基于水資源可利用量的我國(guó)水土資源匹配狀況分析

唱 彤，李云玲

（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120）

0 引 言1

【研究意義】受資源環(huán)境本底限制和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展占用土地資源等情況影響，水土資源不盡匹配的狀況在我國(guó)一直存在，糧食安全面臨挑戰(zhàn)。客觀分析水土資源空間分布差異以及匹配狀況，有利于科學(xué)合理指導(dǎo)水土資源開發(fā)，持續(xù)優(yōu)化我國(guó)水土資源配置與利用效率。【研究進(jìn)展】吳宇哲等[1]最早將基尼系數(shù)（Gini Coefficient）引入水土資源匹配研究中，通過基尼系數(shù)表達(dá)我國(guó)水資源與耕地資源的匹配程度，并與世界其他地區(qū)水土資源匹配狀況進(jìn)行對(duì)比分析；姜秋香等[2]、韓雁等[3]、彭立等[4]通過基尼系數(shù)揭示區(qū)域水資源與人口、耕地和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等要素的空間匹配特征；南紀(jì)琴等[5]、文倩等[6]通過單位耕地面積水資源量構(gòu)建水土資源匹配模型并分析區(qū)域水土資源空間匹配格局，孫偵等[7]在分析水資源與潛在耕地資源空間匹配基礎(chǔ)上通過基尼系數(shù)對(duì)我國(guó)水土資源匹配本底狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)；魏壽煜等[8]、孫才志等[9]、左其亭等[10]分別對(duì)區(qū)域水資源空間匹配、灰水足跡空間與結(jié)構(gòu)均衡、水資源空間均衡理論應(yīng)用和量化方法進(jìn)行了分析討論。高蕓等[11]采用基尼系數(shù)、廣義農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)和變異系數(shù)等，分析黃河流域水土資源匹配狀況。楊亞峰等[12]基于可變集與偏聯(lián)系數(shù)方法，以基尼系數(shù)為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)我國(guó)水資源空間均衡狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。已有研究成果通過區(qū)域水資源狀況與耕地面積、人口經(jīng)濟(jì)等要素的基尼系數(shù)，對(duì)水資源與其他要素的空間匹配程度進(jìn)行了很好的描述。

【切入點(diǎn)】以往研究中，常會(huì)忽略區(qū)域水資源[13]中不能為人們所用的部分，包括難以利用的洪水、維持河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)功能和保持一定地下水合理水位所需的水量等[14]，從土地資源看，一些研究成果并未考慮我國(guó)耕地資源中面積超過半數(shù)且一般無需灌溉的雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)。因此，本文從承載經(jīng)濟(jì)社會(huì)的水資源可利用量和灌溉耕地角度，揭示我國(guó)水土資源匹配狀況。【擬解決的關(guān)鍵問題】以水資源可利用量表征可供河道外經(jīng)濟(jì)社會(huì)利用水量，以水田和水澆地表征灌溉耕地面積，通過基尼系數(shù)揭示可利用水資源與灌溉耕地整體匹配狀況及變化趨勢(shì)，以各省區(qū)可利用水資源與灌溉耕地資源匹配相對(duì)系數(shù)反映我國(guó)水土資源匹配時(shí)空分布格局與演變趨勢(shì)，為以水定地和水土資源空間均衡發(fā)展政策制定以及實(shí)行差異化管控提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用土地調(diào)查成果共享應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)（https://tddc.mnr.gov.cn/to_Login?loginType=2）中2009、2012、2016 年全國(guó)土地調(diào)查成果和第3 次全國(guó)國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)成果，得到2009、2012、2016、2019 年各省區(qū)水田、水澆地和旱地面積。多年平均水資源可利用量和水資源量來自第3 次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)相關(guān)成果。耕地灌溉耗水量和耗水總量來自2009、2012、2016、2019 年《中國(guó)水資源公報(bào)》。土地調(diào)查數(shù)據(jù)和水資源相關(guān)數(shù)據(jù)均不包括港澳臺(tái)地區(qū)。

1.2 基于水資源可利用量的水土資源匹配評(píng)價(jià)方法

1.2.1 單位面積灌溉耕地水資源可利用量計(jì)算

根據(jù)我國(guó)原國(guó)土資源部2001 年印發(fā)的《全國(guó)土地分類（試行）》以及宋偉[15]有關(guān)土地結(jié)構(gòu)的研究，2007 年水田中不需要灌溉的望天田占耕地面積比例為3.4%，且呈減少趨勢(shì)。綜合考慮現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017）中耕地分類、望天田比例以及數(shù)據(jù)可獲取性，認(rèn)為灌溉耕地由水田和水澆地組成。

水資源可利用量是從資源開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)描述流域可能被控制消耗利用的最大水資源量[16]，具有耗水屬性。采用地表水資源可利用量與平原區(qū)淺層地下水資源可開采量相加再扣除二者之間重復(fù)量的方法計(jì)算，重復(fù)量主要來自平原區(qū)淺層地下水資源量評(píng)價(jià)中的地表水體補(bǔ)給量。其中，地表水資源可利用量為多年平均地表水資源量扣除河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量后的水量；平原區(qū)淺層地下水資源可開采量是在保護(hù)生態(tài)環(huán)境和地下水資源可持續(xù)利用的前提下，通過經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施，在近期下墊面條件下可從含水層中獲取的最大水資源量，通過水均衡法和可開采系數(shù)法計(jì)算得到。水資源可利用量具有動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，隨水資源量變化而變化，為反映多年平均水平，采用第3 次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)中水資源二級(jí)區(qū)1956—2016 年系列多年平均水資源可利用量成果，通過面積加權(quán)折算到省區(qū)，省區(qū)不同年份灌溉耕地消耗水量比例由各省區(qū)耕地灌溉耗水量與耗水總量相除得到，各省區(qū)單位面積灌溉耕地?fù)碛兴Y源可利用量計(jì)算式為：

式中：Rij為第i個(gè)省區(qū)第j年單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量（m3/hm2）；Wij為第i個(gè)省區(qū)第j年水資源可利用量（萬m3）；Sij為第i個(gè)省區(qū)第j年灌溉耕地面積（萬hm2）；αij為第i個(gè)省區(qū)第j年灌溉耕地消耗水量比例；n為省區(qū)數(shù)量，n=31。

1.2.2 區(qū)域水土資源匹配基尼系數(shù)計(jì)算

基尼系數(shù)（G）最初是用于衡量經(jīng)濟(jì)失衡、收入分配或財(cái)富人口分布狀況等的指標(biāo)，通過將人口按收入水平由低到高排序，求得人口累計(jì)比例和收入累計(jì)比例后構(gòu)建洛倫茲曲線L（X）。洛倫茲曲線與絕對(duì)平均線之間的面積為基尼系數(shù)，取值在0～1 之間，曲線弧度越小且越趨向于絕對(duì)平均線，基尼系數(shù)越小，表明收入分配越趨向平等；曲線弧度越大，基尼系數(shù)越大，收入分配差距越大。基尼系數(shù)表征均勻狀況等級(jí)[5,9-10]如表1 所示。

表1 基尼系數(shù)與匹配狀況評(píng)價(jià)等級(jí)Table 1 Gini Coefficient and matching status level

將各省區(qū)灌溉耕地水資源可利用量進(jìn)行從小到大排序，以排序累積比例作為橫坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)灌溉耕地面積累計(jì)比例作為縱坐標(biāo)，由洛倫茲曲線擬合后，計(jì)算得到基于灌溉耕地水資源可利用量的基尼系數(shù)，計(jì)算式為：

1.2.3 水土資源匹配相對(duì)系數(shù)

水土資源匹配相對(duì)系數(shù)可描述區(qū)域水資源可利用量與灌溉耕地協(xié)調(diào)匹配狀況，反映不同省區(qū)匹配關(guān)系的空間差異，計(jì)算式為：

式中：ˉ為第i個(gè)省區(qū)第j年水土資源匹配相對(duì)系數(shù)；wij為第i個(gè)省區(qū)第j年灌溉耕地?fù)碛兴Y源可利用量占全國(guó)比例（%）；sij為第i個(gè)省區(qū)第j年灌溉耕地面積占全國(guó)比例（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 我國(guó)主要省區(qū)耕地?cái)?shù)量和結(jié)構(gòu)變化情況

2009、2019 年各省區(qū)耕地結(jié)構(gòu)見圖1。由圖1 可知，2019 年我國(guó)主要省區(qū)耕地面積12 786.2 萬hm2，主要分布在東北平原、黃淮海平原、四川盆地以及云南、新疆等地，東南沿海和青藏高原耕地較少。與2009 年相比，全國(guó)耕地面積減少了752.2 萬hm2，東北三省、內(nèi)蒙古和新疆耕地面積呈增加態(tài)勢(shì)，增加面積超過600.0 萬hm2，其余省區(qū)呈減少趨勢(shì)，其中浙江、山東、河南以及除西藏外的西南各省區(qū)面積減少均超過65 萬hm2。

圖1 2009 年和2019 年我國(guó)主要省區(qū)耕地結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of cultivated land in the main province in 2009 and 2019 in China

從耕地結(jié)構(gòu)看，2019 年水田、水澆地、旱地面積占比分別為24.6%、25.1%、50.3%，2009—2019年全國(guó)主要省區(qū)水田面積比例基本維持不變，水澆地面積比例增加了4.4%，旱地面積比例減少了4.6%，局部地區(qū)變化較大。水田面積增加的省區(qū)大多分布在北方地區(qū)，其中黑龍江水田面積增長(zhǎng)近1 倍，占全國(guó)水田面積比例超過15%，南方大部分省區(qū)呈微降趨勢(shì)；水澆地主要分布在河北、內(nèi)蒙古、山東、河南和新疆，占全國(guó)面積的近80%，2009—2019 年面積增加約460 萬hm2，主要集中在內(nèi)蒙古和新疆；旱地面積除吉林、遼寧和新疆出現(xiàn)微增外，其余省區(qū)均呈減少趨勢(shì)，黑龍江、江蘇、四川旱地面積減少均超過85 萬hm2。

2.2 我國(guó)主要省區(qū)水土資源匹配總體狀況及變化分析

圖2 為我國(guó)主要省區(qū)水資源可利用量與灌溉耕地資源洛倫茲曲線。表2 為基于水資源可利用量和水資源量的基尼系數(shù)。由表2 可知，2009—2019 年我國(guó)主要省區(qū)水土資源總體為較不匹配狀況；其中2009年基尼系數(shù)為0.404，處于較不匹配狀態(tài)的初始階段，2009—2016 年基尼系數(shù)緩慢增加至0.423，到2019年基尼系數(shù)迅速增加至0.486，有向嚴(yán)重不匹配的發(fā)展趨勢(shì)。2009 年我國(guó)80%的水資源可利用量服務(wù)了約53%的灌溉耕地資源，到2019 年80%的水資源可利用量服務(wù)的灌溉耕地資源降低至約45%。基于水資源量的基尼系數(shù)總體上處于嚴(yán)重不匹配狀態(tài)，2009—2016 年匹配狀況在0.607 上下波動(dòng)，到2019年基尼系數(shù)增加至0.656。基于水資源可利用量的水土資源匹配狀況整體優(yōu)于基于水資源量的匹配狀況，這是人們?cè)诟刭Y源開發(fā)利用過程中對(duì)區(qū)域水資源條件和行業(yè)用水差異主動(dòng)適應(yīng)的結(jié)果；從年際變化看，局部區(qū)域灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展過快，導(dǎo)致匹配狀況呈下降趨勢(shì)，如黑龍江省水田面積大幅增加，內(nèi)蒙古和新疆水澆地面積增加。

圖2 水資源可利用量與灌溉耕地資源洛倫茲曲線Fig.2 Lorenz curve of available water resources and irrigated cultivated land resources

表2 基于水資源可利用量和水資源量的基尼系數(shù)Table 2 Gini Coefficient based on available water resources and water resources

2.3 我國(guó)主要省區(qū)水土資源匹配空間格局

2019 年各省區(qū)單位耕地灌溉面積擁有水資源可利用量如表3，總體呈南方優(yōu)于北方、沿海較內(nèi)陸豐富的局面。西南地區(qū)和沿海地區(qū)單位灌溉耕地?fù)碛兴Y源可利用量最為豐富，最大值在青海、西藏，與耕地規(guī)模受自然條件限制和當(dāng)?shù)厮Y源豐沛緊密相關(guān)；水資源可利用量由西南和沿海地區(qū)向內(nèi)陸不均勻過度，華北地區(qū)單位灌溉耕地平均擁有水資源可利用量總體較低，僅2 027.3 m3/hm2；東北三省灌溉耕地平均水資源可利用量10 260.0 m3/hm2，但黑龍江明顯偏少，僅為吉林、遼寧的1/2；位于西北地區(qū)的新疆和內(nèi)蒙古灌溉耕地水資源可利用量分別為 3 942.0 m3/hm2和2 287.5 m3/hm2，優(yōu)于華北地區(qū)平均水平；全國(guó)灌溉耕地水資源可利用量最小值出現(xiàn)在寧夏，僅561.0 m3/hm2。部分省區(qū)單位灌溉耕地?fù)碛兴Y源可利用量較小可能由幾方面原因?qū)е拢皇菂^(qū)域節(jié)水水平較高，耗水量較小；二是以擠占生態(tài)用水為代價(jià)發(fā)展灌溉面積；三是存在外區(qū)域調(diào)水。我國(guó)13 個(gè)糧食主產(chǎn)省灌溉耕地平均水資源可利用量7 520.9 m3/hm2。從2009—2019 年變化趨勢(shì)看，大多南方省區(qū)單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量呈增加趨勢(shì)，北方省區(qū)普遍較少，減少比例超過40%的省區(qū)有內(nèi)蒙古、黑龍江、北京等，內(nèi)蒙古單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量減少比例最高，達(dá)57%。糧食主產(chǎn)省單位灌溉耕地?fù)碛兴Y源可利用量略有減少，減少比例為5%。

表3 我國(guó)主要省區(qū)單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量Table 3 Available water resources for irrigated farm land per unit in main province

根據(jù)水土資源空間匹配相對(duì)系數(shù)聚集與離散的分異特征，基于水資源稟賦條件和灌溉耕地分布差異，以自然間斷點(diǎn)分級(jí)法（Jenks Natural breaks）為基礎(chǔ)，綜合考慮專家咨詢意見、相對(duì)系數(shù)的物理含義以及不同區(qū)域?qū)嶋H情況，對(duì)分級(jí)斷點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)，將空間匹配相對(duì)系數(shù)劃分為5 個(gè)等級(jí)，Ⅰ為水資源相對(duì)豐沛（R?>1.2），Ⅱ?yàn)槠ヅ漭^好（0.8

表4 主要省區(qū)水土資源匹配狀況Table 4 Matching status of water and arable land resources of the main province

2009 年全國(guó)水土資源處于不匹配和極不匹配狀態(tài)的省區(qū)有10 個(gè)，為華北各省區(qū)、江蘇、上海、重慶和寧夏。經(jīng)過用水結(jié)構(gòu)和灌溉耕地的發(fā)展演變，2019 年處于不匹配和極不匹配狀態(tài)的省區(qū)增加為11個(gè)，有明顯向北遷移擴(kuò)展的趨勢(shì)，且除江蘇和上海外其余省區(qū)均處于北方地區(qū)。華北六省區(qū)、寧夏、江蘇和上海持續(xù)處于不匹配和極不匹配狀態(tài)；內(nèi)蒙古和新疆從2009 年的較不匹配狀態(tài)演變成2019 年的不匹配和極不匹配狀態(tài)；黑龍江從水資源相對(duì)豐沛下降為匹配較好。2009 年有約35%的灌溉耕地分布在水土資源不匹配和極不匹配省區(qū)，到2019 年這一面積比例超過50%。

3 政策措施

在已有研究[1]中，與基于水資源量與耕地面積的基尼系數(shù)0.556 和基于本底水資源量與潛在可開墾耕地面積的基尼系數(shù)[8]0.712 相比，本文基于水資源量與灌溉耕地面積的基尼系數(shù)介于二者之間。由于本文水資源量指按照農(nóng)田灌溉用水比例計(jì)算的水資源量，耕地口徑也存在差異，匹配結(jié)果劣于水資源與耕地資源的匹配結(jié)果，但優(yōu)于我國(guó)水土資源匹配本底狀況。

2009—2019 年，我國(guó)旱地面積減少995.4 萬hm2，占耕地面積比例從55%下降至約50%。在生態(tài)保護(hù)和糧食安全背景下，科學(xué)發(fā)展雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)是改善水土資源匹配狀態(tài)的重要途徑，也是發(fā)展適水農(nóng)業(yè)的重要組成。應(yīng)緊密圍繞各地實(shí)際情況，選用農(nóng)作物抗旱品種，推行節(jié)水型高效耕作栽培模式，配合輪作復(fù)種、間作套種、合理密植等措施，逐步形成適合旱作區(qū)特點(diǎn)的新型節(jié)水種植模式。

針對(duì)當(dāng)前水土資源匹配狀況為水資源相對(duì)豐沛和匹配較好的區(qū)域，在充分考慮未來行業(yè)間用水結(jié)構(gòu)變化的前提下，分析水資源利用效率和節(jié)水水平，在加強(qiáng)節(jié)水和積極調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模、結(jié)構(gòu)前提下，將現(xiàn)有灌溉耕地空間分布與國(guó)土空間規(guī)劃中的生態(tài)保護(hù)紅線和城市開發(fā)邊界進(jìn)行空間疊圖計(jì)算，考慮地形地貌、降水與積溫、土壤質(zhì)量等自然地理?xiàng)l件，開展后備耕地資源調(diào)查評(píng)價(jià)，通過估算灌溉耕地水資源可利用量綜合判斷灌溉耕地發(fā)展?jié)摿Γ凑铡耙运ǖ亍钡脑瓌t科學(xué)確定發(fā)展規(guī)模，將水土資源匹配保持在原有狀態(tài)。

在水土資源較不匹配、不匹配和極不匹配區(qū)域，分析水資源短缺特征與屬性，根據(jù)水土資源開發(fā)利用和匹配特征，一方面提高現(xiàn)有灌溉耕地節(jié)水水平，通過生物節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水和工程節(jié)水[17]措施，推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水增效；另一方面根據(jù)現(xiàn)有水資源條件，持續(xù)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，發(fā)展以水定農(nóng)業(yè)規(guī)模、以水定種植結(jié)構(gòu)、以水定作物產(chǎn)量的適水農(nóng)業(yè)，遏制并退減灌溉發(fā)展規(guī)模，實(shí)現(xiàn)與區(qū)域可利用水資源和產(chǎn)業(yè)發(fā)展相適應(yīng)相協(xié)調(diào)，提高水土資源匹配度。

改善水土資源匹配狀況還需要統(tǒng)籌考慮由于糧食調(diào)入調(diào)出帶來的虛擬水在區(qū)域間的流動(dòng)，加強(qiáng)重點(diǎn)農(nóng)產(chǎn)品發(fā)展區(qū)特別是糧食主產(chǎn)區(qū)水安全保障，按照“確有必要、生態(tài)安全、可以持續(xù)”的原則，通過完善引調(diào)水工程、水源工程和區(qū)域供水工程等水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快區(qū)域間水資源均衡高效配置，加強(qiáng)水資源用途管控，提高區(qū)域水資源承載能力和水土資源匹配狀況。“以水四定”是落實(shí)水資源剛性約束制度、加強(qiáng)水資源節(jié)約集約利用的重要原則。通過計(jì)算單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量，在評(píng)價(jià)水土資源空間均衡狀況及時(shí)空演變的同時(shí)，從水資源對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展承載角度揭示了水土資源的匹配程度，單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量可為“以水定地”和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐，為制定農(nóng)業(yè)發(fā)展宏觀戰(zhàn)略、改善水土資源空間匹配狀況以及實(shí)行分區(qū)域差異化管控提供科學(xué)參考。

4 結(jié) 論

1）2009—2019 年我國(guó)主要省區(qū)耕地面積總體減少約6%，各省區(qū)間差異較大，東北三省、內(nèi)蒙古和新疆耕地面積合計(jì)增加約15%，其余省區(qū)呈不同程度減少。從耕地結(jié)構(gòu)看，水田面積占比基本維持不變，約4%的耕地面積由旱地轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂驳亍９喔雀孛娣e增加約240 萬hm2，東北和西北地區(qū)部分省區(qū)增加顯著，其中內(nèi)蒙古和黑龍江灌溉耕地面積增加近1 倍，新疆增加近40%。

2）當(dāng)前我國(guó)主要省區(qū)水土資源匹配總體狀況為較不匹配，且向嚴(yán)重不匹配的狀況發(fā)展。主要省區(qū)間水土資源空間分布差異顯著，西南和沿海地區(qū)單位灌溉耕地?fù)碛兴Y源可利用量最為豐富，由西南和沿海地區(qū)向內(nèi)陸呈不均勻過度，最大值分布在青海、西藏，華北平原、內(nèi)蒙古和新疆等地處于較低水平，為2 000～4 000 m3/hm2，最小值在寧夏。2009—2019 年，北方省區(qū)單位灌溉耕地?fù)碛兴Y源可利用量普遍減少，以內(nèi)蒙古、黑龍江最為顯著。

3）從水土資源匹配空間分布看，2019 年處于不匹配和極不匹配狀態(tài)的省區(qū)有11 個(gè)，較2009 年增加1 個(gè)且空間分布有向北遷移擴(kuò)展的趨勢(shì)；華北地區(qū)、寧夏、江蘇和上海持續(xù)處于不匹配和極不匹配狀態(tài)，內(nèi)蒙古和新疆從之前的較不匹配狀態(tài)演變成2019 年的不匹配和極不匹配狀態(tài)。當(dāng)前有超過50%的灌溉耕地分布在水土資源不匹配和極不匹配的省區(qū)，2009—2019 年處于水土資源不匹配和極不匹配省區(qū)的灌溉耕地面積比例增加約15%。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）