基于GIS的农业水土资源匹配特征分析

范振功

(胜利油田信科海洋勘察测绘有限公司, 山东 东营 257000)

0 引言

水土资源作为农业生产、经济发展和生态环境的核心资源,与人类的生存息息相关。近年来,由于全球变暖、人口数量激增等问题的出现,水土资源的利用程度不断加深,由此导致水土资源污染和自然环境的破坏等严重问题。水土资源的匹配程度是影响农业可持续发展重要因素之一,同样对于粮食生产安全有着重要的关系。

农业水土匹配系数能够反映某一区域农业生产用水与耕地资源是否匹配的量化参数。1998年,Brown L R等[1]提出对中国水资源短缺的关注；2004年,Francisco J等[2]分别以葡萄种植土地利用规划与水资源建立联系,并提出水土资源匹配程度的好坏成为农业生产量的高低的决定因素。

目前国内研究水土资源匹配系数主要有两种方法,一是基尼系数法,二是单位耕地面积拥有的水资源量法[3-8]。吴宇哲和鲍海君借助区域基尼曲线及系数研究了我国省际的水土资源匹配程度[9];刘彦随等基于水土资源动态变化构建了我国东北地区的农业水土资源匹配分析模型,并对其不同地市的农业水土资源匹配度差异进行了研究[10];张孝存等着重于陕西商洛地区农业水土资源时空匹配上的分析,得出了耕地资源的短缺难以发挥水资源的优势,并得到该地区水土资源匹配差异较大的结论[11];董艳等同样利用基尼曲线和系数,重点关注了我国西北旱区农业水土资源匹配程度[12];杨齐祺基于区域基尼曲线,结合单位面积耕地所拥有的水资源总量法,研究了近13年安徽省的农业水土资源匹配格局[13];徐娜等以长时间序列分析为主,研究了17年间甘肃省的流域农业水土资源配置效率[14];薛道义和张亭利用单位耕地面积水资源量法,研究分析了华北地区2014—2018年农业水土资源匹配格局[15]。

本文以山东省为研究对象,在分析自然资源条件与社会经济状况的基础上,结合2010—2020年山东省农业水土资源及相关数据,利用基于洛伦兹曲线的基尼系数、区域水土资源匹配度方法、基于地理信息系统(geographic information system,GIS)的土地利用类型统计法和水土资源空间匹配方法,较为全面地分析了山东省农业水土资源匹配格局。

1 研究区及数据源

山东省经纬度范围为北纬34.382 °～38.400 °,东经114.792 °～122.705 °,与河北省、安徽省、江苏省和河南省陆上接壤,地处中国东部沿海,山东省陆域面积接近155 800 km2。山东省地形以山地丘陵为主,西部和北部为华北平原,也是山东省的主要产粮区,东部为低矮的丘陵,中南部属于泰山山脉;山东省内主要河流属于五大水系,包括淮河、小清河、海河、黄河和胶东;在气候上,山东省在暖温带季风气候范围内,四季分明,雨热同期。

本文中耕地面积、有效灌溉面积等土地资源数据来源于《山东省统计年鉴》(2011—2021年),水资源总量、农业用水量等水资源数据来源于《山东省统计年鉴》(2011—2021年)和《山东省水资源公报》(2010—2020年);2010、2013、2015、2018和2020年山东省土地利用数据由中国科学院资源环境科学与数据中心提供的中国土地利用现状遥感监测数据转换得到。

2 基于GIS的农业水土资源时空匹配特征分析

2.1 基尼系数变化特征

2.1.1基尼系数构建方法

基尼系数常用来衡量一个地区或国家居民收入的差异程度,测算时将人口按收入水平分级后构建基尼曲线求得[9]。常见的有收入基尼系数、财富基尼系数及区域资源基尼系数对于研究区域资源的匹配问题,结合资源的空间分布特性,其区域基尼曲线构建方式如下：

(1)首先需要计算的是单位体积水资源所需服务的耕地面积,对于本研究来说,就是分别计算出山东省的17个市(2019年后为16个)的值,然后从低到高进行排序。

(2)其次是统计水资源和耕地资源的相关数据,包括各自占比,本文则是统计17个市(2019年后为16个)的数据。

(3)接着计算的是水土资源占比的累积总和。本例中应依次计算出17个市(2019年后为16个)的数据。在这里,作为示例,将研究区域分为4个区域：①第一个区域拥有权重为0.1的水资源和0.3的耕地资源,第二到第四个区域水资源分别占比0.2、0.4和0.3,耕地资源分别占比0.2、0.3和0.2；②按单位体积水资源所需服务的耕地面积从低到高对区域进行排序,依次为第四区域、第三区域、第二区域和第一区域,同时计算各自水土资源累积比例；③第四到第一个区域水资源累积分别是0.3、0.7、0.9和1,耕地资源累积分别为0.2、0.5、0.7和1。即可得到区域基尼曲线如图1所示,灰色部分由区域基尼曲线与45°线构成。

(4)最后需要说明的是,洛伦兹曲线与45°线所夹区域的面积的2倍即为基尼系数(G),此值应大于0小于1,值越小,说明水土资源匹配程度越好;反之,水土资源匹配程度越差。

图1 区域基尼曲线示意图

2.1.2基尼系数动态变化分析

图2和图3展示了2010—2020年山东省基尼系数的变化趋势,由图2和图3可知,从2010年的0.232 6开始到2013年的0.341 8,山东省基尼系数呈现逐年上升的态势,说明在此四年内,山东省水土资源匹配度逐年变差;2013—2015年三年间,山东省基尼系数由2013年的0.341 8下降到0.267 8,表明水土资源匹配度呈现变优态势;从2015年开始,山东省基尼系数一直增大,从2015年的0.267 8上升到2017年的0.358 2,水土资源匹配度变差;2018年,山东省基尼系数较2017年数值低,为0.298 4,但之后的2019年、2020年,基尼系数呈现上升趋势,表明山东省水土资源匹配度逐年变差。

由于受到2018年的台风及强降雨影响,山东省在该年份降雨量骤增,基尼系数都达到了较小值,随着连续几年的降水减少,水资源总量变少,虽然山东省于2018年开始实施《山东省水资源条例》,仍然出现了基尼系数升高的状态,这意味着水土资源的分配在部分地市出现不合理的现象。

(a)2010年

图3 2010—2020年山东省基尼系数变化趋势

2.2 水土资源匹配系数变化特征

2.2.1农业水土资源匹配系数测算方法

农业水土资源匹配程度的衡量方法主要是计算单位耕地面积的农业用水占有量的农业水土资源匹配系数法。农业水土资源匹配系数是某一区域农业生产所占有的水资源与耕地资源在空间上匹配的量比指标[11]。系数越大,说明该地区水资源满足耕地资源的程度就越高,水土资源分布越合理,农业生产基本条件就越好;反之,系数越小,表明水资源满足耕地资源的程度就越低,水土资源分布越失衡[11]。该系数的计算模型如式(1)所示[16]。

(1)

式中,Ri表示山东省i市的农业水土资源匹配系数,单位为万 m3/hm2;Wi代表山东省i市的水资源可利用总量,单位为万 m3;αi表示山东省i市的农业用水量占总用水量的比例;Li表示山东省i市的耕地面积,单位为万 hm2。

2.2.2 农业水土资源匹配系数动态变化分析

表1展示了2010—2020年山东省各市及全省水土资源匹配系数。由表1可知,山东省2010—2020年的平均水土资源匹配系数为0.30万m3/hm2,低于全国平均水平为0.56万 m3/hm2,山东省水土资源匹配系数仅为全国的53%,李晓燕等[18]计算的2007—2016年山东省平均水土资源匹配系数为0.21万 m3/hm2,低于本研究的结果,说明近年来的水土资源匹配度呈现良好的态势。

图4给出了2010—2020年山东省平均水土资源匹配系数变化趋势。结合表1和图4,从整体上看,山东省平均水土资源匹配系数变化趋势与水资源总量的变化趋势相近,呈现先下降后上升的趋势,分为从2010年开始到2014年的下降阶段和2014—2020年的上升阶段。下降阶段中,从2011年的0.41万 m3/hm2下降到2012年的0.33万 m3/hm2,以及从2013年的0.35万 m3/hm2骤降到2014年的0.17万 m3/hm2,说明这五年间,山东省的水资源满足耕地资源的程度变低,水土资源分布不合理,农业生产基本条件不足。上升阶段中,从2014年的0.17万 m3/hm2上升到2018年的0.35万 m3/hm2,以及从2019年的0.20万 m3/hm2骤增至2020年的0.43万 m3/hm2,说明这六年间,山东省的水资源满足耕地资源的程度逐渐升高,水土资源分布愈发合理,农业生产基本条件基本充足。

表1 2010—2020年山东省水土资源匹配系数 单位：万m3/hm2

图4 2010—2020年山东省平均水土资源匹配系数变化趋势

图5 山东省各市2010—2020年平均水土资源匹配系数变化趋势

图5展示了山东省各市2010—2020年平均水土资源匹配系数变化趋势。结合表1和图5,从研究时段山东省各个地市的水土资源匹配系数来看,临沂市以平均水土资源匹配系数0.66万m3/hm2占据首位,日照市、莱芜市、淄博市、烟台市和威海市的平均水土资源匹配系数均超过山东省平均水土资源匹配系数0.30万 m3/hm2,水土资源分布较为合理;青岛市、东营市和聊城市的平均水土资源匹配系数较低,分别为0.10万 m3/hm2、0.18万 m3/hm2和0.19万 m3/hm2,均低于0.20万 m3/hm2。从2010年开始,青岛市的农业水土匹配系数不断减小,最低时仅为0.02万 m3/hm2,究其原因,主要有以下几点:①2010—2020年,青岛市的耕地面积呈现增加的趋势,仅靠地表水,无法支撑农业的生产;②青岛市作为山东省副省级城市之一,近年来大力发展第二产业和第三产业,城镇化进程加快,人口不断增加,生活用水量逐年增加,从而压缩了农业用水,农业用水需求和供给矛盾愈发突出。

2.3 水土资源匹配空间变化

根据中国科学院资源环境科学与数据中心发布的2010、2013、2015、2018和2020年山东省土地利用现状遥感监测数据,结合现有资料,利用ArcGIS软件对其进行矢量处理,包括颜色设置、合并、各类土地面积统计及制图输出。

山东省耕地主要分布在鲁西地区、鲁北地区、鲁西南地区、鲁东部分地区、胶州半岛部分地区,其中鲁南地区得益于省内面积最大的淡水湖群——昭阳湖、独山湖、南阳湖、微山湖而存在部分水田,鲁北地区由于地处黄河入海口,因此也存在较少水田;山东省水域主要以贯穿鲁西北地区、鲁北地区的黄河以及鲁南地区淡水湖群为主,鲁西济宁市分布有东平湖,胶东半岛南部沿海也有水域分布。

通过ArcGIS中的属性查找提取出耕地(包括水田和早地)、水域要素,在通过要素的导出以及坐标系投影(选用CGCS2000坐标系),再利用属性表中的计算几何更改字段单位,便可通过统计分别算出2010、2013、2015、2018和2020年五年中山东省耕地面积及水域面积,统计在表2中。

由表2可知,2010—2020年,山东省耕地面积呈现先下降后增加的态势,从2010年开始,耕地面积一直减少,从101 999.039 km2下降到2018年的100 489.636 km2,下降幅度为1.48%,从2018年开始,耕地面积开始增加,增长到2020年的101 402.693 km2,增幅为0.90%;与耕地面积变化不同,山东省水域面积呈现先增大后降低再增大的趋势,2010年与2015年的水域面积相差不大,但2013年的水域面积增长较大,为10 341.022 km2,比2010年增长了3 675.360 km2,增长幅度较大,2015—2020年,水域面积与耕地面积趋势相近,呈现上升的态势。从空间变化上来看,说明近年来山东省农业水土资源匹配度向良好的态势发展,水土资源分布愈发合理。

表2 2010、2013、2015、2018和2020年山东省耕地与水域面积统计 单位：km2

3 讨论

山东省作为我国重要的农业大省,其农业生产能力对我国的粮食安全及人民生活有着重要影响。农业生产中的水土资源匹配及合理程度决定了基本的农业生产条件,随着城镇化进程的加快,山东省耕地面积也在逐年减少,但水域面积有所增加,农业水土资源匹配程度较为合理。

然而各地级市农业水土资源匹配程度却表现出较大的差异性,青岛市和东营市的农业水土资源匹配度不合理的原因分别表现在两方面：城镇化和农业条件。城镇化造成的农业水土资源不匹配在上文已阐述,而农业条件作为先天条件,例如，盐渍化土地,进一步制约着农业的生产能力。通过建设水利工程,跨季节储水、跨流域调水的方式可以解决农业用水问题,同时因地制宜,开展高效、科学的农业灌溉方法也能为提高农业水土资源匹配度和农业生产能力提供有效的支撑。

4 结束语

本研究以山东省作为研究区域,基于山东省2010—2020年的农业水土资源数据,同时结合中科院资源环境科学与数据中心提供的2010—2020年该省土地利用现状遥感监测数据资料,利用基于洛伦兹曲线的基尼系数、区域水土资源匹配度方法、基于GIS的土地利用类型统计和水土资源空间匹配,较为全面地分析了山东省农业水土资源匹配特征,主要结果如下：

(1)基于洛伦兹曲线的基尼系数法体现在山东省农业水土资源中的作用表明，2015—2020年,山东省农业水土资源的分配在部分地市存在不合理的现象。

(2)基于区域水土资源匹配度来看,2010—2014年,山东省的水资源满足耕地资源的程度变低,水土资源分布不合理,农业生产基本条件不足,而2015年之后,水资源满足耕地资源的程度逐渐升高,水土资源分布愈发合理,农业生产基本条件基本充足;但部分地市,如青岛市,水土资源分布极不合理,水资源的供给量不能满足耕地资源对应的农业生产的需求量。

(3)从空间变化上来看,山东省水土资源分布呈现鲁西北优于鲁东的现象。

总体上看,山东省农业水土资源匹配度向良好的态势发展,平均水土资源匹配度为0.30万 m3/hm2,仍低于全国平均水平。