湖北省農業水土空間協調水平研究

劉逸竹，李 晴

（1. 湖北省國土資源研究院，武漢，430070；2. 華中師范大學城市與環境學院，湖北武漢，430070）

0 引言

隨著全球人口的擴張，世界面臨著比以往更為嚴峻的水和耕地資源危機。有限的水資源不僅要滿足農業生產，還需要綜合考慮和平衡工業生產和生活等的需要。因此，了解水和耕地資源在空間分布上的均衡水平，有利于水的分配管理和合理調整耕地結構，達到節約資源集約利用的目的［1］。

當前，中國農業已逐步嵌入全球貿易之中。由于不少農產品已成為商業和政治資本，中國將糧食自主納入了國家戰略。但中國的水和耕地資源在空間上分布并不均衡——伴隨著北糧南運，北方的水資源缺乏問題也越發突出。從水資源的角度來看，習近平總書記早在2019 年提出“以水定城，以水定地，以水定人，以水定產”，落實在國土空間規劃中，水資源指標成為計算城市或耕地擴張極限，為城市建設提供資源利用合理化建議的重要依據。因此，水和耕地資源在空間分布上的協調水平，是事關糧食安全、自然資源利用和城市發展等重大戰略的必要參考。在過去20 年中，不少研究者在不同區域及不同尺度上對這一問題進行了討論。

吳宇哲等［2］利用Gini 系數描述我國的水—土空間分布狀態時，發現我國在21 世紀前水資源與土地資源在空間上非常不平衡。孫偵等［3］采用了與吳等相同的方法，認為這一形勢在將后備耕地資源納入計算范疇后更為嚴峻。陳紫璇等［4］在Gini 系數的基礎上，以遙感影像和作物用水需求數據作為支撐，針對不同省份的問題給出了建議。相比全國尺度，區域和局地尺度研究更多地討論了水土資源平衡水平的時序變化，被討論過的區域主要有河南省、四川省、陜西省、甘肅省、山西省和安徽省等省份［5-11］，以及一些對水土資源調配需求較高的區域，如黃河三角洲、東北地區、西北地區和關中平原等［12-16］。

水是湖北省的主要農業資源之一，高效合理分配和利用水資源是湖北省保障糧食供應、落實各類各級生產生態規劃的重要基礎環節；湖北省同時還是全國主要糧食產區——江漢平原所在地。然而，雖然國土空間規劃中有關“資源環境承載力和國土空間開發適宜性評價”研究較多，但是針對湖北省的耕地—水資源空間協調水平的討論還是空白。因此文章在總結前人研究方法的基礎上，以湖北省為研究區域，在市級行政區層面上討論了該省農業用水和耕地的協調水平，以期為農業生產和水資源管理等相關領域研究和政策制定提供參考。

1 研究區概況

湖北省位于中國中部，下轄17 個市州共103 個縣級行政區。截止目前，共有超過63 萬hm2耕地，主要分布在該省中部和東部。雨熱同期的優勢使得該省擁有多元種植方式。但是該省仍然需要灌溉用水，原因在于省內降水空間差異顯著（700 mm～1 900 mm），剛好包含了國內水稻灌溉區和補充灌溉區的分界線（1 000 mm～1 200 mm），一般認為補充灌溉區在降水平年就需要灌溉來補充自然降水的不足，而水稻灌溉區對灌溉的需求則主要來自水稻等淹水作物［17-18］。

圖1 研究區耕地和多年平均年降水分布Fig.1 Croplands and average annual precipitation of multi-years in study area

2 研究方法與數據

2.1 研究方法

總結以往研究可知，常有3 種方式用于評價水和耕地資源的空間匹配水平。（1）水土資源匹配系數；（2）Gini 系數；（3）利用作物需水、蒸散發與降水，對灌溉滿足水平進行定量計算。以下對3 種方法進行簡要介紹。

劉彥隨等［12］于2006 年提出水土資源匹配系數（R），用于測算特定區域農業生產可供水資源和耕地時空適宜匹配的量比關系，用單位面積耕地可以獲取的水資源總量表示（式1）。這一測度方式被用于揭示一定空間內水和耕地在時間空間上的分布均衡狀況，該系數越高，水—耕地在空間分布上就越協調。

式（1）中，R 為水土資源匹配系數，W 為研究基本單元內水資源總量（108 m3），α 為當年農業用水占總水資源供應量的比例，L 為當地耕地面積（104 hm2）。

Gini 是經濟學上的經典指標，通過在X-Y 軸上建立地區人口—收入的數量關系并與理想水平（線性相關）對比，來衡量人口和收入均衡水平。2003 年，吳宇哲等［2］在他們的研究中首次引入該系數，將人口和收入分別用水資源量和耕地面積替代，用于評價本研究中，人口和收入分別由耕地面積和水資源總量替代。具體計算方式分為3 步：（1）計算區域內每個研究基本單元內水資源和耕地資源占研究區對應總資源的相對值（%），然后進行排序；（2）按照排序對相對值進行累加，兩個變量的累加值分別作為X-Y 空間軸上的值，進行繪圖；（3）將曲線與X=Y 直線的合圍面積，除以前述合圍面積與X=Y 線下面積之和，得到研究區的Gini 系數。高的Gini 系數意味著一些耕地面積大的地區能獲得的水資源越少，即耕地和水資源的空間分布水平越不均衡。Gini 系數的國際分級標準如下：＜0.2，非常均衡；0.2～0.3，均衡；0.3～0.4，一般；0.4～0.5，較差；＞0.5 很差。

R 和Gini 系數主要從定性層面表征了水資源和耕地在空間上的供應和匹配情況，而利用作物蒸散發等參量則從空間和作物角度提供了具體作物的用水需求。具體計算公式為式（2）～（3）。研究湖北省各主要農作物的灌溉用水需求IR 與前述水土資源匹配系數（R）進行比較，就可以了解作物的缺水嚴重程度。

式（2）～（3）中，ETc為作物需水量（mm），ET0為參照蒸發量（mm），Kc為作物系數。IR 為作物凈灌溉需水量（mm），Pe為作物生育期的有效降雨量（mm）。

2.2 研究數據

因截止研究完成，2017 年度的數據都未能發布，以往的研究也表明耕地和水資源的空間平衡狀況不會在中短期內有明顯變化，為保證研究在時間節點上的相對完整，研究選擇了2011—2015 年（“十三五時期”）作為研究時段。所需數據包括2011—2015 年間湖北省及市級行政區年度耕地面積、水資源供應和消耗量、蒸散以及降水。數據的收集和基本情況如下所述。

（1）耕地面積。源自自然資源部門年度土地變更調查結果。

（2）湖北省及下轄市州水資源相關數據。來自于2011—2015 年度《湖北省水資源公報》，具體包含有湖北省及下轄市州水資源總量、水資源供應量和農業用水總量。計算R時采用的農業用水占比為各級行政單位年度農業用水總量和水資源供應量的比值。

（3）主要作物灌溉需水和蒸散發等。研究獲取了劉鈺等［19］研究中獲取的位于湖北省荊州市、荊門市和恩施土家族苗族自治州（以下簡稱恩施州）3 個觀測點位ETc和IR 的3 組數據（表1）。從農業區劃的角度出發，研究著重通過荊州和荊門觀測點數據來闡述湖北省的情況，因為荊州和荊門所處的江漢平原是湖北乃至全國糧食主產區，兩地的種植結構和農業管理上也更為相似，具有代表性。

表1 湖北省觀測點主要農作物的蒸發量和凈灌溉需水量Table 1 IR and ETc of main crops in Hubei province

3 研究結果

3.1 研究區耕地和農業用水概況

圖2 展示了研究基準年內湖北省和省內個市州的水資源總量、供水量和農業用水總量。從水資源總量來看，基準年份內水資源總量總體逐年增加，2015 年比2011 年增加了約1/3。但農業用水總量（2.88～3.11×108m3）及其在供水總量中的占比（46.95%～52.34%）波動并不大。圖2 還展示了各個市州耕地和灌溉耕地的面積，他們在2011-2015 年間緩慢穩定地減少，至2015 年對比2011 年分別減少了0.88%和1.61%。相反地，雨養耕地在逐步增加——意味著耕地的減少完全是因為灌溉耕地減少，雨養耕地的增加減緩了耕地總面積的降低。

圖2 2011—2015 年湖北省水資源總量和耕地面積Fig.2 Amount of water and cropland during 2011 and 2015 in Hubei

在此前提下可以推知，在研究年限期間，湖北省的可供農業使用的水資源總量整體向好，這與省級R 的年際變化一致（圖3）。如果僅考慮灌溉耕地，R 會比圖3 結果增加約40%。

圖3 水土資源匹配系數（R）計算結果Fig.3 R of water and croplands in cities of Hubei

3.2 市級行政區耕地和農業用水情況

市級行政區農業供水狀況不如湖北省的整體情況樂觀。由于各地耕地在研究區間內變化趨勢與整個省份一致，因此R 的變化也主要是由于水資源總量的變化導致的。圖3展示了2011—2015 年各市級行政區R 的情況。總體上，R 位于前列的都是山地城市，如神農架、咸寧市、恩施州、黃岡市和十堰市；位于湖北省中部江漢平原糧食主產區的城市R 卻常常達不到全省平均水平。此外，各地R 變化在時間序列上并未表現出相對一致性，這意味著湖北省在同一年份內，省內不同城市農業供水不足和過量同時存在。這一點與《中國氣象災害大典》中對湖北省旱澇災害發生特點的描述是一致的。

即便如此，Gini 系數仍然提示，2011—2015 年湖北省在市級尺度上水資源和耕地資源的空間分布是均衡的（圖4）。首先，所有研究年份的Gini 系數都小于0.2；其次，各個擬合曲線的相關系數都接近1，意味著擬合曲線可以很好地解釋原始數據。雖然R 提示各個城市單位耕地可獲取水資源量的水平差異明顯，但由于山地城市耕地和水資源總量占省內比重都比較小，對Gini 系數影響十分有限。

3.3 定量評價

從表1 所列ETc和IR 大小排序來看，3 個觀測點左右作物的蒸散發和灌溉需水量排序都是一致的，一季稻、棉花和土豆是灌溉需水最多的3 種作物。

很明顯，各類作物在荊州和荊門的ETc表現極為相似，加上兩地的ETc和Kc參數基本一致，我們可以認為同一作物在兩地IR 的差異主要源于自然降水。對比荊州，江漢平原北部的荊門降水明顯更少，作為補充降水和湖北省南北的過渡帶的典型（圖1），其IR明顯高于前者。而多年省內觀測數據表明，相對干旱的地區往往需要面對更為頻繁和劇烈的降水變化，這也就使湖北省北部農業用水面臨了更多的不確定性。

圖4 2011—2015 年湖北省水土資源空間匹配狀況（Gini 系數）Fig.4 Gini of Hubei during year 2011 and 2015 on water and cropland

IR 與R 的差值表征了農業供水對作物灌溉需求的滿足水平。鄂州市、隨州市、天門市、武漢市、襄陽市和孝感市的IR 與R 差值在部分年份與荊門市都表現相當，這些地區在需要補充灌溉的都是作物清單中需水量較大的作物。以觀測點為分野，上述城市可以分為兩組：（1）與荊門市年降水相當或更少的城市，除荊門市外包括隨州市、天門市、襄陽市和孝感市，這些城市在平年也需要對需水量大的作物進行補充灌溉；（2）相對濕潤的江漢平原腹地城市如潛江市、天門市和鄂州市，灌溉只需要在枯水年份進行（表2）。

表2 不同類型年份需要灌溉的典型作物Table 2 Typical irrigation-need crops in general and dry years

此外，恩施州觀測點的數據提示，當地在研究期間并沒有出現農業用水短缺的情況。由于該地與湖北腹地差異較大的氣候條件，恩施州在農業區劃上屬于另外的種植區，更傾向選擇當地作物來適應山地地理條件和氣候［20-22］，僅就研究目前所用數據和結果難以界定哪個因素對恩施州的高水土資源空間匹配水平貢獻更大。

4 討論與結論

降水平年，湖北省的灌溉需求可以被很好滿足。MI、Gini 系數和IR 的結果都表明，湖北省整體不缺灌溉用水，因此我們認為湖北省在正常年份的農業用水需求可以得到很好滿足。湖北省耕地和水資源的空間匹配水平也遠優于全國平均水平［4］，因此該文認為湖北省在耕地類型和種植結構調整上，相比其他省份有更大的調整空間。湖北省可以將更多精力放在水資源的宏觀調配上。該研究中數據和方法的不足，以及其他從更為全面的角度揭示了湖北省面臨的水資源問題的研究，將在下文中詳細說明。

4.1 討論

總水資源量、耕地面積和MI 的波動形勢表明，在市級尺度上湖北省耕地和水資源的空間匹配水平很高。不過利用MI 評價水和耕地資源的空間均衡水平，是建立在二者都均勻分布的假設基礎上的，調水需要考慮距離，降水在空間上也是非均質的。因此我們認為選取MI 作為參考需要選取合適的尺度，來降低研究基本單元內水資源調配和降水差異的影響。

Gini 系數計算建立在MI 的基礎上，因此Gini 系數也會出現與MI 相似的弊端。吳宇哲等［2］在他們的研究中指出，遙感影像和動態網格可能是改善該問題的途徑，但他的建議在后來的同類研究中并未被嘗試。此外，Gini 系數明顯受相關參量的主要占有者影響更多，而且各個數據點有聯動，這會導致研究者在選取不同研究區時，同一地點的結果不盡相同。杜軍凱等［23］認為，由于流域內各地水資源的內在聯系，比行政單元更適合作為研究單元來進行水資源；孫偵等［3］在流域尺度上獲取的水土空間分布評價結果并不理想，但他們采用的“耕地”包含了可以耕種但非現狀耕地的區域，因此和其他以流域為單位進行的研究難以平行比較。

此外，Gini 系數無法評估動態過程，利用多年均值或長時間序列數據是解決這一問題的常用方法。然而近20 年來，極端和突發氣候事件以及人工對自然氣象的干預越來越頻繁［24］，對于整體水資源充足，但是旱澇災害頻繁的湖北省而言，合理分配灌溉和雨養農業的空間和規模，以及在時間空間上的水資源調蓄問題應當有更深入的討論。

該文作物用水需求數據結果也支持了上述判斷：湖北省仍然需要調度水資源來滿足相對干旱年份或地區的灌溉需求。這一點與湖北省多年氣象觀測結果的也一致［25］——不利因素往往要比有利因素更能影響到農業生產，而湖北省除了高發的旱災和水災，干旱地區的降水波動幅度往往更劇烈，全球氣候變化已經對省內氣候產生了明顯影響。

就灌溉而言，該研究并未仔細考察水資源在空間上的具體分布和轉移情況。例如在丘陵和山地，往往需要水利工程實現水資源的調配和提升，自然資源管理者需要對這些耗費周到考慮，結合當地自然地理和社會經濟條件，通過整合灌溉耕地位置和面積，優化供水模式，使灌溉的經濟效益最優。部分學者提出僅討論“藍水”和“綠水”對水資源管理是遠遠不夠的。由于區域間的經貿交往越來越頻繁，用于描述糧食運輸或土地流轉中水資源消耗的“虛擬水”開始走入相關學者視野。韓雪［26］針對長江中下游流域的水稻、小麥、玉米和大豆等進行了虛擬水的計算，認為在1999—2010 年間，研究區域內虛擬水保持著流失狀態。但李紅偉［27］經過更為細致討論認為，湖北省在跨省虛擬水流動中并非主要參與者，維持了水資源出入的相對平衡。近年來，“北糧南運”現象越發蓬勃，而“南水北調”等大型水利工程也在空間格局上重塑了水的分布形式。他們對水和耕地資源的空間分布協調水平的影響，應予以討論。

在農業系統外，水資源的主要消耗者還有畜牧業、工業生產和生態等，有研究顯示湖北省實際面臨著整體水資源短缺和污染問題。最少在2013 年前，省內畜牧業用水量激增和效率低下［28］，同時由于城市擴張迅速，污水排放問題也一直得不到實質性解決，導致可供生活用水減少［29］。就各市州來看，潛江市、天門市、荊門市和十堰市在“十一五”期間就已暴露出嚴重的水資源問題［30］，嵇瑩等［31］利用MI 的研究雖然得到了與該研究類似的結果，但是他們同時也指出湖北省內部分城市存在嚴重水資源利用效率低下的問題。

在更大尺度上，湖北省坐擁大江大河和有利的地理位置，使得湖北省在中央政府宏觀水利政策中的地位舉足輕重，如“南水北調”、三峽大壩等戰略性水利工程，使得人工對自然水資源的宏觀調控調配成為可能。2014 年年底，南水北調中線工程竣工并投入使用，該工程對湖北省水資源時空分布的影響還需要長期的觀察和總結。

4.2 結論

該研究對2011—2015 年湖北省水和耕地資源在空間分布上的均衡水平進行了討論。MI 表明，湖北省總體農田供水狀況優于全國平均水平，但在市級尺度上展現了明顯的年際變化。江漢平原和湖北省北部城市的MI 通常低于等于全省平均水平，而位于山區的城市由于耕地面積在全省占比很小導致了高水平的MI。這就使得雖然MI 不均衡，但Gini系數仍然提示在市級尺度上，湖北省內水與耕地在空間上是相當均衡的。從定量角度出發，該研究主要討論了以荊州市和荊門市為代表的江漢平原的作物需求滿足狀況，結果提示湖北省需要在正常年份關注叫干旱地區的用水需求，并同時在枯水時關注水稻等高耗水作物產區。

研究認為湖北省在農業用水的結構性調整上擁有較大的彈性空間。同時，該文也注意到了由于自然降水變化導致的水資源總量波動，因此湖北應更多關注綜合性的水資源利用戰略，尤其是在全球變化和水資源短缺背景下的三產用水分配、用水效率和水污染等。該文還關注到研究尺度等對MI 和Gini 等的影響，以及Gini 系數在描述動態變化上的不足，并提出在未來的研究中，采用長時間觀察數據來嘗試彌補這一缺陷。