基于GIS的農(nóng)業(yè)水土資源匹配特征分析

范振功

(勝利油田信科海洋勘察測(cè)繪有限公司, 山東 東營(yíng) 257000)

0 引言

水土資源作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的核心資源,與人類的生存息息相關(guān)。近年來,由于全球變暖、人口數(shù)量激增等問題的出現(xiàn),水土資源的利用程度不斷加深,由此導(dǎo)致水土資源污染和自然環(huán)境的破壞等嚴(yán)重問題。水土資源的匹配程度是影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重要因素之一,同樣對(duì)于糧食生產(chǎn)安全有著重要的關(guān)系。

農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)能夠反映某一區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水與耕地資源是否匹配的量化參數(shù)。1998年,Brown L R等[1]提出對(duì)中國(guó)水資源短缺的關(guān)注；2004年,Francisco J等[2]分別以葡萄種植土地利用規(guī)劃與水資源建立聯(lián)系,并提出水土資源匹配程度的好壞成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量的高低的決定因素。

目前國(guó)內(nèi)研究水土資源匹配系數(shù)主要有兩種方法,一是基尼系數(shù)法,二是單位耕地面積擁有的水資源量法[3-8]。吳宇哲和鮑海君借助區(qū)域基尼曲線及系數(shù)研究了我國(guó)省際的水土資源匹配程度[9];劉彥隨等基于水土資源動(dòng)態(tài)變化構(gòu)建了我國(guó)東北地區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源匹配分析模型,并對(duì)其不同地市的農(nóng)業(yè)水土資源匹配度差異進(jìn)行了研究[10];張孝存等著重于陜西商洛地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配上的分析,得出了耕地資源的短缺難以發(fā)揮水資源的優(yōu)勢(shì),并得到該地區(qū)水土資源匹配差異較大的結(jié)論[11];董艷等同樣利用基尼曲線和系數(shù),重點(diǎn)關(guān)注了我國(guó)西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度[12];楊齊祺基于區(qū)域基尼曲線,結(jié)合單位面積耕地所擁有的水資源總量法,研究了近13年安徽省的農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局[13];徐娜等以長(zhǎng)時(shí)間序列分析為主,研究了17年間甘肅省的流域農(nóng)業(yè)水土資源配置效率[14];薛道義和張亭利用單位耕地面積水資源量法,研究分析了華北地區(qū)2014—2018年農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局[15]。

本文以山東省為研究對(duì)象,在分析自然資源條件與社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況的基礎(chǔ)上,結(jié)合2010—2020年山東省農(nóng)業(yè)水土資源及相關(guān)數(shù)據(jù),利用基于洛倫茲曲線的基尼系數(shù)、區(qū)域水土資源匹配度方法、基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)的土地利用類型統(tǒng)計(jì)法和水土資源空間匹配方法,較為全面地分析了山東省農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

山東省經(jīng)緯度范圍為北緯34.382 °～38.400 °,東經(jīng)114.792 °～122.705 °,與河北省、安徽省、江蘇省和河南省陸上接壤,地處中國(guó)東部沿海,山東省陸域面積接近155 800 km2。山東省地形以山地丘陵為主,西部和北部為華北平原,也是山東省的主要產(chǎn)糧區(qū),東部為低矮的丘陵,中南部屬于泰山山脈;山東省內(nèi)主要河流屬于五大水系,包括淮河、小清河、海河、黃河和膠東;在氣候上,山東省在暖溫帶季風(fēng)氣候范圍內(nèi),四季分明,雨熱同期。

本文中耕地面積、有效灌溉面積等土地資源數(shù)據(jù)來源于《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011—2021年),水資源總量、農(nóng)業(yè)用水量等水資源數(shù)據(jù)來源于《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2011—2021年)和《山東省水資源公報(bào)》(2010—2020年);2010、2013、2015、2018和2020年山東省土地利用數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心提供的中國(guó)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到。

2 基于GIS的農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配特征分析

2.1 基尼系數(shù)變化特征

2.1.1基尼系數(shù)構(gòu)建方法

基尼系數(shù)常用來衡量一個(gè)地區(qū)或國(guó)家居民收入的差異程度,測(cè)算時(shí)將人口按收入水平分級(jí)后構(gòu)建基尼曲線求得[9]。常見的有收入基尼系數(shù)、財(cái)富基尼系數(shù)及區(qū)域資源基尼系數(shù)對(duì)于研究區(qū)域資源的匹配問題,結(jié)合資源的空間分布特性,其區(qū)域基尼曲線構(gòu)建方式如下：

(1)首先需要計(jì)算的是單位體積水資源所需服務(wù)的耕地面積,對(duì)于本研究來說,就是分別計(jì)算出山東省的17個(gè)市(2019年后為16個(gè))的值,然后從低到高進(jìn)行排序。

(2)其次是統(tǒng)計(jì)水資源和耕地資源的相關(guān)數(shù)據(jù),包括各自占比,本文則是統(tǒng)計(jì)17個(gè)市(2019年后為16個(gè))的數(shù)據(jù)。

(3)接著計(jì)算的是水土資源占比的累積總和。本例中應(yīng)依次計(jì)算出17個(gè)市(2019年后為16個(gè))的數(shù)據(jù)。在這里,作為示例,將研究區(qū)域分為4個(gè)區(qū)域：①第一個(gè)區(qū)域擁有權(quán)重為0.1的水資源和0.3的耕地資源,第二到第四個(gè)區(qū)域水資源分別占比0.2、0.4和0.3,耕地資源分別占比0.2、0.3和0.2；②按單位體積水資源所需服務(wù)的耕地面積從低到高對(duì)區(qū)域進(jìn)行排序,依次為第四區(qū)域、第三區(qū)域、第二區(qū)域和第一區(qū)域,同時(shí)計(jì)算各自水土資源累積比例；③第四到第一個(gè)區(qū)域水資源累積分別是0.3、0.7、0.9和1,耕地資源累積分別為0.2、0.5、0.7和1。即可得到區(qū)域基尼曲線如圖1所示,灰色部分由區(qū)域基尼曲線與45°線構(gòu)成。

(4)最后需要說明的是,洛倫茲曲線與45°線所夾區(qū)域的面積的2倍即為基尼系數(shù)(G),此值應(yīng)大于0小于1,值越小,說明水土資源匹配程度越好;反之,水土資源匹配程度越差。

圖1 區(qū)域基尼曲線示意圖

2.1.2基尼系數(shù)動(dòng)態(tài)變化分析

圖2和圖3展示了2010—2020年山東省基尼系數(shù)的變化趨勢(shì),由圖2和圖3可知,從2010年的0.232 6開始到2013年的0.341 8,山東省基尼系數(shù)呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢(shì),說明在此四年內(nèi),山東省水土資源匹配度逐年變差;2013—2015年三年間,山東省基尼系數(shù)由2013年的0.341 8下降到0.267 8,表明水土資源匹配度呈現(xiàn)變優(yōu)態(tài)勢(shì);從2015年開始,山東省基尼系數(shù)一直增大,從2015年的0.267 8上升到2017年的0.358 2,水土資源匹配度變差;2018年,山東省基尼系數(shù)較2017年數(shù)值低,為0.298 4,但之后的2019年、2020年,基尼系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),表明山東省水土資源匹配度逐年變差。

由于受到2018年的臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)降雨影響,山東省在該年份降雨量驟增,基尼系數(shù)都達(dá)到了較小值,隨著連續(xù)幾年的降水減少,水資源總量變少,雖然山東省于2018年開始實(shí)施《山東省水資源條例》,仍然出現(xiàn)了基尼系數(shù)升高的狀態(tài),這意味著水土資源的分配在部分地市出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象。

(a)2010年

圖3 2010—2020年山東省基尼系數(shù)變化趨勢(shì)

2.2 水土資源匹配系數(shù)變化特征

2.2.1農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)測(cè)算方法

農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度的衡量方法主要是計(jì)算單位耕地面積的農(nóng)業(yè)用水占有量的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)法。農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)是某一區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所占有的水資源與耕地資源在空間上匹配的量比指標(biāo)[11]。系數(shù)越大,說明該地區(qū)水資源滿足耕地資源的程度就越高,水土資源分布越合理,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件就越好;反之,系數(shù)越小,表明水資源滿足耕地資源的程度就越低,水土資源分布越失衡[11]。該系數(shù)的計(jì)算模型如式(1)所示[16]。

(1)

式中,Ri表示山東省i市的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù),單位為萬(wàn) m3/hm2;Wi代表山東省i市的水資源可利用總量,單位為萬(wàn) m3;αi表示山東省i市的農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的比例;Li表示山東省i市的耕地面積,單位為萬(wàn) hm2。

2.2.2 農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)動(dòng)態(tài)變化分析

表1展示了2010—2020年山東省各市及全省水土資源匹配系數(shù)。由表1可知,山東省2010—2020年的平均水土資源匹配系數(shù)為0.30萬(wàn)m3/hm2,低于全國(guó)平均水平為0.56萬(wàn) m3/hm2,山東省水土資源匹配系數(shù)僅為全國(guó)的53%,李曉燕等[18]計(jì)算的2007—2016年山東省平均水土資源匹配系數(shù)為0.21萬(wàn) m3/hm2,低于本研究的結(jié)果,說明近年來的水土資源匹配度呈現(xiàn)良好的態(tài)勢(shì)。

圖4給出了2010—2020年山東省平均水土資源匹配系數(shù)變化趨勢(shì)。結(jié)合表1和圖4,從整體上看,山東省平均水土資源匹配系數(shù)變化趨勢(shì)與水資源總量的變化趨勢(shì)相近,呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),分為從2010年開始到2014年的下降階段和2014—2020年的上升階段。下降階段中,從2011年的0.41萬(wàn) m3/hm2下降到2012年的0.33萬(wàn) m3/hm2,以及從2013年的0.35萬(wàn) m3/hm2驟降到2014年的0.17萬(wàn) m3/hm2,說明這五年間,山東省的水資源滿足耕地資源的程度變低,水土資源分布不合理,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件不足。上升階段中,從2014年的0.17萬(wàn) m3/hm2上升到2018年的0.35萬(wàn) m3/hm2,以及從2019年的0.20萬(wàn) m3/hm2驟增至2020年的0.43萬(wàn) m3/hm2,說明這六年間,山東省的水資源滿足耕地資源的程度逐漸升高,水土資源分布愈發(fā)合理,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件基本充足。

表1 2010—2020年山東省水土資源匹配系數(shù) 單位：萬(wàn)m3/hm2

圖4 2010—2020年山東省平均水土資源匹配系數(shù)變化趨勢(shì)

圖5 山東省各市2010—2020年平均水土資源匹配系數(shù)變化趨勢(shì)

圖5展示了山東省各市2010—2020年平均水土資源匹配系數(shù)變化趨勢(shì)。結(jié)合表1和圖5,從研究時(shí)段山東省各個(gè)地市的水土資源匹配系數(shù)來看,臨沂市以平均水土資源匹配系數(shù)0.66萬(wàn)m3/hm2占據(jù)首位,日照市、萊蕪市、淄博市、煙臺(tái)市和威海市的平均水土資源匹配系數(shù)均超過山東省平均水土資源匹配系數(shù)0.30萬(wàn) m3/hm2,水土資源分布較為合理;青島市、東營(yíng)市和聊城市的平均水土資源匹配系數(shù)較低,分別為0.10萬(wàn) m3/hm2、0.18萬(wàn) m3/hm2和0.19萬(wàn) m3/hm2,均低于0.20萬(wàn) m3/hm2。從2010年開始,青島市的農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)不斷減小,最低時(shí)僅為0.02萬(wàn) m3/hm2,究其原因,主要有以下幾點(diǎn):①2010—2020年,青島市的耕地面積呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),僅靠地表水,無法支撐農(nóng)業(yè)的生產(chǎn);②青島市作為山東省副省級(jí)城市之一,近年來大力發(fā)展第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè),城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,人口不斷增加,生活用水量逐年增加,從而壓縮了農(nóng)業(yè)用水,農(nóng)業(yè)用水需求和供給矛盾愈發(fā)突出。

2.3 水土資源匹配空間變化

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心發(fā)布的2010、2013、2015、2018和2020年山東省土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合現(xiàn)有資料,利用ArcGIS軟件對(duì)其進(jìn)行矢量處理,包括顏色設(shè)置、合并、各類土地面積統(tǒng)計(jì)及制圖輸出。

山東省耕地主要分布在魯西地區(qū)、魯北地區(qū)、魯西南地區(qū)、魯東部分地區(qū)、膠州半島部分地區(qū),其中魯南地區(qū)得益于省內(nèi)面積最大的淡水湖群——昭陽(yáng)湖、獨(dú)山湖、南陽(yáng)湖、微山湖而存在部分水田,魯北地區(qū)由于地處黃河入?？?因此也存在較少水田;山東省水域主要以貫穿魯西北地區(qū)、魯北地區(qū)的黃河以及魯南地區(qū)淡水湖群為主,魯西濟(jì)寧市分布有東平湖,膠東半島南部沿海也有水域分布。

通過ArcGIS中的屬性查找提取出耕地(包括水田和早地)、水域要素,在通過要素的導(dǎo)出以及坐標(biāo)系投影(選用CGCS2000坐標(biāo)系),再利用屬性表中的計(jì)算幾何更改字段單位,便可通過統(tǒng)計(jì)分別算出2010、2013、2015、2018和2020年五年中山東省耕地面積及水域面積,統(tǒng)計(jì)在表2中。

由表2可知,2010—2020年,山東省耕地面積呈現(xiàn)先下降后增加的態(tài)勢(shì),從2010年開始,耕地面積一直減少,從101 999.039 km2下降到2018年的100 489.636 km2,下降幅度為1.48%,從2018年開始,耕地面積開始增加,增長(zhǎng)到2020年的101 402.693 km2,增幅為0.90%;與耕地面積變化不同,山東省水域面積呈現(xiàn)先增大后降低再增大的趨勢(shì),2010年與2015年的水域面積相差不大,但2013年的水域面積增長(zhǎng)較大,為10 341.022 km2,比2010年增長(zhǎng)了3 675.360 km2,增長(zhǎng)幅度較大,2015—2020年,水域面積與耕地面積趨勢(shì)相近,呈現(xiàn)上升的態(tài)勢(shì)。從空間變化上來看,說明近年來山東省農(nóng)業(yè)水土資源匹配度向良好的態(tài)勢(shì)發(fā)展,水土資源分布愈發(fā)合理。

表2 2010、2013、2015、2018和2020年山東省耕地與水域面積統(tǒng)計(jì) 單位：km2

3 討論

山東省作為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)大省,其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力對(duì)我國(guó)的糧食安全及人民生活有著重要影響。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的水土資源匹配及合理程度決定了基本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,山東省耕地面積也在逐年減少,但水域面積有所增加,農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度較為合理。

然而各地級(jí)市農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度卻表現(xiàn)出較大的差異性,青島市和東營(yíng)市的農(nóng)業(yè)水土資源匹配度不合理的原因分別表現(xiàn)在兩方面：城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)條件。城鎮(zhèn)化造成的農(nóng)業(yè)水土資源不匹配在上文已闡述,而農(nóng)業(yè)條件作為先天條件,例如，鹽漬化土地,進(jìn)一步制約著農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)能力。通過建設(shè)水利工程,跨季節(jié)儲(chǔ)水、跨流域調(diào)水的方式可以解決農(nóng)業(yè)用水問題,同時(shí)因地制宜,開展高效、科學(xué)的農(nóng)業(yè)灌溉方法也能為提高農(nóng)業(yè)水土資源匹配度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力提供有效的支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究以山東省作為研究區(qū)域,基于山東省2010—2020年的農(nóng)業(yè)水土資源數(shù)據(jù),同時(shí)結(jié)合中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心提供的2010—2020年該省土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料,利用基于洛倫茲曲線的基尼系數(shù)、區(qū)域水土資源匹配度方法、基于GIS的土地利用類型統(tǒng)計(jì)和水土資源空間匹配,較為全面地分析了山東省農(nóng)業(yè)水土資源匹配特征,主要結(jié)果如下：

(1)基于洛倫茲曲線的基尼系數(shù)法體現(xiàn)在山東省農(nóng)業(yè)水土資源中的作用表明，2015—2020年,山東省農(nóng)業(yè)水土資源的分配在部分地市存在不合理的現(xiàn)象。

(2)基于區(qū)域水土資源匹配度來看,2010—2014年,山東省的水資源滿足耕地資源的程度變低,水土資源分布不合理,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件不足,而2015年之后,水資源滿足耕地資源的程度逐漸升高,水土資源分布愈發(fā)合理,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件基本充足;但部分地市,如青島市,水土資源分布極不合理,水資源的供給量不能滿足耕地資源對(duì)應(yīng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求量。

(3)從空間變化上來看,山東省水土資源分布呈現(xiàn)魯西北優(yōu)于魯東的現(xiàn)象。

總體上看,山東省農(nóng)業(yè)水土資源匹配度向良好的態(tài)勢(shì)發(fā)展,平均水土資源匹配度為0.30萬(wàn) m3/hm2,仍低于全國(guó)平均水平。