李江南 丑潔明 趙衛(wèi)星 李芫夢 徐源 孫銘揚(yáng) 楊帆

北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875

1 引言

生態(tài)系統(tǒng)是地球生命支持系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，氣候變化與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的相互作用關(guān)系及其社會科技經(jīng)濟(jì)因素影響一直是全球環(huán)境變化領(lǐng)域研究的核心任務(wù)之一（于貴瑞等, 2017）。近代以來人口壓力持續(xù)上升，人類圍湖造田增加耕種面積，加之氣候變暖與極端氣候事件頻發(fā)，使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定性不斷下降，所面臨的形勢越來越嚴(yán)峻。自20世紀(jì)中后期開始，以脆弱性視角探究生態(tài)環(huán)境問題成為熱點(diǎn)。例如，1960年國際生 物學(xué) 計(jì)劃（International Biological Program，IBP）、1970年人與生物圈計(jì)劃（Man and Biosphere，MAB）以及1980年國際陸地生物圈計(jì)劃（International Geosphere-Biosphere Program，IGBP）相繼聚焦于生態(tài)脆弱性研究（李朝奎等, 2012）。近些年來眾多學(xué)者從生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評價(jià)概念模型與指標(biāo)體系角度（Schr?ter et al., 2005; 趙艷霞等, 2007;付剛等, 2018; Chou et al., 2019; Tessema and Simane,2019; Seyedmohammadi et al., 2019; Thiault et al.,2019; Mekonnen et al., 2019）開展生態(tài)系統(tǒng)脆弱性研究工作。

Schr?ter et al. （2005）提出明確研究區(qū)域時(shí)空尺度、整合模型、組織數(shù)據(jù)、統(tǒng)一概念和建構(gòu)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系等進(jìn)行全球變化生態(tài)脆弱性評估的8個(gè)步驟。趙艷霞等（2007）以我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶為研究對象，從敏感性和適應(yīng)性角度入手，選取氣候敏感類、環(huán)境敏感類、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類、社會經(jīng)濟(jì)類指標(biāo)通過模糊層次分析法對河北省張北縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行評估。付剛等（2018）依據(jù) “敏感—彈性—壓力”生態(tài)脆弱性概念評估模型，利用地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）計(jì)算人口、經(jīng)濟(jì)、土壤、環(huán)境質(zhì)量、土地和植被覆蓋、地形坡度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)北京市生態(tài)系統(tǒng)脆弱性整體呈中等水平。Kang et al. （2018）從自然和社會經(jīng)濟(jì)因素入手，采用空間主成分分析方法對陜西省南部2000年、2006年及2011年生態(tài)脆弱性進(jìn)行評估。Mekonnen et al. （2019）從社會、人類、自然、經(jīng)濟(jì)和物質(zhì)維度評估埃塞俄比亞家庭和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化及環(huán)境退化的脆弱性，探討決定埃塞俄比亞中部裂谷的脆弱性因素。Chou et al. （2019）從土地利用類型著手，利用模糊層析分析法對中國部分省份進(jìn)行生態(tài)干旱脆弱性評估?；凇懊舾行浴┞抖取m應(yīng)力”視角，Tessema and Simane（2019）基于農(nóng)戶走訪與調(diào)查問卷形式，從生態(tài)、農(nóng)業(yè)、社會、社區(qū)、財(cái)富、技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施方面計(jì)算生計(jì)脆弱性指數(shù)對埃塞俄比亞高地、低地、濕地、平原4個(gè)特定農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行評估。Seyedmohammadi et al. （2019）結(jié)合遙感RS（Remote Sensing）、GIS、物元模型和層次分析法評估伊朗西北部農(nóng)業(yè)用地適宜性，得出土地適宜性指數(shù)與大麥單產(chǎn)的相關(guān)系數(shù)為0.95，生成適合大麥生產(chǎn)的土地適宜性圖，并發(fā)現(xiàn)層析分析法AHP（Analytic Hierarchy Process）—物元模型在選擇最適合大麥生產(chǎn)區(qū)域研究中優(yōu)勢顯著。

然而，以上研究時(shí)間尺度較短，沒有對研究區(qū)進(jìn)行長時(shí)間序列的生態(tài)脆弱性時(shí)空演變分析，并且研究區(qū)域范圍較小。有所進(jìn)步的是，Schlenker and Roberts （2009）基于1960～2099年A1FI（在經(jīng)濟(jì)的黃金時(shí)代背景下，側(cè)重于化石燃料的使用情景）、A2（關(guān)注區(qū)域獨(dú)立，環(huán)境問題不優(yōu)先考慮，人口持續(xù)增長，存在貿(mào)易壁壘，科技進(jìn)步緩慢的情景）、B1（可持續(xù)發(fā)展情景）、B2（區(qū)域解決方案情景，即關(guān)注區(qū)域獨(dú)立和環(huán)境保護(hù)，一些區(qū)域使用清潔能源情景）情景和氣候變化預(yù)測Hadley III模型探討美國玉米、大豆和棉花產(chǎn)量與天氣之間的聯(lián)系，并使用其他模型來驗(yàn)證作物種植選擇、食物、纖維供應(yīng)和價(jià)格隨氣候變化的變化情況。Thiault et al.（2019）基于百年尺度從“敏感性—暴露度—適應(yīng)力”角度評估在不同未來情景下氣候變化對全球農(nóng)業(yè)和海洋漁業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，預(yù)測在“一切照舊”的排放情景下，到本世紀(jì)末期約90%世界人口將面臨農(nóng)業(yè)和海洋漁業(yè)生產(chǎn)的損失。do Prado Tanure et al.（2020）采用區(qū)域間一般均衡模型評估A1B氣候變化情景（即一種在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與溫室氣體排放之間保持平衡的發(fā)展情景）下巴西亞馬遜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地利用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣候變化會對該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會動態(tài)產(chǎn)生區(qū)域不平衡的不利影響。這些研究時(shí)間尺度較長、研究區(qū)域較廣，并且引進(jìn)模型進(jìn)行預(yù)測分析，然而并未考慮到極端氣候事件如旱澇災(zāi)害對生態(tài)系統(tǒng)脆弱性帶來的影響。

在氣候變化背景下，將危險(xiǎn)性、暴露度、脆弱性、風(fēng)險(xiǎn)和適應(yīng)力進(jìn)行定義的框架是多重與重疊的，而且經(jīng)常存在爭議（IPCC, 2001, 2014; 趙艷霞等,2007; 付剛等, 2018; Chou et al., 2019; Tessema and Simane, 2019; Ercin et al., 2021）。IPCC（2001）認(rèn)為脆弱性是由敏感性、暴露度、適應(yīng)力共同決定的，將脆弱性定義為一個(gè)系統(tǒng)易受或無法應(yīng)對氣候變化的不利影響的程度。聯(lián)合國氣候變化政府間專家委員會IPCC（2014）認(rèn)為脆弱性主要是社會經(jīng)濟(jì)過程和社會條件作用的結(jié)果，即需要考慮所評價(jià)地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)路徑、適應(yīng)和減緩行動以及管理方式。為了更加準(zhǔn)確科學(xué)地對中國國內(nèi)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行區(qū)域化評估，本文結(jié)合IPCC（2001）和IPCC（2014）對脆弱性的定義,選用“敏感性—暴露度—適應(yīng)力”脆弱性評估框架（Li et al., 2015）。在本文中，敏感性是指極端氣候事件發(fā)生的頻率、強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間，暴露度被定義為存在可能受到不利影響的人、生計(jì)、物種或生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境功能、服務(wù)、資源、基礎(chǔ)設(shè)施或經(jīng)濟(jì)、社會或文化資產(chǎn)，同時(shí)用反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、人類農(nóng)業(yè)活動中經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)科技發(fā)展因素及相應(yīng)適應(yīng)措施的指標(biāo)來定義適應(yīng)力。脆弱性被定義為受到不利影響的傾向，主要表現(xiàn)為對傷害的敏感性、較高的暴露度以及缺乏應(yīng)對和適應(yīng)的能力。

綜上，目前大量研究圍繞著生態(tài)脆弱性在生態(tài)系統(tǒng)變化、敏感程度、潛在影響方面展開，但是這些研究或所研究的時(shí)間尺度較短、或以較小區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?、或未考慮到干旱、洪澇等極端氣候事件的影響。從而，探究國家尺度、長時(shí)間尺度下旱澇極端氣候造成的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性及應(yīng)對策略意義重大。因此，本文在“敏感性—暴露度—適應(yīng)力”生態(tài)系統(tǒng)脆弱性評估框架下，選取氣候變化、人口、農(nóng)業(yè)生態(tài)、農(nóng)業(yè)科技、經(jīng)濟(jì)等評價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法和熵權(quán)法進(jìn)行氣候變化背景下我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱和洪澇脆弱性評價(jià)，將自然生態(tài)系統(tǒng)與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)結(jié)合起來，為政府制訂農(nóng)業(yè)生態(tài)長遠(yuǎn)發(fā)展計(jì)劃，調(diào)整地方農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展策略，發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供建議。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及評價(jià)指標(biāo)

本文研究區(qū)域?yàn)橹袊郯呐_外的31個(gè)省級行政單位，文中使用的歷史社會經(jīng)濟(jì)、環(huán)境生態(tài)等數(shù)據(jù)來源于中國國家統(tǒng)計(jì)局（https://data.stats.gov.cn[2021-03-09]）、《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》（中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局，2021）以及中國森林資源清查結(jié)果，氣候數(shù)據(jù)來源于中國國家氣象信息中心的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（表1）。

表1 數(shù)據(jù)來源與說明Table 1 Data sources and description

脆弱性通常被認(rèn)為是包含敏感性、暴露度、適應(yīng)力3個(gè)疊置因素的函數(shù)（Turner et al., 2003），基于“敏感性—暴露度—適應(yīng)力”指標(biāo)評估角度，本文遵循科學(xué)性、綜合性、可操作性原則，選取中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱和洪澇脆弱性評估指標(biāo)（表2及表3）。

表2 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系Table 2 Drought vulnerability assessment indexes of China's agricultural ecosystem from 1991 to 2019

表3 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系Table 3 Flood vulnerability assessment indexes of China's agricultural ecosystem from 1991 to 2019

本文從極端氣候事件入手選取敏感性評價(jià)指標(biāo)，依據(jù)極端氣候事件發(fā)生的概率和持續(xù)時(shí)間確定農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的旱澇敏感性水平。洪澇常指由于大雨、暴雨或持續(xù)降雨使低洼地區(qū)出現(xiàn)淹沒與漬水的現(xiàn)象，因此在本文中采用暴雨發(fā)生概率、暴雨日數(shù)與大雨日數(shù)來定義洪澇敏感性。干旱是一種水熱不平衡的氣候現(xiàn)象，其中降水量反映地面水分收支狀況，結(jié)合溫度所反映的地面蒸發(fā)狀況，從而能間接刻畫農(nóng)業(yè)作物水分收支狀況（李柏貞和周廣勝, 2014）。因此，本文采用氣溫與降水共同影響的氣象指標(biāo)來定義干旱敏感性，利用中國氣象局定義的中國高溫黃色預(yù)警35°C的發(fā)生概率來反映地面蒸發(fā)狀況。為了更準(zhǔn)確地刻畫農(nóng)業(yè)作物干旱狀況，本文結(jié)合水稻、玉米、小麥等主要糧食作物受氣候變化影響最嚴(yán)重的需水關(guān)鍵期生長長度一般為15～30 d（陳東東等,2017; 嚴(yán) 俊, 2018; 曹 永 強(qiáng) 等, 2021; 潘 高 峰 等,2021），選用發(fā)生連續(xù)15 d以上干旱概率及連續(xù)干旱日數(shù)來反映干旱敏感性。人類是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的主體，本文通過可能或已經(jīng)遭受不良?xì)夂蛴绊懙娜丝跀?shù)量、糧食播種面積來反映暴露度水平。其中考慮到人類活動引起的農(nóng)業(yè)生態(tài)用水量可能與干旱相互作用并經(jīng)常加劇干旱的生態(tài)后果，將農(nóng)業(yè)生態(tài)用水量作為描述暴露度的指標(biāo)直接納入干旱脆弱性分析中，而適應(yīng)力是物種或種群在新的環(huán)境條件下應(yīng)對和生存的能力（Crausbay et al., 2017）。在本文中采用反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的指標(biāo)，如反映碳儲存功能的森林面積及反映資源供給功能的人均水資源量，同時(shí)結(jié)合人類農(nóng)業(yè)活動所產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)科技發(fā)展因素及相應(yīng)適應(yīng)措施來描述適應(yīng)力。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理及標(biāo)準(zhǔn)化

在評估農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性時(shí)，由于有著不同量綱的數(shù)據(jù)源不具備可比性，所以在評估之前必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及標(biāo)準(zhǔn)化（馬駿, 2014; 鄧偉等,2016）。如表2和表3所示，若指標(biāo)數(shù)值與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性呈正相關(guān)，為正向指標(biāo)，則采用公式 （1）對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；反之為逆向指標(biāo)，則采用公式（2）對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理 （付剛等, 2018）。

正向指標(biāo)：

逆向指標(biāo)：

其中，Xij為評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，為某地區(qū)某評價(jià)指標(biāo)的多年平均值，為某地區(qū)某評價(jià)指標(biāo)的年最大值，為某地區(qū)某評價(jià)指標(biāo)的年最小值。

2.2.2 層次分析法和熵權(quán)法結(jié)合確定權(quán)重

層次分析法是主觀確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法，主要是將評價(jià)目標(biāo)分解成不同的層次和指標(biāo)，在同層次各指標(biāo)之間進(jìn)行比較和計(jì)算，從而確定不同評價(jià) 指 標(biāo) 的 權(quán) 重（Saaty, 1988; Ishizaka and Labib,2011; 馬駿, 2014; 王茜, 2020）。

熵權(quán)法是憑借各評價(jià)指標(biāo)值之間的離散程度來確定各指標(biāo)在綜合評價(jià)中相對權(quán)重的一種客觀分析方法（周文華和王如松, 2005; 周亮廣和梁虹, 2006; 王明全等, 2008）。主要計(jì)算步驟如下：

第一步，構(gòu)造矩陣C：

其中，n表示不同評價(jià)指標(biāo)編號，m表示不同省份。

第二步，進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸一化處理：

其中，xij表示矩陣C的第i行j列元素。

第三步，計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)省份所占比重Pij：

第四步，計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值ej：

第五步，計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)gj：

第六步，計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重uj：

層次分析法是比較成熟的適合于多指標(biāo)體系權(quán)重確定的方法，適合本文農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性多準(zhǔn)則多指標(biāo)的評價(jià)體系，但缺點(diǎn)是僅根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行重要程度排序。熵權(quán)法是具有很強(qiáng)客觀性的賦權(quán)方法，但弊端在于此方法只根據(jù)數(shù)據(jù)本身的特性進(jìn)行賦值，導(dǎo)致得出的權(quán)重可能與指標(biāo)實(shí)際重要性不符。因此，結(jié)合使用層次分析法與熵權(quán)法確定權(quán)重，既考慮了各指標(biāo)的實(shí)際重要度，又考慮到數(shù)據(jù)的客觀特性（王茜, 2020），從而更加科學(xué)合理地確定各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重值wj（圖1）：

圖1 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重：（a）干旱敏感性；（b）干旱暴露度；（c）干旱適應(yīng)力；（d）洪澇敏感性；（e）洪澇暴露度；（f）洪澇適應(yīng)力Fig. 1 Evaluation of index weights of droughts and floods vulnerability of China's agricultural ecosystem from 1991 to 2019: (a) Drought sensitivity;(b) drought exposure; (c) drought adaptability; (d) flood sensitivity; (e) flood exposure; (f) flood adaptability

其中，vj為 層次分析法確定的指標(biāo)權(quán)重，uj為熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重。

2.2.3 脆弱性計(jì)算及分級

首先將收集整理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)、氣候、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。其次，按照 “敏感性、暴露度、適應(yīng)力”原則選取相應(yīng)評價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。最后，將對應(yīng)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)化值分別進(jìn)行加權(quán)求和計(jì)算農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱和洪澇敏感性、暴露度、適應(yīng)力，最后將敏感性、暴露度、適應(yīng)力求和計(jì)算脆弱性指數(shù)（Li et al., 2007; Xu et al., 2012）。按照標(biāo)準(zhǔn)差分級法分別計(jì)算出干旱和洪澇條件下敏感性、暴露度、適應(yīng)力、脆弱性的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，敏感性、暴露度和脆弱性的分級方法為將低于均值與標(biāo)準(zhǔn)差之差的數(shù)值范圍定義為低等級，高于均值與標(biāo)準(zhǔn)差之和的數(shù)值范圍定義為高等級，而處于兩者之間的定義為中等級，而適應(yīng)力的分級方法則與之相反。最終將敏感性、暴露度、適應(yīng)力、脆弱性分為低、中、高3個(gè)等級（表4）（吳紹洪等, 2017），同時(shí)利用GIS對我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱和洪澇脆弱性進(jìn)行疊置分析（圖2）。

圖2 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性評價(jià)流程圖Fig. 2 Flow chart of drought and flood vulnerability assessment of China's agricultural ecosystem from 1991 to 2019

表4 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性評價(jià)分級Table 4 Assessment indexes of the classification system of China's agricultural ecosystem for droughts and floods vulnerability from 1991 to 2019

3 結(jié)果分析

3.1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱敏感性、暴露度、適應(yīng)力和脆弱性指數(shù)

敏感性反映系統(tǒng)響應(yīng)內(nèi)外部擾動的強(qiáng)弱程度，制約系統(tǒng)是否由于擾動受到損害或者受損程度（馮振環(huán)和李書全, 2016）。因此，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱敏感性主要反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)干旱擾動程度，對中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱敏感性進(jìn)行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖3a、3b），1991～2019年我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱高敏感地區(qū)分布在我國中南部，包括湖北、湖南、安徽、廣東、河南、河北6省，尤其湖北與湖南干旱敏感性指數(shù)高達(dá)0.72，這些地區(qū)的干旱敏感性高的原因可能是相較于同緯度地區(qū)，這些地區(qū)更易高溫、氣候干燥。干旱低敏感地區(qū)多數(shù)分布在我國西北地區(qū)，其中西藏農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱敏感性指數(shù)最低為0.27，這主要是由于西藏地區(qū)海拔較高，氣溫較低，并且多數(shù)地區(qū)極端最高溫度不超過30C，不易產(chǎn)生引起大氣干旱和作物生理干旱的敏感性條件（王曉軍和程紹敏, 2009）。

暴露度表征系統(tǒng)自身容易產(chǎn)生敏感生態(tài)問題的自然生態(tài)背景，即自身的生態(tài)暴露性（徐廣才等,2009）。農(nóng)業(yè)生態(tài)暴露度主要反映農(nóng)業(yè)生態(tài)與人類農(nóng)業(yè)活動的情況，對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱暴露度進(jìn)行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖3c、3d），1991～2019年我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱高暴露地區(qū)主要分布在我國黃河流域和淮河流域地區(qū)，包括甘肅、河南、陜西、黑龍江、山西與云南6省，尤其甘肅干旱暴露度指數(shù)高達(dá)0.6。主要是因?yàn)辄S河流域和淮河流域是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，人口較多，農(nóng)業(yè)耕種面積廣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水量大。

適應(yīng)性作為脆弱性研究的重要組成部分，主要反映人類社會承認(rèn)全球環(huán)境變化不可忽視和無法轉(zhuǎn)變背景下，通過采取規(guī)避和減緩變化風(fēng)險(xiǎn)和潛在損失行為措施，從而提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，以降低其脆弱性（徐廣才等, 2009），因此農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)力越強(qiáng)，其生態(tài)脆弱性越低。對中國1991～2019年農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱適應(yīng)力進(jìn)行評估，結(jié)果表明 （圖3e、3f），干旱適應(yīng)力高值區(qū)域主要分布在我國黃渤海地區(qū)，尤其浙江、山東和河北農(nóng)業(yè)生態(tài)干旱適應(yīng)力最強(qiáng)，這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、農(nóng)業(yè)科技水平較高，水資源量較為豐富。而干旱適應(yīng)力低值地區(qū)主要分布在我國西部，可能由于這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)商品率較低，同時(shí)農(nóng)業(yè)生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平有待提高。

圖3 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱敏感性、暴露度、適應(yīng)力：（a）敏感性分級；（b）敏感性指數(shù)；（c）暴露度分級；（d）暴露度指數(shù)；（e）適應(yīng)力分級；（f）適應(yīng)力指數(shù)Fig. 3 Drought sensitivity, exposure, and adaptability of China's agricultural ecosystem from 1991 to 2019: (a) Sensitivity classification;(b) sensitivity index; (c) exposure classification; (d) exposure index; (e) adaptability classification; (f) adaptability index

脆弱性綜合反映了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的敏感性、暴露度和適應(yīng)力，對中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱脆弱性進(jìn)行評估后發(fā)現(xiàn)（圖4），1991～2019年我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱脆弱性整體呈現(xiàn)從中心向兩邊遞減的趨勢，高脆弱地區(qū)主要集聚在我國中部，橫跨淮河流域西部、黃河流域東部和長江流域東部，包括山西、河南、湖北、安徽和湖南，尤其是湖北農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱脆弱性最高，其脆弱性指數(shù)約1.7。而低脆弱地區(qū)主要分布在我國西部，包括新疆、西藏和青海。關(guān)于中國農(nóng)業(yè)干旱空間分布現(xiàn)象，Wang et al. （2019）的研究表明，1978～2016年中國農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害呈現(xiàn)出國家級地理集聚現(xiàn)象，農(nóng)業(yè)生態(tài)干旱災(zāi)害主要分布在河南、山西等地區(qū)，這與本文農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱高脆弱地帶集聚分布在河南、山西等中部地區(qū)的分布區(qū)域比較吻合，推測中部地區(qū)自身較高的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱脆弱性可能導(dǎo)致了其干旱災(zāi)害的頻繁發(fā)生。值得注意的是，我國中部地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱脆弱性最高，其農(nóng)業(yè)生態(tài)干旱表現(xiàn)為高敏感性、中暴露度、低適應(yīng)力，由于中部地區(qū)主要分布在長江流域北部，長江流域易旱可能受到東太平洋海面溫度降低的影響，當(dāng)熱帶東太平洋海面溫度下降時(shí)，長江北部干旱將增加（Chou et al.,2018）。此外，秦嶺和大別山橫貫中部地區(qū)，地勢起伏大，而地形變化通過海拔、坡向和坡度的改變在一定程度上影響溫度、降水、蒸散發(fā)等氣候因素的變化，從而造成山區(qū)復(fù)雜的氣候模式（孟清等,2020），這也可能是造成中部地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱高脆弱性的原因。

圖4 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱脆弱性：（a）脆弱性分級；（b）脆弱性指數(shù)Fig. 4 Drought vulnerability of China's agricultural ecosystem from 1991 to 2019: (a) Vulnerability classification; (b)vulnerability index

3.2 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇敏感性、暴露度、適應(yīng)力和脆弱性指數(shù)

對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇敏感性進(jìn)行評估，結(jié)果表明（圖5a、5b），洪澇高敏感地區(qū)分布在海南、上海和江蘇，以上地區(qū)處于沿海地帶，臺風(fēng)頻發(fā)，相伴帶來暴雨，從而造成農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)較高的洪澇敏感性。洪澇低敏感地區(qū)主要分布在我國西部，包括西藏、青海、新疆、甘肅和安徽，這些地區(qū)深處內(nèi)陸，不易受臺風(fēng)影響，發(fā)生暴雨的概率及日數(shù)較低。此外，我國約三分之二的省份處于洪澇中敏感水平。

圖5 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇敏感性、暴露度、適應(yīng)力：（a）敏感性分級；（b）敏感性指數(shù)；（c）暴露度分級；（d）暴露度指數(shù)；（e）適應(yīng)力分級；（f）適應(yīng)力指數(shù)Fig. 5 Flood sensitivity, exposure, and adaptability of China's agricultural ecosystem from 1991 to 2019: (a) Sensitivity classification; (b) sensitivity index; (c) exposure classification; (d) exposure index; (e) adaptability classification; (f) adaptability index

對洪澇暴露度進(jìn)行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖5c、5d），天津、重慶、浙江、西藏、四川、新疆與上海地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇暴露度最低，暴露度指數(shù)均低于0.40，可能與這些地區(qū)糧食播種面積占比相對較少有關(guān)。河南、甘肅、黑龍江、云南和湖北省屬于洪澇高暴露度地區(qū)，尤其是河南農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇暴露度最高，其暴露指數(shù)達(dá)到0.59。這可能是由于河南地區(qū)橫跨黃河流域、淮河流域和長江流域，水量資源充沛，加之糧食播種面積及人口數(shù)量在全國位于前列，因此農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇暴露度最高。全國其余省份處于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇中暴露水平，其暴露度指數(shù)約在0.40～0.52。

對洪澇適應(yīng)力進(jìn)行評估，結(jié)果表明（圖5e、5f），洪澇適應(yīng)力高值區(qū)域主要分布在我國黃渤海地區(qū)，包括浙江、山東、河北、天津、遼寧和吉林，尤其遼寧和天津農(nóng)業(yè)洪澇生態(tài)適應(yīng)力最強(qiáng)，這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和農(nóng)業(yè)科技水平較高，適應(yīng)災(zāi)害的能力較強(qiáng)。同時(shí)，我國超過半數(shù)的省級行政單位農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇適應(yīng)力整體屬于中等水平，其農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇適應(yīng)力指數(shù)分布在0.32～0.5。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇低適應(yīng)力地區(qū)主要分布在我國西南地區(qū)，如西藏、重慶、貴州和云南，這與這些地區(qū)農(nóng)業(yè)科技水平及投入較低，適應(yīng)洪澇災(zāi)害的能力相對較差有關(guān)。

對中國1991～2019年農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇脆弱性進(jìn)行評估后發(fā)現(xiàn)（圖6），中南地區(qū)包括貴州、海南、湖北、上海、云南、江蘇及河南，屬于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇高脆弱地區(qū)，其中貴州省農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇脆弱性指數(shù)最高達(dá)1.6，相反，低脆弱地區(qū)主要分布在我國西部，如新疆、西藏和青海省，其農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇脆弱性指數(shù)低于1.2。此外，我國東部及中部地區(qū)的21個(gè)省級行政單位如內(nèi)蒙古、黑龍江、山東、廣東等洪澇脆弱性整體屬于中等水平，其洪澇脆弱性指數(shù)分布在1.2至1.5之間?？傮w可見，我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇脆弱性呈現(xiàn)由中南地區(qū)向西北地區(qū)減弱的趨勢。中南省份相對于西北省份年降水相對較多，并且人口密度高，農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)度高，加之黃河南泛河道存在不固定、泛濫、河道短促、暴雨集中、流通不暢等問題（吳朋飛等, 2012），因此中南省份洪澇脆弱性較高。

圖6 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)洪澇脆弱性：（a）脆弱性分級；（b）脆弱性指數(shù)Fig. 6 Flood sensitivity, exposure, and adaptability of China's agricultural ecosystem from 1991 to 2019: (a) Vulnerability classification;(b) vulnerability index

3.3 中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性

基于1991～2019年我國農(nóng)業(yè)生態(tài)干旱和洪澇脆弱性評價(jià)結(jié)果，對我國農(nóng)業(yè)生態(tài)旱澇脆弱性進(jìn)行疊置分析，可以發(fā)現(xiàn)（圖7及表5），從全國格局來看，我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性從中部地區(qū)向四周發(fā)散降低，中部省份河南和湖北屬于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇高脆弱性水平，南北鄰接省份山西和湖南屬于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱高脆弱、洪澇中脆弱水平，向東地區(qū)安徽省屬于干旱高脆弱、洪澇低脆弱地區(qū)，江蘇、上海和云南農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)處于干旱中脆弱、洪澇高脆弱水平，向外延展包括華北、東南沿海以及西北全國半數(shù)以上省份農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)處于旱澇中脆弱水平。值得注意的是，我國最西部的新疆、西藏和青海3個(gè)省份農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性均低。

表5 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性區(qū)域分布Table 5 Droughts and floods vulnerability of China’s agricultural ecosystem from 1991 to 2019

圖7 1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性Fig. 7 Droughts and floods vulnerability of China's agricultural from 1991 to 2019

我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性呈現(xiàn)從中部省份向四周發(fā)散降低格局的原因可能在于中部省份地形復(fù)雜，黃河、淮河和長江等我國主要河流皆流經(jīng)于此，氣候條件不穩(wěn)定，同時(shí)，中部地區(qū)是我國重要的糧食作物主產(chǎn)地，糧食集中度持續(xù)穩(wěn)定上升（胡文海, 2015），人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活活動較為頻繁，以上這些條件導(dǎo)致中部省份農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇的敏感性和暴露度較高。然而，中部地區(qū)的農(nóng)業(yè)科技與經(jīng)濟(jì)水平一般，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)力并不突出，綜合導(dǎo)致了我國中部省份農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性最高。相比之下，中部偏西省份，人口密度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活活動頻率逐漸降低，加之近30年來三北防護(hù)林體系建設(shè)等西部農(nóng)業(yè)生態(tài)工程的實(shí)施，降低了我國西部省份的旱澇脆弱性。

4 結(jié)論與討論

通過以上對1991～2019年中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)干旱和洪澇敏感性、暴露度、適應(yīng)力、脆弱性評估，得出如下結(jié)論：

（1）干旱高敏感地區(qū)分布在我國中南部，包括湖北、湖南、安徽、廣東、河南、河北6省，高暴露地區(qū)主要分布在我國黃河流域和淮河流域地區(qū)，包括甘肅、河南、陜西、黑龍江、山西與云南6省，適應(yīng)力低值地區(qū)主要分布在我國西部，如新疆、西藏、山西、內(nèi)蒙古、湖北、重慶、貴州和云南，高脆弱地區(qū)主要集聚山西、河南、湖北、安徽和湖南的我國中部省份。

（2）洪澇高敏感地區(qū)分布在海南、上海和江蘇等沿海省份，河南、甘肅、黑龍江、云南和湖北屬于洪澇高暴露省份，洪澇低適應(yīng)力地區(qū)主要分布在我國西南地區(qū)，如西藏、重慶、貴州和云南。此外，洪澇高脆弱地區(qū)多數(shù)分布在包括貴州、湖北、上海、云南、江蘇及河南的中南地區(qū)。

（3）從全國分布格局來看，1991～2019年我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性從中部地區(qū)向四周發(fā)散降低，長江流域中心省份河南和湖北農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)屬于旱澇高脆弱性水平，鄰接省份山西和湖南農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性呈中高水平，向四周延伸的浙江、福建等東南沿海省份，甘肅、寧夏、陜西等西北省份及北京、河北等華北省份農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)處于旱澇中脆弱水平。然而，西部的3個(gè)省份新疆、西藏和青海農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)旱澇低脆弱性特征。

（4）值得注意的是，我國中部省份河南和湖北作為我國重要的糧食生產(chǎn)基地，近30年間農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出旱澇高脆弱性特征，這不利于我國農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展，需要我們采取積極有效的減緩與適應(yīng)措施來降低其脆弱性。從國家角度建議采取多種現(xiàn)代化途徑、支持學(xué)習(xí)和創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)、結(jié)合當(dāng)?shù)靥厣Y源的解決方案、可持續(xù)性發(fā)展的措施應(yīng)對農(nóng)業(yè)氣候挑戰(zhàn)。中部省份因地制宜，調(diào)整農(nóng)業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)，充分利用遙感、地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代信息技術(shù)來監(jiān)測旱澇災(zāi)害的發(fā)生，其次，加大農(nóng)業(yè)生態(tài)體系的研究與科技投入力度，了解氣候變化可能導(dǎo)致的適應(yīng)干旱、高溫和生物脅迫的生理、遺傳和分子基礎(chǔ)，開發(fā)針對旱澇災(zāi)害的應(yīng)變栽培、飼養(yǎng)和植物保護(hù)技術(shù)體系，有效傳播知識，使技術(shù)和創(chuàng)新具有實(shí)用性和普遍性，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動智能化管理水平，提高糧食產(chǎn)量和穩(wěn)定性。此外，針對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國情，探索開發(fā)具有中國特色的農(nóng)業(yè)生態(tài)保險(xiǎn)有效機(jī)制，保障我國農(nóng)業(yè)生態(tài)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和諧發(fā)展。

（5）本文農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性評價(jià)指標(biāo)主要涉及氣候、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、人口、農(nóng)業(yè)科技水平因素，指標(biāo)選取方面存在一定的主觀性。同時(shí)以上主要是對過去30年間中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性進(jìn)行評估，我們將在未來研究中結(jié)合不同氣候情景探討未來中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的旱澇脆弱性，為降低和適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)旱澇脆弱性提供更多有意義的參考依據(jù)和建議。