塔里木河流域農(nóng)業(yè)氣候資源綜合評價與區(qū)域比較
——基于模糊層次分析法

肖云云 歐陽金瓊

(塔里木大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，新疆 阿拉爾，843300)

1 引言

近年來，以全球氣候變暖為主要標(biāo)志的氣候變化及其對農(nóng)業(yè)氣候資源的影響成為熱點(diǎn)問題[1-2]。光、熱、水等農(nóng)業(yè)氣候資源的變化，不僅會直接影響農(nóng)作物生產(chǎn)與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量[3-5]，而且可能導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變及農(nóng)業(yè)區(qū)域布局與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。因而，合理評估某區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣候資源，研究其動態(tài)演變規(guī)律與趨勢，對充分利用氣候資源，合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。雖然目前研究區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源的成果較為豐富[6-7]，評價方法與指標(biāo)也日趨完善[8]，也有學(xué)者研究了新疆及石河子農(nóng)業(yè)氣候資源的變化[9-10]，但針對塔里木河流域這一特殊區(qū)域的研究很少。現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，僅有候瑞環(huán)等最近發(fā)表的文章針對塔里木河流域氣候資源進(jìn)行了研究[11]，但事實(shí)上研究的是氣候資源對經(jīng)濟(jì)增長的影響，且僅選取年平均氣溫、年日照時長、平均風(fēng)速三個指標(biāo)，未能反映塔里木河流域氣候資源的綜合狀況。

塔里木河流域位于新疆南部，是塔里木河干流與其支流流經(jīng)區(qū)域的總稱，包括南疆5個地州42個縣市以及兵團(tuán)四個師56個農(nóng)牧團(tuán)場。流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為主體，是新疆主要的糧食生產(chǎn)基地、國家級棉花生產(chǎn)基地、著名的干鮮果品產(chǎn)區(qū)。但氣候干燥，環(huán)境惡劣，年平均降雨量僅為60 mm，沙漠占流域總面積36. 47%，與新疆其它地區(qū)相比，農(nóng)業(yè)氣候資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的制約更為顯著。塔里木河流域面積廣闊(105萬km2)，流域內(nèi)各地區(qū)氣候特征及其變化存在較大差異。因此，綜合評估塔里木河流域農(nóng)業(yè)氣候資源及其區(qū)域分布特征，揭示其動態(tài)演變規(guī)律，對于優(yōu)化該區(qū)域農(nóng)業(yè)布局具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究方法、指標(biāo)選取和數(shù)據(jù)說明

2.1 研究方法

目前理論界對氣候資源的評價方法主要有單因素評價法與多因數(shù)評價法，由于氣候?qū)r(nóng)業(yè)的影響是綜合的，每個氣候因素影響的方向、程度及重要性也不同，單因素指標(biāo)無法對某區(qū)域氣候資源進(jìn)行綜合評價，因而多因素指標(biāo)評價法越來越被廣泛采用。在運(yùn)用多因素指標(biāo)評價法對氣候資源進(jìn)行評價時，指標(biāo)權(quán)重?zé)o疑成為衡量評價結(jié)果是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵。模糊層次分析法是模糊數(shù)學(xué)法與層次分析法的結(jié)合，層次分析法(AHP)常用于存在不確定性和主觀差異條件下指標(biāo)權(quán)重的確定，模糊數(shù)學(xué)法則把傳統(tǒng)數(shù)學(xué)從二值邏輯擴(kuò)展到連續(xù)位邏輯上來，把絕對的“是”與“不是”變得更加靈活，由于采用模糊矩陣代替判斷矩陣，更好地反映了所構(gòu)造矩陣與人們思維判斷的一致性，使矩陣構(gòu)建更具合理性，同時盡可能減少了個人主觀臆斷所帶來的弊端，使得賦權(quán)更符合客觀實(shí)際。本文根據(jù)塔里木河流域農(nóng)業(yè)氣候資源的特點(diǎn)，運(yùn)用層次分析(AHP)與模糊數(shù)學(xué)( fuzzy mathematics)相結(jié)合的模糊層次分析方法(Fuzzy AHP)[12-13]，對塔里木河流域的農(nóng)業(yè)氣候資源進(jìn)行綜合評估，并結(jié)合單項(xiàng)指標(biāo)評價法，對各樣本點(diǎn)的農(nóng)業(yè)氣候資源進(jìn)行了比較，分析了塔里木河流域農(nóng)業(yè)氣候資源的地區(qū)分布特征，可為塔里木河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的區(qū)域規(guī)劃提供理論依據(jù)與決策參考。

2.2 指標(biāo)選取

農(nóng)業(yè)氣候資源是一個包括光照、熱量、水分等眾多因素的復(fù)雜系統(tǒng)。這些相互作用、相互制約的因素及其關(guān)系體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)氣候資源可利用的程度。建立反映農(nóng)業(yè)氣候資源利用程度及狀況的指標(biāo)體系是評價工作的前提和基礎(chǔ)。目前理論界主要運(yùn)用氣候資源的高低大小、出現(xiàn)時間早晚、出現(xiàn)日數(shù)等指標(biāo)來評價一個地區(qū)氣候資源及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的滿足程度。結(jié)合塔里木河流域氣候與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，本文參照初征等[14]人的做法，從光能資源、熱量資源、水分資源3大資源系統(tǒng)中, 選取13個要素作為綜合評價農(nóng)業(yè)氣候資源的指標(biāo)。其中光能指標(biāo)選取全年日照時數(shù)(Ly)、生長季日照時數(shù)(Lg)以及日平均氣溫分別高于0 ℃(L0)、10 ℃(L10)、15 ℃(L15)的日照時數(shù)等5個指標(biāo)，分別代表光能總量、光能分布及其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系。熱量資源主要選取與當(dāng)?shù)卮笞谵r(nóng)產(chǎn)品影響較大的指標(biāo)，包括年平均氣溫(Ha)、≥0 ℃的積溫(H0)、≥ 10 ℃(H10)的積溫、氣溫年較差(Hd)、無霜期(Hf)等5個指標(biāo)，水分資源選取年降水總量(My)、生長季降水量(Mg)、年濕潤度(Mh)3個指標(biāo)。

2.3 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于新疆維吾爾自治區(qū)氣象局(http://www.xjqx.cn/)，新疆維吾爾自治區(qū)共設(shè)置了104個氣象站點(diǎn)，本文僅收集統(tǒng)計(jì)了塔里木河流域21個氣象站點(diǎn)的光照、熱量、水分等相關(guān)氣候資源數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時間范圍為1997～2016年共20年。部分?jǐn)?shù)據(jù)參照國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http://data.cma.cn/)。指標(biāo)權(quán)重采用德爾菲法，聘請塔里木大學(xué)植物科學(xué)院7位專家與兵團(tuán)第一師農(nóng)業(yè)局3位專家根據(jù)氣候資料進(jìn)行賦分。

3 塔里木河流域農(nóng)業(yè)氣候資源綜合評價

3.1 指標(biāo)權(quán)重的確立

利用AHP確定指標(biāo)權(quán)重主要有四個步驟，一是建立層次結(jié)構(gòu)模型，二是采用1-9標(biāo)度方法構(gòu)造兩兩判斷矩陣，三是采用幾何平均法計(jì)算權(quán)重，四是運(yùn)用一致性指標(biāo)CI、隨機(jī)一致性指標(biāo)RI和一致性比率CR做一致性檢驗(yàn)。因?yàn)閷哟畏治龇ㄒ呀?jīng)是一個廣泛采用的成熟方法，為節(jié)約篇幅，略去操作步驟，具體步驟可參照相關(guān)文獻(xiàn)[15]。

表1 一級指標(biāo)判斷矩陣及計(jì)算結(jié)果表

依次類推，可計(jì)算出各二級指標(biāo)權(quán)重以及指標(biāo)的合成權(quán)重(見表2)，各指標(biāo)權(quán)重均通過一致性檢驗(yàn)。

表2 二級指標(biāo)權(quán)重匯總表

3.2 模糊矩陣的確定

(1)根據(jù)氣候資源評價指標(biāo)選取原則，第一步建立因素集，即各指標(biāo)對應(yīng)的數(shù)值，指標(biāo)的數(shù)值均采用20年的平均值。

(1)

(2)建立評價集V。評價集是評價者根據(jù)因素集U做出的評價集合，對事物的評判采用模糊的等級語言。V={很好、較好、一般、不好}，分別記為{100、80、60、40}。

(3)確定模糊判斷矩陣R。R=(rij),rij為評估因素U的隸屬度，其值是通過對專家的評分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理計(jì)算而得到，由隸屬度組成的單因素模糊評價矩陣見表3。

表3 單因素評價矩陣

(4)建立模糊評估模型。根據(jù)各因素權(quán)重W與評估矩陣R作模糊矩陣運(yùn)算,得到各因素集的隸屬向量B，其中B=W×R。

(5)求出模糊綜合評估值。模糊綜合評估值的計(jì)算公式為E=B×V，即模糊判斷矩陣與評價集的乘積。

3.3 單項(xiàng)農(nóng)業(yè)氣候資源評價

光照資源評價：根據(jù)BL=WL×RL,經(jīng)過模糊變換可得：BL=(0. 120 6 0. 653 2 0. 227 0 0),進(jìn)行歸一化處理后，得到B'L=(0. 120 5 0. 652 7 0. 226 8 0)。該結(jié)果表明，有12. 05%的專家評價為“很好”，65. 27%的專家評價為“較好”，22. 68%的專家評價為“一般”，0%的專家評價為“不好”。根據(jù)最大隸屬度原則，塔里木河流域光照資源評價結(jié)果為“較好”，同時可得到光照指標(biāo)的平均分值為：

(2)

熱量資源評價：由BH=WH×RH可得BH=(0. 154 3 0. 639 5 0. 434 3 0)，進(jìn)行歸一化處理，得到B'H=(0. 125 6 0. 520 7 0. 353 6 0)。由于52. 07%的專家評價為“較好”，根據(jù)最大隸屬度原則，塔里木河流域農(nóng)業(yè)熱量資源的評價結(jié)果為“較好”，且熱量資源的平均得分為：

(3)

水分資源評價：由BM= WM×RM可得BM= (0 0. 044 0 0. 292 0 0. 661 1)，進(jìn)行歸一化處理，得到B'M=(0 0. 043 8 0. 297 8 0. 658 4 )。由于65. 84%的專家評價為“不好”，根據(jù)最大隸屬度原則，塔里木河流域農(nóng)業(yè)水分資源的評價結(jié)果為“不好”，且水分資源平均得分為：

(4)

3.4 綜合農(nóng)業(yè)氣候資源評價

上面已經(jīng)求得綜合指標(biāo)的權(quán)重=(0. 558 4 0. 319 6 0. 122 0)，而綜合農(nóng)業(yè)氣候資源模糊判斷矩陣為：

(5)

由B=W×R，得：B=(0. 107 4 0. 536 2 0. 276 0 0. 080 3)。對應(yīng)的得分值為73. 41，總體評價結(jié)果為良好。

(6)

4 塔里木河流域農(nóng)業(yè)氣候資源的區(qū)域比較

4.1 單項(xiàng)農(nóng)業(yè)氣候資源的區(qū)域比較

(1)對 21個地區(qū)的13個評價指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理 ,具體公式為：

(7)

式中,X為單項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值,x為單項(xiàng)指標(biāo)序列值,xmin為單項(xiàng)指標(biāo)序列中的最小值,xmax為單項(xiàng)指標(biāo)序列中的最大值。

(2)單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)=準(zhǔn)則層權(quán)重系數(shù)×指標(biāo)層權(quán)重系數(shù)。這里的準(zhǔn)則層是指一級指標(biāo)，指標(biāo)層為二級指標(biāo)。

(3)結(jié)合評價體系中各指標(biāo)的權(quán)重,計(jì)算各樣本點(diǎn)單項(xiàng)農(nóng)業(yè)氣候資源指數(shù)(表4)。

Ii=∑αjxj(i=1,2 … ,21;j=1,2 …,13)

(8)

式中，Ii為第i個地區(qū)某類氣候的評價指數(shù)；αj為某類資源第j項(xiàng)評價指標(biāo)的權(quán)重；Xj為第j項(xiàng)評價指標(biāo)的評價值。

表4 各樣本點(diǎn)單項(xiàng)農(nóng)業(yè)氣候資源指數(shù)

續(xù)上表

從計(jì)算結(jié)果看，單項(xiàng)氣候資源的區(qū)域差異非常明顯。有些地方三項(xiàng)資源得分都較高，如喀什市，光能資源、熱量資源與水分資源排名分別為第2名、第3名和第4名。有些地方光能資源豐富，但熱量資源與水資源排名靠后，如焉耆縣。光能資源得分最高的三個地方為焉耆、喀什和庫爾勒；排最后三位的是柯平縣、莎車縣和皮山縣。熱量資源排名前三的分別是庫車縣、巴楚縣和喀什市，排名后三位的分別為塔什庫爾干縣、烏恰縣和阿合奇縣。水資源進(jìn)入前三的有烏恰縣、阿圖什市和阿合奇縣，排最后三位的分別是民豐縣、阿拉爾市和庫爾勒市。值得注意的是，氣候資源中的水分資源并未包含地表水與地下水資源，事實(shí)上，水分資源評價排名靠后的阿拉爾市、庫爾勒市、沙雅縣、拜城縣、焉耆縣等地，由于地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，終年降雨很少，但這些地方大多處于塔里木河上游和中游，地表水和地下水則相對豐富。

4.2 綜合農(nóng)業(yè)氣候資源的區(qū)域比較

農(nóng)業(yè)氣候資源綜合評價就是要科學(xué)地反映出一個地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的質(zhì)量、數(shù)量及匹配狀況等綜合情況。在單項(xiàng)農(nóng)業(yè)氣候資源評價基礎(chǔ)上 ,可以利用資源綜合優(yōu)勢度來綜合評價農(nóng)業(yè)氣候資源的優(yōu)劣程度[8]。其計(jì)算公式為：

(9)

式中,Mi為第i個評價單元的農(nóng)業(yè)氣候資源優(yōu)勢度 (介于 0 ～ 1之間)；當(dāng)某評價單元的各類資源均排名第 1時，資源綜合優(yōu)勢度取值為 1，資源綜合優(yōu)勢度值越高，資源的整體優(yōu)勢度也越大。m為統(tǒng)計(jì)的資源種類數(shù);n是評價單元個數(shù)；dij為第i個評價單元j類資源的優(yōu)劣排序。

評價結(jié)果如表5，喀什市、庫車縣、麥蓋提縣農(nóng)業(yè)氣候資源優(yōu)勢度在0. 6以上，光熱水條件配合較好；巴楚縣、阿克蘇市、阿圖什縣、烏恰縣、塔什庫爾干縣、焉耆縣、莎車縣、庫爾勒市、阿合奇縣、輪臺縣農(nóng)業(yè)氣候資源優(yōu)勢度在0. 4～0. 6左右，光熱水條件配合一般;拜城縣、柯平縣、阿拉爾市、皮山縣、于田縣、和田縣、民豐縣農(nóng)業(yè)氣候資源優(yōu)勢度在0. 4以下，光熱水條件配合較差。

表5 各樣本點(diǎn)農(nóng)業(yè)資源綜合評價結(jié)果

5 結(jié)論與建議

(1)塔里木河流域農(nóng)業(yè)氣候資源總體上具有較大優(yōu)勢，適于發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。通過模糊層次分析法得出塔里木河流域總體光照資源指數(shù)較好，評價指數(shù)為77. 87，總體熱量資源指數(shù)較好，評價指數(shù)為75. 44，總體水分資源較差，評價指數(shù)為 47. 72，農(nóng)業(yè)氣候資源總體評價結(jié)果為較好，評價指數(shù)為73. 41。因而在發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，需要繼續(xù)推廣利用節(jié)水灌溉技術(shù)，打破水資源瓶頸約束。同時考慮到塔里木河流域?qū)儆诘湫偷纳鷳B(tài)脆弱區(qū)，因而發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)與綠色農(nóng)業(yè)，是合理利用好本地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源，確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

(2)塔里木河流域農(nóng)業(yè)氣候資源的地區(qū)分布存在較大差異，各地區(qū)需要制訂差異化的農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。對于光熱資源較好的地區(qū)可以種植棉花、瓜果等經(jīng)濟(jì)價值比較高的農(nóng)作物，增加農(nóng)業(yè)收入。對于農(nóng)業(yè)氣候資源一般的地區(qū)，應(yīng)該在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，適當(dāng)開發(fā)農(nóng)業(yè)氣候資源，選擇種植一些對農(nóng)業(yè)氣候資源要求不高的農(nóng)作物。對于農(nóng)業(yè)氣候資源較差的地區(qū)，應(yīng)該減少農(nóng)業(yè)氣候資源的開發(fā)和利用，制定相應(yīng)的生態(tài)環(huán)保措施，如退耕還林、沙漠化治理等，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。