山西省農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配及短缺分析

孫晶華，張吳平，吳亞楠，魏 強(qiáng)

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

山西省農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配及短缺分析

孫晶華，張吳平，吳亞楠，魏 強(qiáng)

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

利用山西省及所轄11個(gè)地市的耕地面積、水資源總量及農(nóng)田灌溉用水量等數(shù)據(jù)，使用單位耕地面積水資源量法計(jì)算農(nóng)業(yè)水土資源匹配度及當(dāng)量系數(shù)，并采用ArcGIS對匹配格局及短缺狀況進(jìn)行可視化。結(jié)果表明，耕地資源和可供農(nóng)田灌溉水量在空間分布上存在不對稱現(xiàn)象；農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的年際變化范圍為0.120萬～0.170萬m3/hm2，水資源總量與農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的變化趨勢相一致；農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度的空間差異較大，忻州和晉中的匹配程度較優(yōu)，運(yùn)城、長治、臨汾、呂梁和朔州的匹配程度良好，大同和太原的匹配程度一般，晉城的匹配程度較差，陽泉的匹配程度極差；全省的當(dāng)量系數(shù)為2.150，屬于缺水地區(qū)，農(nóng)業(yè)水土資源短缺狀況的空間差異較大，其中，晉中、臨汾、忻州、呂梁、大同、朔州、運(yùn)城、長治和太原的當(dāng)量系數(shù)大于1，為缺水地區(qū)，晉城和陽泉的當(dāng)量系數(shù)小于1，為缺土地區(qū)。

農(nóng)業(yè)水土資源；匹配度；當(dāng)量系數(shù)；時(shí)空變化；山西省

水資源與耕地資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)資源，二者的匹配程度直接影響水土資源的綜合利用效率，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全。因此，應(yīng)將水土資源作為一個(gè)整體來研究，以尋求綜合效率最優(yōu)。

關(guān)于農(nóng)業(yè)水土資源匹配的研究方法主要有2種：單位耕地面積水資源量法和基尼系數(shù)法[1-10]，但目前應(yīng)用較多的是單位耕地面積水資源量法。耿慶玲[11]研究西北旱區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)水土資源匹配度較高的地區(qū)是以灌溉農(nóng)業(yè)為主，匹配度相對較低的地區(qū)是以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)或牧草業(yè)為主的旱作區(qū)。鄭久瑜等[12]對河套灌區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)耕地資源比較豐富，水資源相對短缺。王薇等[13]對黃河三角洲的研究發(fā)現(xiàn)，水土資源匹配程度差的主要影響因素是水資源的短缺。姜秋香等[1]對三江平原的研究發(fā)現(xiàn)，限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素是水資源的短缺和較低的利用效率。侯薇等[14]對陜西關(guān)中地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，水資源的時(shí)空分布特征決定了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局。

山西省地處黃土高原地區(qū)，水資源十分貧乏且時(shí)空分布不均衡，水資源利用效率較低，水資源的不足成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的短板。本研究利用農(nóng)業(yè)水土資源匹配度與當(dāng)量系數(shù)對山西省的農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度及短缺狀況進(jìn)行分析，以期對該地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源的利用及優(yōu)化配置提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2008—2014）[15]、《中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2011）[16]，選取水資源量、用水總量、農(nóng)田灌溉用水量、有效灌溉面積及耕地面積等指標(biāo)，結(jié)合相關(guān)模型對山西省及各地市的農(nóng)業(yè)水土資源匹配度及當(dāng)量系數(shù)進(jìn)行測算。

1.2 測算方法

1.2.1 農(nóng)業(yè)水土資源匹配度測算方法 農(nóng)業(yè)水土資源匹配度反映特定地區(qū)可供農(nóng)田灌溉利用的水資源與耕地資源的時(shí)空匹配程度。本研究采用單位耕地面積水資源量法來測算，它將農(nóng)業(yè)水土資源的時(shí)空匹配特征進(jìn)行了量化。匹配度越高，表明單位耕地面積上的水資源量越多，農(nóng)業(yè)水資源能夠滿足耕地資源的程度越高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件就越好。其測算模型[12，14]如下。

其中，Ri為農(nóng)業(yè)水土資源匹配度（萬m3/hm2）；W為水資源總量（億m3）；αi為農(nóng)田灌溉用水比例（%）；Li為耕地面積（萬hm2）。

1.2.2 農(nóng)業(yè)水土資源當(dāng)量系數(shù)測算方法 農(nóng)業(yè)水土資源當(dāng)量系數(shù)是以農(nóng)業(yè)水土資源匹配度與水土資源自然匹配度的比值來評價(jià)研究地區(qū)的水土資源短缺狀況。其測算模型[9]如下。

其中，Rt為水土資源自然匹配度（萬m3/hm2）；W為水資源總量（億m3）；Lt為土地總面積（萬hm2）。

其中，D為農(nóng)業(yè)水土資源當(dāng)量系數(shù)。

當(dāng)D＞1時(shí)，表明單位耕地面積上的農(nóng)田灌溉用水量超過了單位土地面積上的水資源量，農(nóng)田灌溉用水受限，應(yīng)提高農(nóng)田灌溉用水的利用效率，說明該地區(qū)水資源短缺，即為缺水地區(qū)。當(dāng)D＜1時(shí)，表明單位耕地面積上的農(nóng)田灌溉用水量小于單位土地面積上的水資源量，水資源相對充足，可以分配更多的水資源給耕地，當(dāng)農(nóng)田灌溉用水利用效率不變時(shí)，可相應(yīng)地增加耕地面積，說明該地區(qū)耕地資源短缺，即為缺土地區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空變化分析

2.1.1 水資源現(xiàn)狀 2007—2013年山西省年均降水量為527.57 mm，全國年均降水量為634.30 mm，低于全國平均水平。年均水資源總量為103.60億m3，其中，地表水資源量為62.96億m3，地下水資源量為85.57億m3，重復(fù)計(jì)算量為44.93億m3。人均水資源量為294.33 m3，相當(dāng)于全國平均水平（2 012.86 m3/人）的15%，按照國際人均水資源量標(biāo)準(zhǔn)，屬于極度缺水地區(qū)。圖1顯示，2007—2013年水資源總量、地表水資源量和地下水資源量隨時(shí)間的變化趨勢相一致，水資源量先下降，于2009年達(dá)到最小值，分別為85.76億、47.67億、76.15億m3，之后再波動(dòng)上升。山西省水資源量以地下水資源為主。

山西省水資源空間分布不均衡，晉南和晉東南地區(qū)水資源相對豐富，晉北地區(qū)水資源相對匱乏。2007—2013年山西省年均總用水量為65.59億m3，農(nóng)田灌溉用水量為35.86億m3，占總用水量的54.67%。農(nóng)田灌溉用水比例空間差異較大（表1），其中，運(yùn)城、朔州、忻州、晉中和臨汾的農(nóng)田灌溉用水比例均超過60%，主要是因?yàn)樯鲜龅厥形挥谏轿魇〉倪\(yùn)城、忻定、太原和臨汾四大盆地，農(nóng)業(yè)相對較發(fā)達(dá)。陽泉、晉城和太原的農(nóng)田灌溉用水比例均低于30%，主要是因?yàn)檫@3個(gè)地市以山地地形為主，耕地占土地總面積的比例相對較小。

表1 2007—2013年山西省各地市平均水資源狀況統(tǒng)計(jì)

2.1.2 耕地資源現(xiàn)狀 從表2可以看出，2007—2009年山西省耕地面積逐年增加，2009年達(dá)到最大值406.84萬hm2，隨后波動(dòng)下降。全省多年平均耕地面積為406.18萬hm2，占全省土地總面積的25.92%，高于全國平均水平（13.69%）。2007—2013年山西省人均耕地面積為0.12 hm2，高于全國平均水平（0.10 hm2/人）。有效灌溉面積隨時(shí)間變化呈上升趨勢。全省多年平均有效灌溉面積為129.60萬hm2。全省有效灌溉面積僅占耕地總面積的31.91%，低于全國平均水平（45.91%）。

表2 2007—2013年山西省耕地狀況統(tǒng)計(jì)

2008年山西省各市墾殖率空間差異較大，表現(xiàn)為南北高于中部、西部高于東部（圖2）。山西省11個(gè)地市墾殖率由高到低的順序?yàn)椋哼\(yùn)城，朔州，大同，忻州，呂梁，長治，臨汾，晉中，晉城，太原，陽泉。其中，運(yùn)城和朔州的墾殖率分別為38.74%和34.43%，處于全省最高水平；陽泉為14.99%，處于全省最低水平。全省11個(gè)地市的墾殖率均高于2008年全國平均水平（12.68%）。

2.1.3 農(nóng)業(yè)水土資源空間分布特征 山西省耕地資源和可供農(nóng)田灌溉水量在空間分布上存在不對稱現(xiàn)象（表3）。運(yùn)城、長治、臨汾、呂梁和朔州的農(nóng)業(yè)水土資源空間分布相對比較均衡。忻州和晉中的農(nóng)業(yè)水土資源空間分布表現(xiàn)為“水多地少”，其中，忻州的表現(xiàn)最為明顯，可供農(nóng)田灌溉水量的比例為耕地面積比例的1.43倍。陽泉、晉城、太原和大同的農(nóng)業(yè)水土資源空間分布表現(xiàn)為“地多水少”，其中，陽泉的表現(xiàn)最為明顯，耕地面積比例為可供農(nóng)田灌溉水量比例的2.63倍。

表3 2008年山西省各地市農(nóng)業(yè)水土資源量占全省的比例 %

2.2 農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配分析

2.2.1 農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度分析 根據(jù)2008年山西省各地市水資源總量、農(nóng)田灌溉用水比例、耕地面積和土地總面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用農(nóng)業(yè)水土資源匹配度測算模型和當(dāng)量系數(shù)測算模型，得出山西省各地市2008年的農(nóng)業(yè)水土資源匹配度（表4）、水土資源自然匹配度和農(nóng)業(yè)水土資源當(dāng)量系數(shù)（表5）。依據(jù)農(nóng)業(yè)水土資源匹配度（Ri）的積聚與離散的分異特征，采用自然間斷點(diǎn)分級法（Jenks）將農(nóng)業(yè)水土資源匹配度劃分為5個(gè)等級：Ⅰ.匹配程度較優(yōu)（0.124≤Ri≤0.169）；Ⅱ.匹配程度良好（0.095≤Ri＜0.124）；Ⅲ.匹配程度一般（0.062≤Ri＜0.095）；Ⅳ.匹配程度較差（0.045＜Ri＜0.062）；Ⅴ.匹配程度極差（Ri＝0.045）。由表4可知，忻州和晉中的匹配程度較優(yōu)，運(yùn)城、長治、臨汾、呂梁和朔州的匹配程度良好，大同和太原的匹配程度一般，晉城的匹配程度較差，陽泉的匹配程度極差。全省的農(nóng)業(yè)水土資源匹配度為0.120萬m3/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國整體水平（1.397萬m3/hm2），僅為全國整體水平的8.59%，這是因?yàn)樯轿魇∫杂牮B(yǎng)農(nóng)業(yè)為主。忻州、晉中和運(yùn)城的農(nóng)業(yè)水土資源匹配度高于全省整體水平，其中，忻州最高，為0.169萬m3/hm2。太原、大同、陽泉、長治、晉城、朔州、臨汾和呂梁的農(nóng)業(yè)水土資源匹配度低于全省整體水平，其中，陽泉最低，為0.045萬m3/hm2。

表4 2008年山西省各地市農(nóng)業(yè)水土資源匹配度

表5 2008年山西省各地市農(nóng)業(yè)水土資源當(dāng)量系數(shù)

2.2.2 農(nóng)業(yè)水土資源匹配的時(shí)間變化 2007—2013年山西省農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的年際變化如圖3所示，2007—2009年呈下降趨勢，2009年達(dá)到最低，僅為0.120萬m3/hm2，隨后波動(dòng)上升，最大值出現(xiàn)在2013年，為0.170萬m3/hm2。對比圖1與圖3可以看出，水資源總量與農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的變化趨勢相一致，說明水資源總量對農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的制約程度非常大。

2.2.3 農(nóng)業(yè)水土資源匹配的空間變化 山西省地貌類型區(qū)域差異較大，農(nóng)業(yè)水土資源空間分布不均衡，導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的空間差異較大（圖4）。忻州的農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度較優(yōu)，主要是因?yàn)槠渌Y源總量處于全省最高水平，農(nóng)田灌溉用水比例也處于全省較高水平。晉中的水資源總量不多，但農(nóng)田灌溉用水比例較高，耕地面積也處于全省中等偏下水平，所以，匹配度較高。運(yùn)城水資源總量位居全省第2，農(nóng)田灌溉用水比例位居全省第1，但耕地面積較大（位居全省第2），所以，匹配程度良好，但低于晉中和忻州。長治農(nóng)田灌溉用水比例較小，但水資源總量較大，導(dǎo)致匹配程度在全省處于中上水平。臨汾和呂梁的水資源總量處于全省較高水平，但農(nóng)田灌溉用水比例處于中等水平，耕地面積又處于全省較高水平，使得匹配度不是特別高，匹配程度良好。朔州的水資源總量處于全省較低水平，但同時(shí)耕地面積也處于全省中等偏下水平，所以，匹配程度良好。大同的水資源總量和農(nóng)田灌溉用水比例均處于全省中等偏下水平，耕地面積處于全省中等水平，所以，匹配度不高，匹配程度一般。太原的水資源總量和農(nóng)田灌溉用水比例處于全省較低水平，但耕地面積也處于全省較低水平，所以，匹配程度一般。晉城水資源總量位居全省中等水平，但農(nóng)田灌溉用水比例水平居全省第10位，所以，匹配度較低，匹配程度較差。陽泉的水資源總量和農(nóng)田灌溉用水比例均處于全省最低水平，所以，匹配度最低，匹配程度最差。所以，水資源總量、農(nóng)田灌溉用水比例及耕地面積三者的綜合作用導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的空間差異。

2.3 農(nóng)業(yè)水土資源短缺分析

2007—2013年山西省水土資源自然匹配度的年際變化趨勢與農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的變化趨勢相一致（圖3），最小值出現(xiàn)在2009年（0.055萬m3/hm2），最大值出現(xiàn)在2013年（0.081萬m3/hm2）。2008年山西省水土資源自然匹配度的空間分布格局如圖5-a和表5所示。各地市水土資源自然匹配度由高到低的順序?yàn)椋簳x城，運(yùn)城，忻州，長治，陽泉，太原，朔州，晉中，大同，呂梁，臨汾。山西省的水土資源自然匹配度為0.056萬m3/hm2。晉城、運(yùn)城、忻州、長治和陽泉的匹配度高于全省整體水平，太原、朔州、晉中、大同、呂梁和臨汾的匹配度低于全省整體水平。晉城的水土資源自然匹配度為0.089萬m3/hm2，匹配度最高，匹配程度最好。臨汾和呂梁的水土資源自然匹配度分別為0.041萬、0.043萬m3/hm2，匹配度最低，匹配程度最差（表5）。

由圖3可知，山西省農(nóng)業(yè)水土資源當(dāng)量系數(shù)的年際變化趨勢的最大值（2.183）出現(xiàn)在2009年，最小值（1.983）出現(xiàn)在2011年。2008年山西省的農(nóng)業(yè)水土資源當(dāng)量系數(shù)空間分布格局如圖5-b和表5所示。2008年山西省的當(dāng)量系數(shù)為2.150，屬于缺水地區(qū)。全省11個(gè)地市的當(dāng)量系數(shù)相差較大。晉中、臨汾、忻州、呂梁、大同、朔州、運(yùn)城、長治和太原的當(dāng)量系數(shù)大于1，表明這些地區(qū)為缺水地區(qū)，當(dāng)量系數(shù)值越大，表明缺水程度越嚴(yán)重。晉中的當(dāng)量系數(shù)為3.104，處于全省最高水平，所以，缺水程度最嚴(yán)重。晉城和陽泉的當(dāng)量系數(shù)分別為0.680和0.731，當(dāng)量系數(shù)小于1，說明這2個(gè)地區(qū)為缺土地區(qū)，當(dāng)量系數(shù)值越小，表明缺土程度越嚴(yán)重，所以，晉城和陽泉為缺土地區(qū)，晉城的缺土程度最嚴(yán)重。

3 結(jié)論

本研究通過對2007—2013年山西省及2008年各地市的農(nóng)業(yè)水土資源匹配度和當(dāng)量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算與分析，結(jié)果表明，耕地資源和可供農(nóng)田灌溉水量在空間分布上存在不對稱現(xiàn)象。農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的年際變化范圍為0.120萬～0.170萬m3/hm2，水資源總量與農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的變化趨勢相一致，說明水資源總量對農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的制約程度非常大。農(nóng)業(yè)水土資源匹配度的空間分布差異較大，忻州和晉中的匹配程度較優(yōu)，運(yùn)城、長治、臨汾、呂梁和朔州的匹配程度良好，大同和太原的匹配程度一般，晉城的匹配程度較差，陽泉的匹配程度極差。農(nóng)業(yè)水土資源當(dāng)量系數(shù)的空間分布差異較大。全省的當(dāng)量系數(shù)為2.150，屬于缺水地區(qū)。其中，晉中、臨汾、忻州、呂梁、大同、朔州、運(yùn)城、長治和太原的當(dāng)量系數(shù)大于1，為缺水地區(qū)，可通過修建相關(guān)的農(nóng)田水利灌溉設(shè)施和推廣農(nóng)田節(jié)水技術(shù)來提高農(nóng)田灌溉用水利用效率；晉城和陽泉的當(dāng)量系數(shù)小于1，為缺土地區(qū)，可相應(yīng)地增加農(nóng)田灌溉用水比例或耕地面積，同時(shí)控制建設(shè)用地等其他地類對耕地的占用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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Study on Spatial-temporal Matching Pattern and Shortage of Agricultural Water and Land Resources in Shanxi Province

SUNJinghua，ZHANGWuping，WUYanan，WEI Qiang

（College ofResources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

Based on the data of cultivated area,total amount of water resources and the water consumption of farmland irrigation in Shanxi province and its 11 cities,the matching coefficient and equivalent coefficient of agricultural water and land resources were calculated by the method ofwater resources per unit of cultivated area.Then,the matching pattern and shortage situation were visualized by ArcGIS.The results showed that there was a phenomenon of asymmetry between cultivated land resources and water available for irrigation in space.The inter-annual variation of the matching coefficient of agricultural water and land resources ranged from 0.120× 104m3/hm2to 0.170×104m3/hm2.The change trends oftotal amount ofwater resources and the matching coefficient ofagricultural water and land resources were consistent.The matching degree of agricultural water and land resources had distinct spatial diversity.Xinzhou city and Jinzhong city had better matching degrees than other cities.Yuncheng city,Changzhi city,Linfen city,Lüliang city and Shuozhou city had good matching degrees.Datong city and Taiyuan city had general matching degrees.Jincheng city had a poor matching degree. Yangquan city had the worst matching degree.The equivalent coefficient of Shanxi province was 2.150,and it belonged to water shortage area.The shortage degree of agricultural water and land resources had distinct spatial diversity.The equivalent coefficient of agricultural water and land resources in Jinzhong city,Linfen city,Xinzhou city,Lüliang city,Datong city,Shuozhou city,Yuncheng city,Changzhi city and Taiyuan city were greater than one,and they were all water shortage areas.The equivalent coefficient of agricultural water and land resources in Jincheng city and Yangquan city were less than one,and they were land shortage areas.

agricultural water and land resources；matching coefficient;equivalent coefficient;spatial-temporal variation;Shanxi province

F323.2

A

1002-2481（2017）03-0443-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.30

2016-11-20

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303104）；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20130311008-5）

孫晶華（1992-），女，山東德州人，在讀碩士，研究方向：土地信息技術(shù)。張吳平為通信作者。