湖南省农业水土资源与农业经济发展时空分异及其匹配性

彭发明，毛德华

（湖南师范大学地理科学学院，长沙 410081）

水资源及土地资源是支撑经济发展的基础性资源［1，2］，区域经济结构及产出也会影响水土资源承载水平的高低。如何实现水土资源承载与经济发展的合理匹配，对资源的合理利用与社会经济的可持续发展具有重要的意义［3-5］。随着城镇化的快速推进，经济发展扩大了对水土资源的需求量，建设用地不断挤压着农业生产空间，同时伴随着区域结构性缺水、土地退化、污染等问题的日益凸显，使得水土资源与经济发展供需矛盾不断加剧［6］，如何协同好水土资源与经济增长之间的关系已成为土地科学、水资源科学研究的热点之一。近年来，针对水土资源承载力与经济发展综合研究受到了越来越多学者的重视，产生较多的研究成果，从研究视角上看，前人多从单一指标或者系统的角度来分析水土资源与经济效益之间耦合协调性［7-9］，这种思路能较好地反映区域资源承载能力与经济发展的整体关系，但对行业的指导性不强，而从农业的角度构建复合系统探讨农业水土资源承载与农业经济发展的匹配程度将是其重要的补充内容［10-12］。湖南省作为中部地区农业生产大省、人口大省、粮食主产区，合理发展农业经济，对保障国家粮食安全，发挥地区资源优势具有重要的作用。本研究通过构建农业水土资源承载与农业经济发展系统，分析两者在2005—2018 年的时空演变趋势及其匹配关系，以期为湖南省农业经济的合理布局和水土资源优化配置提供科学依据。

1 研究区域概况与数据来源

湖南省地处东经108°47′—114°15′、北纬24°38′—30°08′，耕地面积3 164 千hm2，居全国第9 位，下辖13 个地级市、1 个自治州，人口6 918.4 万人，属亚热带季风气候，年平均降水量1 200～1 800 mm，水资源总量2 098.3 亿m3，地势呈东南西三面环山，形成向东北方向敞口的马蹄形状，其中山地、丘陵、平原分别占总面积的51.22%、15.40%、13.11%。作为全国重要的粮食生产基地，稻谷产量多年为全国之首，自古就有“鱼米之乡”之称。近年来，因降水时空分布不均及水土资源污染等因素的影响，湖南省农业生产受到极大的限制。

研究所用数据主要来源于2005—2019 年《中国统计年鉴》《湖南省统计年鉴》《湖南省水资源公报》等资料，部分指标经原始数据计算得出。

2 研究方法

2.1 指标体系的构建

构建合理的指标体系是正确评价资源承载水平与经济发展状况的前提，本研究基于DPSIR 概念模型的思路，首先采用“压力-影响-效应”框架构建农业水土资源承载评价系统，压力代表农业生产对水土资源的消耗状态，影响代表受压力胁迫而产生的资源弹性，效应代表农业产出对压力、影响的动态回应。其次采用“经济结构-经济效益”框架来构建农业经济发展评价系统，利用熵权法求出指标权重，如表1 所示。

表1 农业水土资源承载与农业经济发展指标评价体系

2.2 数据处理及方法

采用无量纲标准化法对数据进行处理，首先构建原始评价矩阵Rt=（xij）mn，（xij）mn由m个样本和n个评价指标构成，xij代表第i年第j个指标数据，maxxij和minxij分别表示为第i年（i= 1，2，…，n）第j项指标（j= 1，2，…，m）的最大值和最小值；式（1）、式（2）分别代表正向、负向指标标准化公式，yij为标准化后的结果。

2.3 障碍度分析

农业水土资源承载及农业经济发展系统结构较为复杂，涉及到多个子系统的多种因素，且各影响因素在不同时间段对系统的影响程度也不同。本研究通过障碍度法分析各指标与系统之间的相互关系，从而得出影响各系统的主导因素，公式如下：

式中，wj为指标权重，1-yij代表指标偏离情况，Eij即为障碍度值。

2.4 利用TOPSIS 法进行综合评价

TOPSIS 又称为逼近理想解优劣距离法，可用来计算农业水土资源承载与农业经济发展综合评价值。

首先，构建加权规范化矩阵Rij，确定最优方案与最劣方案，式中，ymaxn，yminn分别为加权规范化评价矩阵第n列的最大值和最小值。

其次，计算各评价对象与最优方案、最劣方案的接近程度，Di+、Di-分别为第i个评价对象与正、负理想解的距离。

最后，计算评价对象与最优方案的贴近度Ci，其值介于［0，1］，Ci越大表明综合评价水平越高。

3 结果与分析

3.1 系统主导因素识别

根据式（3）、式（4）计算湖南省2005—2018 年的各指标障碍度值，参考朱薇等［13］障碍度分析方法，首先求出每个因素的障碍度比值（因素障碍度值与总体障碍度值的占比），然后将影响农业水土资源承载力大小的前3 个因素的障碍度比值进行求和，并将其作为系统的整体变量，同理，由于各指标障碍度比值相差不大，仅选取影响农业经济发展系统较大的前2 个因素进行障碍度分析，结果如图1、图2所示。

图1 农业水土资源承载力障碍度变化趋势

图2 农业经济发展障碍度变化趋势

由图1 可知，湖南省农业水土资源承载力障碍度比值出现2 种变化趋势：2005—2009 年呈现出缓慢上升的趋势，2010—2018 年快速下降，2009 年障碍度比值达到最大，为45.8%，2018 年达到最小值41.8%。分析各指标的变化情况可知，2005—2009年，垦殖率、农村人均生活用水量等因素障碍度比值排名前列，两者障碍度比值之和稳定在33%左右，占据主导地位，同时人口自然增长率障碍度比值逐年增加，到2009 年，达到13%，为系统出现上升趋势的主要原因。2010—2018 年，垦殖率障碍度比值不断减少，2013 年降幅最大，为2%，农村生活用水量及人口自然增长率等指标障碍度比值也呈现出波动减少的趋势，表明这3 个因素对系统影响程度的降低。

由图2 可知，湖南省农业经济发展系统的整体障碍度比值呈现出先缓慢下降后波动上升的趋势。2005—2018 年，影响农业经济发展的主要因素为GDP 增长率、农机化程度等指标，GDP 增长率障碍度比值在研究期内逐年增加，由22.3%升至25.8%，相反农机化程度障碍度比值则逐年降低，由20.4%降至18.5%。GDP 增长率障碍度比值增幅高于农机化程度障碍度比值的降幅，致使农业经济发展系统呈现出波动上升的趋势。

3.2 农业水土资源承载及农业经济发展系统时间变化特征

3.2.1 农业水土资源承载系统时间演变特征 2005—2018 年湖南省农业水土资源承载系统呈现出波动下降-急剧上升-缓慢降低的变化趋势（图3），2005—2013 年系统综合评价值由0.42 降至0.30，这一时期湖南省自然灾害频发，对农业生产造成较大的破坏，尤其是2013 年，受全省特大干旱影响，农业受灾面积达2 936 千hm2，直接经济损失达283 亿元，加之人口的不断增加，这些累积效应对资源承载力产生了极大的负面影响。到2014 年，系统综合评价指数增幅最大，主要原因在于随着湖南省建设“两型社会”工作的全省推进，农村节水意识的不断提高［14］，农村人均生活用水不断降低，相比2013 年，降幅达16%，农田有效灌溉率提升至74%，提高了水资源利用效率，资源承载强度得到了提升。2015—2018 年期间，农业水土资源承载总体水平略微下降，整体上保持相对稳定。

3.2.2 农业经济发展系统时间演变特征 研究期内，湖南省农业经济发展系统表现为3 个阶段（图3）：第一阶段（2005—2011 年），系统呈现出波动上升的趋势，综合评价值由0.37 升至0.65，农业经济发展水平显著提高，主要原因在于自2005 年以来，湖南省不断加强农田基础设施建设，对农作物病虫害进行专业化防治，有效地提高了自然灾害抵御能力，单位耕地面积农业产值由2005 年的1 830 元/hm2升至2011 年4 090 元/hm2，农民人均纯收入明显增加。第二阶段（2011—2015 年）系统综合评价值由0.65降至0.49，农业经济发展水平呈现出下降的趋势，这期间湖南省受经济结构调整的影响，第一产业占比迅速下降，GDP 增速放缓，由22%降至6%，农村人均农业产值从4 321 元/人降至4 093 元/人。第三阶段（2015—2018 年）农业经济发展水平缓慢回升，由0.49 升至0.65，出现这种变化的可能原因是自2014年湖南省公布实施了“百千万”现代农业发展工程以来，农民专业合作社发展到3.8 万个，水稻种收综合机械化水平达到68%，一定程度上改善了农业生产条件，提高了农业生产效率，农业产值明显增加。

图3 农业水土资源承载与农业经济发展综合评价值

由图3 可知，2009—2013 年间，农业水土资源承载与农业经济发展系统变化趋势完全相反，此阶段资源承载力与农业经济发展关系极不协调，2011年，农业水土资源承载和农业经济发展系统综合评价值差异达到最大，为0.35，在时间上存在错位现象。

3.3 农业水土资源承载与农业经济发展系统空间变化

3.3.1 匹配性分析 构建湖南省研究期初（2005年）及研究期末（2018 年）的洛伦兹曲线（图4、图5），利用积分求解基尼系数，以研究湖南省农业水土资源承载力与农业经济发展在时空上的匹配情况，由图4 可知，洛伦兹曲线弯曲程度不大，表明研究期初农业水土资源承载系统与农业经济系统匹配性较好，且基尼系数为0.22，按联合国公布的标准，研究期初，湖南省农业水土资源承载力与农业经济发展匹配性处于比较平均的状态。到研究期末时，洛伦兹曲线弯曲程度变大，基尼系数为0.32，处于相对合理的状态。研究期间，农业水土资源承载力与农业经济匹配协调性有所降低，但总体上仍处于较为均衡的状态。

图4 研究期初洛伦兹曲线

图5 研究期末洛伦兹曲线

3.3.2 空间格局比较分析 为评价农业水土资源承载（Cw）与农业经济发展（Ce）在空间分布上的关系，参考有关学者的分类标准［15，16］，依据系统综合评价值的差异，将其分为7 类（表2），并利用Arcgis10.5 软件进行空间分析。

表2 农业水土资源承载与农业经济发展对比类型

由图6 可知，研究初期，湖南省西部、西南部、西北部地区农业经济发展滞后于农业水土资源承载水平。而平衡发展型地区主要集中在东部。研究末期，农业水土资源承载与农业经济发展空间关系发生了较大变化，西南、西北部地区农业经济滞后现象得到了很大的改善，平衡发展型地区由东部转移至中部，东北部地区包括长沙市、岳阳市、益阳市等属农业水土资源承载滞后型，农业经济发展较为迅速。

图6 农业水土资源承载与农业经济发展对比

研究期间农业水土资源承载及农业经济发展空间关系变化较大的地区主要是株洲市及益阳市，株洲市由平衡发展型转变为农业经济轻微滞后型，农业水土资源承载评价值由0.41 上升至0.54，而农业经济发展评价值由0.40 降至0.35，农业经济出现衰退；而益阳市则从农业经济轻微滞后型转变为农业水土资源略微滞后型，农业水土资源承载评价值由0.67 降至0.33，农业经济发展评价值由0.40 升至0.45，农业经济得到了较大的发展。由上可知，资源承载与经济发展的变化趋势相反，凸显了这2 个地区农业水土资源承载与农业经济发展的不同步性。另外湘西州、张家界市、怀化市等地区研究期内比值类型（农业经济滞后型）没有出现变化，这是由于这些地区海拔较高，地形以山地为主，其中坡度大于25°的土地面积就占据50%以上，岩溶性地貌分布集中，不适宜进行农业大规模生产，农业产值较低。

4 小结及讨论

1）基于障碍度分析法能够较好地反映出限制湖南省农业水土资源承载能力及农业经济发展的主导因子，并且可以体现出不同时间阶段各因素影响力的动态变化。以2019 年为转折点，垦殖率、农村人均生活用水量、人口自然增长率等指标限制作用由强变弱，但障碍度比值之和在41%以上，对资源承载力的增长有较强的干扰作用，因此保持适当的耕地面积、节约用水、控制人口过快增长仍是今后工作的重点。而影响农业经济发展的主要因素是GDP增长率、农机化程度，指标限制作用由弱变强，为保障农业经济稳固发展，通过推广先进的农业生产技术，提高农业机械化水平，走集约化道路是未来必要的选择。

2）2005—2018 年湖南省农业水土资源承载与农业经济发展在时间上存在不协同的现象，主要表现在农业经济阈值高于农业水土资源承载力，水资源及土地资源的供应面临较大的压力，如2009—2012 年在全省出现特大洪灾及旱灾的情况下，农业产值不但没有受到影响反而出现不断增加的趋势。其次，洛伦兹曲线在研究期内弯曲程度增大，农业水土资源承载与农业经济发展匹配均衡性变弱，但整体上是处于匹配较优的状态。

3）研究期初，西部、西北部、西南部地区农业经济发展滞后，平衡发展型地区主要集中在东部，研究期末，西北部、西南部地区农业经济滞后情况明显改善，平衡发展型地区向中部转移，而东北部地区农业水土资源承载出现明显的滞后现象，这种农业经济分布格局与湖南省“马蹄”形状的地势高度吻合，农业经济发展滞后的地区皆处于“马蹄”的边缘，而农业经济发展较好的地区则位于“马蹄”的内部，即中部及东北部平原。因此，相关部门在制定经济发展政策的时候，要充分发挥各地区资源优势，提高农业科技化、产业化、集群化水平，最终形成以长株潭城市群为农业科技示范区、以洞庭湖生态经济区为粮食主产区的核心布局结构。并采取合理措施加快引导大湘西旅游资源开发，促进农业产业转型升级，充分发挥大湘南产业承接转移优势，因地制宜地发展农业经济。

4）利用基尼系数法分析农业水土资源承载与经济发展复合系统的匹配程度，克服了从传统上进行全局统筹而在农业方面却比较不足的弊端，对现有农业发展模式具有一定的诊断性。本研究针对基尼系数的等级划分依据的是联合国开发计划署等组织公布的规定，且该规定是为了衡量收入分配的平等性所提出来的，不一定能够准确地反映出资源-经济系统的匹配关系。因此今后的工作重点是继续制定切实可行的分类标准［17］，以加强不同研究时段农业水土资源与农业经济发展的综合对比研究。