基于熵权TOPSIS的河南省农业水土资源承载力时空分异与关联分析

文 倩, 孙江涛, 范利瑶, 李小弯, 李青松

(河南农业大学 资源与环境学院, 郑州 450002)

随着新冠疫情在全球的持续和蔓延，粮食生产与供应体系正遭受多重挑战，世界对粮食安全的担忧亦日益增加[1]。作为粮食生产的关键核心要素，区域耕地和水资源及对应的农业水土资源承载能力是粮食稳产与高产、国家粮食安全的基础与保障，也是人口、资源与环境可持续发展评价的重要指标[2]。随着我国经济快速发展和城镇化的持续推进，农业水土资源短缺和区域性结构破坏等问题日益突出[3]，土壤与水体污染也增加了国家粮食安全的风险和不确定性[4]。同时，因人口顶峰的到来及社会主义现代化目标的实现，预计2022—2030年我国粮食需求将达到峰值、年均增加约656.6万t[5]。因此，为满足我国社会不断增长的粮食总量需求，必须强化粮食生产能力建设、提高农业水土资源的承载能力。

目前学界对农业水土资源承载力尚无统一定义[3]，早期相关研究主要侧重于土地或水资源承载力的独立评价[6-7]，由于未综合考虑农业水土资源的复杂作用与耦合关系，而不利于其整体效能的充分发挥[8]。近年来，越来越多的学者将农业用水与耕地资源二者相结合以开展综合研究，如王国强等[9]研究了水土资源匹配系数与河南粮食产量的关系，发现二者空间分布错位明显，粮食高产区普遍过度利用水资源；任守德等[8]采用微观和宏观两种模型研究了三江平原的农业水土资源承载力，认为其能较好的反映区域水土资源的实际情况；李慧等[10]研究表明延安市农业水土资源匹配程度较差，农业水土资源承载力水平整体偏低；杨剑等[11]采用DPSIR模型和熵权TOPSIS方法对湖北省农业水土资源承载力做了定量研究，发现不同地区差异较大：安全承载与超载区域各占约50%。可以看出，目前农业水土资源承载力的研究取得了一定进展，但统一、综合的时空动态研究仍然较为缺乏。

自2013年以来，河南省粮食产量平均每年增加100万t，对国家粮食安全做出了重要贡献。但河南人地矛盾尖锐、耕地质量偏低，近1/7耕地存在退化、农田面源污染等问题突出[12]，同时水资源极度紧缺、水土资源匹配较差[13]，其农业水土资源承载能力直接影响到了粮食有效供给与粮食产能稳定。因此，本研究采用熵权TOPSIS模型与灰色关联分析方法，对河南省近13年来区域农业水土资源承载力的变化特征与影响因素进行动态分析与定量诊断，以期为筑牢河南农业根基、强化和提高粮食生产能力并增强粮食供给保障提供科学依据。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

河南省地理位置北纬31°23′—36°22′、东经110°21′—116°39′，土地总面积16.7万km2，耕地总面积811.2万hm2，人均耕地面积0.075 hm2。为暖温带—亚热带、湿润—半湿润季风气候，年均气温13～16℃，年均降水500～900 mm。地势西高东低，平原和盆地、山地、丘陵分别占总面积的55.7%，26.6%和17.7%。主要土壤类型为棕壤、黄褐土、褐土和潮土，质地以粘质、砂质和壤质为主。河南是我国粮食主产区，2018年粮食种植面积1 476.9万hm2，其中小麦574.0万hm2，玉米391.9万hm2，全年粮食产量1 329.8亿kg。2018年全省GDP4.8万亿元，三次产业结构为9∶46∶45；2018年末全省总人口1.1亿人、城镇化率51.7%，森林覆盖率24.5%。

1.2 数据来源

2 河南省农业水土资源承载力评价方法

2.1 农业水土资源承载力指标体系

基于绿色、协调、生态环保、高质量发展的原则以及农业水土资源承载力内涵与相关研究成果[3,10]，本文从资源、环境、经济、社会4个方面选取了15项指标构建河南农业水土资源承载力评价指标体系，各指标具体名称及其性质详见表1。

表1 河南省农业水土资源承载力评价指标体系

2.2 数据标准化处理与权重确定

本文采用熵权法计算指标权重，熵权法具有客观、定量的特点，能较好地反映各指标的实际贡献。计算步骤为：首先，用极差标准化法对原始数据进行处理；其次，确定各指标的信息熵(Hi)以及信息效用值，信息熵越大则该指标越重要；熵权计算方法见式(1,2)。

(1)

(2)

式中：Wi为指标权重；Hi为信息熵；fij为指标特征比重；rij为第i年第j个指标的原数值；m为指标个数；n为年份。

2.3 农业水土资源承载力评价模型构建

本文采用TOPSIS模型对河南省农业水土资源承载力水平进行定量分析。该方法通过对有限评价对象与理想目标接近程度的排序来计算目标与正负理想解的距离，并在此基础上计算区域农业水土资源承载力水平，主要步骤如下：

(1)构建标准化评价矩阵。首先采用熵权法计算各指标的权重w，再加权构建标准化评价矩阵Y。

(3)

式中:Y为评价矩阵；ymn表示第i个指标第j年的加权后的数值；rmn表示第i个指标第j年的原数值；wmn表示第m个指标第n年的权重。

这年秋天，我上学的事忽然被提上了议事日程，之前一直都是妈妈在家里教我。说实话，我对上学不可能没有顾虑。开学那天，我径直朝教室走去，不用抬头也知道沿路有一些同学在直勾勾地盯着我看个没完，“注目礼”形成的光束灼灼燃烧着我。

(2)确定正负理想解。即用规范化加权评价矩阵各列的最大最小值构成最优、最劣向量，正、负理想解分别记为：

(4)

(5)

(3)计算距离。采用欧氏距离方法计算评价对象与正、负理想解的距离，详见式(6,7)：

(6)

(7)

(4)农业水土资源承载力计算。采用贴近度表示第i个评价对象与本地区最优承载力间的接近程度并以此计算区域农业水土资源承载力水平，详见式(8)：

(8)

2.4 农业水土资源承载力等级划分

Jenks最佳自然断裂法是将数据划分为多个类别，在数据值的差异相对较大的位置处设置其边界[14]。本文依据河南实际，采用类内差异最小，类间差异最大的Jenks最佳自然断裂法将河南省农业水土资源承载力指数划分为良好、稳定、敏感、薄弱4个等级，进行空间分析，评价级别及对应承载力水平具体见表2。

表2 河南省农业水土资源承载力分级标准

2.5 灰色关联分析

灰色关联分析具有原理简单、运算方便、易于挖掘数据规律的特点，计算公式为：

(9)

(10)

3 结果与分析

3.1 农业水土资源承载力时间动态变化

2006—2018年，河南省农业水土资源承载力总体呈增长趋势，承载力指数均值为0.266，承载力指数由2006年的0.226上升至2018年的0.336，增加了48.67%，但承载力不够稳定、围绕趋势线上下波动且幅度较大，最高值与最低值相差近1.26倍(图1)。2018年，河南农业水土资源承载力达良好水平，其余年份(不含2006年)属于稳定水平。农业水土资源承载力自2014年起出现较大幅度下降，与极端干旱气候导致耕地水土资源系数降低有关；2014年农作物受灾面积较2013年增加了61%；同时频繁的大风天气也对粮食产量造成了一定影响[15]。

图1 2006-2018年河南省农业水土资源承载力

2006—2018年，河南省内新乡、郑州、信阳、商丘、许昌等市农业水土资源承载力平均水平较高，漯河、平顶山、鹤壁、开封相对较低(图2)。除信阳、驻马店、三门峡、郑州外大部分地市农业水土资源承载力都有所增加，其中濮阳、焦作、鹤壁年均增长速率较快，均超过9%；其次是安阳和新乡，年均增长约7%～8%；农业水土资源承载力下降较快的是信阳和驻马店，年变化率为-8.49%和-2.77%，这些地市在很大程度上降低了河南省的总体承载力水平。

图2 2006-2018年河南省各市农业水土资源承载力均值及变化率

2006—2018年，河南省各市间农业水土资源承载力水平变化差异明显(表3)，依据其变化特点，河南各市农业水土资源承载力大体可分为4类：第一类包括新乡、信阳2个地市，农业水土资源承载力2007—2013年呈缓慢上升；2014年迅速上升，随后进入相对稳定阶段，至2018年又有所下降；第2类包括郑州、许昌、南阳和周口4市，农业水土资源承载力在2006—2010年相对较高，其余年份比较平稳；第3类包括安阳、漯河、三门峡、商丘和驻马店5市，其农业水土资源承载力变化趋势大体呈“几”字形，前期和后期平稳，中间阶段(2011—2013年)高；开封、洛阳、平顶山等7市属第4类，其农业水土资源承载力总体平稳，仅在2018年有所上升。

表3 2006-2018年河南省各市农业水土资源承载力

3.2 农业水土资源承载力空间动态变化

为研究河南省农业水土资源承载力的空间分布情况，首先将承载力水平分为良好(Ⅰ级)、稳定(Ⅱ级)、敏感(Ⅲ级)和薄弱(Ⅳ级)4个等级，再选取2006年、2012年、2018年农业水土资源承载力进行空间分析(图3)。2006—2018年，总体上河南农业水土资源承载力在空间上的分布规律为豫北>豫南>豫东>豫西；其在时间与空间两个维度上的变化规律为：2006年，豫南>豫西、豫中>豫北>豫东；2012年，豫北>豫东>豫南>豫西；2018年，豫北>豫东>豫南>豫西。可以看出，随着时间变化，承载力良好区域逐渐向豫北和豫东集中。

图3 河南省农业水土资源承载力空间分异

3.3 农业水土资源影响因素分析

灰色关联系数能够客观体现各评价指标对河南省农业水土资源承载力的贡献程度，图4可见各指标与农业水土资源承载力指数的关联系数都高于0.5。其中，农作物受灾面积比例(C9)、本年度农林水利工程投资比例(C11)、废水处理率(C6)、农业水土资源匹配系数(C1)、森林覆盖率(C4)、单位耕地面积的耗电量(C12)等指标与农业水土资源承载力的关联度高于0.6，是主要的影响因素。特别是农作物受灾面积比例(C9)与农业水土资源承载力的关联度最高、达到了0.834，表明河南应大力提高农业防灾、减灾能力。

图4 评价指标与农业水土资源承载力指数的灰色关联度排序

4 讨论与结论

4.1 讨 论

良好的农业水土资源承载力是实现粮食增产与安全的基石，研究期内河南省农田水利投资金额、有效灌溉面积以及森林覆盖率持续增长[16]；因此，农业水土资源承载能力总体有所提高。但与此同时，快速的城镇化与经济增长对区域农业水土资源的压力也在持续增加[17]；研究期内河南单位耕地面积化肥与农药施用量[18]、极端天气与农业灾害[19]都有所增加，不仅给河南粮食生产带来了隐患，也可能是承载力大幅波动的原因之一。研究期内，河南农业水土资源承载力空间差异逐渐增大，豫南农业水土资源承载力下降、承载良好区域逐渐向豫北和豫东集中，这与豫北各市普遍增加了对农田水利设施的投入、农业水土资源匹配程度有所好转有关[16]；也反应出豫南地区亟需加强对农业水土的保护及农业投入。同时，关联分析表明农作物受灾面积比例、农林水利工程投资比例与废水处理率、农业水土资源匹配系数是影响水土资源承载力的重要因素。为筑牢粮食生产根基、提高粮食生产水平，河南应重点增强农业抗灾能力、提高水资源利用效率，增加生态环境、农业资金和技术投入、优化农业种植结构，从而实现农业水土资源持续利用和社会经济可持续发展。

4.2 结 论

(1)2006—2018年，河南省农业水土资源承载力指数平均值0.266，承载力水平总体上升但波动较大，承载力指数最高值与最低值相差近1.26倍，除2018年外，绝大多数年份处于稳定水平；濮阳、焦作、鹤壁农业水土资源承载力年均增长速率较快，均超过9%；信阳和驻马店下降较快，年均分别下降8.49%和2.77%。

(2)2006—2018年，河南省农业水土资源承载力在空间上的分布规律为：豫北>豫南>豫东>豫西，其中郑州、新乡、信阳、商丘、许昌等5市较高，开封、平顶山、漯河、鹤壁等4市较低，研究时段内豫南农业水土资源承载力逐渐下降、豫北和豫东逐渐增高。

(3)对河南省农业水土资源承载力影响较大的因子主要有农作物受灾面积比例、本年度农林水利工程投资比例、废水处理率、农业水土资源匹配系数以及森林覆盖率。