河南省水土資源匹配特征及均衡性分析

王亞迪 左其亭 劉歡 史樹潔

摘要：河南省作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大省，是我國糧食主產(chǎn)區(qū)之一，其水資源情勢復(fù)雜，開展水土資源匹配研究對保障河南省農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)具有積極的作用。基于區(qū)域水資源與耕地資源的匹配組合，計算了2000-2014年全省及地市尺度的水土匹配系數(shù)，繪制了水土資源的洛倫茨曲線，并據(jù)此計算其基尼系數(shù)，以綜合反映河南省水土資源匹配的不均衡程度。然后，使用農(nóng)業(yè)用水比例、水土匹配系數(shù)和基尼系數(shù)對比分析了河南省水土資源及其匹配狀況在時間與空間分布的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)河南省水資源在數(shù)量上相對短缺，部分地市水土匹配均衡狀況不夠理想，但總體比較均衡。最后，對河南省水土資源匹配格局的進(jìn)一步優(yōu)化提出建議。

關(guān)鍵詞：水資源；耕地資源；水土匹配系數(shù)；洛倫茨曲線；基尼系數(shù)；河南省

中圖分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.013

水資源與耕地資源均為支撐區(qū)域糧食生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)均衡發(fā)展的重要基礎(chǔ)。近年來，經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和城市化的擴(kuò)張導(dǎo)致水土資源的開發(fā)利用率不斷加大，而水土資源的供給是有限的，人類社會長期以來對水土資源和生態(tài)環(huán)境的不合理開發(fā)利用，往往會超出資源與環(huán)境的承載能力，破壞水土資源合理的匹配結(jié)構(gòu)，降低部分耕地資源的糧食生產(chǎn)能力，影響國家社會經(jīng)濟(jì)均衡發(fā)展¨。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，耕地的面積、質(zhì)量、利用程度及其區(qū)域分布差異對地區(qū)糧食生產(chǎn)能力具有決定性作用，而水利條件直接影響著耕地的生產(chǎn)效率。水與耕地匹配結(jié)構(gòu)不合理嚴(yán)重阻礙了區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的快速推進(jìn)，因此國家必須制定長期規(guī)劃目標(biāo)，將有限的水土資源進(jìn)行優(yōu)化配置利用。而對水土資源的匹配狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的評價和把握，則是開展相關(guān)工作的前提和基礎(chǔ)。

國外關(guān)于水土資源的研究側(cè)重于土地利用與水資源變化之間的相互影響和反饋作用，而探討水土資源匹配狀況的較少。國內(nèi)對水土資源匹配的研究很多，可分為兩類：一是進(jìn)行區(qū)域水土資源匹配的定量分析，將區(qū)域單位面積耕地所占有的水資源數(shù)量（水土匹配系數(shù)）作為匹配組合狀況的衡量指標(biāo)；二是將一個地區(qū)看作多個子區(qū)構(gòu)成的組合體，通過計算水土資源在各子區(qū)之間分布的不均衡程度，即該地區(qū)水資源與耕地資源的基尼系數(shù)來反映其匹配狀況。兩種方法計算原理不同，結(jié)果分析各有側(cè)重，水土匹配系數(shù)可以簡單直觀地反映一個地區(qū)水土資源的匹配程度，但無法進(jìn)一步認(rèn)識資源在區(qū)域內(nèi)部分配的不均衡程度：而基尼系數(shù)可以很好地反映水土資源在其內(nèi)部分配的不均衡性，但對于該地區(qū)及其各子區(qū)自身的水土資源匹配狀況缺乏定量分析。因此，兩種方法的特點決定了單獨利用其中一種進(jìn)行水土資源匹配程度的量化分析，所得量化結(jié)果在反映區(qū)域水土資源匹配狀況時都會存在一定局限和不足。

鑒于此，筆者在分析河南省水土資源匹配狀況時，將兩種方法綜合使用。首先以河南省及其18個地市為研究對象，計算其水土匹配系數(shù)，了解水土資源在河南省及其地市尺度上的匹配狀況：然后計算河南省水土資源基尼系數(shù)，量化認(rèn)知水土資源在河南省18個地市分布的不均衡性，以期更加全面、系統(tǒng)地了解河南省水土資源的匹配狀況。

1 研究區(qū)概況

河南省處于我國中部地區(qū)，下轄18個地級市，總面積為16.7萬km2。河南省從北向南跨越海河、黃河、淮河、長江四大流域，多年平均降水量為771.1mm，呈南多北少的態(tài)勢，并且降水量的年內(nèi)分配極不均衡，6-9月降水量占全年的45%～60%。省內(nèi)水資源情勢復(fù)雜，多年人均水資源占有量為420m3，僅為全國的20%，且時空分布不均。河南省是糧食生產(chǎn)大省，2014年糧食種植面積為1020.98萬hm2，糧食產(chǎn)量5772.3萬t，占全國總產(chǎn)量的1/10。

隨著河南省人口結(jié)構(gòu)變化和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，非農(nóng)業(yè)用水大幅增加，不可避免要擠占農(nóng)業(yè)用水，造成農(nóng)業(yè)用水形勢緊張。如何協(xié)調(diào)水資源利用與糧食生產(chǎn)是河南省未來一段時期需要重點考慮的問題。對于一個地區(qū)來說，水資源與耕地資源的空間分布將直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和用水格局，兩者良好的匹配組合將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力支撐。因此，筆者采用水土資源匹配測算模型、洛倫茨曲線和基尼系數(shù)方法，對河南省2000-2014年水土資源的匹配特征及不均衡性進(jìn)行分析，以期促進(jìn)區(qū)域水資源與耕地資源的協(xié)調(diào)利用，實現(xiàn)水安全和糧食生產(chǎn)安全雙重目標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選擇河南省18個地市2000-2014年的水資源總量、總用水量、農(nóng)業(yè)用水量、耕地面積等系列資料，分析河南省水與耕地的匹配特征及均衡性變化。所有數(shù)據(jù)均來源于河南省歷年統(tǒng)計年鑒和水資源公報。

2.2 研究方法

2.2.1 水土匹配系數(shù)計算方法

水土匹配系數(shù)是指區(qū)域內(nèi)平均每公頃耕地占有的水資源量，反映區(qū)域內(nèi)水資源和耕地資源的組合狀況以及水對耕地的滿足程度。水土匹配系數(shù)越大，能夠用于該區(qū)域的農(nóng)業(yè)水資源就越豐富，對區(qū)域內(nèi)耕地的滿足程度就越高、越有利于耕地的糧食生產(chǎn)：系數(shù)越小，能夠用于農(nóng)業(yè)的水資源量就越匱乏，而水資源作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)支撐條件，在區(qū)域內(nèi)的匹配程度越低，往往成為農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的制約性條件。

河南省地市尺度的水土匹配系數(shù)計算公式為式中：Rwli為第i個地市的水土匹配系數(shù)，萬m3/hm2：wt為第i個地市的水資源總量，萬m3；χi為第i個地市農(nóng)業(yè)用水量占用水總量的比例：Li為第i個地市的耕地面積，hm2；n為地市個數(shù)，河南省取18。

河南省尺度的水土匹配系數(shù)計算公式為式中：Rp為河南省水土匹配系數(shù)，萬m3/hm2：χp為河南省農(nóng)業(yè)用水量占用水總量的比例。

2.2.2 洛倫茨曲線與基尼系數(shù)計算方法

（1）基本原理。洛倫茨曲線1905年由美國著名科學(xué)家洛倫茨提出，用來比較和研究國家或地區(qū)居民收入分配的均衡性狀況。圖1橫坐標(biāo)x的含義為將人口分組按照經(jīng)濟(jì)收入的多少由低到高排序所獲得的人口數(shù)量累計百分比，縱坐標(biāo)y的含義為對應(yīng)收入的累計百分比。該曲線y=f（x）可以直接表達(dá)區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)收入的不均衡狀況，經(jīng)濟(jì)收入越均衡，該曲線越接近直線y=x；越不均衡，則該曲線越接近于x軸。

洛倫茨曲線的優(yōu)點是能夠圖形化展現(xiàn)收入分配的不均衡狀況，但無法對此進(jìn)行定量表達(dá)，這個時候就需要借助基尼系數(shù)。基尼系數(shù)G可以通過圖1中的直線y=x與曲線y=f（x）合圍區(qū)域的面積A，除以直線y=x與x軸圍成的區(qū)域面積（A+B）來進(jìn)行計算?；嵯禂?shù)G的值在0～1的范圍內(nèi)，可以作為統(tǒng)計指標(biāo)定量測量收入分配的不均衡程度?；嵯禂?shù)表達(dá)式為

基尼系數(shù)不但計算方法較為簡便，而且能客觀、準(zhǔn)確地評價居民收入的差距，于是很多學(xué)者在許多非經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域應(yīng)用基尼系數(shù)來分析和比較研究對象的總體匹配程度。聯(lián)合國相關(guān)機構(gòu)總結(jié)了基尼系數(shù)與其評價結(jié)果之間的對應(yīng)關(guān)系，見表1。

（2）繪制洛倫茨曲線。首先，計算河南省18個地市2000-2014年農(nóng)業(yè)水資源量與耕地面積分別占河南省總量的比例：然后，將每一年的區(qū)域水土匹配系數(shù)按從小到大排序，分別計算出農(nóng)業(yè)水資源量與耕地面積的累計百分比：最后，以耕地面積的累計百分比為x軸，以農(nóng)業(yè)水資源量的累計百分比為y軸，擬合河南省每年的區(qū)域水資源與耕地資源分布的洛倫茨曲線。若某年的水土資源匹配洛倫茨曲線越趨于直線y=x，則該年的水土資源匹配越均衡：反之表明水土資源匹配不夠均衡。通過繪制出的洛倫茨曲線可以直觀顯示河南省18個地市2000-2014年水資源與耕地資源空間分布的均衡情況。

（3）計算基尼系數(shù)?；嵯禂?shù)有多種算法，本文采用如下公式：式中：Mi為第i個地市的農(nóng)業(yè)水資源量累計百分比，n為地市個數(shù)；Pi為第i個地市的耕地面積累計百分比。本文選擇河南省18個地市進(jìn)行研究，故i從1到18取值。

2.3 水土資源匹配程度計算結(jié)果

根據(jù)上述計算方法，利用收集整理得到的數(shù)據(jù)對河南省18個地市的水土匹配系數(shù)進(jìn)行計算，2000-2014年河南省水土匹配系數(shù)見表3。然后，分別計算2000-2014年河南省農(nóng)業(yè)水資源量和耕地面積的累計百分比，繪制歷年的水土資源洛倫茨曲線圖。利用已有數(shù)據(jù)輸入公式可以獲得2000-2014年河南省的水土資源基尼系數(shù)（表2）。

3 結(jié)果分析

3.1 河南省水資源與耕地資源匹配格局的現(xiàn)狀分析

通過計算2000-2014年河南省18個地市的農(nóng)業(yè)水資源量、土地墾殖率、水土匹配系數(shù)3個量化指標(biāo)，使用ArcGIS軟件對省內(nèi)各個地市多年平均水土資源匹配狀況進(jìn)行研究，并將地市尺度與省域尺度的水土匹配系數(shù)進(jìn)行對比分析，以反映各地市水資源與耕地資源匹配組合狀況在空間上的差異性。

農(nóng)業(yè)水資源量是量化地區(qū)內(nèi)部能夠供農(nóng)業(yè)使用的水資源豐富程度的指標(biāo)，農(nóng)業(yè)水資源量越大，則農(nóng)業(yè)發(fā)展的用水保障能力就越強。2000-2014年河南省各地市農(nóng)業(yè)水資源量（見圖2）呈現(xiàn)的特點是豫南水量豐富，豫北水量短缺，東西兩側(cè)比中部水量多。河南省各地市農(nóng)業(yè)水資源量最多的區(qū)域是南部的信陽、南陽、駐馬店3個地級市。豫南降水較多，具有水資源稟賦優(yōu)勢，豫北和豫中地區(qū)水資源稟賦較差。

土地墾殖率是指某地區(qū)的耕地占該地區(qū)總面積的比例，是農(nóng)業(yè)開發(fā)規(guī)模和強度的量化指標(biāo)。2000-2014年河南省各地市土地墾殖率（見圖3）呈現(xiàn)的特點為豫東和豫北高，豫西和豫南低，由西南向東北方向遞增。該分布規(guī)律與河南省地形有關(guān)，豫西和豫南信陽市的地形以山地和丘陵為主，耕地資源連片開發(fā)利用較為困難，土地墾殖率較低：而豫東和豫北地區(qū)多為平原，土地平整，農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用率較高。

2000-2014年河南省各地市多年平均水土匹配系數(shù)為3080m3/hm2，從18個地市來看，豫南和豫西6個地市的水土匹配系數(shù)大于河南省平均值，其余12個地市的水土匹配系數(shù)小于河南省平均值，各地市水土匹配系數(shù)的空間分布與農(nóng)業(yè)水資源量、土地墾殖率相比具有明顯的空間差異性（見圖4）。豫南的信陽市、駐馬店市水土匹配系數(shù)最高，原因是這2個地區(qū)一方面農(nóng)業(yè)水資源量較多，另一方面土地墾殖率較低，因而水土資源匹配程度較高，政府應(yīng)積極修建農(nóng)田水利灌溉設(shè)施，促進(jìn)水利條件發(fā)揮潛能，支撐農(nóng)業(yè)發(fā)展。豫西的濟(jì)源市、三門峽市、焦作市農(nóng)業(yè)水資源量分布較少，土地墾殖率相對較低，造成水土資源匹配程度一般。豫中地區(qū)的鄭州市等3個地區(qū)的水資源與耕地資源匹配程度最差，是其水資源數(shù)量相對短缺，而耕地資源相對豐富造成的，政府應(yīng)加強水利設(shè)施建設(shè)，提高水資源利用率。2000-2014年河南省18個地市多年平均水土匹配系數(shù)最大的是信陽市（8782m3/hm2），最小的是許昌市（1193m3/hm2），與省域尺度水土匹配系數(shù)3080m3/hm2對比存在空間差異性。2000-2014年河南省水土資源基尼系數(shù)平均值為0.29，屬于比較平均的合理范圍之內(nèi)，說明河南省水土資源空間匹配總體比較均衡，作為農(nóng)業(yè)大省的總體基礎(chǔ)較好，但仍要重視省內(nèi)地市之間存在的水土資源差異性，才能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與水土資源高效利用。

3.2 河南省水資源與耕地資源匹配格局的變化分析

通過繪制河南省水土資源洛倫茨曲線，可以發(fā)現(xiàn)河南省各地市的水土資源匹配具有顯著的不均衡性，并且歷年的不均衡程度有較大變化。通過分析2000-2014年河南省全省的農(nóng)業(yè)用水比例、水土匹配系數(shù)和基尼系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)河南省水土資源匹配程度在時間上具有規(guī)律性。用水結(jié)構(gòu)的變動與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展息息相關(guān)。2000-2014年河南省農(nóng)業(yè)用水比例平均值為0.596，15a來呈現(xiàn)穩(wěn)中有降的變化趨勢（見圖5），農(nóng)業(yè)用水比例從2000年的0.655下降到2014年的0.538。原因：一方面是隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，工業(yè)和生活用水比例上升：另一方面是節(jié)水農(nóng)業(yè)得到發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水效率不斷提升，農(nóng)業(yè)用水量得到控制，因而造成農(nóng)業(yè)用水比例下降。

2000-2014年河南省省域尺度的水土匹配系數(shù)的平均值為3080m3/hm2，15a來呈劇烈波動的下降趨勢（見圖6）。例如2001年為枯水年份，而2003年汛期雨量偏多，降水量比上年增加52.5%，導(dǎo)致水土匹配系數(shù)從2001年的2114m3/hm2增大到2003年的5467m3/hm2，原因是多年來河南省耕地資源具有相對穩(wěn)定性，但水資源具有隨機變化性，因而導(dǎo)致水土匹配系數(shù)變化較大。隨著時間的推進(jìn)，匹配系數(shù)的變化幅度越來越小，2014年河南省省域尺度水土匹配系數(shù)僅為1903m3/hm2，反映出隨著水利工程建設(shè)發(fā)展，水資源可利用量趨于穩(wěn)定，再加上用水結(jié)構(gòu)的調(diào)整，工業(yè)用水和城鄉(xiāng)生活環(huán)境用水比例提升，耕地所能利用的農(nóng)業(yè)水資源在數(shù)量上呈現(xiàn)出下降的趨勢。2000-2014年河南省各地市的水土資源匹配系數(shù)變化具有明顯的差異性，省會鄭州市2000年的水土匹配系數(shù)為2451m3/hm2，而2014年僅有653m3/hm2，2011-2014年鄭州市水土匹配系數(shù)均為全省最小值，這與鄭州市的產(chǎn)業(yè)布局和用水變化息息相關(guān)。信陽市2014年的水土匹配系數(shù)為4793m3/hm2，表明該市具有水資源稟賦優(yōu)勢，水土匹配系數(shù)多年來始終位于全省前列。

基尼系數(shù)能夠反映出河南省水資源與耕地資源之間匹配組合的不均衡狀況。2000-2014年河南省水土資源匹配基尼系數(shù)平均值為0.29，15a年來呈小幅波動、總體穩(wěn)定趨勢（見圖7），最大的為2002年的0.41，剛突破聯(lián)合國建議的警戒線，而其他年份都穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)，水資源與耕地資源匹配組合比較均衡。這說明河南省作為糧食生產(chǎn)大省，政府對水資源和耕地資源一直非常重視，多年來的農(nóng)田開發(fā)和水利工程建設(shè)使水土資源匹配的不均衡程度處于合理范圍內(nèi)。

水與耕地的根本問題并不是資源數(shù)量不足，而是水資源在時間和空間上分布不均與耕地資源開發(fā)利用匹配結(jié)構(gòu)不均衡等原因造成的資源利用效率不高。在河南省范圍內(nèi)進(jìn)行水土資源空間匹配的定量研究，對于河南省水與耕地資源的科學(xué)配置和高效利用意義重大。研究發(fā)現(xiàn)，信陽、濟(jì)源、駐馬店等地市的水土匹配系數(shù)較高，突出表現(xiàn)為“水多地少”的水土資源不匹配格局，需要充分重視洪澇災(zāi)害對農(nóng)作物生產(chǎn)的影響，一方面加強農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，增強農(nóng)田的防洪除澇能力，另一方面要強化當(dāng)?shù)匾约芭c其他地區(qū)之間的江河湖庫水系連通，增強當(dāng)?shù)厮Y源調(diào)蓄能力。對于鄭州、許昌、漯河等地區(qū)水土匹配系數(shù)較低的“水少地多”的資源不匹配狀況，一方面應(yīng)從土地利用角度改善農(nóng)田灌溉條件，積極完善農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施，提高水資源的利用效率，另一方面需調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，積極發(fā)展低耗水、高價值的農(nóng)產(chǎn)品，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)用水效益。對于水土資源相對比較均衡的周口、鶴壁、新鄉(xiāng)等地區(qū)，在水資源和耕地資源維持現(xiàn)狀格局的情況下，通過一系列工程和非工程措施建設(shè)以及農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，進(jìn)一步優(yōu)化水土資源利用，使水土匹配格局的優(yōu)勢及效能發(fā)揮到最大。此外，在改善區(qū)域水土資源匹配的不均衡狀況時，必須堅持政府管控與市場機制兩手發(fā)力，合理制定農(nóng)業(yè)水價政策與水權(quán)交易制度，持續(xù)提升農(nóng)業(yè)用水效率，節(jié)約和保護(hù)珍貴的農(nóng)業(yè)用水，逐步消除制約區(qū)域農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的不利因素，推動區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)社會均衡發(fā)展，為保障我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全發(fā)揮積極作用。

4 結(jié)語

水土匹配系數(shù)不僅可以用在地市尺度上進(jìn)行橫向比較，將不同地市作為研究對象分析個體之間的空間差異性，還可以將河南省總體與每個地市的水土匹配系數(shù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ取Ｂ鍌惔那€和基尼系數(shù)體現(xiàn)了各地市之間差距情況，是各地市水土資源分布差異性的綜合反映。水土匹配系數(shù)和基尼系數(shù)的組合運用可以作為一種資源匹配程度和均衡性分析的數(shù)據(jù)挖掘方法，用于分析水土資源的匹配特征及區(qū)域內(nèi)部分布的不均衡情況。

通過分析河南省水土資源分布的基本狀況，評估河南省及其18個地市2000-2014年水土資源匹配的均衡程度，可以發(fā)現(xiàn)：①河南省南部水量豐富，北部水量短缺，東西兩側(cè)比中部水量多，水循環(huán)造成了區(qū)域水量分布非常不均衡：而河南省耕地資源豐富，空間分布具有相對穩(wěn)定性。②河南省水資源量相對短缺，部分地市水土匹配均衡程度不夠理想。2000-2014年河南省各地市多年平均水土匹配系數(shù)為3080m3/hm2，南部和西部水土匹配狀況較優(yōu)，而中部地區(qū)水土匹配狀況較差。③2000-2014年河南省水土資源匹配基尼系數(shù)平均值為0.29，表明全省水土匹配狀況總體比較均衡。