基于主成分分析的內(nèi)蒙古干旱脆弱性評價研究

楊曉穎，玉 山*，，2，都瓦拉，劉 洋，李 旺，程佳蕊

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng) 重點實驗室，呼和浩特 010022；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

1引言

干旱是一種復(fù)雜多變的現(xiàn)象，其特征隨地理和氣候而顯著變化[1]。作為一種反復(fù)發(fā)生的自然災(zāi)害，干旱很難識別、預(yù)測和減輕[2]。干旱對農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、水資源以及自然和社會生態(tài)系統(tǒng)都有許多負(fù)面影響[3]。干旱脆弱性是指在外界條件影響下，主體容易或傾向于受到干旱的影響或造成很大的損失的狀態(tài)[4]。干旱脆弱性分析可以幫助決策者在干旱發(fā)生之前提前采取應(yīng)對措施，為防旱、抗旱和減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，因此研究干旱脆弱性對緩解干旱和制定措施有重大的意義[5]。近年來,國內(nèi)外許多不同專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)者根據(jù)所要實現(xiàn)的目標(biāo)和所采用的方法對脆弱性進(jìn)行了不同的研究[6～11]。在全球變暖的大背景條件下，氣候系統(tǒng)異常引起的干旱越來越頻繁，對生態(tài)系統(tǒng)和人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響，干旱損失逐年增加。內(nèi)蒙古是我國重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，近些年發(fā)生的干旱災(zāi)害直接削弱了農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)水平，降低了農(nóng)牧民生活層次[12]。因此，本研究以內(nèi)蒙古全區(qū)12個盟市為研究區(qū)，利用主成分分析法和加權(quán)綜合評價法建立適宜于該區(qū)域的干旱脆弱性評價模型，結(jié)合GIS手段制定干旱脆弱性風(fēng)險圖，揭示內(nèi)蒙古各盟市干旱脆弱性的空間分布格局，并探討其影響因素，進(jìn)而有針對性地為內(nèi)蒙古干旱脆弱性風(fēng)險提供科學(xué)的決策依據(jù)[13]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古位于我國北部邊疆，地勢由南向北、由西向東緩緩傾斜[14]。全區(qū)平均海拔高度大約為1000m左右，東北部約為700～1100m，西北部能達(dá)到1200m以上。坐落于蒙古高原南部，地勢復(fù)雜，高平原約占全區(qū)總面積的53.4%。全區(qū)年均溫在-4～8℃，年均降水量在50～450mm，蒸發(fā)量在1000～4000mm。內(nèi)蒙古自治區(qū)從東到西在行政上依次為呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市、錫林郭勒盟、烏蘭察布市、呼和浩特市、包頭市、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市、烏海市和阿拉善盟，全區(qū)總面積超過118萬km2。

2.2 數(shù)據(jù)來源及指標(biāo)體系構(gòu)建

本研究所用的水資源數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳的《內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源公報2018年》，社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)在《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒2019》和內(nèi)蒙古12盟市統(tǒng)計年鑒中查找獲得。部分2018年數(shù)據(jù)缺失采用往年數(shù)據(jù)代替；氣象數(shù)據(jù)選擇的是2018年的降水?dāng)?shù)據(jù)，在氣象局獲得。研究指標(biāo)的選擇是本研究分析脆弱性的關(guān)鍵，評價指標(biāo)體系構(gòu)建的全面性在很大程度上決定結(jié)果是否合理準(zhǔn)確[15]。根據(jù)對內(nèi)蒙古自治區(qū)干旱情況了解，考慮其可能受到自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素的影響，在數(shù)據(jù)可以獲取的前提下根據(jù)全面性、系統(tǒng)性和綜合性，從水資源、經(jīng)濟(jì)、社會、農(nóng)業(yè)和防旱抗旱能力5個準(zhǔn)則層選取29個指標(biāo)對內(nèi)蒙古12個盟市構(gòu)建干旱脆弱性評價指標(biāo)體系[16]，詳見表1。

表1 內(nèi)蒙古干旱脆弱性評價指標(biāo)體系

在水資源脆弱性方面選取了9個指標(biāo)，干旱的嚴(yán)重程度取決于缺乏水分的程度、持續(xù)時間以及受影響地區(qū)的程度大小。干旱的影響通常首先表現(xiàn)在土壤水分的減少和高蒸散發(fā)。地表水和地下水資源密度、年降水量以及生態(tài)用水占用水總量的比值都為負(fù)向指標(biāo)，這些指標(biāo)值反應(yīng)水資源量越大，其相對的干旱脆弱性就越低。人均水資源量和用水量、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水占用水總量的比值反應(yīng)水資源量越小，干旱脆弱性就越高[17]。在經(jīng)濟(jì)脆弱性方面選取了5個指標(biāo)，5個指標(biāo)均為負(fù)向指標(biāo)，說明這些指標(biāo)值越高經(jīng)濟(jì)能力越好，發(fā)生干旱時應(yīng)對能力就強(qiáng)，干旱脆弱性也會越低[18]。在社會脆弱性方面選取了6個指標(biāo)，其中糧食人均占有量為負(fù)向指標(biāo)，人均糧食越多抵抗干旱發(fā)生后造成的損失的能力越強(qiáng)，干旱脆弱性就越低；其余為正向指標(biāo)，人口密度和鄉(xiāng)村人口比例反應(yīng)人數(shù)越多，對資源需求就大，城鎮(zhèn)化明顯，對干旱脆弱性越大。在農(nóng)業(yè)脆弱性方面選取了4個指標(biāo)，其中旱地占耕地面積這個為正向指標(biāo)，比值越大該地區(qū)旱地越多，干旱脆弱性也越大；農(nóng)作物總播種面積、秋收糧食產(chǎn)量和大牲畜年末存欄數(shù)都為負(fù)向指標(biāo)，說明這些指標(biāo)越高在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面抵御干旱的能力也越強(qiáng)，干旱脆弱性也會越低。在防旱抗旱能力脆弱性方面選取了5個指標(biāo)，都為負(fù)向指標(biāo)，這些指標(biāo)越高說明發(fā)生干旱后的恢復(fù)能力越強(qiáng)，對干旱脆弱性風(fēng)險也越低[19]。

2.3 研究方法

2.3.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

因為選取的指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱都不統(tǒng)一，進(jìn)行評價時沒有可比性，所以這里采用極差法標(biāo)準(zhǔn)化對數(shù)據(jù)進(jìn)行去量綱處理，統(tǒng)一取值范圍[0,1]。根據(jù)選取的指標(biāo)對干旱脆弱性的影響可分為正負(fù)向[20]。正向指標(biāo)與干旱脆弱性呈正相關(guān)關(guān)系，指標(biāo)值越大脆弱性越大，證明越容易受到干旱影響；負(fù)向指標(biāo)與干旱脆弱性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，指標(biāo)值越大脆弱性越小，證明不容易受到干旱影響[21]。

正效應(yīng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法為：

Xij=(xij-Min xij)/(Max xij-Min xij)

(1)

負(fù)效應(yīng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法為：

Xij=(Max xij- xij)/(Max xij-Min xij)

(2)

在式(1)和式(2)里，Xij是標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)；xij是第i個盟市的第j項評價指標(biāo)；Max xij和Min xij分別是第j項評價指標(biāo)的最大值和最小值。在數(shù)據(jù)處理后Xij在[0,1]之間，Xij越趨于1表明該值對干旱脆弱性貢獻(xiàn)越大；反之，則越小[22]。

2.3.2指標(biāo)權(quán)重的確定

采用主成分分析法確定權(quán)重，具體過程為：對標(biāo)準(zhǔn)化之后的指標(biāo)數(shù)據(jù)使用SPSS 22軟件做主成分分析，將所得到的29個指標(biāo)的特征值、貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率篩選(表2)，根據(jù)主成分性質(zhì)[23]選擇前7個主成分來代替原來的29個原始變量，各項指標(biāo)的權(quán)重見表1。

表2 干旱脆弱性特征值、貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率

2.3.3加權(quán)綜合評價法

加權(quán)綜合評價法[24]的中心思想是從脆弱性的成因來建立干旱脆弱性評價模型，計算內(nèi)蒙古12個盟市各地區(qū)干旱脆弱性指數(shù)Y，Y的值越大說明風(fēng)險的影響越大，反之，說明風(fēng)險的影響越小。計算公式為：

(3)

式中，Y為干旱脆弱性綜合評價指數(shù)；Wi為指標(biāo)數(shù)據(jù)的權(quán)重，該值根據(jù)主成分分析法來確定；Xij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

根據(jù)加權(quán)綜合評價法建立模型后，可得到各準(zhǔn)則層和干旱脆弱性綜合評價的得分及其排名。

水資源脆弱性：

Y1=0.0577X1+0.0238X2+0.0043X3+0.0551X4+0.0031X5+0.0075X6+0.0219X7+0.0445X8+0.0099X9

(4)

經(jīng)濟(jì)脆弱性：

Y2=0.0247X10+0.0091X11+0.0505X12+0.0197X13+0.0592X14

(5)

社會脆弱性：

Y3=0.0192X15+0.0198X16+0.0305X17+0.0515X18+0.0225X19+0.0651X20

(6)

農(nóng)業(yè)脆弱性：

Y4=0.0666X21+0.0709X22+0.0568X23+0.0249X24

(7)

防旱抗旱能力脆弱性：

Y5=0.0607X25+0.0591X26+0.0049X27+0.0197X28+0.0592X29

(8)

3 結(jié)果與分析

通過對內(nèi)蒙古12個盟市5個子系統(tǒng)29個指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計算，基于ArcGIS 10.2軟件對其進(jìn)行空間分析及區(qū)劃，將所求得指標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)與其對應(yīng)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值相乘，得到每個指標(biāo)的柵格圖層，再依據(jù)二級評價指標(biāo)對柵格圖層進(jìn)行疊加[25]。采取自然斷點法將上述數(shù)據(jù)重分類為5個等級，依次為低等級區(qū)、次低等級區(qū)、中等級區(qū)、次高等級區(qū)和高等級區(qū)，得到內(nèi)蒙古干旱脆弱性分析結(jié)果。

3.1 水資源脆弱性評價與區(qū)劃

內(nèi)蒙古水資源脆弱性的低等級區(qū)主要位于呼倫貝爾市，次低等級區(qū)主要位于興安盟和通遼市，中等級區(qū)主要位于阿拉善盟和巴彥淖爾市，次高等級區(qū)位于鄂爾多斯市、錫林郭勒盟和赤峰市，高等級區(qū)是呼和浩特市、包頭市和烏蘭察布市(圖1)。

由表3可以看出，水資源烏蘭察布市的脆弱性最高，呼倫貝爾市的脆弱性最低。由主成分分析法計算的指標(biāo)權(quán)重可知，自治區(qū)12個地區(qū)水資源脆弱性影響最大的是地表水資源密度。由《內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源公報2018年》得知，烏蘭察布市地表水資源量較小(2.46×108m3)，人均用水量和居民用水量相對也較高，所以水資源脆弱性最高；呼倫貝爾市地表水資源量和地下水資源量在12個盟市中最大，分別為238.1×108m3、74.73×108m3，2018年降水量也最高，水資源豐富，因此水資源脆弱性最低；阿拉善盟地表水資源量僅為0.37×108m3，地下水資源量5.78×108m3，但其近幾年生態(tài)補(bǔ)水量較大(包括從黑河調(diào)水)，改善了水資源脆弱性，位居第四；烏海市、包頭市、呼和浩特市為水資源脆弱性高等級區(qū)，主要原因在于近幾年經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展工業(yè)用水占比較高。

表3 內(nèi)蒙古干旱脆弱性綜合得分及排名

3.2 經(jīng)濟(jì)脆弱性評價與區(qū)劃

內(nèi)蒙古經(jīng)濟(jì)脆弱性的低等級區(qū)主要位于赤峰市，次低等級區(qū)主要位于呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和巴彥淖爾市，中等級區(qū)主要位于錫林郭勒盟，次高等級區(qū)位于包頭市、鄂爾多斯市、烏海市和烏蘭察布市，高等級區(qū)是阿拉善盟和呼和浩特市(見圖2)。

從表3看出，經(jīng)濟(jì)脆弱性最高是呼和浩特市，最低的是赤峰市。對比經(jīng)濟(jì)脆弱性指標(biāo)權(quán)重可知，指標(biāo)影響最大的是農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)總值占地區(qū)生產(chǎn)總值比重，其權(quán)重系數(shù)最高；第一產(chǎn)業(yè)增加值占地區(qū)生產(chǎn)總值比重權(quán)重系數(shù)僅次于上一個指標(biāo)。從《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒2019》可知，赤峰市農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)總值占地區(qū)生產(chǎn)總值比重最高達(dá)到5.16%，第一產(chǎn)業(yè)增加值占地區(qū)生產(chǎn)總值比重19.7%，相對較高，因此赤峰市脆弱性最低。呼和浩特市2018年人均地區(qū)生產(chǎn)總值指數(shù)僅次于呼倫貝爾市，位居全區(qū)倒數(shù)第二，第一產(chǎn)業(yè)所占比重也較小，所以經(jīng)濟(jì)脆弱性最高。

3.3 社會脆弱性評價與區(qū)劃

內(nèi)蒙古社會脆弱性的低等級區(qū)主要位于呼倫貝爾市，次低等級區(qū)主要位于巴彥淖爾市，中等級區(qū)主要位于阿拉善盟、興安盟和通遼市，次高等級區(qū)位于呼和浩特市、鄂爾多斯市、烏海市、錫林郭勒盟和赤峰市，高等級區(qū)是烏蘭察布市和包頭市(見圖3)。

從表3看出，社會脆弱性烏蘭察布市最高，最低的是呼倫貝爾市。分析社會脆弱性指標(biāo)權(quán)重可知，糧食人均占有量權(quán)重最高，城鄉(xiāng)居民消費差距指數(shù)次之，所以這兩個指標(biāo)對社會脆弱性影響較大。呼倫貝爾市2018年全市糧食人均占有量為2773.21kg,居全區(qū)第二。城鄉(xiāng)居民收入差距指數(shù)其權(quán)重系數(shù)為0.0515，相對較高，對社會脆弱性影響也很大。烏蘭察布市城鄉(xiāng)居民收入差距指數(shù)為2.07，在全區(qū)很高。烏蘭察布市恩格爾系數(shù)在全區(qū)最大，所以社會脆弱性最大。

3.4 農(nóng)業(yè)脆弱性評價與區(qū)劃

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)脆弱性的低等級區(qū)主要位于呼倫貝爾市和通遼市，次低等級區(qū)主要位于赤峰市，中等級區(qū)主要位于巴彥淖爾市和興安盟，次高等級區(qū)位于呼和浩特市、鄂爾多斯市、烏蘭察布市和錫林郭勒盟，高等級區(qū)是阿拉善盟、烏海市和包頭市(見圖4)。

農(nóng)業(yè)脆弱性最高的是烏海市，最低的是呼倫貝爾市(見表3)。分析權(quán)重值可知，秋收糧食產(chǎn)量和農(nóng)作物總播種面積的權(quán)重值較高。通過年鑒可知，呼倫貝爾市秋收糧食產(chǎn)量為701.4萬t，農(nóng)作物播種面積也達(dá)到全區(qū)最高(1894.25千hm2)，因此脆弱性最低；烏海市的農(nóng)業(yè)脆弱性所有指標(biāo)值都較低，秋收糧食產(chǎn)量僅為3.62萬t，大牲畜年末數(shù)全區(qū)最少(0.69萬頭)，所以農(nóng)業(yè)脆弱性最高；阿拉善盟脆弱性較高主要是農(nóng)作物播種面積最少，秋收糧食產(chǎn)量和大牲畜存欄數(shù)較低，該系數(shù)越低說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)抵御干旱的能力越低，干旱脆弱性也就越高。

3.5 防旱抗旱能力脆弱性評價與區(qū)劃

內(nèi)蒙古防旱抗旱能力脆弱性的低等級區(qū)主要位于通遼市，次低等級區(qū)主要位于赤峰市，中等級區(qū)主要位于興安盟、巴彥淖爾市和呼倫貝爾市，次高等級區(qū)位于呼和浩特市、鄂爾多斯市、錫林郭勒盟、包頭市和烏蘭察布市，高等級區(qū)是阿拉善盟和烏海市(圖5)。

防旱抗旱能力脆弱性最高的是阿拉善盟，最低的是通遼市(見表3)。對比指標(biāo)權(quán)重值可以知道，單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力、農(nóng)用化肥施用量對防旱抗旱能力脆弱性影響較大。阿拉善盟在防旱抗旱方面的主要原因是農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力較低、單位面積水庫庫容量較其他地區(qū)偏低。通遼市農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力在全自治區(qū)最高(637萬千W)，有效灌溉面積占播種面積的44%，這些指標(biāo)值越高脆弱性越低，因此通遼市防旱抗旱能力脆弱性最低。

3.6 干旱脆弱性評價與區(qū)劃

內(nèi)蒙古干旱脆弱性的低等級區(qū)主要位于呼倫貝爾市，次低等級區(qū)主要位于通遼市，中等級區(qū)主要位于赤峰市、興安盟和巴彥淖爾市，次高等級區(qū)位于巴彥淖爾市、鄂爾多斯市、錫林郭勒盟、呼和浩特市和阿拉善盟，高等級區(qū)是烏蘭察布市、包頭市和烏海市(圖6)。

從內(nèi)蒙古12個盟市的干旱脆弱性綜合評價結(jié)果可知，烏海市干旱脆弱性最高，其對應(yīng)水資源脆弱性、社會脆弱性和防旱抗旱能力脆弱性也相對較高。烏海市呈現(xiàn)高脆弱性的原因是其常年少雨，處于毛烏素沙地與烏蘭布和沙漠、庫布其沙漠之間。包頭市干旱脆弱性較高，其主導(dǎo)因素是社會脆弱性較高，人口密度占全自治區(qū)第三。烏蘭察布市為高脆弱區(qū)的原因是其水資源脆弱性較高，是因為人口資源集中，用水量都比較大。阿拉善盟、呼和浩特市、錫林郭勒盟和鄂爾多斯市等為次高脆弱性地區(qū)，原因是他們水資源、防旱抗旱能力脆弱性都較高，抵御干旱風(fēng)險能力較弱。赤峰市和通遼市等中東部地區(qū)干旱脆弱性偏低，其水資源、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)等脆弱性都比較低，所以其干旱風(fēng)險較低。呼倫貝爾市的地理位置好，水資源豐富，經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，因此其脆弱性最低。

4 結(jié)論

4.1采用主成分分析法對內(nèi)蒙古12個盟市進(jìn)行干旱脆弱性綜合評價具有一定的實用性，對于評價工作能夠合理的篩選評價指標(biāo)，大大縮減評價指標(biāo)的個數(shù)。

4.2根據(jù)計算的綜合得分模型的系數(shù)，內(nèi)蒙古12個盟市干旱脆弱性的綜合得分系數(shù)從小到大依次為烏海市、包頭市、烏蘭察布市、阿拉善盟、呼和浩特市、錫林郭勒盟、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市、興安盟、赤峰市、通遼市、呼倫貝爾市。

4.3根據(jù)干旱脆弱性分級區(qū)劃，呼倫貝爾市處于干旱的低脆弱區(qū)，通遼市處于干旱的次低脆弱區(qū)，赤峰市、興安盟處于干旱的中等脆弱區(qū)，巴彥淖爾市、鄂爾多斯市、錫林郭勒盟、呼和浩特市和阿拉善盟處于干旱的次高脆弱區(qū)，烏蘭察布市、包頭市和烏海市處于干旱的高脆弱區(qū)。