河南省農業水土資源時空分異與匹配格局

文 倩, 孟天醒, 鄖雨旱

(河南農業大學 資源與環境學院, 鄭州 450002)

河南省農業水土資源時空分異與匹配格局

文 倩, 孟天醒, 鄖雨旱

(河南農業大學 資源與環境學院, 鄭州 450002)

水土資源是人類生產、生活的核心資源，其空間分布對區域糧食生產和耕地可持續利用有重要影響。河南省是我國重要的糧食主產區，為了解河南省水土資源的空間分布與匹配狀況，在構建農業水土資源匹配模型的基礎上，對河南省18個地市1999—2013年水土資源時空匹配程度進行了分析評價。結果表明：(1) 研究期內，河南省耕地面積增加了19%，凈增131.3萬hm2，農業用水比重降低了13%、凈減少23.8億m3；河南省耕地資源優勢明顯，而水資源匱乏；水土資源數量不匹配。(2) 河南省水資源主要分布在河南省北部和南部，耕地資源主要分布在河南省東部和南部，水土資源空間不匹配。(3) 河南省水土資源匹配系數為0.21萬m3/hm2，僅為全國平均水平(0.56萬m3/hm2)的38%；研究期內河南省水土資源匹配系數降低了25%。(4) 河南省水土資源匹配空間差異顯著，呈現出“北部最優、南部東部優于中部和西部”的格局。全省76%耕地水土資源匹配程度為“較差”(0.33

農業; 水土資源; 匹配系數; 時空分異; 河南省

水土資源既是生態經濟系統中基礎性、戰略性和敏感性的因素[1]，也是人類生產生活的核心資源和社會經濟發展的支撐與保障條件[2]。水資源的豐缺程度和開發利用直接影響耕地資源的生產效率和利用方式，耕地資源的開墾程度也制約著水資源的開發利用[3]；二者的時空匹配程度與區域農業可持續發展緊密相關[4]。早期對水土資源的相關研究多集中于水資源空間分布或耕地資源的數量與質量對農業的影響[5-7]，近期則主要關注區域水土資源匹配及其承載力[1,3,8-10]。研究表明我國水土資源匹配程度處于世界平均水平[11]；水資源豐富區多分布在中東部和南方，糧食生產重心則位于中西部和北方[12]。雖然耕地資源是限制我國糧食生產的主要因素，但北方水資源的約束亦不可忽視[13]；除個別區域水資源豐富而土地資源相對緊缺外[14]，普遍水資源短缺、水土資源空間錯位、匹配程度差異明顯[3,8-9,15]。例如，我國東北地區耕地面積占全國16.68%，水資源僅占4.01%[16]。同時受工業化、城市化影響，農業水土資源出現擠占、短缺和區域性結構破壞等非持續利用問題，也將直接威脅國家和區域的糧食生產安全[17]。

河南省作為國家確定的糧食生產核心區和《全國新增1 000億斤糧食生產能力規劃(2009—2020年)》中確定的重點區域之一，在中國糧食安全格局中具有舉足輕重的戰略地位[18]；但隨著經濟的快速增長，水土資源供需矛盾亦日益突出[19]。本研究通過構建洛倫茲曲線和區域水土資源匹配測算模型，定量研究和科學評價河南省水土資源的時空匹配特征，不僅有利于優化水土資源空間配置，實現水土資源持續利用，同時可為進一步挖掘區域農業生產潛力，保障國家糧食安全提供科學指導。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

河南省地處中原地區，地理位置北緯31°23′—36°22，東經110°21′—116°39′，土地總面積16.55萬km2，其中耕地面積8.14萬km2。地勢西高東低，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%，26.6%和17.7%。屬暖溫帶—亞熱帶，濕潤—半濕潤季風氣候。年平均氣溫12.4～16.1℃，年平均降水量432～1 632 mm，降雨以6—8月最多，氣候溫和、無霜期長，適宜多種農作物生長。河南省地跨長江、淮河、黃河、海河4大流域，省內河流大多發源于西部、西北部和東南部山區，流域面積超過100 km2的河流有560條。多年平均水資源總量403.5億m3，人均水資源占有量383 m3。土壤類型以黃棕壤、棕壤、黃褐土、褐土、潮土為主，土壤肥力高、較適宜農業發展?，F轄18個省轄市以及10個直管縣。

1.2 研究方法與數據來源

1.2.1 農業水土資源匹配程度評價 評價農業水土資源匹配程度主要有基尼系數法和單位耕地面積所擁有的水資源量法兩種方法。本文通過構建河南省洛倫茲曲線來計算基尼系數，對河南省水土資源匹配狀況進行總體評價。用單位耕地面積擁有的水資源量計算、評價河南省各地市水土資源匹配狀況。區域水資源量可采用水資源總量或可利用水資源量來表征。由于水資源總量中包含了不具備開發利用價值的地下水以及不適合開發利用的生態用水[20]，為使分析結果更加嚴謹、可靠，本文使用水資源可利用量表征水資源量，進行水土資源匹配程度分析。

(1) 基尼系數計算。依據克魯格曼在產業與空間布局關系方面的研究，結合資源的空間分布特性，可通過構造洛倫茲曲線研究區域資源的匹配問題。具體步驟如下[21]：① 以河南省18個地級市為基本單位，計算單位體積水資源量所服務的耕地面積，并由低到高排序；② 分別計算各地市水、土資源占河南省資源總量的比例，按照步驟①的排序，計算各地市水、土資源占河南省資源總量的累積比例；③ 將水資源占全省水資源總量的累積比例作為橫坐標，土地資源占全省土地資源總量的比例作為縱坐標，繪制水、土資源空間匹配的洛倫茲曲線；④ 對曲線進行參數估計并擬合曲線方程，利用積分求解0～1間曲線與45°線所夾圖形的面積，該面積的2倍即為基尼系數G。耕地資源的地理分布與水資源的地理分布越一致，則曲線越與45°線接近，G值越小，當各區域水土資源分布完全匹配時，曲線與45°線重合，即G=0；反之，若耕地資源幾乎完全集中在某一區域，而該區域水資源又很缺乏時，則區域基尼系數G越接近于1，說明水土資源極不匹配。

(2) 水土資源匹配系數測算模型構建。采用單位耕地面積所擁有的水資源可利用量計算水土資源匹配系數。其中農業水資源量依據河南省用水結構(農業用水、工業用水、生活用水)中農業用水比重來確定，水土資源匹配系數計算以市域為基本單元。河南省水土資源匹配系數計算模型為：

(1)

式中：Rik為河南省i市k年水土資源匹配系數(104m3/hm2)；Wik為i市k年水資源可利用量(108m3)；Lik為i市k年耕地面積(104hm2)；αik為i市k年農業用水占總用水的比重；n為河南省地級市數，本文為18。

河南省域水土資源匹配系數表征省內各市水土資源匹配系數的平均水平，其計算模型為：

(2)

式中：Rk為河南省k年農業水土資源匹配系數；Rik為i市k年水土資源匹配系數；n為河南省轄市的數量，n=18。

1.2.2 數據來源及圖件制作 水資源數據來源于《河南省水資源公報》(1999—2013)；耕地資源數據來源于《河南省統計年鑒》(1999—2013)。利用ArcGIS 10.0軟件采用自然斷裂法(Jenks)對可利用水資源量、耕地資源總量及水土資源匹配系數等指標進行分級，得到水資源、耕地資源及水土資源空間分布圖。

2 河南省水土資源時空分布

2.1 水土資源動態變化

河南省多年平均水資源總量為403.5億m3，其中地表水資源量302.66億m3，地下水資源量190.00億m3，地表水和地下水重復量95.13億m3[22]。為分析近15 a河南省農業水資源與土地資源的基本狀況，選取1999年、2004年、2013年份數據進行趨勢研究(表1)。研究期內河南省水資源可利用總量基本不變、但空間差異較大。1999年全省水資源可利用總量228.6億m3，比常年減少50.6%；全省農業用水比重為69%、用水總量159.7億m3，94.9%農業用水用于灌溉；農業、工業、生活用水比例為69.8∶17.7∶12.5。2004年水資源可利用量和農業用水總量較1999年分別減少12%和8%。2013年水資源可利用總量238.6億m3，較多年均值偏少46.7%，全省農業用水占總用水量的57.0%，其中92.21%用于灌溉；農業、工業、生活用水比例為56.4∶24.7∶18.8。研究期內農業用水總量減少23.8億m3，比重降低12.9%，工業和生活用水分別增加6.8%和6.1%，其中城鎮生活用水增長最為顯著。1999—2013年，鄭州、開封、洛陽、平頂山、濮陽、三門峽、周口水資源可利用量有所增加，特別是平頂山的水資源可利用量增加了35.5%；鶴壁、許昌、漯河、新鄉等市下降明顯，其余地市水資源可利用數量基本不變。

2013年河南省耕地總面積為814萬hm2，較1999年增加了19.2%、凈增131.3萬hm2，年均增加8.8萬hm2。各市耕地面積均有所增加，其中信陽、新鄉、洛陽、平頂山、南陽等市耕地面積增加量超過20%，特別是信陽耕地面積增加了62%。土地整理復墾是新增耕地的主要來源，河南省國土資源公報(2013)顯示，2013年河南省完成高標準基本農田建設60.1萬hm2。1999年，單位耕地面積水資源量2 339.7 m3/hm2，2013年單位耕地面積水資源量1 668.7 m3/hm2，近15 a河南省單位耕地面積水資源量減少了28.7%，每1 hm2耕地水資源占有量凈減少671.0 m3，水資源短缺危機進一步加劇。

表1 1999年、2004年、2013年河南省水資源可利用量、農業用水比重及耕地面積

2.2 水土資源空間分布

從空間上看，河南省水資源的分布很不均衡、表現出“南北多、中西少”的特點。豫南和豫北地區的南陽、信陽、新鄉、周口、商丘、濮陽等市水資源較為豐富(圖1)，水資源可利用量均超過17億m3，約占全省水資源可利用總量的56%。豫西和豫中則相對匱乏，如濟源、三門峽、漯河、鶴壁等市的水資源可利用量僅為全省平均水平的20%～36%，其中濟源水資源可利用量僅為南陽的10%。其原因為河南省北部屬黃河、海河流域，南部屬長江、淮河流域，因此水資源較為豐富。

河南省耕地資源主要分布在豫東、豫南，其次為豫北、豫中，豫西耕地最少(圖1)。南陽、周口、駐馬店、信陽是河南省耕地最多的幾個地區，耕地面積均超過80萬hm2，其耕地面積之和占河南省耕地面積的45%。但可利用水資源量僅占全省總量的30%；特別是駐馬店耕地面積占全省總面積的12%，水資源可利用量僅占4%，水土資源分布極不平衡。

圖12013年河南省水資源和耕地資源空間分布格局

3 河南省水土資源匹配水平及時空分異

3.1 基尼系數動態變化

依照構建洛倫茲曲線的方法，分別建立河南省1999年與2013年可利用水資源量、農業用水量與耕地資源匹配的洛倫茲曲線并計算基尼系數(圖2A、圖2B)。圖2A顯示，近15 a河南省可利用水資源與耕地面積匹配的基尼系數G略有增加但變化不大，水土資源分布相對合理，35%的可利用水資源服務了50%的耕地面積。由于大多數地市可利用水資源量基本不變甚至有所增加,因此基尼系數增大主要是由于耕地面積的不均衡增加造成的。但從基于實際用水量計算的基尼系數來看，研究期內基尼系數變化顯著(圖2B)。1999年基尼系數G=0.132，小于可利用水資源與耕地面積匹配的基尼系數，說明區域內實際用水量與土地資源分布相對均衡、較為匹配；但2013年基尼系數G=0.330，不僅比1999年顯著增加，同時還明顯高于可利用水資源與耕地面積匹配的基尼系數，反映了研究期內河南省水資源實際利用與分配的不均衡程度在不斷加劇，35%的可利用水資源服務了約55%的耕地面積，其根本原因是區域內部水資源在不同產業間的利用與分配結構的變化導致的。

3.2 水土資源匹配系數動態變化

河南省1999—2013年平均水土資源匹配系數為0.21萬m3/hm2，遠低于全國平均水平(0.56萬m3/hm2)[11]?？傮w上看，焦作、濮陽、鶴壁、濟源、新鄉等市水土資源匹配系數較高、焦作最高；駐馬店、漯河、三門峽、許昌、周口、南陽、洛陽、平頂山、商丘等市匹配系數較低，駐馬店匹配系數最低、僅為焦作的17%、單位耕地水資源量比焦作少0.35萬m3/hm2。其根本原因是水土資源的分布狀況，焦作耕地面積小但有豐富的地表及巖溶水資源；駐馬店耕地面積全省第二，但地表水資源多分布于山區，可利用水資源比例小，因此農業用水需求和供給矛盾突出。此外，耕地資源豐富的南陽、駐馬店、周口、信陽與商丘的水土資源匹配系數都低于0.11萬m3/hm2(表2)。

1999—2013年，河南省水土資源匹配系數降低了34%。其中，許昌、平頂山、漯河、信陽、鄭州，洛陽等地區降幅超過50%，許昌最多，下降了近60%；洛陽、鶴壁、新鄉下降了30%～50%，其余地區下降了9%～30%；僅周口、濮陽水土資源匹配系數略有增加。

研究期內，河南省水土資源匹配特征發生了較大變化。河南省是我國重要的糧食主產區，由于國家嚴格的耕地保護政策，1999—2013年，耕地面積增加了約19%并保持穩定；但與之對應的水土資源匹配系數卻不斷下降，15 a降低了近25%，其下降程度超過耕地面積的增加程度。水土資源匹配系數降低人口數量與耕地面積增長、用水結構改變以及用水效率低下和水利設施建設滯后有關[18,23]。水資源相對于耕地數量的不足日趨嚴重，將成為河南省農業發展和糧食生產重要的限制因素。

3.3 水土資源匹配時空分異

為研究市域尺度河南省水土資源匹配系數空間分布，將1999年、2013年河南省水土資源匹配系數劃分為四個等級以進行空間分析:Ⅰ匹配程度較優(0.33

圖2 河南省1999年與2013年農業用水量與可利用水資源量、耕地資源匹配洛倫茲曲線

104 m3/hm2

4 討 論

4.1 水土資源秉賦

水土資源是人類生產、生活的基本資料，水土資源耦合是農業生產的先決條件；但由于水土資源分布空間錯位，干旱成為我國北方地區農業及糧食生產的主要災害[17]。河南省是我國極度缺水的6大地區之一[24]，水資源占有量不足全國的1.4%，每1 hm2耕地水資源占有量為全國的26%[25]。同時，河南省大、中型灌區基礎設施完好率不足40%，超過40%的農用機井建于20世紀80年代之前，70%的小型水庫建于20世紀70年代[26]。因此，河南省水資源短缺既有自然性缺水的約束，也是工程性缺水的后果。農業是我國的用水大戶，占總用水量的70%[27]；但農業用水效率低下，平均用水效率僅為49.1%[28]，單位面積灌溉用水效率低于60%[29]，每1 m3水糧食產量少于1 kg、不到發達國家的50%[30]。1999—2013年，河南省農業用水比重降低了12.9%，工業和生活用水凈增31.5億m3；隨著經濟發展，工業和生活用水會進一步擠占農業用水，農業將成為河南省主要的缺水戶[22]。河南省耕地面積占全國耕地總面積的6%，糧食產量占全國糧食總產的10%，已連續15 a糧食總產全國第一[26]，為國家糧食安全作出了重要貢獻。第二次土地調查顯示，河南省85.3%的耕地坡度<2°，65.6%耕地具有灌溉設施；而我國耕地中有灌溉設施、質量較好的僅占39%[17]，因此，河南省耕地質量和數量總體較高。但河南省仍有近54%的耕地屬于中低產田[31]，有330萬hm2中低產田和近133萬hm2低洼易澇耕地需要治理[26]。若解決好水利基礎設施、科學技術等制約因素，還有30%的糧食增產潛力、可增產糧食總量超過2 000萬t[19]。

圖3 河南省1999年與2013年水土資源空間匹配格局

4.2 水土資源匹配

受自然條件限制，水土資源短缺及其匹配錯位是我國土地資源的基本格局[17]，也是農業現代化進程中長期的根本性的制約因素[32-33]，將直接影響中國可持續食物安全[17]。河南省地貌類型多樣、氣候差異明顯，水土資源時空分布不均衡，因此水土資源匹配程度時空差異明顯。1999—2013年，河南省平均水土資源匹配系數(0.21萬m3/hm2)不僅遠低于全國平均水平，甚至低于陜西、河套灌區、延安等干旱區域的水土資源匹配系數[9,15]；其中，又以豫東、豫南的水土資源匹配系數最低。豫東、豫南是河南省農業生產的重要區域，河南省東部地形平坦、耕地面積占河南省耕地總面積的46.5%、占河南省總產能的48.8%；可實現糧食單產、可實現糧食總產均為省內最高[34]。但河南省東部也是嚴重缺水的地區，特別是周口、駐馬店水資源消耗總量最大，利用效率卻很低[35]。水土資源不匹配將直接影響河南省耕地資源的可持續利用和糧食高產、穩產。

增強區域水土資源匹配程度的根本途徑是水利工程建設[17]。2011年河南省節水灌溉面積僅占有效灌溉面積的30%[23]；河南省應以節水灌溉、機井建設和灌區續建配套工程為重點，全面加強農田水利工程建設。同時，依據區域水資源實際承載能力，合理確定有效灌溉面積，避免水資源過度開發引起土地退化[36]和土地資源利用形式改變[37]等生態環境問題；才能從根本上有效改善水土資源不匹配的現狀，為河南省農業發展和糧食生產提供最基本的保障。

5 結 論

通過運用水土資源匹配系數測算模型，對1999—2013年河南省農業水土資源的時空分異與匹配格局進行了評價研究，結果表明：(1) 研究期內，河南省耕地面積增加了19%，凈增131.3萬hm2，農業用水比重降低13%、農業用水量凈減少23.8億m3；水土資源數量不匹配。(2) 河南省水資源主要分布在北部與南部，耕地資源主要分布在東部與南部，水土資源空間不匹配。(3) 河南省水土資源匹配系數為0.21萬m3/hm2，僅為全國平均水平(0.56萬m3/hm2)的38%；研究期內河南省水土資源匹配系數降低了25%。(4) 河南省水土資源匹配空間差異顯著，呈現出“北部最優、南部東部優于中部和西部”的格局。全省76%耕地水土資源匹配程度為“較差”或“極差”，僅有6%的耕地水土資源匹配程度“較優”。

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TemporalandSpatialVariationandMatchPatternofAgriculturalLandandWaterResourcesinHen′anProvince

WEN Qian, MENG Tianxing, YUN Yuhan

(CollegeofResourcesandEnvironment,He′nanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

Water and land resources are the core resources for human being, and their spatial distributions have the significant impact on regional grain production and sustainable utilization of cultivated land. He′nan Province is one of major grain product areas in China. We aimed to reveal the spatial matching status of water and land resource of 18 cities in He′nan Province from 1999 to 2013 by using water and soil resources matching model. The results showed that: (1) the cultivated land was 19% higher in 2013 than in 1999, and the water consumption for agricultural was 13% lower in 1999 compared with 2013; He′nan Province was rich in cultivated land, while water resource was relatively poor, so the water and soil resources were mismatched; (2) There was a spatial mismatch between water and land resources, the southern and eastern He′nan had major cultivated land, however, the northern and southern He′nan had major water resources; (3) the matching coefficient of water and land resources was 2.1×103m3/hm2, which was far below the national average level (5.6 × 103m3/hm2); (4) the matching level gradually deteriorated from the northern and southern boundaries of He′nan to the middle of the area, north He′nan was optimal and east and west He′nan took the middle place which was better than central and west He′nan. For water and land resources matching conditions, only 6% of He′nan covered the good level while 76% of He′nan showed poor level or even poorer. Therefore, the shortage of water resources was the main limiting factor for the agriculture development in He′nan Province. To against the distinct regional diversity of water and land resources, constructing water conservancy works, comprehensive agricultural water saving technology and optimizing water distribution should be involved and applied.

agricultural; land and water resources; matching coefficient; temporal and spatial distribution difference; He′nan Province

2016-07-25

：2016-09-01

國家自然科學基金(40901120);河南省自然科學基金(152300410075)

文倩(1974—),女,遼寧本溪人,副教授,博士,主要從事區域土地資源利用與可持續發展研究。E-mail:wenqian23@163.com

F323.2

：A

：1005-3409(2017)05-0233-07