水足跡視角下黃土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局

閆美霞 郭青霞 丁一 康慶

閆美霞，郭青霞，丁 一，等. 水足跡視角下黃土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局——以山西省和順縣為例［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，63（2）：41-49．

摘要：從水足跡視角出發(fā)，運用CROPWAT及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型分析2010—2019年山西省和順縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)域主要農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡和耕地面積的時空變化，運用基尼系數(shù)及空間失配指數(shù)深入研究2010年、2014年、2019年鄉(xiāng)鎮(zhèn)域農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配格局，并明確調(diào)控方向。結(jié)果表明，研究期間，和順縣作物生產(chǎn)水足跡、藍水足跡、綠水足跡和耕地面積總體上均呈下降趨勢；綠水足跡對各區(qū)域作物生產(chǎn)水足跡的構(gòu)成貢獻最大，占比均超過62.0%；和順縣西部地區(qū)作物生產(chǎn)水足跡和耕地的空間聚集性不斷增強；和順縣作物生產(chǎn)水足跡、藍水足跡、綠水足跡與耕地之間的空間失配均逐漸加劇，中部和東部地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源分別為中度失配和重度失配，是和順縣未來農(nóng)業(yè)水土資源調(diào)控的重點地區(qū)；可以將縣域10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別劃分為水源涵養(yǎng)調(diào)蓄、水土優(yōu)化調(diào)控與引水節(jié)水灌溉3個調(diào)控區(qū)。總的來說，受社會經(jīng)濟、生產(chǎn)要素投入和氣候條件的影響，和順縣農(nóng)業(yè)水土資源匹配協(xié)調(diào)水平處于失衡狀態(tài)，但在調(diào)控區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，有針對性地進行人工調(diào)控，仍可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水土資源匹配協(xié)調(diào)水平的較大提升。

關(guān)鍵詞：作物生產(chǎn)水足跡；農(nóng)業(yè)水土資源匹配；基尼系數(shù)；空間失配指數(shù)；黃土丘陵區(qū)；山西省和順縣

中圖分類號：F301.2? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）02-0041-09

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.008 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Matching pattern of agricultural water and land resources in loess hilly areas from the perspective of water footprint：Taking Heshun County of Shanxi Province as an example

YAN Mei-xia1， GUO Qing-xia1， DING Yi1， KANG Qing1，2

（1. College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Jinzhong? 030801， Shanxi， China；

2. School of Public Policy and Management， Guangxi University， Nanning? 530004， China）

Abstract： From the perspective of water footprint， the spatial and temporal changes of production water footprint and cultivated land area of main crops in rural areas of Heshun County， Shanxi Province， from 2010 to 2019 were analyzed using CROPWAT and standard deviation ellipse model， the spatial-temporal matching pattern of agricultural water and land resources in rural areas in 2010，2014 and 2019 was studied using Gini coefficient and spatial mismatch index， and the direction of regulation was clarified. The results showed that， during the study period， Heshun Countys crop production water footprint， blue water footprint， green water footprint and cultivated land area all showed a downward trend. Green water footprint contributed the most to the total water footprint of crop production in all regions， and the proportion of green water footprint in crop production water footprint in all counties and townships was more than 62.0%. The spatial aggregation of crop production water footprint and arable land resources was increasing in western Heshun County， while the spatial mismatch between crop production water footprint， blue water footprint， green water footprint and arable land resources was increasing in Heshun County， the agricultural water and soil resources in the central and eastern regions of Heshun County were moderately mismatched and severely mismatched， respectively， which would be the key areas for agricultural water and land resources control in the future. Ten townships in the county could be divided into three control areas： water conservation and storage control areas， water and land optimization regulation control areas， and diversion water-saving irrigation control areas. In general， Heshun Countys agricultural water and land resources were out of balance due to social economy， input of production factors and climatic conditions， but were controlled artificially on the basis of the division of control zones， it could still achieve a greater improvement in the matching and coordination level of agricultural water and land resources.

Key words： water footprint of crop production； agricultural water and land resources matching； Gini coefficient； spatial mismatch index； loess hilly areas； Heshun County， Shanxi Province

水土資源作為自然資源最重要的組成部分，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和確保糧食安全的基礎(chǔ)性資源^［1，2］。水資源的豐缺程度和開發(fā)利用情況直接影響耕地資源的生產(chǎn)效率和利用方式，耕地資源的開墾程度同樣制約著水資源的利用水平^［3］。在中國，除個別區(qū)域水資源豐富能夠滿足土地資源需要外^［4］，多數(shù)地區(qū)水資源短缺，水土資源空間匹配程度差異明顯^{［1，5-7］}。同時，受工業(yè)化與城市化影響，農(nóng)業(yè)水土資源被擠占、短缺和區(qū)域性結(jié)構(gòu)破壞等非持續(xù)利用問題逐步凸顯，也將直接威脅國家和區(qū)域的糧食安全^［8］。因此，只有良好的水土資源匹配格局才可為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力支撐^［9］。由此可知，在水資源約束下，識別農(nóng)業(yè)水土資源匹配關(guān)系是實現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源協(xié)調(diào)的關(guān)鍵所在，更是國土空間格局優(yōu)化的重要前提。

在新時期國土空間規(guī)劃背景下，要統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，優(yōu)化國土空間開發(fā)格局。而水是治理體系中亟需重點謀劃的自然要素，要在規(guī)劃中全面堅持“四水四定”原則^［10］，不斷強化水資源剛性約束。農(nóng)業(yè)水土資源高效利用與協(xié)調(diào)匹配作為緩解資源短缺與提升水土資源承載力的有效路徑，可以在國土空間規(guī)劃中發(fā)揮協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、強化生態(tài)環(huán)境保護、促進資源優(yōu)化配置的作用。因此，掌握區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源的匹配特征與調(diào)控方向成為亟待解決的重點問題。

對于水土資源匹配的研究已取得一定進展。研究方法主要有兩種，一是通過繪制洛倫茲曲線和構(gòu)建基尼系數(shù)^［11］探究區(qū)域水土資源的平衡狀態(tài)；二是以單位土地面積水資源量為衡量指標(biāo)，結(jié)合資源利用效率、區(qū)域氣候、種植結(jié)構(gòu)等綜合解析水土資源匹配系數(shù)^{［12，13］}。這兩種方法在測度水土資源時空匹配方面均取得了一定的成果，但也存在一些不足。首先洛倫茲曲線和基尼系數(shù)無法對某一地區(qū)整體的水土資源匹配狀況進行定量分析，不能揭示絕對匹配情況；其次匹配系數(shù)無法識別水土資源在區(qū)域內(nèi)部分配的不均衡程度。多數(shù)研究以水資源總量^［14］、可利用水資源量^［3］和灌溉用水量^［7］表征水資源量，忽略了地區(qū)降水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻，因此水資源量的表征參數(shù)并不全面。目前，全球水消費領(lǐng)域出現(xiàn)了范式轉(zhuǎn)變，其核心要素是生產(chǎn)水足跡理論^{［15，16］}。引入生產(chǎn)用水足跡理論，可為從社會水文的角度分析縣域?qū)r(nóng)業(yè)水資源的實際需求和占用提供新的研究方法和思路。研究尺度方面，當(dāng)前多以國家^［17］、省^［18］、市^［6］行政單元以及流域^{［19，20］}單元為主，而立足于鄉(xiāng)鎮(zhèn)基層進行農(nóng)業(yè)水土資源匹配研究，可以更有針對性地制定小尺度區(qū)域水土資源策略，從而更好實現(xiàn)自下而上的治理。此外，針對農(nóng)業(yè)水土資源區(qū)域調(diào)控的研究尚待深入。

鑒于此，本研究以黃土丘陵典型縣域和順縣為研究區(qū)域，揭示和順縣耕地資源和作物生產(chǎn)水足跡的時空演化趨勢，構(gòu)建關(guān)于和順縣耕地資源和作物生產(chǎn)水足跡空間失配指數(shù)與基尼系數(shù)的測度模型，解析鄉(xiāng)鎮(zhèn)域尺度農(nóng)業(yè)水土資源匹配空間分異特征，并據(jù)此劃分不同類型農(nóng)業(yè)水土資源調(diào)控區(qū)以制定差異化措施，以期為和順縣水土資源優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)，也為黃土丘陵區(qū)水土資源研究提供一定的經(jīng)驗。

1 研究區(qū)概況、研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

和順縣（東經(jīng)113°05′—113°56′，北緯37°03′—37°36′）位于黃土丘陵區(qū)東部邊界，太行山脈西側(cè)，隸屬于山西省晉中市，總面積為2 250 km²，耕地面積為2.3萬hm²。東與河北省邢臺市為鄰，西通榆次區(qū)與榆社縣，南與左權(quán)縣接壤，北接昔陽與壽陽兩縣。現(xiàn)轄5鎮(zhèn)3鄉(xiāng)176個行政村。以山地、丘陵居多，地勢中間高、四周低，僅在清漳河沿岸有小塊平川，平均海拔在1 300 m以上。和順縣屬溫帶大陸性氣候，四季變化明顯，雨熱同期，有利于農(nóng)業(yè)發(fā)展。

和順縣2019年人均水資源量為697 m²，占全國人均水資源量的1/3，屬于重度缺水區(qū)。而且存在水資源豐枯懸殊、時空分布不均、開發(fā)利用程度差異大、采煤漏水嚴(yán)重等問題。和順縣作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)縣，耕地面積較少，大多以梯田的形式存在，不適合大型機械耕作收割，種植效率低下。用水結(jié)構(gòu)中農(nóng)業(yè)用水占比最大（33.1%），農(nóng)業(yè)水土資源供需矛盾突出。2019年和順縣農(nóng)業(yè)總播種面積為11 830 hm²，農(nóng)作物主要有玉米、谷子、高粱、豆類、薯類、油料作物、蔬菜等。和順縣作為黃土丘陵區(qū)的典型代表區(qū)域，需要在明確農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局的基礎(chǔ)上分區(qū)調(diào)控，推動農(nóng)業(yè)水土資源高效與協(xié)調(diào)利用。

1.2 研究方法

1.2.1 作物生產(chǎn)水足跡模型法 作物生產(chǎn)水足跡指特定區(qū)域內(nèi)作物生產(chǎn)過程中所消耗的水資源總量（WF_pro）^［21］，包括藍水足跡和綠水足跡，藍水足跡和綠水足跡分別表示作物生長過程中消耗的地表水與地下水的水資源量、由降水蓄積在土壤含水層中或由植物根系吸收以及蒸發(fā)蒸騰的水資源量^［22］。WF_pro按照文獻^［23］提供的方法計算，計算式如下。

WF_green=（CWU_green/Y）×P_i=（10×ET_green/Y）×P_i（2）

WF_blue=（CWU_blue/Y）×P_i=（10×ET_blue/Y）×P_i（3）

ET_green=min（ET_c，P_e）? ? ? ? ? ? ? ?（4）

ET_blue=max（0，ET_c-P_e）? ? ? ? ? ?（5）

式中，WF_green和WF_blue分別表示作物生產(chǎn)的綠水足跡和藍水足跡（m³）；CWU_green和CWU_blue分別表示單位面積作物所消耗的綠水和藍水資源量（m³/hm²）；ET_green和ET_blue分別表示單位面積作物生產(chǎn)期間的綠水和藍水蒸發(fā)蒸騰積累量（mm）；常量因子10為單位面積土地面積的水深換算系數(shù)；P_i為作物i的總產(chǎn)量（kg）；Y為單位面積的作物產(chǎn)量（kg/hm³）。在式（4）到式（6）中，ET_green等于ET_c（作物蒸發(fā)蒸騰量）與P_e（有效降水量）中的較小值；ET_blue等于ET_c（作物蒸發(fā)蒸騰量）與P_e（有效降水量）之差，但當(dāng)P_e超過ET_c時，其值為0；P為旬降水量（mm）。此外，有效降水量P_e可根據(jù)CROPWAT8.0模型中內(nèi)嵌的美國農(nóng)業(yè)部（USDASCS）土壤保持局的方法計算得到。

ET_c（作物蒸發(fā)蒸騰量）的計算方法如式（7）和式（8）所示。

式中，ET_c通過CROPWAT8.0軟件求出；lgp為生育期長度；K_c為生育期內(nèi)作物系數(shù)，反映作物的生物特性對作物蒸發(fā)蒸騰水量的影響，采用單作物系數(shù)法計算；ET₀為參考作物蒸發(fā)蒸騰水量，根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）推薦并修正的標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式計算所得^［24］；R_n、G、γ、T、U₂、e_s、e_a分別代表凈輻射量、土壤熱通量、相對濕度、平均氣溫、風(fēng)速、飽和水氣壓以及實際水氣壓等參數(shù)。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓（Standard deviation ellipse，SDE）或方向分布分析在探索資源要素時空變化方面具有獨特優(yōu)勢。它能夠直觀、準(zhǔn)確地揭示這些資源要素在二維空間中的演化特征^{［25，26］}。通過引入SDE方法，構(gòu)建和順縣農(nóng)業(yè)水土資源時空變化模型。通過橢圓覆蓋區(qū)域判斷和順縣水土資源分布的主要趨勢方向和分散程度。通過計算WF_pro和和順縣耕地面積重心的移動方向和偏離距離，分析它們重心的變化軌跡。SDE模型假設(shè)研究區(qū)由n個單元組成，且（x_i，y_i）^t為第i個單元（i=1，2，3，…，n）在時刻t的幾何坐標(biāo)，

1.2.3 水足跡與耕地匹配 經(jīng)濟學(xué)家科拉多·基尼提出的基尼系數(shù)（GC）首次應(yīng)用于基于洛倫茲曲線的收入不平衡研究^［27］。由于自然資源的空間分布表現(xiàn)出有多樣性，GC也適用于和順縣農(nóng)業(yè)水土資源匹配模式的研究。為了研究WF_pro和耕地面積（S）之間的平衡狀態(tài)，GC可用式（14）計算。

GC=1-Σ[l×（2a-ω）]? ? ? ?（14）

式中，l和ω分別指各地區(qū)S和WF_pro的比例；a指各地區(qū)S的累積百分比。GC的范圍為0～1。WF_pro和S之間的平衡度越高，GC越小，反之亦然。

根據(jù)Gobillon等^［28］、Li等^［29］的研究，空間錯配被用來描述水土資源在空間上的不平衡，對區(qū)域水管理和土地利用政策產(chǎn)生深刻影響。引入空間失配指數(shù)度量WF_pro與S的空間關(guān)系，計算式如下。

式中，SMI（WF_pro?S）_i為i區(qū)域WF_pro與S的空間失配指數(shù)；WF_i和S_i分別為i區(qū)域的作物水足跡（m³）和耕地面積（km²）；ΣSMI（WF_pro?S）為和順縣空間失配的總水平。SMI（WF_pro?S）_i值越高，說明i區(qū)域單位耕地中WF_pro越多，即水多地少；SMI（WF_pro?S）_i值越低，說明i區(qū)域耕地資源被廣泛利用，WF_pro減少，大片耕地?zé)o法吸收利用較多的水滿足實際需求。為了判斷WF_pro和S在各個區(qū)域的空間關(guān)系是否匹配，選擇自然斷裂分類（Jenks）來幫助設(shè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)值^［30］。如果|SMI（WF_pro?S）_i|小于標(biāo)準(zhǔn)值，則說明WF_pro與S的關(guān)系在區(qū)域i是空間匹配。

1.3 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于和順縣自然資源局；氣象數(shù)據(jù)（和順縣2010—2019年逐月最高氣溫、最低氣溫、降水量、相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)）來源于聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的CLIMWAT數(shù)據(jù)庫和中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：//data.cma.cn）；作物數(shù)據(jù)（生育期和作物系數(shù)）來源于聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的CROP數(shù)據(jù)庫；水資源數(shù)據(jù)（和順縣2010—2019年水資源總量、各產(chǎn)業(yè)用水量、灌溉用水量）來源于和順縣水利局；和順縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)域2010—2019年的農(nóng)作物生產(chǎn)總量、播種面積以及單產(chǎn)來源于《和順縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展公報》《和順縣統(tǒng)計年鑒》（2010—2019年）。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物生產(chǎn)水足跡與耕地資源的時間變化趨勢

2010—2019年和順縣作物生產(chǎn)水足跡、藍水足跡、綠水足跡和耕地面積總體上均呈下降趨勢（圖1），這與作物單產(chǎn)的增加趨勢相反。2010—2019年，作物生產(chǎn)水足跡的總量減少了22.2%，其中藍水足跡和綠水足跡分別降低了23.8%和21.3%。作物生產(chǎn)水足跡的年平均值在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間存在明顯差異，其中義興鎮(zhèn)的作物生產(chǎn)水足跡是陽光占鄉(xiāng)的4.07倍。2010—2019年，青城鎮(zhèn)的藍水足跡基本保持穩(wěn)定，其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的藍水足跡呈降低趨勢；在和順縣所有的鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，義興鎮(zhèn)對藍水足跡的組成部分貢獻最大，占17.7%，青城鎮(zhèn)和李陽鎮(zhèn)分別排在第二位（占比為13.6%）和第三位（占比為13.0%）。與作物生產(chǎn)水足跡類似，綠水足跡的年際變化在青城鎮(zhèn)呈增加趨勢，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)均呈降低趨勢；綠水足跡對各區(qū)域作物生產(chǎn)水足跡的構(gòu)成貢獻最大，占各自作物生產(chǎn)水足跡的比例均超過62.0%；在和順縣所有的鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，義興鎮(zhèn)對整個縣綠水足跡的組成部分貢獻最大，占17.6%，青城鎮(zhèn)和松煙鎮(zhèn)分別排在第二位（占比為14.0%）和第三位（占比為12.8%）。和順縣的作物生產(chǎn)水足跡以綠水足跡為主（63.1%），藍水足跡占比相對較小（36.9%）。

整個研究期間，和順縣耕地面積降低了1.4%，馬坊鄉(xiāng)耕地面積呈輕微增加趨勢，義興鎮(zhèn)和喂馬鄉(xiāng)呈輕微降低的趨勢，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)基本保持穩(wěn)定。義興鎮(zhèn)、松煙鎮(zhèn)、李陽鎮(zhèn)、青城鎮(zhèn)、馬坊鄉(xiāng)的耕地面積總和占和順縣總耕地面積的65%以上。總體而言，義興鎮(zhèn)、松煙鎮(zhèn)、李陽鎮(zhèn)、青城鎮(zhèn)、馬坊鄉(xiāng)是構(gòu)成和順縣作物生產(chǎn)水足跡和耕地開發(fā)的主要地區(qū)。

2.2 作物生產(chǎn)水足跡與耕地的空間分布特征

從圖2可以看出，和順縣作物生產(chǎn)水足跡和耕地的空間分布不均勻，義興鎮(zhèn)、松煙鎮(zhèn)和李陽鎮(zhèn)的作物生產(chǎn)水足跡與耕地面積變化程度相差均較大，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)變化較小。部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的作物生產(chǎn)水足跡和耕地面積變化顯示出一定程度的失配，如義興鎮(zhèn)和松煙鎮(zhèn)的作物生產(chǎn)水足跡變化大致一致（均大于2×10⁶m³），但松煙鎮(zhèn)的耕地面積變化僅為義興鎮(zhèn)的32.2%。

2010—2019年，作物生產(chǎn)水足跡和耕地面積的重心移動模式不一致。作物生產(chǎn)水足跡的重心在經(jīng)度移動上更明顯。就移動方向而言，耕地面積的重心在整個研究期間向西北移動，作物生產(chǎn)水足跡的重心在2010—2014年向東南移動，在2014—2019年向西南移動。在移動距離方面，耕地面積的位置特征逐漸向西北方向擴展0.26 km，而作物生產(chǎn)水足跡的重心在整個期間向西南移動2.33 km。作物生產(chǎn)水足跡和耕地面積的重心均向西移動，表明作物生產(chǎn)水足跡和耕地面積在西部地區(qū)占整個研究區(qū)域的比例增大。

2.3 作物生產(chǎn)水足跡與耕地的空間匹配分析

利用式（14）至式（16）計算和順縣農(nóng)業(yè)水土資源基尼系數(shù)（GC）和空間失配指數(shù)（SMI），具體見圖3。從圖3可以看出，2010—2019年，作物生產(chǎn)水足跡-耕地面積、綠水足跡-耕地面積、藍水足跡-耕地面積的SMI和GC結(jié)果較為一致，均呈上升趨勢，反映了作物生產(chǎn)水足跡、綠水足跡、藍水足跡與耕地面積間的平衡度下降。2018年和順縣農(nóng)業(yè)水土資源空間失配最嚴(yán)重，這是由于2018年馬坊鄉(xiāng)作物產(chǎn)量激增，水足跡增加，造成縣域水足跡空間分布不均，農(nóng)業(yè)水土資源失配加劇，2019年縣域作物產(chǎn)量下降到2018年之前的水平，農(nóng)業(yè)水土資源空間失配程度降低。同時，2010—2019年作物生產(chǎn)水足跡和耕地面積重心之間的距離變遠。結(jié)果表明，和順縣作物生產(chǎn)水足跡、綠水足跡、藍水足跡與耕地面積間的空間失配均持續(xù)加劇。

使用ArcGIS10.4軟件，設(shè)置-1.0和1.0作為標(biāo)準(zhǔn)值，基于自然斷裂分類（Jenks）可視化每個地區(qū)作物生產(chǎn)水足跡與耕地面積間的匹配模式，如圖4所示。義興鎮(zhèn)、李陽鎮(zhèn)、馬坊鄉(xiāng)、橫嶺鎮(zhèn)和陽光占鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土資源適度匹配；牛川鄉(xiāng)、喂馬鄉(xiāng)和松煙鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)水土資源中度失配；青城鎮(zhèn)和平松鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土資源重度失配。和順縣作物生產(chǎn)水足跡、綠水足跡、藍水足跡與耕地面積的空間匹配格局較為一致，均呈西部和西北部適度匹配，中部、東部和東南部失配的特征。2010—2019年，空間失配和藍水利用效率低下的耕地資源主要分布在平松鄉(xiāng)、喂馬鄉(xiāng)和牛川鄉(xiāng)，空間失配和綠水利用效率低下的耕地資源主要分布在平松鄉(xiāng)和喂馬鄉(xiāng)。2010—2014年，藍水使用效率低下的耕地擴展到牛川鄉(xiāng)，綠水使用效率低下的耕地擴展到馬坊鄉(xiāng)。2014—2019年，綠水使用效率低下的耕地擴展到牛川鄉(xiāng)。研究期內(nèi)，高效利用藍水的耕地主要分布在青城鎮(zhèn)和橫嶺鎮(zhèn)，高效利用綠水的耕地主要分布在青城鎮(zhèn)、松煙鎮(zhèn)和橫嶺鎮(zhèn)。

2.4 農(nóng)業(yè)水土資源分區(qū)調(diào)控

農(nóng)業(yè)水土資源優(yōu)化調(diào)控具有區(qū)域性、動態(tài)性和綜合性的特點^［31］。本研究只探討基于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局的農(nóng)業(yè)水土資源區(qū)域調(diào)控。依據(jù)和順縣農(nóng)業(yè)水土資源匹配區(qū)域特征和三大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局^［32］（圖5），將全縣10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分為水源涵養(yǎng)調(diào)蓄區(qū)、水土優(yōu)化調(diào)控區(qū)與引水節(jié)水灌溉區(qū)（圖6）。

1）水源涵養(yǎng)調(diào)蓄區(qū)。該區(qū)包括青城鎮(zhèn)和松煙鎮(zhèn)。這2個鎮(zhèn)是和順縣的糧食主產(chǎn)區(qū)，水土資源分別處于重度失配和中度失配狀態(tài)。根據(jù)空間失配指數(shù)計算結(jié)果，這2個地區(qū)水多地少，綠水利用充分，近年來大力發(fā)展糧飼玉米有機旱作農(nóng)業(yè)深松密植技術(shù)，灌溉需求較小，藍水供應(yīng)相對充足。青城鎮(zhèn)和松煙鎮(zhèn)單位面積耕地的農(nóng)業(yè)用水較多，為了保持農(nóng)業(yè)水土資源的協(xié)調(diào)匹配，應(yīng)與更多耕地面積相協(xié)調(diào)，以避免增加單位耕地的農(nóng)業(yè)用水，從而保持農(nóng)業(yè)節(jié)水的目標(biāo)，提升水資源承載潛力。如果難以獲得更多耕地，例如由于土地資源的非農(nóng)業(yè)用途傾向和固有屬性，則被視為耕地不足。青城鎮(zhèn)作為特色生態(tài)開發(fā)區(qū)，處于水土保持和生態(tài)治理的關(guān)鍵地帶，生態(tài)系統(tǒng)脆弱性偏高，要加大森林植被保護力度，提高林地水源涵養(yǎng)能力，防止水土流失；繼續(xù)發(fā)揮以玉米為主的農(nóng)產(chǎn)品種植優(yōu)勢，提高土地產(chǎn)出率和水分生產(chǎn)力。松煙鎮(zhèn)作為綜合高效先導(dǎo)區(qū)，耕地生產(chǎn)水平和生態(tài)環(huán)境較好，農(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢較強，要充分利用農(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢，繼續(xù)提高糧食和經(jīng)濟作物產(chǎn)量。此外，這2個地區(qū)均應(yīng)科學(xué)合理地建立水利控制骨干性工程，加強岸坡整治和排灌工程建設(shè)，保障河道行洪、排澇、灌溉、供水等功能，可考慮為水土優(yōu)化調(diào)控區(qū)與引水節(jié)水灌溉區(qū)提供部分水資源。

2）水土優(yōu)化調(diào)控區(qū)。該區(qū)包括馬坊鄉(xiāng)、橫嶺鎮(zhèn)、義興鎮(zhèn)、陽光占鄉(xiāng)和李陽鎮(zhèn)。這些地區(qū)大多位于和順縣西部，由于海拔坡度較高，耕地面積小且細碎化程度高；地表水開發(fā)利用率較低，地下水開采難度較大，藍水利用率較低，降水量較豐富，綠水利用率較高。近年來，西部地區(qū)不斷挖掘耕地產(chǎn)能，發(fā)展規(guī)模農(nóng)業(yè)，縣域耕地重心向西移動；同時，農(nóng)業(yè)水足跡重心也向西移動，農(nóng)業(yè)水土資源匹配協(xié)調(diào)水平相對合理，但仍不穩(wěn)定。馬坊鄉(xiāng)、橫嶺鎮(zhèn)和李陽鎮(zhèn)作為綜合高效先導(dǎo)區(qū)，耕地生產(chǎn)水平和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)相對較好，農(nóng)業(yè)發(fā)展體系較成熟，要充分利用農(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢，繼續(xù)提高糧食和經(jīng)濟作物產(chǎn)量。義興鎮(zhèn)和陽光占鄉(xiāng)作為主導(dǎo)產(chǎn)能挖掘區(qū)，農(nóng)業(yè)效益提升潛力較大，要繼續(xù)加強基本農(nóng)田建設(shè)，強化耕地保護，提高耕地質(zhì)量，發(fā)揮以小雜糧和蔬菜為主的農(nóng)產(chǎn)品種植優(yōu)勢，繼續(xù)提高耕地產(chǎn)能和利用效益。此外，這5個地區(qū)要進一步強化農(nóng)田水利建設(shè)和關(guān)井壓采措施，在充分利用綠水和確保藍水供應(yīng)的前提下，提高農(nóng)業(yè)用水效率；提高土壤肥力，限制性使用農(nóng)藥，改善生態(tài)環(huán)境與水質(zhì)狀況，全面提升耕地的綜合生產(chǎn)能力，使水土資源匹配格局的優(yōu)勢及效能發(fā)揮到最大。

3）引水節(jié)水灌溉區(qū)。該區(qū)包括平松鄉(xiāng)、喂馬鄉(xiāng)和牛川鄉(xiāng)。平松鄉(xiāng)水土資源屬于重度失配狀態(tài)，喂馬鄉(xiāng)和牛川鄉(xiāng)水土資源屬于中度失配狀態(tài)。根據(jù)空間失配指數(shù)計算結(jié)果，這些地區(qū)水少地多，農(nóng)業(yè)用水強度超過水資源承載能力。這些地區(qū)位于和順縣中東部，中東部作為該縣的重要采煤基地，地下水水位下降，水質(zhì)污染嚴(yán)重，地表水開發(fā)利用率較低，藍水無法滿足實際需求，同時綠水利用率較低。平松鄉(xiāng)和喂馬鄉(xiāng)作為主導(dǎo)產(chǎn)能挖掘區(qū)，農(nóng)業(yè)效益有待提升，要充分發(fā)揮以小雜糧為主導(dǎo)的種植優(yōu)勢，充分挖掘耕地產(chǎn)能；牛川鄉(xiāng)作為特色生態(tài)開發(fā)區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)脆弱性偏高，要注重耕地保護與生態(tài)開發(fā)，加大退耕還林力度，提高林地水源涵養(yǎng)能力，防止水土流失；大力實施以小雜糧為主的特色農(nóng)產(chǎn)品立體種植，實現(xiàn)循環(huán)利用。此外，在水條件的約束下，這3個地區(qū)要強化水利設(shè)施建設(shè)及各區(qū)域間引水調(diào)水措施，改善地下水水質(zhì)，緩解農(nóng)業(yè)用水短缺的問題，增強抗旱減災(zāi)能力，提高農(nóng)業(yè)水土資源承載水平；發(fā)展節(jié)水灌溉型農(nóng)業(yè)，深入推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)，節(jié)約灌溉用水量；減少藍水足跡作物的種植，減少對灌溉水的依賴，加強對降水的充分利用。

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

本研究以黃土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源為研究對象，選取和順縣為研究區(qū)，基于水足跡理論，評估2010—2019年該地區(qū)作物生產(chǎn)水足跡和耕地資源的時空變異性及匹配程度。此外，還劃分了不同類型的農(nóng)業(yè)水土資源調(diào)控區(qū)，得出以下結(jié)果。

1）研究期間，和順縣作物生產(chǎn)水足跡、藍水足跡、綠水足跡和耕地面積總體上均呈下降趨勢。綠水足跡在各區(qū)域的作物生產(chǎn)水足跡中占比較大，為63.1%，說明作物生產(chǎn)對綠水依賴程度高。義興鎮(zhèn)對和順縣藍水足跡和綠水足跡的組成部分貢獻均最大，分別占17.7%和17.6%。義興鎮(zhèn)、松煙鎮(zhèn)、李陽鎮(zhèn)、青城鎮(zhèn)、馬坊鄉(xiāng)構(gòu)成了和順縣作物生產(chǎn)水足跡和耕地開發(fā)的主要地區(qū)。

2）和順縣作物生產(chǎn)水足跡和耕地的空間變化表明，SDE模型對空間分布特征分析有一定的啟示。研究發(fā)現(xiàn)，和順縣作物生產(chǎn)水足跡和耕地的空間分布不均勻，縣域西部地區(qū)作物生產(chǎn)水足跡和耕地的空間聚集性不斷增強。

3）通過評估和順縣作物生產(chǎn)水足跡和耕地間的空間匹配程度發(fā)現(xiàn)，在研究期間，和順縣作物生產(chǎn)水足跡、藍水足跡、綠水足跡與耕地面積間的空間失配均逐漸加劇。和順縣作物生產(chǎn)水足跡、藍水足跡、綠水足跡與耕地面積的空間匹配格局較為一致，均呈現(xiàn)出西部和西北部適度匹配，中部、東部和東南部失配的特征，中部和東部地區(qū)是和順縣未來農(nóng)業(yè)水土資源調(diào)控的主要地區(qū)。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)水土資源空間匹配時空分異明顯，空間失配和藍水、綠水利用效率低下的耕地主要分布在平松鄉(xiāng)和喂馬鄉(xiāng)。研究期內(nèi)，橫嶺鎮(zhèn)、喂馬鄉(xiāng)、牛川鄉(xiāng)和平松鄉(xiāng)的農(nóng)業(yè)用水效率對和順縣農(nóng)業(yè)水土資源空間匹配程度起主導(dǎo)作用。

4）受社會經(jīng)濟、生產(chǎn)要素投入和氣候條件的影響，和順縣農(nóng)業(yè)水土資源匹配協(xié)調(diào)水平處于失衡狀態(tài)，但通過將該區(qū)域劃分為水源涵養(yǎng)調(diào)蓄、水土優(yōu)化調(diào)控與引水節(jié)水灌溉3個調(diào)控區(qū)，并有針對性地進行人工調(diào)控，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水土資源匹配協(xié)調(diào)水平的較大提升。

3.2 討論

探明農(nóng)業(yè)水土資源匹配特征與調(diào)控方向是實現(xiàn)和順縣農(nóng)業(yè)水土資源匹配協(xié)調(diào)與國土空間格局優(yōu)化的重要途徑。“十四五”規(guī)劃中提出了“能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高”的新目標(biāo)。目前，和順縣正著力打造“五地兩區(qū)”，建設(shè)“山西東大門”，傾力打造“和順生態(tài)”名片，這一轉(zhuǎn)型跨越式發(fā)展對水土資源可持續(xù)利用提出了更高的要求。本研究在計算和順縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)域2010—2019年作物水足跡、分析農(nóng)業(yè)水土資源時空變化趨勢的基礎(chǔ)上，運用基尼系數(shù)和空間失配指數(shù)定量刻畫農(nóng)業(yè)水土資源匹配時空分異特征，并劃分出不同類型調(diào)控區(qū)，對黃土丘陵區(qū)其他地區(qū)水土資源優(yōu)化配置和國土空間格局優(yōu)化具有一定的參考價值。

研究表明，全縣農(nóng)作物生產(chǎn)消耗水資源量主要來源于降水。這是由于和順縣水澆地僅在河谷零星分布，旱地分布廣泛，同時和順縣大力發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)，對綠水依賴程度高。作物生產(chǎn)水足跡和耕地重心在研究期內(nèi)均發(fā)生西移，近年來縣域西部地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展力大幅提升，其農(nóng)業(yè)在整個產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的比重和全縣農(nóng)業(yè)發(fā)展中的貢獻均持續(xù)增加。這是由于西部地區(qū)屬于土石山區(qū)，水土流失較輕，近年來經(jīng)過治理，成效顯著，退耕耕地為距村較遠、小塊分散、不宜農(nóng)耕的坡耕地，同時發(fā)展了一部分規(guī)模農(nóng)業(yè)，實行精耕細作，推動西部地區(qū)城郊農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展。而東部地區(qū)雖然有青城鎮(zhèn)和松煙鎮(zhèn)兩大糧食主產(chǎn)區(qū)，但其屬于石質(zhì)山區(qū)，加之李陽鎮(zhèn)、牛川鄉(xiāng)、平松鄉(xiāng)和義興鎮(zhèn)采煤業(yè)的發(fā)展，水土流失嚴(yán)重，治理之后沒有得到有效改善，打破了之前的農(nóng)業(yè)發(fā)展格局，縮小了東西發(fā)展差異。受地域分異規(guī)律與經(jīng)濟社會發(fā)展影響，和順縣農(nóng)業(yè)水土資源失配逐漸加劇且時空匹配分異特征明顯，呈現(xiàn)出西部和西北部適度匹配，中部、東部和東南部失配的特征，這也與王佳月等^［4］的結(jié)論一致。義興鎮(zhèn)、李陽鎮(zhèn)、馬坊鄉(xiāng)、橫嶺鎮(zhèn)和陽光占鄉(xiāng)耕地坡度大，細碎化程度高，農(nóng)業(yè)發(fā)展較落后，但森林覆蓋率較高，近年來通過退耕還林，細碎化程度降低，大力發(fā)展規(guī)模農(nóng)業(yè)，實行精耕細作，耕地質(zhì)量和發(fā)展?jié)摿Φ玫接行嵘瑫r水足跡重心西移，農(nóng)業(yè)水土資源適度匹配；牛川鄉(xiāng)和喂馬鄉(xiāng)由于采煤漏水，地下水水位下降且面臨超采，耕地質(zhì)量較差，農(nóng)業(yè)水土資源中度失配；青城鎮(zhèn)和松煙鎮(zhèn)作為和順縣兩大糧食主產(chǎn)區(qū)，糧食單產(chǎn)和農(nóng)業(yè)用水效率較高，但森林覆蓋率較低，農(nóng)業(yè)水土資源分別為重度失配和中度失配；平松鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)發(fā)展落后，水資源量較低，農(nóng)業(yè)水土資源重度失配。橫嶺鎮(zhèn)、喂馬鄉(xiāng)、牛川鄉(xiāng)和平松鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)用水效率的降低是研究期間和順縣空間失配指數(shù)和基尼系數(shù)上升及農(nóng)業(yè)水土資源空間失配持續(xù)嚴(yán)重的主要原因。因此，和順縣在進行水土資源開發(fā)利用時，應(yīng)綜合考慮優(yōu)化各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的水資源調(diào)度、各產(chǎn)業(yè)用水的合理分配、藍綠水和耕地資源的充分利用，從而實現(xiàn)水土資源的協(xié)同管理。

當(dāng)前將水足跡理論引入微觀尺度農(nóng)業(yè)水土資源匹配的研究較少，以作物實際生長過程的水足跡這一微觀視角測算鄉(xiāng)鎮(zhèn)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配狀況更切合實際。此外，本研究使用基尼系數(shù)和空間失配指數(shù)定量分析縣域水土資源時空匹配狀況，2種方法計算結(jié)果較為一致，進一步驗證了利用空間失配指數(shù)可以良好適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)域的農(nóng)業(yè)水土資源時空匹配研究。但本研究仍存在一些不足，在水足跡計算方面，介于數(shù)據(jù)收集的局限，未對灰水足跡進行量化，導(dǎo)致水足跡計算值偏小，未來應(yīng)對水足跡進行全面測算；本研究角度單一，如何從綜合和動態(tài)的角度來調(diào)控還有待進一步深入。

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收稿日期：2023-03-22

基金項目：山西省回國留學(xué)人員科研教研資助項目

作者簡介：閆美霞（1996-），女，山西呂梁人，在讀碩士研究生，研究方向為土地利用規(guī)劃，（電話）15716530673（電子信箱）

ymx15716530673@163.com；通信作者，郭青霞（1969-），女，山西晉城人，教授，博士，主要從事土地利用規(guī)劃研究，（電子信箱）

gqx696@163.com。