中國(guó)廣義農(nóng)業(yè)水土資源匹配及利用狀況動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

劉統(tǒng)兵 ，方 瑜 ※，黃 峰 ，王素芬 ，杜太生 ，康紹忠

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心, 北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京100193）

0 引 言

水土資源是人類(lèi)生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，水、土資源的稀缺性決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須合理開(kāi)發(fā)利用水土資源?，F(xiàn)階段制約中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本問(wèn)題不僅是水土資源的數(shù)量緊缺，也包括水土資源的匹配狀況不合理[1]。中國(guó)水、土資源空間分布不均，64%的耕地分布在秦嶺-淮河以北，而北方6個(gè)水資源一級(jí)區(qū)的水資源總量?jī)H占19.3%[2]。中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)日益向東北、西北等水土資源并不占優(yōu)勢(shì)的北方核心區(qū)集中[3]，糧食作物綜合灌溉定額上升，糧食結(jié)構(gòu)布局向耗水型發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水用地比例不斷加大，對(duì)中國(guó)的食物安全提出了新的挑戰(zhàn)[4]。在水、土資源兩大剛性約束下，水土匹配的優(yōu)劣程度及開(kāi)發(fā)利用情況將直接影響國(guó)家農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與食物安全。直視區(qū)域水資源與耕地資源的稟賦差異，客觀分析農(nóng)業(yè)水土資源空間匹配及開(kāi)發(fā)利用狀況，是確?？茖W(xué)用地、科學(xué)用水，緩解現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)水土匹配差異及開(kāi)發(fā)利用不均造成的負(fù)面影響，維持國(guó)家食物安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提[5]。

水土資源匹配格局的研究主要采用基尼系數(shù)法和水土匹配系數(shù)法[6]。劉彥隨等[7]提出并計(jì)算東北地區(qū)農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)，發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)耕地資源優(yōu)勢(shì)明顯但水資源短缺；陶國(guó)芳等[8]構(gòu)建水土匹配基尼曲線(xiàn)，指出通化地區(qū)水資源豐富但土地資源稀缺；王亞迪等[9]結(jié)合水土匹配系數(shù)法和基尼系數(shù)法指出河南省中南部和西部匹配程度優(yōu)于中部。另外，數(shù)據(jù)包絡(luò)分析[10]、水土資源組合指數(shù)[11]等方法也應(yīng)用于水土資源匹配研究中，并有研究引入虛擬水—虛擬耕地資源匹配系數(shù)以考慮糧食貿(mào)易的影響[12]。上述方法對(duì)于匹配狀況的評(píng)價(jià)往往采用灌溉水量[13]、水資源有效供給量[14]等對(duì)水資源加以限定，較少考慮降水對(duì)于區(qū)域農(nóng)業(yè)水土匹配的影響[1,6]。水土資源開(kāi)發(fā)利用程度直接關(guān)系到區(qū)域水土資源匹配性和農(nóng)業(yè)發(fā)展可持續(xù)性[14]。如：顧莉麗等[15]計(jì)算吉林水土匹配系數(shù)，指出吉林墾殖率與農(nóng)業(yè)水土匹配程度呈反向被動(dòng)關(guān)系；王國(guó)強(qiáng)等[16]認(rèn)為水土資源匹配程度與墾殖率高的耕地產(chǎn)能區(qū)呈現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，并指出墾殖率高的地區(qū)由于優(yōu)良的灌溉條件會(huì)過(guò)度使用水資源。因此，將農(nóng)業(yè)水土資源利用匹配性與水土開(kāi)發(fā)利用程度相結(jié)合展開(kāi)評(píng)價(jià)，對(duì)區(qū)域水土資源優(yōu)化配置具有重要意義。

現(xiàn)有農(nóng)業(yè)水土資源匹配與利用狀況的研究時(shí)間尺度較短[13,17]，多聚焦于東北、華北、西北等地區(qū)[3,18-19]?；嵯禂?shù)法能夠考量區(qū)域整體水土資源均衡程度（水土資源空間配置狀態(tài)），水土匹配系數(shù)法能夠直接反映區(qū)域水土資源稟賦（水土資源天然表現(xiàn)特征），但兩種方法均不能體現(xiàn)水土資源利用的配比程度（水土資源利用協(xié)調(diào)程度），而水土資源配比程度對(duì)于政府部門(mén)調(diào)整水土資源開(kāi)發(fā)利用方向，優(yōu)化中國(guó)農(nóng)業(yè)水土資源配置具有重要作用?；诖耍瑸閮?yōu)化中國(guó)農(nóng)業(yè)水土資源配置，該研究基于2000—2020年31個(gè)省（市、自治區(qū)）降水、水資源總量及耕地面積等數(shù)據(jù)，利用基尼系數(shù)法評(píng)估中國(guó)廣義農(nóng)業(yè)水資源、灌溉水、降水與耕地的匹配狀況，提出廣義農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)法揭示各省水土資源利用配比程度，應(yīng)用水、土資源利用率分析各省市農(nóng)業(yè)水土資源利用程度，根據(jù)匹配狀況與利用程度綜合確定各省農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)，以期為農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化配置決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況及分區(qū)

中國(guó)位于亞洲東部、太平洋的西岸，陸地總面積約960萬(wàn)km2[1,4]。中國(guó)水資源總量居世界第6位，但人均水資源占有量不足世界人均水平的1/3；人均耕地面積不到世界平均水平的50%，同時(shí)還受到工業(yè)發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等擠占[1]。中國(guó)正在以世界6%的水資源量、9%的耕地，承載著世界20%的人口[4]。水土資源總量匱乏之外，中國(guó)農(nóng)業(yè)水土資源還面臨著空間分布錯(cuò)位、開(kāi)發(fā)利用不合理、污染嚴(yán)重等一系列問(wèn)題[1]。

基于?。ㄊ?、自治區(qū)）級(jí)數(shù)據(jù)，該研究分別從中國(guó)、省及地理區(qū)尺度評(píng)價(jià)區(qū)域農(nóng)業(yè)水土匹配特征和農(nóng)業(yè)水土資源利用的分布狀況，并以此為依據(jù)劃分農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)。中國(guó)大陸（因數(shù)據(jù)獲取限制，未考慮臺(tái)灣?。┲饕?個(gè)地理區(qū)，其中，黑龍江（黑）、吉林（吉）、遼寧（遼）為東北地區(qū)，北京（京）、天津（津）、河北（冀）、山西（晉）、內(nèi)蒙古（蒙）、山東（魯）、河南（豫）為華北地區(qū)，青海（青）、陜西（陜）、甘肅（甘）、新疆（新）、寧夏（寧）為西北地區(qū)，重慶（渝）、貴州（貴）、四川（川）、云南（云）、西藏（藏）為西南地區(qū)，湖北（鄂）、湖南（湘）、廣東（粵）、廣西（桂）、海南（瓊）為華中地區(qū)，江蘇（蘇）、浙江（浙）、上海（滬）、福建（閩）、江西（贛）、安徽（皖）為華東地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1）水資源數(shù)據(jù)：2000—2020年中國(guó)大陸31個(gè)省份的水資源總量及農(nóng)業(yè)用水量數(shù)據(jù)，來(lái)源于中華人民共和國(guó)水利部官網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)水資源公報(bào)》；

2）降水量數(shù)據(jù)：來(lái)源于科學(xué)數(shù)據(jù)銀行（https://www.scidb.cn/）的中國(guó)1 km空間分辨率的月降水插值數(shù)據(jù)集（1960—2020年），該數(shù)據(jù)集是由1960—2020年地面2 400多個(gè)氣象站的降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使用氣候數(shù)據(jù)空間插值軟件Anusplin計(jì)算而成。本研究選取該數(shù)據(jù)集中2000—2020年的部分；

3）土地資源數(shù)據(jù)：各省份土地面積與耕地面積數(shù)據(jù)，根據(jù)中國(guó)國(guó)土資源部《國(guó)土資源公報(bào)》（2000—2020年）和各省份統(tǒng)計(jì)局中《統(tǒng)計(jì)年鑒》（2000—2020年）數(shù)據(jù)整理；

4）空間數(shù)據(jù)：包括各省級(jí)（市、自治區(qū)）行政區(qū)劃圖與國(guó)界線(xiàn)來(lái)源于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站；全國(guó)1 km土地利用數(shù)據(jù)（2000、2005、2010和2015年）來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心。

1.3 研究方法

1.3.1 農(nóng)業(yè)水土資源匹配特征評(píng)價(jià)方法

1）廣義農(nóng)業(yè)水資源量

中國(guó)農(nóng)業(yè)用水分析框架從藍(lán)水和綠水概念出發(fā)，提出了廣義農(nóng)業(yè)水資源的概念，認(rèn)為廣義農(nóng)業(yè)水資源（WG，mm）應(yīng)由灌溉水（WI，mm）和有效降水（WPe，mm）2個(gè)分量組成[20]。WI、WPe均屬于農(nóng)業(yè)水資源量。本研究以省為分析單元統(tǒng)計(jì)農(nóng)業(yè)水資源量。

中國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉水占農(nóng)業(yè)用水的比例維持在90%～95%之間[20]，本研究將灌溉量保守取值為農(nóng)業(yè)用水量的0.9，計(jì)算式如下：

式中WI,t,z為t年份z分析單元的灌溉水量，108m3；Wa,t,z為t年份z分析單元的農(nóng)業(yè)用水量，108m3；t為年份（2000—2020年）。

基于2000—2020年的逐月降水深柵格數(shù)據(jù)，依據(jù)式（2）[21]計(jì)算逐年逐月的柵格月有效降水深：

式中Pe,t,j,k為t年份j月份k柵格的有效降水深，mm；Pt,j,k為t年份j月份k柵格的降水深，mm。柵格年有效降水深為對(duì)應(yīng)年份柵格月有效降水深之和：

式中Pe,t,k為t年份k柵格的年有效降水深，mm。

本研究假定耕地柵格內(nèi)降水均勻分布[22]，以2000年、2005年、2010年、2015年4個(gè)年份耕地的最大邊界作為研究期內(nèi)的耕地范圍，以耕地范圍作為Arcgis空間分析的掩膜提取柵格年有效降水深，再利用Arcgis10.7“分區(qū)統(tǒng)計(jì)-平均值”功能統(tǒng)計(jì)分析單元（z）內(nèi)柵格年有效降水深的平均值，以代表分析單元年有效降水深（Pe,t,z，mm）。t年份z分析單元的有效降水量（WPe,t,z，108m3）為年有效降水深與耕地面積的乘積：

式中Ac,t,z為t年份z分析單元的耕地面積，104hm2；103為單位換算系數(shù)。t年份z分析單元的廣義農(nóng)業(yè)水資源量（WG,t,z，108m3）為WI,t,z和WPe,t,z之和。

2）基尼系數(shù)

基尼系數(shù)最初用來(lái)衡量居民的收入差距水平，后被引入到水土匹配的測(cè)算中[23]。本研究基于省（自治區(qū)、直轄市）級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建WG、WI和WPe3項(xiàng)農(nóng)業(yè)水資源的基尼曲線(xiàn)并求解其基尼系數(shù)：首先，按照農(nóng)業(yè)水資源量與耕地面積的比值對(duì)分析單元由小到大進(jìn)行排序，并依次計(jì)算分析單元農(nóng)業(yè)水資源量在農(nóng)業(yè)水資源量占比 ωG、 耕地面積占比α的累計(jì)百分比；隨后，以ωG累計(jì)占比為x軸，α累計(jì)占比為y軸，繪制基尼曲線(xiàn)，并對(duì)基尼曲線(xiàn)進(jìn)行擬合?；嵯禂?shù)（G）即為基尼曲線(xiàn)與45°線(xiàn)圍成的面積的2倍。基尼系數(shù)G值越小，則說(shuō)明區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源與耕地資源越匹配，當(dāng)區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源與耕地資源分布極為匹配時(shí)，基尼曲線(xiàn)趨于45°線(xiàn)，基尼系數(shù)G趨近于0。根據(jù)聯(lián)合國(guó)關(guān)于基尼系數(shù)匹配水平的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)[23]，基尼系數(shù)與評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系共分為5個(gè)等級(jí)，包括絕對(duì)平均（G≤0.2）、比較平均（0.2＜G≤0.3）、相對(duì)合理（0.3＜G≤0.4）、差距較大（0.4＜G≤0.5）和差距懸殊（G＞0.5）。

3）廣義農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)

本研究定義廣義農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)（M，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“匹配系數(shù)”）以評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)水土資源的匹配狀況，可反映各研究單元用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源和耕地面積的配比關(guān)系。依據(jù)ωG和 α的相對(duì)大小，將匹配狀況區(qū)別為“水多土少”（W）和“土多水少”（A）兩種匹配狀況，“水多土少”表示廣義農(nóng)業(yè)水資源量相比于土地資源利用超量；M無(wú)量綱，數(shù)值大于或等于1，依據(jù)M值的大小衡量匹配程度的高低：ωG和 α越相近，即M值越趨向于數(shù)值1，表示分析單元的農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度越高；反之，表示分析單元的農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度越低。M計(jì)算式如下：

式中Mt,z為t年份z分析單元的廣義農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)；ωG,t,z為t年份z分析單元的廣義農(nóng)業(yè)水資源量占全國(guó)廣義農(nóng)業(yè)水資源量的比例（ωG,t,z=WG,t,z/∑WG,t,z）；αt,z為t年份z分析單元的耕地面積占全國(guó)耕地面積的比例（αt,z=Ac,t,z/∑Ac,t,z）。本研究計(jì)算2000—2020年各省M值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以比較不同省份間農(nóng)業(yè)水土資源匹配狀況的差異。

1.3.2 農(nóng)業(yè)水土資源利用程度評(píng)價(jià)方法

控制水、土資源的開(kāi)發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展的前提條件[24]。區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源利用程度分別以農(nóng)業(yè)水資源利用程度（UW）和墾殖率（UK）來(lái)表征。農(nóng)業(yè)水資源利用程度為農(nóng)業(yè)用水量與水資源總量比值，可反映區(qū)域農(nóng)業(yè)用水與水資源的配比關(guān)系，該值越小代表區(qū)域用于農(nóng)業(yè)的水資源所占比例越低；墾殖率為耕地面積與土地面積的比值[3]，可反映區(qū)域耕地與土地資源的配比關(guān)系，該值越小代表區(qū)域用于農(nóng)業(yè)的土地資源所占比例越低。UW和UK[3]的計(jì)算式如下：

式中UW,t,z和UK,t,z分別為t年份z分析單元的農(nóng)業(yè)水資源利用程度和墾殖率，%；WT,t,z為t年份z分析單元的水資源總量，108m3；AT,t,z為t年份z分析單元的土地面積，104hm2。

1.3.3 農(nóng)業(yè)水土資源匹配及利用狀況趨勢(shì)分析

基于中國(guó)農(nóng)業(yè)水土資源G、各省份M、UW和UK的計(jì)算，通過(guò)趨勢(shì)分析及顯著性檢驗(yàn)分析其動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。根據(jù)線(xiàn)性擬合公式的斜率k值和顯著性檢驗(yàn)的P值對(duì)G、M、UW及UK的變化趨勢(shì)進(jìn)行分類(lèi)。分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)如下：1）顯著下降：k＜0且P≤0.05；2）顯著上升：k≥0且P≤0.05；3）無(wú)顯著趨勢(shì)：P＞0.05。

1.3.4 農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)劃分

本研究定義U為農(nóng)業(yè)水土資源利用程度，值取UW和UK中的較大值。依據(jù)現(xiàn)有研究，水資源開(kāi)發(fā)利用率上限為20%～30%[25]，土地資源開(kāi)發(fā)利用極限為30%[26]，綜合確定農(nóng)業(yè)水土資源利用程度上限值Umax為30%（對(duì)于西北干旱地區(qū)的省份，Umax則取40%[2]）。以Umax為界，若U≥Umax為高利用（H），為低利用（L）。綜合考慮M值的取值范圍和類(lèi)型區(qū)劃分個(gè)數(shù)的均衡，確定判斷農(nóng)業(yè)水土匹配程度高低的界限值為M0，若M≥M0，為低匹配（L）；反之，為高匹配（H）。根據(jù)匹配系數(shù)（M）和農(nóng)業(yè)水土資源利用程度（U）的不同組合，將農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)劃分為4類(lèi)（圖1）。其中，低匹配高利用區(qū)（LH類(lèi)型區(qū)，第一象限）水土資源配置情況較差，高匹配低利用區(qū)（HL類(lèi)型區(qū)，第三象限）水土配置情況較好。

圖1 農(nóng)業(yè)水土資源利用分區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of agricultural water and land resources utilization zoning

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)水土資源匹配特征

2020年不同農(nóng)業(yè)水資源量與耕地資源的基尼曲線(xiàn)均偏離于公平曲線(xiàn)（圖2a），其中，灌溉水基尼曲線(xiàn)偏離公平曲線(xiàn)程度最大，約40%的灌溉水用于70%耕地面積上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；其次為降水基尼曲線(xiàn)，約40%的降水量用于60%耕地面積上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；而廣義農(nóng)業(yè)水基尼曲線(xiàn)偏離程度最小，約40%廣義農(nóng)業(yè)水資源用于56%耕地面積上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。2000—2020年間，灌溉水、降水、廣義農(nóng)業(yè)水土匹配基尼系數(shù)年均值分別為0.424、0.396、0.360（圖2b）。根據(jù)聯(lián)合國(guó)關(guān)于基尼系數(shù)匹配水平的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，可以得出中國(guó)灌溉水與耕地分布差距較大，降水、廣義農(nóng)業(yè)水資源與耕地分布相對(duì)合理的結(jié)論。自然條件下，中國(guó)降水量空間分布不均勻。降水量不能完全滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)的水分需求時(shí)，需通過(guò)人為灌溉彌補(bǔ)天然降水量的不足，而不同地區(qū)灌溉設(shè)施和條件存在差異會(huì)影響灌溉水與耕地的空間分布狀況[1,27]。從變化趨勢(shì)上看，灌溉水水土匹配基尼系數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)（P<0.05），即中國(guó)灌溉水與耕地的匹配情況逐漸變差；降水水土基尼系數(shù)存在波動(dòng)，無(wú)顯著變化趨勢(shì)（P＞0.05），降水與耕地的匹配情況受到水文年型的影響而呈波動(dòng)變化；廣義農(nóng)業(yè)水土匹配基尼系數(shù)無(wú)顯著變化趨勢(shì)（P＞0.05），中國(guó)廣義農(nóng)業(yè)水資源與耕地的匹配情況較為穩(wěn)定。

圖2 2000—2020年中國(guó)農(nóng)業(yè)水土資源基尼曲線(xiàn)及基尼系數(shù)Fig.2 Gini Curve and Gini index of China's agricultural water and land resources from 2000 to 2020

采用匹配系數(shù)M揭示不同省份的農(nóng)業(yè)水土資源匹配特征。2000—2020年間，地理區(qū)和省際間農(nóng)業(yè)水土匹配程度存在差異（圖3）。匹配狀況上，東北、華北和西北地區(qū)15個(gè)省市匹配狀況為“土多水少”，華東、華中和西南地區(qū)的16個(gè)省市匹配狀況為“水多土少”。匹配程度上，京、豫、云、渝4省市M接近于1，農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度較高；而蒙、晉、閩、粵等14省市M較大，農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度較低?！巴炼嗨佟笔》葜?，匹配程度最低為蒙（M均值1.88），最高為豫（1.14）；“水多土少”省份中，匹配程度最低為粵（2.06），最高為云（1.02）。M的變異程度隨M值的增大而升高，M>1.5的省份農(nóng)業(yè)水土匹配狀況的年際間差異相對(duì)較大，如粵M標(biāo)準(zhǔn)差為0.17，而云M標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.09。從動(dòng)態(tài)變化上看，2000—2020年間，滬、京、蘇、寧4省市M顯著上升（P<0.05），k值分別為0.024、0.016、0.016、0.012，其中，滬M由1.45增至1.91，增幅最大，為31%；京M由1.14增至1.20，增幅5%。黑、晉、鄂、津4省市M顯著下降（P<0.05），k值分別為-0.020、-0.016、-0.014、-0.009，其中，晉M由2.01降至1.57，降幅最大，為22%；黑M由2000年1.53下降至2020年1.33，降幅13%。其余省份無(wú)顯著趨勢(shì)。

圖3 2000—2020年各省份廣義農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)Fig.3 Generalized agricultural water and land matching index in each province from 2000 to 2020

農(nóng)業(yè)水土匹配狀況的空間分布大致以秦嶺-淮河線(xiàn)及延長(zhǎng)線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“分隔線(xiàn)”）為界，分隔線(xiàn)以南地區(qū)“水多土少”，以北地區(qū)“土多水少”，距分隔線(xiàn)越遠(yuǎn)的省份M值越大（圖4a）。降水占比在空間上自東南向西北大致呈先增后減的趨勢(shì)（圖4b），而M值與降水占比有關(guān)，隨降水占比的增加M值呈先增后減的趨勢(shì)（圖4c），當(dāng)降水占比處在62%附近時(shí)，M值偏高，這可能與南北方的降水條件、農(nóng)業(yè)類(lèi)型等相關(guān)。

圖4 2000—2020年廣義農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)與降水占比的空間分布及其間關(guān)系Fig.4 Spatial distribution and relationship between generalized agricultural water and land matching index and share of precipitation from 2000 to 2020

2.2 農(nóng)業(yè)水土資源利用狀況

2000—2020 年間（圖5），中國(guó)墾殖率和農(nóng)業(yè)水資源利用程度空間異質(zhì)性明顯。

圖5 2000—2020年農(nóng)業(yè)水資源利用程度（UW）和墾殖率（UK）Fig.5 Utilization degree of agricultural water resources (UW ) and reclamation rate (UK) from 2000 to 2020

農(nóng)業(yè)水資源利用程度在空間上大致呈現(xiàn)出“北高南低”的特點(diǎn)（圖5），其中，津（78%）、冀（74%）等省市農(nóng)業(yè)水資源利用程度高于開(kāi)發(fā)利用限度。墾殖率大體呈現(xiàn)出類(lèi)“胡煥庸線(xiàn)”的“東南高西北低”的分布特點(diǎn)，東南半壁墾殖率較高，如：豫（45%）、魯（41%）；西北半壁墾殖率不足10%，如：藏（0.2%）、青（0.8%）。2000—2020年間，遼、吉、黑、蒙、魯、豫、皖、贛、桂、湘、鄂、川、貴、藏、渝、甘、新、陜18個(gè)省市的墾殖率呈顯著上升趨勢(shì)，京、津、冀、滬、蘇5個(gè)省市呈顯著下降趨勢(shì)，其余8個(gè)省市無(wú)顯著趨勢(shì)，尤其應(yīng)當(dāng)指出，吉墾殖率由2000年21%增加至2020年40%，增幅約88%。農(nóng)業(yè)水資源利用程度隨水資源的豐平枯而波動(dòng)變化，京、津、冀、浙、滬、粵、桂、甘、青、寧、蒙11個(gè)省市呈顯著下降趨勢(shì)，新呈顯著上升趨勢(shì)，其余省市無(wú)顯著趨勢(shì)。

2.3 農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)

根據(jù)圖3展示的M均值的取值范圍[1.02,2.06]，M中間值約為1.5，M≥1.5和M<1.5的省份個(gè)數(shù)分別為14和17，因此取M0=1.5。采用M0=1.5、Umax=30%為界限劃分農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)的結(jié)果如圖6a所示。2020年LH（低匹配高利用）包括冀、晉、蘇、吉、新5省市，農(nóng)業(yè)水土匹配程度低且存在水土過(guò)度利用的情況，區(qū)域水土資源利用的均衡程度低，水土資源配置情況最差；HL（高匹配低利用）包括京、陜、川、青等8省市，匹配程度較高且不存在水土過(guò)度利用情況，水土配置情況較好；LL（低匹配低利用）包括蒙、甘、藏、粵等11省市，匹配程度低且水土資源利用程度低；HH（高匹配高利用）包括寧、黑、遼、魯、豫、皖等7省市，除寧外，其余省份均處于華北和東北兩大糧食主產(chǎn)區(qū)，尤其是魯、豫、皖3省，水、土資源利用均已超出限度，對(duì)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展及食物安全十分不利[28]。2000—2020年圖6b，京、津、蒙等11個(gè)省份的農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)發(fā)生改變，其中，新、蘇、吉農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)H。京農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)镠L。新、蘇類(lèi)型區(qū)發(fā)生改變的主要原因在于匹配程度發(fā)生改變；京、吉類(lèi)型區(qū)改變的主要原因則是在于水土資源開(kāi)發(fā)利用程度發(fā)生改變。

圖6 2000—2020年農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)（UZ）現(xiàn)狀及變化Fig.6 Changes and current situation of agricultural water and land resources utilization zoning (UZ) from 2000 to 2020

3 討 論

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，中國(guó)農(nóng)業(yè)水土匹配程度差，實(shí)際上，其分析要素僅為灌溉水量[20,22]，降水是農(nóng)業(yè)可用水量的重要補(bǔ)給，在農(nóng)業(yè)水土匹配分析中不可忽略。在同時(shí)考慮灌溉水與降水后，本文采用聯(lián)合國(guó)關(guān)于基尼系數(shù)匹配水平的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，得出了廣義農(nóng)業(yè)水資源與耕地的分布相對(duì)合理的結(jié)論，中國(guó)廣義農(nóng)業(yè)水土匹配程度優(yōu)于灌溉水土匹配程度。除前述結(jié)論外，本文還得出2000—2020年中國(guó)廣義農(nóng)業(yè)水土資源匹配情況較為穩(wěn)定，中國(guó)灌溉水與耕地的匹配情況逐漸變差的結(jié)論。因此，在灌溉水資源有限的情況下，未來(lái)農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化應(yīng)充分利用降水，高效利用灌溉水，落實(shí)“適水種植”，以農(nóng)作物實(shí)際生長(zhǎng)狀況及灌溉要求為依據(jù)配置灌溉水量；“藏水于技”，提高灌溉水利用效率，使有限的灌溉水分配到更多耕地面積上[1,5]。

各地理區(qū)及各省份的匹配狀況、匹配程度、農(nóng)業(yè)水土資源開(kāi)發(fā)利用程度差異較大。造成匹配狀況與匹配程度存在較大差異的原因在于南北方地區(qū)氣候條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類(lèi)型、作物種植結(jié)構(gòu)不同。廣東、福建等東南沿海部分省份氣候濕潤(rùn)，降水十分豐沛，加之以水稻為主的高耗水種植結(jié)構(gòu)，灌溉水量多，但存在許多不可利用的坡地、丘陵等，因此“水多土少”特征明顯[29-30]；內(nèi)蒙古、甘肅居于內(nèi)陸，氣候干旱、降水稀少，但缺乏配套完善的渠系等水利工程設(shè)施，因此，資源性和工程性缺水加劇了其“土多水少”的矛盾，造成匹配程度低[31]。華北、西北地區(qū)部分省市農(nóng)業(yè)水資源利用程度超限，如冀（74%）、津（78%）。而造成其農(nóng)業(yè)水資源利用程度超限的原因不同，如：西北地區(qū)的新疆農(nóng)業(yè)水資源利用超限是由于該省份有灌溉才有農(nóng)業(yè)，降水稀少，氣候極度干旱蒸發(fā)旺盛[11,32]；華北地區(qū)的河北農(nóng)業(yè)水資源利用超限則是由于該省份高耗水的種植結(jié)構(gòu)[33]。

農(nóng)業(yè)水土匹配程度的變化與區(qū)域水土資源利用方式、程度及種植結(jié)構(gòu)和的改變有關(guān)。如：研究期內(nèi)，黑龍江匹配系數(shù)由2000年1.53下降至2020年1.33。該階段，黑龍江水田擴(kuò)增，然而耕地資源利用結(jié)構(gòu)與方式逐步趨于合理方向變化，重點(diǎn)流域的水土流失治理得到加強(qiáng)；同時(shí)，隨著農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，水資源總量供給增加，區(qū)域水量調(diào)節(jié)能力提升，緩解了水田擴(kuò)增帶來(lái)的水資源壓力[34]。研究期內(nèi)黑龍江的ωG和 α均增加，綜合水土資源的變化情況，M值下降，農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度提高[34]；上海匹配系數(shù)由2000年1.45增至2020年1.91，該階段內(nèi)，上海搶占農(nóng)業(yè)資源的問(wèn)題愈加突出，面臨水土資源 “農(nóng)轉(zhuǎn)非”的問(wèn)題，耕地面積銳減，而水資源利用效率提升減少了農(nóng)業(yè)水量，ωG和 α均減小，但M值增加，匹配程度降低[17,35-36]。

農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)綜合反映各個(gè)省市匹配狀況和水土資源利用程度，區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類(lèi)型、水土資源稟賦、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等都是決定水土資源合理利用及匹配程度的關(guān)鍵因素。高匹配省市農(nóng)業(yè)水土資源利用程度較為均衡，而低匹配省市農(nóng)業(yè)水土資源利用不均衡，應(yīng)當(dāng)首先協(xié)調(diào)區(qū)域水土資源的利用，通過(guò)修建水利工程、土地整理、提高土壤肥力和產(chǎn)能、涵養(yǎng)水源等措施彌補(bǔ)自然條件水土資源稟賦的不足[33]。低利用省市可適度開(kāi)發(fā)水土資源，如：福建可增加水資源調(diào)蓄和配置工程，發(fā)揮地區(qū)水資源優(yōu)勢(shì)，同時(shí)改善坡耕地以加大耕地的利用程度[29]；內(nèi)蒙古可建立更為完善的水源工程、跨流域調(diào)水工程、節(jié)水灌溉工程保障體系彌補(bǔ)資源性缺水帶來(lái)的影響，增加旱改水的節(jié)水灌溉面積等[37]；西藏地形特殊，環(huán)境條件復(fù)雜，可適當(dāng)挖掘區(qū)域水土資源潛力，增加水土資源的利用途徑，考慮發(fā)展牧業(yè)、水能發(fā)電等[38]。高利用省市需明確水土資源利用高的原因所在，如河北、天津等省市應(yīng)當(dāng)首先治理水土資源浪費(fèi)或污染的情況，再通過(guò)加大非常規(guī)水源的利用、提升水土資源質(zhì)量、落實(shí)“適水種植”等方式緩解水土資源超限利用帶來(lái)的不利影響[39]；而新疆等省市則應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)，發(fā)展雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，建設(shè)集雨窖、推廣地膜覆蓋技術(shù)充分利用降水資源，緩解資源性和工程性缺水，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[27,32]。本文提出的“水多土少”和“土多水少”2種匹配狀況以及農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)，能夠直接體現(xiàn)出區(qū)域水土資源利用的不均衡程度，能夠幫助政府部門(mén)調(diào)整水土資源的利用方向，為區(qū)域水土資源優(yōu)化配置提供思路，對(duì)于落實(shí)“以水定地”、“適水種植”具有積極意義。

本研究存在一定的局限性：1）農(nóng)業(yè)水土資源未考慮無(wú)法被利用、利用較為困難、潛在可開(kāi)發(fā)的量，如：坡耕地、汛期洪水下泄量、地下水補(bǔ)給量[24]等。除此之外，也沒(méi)有考慮到藍(lán)綠水資源之間的轉(zhuǎn)化[4]；2）本研究所采用的匹配系數(shù)不能完全揭示分析單元實(shí)際水土匹配狀況的優(yōu)劣，但可表明分析單元水土資源利用的相對(duì)均衡程度，“水多土少”、“土多水少”2種匹配狀況和農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)能夠用于政府部門(mén)控制水土資源利用方向，為區(qū)域水土資源優(yōu)化配置提供思路；3）水土資源稟賦和利用強(qiáng)度有空間異質(zhì)性，本文基于省級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)難免忽略省內(nèi)水土資源匹配和利用情況的差異，未來(lái)研究中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)更高精度單元或柵格尺度上的研究，還應(yīng)對(duì)水土資源要素進(jìn)行細(xì)化，如：考慮農(nóng)田水分平衡、作物需水及土地實(shí)際利用情況等。除此之外，有必要考慮農(nóng)業(yè)水土資源質(zhì)量的相關(guān)影響。

4 結(jié) 論

本文利用2000—2020年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)基尼系數(shù)評(píng)價(jià)了全國(guó)農(nóng)業(yè)水土資源匹配水平，應(yīng)用廣義農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)評(píng)價(jià)各地理區(qū)和各省市農(nóng)業(yè)水土匹配狀況和程度，根據(jù)農(nóng)業(yè)水資源利用程度和墾殖率分析了全國(guó)各省市農(nóng)業(yè)水土資源利用狀況，聯(lián)合農(nóng)業(yè)水土資源匹配特征與農(nóng)業(yè)水土資源利用狀況確定各省市農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)，研究結(jié)果表明：

1）2000—2020 年，中國(guó)灌溉水與耕地的分布差距較大，匹配程度變差；廣義農(nóng)業(yè)水資源與耕地的分布相對(duì)合理，且較為穩(wěn)定；地理區(qū)及省際間農(nóng)業(yè)水土資源匹配狀況和匹配程度存在較大差異。秦嶺-淮河線(xiàn)及延長(zhǎng)線(xiàn)以北的省市，即東北、華北和西北地區(qū)的15個(gè)省市匹配狀況為“土多水少”，其中，匹配程度最低的省為蒙，最高為豫；而秦嶺-淮河線(xiàn)及延長(zhǎng)線(xiàn)以南的省市，即華東、華中和西南地區(qū)的16個(gè)省市匹配狀況為“水多土少”，其中，匹配程度最低的省為粵，最高為云。距離秦嶺-淮河線(xiàn)及延長(zhǎng)線(xiàn)越遠(yuǎn)的省市匹配系數(shù)值相對(duì)較大，匹配程度低。

2）研究期內(nèi)，中國(guó)省際間農(nóng)業(yè)水土資源開(kāi)發(fā)利用程度差距較大。墾殖率大體呈現(xiàn)出類(lèi)“胡煥庸線(xiàn)”的“東南高西北低”的分布特點(diǎn)，東南半壁墾殖率較高，如：豫、魯；西北半壁墾殖率不足10%，如：藏、青。農(nóng)業(yè)水資源利用程度在空間上大致呈現(xiàn)出“北高南低”的特點(diǎn)，藏等省市農(nóng)業(yè)水資源利用程度不足5%，華北、西北地區(qū)部分省市，農(nóng)業(yè)水資源利用程度較高，如冀、津。

3）2000—2020 年，京、津、蒙等11個(gè)省份的農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)發(fā)生改變，新、蘇、吉農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈推ヅ涓呃脜^(qū)，京農(nóng)業(yè)水土資源利用類(lèi)型區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂ヅ涞屠脜^(qū)。2020年冀、晉、新、吉、蘇5省市為低匹配高利用區(qū)；京、陜、川、青等8省市為高匹配低利用區(qū)；蒙、甘、藏、粵等11省市為低匹配低利用區(qū)；寧、黑、遼、魯、豫、皖等7省市為高匹配高利用區(qū)。