新疆农业水土资源时空匹配研究

谢桂云，张飞云

(新疆农业大学 管理学院，乌鲁木齐 830011)

水土资源是人类生产和发展所必需的最基本的物质条件，同样也是粮食生产的基础[1]。水资源和土地资源之间存在着相互匹配和平衡的关系，其中一种资源的短缺必将会影响到另一种资源的利用，最终会导致水土资源综合利用率的降低，农业生产水平也会受到影响，同时制约着社会发展的水平[2]。然而，水土资源是有限的，在社会经济快速发展的背景下，人口数量不断增长，人类对水土资源的利用也会增加从而导致一系列不合理的利用方式，造成水土资源数量的减少、质量的下降，人类生存的自然环境不断恶化等问题，进而阻碍了社会经济的可持续发展[3]。新疆是典型的干旱区，土地面积很广，水资源量相对匮乏，但随着经济社会的快速发展和人类对水资源需求的不断增加，在一定程度上导致水土资源存在严重的不协调。因此，分析新疆水土资源匹配程度，能够为水土资源的合理开发利用提供理论支撑。水土资源的时空匹配决定农业生产的方式。目前已有较多学者对水土资源匹配程度进行研究。吴宇哲等采取区域基尼系数分析了全国水土资源的整体匹配状况[4]。郑久瑜等通过建立水土资源匹配系数评价了河套灌区农业水土资源的匹配程度[5]。刘洋采用了系统动力学的方法对四川省农业水土资源的承载力进行了评价研究[6]。侯薇等对关中地区及所辖5个地级市的农业水土资源匹配程度进行研究和评价[7]。然而，对新疆这样一个土地资源广阔，水资源稀缺，南北疆差异较大的地区，水土资源匹配研究较少。王洁云等采用不同土地利用模式下的需水量数据，对新疆水土资源综合承载力与水土耦合进行了评价[8]。韩琳以新疆农产品与中亚5国的农业投入产出作为基础数据，以为提高当地农产品的竞争力为目的，对新疆农业水土资源匹配做出了研究[9]。王洁云和韩琳分别从水资源供需情况和经济贸易的角度分析新疆农业的水土资源承载力和匹配的状况，但是，她们并没有从整体上对新疆农业水土资源的时空匹配状况进行分析，难以从根本上探讨新疆农业水土资源分配的差异性。

为了分析新疆不同地区农业水土资源的匹配情况，本研究采用农业水土匹配系数的方法，对新疆14个地、州、市的农业水土资源的匹配状况进行分析，探讨新疆地区农业水土资源匹配的时空差异，为各地区水、土地资源可持续发展提供理论支撑。

1 研究区概况

新疆维吾尔自治区(如图1)位于我国西北地区，东经73°40′～96°18′，北纬34°25′～48°10′，总面积166.49×664 km2，约占全国总面积的1/6。属于典型的温带大陆性干旱气候，光热资源丰富，降水较少，蒸发量较大，年平均降水量154.8 mm，并且南疆和北疆降水量分配极不均衡。新疆水资源总量1 013.09 亿m3，其中地表水963.96 亿m3，地下水586.99 亿m3。本文将新疆行政区划分为14个地、州、市，分别为乌鲁木齐市、克拉玛依市、吐鲁番市、哈密市、昌吉回族自治州、博尔塔拉自治州、巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州、喀什地区、和田地区、伊犁哈萨克自治州(直属)、塔城地区、阿勒泰地区。

图1 研究区概况Fig.1 Overview of the study area

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本文选取了新疆14个地、州、市2008-2017年的水资源总量、总用水量、耕地面积来分析新疆农业水土资源匹配系数。其中，水资源总量指当地降水形成的地表和地下产水总量，即地表径流量与降水入渗补给量之和；总用水量指各类用水户取用的包括输水损失在内的毛用水量；耕地面积指种植各种农作物的土地面积，包括灌溉水田、望天田、水浇地、旱地、菜地等[10]。水资源总量、总用水量和耕地面积的数据均来源于历年新疆统计年鉴。

2.2 研究方法

农业水土资源匹配系数法通过计算单位面积耕地所拥有的农业可利用水资源量，进而评价区域农业水土资源匹配水平，其值越大，则说明水资源满足耕地资源的程度就越高，农业用水基本条件就越好[11-12]。新疆14个地、州、市农业水土匹配系数计算公式为：

(1)

新疆农业水土匹配系数计算公式为：

(2)

式中：Rp为新疆水土匹配系数，万m3/hm2；αp为新疆农业可利用水的比例。

3 结果分析与讨论

3.1 新疆水资源时空变化分析

新疆2008-2017年的水资源总量时间变化趋势如图2所示。从2008年到2017年新疆水资源总量呈现增加趋势，水资源总量增加174.22 亿m3。2010年水资源总量最大，为1 123.67 亿m3，2014年水资源总量最小，为726.955 2 亿m3。

图2 2008-2017年新疆水资源总量变化图Fig.2 Change in total water resources in Xinjiang from 2008 to 2017

新疆是典型的干旱内陆区，降水量少，蒸发量大，新疆水资源总量和其他省区相比较小。2014年新疆出现洪旱灾情，总体是旱情大于汛情，大部地区降水偏少，河道来水、水库蓄水偏少以及大风扬沙天气等因素的影响，南疆大部分和北疆西部地区特别是伊犁河流域出现了较为严重的旱情。2016年全疆降水量比往年多，由于极端天气异常的影响，汛情来得早，部分河流发生有观测资料以来最大洪水[13]，属丰水年。马玉龙[14]和李豫新[15]等对新疆的水资源的变化情况进行分析，得出新疆的水资源量呈现出增加的趋势，与本文的研究结果一致。

由于新疆各地、州、市行政区面积差异较大，各地、州、市的水资源总量较难反映水资源的空间分布。因此，本文用各地、州、市的水资源总量除以各地、州、市的面积(各地、州、市单位面积上的水资源量)来分析新疆14个地、州、市的水资源的空间分布状况。从图3可以看出，新疆各地、州、市的水资源空间分布极不均衡。在北疆，伊犁哈萨克自治州和阿勒泰地区单位面积上的水资源量较多，分别为34.05 万m3/km2和10.84 万m3/km2；克拉玛依市单位面积上的水资源量最少，为0.71 万m3/km2。在东疆，吐鲁番市和哈密市单位面积上的水资源量较少，分别为1.20 万m3/km2和1.10 万m3/km2。在南疆，克孜勒苏柯尔克孜自治州的单位面积上的水资源量较多，为11.12 万m3/km2；巴音郭楞蒙古自治州单位面积上的水资源量较少，为2.99 万m3/km2。单位面积上的水资源量空间分布还与地形有较大关系，靠近阿尔泰山、天山和昆仑山的地区单位面积上的水资源量均较多，远离山区的地区单位面积上的水资源量均较少。

胡宝华等采用因子分析法，分析新疆干旱区水资源承载力的空间布局，得出新疆水资源承载力呈现出南弱北强的分布格局[16]。林秀凤通过构建水资源承载力评价指标体系，运用SVM模型，对新疆的水资源空间分布情况进行了分析，得出了新疆水资源承载力空间分布不均衡，北疆地区水资源承载力高于南疆地区的结论[17]。本文的研究结果与林秀凤、胡宝华等的研究结果一致。

图3 新疆14个地、州、市单位面积水资源量空间分布图Fig.3 Spatial distribution of water resources per unit area of 14 prefectures,states and municipalities in Xinjiang

3.2 新疆耕地资源时空变化分析

对2008年和2017年新疆各地、州、市的耕地面积分布(见图4)情况进行分析发现，从整体上看新疆各地、州、市耕地面积分布的特点为北疆整体较高，南疆部分地区较高、多数地区较低，东疆普遍较低，其中吐鲁番市最低。2017年天山北坡耕地面积最大。

图4 2008年和2017年新疆耕地面积空间分布图Fig.4 Spatial distribution of Xinjiang cultivated area in 2008 and 2017

本文用2017年耕地面积减去2008年耕地面积来分析2008年到2017年新疆14个地、州、市耕地面积的变化情况。2008-2017年新疆各地、州、市的耕地面积整体呈现出增加的趋势。其中北疆地区耕地面积增加显著的是塔城地区、昌吉州和伊犁州(直属)分别增加了174 907.38、111 260.72和78 867.06 km2；增加不显著的是克拉玛依市，为21 605.23 km2。南疆地区耕地面积增加显著的是喀什地区和阿克苏地区，分别增加了163 332.31和45 705.34 km2；增加不显著的是克孜勒苏柯尔克孜自治州，为2 632 km2。东疆哈密市的耕地面积增加较为明显，而吐鲁番市的耕地面积变化不显著。

垦殖率是指一定区域内耕地面积占土地总面积的比例(新疆各地、州、市的耕地面积除以各地、州、市的面积)，能够反映土地资源利用程度和结构[18]。此处采用垦殖率来分析新疆14个地、州、市的耕地情况。由于2009-2016年新疆统计年鉴耕地面积均以2008年统计的数据为准，因此本文选取的是2008年和2017年新疆耕地资源的数据来分析新疆垦殖率的变化情况(见图5)。从整体上看新疆各地、州、市土地垦殖率分布的特点为北疆整体较高，南疆部分地区较高、多数地区较低，东疆整体较低。土地垦殖率越高，农业土地开发利用率也就越高[18]。南疆的地形错综复杂，气温高，蒸发量较大，荒漠化严重，可利用的生态系统较为脆弱[19]。

本文用2017年土地垦殖率减去2008年土地垦殖来分析2008年到2017年新疆14个地、州、市土地垦殖率的变化情况。从2008年到2017年，土地垦殖率增加显著的是克拉玛依市和博尔塔拉蒙古自治州，分别增加0.026%和0.021%；土地垦殖率减少显著的是乌鲁木齐市，减少0.011%；土地垦殖率增加不显著的是哈密市、巴音郭楞蒙古自治州和克孜勒苏柯尔克孜自治州，垦殖率的变化介于0.003%～0.009%之间。由此可知，靠近天山地区的土地垦殖率较高，阿尔泰山和昆仑山地区的土地垦殖率相对较低。

图5 2008年和2017年新疆垦殖率空间分布图Fig.5 Spatial distribution of Xinjiang reclamation rate in 2008 and 2017

贺可等选取1972-2015年遥感影像数据，通过对新疆土地利用及其绿洲动态变化得出，新疆土地利用效率在不断地提高[20]；王龙龙等采用1990、2000、2010年全国LUCC数据和DEM数据，分析新疆3个时期土地利用的变化情况，发现耕地的面积不断增加[21]。冯雪力等运用遥感抽样、地理数学与3S技术相结合的方法，对新疆耕地利用率进行了研究，得出天山北坡的土地利用率较高[22]。本文的研究结果与前人的结论相一致。

3.3 新疆农业水土资源匹配系数的时空分布特征

3.3.1 时间变化趋势

由2008-2017年新疆农业水土资源匹配系数趋势(图6)可知，2008年到2017年新疆农业水土资源匹配系数呈现增加趋势，但不显著。2014年新疆农业水土资源匹配系数最低，为1.67 万m3/hm2，2016年新疆农业水土资源匹配系数最高，为2.56 万m3/hm2。

图6 2008-2017年新疆农业水土资源匹配系数变化图Fig.6 Change in the matching coefficient of agricultural soil and water resources in Xinjiang from 2008 to 2017

3.3.2 空间分布格局

本文以2017年为例，分析新疆农业水土资源匹配的空间分布状况(如图7)。由图7可知，新疆农业水土资源匹配系数的空间分布极不均衡。从整体上看，北疆的农业水土资源匹配系数整体低于南疆地区，北疆阿勒泰地区水土资源匹配系数最高，达到1.258 841 万m3/hm2，克拉玛依市和昌吉回族自治州的农业水土资源匹配系数较低，介于0.541 18～0.442 14 万m3/hm2之间。南疆地区的农业水土资源匹配系数普遍较高，其中农业水土资源匹配系数最高的是克孜勒苏柯尔克孜自治州，为1.607 166 万m3/hm2。王洁云[8]等对新疆水土资源综合承载力进行分析，发现塔城地区和博尔塔拉蒙古自治州的水土资源综合承载力最高，伊犁哈萨克自治州(直属)和巴音郭楞蒙古自治州次之。本文通过对新疆14个地、州、市2017年农业水土资源的匹配系数进行分析发现，克孜勒苏柯尔克孜自治州的农业水土资源匹配系数较高，阿勒泰地区和和田地区次之，伊犁哈萨克自治州(直属)和巴音郭楞蒙古自治州排第三。由此可以发现，新疆水土资源综合承载力的空间分布与农业水土资源匹配系数的空间分布是存在差异的。水土资源承载力侧重于土地资源可承受生产生活程度的量化度量[23]，而水土匹配系数主要反映的是水资源与耕地资源的状况[18]。

图7 2017年新疆农业水土资源匹配系数空间分布图Fig. 7 Spatial distribution map of Xinjiang agricultural soil and water resources matching coefficient in 2017 to 2017

本文用新疆2017年农业水土资源匹配系数减去2008年农业水土资源匹配系数(见图8)，来分析2008年到2017年新疆农业水土资源匹配系数变化的空间分布情况。由图8可知，从2008年到2017年，北疆地区农业水土资源匹配系数整体处于增加趋势，其中阿勒泰地区增加最为明显，为1.259 万m3/hm2，其次是伊犁哈萨克自治州(直属)为0.510 万m3/hm2，乌鲁木齐市农业水土资源匹配系数增加了0.24 万m3/hm2，而博尔塔拉蒙古自治州农业水土资源匹配系数降低了0.493 万m3/hm2；南疆地区农业水土资源匹配系数仅有克孜勒苏柯尔克孜自治州和和田地区增加较为明显，分别增加1.607和0.490 万m3/hm2，喀什地区农业水土资源匹配系数降低了0.3 万m3/hm2；东疆地区农业水土资源匹配系数均有微弱减小趋势。

图8 新疆14个地、州、市农业水土资源匹配系数变化空间分布图Fig.8 Spatial distribution map of the matching coefficient of agricultural soil and water resources in 14 prefectures, states and cities in Xinjiang

4 结 论

水土资源的时空匹配程度会影响到某区域的耕地利用变化情况。本文采用农业水土资源匹配系数为指标，对新疆14个地、州、市的水土资源匹配情况进行了分析。得出以下结论：

(1)从时间上看，2008-2017年新疆农业水土资源匹配系数整体呈现出增加的趋势，其中2014年新疆农业水土资源匹配系数最低，2016年新疆农业水土资源匹配系数最高。新疆农业水土资源匹配系数与水资源总量的趋势一致。

(2)从空间上看，北疆地区的农业水土资源匹配系数整体较低，南疆地区的农业水土资源匹配系数较高。其中北疆阿勒泰地区农业水土资源匹配系数较高，南疆克孜勒苏柯尔克孜自治州的农业水土资源匹配系数最高。从2008年到2017年，北疆地区农业水土资源匹配系数整体处于增加趋势，其中阿勒泰地区增加最为明显，其次是伊犁哈萨克自治州(直属)和乌鲁木齐市；南疆地区仅有克孜勒苏柯尔克孜自治州和和田地区的农业水土资源匹配系数增加较为明显；东疆地区水土资源匹配系数均有微弱减小趋势。北疆博尔塔拉蒙古自治州和南疆的喀什地区农业水土资源匹配系数减少最明显，分别降低了0.49和0.30 万m3/hm2。

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