农业经济系统与水资源环境系统耦合协调关系研究——以湖南省为例

田 培， 韩昊廷， 李 佳， 刘目兴， 许新宜

(1.华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室/城市与环境科学学院， 武汉 430079；2.湖南大学金融与统计学院， 长沙 410006； 3.北京师范大学水科学研究院， 北京 100875)

水资源是关系国家可持续发展的基础性自然资源和战略性经济资源[1].党的十九大报告明确了生态文明建设是自然、经济、社会等多方面的协调[2]，提出了以更高要求和标准对待水资源节约与保护工作[3-4].农业经济发展与水资源存在相互耦合关系，一方面我国农业可持续发展受到水资源数量的制约[5]，良好的水资源环境可为农业经济发展提供支撑；另一方面，农业生产过程中农药和化肥超量使用威胁到了水资源的质量[6].因此开展水资源环境和农业经济系统之间的关系研究，探讨两系统的耦合协调发展水平及其时空演变趋势，对于农业经济发展及水资源可持续利用具有重要意义.

国内外学者对水资源与社会经济协调发展关系进行了较为丰富研究.邢霞等[1]借助耦合协调度和障碍度模型探讨了黄河流域用水效率和经济发展之间的协调关系，认为经济发展滞后于用水效率.盖美等[7]运用耦合协调模型对辽海经济带各市用水效率与经济发展的耦合协调度进行了评价.罗幸乐等[8]利用耦合协调度模型研究了湘江流域城市化与水资源环境的耦合协调机制.郑德凤等[9]从时空匹配趋势及数量协调发展两个角度评价城市化质量与水资源的协调发展状态.谈飞等[10]、聂晓等[11]、刘艺等[12]运用耦合协调度模型分析区域水资源环境与社会经济的协调发展关系.Liu等[13]建立了改进的耦合协调度、剪刀差分析和基于遗传算法的投影寻踪模型，对中国社会经济与水环境系统耦合协调关系进行了研究.Luo等[14]将分布式社会经济-水生态模型(SEWE)与耦合协调模型相结合，提出了社会经济—水生态协调发展评价新框架.常玉苗[6]研究了农业水资源、农业经济、水污染治理和水环境等四个子系统的耦合机理，但未对各系统的耦合过程进行定量分析.可以看出，水资源和社会经济耦合协调关系研究多聚焦于水资源与城镇化、用水效率或水环境与社会经济之间的关系，对水资源环境系统与农业经济系统耦合协调关系的研究鲜见报道.

部分学者对区域水资源与农业经济的关系也进行了研究.针对干旱地区，杜俊平等[15]构建模糊综合评价模型对河西走廊五市2003-2013年水资源和农业经济系统的协调度进行了测度，认为协调度整体水平较低.谢文宝等[16]运用Tapio模型研究新疆农业水资源利用与农业经济增长的脱钩关系，认为农业水资源灌溉效率的提高减弱了农业经济增长对水资源的依赖程度.Alrwis等[17]通过构建描述性回归模型研究沙特水资源对农业经济的影响，认为水资源短缺对农业经济有着较强负面影响.针对湿润地区，彭虹等[18]对重庆市的农业用水量与农业经济发展之间的脱钩程度、时序演变和空间分布规律进行了分析，但其仅用农业用水量和农业GDP来分析水资源和农业经济之间的关系.潘丹和应瑞瑶[19]通过构建水资源与农业经济增长的面板VAR模型，利用1998—2009年中国省级面板数据分析了水资源与农业经济增长的内在因果关系.He等[20]结合农业生产和水资源质量的实际情况以及农业水资源承载力评价，研究了农业水资源优化配置方法.由此可见，当前水资源与农业经济关系的研究多集中在干旱区，且多为农业用水量与农业产值的线性关系研究，对于水资源—农业经济系统耦合协调发展的实证研究相对较少.

综上所述，仅从产值和用水量角度研究水资源环境和农业经济系统间的关系并不全面.水资源丰富地区多集中于水资源与社会经济的协调发展研究，而探讨水资源环境与农业经济系统协调发展的研究相对较少.主导干旱区水资源与农业经济关系的因素是水资源数量，相关研究主要是为促进缺水地区水资源合理开发利用[21]，而影响湿润地区水资源与农业经济系统间关系的是水资源质量、状态以及农业发展水平等因素.因此，本文以我国中部重要农业产区且水资源相对充沛的湖南省为例，深化水资源环境系统与农业经济系统耦合协调关系的研究，为当地水资源环境与农业经济系统的协调可持续发展提供科学依据.

1 研究方法

1.1 农业经济和水资源环境系统综合评价指标体系构建

本文在评价指标选取过程中遵循科学性、系统性、特殊性及可操作性等原则，对大量涉及水资源环境、农业经济系统评价指标的文献进行筛选，再结合研究区域实际状况和专家意见进行优化，最终保留19个指标，构成农业经济系统和水资源环境系统的综合评价指标体系，如表1所示.农业经济系统主要从农业投入、产出、现代化三个维度进行综合评价[15， 22-25]，选取了农业财政支出、单位面积粮食产量、单位耕地面积机械动力等具有较强适用性的指标，以及有效灌溉农业面积这一反映水资源对湖南农业经济影响的指标.水资源环境系统涵盖水质与水量，从水资源压力、水资源状态以及水资源管理三个维度对其进行综合评价[26-29].水资源压力是人类活动对水质、水量等产生的影响，用水量及废水量是其评价系统主要指标[30]，为适应湖南省水资源较为丰富的状况，选取废水总量、人均用水量、农业用水总量和万元GDP用水量来评价湖南省水资源压力状况；水资源状态反映水资源系统在压力作用下的状态，其核心评价指标为水量[31]；水资源管理反映对水资源的保护及可持续利用，为突出湖南地区农业活动对水资源环境的影响，选取了污水处理率、造林面积以及化肥施用量三项指标[32].

1.2 指标权重确定方法

农业经济和水资源环境系统综合评价指标体系是综合农业、经济、水资源和生态环境多方面、多学科的复合体系，涉及面广，研究时段长、样本数据多.为了克服主观赋权法客观性差的缺点，也为了减少单一客观赋权法本身的局限性和计算结果的差异，本文采用变异系数法、熵值法这两种客观赋权法相结合的客观组合赋权法确定指标的权重[34].

1.2.1 变异系数法 变异系数法是根据统计学方法计算出系统各指标变化程度的方法，变化差异较大的指标权重较大，变化差异较小的指标权重较小[34].计算过程如下：

(1)

(2)

(3)

式中，δi为第j项指标的标准差；ω1j为第j项指标在所有指标中所占的权重；νj为第j项指标的变异系数.

1.2.2 熵值法 由于评价指标的原始数据量纲各不相同，为消除因量纲不同对评价结果的影响，运用熵值法求权重之前需要对数据进行标椎化处理，采用极值标椎化方法[35].

正向指标标准化处理：

(4)

表1 农业经济和水资源环境系统综合评价指标体系

负向指标标准化处理：

(5)

其中，Xij为第i年第j个指标的原始数据；γij为第i年第j个指标标椎化后的数据；maxXj、minXj分别表示第j项指标的最大值、最小值.

(6)

(7)

dj=1-Ej，

(8)

(9)

式中，fij为第i年第j项指标的比重；Ej为指标的信息熵；式中假定fij=0时，fijln(fij)=0；dj为指标的差异性系数，即信息的重复度；ω2j为第j项指标的权重.

1.2.3 客观组合赋权法 将变异系数法和熵值法得到的权重结果进行组合[36]，得到指标的最终权重ωj：

ωj=αω1j+(1-α)ω2j，

(10)

ωj为组合权重；ω1j为变异系数法求得的指标权重；ω2j为熵值法求得的权重.α的取值借鉴相关研究[37]，计算方法如下：

(11)

REN为差异程度系数，REN∈[0，1).

(12)

n为指标的个数；p1，p2，…，pn是将变异系数法所得指标的权重按照从小到大的顺序进行排序.

1.3 综合评价函数

借鉴物理学中容量耦合内容，构建农业经济与水资源环境系统耦合协调度模型，首先对两系统各自的综合评价函数进行计算：

(13)

(14)

1.4 耦合协调度模型

根据两系统综合评价函数的计算结果进一步建立耦合协调度模型，具体如下：

(15)

(16)

式中，C为耦合度，T为水资源系统与农业经济系统综合评价指数，a、b为待定系数，借鉴有关研究[21]，本文认为农业经济系统与水资源系统同等重要，因此取a=b=0.5.D为耦合协调度，将农业经济系统和水资源系统的耦合协调发展情况分为了3个阶段、10个类型[39]，如表3所示.

表3 耦合协调度的分类体系和判别标准

1.5 障碍度诊断模型

为进一步识别评价指标对湖南各市州农业经济系统与水资源环境系统耦合协调度的影响程度，从而提出有针对性的发展农业经济和提升水资源环境的措施，利用障碍度诊断模型诊断和测算影响两系统耦合协调度的障碍因素及障碍度，某项指标的障碍度越小，表明耦合协调度受该项指标的阻碍作用越弱，反之亦然.具体计算过程参考相关文献[40]，公式为：

(1-rij)×100%，

(17)

式中，wt为维度权重；Wj为指标权重；γij为第i年第j个指标标椎化后的数据；n为指标个数；Mj为单项指标对农业经济系统和水资源环境系统耦合协调度的障碍度.

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

湖南省地处中国中南部、长江中游南部，位于 108°47′～114°15′E，24°38′ ～30°08′N之间，是我国中部重要的农业和水资源大省.全省划分为1个自治州和13个地级市.属于大陆型亚热带季风湿润气候，四季分明，日照充足，年降雨量1 200～1 500 mm，2019年全省耕地面积为461.64万hm2，农林牧渔业增加值为3 850.2亿元，比上年增长3.5%.近年来，随着农业的不断发展及省内水资源时空分布的不均，农业发展与水资源供需矛盾日益突出[41].

2.2 数据来源

A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、B9、B10指标数据来源于2008—2019年的《湖南统计年鉴》 《湖南省国民经济和社会发展统计公报》以及湖南省各市州的统计年鉴；B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8指标数据来源于《湖南省水资源公报》《湖南省环境公报》、水资源公报和环境公报.

3 结果与讨论

3.1 指标权重分析

湖南农业经济与水资源环境系统评价指标权重系数分别如图1所示.在农业经济系统中，农业财政支出(A1)权重最高(0.155)，其次是有效灌溉农业面积(A3)的0.151和农村居民人均可支配收入(A6)的0.13，因此农业投入的主要指标权重最大，其对农业经济的影响最大.在水资源环境系统中，化肥施用量(B10)的权重最高(0.189)，其次是人均用水量(B3)的0.159和废水总量(B1)的0.113，可见水资源管理和水资源压力是影响水资源环境的重要因素.

图1 评价指标权重系数Fig.1 Weight coefficient of evaluation index

3.2 农业经济和水资源环境系统综合发展水平

湖南省各市州2008—2019年农业经济系统与水资源环境系统平均综合发展指数的空间分布见图2所示.

图2 两系统综合发展指数的空间分布Fig.2 Spatial distribution of comprehensive development index of the two systems

从空间角度看，湘潭市两系统综合发展水平均表现为“良好”，处于领先地位，尤其是农业经济系统.表明湘潭市作为长株潭经济区重要的农产品生产供应区，区位优势明显，使其农业经济系统综合发展指数表现突出.在农业经济系统中，除湘潭市之外，其余地区表现为“一般”；在水资源环境系统中，岳阳市、邵阳市和湘西州的综合发展水平表现为“一般”，其余市皆表现“良好”.岳阳的水资源环境系统平均综合发展指数为0.452，与表现“良好”地区差距较大，仍具有较大的发展空间；邵阳与湘西州分别为0.463、0.477，平均发展水平优于岳阳，与其他城市差距较小.

湖南省农业经济系统和水资源环境系统综合发展指数的年变化情况如图3.由图3可知，湖南省农业经济系统综合发展指数呈线性增长趋势，主要得益于农业投入的增长.2008—2019年，湖南省持续加大对农业的支持，农业财政支出从2008年的176.38亿元增加到2019年的265.47亿元，增长了1.5倍，有效灌溉农业面积连年增长，从2008年的270.92万hm2增长到2019年的317.61万hm2，农村居民人均可支配收入增长了 3.4倍，以及农业机械化现代化水平不断提升，使农业经济有较快发展.研究期内，湖南省农业经济系统综合发展水平平稳增长，只2013年小幅下跌，主要因为有效农业灌溉面积的减少，进而导致单位粮食产量下降，造成发展水平波动，2014—2019年保持增长趋势，说明湖南省农业经济整体上保持稳定增长态势.

图3 湖南省农业经济与水资源环境系统综合发展水平变化趋势Fig.3 Trend of comprehensive development level of agricultural economy and water resources environment system in Hunan Province

由图3可知，研究期间，湖南省水资源环境系统综合发展指数呈波动状态，2008—2010年，水资源环境系统综合发展指数较为平稳，该阶段水资源压力较小，废水总量和人均用水量的增量较少；2011—2013年，综合发展指数连续波动，主要是该阶段降水量变化较大，2011年降水量仅为2 227亿m3，较2010年减少了1.5倍，2012年降水量回升到3 585亿m3，而2013年又下降到2 868亿m3，降水量的明显波动影响了水资源环境综合发展水平的变化；2013—2017年，水资源环境系统综合发展指数呈上升趋势，主要原因水资源管理的提升，水资源压力不断降低，湖南省2013年印发《湖南省最严格水资源管理制度实施方案》，提出严格实行用水总量控制、全面推进节水型社会建设、严格控制入河湖排污总量等方案，湖南省人均用水量由2013年的497 m3减少到2017年的476 m3，万元GDP耗水量由2013年的136 m3降到2017年的94.52 m3，提高了水资源的利用效率，化肥施用量逐年下降，减少了面源污染源，造林面积从2013年的34.98万hm2提升到2017年的55.41万hm2，改善了水环境质量，有效促进了湖南省水资源环境系统综合发展水平的提升.2018—2019年呈现波动，主要原因是2018年降水量有所下降，且废水总量较高，水资源压力较大，2019年废水总量控制较好，由2018年32.47亿m3降到30亿m3，2019年化肥施用量相较于2018年减少13.6万t，因此2019年水资源环境系统综合发展水平有所上升.

3.3 耦合协调度及其时空演变特征

为进一步分析湖南省农业经济和水资源环境系统耦合协调度的时序及空间变化，利用ArcGis 10.4对湖南省2008—2019年两系统耦合协调度进行了可视化处理，如图3所示.

湖南各市州的农业经济系统与水资源环境系统耦合协调度在时间序列上呈现出增长趋势，但空间演变的差异性较为明显，总体演变趋势是随着时间的变化耦合协调水平由“中部>北部>南部”向“南部>中部>北部”转变.2008年长沙处在初级耦合阶段，永州和衡阳两系统的耦合协调度处于发展失调阶段，其余市州处于过渡阶段.2009年湖南各市州耦合协调度均处于过渡阶段.2010年娄底、常德和长沙处于初级耦合阶段，其余市州处在过渡阶段，但处于勉强失调阶段的市州显著增加.2011年长沙、娄底和常德三市处于初级耦合阶段，其余市州处于勉强失调阶段.2008—2011年，湖南省各市州农业经济系统综合发展水平滞后于水资源环境系统综合发展水平.2012年株洲、湘潭、常德和永州4市处于中级耦合阶段，其余地区均处于初级耦合阶段.《湖南省人民政府关于推进农业科技创新加快农业现代化建设的意见》中明确提出提升湖南农业现代化水平，促进农业增效和农民增收，收到较好成效，2012年农业经济综合发展指数明显提高，《湖南省“十二五”水利发展规划》对农村水利建设、水资源开发利用、水资源保护等方面进行了规划，有效地提升了水资源环境的发展水平.

图4 农业经济系统与水资源系统耦合协调度的时空演变趋势Fig.4 The spatial-temporal evolution trend of coupling coordination degree between agricultural economic system and water resources system

2013年，湘西州处在过渡阶段，其余市两系统耦合协调度均已处在协调发展阶段.2014年永州、怀化、娄底、湘潭、株洲、常德以及岳阳市处于中级耦合阶段，其余市州处于初级耦合阶段，从空间上看，处于中级耦合阶段的地区呈现出“中部>北部>南部”.2015年，永州市处在良好耦合阶段，湘西州处在初级耦合阶段，其余市处于中级耦合阶段.2016年，永州、郴州、株洲、湘潭、长沙、常德和张家界处在中级耦合阶段，湘西州两系统的协调发展程度仍落后于其余市，主要原因是湘西州地理位置以及自然环境不理想，不利于农业的进一步发展.2016年两系统耦合协调水平整体处于协调发展阶段，高耦合协调水平已表现出南移趋势，永州和郴州表现突出.2017年，怀化、益阳、常德、岳阳和长沙处于中级耦合，其余市州处在良好耦合阶段，耦合协调度空间分布呈现出“南部>西部>中北部”，表明由于快速城镇化和人口数量增多等原因导致中部城市水资源压力较大，水资源环境综合发展水平不高.2018年和2019年耦合协调水平空间分布已呈现“南高北低”态势，永州、衡阳从2008年的失调阶段发展到了2019年的优质耦合阶段，除岳阳处于中级耦合阶段之外，其余市州都发展到良好耦合阶段.主要原因在于农业经济发展水平的显著提升，表明“十四五”规划和乡村振兴战略的实施，促进了湖南省农业经济的发展.湖南省2013年印发《湖南省最严格水资源管理制度实施方案》，提出严格实行用水总量控制、全面推进节水型社会建设、严格控制入河湖排污总量等方案，加快了水资源环境综合发展水平的提升，促进了两系统的耦合协调.

3.4 耦合协调度的影响因素分析

根据障碍度模型分别计算2008—2019年湖南省各市州农业经济系统与水资源环境系统耦合协调度的障碍度，对历年障碍度取平均值进行排序，筛选出各市州影响显著的障碍因素(Mj≥6%)，并列出各市州障碍度前4位的障碍因素，见表4.除衡阳的第一障碍因素为造林面积(B9)，其余市州的第一障碍因素为农业财政支出(A1)，在14个市州中作为障碍因素出现频次最高的指标有农业财政支出(A1)和农村居民人均可支配收入(A6)，出现频次均为14次，其余为造林面积(B9)9次、农业总产值(A4)5次、废水总量(B1)2次以及污水处理率(B8)1次.可见影响湖南各市州农业经济系统与水资源环境系统耦合协调度的障碍因素主要为农业财政支出、农村居民人均可支配收入、造林面积以及农业总产值，因此湖南各市州需加大对农业的投入，深化农业的财政支持力度，提高农村居民人均收入水平，缩小地域之间农业经济发展的差距.此外，衡阳需要进一步加大对水资源的管理，不断加大造林力度，提高水资源环境，长沙和郴州需减少废水总量，提高水资源质量.

表4 湖南省各市州主要障碍因素及障碍度

4 结论与建议

4.1 结论

本文构建了农业经济和水资源环境系统综合评价指标体系及其耦合协调度的评价方法，并以湖南省为例开展了应用研究，主要结论如下.

1) 本文构建的评价指标体系及评价方法可综合考虑两系统的复杂性和协调性，可以合理评价农业经济和水资源环境系统的耦合协调关系，以湖南省为例的评价结果符合当地实际情况.评价指标体系具有较好代表性和适用性，评价方法简便有效，可为区域农业经济和水资源环境耦合协调关系研究提供参考.

2) 农业经济和水资源环境系统的年均综合发展水平的地域分布类似，湘潭农业经济年均综合发展指数处于领先位置，岳阳、邵阳和湘西州水资源环境年均综合发展水平排名靠后.2008年—2019年，湖南省农业经济系统综合发展水平整体处于平稳上升趋势，而水资源环境系统综合发展水平整体不高且呈波动变化状态，主要体现在废水总量、人均用水量高使得水资源压力较大.

3) 2008年—2019年湖南省农业经济和水资源环境系统耦合协调度的空间差异明显，耦合协调水平明显地呈现出由“中部>北部>南部”向“南部>中部>北部”转变发展的态势，原因在于随着湖南南部区域农业投入和农业现代化水平的提升，南北农业经济发展水平较为一致，但水资源环境综合发展水平差异较大.南部地区位于湘江流域上游且人口较少，废水总量和人均用水量较少，有利于两系统的协调发展.

4) 14个市州农业经济与水资源环境系统的耦合协调度在时间序列上呈现显著上升趋势，2019年各市州农业经济与水资源环境系统耦合协调度发展水平均达到协调发展阶段；影响各市州两系统耦合协调度的障碍因素主要为农业财政支出、农村居民人均可支配收入、造林面积以及农业总产值，且各地区主要影响因素差异不明显.

4.2 建议

湖南省长沙、岳阳、湘潭、株洲、益阳和娄底等市进一步加大废水处理力度，提升公众节水意识和水资源重复利用率.湘江流域上游水资源压力小于下游，因此要合理规划上下游流域的用水；永州、郴州、怀化、衡阳、邵阳、张家界、常德和湘西州需控制污水排放，进一步扩大造林面积，减少化肥施用量，深化水资源管理和水环境保护，实施流域精细化管理，缓解下游地区水资源压力大的状况.农业现代化对农业发展支撑作用不明显，湘中和湘北粮食主产区应加大农业科技投入，提高机耕和有效灌溉农业面积，深化农业保险参保力度.湘西及湘南地区需提高稻田机械化水平，以增强农业经济可持续发展能力.各市州农业经济与水资源环境系统耦合协调度的空间差异明显主要与农业投入及产出的差异性有关，建议湘西州、娄底、张家界加大农业投入，深化农业的财政支持力度，缩小地域之间农业经济发展的差距.