河南省水土资源匹配特征及均衡性分析

王亚迪 左其亭 刘欢 史树洁

摘要：河南省作为传统的农业大省，是我国粮食主产区之一，其水资源情势复杂，开展水土资源匹配研究对保障河南省农业粮食生产具有积极的作用。基于区域水资源与耕地资源的匹配组合，计算了2000-2014年全省及地市尺度的水土匹配系数，绘制了水土资源的洛伦茨曲线，并据此计算其基尼系数，以综合反映河南省水土资源匹配的不均衡程度。然后，使用农业用水比例、水土匹配系数和基尼系数对比分析了河南省水土资源及其匹配状况在时间与空间分布的变化规律，研究发现河南省水资源在数量上相对短缺，部分地市水土匹配均衡状况不够理想，但总体比较均衡。最后，对河南省水土资源匹配格局的进一步优化提出建议。

关键词：水资源；耕地资源；水土匹配系数；洛伦茨曲线；基尼系数；河南省

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.013

水资源与耕地资源均为支撑区域粮食生产和社会经济均衡发展的重要基础。近年来，经济社会的发展和城市化的扩张导致水土资源的开发利用率不断加大，而水土资源的供给是有限的，人类社会长期以来对水土资源和生态环境的不合理开发利用，往往会超出资源与环境的承载能力，破坏水土资源合理的匹配结构，降低部分耕地资源的粮食生产能力，影响国家社会经济均衡发展¨。在农业生产中，耕地的面积、质量、利用程度及其区域分布差异对地区粮食生产能力具有决定性作用，而水利条件直接影响着耕地的生产效率。水与耕地匹配结构不合理严重阻碍了区域的农业生产现代化的快速推进，因此国家必须制定长期规划目标，将有限的水土资源进行优化配置利用。而对水土资源的匹配状况进行准确的评价和把握，则是开展相关工作的前提和基础。

国外关于水土资源的研究侧重于土地利用与水资源变化之间的相互影响和反馈作用，而探讨水土资源匹配状况的较少。国内对水土资源匹配的研究很多，可分为两类：一是进行区域水土资源匹配的定量分析，将区域单位面积耕地所占有的水资源数量（水土匹配系数）作为匹配组合状况的衡量指标；二是将一个地区看作多个子区构成的组合体，通过计算水土资源在各子区之间分布的不均衡程度，即该地区水资源与耕地资源的基尼系数来反映其匹配状况。两种方法计算原理不同，结果分析各有侧重，水土匹配系数可以简单直观地反映一个地区水土资源的匹配程度，但无法进一步认识资源在区域内部分配的不均衡程度：而基尼系数可以很好地反映水土资源在其内部分配的不均衡性，但对于该地区及其各子区自身的水土资源匹配状况缺乏定量分析。因此，两种方法的特点决定了单独利用其中一种进行水土资源匹配程度的量化分析，所得量化结果在反映区域水土资源匹配状况时都会存在一定局限和不足。

鉴于此，笔者在分析河南省水土资源匹配状况时，将两种方法综合使用。首先以河南省及其18个地市为研究对象，计算其水土匹配系数，了解水土资源在河南省及其地市尺度上的匹配状况：然后计算河南省水土资源基尼系数，量化认知水土资源在河南省18个地市分布的不均衡性，以期更加全面、系统地了解河南省水土资源的匹配状况。

1 研究区概况

河南省处于我国中部地区，下辖18个地级市，总面积为16.7万km2。河南省从北向南跨越海河、黄河、淮河、长江四大流域，多年平均降水量为771.1mm，呈南多北少的态势，并且降水量的年内分配极不均衡，6-9月降水量占全年的45%～60%。省内水资源情势复杂，多年人均水资源占有量为420m3，仅为全国的20%，且时空分布不均。河南省是粮食生产大省，2014年粮食种植面积为1020.98万hm2，粮食产量5772.3万t，占全国总产量的1/10。

随着河南省人口结构变化和经济快速发展，非农业用水大幅增加，不可避免要挤占农业用水，造成农业用水形势紧张。如何协调水资源利用与粮食生产是河南省未来一段时期需要重点考虑的问题。对于一个地区来说，水资源与耕地资源的空间分布将直接影響农业生产和用水格局，两者良好的匹配组合将为农业生产提供有力支撑。因此，笔者采用水土资源匹配测算模型、洛伦茨曲线和基尼系数方法，对河南省2000-2014年水土资源的匹配特征及不均衡性进行分析，以期促进区域水资源与耕地资源的协调利用，实现水安全和粮食生产安全双重目标。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

选择河南省18个地市2000-2014年的水资源总量、总用水量、农业用水量、耕地面积等系列资料，分析河南省水与耕地的匹配特征及均衡性变化。所有数据均来源于河南省历年统计年鉴和水资源公报。

2.2 研究方法

2.2.1 水土匹配系数计算方法

水土匹配系数是指区域内平均每公顷耕地占有的水资源量，反映区域内水资源和耕地资源的组合状况以及水对耕地的满足程度。水土匹配系数越大，能够用于该区域的农业水资源就越丰富，对区域内耕地的满足程度就越高、越有利于耕地的粮食生产：系数越小，能够用于农业的水资源量就越匮乏，而水资源作为农业生产的基础支撑条件，在区域内的匹配程度越低，往往成为农业健康发展的制约性条件。

河南省地市尺度的水土匹配系数计算公式为式中：Rwli为第i个地市的水土匹配系数，万m3/hm2：wt为第i个地市的水资源总量，万m3；χi为第i个地市农业用水量占用水总量的比例：Li为第i个地市的耕地面积，hm2；n为地市个数，河南省取18。

河南省尺度的水土匹配系数计算公式为式中：Rp为河南省水土匹配系数，万m3/hm2：χp为河南省农业用水量占用水总量的比例。

2.2.2 洛伦茨曲线与基尼系数计算方法

（1）基本原理。洛伦茨曲线1905年由美国著名科学家洛伦茨提出，用来比较和研究国家或地区居民收入分配的均衡性状况。图1横坐标x的含义为将人口分组按照经济收入的多少由低到高排序所获得的人口数量累计百分比，纵坐标y的含义为对应收入的累计百分比。该曲线y=f（x）可以直接表达区域内经济收入的不均衡状况，经济收入越均衡，该曲线越接近直线y=x；越不均衡，则该曲线越接近于x轴。

洛伦茨曲线的优点是能够图形化展现收入分配的不均衡状况，但无法对此进行定量表达，这个时候就需要借助基尼系数。基尼系数G可以通过图1中的直线y=x与曲线y=f（x）合围区域的面积A，除以直线y=x与x轴围成的区域面积（A+B）来进行计算。基尼系数G的值在0～1的范围内，可以作为统计指标定量测量收入分配的不均衡程度。基尼系数表达式为

基尼系数不但计算方法较为简便，而且能客观、准确地评价居民收入的差距，于是很多学者在许多非经济领域应用基尼系数来分析和比较研究对象的总体匹配程度。联合国相关机构总结了基尼系数与其评价结果之间的对应关系，见表1。

（2）绘制洛伦茨曲线。首先，计算河南省18个地市2000-2014年农业水资源量与耕地面积分别占河南省总量的比例：然后，将每一年的区域水土匹配系数按从小到大排序，分别计算出农业水资源量与耕地面积的累计百分比：最后，以耕地面积的累计百分比为x轴，以农业水资源量的累计百分比为y轴，拟合河南省每年的区域水资源与耕地资源分布的洛伦茨曲线。若某年的水土资源匹配洛伦茨曲线越趋于直线y=x，则该年的水土资源匹配越均衡：反之表明水土资源匹配不够均衡。通过绘制出的洛伦茨曲线可以直观显示河南省18个地市2000-2014年水资源与耕地资源空间分布的均衡情况。

（3）计算基尼系数。基尼系数有多种算法，本文采用如下公式：式中：Mi为第i个地市的农业水资源量累计百分比，n为地市个数；Pi为第i个地市的耕地面积累计百分比。本文选择河南省18个地市进行研究，故i从1到18取值。

2.3 水土资源匹配程度计算结果

根据上述计算方法，利用收集整理得到的数据对河南省18个地市的水土匹配系数进行计算，2000-2014年河南省水土匹配系数见表3。然后，分别计算2000-2014年河南省农业水资源量和耕地面积的累计百分比，绘制历年的水土资源洛伦茨曲线图。利用已有數据输入公式可以获得2000-2014年河南省的水土资源基尼系数（表2）。

3 结果分析

3.1 河南省水资源与耕地资源匹配格局的现状分析

通过计算2000-2014年河南省18个地市的农业水资源量、土地垦殖率、水土匹配系数3个量化指标，使用ArcGIS软件对省内各个地市多年平均水土资源匹配状况进行研究，并将地市尺度与省域尺度的水土匹配系数进行对比分析，以反映各地市水资源与耕地资源匹配组合状况在空间上的差异性。

农业水资源量是量化地区内部能够供农业使用的水资源丰富程度的指标，农业水资源量越大，则农业发展的用水保障能力就越强。2000-2014年河南省各地市农业水资源量（见图2）呈现的特点是豫南水量丰富，豫北水量短缺，东西两侧比中部水量多。河南省各地市农业水资源量最多的区域是南部的信阳、南阳、驻马店3个地级市。豫南降水较多，具有水资源禀赋优势，豫北和豫中地区水资源禀赋较差。

土地垦殖率是指某地区的耕地占该地区总面积的比例，是农业开发规模和强度的量化指标。2000-2014年河南省各地市土地垦殖率（见图3）呈现的特点为豫东和豫北高，豫西和豫南低，由西南向东北方向递增。该分布规律与河南省地形有关，豫西和豫南信阳市的地形以山地和丘陵为主，耕地资源连片开发利用较为困难，土地垦殖率较低：而豫东和豫北地区多为平原，土地平整，农业土地开发利用率较高。

2000-2014年河南省各地市多年平均水土匹配系数为3080m3/hm2，从18个地市来看，豫南和豫西6个地市的水土匹配系数大于河南省平均值，其余12个地市的水土匹配系数小于河南省平均值，各地市水土匹配系数的空间分布与农业水资源量、土地垦殖率相比具有明显的空间差异性（见图4）。豫南的信阳市、驻马店市水土匹配系数最高，原因是这2个地区一方面农业水资源量较多，另一方面土地垦殖率较低，因而水土资源匹配程度较高，政府应积极修建农田水利灌溉设施，促进水利条件发挥潜能，支撑农业发展。豫西的济源市、三门峡市、焦作市农业水资源量分布较少，土地垦殖率相对较低，造成水土资源匹配程度一般。豫中地区的郑州市等3个地区的水资源与耕地资源匹配程度最差，是其水资源数量相对短缺，而耕地资源相对丰富造成的，政府应加强水利设施建设，提高水资源利用率。2000-2014年河南省18个地市多年平均水土匹配系数最大的是信阳市（8782m3/hm2），最小的是许昌市（1193m3/hm2），与省域尺度水土匹配系数3080m3/hm2对比存在空间差异性。2000-2014年河南省水土资源基尼系数平均值为0.29，属于比较平均的合理范围之内，说明河南省水土资源空间匹配总体比较均衡，作为农业大省的总体基础较好，但仍要重视省内地市之间存在的水土资源差异性，才能实现农业可持续发展与水土资源高效利用。

3.2 河南省水资源与耕地资源匹配格局的变化分析

通过绘制河南省水土资源洛伦茨曲线，可以发现河南省各地市的水土资源匹配具有显著的不均衡性，并且历年的不均衡程度有较大变化。通过分析2000-2014年河南省全省的农业用水比例、水土匹配系数和基尼系数，可以发现河南省水土资源匹配程度在时间上具有规律性。用水结构的变动与经济社会发展息息相关。2000-2014年河南省农业用水比例平均值为0.596，15a来呈现稳中有降的变化趋势（见图5），农业用水比例从2000年的0.655下降到2014年的0.538。原因：一方面是随着城镇化的发展，工业和生活用水比例上升：另一方面是节水农业得到发展，农业用水效率不断提升，农业用水量得到控制，因而造成农业用水比例下降。

2000-2014年河南省省域尺度的水土匹配系数的平均值为3080m3/hm2，15a来呈剧烈波动的下降趋势（见图6）。例如2001年为枯水年份，而2003年汛期雨量偏多，降水量比上年增加52.5%，导致水土匹配系数从2001年的2114m3/hm2增大到2003年的5467m3/hm2，原因是多年来河南省耕地资源具有相对稳定性，但水资源具有随机变化性，因而导致水土匹配系数变化较大。随着时间的推进，匹配系数的变化幅度越来越小，2014年河南省省域尺度水土匹配系数仅为1903m3/hm2，反映出随着水利工程建设发展，水资源可利用量趋于稳定，再加上用水结构的调整，工业用水和城乡生活环境用水比例提升，耕地所能利用的农业水资源在数量上呈现出下降的趋势。2000-2014年河南省各地市的水土资源匹配系数变化具有明显的差异性，省会郑州市2000年的水土匹配系数为2451m3/hm2，而2014年仅有653m3/hm2，2011-2014年郑州市水土匹配系数均为全省最小值，这与郑州市的产业布局和用水变化息息相关。信阳市2014年的水土匹配系数为4793m3/hm2，表明该市具有水资源禀赋优势，水土匹配系数多年来始终位于全省前列。

基尼系数能够反映出河南省水资源与耕地资源之间匹配组合的不均衡状况。2000-2014年河南省水土资源匹配基尼系数平均值为0.29，15a年来呈小幅波动、总体稳定趋势（见图7），最大的为2002年的0.41，刚突破联合国建议的警戒线，而其他年份都稳定在合理范围之内，水资源与耕地资源匹配组合比较均衡。这说明河南省作为粮食生产大省，政府对水资源和耕地资源一直非常重视，多年来的农田开发和水利工程建设使水土资源匹配的不均衡程度处于合理范围内。

水与耕地的根本问题并不是资源数量不足，而是水资源在时间和空间上分布不均与耕地资源开发利用匹配结构不均衡等原因造成的资源利用效率不高。在河南省范围内进行水土资源空间匹配的定量研究，对于河南省水与耕地资源的科学配置和高效利用意义重大。研究发现，信阳、济源、驻马店等地市的水土匹配系数较高，突出表现为“水多地少”的水土資源不匹配格局，需要充分重视洪涝灾害对农作物生产的影响，一方面加强农田水利基础设施建设，增强农田的防洪除涝能力，另一方面要强化当地以及与其他地区之间的江河湖库水系连通，增强当地水资源调蓄能力。对于郑州、许昌、漯河等地区水土匹配系数较低的“水少地多”的资源不匹配状况，一方面应从土地利用角度改善农田灌溉条件，积极完善农田水利基础设施，提高水资源的利用效率，另一方面需调整农业种植结构，积极发展低耗水、高价值的农产品，充分发挥农业用水效益。对于水土资源相对比较均衡的周口、鹤壁、新乡等地区，在水资源和耕地资源维持现状格局的情况下，通过一系列工程和非工程措施建设以及农业种植结构调整，进一步优化水土资源利用，使水土匹配格局的优势及效能发挥到最大。此外，在改善区域水土资源匹配的不均衡状况时，必须坚持政府管控与市场机制两手发力，合理制定农业水价政策与水权交易制度，持续提升农业用水效率，节约和保护珍贵的农业用水，逐步消除制约区域农业健康发展的不利因素，推动区域农业生产和经济社会均衡发展，为保障我国的农业生产和粮食安全发挥积极作用。

4 结语

水土匹配系数不仅可以用在地市尺度上进行横向比较，将不同地市作为研究对象分析个体之间的空间差异性，还可以将河南省总体与每个地市的水土匹配系数进行纵向对比。洛伦茨曲线和基尼系数体现了各地市之间差距情况，是各地市水土资源分布差异性的综合反映。水土匹配系数和基尼系数的组合运用可以作为一种资源匹配程度和均衡性分析的数据挖掘方法，用于分析水土资源的匹配特征及区域内部分布的不均衡情况。

通过分析河南省水土资源分布的基本状况，评估河南省及其18个地市2000-2014年水土资源匹配的均衡程度，可以发现：①河南省南部水量丰富，北部水量短缺，东西两侧比中部水量多，水循环造成了区域水量分布非常不均衡：而河南省耕地资源丰富，空间分布具有相对稳定性。②河南省水资源量相对短缺，部分地市水土匹配均衡程度不够理想。2000-2014年河南省各地市多年平均水土匹配系数为3080m3/hm2，南部和西部水土匹配状况较优，而中部地区水土匹配状况较差。③2000-2014年河南省水土资源匹配基尼系数平均值为0.29，表明全省水土匹配状况总体比较均衡。