山东省农业水土资源时空匹配格局及评价研究

李晓燕 郝晋珉* 陈爱琪

(1.中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193;2.自然资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100193)

水土资源是地区农业生产的核心要素，也是生态系统中重要的战略要素，更是社会经济发展的基础保障资源[1-3]。水土资源的匹配程度影响着区域内可持续农业的发展，因此水土资源对于粮食生产及安全至关重要，水资源的丰缺水平和开发利用程度将直接影响耕地资源的利用方式和产出效率，耕地资源的开垦情况也制约着水资源的开发利用[4], 分析区域内水土资源空间匹配格局及其匹配状况，对于提高该区域农业水土资源利用率、协调水土资源与生态环境间的关系以及发展可持续农业意义重大[5]。当前国内对水土资源的研究主要集中在水土资源的匹配及承载力评价[1-13]。受城镇化和工业化进程加快、经济快速发展等影响，当前我国水资源短缺和土壤污染加重等问题，威胁着我国的水土资源的数量和质量[14]。与此同时，我国中东部及南部是水资源充沛的地区，而耕地资源丰富的粮食主产省主要位于北方。尽管耕地资源对我国的粮食生产具有重要限制，但北部水资源短缺也对粮食生产造成影响[15]。研究表明，我国北部地区普遍存在耕地资源丰富、水资源紧缺和水土资源空间匹配错位现象[1,2,4,16]。同时，由于城镇化快速发展以及第二、三产业的兴起，工业用水及生活用水量已严重挤占了农业用水，使得水资源承载力处于严重超载状态[10]。长期的水资源超载使用，会带来地下水水位下降，导致形成地下水漏斗群等地质灾害[17]。

山东省作为我国的粮食主产省之一，其粮食生产能力对于我国的粮食安全具有重要意义。现有研究表明，随着社会经济发展，人口增长，山东省水资源需求不断增加，由于用水结构的改变，其农业用水比例逐年下降，对农业水土资源的供需造成影响[18]。尽管山东省农业水土资源的供需矛盾日益突显，但当前对于农业水土资源的时空分布及匹配状况方面的研究尚未见报道。本研究通过构建2007—2016年山东省农业水土资源的尼基系数模型和区域水土资源匹配测算模型，同时利用当量系数，定量分析农业水土资源的时空匹配特征，旨在阐明2016年山东省农业水土资源的短缺程度和原因，以期为山东省实现农业水土资源合理可持续利用及水土资源空间的优化配置提供参考。

1 研究区域概况

1.1 研究区概况

山东省位于我国东部沿海地区，处于黄河下游，地理位置114°47.5′～122°42.3′E，34°22.9′～38°24.01′ N。土地面积15.79万km2，其中耕地面积为7.6万km2。地势中部高四周低，区域内水系呈放射状分布。主要气候类型为暖温带季风气候，气候温和，四季分明，雨热同期，降雨集中在夏季；年平均气温为11～14 ℃，年均降水量为550～950 mm。水资源总量主要由地表水及地下水构成，其中地表水受降水影响不均，因此，省内17个地级市的水资源总量差异较大，鲁北及胶东半岛地区缺水明显。从水资源量上来说，山东省多年平均水资源总量为207.05亿m3，人均水资源量为334 m3，仅为全国平均水平的1/6，位居全国各省的倒数第三位[18]。受工业化及城镇化影响，农业用水量受到严 重 挤 占，2016年，农业用水量占总用水量的66.12%，较2007年下降近10%。耕地资源方面，2016年耕地面积较2007年增长11.08%，农业水土资源的供需矛盾不断加剧。

1.2 数据来源

本研究中水资源数据主要来源于《山东省统计年鉴》(2008—2017)[19]及《山东省水资源公报》(2008—2017)[20]，土地资源数据来源于《山东省统计年鉴》(2008—2017)[20]，依据2017年山东省行政区划，包括17个地级市为研究的基本单元。利用Arcgis 10.2软件的自然断裂法(Jenks)对可利用水资源量、耕地资源总量及水土资源匹配系数等指标进行分级，得到水资源和耕地资源空间分布图，以及水土资源空间匹配格局。

2 研究方法

2.1 基于基尼系数法的计算过程

根据克鲁格曼在产业与空间布局关系方面的研究[12]，结合2种资源的空间分布特性，通过构造洛伦兹曲线来研究山东省水资源和耕地资源的匹配问题。具体步骤如下[2,7,12]：1)以山东省17个地级市的水资源可利用量和耕地面积为匹配对象，计算单位体积水资源可利用量所服务的耕地面积，按由低到高进行排序；2)分别计算各地级市水资源可利用量和耕地面积占山东省水资源及耕地资源总量的比例，按照由低到高进行排序，并计算各地级市水资源可利用量和耕地面积占山东省资源总量的累积比例；3)绘制水资源可利用量与耕地面积空间匹配的洛伦兹曲线；4)最后计算基尼系数(G)，拟合曲线方程，得到0～1的洛伦兹曲线与45°线所夹区域的面积，该面积的2倍即为基尼系数(G)。G的取值范围为[0,1],G值靠近0时，说明水土资源匹配程度越好；G值靠近1时，说明水土资源匹配越差[7]。

2.2 基于统计分析法计算单位耕地面积所拥有的可利用水资源量

农业水资源可利用量根据山东省用水结构(农业用水、工业用水、生活用水和生态用水)中农业用水比重来确定，水土资源匹配系数计算以山东省17个地级市为基本单元。该系数计算模型为：

(1)

式中：Rij，山东省i市j年水土资源匹配系数，万m3/hm2；Wij，i市j年水资源可利用量，亿m3；Lij，i市j年耕地面积，万hm2；αij，i市j年农业用水占总用水的比重；n，山东省地级市数量，本研究为17。

山东省水土资源匹配系数Rj表征省内各地级市水土资源匹配系数的平均水平，该系数计算模型为：

(2)

式中：Rj，山东省j年农业水土资源匹配系数，万m3/hm2；Rij，山东省i市j年水土资源匹配系数，万m3/hm2；n，山东省地级市的数量，n=17。

由于山东省水资源总量组成中有不具备开发利用价值的地下水以及难以利用的生态用水等部分，在基尼系数和水土资源匹配系数计算中使用水资源可利用量表征水资源量，进行水土资源匹配程度分析。

2.3 农业水土资源当量系数

农业水土资源当量系数可以衡量某种资源的开发利用相对程度，并可以作为评价该资源的耗用率和短缺程度的指标[21]，为更好地评价山东省水土资源的耗用量及短缺程度，本研究采用以山东省的单位耕地面积的农业用水量和总的单位土地面积的水资源量作为研究对象，对山东省农业水土资源的短缺程度进行评价。其计算模型为：

(3)

式中：EFi，山东省某地级市农业水土资源的当量系数；Rfi，山东省某地级市单位耕地面积的农业用水量，m3/hm2；Rli，山东省某地级市单位土地面积的水资源总量，m3/hm2。

其中，Rfi、Rli的计算公式如下：

(4)

式中：Wfi，区域农业用水量，m3；Lfi，耕地面积，hm2；Wli，区域水资源总量，m3；Lli，区域总土地面积，hm2。

当EF>1时，反映自然条件下的水资源量不足以供给单位耕地面积的农业用水量，农业用水被限制，此时定义为水资源短缺区；当EF≤1时，水资源量充足，反映农业用水量位于供给水平之下。为更进一步对农业水土资源的丰缺程度进行评价，通过以90%，75%及50%水平梯度H分别衡量农业水土资源当量系数[22]，见表1。

表1 农业水土资源匹配程度分级标准Table 1 Classification criteria for the matching degree of agricultural water and soil resources

3 山东省农业水土资源匹配格局及评价

3.1 山东省水土资源分布

3.1.1水土资源动态变化

2007—2016年山东省年平均水资源总量为207.05亿m3，地表水资源量为177.49亿m3，地下水资源与地表水资源不重复量为98.57亿m3。2007—2016年平均总供水量为218.70亿m3/年，其中多年平均地表水供给量占总供给量的55.91%，农业用水量占总用水量的70.35%，可见山东省作为我国农业大省，农业耗水量巨大。

2007—2016年是在我国粮食连续多年增长的时间段，为分析该时段内山东省的农业水资源与土地资源的基本情况，本研究选取2007—2016年的农业水土资源数据进行趋势研究。2007—2016年，山东省水资源可利用量变化较小，但空间差异较大，2016年水资源可利用量为218.70亿m3，较2007年变化较小，农业用水量占总用水量的比重为66.12%，比2007年的农业用水比重下降14.13%。从空间分布来看，2007—2016年威海市、枣庄市、日照市、临沂市和菏泽市水资源可利用量增加明显，其中威海市增加47.20%，潍坊市、聊城市、德州市、济宁市和莱芜市下降明显，其他地级市变化基本不变。

2016年山东省土地调查面积为1 579.11万hm2，耕地面积为760.70万hm2，占土地调查面积的48.17%，较2007年增加75.91万hm2， 增加速率7.59万hm2/年。各地级市的耕地面积均有所增加，其中增加面积占比超过20%的有日照市、淄博市、青岛市和滨州市；2016年人均耕地面积0.076 hm2/人，较2007年人均耕地面积有增加，2016年全国人均耕地面积0.098 hm2/人，比全国人均耕地水平低。分区域来看，人均耕地面积最高的是滨州市，为0.119 hm2/人，最低的是济南市，为0.049 hm2/人；2007年全省单位耕地面积水资源量为3 206.12 m3/hm2，2016年全省单位耕地面积水资源量为2 813.08 m3/hm2，较2007年全省单位耕地面积水资源量下降12.26%，单位耕地的水资源拥有量减少393.03 m3/hm2，水资源较耕地资源的短缺问题更为突出。

3.1.2水土资源空间变化

由图1(a)可知，从空间上看2016年山东省水资源分布较不均衡，表现出“东中少，西北多”的特点。分布区域来看，北部和西部的临沂市、菏泽市、德州市、济宁市和聊城市等水资源较为丰富，水资源可利用量超过12亿m3/年，大约占全省73.11%。东部沿海及中部地区相对匮乏，如东营市、威海市和莱芜市低于全省50%，其中东营市仅为全省平均可利用水资源量的34%，其原因是东营市地下水资源量相比多年平均值偏少，浅层地下水下降较大，且2016年降水少[17]。

据图1(b)可以看出，2016年耕地资源主要分布在山东省的西部及北部，东部及中部较少，17个地级市中，临沂市、菏泽市和潍坊市耕地资源较多，耕地面积均超过79.00万hm2，为全省耕地面积的32.37%。2007—2016年耕地面积增加超过10万hm2有菏泽市、临沂市、青岛市及德州市，最大的是菏泽市，其耕地面积增加13.48万hm2。青岛市、菏泽市、潍坊市及烟台市的水土资源分布空间较为不均衡，其中潍坊市耕地面积占全省的10.45%，而水资源可利用量占6.34%，在空间上相对其他地级市分布较不均衡。

图1 2016年可利用水资源量分布图(a)和耕地资源分布图(b)Fig.1 Distribution of available water resources (a) and distribution of cultivated land resources (b) in 2016

3.2 山东省农业水土资源时空匹配格局

3.2.1基尼系数动态变化分析

由图2可知，2007—2016年山东省可利用水资源量与耕地面积匹配的基尼系数(G)，可以看出，2007的G=0.181，2016年的G=0.169，其G值均较小且处于下降，说明水土资源分配越来越均衡。40%的可利用水资源量用于42%的耕地面积的农业生产。从数据可以看出9个地级市可利用水资源量有所增加，8个地级市的可利用水资源量小幅减少，使得原来空间分布较差的地级市更加平衡，同时耕地面积也小幅增加，因此基尼系数变小说明水土资源的变化上较均衡。

图2 2007(a)和2016(b)年山东省可利用水资源量与耕地资源匹配的洛伦兹曲线Fig.2 Lorenz curve matching the amount of water resources available in Shandong Province with cultivated land resources in 2007(a) and 2016(b)

由图3可知，农业用水量与耕地资源匹配的基尼系数(G)在研究期内变化较小，2007年G=0.227，大于可利用水资源量与耕地资源匹配的基尼系数(G)，说明山东省内实际用水量与耕地面积分布不均衡；2016年的G=0.239，较2007年有所增加，而且高于当年的可利用水资源与耕地面积匹配的基尼系数，说明从2007—2016年山东省水资源实际利用情况与分配情况的不均衡程度随时间变化不断加剧，29%的农业用水量用于47%的耕地面积的农业生产，这与山东省不同产业间水资源的利用与分配结构变化有关。

图3 2007(a)和2016(b)年山东省农业用水量与耕地资源匹配的洛伦兹曲线Fig.3 Lorenz curve matching agricultural water consumption and cultivated land resources in Shandong Province in 2007 (a) and 2016 (b)

3.2.2水土资源空间匹配分析

由表2可知，山东省2007—2016年的平均水土资源匹配系数为0.21万m3/hm2，而全国平均水平为0.56万m3/hm2[7]，山东省水土资源匹配系数不到全国的50%，远低于全国水平，研究时段内全省17个地级市中，淄博市、济宁市、东营市、聊城市、德州市及滨州市的水土匹配系数较高；青岛市、潍坊市、威海市、枣庄市和临沂市的水土匹配系数较低，青岛市的水土匹配系数不断减小，2016年时仅为全省内水土资源匹配系数平均值的25%，分析原因有几点：1)由于2007—2016年青岛市的耕地面积不断增加，虽然地表水丰富，但是地下水资源相对少；2)青岛近年来大力发展第二产业和第三产业，且人口不断增加，生活用水上升较快，2007年农业用水∶工业用水∶生活用水为4.31∶2.23∶2.81，而2016年三者之比为2.43∶2.01∶4.12，可以看出生活用水大大挤压农业用水，导致农业用水需求和供给矛盾突出。此外，耕地资源较多的潍坊市、临沂市、烟台市的水土资源匹配系数都<0.15万m3/hm2。

表2 山东省2007—2016年水土资源匹配系数Table 2 Matching coefficient of land and water resources in Shandong Province from 2007 to 2016 万m3/hm2

从变化幅度来看，2016年山东省的水土资源匹配系数为0.18万 m3/hm2，较2007年下降26.73%。全省17个地级市中，青岛市、莱芜市和潍坊市等地级市的降幅超过40%，而青岛市下降54.84%，为下降最多的地级市；其次是莱芜市、日照市和潍坊市，下降幅度在40%～54%，除威海市外其他地级市下降幅度在10%～35%，威海市是全省唯一增长的地级市，其水土资源匹配系数增长52.13%，分析用水结构，其农业用水占比超过50%。

从耕地面积来看，2016年山东省耕地面积较2007年增加11.08%，但水土资源匹配系数较2007年却下降26.72%，下降程度大于耕地面积的增长速度，水土资源匹配系数下降与人口规模增长、用水结构改变、用水效率不高和水利设施工程建设落后有关。山东省作为我国的粮食主产省之一，水资源量相对耕地资源面积的不均衡日益严重，将会限制农业发展和粮食生产。

为研究市域尺度山东省水土资源匹配系数时空变化情况，依据水土资源匹配系数的积聚与离散的分异特点，并参考相似省份的水土资源匹配系数，采用自然断点法(Jenks)将2007和2016年山东省的水土资源匹配系数分成以下4个等级：Ⅰ，匹配程度较优(0.30

由图4可知，山东省整体的农业水土资源匹配特点是西部优于东部，呈现出西南、西北最优，中部次之，东部最差的分布格局，并随时间变化水土资源匹配程度不断降低。2007年山东省有7个地级市的水土匹配程度极差和较差，占全省耕地面积的42.95%， 2016年有9个地级市匹配程度极差和较差，较2007年增加2个地级市，占全省耕地面积的48.70%； 2016年无匹配较优的地级市，较2007年减少6个较优的地级市，这些地级市主要分布在西部及西南部。山东省农业水土资源供需紧张，耕地面积远远大于农业用水的供给量，农业用水的供给量与耕地面积间存在错位现象，原因如下：虽然从整体的水土资源分布情况来看，山东省相对分布平衡，但农业用水量和耕地面积的比例是不协调的，基本全省的农业用水量所占比例都处于下降状态，下降幅度为2%～22%，而全省的耕地面积均在增加，增加幅度为3%～42%；虽然可利用水资源量近年来变化不大，但随着社会经济发展，人口增长，以及对生态环境的重视，用水结构发生了很大变化，工业及生活用水量增长迅猛，大部分地级市生活用水量较2007年增加18%～80%，其中日照市的生活用水量较2007年增加约80%，而2016年青岛市的生活用水量约为农业用水的2倍，生态用水增长20%～500%。

图4 山东省2007(a)和2016(b)年农业水土资源匹配空间格局Fig.4 Spatial pattern of agricultural land and water resources matching in Shandong Province in 2007 (a) and 2016 (b)

3.3 山东省农业水土资源匹配程度评价

本研究主要分析评价2016年山东省农业水土资源的短缺程度，2016年全省的当量系数为1.33，从表1可知，全省的农业水土资源处于水资源中度短缺状态。由图5可知，山东省有14个地级市处于水资源短缺状态，其中有5个地级市是水资源严重短缺，其当量系数EF均>1.5，主要分布于东南和中南部，说明其单位耕地面积农业用水量大于自然状态下的单位土地面积的水资源量，并且农业用水量超出自然资源承载水平；相对平衡的地级市仅有2个；而耕地资源的中度短缺区是青岛市，分析原因如下：由数值来看，青岛市的单位土地水资源总量为0.08万m3/hm2，而单位耕地面积的农业用水量为0.05 万m3/hm2，在用水结构中，用于农业用水的水资源量远远小于其总用水量，因此青岛市处于耕地资源轻度短缺。这一结果反映山东省农业水土资源处于严重的不平衡状态，水资源的供给量远远不能满足耕地资源的需求量。

图5 山东省农业水土资源当量系数的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of agricultural soil and water resources equivalent coefficient in Shandong Province

4 讨 论

山东省是我国重要的粮食主产省之一，粮食生产情况直接关系到全国的粮食安全状况[23]，因此山东省水土资源的匹配关系对我国粮食生产具有重要意义。全省人均水资源量为344 m3，这一数值仅为全国平均水平的1/6，占全球平均水平的1/25，根据国际普遍通用的缺水标准，人均水资源量<500 m3视为极度缺水地区，所以山东省为极度缺水地区[24]。尽管山东省区域内水资源分布与耕地资源分布较为均衡，但供需矛盾突出，尤其农业用水与耕地资源间最为剧烈，随着经济发展，工业和生活用水会进一步挤占农业用水，研究时段内农业用水下降14.14%，耕地面积却增加11.09%，缺水地区范围不断扩大。2007—2016年农业水土资源匹配系数的值为0.21万m3/hm2，与已有研究区域相比，甚至低于陕西省榆林市和延安市等城市，这其中青岛市、潍坊市和日照市农业水土匹配系数最低，农业水土资源的不匹配将直接影响农业的可持续利用和粮食产量的提升与稳定。

增强区域内水土资源的匹配程度，提出以下建议： 1)加强水利建设，合理储蓄利用地表水资源。山东省位于季风区，年降雨量丰富，可以因地制宜建设小型、微型水利工程和雨水集蓄工程，增加水资源的供给量。2)提高农业生产中灌溉用水率，发展高效节水农业，因地制宜地实施高效节水模式。3)在发展经济的同时，合理分配用水结构,保证农业用水满足区域农业种植需求。

5 结 论

本研究以省级行政区为单位，利用山东省2007—2016年的农业水土资源数据，构建山东省农业水土资源的基尼系数和区域水土资源匹配测算模型，定量分析农业水土资源的时空匹配特征，同时利用当量系数，评价2016年山东省农业水土资源的短缺程度，得到以下结论:

1)本研究在以往研究基础上，引入农业水土资源当量系数，针对山东省17个地级市的水资源及耕地资源的短缺程度进行具体分析，可以看出山东省14个地级市处于水资源短缺状态，说明山东省农业水土资源处于较为不均衡的状态，水资源的供给量不能满足耕地资源对应的农业生产的需求量。

2)在研究时段内山东省的水土资源空间分布呈现“西北多，东中部少”的分布格局，整体看，山东省的水土资源空间匹配格局较好。但山东省平均水土资源匹配系数为0.21 万m3/hm2，不到全国平均水土资源匹配系数的一半。随时间变化研究期内平均水土资源匹配系数呈现下降趋势，说明17个地级市的水土资源匹配程度开始变差。水土资源匹配呈现西部优于东部的空间分布格局。

3)由于研究时段内农业用水量与耕地面积的基尼系数上升可以看出，水资源实际利用与分配情况的不均衡程度随时间变化不断加剧，农业用水量受其他用水的挤占，而耕地面积在研究时段内不断增加，导致本就供需紧张的农业水土资源的供需矛盾更加突出。