基于熵權(quán)TOPSIS的河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力時(shí)空分異與關(guān)聯(lián)分析

文 倩, 孫江濤, 范利瑤, 李小彎, 李青松

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 鄭州 450002)

隨著新冠疫情在全球的持續(xù)和蔓延，糧食生產(chǎn)與供應(yīng)體系正遭受多重挑戰(zhàn)，世界對(duì)糧食安全的擔(dān)憂亦日益增加[1]。作為糧食生產(chǎn)的關(guān)鍵核心要素，區(qū)域耕地和水資源及對(duì)應(yīng)的農(nóng)業(yè)水土資源承載能力是糧食穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)、國(guó)家糧食安全的基礎(chǔ)與保障，也是人口、資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)，農(nóng)業(yè)水土資源短缺和區(qū)域性結(jié)構(gòu)破壞等問題日益突出[3]，土壤與水體污染也增加了國(guó)家糧食安全的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性[4]。同時(shí)，因人口頂峰的到來(lái)及社會(huì)主義現(xiàn)代化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)2022—2030年我國(guó)糧食需求將達(dá)到峰值、年均增加約656.6萬(wàn)t[5]。因此，為滿足我國(guó)社會(huì)不斷增長(zhǎng)的糧食總量需求，必須強(qiáng)化糧食生產(chǎn)能力建設(shè)、提高農(nóng)業(yè)水土資源的承載能力。

目前學(xué)界對(duì)農(nóng)業(yè)水土資源承載力尚無(wú)統(tǒng)一定義[3]，早期相關(guān)研究主要側(cè)重于土地或水資源承載力的獨(dú)立評(píng)價(jià)[6-7]，由于未綜合考慮農(nóng)業(yè)水土資源的復(fù)雜作用與耦合關(guān)系，而不利于其整體效能的充分發(fā)揮[8]。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者將農(nóng)業(yè)用水與耕地資源二者相結(jié)合以開展綜合研究，如王國(guó)強(qiáng)等[9]研究了水土資源匹配系數(shù)與河南糧食產(chǎn)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者空間分布錯(cuò)位明顯，糧食高產(chǎn)區(qū)普遍過度利用水資源；任守德等[8]采用微觀和宏觀兩種模型研究了三江平原的農(nóng)業(yè)水土資源承載力，認(rèn)為其能較好的反映區(qū)域水土資源的實(shí)際情況；李慧等[10]研究表明延安市農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度較差，農(nóng)業(yè)水土資源承載力水平整體偏低；楊劍等[11]采用DPSIR模型和熵權(quán)TOPSIS方法對(duì)湖北省農(nóng)業(yè)水土資源承載力做了定量研究，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)差異較大：安全承載與超載區(qū)域各占約50%?？梢钥闯觯壳稗r(nóng)業(yè)水土資源承載力的研究取得了一定進(jìn)展，但統(tǒng)一、綜合的時(shí)空動(dòng)態(tài)研究仍然較為缺乏。

自2013年以來(lái)，河南省糧食產(chǎn)量平均每年增加100萬(wàn)t，對(duì)國(guó)家糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)。但河南人地矛盾尖銳、耕地質(zhì)量偏低，近1/7耕地存在退化、農(nóng)田面源污染等問題突出[12]，同時(shí)水資源極度緊缺、水土資源匹配較差[13]，其農(nóng)業(yè)水土資源承載能力直接影響到了糧食有效供給與糧食產(chǎn)能穩(wěn)定。因此，本研究采用熵權(quán)TOPSIS模型與灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)河南省近13年來(lái)區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源承載力的變化特征與影響因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與定量診斷，以期為筑牢河南農(nóng)業(yè)根基、強(qiáng)化和提高糧食生產(chǎn)能力并增強(qiáng)糧食供給保障提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

河南省地理位置北緯31°23′—36°22′、東經(jīng)110°21′—116°39′，土地總面積16.7萬(wàn)km2，耕地總面積811.2萬(wàn)hm2，人均耕地面積0.075 hm2。為暖溫帶—亞熱帶、濕潤(rùn)—半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫13～16℃，年均降水500～900 mm。地勢(shì)西高東低，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%，26.6%和17.7%。主要土壤類型為棕壤、黃褐土、褐土和潮土，質(zhì)地以粘質(zhì)、砂質(zhì)和壤質(zhì)為主。河南是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，2018年糧食種植面積1 476.9萬(wàn)hm2，其中小麥574.0萬(wàn)hm2，玉米391.9萬(wàn)hm2，全年糧食產(chǎn)量1 329.8億kg。2018年全省GDP4.8萬(wàn)億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為9∶46∶45；2018年末全省總?cè)丝?.1億人、城鎮(zhèn)化率51.7%，森林覆蓋率24.5%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2 河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力評(píng)價(jià)方法

2.1 農(nóng)業(yè)水土資源承載力指標(biāo)體系

基于綠色、協(xié)調(diào)、生態(tài)環(huán)保、高質(zhì)量發(fā)展的原則以及農(nóng)業(yè)水土資源承載力內(nèi)涵與相關(guān)研究成果[3,10]，本文從資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)4個(gè)方面選取了15項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建河南農(nóng)業(yè)水土資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，各指標(biāo)具體名稱及其性質(zhì)詳見表1。

表1 河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理與權(quán)重確定

本文采用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，熵權(quán)法具有客觀、定量的特點(diǎn)，能較好地反映各指標(biāo)的實(shí)際貢獻(xiàn)。計(jì)算步驟為：首先，用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；其次，確定各指標(biāo)的信息熵(Hi)以及信息效用值，信息熵越大則該指標(biāo)越重要；熵權(quán)計(jì)算方法見式(1,2)。

(1)

(2)

式中：Wi為指標(biāo)權(quán)重；Hi為信息熵；fij為指標(biāo)特征比重；rij為第i年第j個(gè)指標(biāo)的原數(shù)值；m為指標(biāo)個(gè)數(shù)；n為年份。

2.3 農(nóng)業(yè)水土資源承載力評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

本文采用TOPSIS模型對(duì)河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力水平進(jìn)行定量分析。該方法通過對(duì)有限評(píng)價(jià)對(duì)象與理想目標(biāo)接近程度的排序來(lái)計(jì)算目標(biāo)與正負(fù)理想解的距離，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源承載力水平，主要步驟如下：

(1)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)矩陣。首先采用熵權(quán)法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重w，再加權(quán)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)矩陣Y。

(3)

式中:Y為評(píng)價(jià)矩陣；ymn表示第i個(gè)指標(biāo)第j年的加權(quán)后的數(shù)值；rmn表示第i個(gè)指標(biāo)第j年的原數(shù)值；wmn表示第m個(gè)指標(biāo)第n年的權(quán)重。

這年秋天，我上學(xué)的事忽然被提上了議事日程，之前一直都是媽媽在家里教我。說(shuō)實(shí)話，我對(duì)上學(xué)不可能沒有顧慮。開學(xué)那天，我徑直朝教室走去，不用抬頭也知道沿路有一些同學(xué)在直勾勾地盯著我看個(gè)沒完，“注目禮”形成的光束灼灼燃燒著我。

(2)確定正負(fù)理想解。即用規(guī)范化加權(quán)評(píng)價(jià)矩陣各列的最大最小值構(gòu)成最優(yōu)、最劣向量，正、負(fù)理想解分別記為：

(4)

(5)

(3)計(jì)算距離。采用歐氏距離方法計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與正、負(fù)理想解的距離，詳見式(6,7)：

(6)

(7)

(4)農(nóng)業(yè)水土資源承載力計(jì)算。采用貼近度表示第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與本地區(qū)最優(yōu)承載力間的接近程度并以此計(jì)算區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源承載力水平，詳見式(8)：

(8)

2.4 農(nóng)業(yè)水土資源承載力等級(jí)劃分

Jenks最佳自然斷裂法是將數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)類別，在數(shù)據(jù)值的差異相對(duì)較大的位置處設(shè)置其邊界[14]。本文依據(jù)河南實(shí)際，采用類內(nèi)差異最小，類間差異最大的Jenks最佳自然斷裂法將河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力指數(shù)劃分為良好、穩(wěn)定、敏感、薄弱4個(gè)等級(jí)，進(jìn)行空間分析，評(píng)價(jià)級(jí)別及對(duì)應(yīng)承載力水平具體見表2。

表2 河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.5 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析具有原理簡(jiǎn)單、運(yùn)算方便、易于挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律的特點(diǎn)，計(jì)算公式為：

(9)

(10)

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)業(yè)水土資源承載力時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

2006—2018年，河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，承載力指數(shù)均值為0.266，承載力指數(shù)由2006年的0.226上升至2018年的0.336，增加了48.67%，但承載力不夠穩(wěn)定、圍繞趨勢(shì)線上下波動(dòng)且幅度較大，最高值與最低值相差近1.26倍(圖1)。2018年，河南農(nóng)業(yè)水土資源承載力達(dá)良好水平，其余年份(不含2006年)屬于穩(wěn)定水平。農(nóng)業(yè)水土資源承載力自2014年起出現(xiàn)較大幅度下降，與極端干旱氣候?qū)е赂厮临Y源系數(shù)降低有關(guān)；2014年農(nóng)作物受災(zāi)面積較2013年增加了61%；同時(shí)頻繁的大風(fēng)天氣也對(duì)糧食產(chǎn)量造成了一定影響[15]。

圖1 2006-2018年河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力

2006—2018年，河南省內(nèi)新鄉(xiāng)、鄭州、信陽(yáng)、商丘、許昌等市農(nóng)業(yè)水土資源承載力平均水平較高，漯河、平頂山、鶴壁、開封相對(duì)較低(圖2)。除信陽(yáng)、駐馬店、三門峽、鄭州外大部分地市農(nóng)業(yè)水土資源承載力都有所增加，其中濮陽(yáng)、焦作、鶴壁年均增長(zhǎng)速率較快，均超過9%；其次是安陽(yáng)和新鄉(xiāng)，年均增長(zhǎng)約7%～8%；農(nóng)業(yè)水土資源承載力下降較快的是信陽(yáng)和駐馬店，年變化率為-8.49%和-2.77%，這些地市在很大程度上降低了河南省的總體承載力水平。

圖2 2006-2018年河南省各市農(nóng)業(yè)水土資源承載力均值及變化率

2006—2018年，河南省各市間農(nóng)業(yè)水土資源承載力水平變化差異明顯(表3)，依據(jù)其變化特點(diǎn)，河南各市農(nóng)業(yè)水土資源承載力大體可分為4類：第一類包括新鄉(xiāng)、信陽(yáng)2個(gè)地市，農(nóng)業(yè)水土資源承載力2007—2013年呈緩慢上升；2014年迅速上升，隨后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段，至2018年又有所下降；第2類包括鄭州、許昌、南陽(yáng)和周口4市，農(nóng)業(yè)水土資源承載力在2006—2010年相對(duì)較高，其余年份比較平穩(wěn)；第3類包括安陽(yáng)、漯河、三門峽、商丘和駐馬店5市，其農(nóng)業(yè)水土資源承載力變化趨勢(shì)大體呈“幾”字形，前期和后期平穩(wěn)，中間階段(2011—2013年)高；開封、洛陽(yáng)、平頂山等7市屬第4類，其農(nóng)業(yè)水土資源承載力總體平穩(wěn)，僅在2018年有所上升。

表3 2006-2018年河南省各市農(nóng)業(yè)水土資源承載力

3.2 農(nóng)業(yè)水土資源承載力空間動(dòng)態(tài)變化

為研究河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力的空間分布情況，首先將承載力水平分為良好(Ⅰ級(jí))、穩(wěn)定(Ⅱ級(jí))、敏感(Ⅲ級(jí))和薄弱(Ⅳ級(jí))4個(gè)等級(jí)，再選取2006年、2012年、2018年農(nóng)業(yè)水土資源承載力進(jìn)行空間分析(圖3)。2006—2018年，總體上河南農(nóng)業(yè)水土資源承載力在空間上的分布規(guī)律為豫北>豫南>豫東>豫西；其在時(shí)間與空間兩個(gè)維度上的變化規(guī)律為：2006年，豫南>豫西、豫中>豫北>豫東；2012年，豫北>豫東>豫南>豫西；2018年，豫北>豫東>豫南>豫西。可以看出，隨著時(shí)間變化，承載力良好區(qū)域逐漸向豫北和豫東集中。

圖3 河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力空間分異

3.3 農(nóng)業(yè)水土資源影響因素分析

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)能夠客觀體現(xiàn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力的貢獻(xiàn)程度，圖4可見各指標(biāo)與農(nóng)業(yè)水土資源承載力指數(shù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)都高于0.5。其中，農(nóng)作物受災(zāi)面積比例(C9)、本年度農(nóng)林水利工程投資比例(C11)、廢水處理率(C6)、農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)(C1)、森林覆蓋率(C4)、單位耕地面積的耗電量(C12)等指標(biāo)與農(nóng)業(yè)水土資源承載力的關(guān)聯(lián)度高于0.6，是主要的影響因素。特別是農(nóng)作物受災(zāi)面積比例(C9)與農(nóng)業(yè)水土資源承載力的關(guān)聯(lián)度最高、達(dá)到了0.834，表明河南應(yīng)大力提高農(nóng)業(yè)防災(zāi)、減災(zāi)能力。

圖4 評(píng)價(jià)指標(biāo)與農(nóng)業(yè)水土資源承載力指數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度排序

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

良好的農(nóng)業(yè)水土資源承載力是實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)與安全的基石，研究期內(nèi)河南省農(nóng)田水利投資金額、有效灌溉面積以及森林覆蓋率持續(xù)增長(zhǎng)[16]；因此，農(nóng)業(yè)水土資源承載能力總體有所提高。但與此同時(shí)，快速的城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源的壓力也在持續(xù)增加[17]；研究期內(nèi)河南單位耕地面積化肥與農(nóng)藥施用量[18]、極端天氣與農(nóng)業(yè)災(zāi)害[19]都有所增加，不僅給河南糧食生產(chǎn)帶來(lái)了隱患，也可能是承載力大幅波動(dòng)的原因之一。研究期內(nèi)，河南農(nóng)業(yè)水土資源承載力空間差異逐漸增大，豫南農(nóng)業(yè)水土資源承載力下降、承載良好區(qū)域逐漸向豫北和豫東集中，這與豫北各市普遍增加了對(duì)農(nóng)田水利設(shè)施的投入、農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度有所好轉(zhuǎn)有關(guān)[16]；也反應(yīng)出豫南地區(qū)亟需加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)水土的保護(hù)及農(nóng)業(yè)投入。同時(shí)，關(guān)聯(lián)分析表明農(nóng)作物受災(zāi)面積比例、農(nóng)林水利工程投資比例與廢水處理率、農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)是影響水土資源承載力的重要因素。為筑牢糧食生產(chǎn)根基、提高糧食生產(chǎn)水平，河南應(yīng)重點(diǎn)增強(qiáng)農(nóng)業(yè)抗災(zāi)能力、提高水資源利用效率，增加生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)資金和技術(shù)投入、優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水土資源持續(xù)利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

4.2 結(jié) 論

(1)2006—2018年，河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力指數(shù)平均值0.266，承載力水平總體上升但波動(dòng)較大，承載力指數(shù)最高值與最低值相差近1.26倍，除2018年外，絕大多數(shù)年份處于穩(wěn)定水平；濮陽(yáng)、焦作、鶴壁農(nóng)業(yè)水土資源承載力年均增長(zhǎng)速率較快，均超過9%；信陽(yáng)和駐馬店下降較快，年均分別下降8.49%和2.77%。

(2)2006—2018年，河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力在空間上的分布規(guī)律為：豫北>豫南>豫東>豫西，其中鄭州、新鄉(xiāng)、信陽(yáng)、商丘、許昌等5市較高，開封、平頂山、漯河、鶴壁等4市較低，研究時(shí)段內(nèi)豫南農(nóng)業(yè)水土資源承載力逐漸下降、豫北和豫東逐漸增高。

(3)對(duì)河南省農(nóng)業(yè)水土資源承載力影響較大的因子主要有農(nóng)作物受災(zāi)面積比例、本年度農(nóng)林水利工程投資比例、廢水處理率、農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)以及森林覆蓋率。