山東省農業水土資源時空匹配格局及評價研究

李曉燕 郝晉珉* 陳愛琪

(1.中國農業大學 土地科學與技術學院，北京 100193;2.自然資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京 100193)

水土資源是地區農業生產的核心要素，也是生態系統中重要的戰略要素，更是社會經濟發展的基礎保障資源[1-3]。水土資源的匹配程度影響著區域內可持續農業的發展，因此水土資源對于糧食生產及安全至關重要，水資源的豐缺水平和開發利用程度將直接影響耕地資源的利用方式和產出效率，耕地資源的開墾情況也制約著水資源的開發利用[4], 分析區域內水土資源空間匹配格局及其匹配狀況，對于提高該區域農業水土資源利用率、協調水土資源與生態環境間的關系以及發展可持續農業意義重大[5]。當前國內對水土資源的研究主要集中在水土資源的匹配及承載力評價[1-13]。受城鎮化和工業化進程加快、經濟快速發展等影響，當前我國水資源短缺和土壤污染加重等問題，威脅著我國的水土資源的數量和質量[14]。與此同時，我國中東部及南部是水資源充沛的地區，而耕地資源豐富的糧食主產省主要位于北方。盡管耕地資源對我國的糧食生產具有重要限制，但北部水資源短缺也對糧食生產造成影響[15]。研究表明，我國北部地區普遍存在耕地資源豐富、水資源緊缺和水土資源空間匹配錯位現象[1,2,4,16]。同時，由于城鎮化快速發展以及第二、三產業的興起，工業用水及生活用水量已嚴重擠占了農業用水，使得水資源承載力處于嚴重超載狀態[10]。長期的水資源超載使用，會帶來地下水水位下降，導致形成地下水漏斗群等地質災害[17]。

山東省作為我國的糧食主產省之一，其糧食生產能力對于我國的糧食安全具有重要意義?，F有研究表明，隨著社會經濟發展，人口增長，山東省水資源需求不斷增加，由于用水結構的改變，其農業用水比例逐年下降，對農業水土資源的供需造成影響[18]。盡管山東省農業水土資源的供需矛盾日益突顯，但當前對于農業水土資源的時空分布及匹配狀況方面的研究尚未見報道。本研究通過構建2007—2016年山東省農業水土資源的尼基系數模型和區域水土資源匹配測算模型，同時利用當量系數，定量分析農業水土資源的時空匹配特征，旨在闡明2016年山東省農業水土資源的短缺程度和原因，以期為山東省實現農業水土資源合理可持續利用及水土資源空間的優化配置提供參考。

1 研究區域概況

1.1 研究區概況

山東省位于我國東部沿海地區，處于黃河下游，地理位置114°47.5′～122°42.3′E，34°22.9′～38°24.01′ N。土地面積15.79萬km2，其中耕地面積為7.6萬km2。地勢中部高四周低，區域內水系呈放射狀分布。主要氣候類型為暖溫帶季風氣候，氣候溫和，四季分明，雨熱同期，降雨集中在夏季；年平均氣溫為11～14 ℃，年均降水量為550～950 mm。水資源總量主要由地表水及地下水構成，其中地表水受降水影響不均，因此，省內17個地級市的水資源總量差異較大，魯北及膠東半島地區缺水明顯。從水資源量上來說，山東省多年平均水資源總量為207.05億m3，人均水資源量為334 m3，僅為全國平均水平的1/6，位居全國各省的倒數第三位[18]。受工業化及城鎮化影響，農業用水量受到嚴 重 擠 占，2016年，農業用水量占總用水量的66.12%，較2007年下降近10%。耕地資源方面，2016年耕地面積較2007年增長11.08%，農業水土資源的供需矛盾不斷加劇。

1.2 數據來源

本研究中水資源數據主要來源于《山東省統計年鑒》(2008—2017)[19]及《山東省水資源公報》(2008—2017)[20]，土地資源數據來源于《山東省統計年鑒》(2008—2017)[20]，依據2017年山東省行政區劃，包括17個地級市為研究的基本單元。利用Arcgis 10.2軟件的自然斷裂法(Jenks)對可利用水資源量、耕地資源總量及水土資源匹配系數等指標進行分級，得到水資源和耕地資源空間分布圖，以及水土資源空間匹配格局。

2 研究方法

2.1 基于基尼系數法的計算過程

根據克魯格曼在產業與空間布局關系方面的研究[12]，結合2種資源的空間分布特性，通過構造洛倫茲曲線來研究山東省水資源和耕地資源的匹配問題。具體步驟如下[2,7,12]：1)以山東省17個地級市的水資源可利用量和耕地面積為匹配對象，計算單位體積水資源可利用量所服務的耕地面積，按由低到高進行排序；2)分別計算各地級市水資源可利用量和耕地面積占山東省水資源及耕地資源總量的比例，按照由低到高進行排序，并計算各地級市水資源可利用量和耕地面積占山東省資源總量的累積比例；3)繪制水資源可利用量與耕地面積空間匹配的洛倫茲曲線；4)最后計算基尼系數(G)，擬合曲線方程，得到0～1的洛倫茲曲線與45°線所夾區域的面積，該面積的2倍即為基尼系數(G)。G的取值范圍為[0,1],G值靠近0時，說明水土資源匹配程度越好；G值靠近1時，說明水土資源匹配越差[7]。

2.2 基于統計分析法計算單位耕地面積所擁有的可利用水資源量

農業水資源可利用量根據山東省用水結構(農業用水、工業用水、生活用水和生態用水)中農業用水比重來確定，水土資源匹配系數計算以山東省17個地級市為基本單元。該系數計算模型為：

(1)

式中：Rij，山東省i市j年水土資源匹配系數，萬m3/hm2；Wij，i市j年水資源可利用量，億m3；Lij，i市j年耕地面積，萬hm2；αij，i市j年農業用水占總用水的比重；n，山東省地級市數量，本研究為17。

山東省水土資源匹配系數Rj表征省內各地級市水土資源匹配系數的平均水平，該系數計算模型為：

(2)

式中：Rj，山東省j年農業水土資源匹配系數，萬m3/hm2；Rij，山東省i市j年水土資源匹配系數，萬m3/hm2；n，山東省地級市的數量，n=17。

由于山東省水資源總量組成中有不具備開發利用價值的地下水以及難以利用的生態用水等部分，在基尼系數和水土資源匹配系數計算中使用水資源可利用量表征水資源量，進行水土資源匹配程度分析。

2.3 農業水土資源當量系數

農業水土資源當量系數可以衡量某種資源的開發利用相對程度，并可以作為評價該資源的耗用率和短缺程度的指標[21]，為更好地評價山東省水土資源的耗用量及短缺程度，本研究采用以山東省的單位耕地面積的農業用水量和總的單位土地面積的水資源量作為研究對象，對山東省農業水土資源的短缺程度進行評價。其計算模型為：

(3)

式中：EFi，山東省某地級市農業水土資源的當量系數；Rfi，山東省某地級市單位耕地面積的農業用水量，m3/hm2；Rli，山東省某地級市單位土地面積的水資源總量，m3/hm2。

其中，Rfi、Rli的計算公式如下：

(4)

式中：Wfi，區域農業用水量，m3；Lfi，耕地面積，hm2；Wli，區域水資源總量，m3；Lli，區域總土地面積，hm2。

當EF>1時，反映自然條件下的水資源量不足以供給單位耕地面積的農業用水量，農業用水被限制，此時定義為水資源短缺區；當EF≤1時，水資源量充足，反映農業用水量位于供給水平之下。為更進一步對農業水土資源的豐缺程度進行評價，通過以90%，75%及50%水平梯度H分別衡量農業水土資源當量系數[22]，見表1。

表1 農業水土資源匹配程度分級標準Table 1 Classification criteria for the matching degree of agricultural water and soil resources

3 山東省農業水土資源匹配格局及評價

3.1 山東省水土資源分布

3.1.1水土資源動態變化

2007—2016年山東省年平均水資源總量為207.05億m3，地表水資源量為177.49億m3，地下水資源與地表水資源不重復量為98.57億m3。2007—2016年平均總供水量為218.70億m3/年，其中多年平均地表水供給量占總供給量的55.91%，農業用水量占總用水量的70.35%，可見山東省作為我國農業大省，農業耗水量巨大。

2007—2016年是在我國糧食連續多年增長的時間段，為分析該時段內山東省的農業水資源與土地資源的基本情況，本研究選取2007—2016年的農業水土資源數據進行趨勢研究。2007—2016年，山東省水資源可利用量變化較小，但空間差異較大，2016年水資源可利用量為218.70億m3，較2007年變化較小，農業用水量占總用水量的比重為66.12%，比2007年的農業用水比重下降14.13%。從空間分布來看，2007—2016年威海市、棗莊市、日照市、臨沂市和菏澤市水資源可利用量增加明顯，其中威海市增加47.20%，濰坊市、聊城市、德州市、濟寧市和萊蕪市下降明顯，其他地級市變化基本不變。

2016年山東省土地調查面積為1 579.11萬hm2，耕地面積為760.70萬hm2，占土地調查面積的48.17%，較2007年增加75.91萬hm2， 增加速率7.59萬hm2/年。各地級市的耕地面積均有所增加，其中增加面積占比超過20%的有日照市、淄博市、青島市和濱州市；2016年人均耕地面積0.076 hm2/人，較2007年人均耕地面積有增加，2016年全國人均耕地面積0.098 hm2/人，比全國人均耕地水平低。分區域來看，人均耕地面積最高的是濱州市，為0.119 hm2/人，最低的是濟南市，為0.049 hm2/人；2007年全省單位耕地面積水資源量為3 206.12 m3/hm2，2016年全省單位耕地面積水資源量為2 813.08 m3/hm2，較2007年全省單位耕地面積水資源量下降12.26%，單位耕地的水資源擁有量減少393.03 m3/hm2，水資源較耕地資源的短缺問題更為突出。

3.1.2水土資源空間變化

由圖1(a)可知，從空間上看2016年山東省水資源分布較不均衡，表現出“東中少，西北多”的特點。分布區域來看，北部和西部的臨沂市、菏澤市、德州市、濟寧市和聊城市等水資源較為豐富，水資源可利用量超過12億m3/年，大約占全省73.11%。東部沿海及中部地區相對匱乏，如東營市、威海市和萊蕪市低于全省50%，其中東營市僅為全省平均可利用水資源量的34%，其原因是東營市地下水資源量相比多年平均值偏少，淺層地下水下降較大，且2016年降水少[17]。

據圖1(b)可以看出，2016年耕地資源主要分布在山東省的西部及北部，東部及中部較少，17個地級市中，臨沂市、菏澤市和濰坊市耕地資源較多，耕地面積均超過79.00萬hm2，為全省耕地面積的32.37%。2007—2016年耕地面積增加超過10萬hm2有菏澤市、臨沂市、青島市及德州市，最大的是菏澤市，其耕地面積增加13.48萬hm2。青島市、菏澤市、濰坊市及煙臺市的水土資源分布空間較為不均衡，其中濰坊市耕地面積占全省的10.45%，而水資源可利用量占6.34%，在空間上相對其他地級市分布較不均衡。

圖1 2016年可利用水資源量分布圖(a)和耕地資源分布圖(b)Fig.1 Distribution of available water resources (a) and distribution of cultivated land resources (b) in 2016

3.2 山東省農業水土資源時空匹配格局

3.2.1基尼系數動態變化分析

由圖2可知，2007—2016年山東省可利用水資源量與耕地面積匹配的基尼系數(G)，可以看出，2007的G=0.181，2016年的G=0.169，其G值均較小且處于下降，說明水土資源分配越來越均衡。40%的可利用水資源量用于42%的耕地面積的農業生產。從數據可以看出9個地級市可利用水資源量有所增加，8個地級市的可利用水資源量小幅減少，使得原來空間分布較差的地級市更加平衡，同時耕地面積也小幅增加，因此基尼系數變小說明水土資源的變化上較均衡。

圖2 2007(a)和2016(b)年山東省可利用水資源量與耕地資源匹配的洛倫茲曲線Fig.2 Lorenz curve matching the amount of water resources available in Shandong Province with cultivated land resources in 2007(a) and 2016(b)

由圖3可知，農業用水量與耕地資源匹配的基尼系數(G)在研究期內變化較小，2007年G=0.227，大于可利用水資源量與耕地資源匹配的基尼系數(G)，說明山東省內實際用水量與耕地面積分布不均衡；2016年的G=0.239，較2007年有所增加，而且高于當年的可利用水資源與耕地面積匹配的基尼系數，說明從2007—2016年山東省水資源實際利用情況與分配情況的不均衡程度隨時間變化不斷加劇，29%的農業用水量用于47%的耕地面積的農業生產，這與山東省不同產業間水資源的利用與分配結構變化有關。

圖3 2007(a)和2016(b)年山東省農業用水量與耕地資源匹配的洛倫茲曲線Fig.3 Lorenz curve matching agricultural water consumption and cultivated land resources in Shandong Province in 2007 (a) and 2016 (b)

3.2.2水土資源空間匹配分析

由表2可知，山東省2007—2016年的平均水土資源匹配系數為0.21萬m3/hm2，而全國平均水平為0.56萬m3/hm2[7]，山東省水土資源匹配系數不到全國的50%，遠低于全國水平，研究時段內全省17個地級市中，淄博市、濟寧市、東營市、聊城市、德州市及濱州市的水土匹配系數較高；青島市、濰坊市、威海市、棗莊市和臨沂市的水土匹配系數較低，青島市的水土匹配系數不斷減小，2016年時僅為全省內水土資源匹配系數平均值的25%，分析原因有幾點：1)由于2007—2016年青島市的耕地面積不斷增加，雖然地表水豐富，但是地下水資源相對少；2)青島近年來大力發展第二產業和第三產業，且人口不斷增加，生活用水上升較快，2007年農業用水∶工業用水∶生活用水為4.31∶2.23∶2.81，而2016年三者之比為2.43∶2.01∶4.12，可以看出生活用水大大擠壓農業用水，導致農業用水需求和供給矛盾突出。此外，耕地資源較多的濰坊市、臨沂市、煙臺市的水土資源匹配系數都<0.15萬m3/hm2。

表2 山東省2007—2016年水土資源匹配系數Table 2 Matching coefficient of land and water resources in Shandong Province from 2007 to 2016 萬m3/hm2

從變化幅度來看，2016年山東省的水土資源匹配系數為0.18萬 m3/hm2，較2007年下降26.73%。全省17個地級市中，青島市、萊蕪市和濰坊市等地級市的降幅超過40%，而青島市下降54.84%，為下降最多的地級市；其次是萊蕪市、日照市和濰坊市，下降幅度在40%～54%，除威海市外其他地級市下降幅度在10%～35%，威海市是全省唯一增長的地級市，其水土資源匹配系數增長52.13%，分析用水結構，其農業用水占比超過50%。

從耕地面積來看，2016年山東省耕地面積較2007年增加11.08%，但水土資源匹配系數較2007年卻下降26.72%，下降程度大于耕地面積的增長速度，水土資源匹配系數下降與人口規模增長、用水結構改變、用水效率不高和水利設施工程建設落后有關。山東省作為我國的糧食主產省之一，水資源量相對耕地資源面積的不均衡日益嚴重，將會限制農業發展和糧食生產。

為研究市域尺度山東省水土資源匹配系數時空變化情況，依據水土資源匹配系數的積聚與離散的分異特點，并參考相似省份的水土資源匹配系數，采用自然斷點法(Jenks)將2007和2016年山東省的水土資源匹配系數分成以下4個等級：Ⅰ，匹配程度較優(0.30

由圖4可知，山東省整體的農業水土資源匹配特點是西部優于東部，呈現出西南、西北最優，中部次之，東部最差的分布格局，并隨時間變化水土資源匹配程度不斷降低。2007年山東省有7個地級市的水土匹配程度極差和較差，占全省耕地面積的42.95%， 2016年有9個地級市匹配程度極差和較差，較2007年增加2個地級市，占全省耕地面積的48.70%； 2016年無匹配較優的地級市，較2007年減少6個較優的地級市，這些地級市主要分布在西部及西南部。山東省農業水土資源供需緊張，耕地面積遠遠大于農業用水的供給量，農業用水的供給量與耕地面積間存在錯位現象，原因如下：雖然從整體的水土資源分布情況來看，山東省相對分布平衡，但農業用水量和耕地面積的比例是不協調的，基本全省的農業用水量所占比例都處于下降狀態，下降幅度為2%～22%，而全省的耕地面積均在增加，增加幅度為3%～42%；雖然可利用水資源量近年來變化不大，但隨著社會經濟發展，人口增長，以及對生態環境的重視，用水結構發生了很大變化，工業及生活用水量增長迅猛，大部分地級市生活用水量較2007年增加18%～80%，其中日照市的生活用水量較2007年增加約80%，而2016年青島市的生活用水量約為農業用水的2倍，生態用水增長20%～500%。

圖4 山東省2007(a)和2016(b)年農業水土資源匹配空間格局Fig.4 Spatial pattern of agricultural land and water resources matching in Shandong Province in 2007 (a) and 2016 (b)

3.3 山東省農業水土資源匹配程度評價

本研究主要分析評價2016年山東省農業水土資源的短缺程度，2016年全省的當量系數為1.33，從表1可知，全省的農業水土資源處于水資源中度短缺狀態。由圖5可知，山東省有14個地級市處于水資源短缺狀態，其中有5個地級市是水資源嚴重短缺，其當量系數EF均>1.5，主要分布于東南和中南部，說明其單位耕地面積農業用水量大于自然狀態下的單位土地面積的水資源量，并且農業用水量超出自然資源承載水平；相對平衡的地級市僅有2個；而耕地資源的中度短缺區是青島市，分析原因如下：由數值來看，青島市的單位土地水資源總量為0.08萬m3/hm2，而單位耕地面積的農業用水量為0.05 萬m3/hm2，在用水結構中，用于農業用水的水資源量遠遠小于其總用水量，因此青島市處于耕地資源輕度短缺。這一結果反映山東省農業水土資源處于嚴重的不平衡狀態，水資源的供給量遠遠不能滿足耕地資源的需求量。

圖5 山東省農業水土資源當量系數的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of agricultural soil and water resources equivalent coefficient in Shandong Province

4 討 論

山東省是我國重要的糧食主產省之一，糧食生產情況直接關系到全國的糧食安全狀況[23]，因此山東省水土資源的匹配關系對我國糧食生產具有重要意義。全省人均水資源量為344 m3，這一數值僅為全國平均水平的1/6，占全球平均水平的1/25，根據國際普遍通用的缺水標準，人均水資源量<500 m3視為極度缺水地區，所以山東省為極度缺水地區[24]。盡管山東省區域內水資源分布與耕地資源分布較為均衡，但供需矛盾突出，尤其農業用水與耕地資源間最為劇烈，隨著經濟發展，工業和生活用水會進一步擠占農業用水，研究時段內農業用水下降14.14%，耕地面積卻增加11.09%，缺水地區范圍不斷擴大。2007—2016年農業水土資源匹配系數的值為0.21萬m3/hm2，與已有研究區域相比，甚至低于陜西省榆林市和延安市等城市，這其中青島市、濰坊市和日照市農業水土匹配系數最低，農業水土資源的不匹配將直接影響農業的可持續利用和糧食產量的提升與穩定。

增強區域內水土資源的匹配程度，提出以下建議： 1)加強水利建設，合理儲蓄利用地表水資源。山東省位于季風區，年降雨量豐富，可以因地制宜建設小型、微型水利工程和雨水集蓄工程，增加水資源的供給量。2)提高農業生產中灌溉用水率，發展高效節水農業，因地制宜地實施高效節水模式。3)在發展經濟的同時，合理分配用水結構,保證農業用水滿足區域農業種植需求。

5 結 論

本研究以省級行政區為單位，利用山東省2007—2016年的農業水土資源數據，構建山東省農業水土資源的基尼系數和區域水土資源匹配測算模型，定量分析農業水土資源的時空匹配特征，同時利用當量系數，評價2016年山東省農業水土資源的短缺程度，得到以下結論:

1)本研究在以往研究基礎上，引入農業水土資源當量系數，針對山東省17個地級市的水資源及耕地資源的短缺程度進行具體分析，可以看出山東省14個地級市處于水資源短缺狀態，說明山東省農業水土資源處于較為不均衡的狀態，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。

2)在研究時段內山東省的水土資源空間分布呈現“西北多，東中部少”的分布格局，整體看，山東省的水土資源空間匹配格局較好。但山東省平均水土資源匹配系數為0.21 萬m3/hm2，不到全國平均水土資源匹配系數的一半。隨時間變化研究期內平均水土資源匹配系數呈現下降趨勢，說明17個地級市的水土資源匹配程度開始變差。水土資源匹配呈現西部優于東部的空間分布格局。

3)由于研究時段內農業用水量與耕地面積的基尼系數上升可以看出，水資源實際利用與分配情況的不均衡程度隨時間變化不斷加劇，農業用水量受其他用水的擠占，而耕地面積在研究時段內不斷增加，導致本就供需緊張的農業水土資源的供需矛盾更加突出。