河南省耕地利用效益與水資源壓力耦合評價

焦士興， 王安周， 李青云， 李中軒，趙榮欽， 張 曼， 林璐霜

（1.安陽師范學院資源環(huán)境與旅游學院，河南安陽 455002； 2.洛陽市第十九中學，河南洛陽 471000；3.許昌學院城市與環(huán)境學院，河南許昌 461000； 4.華北水利水電大學測繪與地理信息學院，鄭州 450046）

水土資源是人類生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)資源，其協(xié)調(diào)發(fā)展有利于實現(xiàn)區(qū)域糧食安全和可持續(xù)發(fā)展［1］. 伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快，導致農(nóng)業(yè)用地持續(xù)減少、水環(huán)境惡化等現(xiàn)象，并嚴重威脅農(nóng)村耕地的可持續(xù)利用［2-3］. 國外研究在水土資源生態(tài)占用、土地利用對水資源影響、糧食生產(chǎn)對水資源影響等方面較多，如AL-Mulali等采用生態(tài)足跡方法探討了可再生能源生產(chǎn)對水土占用帶來的影響［4］；Yira等依據(jù)水文模擬模型研究了土地利用變化對水資源產(chǎn)生的影響［5］；孫世坤等采用虛擬水流模型分析了糧食進出口對區(qū)域水資源壓力［6］. 國內(nèi)學者研究集中在構(gòu)建模型、時空分異、耦合協(xié)調(diào)等方面，如杜捷構(gòu)建了寧夏水土資源評價指標體系，研究其耦合關(guān)系［7］；姜秋香構(gòu)建了水土資源優(yōu)化配置體系，分析了三江平原水土資源空間分布及其特征［8］；馬歷等通過構(gòu)建水資源與耕地利用效益指標體系，并以四川省為例探討了二者的耦合關(guān)系［9］.

綜上，有關(guān)水資源與耕地利用的相關(guān)研究主要集中于土地對水資源的影響［5-6］、時空差異分析［8］以及區(qū)域研究［4，7，9］等，但對二者耦合協(xié)調(diào)、相互影響研究較少. 水資源系統(tǒng)改善與耕地利用效益增長存在雙向作用，開展二者相互影響、相互作用關(guān)系的研究更具有現(xiàn)實意義. 河南省作為農(nóng)業(yè)大省和糧食生產(chǎn)核心區(qū)，農(nóng)業(yè)耗水量多且受到“非農(nóng)業(yè)”用水擠壓，農(nóng)業(yè)水資源相對短缺. 本研究構(gòu)建了河南省耕地利用效益與水資源壓力的綜合評價體系，采用耦合協(xié)調(diào)度等模型，研究其耦合協(xié)調(diào)狀況及空間分異，提出了針對性的政策建議.

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 耕地利用效益指標體系和評價模型

結(jié)合相關(guān)研究［10-12］，構(gòu)建了河南省經(jīng)濟等3方面14項指標體系（表1）. 具體公式如下：

表1 河南省耕地利用效益指標Tab.1 Indexes of cultivated land use benefit in Henan Province

式中：f(t)為耕地利用效益指數(shù)；f(a)、f(b)、f(c)分別表示耕地利用社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益；Wj表示第j個指標權(quán)重；i表示第i年；j表示第j個指標；Yij表示i年第j個指標的標準化值.

1.2 水資源綜合壓力評價模型

1.2.1 標準差法賦權(quán)重

為消除指標單位差異，采用標準化處理指標層［13］. 根據(jù)各指標標準化值，計算指標權(quán)重［14］. 具體公式如下：

式中：E(Xj)、σ(Xi)、Wj分別表示xij標準化后的均值、標準差和指標權(quán)重；xij為第i年第j個指標值；N表示指標數(shù)量；Zij為經(jīng)過標準化處理的數(shù)值.

1.2.2 水資源綜合壓力評價模型

結(jié)合相關(guān)研究成果，構(gòu)建了包括水資源人口等4個壓力指標的綜合壓力評價模型［9］.具體公式如下：

式中：P為水資源綜合壓力指數(shù)，該值越大，壓力越大；Wα、Wβ、Wγ、Wδ分別為水資源人口、經(jīng)濟、生態(tài)、技術(shù)壓力指數(shù)權(quán)重；Zi、Ze、Zc、Zt則分別為水資源的人口、經(jīng)濟、生態(tài)、技術(shù)壓力指數(shù)標準化值［13］. 水資源人口等壓力指數(shù)計算見參考文獻［9］.

1.3 耦合協(xié)調(diào)度計算

根據(jù)耕地利用效益和水資源綜合壓力指數(shù)值，計算耦合度及耦合協(xié)調(diào)度. 具體公式如下：

式中：O為耦合度；I為協(xié)調(diào)指數(shù)；X為兩個系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度；Z1和Z2分別是耕地利用效益和水資源綜合壓力評價值；a、b為待定系數(shù)，假設(shè)耕地利用效益與水資源壓力系統(tǒng)同等重要，則a=b=0.5［15］. 耦合度反映了耕地利用效益與水資源綜合壓力相互作用程度，耦合協(xié)調(diào)度則探討了其動態(tài)演化過程. 耦合度、耦合協(xié)調(diào)度類別標準見表2［9，16］.

表2 耦合度與耦合協(xié)調(diào)類別標準Tab.2 Standards for coupling degree and coupling coordination category

1.4 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)包括有效灌溉面積、農(nóng)民人均可支配收入等18個指標. 其中人均水資源量、有效灌溉面積、水資源開發(fā)量、萬元GDP用水量、水資源利用量5個數(shù)據(jù)來源于《河南省水資源公報》（2005—2018年）；農(nóng)民人均可支配收入、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、人均GDP、農(nóng)業(yè)增加值、糧食總產(chǎn)量、耕地總面積、全年農(nóng)作物播種總面積、總?cè)丝跀?shù)、非農(nóng)業(yè)人口數(shù)、第一產(chǎn)業(yè)從業(yè)人口、農(nóng)業(yè)機械總動力、土地總面積化肥使用量、農(nóng)藥使用量13個數(shù)據(jù)來源于《河南省統(tǒng)計年鑒》（2006—2019年）. 個別缺失數(shù)據(jù)依據(jù)相關(guān)資料整理獲得.

2 耕地利用效益與水資源綜合壓力指數(shù)時間演變特征

利用公式（1）～（5）計算河南省18市耕地利用效益指數(shù)和水資源綜合壓力指數(shù)，具體如圖1、圖2所示.

由圖可知，河南省耕地利用效益發(fā)展態(tài)勢較好，均呈現(xiàn)增長趨勢，但增長速度不同. 依據(jù)耕地利用效益指數(shù)，運用SPSS軟件進行聚類分析，將其分為快速增長和緩慢增長兩類（圖1）. 快速增長的城市為鄭州、鶴壁、濮陽、南陽、信陽. 其中鄭州耕地利用效益指數(shù)由2005年的0.21增長到2018年的0.769，增速最快，原因在于在經(jīng)濟與科技的推動下，社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益均呈現(xiàn)高速增長，增速分別為185.6%、758.6%、184.7%，從而使耕地利用效益指數(shù)不斷提高. 緩慢增長的城市有商丘、開封、洛陽、平頂山、安陽、新鄉(xiāng)、焦作、許昌、漯河、三門峽、周口、駐馬店、濟源. 其中商丘市耕地利用效益指數(shù)由2005年的0.478增長到2018年的0.629，增速最慢，原因在于近年來商丘市耕地大量被占用轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)用地［17］，生態(tài)效益降低（降低354.9%），但社會效益和經(jīng)濟效益有所增加，耕地利用效益指數(shù)小幅度增長，但增速較慢.

圖1 2005—2018年河南省耕地利用效益態(tài)勢Fig.1 Cultivated land use benefit index of Henan Province from 2005 to 2018

河南省水資源壓力區(qū)域差異較大，但整體呈波動增長態(tài)勢. 依據(jù)水資源綜合壓力指數(shù)增長速度，運用SPSS軟件進行聚類分析，將其分為快速增長和緩慢增長兩類（圖2）. 快速增長的城市有鄭州、開封、洛陽、安陽、新鄉(xiāng)、平頂山、鶴壁等7市，其中鄭州水資源壓力指數(shù)由2005年的0.04增長到2018年的1.10，增長幅度較大，原因是近年來經(jīng)濟高速發(fā)展，水資源經(jīng)濟、人口和生態(tài)壓力指數(shù)均不斷增大，導致綜合壓力指數(shù)波動增長，水資源利用效益有待提高. 緩慢增長的城市有焦作、濮陽、許昌、漯河、三門峽、南陽、商丘、信陽、周口、駐馬店、濟源等11市，其中濟源市水資源壓力指數(shù)從2005年的0.083增長到2018年的0.120，增長幅度相對較小，原因是濟源市水資源技術(shù)、人口、生態(tài)壓力均有小幅度的上升，而經(jīng)濟壓力指數(shù)則大幅下降，水資源壓力指數(shù)變化幅度較小.

圖2 2005—2018年河南省水資源綜合壓力態(tài)勢Fig.2 Comprehensive pressure index of water resources in Henan Province from 2005 to 2018

3 耕地利用效益與水資源壓力的耦合分析

3.1 耕地利用效益與水資源壓力綜合評價指數(shù)動態(tài)分析

利用公式（1）～（5），計算河南省耕地利用效益指數(shù)和水資源綜合壓力指數(shù)，具體如圖3、4所示.

由圖3可知，河南省耕地利用效益與水資源壓力綜合評價指數(shù)變化趨勢相同，相關(guān)系數(shù)為0.973，表明二者具有較強的正向相關(guān)性，說明耕地利用效益增長導致水資源壓力不斷增長，且水資源壓力指數(shù)波動幅度相對較大.

圖3 2005—2018年河南省耕地利用效益與水資源綜合壓力評價指數(shù)Fig.3 Evaluation index of cultivated land use efficiency and comprehensive pressure on water resources in Henan Province from 2005 to 2018

河南省耕地利用效益指數(shù)呈波動增加趨勢，但波動幅度較小. 耕地利用的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益權(quán)重依次為0.338、0.275、0.387，表明生態(tài)效益對耕地利用效益的影響最大. 耕地利用效益指數(shù)由2005 年的0.236波動增長至2018年的0.692，年均增長0.035. 2006年后，隨著國家“十一五”計劃的貫徹執(zhí)行，河南省加強了耕地資源的管理，耕地利用水平不斷提高，利用方式不斷優(yōu)化，復種指數(shù)、灌溉指數(shù)均有大幅增加［18］.

河南省水資源壓力綜合評價指數(shù)呈增加趨勢，但波動幅度較大. 水資源利用壓力不斷增加，從2005年的0.338 增至2018 年的0.738，年均增長0.031，且水資源人口、經(jīng)濟、生態(tài)、技術(shù)壓力的權(quán)重依次為0.244、0.280、0.257、0.219，表明水資源受經(jīng)濟影響較大. 隨著用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化和管理水平的提升，水資源綜合利用的水平也不斷提高，但持續(xù)增長的經(jīng)濟、生態(tài)、人口等用水導致水資源壓力不斷增大. 2013年水資源綜合壓力指數(shù)達到低值（0.410），原因是2013年水資源生態(tài)、技術(shù)壓力均達到2005—2018年中最高值，分別為0.751和0.591，且綜合用水效率在2005—2017年最低［19］，因此水資源壓力較高，其綜合壓力指數(shù)則相應(yīng)較低.

3.2 耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協(xié)調(diào)度動態(tài)分析

利用公式（6）～（8）計算河南省耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協(xié)調(diào)度，具體如圖4所示.

由圖4可知，河南省耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協(xié)調(diào)度均呈增長態(tài)勢. 作為農(nóng)業(yè)大省和糧食生產(chǎn)核心區(qū)，伴隨著耕地利用效益的提高，河南農(nóng)業(yè)用水需求增大，二者耦合度從2005年低水平耦合（0.262）發(fā)展到2018年磨合時期（0.661），耦合協(xié)調(diào)度則從中度失調(diào)（0.274）發(fā)展到低度耦合協(xié)調(diào)（0.687）.2012—2013年，河南省的耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)下降趨勢，原因是2012年是“十二五”規(guī)劃的開局之年，伴隨著經(jīng)濟新常態(tài)調(diào)整以及農(nóng)業(yè)方面的供給側(cè)改革，經(jīng)濟發(fā)展變動幅度較大，耕地利用效益略有下降. 但隨著水資源保護政策不斷發(fā)展完善，水污染狀況趨于減緩，且2012—2013年河南省水資源總量最大（256×108m3），因此2012—2013年水資源壓力有所下降.

圖4 2005—2017年河南省耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協(xié)調(diào)度Fig.4 Coupling degree and coupling coordination degree between cultivated land use efficiency and comprehensive pressure of water resources in Henan Province from 2005 to 2017

3.3 耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合協(xié)調(diào)度的時空分異

利用公式（6）～（8）計算河南18市耕地效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協(xié)調(diào)度，具體如表3所示.

由表3可以看出，鄭州、洛陽、鶴壁和南陽耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合協(xié)調(diào)度由2005年的嚴重失調(diào)轉(zhuǎn)為2018年的低度失調(diào)；開封、安陽、周口、駐馬店、許昌、漯河、商丘、三門峽和濟源由中度失調(diào)過渡到低度失調(diào)；新鄉(xiāng)和濮陽由嚴重失調(diào)轉(zhuǎn)為中度失調(diào)；平頂山、焦作則均處于中度失調(diào)；信陽由嚴重失調(diào)轉(zhuǎn)為弱度失調(diào). 河南省18市耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合協(xié)調(diào)度整體呈增長趨勢，原因是伴隨著經(jīng)濟新常態(tài)穩(wěn)步發(fā)展，河南省注重保護和利用耕地，耕地利用效益不斷增加，同時加大對水資源的經(jīng)濟、生態(tài)、技術(shù)等方面投資，水資源壓力不斷減小，促使二者耦合協(xié)調(diào)度不斷提升.

由表3 還可看出，河南省18 市耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合協(xié)調(diào)度差異較小. 鄭州、許昌、洛陽、三門峽、漯河、開封、鶴壁、商丘、周口、南陽、駐馬店、信陽、平頂山、安陽、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽17市耦合協(xié)調(diào)度年均值為0.207～0.284，處于中度失調(diào)；濟源市則為0.309，處于低度失調(diào). 中度失調(diào)，說明耕地利用效率提高對水資源壓力的影響較小，但人口壓力、生態(tài)壓力較大，如鄭州2018 年人口壓力、生態(tài)指數(shù)值分別為0.980 和0.955. 濟源的原因是隨著經(jīng)濟的發(fā)展，耕地利用社會和生態(tài)效益迅速增加［20］，耕地有效灌溉用水面積增加了69.4%，且水資源總量在河南18市中最少，水資源壓力指數(shù)較大.

表3 河南省18市耕地利用效益與水資源綜合壓力的耦合協(xié)調(diào)度Tab.3 Coupling coordination degree of cultivated land use benefit and comprehensive pressure of water resources in 18 cities of Henan Province

4 結(jié)論與政策建議

4.1 結(jié)論

1）河南省耕地利用效益發(fā)展態(tài)勢較好但增速度不同，水資源壓力區(qū)域差異較大且整體呈現(xiàn)波動增長趨勢.

2）河南省耕地利用效益增長導致水資源壓力不斷增長，二者具有正向相關(guān)性，且水資源壓力波動幅度相對較大.

3）河南省耕地利用效益與水資源壓力均呈波動增長態(tài)勢，耦合度從低水平耦合發(fā)展到磨合階段，耦合協(xié)調(diào)度則從中度失調(diào)發(fā)展到低度耦合協(xié)調(diào).

4）河南省18 市耕地利用效益與水資源壓力的耦合協(xié)調(diào)度均呈增長趨勢，但增長幅度不同且區(qū)域差異較小.

4.2 政策建議

1）加大技術(shù)和資金投入，完善灌溉設(shè)施，發(fā)展節(jié)水、節(jié)地農(nóng)業(yè)；適當壓縮農(nóng)業(yè)用水規(guī)模，優(yōu)化水資源配置結(jié)構(gòu)，保障區(qū)域用水安全；在提高耕地利用效率的同時，強化水資源的再生循環(huán)與重復利用，提高公民節(jié)約用水意識，減少水資源浪費，緩解水資源壓力.

2）推進農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，建設(shè)高標準農(nóng)田，提高農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，確保耕地利用效益持續(xù)向好. 因地制宜，制定相應(yīng)的水資源保護政策，促進水資源利用；多采用滴灌噴灌技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)用水效率，促進水土資源優(yōu)化配置.

3）統(tǒng)籌耕地資源和水資源開發(fā)利用機制，加強耕地數(shù)量保護，提高科學耕作水平，依托科技支撐，高質(zhì)量和集約化發(fā)展農(nóng)業(yè)；不斷優(yōu)化水資源管理和利用，加強用水管理，提高水資源的綜合利用，促進水資源系統(tǒng)進一步優(yōu)化.

4）依據(jù)耦合協(xié)調(diào)類型，因地制宜制定區(qū)域政策，積極發(fā)展節(jié)水耐旱作物，培養(yǎng)蓄水聚肥技術(shù)，提高土壤自身的持水、蓄水能力，發(fā)揮“土壤水庫”的功能，促進水資源的高效利用，多措并舉，以實現(xiàn)耕地利用效益和水資源的高效利用二者的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展.