陜西關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配格局研究

侯 薇，劉小學，魏曉妹

（1.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌712100；2.陜西省地下水管理監(jiān)測局，西安710003）

水土資源是社會經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎和戰(zhàn)略資源。隨著城市化、工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的不斷加快，水土資源短缺、質(zhì)量退化等問題已成為制約地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，水土資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心要素，二者在時間和空間上的匹配程度直接影響區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。近十幾年來，受氣候變化和人類活動的影響，尤其是城市化進程的快速發(fā)展，使得陜西關中地區(qū)水土資源的數(shù)量和質(zhì)量發(fā)生了明顯的變化，同時，農(nóng)業(yè)水土資源被擠占的態(tài)勢明顯。因此研究該區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配狀況對農(nóng)業(yè)水土資源的高效利用和保障糧食安全具有重要參考價值。

1 關中地區(qū)概況

關中地區(qū)位于陜西省中部，西起寶雞，東到潼關，南界秦嶺，北接渭河北山，所轄行政區(qū)包括西安、銅川、寶雞、咸陽、渭南5市和楊凌農(nóng)業(yè)高新技術產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，共54個縣（市、區(qū)），總面積55 384km2，約占陜西省總面積的26.7%。該區(qū)地勢平坦，氣候溫暖，土壤肥沃、灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史悠久，是陜西省人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達的區(qū)域和主要的糧棉油果生產(chǎn)基地。截至2008年底，全區(qū)人口2 357.57萬人，占全省總人口的近63%，人口密度為425人／km2，是全省和全國的2.3倍和3倍；全區(qū)耕地面積151.529萬hm2，占陜西省耕地面積的53%；全區(qū)GDP占陜西省的63%；糧食總產(chǎn)量占陜西省糧食產(chǎn)量的73%；農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值占全省的57.9%[2]。

2 水土資源量及利用特征分析

關中地區(qū)為半濕潤易旱區(qū)，水土資源關系密切，水資源的豐枯程度決定著土地利用的方向和格局，進而影響耕地資源的效率和效益，而土地資源的利用結構又影響著水資源的開發(fā)利用模式。按照關中地區(qū)的行政區(qū)劃，依據(jù)陜西水資源公報（1994—2008年）、《陜西統(tǒng)計年鑒》（1994—2008年）、陜西省土地利用詳查變更數(shù)據(jù)等資料，通過對各市水土資源的數(shù)量及利用特征進行分析，以掌握水土資源及利用動態(tài)，從而為農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配格局的研究提供依據(jù)。

2.1 水資源量及利用特征

2.1.1 水資源量分析 關中地區(qū)水資源主要來自于天然降水，年降雨量500～700mm，多年平均降水量為670.6mm。關中地區(qū)屬于溫帶季風性氣候，降雨量年內(nèi)分配很不均勻，7—9月占全年降雨量的60%～70%，11—12月降雨僅占全年降雨量的5%～8%。水資源的空間分布也不均勻，渭河以北耕地和人口占全區(qū)25%和41%，自產(chǎn)地表水資源占有量為70%，而渭河以南耕地和人口占全區(qū)75%和59%，自產(chǎn)地表水資源占有量僅為30%。

關中地區(qū)年平均（1994—2008年）水資源總量為63.68億m3，其中地表水資源量為48.52億m3，地下水資源量為37.02億m3，地表與地下水資源重復計算量為21.86億m3?？梢?，關中地區(qū)水資源以地表水為主，約占水資源總量的76%，關中地區(qū)及各市水資源總量、人均水資源量和單位面積耕地占有水資源量如表1所示。由表1可以看出，關中地區(qū)人均水資源占有量為270m3／人，相當于全國平均水平（2 300 m3／人）的12%，耕地占有水量為4 202m3／hm2，相當于全國平均水平（23 715m3／hm2）的18%。按照國際人均水資源量標準，關中地區(qū)屬于水資源嚴重匱乏區(qū)，其中寶雞市屬于重度缺水地區(qū)（≤1 000m3／人），關中其余4個市均屬于極度缺水地區(qū)（≤500m3／人）。

關中地區(qū)水資源空間分布與社會經(jīng)濟發(fā)展不相協(xié)調(diào)。西安市作為關中地區(qū)經(jīng)濟政治中心，國民生產(chǎn)總值和人口分別占到全區(qū)的51.1%和35.6%，水資源卻只有全區(qū)的32%，人均水資源占有量僅為全國的1／6。咸陽市和渭南市的糧食產(chǎn)量占到全區(qū)的25%和27%，水資源分布卻僅為10%和17%。

關中地區(qū)降水的顯著季節(jié)性變化、水資源短缺、水資源分布與社會經(jīng)濟發(fā)展不平衡，這些水資源總量及其分布特征勢必制約關中地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，影響關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源的匹配格局。

表1 關中地區(qū)水資源量計算

2.1.2 水資源利用特征分析 關中地區(qū)多年平均用水量為47.57億 m3（1994—2008年），西安、銅川、寶雞、咸陽、渭南分別為18.06億 m3、0.71億 m3、6.86億 m3、10.41億 m3、11.52億 m3。關中地區(qū)以農(nóng)業(yè)用水為主，占到總用水量的62%；農(nóng)田灌溉用水量16 911m3／hm2，高于全國農(nóng)田灌溉用水量7 152m3／hm2的2倍；工業(yè)用水量比重為21%；生活用水量比重僅為17%；人均用水量為201m3／人，不到全國人均用水量（425m3／人）的一半。

根據(jù)表2所列關中地區(qū)各部門用水比重及年均增長量數(shù)據(jù)及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展狀況、經(jīng)濟構成特點等，分析關中地區(qū)水資源利用特征為：在1994—2008年，關中地區(qū)農(nóng)業(yè)用水比重呈逐漸下降趨勢，農(nóng)業(yè)用水量在1994—2003年持續(xù)下降后有回升的趨勢。1994—2004年，關中地區(qū)工業(yè)用水比重逐漸上升，工業(yè)用水量在1994—2003年增長之后又逐漸減小。1994—2008年關中地區(qū)生活用水比重和生活用水量都呈增大趨勢。

表2 關中地區(qū)各部門用水比重及年均增長量表

2.2 土地資源及利用特征

2006年關中土地總面積554.771萬hm2，其中耕地175.785萬hm2，園地30.294萬hm2，林地202.747萬hm2，牧草地26.121萬hm2，其他農(nóng)用地13.984萬hm2，居民工礦用地42.255萬hm2，交通用地3.044萬hm2，水利設施用地1.236萬hm2，未利用地59.304萬hm2。關中地區(qū)土地利用具有以農(nóng)林業(yè)用地為主的結構特點，林地、耕地比重分別高出全國12% 和18%，其余土地類型所占比例均低于全國平均水平。關中地區(qū)耕地耕層深厚，耕性優(yōu)良，土地平坦，一等耕地占52.2%，遠高于全國41.32% 的平均水平[3]。但關中地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展迅速、人口集中、用地矛盾突出，1994—2003年關中地區(qū)耕地面積10 a累計減少25.6萬hm2，人均耕地面積減少了27%，西安、銅川、寶雞、咸陽、渭南市的耕地面積分別以0.43萬hm2／a、0.14萬hm2／a、0.71萬hm2／a、0.91萬hm2／a、0.66萬hm2／a的速度收縮。2004—2008年關中地區(qū)耕地面積雖然整體還是呈下降趨勢，但耕地面積不斷減少的局面得到了有效控制甚至出現(xiàn)了回升。

由表3可看出，生態(tài)退耕、農(nóng)業(yè)結構調(diào)整、建設占用是關中地區(qū)耕地減少的最主要原因，且關中各市耕地減少去向有很大差異。西安市耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地。寶雞市耕地面積絕大多數(shù)是生態(tài)退耕造成的。咸陽市、銅川市耕地面積主要因農(nóng)業(yè)結構調(diào)整和建設用地而減少。渭南市耕地面積主要因農(nóng)業(yè)生態(tài)退耕和建設用地而減少。

表3 2004－2006年關中地區(qū)耕地減少去向比例

3 農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配格局研究

由以上對陜西關中地區(qū)的水土資源量及利用特征分析可以看出，農(nóng)業(yè)作為該區(qū)水土資源占有量最多的行業(yè)，其時空匹配格局的研究對該區(qū)水土資源的有效利用具有重要作用。

目前我國水土資源匹配格局的研究以水資源的空間分布為主，將水土資源結合的較少，對于農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局的研究更少。吳宇哲等[4]將區(qū)域基尼系數(shù)引入水土資源匹配的研究，通過基尼曲線和系數(shù)對我國水土資源整體匹配狀況進行了分析，結果表明我國水土資源匹配程度處于世界平均水平；劉洋、姜寧等[5－6]分別將基尼系數(shù)應用于遼寧省及黑龍江省的水資源空間匹配研究；劉彥隨等[7]以中國東北地區(qū)為例，構建區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)模型，以市域為單位對東北地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度作出了定量評價。本文以農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)為評價指標，通過對陜西省關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配程度的定量評價，研究農(nóng)業(yè)水土資源的匹配格局。

3.1 研究思路與方法

農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)反映特定區(qū)域可供農(nóng)業(yè)利用的水資源和耕地資源時空適宜匹配的量比關系，揭示區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源與耕地資源在時空上的相互滿足程度，一般采用單位面積耕地可擁有的水資源量來表示。農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)由區(qū)域水資源量、耕地資源量以及水資源的時空分布和利用特征決定，其值越大，表明農(nóng)業(yè)水資源能夠滿足耕地資源的程度越高，該區(qū)域的農(nóng)業(yè)資源形勢是水多地少；其值越小，農(nóng)業(yè)水資源能夠滿足耕地資源的程度越低，該區(qū)域的農(nóng)業(yè)資源形勢是地多水少。農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)模型如下：

（1）以市域為基本單位的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)計算模型[7]：

（2）區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)計算模型[8]：

式中：Rk——區(qū)域k 年水土資源匹配系數(shù)；Ri，k——i市k年農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)；n——區(qū)域內(nèi)市區(qū)的數(shù)量。區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)為該區(qū)各市農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)的平均值，用以衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源的總體匹配程度。

3.2 計算結果與分析

根據(jù)以上評價模型及陜西水資源公報（1994—2008年）、《陜西統(tǒng)計年鑒》（1994—2008年）、陜西省土地利用詳查變更數(shù)據(jù)等資料，計算得關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)結果如表4所示。同理，根據(jù)2003—2008年《中國水資源公報》和《中國統(tǒng)計年鑒》（2009年）的資料，計算出2008年全國農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)為1.42。

參考相關研究成果及表4計算結果所顯示的關中地區(qū)各市（區(qū)）R值積聚與離散的分布特點，將關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)劃分為3個等級：匹配程度較差（0≤R≤0.3）；匹配程度一般（0.3≤R≤0.5）；匹配程度較好（0.5≤R≤1.04），用以定量評價農(nóng)業(yè)水土資源的匹配程度。

表4 關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)R計算結果

根據(jù)表4所列數(shù)據(jù)及上述農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)等級評價標準，對關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局分析認為：

（1）區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源的匹配程度。關中地區(qū)1999—2008年的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)均為0.21～0.47，遠低于2008年的全國平均值（1.42），表明關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度較差，并長期落后于全國平均水平。

（2）農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局的時間變化。對比關中地區(qū)1999—2008年農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)與水資源總量的變化趨勢（圖1）可以看出，農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)的年際波動范圍較小，并且與水資源的豐枯變化規(guī)律一致，水資源量對農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局的制約作用非常明顯。另外，關中地區(qū)的水資源主要來自天然降水，水資源季節(jié)變化明顯，6—9月的降水量占全年降水量的60%左右，冬季12月至翌年2月降水量稀少[9]，這又使農(nóng)業(yè)水資源的供給與農(nóng)作物的需水不同步，進一步加大了區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源的匹配難度。

圖1 關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)與水資源總量變化趨勢對比

（3）農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局的空間變化。在GIS技術支持下，對2008年關中地區(qū)市域尺度水土資源匹配格局進行空間分析，見圖2。

分析圖2可看出，關中地區(qū)的水資源空間分布不平衡，水資源量大體上呈現(xiàn)從南向北，從西向東遞減的趨勢，而耕地資源的空間分布呈東多西少，北多南少的局面，農(nóng)業(yè)水土資源空間匹配存在明顯的錯位現(xiàn)象。因此，農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)區(qū)域差異明顯，匹配格局為西部匹配程度優(yōu)于東部，南部匹配程度優(yōu)于北部。

圖2 2008年關中地區(qū)水資源、耕地資源以及水土資源匹配格局的空間分布

從市域上來看，寶雞市和西安市的水資源最為豐富，占到全區(qū)水資源的70%，而土地墾殖率分別為17%和25%，寶雞市和西安市的匹配程度明顯優(yōu)于其他市區(qū)；咸陽市、渭南市、銅川市的匹配水平相當，水資源量僅為全區(qū)的10%和17%，土地墾殖率卻達到35%和40%，咸陽市的匹配程度最差，渭南市和銅川市略優(yōu)于咸陽市。

圖3 2001－2008年關中地區(qū)有效灌溉面積比例

4 農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配差異性原因及對策

（1）關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配差異性主要是由水資源的時空分布特點所決定的。關中地區(qū)降水季節(jié)性明顯，水資源嚴重短缺制約社會經(jīng)濟發(fā)展，水資源分布與社會經(jīng)濟發(fā)展格局不協(xié)調(diào)。長期以來關中地區(qū)的諸多水資源問題無論依靠節(jié)水技術還是水資源聯(lián)合調(diào)度，關中地區(qū)境內(nèi)自產(chǎn)水資源都很難解決水資源短缺的問題。因此，要解決關中地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配的矛盾，必須考慮外流域調(diào)水。從20世紀90年代開始，引陜南的水接濟關中（引漢江或引嘉陵江濟渭河等）的省內(nèi)南水北調(diào)工程，已成為陜西省重點考慮的跨流域調(diào)水工程。此外，改造現(xiàn)有供水工程，提高工程調(diào)蓄能力以及雨水集流等措施可以有效地緩解汛期水資源流失。

（2）有效灌溉面積比例不夠高導致農(nóng)業(yè)水資源利用效率偏低。2001—2008年，關中地區(qū)有效灌溉面積占耕地面積之比如圖3所示?？梢钥闯?，關中各市有效灌溉面積呈下降趨勢或者增幅很小，銅川市的有效灌溉面積比例僅為20%左右。增加有效灌溉面積有利于農(nóng)業(yè)水資源的高效利用，有助于提高農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度。

（3）農(nóng)業(yè)結構不合理，第一產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化滯后。農(nóng)業(yè)結構調(diào)整可以影響耕地面積變化、提高耕地的利用效率、加速實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化，有利于提高農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度。關中地區(qū)正在不斷加大農(nóng)業(yè)結構調(diào)整的力度，尤其是咸陽市和銅川市。與此同時還可以加強農(nóng)業(yè)內(nèi)部種植結構的調(diào)整，壓縮糧食作物和高耗水作物的種植比例，進一步提高對耕地及農(nóng)業(yè)水土資源的利用效率。

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