河南省水資源“農轉非”時空演變及驅動力

焦士興，王安周，李玉靖，趙榮欽，尹義星，王雅思

(1.安陽師范學院資源環境與旅游學院，河南 安陽 455002； 2.洛陽市第十九中學，河南 洛陽 471000；3.華北水利水電大學測繪與地理信息學院，河南 鄭州 450046；4.南京信息工程大學水文與水資源工程學院，江蘇 南京 210044)

中華人民共和國成立以來，全國大興農田水利、大力發展灌溉農業，農業用水供給穩定，有力支撐了農業發展[1]。近年來，伴隨著工業化、城鎮化進程加速，農業用水受到工業和生活用水的擠壓，水資源利用結構發生顯著變化，對糧食生產安全造成了威脅[2-3]。水資源“農轉非”是指通過水資源優化配置，不斷把單位經濟效益相對較低的農業水資源，通過不同途徑向單位效益較高的工業、生活和生態等非農業用水轉變的過程[2]，即從農業用水轉向非農業用水。合理的水資源“農轉非”有利于優化用水配置，緩解結構性用水壓力，提高用水效率和提升社會經濟收益[4]；不合理的“農轉非”導致農業用水減少并損害農業生產[5]。

水資源“農轉非”研究較早出現在西方國家。為了解決美國西部干旱缺水問題，實施了將農業用水調配給工業和城市工程；同期，澳大利亞、日本也嘗試水資源“農轉非”, 并以此實現用水均衡[2]。國內有關研究主要集中于概念內涵[2]、補償機制[3,6]、時空格局[4]等方面。如王鳳婷等[2]研究了水資源“農轉非”的概念內涵、發展脈絡、政策影響以及補償機制；祁翔[3]分析了水資源“農轉非”對農業生產的影響，提出了完善的補償機制；胡美娟等[4]研究了中國省域水資源“農轉非”的時空格局、過程及機制。目前，我國有關水資源“農轉非”研究成果豐富，主要集中在全國及省域角度，但是有關省域及所轄市域水資源“農轉非”時空演變規律及其驅動因素的效應研究仍然相對薄弱。

河南省作為農業大省和商品糧生產基地，農業耗水量多且占比較大。河南省屬于水資源嚴重短缺地區[7]，2018年農業用水119.9億m3，占總用水量的51.11%，明顯低于2010年的57.36%，非農業用水量和占比則不斷提升，必然會影響糧食生產。現有水資源“農轉非”多從經濟學、管理學及農學視角研究，且多采用面板分位數回歸模型[4]、嶺回歸分析[8]、Tobit模型[9]等方法，尚缺乏從地理學時空視角進行探討[2,4]。基于此，本文運用重心模型[10-11]與ArcGIS 10.2軟件，分析了河南省水資源“農轉非”時空演變趨勢，通過嶺回歸模型[8,12]分析其驅動因素，以期在確保糧食安全的前提下，為促進水資源優化配置、提高用水效率和效益提供決策參考。

1 研究方法

1.1 水資源“農轉非”程度

水資源“農轉非”是一種水資源跨區域、跨部門優化利用過程，以水資源均衡配置、提升用水部門生產效率為目標，同時兼顧公平和可持續性。其本質是一種特殊形式的水權交易，即農業水權所有者將水資源使用權有償轉讓給非農業用水主體或部門。水資源“農轉非”程度是指區域非農業用水與農業用水的比值[4]，其計算公式為

mt=(Wt-Wat)/Wat

(1)

式中：mt為水資源“農轉非”程度；Wt為總用水量；Wat為農業用水量；t為年份。

1.2 水資源“農轉非”重心模型

為反映水資源“農轉非”區域差異動態變化，引入重心模型，用來表征時間維度上的動態演化特征[13]。重心變動反映了時空變化軌跡，重心偏移則指向了變化程度更快的區域，重心經緯度計算公式[14]為

(2)

(3)

式中：Xt、Yt分別為t年份水資源“農轉非”重心的經度和緯度；mit為t年份區域i水資源“農轉非”程度；xi和yi分別為區域i地理中心的經度和緯度；n為河南省城市數量，n=18。

1.3 多元線性回歸模型

1.3.1經典線性回歸模型

結合國內外分析水資源“農轉非”的基本方法[4,8]，采用多元線性回歸模型對河南省水資源“農轉非”驅動因素的時空效應進行分析。計算公式為

(4)

式中：β為常數項；Cj為第j個驅動因素；βj為第j個驅動因素的回歸系數；εj為對應于Cj的隨機項；k為河南省水資源“農轉非”驅動因素數量，本文取k=11。

1.3.2嶺回歸模型

嶺回歸模型是一種用于共線性數據分析的有偏估計方法，可避免自變量間多重共線性影響[15]，本質是放棄最小二乘法的無偏性，以損失部分信息、降低擬合精度而獲取更符合實際、更可靠的回歸系數[16]。經典線性回歸模型不能解決數據共線性問題，多結合嶺回歸[8]、逐步回歸[17]、主成分分析[18-19]等方法解決水資源問題。嶺回歸模型是通過約束長度系數間接解決多重共線性問題的統計方法[20]。具體步驟為：①通過極差標準化法對指標層進行標準化處理[21]；②利用SPSS16.0軟件進行共線性診斷，要求方差膨脹因子小于10；③根據嶺跡圖中各個自變量趨于穩定的原則，選取嶺參數；④通過嶺回歸結果，確定相應指標的回歸系數[20]。嶺回歸計算結果表明，河南省及18市水資源“農轉非”驅動因素回歸方程的擬合系數為0.7～1.0，說明模型擬合程度高，模型選取合理。

2 指標構建及數據來源

2.1 評價指標體系構建

農業水權是指農業用水主體使用水資源實施農業灌溉用水的權利，歸納為農業用水總量控制指標、灌區取水權、灌區內農業用水戶水權和農村集體水權4種表現形式[22-23]，從目前研究成果來看，均沒有清晰的量化指標。河南省“農轉非”相關成果顯示河南省大量的農業用水已經轉向非農業用途，本文研究基于已有成果，并認為伴隨著經濟和社會的快速發展，河南省“農轉非”需求將一直存在[6]。

水資源“農轉非”程度主要受城鎮化、工業化等社會經濟因素影響，此外，還受到水資源自然稟賦的影響。結合河南省實際和相關文獻[2,4,8]，考慮數據代表性、完整性和獲得性，構建包括經濟發展等5個一級指標、產業結構變動率等11個二級指標的河南省水資源“農轉非”評價指標體系，如圖1所示，其中，產業結構變動率(C1)為非農業產值與農業產值的比值；工業化發展水平(C4)為工業產值與GDP的比值；城鎮化發展水平(C6)為當年城鎮人口占比與基準期城鎮人口占比的差值；生活和環境用水比例(C7)為當年生活和生態用水與當年總用水量的比值；水資源利用比較效益(C9)為單方水非農業產值與農業產值的比值；有效灌溉率(C10)為有效灌溉面積與耕地面積的比值；農業節灌率(C11)為節灌面積與耕地面積的比值。本文基于11個二級指標對河南省水資源“農轉非”進行驅動因素的效應分析。

2.2 數據來源

農業用水量、工業用水量、城鄉生活和環境用水量、總用水量、水資源總量等數據來源于《河南省水資源公報》(2010—2018年)；國內生產總值、農業產值、工業產值、總人口數、城鎮人口數、有效灌溉面積、耕地面積、節水灌溉面積等數據來源于《河南省統計年鑒》(2011—2019年)。

3 結果與分析

3.1 河南省水資源“農轉非”程度時空變化

3.1.1重心軌跡變化

利用式(2)(3)計算河南省水資源“農轉非”重心位置，以探討時空演變特征(表1)。河南省水資源“農轉非”重心軌跡整體呈現由西南向東北移動的趨勢。河南省2010年水資源“農轉非”重心為(113°19′55″E，34°19′38″N)，2018年重心為(113°23′27″E，34°22′23″N)，年均自西南向東北方向的移動距離為0.92 km，表明豫東和豫北發展速度較快，即河南省水資源“農轉非”的發展不平衡。河南省水資源“農轉非”重心軌跡呈現階段性變化特征，2010—2011年重心向北偏東方向移動，年均移動距離為7.20 km；2011—2013年重心向南偏西方向移動，年均移動5.14 km；2013—2017年重心向北偏東方向移動，年均移動3.49 km；2017—2018年重心向西移動，年均移動2.63 km。

表1 河南省水資源“農轉非”重心軌跡演變

3.1.2時間變化

利用式(1)，計算得到河南省及18市水資源“農轉非”程度，如表2所示。河南省水資源“農轉非”程度呈波動上升趨勢，由2010年的0.788 4增至2018年的0.956 5。從發展趨勢來看，鄭州、平頂山、新鄉、焦作、鶴壁、濟源、安陽、開封、商丘、周口、駐馬店、信陽12市水資源“農轉非”程度呈波動上升趨勢；許昌、漯河、洛陽、三門峽、濮陽、南陽6市水資源“農轉非”程度呈波動下降趨勢。

3.1.3空間分布

從2010—2018年水資源“農轉非”程度均值來看，鄭州、洛陽、平頂山、許昌、漯河、三門峽、南陽、濟源8市(占44.4%)的均值均高于河南省的均值，表明非農業用水增長較快，其中鄭州、洛陽、平頂山3市基本穩居前三位；開封、安陽、鶴壁、新鄉、焦作、濮陽、商丘、信陽、周口、駐馬店10市(占55.6%)的均值均低于河南省的均值，表明農業用水受非農產業用水擠壓程度較低，其中新鄉、周口和開封3市則居后三位。總體來看，河南省水資源“農轉非”程度較高區域主要包括豫中3市、豫西3市(表2)。豫中地區地處隴海、京廣鐵路沿線，受省會鄭州的輻射帶動作用強，區位條件優越，經濟發展水平較高[24]，農業用水受到生活用水、工業用水擠壓，農業用水占比相對其他地區較低；豫西以山地丘陵為主，農業發展具有一定的局限性，而城鎮化和工業化發展則相對迅速，導致非農業用水增長較快。豫東3市、豫南3市、豫北6市水資源“農轉非”程度較低(表2)。豫東3市、豫南3市多地處淮河平原，屬于傳統農業區，主要以發展農業為主，而工業發展基礎相對薄弱，經濟發展水平偏低[24]，水資源“農轉非”程度相對較低；豫北6市自然條件、土地耕作條件較好，是國家優質小麥生產基地[25]，水資源“農轉非”程度相對較低。

表2 2010—2018年河南省水資源“農轉非”程度

3.1.4空間變化

運用ArcGIS10.2軟件劃分河南省水資源“農轉非”程度空間等級， 進而分析其空間變化趨勢(圖2)。不同年份“農轉非”程度處于動態變化，因此采用相等間隔分類法進行空間類型劃分，具體劃分為5級：低等級(0，0.5]，較低等級(0.5，1]，中等等級(1，1.5]，較高等級(1.5，2]和高等級(2，4]。

圖2表明，河南省水資源“農轉非”程度的空間變化趨勢不同。三門峽、洛陽、鄭州3市始終處于高等級；焦作、濮陽、商丘、新鄉4市始終處于較低等級；安陽等8市水資源“農轉非”程度的等級有所上升，其中安陽、鶴壁、開封、周口、駐馬店、信陽6市由低等級升為較低等級，平頂山由較高等級升為高等級，濟源由較低等級升為中等等級；南陽、許昌、漯河3市水資源“農轉非”程度的等級有所下降，其中南陽由中等等級降為較低等級，許昌由高等級降為較高等級，漯河由較高等級降為中等等級。隨著社會經濟發展，河南省水資源“農轉非”程度呈波動上升，反映了各市工業化、城鎮化、市場化等綜合因素的差異化影響。

(a)2010年

(b)2018年

3.2 河南省水資源“農轉非”驅動因素的時空效應

3.2.1時間效應

基于嶺回歸模型，利用SPSS16.0軟件，計算河南省水資源“農轉非”驅動因素的回歸系數。回歸系數表示自變量對因變量影響大小的參數[26]，回歸系數為正值表示因變量隨自變量增大而增大，回歸系數為負值則相反。依據驅動因素的正負效應以及變化情況，利用SPSS16.0軟件進行Ward聚類分析，將其劃分為4種類型，進而分析其驅動效應變化趨勢。2010—2018年河南省水資源“農轉非”驅動因素回歸系數年均值如圖3所示。

a.GDP、人口數量、生活和環境用水比例、水資源利用比較效益4個指標(一類指標)對河南省水資源“農轉非”具有驅動作用，且從時間上來看，驅動作用有減弱趨勢(圖3(a))。目前，河南省水資源問題突出[27]，為改善水生態環境，城鄉生活和環境用水逐年增加，2010—2018年非農業產值增長率為10.37%，高于農業產值增長率3.54%，且受經濟利益驅動，農業用水向收益更高的第二、第三產業轉移。

b.農業應用技術對河南省水資源“農轉非”具有約束作用。農業應用技術包括有效灌溉率和農業節灌率2個指標(二類指標)，河南農業節水技術普及率較低是農業用水量較高的因素之一。從時間上來看，農業應用技術對河南省水資源“農轉非”的約束作用有減弱趨勢(圖3(b))，原因是近年來國家加大了對農業水利投資力度[28-29]，農業節水技術不斷進行升級改造，提高了灌溉水有效利用系數[27]，從而降低了河南省農業用水量，提高了農業用水效率[30-31]。

c.產業結構變動率、人均GDP、城鎮化發展水平、人均水資源量4個指標(三類指標)對河南省水資源“農轉非”具有調節作用，且對河南省水資源“農轉非”的影響不穩定(圖3(c))，呈現波動變化。例如2010—2013年河南省人均水資源量從567.52 m3減少到218.07 m3，水資源系統壓力較大；2014年后水資源開發力度加大，2014—2018年水資源總量增長率為9.94%，人均水資源量從221.81 m3增至343.37 m3，人均水資源量在一定程度上影響了區域用水結構[31]。

d.工業化發展水平(四類指標)對水資源“農轉非”的整體影響不明顯(圖3(d))，主要原因是其對水資源“農轉非”的影響被產業結構變動率與水資源利用比較效益的影響所稀釋。

(a)一類指標

(b) 二類指標

(c)三類指標

3.2.2空間效應

從河南省水資源“農轉非”驅動因素回歸系數的年均值來看(圖3)，河南省農業節灌率回歸系數小于0，故為約束力；從空間效應看(表3)，豫西農業節灌率回歸系數大于0，則為驅動力。由于研究時空視角不同，影響水資源“農轉非”的驅動因素存在差異。

豫西人均水資源量為水資源“農轉非”的約束力，城鎮化發展水平和農業節灌率則為驅動力。豫西城鎮化發展速度較快，城鎮化發展水平從2010年的39%提升到2018年的52%，拉動了居民生活用水和非農業用水需求，農業水利設施建設成效明顯，農業用水量明顯減少，從2010年的9.359億m3降低到2018年的9.046億m3。

豫北人均GDP為水資源“農轉非”的約束力，工業化發展水平和有效灌溉率則為驅動力。豫北2010—2018年工業化發展水平的均值(58%)高于河南平均水平(52%)，農業用水向工業用水轉移，農業節水設施的推廣降低了農業用水量，從2010年的43.871億m3降至2018年的42.349億m3。

豫南有效灌溉率和產業結構變動率為水資源“農轉非”的約束力，人均水資源量則為驅動力。豫南為傳統農業區，農業經濟占據重要地位，2018年農業產值占GDP的16.61%，高于河南省的均值(8.7%)。隨著人口的增長和城鎮化發展，2010—2018年豫南總用水量增加了10.21億m3，而生活和環境用水則增加了5.18億m3，占增加總用水量的50.73%，出現了新增供水向居民生活和生態環境用水轉移的情況。

豫東GDP和人均GDP為水資源“農轉非”的約束力，人口數量則為驅動力。2010—2018年，豫東年均GDP僅占河南省14.51%，但生活用水和生態用水對水資源的需求量逐漸增加，從2010年8.492億m3增加到2018年的12.142億m3，人口規模效應驅動了農業用水向生活用水和生態用水轉移。

豫中有效灌溉率和人均水資源量為水資源“農轉非”的約束力，水資源利用比較效益則為驅動力。豫中人均水資源量由2010年181.11 m3減少到2018年的102.03 m3，且水資源總量由28.471億m3減少為17.600億m3，說明水資源絕對供給量增長空間越來越小，水資源“農轉非”難度加大，但受經濟誘導趨勢影響，農業用水仍然向利益更高的第二、三產業轉移。

4 結 論

a.河南省水資源“農轉非”重心軌跡整體呈由西南向東北移動的趨勢，且呈現階段性變化特征；河南省水資源“農轉非”程度波動上升，鄭州、洛陽、平頂山3市基本穩居前三位，而新鄉、周口和開封3市則居后三位。

b.豫中、豫西水資源“農轉非”程度較高，豫東、豫南、豫北則較低；河南省水資源“農轉非”程度空間等級變化明顯，其中8市有不同程度提升，7市保持穩定，3市則有所下降。

c.從時間效應來看，河南省水資源“農轉非”驅動因素的影響力不同。水資源利用比較效益、GDP、總人口數量、生活和環境用水比例對“農轉非”具有驅動作用，有效灌溉率、農業節灌率則具有約束作用，產業結構變動率、人均GDP、城鎮化發展水平、人均水資源量則具有調節作用。因此，河南省需要持續發展節水農業，加強農業用水管理和改進灌溉技術。

d.河南省水資源“農轉非”驅動因素效應的空間差異顯著。豫西人均水資源量為水資源“農轉非”的約束力，城鎮化發展水平和農業節灌率為驅動力，需通過政策引導等增強節水意識，建設節水型城市；豫北人均GDP為約束力，工業化發展水平和有效灌溉率為驅動力，需通過發展循環經濟，提高產業用水效率，以滿足區域用水需求；豫南有效灌溉率和產業結構變動率為約束力，人均水資源量為驅動力，需強化農業節水技術升級改造，不斷提高節水潛力；豫東GDP和人均GDP為約束力，人口數量為驅動力，需要高質量提升工農業節水技術，全面提升城市節水水平；豫中有效灌溉率和人均水資源量為約束力，水資源利用比較效益則為驅動力，需在保證基本用水的前提下堅持節水優先，開源節流并舉。