)重地區(qū)增加相關(guān)抗旱項(xiàng)目補(bǔ)貼與投入，針對(duì)性開展季節(jié)性專題氣象服務(wù)，及時(shí)向農(nóng)戶預(yù)報(bào)氣象信息。第三根據(jù)區(qū)域內(nèi)干旱程度對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，盡量降低高耗水強(qiáng)度的建設(shè)用地面積占比，增加林地等生態(tài)用地的面積。