明代黃河三角洲地區(qū)旱災(zāi)時空變化特征

董立峰,李德一,趙 昕,栗衍香

(濱州學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 山東 濱州 256603 )

干旱是最重要的極端氣候事件之一,對社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)等方面有重要的影響[1]。隨著全球氣候變暖,極端氣候事件頻繁發(fā)生,很多區(qū)域干旱發(fā)生頻率增多、強度增大,影響范圍隨之擴大[2-5]。黃河三角洲地區(qū)自古以來就是干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生的地區(qū)[6],歷史上各時期旱災(zāi)不僅對該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴重影響,而且容易引發(fā)各種次生災(zāi)害,影響經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定[7-8]。明代是小冰期的前半段,氣候總體上冷干[9],對這一時期旱災(zāi)的研究有助于加深小冰期氣候變化的區(qū)域響應(yīng)和人類應(yīng)對的認識。學(xué)者們對黃河三角洲及鄰近地區(qū)各歷史時期旱災(zāi)的成因、周期特征已有諸多探討[10-11],但對于黃河三角洲地區(qū)各歷史時期旱災(zāi)時空格局還缺乏深入的研究。筆者通過對黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害歷史記錄的搜集、整理和分析,研究該區(qū)域明代干旱災(zāi)害的時間變化與空間分布特征,探討干旱災(zāi)害的成因,為全球變暖背景下區(qū)域干旱災(zāi)害的防治提供歷史借鑒和科學(xué)依據(jù)。

一、明代黃河三角洲地區(qū)干旱的基本情況

2009年,國務(wù)院正式批復(fù)《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》,以此為起點,黃河三角洲地區(qū)的發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略,成為國家區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。黃河三角洲位于渤海南部黃河入?？谘匕兜貐^(qū),包括山東省的東營(包括東營區(qū)、河口區(qū)、墾利區(qū)、廣饒縣、利津縣)、濱州(包括濱城區(qū)、沾化區(qū)、惠民縣、陽信縣、無棣縣、博興縣、鄒平市)兩個市和濰坊北部寒亭區(qū)、壽光市、昌邑市,德州樂陵市、慶云縣,淄博高青縣,煙臺萊州市,共涉及6個市的19個縣(市、區(qū)),總面積2．65萬平方公里,占山東省的1/6。本文所論及明代黃河三角洲地區(qū)為山東省濟南府和青州府所轄,共包括武定(今山東省惠民縣)、濱州、陽信、海豐、蒲臺、利津、沾化、鄒平、長山、齊東、青城、高苑、博興、樂安等14州縣[12]74。

黃河三角洲地區(qū)位于北緯36°41′～38°16′,東經(jīng)117°15′～119°10′,面積18 734 km2,人口643.5萬人,屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫12.7 ℃,年平均降水量560.4 mm,降水量集中于夏季,冬春季節(jié)降水量少。春季氣溫回升快,蒸發(fā)量大,易發(fā)生春旱。降水量年際變化大,每隔幾年就發(fā)生較嚴重的干旱。

為保證資料的完整性、連續(xù)性、可靠性,除參考《中國三千年氣象記錄總集》[13]《中國氣象災(zāi)害大典·山東卷》[14]《山東水旱災(zāi)害》[15]《山東自然災(zāi)害史》[16]《山東省氣候歷史記載初步整理》[17]《濟南府志》[18]《武定府志》[19]《青州府志》[20]等資料中關(guān)于明代(1368—1644年)黃河三角洲地區(qū)各府、州、縣區(qū)域明確記載的干旱災(zāi)害外,還根據(jù)黃河三角洲地區(qū)地方縣志對干旱災(zāi)害記錄進行了補充修正。

本文運用最小二乘法研究明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害的時間變化特征,統(tǒng)計明代黃河三角洲地區(qū)各州縣干旱災(zāi)害頻次,以空間分析法研究區(qū)域干旱災(zāi)害的空間分布特征。小波分析不但可以揭示氣候變化在不同時間尺度上的周期特征,而且可以揭示各種周期信號隨時間變化的強弱[21]。運用matlab2016軟件中morlet小波基函數(shù)進行小波分析,研究干旱災(zāi)害的周期變化。在災(zāi)害等級方面,根據(jù)旱災(zāi)的持續(xù)時間、強度、波及地域和受災(zāi)后果,將明代黃河三角洲地區(qū)的旱災(zāi)劃分為4級[22]。見表1。

表1 明代黃河三角洲地區(qū)旱災(zāi)等級劃分及頻次

(一)干旱災(zāi)害等級及頻次

由表1可知,明代黃河三角洲地區(qū)共發(fā)生旱災(zāi)105次,平均2.64年發(fā)生1次。Ⅱ級中度旱災(zāi)發(fā)生頻次最高,共發(fā)生43次,占旱災(zāi)總頻次的40.95%;Ⅰ級輕度旱災(zāi)次之,共發(fā)生39次,占旱災(zāi)總頻次的37.14%;Ⅲ級大旱災(zāi)再次之,共發(fā)生14次,占旱災(zāi)總頻次的13.34%;Ⅳ級特大旱災(zāi)發(fā)生頻次最少,共發(fā)生9次,占旱災(zāi)總頻次的8.57%?？梢?明代黃河三角洲地區(qū)中度旱災(zāi)發(fā)生最多,輕度旱災(zāi)次之,大旱災(zāi)和特大旱災(zāi)較少。

(二)干旱災(zāi)害季節(jié)變化

明代黃河三角洲地區(qū)明確記載干旱災(zāi)害發(fā)生季節(jié)和月份的共64次。以2、3、4月為春季,5、6、7月為夏季,8、9、10月為秋季,11、12至次年1月為冬季,分別統(tǒng)計干旱災(zāi)害的發(fā)生季節(jié)。據(jù)統(tǒng)計,明代黃河三角洲地區(qū)單季干旱發(fā)生頻次最高,以夏旱為主,發(fā)生了33次,占總頻次的51.56%;春旱和秋旱分別發(fā)生了7次和6次,占總頻次的10.94%和9.37%;冬旱發(fā)生次數(shù)最少,共2次,占總頻次的3.13%。其次是跨季干旱,以春夏連旱最多,達13次,占總頻次的20.31%;夏秋連旱發(fā)生2次,占總頻次的3.13%;春夏秋連旱發(fā)生1次,占總頻次的1.56%。

(三)干旱災(zāi)害空間分布

根據(jù)文獻中明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害的記載,分別統(tǒng)計各州、縣受旱頻次。為了準確反映各地干旱災(zāi)害程度,旱災(zāi)頻次記錄均根據(jù)文獻[13-17]和當?shù)氐胤街具M行了核對。據(jù)統(tǒng)計,明代黃河三角洲地區(qū)旱災(zāi)發(fā)生最多的是高青(明代高苑、青城2縣)、蒲臺,各21次,其次是海豐,為20次,再次是沾化、惠民,各18次。其余各縣中旱災(zāi)記錄達到或超過10次的是陽信、長山、濱州、齊東、樂安,分別為16次、14次、12次、12次、10次;旱災(zāi)記錄少于10次的州縣有利津、鄒平、博興,分別為8次、7次、4次。可見,明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害發(fā)生程度以北部和西部各州縣為最嚴重,南部和東部各州縣干旱災(zāi)害發(fā)生較少,受旱程度的分布與該區(qū)域現(xiàn)代年降水量分布從東南向西北遞減的規(guī)律基本一致。

二、明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害的年際變化

圖1 明代黃河三角洲地區(qū)旱災(zāi)10年頻次變化

根據(jù)明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害頻次變化和六次多項式擬合結(jié)果,按時間順序把干旱災(zāi)害分為三個階段。第一階段為明朝初年至正統(tǒng)十四年(1368—1449),這一階段共82年,共發(fā)生旱災(zāi)12次,占干旱災(zāi)害總頻次的11.4%,平均6.83年發(fā)生1次。其中,大旱災(zāi)2次,中度旱災(zāi)8次,輕度旱災(zāi)2次。該期間未發(fā)生特大旱災(zāi),只1430—1439年出現(xiàn)一個較小的峰值。第二階段是明朝景泰元年至正德十四年(1450—1519),這一階段共70年,共發(fā)生旱災(zāi)27次,占干旱災(zāi)害總頻次的25.7%,平均2.59年發(fā)生1次。其中,特大干旱5次,大旱災(zāi)4次,中度旱災(zāi)11次,輕度旱災(zāi)7次。這一階段1470—1679年、1490—1499年出現(xiàn)峰值,其中1470—1679年峰值最高,達7次。第三階段是正德十五年至崇禎十七年(1520—1644),這一階段共125年,共發(fā)生旱災(zāi)66次,占干旱災(zāi)害總頻次的62.9%,平均1.89年發(fā)生一次。其中,特大旱災(zāi)4次,大旱災(zāi)8次,中度旱災(zāi)24次,輕度旱災(zāi)30次。這一階段分別在1520—1529年、1540—1549年、1550— 1559年、1570—1579年、1580—1589年、1600—1609年、1610—1619年出現(xiàn)峰值,1550—1559年峰值最高,干旱災(zāi)害出現(xiàn)頻次達7次。明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害頻次有逐年增加的趨勢,災(zāi)害頻次變化為低(1368—1449)—中(1450—1519)—高(1520—1644)。其中,第三階段干旱災(zāi)害頻次最多,大旱災(zāi)和特大旱災(zāi)主要發(fā)生在這一階段。如萬歷三十九年(1611),“青城大旱,井泉枯,大清河見底,無麥,五月始雨”;“秋,青城旱蝗”。[28]這一時期正值小冰期開始階段,伴隨著氣候的寒冷和干旱化,黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害愈演愈烈。如萬歷四十三年(1615)黃河三角洲地區(qū)出現(xiàn)干旱的有濱州、陽信、沾化、利津、樂安、博興、鄒平、齊東、長山等9縣,而其中出現(xiàn)“人相食”或“父子相食”記載的有沾化、利津、樂安、博興、長山等5縣[18-20]。嚴重的干旱伴隨著蝗災(zāi)、瘟疫,區(qū)域內(nèi)大量人員死亡,造成的災(zāi)害極為慘重。崇禎十三年(1640),陽信、海豐、長山、高青(高苑、青城)等5縣大旱,沾化、長山、高青出現(xiàn)“人相食”[18-19]。崇禎十四年(1641),“武定、陽信、海豐、沾化旱饑,人相食?！盵19]《陽信縣志》記載：“十四年(1641),春夏大旱,斗粟二金,人相食,瘟疫大作,死者枕藉,十村九墟,人煙幾絕?！盵29]

三、明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害的周期變化

利用小波分析方法對明代黃河三角洲地區(qū)干旱等級序列進行分析,結(jié)果如圖2。

圖2中縱坐標值對應(yīng)了旱災(zāi)頻次偏多、偏少時期,等值線的疏密反映了旱災(zāi)變化率,稠密代表變化劇烈,稀疏則表示變化比較平穩(wěn)。右側(cè)線條負值表示干旱發(fā)生較少,正值表示干旱發(fā)生較多。這表明,明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害在不同時間尺度上存在復(fù)雜的周期嵌套現(xiàn)象,且干旱周期存在顯著的階段變化。根據(jù)干旱周期信號的強弱及其隨時間的變化,大致可以劃分為三個階段。第一階段為1368—1450年,這一時期,1410年以前旱災(zāi)幾乎很少發(fā)生,但1410—1450年旱災(zāi)頻率明顯偏高。此時期干旱災(zāi)害存在3～7年、25～30年、35～64年準周期變化,其中35～64年準周期信號最強。第二階段為1451—1530年,這一時期旱災(zāi)發(fā)生的頻率中等,3～5年準周期信號較強,其余尺度的周期不顯著。第三階段為1531—1644年,這一時期旱災(zāi)波動性較強,可以明顯看出4個旱災(zāi)高發(fā)階段和3個旱災(zāi)少發(fā)階段,其中8～15年準周期信號最強,同時存在較弱的50～60年尺度的周期。圖3表明,明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害存在42年、13年、5年三個主周期,其中42年周期信號較強,為第一主周期;13年周期強度次之,為第二主周期;5年周期最弱,為第三主周期。

圖3 明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害小波方差圖

四、明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害成因探討

(一)自然因素

任麗萍根據(jù)黃河三角洲地區(qū)冷凍災(zāi)害記錄,認為1510年前后(明正德年間)是黃河三角洲地區(qū)小冰期開始的時間[7];王慶等根據(jù)與黃河三角洲地區(qū)臨近的開元溶洞石筍δ18O記錄,指出1482年夏季風(fēng)強度發(fā)生突變,進而提出1482年可以作為山東半島西部小冰期開始的時間,并指出小冰期開始后,夏季風(fēng)強度明顯減弱,降水減少,氣候波動性增大[30];周秀驥等研究指出1450—1570年間東亞夏季風(fēng)環(huán)流偏弱,EASM雨帶主要停留在長江流域上空,華北地區(qū)降水較少[31]。如以1510年作為黃河三角洲地區(qū)小冰期開始時間,1368—1509年的142年間黃河三角洲地區(qū)共發(fā)生旱災(zāi)38次,平均每3.74年發(fā)生1次,大旱災(zāi)和特大旱災(zāi)較少;1510—1644年的135年間共發(fā)生旱災(zāi)67次,平均每2.01年發(fā)生1次,大旱災(zāi)和特大旱災(zāi)也主要發(fā)生在這一時期。

可見,小冰期開始后東亞夏季風(fēng)減弱,黃河三角洲地區(qū)降水減少,是明代黃河三角洲地區(qū)旱災(zāi)特別是大旱災(zāi)、特大旱災(zāi)形成的主要原因。另外,受氣候變化影響,黃河三角洲地區(qū)湖泊、河流的數(shù)量和水量銳減甚至出現(xiàn)枯竭現(xiàn)象[32],水源減少,影響了水利灌溉事業(yè)的發(fā)展,進一步加重了旱情。

(二)社會因素

明代黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害的形成除自然因素外,人為因素也不可忽視。一是明代黃河三角洲地區(qū)人口增長,加之土地不合理開墾,導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化,引起干旱災(zāi)害的加劇。山東地區(qū)因元末明初的戰(zhàn)亂造成大批農(nóng)民逃亡,土地荒蕪,明政府多次移民到人口少的地區(qū)。明洪武至永樂年間,山西洪洞縣和河北棗強縣一帶大量移民進入黃河三角洲區(qū)域。與黃河三角洲地區(qū)臨近的開元溶洞石筍δ13C記錄的13C/14C植物比例在1494年前后發(fā)生突變[30],標志著砍伐森林、開墾耕地、種植農(nóng)作物等改變了該區(qū)域地表植被的13C/14C植物構(gòu)成?？梢?明代黃河三角洲地區(qū)移民墾荒政策和人口增長的壓力,破壞了自然植被,導(dǎo)致水土流失加劇,生態(tài)環(huán)境惡化,加重了氣候變化造成的干旱災(zāi)害。二是明朝中后期政治腐敗,土地兼并嚴重,賦役繁重,經(jīng)濟衰敗,農(nóng)民貧困,導(dǎo)致干旱災(zāi)害造成的社會危機愈演愈烈。明代山東濟南府“大片的土地被官僚地主階層兼并,廣大農(nóng)民的生產(chǎn)和生活無以為繼”“加之明中后期,賦役日重,民不堪負,不免逃亡”[33],導(dǎo)致旱災(zāi)造成的損失更為嚴重。三是明代黃河三角洲地區(qū)水利建設(shè)進展緩慢,基本農(nóng)田水利設(shè)施缺失。如山東西部運河沿岸的濟南、兗州、東昌三府,由于“溝洫不修之故”,“一雨則漫旱則赤地千里”[34-35]。明代后期嚴重的旱災(zāi)與蝗災(zāi)、瘟疫等連年發(fā)生,黃河三角洲地區(qū)民眾大量流亡,土地荒蕪,社會一片蕭條。

五、結(jié)語

文獻記載,明代黃河三角洲地區(qū)“春夏不雨”[24],或“自正月至六月不雨[24]”,甚至“自正月至九月不雨”[20],導(dǎo)致“無麥無禾”[20],“長山連歲旱,饑,人相食。”[27]可見,一年中連續(xù)兩季及多個季節(jié)的干旱,或持續(xù)多年干旱的累積效應(yīng),是黃河三角洲地區(qū)旱災(zāi)形成的原因。根據(jù)黃河三角洲地區(qū)濱州市1952—2010年的降水數(shù)據(jù)和干旱災(zāi)情資料,發(fā)生特大干旱時,年降水量在350 mm以下,大旱時年降水量在420 mm左右。如濱州市從2001年秋季起,全市降水持續(xù)偏少出現(xiàn)旱災(zāi)并發(fā)展,一直延續(xù)到2002年夏季,年降水量只有304 mm,比常年偏少256.4 mm,形成百年一遇的大旱。[36]

受歷史資料所限,明代黃河三角洲地區(qū)干旱的記載中關(guān)于旱災(zāi)發(fā)生季節(jié)、月份的記載僅64次,占全部105次旱災(zāi)記錄的60.9%,使本文關(guān)于黃河三角洲地區(qū)干旱災(zāi)害發(fā)生不同季節(jié)發(fā)生頻次的統(tǒng)計可能存在一定的誤差;查閱1368—1644年間黃河三角洲地區(qū)各州縣干旱記載[18-20],惠民縣最早的干旱記錄為1369年,而鄒平、博興、齊東等縣最早出現(xiàn)干旱記載的年份則為1504年,1368—1503年間缺失干旱記錄;明代博興干旱事件僅有4次,干旱記載明顯偏少。這表明黃河三角洲地區(qū)各州縣關(guān)于干旱災(zāi)害記載的詳略程度不盡一致,可能導(dǎo)致本文關(guān)于明代黃河三角洲地區(qū)干旱空間格局的分析存在一定的誤差。

筆者基于黃河三角洲地區(qū)歷史時期旱災(zāi)的記錄,運用最小二乘法、小波分析法等研究了該區(qū)域干旱災(zāi)害的等級和頻率、年際變化、季節(jié)變化及空間分布和周期特征,對明代黃河三角洲地區(qū)旱災(zāi)的成因進行了初步探討。主要結(jié)論為：第一,明代277年間黃河三角洲地區(qū)共發(fā)生旱災(zāi)105次,平均每2.64年出現(xiàn)1次。在干旱災(zāi)害等級方面,以中度旱災(zāi)和輕度旱災(zāi)為主,分別占旱災(zāi)總頻次的40.95%、37.14%;大旱災(zāi)、特大旱災(zāi)較少,分別占旱災(zāi)總頻次的13.34%、8.57%。第二,干旱災(zāi)害有逐漸加重的趨勢。災(zāi)害頻次變化為低(1368—1449年)—中(1450—1519年)—高(1520— 1644年)。10年干旱災(zāi)害統(tǒng)計以1550—1559年為最多,達7次。旱災(zāi)的發(fā)生季節(jié)以夏旱為最多,跨季旱災(zāi)以春夏連旱為最多。旱災(zāi)周期存在42年、13年、5年3個主周期,其中42年主周期最明顯。第三,旱災(zāi)空間分布方面,北部和西部各州縣旱災(zāi)發(fā)生較多,南部和東部各州縣旱災(zāi)發(fā)生較少。旱災(zāi)頻次最多的是海豐,為20次;最少的是博興,為2次。旱災(zāi)頻次的空間分布與黃河三角洲地區(qū)年降水量的分布基本一致。第四,旱災(zāi)的自然原因主要是小冰期氣候變化,東亞夏季風(fēng)減弱,黃河三角洲地區(qū)降水減少,河流、湖泊等天然水源減少;社會因素主要是人口增長與移民墾荒引起生態(tài)環(huán)境惡化、政治腐敗等。