基于地理網格的陜西省農業水土資源分區研究

任思卿, 徐儀瑋, 張青峰, 陽曉原

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西安黃河工程建設咨詢有限公司, 西安 710021)

農業水土資源是農業生產的物質基礎，也是保障糧食安全和人類社會高質量發展的重要生產資料。準確評價不同區域農業水土資源的耦合利用程度，不僅有利于人們對耕地資源和水資源的數量、質量及其空間特征、結構、發展變化等有更為清晰的認識，也有助于提升農業水土資源的現實生產力。因此，結合實際利用情況對相關區域的農業水土資源進行系統調查并開展分區研究非常重要。

陜西省是我國西部重要的農業大省，農業發展對全省乃至整個西北地區和全國都具有重要影響。20世紀60年代以來，陜西省的農業區劃研究和實踐大致可分為綜合區劃和專項(專業)區劃兩大類[1-2]，如農業綜合區劃、種植業資源與區劃、生態功能區劃、國土空間規劃(2021—2035年)、水土保持區劃、水功能區劃、土地資源區劃、土地利用區劃、主要農作物生態區劃等[3-5]。綜合而言，以往區劃多將地域特征與功能相結合、自然環境特征與人類活動相結合[6-7]，旨在為區域資源開發、利用與保護提供決策依據，它們在特定的歷史時期發揮了重要作用。水資源和土地資源作為限制農業發展的兩個最關鍵因子，其綜合作用或耦合效應對農業生產的影響往往高于單個因子影響。然而，目前對于水土資源的區劃研究多考慮單個因子，很少將兩者有機地結合起來進行綜合分析，因而無法明確農業水土資源的匹配程度及其開發利用潛力[8-9]。另外，以往區劃研究方法多以縣域、小流域為分區單元并采用定性和半定量方法劃分邊界[10-11]，采用高度定量化(如地理網格)方法開展的研究一直比較缺乏，因而難以精準識別各個分區的邊界，為精確配置和優化農業水土資源布設造成障礙。

陜西省位于我國西北地區，地理位置105°29′—111°15′E，31°42′—39°35′N，總面積約20.56萬km2，橫跨亞熱帶、暖溫帶、中溫帶3個氣候帶，從北到南依次被分為陜北黃土高原、關中平原、陜南土石山區3個大的地貌單元；其氣候條件、土壤狀況、農田水利設施建設情況、區域發展水平各異，農業水土資源利用情況各有不同。陜西省多年平均降水量為676 mm，年平均日照時數2 542.8 h[12]，年平均無霜期248 d；人均耕地面積0.1 hm2/人遠低于世界平均水平0.25 hm2/人，人均水資源占有量1 280 m3/人也遠低于全國平均水平2 200 m3/人和世界平均水平9 000 m3/人，耕地資源和水資源時空分布嚴重不均，農業生產效率較低[13]，農業灌溉用水效率低[14]，土地資源和水土資源如不能合理、充分利用，將會對陜西省的農業發展造成嚴重制約。鑒于此，本研究采用地理網格法對陜西省109個縣域的水土資源數據進行統計，并運用主成分分析與聚類分析方法，對陜西省不同地區的農業水土資源進行比較和區域劃分。

1 研究方法

1.1 指標體系的確定

一個地區的農業資源利用情況不僅與當地的自然條件有關，也與人為因素(如農業政策影響土地開發利用方式、農業技術水平影響水資源利用效率、灌溉情況優劣)相關。自然條件往往在大尺度上差異明顯，但在較小尺度區域差異較小；人為因素則在較小尺度區域有更加明顯的差異。以往的農業分區研究范圍尺度較為單一，且多針對單因素進行，在大中尺度上兼顧水土因子的分區研究較少。因此，采取大、中尺度嵌套方式，自然和人為因素相結合，兼顧農業水資源和土地資源的分區指標體系，去辨識相關地區的農業水土資源利用程度會更加合理，其結果或可反映在農業水土資源系統地域空間分異特征的同時，明確揭示農業水土資源利用現狀及其在時空上適宜匹配的量比關系。參考張青峰、耿慶玲等所建立的區域農業水土資源利用分區指標體系[15-16]，確定本研究所采用的大、中尺度嵌套的陜西省農業水土資源分區指標體系，見表1。

1.2 分區指標的信度檢驗

對陜西省109個縣域行政單元(縣、市區、示范區等)的指標值進行信度檢驗。其中，將一級分區中的逆向指標“干燥度”用倒數法正向化[17]，使指標趨勢相同，該指標值越高說明水土資源及其利用條件越好。信度檢驗結果用克朗巴哈系數α表示；α越高，表明指標設置的信度越好[18]。克朗巴哈α系數公式為：

式中：k表示縣級行政區數目；Si表示第i個指標的方差；Sx表示指標總方差。

分區指標的信度檢驗結果見表2。縣域數據中的一級分區指標α值較低，僅為0.202；但在數據標準化后，α值達到0.717。縣域數據的二級分區指標α值在標準化前后分別為0.798，0.791，表明該指標信度良好。因此，本文采用標準化后的數據進行各農業區的劃分。

表2 分區指標的可靠性

1.3 分區單元的確定

1.4 數據來源與預處理

本研究的所有氣候數據和水土資源數據均來源于近幾年的陜西統計年鑒、陜西省各市統計年鑒和各市水資源公報，分區指標使用其中的統計指標或由它們計算得到；縣域行政邊界矢量數據來源于地理國情監測云平臺；海拔采用ASTER GDEM 30 M數字高程模型(DEM)數據。

采用面積加權方法將數據標準化后的矢量行政區數據轉換為網格單元的屬性數據時，根據地理學第一定律，對缺失的個別數據進行數據插值補全[19]，插值方法見表1。對于DEM和其他柵格數據，采用網格單元相關統計數據的均值。

1.5 分區方法

首先建立覆蓋陜西省行政區邊界的網格單元，計算縣級行政區的幾何中心點(帶有縣區名稱)；按地名查詢幾何中心點，把指標數據表附著到幾何中心點；然后使用表1中的方法進行插值，由帶屬性的幾何中心點得到相應的柵格數據；將柵格數據對應到網格單元上，獲得所在位置的指標信息，構成網格單元的數據表，即36 903×6的網格數據矩陣。然后，通過聚類分析確定分區數目，作為主要的邊界參考，在ArcGIS軟件中進行圖斑劃分。此后，結合大尺度地貌格局和行政規劃邊界，根據區域共軛原則按主要類型區進行網格單元合并，劃分出農業水土資源一級分區，并依據同樣方法繼續對每個一級區進行亞區的劃分。分區的具體步驟見圖1，其中的K-均值聚類為無需訓練樣本的非監督聚類方法[20]，其聚類數目和迭代次數可設置調整，已被廣泛用于農業自然資源狀況分區。按照以上步驟獲得的各個分區，既有較明晰的識別邊界，又能最大限度保持與相關行政邊界的統一。

圖1 農業水土資源利用分區步驟

2 結果與分析

2.1 一級分區

2.1.1 指標標準化與相關性檢驗 為了排除量綱不一致對主成分分析結果的影響，并保持較高的指標信度，本研究對網格單元數據進行標準化時，采用如下公式：

由于各指標的相關關系尚未明確，本研究采用目前最為常用的KMO和Bartlett球度檢驗，來檢驗同級別指標間的相關關系。其中，KMO統計量用于檢驗多個指標之間的信息重疊，該值越接近1，表明指標相關性越強。Bartlett球度檢驗用于檢驗相關陣中各指標間的相關性，判斷各指標是否相互獨立[21]；若Bartlett球度檢驗p<0.05，則各指標相關性強，表明原有指標越適合用主成分分析進行降維，然后利用所獲主成分進行分區。

指標相關性檢驗結果見表3。其中，KMO值均大于0.6，Bartlett球度檢驗p<0.01，拒絕指標相互獨立原假設，且標準化處理對于相關性檢驗結果沒有影響。

表3 分區指標相關性檢驗

2.1.2 主成分分析與聚類分析 將36 903×6的網格數據進行主成分分析，結果見表4。

表4 一級主成分方差貢獻率

前3個主成分的累計方差貢獻率達到91.196%，表明前3個主成分保留了絕大多數信息。求解主成分的過程是根據成分矩陣和特征值，計算各主成分表達式，公式如下:

且

式中：bij是成分矩陣的元素；λi是初始特征值。將網格單元的標準化指標值與6×3的系數矩陣對應相乘得到36 903×3的主成分矩陣，進而進行聚類分析。

用SPSS 26.0進行K-均值聚類分析。聚類數的步長增量為1，從2類開始，隨著所劃分出的聚類區逐漸增多，則單個聚類區面積逐步減小；最終所有聚類區的面積將會小于一級區的面積尺度下限(1萬km2)。此時，參考地貌類型和氣候條件[22-23]，觀察所得聚類區邊界與風沙過渡區、黃土高原區、關中平原區、秦巴山地的地貌分布類型符合程度，并能體現網格單元所屬縣域的總體特征。同時，在分區邊界的辨識時，以聚類邊界最接近行政區邊界為原則，并采用各縣域原始數據組間檢驗的結果作為對照。結果表明，組間檢驗方差分析的F值為13 869.079，p<0.01，表明一級分區各區之間的差異顯著，分區數目合理。因此，最終確定聚類區數目為5，即陜西省農業水土資源可被劃分為5個一級分區。

2.1.3 一級分區及其主要特征 根據主成分分析與聚類分析所獲的陜西省農業水土資源5個一級分區，從南至北依次為：Ⅰ南部濕潤氣候農業水資源利用良好區；Ⅱ中部半濕潤氣候農業水土資源利用充分區；Ⅲ中東及中西半濕潤氣候農業水土資源利用均衡區；Ⅳ西南部半濕潤氣候農水利用充分農地利用緊張區；Ⅴ北部半干旱氣候農業水土資源利用緊張區(圖2)。各分區的耕地指數、水資源指數差異明顯，并與當地的氣候條件(年平均降水量、年平均溫度、干燥度、有效積溫等)密切相關，自然環境條件較好的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區耕地指數高于Ⅳ，Ⅴ區(表5)。

表5 陜西省一級分區主要特征

圖2 農業水土資源利用一級分區

2.2 二級分區

2.2.1 指標標準化與相關性檢驗 在一級分區基礎上，分別構建二級分區網格數據矩陣，采用與一級分區相同的方法進行數據標準化并進行相關性檢驗。結果表明，KMO值分別為0.54，0.51，0.59，0.52，0.43，且Bartlett球度檢驗p<0.01，表明每個一級區內的原有指標相關性強，適合用主成分分析進行降維，并采用新獲的各主成分進行聚類分區。

2.2.2 二級亞區劃分 二級亞區分區的6個指標標準化數據主成分分析結果見表6。結果表明，前4個主成分累計方差貢獻率均大于85.88%。用SPSS 26.0軟件，根據這4個主成分進行K-均值聚類，并對聚類結果進行組間檢驗，表7的結果表明Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ區被分別分為4，4，3，3，3個二級亞區時，每個一級區內的二級亞區差異水平已達到極顯著(p<0.01)，分區數目合理。這17個二級亞區的具體名稱及分布格局見圖3。在每個一級區內，都出現二級亞區面積大小不均衡現象(以Ⅱ，Ⅲ區尤為明顯)，且不同亞區在復種指數及糧食播種面積比例方面具有較明顯差異(圖3，表8)。

表6 各二級分區的指標主成分方差貢獻率

表7 二級分區組間檢驗

表8 各亞區基本特征表

圖3 農業水土資源利用二級分區

3 討論與結論

本研究結合陜西省不同地區的自然因素和人為因素，兼顧農業水資源和土地資源，在大、中尺度上對陜西省農業水土資源進行了調查和區域分區研究。相關結果表明，采用地理網格、主成分分析和聚類分析相結合的方法進行農業水土資源分區具有良好適用性，可為同類研究提供較好的方法參考。雖然本研究中的一級分區和二級亞區劃分結果與行政邊界未能嚴格吻合，但結合大尺度地貌格局和行政規劃邊界，根據區域共軛原則對主要類型區進行網格單元合并，可以使各(亞)區的邊界劃分在符合實際情況的同時，也具有更好的可操作性。將本研究和鄭景云等[23]2010年的中國氣候區劃新方案，黃姣等[24]的中國綜合自然區劃進行對比，與已有綜合自然地理區劃的異同點是：

(1) 分區目的和指標選取。綜合自然地理區劃面向植被的生長環境，把氣候作為主要因子，選取的指標均影響或反映植物的生存狀況。綜合自然地理區劃采用溫度帶、干濕區、自然區三級分區系統。系統中溫度帶劃分選取氣溫和積溫作為指標，反映植物生長環境的差異；干濕區劃分選取指標為干燥度、年降水量，反映水分收支的平衡程度、區分水分來源；自然區劃分選取凈初級生產力、海拔高度作為指標，反映植物生長狀況差異、地形差異。本研究面向水資源和土地資源的優劣、兩者的匹配程度、人類對資源的利用是否充分展開區域劃分。分區系統分為兩級，一級分區考慮氣候、耕地和水資源，反映農業水土資源系統的地域空間分異特征；二級分區考慮農業生產因子，反映農業土地資源利用、水資源利用現狀以及農業生產成效，偏向反映資源利用情況，可以根據結論結合其他區劃因子繼續研究，對陜西省農業生產提供改進優化的指導建議。

(2) 綜合自然地理區劃的邊界形態和行政區界限完全不重合，主要劃分成不同的溫度干濕氣候區，在陜西所在區域大致劃分為秦巴山地區、汾渭平原區、黃土高原南部區(暖溫帶半濕潤)、黃土高原東部區、黃土高原西部區(中溫帶半干旱)等區域，按照從南到北的方向分布。本研究中劃分的區域與農業生產相關，按照由南到北的方向分布，同時東西方向的差異也有所體現，例如，一級分區的Ⅰ區、Ⅳ區、Ⅴ區呈東西方向分布，亞區劃分和行政區部分重合，分區的差異反映了陜西省土地資源利用不夠充分，需要再充分開發利用，部分地區水資源條件良好但利用不足，部分地區水資源不充足，利用緊張，很少有區域的水資源和土資源利用都良好的現狀。在農業生產中需要注意充分利用土地資源并且加強對水資源的開發利用，并且提高利用效率，減少流失和浪費。由于少部分地區的數據信息缺失，本研究在將點狀的縣域數據轉化為連續的面狀柵格數據時，采用了沒有障礙的插值方法，對缺失的點狀數據進行了補充，這些插值方法的假設是指標數據在地理位置上的變化是平滑的。但是，由于陜南和關中之間的氣候地域分異較大，實際指標數據的變化難以真正平滑，因此在這種情況下，使用含障礙的插值方法進行分析或許可以獲得更加符合實際的研究結果。本研究在聚類分析時采用了K-均值聚類方法，可以對該方法的初始化進行優化，降低其對初始簇中心值的敏感度，減小偶然因素對聚類結果的影響[25]。但該方法未考慮研究區域內網格間的地理位置關系，只是將所采用的指標值用于運算分析，這對聚類結果及區域劃分結果可能會有所影響。類似研究將來可考慮在采用K-均值聚類方法時，同時采用與地理空間位置相關的SOFM聚類算法，或在快速處理聚類數目待定的大量地理空間數據時使用網格增長聚類算法[26]，或可獲得更合理的研究結果。

本研究基于農業水土資源的自然稟賦和人為利用情況建立嵌套分區指標體系，運用地理網格、主成分分析以及聚類分析方法，對陜西省109個縣域的農業水土資源利用現狀進行了調查和區劃。結果表明，陜西省農業水土資源可被劃分為5個一級區和17個亞區；一級分區總體差異明顯；Ⅰ區水熱充足，水資源利用情況最好，耕地利用情況中等；Ⅱ區水熱條件良好，耕地利用情況很好；Ⅲ區水熱條件一般，水資源利用情況良好，耕地利用情況中等；Ⅳ區氣候濕潤，水資源利用情況很好，但是耕地利用較不充分；Ⅴ區低溫干燥，水資源較短缺，耕地利用不佳，耕地資源緊張。各區域難以達到水資源和土資源利用都良好的狀態。亞區圖斑多集中在陜西中部地區，這主要與該區域的農業水土資源利用差異明顯、利用強度較大相關。本研究的分區結果比較精準地揭示了陜西省農業水資源和土地資源實際利用情況，明晰了陜西省農業水資源和土地資源的匹配程度和開發利用潛力，為更加有效因地制宜地開發和利用水土資源奠定了良好基礎。