黑龍江省水土資源承載力綜合評價及空間分異特征研究

陳紅梅，杭艷紅，楊 林，韓東薇，石 磊，寧 靜

(東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030)

0 引 言

水土資源是一個復雜的系統，同時是人類生存發展的基礎性、戰略性資源[1]。隨著工業化和城鎮化發展，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[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構和分布規律，深入分析水土資源承載力時空變化的影響因素，有助于合理調整水資源供給和土地利用轉變，從而促進區域社會、經濟和環境協調發展。

國內外學者對水土資源承載力進行了大量的研究[3-7]，但大多數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的研究相對較少[8]。將水土資源作為系統的研究方式主要是通過構建水土資源承載力評價指標體系，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，施開放等結合可拓學和熵權理論，構建熵權可拓決策模型，對重慶三峽庫區水土資源承載力進行定量評價[9]。周智等將水土資源系統劃分為水資源、土地資源和水土資源耦合3個子系統，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業水土資源承載力評價的新思路，并對三江平原農墾建三江分局農業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，對關中地區影響水土資源承載力進行評價和分級[11]。拓學森從仿真模擬角度利用系統動力學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法確定耦合評價指標體系，對鄱陽湖生態經濟區水土資源進行評價[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域差異，提出水土資源科持續利用對策[14]。張曉青、張衍廣等從預測角度，求取了區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濟發展進行耦合分析[13]。

考慮到水土資源系統具有的動態性和復雜性，以及子系統間相互作用關系，同時綜合黑龍江省的社會經濟和水土資源狀況，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和各地區水土資源承載力演化規律，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依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

黑龍江省位于中國東北部，地理坐標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%，是我國重要的農業大省。2003年實施東北振興戰略以來，黑龍江省城鎮化步伐不斷加快，水土資源的空間配置也發生了顯著變化，因此，有必要對東北振興戰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。

1.2 數據來源

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

2 研究方法

2.1 構建指標體系

水土資源是一個復雜的綜合系統，其結構和組成要素具有復雜性和動態性，而DPSIR模型是一種在環境系統中廣泛使用的評價指標體系概念模型，它將表征一個自然系統的評價指標分成驅動力(Driving Force)、壓力( Pressure)、狀態(State)、影響(Impact)、響應(Response)5個子系統。進一步，從經濟社會發展需求、環境質量提高、資源合理匹配等發展問題的角度，選取21項代表性指標，構建黑龍江省水土資源承載力綜合評價指標體系(表1)。

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

續表1 水土資源承載力綜合評價指標體系

2.2 時序全局因子分析模型的建立

水土資源承載力系統具有顯著的動態性，是多維數據、多種因素相互影響制約的復雜系統，同時，數據的積累表征了我們擁有大量的按時間順序排列的平面數據表數列，構成了水土資源綜合承載力的數據匣，稱為時序立體數據表[17]。時序全局因子分析方法將多維的動態時序立體數據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成，根據不同的時序變化，數據進行交換、組合。對于具有動態性特征的水土資源綜合系統，通過時序全局因子分析方法，構成了整個系統的統一簡化子空間，保證了水土資源承載力綜合系統分析的統一性、整體性。

具體步驟如下：

(1)時序全局立體數據表的構建。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，以x1，x2，…，xp為變量指標，就構成了時序立體數據表K，

K={Xt∈Rn×p，t=1,2，…，T} (t為時間跨度)

在t時刻數據表中的Xt可表示為：

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

對于指標值越大越好的數據：

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

(i=1,2,3,…，n；j=1,2,3，…,p)

對于指標值越大越好的數據：

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)分別為指標的最大值與最小值。由此無量綱標準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對評價的指標變量進行分析，確定其是否有較強的相關性，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，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)構造綜合承載力得分函數，計算各子系統承載力分值。根據主公因子貢獻率，構造綜合承載力得分函數：F=(λ1Y1+λ2Y2+…+λmYm)/(λ1+λ2+…+λm)。

3 結果分析

3.1 水土資源承載力評價結果分析

以黑龍江省地級市為基本單元，對該區域12個地區的數據根據因子分析的原理和步驟，運用SPSS軟件進行統計處理，其KMO檢驗值為：0.694，表明適宜進行因子分析。據表2和旋轉后的因子載荷矩陣，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 各子系統變化趨勢分析

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

圖1 各子系統發展趨勢Fig.1 The trends of each subsystem

3.3 各地區水土資源承載力演化規律

3.3.1水土資源承載力時間變化規律

黑龍江省水土資源承載力綜合指數如圖2所示，各綜合承載力指數為各分項承載力指數加權后的總和，水土資源承載力綜合指數最高為1，指數值越高，說明承載力越大。黑龍江省各地區水土資源承載力綜合指數波動較大，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，大部分地區水土資源承載力綜合指數呈上升趨勢，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年承載力綜合指數較高，之后緩慢發展，主要由于2004年東北西部發生百年一遇春夏連旱，導致其他地區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整體呈下降趨勢，說明水土資源匹配狀態開始惡化，哈爾濱、黑河、伊春發展較為平穩。③在反彈期，大部分地區水土資源承載力恢復增長趨勢，只有綏化持續下降，進一步發現綏化水土資源壓力系統的作用遠大于驅動力系統，其影響系統呈現負值，可以說明綏化的水土資源利用方式存在嚴重的問題。

圖2 各地區水土資源承載力變化態勢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域變異系數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

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

2004年各地區水土資源承載力具有較大差異，4個農業分區[18]內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，其他地區為低等梯度主要分布在三江平原和綏化地區。2009年大部分地區處于高等梯度，僅有東部煤電基地的雙鴨山、七臺河和雞西地區，以及綏化地區處于中等梯度。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，高值區域以綏化地區為中心，向各個方向擴張，低值區分布在東部且呈現明顯縮小態勢，2009-2013年，部分地區呈現下降態勢，但水土資源承載力整體發展趨于良性，呈上升的發展態勢。

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 語

(1)水土資源承載力系統是由各個子系統共同作用形成的合力系統。黑龍江省的水土資源系統中各子系統的作用形成明顯的層次，表明黑龍江省的社會經濟帶來的發展，給水土資源系統帶來影響，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展。

(2)東北振興戰略實施以來，黑龍江省各地區水土資源承載力的變化呈現“N”字型態勢，其演化階段可以分為：增長期、衰落期和反彈期。水土資源狀況在發展的初期表現出良好的態勢，但隨著社會經濟的發展對其造成破壞，然而由于水土資源利用方式和經濟政策調整水土資源狀態仍然可以恢復發展的活力。同時，水土資源承載力與各地區水土資源利用方式的差異性存在較強的關聯性，如綏化水土資源承載力持續下降，其水土資源壓力系統的作用遠大于驅動力系統，其影響系統呈現負值，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，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展整體趨于良性，呈上升態勢。

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