棉花生產(chǎn)與水資源協(xié)調(diào)耦合發(fā)展研究

蔡玲松,賈楠楠

(新疆科技學(xué)院，新疆 庫爾勒 841000)

1 概述

巴音郭楞蒙古族自治州(簡稱巴州)位于新疆東南部，是我國重要的棉花和能源生產(chǎn)基地，也是我國重要石油化工基地，戰(zhàn)略地位十分重要。當(dāng)?shù)孛藁捌滟|(zhì)量不僅需要滿足全國各地剛性需求，也是當(dāng)?shù)剞r(nóng)村振興和農(nóng)民生活水平提高的經(jīng)濟(jì)保障，已成為重要經(jīng)濟(jì)支柱型產(chǎn)業(yè)。根據(jù)巴州2020年統(tǒng)計(jì)年鑒報(bào)告，巴州2020年棉花產(chǎn)量達(dá)到60多萬t，約占GDP和第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的10%和60%。本文對棉花產(chǎn)量和一產(chǎn)產(chǎn)值的回歸及其顯著性特征的研究表明：二者之間高度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r=0.93)且棉花影響顯著(檢驗(yàn)值P=0.00<0.05)；其產(chǎn)量每增加1000t，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值通過直接和間接的方式平均增加0.344億元，包括農(nóng)民直接經(jīng)濟(jì)收入和帶動其他行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的間接經(jīng)濟(jì)效益[1]；因此必須實(shí)現(xiàn)棉花產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展和保證水資源的配置能力。

巴州地處新疆腹地，遠(yuǎn)離水汽源地，屬于內(nèi)陸干旱區(qū)域，近年來隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、特別是石油化工和棉花等高耗水行業(yè)的迅猛發(fā)展，并不豐富的水資源面臨短缺，水資源對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的配置能力在一定程度上制約了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)模?？紤]到棉花生產(chǎn)的行業(yè)關(guān)聯(lián)影響及其對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性，本文結(jié)合專家們的前期研究和詳細(xì)數(shù)據(jù)調(diào)研，對過去多年棉花生產(chǎn)和水資源消耗的耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行了研究；并以此為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，在下一步研究中擬以“十四五”計(jì)劃期各年度為參考期限，應(yīng)用2種數(shù)據(jù)分析方法分別推測水資源對第一產(chǎn)業(yè)和棉花產(chǎn)業(yè)的承載規(guī)模，確定不同用水效率和單產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益情況下的棉花種植規(guī)模和預(yù)期用水量，特別是現(xiàn)狀水資源對“十四五”規(guī)劃經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)及其速度的承載規(guī)模，從而確定棉花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)規(guī)模[2]。

2 已有研究基礎(chǔ)

耦合度和耦合協(xié)調(diào)度的研究屬于經(jīng)典經(jīng)濟(jì)研究方法，由于其數(shù)據(jù)計(jì)算依賴于實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，且計(jì)算過程信息量損失較小，因而在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和其他相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對耦合度和耦合協(xié)調(diào)度的研究一直沒有停止，并以此為基礎(chǔ)研究發(fā)展出了很多邊緣應(yīng)用方法。學(xué)者王成和唐寧[3]將耦合協(xié)調(diào)方法應(yīng)用于鄉(xiāng)村三生空間功能的時(shí)空特征與格局演化研究中，探究鄉(xiāng)村三生空間功能間的互動關(guān)系，研究方法的組合十分新穎；學(xué)者盛亞和鄭書莉[4]完成了流通產(chǎn)業(yè)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的耦合研究，研究以浙江省流通產(chǎn)業(yè)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)度為例，根據(jù)計(jì)算結(jié)果詳細(xì)給出了耦合度呈現(xiàn)短期波動、長期平穩(wěn)的狀態(tài)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)受宏觀環(huán)境影響滯后于流通產(chǎn)業(yè)發(fā)展指數(shù)，并對產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了參考依據(jù)；學(xué)者李國敏[5]等應(yīng)用耦合協(xié)調(diào)度方法對煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的評價(jià)體系進(jìn)行了研究，構(gòu)建了基于耦合協(xié)調(diào)度的煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展評價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了研究方法的進(jìn)一步擴(kuò)展，并應(yīng)用于山西省煤炭行業(yè)的實(shí)際中。學(xué)者劉超凡等[6]測算了凈灌溉水量同作物生長天數(shù)之間關(guān)系。關(guān)于巴州水資源的研究較少，但現(xiàn)有文獻(xiàn)研究較深，覆蓋了巴州水資源的基本情況，學(xué)者于剛和陳元?jiǎng)俒7]就新疆巴州水資源利用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析研究，提出巴州水資源利用現(xiàn)狀中存在的用水總量超量、農(nóng)業(yè)用水過多、地下水超采和水資源利用效率低等問題，并提出水資源利用的對策及建議；學(xué)者穆永利[8]就加強(qiáng)新疆巴州水生態(tài)文明建設(shè)的方法進(jìn)行了研究，提出了巴州水生態(tài)方面存在的問題；學(xué)者李帥瑩[9]對遼寧水資源承載能力進(jìn)行了研究；學(xué)者成正才[10]就巴州水資源及其承載力進(jìn)行了研究，較為詳細(xì)地研究了巴州水資源的形成和水資源承載規(guī)模，對本研究具有較高的參考價(jià)值。關(guān)于新疆巴州棉花生產(chǎn)的參考文獻(xiàn)較少，本文主要參考資料和實(shí)地調(diào)研結(jié)果進(jìn)行研究，并參考了趙姍姍等[11-12]學(xué)者關(guān)于棉花產(chǎn)業(yè)的研究。

本文在參考上述研究報(bào)告的基礎(chǔ)上，通過調(diào)研和資料分析認(rèn)為，以往耦合協(xié)調(diào)度的研究主要針對較大規(guī)模經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)問題，而應(yīng)用于實(shí)際小區(qū)域水資源和棉花產(chǎn)業(yè)的研究還很少發(fā)現(xiàn)，為此將耦合度和耦合協(xié)調(diào)度研究方法應(yīng)用于新疆巴州水資源供給和棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際研究中，同時(shí)考慮到這方面可參考研究資料的有限性和研究正確性的需要，故決定在研究過程中采用聯(lián)系實(shí)際和數(shù)據(jù)比較的方法，盡量使誤差和信息損失降到最低，并為下一步研究奠定了可靠基礎(chǔ)。

3 研究方式及其數(shù)據(jù)來源說明

3.1 第一產(chǎn)業(yè)和棉花產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)說明

巴州棉花生產(chǎn)從規(guī)?；跗?000年的10多萬t發(fā)展到2020年60多萬t，需求旺盛時(shí)期一度達(dá)到450萬畝種植規(guī)模，約占新疆棉花產(chǎn)量的75%。表1給出了各計(jì)劃期棉花產(chǎn)量，說明棉花產(chǎn)量從快速增加到“十三五”前4年發(fā)展速度有所下降，分析認(rèn)為其主要原因是水資源的約束效應(yīng)，巴州調(diào)整了有限水資源的灌溉結(jié)構(gòu)，提倡發(fā)展紅棗等耐旱經(jīng)濟(jì)作物，適當(dāng)減少了棉花種植規(guī)模。但由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)對巴州棉花的剛性需求，政府經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃表明在“十四五”期間棉花生產(chǎn)還將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)要求提高棉花種植用水效率和單產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益[13]。

表1 巴州棉花生產(chǎn)量及其增長速度

研究表明，巴州第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與棉花產(chǎn)量之間具有很緊密的耦合關(guān)系，巴州第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與棉花產(chǎn)量的發(fā)展趨勢圖如圖1所示，圖中曲線表明，除2015和2016年以外，其他年份都呈現(xiàn)出良好的耦合形態(tài)。事實(shí)上巴州棉花產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約占第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的60%，對第一產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的影響十分顯著，因此形成較高的耦合態(tài)勢。

圖1 巴州地區(qū)棉花產(chǎn)量與第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值發(fā)展趨勢圖

巴州棉花產(chǎn)量對第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值影響的顯著性研究結(jié)果表明；棉花產(chǎn)量與一產(chǎn)產(chǎn)值之間存在高度相關(guān)性(r=0.93)，棉花產(chǎn)量對第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的影響顯著(P=0.00<0.05)；依據(jù)回歸分析結(jié)果認(rèn)為；巴州棉花產(chǎn)量每增加1000t，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值通過直接和間接的方式平均增加0.344億元，其中包括棉花產(chǎn)量帶來的農(nóng)民直接經(jīng)濟(jì)收入和帶動第一產(chǎn)業(yè)其他行業(yè)的間接經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 水資源及其數(shù)據(jù)說明

巴州水資源總量的多年平均值見表2，巴州總降水量約為460億m3，降水量的區(qū)域分布很不均勻，在10～1000mm之間，夏季約占60%～80%、春秋季約占10%～20%，冬季較少。地表水來源的山區(qū)降水較穩(wěn)定，加上冰川和永久積雪儲量對地表和地下水轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)作用，使塔里木和開都河等主要河道徑流量比較穩(wěn)定；多年平均水資源總量約為111億m3，地下水量為6.018億m3[14]。

表2 巴州行政區(qū)年均水資源總量

表3 巴州部分行政區(qū)年均降水量標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)分布 單位：億m3

上述分析表明，巴州地域遼闊，降水量分布廣泛，雖然各行政區(qū)降水量的年差異相對較大，但由于高原盆地水資源豐富，對總體水資源有較好的調(diào)節(jié)和緩沖作用，使地下水和地表水相互轉(zhuǎn)換較為穩(wěn)定，這些因素保證了整個(gè)巴州區(qū)域的水資源總量較為穩(wěn)定，這對棉花生產(chǎn)的發(fā)展具有重要意義。

4 耦合模型與指標(biāo)體系構(gòu)建

4.1 耦合模型構(gòu)建

本文分別對2個(gè)系統(tǒng)的屬性指標(biāo)進(jìn)行了選取，由于水資源和棉花系統(tǒng)的指標(biāo)體系沒有現(xiàn)成研究可供參考，課題組結(jié)合實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分別按照相關(guān)性特征選取各項(xiàng)指標(biāo)，年份時(shí)間起點(diǎn)從規(guī)模種植開始的2009—2019年的序列數(shù)據(jù)，水資源系統(tǒng)包括全州人均用水(m3)、第一產(chǎn)業(yè)用水(108m3)、總用水(108m3)、棉花耕地灌溉用水(108m3)和棉花產(chǎn)值用水(108m3)5項(xiàng)指標(biāo)，棉花系統(tǒng)包括相同各年度產(chǎn)生的棉花產(chǎn)量(t)、棉花平均價(jià)格(元/t)、棉花種植面積(khm2)、農(nóng)牧民人均純收入(元)和畝產(chǎn)棉花(kg/畝)5項(xiàng)指標(biāo)；故2個(gè)系統(tǒng)形成11(m=11行)個(gè)評價(jià)對象和5(n=5列)項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)構(gòu)成的11×5(即m×n)非標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。為保證標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的正值屬性，對某個(gè)待標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)xij分別采用如下公式：

xij=[xij-min(xj)]/[max(xj)-min(xj)]

(1)

xij=[max(xj)-xij]/[max(xj)-min(xj)]

(2)

式中，xij和xij—第i行和第j列的原始數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)；max(xj)和min(xj)—第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值和最小值。

耦合是指2種或2種以上系統(tǒng)相互內(nèi)聯(lián)特征，量化揭示了系統(tǒng)之間通過各指標(biāo)數(shù)據(jù)形成的相互協(xié)調(diào)和匹配程度；當(dāng)系統(tǒng)之間具有較高的協(xié)調(diào)度時(shí)，可形成較高的量化匹配態(tài)勢，如果不能形成協(xié)調(diào)則表現(xiàn)出較低的量化匹配態(tài)。在本文的研究中，選擇棉花生產(chǎn)及其相關(guān)指標(biāo)和水資源供給及其相關(guān)指標(biāo)為2個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)和其指標(biāo)體系，具體模型如下：

用Ui代表某個(gè)系統(tǒng)的綜合參數(shù)，則各系統(tǒng)之間的耦合度模型可用下式表示：

(3)

這里選擇棉花和水資源2個(gè)系統(tǒng)，取n=2，則(1)可轉(zhuǎn)化為如下公式：

(4)

(5)

式中，α和β—待定系數(shù)，體現(xiàn)相應(yīng)系統(tǒng)在綜合評價(jià)得分中所占的比重，α+β=1，本文設(shè)水資源與棉花系統(tǒng)同等重要，故取α=β=0.5。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

如上所述，本文選用了規(guī)?；N植以來2009—2019歷史年份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別表示水資源系統(tǒng)和棉花系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，由于各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)來源于實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其權(quán)重更貼近實(shí)際。2個(gè)系統(tǒng)各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)見表4。

表4 水資源系統(tǒng)和棉花系統(tǒng)各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

國家規(guī)定的耦合協(xié)調(diào)度參考值見表5，本文中2個(gè)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度可以分為耦合度C和耦合協(xié)調(diào)度D，表5給出的是耦合協(xié)調(diào)度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；其中0≤D<0.4表示失調(diào)值域，分為4個(gè)等級，分別為極度失調(diào)、嚴(yán)重失調(diào)和中度失調(diào)輕度失調(diào)，最后等級是小于0.4，而大于等于0.4是失調(diào)與協(xié)調(diào)的臨界點(diǎn)，也是進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)門檻的瀕臨協(xié)調(diào)等級。協(xié)調(diào)值域總體被賦值于0.4≤D<0.1，越接近于1協(xié)調(diào)程度越顯著和優(yōu)良，除瀕臨協(xié)調(diào)等級外共有5個(gè)協(xié)調(diào)等級可供參考。

表5 耦合協(xié)調(diào)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

表4結(jié)果和上述公式計(jì)算得到U1和U2，然后再根據(jù)公式計(jì)算出耦合度C與耦合協(xié)調(diào)度D，見表6；從U1和U2對比關(guān)系看，2009—2010年間水資源和棉花產(chǎn)業(yè)的耦合度指數(shù)水平先下降然后在2011年恢復(fù)良好耦合度，這與實(shí)際情況十分接近，由于2009年開始的觀摩化種植在一定程度上促進(jìn)了用水效率的提高，但管理水平滯后也在一定程度上影響到水資源和棉花產(chǎn)業(yè)的耦合度。從整體耦合度量值分析，不難發(fā)現(xiàn)除2014—2015期間有微弱欠耦合以外基本保持良好；2014年棉花生產(chǎn)量超過60萬t大關(guān)，相比2013年增加10萬多t，并通過2015年下降至53萬t，這種現(xiàn)象引起水資源的變動，是耦合度體現(xiàn)出2年連續(xù)下降并回復(fù)的情況。

表6 水資源和棉花生產(chǎn)系統(tǒng)綜合得分和耦合度及耦合協(xié)調(diào)度

本文用耦合協(xié)調(diào)度(D)反映水資源和棉花產(chǎn)業(yè)之間相互影響的協(xié)同效應(yīng)，事實(shí)上這2個(gè)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度與耦合度具有緊密的關(guān)系，但耦合度只能反映2個(gè)系統(tǒng)的匹配程度，對2個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際水平并不敏感，而耦合協(xié)調(diào)兼顧兩個(gè)方面的因素，同時(shí)反映系統(tǒng)間的耦合程度和協(xié)調(diào)程度。結(jié)合表7和圖2能夠較完整地描述水資源系統(tǒng)和棉花產(chǎn)業(yè)的耦合協(xié)調(diào)程度；從2009—2019的11個(gè)歷史年份中，沒有出現(xiàn)10級耦合協(xié)調(diào)等級，說明水資源受其他行業(yè)用水影響較大，2013年后出現(xiàn)中級以上的協(xié)調(diào)態(tài)勢，主要有等級8和9構(gòu)成，水資源與棉花產(chǎn)業(yè)體現(xiàn)出較高的耦合協(xié)調(diào)度，說明棉花用水在總水資源消耗中占有重要地位。

表7 耦合協(xié)調(diào)計(jì)算結(jié)果評價(jià)

從圖2所示的發(fā)展形態(tài)分析，2012年前雖然水資源與棉花產(chǎn)業(yè)具有較高耦合度，但耦合協(xié)調(diào)度并不高，處于失調(diào)和初步形成協(xié)調(diào)的形態(tài)，體現(xiàn)出棉花產(chǎn)業(yè)規(guī)?；N植過程中對水資源需求的確定并不穩(wěn)定，加之其他行業(yè)對水資源的需求影響而至。2013年開始進(jìn)入較高協(xié)調(diào)狀態(tài)，表明水資源與棉花產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成較為穩(wěn)定的需求關(guān)系，且需求量較為穩(wěn)定，2個(gè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢向上，而2014年耦合協(xié)調(diào)能力同時(shí)下降，這主要是棉花生產(chǎn)量的突然加大使水資源失去跟隨能力，水資源配置能力表現(xiàn)出不穩(wěn)定，與棉花生產(chǎn)的水需求失去協(xié)調(diào)性，但后期一直處于良好協(xié)調(diào)狀態(tài)。

圖2 水資源與棉花產(chǎn)業(yè)耦合度和耦合協(xié)調(diào)度示意圖

5 建議

本研究顯示，除規(guī)?；N植開始的最初3年以外，其他各年度水資源承載規(guī)模與棉花生產(chǎn)具有較好的耦合協(xié)調(diào)度，同時(shí)能夠較好支持棉花的生產(chǎn)，但這并不能代表2020年以后的耦合協(xié)調(diào)程度(由于沒有2020年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，對當(dāng)前和“十四五”規(guī)劃期水資源對棉花的承載規(guī)模，還需要進(jìn)行下一步的研究，但就目前巴州經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)模分析，其總體用水量需求較大，水資源配置能力面臨較大挑戰(zhàn)。由于巴州水資源的有限性和可用水資源余度較小的現(xiàn)實(shí)，承載全州經(jīng)濟(jì)長期發(fā)展的預(yù)期能力有限，需要積極采用有效節(jié)水政策和措施加以防范，本文提出以下幾個(gè)建議供參考：

首先，根據(jù)各行業(yè)生產(chǎn)用水和生活用水特點(diǎn)，盡快制定出臺以節(jié)水為中心、更加嚴(yán)格和細(xì)化的節(jié)水政策和措施，政策措施要具有可操作性，其細(xì)化措施要緊貼行業(yè)生產(chǎn)節(jié)水的實(shí)際需要，提高農(nóng)業(yè)用水效率。

其次，展開社會節(jié)水活動，加強(qiáng)公民節(jié)水意識，普及到每個(gè)公民，加強(qiáng)全州節(jié)水工作的配套制度，結(jié)合國家和自治區(qū)相關(guān)政策措施，積極創(chuàng)建節(jié)水型社會體系和機(jī)制。

再次，根據(jù)全州工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的實(shí)際，加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)用水管理、細(xì)化生產(chǎn)過程節(jié)水、開拓研發(fā)節(jié)水型生產(chǎn)工藝和節(jié)水技術(shù)、提高工業(yè)用水利用率。

最后，根據(jù)全州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水實(shí)際，水資源節(jié)約潛力較大，需要制定相應(yīng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水政策措施和配套法規(guī)，結(jié)合新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水政策和進(jìn)度，積極開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程節(jié)水和農(nóng)村居民生活節(jié)水活動；同時(shí)考慮棉花產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)的較大比重，提高給定水資源配額條件下的棉花單產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，在保證農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的同時(shí)降低農(nóng)業(yè)水資源消耗。