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    基于主成分分析的安徽省農(nóng)業(yè)用水特征研究

    2022-11-28 06:38:28沈瑩瑩馮紹元
    中國農(nóng)村水利水電 2022年11期
    關(guān)鍵詞:灌溉面積用水量安徽省

    陳 冬,姚 彬,沈瑩瑩,馮紹元

    (1.揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇揚州 225009;2.中國灌溉排水發(fā)展中心,北京 100083)

    0 引言

    農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ),也是我國第一用水大戶,農(nóng)業(yè)用水量超過全國用水量的60%以上,且農(nóng)業(yè)水資源利用效率始終處于較低水準(zhǔn),水資源浪費現(xiàn)象較為嚴(yán)重[1-3]。自我國開展大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造實施工作以來,取得了明顯的成效,使農(nóng)業(yè)用水量基本處于相對穩(wěn)定狀態(tài),有效緩解了部分地區(qū)存在的農(nóng)業(yè)水資源緊張的問題,提高了農(nóng)業(yè)用水效率[4-6]。

    近年來,有關(guān)影響農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化的研究逐漸增多[7-9]。黃晶等[10]運用水足跡理論分析了北京市農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的變化特征。王玉寶等[11]通過整理1949-2006 年農(nóng)業(yè)資料將我國農(nóng)業(yè)用水水平分成4個階段。串麗敏等[12]通過主成分分析方法確定了影響北京市農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因子。汪明星等[13]通過主成分分析方法找出了影響重慶秦巴山區(qū)農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化的主導(dǎo)因素。邵薇薇等[14]研究了南方地區(qū)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程中對農(nóng)業(yè)用水演變的影響。

    安徽省多年平均水資源總量為716 億m3,人均水資源量為848.07 m3[15],約為全國的1∕3 和世界的1∕6,屬于水資源緊缺的省份。目前,有關(guān)安徽省農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化及其影響因素的研究較少[16],為深入研究安徽省農(nóng)業(yè)用水變化及農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu),確定影響農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動因子,分析不同驅(qū)動因子對用水結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn),本研究在前人的基礎(chǔ)上,采用主成分分析方法分析安徽省2010-2019年農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化及其影響因素,旨在為安徽省水資源合理利用與科學(xué)分配及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)概況

    安徽省位于中國大陸的中東部,地處長江、淮河中下游,長江三角洲腹地,是一個近海的內(nèi)陸省份,地理位置大致位于東經(jīng)114°54′~119°37′與北緯29°41′~34°38′之間,淮河、長江自西向東橫貫省境,將全省分為淮河以北、江淮之間、長江以南三大區(qū)域,地形地貌齊全,淮河以北以平原為主,江淮之間皖西是山區(qū)、皖中皖東以丘陵為主,長江以南以山丘區(qū)為主,沿江是圩區(qū)。安徽省地處暖溫帶與亞熱帶的過渡地區(qū),受季風(fēng)氣候影響,四季分明,年平均氣溫在14~17 ℃,由于特殊的地理位置、地形條件、氣候特征,決定了安徽省易發(fā)生水旱災(zāi)害,全省降雨時空分布不均,自北向南多年平均雨量800~1 800 mm,年內(nèi)降雨分布不均,70%以上集中在汛期(5-9 月份),年際降雨分布不均,豐枯懸殊、易澇易旱。省內(nèi)共有河流2 000 多條,湖泊580多個,境內(nèi)巢湖是全國五大淡水湖之一,面積770 km2。同時,安徽省還是我國重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地,境內(nèi)有我國第二大灌區(qū)淠史杭灌區(qū),全省耕地面積8 828.9 萬畝,土地肥沃,適宜各種農(nóng)作物生長,糧食產(chǎn)量位居全國前列。2020年全省生產(chǎn)總值(GDP)38 680.6 億元,連續(xù)保持增長態(tài)勢,其中第一產(chǎn)業(yè)增加值3 184.7 億元,第二產(chǎn)業(yè)增加值15 671.7 億元,第三產(chǎn)業(yè)增加值19 824.2 億元,三大產(chǎn)業(yè)比例為8∶41∶51。

    1.2 分析方法

    根據(jù)安徽省水資源數(shù)據(jù)資料進行各類用水量趨勢分析,對農(nóng)業(yè)用水量進行具體分析。在此基礎(chǔ)上進行影響農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化的影響因素分析,應(yīng)用主成分分析法[17,18]將選取的指標(biāo)進行分析。采用降維的方法把相互關(guān)聯(lián)的多個指標(biāo)轉(zhuǎn)換成少數(shù)幾個不相關(guān)綜合獨立指標(biāo),減少變量之間的相互干擾,確定影響農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化的主要因素[19]。

    1.3 指標(biāo)選取

    農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)涉及的指標(biāo)因素錯綜復(fù)雜,與人口、經(jīng)濟、社會和技術(shù)等均存在一定的聯(lián)系,還與工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水之間有競爭關(guān)系。分析農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動力時,選擇的指標(biāo)應(yīng)該全面,但是指標(biāo)過多會加大分析的難度,且指標(biāo)間具有相關(guān)性[9]。將多位學(xué)者[12,13,19,20]選取的影響農(nóng)業(yè)用水變化的因子進行整理,發(fā)現(xiàn)部分因子在影響農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)中重復(fù)率較高,表明這些因子與農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性強、影響大,所以在借鑒前人研究成果的同時,結(jié)合安徽省的實際狀況,初步選取農(nóng)作物總播種面積、有效灌溉面積、節(jié)水灌溉面積、農(nóng)村人均純收入、大牧畜年末頭數(shù)、第一產(chǎn)業(yè)比重、農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、降水量、平均氣溫、總?cè)丝跀?shù)、人均用水量共11個因子作為安徽省農(nóng)業(yè)用水的主要影響因素。

    1.4 數(shù)據(jù)來源

    基于安徽省水利廳每年發(fā)布的《安徽省水資源公報》,對2010-2019年安徽省農(nóng)業(yè)用水總量進行統(tǒng)計;基于《安徽省統(tǒng)計年鑒》和《安徽省氣候公報》,對2010-2019 年包括面積(農(nóng)作物總播種面積、有效灌溉面積等)、大牧畜年末頭數(shù)、自然(降水量、平均氣溫等)等影響安徽省農(nóng)業(yè)用水變化的各項指標(biāo)進行數(shù)據(jù)收集及分析整理。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)分析

    2.1.1 安徽省水資源概況

    通過統(tǒng)計安徽省2010-2019年水資源總量、人均水資源量、用水總量、各行業(yè)用水量及其比例情況(表1),可以得出安徽省水資源總量與人均水資源量波動較大,人均水資源量是隨著水資源總量的變化而變化的,水資源總量最大值為2016 年的1 245.17 億m3,比多年平均值多73.9%,最小值為2019 年的539.87 億m3,比多年平均值低24.6%。用水總量先呈上下波動的態(tài)勢,自2016 年開始呈緩慢下降趨勢,其中農(nóng)業(yè)用水占主體部分,占比高達(dá)52.49%~58.01%;工業(yè)用水約占1∕3,其比例在30.66%~34.07%之間浮動;生活用水約占1∕10,其比例在9.68%~12.48%之間浮動;生態(tài)用水只占據(jù)極小的一部分,其比例由0.78%上升至2.79%。

    表1 安徽省水資源情況Tab.1 Water resources in Anhui Province

    圖1為安徽省2010-2019年各類型用水量變化趨勢,由圖1可以看出,農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水隨時間呈緩慢下降的趨勢,生活用水和生態(tài)用水隨時間呈緩慢上升的趨勢,說明人們更加重視生態(tài)環(huán)境的保護和生活質(zhì)量的提升,表明各部門各行業(yè)間用水更加合理,用水結(jié)構(gòu)更加完善。

    圖1 安徽省2010-2019年各類型用水量變化趨勢Fig.1 Trend of water consumption in Anhui Province from 2010 to 2019

    2.1.2 農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)及其變化

    一般地,農(nóng)業(yè)用水包括農(nóng)田灌溉用水以及林牧漁畜用水。圖2 為安徽省2010-2019 年農(nóng)業(yè)用水量變化,由圖2 可知,安徽省農(nóng)田灌溉是農(nóng)業(yè)用水的用水大戶,其用水量與農(nóng)業(yè)用水量變化趨勢一致,其用水量的大小決定著農(nóng)業(yè)用水的高低,其比例占農(nóng)業(yè)用水的90.4%~95.3%,林牧漁畜占農(nóng)業(yè)用水的4.7%~9.6%。2010-2019年農(nóng)田灌溉用水量及其占比先呈現(xiàn)上下波動的態(tài)勢,在2016 年之后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢;2010-2019 年林牧漁畜用水量先呈現(xiàn)上下波動的態(tài)勢,在2016年之后呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。農(nóng)業(yè)用水總體上呈緩慢下降的趨勢。

    圖2 2010-2019年安徽省農(nóng)業(yè)各行業(yè)用水量變化Fig.2 Water consumption change of agricultural industries in Anhui Province from 2010 to 2019

    2.2 農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動力定量分析

    2.2.1 特征值及主成分貢獻(xiàn)率

    通過主成分分析,按照特征值大于1的納入標(biāo)準(zhǔn),影響安徽省農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的各個因素可以歸為2 大類因子。第一、第二主成分貢獻(xiàn)率分別為71.107%和17.792%(表2),累積貢獻(xiàn)率達(dá)到88.899%,滿足了主成分累計方差貢獻(xiàn)率超過85%的標(biāo)準(zhǔn),說明了用這2 個主成分能夠很好反映安徽省農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響因子。

    表2 主成分特征值及貢獻(xiàn)率Tab.2 Principal component eigenvalue and contribution rate

    2.2.2 驅(qū)動力因子解析

    驅(qū)動力是一個專業(yè)術(shù)語,是一個動力學(xué)名詞,在不同的專業(yè)領(lǐng)域有不同的含義。農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)驅(qū)動力是指為解決用水沖突,使農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)向理想狀態(tài)發(fā)展,影響農(nóng)業(yè)用水變化的自然和社會因素。驅(qū)動力因子影響農(nóng)業(yè)用水量變化進而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,通過主成分分析來確定影響農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動力因子。

    初始因子載荷矩陣可以反映每個主成分因子所能表征的信息(表3)。農(nóng)村人均可支配收入、農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、總?cè)丝跀?shù)、節(jié)水灌溉面積、有效灌溉面積、平均氣溫在第一主成分上有較高荷載,說明第一主成分基本反映了社會因素、灌溉面積因素、氣溫因素對農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的影響。降水量在第二主成分上有較高的荷載,說明第二主成分反映了降水因素對農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的影響。第一產(chǎn)業(yè)比重、農(nóng)作物總播種面積、人均用水量與第一主成分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,大牧畜年末頭數(shù)與第二主成分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此,影響安徽省農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)演變的主要因素可以歸納為四類:社會因素、灌溉面積因素、氣溫因素和降水因素,其中前三者對農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的影響比降水因素更加顯著。

    表3 主成分荷載矩陣Tab.3 Principal component load matrix

    通過主成分分析可以得到不同因素的得分系數(shù)矩陣(表4),第一主成分F1和第二主成分F2可用于表征區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量特征,按公式(1)計算各主成分得分,并按公式(2)計算綜合得分Y。

    表4 不同初始因子得分系數(shù)矩陣Tab.4 Score coefficient matrix of different initial factors

    式中:F為各主成分得分;i為主成分的指標(biāo)個數(shù);xi為第i個主成分指標(biāo)系數(shù);Xi為第i個主成分指標(biāo)的含量;Y為綜合得分;j為主成分個數(shù);Fj為第j個主成分的得分;fj為第j個主成分的方差貢獻(xiàn)率在總累計方差貢獻(xiàn)率中的占比。各主成分條件下的得分與綜合得分表達(dá)式如下所示:

    圖3 為安徽省2010-2019 年農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)主成分及綜合得分趨勢,由圖可知,主成分得分有正有負(fù),如果某一年的某個主成分得分為正值,則表明這一年的該主成分在平均水平之上,如果為負(fù)數(shù),則表明在平均水平之下,綜合得分值(Y)越大表明農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)越合理。在2010-2019年綜合得分值總體上呈快速上升趨勢,表明安徽省的農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)逐漸向合理化方向發(fā)展,其中代表社會因素、灌溉面積因素、氣溫因素的第一主成分得分在2010-2019 年間持續(xù)上升,與綜合得分值的變化趨勢是一致的,表明第一主成分對農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)起到主要促進作用,代表降水因素的第二主成分在2016 年之前起促進作用,在2017-2019 年起抑制作用,從2016 年到2019 年和2018 年到2019 年的突然下降可能是因為降雨量相比于前一年有較大減少所導(dǎo)致的。

    圖3 農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)主成分及綜合得分趨勢Fig.3 Principal component and comprehensive score trend of agricultural water use structure

    2.3 農(nóng)業(yè)用水影響因素分析

    2.3.1 社會因素對農(nóng)業(yè)用水變化的影響

    本文社會因素具體是指農(nóng)村人口可支配收入、總?cè)丝跀?shù)、農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值。根據(jù)以上計算結(jié)果表明,安徽省2010-2019年農(nóng)村人口可支配收入呈不斷增加的趨勢,增幅高達(dá)56%,其變化主要是由經(jīng)濟快速發(fā)展所導(dǎo)致的;總?cè)丝谟?010 年的6 827 萬人上升至2019 年的7 119 萬人,增長了4.28%,人口對農(nóng)業(yè)用水的影響是通過居民消費農(nóng)產(chǎn)品來間接影響的,由于國民經(jīng)濟的快速增長,人均可支配收入的不斷增加,居民消費水平不斷提高,趨向于肉類食物的消費量迅速增長,加上人口總數(shù)也在增長所以導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品,尤其是畜產(chǎn)品消費量增長,更重要的是引發(fā)谷物飼料的生產(chǎn)量大幅上升,從而引起了農(nóng)業(yè)用水量的增加。

    農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值從2010 年的2 815 億元上升至2019 年的5 162 億元,增長了83.4%,接近翻了一番,而農(nóng)林牧漁產(chǎn)值包括農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值、畜牧業(yè)產(chǎn)值、漁業(yè)產(chǎn)值和農(nóng)林牧漁輔助性活動五個方面,主要以農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和畜牧業(yè)產(chǎn)值為主,林業(yè)產(chǎn)值、漁業(yè)產(chǎn)值和農(nóng)林牧漁輔助性活動占比較少。農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值的比例呈下降趨勢,由2010 年的52.48%減少至2019 年的45.82%,可能和農(nóng)作物總播種面積減少有關(guān);林業(yè)產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、漁業(yè)產(chǎn)值和農(nóng)林牧漁輔助性活動農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值的比例呈上升趨勢,分別由2010 年的4.81%、29.48%、9.51%、3.72%上升至2019 年的6.81%、31.55%、10.10%、5.72%。雖然農(nóng)作物播種面積在減少,但是水稻、小麥和玉米這3種作物的播種面積都在增加,分別由2010 年的224.537、236.567、76.111 萬hm2上升至2019年的250.904、283.560、119.645 萬hm2,且這3種作物在生長發(fā)育期間都需要大量水分的支持,所以可能會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水量的增加。

    2.3.2 灌溉面積因素對農(nóng)業(yè)用水變化的影響

    統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,安徽省節(jié)水灌溉面積和有效灌溉面積在2010-2019 年呈上升趨勢。有效灌溉面積由2010 年的351.978萬hm2上升至2019 年的458.1 萬hm2,增長了30.15%。有效灌溉面積是指地塊較為平整,有一定水源、灌溉設(shè)施配套,在一般年景下當(dāng)年能進行正常灌溉的農(nóng)田面積,它是與農(nóng)業(yè)用水量直接相關(guān)的一個重要指標(biāo)。近年來,各級部門加大了對農(nóng)田水利建設(shè)的投入,將淠史杭、駟馬山、茨淮新河、花涼亭、女山湖、青弋江和新汴河等7個大型灌區(qū)和部分重點中型灌區(qū)相繼納入改造計劃,恢復(fù)和增加了部分有效灌溉面積,可能會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水量有所增加。

    節(jié)水灌溉面積由2010 年的81.58 萬hm2上升至2019 年的105.98 萬hm2,略有增長。安徽省節(jié)水技術(shù)主要以渠道防滲為主,還有少量的噴灌、微灌和低壓管灌,節(jié)水技術(shù)水平的提高和節(jié)水灌溉面積的增加意味著農(nóng)業(yè)用水量的減少,表明用水結(jié)構(gòu)趨向合理化方向發(fā)展。節(jié)水灌溉面積的增長主要與節(jié)水技術(shù)的發(fā)展相關(guān),但節(jié)水技術(shù)的進步并不要求資源本身的改變,或者說并不直接體現(xiàn)在生產(chǎn)因素上,它提高了經(jīng)濟的效率,但并不改變參與經(jīng)濟循環(huán)的經(jīng)濟資源的數(shù)量和質(zhì)量[21]。從安徽省節(jié)水灌溉面積占有效灌溉面積的比例來看(表5),一直處于較低水平,在19.2%~24.6%之間浮動變化,根據(jù)前文分析結(jié)果,安徽省農(nóng)業(yè)用水量處于緩慢下降趨勢,這可能與節(jié)水技術(shù)的提高息息相關(guān)。

    表5 2010-2019年安徽省節(jié)水灌溉面積和有效灌溉面積變化Tab.5 Change of water saving irrigation area and effective irrigation area in Anhui Province from 2010 to 2019

    2.3.3 氣溫因素對農(nóng)業(yè)用水變化的影響

    安徽省平均氣溫在2010-2019 年期間變化不大,總體呈上升趨勢,近幾年年平均氣溫趨于穩(wěn)定態(tài)勢達(dá)到16.6 ℃,為1961年有完整氣象記錄以來第三高。氣溫變化對農(nóng)作物有著顯著影響,高溫加快了土壤蒸發(fā)和植物蒸騰作用,且連續(xù)的高溫容易造成農(nóng)田干旱,因此導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水量有所增加。

    2.3.4 降水因素對農(nóng)業(yè)用水變化的影響

    安徽省降水量在2010-2019 年呈現(xiàn)上下波動的趨勢,近十年降水量最高值為2016 年的1 612.7 mm,較多年平均值多37.5%,屬豐水年份;最低值為2019 年的935.8 mm,較多年平均值減少20.2%,屬枯水年份??傮w上看年降水量較為充沛,但區(qū)域內(nèi)地形地貌復(fù)雜,時間上分布不均勻,空間變化較大,從南到北(新安江流域、長江流域、淮河流域)降雨量依次減少,同時,區(qū)內(nèi)發(fā)生干旱、洪災(zāi)的頻率較高,10 年間農(nóng)業(yè)用水量并沒有隨降雨量產(chǎn)生較大波動變化。

    綜上可知,上述因素對農(nóng)業(yè)用水都會產(chǎn)生影響,從而引起農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,但是農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)受到的任何一種因素的影響都不是唯一的,真正引起農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化的是不同驅(qū)動因子間相互聯(lián)系、彼此制衡、共同作用的合力。

    3 結(jié)論

    通過對安徽省2010-2019年水資源狀況及農(nóng)業(yè)用水進行主成分分析,得出下列結(jié)論:

    (1)近10 年來安徽省水資源總量和人均水資源量波動較大,水資源總量最大值為2016 年的1 245.17 億m3,最小值為2019 年的539.87 億m3。用水總量呈上下波動態(tài)勢,自2016 年開始呈下降趨勢;農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水隨時間呈緩慢下降的趨勢,生活用水和生態(tài)用水隨時間呈緩慢上升的趨勢。農(nóng)田灌溉占農(nóng)業(yè)用水的主體部分,在2010-2016 年呈上下波動的態(tài)勢,2016 年之后呈快速下降趨勢;林牧漁畜在2010-2016 年呈上下波動的態(tài)勢,2016年之后呈上升趨勢。

    (2)選取了11 個影響安徽省農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因子,采用主成分分析,篩選出2 個主成分,篩選出7 個重要驅(qū)動因子是農(nóng)村人均可支配收入、農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值、總?cè)丝跀?shù)、節(jié)水灌溉面積、有效灌溉面積、平均氣溫、降水量,可歸納為社會因素、面積因素、氣溫因素和降水因素四大類。其中社會因素、面積因素和氣溫因素對農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的影響比降水因素對農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的影響更為顯著。

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