区域农业水土资源利用分区指标体系建设方案*——以西北旱区为例

张青峰，张 翔，田 龙

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100；3.陕西测绘地理信息局，西安 710054)



·农业区划·

区域农业水土资源利用分区指标体系建设方案*
——以西北旱区为例

张青峰1， 2，张 翔1， 3，田 龙1

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100；3.陕西测绘地理信息局，西安 710054)

针对现有的农业水土资源利用评价中将农业水、土资源视为独立系统分别进行研究容易导致无法正确评价区域水土资源匹配状况的问题，文章以西北旱区为例，将农业水、土资源作为一个整体系统，以区划方法和地带性分异规律为指导，在充分考虑水土资源生态与环境现状、管理及趋势的基础上，分析确定分区目标、分区单元、指标选取原则的基础上，以县域作为基本分区单元，提出了一套从大尺度、中等尺度到小尺度，由目标层、准则层、因素层、元素层组成的等级嵌套的农业水土资源利用分区指标体系，并对西北旱区一级分区指标进行了信度分析与制图实践。结果表明，标准化后的数据具有相当好的可信度，该指标体系能较为全面地反映不同尺度西北旱区农业水土资源利用系统的空间分异特征、时空量比关系和需求状况，具有良好的普适性，可为较大尺度范围内开展区域农业水土资源利用分区提供指标方法，也对农业水土资源的充分利用提供分区指导。

水资源 土地 尺度 西北旱区

0 引言

农业水土资源是人类赖以生存与生活的物质基础。随着我国人口及农产品需求量的持续增长与水土资源有效供给刚性约束矛盾的不断加剧，人均耕地数量与质量的不断变化，农业灌溉用水的严重不足和无效浪费及其水土资源空间布局的不匹配直接影响到现实耕地生产力水平的提高，由此引发的中国粮食生产安全问题已成为国内外学术界十分关注的话题。而在维护粮食安全过程中如何正确地评价和合理利用十分有限的耕地资源和水资源，成为一个十分严肃的问题。

水土资源的时空耦合是农业生产的先决条件。但已有文献通常将水资源和土地资源分别进行研究[1]，或以GIS与模型方法为基础进行水土资源动态变化[2]以及水土资源优化管理与决策分析[3-4]。有关水土资源开发与优化配置的研究也多偏重于水资源[5-7]，而将二者结合起来开展特定区域水土资源匹配状况评价及其时空差异性分析的研究成果较少[8]。

在西北旱区范围内，不同学者曾做过不同尺度、不同内容的农业区划，有省级、县级、流域级区划，也有综合区划和专项区划，如土地利用分区[9-12]、水文水环境分区[13-16]、节水农业区划[17-20]、主体功能区划[21-22]、综合农业区划[23]、种植区划[24-27]等。从整体上看：(1)目前对于水土资源利用区划的研究多单独进行，或针对水资源，或针对土地资源，未能将两者有机地结合起来，专门针对区域农业水土资源利用进行的区划较少； (2)研究区主要集中在中、小尺度上，大尺度尤其是涉及以西北旱区为对象的区划研究很少，所采用的指标体系未能真正地建立在农业水土环境分异规律基础上；(3)以往以单一要素为内容的区划，所采用的指标体系多是针对人类的某种需要而设定，注重单一系统的经济价值和直接价值，而忽视了其自身的生态价值和间接价值等功能分析。水资源和土地资源作为限制农业发展的两个关键因子，其综合作用及其耦合效应对农业生产的影响往往高于单个因子影响。因此，在继承与发展已有区划基础上，文章提出农业水土资源利用区划的指标体系并开展分区实践，对于因地制宜地开发利用区域水土资源潜力，实现农业水土资源的优化配置，保障区域的粮食安全、生态安全和战略水安全具有重要作用。

1 研究区概况

我国西北旱区主要是以地理气象特征命名的区域，位于北纬31°33′～49°11′，东经73°28′～119°54′； 东至内蒙古锡林郭勒盟，西到新疆边境，南沿秦岭-淮河的北麓，北达中蒙国界，辖新疆、青海、甘肃、宁夏四省的全部，陕西关中平原、陕北高原及内蒙古高原等地，共6省(自治区)397个县(市、旗)，东西长约3 800km，南北宽约2 100 km，总面积373万km2，约占全国国土面积的38.9%。

西北旱区地域范围广袤，农业资源利用条件的差异性明显。该区农业水土资源匹配严重错位，粮食平均水分生产效率(0.40kg/m3)明显低于全国水平(0.85kg/m3)且水资源严重短缺，制约着该区社会经济发展。分析和评估该区农业水土资源潜力并制定相应的区域农业水土资源发展战略，提高农业水土资源利用效率及效益是解决这一问题根本出路，也一直是学术界讨论的热点问题。但至今仍旧没有一个总的西北旱区农业水土资源利用分区方案，也就很难有效地制定西北旱区农业水土资源发展战略，并布设相应的农业水土资源开发利用项目。为此而进行的西北旱区农业水土资源利用区划研究就成为必然。

2 分区指标体系建立的理论基础

2.1 分区目标

分区目标不同，分区的方法和设计出的分区框架也不同[6]。 在西北旱区这一较大研究范围内，人口密度、地形地势、热量与温度、降水、气候类型、河流、农耕活动等自然与社会经济条件均存在显著差异。根据当前西北旱区农业系统、水土资源空间分布及利用和管理现状，参考中国和国际水土资源利用分区的目标[28， 29]，确定西北旱区农业水土资源利用分区的目标： ①在较大尺度上从农业自然条件异同的角度出发来整体上认识水土资源的供给程度，用以补充在较小尺度上以行政分区或单一系统(要素)分区而造成的整体性、系统性判识的不足，不同尺度相互嵌套和补充，为因地制宜地开发利用区域农业水土资源潜力提供科学依据； ②发展和完善现有水土资源利用优化配置体系。西北旱区地域辽阔，农业水资源系统与农业土地资源条件差异大，建立一个适应较大研究范围不同尺度下农业水土资源利用分区的优化配置模型与情景模拟体系，以弥补理论研究不足的缺陷； ③通过分区，掌握较大研究范围内农业水土资源的空间结构，识别出水土资源利用环境敏感程度高且具有独特功能特性的水土资源利用区，进行优先保护和利用，以把当前有限的资源投入到最需开发或保护的区域。

2.2 分区的基本单元

分区基本空间单元的确定直接决定着区划的成效。空间单元过大，区域的主体功能将难以准确界定； 空间单元过小，则空间单元的数量较多，数据收集和整理的工作量和难度加大，且对区域发展的限制约束过多，不利于区域间的协调发展。理论上讲，农业水土资源利用分区应该不囿于行政界线，但从我国水土资源利用政策实施的有效性和可操作性方面看，西北旱区农业水土资源利用分区仍要依托现有的行政区划，应以县域为基本分区单元。由于西北旱区范围内县域面积相差悬殊(11.0km2～19.9万km2)，因此对于面积较大且自然条件存在差异较大的县域，可以乡镇作为基本划分单元。在局部一些区域，如重要交通线、产业区、大山大江大河及流域等，还可适度打破行政区界限，构建跨行政区的农业水土资源利用分区，从总体上保障农业水土资源利用区的顺利实施。

2.3 指标选取原则

分区考虑的内容和因素越多、越复杂，区内的差异就越大，范围就越受局限，使分区变得非常困难甚至无法进行。作为一种特定的目的性区划，西北旱区农业水土资源利用分区指标的设置，应以不同尺度下的分区目标为基础，从实际需要和可能为出发点，考虑其自然地域分布和人类经济活动的区域异同规律，遵循科学系统性、代表性、差异性、独立性、可行性、宜量化等基本原则进行设置。同时也要坚持水土资源均衡利用和可持续发展的观点，符合科学原理和主客观要求。

3 指标体系建立

指标体系构建是区划研究过程的重要理论依据和基础环节，它关系到最终区划结果的科学性与合理性。在分区目标和原则的基础上，分区目的和尺度不同，在分区指标的选择上也应各有侧重，按照选取原则和分区等级，选取定性和定量指标。

3.1 一级区：大尺度区域(LevelⅠ)(106km2左右)

地域分异规律是区划的基本依据和准则[32]。一般而言，较高级的单位划分，着重以不能改变或不易改变的自然要素为主要依据[33]。西北旱区农业条件和社会发展水平差异的形成，主要受气候和地形等宏观要素的影响和制约，如西北旱区范围内同时存在着温带大陆性/沙漠性/草原性气候、温带季风气候、高原气候和高山气候，有效积温为466～4 977℃，年均温-0.2～13℃，年均降水量33.8～722mm，干燥度1.3～72.7，海拔305～4 803m，使西北旱区农业水土资源系统在结构和功能以及系统的边界特征上表现出明显的地域差异。因此，大尺度的一级区划分首先必须考虑能反映地域分异规律的宏观自然生境因子，同时适当考虑大尺度地貌格局，作为重要的分区指标和依据。

3.2 二级区：中等尺度区域(Level Ⅱ)(103km2左右)

农业土地资源系统与农业水资源系统是西北旱区农业生产的物质基础，二者相互耦合是农业水土资源利用的最本质特征。西北旱区范围内农业水资源和耕地资源的地域分布极不均衡，北多南少、西多东少，且利用方式多样，如农业用水比为0.0～1.0，复种指数0.2～4.5，种植业比例0.0～0.6，耕地灌溉率0.0～6.5，农业水土资源匹配指数0.02～2.31[34]。因此，二级区划指标应从农业水土资源空间分布格局和水土资源耦合高效利用内涵出发，选取能反映区域农业水、土资源特征及其时空分配的均衡状况和影响因素的状态指标。

3.3 三级区：小尺度区域(Level Ⅲ)(10km2左右)

人类活动是农业水土资源利用的最活跃和最积极的因素，人类活动不仅影响区域水土资源供需平衡状况，体现着当地不同的水土资源利用结构和潜力，也反映了农业水土资源系统对人类活动的响应状况。西北旱区人口分布极不平衡，人口密度从0.1万人/km2～3.2万人/km2，且城市和平原的人口密集程度较为突出，大部分人口分布在乡村，对水资源和耕地资源的需求和压力状况也有显著的差别。因此，三级分区指标应着重考虑人类活动对农业水土资源系统影响的动态指标。

鉴于系统结构的多层次、多功能和影响因素的复杂性等特点，根据分区原则，在总结以往研究成果、野外调研、数据收集与分析的基础上，通过专家咨询，选取和构建了包括目标层、准则层、因素层、元素层[35]共4层(表1)，作为西北旱区农业水土资源利用分区指标体系。

表1 西北旱区农业水土资源利用分区尺度与指标

4 信度分析与分区实践

4.1 信度分析

信度分析(Reliability Analysis)是用于评价统计指标体系作为测量工具的稳定性或可靠性，即运用统计指标体系对事物进行测量而所得结果的一致性程度。它一般用信度系数来评价，信度系数越大，表明测量的可信程度越大。该文采用目前最为常用的克伦巴赫信度系数法(Cronbach′s Alpha)对该指标体系进行信度分析[36]，其计算公式为：

(1)

囿于指标数据获取的完整性和难度，该文仅对一级分区指标数据进行信度分析，结果见表2。

表2 可信度分析结果

从表2 可知，未标准化指标项的Cronbach′sAlpha值仅有0.059，指标的可信度较差，但是标准化指标项的Cronbach′sAlpha值却达到0.799，说明经标准化处理后的指标间平均得分的一致性好，指标的可信度相当好，能够客观地评价西北旱区水土资源利用现状。

4.2 一级分区实践

西北旱区一级分区结果见图1。

图1 基于县域的西北旱区农业水土资源利用分区

各分区的主要特征见表3。

表3 西北旱区一级分区主要特征

由图1和表3可知，较以往的分区成果相比，西北旱区农业水土资源利用一级分区除了反映农业种植气候条件外，还增加了对土地资源和水资源禀赋指标，更能从较大尺度上体现出农业水土资源的地域空间分异特征，实现了一级分区的总体目标。然而，一级分区仅反映了农业水土资源利用的现状轮廓，若要更好地服务于农业水土资源利用，反映农业水土资源的利用现状与匹配状况，因地制宜地对农业水土资源进行管理、开发利用与保护，仍需要在中等尺度和小尺度上开展指标更详细和具体的分区实践研究。

5 结论

该文以西北旱区农业水土资源禀赋与利用现状出发，将农业水、土资源作为一个整体系统，通过分区目标、以县域为基本分区单元的确定、分区指标的选取原则、分区指标的建立及其信度分析、分区实践等问题的研究，形成了一套较为完整的西北旱区农业水土资源利用分区指标体系构建的理论与方法。

西北旱区农业水土资源利用分区是一种分区尺度由大、中、小尺度组成的等级嵌套的分区体系。在大尺度上提出了基于农业种植气候和生产条件的一级分区指标体系(反映宏观自然生境因子)，在中尺度上提出了基于农业水资源、农业土地资源、水土资源时空分配均衡状况与满足程度的二级分区指标体系(反映状态的因子)，在小尺度上应为按照农业水土资源承载和可持续利用特征的三级指标体系(反映动态的因子)。3个不同尺度的指标体系相互补充，较以往的区划指标体系更为全面，丰富和完善了在较大尺度区域范围内开展农业水土资源利用分区和指标体系构建的理论和实践方法，达到有效地开展评价、保护和利用区域农业水土资源的最终目标。将来在实际应用中，可建立系统动力学模型进行指标的定量运算，并根据定性和定量分析的特点加以检验。

目前的科学技术水平还不能使我们完整、准确和清晰地理解农业水土资源利用相关的各个领域，而且对于农业水土资源利用各构成因素的认识也需要一个过程，且目前由于人口、社会经济和生态环境这些构成因素之间的关系研究还没有达到足够的深度和广度，因此，现阶段在反映西北旱区农业水土资源利用分区指标体系中很难准确刻画出各系统关系间的全貌，不可能一次性地得到一个科学的、完善的、可行的农业水土资源利用分区的指标体系，只能在完善性和需求性之间做一定的折中或妥协[38]，即我们只能为了实践的需求，尽快建立一个比较可行的指标体系，之后在实践中从理论和实践两个方面不断使指标体系逐步得到完善。

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REGIONALIZATION INDEX SYSTEM OF AGRICULTURAL LAND AND WATER RESOURCES UTILIZATION*——A CASE STUDY OF NORTHWEST ARID AREA

Zhang Qingfeng1， 2，Zhang Xiang1， 3，Tian Long1

(1.College of Natural Resources and Environment，Northwest Agriculture and Forest University，Yangling, Shaanxi 712100, China；2.Institute of Water-saving Agriculture in Arid Area of China，Northwest Agriculture and Forest University，Yangling, Shaanxi 712100, China；3.Shaanxi Administration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Xi′an 710054, China)

In current studies it is hard to make correct evaluation on the agricultural land and water resources utilization if taking land resource and water resource system as two separate systems. Therefore, quantifying and understanding the coupling development status of this system is crucial to promote a healthy environment for agricultural land and water resources utilization. Taking northwest China as an example, this paper established a regionalization index system of agricultural land resource and water resource system based on the regionalization method and the zonal differentiation rule. It covered four top-down structured hierarchical levels: target layer, criteria layer, factor layer and the element layer. Subsequently, reliability analysis for the 1st-level indicators value was conducted. The results showed that the full-scale index system can reflect the basic natural similarity and disparity of agriculture systems at the microscopic scale, regional resources attributes and efficient utilization characteristic at the medium scale, and the impact of human activities on agricultural land and water resources at the macroscopic scale. Furthermore, the index system can comprehensively reflect various influences of indicators in different scales, such as the spatial differentiation, spatio-temporal quantity ratio, and supply-demand relationship. Simultaneously, it had very good credibility when the original index value was standardized. It demonstrated that the regionalization index system of agricultural land and water resources utilization was comprehensive, concise and applicable, which can be used to reliably assess the local agricultural land and water resources utilization at large-scale level, such as the northwest arid area. It can provide scientific basis and reference for further regionalization studies.

water resource; land; scale; northwest arid area

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160920

2016-03-01

张青峰(1974—)，男，山西孝义人，博士、副教授。研究方向：土地资源与空间信息技术。Email：zhqf@nwsuaf.edu.cn

*资助项目：国家科技支撑计划项目“西北旱区农业水土资源潜力与高效利用模式集成及应用”(2011BAD29B09-1)

F323.2; F323.1; S11+7

A

1005-9121[2016]09-0117-08