河南省粮食生产与水资源的时空匹配格局研究

焦士兴，王安周，李玉靖，张建伟，赵荣钦，李中轩，尹义星

(1.安阳师范学院 资源环境与旅游学院，河南 安阳455002；2.洛阳市第十九中学，河南 洛阳471000；3.华北水利水电大学 测绘与地理信息学院，河南 郑州450046；4.许昌学院 城乡规划与园林学院，河南 许昌 461000；5.南京信息工程大学 水文与水资源工程学院，江苏 南京210044)

河南省是我国重要的产粮大省，粮食产量占全国的1/10，但水资源分布不均、供求不协调等问题凸显，已经成为粮食生产限制性因素[1]。水资源和粮食安全研究受到广泛关注，国内相关研究主要集中于优化配置、耦合协调、管理评价等方面[2-7]。首先在优化配置方面，赵净等采用VAR模型研究了中国粮食生产对水资源配置要求[2]；何杰等研究了松花江区农业水资源承载力优化配置，表明区域水资源量能够承载预期的产粮目标[3]。其次在耦合协调方面，毕博等研究了辽宁省水资源、能源和粮食系统耦合协调状况，认为区域耦合等级持续提升[4]；孙才志等对我国水资源、能源和粮食耦合系统进行了评价，认为耦合协调度总体呈上升趋势[5]。最后在管理评价方面，赵银亮等建议通过节水工程等措施，能够确保黄河流域的粮食安全[6]；刘渝等对中国粮食和水资源安全进行了评价，表明粮食安全呈上升趋势但水生态安全呈下降趋势[7]。综上可知，当前粮食生产与水资源的研究较多，且多采用耦合度[8]、水足迹[9]、脱钩分析[10]等评价方法，但采用基尼系数等对粮食生产与水资源的时空匹配格局研究有待加强[11]。

河南省(图1)是中国的粮仓，但水资源供求矛盾日益突出[1]。2017年豫南、豫东粮食总产量均占河南粮食产量的30%，但豫南水资源量占河南省总量的61%，豫东仅占13%，粮食产量与水资源供给的空间分布不均衡，因此开展河南省二者时空匹配格局的研究，对于优化水资源配置、保障粮食持续高产等具有重要意义。基于此，在分析河南省粮食生产和灌溉用水变化特征的基础上，采用基尼系数等方法研究二者的时空匹配特征，以期为促进农业水资源持续利用、粮食稳产高产提供决策参考。

图1 河南省区域划分标准

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

数据包括：水资源量、灌溉用水量、粮食总产量、不同种类粮食作物产量、播种总面积和粮食播种面积、灌溉面积和耕地灌溉面积等，其中水资源量等数据来自《河南水资源公报》(2000-2017年)，粮食产量等数据来自《河南统计年鉴》(2001-2018年)，其中2000年灌溉面积由粮食灌溉面积估算分解法获得[11]。

1.2 研究方法

1.2.1 基尼系数

基尼系数是用以表示收入分配差异程度的统计指标，能够用来研究粮食生产和水资源的不均衡性空间分布[12]。基于此，分别研究粮食产量与水资源量和粮食灌溉水量的基尼系数(GA、GB)，以探讨两者的集中吻合程度，其中GA数值越大表示水资源紧缺区域的粮食产量越高，GB数值越大则表示粮食灌溉用水较少地区的粮食产量越高，即粮食灌溉生产率区域差异越明显[11]。

基尼系数(GA、GB)计算步骤是：在区域水资源量、粮食灌溉水量和粮食产量及各种粮食总产量递增排序基础上，分别计算区域水资源量等累计百分比，然后采用梯形面积法进行计算。公式为[11-14]：

(1)

式中：GA(GB)为粮食产量～水资源量(粮食灌溉水量)基尼系数，xi、yi分别为第i个区域的水资源量(粮食灌溉水量)、粮食产量(各种粮食总产量)的累计百分比，xi-1、yi-1则分别为第i-1区域相应类型的累计百分比[11]。当i=1时，xi-1=yi-1=0。依据基尼系数、水资源和粮食产量的匹配程度划分为匹配、一般不匹配、较不匹配和严重不匹配等4个等级，其对应取值范围分别为0～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～1[13]。

1.2.2 不平衡指数

不平衡指数用以衡量水资源对粮食生产的协调程度，计算公式为[11]：

(2)

式中：IA(IB)为水资源(粮食灌溉水量)～粮食产量不平衡指数，ai为i分区水资源量(粮食灌溉水量)占区域水资源量(粮食灌溉水量)的比例；bi为i分区粮食产量(不同种类粮食产量)占区域粮食产量(不同种类粮食产量)的比例。若ai和bi差异值越小，表明两者相对平衡，否则不平衡性较为突出。IA反映粮食生产对水资源压力状况，若IA<0表明水资源压力较大；IB反映粮食灌溉用水生产率情况，若IB<0表示灌溉用水的粮食生产率较高。

2 河南省粮食生产及灌溉用水变化分析

2.1 河南省粮食产量时空演化分析

河南省粮食产量呈波动增加趋势。河南省粮食产量由2000年的415.80×108kg增至2017年的652.12×108kg，年均增长率为2.35%。依据河南省2000-2017年粮食产量，对比分析其发展趋势，结果见图2。图2表明：河南省粮食产量变化分为四个阶段，其中2000-2003年为第一阶段，受粮价影响造成河南省粮食产量大幅度下滑，总下降比例17.97%；2004-2006年为第二阶段，受农业政策改革影响，粮食产量呈恢复性增长，年均增长率为7.68%；2007-2015年为第三阶段，在国家政策扶持下，粮食产量稳步增长[15]，年均增长率为2.89%；2016年至今为第四阶段，受城市空间扩展的影响，粮食种植面积减少[16]，但粮食产量仍保持增长趋势。

图2 2000-2017年河南省粮食产量

河南省粮食产量空间分布不均，豫南粮食生产最多，豫西粮食生产最少。图2表明：年均粮食产量由高到低排序为豫南、豫东、豫北、豫中、豫西，表明河南省粮食生产空间分布不均衡。2017年豫南、豫东、豫北粮食产量分别为202.39×108kg、190.01×108kg、146.73×108kg，合计占总量的83%；豫中和豫西粮食总产量为61.99×108kg、50.94×108kg，两者仅占总量的17%，原因在于豫南、豫东地处平原且豫北以平原为主，耕地面积广阔，水热条件优越，适合粮食等农作物生长，因此在河南省粮食主产区中具有举足轻重的作用[15]；而豫中耕地面积较小，仅为0.84×106hm2；豫西以山地为主，不适合种植业规模化发展。

2.2 河南省粮食生产结构变化分析

河南省粮食生产以小麦和玉米为主，豆类和稻谷为辅，其中小麦、豆类和稻谷等产量占比不断下降，而玉米则不断上升。小麦与玉米产量占粮食总产量比重较大，2000年、2009年和2017年平均达到88.64%，而豆类与稻谷比例较低，仅占11.36%，因此小麦与玉米在河南省粮食生产中占绝对优势。从动态变化看，2000-2017年玉米产量占粮食总产量比例持续增高，从25.77%增至32.58%，原因在于河南省水资源相对紧缺，灌溉能力有限，导致玉米等耐旱作物面积不断增加；同时生猪等畜牧业的快速发展，对玉米的市场需求量持续增长。2000-2017年小麦产量占粮食总产量比例则由61.22%降至58.02%，原因在于小麦总产和单产相对稳定，但播种面积增速(0.95%)低于粮食作物总播种面积增速(1.22%)。豆类产量占粮食总产量由3.19%降至1.72%，原因在于大豆产量和经济效益相对较低，导致种植面积远远低于小麦、玉米和稻谷。稻谷产量比重由9.81%降至7.05%，原因在于河南省降水时空分布不均，旱灾成为稻谷生产的严重威胁[17]。

河南省区域粮食生产结构存在差异。从2000年、2009年和2017年平均值来看，豫东是大豆主产区，大豆产量占河南省大豆产量比例为43.00%；豫东、豫北是玉米的主产区，玉米产量分别占河南省玉米产量的27.12%、23.10%；豫南、豫东是小麦的主产区，小麦产量分别占河南省小麦产量的26.49%、32.29%；豫南是稻谷的主产区，占比高达86.39%。

2.3 河南省夏粮产量明显高于秋粮产量

河南省夏粮产量明显高于秋粮产量。依据夏秋粮食产量，对比分析河南省5个综合分区2000年、2009年和2017年的夏秋粮食产量比值，结果见图3。图3表明：2000-2009年夏秋产粮比均大于1且持续增大，主要原因是年均夏粮播种面积、单产产量(5.30×106hm2、557kg/hm2)均大于秋粮(4.59×106hm2、498kg/hm2)，且差距有扩大趋势。从空间分布来看，2000-2017年豫中、豫南、豫西的夏秋产粮比分别上升了0.23、0.20、0.36，与河南省整体变化趋势一致；豫北夏秋产粮比保持相对稳定；豫东夏秋产粮比由1.31降至1.27，主要是豫东秋粮播种面积年均增速(0.038%)大于夏粮(0.001%)。

图3 河南省夏粮与秋粮产量比值

2.4 河南省粮食灌溉用水变化分析

河南省粮食灌溉用水呈现先上升后下降的变化趋势，而灌溉水量占总灌溉用水比值呈现波动下降趋势。利用河南省2000年、2009年和2017年粮食灌溉水量及其占河南省灌溉水量比值，分析5个地理综合分区灌溉水量变化趋势，结果见表1。表1表明：河南省的粮食灌溉水量先由2000年的64.710×108m3增至2009年的80.845×108m3，之后降至2017年的67.354×108m3，主要原因是2000-2009年国家采取多种措施鼓励粮食生产，粮食灌溉水量增加，2009-2017年农业投入增加、灌溉技术进步等导致用水效率提高，粮食灌溉用水量不断减小。河南省粮食灌溉水量占灌溉水量比例由2000年的70.75%下降到2017年的70.11%，主要原因是粮食灌溉用水受到了林地、园地、草地等灌溉用水的挤压[11]。

表1 河南省不同区域粮食灌溉水量及其占比 单位：×108m3

河南省豫南、豫东和豫北粮食灌溉用水呈现波动上升趋势，而豫中和豫西波动下降。表 1表明：2000-2017年豫南粮食灌溉水量增长了1.852×108m3，主要原因是粮食种植面积增加了0.068×106hm2，灌溉水量相应增多；豫东粮食灌溉水量增加了4.391×108m3，同样是粮食种植面积增加了0.075×106hm2；豫北粮食灌溉水量增长了0.743×108m3，原因是农业用水效率不高，年均单位水资源粮食产量仅为0.0035t/m3，致使粮食灌溉水量增多。豫中粮食灌溉水量减少了2.841×108m3，主要原因是地处中原城市群核心区，城市化等迅速发展，耕地面积减小并导致灌溉用水总量减小；同样豫西粮食灌溉水量减少了1.502×108m3。

此外，2009-2017年豫西灌溉水量比例减少最大，豫东比例增加最大，豫南保持平稳状态，而豫北、豫中则减少较小。2009-2017年河南省各区粮食灌溉用水量均减少，但所占比重上升，主要有两个方面的原因，其一是河南省加大了资金、技术、劳动力等投入，农业水资源利用效率处于“高投入、高产出”阶段，致使灌溉用水不断减少[18]；其二是粮食播种面积不断增加且占农作物播种面积比重不断上升，研究期间河南省粮食播种面积年均增长1.15%，所占比重由69.48%增至74.09%，受农村劳动力转移和比较利益驱动等社会经济因素影响，农业生产结构不断调整，棉花、豆类等经济作物向粮食作物转移，致使粮食播种面积不断增大且灌溉水量所占比重增加。

3 河南省粮食产量与水资源时空匹配定量评价

3.1 基尼系数分析及影响因素

3.1.1 河南省粮食产量-水资源量基尼系数分析

河南省粮食产量与水资源处于“匹配”状态，并随时间变化匹配水平有增加趋势。依据公式(1)，计算河南省粮食产量-水资源量基尼系数，以分析发展趋势，结果见表2。

表 2表明：2000-2017年，粮食总体GA由0.365减少到0.350，说明河南省水资源与粮食产量整体上为“匹配”状态，且匹配程度有小幅度增加趋势。从生产结构来看，小麦GA由0.407减少到0.391，由“不匹配”变为“匹配”；玉米GA由0.499减少到0.476，持续为“较不匹配”；豆类GA由0.385增加到0.406，由“匹配”变为“不匹配”。

表 2 河南省粮食产量与水资源量、粮食产量与粮食灌溉水量的基尼系数

河南省粮食产量-水资源量匹配程度存在空间差异，呈现“东部最优，北部、中部优于西部和南部”的格局。表2表明：从2000年、2009年、2017年平均值来看，豫南(0.151)>豫西(0.141)>豫中(0.099)>豫北(0.065)>豫东(0.028)，豫南的平均值最大，归因于信阳市是河南省唯一的南方城市，水资源量占豫南比重明显大于粮食产量所占豫南比重；豫东GA的平均值最小，主要原因是区域水资源相对较少，如2017年水资源仅占河南省的13%，但粮食占比为29.14%，而农业用水比例则高达61.5%。

3.1.2 河南省粮食产量-粮食灌溉水量基尼系数分析

河南省粮食产量-粮食灌溉水量处于“匹配状态”，且有增加趋势。依据公式(1)，计算河南省粮食产量-粮食灌溉水量基尼系数，结果见表2。表 2表明：河南省粮食产量GB由2000年的0.113减小到2017年的0.077，持续为“匹配”状态，且匹配程度有增加趋势。2000-2017年，河南省小麦GB由0.143减少为0.082，持续为“匹配”状态；玉米GB由0.204减少为0.112，持续为“匹配”状态；豆类GB由0.189减少为0.048，持续为“匹配”状态。不同种类作物GB均有所减少但趋势不同，表明河南省不同种类粮食产量与灌溉水量匹配度有增加趋势，主要原因是农田水利建设和节水灌溉等措施提高了灌溉用水效率。

河南省粮食产量-粮食灌溉水量匹配程度存在空间差异，呈现出“北部最优，西部、南部和东部优于中部”的格局。表 2表明：从2000年、2009年、2017年平均来看，豫北、豫西、豫南、豫东、豫中的GB分别为0.070、0.078、0.167、0.168、0.286。豫中GB最高，原因是郑州市是河南省省会，属于特大城市并且是中原城市群核心城市，生活用水量、工业用水量较多，而农业灌溉用水较少，粮食灌溉水量所占豫中比重明显小于粮食产量所占比重。豫北最低，原因是粮食产量所占豫北比重与灌溉水量所占比重差距不明显，因此两者匹配度最高。

3.2 河南省水资源与粮食产量不平衡指数分析

3.2.1 河南省水资源量-粮食产量不平衡指数分析

河南省呈“水量少，产粮多”状态。依据公式(2)，计算出2000年、2009年和2017年河南省各分区水资源量-粮食产量不平衡指数，结果见图4。图4表明：河南省水资源量-粮食产量不平衡指数呈现整体减小趋势，即粮食产量对水资源的需求量大于河南省的水资源量[11]，水资源压力呈现逐渐增大趋势。河南省水资源量-粮食产量不平衡指数存在区域差异，不平衡指数从高到低排序为豫南、豫西、豫中、豫北、豫东。豫南最高，原因是水资源相对优越，水资源所占河南省比重大于粮食产量所占比重；豫西较高，原因是豫西以山地居多，不利于粮食作物的种植，水资源比重大于粮食所占比重；豫中、豫北较低，原因是豫中地处平原，适合粮食耕作，但农业用水受社会经济用水挤压，而豫北较低，原因是高污染企业较多，水污染严重，水资源压力较大[19]；豫东最低，主要原因是地处平原且为传统农业区，水资源所占比重明显小于粮食产量所占比重。

图4 河南省水资源量与粮食产量不平衡指数

3.2.2 河南省粮食灌溉水量-粮食产量不平衡指数分析

河南省呈“灌水少，产粮多”状态。依据公式(2)，计算2000年、2009年和2017年河南省粮食灌溉水量-粮食产量不平衡指数，结果见图 5。图5 表明：河南省大部分区域粮食灌溉水量与粮食产量不平衡指数(IB)为负值，表明灌溉粮食产量占总产量比重超过了粮食灌溉水量占农业灌溉用水比重，即河南省粮食灌溉水效率整体较高。河南省粮食灌溉水量与粮食产量不平衡指数存在区域差异，不平衡指数从高到低排序为豫北、豫西、豫中、豫东、豫南。豫北最高，原因是施用化肥农药较多，灌区配套设施不完善[19]，粮食产量高但用水效率有待提高；豫西是以山地为主，粮食灌溉水量低且粮食产量有限，灌溉水量仅占河南省的7.70%；豫中和豫东地区由于农业节水技术推广应用，粮食灌溉水量有所减小且用水效率较高[20]，且粮食产量较高；豫南地区降水量较多，农作物需水量相对较少且对绿水利用较多[21]，因此粮食灌溉用水较少但粮食产量仍然较高，因此灌溉用水的粮食生产率最高。

图5 河南省粮食灌溉水量与粮食产量不平衡指数

4 结论

采用基尼系数和不平衡指数，定量评价河南省粮食生产与水资源时空匹配格局。结果表明：

1)河南省粮食产量呈波动增长且空间分布不均，豫南产粮最多，豫西产粮最少；粮食以小麦、玉米为主。基于此，河南省要重点发展节水型农业种植结构，依据区域水资源量合理调整种植规模。

2)河南省农业灌溉用水呈波动增长趋势，且灌溉用水空间差异明显，其中豫南、豫东和豫北呈波动上升趋势，而豫中和豫西则呈波动下降趋势。基于此，河南应推广新型节水灌溉技术，改善农业生产的灌溉条件，发展绿色高效节水农业[22]。

3)河南省粮食产量与水资源基尼系数处于“匹配”状态且有增加趋势，其中豫东最高，豫南最低；粮食产量与粮食灌溉水量的基尼系数处于“匹配”状态且仍有增加趋势，其中豫北最高，豫中最低。基于此，河南应结合“南水北调”等水利工程，确保过境水以及区域内水资源的合理利用。

4)河南省呈现“水量少，产粮多”状态，水资源量-粮食产量不平衡指数呈现减小趋势，表明农业水资源压力逐渐增大；河南省呈现“灌水少，产粮多”状态，且粮食灌溉水量-粮食产量不平衡指数较低，表明粮食灌溉水生产率较高。基于此，河南省应加强高标准基本农田建设，优化水资源合理配置，确保粮食生产与水资源利用的协调发展。