糧食增產期黑龍江省農業水土資源 な笨掌ヅ涓窬盅芯

姜秋香　鞏書鑫

摘要：黑龍江省糧食總產量十二連增的同時，也給農業水土資源帶來了諸多問題。為了客觀地評價黑龍江省農業水土資源時空匹配情況，根據黑龍江省糧食增產期（2003-2015年）的水土資源利用狀況，采用基尼系數和農業水土資源匹配系數分析了黑龍江省農業水土資源時空匹配變化情況。結果表明：（1）糧食增產期黑龍江省農業水土資源空間匹配差異較大，基尼系數在04475～04907之間，屬于匹配較差范圍；農業水土資源匹配系數均低于全國水平，且在時間上表現為匹配程度持續降低的態勢。（2）空間差異上，黑龍江省中西部干旱區水土資源匹配程度較低，不宜繼續開墾；三江平原地區糧食種植面積大，建議發展節水灌溉；北部和東南部地區水資源相對豐富，宜涵養水源，以實現可持續發展。

關鍵詞：水土資源配置；基尼系數；黑龍江

中圖分類號：TV213.9文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）04016009

Analysis of spatiotemporal matching of agricultural water and land resources in Heilongjiang Province during the grain production growth period

JIANG Qiuxiang1，GONG Shuxin2，QIU Zhiqiang3，WANG Zilong1，FU Qiang1，HUANG Ruolin1

（

1.College of Water Conservancy and Architecture，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；3.College of Resource and Environment，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Abstract：

While the total grain output in Heilongjiang Province increased for 12 consecutive years，there arise many problems in agricultural water and land resources.In order to objectively evaluate the spatiotemporal matching of agricultural water and land resources in Heilongjiang Province，based on the utilization situation of water and land resources in Heilongjiang Province in the grain production growth period （20032015），we analyzed the relationship between agricultural water and land resources in Heilongjiang Province by using the Gini coefficient and the matching coefficient of agricultural water and land resources.The results showed as follows：（1） The spatial matching of agricultural water and land resources in Heilongjiang Province during the grain production growth period varied greatly，with the Gini coefficient ranging from 04475 to 04907，falling in the poor matching range.The matching coefficients of agricultural water and land resources were lower than the national average，and were declining continuously over time.（2） In terms of spatial differences，the central and western parts of Heilongjiang Province had a relatively low matching degree of water and land resources and should not be further reclaimed.The Sanjiang Plain has a large grain planting area，and we suggest developing watersaving irrigation there.The water resources in the northern and southeastern regions are relatively abundant，and should be conserved for sustainable development.

Key words：

allocation of water and land resources；Gini coefficient；Heilongjiang Province

農業水土資源即農業生產利用的水資源和耕地資源，是農業生產的基礎條件，對于保障糧食安全意義重大。農業水土資源的時空匹配程度直接影響著區域農業的可持續發展與資源的可持續利用[1]。水資源的數量和利用情況直接影響耕地資源的生產能力，而耕地資源的開墾程度也制約著水資源的開發利用[24]。分析農業水土資源的時空匹配程度，對于合理開發利用水資源和耕地資源具有科學指導意義，同時也是區域水土資源空間優化配置的前提與基礎[57]。

黑龍江省是我國重要的產糧大省，也是糧食生產發展潛力最大的地區之一[8]，其糧食生產的可持續發展不僅關系到東北地區經濟振興，而且對全國糧食安全具有一定的支撐作用[9]。據統計，2015年黑龍江省糧食總產量達6 324萬t，不僅實現了糧食產量十二年連增，同時也鞏固了糧食產量居全國首位和商品糧基地的地位[10]。然而，近年來由于人口的持續增長以及為糧食增產所進行的資源過度開發，導致黑龍江省出現了農業用水保證率降低、作物灌溉用水量持續增加、可耕地面積減少、土壤肥力嚴重退化、耕地資源生產力下降和后備資源開發潛力不足等問題[1114]。諸多農業水土資源問題的存在，不僅使2016年黑龍江省糧食產量止步于十二連增，制約了區域經濟持續發展，同時也影響東北地區的經濟振興，威脅到我國的糧食安全。以往的研究中，學者多采用基尼系數、水土資源匹配系數、水土資源指數等方法對區域水土資源匹配情況進行研究，基尼系數能夠反映農業水土資源的整體匹配情況但會忽略區域內的個體差異，水土資源匹配系數與水土資源指數能夠反映各子區域水土匹配的差異情況但缺少對區域整體匹配情況的描述[3，1516]。鑒于此，本研究通過分析糧食增產期（2003-2015年）黑龍江省農業水土資源現狀，采用基尼系數和水土資源匹配系數分析農業水土資源匹配程度及時空變化特征，以期提高區域農業水土資源利用率，協調水土資源生態環境社會經濟之間的關系，保障農業水土資源的可持續發展。

1研究方法

1.1基尼系數

1.1.1理論基礎

1905年美國統計學家洛倫茲提出洛倫茲曲線，該曲線把國家總人口按收入由低到高排序，按排序分別計算人口累計百分比和收入累計百分比，繪制二者對應關系曲線，該曲線即為洛倫茲曲線，其彎曲程度反映收入分配的不均衡程度[17]（見圖1）。

為將一個國家的貧富差距標準定量化，1922年意大利經濟學家基尼在洛侖茲曲線基礎上提出了基尼系數G，計算公式如下[18]：

G=[SX（]SB[]SA+SB[SX）][JY]（1）

式中：SB為洛倫茨曲線I與絕對平均線OE所包圍區域B的面積；SA為I與絕對不平均線OFE所包圍區域A的面積；G為基尼系數，范圍為[0，1]，G值越大表示收入分配越不平均。聯合國有關組織將基尼系數劃分為5個級別，用于定量評價財產、資本、資源、產品和市場等資源分配的均衡程度（見表1）[1920]。

目前，基尼系數作為衡量兩要素分配均衡和匹配程度的量化指標，已被廣泛應用于國民經濟[21]、環境評價[2224]、資源分配和利用[2526]等領域。

1.1.2水土資源匹配基尼系數計算步驟

步驟1：確定匹配原象和對象。本研究將黑龍江省按行政區域劃分為13個子區域，選取多年平均水資源量作為匹配原象，耕地面積作為匹配對象。

步驟2：匹配水平分級指標值的計算和排序。匹配分級指標值是指匹配對象與匹配原象的比值。因此，本文在計算單位水資源所服務的耕地面積的基礎上，按照匹配分級指標值由低到高的順序對各子區域進行排序。

步驟3：計算匹配原象和對象的累計百分比。計算各子區域匹配要素占黑龍江省對應要素的比例，并依據步驟2的排序分別計算匹配要素累計百分比。

步驟4：繪制洛侖茲曲線。定義x軸為匹配原象（水資源總量）的累計百分比，y軸為匹配對象（耕地面積）的累計百分比，繪制相應的洛倫茲曲線。

步驟5：計算基尼系數。基尼系數有多種計算方法，包括梯形面積法、擬合曲線法和協方差公式法等方法[2728]。本研究選取梯形面積和擬合曲線兩種方法，為減小誤差，取二者平均值作為最終結果，并將計算結果與基尼系數分級標準進行對比，確定水土資源匹配的程度。

梯形面積法計算公式為[29]：

G梯形=1-∑[DD（]n[]i=1[DD）]（Xi-Xi-1）（Yi+Yi-1）/100[JY]（2）

式中：G梯形為梯形面積法所求基尼系數值；Xi和Xi-1分別為第i和i-1（i=1，2，…，n）個子區域的水資源量累計百分比（%）；Yi和Yi-1分別為第i和i-1個子區域耕地面積累計百分比（%）；n為子區域個數，本研究n=13。

擬合曲線法運用MATLAB中Curve Fitting Tool工具箱進行曲線擬合，將擬合所得方程求[0，1]上的定積分，進而求得擬合曲線法計算的基尼系數G擬合[30]。

1.2農業水土資源匹配系數

農業水土資源匹配系數法通過計算單位面積耕地所擁有的農業可利用水資源量，進而評價區域農業水土資源匹配水平，其值越大，則區域水資源滿足耕地資源的程度就越高，農業用水基本條件就越好[3132]。水資源總量是由汛期洪水下泄量和不具備開發利用價值的地下水、河道與地下水系統最小需水量以及可供人類活動消耗的水資源可利用量三部分構成。為使研究結果更具可靠性，本文采用水資源可利用量作為水資源量的表征。水土資源匹配系數計算公式為：

MFi=Wi·αi/Fi（i=1，2，…，n）[JY]（3）

[JP5]式中：MFi為第i子區域水土資源匹配系數（萬m3/hm2）；Wi為第i子區域水資源可利用量（萬m3）；αi為第i子區域農業用水比例；Fi為第i子區域耕地面積（hm2）。

黑龍江省農業水土資源匹配系數MF表征各子區域水土資源匹配系數的平均水平，其計算公式為：

MF=∑[DD（]n[]i=1[DD）]Wi·α/∑[DD（]n[]i=1[DD）]Fi[JY]（4）

式中：MF為黑龍江省水土資源匹配系數（萬m3/hm2）；α為黑龍江省農業用水比例。

1.3數據來源

本文涉及的耕地面積、水資源總量、農業用水比例、糧食產量來源于《中國統計年鑒》[33]、《中國水利統計年鑒》[34]、《黑龍江統計年鑒》[35]以及《黑龍江省水資源公報》[36]。

2結果與分析

2.1水土資源匹配基尼系數時間演變規律分析

區域差異測度研究方法包括基尼系數、賽爾指數、變異系數和艾肯森指數等，現有研究表明，不同方法對較長時間序列不平衡性變動的描述是比較一致的，但對短時間序列的分析存在不同、甚至是相反的結果[3839]。因此，采用基尼系數從短時間序列剖析區域差異變化趨勢，易存在方法不同導致的分析結果存在差異性。鑒于此，本研究在糧食增產期的基礎上，選取黑龍江省經濟發展關鍵時期的1980年、1985年、1990年、1995年、2000-2002年，對研究時段進行延展，探究區域水土資源匹配的時間演變規律。依據選取的序列年黑龍江省各地級市（區）耕地面積和多年平均水資源量[3536]，計算黑龍江省水土資源匹配基尼系數G（見表2），并繪制基尼系數年變化曲線（見圖2）。

由表2可知，梯形公式法和擬合曲線法計算的基尼系數基本穩定在一個較小的變化范圍內，表明本文的計算結果可信度高。在研究時段內，黑龍江省水土資源匹配基尼系數從05356下降到04475，表明水資源與耕地資源的匹配程度由高度不平均降低到差距過大的水平，農業水土資源匹配的均衡程度有明顯提高，但總體仍處于較不均衡的范圍。由圖2可知，基尼系數在研究時段內存在明[CM（22]顯的分割節點，1980-2001年黑龍江省水土資源匹配基尼系數均大于05，屬于高度不平均水平，此時黑龍江省糧食生產布局不夠合理，灌溉模式粗放，資源利用缺少政策性指導，導致了水土匹配程度不高。2000年5月，黑龍江省政府發布《關于黑龍江省農業和農村經濟結構戰略性調整的意見》[39]，要求進行新一輪農業戰略性調整，提出優化糧食生產布局、改進糧食種植結構，提高農產品品質和“農牧主輔換位”的目標。經過人為優化耕地面積與種植區域，使得農業水土匹配情況得到改善。2002-2015年期間，農業水土資源匹配基尼系數由04945下降到04475，下降95%，農業改革成效顯著。2003-2015年為黑龍江省糧食增產期，該階段糧食生產布局進一步優化、耕地面積變化小、糧食產量不斷增加，此時區域水土資源匹配基尼系數不斷下降、水土匹配程度呈現整體上升的趨勢，水土資源的匹配和利用得到優化。

2.2農業水土資源匹配系數時空演變規律分析

基尼系數衡量的是由子區域水土資源分配不均衡所致的區域整體不均衡程度，不能反映區域內水土資源匹配的空間差異。因此本研究采用水土資源匹配系數對黑龍江省13個市（區）的農業水土資源空間匹配差異性進行深入分析。

根據各地區耕地面積、水資源可利用量和農業用水所占比例，計算糧食增產期的不同地區農業水土資源匹配系數（見表3）。

[BT（4+*2]2.2.1黑龍江省農業水土資源匹配系數時間變化規律

繪制黑龍江省和全國農業水土資源匹配系數及糧食產量時間變化圖（見圖3）。

由圖3可知，糧食增產期全國與黑龍江省農業水土匹配系數均呈現下降趨勢，且下降階段特征比較一致，增產前期（2003-2009年）均表現出急劇下降，增產后期（2010-2015年）表現出緩慢下降的特點；但二者農業水土資源匹配系數下降程度有所不同，全國農業水土匹配系數下

降幅度為006萬m3/hm2，而黑龍江省下降了017萬m3/hm2，接近全國水平的3倍。從區域間差距來看，2003年黑龍江省的農業水土資源匹配系數與全國水平相比僅低005萬m3/hm2，然而隨著糧食產能的提升，二者差距越來越大，糧食增產期結束時已擴大到016萬m3/hm2。從糧食產量角度來看，黑龍江省糧食產量與水土匹配系數呈反比關系。糧食增產初期，糧食產量增長幅度較大，對應農業水土匹配系數降低幅度較大，后期糧食產量增長幅度降低，并于2016年不再增加，此時的農業水土匹配系數變化也相對趨于平穩，說明糧食增產期過后，限制黑龍江省糧食產量的因素逐漸由種植結構等外因轉向水土資源利用問題等內因。經分析知，出現該現象的主要影響因素為耕地面積的增加以及水資源承載力的降低，經過農業種植結構改革，國家在糧食主產區大力發展種植業，土地開墾迅猛，農業用水壓力不斷增大，與此同時，這一階段黑龍江省的人口增長、社會經濟發展導致的水資源過載問題逐步顯現出來，加重了水資源的使用壓力，作為全國最大的商品糧生產基地，耕地與用水矛盾更加突出，導致農業水土資源分配愈發劣于全國水平。

[BT（4]22.2典型年黑龍江省農業水土資源匹配空間特征

黑龍江省各地區水資源和耕地資源空間匹配不均衡，以糧食增產中期2009年為例，對農業水土資源空間分配特征展開分析。（1）大興安嶺、伊春和牡丹江地區多年水資源量分別占全省水資源總量的1615%、1140%和1273%，接近全省總量的一半，而其耕地面積僅占全省耕地面積的109%、182%和433%，不足全省的8%，屬于豐水地區。該地區山地林地較多，森林覆蓋率高，水源豐富，但耕地面積有限，因此農業水土資源匹配表現為“地少水豐”的特點，可在保證涵養水源的基礎上，適度發展耕地，以平衡區域的發展。（2）齊齊哈爾、大慶和綏化地區2009年耕地總面積達到38153萬hm2，占全省耕地面積的40%，而其水資源量僅占全省水資源總量的1678%，屬于缺水地區。該地區地處平原，耕地面積廣，然而由于人口數量大、[HJ2.1mm]產業結構相對單一、農業用水比例大等原因，加之水源地數量不足，導致農業水土資源匹配表現出“地多水少”的態勢，而氣候上該區域屬半干旱地區，多年降水較少，建議加大水利建設的投入，如跨流域調水等，從工程角度緩解水資源短缺。（3）佳木斯、雙鴨山、七臺河和雞西地區耕地面積占全省的2547%，水資源量占全省的157%，屬于比較缺水地區。該地區為三江平原重要糧食產區，耕地面積比例大，土壤肥力充足，農業用水存在輕微過載現象，在不影響糧食產量的前提下，基本能夠支撐糧食生產，鑒于該區域糧食戰略地位較高，開墾程度同樣較高，建議從種植結構入手，增加可行的間作套種等耕種模式，以提高糧食產量，鞏固戰略地位。（4）哈爾濱、黑河和鶴崗耕地面積占全省的2865%，水資源量占全省的307%，屬于水土資源匹配均勻地區。該區域農業產值在全省居中，耕地面積與農業用水相對均衡，水資源量比較充沛，能夠支撐農業生產。

[BT（4]2.2.3各地區農業水土資源匹配系數時空演變規律

選取糧食增產期農業水土資源匹配系數變化顯著的2003年、2007年、2011和2015年作為代表年，進行農業水土資源匹配系數時空演變分析。根據不同代表年各地區農業水土資源匹配系數，運用ArcGIS的數據空間可視化功能對黑龍江省農業水土資源的空間匹配格局進行分析（見圖4）。

就各區域而言，大興安嶺、伊春和牡丹江為我國重要林區，耕地面積少，水資源多且存在巨大開發利用潛力，農業水土資源匹配表現出可利用農業水資源過剩、耕地資源有待發展的特點；哈爾濱和黑河農業水土資源匹配相對平衡；東北部三江平原地區屬全國性重要糧食產區，耕地面積廣，水資源不夠豐沛，導致農業水土資源匹配不佳，單位面積耕地擁有水量約為03萬m3/hm2，低于全省平均水平04萬m3/hm2；中西部地區的大慶、齊齊哈爾和綏化地區農業水土匹配情況差，該地區屬于黑龍江省人口和經濟發展密集地區，農業水土資源匹配系數范圍在[015，022]，遠遠低于全省平均水平。

就演變情況而言，在耕地面積較少的大興安嶺、伊春和牡丹江等地區，糧食增產期水土資源匹配系數減小超過50%，降幅較大，由于自身水資源量豐富，糧食增產期耕地面積的增加有利于水土資源的合理匹配；在三江平原地區，由于耕地面積基數大，在糧食增產期內耕地面積的增加加重了水資源的負擔，農業水土資源匹配系數由原來的035下降至02，農業水土資源矛盾嚴重；齊齊哈爾、大慶和綏化地區自身的水資源量有限，耕地面積增加緩慢，水土資源匹配系數由023降至018，其匹配情況一直較差；哈爾濱和黑河地區的農業水土資源匹配系數持續降低，耕地面積大量增加，但由于水資源可利用量大，匹配系數最終平穩在032，仍保持在相對合理的水平。總體來看，糧食增產期黑龍江省糧食產量呈上升趨勢，與此同時，糧食種植面積保持增長趨勢[33]。因此，黑龍江省糧食主產區耕地資源與水資源的矛盾日益突出，單位水資源量服務耕地面積增加、壓力增大，阻礙了整體農業水土資源優化趨勢。

3結論

隨著農業技術的發展，糧食產量閾值不斷提高，影響糧食產量的水土資源矛盾越來越突出。本文提出了基尼系數、農業水土資源匹配系數及ArcGIS數據空間可視化相結合的農業水土資源匹配時空分析框架，對黑龍江省糧食增產期農業水土資源匹配情況展開分析，并據此提出相應的措施建議。

（1）糧食增產期內黑龍江省水土資源匹配基尼系數在[04475～04907]區間變化，較之前年份雖有明顯下降，但仍屬于匹配較差范圍。糧食增產期內農業水土資源匹配系數均低于全國平均水平，且差距越來越大，匹配程度較差，與基尼系數分析結果一致。從演變規律上看，水土資源匹配呈現基尼系數不斷減小、農業水土資源匹配系數整體降低的態勢。

（2）從時空角度對黑龍江省農業水土資源進行分析，空間上表現為西北、東南部地區“水多地少”，中、西部地區“地多水少”，東北部地區匹配較差的格局；時間上表現為西北、東南部地區農業水土資源匹配情況穩定，其他各地區匹配程度均呈下降趨勢；演變規律上，水土資源匹配情況趨于優化，地少水多的地區耕地面積不斷增加，有助于平衡全省水平，但由于其他糧食主產區的不斷擴大，其水資源量會出現缺乏和不足，從而導致水土匹配情況的不均衡，限制了水土資源優化的發展。

（3）根據不同區域的水土資源匹配狀況，建議限制黑龍江省中西部干旱缺水地區的農業用地開墾，適度減少土地開墾面積，提高其農業水土資源承載力；加大半干旱區水利設施建設力度、發展水資源高效利用及各流域間引水調水，緩解半干旱區的農業用水短缺的問題；在保障糧食產量的前提下，糧食主產區可調整農業種植結構，最大限度利用各種農業資源。

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