基于地表覆蓋數據的農業水土資源匹配格局分析
——以遼寧省為例

黃超，王亮，李西燦，張玉

(1.山東農業大學 信息科學與工程學院，山東 泰安 271018；2. 中國測繪科學研究院，北京 100036)

0 引言

農業水土資源是指可利用的水資源與耕地資源，農業水土資源態勢事關農業生產的穩定性，水土資源匹配嚴重錯位限制糧食增長[1]。水資源與耕地資源比例的多少直接影響著耕地資源的有效利用程度和糧食產量的產出。遼寧省地勢平坦、土壤肥沃，是我國重要糧食生產基地，但是在人類活動的干擾下，水土資源匹配越來越差，其耕地面積占全國3.93%，但是其水源面積僅占全國的1.60%，相對于耕地資源來說，水資源相對短缺，其水土資源匹配狀況亟待解決。

目前，學者對農業水土資源研究廣泛，研究方法主要有單位面積耕地水資源量法[2-3]和基尼系數法[4-5]2種方法。在研究尺度上，多數學者基于這2種方法以市域[6-7]、縣域[8-9]為基本單元對不同尺度區域[10-11]水土資源匹配現狀進行研究與分析，且以分析水土匹配現狀為主，未從微觀角度反映水土匹配對糧食產量的影響。本文基于地理國情監測成果地表覆蓋數據進行統計分析[12]，以格網為基本研究單元，將水土匹配系數與糧食產量分布現狀相結合，分析遼寧省水土資源空間分布格局及其匹配現狀并提出合理化建議，為科學開發水資源與耕地資源、提高耕地利用效率提供技術支撐。

1 研究區狀況及數據來源

1.1 研究區概況

遼寧省位于中國東北地區的南部，地理坐標介于118°53′E～125°46′E，38°43′N～43°26′N之間，土壤肥沃，是我國重要的糧食產區。遼寧省屬于溫帶大陸性季風氣候區，境內雨熱同季，日照豐富，積溫較高，雨量不均，東濕西干，年降水量在600～1 100 mm之間。遼寧省境內有大小河流300余條，其中流域面積在5 000 km2以上的有17條，地表水資源豐富。區域土壤類型主要以草甸土和潮土為主，土壤肥沃，適宜種植農作物。但在人類活動的干擾下，農業水土資源匹配越來越差，相對于耕地資源來說，水資源相對短缺，制約著糧食產量。

1.2 數據來源

遼寧省地表覆蓋數據來自全國地理國情監測成果數據集，地表覆蓋內容指標包含種植土地、林草覆蓋、房屋建筑區等8個一級類，監測時間點為2017年，數據采用2000中國大地坐標系；糧食產量分別來自“中國統計信息網”(http：∥www.tjcn.org)各市2017年《國民經濟和社會發展統計公報》。

遼寧省地理國情監測數據預處理過程主要包括：根據地理國情地表覆蓋數據計算遼寧省耕地面積與水域用地總面積；制作生成遼寧省境內1 km×1 km地理格網單元，計算以地理格網為單元的遼寧省地表覆蓋數據；通過數據庫查詢操作，獲取每個格網單元內用地類型面積，生成滿足水土匹配格局分析需要的數據集。

2 研究方法

本文提出基于格網單元分析水土匹配系數與糧食產量的空間分布關系，具體方法如下所述。

2.1 水土匹配系數

水土匹配系數是反映特定區域農業生產可供的水資源和耕地資源時空適宜匹配的量比關系，采用單位面積耕地可擁有的水資源量來表示[3]。水土資源匹配系數越大，表明用于農業生產的水資源越豐富，越有利于農業生產；水土資源匹配系數越小，表明用于農業生產的水資源越少。

本文根據2017地理國情監測數據，用農業地表用水和耕地面積測算水土匹配系數，其計算模型為：

(1)

式中：Ri為水土匹配系數；Wi為i的水域面積(104hm2)；Li為i的耕地面積(104hm2)；n為遼寧省內測算單元個數。

遼寧省內各地級市平均水土資源匹配系數反映了遼寧省內市域水土匹配的平均水平。首先將各格網內水土匹配系數進行歸一化處理，使得格網內水土匹配系數均在0～1之間。其測算模型如下：

(2)

(3)

2.2 糧食產量空間化

糧食產量空間化的目的是把按行政區統計的糧食產量以一定的規則分解到每一個柵格中去。首先利用地理國情監測數據統計得到各市耕地面積與1 km×1 km格網內的耕地面積計算比重，計算公式如下：

(4)

式中：Ymj表示m市內第j個格網內耕地面積占市域耕地面積比重；amj表示m市內第j個格網內耕地面積(104hm2)；Am表示第m個市內耕地面積(104hm2);m為遼寧省地級市個數。

然后計算格網內糧食產量，計算公式如下：

Qmj=Fm×Ymj(m=1，2，3，…，m)

(5)

式中：Qmj表示m市內第j個格網內糧食產量(104t)；Fm表示第m市糧食總產量(104t)；Ymj表示m市內第j個格網內耕地面積占市域耕地面積比重;m為遼寧省地級市個數。

2.3 分析評價流程

本文以遼寧省地表覆蓋數據為基礎，對數據進行預處理，統計遼寧省1 km×1 km格網的水域面積與耕地面積。比較遼寧省水土匹配格局與糧食產量分布之間的聯系并提出合理化建議，技術路線圖如圖1所示。

圖1 技術路線圖

3 研究結果及分析

本文根據地理國情分類體系，統計種植土地下二級類旱地、水田為耕地資源，首先分析遼寧省農業水土資源分布現狀，然后分別計算遼寧省1 km×1 km格網下的水土匹配系數、糧食產量，分析基于小尺度的農業水土資源匹配現狀，分析結果如下所示。

3.1 農業地表水資源與耕地資源分布現狀

以1 km×1 km格網為基本單元，水域面積占比為度量指標，把1 km×1 km格網內水域面積占比分為4個等級，其空間分布圖如圖2所示。整體來看，遼寧省中部地區水域面積占比高于東、西部地區；分地級市來看，水域面積占比較大的地區主要分布在盤錦、營口西北部、鞍山西部、錦州東部、遼陽西部以及沈陽南部地區。以1 km×1 km格網為基本單元，耕地面積占比為度量指標，將遼寧省內1 km×1 km格網內耕地面積占比分為4個等級，其空間分布圖如圖3所示。整體來看，中部地區耕地面積占比高于東、西部地區，西部地區優于東部地區；分地級市來看，耕地面積占比較高的地區主要分布在鐵嶺西部、沈陽、阜新、錦州、盤錦北部、遼陽西部地區。水域與耕地資源占比較高的地區均分布在中部地區，但東、西部地區占比分布存在差異。

圖2 遼寧省農業地表水空間分布圖

圖3 遼寧省耕地資源空間分布圖

3.2 遼寧省農業水土匹配格局分析

基于2017年地理國情監測中的地表覆蓋數據，運用水土匹配系數測算模型，計算遼寧省以1 km×1 km格網為基本單元的農業地表水與耕地資源匹配格局，將水土匹配系數分為4個等級并在遼寧省區劃圖上將不同等級進行差異區分，如圖4所示，紅框內表示遼寧省水土匹配系數較高的地區。

圖4 遼寧省1 km×1 km格網水土匹配系數分布圖

根據圖4得出遼寧省水土匹配格局呈階梯型分布，整體呈中部地區優于東、西部地區，東部地區優于西部地區；在中部地區，南部優于北部地區。水土匹配系數較大的地區主要分布在營口西北部、遼陽西部、沈陽南部、盤錦、大連南部地區。

對遼寧省1 km×1 km格網內水土匹配系數進行歸一化處理并擴大100倍，得到遼寧省各地級市平均水土匹配系數，如表1、圖5所示。遼寧省內有2個地級市平均水土匹配系數超過10，最大的為盤錦市，平均水土匹配系數為19.44。平均水土匹配系數最小的是阜新市，為0.22。

表1 遼寧省地級市平均水土匹配系數

遼寧省平均水土匹配系數為4.56。各市平均水土匹配系數如圖5所示，遼寧省共有5個地級市的平均水土匹配系數超過遼寧省平均值，分別為盤錦、大連、營口、丹東、本溪；有4個地級市的平均水土匹配系數小于1。

圖5 遼寧省各市平均水土匹配系數

以遼寧省1 km×1 km格網為基本單元，遼寧省各市糧食產量數據為基礎，用2.2節中的方法將糧食產量進行空間化，并把1 km×1 km格網的糧食產量劃分為4個等級，且在遼寧省行政區劃圖上對不同區域進行差異劃分，如圖6所示，紅框內為遼寧省糧食產量較高的地區。可以看出遼寧省糧食產量呈階梯型分布，中部糧食產量高于東、西部地區，西部地區產量高于東部地區。糧食產量較高的地區主要分布在盤錦、錦州北部、遼陽西部、鐵嶺西北部、沈陽市，這幾個市的糧食產量占全省糧食產量的50%。

圖6 遼寧省1 km×1 km格網糧食產量分布圖

比較圖4、圖6得出，遼寧省水土匹配分布格局與遼寧省糧食產量分布相關，總體來說遼寧省水土匹配系數與糧食產量一致，主要分布在遼寧省中部地區。但東部地區與西部地區糧食產量與水土匹配存在空間錯位現象，因為遼寧省東部地區為長白山支脈哈達嶺和龍崗山的延續部分，坡度在25°以上，不適宜耕種農作物，所以東部地區即使水土匹配現狀較好但其糧食產量卻最低。

以格網為單元進行分析，在水土匹配系數較高的地區其糧食產量反而很低，糧食產量較高的地區主要分布在水土匹配系數較高的周圍地區，因本文計算水土匹配系數選取水域面積為指標，在面積相同的區域內，水域面積占比越大，其耕地面積占比相對越小，耕地面積越小，其糧食產量則越低，所以水土匹配系數最高的地區其糧食產量反而較低。但鄰近區域可以通過興修水利工程獲得水資源，所以在鄰近水土匹配系數較高的區域其糧食產量相對較高，例如水土匹配系數較高地區與糧食產量較高地區都分布在中部地區，這說明水土匹配情況與糧食產量有關系，水土匹配情況好壞影響糧食產量高低。

4 結束語

本文以遼寧省地表覆蓋數據為基礎，分析遼寧省農業水土匹配現狀及其空間分布格局，并與遼寧省糧食產量空間分布格局相結合，根據分布現狀提出提高糧食產量的合理化建議，為合理化開發水資源與耕地資源提供技術支持。研究結果表明：遼寧省水土資源空間分布不均，耕地資源中部最多，西部多于東部；水資源中部最多，東部多于西部，水土資源分布存在空間錯位現象。遼寧省有5個地級市平均水土匹配系數超過遼寧省平均值，其中盤錦市平均水土匹配系數最大，為19.44。農業水土匹配空間分布格局為中部地區優于東、西部地區，東部地區優于西部地區，水土匹配情況最好的地區主要分布在中南部。糧食產量空間分布格局為中部地區優于東、西部地區，西部地區高于東部地區。中部地區糧食產量分布與水土匹配空間分布格局相同，東、西部地區水土匹配現狀與糧食產量分布存在空間錯位現象。總體來說，水土匹配好壞影響糧食產量高低。

基于以上研究，針對不同地區水土匹配情況提出以下建議：中部地區政府應加大力度保護水資源，在水土匹配較好的地區根據當地的氣候等其他因素可增加需水量較多的農作物的種植。東部地區應根據地形、氣候等條件選擇適宜的農作物進行種植。西部地區應根據水土匹配現狀，興修水利或種植耗水少、耐干旱的農作物，大力發展節水農業，加大像噴灌、微灌等高效農業節水體系的建設，以期提高糧食產量。

雖然本文對遼寧省水土匹配現狀與糧食產量現狀進行了研究，但是仍存在不足之處。首先本文水資源采用的地理國情監測地表覆蓋數據中的水域為地表水資源，未能考慮地下水資源；其次糧食產量還受地形、化肥用量、農用機械總動力、氣溫、日照數等因素的影響。在以后的研究中將考慮以上因素，提高水土匹配分布準確度和糧食產量空間化精度。