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经济论文

分析延安市农业水土资源空间匹配状况

【摘要】为客观分析延安市农业水土资源空间匹配状况,根据耕地、水资源量等数据,在分析延安市水土资源空间分布格局的基础上,通过构建洛伦兹曲线以及农业水土资源匹配计算模型,对延安市及其13个区县农业水土资源的匹配程度进行评价。结果表明:延安市农业水土资源匹配系数0.26×104m3/hm2,匹配程度较差,低于全国同期平均水平0.54×104m3/hm2,并且空间匹配程度存在明显的差异,总体上呈现出南优北差的匹配格局。在全面分析影响农业水土资源承载力多种因素的基础上,建立延安市农业水土资源承载力评价体系,将粒子群优化算法与投影寻踪模型结合在一起,对延安市各区县农业水土资源承载力进行了评价。结果表明,子长县和延长县农业水土资源承载力最低,承载力IV级;黄龙县农业水土资源承载力最高(II级),其他大部分区县农业水土资源承载力处于中等偏低水平(III级),研究可为提高粮食生产效益及区域农业水土资源可持续利用提供依据。

【关键词】农业;模型;水资源;匹配格局;承载力;PSO-PPC;延安市

0引言

    农业水土资源,即农业生产利用的水资源(包括灌溉用水和降雨)和耕地资源,是农业生产的基础条件,对于保障粮食安全意义重大。延安市地处黄土高原,水土流失严重,水资源短缺,农业生产条件差,脆弱的生态环境阻碍了当地生产力的发展。因此,分析延安市农业水土资源匹配状况,开展农业水土资源承载力评价,对提高该区域农业水土资源利用率、协调水土资源与生态环境之间的关系及保证农业的可持续发展有着重要的意义。

    水土资源匹配及承载力研究一直是很多学者关注的热点。侯薇等[1]通过计算农业水土资源匹配系数,评价分析了关中地区农业水土资源匹配程度;郑久瑜等[2]在分析河套灌区水土资源的构成、开发利用现状及空间分布特点的基础上,通过建立水土资源匹配系数计算模型对该区域的农业水土资源匹配程度进行了分析评价;任守德等[3]在全面分析影响农业水土资源承载力因素的基础上,分别从宏观和微观角度构建了三江平原农业水土资源承载力评价体系,并对该区域农业水土资源承载力进行了评价;刘洋[4]采用系统动力学的原理和方法,从水土资源—农业—社会经济系统分析着手,对四川省农业水土承载力进行了评价研究。

    综合以往研究,大多只从农业水土资源匹配或农业水土资源承载力的角度出发进行研究,而将区域农业水土资源匹配程度及区域水土资源承载力联系起来进行综合分析的研究较少。本文在对延安市水土资源空间分布状况进行分析的基础上,以水资源可利用量作为水资源量的表征参数,构建了水土资源匹配模型,对延安市各区县水土资源匹配系数进行了测算以及等级划分;为给该地区农业水土资源的可持续利用提供参考,在考虑到水资源与耕地资源相互联系、相互制约的关系的基础上,将农业水土资源看作一个统一系统,建立了延安市农业水土资源承载力评价体系,然后运用基于粒子群优化算法的投影寻踪模型(projectionpursuitclassificationmodelbasedonparticleswarmoptimization,简称PSO-PPC)对延安市13个区县的水土资源承载力进行了评价。

1研究区概况

    延安市地处黄河中游,地理位置为35°21′~37°33′N、107°40′~110°33′E,属内陆干旱半干旱气候,四季冷暖分明,年平均气温9.7℃,多年平均降水量490mm,国土面积37037km2,辖宝塔区、安塞县、延川县、延长县、子长县、黄龙县、黄陵县、吴起县、甘泉县、志丹县、宜川县、洛川县、富县13个县区。区内地势西北高东南低,北部以黄土梁峁、沟壑为主,南部以黄土塬沟壑为主。

    延安市水资源总量为13.35亿m3,人均水资源量649m3/人,不到全国人均水资源占有量2200m3/人的1/3,属资源型缺水地区,区内地表径流较多,包括北洛河、延河、清涧河等主要河流(图1),但各河流年径流量小,补给主要靠大气降水,属于季节性河流,并且降水时空分布不均,且多暴雨,年内降水和径流65%左右集中在汛期,形成了洪水流失,削弱了水资源可利用能力[5]。此外,延安市沟、梁、塬、峁地貌密布,水土流失极为严重,水土流失面积占总面积的78%,年平均侵蚀模数高达10000t/km2,极大地限制了该地区农业生产能力[5]。

2数据与方法

2.1数据来源

    本研究采用延安市所辖宝塔区、子长县、延川县、延长县、安塞县、志丹县、吴起县、甘泉县、黄陵县、黄龙县、宜川县、洛川县、富县13个县区耕地面积、农业用水量、水资源总量、人口、GDP、农业产值等与农业水土相关资料作为基础资料,资料来源于延安市统计局汇编的《延安市统计年鉴》[6]及延安市水务局提供的相关资料,选取资料的时间长度为2003-2013年。

2.2农业水土资源匹配水平评价

    评价农业水土资源匹配水平主要有2种方法,基尼系数法和单位面积耕地拥有的水资源量法。本文通过构建延安市洛伦兹曲线来计算基尼系数,对延安市水土资源匹配现状进行总体评价,然后通过计算各区县单位面积耕地所拥有的水资源量,评价延安市各区县水土资源匹配状况。考虑到水资源可利用量是指通过经济合理、技术可行的措施,可一次性利用的最大水量。即其不单纯取决于当地水资源量的丰缺,还受控与当时社会经济和技术发展以及可持续发展战略的要求[7-8],为使分析结果更加可靠、严谨,本文分析水土资源匹配时,用水资源可利用量表征水资源量。

    1)基尼系数法:是通过分析某一地区、某两种资源的空间分布特点来评估其在空间上匹配水平的一种方法。本文基于洛伦兹曲线计算延安市农业水土资源匹配的基尼系数,步骤如下:①以延安市行政区县为基本单位,计算单位体积水资源可利用量所供给的耕地面积(即农业水土资源的相对值),按照该值由低到高对区内13个区县进行排序;②分别计算各区县水、土资源占全市总资源量的百分比,并按照步骤①的排序,得出2种资源占总资源量的累积比例;③将各区县耕地面积占全市耕地面积的累计比例作为纵坐标,水资源量占全市水资源总量的累计比例作为横坐标,绘制耕地面积-水资源量空间匹配的洛伦兹曲线;④对洛伦兹曲线进行参数估计并拟合曲线方程,然后利用积分求解0~1间的曲线与与45°线所夹图形的面积,该图形面积的2倍即为基尼系数G。曲线越靠近45°线,基尼系数越小,表明水土资源匹配水平越好,当基尼系数G=0时,水土资源极度匹配;曲线越弯曲,离45°线越远,基尼系数越大,表明水土资源匹配水平越差;当基尼系数G接近于1时,即耕地资源完全集中于某一区域而该区域水资源量又极度匮乏时,表明水土资源极度不匹配[9-10]。

    2)单位面积耕地可拥有的水资源量法:利用该法评价延安市农业水土资源匹配水平是通过计算水土资源匹配系数实现的。水土资源匹配系数是某一区域农业生产所占有的水资源与耕地资源在空间上匹配的量比指标,其值越大,该地区水资源满足耕地资源的程度就越高,农业生产基本条件就越好。延安市农业水土资源匹配系数MF表征该区域各区县水土资源匹配系数的平均水平。

2.3农业水土资源承载力评价方法

2.3.1评价体系建立

    随着经济社会的发展以及区内退耕还林政策的实施,延安市非农业对农业用水资源和耕地资源挤占情况愈演愈烈,农业水土资源对该区域农业发展的束缚程度日益加剧。因此,分析评价农业水土资源承载力可为提高区域农业水土资源利用效率,获得更优的粮食生产效益以及实现农业水土资源可持续利用提供依据[14-15]。本文在研究延安市农业水土资源复合系统特点的基础上,考虑水土资源与经济、社会、生态之间的相互关系,基于可操作性、系统性、层次性及地区性原则,建立了延安市水土资源承载力评价指标体系,评价体系从系统角度出发,将指标体系划分为目标层、系统层和指标层3个层次(图2)。其中目标层是指综合评价所追求的目标,文中代表延安市水土资源承载力综合评价;系统层是与水土资源系统联系紧密的4个系统,包括水土资源系统,社会系统,经济系统和生态环境系统;指标层由能够充分反映水土资源系统状态及其对其他系统的支撑能力且针对性较强28个的指标组成。

2.3.2投影寻踪法评价农业水土资源承载力

    对农业水土资源承载力进行综合评价时,由于评价指标较多、涉及的变量繁复,导致计算量较大。基于粒子群优化算法的投影寻踪模型[16](projectionpursuitclassificationmodelbasedonparticleswarmoptimization,简称PSO-PPC)是解决该问题的理想方法。

1)对指标原始值进行归一化处理。

2)构造投影指标函数。投影寻踪是通过投影的方法将高维数据投影到低维空间,以寻找最佳投影方向[16]。

3)优化投影指标函数Q(a)。将求解指标函数的最大值作为目标函数,各个指标的的投影作为优化变量,运用粒子群优化算法求得最佳投影方向a’(i)待评价区域指标样本相应的投影值Z’(i)。

4)将求得的最佳投影方向a’(i)带入式(5),得到评价分级标准样本数据中各分界点的最佳投影值Zr’(i)(评价标准投影值)。比较Z(i)与Zr’(i),即可得出该研究区域水土资源承载力所属等级。

2.3.3指标分级标准的确立

    评价指标确定后,由于各指标的量纲不统一,不具有可比性,直接用其进行评价较为困难。因此,需要确定评价指标的分级标准。本文参照文献[17-18]的分级标准,查阅相关文献并结合延安市具体特点,将延安市水土资源承载力评价指标划分为5个等级,极高(I)、较高(II)、中等(III)、较低(IV)和极低(V),指标分级的标准值通过专家咨询及国内外公认的指标标准值进行拟定。

3结果与分析

3.1延安市水土资源空间分布特点

    水资源的丰缺可用水资源量占全市水资源总量的百分比来反映,农业土地资源利用程度用耕地面积占全市耕地面积百分比反映。根据延安市2003-2013年平均水资源量和多年平均耕地面积及土地面积统计资料,以延安市各区县作为基本单元,分析延安市水土资源空间分布情况,如图3。

    从图3a中可以看出,延安市水资源空间分布不均,水资源量大体呈现自南向北,自西向东逐渐递减的特点;图3b是延安市各区县耕地分布图,从图中可以看出延安市耕地分布在空间上同样存在较强的差异性,“北多南少”。分析对比图3a、3b可知,延安市水土资源分布不均,黄陵县和黄龙县水土资源在空间上表现出“水多地少”的情况,其中黄陵县尤为明显,水资源量全市第3,但耕地面积全市最少;子长县、延川县和宝塔区水土资源在空间上的分布表现出“地多水少”的特点,其余区县的水土资源在空间上的分布呈现出不同程度的错位现象,这种错位严重制约了延安市农业生产和水土资源的可持续利用。

3.2延安市水土资源空间匹配格局

3.2.1水土资源匹配系数

1)基尼系数

    利用洛伦兹曲线的构建方法,计算延安市水土资源匹配区域基尼系数,所建立的洛伦兹曲线如图4所示。

    从图4可以看出,洛伦兹曲线弯曲程度较大,说明延安市水土资源匹配不均衡。如黄陵、富县、黄龙和宜川的水资源可利用量占总量46.1%,但耕地面积却只占全市耕地面积的13.7%;子长县耕地面积占全市耕地面积高达21.1%,而水资源可利用量仅为全市水资源可利用总量的8.3%。通过洛仑兹曲线求解得到延安市水资源与耕地面积匹配基尼系数G=0.449,属于匹配程度较差(G=[0.4,0.5])范围。

2)单位面积耕地拥有的水资源量

    基于2003-2013年延安市水资源可利用量、耕地面积及农业用水统计数据,由式(1)计算得出延安市各区县水土资源匹配系数(表1)。

由式(2)计算得,延安市水土资源匹配系数为0.26×104m3/hm2,低于同期陕西省水土资源匹配系数(0.47×104m3/hm2),更低于全国水土资源匹配系数(0.54×104m3/hm2),匹配程度较差,与基尼系数法计算得到的结果一致。其主要原因是水资源贫乏,且土地资源数量和质量也较差。就耕地资源来说,延安市耕地面积占陕西省总耕地面积的15.7%,且由于地处黄土高原,该地区耕地多为坡耕,易流失水分和养分,土壤肥力差,耕种效率较低;就水资源量来说,延安市水资源量仅为陕西省水资源量的3.7%,并且全市水资源可利用率平均水平低于50%,加之水资源季节分配差异较大,冬春季雨量较少,而6~9月份降水量占全年总降水量的69%~73%,旱涝灾害频发,降低了该地区水资源可利用率。

3.2.2水土资源匹配特征

    延安市地貌类型自北向南从黄土高原丘陵沟壑区过渡到黄土塬丘壑区,水土资源分布很不均衡,水土资源匹配格局空间分布的总体特点是南部匹配程度优于北部(图5)。延安市水土资源匹配格局的空间差异主要是由该地区水土资源的时空分布特点所决定的,南部地区植被覆盖度较高,水资源丰富,林果、畜牧业发达,土地垦殖率较低,水土资源匹配程度较高。北部地区植被覆盖率较低,水资源短缺,耕地主要以旱地为主,垦殖率较高,但耕地质量较差,水土流失严重,水土资源匹配程度较差。

    黄陵、富县、黄龙和宜川川塬面积较大,林果业发达,土地垦殖率较低,又处于延安市区降水高值区,且有延安市境内流域面积最大的北洛河流域过境,水资源量较大,农业用水比例在全市处于较高水平,特别是宜川,其农业用水比例全区最高,因此水土资源匹配程度较好;洛川县虽然处于降水高值区,农业用水比例也比较高,且土地垦殖率仅为6.3%,但其水资源总量全市最低,因此其水土资源匹配程度较南部其他4个县区差,但比其他区县匹配程度好;甘泉、吴起、志丹及延长等区县虽然水资源总量处于全市中等水平,但其土地垦殖率较宝塔、安塞、延川和子长低,农业用水比例也基本处于中游水平,因此他们的水土资源匹配程度一般。安塞、延川和子长土地垦殖率为全区最高,又处于降水低值区,水资源量较少,所以他们的水土资源匹配程度较差,宝塔区虽然水资源量为1.15亿m3,在全区处于中等水平,但其垦殖率较高(16.4%),加之农业用水比例为全区最低,因此其水土资源匹配程度也较差。

3.3水土资源承载力

    根据上文所构建延安市农业水土资源承载力评价体系,及求解承载力水平的PSO-PPC模型,得到延安市各区县水土资源承载力的最佳投影值,结果如图6所示。

    从图6可知,黄龙县最佳投影值最大为3.73,子长县最佳投影值最小为1.82。即整个延安市黄龙县水土资源承载力最高,子长县水土资源承载力最低,承载力大小依次为黄龙县>吴起县>宜川县>黄陵县>富县>安塞县>志丹县>洛川县>甘泉县>宝塔区>延川县>延长县>子长县。

    将所建立的PSO-PPC模型求得的最佳投影方向a’(i)带入式(5),得到评价指标分级标准样本集的最佳投影值Zr’(i)=(4.99,3.01,1.98.1.20)。即在延安市水土资源承载力评价等级标准中,I级与II级分界点的最佳投影值Zr’(1)=4.99,II与III级分界点的最佳投影值为Zr’(2)=3.01,III级与IV级分界点的最佳投影值Zr’(3)=1.98,III级与IV级分界点的最佳投影值Zr’(4)=1.20。将各区县水土资源承载力的最佳投影值与分级标准的投影值进行对比,结果见图7。

    从图7可知,延安市大部分区县农业水土资源承载力处于III~IV级,承载力较低。其中,北部子长县和延长县农业水土资源承载力最低(IV级),说明该区域水土资源和社会经济平衡发展的状态被破坏,现状条件下水土资源开发利用潜力较小。子长县虽耕地资源较为丰富,但是水土流失情况严重,其水土流失率全市最高,而延长县农业土地资源严重超载,因此,应加强上述区县水土流失改善措施,对现有荒地资源做出评价,确定开发保护比例,增加农业投入,以提高耕地的产出水平,做到既有利于农业发展,又不破坏生态环境,同时应进一步调整、优化产业结构,促进高新技术、低污染、低消耗产业的发展,减少污水排放量;黄龙县地处黄土高原与关中平原的结合部,林草丰茂,森林覆盖率高达87%,虽耕地面积较小,但由于人口总数全市最少,且水资源十分丰富,所以水土资源承载力较高(II级)。因此,在满足该县社会经济发展对水资源需求的基础上,应加强区域间水资源配置工程建设,并应继续以农业和农副产品加工业为主,努力建设生态宜居小城市;延川、宝塔、安塞、吴起、志丹、甘泉、富县、洛川、宜川及黄陵县水土资源承载力一般,其中宝塔、延川和甘泉水土资源承载力虽然为III级,但其最佳投影值紧邻III-IV级分界线,农业水土资源承载力不容乐观,尤其是宝塔区,其水、土资源均处于超载状态。黄陵县虽然农业水土资源也相对比较丰富,但由于煤矿的开采及加工,水资源需求量较大,使得该区域水资源承载力较低,因此,应严格限制该县高耗水高污染项目,推广节水技术的利用。随着经济社会的发展,上述区县农业水土资源的负荷将日益加重,因此,必须根据各区县农业水土资源特点,优化配置现在的农业水土资源,调整其利用结构和方式,实行坡改梯、发展节水灌溉等中低产农田的改造措施,以提高农业水土资源利用效率,进而为该区域粮食生产安全和实现农业水土资源的可持续利用提供重要保障。

4结论

    1)延安市农业水土资源匹配系数0.26×104m3/hm2,匹配程度较差,低于陕西省同期水平0.47×104m3/hm2,更低于全国同期水平0.54×104m3/hm2。且由于时空分布不均,水土资源在空间上呈现出“南优北差”的匹配格局。要解决延安市农业水土资源匹配的矛盾,必须考虑外调水,如“引黄济延”工程已成为延安市重点考虑的调水工程。此外,必须加大延安市农田基础设施建设,高效利用汛期弃水,通过非工程措施节约用水以及新修机井等水利设施建设,解决因干旱缺水导致的减产和低产问题,同时应加强区内水土流失治理的力度,缓解汛期水土流失。

    2)采用PSO-PPC算法对延安市农业水土资源承载力进行了评价研究,克服了只侧重水资源或只侧重土地资源承载力研究的片面性问题,有利于协调延安市农业水土资源开发利用与社会经济及生态环境之间的关系。评价结果表明,延安市农业水土资源承载力总体较低,大部分区县承载力处于III-IV级。其中,子长县和延长县水土资源承载力最低(IV级),黄龙县农业水土资源承载力最高(II级),其他区县承载力具有一定幅度的波动;各区县需要根据实际情况,采取相应的措施,提高其农业水土资源承载力,以实现农业水土资源的可持续发展。

    本文对延安市农业水土资源的空间匹配格局及其承载力进行了分析评价,评价结果反映了延安市近10a水土资源匹配及承载力的平均状况。但由于气候条件、政策法规及人类活动的动态影响,如何在大时间尺度上对水土资源匹配及承载力进行预测及动态分析有待进一步研究。

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