喀斯特山區(qū)文山市水土資源利用變化特征及耦合研究

譚 琨, 趙祖軍, 趙筱青, 普軍偉, 李代璽, 李思楠, 苗培培, 王 茜

(1.云南大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500; 2.云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,昆明 650034; 3.云南省文山州氣象局, 云南 文山 663000)

當(dāng)前中國正處于城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的快速發(fā)展階段，高強度的人類活動對水土資源利用的廣度和深度在不斷增強。中國經(jīng)濟的騰飛是以自然資源尤其是土地資源和水資源的過度消耗為代價的[1-3]，且由水土資源耦合利用矛盾導(dǎo)致的資源開發(fā)利用效率低、生態(tài)環(huán)境惡化和社會經(jīng)濟發(fā)展滯后等問題尤為突出，嚴(yán)重限制了區(qū)域水土資源高效可持續(xù)利用和社會經(jīng)濟發(fā)展。因此，對區(qū)域水土資源耦合協(xié)調(diào)的研究逐漸成為促進(jìn)水土資源合理開發(fā)利用、水土資源優(yōu)化配置及調(diào)控和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的熱點問題[4-7]。

耦合協(xié)調(diào)系統(tǒng)一般是指兩個或兩個以上系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部各要素的相互影響、相互作用的關(guān)系和協(xié)調(diào)程度狀況[8]，耦合協(xié)調(diào)研究有利于促進(jìn)系統(tǒng)之間、系統(tǒng)各要素或系統(tǒng)與要素的結(jié)構(gòu)調(diào)整和功能優(yōu)化，使其向正向方向演替。水土資源系統(tǒng)是一個綜合復(fù)雜的整體系統(tǒng)，把水土資源耦合系統(tǒng)作為一個整體進(jìn)行研究有利于促進(jìn)水土資源關(guān)系朝正向發(fā)展，提高水土資源利用效率，增強水土資源承載力。

水土資源耦合研究早期主要集中于水資源系統(tǒng)或土地資源系統(tǒng)內(nèi)部，較少考慮外部因素的影響，以概念、模型方法和耦合規(guī)律的探討為主[9-10]，但隨著資源的消耗、環(huán)境的破壞和城市化的發(fā)展，國外有學(xué)者逐漸將水資源與土地資源看作一個相互影響、相互聯(lián)系和相互制約的整體進(jìn)行綜合研究[11-15]，但主要集中在對流域或城市水資源與土地資源關(guān)系尤其是土地利用對水質(zhì)的影響方面。國內(nèi)對水土資源耦合的研究主要集中在水土資源優(yōu)化配置、水土資源與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、水土資源與城市化、生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟和土地生態(tài)安全與社會經(jīng)濟5個方面[16-20]。研究方法主要包括耦合協(xié)調(diào)度模型、綜合指數(shù)法、信息熵值法、壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)模型和GIS空間評價分析法等[21-25]，其中，耦合協(xié)調(diào)度模型應(yīng)用最廣泛，因為該方法操作性和應(yīng)用性都較強。研究對象主要集中在對流域、城市、開發(fā)區(qū)和海灣等宏觀尺度的水土資源相互作用關(guān)系及耦合規(guī)律的探討[26-28]，對小尺度區(qū)域的水土資源耦合研究較少。

喀斯特山區(qū)水土資源利用問題已成為制約區(qū)域產(chǎn)業(yè)和社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵因素。然而，人們對喀斯特山區(qū)的水土資源耦合研究很少，亟需探究喀斯特山區(qū)在水土資源開發(fā)利用過程中的耦合協(xié)調(diào)狀況，為水土資源合理利用與保護(hù)、水土資源調(diào)控和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。因此，研究以滇東南典型喀斯特山區(qū)文山市為例，在大量實地調(diào)研和水土資源時空變化特征分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建適用于喀斯特山區(qū)的水土資源耦合系統(tǒng)評價指標(biāo)體系和協(xié)調(diào)分類體系，并運用水土資源耦合協(xié)調(diào)度模型結(jié)合GIS技術(shù)，實現(xiàn)對水土資源耦合協(xié)調(diào)度空間柵格尺度的評價和分析，以期為喀斯特山區(qū)的空間水土資源耦合及優(yōu)化調(diào)控研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

文山市位于中國西南云南省東南部的典型高原喀斯特山區(qū)(圖1)，地處103°43′0″—104°27′59″E，23°05′32″—23°42′59″N。全市土地總面積為2 965.18 km2，山區(qū)、半山區(qū)占土地總面積的90%，海拔高差2 373 m，地形復(fù)雜，地勢西北高、東南低。土地石漠化嚴(yán)重，2017年石漠化面積占土地總面積的19.24%，是中國生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一。2017年土地利用類型以林地和耕地為主，分別占土地總面積的44.03%，42.69%，建設(shè)用地僅占4.49%，最少的是園地，占0.54%。2017年年均降水量為1 163.97 mm，水資源總量為12.8億m3，水資源開發(fā)利用率僅為6.42%；文山市2017年用水總量為2.13億m3，其中，農(nóng)業(yè)用水量為1.22億m3，占總用水量比例最大，達(dá)到57.28%，工業(yè)用水量和生活用水量分別為0.52億m3，0.34億m3，分別占總用水量的24.50%，15.90%，生態(tài)用水量為0.05億m3，僅占2.31%。2017年全市總?cè)丝跒?0.46萬人，城鎮(zhèn)化率為58.6%，人均GDP 45 723元?？λ固厣絽^(qū)文山市水土資源短缺問題非常突出，水土資源利用嚴(yán)重影響著區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展。

圖1 研究區(qū)區(qū)位

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

2017年遙感影像數(shù)據(jù)采用歐洲太空局開放存取中心(https:∥scihub.copernicus.eu/)10 m空間分辨率的Sentinel-2A數(shù)據(jù)，2000年、2010年采用美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，USGS)30 m空間分辨率的Landsat數(shù)據(jù)，基于ENVI 5.1和ArcGIS 10.2軟件，對3期遙感影像進(jìn)行人機交互式土地利用類型(耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地和水域等)和石漠化的解譯，并選取了195個樣本點到實地驗證解譯結(jié)果，解譯精度達(dá)到88.18%，滿足研究需要。水資源數(shù)據(jù)來源于多年多時段的《文山市水資源綜合規(guī)劃》、《文山州水資源公報》和文山市氣象局監(jiān)測數(shù)據(jù)；土地資源數(shù)據(jù)主要是基于遙感解譯結(jié)果，通過ArcGIS 10.2軟件空間分析技術(shù)得到；人口、GDP和糧食產(chǎn)出數(shù)據(jù)來源于文山市統(tǒng)計局統(tǒng)計年鑒，并通過GIS技術(shù)對各行政區(qū)賦值插值得到其空間評價結(jié)果。

年降水量通過氣象站點監(jiān)測數(shù)據(jù)空間插值得到，其他水資源各指標(biāo)運用GIS技術(shù)通過分流域或行政區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)賦值空間插值得到；耕地面積比例、農(nóng)業(yè)用地面積比例、建設(shè)用地面積比例、林地覆蓋率、石漠化面積比例和土地開發(fā)利用率通過ArcGIS 10.2軟件從解譯結(jié)果中提取，然后對各地類分別賦值，并將其生成為100 m×100 m的漁網(wǎng)，以漁網(wǎng)柵格中心點值插值得到；土壤侵蝕量采用降雨量插值、GIS的Hydrology模塊、NDVI和RUSLE模型等計算得到；人均耕地面積和單位耕地糧食產(chǎn)出通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)賦值空間插值得到。所有空間數(shù)據(jù)都統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為WGS84-UTM48N投影坐標(biāo)系，根據(jù)研究區(qū)實際情況、圖斑大小和多次試驗結(jié)果，上圖單元空間尺度確定為30 m×30 m。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標(biāo)體系及權(quán)重確定 依據(jù)喀斯特山區(qū)文山市水土資源利用特點和野外實地調(diào)研結(jié)果，遵循代表性、典型性、可獲取性和科學(xué)性等原則，從水資源系統(tǒng)和土地資源系統(tǒng)兩個方面，共選取了18個指標(biāo)深入分析其時空變化特征，并以此構(gòu)建水土資源耦合評價指標(biāo)體系(表1)。喀斯特山區(qū)文山市水資源的雙層空間結(jié)構(gòu)，地表水極易漏失，加之石漠化面積廣泛分布，土地退化嚴(yán)重，水土保持能力差，地表水極難存儲，水資源短缺問題非常突出，水資源利用問題已成為限制喀斯特山區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。另一方面，喀斯特山區(qū)可供利用的耕地和建設(shè)用地資源非常少，利用難度較大，水土流失嚴(yán)重，土地產(chǎn)出效益很低，進(jìn)行土地利用狀況的研究顯得尤為迫切。因此，為了更好地研究喀斯特山區(qū)水土資源系統(tǒng)在開發(fā)利用過程中的耦合協(xié)調(diào)水平，選取了較多的利用性指標(biāo)。通過最小—最大(min-max)極值標(biāo)準(zhǔn)化法對評價指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，運用熵值法計算各指標(biāo)權(quán)重[29-30]。

表1 喀斯特山區(qū)文山市水土資源耦合評價指標(biāo)體系

2.2.2 水土資源時空變化特征分析方法 基于選取的水資源和土地資源各指標(biāo)，運用遙感和GIS空間分析及統(tǒng)計技術(shù)，分別對2000年、2010年、2017年的各水土資源指標(biāo)進(jìn)行空間制圖，并通過統(tǒng)計方法，分析喀斯特山區(qū)水土資源時空變化特征。

2.2.3 水土資源耦合協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建

(1) 耦合度模型構(gòu)建。耦合度是指兩個或兩個以上系統(tǒng)之間相互作用的程度，這里指水資源和土地資源兩個系統(tǒng)相互作用相互影響的程度。

C=n{(θ1×θ2×…×θn)/(θ1+θ2+…+θn)n}1/n

(1)

式中:θn為子系統(tǒng)綜合評價指數(shù)；n為子系統(tǒng)數(shù)量；C為耦合度。由于這里只有水資源和土地資源2個子系統(tǒng),所以n=2,故C=2{(θ1×θ2)/(θ1+θ2)2}1/2，θ1和θ2分別為水資源和土地資源系統(tǒng)綜合評價指數(shù)。

(2) 協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建。協(xié)調(diào)度是指子系統(tǒng)之間或系統(tǒng)要素間相互作用過程中耦合程度的大小，這里指水資源和土地資源兩個系統(tǒng)的耦合程度大小。

D=(C×T)1/2

(2)

式中:D為水土資源系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度；T為水資源和土地資源的綜合協(xié)調(diào)指數(shù),用以反映區(qū)域水土資源系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)效應(yīng)；T=αθ1+βθ2,α和β分別為水資源系統(tǒng)和土地資源系統(tǒng)貢獻(xiàn)度待定系數(shù),由于水土資源系統(tǒng)相互影響相互作用,兩個子系統(tǒng)作用相同,因此取α=β=0.5。

(3) 水土資源耦合協(xié)調(diào)分類體系。為充分反映水資源系統(tǒng)和土地資源系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)程度，參考相關(guān)研究成果，依據(jù)協(xié)調(diào)度計算結(jié)果大小，對水土資源系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度進(jìn)行分類，將喀斯特山區(qū)文山市水土資源系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)程度分為極度協(xié)調(diào)、高度協(xié)調(diào)、中度協(xié)調(diào)、低度協(xié)調(diào)和失調(diào)衰退5個等級(表2)。

表2 喀斯特山區(qū)文山市水土資源耦合協(xié)調(diào)分類體系

3 結(jié)果與分析

3.1 喀斯特山區(qū)水資源時空變化特征

3.1.1 水資源量變化特征 2000年、2010年、2017年的年降水量平均值分別為861.04，799.85，1 163.97 mm，2010年文山市正逢大旱，降水稀少，而2017年區(qū)域平均降雨偏多，水資源較豐富。2000—2017年降水量較多的區(qū)域由南部→東南部→西南部轉(zhuǎn)移，北部降水量一直偏少；2000—2017年市域西南部和東南部人均水資源量較多，其他區(qū)域較少，這與年降水量的空間分布一致，因為降水為區(qū)域水資源量的主要來源(圖2)。

圖2 不同年份的評價指標(biāo)結(jié)果

3.1.2 產(chǎn)業(yè)用水量變化特征 2000—2017年，農(nóng)業(yè)用水量由南部較多向東南部轉(zhuǎn)移，這主要與東南部的人口快速增長和耕地開墾較多有關(guān)；2000—2017年由于工業(yè)企業(yè)的不斷增多，工業(yè)用水量不斷增加，工業(yè)用水量主要集中在北部工業(yè)片區(qū)，其次是中東部市區(qū)，其他區(qū)域很少，但到2017年呈現(xiàn)出向南部和東部擴張的趨勢，這與東南部的產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展有較大關(guān)系；生活用水量不斷增加，且主要集中在文山市城區(qū)，但到2017年明顯呈現(xiàn)出東南部多于西北部的特征，這與東南部的人口增加和產(chǎn)業(yè)發(fā)展有關(guān)；生態(tài)用水量不斷增加，且主要集中在市區(qū)，但整體上東南部用水量多于西北部，2010—2017年明顯呈現(xiàn)出向全市范圍擴張的趨勢，說明生態(tài)環(huán)境保護(hù)得到加強；萬元GDP用水量不斷減少，表明區(qū)域用水效率在不斷提高。其中2000—2010年由萬元GDP用水量較多的中部、東南部和北部向西部縮小轉(zhuǎn)移，除西部壩心鄉(xiāng)用水量較多之外，其他區(qū)域明顯減少，2010—2017年用水量較多區(qū)域由西部向東部縮小轉(zhuǎn)移，除東部小范圍外，其他區(qū)域用水量都大幅度減少，表明文山市的產(chǎn)業(yè)用水效率得到提升(圖2)。

3.1.3 供需與開發(fā)利用變化特征 2000—2010年除西南部外，其他區(qū)域水資源供需比例均大幅度提高，表明區(qū)域整體水資源供給能力增強，2010—2017年供需比例呈現(xiàn)出東南部大于西北部的特征，主要因為東南部產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和水資源開發(fā)力度加大；隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)水平的提高，2000—2017年水資源開發(fā)利用率不斷提升，2000年、2010年、2017年的水資源開發(fā)利用率平均值分別為4.23%，6.50%和7.77%。2000—2017年都是東中部的市區(qū)水資源開發(fā)利用率最高，但2000—2010年北部的馬塘鎮(zhèn)開發(fā)利用率有所提高，因為馬塘鎮(zhèn)發(fā)展成為了區(qū)域最大的工業(yè)片區(qū)，2010—2017年水資源開發(fā)利用率除北部的馬塘鎮(zhèn)繼續(xù)提高外，市域東部和南部的開發(fā)利用率也明顯提升，因為市域東南部的高原特色農(nóng)業(yè)和民族文化產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來(圖2)。

3.2 喀斯特山區(qū)土地資源時空變化特征

3.2.1 耕地資源變化特征 2000—2010年耕地面積比例大幅度上升，其中，東南部上升最明顯，其次是西南部和東北部，主要因為這一時期人口快速增長，對耕地的需求量較大，所以大量耕地被開墾。2010—2017年全市耕地面積都有所減少，但局部地區(qū)有增加，這與退耕還林工程實施的分布區(qū)域有關(guān)；2000年、2010年、2017年人均耕地面積平均值分別為0.35，0.34，0.32 hm2，人均耕地面積不斷減少，因為人口在不斷增加，但農(nóng)民外出打工較多，很多耕地都被退耕還林了，耕地面積減少。2000—2017年人均耕地面積整體為東南部少、西北部多，但2000—2017年東南部人均耕地面積明顯增加，這與東南部的現(xiàn)代高原特色農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展有關(guān)(圖2)。

3.2.2 耕地糧食產(chǎn)出變化特征 2000—2017年單位耕地糧食產(chǎn)出不斷增加，2000年、2010年、2017年單位耕地糧食產(chǎn)出平均值分別為1 087.09，1 263.56，1 634.23 kg，表明文山市土地生產(chǎn)能力在不斷提高。2000—2010年除東北部之外，其他區(qū)域糧食產(chǎn)出均明顯增加，2010—2017年單位耕地糧食產(chǎn)出南部多、北部少，其中，東南部的新平街道成為糧食產(chǎn)出的最高區(qū)，因為該街道屬于市區(qū)，不僅擁有優(yōu)質(zhì)的耕地資源，還有發(fā)達(dá)的耕作和種植技術(shù)，所以糧食產(chǎn)出較高(圖2)。

3.2.3 土地利用變化特征 2000—2017年，全市農(nóng)用地面積比例不斷降低，但總體上西部和南部高、東部和北部低，其中，東部的市區(qū)農(nóng)用地面積減少最明顯，轉(zhuǎn)為了城鎮(zhèn)建設(shè)用地；建設(shè)用地面積比例不斷上升，其中，東部的市區(qū)建設(shè)用地面積增加最明顯，其次是北部的馬塘鎮(zhèn)和南部各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這主要是因為城市的擴張、北部工業(yè)的發(fā)展和南部特色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都增加了對建設(shè)用地的需求；林地覆蓋率整體西南部高、東北部低，但局部地區(qū)覆蓋率變化較明顯，這與退耕還林還草和石漠化治理工程實施的空間分布差異有關(guān)；土地開發(fā)利用率不斷提高，西南部、東南部和西北部變化比較明顯，這與區(qū)域石漠化空間變化、產(chǎn)業(yè)布局及發(fā)展程度有關(guān)(圖2)。

3.2.4 石漠化變化特征 2000—2017年石漠化面積比例總體呈下降趨勢，其中，2000—2010年東南部石漠化面積大量減少，而西北部卻增加，呈現(xiàn)出東南部向西北部轉(zhuǎn)移的趨勢，這與石漠化治理、退耕還林還草和人類活動強度有較大關(guān)系，2010—2017年西北部石漠化面積繼續(xù)增加，東南部和西南部減少(圖2)，這種變化與區(qū)域水土資源稟賦和石漠化治理工程實施的時間長短及空間分布差異有關(guān)。

3.2.5 土壤侵蝕量變化特征 2000—2017年土壤侵蝕量總體呈增加趨勢，2000年、2010年、2017年土壤侵蝕量平均值分別為65.20，50.20，917.39 t/(hm2·a)，其中，2010—2017年土壤侵蝕量大幅度增加，主要因為該時期降雨較多，加之喀斯特山區(qū)坡度較大、土層薄，地表徑流侵蝕嚴(yán)重，極易引起水土流失；2000—2010年土壤侵蝕量西南部低、東北部高，但2010年西南部侵蝕量明顯減少，主要因為西南部植被覆蓋率提高，加之2010年文山市正逢大旱，降水少，雨水的侵蝕作用明顯減弱。2010—2017年土壤侵蝕量較多區(qū)域由東北部向西南部和東南部轉(zhuǎn)移，這與降雨和石漠化的空間變化有關(guān)(圖2)。

3.3 喀斯特山區(qū)水土資源耦合協(xié)調(diào)特點分析

3.3.1 水土資源耦合協(xié)調(diào)度數(shù)量結(jié)構(gòu)變化特征 文山市2000年水土資源耦合協(xié)調(diào)整體水平較高，水土資源耦合協(xié)調(diào)度為0.409 8～0.855 7，平均值為0.683 8，屬于協(xié)調(diào)類，處于中度協(xié)調(diào)中上狀態(tài)。從各耦合協(xié)調(diào)度等級面積比例來看，高度協(xié)調(diào)面積最大，為163 015.59 hm2，占土地總面積的54.98%，中度協(xié)調(diào)次之，面積為97 453.02 hm2，占全市總面積的32.87%，低度協(xié)調(diào)面積最小，為36 048.90 hm2，僅占12.16%(圖3)。

圖3 2000年水土資源耦合協(xié)調(diào)度評價結(jié)果

文山市2010年水土資源耦合協(xié)調(diào)整體水平較高，水土資源耦合協(xié)調(diào)度為0.456 4～0.857 7，平均值為0.700 5，屬于協(xié)調(diào)類，處于中度協(xié)調(diào)偏上狀態(tài)，從各耦合協(xié)調(diào)度等級面積比例來看，高度協(xié)調(diào)面積最大，為210 938.07 hm2，占土地總面積的71.14%，中度協(xié)調(diào)次之，面積為60 754.98 hm2，占全市總面積的20.49%，低度協(xié)調(diào)面積最小，為24 824.46 hm2，僅占8.37%(圖4)。

圖4 2010年水土資源耦合協(xié)調(diào)度評價結(jié)果

文山市2017年水土資源耦合協(xié)調(diào)整體水平較高，水土資源耦合協(xié)調(diào)度為0.436 7～0.825 6，平均值為0.683 8，屬于協(xié)調(diào)類，處于中度協(xié)調(diào)中上狀態(tài)。從各耦合協(xié)調(diào)度等級面積比例來看，高度協(xié)調(diào)面積最大，為168 815.97 hm2，占土地總面積的56.93%，中度協(xié)調(diào)次之，面積為90 334.44 hm2，占全市總面積的30.47%，低度協(xié)調(diào)面積最小，為37 367.10 hm2，僅占12.60%(圖5)。

圖5 2017年水土資源耦合協(xié)調(diào)度評價結(jié)果

由此可見，2000—2017年喀斯特山區(qū)文山市水土資源耦合協(xié)調(diào)整體水平都較高，其中，2010年水土資源耦合協(xié)調(diào)水平最好，2000年、2017年水土資源耦合協(xié)調(diào)水平趨同，相比2010年耦合協(xié)調(diào)水平都較低，這主要是因為2010年石漠化面積比例比2000年、2017年都要低，石漠化區(qū)域地表水易漏失、水土流失嚴(yán)重，極易導(dǎo)致水土資源系統(tǒng)失衡，對水土資源耦合協(xié)調(diào)水平影響很大。2000年、2017年水土資源耦合協(xié)調(diào)度平均值都為0.683 8，2010年的耦合協(xié)調(diào)度平均值比2000年、2017年都高0.016 7。2010年高度協(xié)調(diào)面積比例比2000年、2017年分別高16.16%，14.21%，中度協(xié)調(diào)面積比例分別比2000年、2017年低12.38%，9.98%，低度協(xié)調(diào)面積比例分別比2000年、2017年低3.79%，4.23%。

3.3.2 水土資源耦合協(xié)調(diào)時空變化特征 2000年市域東北部、東部和南部水土資源耦合協(xié)調(diào)性較差，尤其是東北部和東南部最為明顯，西部水土資源耦合協(xié)調(diào)水平較高(圖3)；2010年市域東部、北部和南部水土資源耦合協(xié)調(diào)性較差，東北部和東南部仍然為低協(xié)調(diào)面積分布最廣的區(qū)域，西部和中部水土資源耦合協(xié)調(diào)水平較高(圖4)；2017年市域西北部、東北部、東部和東南部水土資源耦合協(xié)調(diào)性較差，西部、西南部和中部水土資源耦合協(xié)調(diào)水平較高(圖5)。可以看出，2000—2017年喀斯特山區(qū)文山市東北部、東部和東南部水土資源耦合協(xié)調(diào)性一直都較差，西部和中部耦合協(xié)調(diào)水平較高，其中，文山市市區(qū)水土資源耦合協(xié)調(diào)水平一直都較高。2000—2010年東北部、東部和東南部水土資源耦合協(xié)調(diào)度都較低，但2010年相比2000年西北部水土資源耦合協(xié)調(diào)性變差，西南部耦合協(xié)調(diào)水平提高，市區(qū)水土資源耦合協(xié)調(diào)度最高；2010—2017年西北部大面積區(qū)域水土資源耦合協(xié)調(diào)性變差，西南部耦合協(xié)調(diào)水平繼續(xù)得到提高，市區(qū)水土資源耦合協(xié)調(diào)度仍然最高；2000—2017年西北部和西南部水土資源耦合協(xié)調(diào)水平變化最明顯，其耦合協(xié)調(diào)度分別降低和提高，這與石漠化面積比例空間分布變化直接相關(guān)，2000—2017年西北部石漠化面積增加，而西南部石漠化面積減少(圖3—5)。

3.3.3 水土資源耦合協(xié)調(diào)水平空間差異因素 文山市市區(qū)水土資源耦合協(xié)調(diào)水平一直都較好，主要是因為作為區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的中心，這里壩區(qū)面積大，無石漠化，土壤侵蝕量少，基礎(chǔ)設(shè)施和水利設(shè)施完善，水資源開發(fā)利用率較高，水資源調(diào)配能力和供給保障能力較強，水土資源條件良好，有利于水土資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與平衡；市域水土資源耦合協(xié)調(diào)度較高的區(qū)域基本上無石漠化，年降水量多，林地覆蓋率較高，植被生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源、水土保持和調(diào)節(jié)水土資源的能力較強，另外，區(qū)域耕地面積分布也較大，耕地的水土資源條件一般都較好，所以整體水土耦合協(xié)調(diào)水平較高；水土資源耦合協(xié)調(diào)性較差區(qū)域大部分位于石漠化較嚴(yán)重處，土地資源質(zhì)量低，坡度大，加之喀斯特地貌地表水滲漏嚴(yán)重，保水能力非常差，水土資源匹配水平低，應(yīng)通過退耕還林、退耕還草和坡耕地改造等生態(tài)修復(fù)工程措施，加大對石漠化的治理力度，改善水土資源條件，提高水土資源開發(fā)利用率，促進(jìn)水土資源耦合協(xié)調(diào)程度的提升。同時，水土資源耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)出和土地石漠化空間分布一致的規(guī)律，無石漠化區(qū)域水土資源耦合協(xié)調(diào)度處于高度協(xié)調(diào)狀態(tài)，有石漠化的區(qū)域為中度協(xié)調(diào)和低度協(xié)調(diào)狀態(tài)，且石漠化程度越高，耦合協(xié)調(diào)度越低，說明土地石漠化對水土資源耦合協(xié)調(diào)度產(chǎn)生較大影響?？傊胩岣呶纳绞姓w的水土資源耦合協(xié)調(diào)水平和社會經(jīng)濟發(fā)展水平，必須加強生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)，并提出符合喀斯特山區(qū)文山市實際的發(fā)展模式，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級改造，提高水土資源利用效率。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

(1) 評價指標(biāo)體系的探討。本文從水資源和土地資源系統(tǒng)兩個方面共選取了18個指標(biāo)，詳細(xì)分析各指標(biāo)時空變化特征，并構(gòu)建水土資源耦合協(xié)調(diào)評價體系，研究水土資源系統(tǒng)相互影響和相互制約的聯(lián)動特征。在水資源系統(tǒng)方面，大部分研究主要選取了降水量、水資源量、用水量和水資源供需狀況等指標(biāo)，喀斯特山區(qū)水資源的二元結(jié)構(gòu)，使地表水資源非常匱乏，且開發(fā)利用難度大，影響區(qū)域水土資源的匹配水平和動態(tài)平衡；喀斯特山區(qū)水資源利用率低下，是限制區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵因素，并影響著土地資源的開發(fā)利用及水土資源耦合協(xié)調(diào)水平；其他指標(biāo)均能較好地反映喀斯特山區(qū)降水量、用水量和供需水等狀況。在土地資源系統(tǒng)方面，人們主要選取了耕地、糧食產(chǎn)量、森林覆蓋率和建設(shè)用地等指標(biāo)，石漠化面積比例是喀斯特地區(qū)特殊的指標(biāo)，石漠化不僅使土地質(zhì)量下降且利用難度增大，而且容易導(dǎo)致地表水流失，加劇水土流失，從而影響整個區(qū)域的水土資源平衡和耦合協(xié)調(diào)水平；喀斯特山區(qū)山地多壩區(qū)少，耕地、農(nóng)用地和建設(shè)用地面積比例能體現(xiàn)對土地資源的利用狀況，其他指標(biāo)都能較好地反映喀斯特山區(qū)土地資源數(shù)量與質(zhì)量、耕地產(chǎn)出能力、開發(fā)利用程度和土壤侵蝕狀況等。然而，為了更好地探討水土資源在開發(fā)利用過程中的耦合協(xié)調(diào)水平，未來可在水資源系統(tǒng)和土地資源系統(tǒng)兩方面構(gòu)建指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，從資源的供給、需求和開發(fā)利用3個角度，對評價指標(biāo)體系進(jìn)行更深入的分類，加強對水土資源的供需平衡與開發(fā)利用過程的理解，拓展水土資源耦合研究的廣度和深度，促進(jìn)區(qū)域水土資源的合理利用。

(2) 水土資源耦合協(xié)調(diào)的綜合探討。水土資源系統(tǒng)是非線性、復(fù)雜和多層次的整體系統(tǒng)，構(gòu)成系統(tǒng)的各要素既相互促進(jìn)又相互制約，協(xié)同演化，開展水土資源耦合研究有利于識別區(qū)域水土資源的協(xié)調(diào)狀況，提高水土資源利用效率。國際上，對水土資源的研究主要集中在利用遙感、地信、統(tǒng)計和系統(tǒng)動力學(xué)等對土地利用與覆被變化、土地利用與流域水資源關(guān)系、土地利用與生態(tài)安全和區(qū)域水土資源優(yōu)化配置等進(jìn)行探討[31-32]。最近出現(xiàn)了以系統(tǒng)耦合協(xié)同理論為基礎(chǔ)，運用非線性系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)和耗散系統(tǒng)等進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部要素的關(guān)系及系統(tǒng)整體狀態(tài)變化的評價和分析，如區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化與土地利用等。然而，對多系統(tǒng)的空間耦合協(xié)調(diào)和小尺度區(qū)域的水土資源耦合研究還需進(jìn)一步深入，尤其是喀斯特山區(qū)。因此，研究以滇東南典型喀斯特山區(qū)文山市為例，對水土資源耦合協(xié)調(diào)時空變化狀況進(jìn)行評價和分析，并依據(jù)評價結(jié)果和喀斯特山區(qū)水土資源利用特點，構(gòu)建了喀斯特山區(qū)水土資源耦合協(xié)調(diào)度分類體系，研究突破了以往以行政單元為評價尺度，實現(xiàn)了跨區(qū)域的空間柵格單元水土資源耦合協(xié)調(diào)度評價結(jié)果，評價精度得到提高。但論文對水資源與土地資源的影響機制、協(xié)同響應(yīng)機制和驅(qū)動因素等還未進(jìn)一步探討，在未來的水土資源耦合研究中，應(yīng)通過建立開放式的水土資源綜合系統(tǒng)，將水土資源系統(tǒng)及相關(guān)影響因素構(gòu)成的系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，對水資源系統(tǒng)、土地資源系統(tǒng)及協(xié)同影響機制和驅(qū)動力等進(jìn)行綜合分析，將是實現(xiàn)水土資源耦合綜合研究的重要方向。

4.2 結(jié) 論

(1) 2000—2017年降水量較多區(qū)域由南部→東南部→西南部轉(zhuǎn)移，人均水資源量空間變化不大；2000—2017年農(nóng)業(yè)用水量由南部較多向東南部轉(zhuǎn)移，市域北部的工業(yè)區(qū)工業(yè)用水量最多，市區(qū)的生活和生態(tài)用水量最多；2000—2017年萬元GDP用水量較多區(qū)域由中部、東南部和北部→西部→東部縮小轉(zhuǎn)移，水資源供需比例整體上東南部高于西北部，東中部的市區(qū)水資源開發(fā)利用率最高，但市域北部的馬塘鎮(zhèn)、東部和南部明顯提升。

(2) 2000—2010年東南部耕地面積比例上升最明顯；2000—2010年除東北部之外，單位耕地糧食產(chǎn)出均明顯增加，2010—2017年南多北少；2000—2017年市區(qū)農(nóng)用地面積比例降低最明顯，而建設(shè)用地面積比例上升最明顯；石漠化面積比例較高區(qū)域由東南部、西南部向西北部轉(zhuǎn)移；2000—2010年西南部土壤侵蝕量大量減少，2010—2017年較多區(qū)域由東北部向西南部和東南部轉(zhuǎn)移；土地開發(fā)利用率西南部、東南部和西北部變化較明顯。

(3) 2000—2017年文山市水土資源耦合協(xié)調(diào)整體水平都較高，但2010年水土資源耦合協(xié)調(diào)水平最好，2010年的耦合協(xié)調(diào)度平均值比2000年、2017年都高0.016 7。2010年高度協(xié)調(diào)面積比例比2000年、2017年分別高16.16%，14.21%，中度協(xié)調(diào)面積比例分別比2000年、2017年低12.38%，9.98%，低度協(xié)調(diào)面積比例分別低3.79%，4.23%。從空間分布看，2000—2017年市域東北部、東部和東南部水土資源耦合協(xié)調(diào)性一直都較差，西部和中部較好，其中，西北部和西南部水土資源耦合協(xié)調(diào)水平變化最明顯，其耦合協(xié)調(diào)度分別明顯降低和升高。水土資源耦合協(xié)調(diào)度與土地石漠化空間分布一致的規(guī)律，石漠化程度越高，耦合協(xié)調(diào)度越低，說明石漠化對水土資源耦合協(xié)調(diào)產(chǎn)生很大影響。