基于GIS的農業水土資源匹配特征分析

范振功

(勝利油田信科海洋勘察測繪有限公司, 山東 東營 257000)

0 引言

水土資源作為農業生產、經濟發展和生態環境的核心資源,與人類的生存息息相關。近年來,由于全球變暖、人口數量激增等問題的出現,水土資源的利用程度不斷加深,由此導致水土資源污染和自然環境的破壞等嚴重問題。水土資源的匹配程度是影響農業可持續發展重要因素之一,同樣對于糧食生產安全有著重要的關系。

農業水土匹配系數能夠反映某一區域農業生產用水與耕地資源是否匹配的量化參數。1998年,Brown L R等[1]提出對中國水資源短缺的關注；2004年,Francisco J等[2]分別以葡萄種植土地利用規劃與水資源建立聯系,并提出水土資源匹配程度的好壞成為農業生產量的高低的決定因素。

目前國內研究水土資源匹配系數主要有兩種方法,一是基尼系數法,二是單位耕地面積擁有的水資源量法[3-8]。吳宇哲和鮑海君借助區域基尼曲線及系數研究了我國省際的水土資源匹配程度[9];劉彥隨等基于水土資源動態變化構建了我國東北地區的農業水土資源匹配分析模型,并對其不同地市的農業水土資源匹配度差異進行了研究[10];張孝存等著重于陜西商洛地區農業水土資源時空匹配上的分析,得出了耕地資源的短缺難以發揮水資源的優勢,并得到該地區水土資源匹配差異較大的結論[11];董艷等同樣利用基尼曲線和系數,重點關注了我國西北旱區農業水土資源匹配程度[12];楊齊祺基于區域基尼曲線,結合單位面積耕地所擁有的水資源總量法,研究了近13年安徽省的農業水土資源匹配格局[13];徐娜等以長時間序列分析為主,研究了17年間甘肅省的流域農業水土資源配置效率[14];薛道義和張亭利用單位耕地面積水資源量法,研究分析了華北地區2014—2018年農業水土資源匹配格局[15]。

本文以山東省為研究對象,在分析自然資源條件與社會經濟狀況的基礎上,結合2010—2020年山東省農業水土資源及相關數據,利用基于洛倫茲曲線的基尼系數、區域水土資源匹配度方法、基于地理信息系統(geographic information system,GIS)的土地利用類型統計法和水土資源空間匹配方法,較為全面地分析了山東省農業水土資源匹配格局。

1 研究區及數據源

山東省經緯度范圍為北緯34.382 °～38.400 °,東經114.792 °～122.705 °,與河北省、安徽省、江蘇省和河南省陸上接壤,地處中國東部沿海,山東省陸域面積接近155 800 km2。山東省地形以山地丘陵為主,西部和北部為華北平原,也是山東省的主要產糧區,東部為低矮的丘陵,中南部屬于泰山山脈;山東省內主要河流屬于五大水系,包括淮河、小清河、海河、黃河和膠東;在氣候上,山東省在暖溫帶季風氣候范圍內,四季分明,雨熱同期。

本文中耕地面積、有效灌溉面積等土地資源數據來源于《山東省統計年鑒》(2011—2021年),水資源總量、農業用水量等水資源數據來源于《山東省統計年鑒》(2011—2021年)和《山東省水資源公報》(2010—2020年);2010、2013、2015、2018和2020年山東省土地利用數據由中國科學院資源環境科學與數據中心提供的中國土地利用現狀遙感監測數據轉換得到。

2 基于GIS的農業水土資源時空匹配特征分析

2.1 基尼系數變化特征

2.1.1基尼系數構建方法

基尼系數常用來衡量一個地區或國家居民收入的差異程度,測算時將人口按收入水平分級后構建基尼曲線求得[9]。常見的有收入基尼系數、財富基尼系數及區域資源基尼系數對于研究區域資源的匹配問題,結合資源的空間分布特性,其區域基尼曲線構建方式如下：

(1)首先需要計算的是單位體積水資源所需服務的耕地面積,對于本研究來說,就是分別計算出山東省的17個市(2019年后為16個)的值,然后從低到高進行排序。

(2)其次是統計水資源和耕地資源的相關數據,包括各自占比,本文則是統計17個市(2019年后為16個)的數據。

(3)接著計算的是水土資源占比的累積總和。本例中應依次計算出17個市(2019年后為16個)的數據。在這里,作為示例,將研究區域分為4個區域：①第一個區域擁有權重為0.1的水資源和0.3的耕地資源,第二到第四個區域水資源分別占比0.2、0.4和0.3,耕地資源分別占比0.2、0.3和0.2；②按單位體積水資源所需服務的耕地面積從低到高對區域進行排序,依次為第四區域、第三區域、第二區域和第一區域,同時計算各自水土資源累積比例；③第四到第一個區域水資源累積分別是0.3、0.7、0.9和1,耕地資源累積分別為0.2、0.5、0.7和1。即可得到區域基尼曲線如圖1所示,灰色部分由區域基尼曲線與45°線構成。

(4)最后需要說明的是,洛倫茲曲線與45°線所夾區域的面積的2倍即為基尼系數(G),此值應大于0小于1,值越小,說明水土資源匹配程度越好;反之,水土資源匹配程度越差。

圖1 區域基尼曲線示意圖

2.1.2基尼系數動態變化分析

圖2和圖3展示了2010—2020年山東省基尼系數的變化趨勢,由圖2和圖3可知,從2010年的0.232 6開始到2013年的0.341 8,山東省基尼系數呈現逐年上升的態勢,說明在此四年內,山東省水土資源匹配度逐年變差;2013—2015年三年間,山東省基尼系數由2013年的0.341 8下降到0.267 8,表明水土資源匹配度呈現變優態勢;從2015年開始,山東省基尼系數一直增大,從2015年的0.267 8上升到2017年的0.358 2,水土資源匹配度變差;2018年,山東省基尼系數較2017年數值低,為0.298 4,但之后的2019年、2020年,基尼系數呈現上升趨勢,表明山東省水土資源匹配度逐年變差。

由于受到2018年的臺風及強降雨影響,山東省在該年份降雨量驟增,基尼系數都達到了較小值,隨著連續幾年的降水減少,水資源總量變少,雖然山東省于2018年開始實施《山東省水資源條例》,仍然出現了基尼系數升高的狀態,這意味著水土資源的分配在部分地市出現不合理的現象。

(a)2010年

圖3 2010—2020年山東省基尼系數變化趨勢

2.2 水土資源匹配系數變化特征

2.2.1農業水土資源匹配系數測算方法

農業水土資源匹配程度的衡量方法主要是計算單位耕地面積的農業用水占有量的農業水土資源匹配系數法。農業水土資源匹配系數是某一區域農業生產所占有的水資源與耕地資源在空間上匹配的量比指標[11]。系數越大,說明該地區水資源滿足耕地資源的程度就越高,水土資源分布越合理,農業生產基本條件就越好;反之,系數越小,表明水資源滿足耕地資源的程度就越低,水土資源分布越失衡[11]。該系數的計算模型如式(1)所示[16]。

(1)

式中,Ri表示山東省i市的農業水土資源匹配系數,單位為萬 m3/hm2;Wi代表山東省i市的水資源可利用總量,單位為萬 m3;αi表示山東省i市的農業用水量占總用水量的比例;Li表示山東省i市的耕地面積,單位為萬 hm2。

2.2.2 農業水土資源匹配系數動態變化分析

表1展示了2010—2020年山東省各市及全省水土資源匹配系數。由表1可知,山東省2010—2020年的平均水土資源匹配系數為0.30萬m3/hm2,低于全國平均水平為0.56萬 m3/hm2,山東省水土資源匹配系數僅為全國的53%,李曉燕等[18]計算的2007—2016年山東省平均水土資源匹配系數為0.21萬 m3/hm2,低于本研究的結果,說明近年來的水土資源匹配度呈現良好的態勢。

圖4給出了2010—2020年山東省平均水土資源匹配系數變化趨勢。結合表1和圖4,從整體上看,山東省平均水土資源匹配系數變化趨勢與水資源總量的變化趨勢相近,呈現先下降后上升的趨勢,分為從2010年開始到2014年的下降階段和2014—2020年的上升階段。下降階段中,從2011年的0.41萬 m3/hm2下降到2012年的0.33萬 m3/hm2,以及從2013年的0.35萬 m3/hm2驟降到2014年的0.17萬 m3/hm2,說明這五年間,山東省的水資源滿足耕地資源的程度變低,水土資源分布不合理,農業生產基本條件不足。上升階段中,從2014年的0.17萬 m3/hm2上升到2018年的0.35萬 m3/hm2,以及從2019年的0.20萬 m3/hm2驟增至2020年的0.43萬 m3/hm2,說明這六年間,山東省的水資源滿足耕地資源的程度逐漸升高,水土資源分布愈發合理,農業生產基本條件基本充足。

表1 2010—2020年山東省水土資源匹配系數 單位：萬m3/hm2

圖4 2010—2020年山東省平均水土資源匹配系數變化趨勢

圖5 山東省各市2010—2020年平均水土資源匹配系數變化趨勢

圖5展示了山東省各市2010—2020年平均水土資源匹配系數變化趨勢。結合表1和圖5,從研究時段山東省各個地市的水土資源匹配系數來看,臨沂市以平均水土資源匹配系數0.66萬m3/hm2占據首位,日照市、萊蕪市、淄博市、煙臺市和威海市的平均水土資源匹配系數均超過山東省平均水土資源匹配系數0.30萬 m3/hm2,水土資源分布較為合理;青島市、東營市和聊城市的平均水土資源匹配系數較低,分別為0.10萬 m3/hm2、0.18萬 m3/hm2和0.19萬 m3/hm2,均低于0.20萬 m3/hm2。從2010年開始,青島市的農業水土匹配系數不斷減小,最低時僅為0.02萬 m3/hm2,究其原因,主要有以下幾點:①2010—2020年,青島市的耕地面積呈現增加的趨勢,僅靠地表水,無法支撐農業的生產;②青島市作為山東省副省級城市之一,近年來大力發展第二產業和第三產業,城鎮化進程加快,人口不斷增加,生活用水量逐年增加,從而壓縮了農業用水,農業用水需求和供給矛盾愈發突出。

2.3 水土資源匹配空間變化

根據中國科學院資源環境科學與數據中心發布的2010、2013、2015、2018和2020年山東省土地利用現狀遙感監測數據,結合現有資料,利用ArcGIS軟件對其進行矢量處理,包括顏色設置、合并、各類土地面積統計及制圖輸出。

山東省耕地主要分布在魯西地區、魯北地區、魯西南地區、魯東部分地區、膠州半島部分地區,其中魯南地區得益于省內面積最大的淡水湖群——昭陽湖、獨山湖、南陽湖、微山湖而存在部分水田,魯北地區由于地處黃河入海口,因此也存在較少水田;山東省水域主要以貫穿魯西北地區、魯北地區的黃河以及魯南地區淡水湖群為主,魯西濟寧市分布有東平湖,膠東半島南部沿海也有水域分布。

通過ArcGIS中的屬性查找提取出耕地(包括水田和早地)、水域要素,在通過要素的導出以及坐標系投影(選用CGCS2000坐標系),再利用屬性表中的計算幾何更改字段單位,便可通過統計分別算出2010、2013、2015、2018和2020年五年中山東省耕地面積及水域面積,統計在表2中。

由表2可知,2010—2020年,山東省耕地面積呈現先下降后增加的態勢,從2010年開始,耕地面積一直減少,從101 999.039 km2下降到2018年的100 489.636 km2,下降幅度為1.48%,從2018年開始,耕地面積開始增加,增長到2020年的101 402.693 km2,增幅為0.90%;與耕地面積變化不同,山東省水域面積呈現先增大后降低再增大的趨勢,2010年與2015年的水域面積相差不大,但2013年的水域面積增長較大,為10 341.022 km2,比2010年增長了3 675.360 km2,增長幅度較大,2015—2020年,水域面積與耕地面積趨勢相近,呈現上升的態勢。從空間變化上來看,說明近年來山東省農業水土資源匹配度向良好的態勢發展,水土資源分布愈發合理。

表2 2010、2013、2015、2018和2020年山東省耕地與水域面積統計 單位：km2

3 討論

山東省作為我國重要的農業大省,其農業生產能力對我國的糧食安全及人民生活有著重要影響。農業生產中的水土資源匹配及合理程度決定了基本的農業生產條件,隨著城鎮化進程的加快,山東省耕地面積也在逐年減少,但水域面積有所增加,農業水土資源匹配程度較為合理。

然而各地級市農業水土資源匹配程度卻表現出較大的差異性,青島市和東營市的農業水土資源匹配度不合理的原因分別表現在兩方面：城鎮化和農業條件。城鎮化造成的農業水土資源不匹配在上文已闡述,而農業條件作為先天條件,例如，鹽漬化土地,進一步制約著農業的生產能力。通過建設水利工程,跨季節儲水、跨流域調水的方式可以解決農業用水問題,同時因地制宜,開展高效、科學的農業灌溉方法也能為提高農業水土資源匹配度和農業生產能力提供有效的支撐。

4 結束語

本研究以山東省作為研究區域,基于山東省2010—2020年的農業水土資源數據,同時結合中科院資源環境科學與數據中心提供的2010—2020年該省土地利用現狀遙感監測數據資料,利用基于洛倫茲曲線的基尼系數、區域水土資源匹配度方法、基于GIS的土地利用類型統計和水土資源空間匹配,較為全面地分析了山東省農業水土資源匹配特征,主要結果如下：

(1)基于洛倫茲曲線的基尼系數法體現在山東省農業水土資源中的作用表明，2015—2020年,山東省農業水土資源的分配在部分地市存在不合理的現象。

(2)基于區域水土資源匹配度來看,2010—2014年,山東省的水資源滿足耕地資源的程度變低,水土資源分布不合理,農業生產基本條件不足,而2015年之后,水資源滿足耕地資源的程度逐漸升高,水土資源分布愈發合理,農業生產基本條件基本充足;但部分地市,如青島市,水土資源分布極不合理,水資源的供給量不能滿足耕地資源對應的農業生產的需求量。

(3)從空間變化上來看,山東省水土資源分布呈現魯西北優于魯東的現象。

總體上看,山東省農業水土資源匹配度向良好的態勢發展,平均水土資源匹配度為0.30萬 m3/hm2,仍低于全國平均水平。