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      黑龍江省水土資源承載力綜合評價及空間分異特征研究

      2016-03-24 02:22:29陳紅梅杭艷紅韓東薇
      節(jié)水灌溉 2016年4期
      關(guān)鍵詞:水土資源子系統(tǒng)黑龍江省

      陳紅梅,杭艷紅,楊 林,韓東薇,石 磊,寧 靜

      (東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150030)

      0 引 言

      水土資源是一個復(fù)雜的系統(tǒng),同時是人類生存發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源[1]。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展,其帶來的水土資源污染和短缺問題已成為人類面臨的巨大挑戰(zhàn)[2]。因此,對水土資源承載力進行合理有效地評價,了解水土資源的利用結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律,深入分析水土資源承載力時空變化的影響因素,有助于合理調(diào)整水資源供給和土地利用轉(zhuǎn)變,從而促進區(qū)域社會、經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

      國內(nèi)外學(xué)者對水土資源承載力進行了大量的研究[3-7],但大多數(shù)的研究都將水資源和土地資源分別作為研究對象,將水土資源作為整體系統(tǒng)的研究相對較少[8]。將水土資源作為系統(tǒng)的研究方式主要是通過構(gòu)建水土資源承載力評價指標(biāo)體系,采用模糊綜合評價法、因子分析、決策分析等方法進行評價。例如,施開放等結(jié)合可拓學(xué)和熵權(quán)理論,構(gòu)建熵權(quán)可拓決策模型,對重慶三峽庫區(qū)水土資源承載力進行定量評價[9]。周智等將水土資源系統(tǒng)劃分為水資源、土地資源和水土資源耦合3個子系統(tǒng),利用因子分析法,對全國31個省水土資源承載力進行綜合評價[10]。任守德等提出從微觀和宏觀尺度進行農(nóng)業(yè)水土資源承載力評價的新思路,并對三江平原農(nóng)墾建三江分局農(nóng)業(yè)水土資源承載力進行實證研究。南彩艷等利用改進的SPA水土資源承載力綜合評價模型,對關(guān)中地區(qū)影響水土資源承載力進行評價和分級[11]。拓學(xué)森從仿真模擬角度利用系統(tǒng)動力學(xué)模型模擬了民勤縣水土資源綜合承載力變化趨勢[12]。呂添貴等采用信息熵權(quán)法確定耦合評價指標(biāo)體系,對鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)水土資源進行評價[13];同時,研究角度也存在較大差異,王薇等從水土資源的空間匹配角度,探討其匹配程度的區(qū)域差異,提出水土資源科持續(xù)利用對策[14]。張曉青、張衍廣等從預(yù)測角度,求取了區(qū)域未來水土資源的綜合承載力[15]。呂添貴等將水土資源與經(jīng)濟發(fā)展進行耦合分析[13]。

      考慮到水土資源系統(tǒng)具有的動態(tài)性和復(fù)雜性,以及子系統(tǒng)間相互作用關(guān)系,同時綜合黑龍江省的社會經(jīng)濟和水土資源狀況,本文采用改進的DPSIR水土資源承載力指標(biāo)體系,利用時序全局因子分析方法,對黑龍江省水土資源承載力進行綜合評價,深入分析各個子系統(tǒng)和各地區(qū)水土資源承載力演化規(guī)律,探討水土資源綜合承載力空間分異特征以及影響因素,摸清黑龍江省的水土資源承載力狀況,從而為提高水土資源利用效率,制定有效水土資源保護和治理措施提供科學(xué)依據(jù)。

      1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

      1.1 研究區(qū)概況

      黑龍江省位于中國東北部,地理坐標(biāo)121°11′~135°5′E、43°25′~53°33′N,西部屬松嫩平原,東北部為三江平原,北部、東南部為山地,平原海拔50~200 m,年平均氣溫在-5~5 ℃之間。其境內(nèi)有黑龍江、松花江和烏蘇里江三大水系,同時有興凱湖、鏡泊湖、連環(huán)湖和五大連池4處較大湖泊及星羅棋布的泡沼。全省多年平均地表水資源量為686.0億m3,多年平均地下水資源量為297.44億m3,扣除兩者之間重復(fù)計算量173.14億m3,全省多年平均水資源量為810.3億m3,人均水量2 160 m3,均低于全國平均水平[16]。土地總面積為4 730萬hm2,占全國土地總面積的4.9%,其中農(nóng)用地面積3 950.2萬hm2,占全省土地總面積的83.5%,是我國重要的農(nóng)業(yè)大省。2003年實施東北振興戰(zhàn)略以來,黑龍江省城鎮(zhèn)化步伐不斷加快,水土資源的空間配置也發(fā)生了顯著變化,因此,有必要對東北振興戰(zhàn)略實施以來黑龍江省水土資源承載進行綜合評價,同時分析其空間分異特征,為保護和合理有效地利用水土資源提供理論依據(jù)。

      1.2 數(shù)據(jù)來源

      研究數(shù)據(jù)主要來源于《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)、《中國城市統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)、《中國水利統(tǒng)計年鑒》(2005-2014)、《黑龍江省水資源公報》(2005-2014)等統(tǒng)計資料以及相關(guān)政府報告資料。

      2 研究方法

      2.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

      水土資源是一個復(fù)雜的綜合系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)和組成要素具有復(fù)雜性和動態(tài)性,而DPSIR模型是一種在環(huán)境系統(tǒng)中廣泛使用的評價指標(biāo)體系概念模型,它將表征一個自然系統(tǒng)的評價指標(biāo)分成驅(qū)動力(Driving Force)、壓力( Pressure)、狀態(tài)(State)、影響(Impact)、響應(yīng)(Response)5個子系統(tǒng)。進一步,從經(jīng)濟社會發(fā)展需求、環(huán)境質(zhì)量提高、資源合理匹配等發(fā)展問題的角度,選取21項代表性指標(biāo),構(gòu)建黑龍江省水土資源承載力綜合評價指標(biāo)體系(表1)。

      表1 水土資源承載力綜合評價指標(biāo)體系Tab.1 Indexes system、expression and significance of soil and water resources carrying capacity

      續(xù)表1 水土資源承載力綜合評價指標(biāo)體系

      2.2 時序全局因子分析模型的建立

      水土資源承載力系統(tǒng)具有顯著的動態(tài)性,是多維數(shù)據(jù)、多種因素相互影響制約的復(fù)雜系統(tǒng),同時,數(shù)據(jù)的積累表征了我們擁有大量的按時間順序排列的平面數(shù)據(jù)表數(shù)列,構(gòu)成了水土資源綜合承載力的數(shù)據(jù)匣,稱為時序立體數(shù)據(jù)表[17]。時序全局因子分析方法將多維的動態(tài)時序立體數(shù)據(jù)表通過全局的主成分公因子變換到相同的主超平面上,使得各年份公因子具有相同的構(gòu)成,根據(jù)不同的時序變化,數(shù)據(jù)進行交換、組合。對于具有動態(tài)性特征的水土資源綜合系統(tǒng),通過時序全局因子分析方法,構(gòu)成了整個系統(tǒng)的統(tǒng)一簡化子空間,保證了水土資源承載力綜合系統(tǒng)分析的統(tǒng)一性、整體性。

      具體步驟如下:

      (1)時序全局立體數(shù)據(jù)表的構(gòu)建。若以n個城市作為水土資源承載力的樣本點,選取p個指標(biāo),以x1,x2,…,xp為變量指標(biāo),就構(gòu)成了時序立體數(shù)據(jù)表K,

      K={Xt∈Rn×p,t=1,2,…,T} (t為時間跨度)

      在t時刻數(shù)據(jù)表中的Xt可表示為:

      (2)指標(biāo)數(shù)據(jù)的無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理。水土資源綜合承載力評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的量綱不同,各個指標(biāo)數(shù)據(jù)值相差很大,考慮數(shù)據(jù)的特點和分析目的,為了消除指標(biāo)受量綱影響而獲得的不可公度性,對評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,采用兩種方法。

      對于指標(biāo)值越大越好的數(shù)據(jù):

      X*ij=[xij-min(xj)]/[max(xj)-min(xj)]

      (i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,p)

      對于指標(biāo)值越大越好的數(shù)據(jù):

      X*ij=[max(xj)-xij]/[max(xj)-min(xj)]

      (i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,p)

      其中,max(xj)、min(xj)分別為指標(biāo)的最大值與最小值。由此無量綱標(biāo)準(zhǔn)化后的決策矩陣記為X*,X*=(x*ij)n×p。

      (3)因子模型適用性分析。利用KMO對評價的指標(biāo)變量進行分析,確定其是否有較強的相關(guān)性,以判斷其是否適合使用因子分析方法進行分析。

      (4)計算X*矩陣的協(xié)方差陣R,求R的m個特征值λ1,λ2,…,λm(m

      (5)利用最大方差法進行因子旋轉(zhuǎn),求得全局主公因子表達式:

      Y1=u11x1+u21x2+…+um1xm

      Y2=u12x1+u22x2+…+um2xm

      Ym=u1mx1+u2mx2+…+ummxm

      Y1,Y2,…,Ym表示第 1、2至m個全局主公因子。

      (6)構(gòu)造綜合承載力得分函數(shù),計算各子系統(tǒng)承載力分值。根據(jù)主公因子貢獻率,構(gòu)造綜合承載力得分函數(shù):F=(λ1Y1+λ2Y2+…+λmYm)/(λ1+λ2+…+λm)。

      3 結(jié)果分析

      3.1 水土資源承載力評價結(jié)果分析

      以黑龍江省地級市為基本單元,對該區(qū)域12個地區(qū)的數(shù)據(jù)根據(jù)因子分析的原理和步驟,運用SPSS軟件進行統(tǒng)計處理,其KMO檢驗值為:0.694,表明適宜進行因子分析。據(jù)表2和旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣,特征值大于1的6個公因子累積貢獻率為77.158,且其載荷系數(shù)較高,選取為公因子。

      表2 時序全局因子解釋的總方差情況Tab.2 The total variance explained in the case of the timing factor globally

      3.2 各子系統(tǒng)變化趨勢分析

      將各地區(qū)子系統(tǒng)值進行求和得出黑龍江省各子系統(tǒng)值,進一步對各子系統(tǒng)的變化趨勢進行分析(圖1),可以看出各子系統(tǒng)在水土資源系統(tǒng)中具有明顯的層次,從高往低依次為影響系統(tǒng)、驅(qū)動力系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng),而狀態(tài)系統(tǒng)為負值,表明由黑龍江省的社會經(jīng)濟“驅(qū)動力”帶來的發(fā)展,對水土資源系統(tǒng)帶來了巨大的“影響”,同時由于水土資源利用方式的調(diào)整或經(jīng)濟政策的改變,即“響應(yīng)”系統(tǒng)的變化,從而使水土資源承受了相對較少的“壓力”,因此,其負向的狀態(tài)值說明水土資源的利用向著更為合理的方向發(fā)展。

      圖1 各子系統(tǒng)發(fā)展趨勢Fig.1 The trends of each subsystem

      3.3 各地區(qū)水土資源承載力演化規(guī)律

      3.3.1水土資源承載力時間變化規(guī)律

      黑龍江省水土資源承載力綜合指數(shù)如圖2所示,各綜合承載力指數(shù)為各分項承載力指數(shù)加權(quán)后的總和,水土資源承載力綜合指數(shù)最高為1,指數(shù)值越高,說明承載力越大。黑龍江省各地區(qū)水土資源承載力綜合指數(shù)波動較大,總體呈先上升后下降再上升的N型曲線特征,其整體呈增長趨勢,將其變化階段劃分為:增長期(2004-2009年)、衰落期(2009-2011年)、反彈期(2011-2013年)。①在增長期,大部分地區(qū)水土資源承載力綜合指數(shù)呈上升趨勢,其水土資源承載力在逐步增強,然而,哈爾濱、黑河、佳木斯在2004年承載力綜合指數(shù)較高,之后緩慢發(fā)展,主要由于2004年東北西部發(fā)生百年一遇春夏連旱,導(dǎo)致其他地區(qū)水土資源承載力降低。②衰落期間佳木斯、大慶、雙鴨山、雞西、七臺河、鶴崗和綏化,水土資源綜合承載力指數(shù)整體呈下降趨勢,說明水土資源匹配狀態(tài)開始惡化,哈爾濱、黑河、伊春發(fā)展較為平穩(wěn)。③在反彈期,大部分地區(qū)水土資源承載力恢復(fù)增長趨勢,只有綏化持續(xù)下降,進一步發(fā)現(xiàn)綏化水土資源壓力系統(tǒng)的作用遠大于驅(qū)動力系統(tǒng),其影響系統(tǒng)呈現(xiàn)負值,可以說明綏化的水土資源利用方式存在嚴重的問題。

      圖2 各地區(qū)水土資源承載力變化態(tài)勢Fig.2 Carrying capacity of soil and water resources situation changes of Regions

      3.3.2水土資源承載力時間變異特征

      圖3 黑龍江省水土資源承載力區(qū)域變異系數(shù)Fig.3 The regional variation coefficient of soil and water resources capacity in Heilongjiang Province

      3.4 黑龍江省水土資源承載力空間分異特征分析

      為了探討各地區(qū)水土資源的分異特征,采用系統(tǒng)聚類方法對2004年、2009年、2013年各地區(qū)綜合評價結(jié)果進行聚類分析,并將12地級市分為3個梯度,在空間上進行表達(如圖3)。

      2004年各地區(qū)水土資源承載力具有較大差異,4個農(nóng)業(yè)分區(qū)[18]內(nèi)各有一個高值聚集點分別是黑河、佳木斯、大慶和牡丹江,中等梯度為齊齊哈爾、伊春和哈爾濱地區(qū),其他地區(qū)為低等梯度主要分布在三江平原和綏化地區(qū)。2009年大部分地區(qū)處于高等梯度,僅有東部煤電基地的雙鴨山、七臺河和雞西地區(qū),以及綏化地區(qū)處于中等梯度。2013年與2009年相比,綏化從中等梯度退到低等梯度,鶴崗從高等梯度退到中等梯度??傮w而言,2004-2009年,水土資源承載力得到較大提高,高值區(qū)域以綏化地區(qū)為中心,向各個方向擴張,低值區(qū)分布在東部且呈現(xiàn)明顯縮小態(tài)勢,2009-2013年,部分地區(qū)呈現(xiàn)下降態(tài)勢,但水土資源承載力整體發(fā)展趨于良性,呈上升的發(fā)展態(tài)勢。

      圖4 黑龍江省各市水土資源綜合承載力 空間分布變化態(tài)勢(2004、2009、2013年)Fig.4 Comprehensive changes in the spatial distribution of soil and water resources carrying capacity situation of cities in Heilongjiang Province(2004,2009,2013)

      4 結(jié) 語

      (1)水土資源承載力系統(tǒng)是由各個子系統(tǒng)共同作用形成的合力系統(tǒng)。黑龍江省的水土資源系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的作用形成明顯的層次,表明黑龍江省的社會經(jīng)濟帶來的發(fā)展,給水土資源系統(tǒng)帶來影響,同時由于水土資源利用方式的改變,減少了這種壓力,從而使水土資源利用方式向著更合理的方向發(fā)展。

      (2)東北振興戰(zhàn)略實施以來,黑龍江省各地區(qū)水土資源承載力的變化呈現(xiàn)“N”字型態(tài)勢,其演化階段可以分為:增長期、衰落期和反彈期。水土資源狀況在發(fā)展的初期表現(xiàn)出良好的態(tài)勢,但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展對其造成破壞,然而由于水土資源利用方式和經(jīng)濟政策調(diào)整水土資源狀態(tài)仍然可以恢復(fù)發(fā)展的活力。同時,水土資源承載力與各地區(qū)水土資源利用方式的差異性存在較強的關(guān)聯(lián)性,如綏化水土資源承載力持續(xù)下降,其水土資源壓力系統(tǒng)的作用遠大于驅(qū)動力系統(tǒng),其影響系統(tǒng)呈現(xiàn)負值,可以說明綏化的水土資源利用方式存在嚴重的問題。

      (3)水土資源承載力具有明顯的空間分異特征,黑龍江省西部、北部和南部水土資源承載力在不斷地提高,而東部煤炭基地建設(shè),致使水土資源壓力增加,進而水土資源承載力相對較弱,總體而言,近年來黑龍江省水土資源承載力發(fā)展整體趨于良性,呈上升態(tài)勢。

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