基于地表覆蓋數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局分析
——以遼寧省為例

黃超，王亮，李西燦，張玉

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 信息科學與工程學院，山東 泰安 271018；2. 中國測繪科學研究院，北京 100036)

0 引言

農(nóng)業(yè)水土資源是指可利用的水資源與耕地資源，農(nóng)業(yè)水土資源態(tài)勢事關農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，水土資源匹配嚴重錯位限制糧食增長[1]。水資源與耕地資源比例的多少直接影響著耕地資源的有效利用程度和糧食產(chǎn)量的產(chǎn)出。遼寧省地勢平坦、土壤肥沃，是我國重要糧食生產(chǎn)基地，但是在人類活動的干擾下，水土資源匹配越來越差，其耕地面積占全國3.93%，但是其水源面積僅占全國的1.60%，相對于耕地資源來說，水資源相對短缺，其水土資源匹配狀況亟待解決。

目前，學者對農(nóng)業(yè)水土資源研究廣泛，研究方法主要有單位面積耕地水資源量法[2-3]和基尼系數(shù)法[4-5]2種方法。在研究尺度上，多數(shù)學者基于這2種方法以市域[6-7]、縣域[8-9]為基本單元對不同尺度區(qū)域[10-11]水土資源匹配現(xiàn)狀進行研究與分析，且以分析水土匹配現(xiàn)狀為主，未從微觀角度反映水土匹配對糧食產(chǎn)量的影響。本文基于地理國情監(jiān)測成果地表覆蓋數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析[12]，以格網(wǎng)為基本研究單元，將水土匹配系數(shù)與糧食產(chǎn)量分布現(xiàn)狀相結合，分析遼寧省水土資源空間分布格局及其匹配現(xiàn)狀并提出合理化建議，為科學開發(fā)水資源與耕地資源、提高耕地利用效率提供技術支撐。

1 研究區(qū)狀況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省位于中國東北地區(qū)的南部，地理坐標介于118°53′E～125°46′E，38°43′N～43°26′N之間，土壤肥沃，是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)。遼寧省屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，境內(nèi)雨熱同季，日照豐富，積溫較高，雨量不均，東濕西干，年降水量在600～1 100 mm之間。遼寧省境內(nèi)有大小河流300余條，其中流域面積在5 000 km2以上的有17條，地表水資源豐富。區(qū)域土壤類型主要以草甸土和潮土為主，土壤肥沃，適宜種植農(nóng)作物。但在人類活動的干擾下，農(nóng)業(yè)水土資源匹配越來越差，相對于耕地資源來說，水資源相對短缺，制約著糧食產(chǎn)量。

1.2 數(shù)據(jù)來源

遼寧省地表覆蓋數(shù)據(jù)來自全國地理國情監(jiān)測成果數(shù)據(jù)集，地表覆蓋內(nèi)容指標包含種植土地、林草覆蓋、房屋建筑區(qū)等8個一級類，監(jiān)測時間點為2017年，數(shù)據(jù)采用2000中國大地坐標系；糧食產(chǎn)量分別來自“中國統(tǒng)計信息網(wǎng)”(http：∥www.tjcn.org)各市2017年《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》。

遼寧省地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理過程主要包括：根據(jù)地理國情地表覆蓋數(shù)據(jù)計算遼寧省耕地面積與水域用地總面積；制作生成遼寧省境內(nèi)1 km×1 km地理格網(wǎng)單元，計算以地理格網(wǎng)為單元的遼寧省地表覆蓋數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)庫查詢操作，獲取每個格網(wǎng)單元內(nèi)用地類型面積，生成滿足水土匹配格局分析需要的數(shù)據(jù)集。

2 研究方法

本文提出基于格網(wǎng)單元分析水土匹配系數(shù)與糧食產(chǎn)量的空間分布關系，具體方法如下所述。

2.1 水土匹配系數(shù)

水土匹配系數(shù)是反映特定區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可供的水資源和耕地資源時空適宜匹配的量比關系，采用單位面積耕地可擁有的水資源量來表示[3]。水土資源匹配系數(shù)越大，表明用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源越豐富，越有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；水土資源匹配系數(shù)越小，表明用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源越少。

本文根據(jù)2017地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)，用農(nóng)業(yè)地表用水和耕地面積測算水土匹配系數(shù)，其計算模型為：

(1)

式中：Ri為水土匹配系數(shù)；Wi為i的水域面積(104hm2)；Li為i的耕地面積(104hm2)；n為遼寧省內(nèi)測算單元個數(shù)。

遼寧省內(nèi)各地級市平均水土資源匹配系數(shù)反映了遼寧省內(nèi)市域水土匹配的平均水平。首先將各格網(wǎng)內(nèi)水土匹配系數(shù)進行歸一化處理，使得格網(wǎng)內(nèi)水土匹配系數(shù)均在0～1之間。其測算模型如下：

(2)

(3)

2.2 糧食產(chǎn)量空間化

糧食產(chǎn)量空間化的目的是把按行政區(qū)統(tǒng)計的糧食產(chǎn)量以一定的規(guī)則分解到每一個柵格中去。首先利用地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到各市耕地面積與1 km×1 km格網(wǎng)內(nèi)的耕地面積計算比重，計算公式如下：

(4)

式中：Ymj表示m市內(nèi)第j個格網(wǎng)內(nèi)耕地面積占市域耕地面積比重；amj表示m市內(nèi)第j個格網(wǎng)內(nèi)耕地面積(104hm2)；Am表示第m個市內(nèi)耕地面積(104hm2);m為遼寧省地級市個數(shù)。

然后計算格網(wǎng)內(nèi)糧食產(chǎn)量，計算公式如下：

Qmj=Fm×Ymj(m=1，2，3，…，m)

(5)

式中：Qmj表示m市內(nèi)第j個格網(wǎng)內(nèi)糧食產(chǎn)量(104t)；Fm表示第m市糧食總產(chǎn)量(104t)；Ymj表示m市內(nèi)第j個格網(wǎng)內(nèi)耕地面積占市域耕地面積比重;m為遼寧省地級市個數(shù)。

2.3 分析評價流程

本文以遼寧省地表覆蓋數(shù)據(jù)為基礎，對數(shù)據(jù)進行預處理，統(tǒng)計遼寧省1 km×1 km格網(wǎng)的水域面積與耕地面積。比較遼寧省水土匹配格局與糧食產(chǎn)量分布之間的聯(lián)系并提出合理化建議，技術路線圖如圖1所示。

圖1 技術路線圖

3 研究結果及分析

本文根據(jù)地理國情分類體系，統(tǒng)計種植土地下二級類旱地、水田為耕地資源，首先分析遼寧省農(nóng)業(yè)水土資源分布現(xiàn)狀，然后分別計算遼寧省1 km×1 km格網(wǎng)下的水土匹配系數(shù)、糧食產(chǎn)量，分析基于小尺度的農(nóng)業(yè)水土資源匹配現(xiàn)狀，分析結果如下所示。

3.1 農(nóng)業(yè)地表水資源與耕地資源分布現(xiàn)狀

以1 km×1 km格網(wǎng)為基本單元，水域面積占比為度量指標，把1 km×1 km格網(wǎng)內(nèi)水域面積占比分為4個等級，其空間分布圖如圖2所示。整體來看，遼寧省中部地區(qū)水域面積占比高于東、西部地區(qū)；分地級市來看，水域面積占比較大的地區(qū)主要分布在盤錦、營口西北部、鞍山西部、錦州東部、遼陽西部以及沈陽南部地區(qū)。以1 km×1 km格網(wǎng)為基本單元，耕地面積占比為度量指標，將遼寧省內(nèi)1 km×1 km格網(wǎng)內(nèi)耕地面積占比分為4個等級，其空間分布圖如圖3所示。整體來看，中部地區(qū)耕地面積占比高于東、西部地區(qū)，西部地區(qū)優(yōu)于東部地區(qū)；分地級市來看，耕地面積占比較高的地區(qū)主要分布在鐵嶺西部、沈陽、阜新、錦州、盤錦北部、遼陽西部地區(qū)。水域與耕地資源占比較高的地區(qū)均分布在中部地區(qū)，但東、西部地區(qū)占比分布存在差異。

圖2 遼寧省農(nóng)業(yè)地表水空間分布圖

圖3 遼寧省耕地資源空間分布圖

3.2 遼寧省農(nóng)業(yè)水土匹配格局分析

基于2017年地理國情監(jiān)測中的地表覆蓋數(shù)據(jù)，運用水土匹配系數(shù)測算模型，計算遼寧省以1 km×1 km格網(wǎng)為基本單元的農(nóng)業(yè)地表水與耕地資源匹配格局，將水土匹配系數(shù)分為4個等級并在遼寧省區(qū)劃圖上將不同等級進行差異區(qū)分，如圖4所示，紅框內(nèi)表示遼寧省水土匹配系數(shù)較高的地區(qū)。

圖4 遼寧省1 km×1 km格網(wǎng)水土匹配系數(shù)分布圖

根據(jù)圖4得出遼寧省水土匹配格局呈階梯型分布，整體呈中部地區(qū)優(yōu)于東、西部地區(qū)，東部地區(qū)優(yōu)于西部地區(qū)；在中部地區(qū)，南部優(yōu)于北部地區(qū)。水土匹配系數(shù)較大的地區(qū)主要分布在營口西北部、遼陽西部、沈陽南部、盤錦、大連南部地區(qū)。

對遼寧省1 km×1 km格網(wǎng)內(nèi)水土匹配系數(shù)進行歸一化處理并擴大100倍，得到遼寧省各地級市平均水土匹配系數(shù)，如表1、圖5所示。遼寧省內(nèi)有2個地級市平均水土匹配系數(shù)超過10，最大的為盤錦市，平均水土匹配系數(shù)為19.44。平均水土匹配系數(shù)最小的是阜新市，為0.22。

表1 遼寧省地級市平均水土匹配系數(shù)

遼寧省平均水土匹配系數(shù)為4.56。各市平均水土匹配系數(shù)如圖5所示，遼寧省共有5個地級市的平均水土匹配系數(shù)超過遼寧省平均值，分別為盤錦、大連、營口、丹東、本溪；有4個地級市的平均水土匹配系數(shù)小于1。

圖5 遼寧省各市平均水土匹配系數(shù)

以遼寧省1 km×1 km格網(wǎng)為基本單元，遼寧省各市糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)為基礎，用2.2節(jié)中的方法將糧食產(chǎn)量進行空間化，并把1 km×1 km格網(wǎng)的糧食產(chǎn)量劃分為4個等級，且在遼寧省行政區(qū)劃圖上對不同區(qū)域進行差異劃分，如圖6所示，紅框內(nèi)為遼寧省糧食產(chǎn)量較高的地區(qū)?？梢钥闯鲞|寧省糧食產(chǎn)量呈階梯型分布，中部糧食產(chǎn)量高于東、西部地區(qū)，西部地區(qū)產(chǎn)量高于東部地區(qū)。糧食產(chǎn)量較高的地區(qū)主要分布在盤錦、錦州北部、遼陽西部、鐵嶺西北部、沈陽市，這幾個市的糧食產(chǎn)量占全省糧食產(chǎn)量的50%。

圖6 遼寧省1 km×1 km格網(wǎng)糧食產(chǎn)量分布圖

比較圖4、圖6得出，遼寧省水土匹配分布格局與遼寧省糧食產(chǎn)量分布相關，總體來說遼寧省水土匹配系數(shù)與糧食產(chǎn)量一致，主要分布在遼寧省中部地區(qū)。但東部地區(qū)與西部地區(qū)糧食產(chǎn)量與水土匹配存在空間錯位現(xiàn)象，因為遼寧省東部地區(qū)為長白山支脈哈達嶺和龍崗山的延續(xù)部分，坡度在25°以上，不適宜耕種農(nóng)作物，所以東部地區(qū)即使水土匹配現(xiàn)狀較好但其糧食產(chǎn)量卻最低。

以格網(wǎng)為單元進行分析，在水土匹配系數(shù)較高的地區(qū)其糧食產(chǎn)量反而很低，糧食產(chǎn)量較高的地區(qū)主要分布在水土匹配系數(shù)較高的周圍地區(qū)，因本文計算水土匹配系數(shù)選取水域面積為指標，在面積相同的區(qū)域內(nèi)，水域面積占比越大，其耕地面積占比相對越小，耕地面積越小，其糧食產(chǎn)量則越低，所以水土匹配系數(shù)最高的地區(qū)其糧食產(chǎn)量反而較低。但鄰近區(qū)域可以通過興修水利工程獲得水資源，所以在鄰近水土匹配系數(shù)較高的區(qū)域其糧食產(chǎn)量相對較高，例如水土匹配系數(shù)較高地區(qū)與糧食產(chǎn)量較高地區(qū)都分布在中部地區(qū)，這說明水土匹配情況與糧食產(chǎn)量有關系，水土匹配情況好壞影響糧食產(chǎn)量高低。

4 結束語

本文以遼寧省地表覆蓋數(shù)據(jù)為基礎，分析遼寧省農(nóng)業(yè)水土匹配現(xiàn)狀及其空間分布格局，并與遼寧省糧食產(chǎn)量空間分布格局相結合，根據(jù)分布現(xiàn)狀提出提高糧食產(chǎn)量的合理化建議，為合理化開發(fā)水資源與耕地資源提供技術支持。研究結果表明：遼寧省水土資源空間分布不均，耕地資源中部最多，西部多于東部；水資源中部最多，東部多于西部，水土資源分布存在空間錯位現(xiàn)象。遼寧省有5個地級市平均水土匹配系數(shù)超過遼寧省平均值，其中盤錦市平均水土匹配系數(shù)最大，為19.44。農(nóng)業(yè)水土匹配空間分布格局為中部地區(qū)優(yōu)于東、西部地區(qū)，東部地區(qū)優(yōu)于西部地區(qū)，水土匹配情況最好的地區(qū)主要分布在中南部。糧食產(chǎn)量空間分布格局為中部地區(qū)優(yōu)于東、西部地區(qū)，西部地區(qū)高于東部地區(qū)。中部地區(qū)糧食產(chǎn)量分布與水土匹配空間分布格局相同，東、西部地區(qū)水土匹配現(xiàn)狀與糧食產(chǎn)量分布存在空間錯位現(xiàn)象?？傮w來說，水土匹配好壞影響糧食產(chǎn)量高低。

基于以上研究，針對不同地區(qū)水土匹配情況提出以下建議：中部地區(qū)政府應加大力度保護水資源，在水土匹配較好的地區(qū)根據(jù)當?shù)氐臍夂虻绕渌蛩乜稍黾有杷枯^多的農(nóng)作物的種植。東部地區(qū)應根據(jù)地形、氣候等條件選擇適宜的農(nóng)作物進行種植。西部地區(qū)應根據(jù)水土匹配現(xiàn)狀，興修水利或種植耗水少、耐干旱的農(nóng)作物，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，加大像噴灌、微灌等高效農(nóng)業(yè)節(jié)水體系的建設，以期提高糧食產(chǎn)量。

雖然本文對遼寧省水土匹配現(xiàn)狀與糧食產(chǎn)量現(xiàn)狀進行了研究，但是仍存在不足之處。首先本文水資源采用的地理國情監(jiān)測地表覆蓋數(shù)據(jù)中的水域為地表水資源，未能考慮地下水資源；其次糧食產(chǎn)量還受地形、化肥用量、農(nóng)用機械總動力、氣溫、日照數(shù)等因素的影響。在以后的研究中將考慮以上因素，提高水土匹配分布準確度和糧食產(chǎn)量空間化精度。