基于地表覆盖数据的农业水土资源匹配格局分析——以辽宁省为例

黄超，王亮，李西灿，张玉

(1.山东农业大学 信息科学与工程学院，山东 泰安 271018；2. 中国测绘科学研究院，北京 100036)

0 引言

农业水土资源是指可利用的水资源与耕地资源，农业水土资源态势事关农业生产的稳定性，水土资源匹配严重错位限制粮食增长[1]。水资源与耕地资源比例的多少直接影响着耕地资源的有效利用程度和粮食产量的产出。辽宁省地势平坦、土壤肥沃，是我国重要粮食生产基地，但是在人类活动的干扰下，水土资源匹配越来越差，其耕地面积占全国3.93%，但是其水源面积仅占全国的1.60%，相对于耕地资源来说，水资源相对短缺，其水土资源匹配状况亟待解决。

目前，学者对农业水土资源研究广泛，研究方法主要有单位面积耕地水资源量法[2-3]和基尼系数法[4-5]2种方法。在研究尺度上，多数学者基于这2种方法以市域[6-7]、县域[8-9]为基本单元对不同尺度区域[10-11]水土资源匹配现状进行研究与分析，且以分析水土匹配现状为主，未从微观角度反映水土匹配对粮食产量的影响。本文基于地理国情监测成果地表覆盖数据进行统计分析[12]，以格网为基本研究单元，将水土匹配系数与粮食产量分布现状相结合，分析辽宁省水土资源空间分布格局及其匹配现状并提出合理化建议，为科学开发水资源与耕地资源、提高耕地利用效率提供技术支撑。

1 研究区状况及数据来源

1.1 研究区概况

辽宁省位于中国东北地区的南部，地理坐标介于118°53′E～125°46′E，38°43′N～43°26′N之间，土壤肥沃，是我国重要的粮食产区。辽宁省属于温带大陆性季风气候区，境内雨热同季，日照丰富，积温较高，雨量不均，东湿西干，年降水量在600～1 100 mm之间。辽宁省境内有大小河流300余条，其中流域面积在5 000 km2以上的有17条，地表水资源丰富。区域土壤类型主要以草甸土和潮土为主，土壤肥沃，适宜种植农作物。但在人类活动的干扰下，农业水土资源匹配越来越差，相对于耕地资源来说，水资源相对短缺，制约着粮食产量。

1.2 数据来源

辽宁省地表覆盖数据来自全国地理国情监测成果数据集，地表覆盖内容指标包含种植土地、林草覆盖、房屋建筑区等8个一级类，监测时间点为2017年，数据采用2000中国大地坐标系；粮食产量分别来自“中国统计信息网”(http：∥www.tjcn.org)各市2017年《国民经济和社会发展统计公报》。

辽宁省地理国情监测数据预处理过程主要包括：根据地理国情地表覆盖数据计算辽宁省耕地面积与水域用地总面积；制作生成辽宁省境内1 km×1 km地理格网单元，计算以地理格网为单元的辽宁省地表覆盖数据；通过数据库查询操作，获取每个格网单元内用地类型面积，生成满足水土匹配格局分析需要的数据集。

2 研究方法

本文提出基于格网单元分析水土匹配系数与粮食产量的空间分布关系，具体方法如下所述。

2.1 水土匹配系数

水土匹配系数是反映特定区域农业生产可供的水资源和耕地资源时空适宜匹配的量比关系，采用单位面积耕地可拥有的水资源量来表示[3]。水土资源匹配系数越大，表明用于农业生产的水资源越丰富，越有利于农业生产；水土资源匹配系数越小，表明用于农业生产的水资源越少。

本文根据2017地理国情监测数据，用农业地表用水和耕地面积测算水土匹配系数，其计算模型为：

(1)

式中：Ri为水土匹配系数；Wi为i的水域面积(104hm2)；Li为i的耕地面积(104hm2)；n为辽宁省内测算单元个数。

辽宁省内各地级市平均水土资源匹配系数反映了辽宁省内市域水土匹配的平均水平。首先将各格网内水土匹配系数进行归一化处理，使得格网内水土匹配系数均在0～1之间。其测算模型如下：

(2)

(3)

2.2 粮食产量空间化

粮食产量空间化的目的是把按行政区统计的粮食产量以一定的规则分解到每一个栅格中去。首先利用地理国情监测数据统计得到各市耕地面积与1 km×1 km格网内的耕地面积计算比重，计算公式如下：

(4)

式中：Ymj表示m市内第j个格网内耕地面积占市域耕地面积比重；amj表示m市内第j个格网内耕地面积(104hm2)；Am表示第m个市内耕地面积(104hm2);m为辽宁省地级市个数。

然后计算格网内粮食产量，计算公式如下：

Qmj=Fm×Ymj(m=1，2，3，…，m)

(5)

式中：Qmj表示m市内第j个格网内粮食产量(104t)；Fm表示第m市粮食总产量(104t)；Ymj表示m市内第j个格网内耕地面积占市域耕地面积比重;m为辽宁省地级市个数。

2.3 分析评价流程

本文以辽宁省地表覆盖数据为基础，对数据进行预处理，统计辽宁省1 km×1 km格网的水域面积与耕地面积。比较辽宁省水土匹配格局与粮食产量分布之间的联系并提出合理化建议，技术路线图如图1所示。

图1 技术路线图

3 研究结果及分析

本文根据地理国情分类体系，统计种植土地下二级类旱地、水田为耕地资源，首先分析辽宁省农业水土资源分布现状，然后分别计算辽宁省1 km×1 km格网下的水土匹配系数、粮食产量，分析基于小尺度的农业水土资源匹配现状，分析结果如下所示。

3.1 农业地表水资源与耕地资源分布现状

以1 km×1 km格网为基本单元，水域面积占比为度量指标，把1 km×1 km格网内水域面积占比分为4个等级，其空间分布图如图2所示。整体来看，辽宁省中部地区水域面积占比高于东、西部地区；分地级市来看，水域面积占比较大的地区主要分布在盘锦、营口西北部、鞍山西部、锦州东部、辽阳西部以及沈阳南部地区。以1 km×1 km格网为基本单元，耕地面积占比为度量指标，将辽宁省内1 km×1 km格网内耕地面积占比分为4个等级，其空间分布图如图3所示。整体来看，中部地区耕地面积占比高于东、西部地区，西部地区优于东部地区；分地级市来看，耕地面积占比较高的地区主要分布在铁岭西部、沈阳、阜新、锦州、盘锦北部、辽阳西部地区。水域与耕地资源占比较高的地区均分布在中部地区，但东、西部地区占比分布存在差异。

图2 辽宁省农业地表水空间分布图

图3 辽宁省耕地资源空间分布图

3.2 辽宁省农业水土匹配格局分析

基于2017年地理国情监测中的地表覆盖数据，运用水土匹配系数测算模型，计算辽宁省以1 km×1 km格网为基本单元的农业地表水与耕地资源匹配格局，将水土匹配系数分为4个等级并在辽宁省区划图上将不同等级进行差异区分，如图4所示，红框内表示辽宁省水土匹配系数较高的地区。

图4 辽宁省1 km×1 km格网水土匹配系数分布图

根据图4得出辽宁省水土匹配格局呈阶梯型分布，整体呈中部地区优于东、西部地区，东部地区优于西部地区；在中部地区，南部优于北部地区。水土匹配系数较大的地区主要分布在营口西北部、辽阳西部、沈阳南部、盘锦、大连南部地区。

对辽宁省1 km×1 km格网内水土匹配系数进行归一化处理并扩大100倍，得到辽宁省各地级市平均水土匹配系数，如表1、图5所示。辽宁省内有2个地级市平均水土匹配系数超过10，最大的为盘锦市，平均水土匹配系数为19.44。平均水土匹配系数最小的是阜新市，为0.22。

表1 辽宁省地级市平均水土匹配系数

辽宁省平均水土匹配系数为4.56。各市平均水土匹配系数如图5所示，辽宁省共有5个地级市的平均水土匹配系数超过辽宁省平均值，分别为盘锦、大连、营口、丹东、本溪；有4个地级市的平均水土匹配系数小于1。

图5 辽宁省各市平均水土匹配系数

以辽宁省1 km×1 km格网为基本单元，辽宁省各市粮食产量数据为基础，用2.2节中的方法将粮食产量进行空间化，并把1 km×1 km格网的粮食产量划分为4个等级，且在辽宁省行政区划图上对不同区域进行差异划分，如图6所示，红框内为辽宁省粮食产量较高的地区。可以看出辽宁省粮食产量呈阶梯型分布，中部粮食产量高于东、西部地区，西部地区产量高于东部地区。粮食产量较高的地区主要分布在盘锦、锦州北部、辽阳西部、铁岭西北部、沈阳市，这几个市的粮食产量占全省粮食产量的50%。

图6 辽宁省1 km×1 km格网粮食产量分布图

比较图4、图6得出，辽宁省水土匹配分布格局与辽宁省粮食产量分布相关，总体来说辽宁省水土匹配系数与粮食产量一致，主要分布在辽宁省中部地区。但东部地区与西部地区粮食产量与水土匹配存在空间错位现象，因为辽宁省东部地区为长白山支脉哈达岭和龙岗山的延续部分，坡度在25°以上，不适宜耕种农作物，所以东部地区即使水土匹配现状较好但其粮食产量却最低。

以格网为单元进行分析，在水土匹配系数较高的地区其粮食产量反而很低，粮食产量较高的地区主要分布在水土匹配系数较高的周围地区，因本文计算水土匹配系数选取水域面积为指标，在面积相同的区域内，水域面积占比越大，其耕地面积占比相对越小，耕地面积越小，其粮食产量则越低，所以水土匹配系数最高的地区其粮食产量反而较低。但邻近区域可以通过兴修水利工程获得水资源，所以在邻近水土匹配系数较高的区域其粮食产量相对较高，例如水土匹配系数较高地区与粮食产量较高地区都分布在中部地区，这说明水土匹配情况与粮食产量有关系，水土匹配情况好坏影响粮食产量高低。

4 结束语

本文以辽宁省地表覆盖数据为基础，分析辽宁省农业水土匹配现状及其空间分布格局，并与辽宁省粮食产量空间分布格局相结合，根据分布现状提出提高粮食产量的合理化建议，为合理化开发水资源与耕地资源提供技术支持。研究结果表明：辽宁省水土资源空间分布不均，耕地资源中部最多，西部多于东部；水资源中部最多，东部多于西部，水土资源分布存在空间错位现象。辽宁省有5个地级市平均水土匹配系数超过辽宁省平均值，其中盘锦市平均水土匹配系数最大，为19.44。农业水土匹配空间分布格局为中部地区优于东、西部地区，东部地区优于西部地区，水土匹配情况最好的地区主要分布在中南部。粮食产量空间分布格局为中部地区优于东、西部地区，西部地区高于东部地区。中部地区粮食产量分布与水土匹配空间分布格局相同，东、西部地区水土匹配现状与粮食产量分布存在空间错位现象。总体来说，水土匹配好坏影响粮食产量高低。

基于以上研究，针对不同地区水土匹配情况提出以下建议：中部地区政府应加大力度保护水资源，在水土匹配较好的地区根据当地的气候等其他因素可增加需水量较多的农作物的种植。东部地区应根据地形、气候等条件选择适宜的农作物进行种植。西部地区应根据水土匹配现状，兴修水利或种植耗水少、耐干旱的农作物，大力发展节水农业，加大像喷灌、微灌等高效农业节水体系的建设，以期提高粮食产量。

虽然本文对辽宁省水土匹配现状与粮食产量现状进行了研究，但是仍存在不足之处。首先本文水资源采用的地理国情监测地表覆盖数据中的水域为地表水资源，未能考虑地下水资源；其次粮食产量还受地形、化肥用量、农用机械总动力、气温、日照数等因素的影响。在以后的研究中将考虑以上因素，提高水土匹配分布准确度和粮食产量空间化精度。