新疆水資源壓力與耕地利用效益變化及耦合關系研究

摘要：基于2009—2018年新疆及各地州市水土資源數據，構建水資源壓力及耕地利用效益評價模型，并采用耦合協調模型對新疆水資源壓力與耕地利用效益耦合關系進行實證研究。研究發現，2009—2018年新疆水資源綜合壓力呈下降趨勢，無人口和經濟發展壓力，生態和技術發展壓力較大;新疆耕地利用社會效益、經濟效益呈上升趨勢，但生態效益波動幅度較大，受生態效益影響耕地利用綜合效益波動較大;10年來新疆水土資源耦合協調度呈上升趨勢，但水資源壓力綜合得分不穩定，耕地利用綜合效益相對平穩。新疆水資源技術發展壓力大，南北疆耕地利用效益地區差異顯著，應加強統籌協調水土資源開發利用，實現水土資源可持續發展。

關鍵詞：水資源壓力;耕地利用效益;耦合關系;新疆

中圖分類號：TV213.9 " " " " 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2022）03-0165-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2022.03.034 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on the coupling relationship between Xinjiang water

resources pressure and farmland utilization benefit changes

JIANG Chang-pana， PU Chun-lingb， DONG Lua， YAN Zhi-mingc

（a.School of Management;b.Economic and Social Development Research Center;c.MPA Education Center，

Xinjiang Agricultural University，Urumqi "830052，China）

Abstract： Based on the water and land resource data of Xinjiang and other prefectures and cities from 2009 to 2018， an evaluation model of water resources pressure and cultivated land utilization benefits was constructed， and a coupling coordination model was used to conduct empirical research on the coupling relationship between water resources pressure and cultivated land utilization benefits in Xinjiang. The research found that the comprehensive pressure on water resources in Xinjiang had shown a downward trendfrom 2009 to 2018， there was no pressure on population and economic development， and there was greater pressure on ecological and technological development; The social and economic benefits of cultivated land use in Xinjiang had shown an upward trend， but the ecological benefits fluctuated greatly， and the comprehensive benefits of cultivated land use fluctuate greatly affected by the ecological benefits; The degree of coupling and coordination of Xinjiang’s water and land resources had shown an upward trend in the past 10 years， but the comprehensive score of water resources pressure was unstable， and the comprehensive benefits of cultivated land use were relatively stable.The pressure on the development of water resources technology in Xinjiang was great， and there were significant differences in the benefits of cultivated land utilization between the north and the south. Therefore， overall planning and coordination of the development and utilization of water and land resources should be strengthened to achieve sustainable development of water and land resources.

Key words： water pressure; farmland utilization benefit; coupling relationship; Xinjiang

水土資源是農業生產必備的基本要素之一，也是農業生產的核心自然資源，隨著城鎮化的快速發展，水土資源數量短缺和質量下降問題日益嚴重。新疆維吾爾自治區（以下簡稱新疆）優質耕地數量減少、質量下降，導致耕地利用效益也在下降;受全球氣候變化影響，水資源壓力也在逐步增大，生態環境日趨嚴峻、水土資源環境承載能力下降等問題嚴重威脅著耕地的可持續發展。學者們從不同研究視角[1-3]、不同研究方法[4，5]測度不同區域的水資源壓力;從經濟、社會和生態三方面構建耕地利用效益評價指標體系，采用AHP、聚類分析等方法，借助GIS技術分析耕地利用的變化現狀及趨勢[6-8];運用計量模型，將模型結果與3S技術相結合對不同尺度的區域優化配置水土資源進行研究[9-12]。目前，相關研究大多集中在經濟發達且水土資源相對豐富的地區，對于經濟欠發達地區且水土資源極度稀缺的新疆研究甚少。通過研究分析新疆及各地州市水資源壓力，探討水資源開發利用中遇到的問題，有助于為新疆水資源供給和耕地開發利用提供借鑒，對新疆水土資源合理利用及協調發展具有重要意義。

1 研究區概況與數據來源

新疆總面積約占全國陸地總面積的1/6，轄4個地級市，5個地區和5個自治州。2019年底實現地區生產總值13 597.11億元，常住人口2 523.22萬人，國內和3個省區相鄰，周邊與8個國家接壤，是連接中亞和歐洲的交通樞紐。“三山夾兩盆”的地形孕育出新疆特殊的地理環境及氣候，年均降水量僅154.8 mm，地域差異大，資源性及工程性缺水并存;水資源開發利用率低，平均第一產業用水比重高達93.18%，用水粗放且浪費嚴重，水資源短缺是阻礙新疆農業發展的最大瓶頸，精確調控并形成合理的水資源配置格局已刻不容緩。

本研究相關數據主要來源于《新疆統計年鑒》、新疆和中國水資源公報、新疆及各地州市國民經濟和社會發展統計公報等統計部門相關資料。

2 研究方法

本研究針對新疆14個地州市的水資源和耕地資源利用現狀，運用水資源壓力和耕地利用效益評價模型構建指標體系，對其水資源壓力和耕地利用效益進行綜合評價，結合新疆水資源和耕地資源開發利用現狀，采用耦合協調模型研究新疆水資源壓力和耕地利用效益之間的協調發展程度。

2.1 水資源壓力評價模型

由于新疆獨特的地理環境和氣候，導致僅有遍布于盆地及河谷邊緣的少量綠洲適宜人類居住生活，水資源短缺嚴重制約了新疆的經濟發展。水資源壓力是反映區域人類生產活動中水資源供需對比情況的指標，當水資源需求量大于供給量，或人均資源量低于臨界值時，則說明該區域存在水資源壓力，反之，則說明該區域不存在水資源壓力。借鑒已有的研究成果[13-15]，本研究結合新疆水資源開發和利用現狀，選取人均水資源量（PWR）、人均GDP（GA）、水資源總量折合地表徑流深（WR）、水資源開發利用程度（WD）和萬元GDP用水量（GU）5個指標，構建水資源綜合壓力評價模型，分別計算新疆及各地州市水資源人口、經濟、生態和技術壓力，計算公式如下：

[P綜=i=1nPi]/[n] （1）

式中，[P綜]為區域水資源綜合壓力指數，[Pi]為區域水資源第i項壓力指數，[Pi]越大說明該區域水資源壓力越大，反之則越小。

2.1.1 人口壓力指數（[P人口]） PWR是影響區域水資源人口壓力的關鍵因素，用于度量區域水資源稀缺程度[16]。根據中國水資源緊缺指標體系，當PWRlt;1 000 m3時，人們的正常生活將會受到威脅[16，17]，則水資源人口壓力指數的計算公式為：

[P人口=1 "000-PWR1 "000] （2）

2.1.2 經濟發展壓力指數（[P經濟]） 采用人均GDP（GA）計算區域水資源經濟發展壓力指數，衡量經濟發展給區域水資源帶來的壓力。當中國人均國內生產總值達3 000美元時，隨著產業結構的調整和優化以及用水效率的提高，促使單位GDP耗水大幅下降，有效緩解社會整體用水壓力[18]，則水資源經濟發展壓力指數的計算公式為：

[P經濟=3 "000-GA3 "000] （3）

2.1.3 生態壓力指數（[P生態]） 生態壓力受到自然條件和人類活動兩方面的影響。采用WR衡量自然條件下的區域水資源壓力，當WRlt;150 mm時，區域生態系統遭到破壞[19];采用WD衡量人類活動給區域水資源帶來的壓力，研究表明WD控制在50%以內較為合理[20]，則水資源生態壓力指數的計算公式為：

[P生態=150-WR150+WD-501502] （4）

2.1.4 技術壓力指數（[P技術]） 將全國萬元GDP用水量（GB）作為水資源技術發展壓力的參考值，采用萬元GDP用水量（GU）計算區域水資源技術壓力指數[21]，則水資源技術壓力指數的計算公式為：

[P技術=GU-GBGB] （5）

式中，當0lt;[P技術]lt;1時，說明該區域存在水資源技術壓力，且數值越大，說明水資源技術壓力越大;當[P技術]≤0時，說明該區域不存在水資源技術壓力。

2.2 耕地利用效益評價模型

2.2.1 評價指標體系構建 參考已有的研究成果[21-23]，結合新疆耕地利用現狀和實際使用狀況，從耕地利用社會效益、經濟效益和生態效益3個方面綜合衡量耕地利用效益，選取15個評價指標構建新疆耕地利用效益評價指標體系（表1）。

2.2.2 數據標準化處理和權重確定

1）數據標準化。為消除各指標的量綱影響，采用極值法對數據進行標準化處理，具體公式如下。

正向指標：

[X′ij=Xj-XminXmax-Xmin] （6）

負向指標：

[X′ij=Xmax-XjXmax-Xmin] （7）

式中，[Xj]為第j項指標值，[Xmax]為第j項指標的最大值，[Xmin]為第j項指標的最小值，[X′ij]為標準化值。為了數據運算有意義，對標準化后的數據進行整體平移，即[X′ij=X′ij+d]，為了不影響計算結果，最大限度保留原始數據，本研究取d=0.000 1[24]。

2）熵權法計算指標權重。為一定程度上避免主觀因素帶來的偏差，采用熵權法確定指標權重，具體步驟如下。

計算[X′ij]的比重[yij]：

[yij=X′iji=1mX′ij] "[0≤yij≤1] （8）

計算第j項指標的熵值[ej]：

[ej=-Ki=1myijlnyij] （9）

式中，K為常數，[K=1lnm]。

計算第j項指標的差異性系數[dj]：

[dj=1-ej] （10）

計算第j項指標的權重[wj]：

[wj=djj=1ndj] " （11）

計算耕地利用效益[f]：

[f=j=1nwijX′ij] （12）

計算耕地利用綜合效益[f綜]：

[f綜=j=15wijX′ij+j=610wijX′ij+j=1115wijX′ij] " （13）

2.3 耦合協調度評價模型

本研究將新疆水資源壓力與耕地利用效益結合起來，采用耦合協調模型研究二者之間的協調發展程度[25-27]。通過公式（1）至公式（5）得到水資源人口、經濟、生態和技術壓力指數，再通過公式（6）至公式（13）得到水資源綜合壓力得分[P綜]，耦合協調模型公式如下：

[C=P綜×f綜P綜×f綜222] （14）

[T=AP綜+Bf綜] （15）

[D=C×T] （16）

式中，[C]為協調度，用來反映水資源壓力和耕地利用效益之間的互動程度;[P綜]和[f綜]分別為水資源綜合壓力得分與耕地利用綜合效益;T為協調評價指數，反映水資源壓力和耕地利用效益之間的協同程度;考慮到各因素對協調發展度的貢獻同等重要，故A=B=0.5;D為耦合協調度，反映水資源壓力與耕地利用效益之間的協調發展程度，D的取值范圍為[0，1]。

借鑒已有的研究成果[28，29]，并結合研究實際情況，將水資源壓力與耕地利用效益耦合度劃分為4種類型（表2）。

通過參考學者研究成果[25，30]，將水資源壓力與耕地利用效益耦合協調度劃分為10種類型（表3）。耦合協調度越大，說明水土資源協調性越好，反之，說明水土資源協調性越差。

3 結果與分析

3.1.1 新疆水資源壓力分析 根據水資源壓力評價模型公式（1）至公式（5），計算得到新疆2009—2018年水資源綜合、人口、經濟、生態和技術壓力指數（表4、圖1）。新疆水資源綜合壓力從2009年的-0.64波動緩慢下降至2018年的-1.17，但依然存在生態壓力。水資源綜合壓力與人口壓力、生態壓力基本呈同趨勢變化。由于新疆萬元GDP用水量遠高于全國同期平均水平，導致其水資源技術壓力較高，使得水資源綜合壓力較大，在短時間內無法改變新疆已有的用水現狀，降低萬元GDP用水量需要一個長期發展過程，因此暫不考慮水資源技術發展壓力帶來的影響，計算水資源綜合壓力時剔除了技術壓力給綜合壓力帶來的影響。

1）新疆水資源人口壓力分析。2009—2018年，新疆水資源人口壓力指數都小于0，說明新疆10年來不存在水資源人口壓力。但新疆水資源人口壓力指數呈波動上升趨勢，2014年水資源人口壓力指數有較大幅度的增加且達到峰值，同年新疆人口總數也達2 214.98萬人，是10年中人口總數最多的一年，說明人口增長加劇了水資源人口壓力。

2）新疆水資源經濟壓力分析。2018年新疆人均GDP達7 482.98美元，是2009年的2.6倍。新疆水資源經濟壓力指數從2009年的0.03下降到2018年的-1.49，明顯呈持續下降趨勢，說明新疆經濟發展暫時未受到水資源短缺的制約。

3）新疆水資源生態壓力分析。2009—2018年，新疆水資源生態壓力指數雖有波動但相對比較平穩，10年來新疆水資源總量折合地表徑流深均小于臨界值150.0 mm，說明新疆生態環境處于不同程度的惡化之中。2014年水資源生態壓力指數達到峰值0.66，主要是受全球氣候變化影響，年降水量僅為145.6 mm，比多年平均值減少5.9%，比2013年減少21.7%，水資源總量折合地表徑流深為41.77 mm，而水資源開發利用率高達80.04%。降水量減少導致水資源總量折合地表徑流深減小，進而造成水資源開發利用程度升高，從而導致水資源生態壓力指數升高。

4）新疆水資源技術壓力分析。2009—2018年，新疆水資源技術壓力呈上下波動的趨勢，但一直居高不下。新疆萬元GDP用水量從2009年的1 241.28 m3/萬元持續下降到2018年的449.84 m3/萬元，年均下降79.14 m3/萬元。說明伴隨著經濟發展和技術進步，新疆水資源利用率逐漸提高。與全國萬元GDP用水量相比，2018年新疆萬元GDP用水量是全國同期平均水平的6.7倍，因此新疆萬元GDP用水量還有很大的下降空間，水資源開發和利用有待進一步優化升級，亟待提高用水集約節約度。

5）新疆各地州市水資源綜合壓力分析。2009—2018年，新疆大部分地州市均不存在水資源壓力（表5），烏魯木齊市水資源綜合壓力指數一直呈下降趨勢，克拉瑪依市、吐魯番市和喀什地區存在水資源壓力，其中克拉瑪依市水資源壓力最大。10年來新疆各地州市中除了克拉瑪依市和阿勒泰地區水資源綜合壓力指數有較大波動外，其他地州市水資源綜合壓力指數均沒有明顯波動。由于新疆地域面積廣大，自然條件各異，且南北疆間差異大，各地州市的社會經濟發展水平也存在較大差異，導致各地州市水資源壓力狀況也各具特色。各地州市應該根據自身的實際情況走可持續發展道路，因地制宜制定合理、科學和高效的水資源開發利用計劃，處理好水資源人口、經濟、生態和技術四方面的壓力，尤其是要處理好水資源技術壓力，雖然已經取得較大的成就，但是與全國同期平均水平相比，仍然存在很大差距，還有很大的提升空間，應該盡可能地縮小與全國同期平均水平之間的差距，從而實現新疆經濟的可持續發展。

3.1.2 新疆耕地利用效益分析

1）新疆耕地利用效益分析。通過耕地利用效益評價模型計算得到2009—2018年新疆耕地利用效益評價指數（圖2）。由圖2可見，近10年，新疆耕地利用社會效益和經濟效益總體呈上升趨勢，其中耕地經濟效益在2017年和2018年有所回落，耕地利用社會效益快速增長，而耕地利用生態效益波動幅度較大且呈持續下降趨勢，受耕地生態效益的影響耕地利用綜合效益波動也很大。從2011年開始新疆耕地利用綜合效益呈上升趨勢，說明耕地利用呈現良好發展趨勢，但耕地利用綜合效益總體水平不高。近年來新疆耕地利用生態效益一直呈波動下降趨勢，需要引起高度重視，尤其是新疆的生態環境本身就很脆弱，要統籌協調好經濟發展與環境保護的關系。

2）新疆各地州市耕地利用效益分析。由表6可知，2009—2018年新疆各地州市耕地利用綜合效益總體呈上升趨勢，只有和田地區耕地利用綜合效益呈持續下降趨勢，其中克拉瑪依市和哈密市的耕地利用綜合效益不穩定，波動較大。從表6可以看出，2009—2018年新疆各地州市間耕地利用綜合效益差異較大，2018年喀什地區耕地利用綜合效益只有0.40，而昌吉回族自治州耕地利用綜合效益卻達到0.73，是喀什地區耕地利用綜合效益的1.8倍，說明同一年份各地州市間差異較大。克拉瑪依市2009年耕地利用效益為0.19，2015年耕地利用效益卻達到0.74，說明同一地州不同年份間的差異也很大。由于新疆干旱少雨，氣候多變，各地降水量差異很大，北疆的自然條件明顯優越于南疆，北疆的社會經濟發展也比南疆發達，且南北疆存在較大的差距，通過相對比較無法看出南北疆之間的差異。通過原始指標數據絕對比較，可以發現各地州市之間耕地利用效益的絕對比較差異很大，北疆的農牧民人均純收入、人均糧食產量和人均GDP等指標都明顯大于南疆，說明北疆的耕地利用效益要高于南疆。南疆受自然條件惡劣和經濟基礎薄弱的雙重影響，其農田水利基礎設施、種植經驗、勞動力素質、科學技術、機械化程度和農地經營方式等都滯后于北疆，由于多種因素的影響最終導致南疆的耕地利用效益較低。

3.1.3 水資源壓力與耕地利用效益耦合分析

1）新疆水資源壓力與耕地利用效益耦合分析。由圖3可見，10年來新疆水土資源耦合度和耦合協調度總體呈上升趨勢，水資源壓力綜合得分上下波動較大，整體呈下降趨勢，說明新疆對水資源的開發利用不穩定，受到自然條件的嚴重制約;2011年以后新疆耕地利用綜合效益整體呈上升趨勢，說明新疆耕地利用發展態勢良好。2009年和2011年水土資源耦合度處于磨合時期，其余年份處于高水平耦合時期，說明新疆水土資源耦合度較好;但2009年水土資源耦合協調度只有0.44，按照耦合協調度等級分類標準分析，新疆2009年的水土資源處于瀕臨失調階段，說明2009年新疆水資源和耕地利用面臨失調，其他年份水土資源處于初級協調階段，說明新疆水土資源利用不理想，需要進一步優化調整，統籌協調水土資源有序利用，促進新疆水土資源協調發展。

2）新疆各地州市水資源壓力與耕地利用效益耦合分析。為便于分析、比較各年份不同地州市的耦合協調狀況，運用ArcGIS軟件輸出新疆各地州市2009、2012、2015、2018年水土資源耦合協調度時空演變（圖4），可以看出新疆各地州市水土資源耦合協調度相對較低，但在逐漸向好的趨勢發展。2009年烏魯木齊市和阿勒泰地區水土資源利用輕度失調，克拉瑪依市、伊犁哈薩克自治州和和田地區水土資源利用瀕臨失調，北疆哈密市、吐魯番市和昌吉回族自治州等5個地州市水土資源利用實現勉強協調，南疆巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州和喀什地區水土資源利用達到初級協調，單從2009年來看南疆水土資源耦合比北疆好。2012年哈密市水土資源耦合瀕臨失調，是各地州市中最差的，阿克蘇地區和克孜勒蘇柯爾克孜自治州水土資源耦合達到中級協調，是各地州市水土資源利用最好的，吐魯番市和塔城地區水土資源勉強協調，其他各地州市水土資源耦合均達到初級協調水平。2015年在4年中新疆各地州市水土資源利用最好，烏魯木齊市、昌吉回族自治州和阿克蘇地區水土耦合達到良好協調，除了克拉瑪依市外其他各地州市都達到中級協調水平。2018年水土資源利用耦合度相比2015年有所下降，但是大部分地區都達到初級協調水平，相比2009年改善很多，各地州市水土資源耦合水平向好的趨勢發展，有利于新疆經濟的可持續發展。

4 小結與討論

通過對新疆各地州市水資源壓力和耕地利用效益進行綜合測算，分析了其時空演變特征，并采用耦合協調模型研究新疆水資源壓力和耕地利用效益之間的協調發展程度，以期為新疆水土資源的合理開發和利用提供一些幫助。

1）2009—2018年新疆不存在水資源人口、經濟和綜合壓力，但存在一定程度的水資源生態發展壓力，與全國平均水平相比，新疆水資源技術發展壓力相對較大。由于新疆地廣人稀，水資源自然條件稟賦各異，且南北疆間差異大，各地州市社會經濟發展水平也存在較大差異，導致各地州市水資源壓力狀況也各具特色，同時說明新疆各地州市間水資源技術發展壓力差異較大。新疆經濟技術發展相對滯后，用水粗放浪費嚴重，應合理開發利用水資源，提高水資源利用效率。

2）2009—2018年新疆耕地利用社會效益、經濟效益呈上升趨勢，生態效益波動下降。雖然耕地利用綜合效益呈良好發展態勢，但耕地利用效益總體水平不高，地區差異明顯，還有很大的提升空間;應該積極尋求通過科技進步和技術革新增加耕地產出效益，統籌協調經濟發展與環境保護的關系。

3）研究發現，水土資源存在相互依賴、相互制約的關系，新疆耕地利用效益綜合指數相對比較穩定，但水資源壓力綜合得分不穩定，上下波動幅度大，水土資源耦合協調度總體呈波動上升趨勢。受各地區人口數量、自然資源稟賦差異和交通便利度等因素影響，地區間社會經濟差異較大，因此，應統籌協調水土資源的開發利用，形成合理的水資源配置格局，實現水土資源有序利用，最終實現新疆經濟的可持續發展。

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