黑龍江省水土資源承載力綜合評價及空間分異特征研究

陳紅梅，杭艷紅，楊 林，韓東薇，石 磊，寧 靜

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引 言

水土資源是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，同時是人類生存發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源[1]。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展，其帶來的水土資源污染和短缺問題已成為人類面臨的巨大挑戰(zhàn)[2]。因此，對水土資源承載力進行合理有效地評價，了解水土資源的利用結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律，深入分析水土資源承載力時空變化的影響因素，有助于合理調(diào)整水資源供給和土地利用轉(zhuǎn)變，從而促進區(qū)域社會、經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者對水土資源承載力進行了大量的研究[3-7]，但大多數(shù)的研究都將水資源和土地資源分別作為研究對象，將水土資源作為整體系統(tǒng)的研究相對較少[8]。將水土資源作為系統(tǒng)的研究方式主要是通過構(gòu)建水土資源承載力評價指標(biāo)體系，采用模糊綜合評價法、因子分析、決策分析等方法進行評價。例如，施開放等結(jié)合可拓學(xué)和熵權(quán)理論，構(gòu)建熵權(quán)可拓決策模型，對重慶三峽庫區(qū)水土資源承載力進行定量評價[9]。周智等將水土資源系統(tǒng)劃分為水資源、土地資源和水土資源耦合3個子系統(tǒng)，利用因子分析法，對全國31個省水土資源承載力進行綜合評價[10]。任守德等提出從微觀和宏觀尺度進行農(nóng)業(yè)水土資源承載力評價的新思路，并對三江平原農(nóng)墾建三江分局農(nóng)業(yè)水土資源承載力進行實證研究。南彩艷等利用改進的SPA水土資源承載力綜合評價模型，對關(guān)中地區(qū)影響水土資源承載力進行評價和分級[11]。拓學(xué)森從仿真模擬角度利用系統(tǒng)動力學(xué)模型模擬了民勤縣水土資源綜合承載力變化趨勢[12]。呂添貴等采用信息熵權(quán)法確定耦合評價指標(biāo)體系，對鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)水土資源進行評價[13]；同時，研究角度也存在較大差異，王薇等從水土資源的空間匹配角度，探討其匹配程度的區(qū)域差異，提出水土資源科持續(xù)利用對策[14]。張曉青、張衍廣等從預(yù)測角度，求取了區(qū)域未來水土資源的綜合承載力[15]。呂添貴等將水土資源與經(jīng)濟發(fā)展進行耦合分析[13]。

考慮到水土資源系統(tǒng)具有的動態(tài)性和復(fù)雜性，以及子系統(tǒng)間相互作用關(guān)系，同時綜合黑龍江省的社會經(jīng)濟和水土資源狀況，本文采用改進的DPSIR水土資源承載力指標(biāo)體系，利用時序全局因子分析方法，對黑龍江省水土資源承載力進行綜合評價，深入分析各個子系統(tǒng)和各地區(qū)水土資源承載力演化規(guī)律，探討水土資源綜合承載力空間分異特征以及影響因素，摸清黑龍江省的水土資源承載力狀況，從而為提高水土資源利用效率，制定有效水土資源保護和治理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于中國東北部，地理坐標(biāo)121°11′～135°5′E、43°25′～53°33′N，西部屬松嫩平原，東北部為三江平原，北部、東南部為山地，平原海拔50～200 m，年平均氣溫在-5～5 ℃之間。其境內(nèi)有黑龍江、松花江和烏蘇里江三大水系，同時有興凱湖、鏡泊湖、連環(huán)湖和五大連池4處較大湖泊及星羅棋布的泡沼。全省多年平均地表水資源量為686.0億m3，多年平均地下水資源量為297.44億m3，扣除兩者之間重復(fù)計算量173.14億m3，全省多年平均水資源量為810.3億m3，人均水量2 160 m3，均低于全國平均水平[16]。土地總面積為4 730萬hm2，占全國土地總面積的4.9%，其中農(nóng)用地面積3 950.2萬hm2，占全省土地總面積的83.5%，是我國重要的農(nóng)業(yè)大省。2003年實施東北振興戰(zhàn)略以來，黑龍江省城鎮(zhèn)化步伐不斷加快，水土資源的空間配置也發(fā)生了顯著變化，因此，有必要對東北振興戰(zhàn)略實施以來黑龍江省水土資源承載進行綜合評價，同時分析其空間分異特征，為保護和合理有效地利用水土資源提供理論依據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要來源于《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)、《中國城市統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)、《中國水利統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)、《黑龍江省水資源公報》(2005-2014)等統(tǒng)計資料以及相關(guān)政府報告資料。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

水土資源是一個復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和組成要素具有復(fù)雜性和動態(tài)性，而DPSIR模型是一種在環(huán)境系統(tǒng)中廣泛使用的評價指標(biāo)體系概念模型，它將表征一個自然系統(tǒng)的評價指標(biāo)分成驅(qū)動力(Driving Force)、壓力( Pressure)、狀態(tài)(State)、影響(Impact)、響應(yīng)(Response)5個子系統(tǒng)。進一步，從經(jīng)濟社會發(fā)展需求、環(huán)境質(zhì)量提高、資源合理匹配等發(fā)展問題的角度，選取21項代表性指標(biāo)，構(gòu)建黑龍江省水土資源承載力綜合評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 水土資源承載力綜合評價指標(biāo)體系Tab.1 Indexes system、expression and significance of soil and water resources carrying capacity

續(xù)表1 水土資源承載力綜合評價指標(biāo)體系

2.2 時序全局因子分析模型的建立

水土資源承載力系統(tǒng)具有顯著的動態(tài)性，是多維數(shù)據(jù)、多種因素相互影響制約的復(fù)雜系統(tǒng)，同時，數(shù)據(jù)的積累表征了我們擁有大量的按時間順序排列的平面數(shù)據(jù)表數(shù)列，構(gòu)成了水土資源綜合承載力的數(shù)據(jù)匣，稱為時序立體數(shù)據(jù)表[17]。時序全局因子分析方法將多維的動態(tài)時序立體數(shù)據(jù)表通過全局的主成分公因子變換到相同的主超平面上，使得各年份公因子具有相同的構(gòu)成，根據(jù)不同的時序變化，數(shù)據(jù)進行交換、組合。對于具有動態(tài)性特征的水土資源綜合系統(tǒng)，通過時序全局因子分析方法，構(gòu)成了整個系統(tǒng)的統(tǒng)一簡化子空間，保證了水土資源承載力綜合系統(tǒng)分析的統(tǒng)一性、整體性。

具體步驟如下：

(1)時序全局立體數(shù)據(jù)表的構(gòu)建。若以n個城市作為水土資源承載力的樣本點，選取p個指標(biāo)，以x1，x2，…，xp為變量指標(biāo)，就構(gòu)成了時序立體數(shù)據(jù)表K，

K={Xt∈Rn×p，t=1,2，…，T} (t為時間跨度)

在t時刻數(shù)據(jù)表中的Xt可表示為：

(2)指標(biāo)數(shù)據(jù)的無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理。水土資源綜合承載力評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的量綱不同，各個指標(biāo)數(shù)據(jù)值相差很大，考慮數(shù)據(jù)的特點和分析目的，為了消除指標(biāo)受量綱影響而獲得的不可公度性，對評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用兩種方法。

對于指標(biāo)值越大越好的數(shù)據(jù)：

X*ij=[xij-min(xj)]/[max(xj)-min(xj)]

(i=1,2,3,…，n；j=1,2,3，…,p)

對于指標(biāo)值越大越好的數(shù)據(jù)：

X*ij=[max(xj)-xij]/[max(xj)-min(xj)]

(i=1,2,3,…，n；j=1,2,3，…,p)

其中，max(xj)、min(xj)分別為指標(biāo)的最大值與最小值。由此無量綱標(biāo)準(zhǔn)化后的決策矩陣記為X*，X*=(x*ij)n×p。

(3)因子模型適用性分析。利用KMO對評價的指標(biāo)變量進行分析，確定其是否有較強的相關(guān)性，以判斷其是否適合使用因子分析方法進行分析。

(4)計算X*矩陣的協(xié)方差陣R，求R的m個特征值λ1，λ2，…，λm(m

(5)利用最大方差法進行因子旋轉(zhuǎn)，求得全局主公因子表達式：

Y1=u11x1+u21x2+…+um1xm

Y2=u12x1+u22x2+…+um2xm

…

Ym=u1mx1+u2mx2+…+ummxm

Y1，Y2，…，Ym表示第 1、2至m個全局主公因子。

(6)構(gòu)造綜合承載力得分函數(shù)，計算各子系統(tǒng)承載力分值。根據(jù)主公因子貢獻率，構(gòu)造綜合承載力得分函數(shù)：F=(λ1Y1+λ2Y2+…+λmYm)/(λ1+λ2+…+λm)。

3 結(jié)果分析

3.1 水土資源承載力評價結(jié)果分析

以黑龍江省地級市為基本單元，對該區(qū)域12個地區(qū)的數(shù)據(jù)根據(jù)因子分析的原理和步驟，運用SPSS軟件進行統(tǒng)計處理，其KMO檢驗值為：0.694，表明適宜進行因子分析。據(jù)表2和旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣，特征值大于1的6個公因子累積貢獻率為77.158，且其載荷系數(shù)較高，選取為公因子。

表2 時序全局因子解釋的總方差情況Tab.2 The total variance explained in the case of the timing factor globally

3.2 各子系統(tǒng)變化趨勢分析

將各地區(qū)子系統(tǒng)值進行求和得出黑龍江省各子系統(tǒng)值，進一步對各子系統(tǒng)的變化趨勢進行分析(圖1)，可以看出各子系統(tǒng)在水土資源系統(tǒng)中具有明顯的層次，從高往低依次為影響系統(tǒng)、驅(qū)動力系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)，而狀態(tài)系統(tǒng)為負值，表明由黑龍江省的社會經(jīng)濟“驅(qū)動力”帶來的發(fā)展，對水土資源系統(tǒng)帶來了巨大的“影響”，同時由于水土資源利用方式的調(diào)整或經(jīng)濟政策的改變，即“響應(yīng)”系統(tǒng)的變化，從而使水土資源承受了相對較少的“壓力”，因此，其負向的狀態(tài)值說明水土資源的利用向著更為合理的方向發(fā)展。

圖1 各子系統(tǒng)發(fā)展趨勢Fig.1 The trends of each subsystem

3.3 各地區(qū)水土資源承載力演化規(guī)律

3.3.1水土資源承載力時間變化規(guī)律

黑龍江省水土資源承載力綜合指數(shù)如圖2所示，各綜合承載力指數(shù)為各分項承載力指數(shù)加權(quán)后的總和，水土資源承載力綜合指數(shù)最高為1，指數(shù)值越高，說明承載力越大。黑龍江省各地區(qū)水土資源承載力綜合指數(shù)波動較大，總體呈先上升后下降再上升的N型曲線特征，其整體呈增長趨勢，將其變化階段劃分為：增長期(2004-2009年)、衰落期(2009-2011年)、反彈期(2011-2013年)。①在增長期，大部分地區(qū)水土資源承載力綜合指數(shù)呈上升趨勢，其水土資源承載力在逐步增強，然而，哈爾濱、黑河、佳木斯在2004年承載力綜合指數(shù)較高，之后緩慢發(fā)展，主要由于2004年東北西部發(fā)生百年一遇春夏連旱，導(dǎo)致其他地區(qū)水土資源承載力降低。②衰落期間佳木斯、大慶、雙鴨山、雞西、七臺河、鶴崗和綏化，水土資源綜合承載力指數(shù)整體呈下降趨勢，說明水土資源匹配狀態(tài)開始惡化，哈爾濱、黑河、伊春發(fā)展較為平穩(wěn)。③在反彈期，大部分地區(qū)水土資源承載力恢復(fù)增長趨勢，只有綏化持續(xù)下降，進一步發(fā)現(xiàn)綏化水土資源壓力系統(tǒng)的作用遠大于驅(qū)動力系統(tǒng)，其影響系統(tǒng)呈現(xiàn)負值，可以說明綏化的水土資源利用方式存在嚴重的問題。

圖2 各地區(qū)水土資源承載力變化態(tài)勢Fig.2 Carrying capacity of soil and water resources situation changes of Regions

3.3.2水土資源承載力時間變異特征

圖3 黑龍江省水土資源承載力區(qū)域變異系數(shù)Fig.3 The regional variation coefficient of soil and water resources capacity in Heilongjiang Province

3.4 黑龍江省水土資源承載力空間分異特征分析

為了探討各地區(qū)水土資源的分異特征，采用系統(tǒng)聚類方法對2004年、2009年、2013年各地區(qū)綜合評價結(jié)果進行聚類分析，并將12地級市分為3個梯度，在空間上進行表達(如圖3)。

2004年各地區(qū)水土資源承載力具有較大差異，4個農(nóng)業(yè)分區(qū)[18]內(nèi)各有一個高值聚集點分別是黑河、佳木斯、大慶和牡丹江，中等梯度為齊齊哈爾、伊春和哈爾濱地區(qū)，其他地區(qū)為低等梯度主要分布在三江平原和綏化地區(qū)。2009年大部分地區(qū)處于高等梯度，僅有東部煤電基地的雙鴨山、七臺河和雞西地區(qū)，以及綏化地區(qū)處于中等梯度。2013年與2009年相比，綏化從中等梯度退到低等梯度，鶴崗從高等梯度退到中等梯度?？傮w而言，2004-2009年，水土資源承載力得到較大提高，高值區(qū)域以綏化地區(qū)為中心，向各個方向擴張，低值區(qū)分布在東部且呈現(xiàn)明顯縮小態(tài)勢，2009-2013年，部分地區(qū)呈現(xiàn)下降態(tài)勢，但水土資源承載力整體發(fā)展趨于良性，呈上升的發(fā)展態(tài)勢。

圖4 黑龍江省各市水土資源綜合承載力 空間分布變化態(tài)勢(2004、2009、2013年)Fig.4 Comprehensive changes in the spatial distribution of soil and water resources carrying capacity situation of cities in Heilongjiang Province(2004,2009,2013)

4 結(jié) 語

(1)水土資源承載力系統(tǒng)是由各個子系統(tǒng)共同作用形成的合力系統(tǒng)。黑龍江省的水土資源系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的作用形成明顯的層次，表明黑龍江省的社會經(jīng)濟帶來的發(fā)展，給水土資源系統(tǒng)帶來影響，同時由于水土資源利用方式的改變，減少了這種壓力，從而使水土資源利用方式向著更合理的方向發(fā)展。

(2)東北振興戰(zhàn)略實施以來，黑龍江省各地區(qū)水土資源承載力的變化呈現(xiàn)“N”字型態(tài)勢，其演化階段可以分為：增長期、衰落期和反彈期。水土資源狀況在發(fā)展的初期表現(xiàn)出良好的態(tài)勢，但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展對其造成破壞，然而由于水土資源利用方式和經(jīng)濟政策調(diào)整水土資源狀態(tài)仍然可以恢復(fù)發(fā)展的活力。同時，水土資源承載力與各地區(qū)水土資源利用方式的差異性存在較強的關(guān)聯(lián)性，如綏化水土資源承載力持續(xù)下降，其水土資源壓力系統(tǒng)的作用遠大于驅(qū)動力系統(tǒng)，其影響系統(tǒng)呈現(xiàn)負值，可以說明綏化的水土資源利用方式存在嚴重的問題。

(3)水土資源承載力具有明顯的空間分異特征，黑龍江省西部、北部和南部水土資源承載力在不斷地提高，而東部煤炭基地建設(shè)，致使水土資源壓力增加，進而水土資源承載力相對較弱，總體而言，近年來黑龍江省水土資源承載力發(fā)展整體趨于良性，呈上升態(tài)勢。

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