棉花生产与水资源协调耦合发展研究

蔡玲松,贾楠楠

(新疆科技学院，新疆 库尔勒 841000)

1 概述

巴音郭楞蒙古族自治州(简称巴州)位于新疆东南部，是我国重要的棉花和能源生产基地，也是我国重要石油化工基地，战略地位十分重要。当地棉花及其质量不仅需要满足全国各地刚性需求，也是当地农村振兴和农民生活水平提高的经济保障，已成为重要经济支柱型产业。根据巴州2020年统计年鉴报告，巴州2020年棉花产量达到60多万t，约占GDP和第一产业产值的10%和60%。本文对棉花产量和一产产值的回归及其显著性特征的研究表明：二者之间高度相关(相关系数r=0.93)且棉花影响显著(检验值P=0.00<0.05)；其产量每增加1000t，第一产业产值通过直接和间接的方式平均增加0.344亿元，包括农民直接经济收入和带动其他行业经济发展的间接经济效益[1]；因此必须实现棉花产业的稳定可持续发展和保证水资源的配置能力。

巴州地处新疆腹地，远离水汽源地，属于内陆干旱区域，近年来随着经济的快速发展、特别是石油化工和棉花等高耗水行业的迅猛发展，并不丰富的水资源面临短缺，水资源对产业发展的配置能力在一定程度上制约了经济发展的规模。考虑到棉花生产的行业关联影响及其对农村经济发展的重要性，本文结合专家们的前期研究和详细数据调研，对过去多年棉花生产和水资源消耗的耦合协调度进行了研究；并以此为后续研究的基础，在下一步研究中拟以“十四五”计划期各年度为参考期限，应用2种数据分析方法分别推测水资源对第一产业和棉花产业的承载规模，确定不同用水效率和单产经济效益情况下的棉花种植规模和预期用水量，特别是现状水资源对“十四五”规划经济发展目标及其速度的承载规模，从而确定棉花产业可持续发展的生产规模[2]。

2 已有研究基础

耦合度和耦合协调度的研究属于经典经济研究方法，由于其数据计算依赖于实际统计数据，且计算过程信息量损失较小，因而在当前经济领域和其他相关领域得到了广泛的应用，国内外学者对耦合度和耦合协调度的研究一直没有停止，并以此为基础研究发展出了很多边缘应用方法。学者王成和唐宁[3]将耦合协调方法应用于乡村三生空间功能的时空特征与格局演化研究中，探究乡村三生空间功能间的互动关系，研究方法的组合十分新颖；学者盛亚和郑书莉[4]完成了流通产业与区域经济协调发展的耦合研究，研究以浙江省流通产业与区域经济协调发展的耦合协调度为例，根据计算结果详细给出了耦合度呈现短期波动、长期平稳的状态，区域经济发展指数受宏观环境影响滞后于流通产业发展指数，并对产业发展提供了参考依据；学者李国敏[5]等应用耦合协调度方法对煤炭行业高质量发展的评价体系进行了研究，构建了基于耦合协调度的煤炭行业高质量发展评价模型，实现了研究方法的进一步扩展，并应用于山西省煤炭行业的实际中。学者刘超凡等[6]测算了净灌溉水量同作物生长天数之间关系。关于巴州水资源的研究较少，但现有文献研究较深，覆盖了巴州水资源的基本情况，学者于刚和陈元刚[7]就新疆巴州水资源利用现状进行了分析研究，提出巴州水资源利用现状中存在的用水总量超量、农业用水过多、地下水超采和水资源利用效率低等问题，并提出水资源利用的对策及建议；学者穆永利[8]就加强新疆巴州水生态文明建设的方法进行了研究，提出了巴州水生态方面存在的问题；学者李帅莹[9]对辽宁水资源承载能力进行了研究；学者成正才[10]就巴州水资源及其承载力进行了研究，较为详细地研究了巴州水资源的形成和水资源承载规模，对本研究具有较高的参考价值。关于新疆巴州棉花生产的参考文献较少，本文主要参考资料和实地调研结果进行研究，并参考了赵姗姗等[11-12]学者关于棉花产业的研究。

本文在参考上述研究报告的基础上，通过调研和资料分析认为，以往耦合协调度的研究主要针对较大规模经济系统问题，而应用于实际小区域水资源和棉花产业的研究还很少发现，为此将耦合度和耦合协调度研究方法应用于新疆巴州水资源供给和棉花产业发展的实际研究中，同时考虑到这方面可参考研究资料的有限性和研究正确性的需要，故决定在研究过程中采用联系实际和数据比较的方法，尽量使误差和信息损失降到最低，并为下一步研究奠定了可靠基础。

3 研究方式及其数据来源说明

3.1 第一产业和棉花产业经济数据说明

巴州棉花生产从规模化初期2000年的10多万t发展到2020年60多万t，需求旺盛时期一度达到450万亩种植规模，约占新疆棉花产量的75%。表1给出了各计划期棉花产量，说明棉花产量从快速增加到“十三五”前4年发展速度有所下降，分析认为其主要原因是水资源的约束效应，巴州调整了有限水资源的灌溉结构，提倡发展红枣等耐旱经济作物，适当减少了棉花种植规模。但由于经济建设对巴州棉花的刚性需求，政府经济发展规划表明在“十四五”期间棉花生产还将在现有基础上实现进一步发展，同时要求提高棉花种植用水效率和单产经济效益[13]。

表1 巴州棉花生产量及其增长速度

研究表明，巴州第一产业产值与棉花产量之间具有很紧密的耦合关系，巴州第一产业产值与棉花产量的发展趋势图如图1所示，图中曲线表明，除2015和2016年以外，其他年份都呈现出良好的耦合形态。事实上巴州棉花产业产值约占第一产业产值的60%，对第一产业经济的影响十分显著，因此形成较高的耦合态势。

图1 巴州地区棉花产量与第一产业产值发展趋势图

巴州棉花产量对第一产业产值影响的显著性研究结果表明；棉花产量与一产产值之间存在高度相关性(r=0.93)，棉花产量对第一产业产值的影响显著(P=0.00<0.05)；依据回归分析结果认为；巴州棉花产量每增加1000t，第一产业产值通过直接和间接的方式平均增加0.344亿元，其中包括棉花产量带来的农民直接经济收入和带动第一产业其他行业的间接经济效益。

3.2 水资源及其数据说明

巴州水资源总量的多年平均值见表2，巴州总降水量约为460亿m3，降水量的区域分布很不均匀，在10～1000mm之间，夏季约占60%～80%、春秋季约占10%～20%，冬季较少。地表水来源的山区降水较稳定，加上冰川和永久积雪储量对地表和地下水转换的调节作用，使塔里木和开都河等主要河道径流量比较稳定；多年平均水资源总量约为111亿m3，地下水量为6.018亿m3[14]。

表2 巴州行政区年均水资源总量

表3 巴州部分行政区年均降水量标准分数分布 单位：亿m3

上述分析表明，巴州地域辽阔，降水量分布广泛，虽然各行政区降水量的年差异相对较大，但由于高原盆地水资源丰富，对总体水资源有较好的调节和缓冲作用，使地下水和地表水相互转换较为稳定，这些因素保证了整个巴州区域的水资源总量较为稳定，这对棉花生产的发展具有重要意义。

4 耦合模型与指标体系构建

4.1 耦合模型构建

本文分别对2个系统的属性指标进行了选取，由于水资源和棉花系统的指标体系没有现成研究可供参考，课题组结合实际统计数据，分别按照相关性特征选取各项指标，年份时间起点从规模种植开始的2009—2019年的序列数据，水资源系统包括全州人均用水(m3)、第一产业用水(108m3)、总用水(108m3)、棉花耕地灌溉用水(108m3)和棉花产值用水(108m3)5项指标，棉花系统包括相同各年度产生的棉花产量(t)、棉花平均价格(元/t)、棉花种植面积(khm2)、农牧民人均纯收入(元)和亩产棉花(kg/亩)5项指标；故2个系统形成11(m=11行)个评价对象和5(n=5列)项评价指标构成的11×5(即m×n)非标准化数据矩阵，需要进行标准化处理。为保证标准化数据的正值属性，对某个待标准化数据xij分别采用如下公式：

xij=[xij-min(xj)]/[max(xj)-min(xj)]

(1)

xij=[max(xj)-xij]/[max(xj)-min(xj)]

(2)

式中，xij和xij—第i行和第j列的原始数据和标准化后数据；max(xj)和min(xj)—第j项指标的最大值和最小值。

耦合是指2种或2种以上系统相互内联特征，量化揭示了系统之间通过各指标数据形成的相互协调和匹配程度；当系统之间具有较高的协调度时，可形成较高的量化匹配态势，如果不能形成协调则表现出较低的量化匹配态。在本文的研究中，选择棉花生产及其相关指标和水资源供给及其相关指标为2个目标系统和其指标体系，具体模型如下：

用Ui代表某个系统的综合参数，则各系统之间的耦合度模型可用下式表示：

(3)

这里选择棉花和水资源2个系统，取n=2，则(1)可转化为如下公式：

(4)

(5)

式中，α和β—待定系数，体现相应系统在综合评价得分中所占的比重，α+β=1，本文设水资源与棉花系统同等重要，故取α=β=0.5。

4.2 计算结果分析

如上所述，本文选用了规模化种植以来2009—2019历史年份的统计数据分别表示水资源系统和棉花系统的各项指标，由于各指标原始数据来源于实际统计数据，其权重更贴近实际。2个系统各指标的权重系数见表4。

表4 水资源系统和棉花系统各指标权重系数

国家规定的耦合协调度参考值见表5，本文中2个系统的耦合协调度可以分为耦合度C和耦合协调度D，表5给出的是耦合协调度的评价标准；其中0≤D<0.4表示失调值域，分为4个等级，分别为极度失调、严重失调和中度失调轻度失调，最后等级是小于0.4，而大于等于0.4是失调与协调的临界点，也是进入协调门槛的濒临协调等级。协调值域总体被赋值于0.4≤D<0.1，越接近于1协调程度越显著和优良，除濒临协调等级外共有5个协调等级可供参考。

表5 耦合协调度等级划分标准

表4结果和上述公式计算得到U1和U2，然后再根据公式计算出耦合度C与耦合协调度D，见表6；从U1和U2对比关系看，2009—2010年间水资源和棉花产业的耦合度指数水平先下降然后在2011年恢复良好耦合度，这与实际情况十分接近，由于2009年开始的观摩化种植在一定程度上促进了用水效率的提高，但管理水平滞后也在一定程度上影响到水资源和棉花产业的耦合度。从整体耦合度量值分析，不难发现除2014—2015期间有微弱欠耦合以外基本保持良好；2014年棉花生产量超过60万t大关，相比2013年增加10万多t，并通过2015年下降至53万t，这种现象引起水资源的变动，是耦合度体现出2年连续下降并回复的情况。

表6 水资源和棉花生产系统综合得分和耦合度及耦合协调度

本文用耦合协调度(D)反映水资源和棉花产业之间相互影响的协同效应，事实上这2个系统的耦合协调度与耦合度具有紧密的关系，但耦合度只能反映2个系统的匹配程度，对2个系统的实际水平并不敏感，而耦合协调兼顾两个方面的因素，同时反映系统间的耦合程度和协调程度。结合表7和图2能够较完整地描述水资源系统和棉花产业的耦合协调程度；从2009—2019的11个历史年份中，没有出现10级耦合协调等级，说明水资源受其他行业用水影响较大，2013年后出现中级以上的协调态势，主要有等级8和9构成，水资源与棉花产业体现出较高的耦合协调度，说明棉花用水在总水资源消耗中占有重要地位。

表7 耦合协调计算结果评价

从图2所示的发展形态分析，2012年前虽然水资源与棉花产业具有较高耦合度，但耦合协调度并不高，处于失调和初步形成协调的形态，体现出棉花产业规模化种植过程中对水资源需求的确定并不稳定，加之其他行业对水资源的需求影响而至。2013年开始进入较高协调状态，表明水资源与棉花产业已经形成较为稳定的需求关系，且需求量较为稳定，2个系统发展趋势向上，而2014年耦合协调能力同时下降，这主要是棉花生产量的突然加大使水资源失去跟随能力，水资源配置能力表现出不稳定，与棉花生产的水需求失去协调性，但后期一直处于良好协调状态。

图2 水资源与棉花产业耦合度和耦合协调度示意图

5 建议

本研究显示，除规模化种植开始的最初3年以外，其他各年度水资源承载规模与棉花生产具有较好的耦合协调度，同时能够较好支持棉花的生产，但这并不能代表2020年以后的耦合协调程度(由于没有2020年统计数据)，对当前和“十四五”规划期水资源对棉花的承载规模，还需要进行下一步的研究，但就目前巴州经济发展的规模分析，其总体用水量需求较大，水资源配置能力面临较大挑战。由于巴州水资源的有限性和可用水资源余度较小的现实，承载全州经济长期发展的预期能力有限，需要积极采用有效节水政策和措施加以防范，本文提出以下几个建议供参考：

首先，根据各行业生产用水和生活用水特点，尽快制定出台以节水为中心、更加严格和细化的节水政策和措施，政策措施要具有可操作性，其细化措施要紧贴行业生产节水的实际需要，提高农业用水效率。

其次，展开社会节水活动，加强公民节水意识，普及到每个公民，加强全州节水工作的配套制度，结合国家和自治区相关政策措施，积极创建节水型社会体系和机制。

再次，根据全州工业经济发展较快的实际，加强工业企业用水管理、细化生产过程节水、开拓研发节水型生产工艺和节水技术、提高工业用水利用率。

最后，根据全州农业生产用水实际，水资源节约潜力较大，需要制定相应的农业节水政策措施和配套法规，结合新疆农业节水政策和进度，积极开展农业生产过程节水和农村居民生活节水活动；同时考虑棉花产业在农业的较大比重，提高给定水资源配额条件下的棉花单产经济效益，在保证农业经济发展水平的同时降低农业水资源消耗。