1978—2020年我國有效灌溉面積時空變化特征

江銘諾 向昆侖 黃奕融 梁卓軒 鄧若釗 張恩紅

(1.廣東省氣象數據中心,廣州 510640;2.廣東省生態氣象中心,廣州 510640;3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣州 510641;4.廣東省遂溪縣氣象局,廣東 遂溪 524300)

我國幅員遼闊,人口眾多,耕地資源緊缺[1],如何保障糧食穩產、增產,成為研究的熱點。隨著全球氣候變暖的加劇,各類對農業生產造成巨大威脅的極端天氣事件頻發。為提高農田的抗災能力,農業農村部在2021年頒布了《全國高標準農田建設規劃(2021—2030)》。根據規劃方案,完善的農業灌溉設施是建設高標準農田的重要指標[2]。農業灌溉是全球糧食產量增產的主要原因之一[3],而耕地面積中的有效灌溉面積對于鞏固提高糧食生產能力,保證糧食生產安全具有重大意義。有效灌溉面積是指灌溉工程設施完善,有穩定水源,土地較為平整,一般年份下可以進行正常灌溉的耕地面積[4-5]。有效灌溉面積是評判區域糧食生產安全和農田水利建設的重要指標,也是反映不同地區農業生產抗旱能力的重要指標,特別是對于氣候干旱地區,其對當地糧食產量的穩定影響更大[6];提高耕地有效灌溉面積是我國高標準農田建設的重要環節。

目前,已有研究針對我國部分地區的有效灌溉面積變化情況進行了動態分析:柳長順等[7]分析了1986—2004年我國有效灌溉面積的動態變化,簡要闡述了該階段我國各省區市的有效灌溉面積凈變化情況,分析了變化的主要原因及對糧食產量的影響;也有研究分別對山東[8]、甘肅[9]、江蘇[10]和新疆[11]的有效灌溉面積動態變化進行了研究,闡述了不同區域的有效灌溉面積變化情況及其可能的影響原因。

上述研究主要針對的是某些區域的有效灌溉面積動態研究,成果對于特定的研究區域的相關農業灌溉政策制定具有一定的意義,但其研究區域較為分散,時間段也差異較大,缺乏對相關趨勢的研究[12],成果難以應用到省級行政區或以上的農業灌溉統籌規劃指導。由于我國不同區域的有效灌溉面積變化影響因素差異較大[13-16],因此需要系統地對我國不同地區的有效灌溉面積時空動態變化[17]進行分析研究。因此,本研究擬以全國31個省級行政區(統計數據未含港、澳、臺地區。下同)1978—2020年的有效灌溉面積和相關農業統計數據為研究對象,采用趨勢分析和相關性分析等研究方法,研究我國不同區域的有效灌溉面積的時間和空間變化情況,以期為我國相關農業政策的出臺提供參考,保障我國糧食生產安全[18]。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

1978—2020年我國31個省級行政區的有效灌溉面積、耕地面積和糧食產量數據來源于中國統計局網站(http:∥www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/)以及相應的統計年鑒[19]。

1.2 有效灌溉比例

有效灌溉比例是衡量不同區域灌溉建設水平的重要指標,同時也是高標準農田建設的參考指標,有效灌溉比例的計算公式如下:

式中:P有效灌溉比例為各地區的有效灌溉比例百分比;S有效灌溉面積為各地區的有效灌溉面積;S耕地面積為各地區的實際耕地面積。此外,還研究了各省區市有效灌溉面積占全國有效灌溉面積的動態變化情況。

2 結果與分析

2.1 1978—2020年我國有效灌溉面積時間變化總體特征

由1978—2020年我國的有效灌溉面積變化(圖1(a))可知1978年以來,我國有效灌溉面積增長呈先減少后增加的趨勢。結合1978—2020年我國的有效灌溉面積凈增量變化(圖1(b))可知:1986年以后,有效灌溉面積凈增量除個別年份外均為正值,呈現波動增長的變化特點;2008年是有效灌溉面積凈增量最大的年份,達到了19 534 km2;1978—2020年我國的有效灌溉面積變化傾向率為 631.5×103hm2/a。我國有效灌溉面積的穩定增加,得利于我國經濟和社會的快速發展,國家對農業基礎設施的持續投入,國家各項惠農有利政策的出臺。由1978—2020年我國糧食總產量變化(圖1(c))可知我國糧食產量在這段時間,也呈現穩步增長的趨勢;在1998—2003年,我國有效灌溉面積凈增量呈現出減少的變化特點,與此同時我國的糧食產量也出現下降,后期隨著有效灌溉面積凈增量的增加,我國的糧食產量也在穩步提升,這從一個側面說明有效灌溉面積的增加,對于我國糧食的增產具有重要意義。計算有效灌溉面積和糧食總產量的皮爾森相關系數,達到了0.96(P<0.001),說明兩者具有較強的相關性。

圖1 1978—2020年我國有效灌溉面積(a)、有效灌溉面積凈增量(b)及糧食總產量(c)變化Fig.1 Changes of effective irrigated area (a),net increase of effective irrigated area (b) and total grain production (c) in China from 1978 to 2020

2.2 1978—2020年我國各省區市有效灌溉面積變化情況

2.2.1各省區市有效灌溉面積及其凈增量

1978—2020年東北地區有效灌溉面積及有效灌溉面積凈增量變化見圖2。可見1978—2020年東北地區有效灌溉面積均呈現增加的趨勢,其中,黑龍江省有效灌溉面積在1996年以后呈現比吉林、遼寧省更加顯著的增加趨勢。通過對該區域的逐年凈增量分析發現,黑龍江省2000—2013年逐年凈增量呈現變大的趨勢,2013年可能是由于洪災導致東北地區有效灌溉面積凈增減量減少;遼寧、吉林省的逐年凈增量總體變化較小。

由于篇幅原因,只展示出圖中所展示的省級行政區的變化圖。下同。The figures only show several provincial data due to space limitation.The same below.

1978—2020年北方地區山東和河南有效灌溉面積及有效灌溉面積凈增量變化見圖3。可見山東省的有效灌溉面積則增長較為顯著,河南省的有效灌溉面積在1985年以后總體上呈現出較為穩定的增加趨。就有效灌溉面積凈增量而言,河南省在1985—2010年比山東省要大且穩定。

圖3 1978—2020年北方地區山東省和河南省有效灌溉面積(a)及有效灌溉面積凈增量(b)變化Fig.3 Changes of effective irrigated area (a) and net increase and decrease of effective irrigated area (b) in Shandong Province and Henan Province from 1978 to 2020

北方地區總體而言,有效灌溉面積變化內部差異較大。1978—2020年華北地區各省區有效灌溉面積變化趨勢差異較大,進入90年代以后,北京和天津兩市的有效灌溉面積大部分年份呈現凈減少的變化,即這兩市總體呈現有效灌溉面積減少的變化趨勢;山西省的有效灌溉面積呈現波動上升的變化趨勢;而河北和內蒙古有效灌溉面積則在1985年以后呈現凈增加的年份占絕對優勢,有效灌溉面積呈現增加的變化趨勢,河北省的有效灌溉面積則在2000年以后較為穩定。1978—2020年西北地區各省區有效灌溉面積變化趨勢差異較為顯著,甘肅、寧夏和青海三省區有效灌溉面積凈增量在多數年份呈現凈增加趨勢,但增加量不大,因此有效灌溉面積呈現較為平緩的增加趨勢;陜西省則有效灌溉面積變化不大;新疆有效灌溉面積則在2000年以后呈現顯著的增加趨勢。

1978—2020年南方地區江蘇和安徽有效灌溉面積及有效灌溉面積凈增量變化見圖4。可見:江蘇省和安徽省的有效灌溉面積則增長較為顯著,其中以安徽省的增長最為顯著,特別進入90年代以后,有效灌溉面積凈增量呈現持續的增加;從有效灌溉面積凈增量來看,安徽省大部分時間較江蘇省更大。

圖4 1978—2020年南方地區江蘇省和安徽省有效灌溉面積(a)及有效灌溉面積凈增量(b)變化Fig.4 Changes of effective irrigated area (a) and net increase and decrease of effective irrigated area (b) in Jiangsu Province and Anhui Province from 1978 to 2020

南方地區總體而言,有效灌溉面積變化內部差異相對較小。從1978—2020年華東地區各省區市有效灌溉面積變化情況來看,浙江省和上海市的有效灌溉面積呈減小的趨勢,其中,上海市的減小趨勢更為顯著;江西省和福建省的有效灌溉面積變化不大。1978—2020年華中地區湖北省和湖南省有效灌溉面積變化情況來看,湖北和湖南兩省的有效灌溉面積呈現波動增加的趨勢,兩省近40年的增加量不大。1978—2020年西南各省區有效灌溉面積變化差異較大,四川省在2000年以前有效灌溉面積呈現波動的變化狀態,2000年以后有效灌溉面積呈現顯著的增加趨勢;重慶和西藏的有效灌溉面積則變化不大;云南省和貴州省的有效灌溉面積則呈現相對穩定的增加趨勢,但是貴州省的凈增量波動較大。從1978—2020年華南地區有效灌溉面積變化情況來看,廣西和海南(1988年成立以后才有統計數據)兩省區有效灌溉面積呈現較為平緩的增加趨勢;相對而言廣東省的有效灌溉面積波動較大,2000年以前呈現顯著的減少趨勢,2000年以后則呈現增加趨勢。

2.2.2各省區市有效灌溉比例變化情況

1978—2020年東北地區黑龍江省和吉林省有效灌溉比例以及其占全國有效灌溉面積比例變化見圖5。可知:黑龍江省的有效灌溉面積占全國有效灌溉面積的比例呈現持續增加趨勢,且維持在約9%的較高水平;吉林和遼寧則在2000年前后保持平穩或略減少趨勢;從東北三省的有效灌溉比例變化來看,三省均在90年代進入上升期,直到2015年黑龍江省一直呈現快速增長趨勢,在2000年后吉林和遼寧兩省維持平穩,在2010年后吉林省在30%左右波動、遼寧省在40%左右波動。

圖5 1978—2020年東北地區黑龍江省和吉林省有效灌溉比例(a)以及其占全國有效灌溉面積比例(b)變化Fig.5 Proportion of effective irrigated area (a) and its account for national proportion of China (b) in Heilongjiang Province and Jilin Province from 1978 to 2020

1978—2020年北方地區山東省河南省有效灌溉比例以及其占全國有效灌溉面積比例變化見圖6。可知:山東省的有效灌溉比例呈現波動中上升趨勢,河南省則呈現先減少后增加的趨勢,即在1985年前后達到最小值,隨后呈現緩慢上升趨勢;從有效灌溉面積占全國有效灌溉面積比例變化情況來看,山東省呈現明顯的下降趨勢,河南省則呈現波動中上升的趨勢。

圖6 1978—2020年北方地區山東省和河南省有效灌溉比例(a)以及其占全國有效灌溉面積比例(b)變化Fig.6 Proportion of effective irrigated area (a) and its account for national proportion of China (b) in Shandong Province and Henan Province from 1978 to 2020

北方地區總體而言,1978—2020年各省區市有效灌溉比例及有效灌溉面積占全國有效灌溉面積比例變化情況內部差異較為顯著。1978—2020年華北地區有效灌溉面積全國占比變化差異較大,北京、天津呈現減少趨勢;山西省在2000年以前下降,2000年以后則保持平穩的變化特點;河北省在2000年以前呈現波動上升趨勢,之后呈現下降趨勢;內蒙古在2005年以前呈現上升趨勢,之后穩定。從有效灌溉比例變化來看,華北地區五省在2000年以前均呈現較穩定的上升趨勢,2000年之后北京、天津波動較大,但總體占比水平較高;而河北、山西和內蒙古三地占比較穩定。北京和天津的有效灌溉比例較高,維持在80%左右的水平。1978—2020年西北地區各省區有效灌溉面積全國占比變化差異較大,陜西、青海呈現減少趨勢;而甘肅、寧夏則呈現增加趨勢;新疆呈現先減少后增加趨勢,即在2002年前后出現最小值,隨后呈現逐步上升趨勢。從有效灌溉比例變化來看,陜西、甘肅、寧夏和青海呈現波動上升趨勢;而新疆區則呈現波動中輕微下降趨勢,但總體占比維持在80%左右的較高水平。

1978—2020年南方地區江蘇省和安徽省有效灌溉比例及其占全國有效灌溉面積的比例變化見圖7。可知:安徽省有效灌溉面積占全國有效灌溉面積比例呈現波動上升趨勢,江蘇省呈現下降趨勢;從有效灌溉比例的變化情況來看,江蘇和安徽有效灌溉比例呈現穩步上升趨勢。

圖7 1978—2020年南方地區江蘇省和安徽省有效灌溉比例(a)以及其占全國有效灌溉比例(b)變化Fig.7 Proportion of effective irrigated area (a) and its account for national proportion of China (b) in Jiangsu Province and Anhui Province from 1978 to 2020

南方地區總體而言,1978—2020年各省區市有效灌溉比例及有效灌溉面積占全國有效灌溉面積比例變化情況內部差異相對較小。從1978—2020年華東地區有效灌溉面積占全國有效灌溉面積比例來看,各省市均呈現下降趨勢。從有效灌溉比例來看,江西呈現波動中輕微上升趨勢;江蘇、上海、浙江、安徽和福建有效灌溉面積占耕地面積的比例呈現穩步上升趨勢。從1978—2020年華中地區的湖北省和湖南省有效灌溉面積占全國有效灌溉面積比例變化情況來看,湖北省呈現先減少后增加趨勢,即在2002年前后達到最小值,隨后呈現緩慢增加趨勢;湖南省總體呈現緩慢下降趨勢。從有效灌溉比例變化來看,湖北省和湖南省均呈現小幅波動上升趨勢。1978—2020年西南地區各省區市有效灌溉面積占全國有效灌溉面積比例變化差異較大,四川省呈現持續小幅度下降趨勢;重慶呈現持續下降趨勢;云南、貴州則呈現持續增加趨勢;西藏則呈現先減少后增加趨勢。從有效灌溉比例變化來看,西南地區各省區均呈現增加的變化趨勢,其中西藏增加趨勢最顯著。從1978—2020年華南地區有效灌溉面積占全國有效灌溉面積比例變化情況來看,廣東、廣西呈現下降的變化趨勢;海南呈現波動增長趨勢。從有效灌溉比例變化來看,廣東、廣西和海南三省區均呈現增加的變化趨勢。

2.3 1978—2020年我國有效灌溉面積的空間分布特征

1978—2020年我國31個省區市有效灌溉面積變化趨勢計算傾向率得到空間分布見圖8。可見各地區在1978—2020年有效灌溉面積的變化趨勢差異較大:東北地區有效灌溉面積變化率呈現較明顯的增長趨勢,其中,黑龍江省的變化率增長趨勢為全國最大,達到了143.7×103hm2/a,達到了極顯著水平;安徽、河南、新疆和內蒙古地區的有效灌溉面積增加的趨勢較明顯,變化率均在50×103hm2/a以上;吉林、遼寧、河北、山西、山東、江蘇、湖南、湖北、貴州和云南地區的有效灌溉面積變化傾向率均為1×104～4×104hm2/a;北京、天津、浙江和上海的有效灌溉面積呈現出減少的趨勢,這些地方均為我國東部發達地區;其他省區市的有效灌溉面積變化傾向率不大,變化趨勢呈現少量增加的特點。

基于審圖號:GS(2021)6952。Based on drawing review No.GS(2021)6952.

2.4 我國各省區市有效灌溉面積的年代際變化特征

表1為我國各省級行政區不同年代際的有效灌溉面積均值及傾向率變化情況。可知:東北三省過去各年代際有效灌溉面積均值均呈現增加的特點,從各年代際的變化率來看,吉林和遼寧的20世紀90年代和21世紀00年代的2個年代際的有效灌溉面積增加的趨勢最為明顯,線性擬合的變化率顯示這段時間的有效灌溉面積增加較為明顯,而黑龍江省則在20世紀90年代、21世紀00年代和21世紀10年代的3個年代際增加較為明顯;華北各省區市中,山西、河北和內蒙古地區均呈現各年代際有效灌溉面積均值增加的特點,而北京和天津則呈現出各年代際有效灌溉面積均值穩步減少的特點。從各年代際有效灌溉面積線性擬合的結果來看,山西在后21世紀00和10年代有效灌溉面積增加趨勢較為明顯,達到了極顯著水平,而河北和內蒙古則在2000年前后增加較為顯著;北京和天津在2000年后有效灌溉面積減少較為顯著。西北各省區市中,甘肅、新疆、青海和寧夏地區均呈現各年代際有效灌溉面積均值增加的特點,而陜西則呈現出各年代際有效灌溉面積均值變化不大的特點。從各年代際有效灌溉面積線性擬合的結果來看,甘肅、寧夏和新疆在各年代際有效灌溉面積增加趨勢較為明顯,達到了極顯著水平,而青海則在前2個年代際增加較為顯著;陜西則呈現每年代際變化不顯著的特點。

表1 1978—2020年我國31個省區市有效灌溉面積的年代際變化Table 1 Interannual variation of effective irrigated area in China from 1978 to 2020

華東各省市中,山東、安徽、江蘇、福建和江西地區均呈現各年代際有效灌溉面積均值增加的特點,而上海和浙江則呈現出各年代際有效灌溉面積均值穩步減少的特點。從各年代際有效灌溉面積線性擬合的結果來看,山東和安徽各年代際有效灌溉面積增加趨勢較為一致,部分年代際達到極顯著水平,而江蘇、福建和江西則呈現增加趨勢先減少后增加的特點;浙江和上海呈現有效灌溉面積顯著減少的變化趨勢。華中各省中,河南省呈現各年代際有效灌溉面積均值增加的特點,而湖北省和湖南省則呈現出各年代際有效灌溉面積均值先減少后增加的特點。從各年代際有效灌溉面積線性擬合的結果來看,河南在后3個年代際有效灌溉面積增加趨勢較為明顯,達到了極顯著水平,而湖北和湖南則在2000年前后增加較為顯著。西南各省區市中,貴州、云南、重慶和西藏地區均呈現各年代際有效灌溉面積均值增加的特點,而四川省則在21世紀00年代和10年代(重慶劃出成為直轄市后)呈現出有效灌溉面積均值穩步增加的特點。從各年代際有效灌溉面積線性擬合的結果來看,西藏和四川在后2個年代際有效灌溉面積增加趨勢較為明顯,達到了極顯著水平,而貴州和云南則在所有的年代際均呈現較為顯著的增加趨勢;重慶的年代際有效灌溉面積變化趨勢不明顯。華南各省區中,廣西和海南呈現各年代際有效灌溉面積均值增加的特點。從各年代際有效灌溉面積線性擬合的結果來看,廣西和海南在2010年后有效灌溉面積增加趨勢較為明顯,達到了極顯著水平。

3 結論與建議

根據我國31個省級行政區1978—2020年的有效灌溉面積等統計資料,研究我國有效灌溉面積的時空動態變化,主要結論如下:1)1978—2020年,我國有效灌溉面積總體不斷增加,增加趨勢的傾向率達到了631.5×103hm2/a,有效灌溉面積凈增加的年份糧食總產量也呈現增長的變化特點,有效灌溉面積的穩定增加為我國的糧食生產安全提供保障;2)1978—2020年,我國內陸地區大部分省區市有效灌溉面積呈現出增加的趨勢,其中東北地區增加最為明顯,黑龍江省是全國有效灌溉面積增加最明顯的省份,河北、陜西、內蒙古、山東、江蘇、安徽、河南、湖北、湖南、新疆、貴州和云南也是有效灌溉面積增加較為明顯的省區。3)1978—2020年,我國部分沿海發達省市有效灌溉面積呈現出減少的趨勢,浙江和廣東呈現出有效灌溉面積減少的趨勢,北京、天津和上海的有效灌溉面積減少趨勢較為明顯,特別是2000年后。4)從我國1978—2020年有效灌溉比例變化來看,北京、天津和新疆是我國有效灌溉比例最高的地區,達到80%左右,南方地區的有效灌溉比例普遍較北方低;東北地區是我國有效灌溉比例增加最明顯的地區,此外,安徽、浙江、福建和廣東的有效灌溉比例21世紀10年代前后也增加較為明顯。

基于上述研究結果,本研究建議:對于有效灌溉面積減少的地區,除考慮退耕還林、還草這些導致耕地面積減少的因素外,還應該考慮有效灌溉比例的變化情況[20],結合實際考量灌溉工程和設備、耕地面積、灌溉水源、資金投資、灌溉技術和自然災害等這些主要影響因素對當地有效灌溉面積的影響,在守住耕地紅線的基礎之上采取有利措施保證有效灌溉面積的良性發展。