1978—2020年我国有效灌溉面积时空变化特征

江铭诺 向昆仑 黄奕融 梁卓轩 邓若钊 张恩红

(1.广东省气象数据中心,广州 510640;2.广东省生态气象中心,广州 510640;3.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广州 510641;4.广东省遂溪县气象局,广东 遂溪 524300)

我国幅员辽阔,人口众多,耕地资源紧缺[1],如何保障粮食稳产、增产,成为研究的热点。随着全球气候变暖的加剧,各类对农业生产造成巨大威胁的极端天气事件频发。为提高农田的抗灾能力,农业农村部在2021年颁布了《全国高标准农田建设规划(2021—2030)》。根据规划方案,完善的农业灌溉设施是建设高标准农田的重要指标[2]。农业灌溉是全球粮食产量增产的主要原因之一[3],而耕地面积中的有效灌溉面积对于巩固提高粮食生产能力,保证粮食生产安全具有重大意义。有效灌溉面积是指灌溉工程设施完善,有稳定水源,土地较为平整,一般年份下可以进行正常灌溉的耕地面积[4-5]。有效灌溉面积是评判区域粮食生产安全和农田水利建设的重要指标,也是反映不同地区农业生产抗旱能力的重要指标,特别是对于气候干旱地区,其对当地粮食产量的稳定影响更大[6];提高耕地有效灌溉面积是我国高标准农田建设的重要环节。

目前,已有研究针对我国部分地区的有效灌溉面积变化情况进行了动态分析:柳长顺等[7]分析了1986—2004年我国有效灌溉面积的动态变化,简要阐述了该阶段我国各省区市的有效灌溉面积净变化情况,分析了变化的主要原因及对粮食产量的影响;也有研究分别对山东[8]、甘肃[9]、江苏[10]和新疆[11]的有效灌溉面积动态变化进行了研究,阐述了不同区域的有效灌溉面积变化情况及其可能的影响原因。

上述研究主要针对的是某些区域的有效灌溉面积动态研究,成果对于特定的研究区域的相关农业灌溉政策制定具有一定的意义,但其研究区域较为分散,时间段也差异较大,缺乏对相关趋势的研究[12],成果难以应用到省级行政区或以上的农业灌溉统筹规划指导。由于我国不同区域的有效灌溉面积变化影响因素差异较大[13-16],因此需要系统地对我国不同地区的有效灌溉面积时空动态变化[17]进行分析研究。因此,本研究拟以全国31个省级行政区(统计数据未含港、澳、台地区。下同)1978—2020年的有效灌溉面积和相关农业统计数据为研究对象,采用趋势分析和相关性分析等研究方法,研究我国不同区域的有效灌溉面积的时间和空间变化情况,以期为我国相关农业政策的出台提供参考,保障我国粮食生产安全[18]。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

1978—2020年我国31个省级行政区的有效灌溉面积、耕地面积和粮食产量数据来源于中国统计局网站(http:∥www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/)以及相应的统计年鉴[19]。

1.2 有效灌溉比例

有效灌溉比例是衡量不同区域灌溉建设水平的重要指标,同时也是高标准农田建设的参考指标,有效灌溉比例的计算公式如下:

式中:P有效灌溉比例为各地区的有效灌溉比例百分比;S有效灌溉面积为各地区的有效灌溉面积;S耕地面积为各地区的实际耕地面积。此外,还研究了各省区市有效灌溉面积占全国有效灌溉面积的动态变化情况。

2 结果与分析

2.1 1978—2020年我国有效灌溉面积时间变化总体特征

由1978—2020年我国的有效灌溉面积变化(图1(a))可知1978年以来,我国有效灌溉面积增长呈先减少后增加的趋势。结合1978—2020年我国的有效灌溉面积净增量变化(图1(b))可知:1986年以后,有效灌溉面积净增量除个别年份外均为正值,呈现波动增长的变化特点;2008年是有效灌溉面积净增量最大的年份,达到了19 534 km2;1978—2020年我国的有效灌溉面积变化倾向率为 631.5×103hm2/a。我国有效灌溉面积的稳定增加,得利于我国经济和社会的快速发展,国家对农业基础设施的持续投入,国家各项惠农有利政策的出台。由1978—2020年我国粮食总产量变化(图1(c))可知我国粮食产量在这段时间,也呈现稳步增长的趋势;在1998—2003年,我国有效灌溉面积净增量呈现出减少的变化特点,与此同时我国的粮食产量也出现下降,后期随着有效灌溉面积净增量的增加,我国的粮食产量也在稳步提升,这从一个侧面说明有效灌溉面积的增加,对于我国粮食的增产具有重要意义。计算有效灌溉面积和粮食总产量的皮尔森相关系数,达到了0.96(P<0.001),说明两者具有较强的相关性。

图1 1978—2020年我国有效灌溉面积(a)、有效灌溉面积净增量(b)及粮食总产量(c)变化Fig.1 Changes of effective irrigated area (a),net increase of effective irrigated area (b) and total grain production (c) in China from 1978 to 2020

2.2 1978—2020年我国各省区市有效灌溉面积变化情况

2.2.1各省区市有效灌溉面积及其净增量

1978—2020年东北地区有效灌溉面积及有效灌溉面积净增量变化见图2。可见1978—2020年东北地区有效灌溉面积均呈现增加的趋势,其中,黑龙江省有效灌溉面积在1996年以后呈现比吉林、辽宁省更加显著的增加趋势。通过对该区域的逐年净增量分析发现,黑龙江省2000—2013年逐年净增量呈现变大的趋势,2013年可能是由于洪灾导致东北地区有效灌溉面积净增减量减少;辽宁、吉林省的逐年净增量总体变化较小。

由于篇幅原因,只展示出图中所展示的省级行政区的变化图。下同。The figures only show several provincial data due to space limitation.The same below.

1978—2020年北方地区山东和河南有效灌溉面积及有效灌溉面积净增量变化见图3。可见山东省的有效灌溉面积则增长较为显著,河南省的有效灌溉面积在1985年以后总体上呈现出较为稳定的增加趋。就有效灌溉面积净增量而言,河南省在1985—2010年比山东省要大且稳定。

图3 1978—2020年北方地区山东省和河南省有效灌溉面积(a)及有效灌溉面积净增量(b)变化Fig.3 Changes of effective irrigated area (a) and net increase and decrease of effective irrigated area (b) in Shandong Province and Henan Province from 1978 to 2020

北方地区总体而言,有效灌溉面积变化内部差异较大。1978—2020年华北地区各省区有效灌溉面积变化趋势差异较大,进入90年代以后,北京和天津两市的有效灌溉面积大部分年份呈现净减少的变化,即这两市总体呈现有效灌溉面积减少的变化趋势;山西省的有效灌溉面积呈现波动上升的变化趋势;而河北和内蒙古有效灌溉面积则在1985年以后呈现净增加的年份占绝对优势,有效灌溉面积呈现增加的变化趋势,河北省的有效灌溉面积则在2000年以后较为稳定。1978—2020年西北地区各省区有效灌溉面积变化趋势差异较为显著,甘肃、宁夏和青海三省区有效灌溉面积净增量在多数年份呈现净增加趋势,但增加量不大,因此有效灌溉面积呈现较为平缓的增加趋势;陕西省则有效灌溉面积变化不大;新疆有效灌溉面积则在2000年以后呈现显著的增加趋势。

1978—2020年南方地区江苏和安徽有效灌溉面积及有效灌溉面积净增量变化见图4。可见:江苏省和安徽省的有效灌溉面积则增长较为显著,其中以安徽省的增长最为显著,特别进入90年代以后,有效灌溉面积净增量呈现持续的增加;从有效灌溉面积净增量来看,安徽省大部分时间较江苏省更大。

图4 1978—2020年南方地区江苏省和安徽省有效灌溉面积(a)及有效灌溉面积净增量(b)变化Fig.4 Changes of effective irrigated area (a) and net increase and decrease of effective irrigated area (b) in Jiangsu Province and Anhui Province from 1978 to 2020

南方地区总体而言,有效灌溉面积变化内部差异相对较小。从1978—2020年华东地区各省区市有效灌溉面积变化情况来看,浙江省和上海市的有效灌溉面积呈减小的趋势,其中,上海市的减小趋势更为显著;江西省和福建省的有效灌溉面积变化不大。1978—2020年华中地区湖北省和湖南省有效灌溉面积变化情况来看,湖北和湖南两省的有效灌溉面积呈现波动增加的趋势,两省近40年的增加量不大。1978—2020年西南各省区有效灌溉面积变化差异较大,四川省在2000年以前有效灌溉面积呈现波动的变化状态,2000年以后有效灌溉面积呈现显著的增加趋势;重庆和西藏的有效灌溉面积则变化不大;云南省和贵州省的有效灌溉面积则呈现相对稳定的增加趋势,但是贵州省的净增量波动较大。从1978—2020年华南地区有效灌溉面积变化情况来看,广西和海南(1988年成立以后才有统计数据)两省区有效灌溉面积呈现较为平缓的增加趋势;相对而言广东省的有效灌溉面积波动较大,2000年以前呈现显著的减少趋势,2000年以后则呈现增加趋势。

2.2.2各省区市有效灌溉比例变化情况

1978—2020年东北地区黑龙江省和吉林省有效灌溉比例以及其占全国有效灌溉面积比例变化见图5。可知:黑龙江省的有效灌溉面积占全国有效灌溉面积的比例呈现持续增加趋势,且维持在约9%的较高水平;吉林和辽宁则在2000年前后保持平稳或略减少趋势;从东北三省的有效灌溉比例变化来看,三省均在90年代进入上升期,直到2015年黑龙江省一直呈现快速增长趋势,在2000年后吉林和辽宁两省维持平稳,在2010年后吉林省在30%左右波动、辽宁省在40%左右波动。

图5 1978—2020年东北地区黑龙江省和吉林省有效灌溉比例(a)以及其占全国有效灌溉面积比例(b)变化Fig.5 Proportion of effective irrigated area (a) and its account for national proportion of China (b) in Heilongjiang Province and Jilin Province from 1978 to 2020

1978—2020年北方地区山东省河南省有效灌溉比例以及其占全国有效灌溉面积比例变化见图6。可知:山东省的有效灌溉比例呈现波动中上升趋势,河南省则呈现先减少后增加的趋势,即在1985年前后达到最小值,随后呈现缓慢上升趋势;从有效灌溉面积占全国有效灌溉面积比例变化情况来看,山东省呈现明显的下降趋势,河南省则呈现波动中上升的趋势。

图6 1978—2020年北方地区山东省和河南省有效灌溉比例(a)以及其占全国有效灌溉面积比例(b)变化Fig.6 Proportion of effective irrigated area (a) and its account for national proportion of China (b) in Shandong Province and Henan Province from 1978 to 2020

北方地区总体而言,1978—2020年各省区市有效灌溉比例及有效灌溉面积占全国有效灌溉面积比例变化情况内部差异较为显著。1978—2020年华北地区有效灌溉面积全国占比变化差异较大,北京、天津呈现减少趋势;山西省在2000年以前下降,2000年以后则保持平稳的变化特点;河北省在2000年以前呈现波动上升趋势,之后呈现下降趋势;内蒙古在2005年以前呈现上升趋势,之后稳定。从有效灌溉比例变化来看,华北地区五省在2000年以前均呈现较稳定的上升趋势,2000年之后北京、天津波动较大,但总体占比水平较高;而河北、山西和内蒙古三地占比较稳定。北京和天津的有效灌溉比例较高,维持在80%左右的水平。1978—2020年西北地区各省区有效灌溉面积全国占比变化差异较大,陕西、青海呈现减少趋势;而甘肃、宁夏则呈现增加趋势;新疆呈现先减少后增加趋势,即在2002年前后出现最小值,随后呈现逐步上升趋势。从有效灌溉比例变化来看,陕西、甘肃、宁夏和青海呈现波动上升趋势;而新疆区则呈现波动中轻微下降趋势,但总体占比维持在80%左右的较高水平。

1978—2020年南方地区江苏省和安徽省有效灌溉比例及其占全国有效灌溉面积的比例变化见图7。可知:安徽省有效灌溉面积占全国有效灌溉面积比例呈现波动上升趋势,江苏省呈现下降趋势;从有效灌溉比例的变化情况来看,江苏和安徽有效灌溉比例呈现稳步上升趋势。

图7 1978—2020年南方地区江苏省和安徽省有效灌溉比例(a)以及其占全国有效灌溉比例(b)变化Fig.7 Proportion of effective irrigated area (a) and its account for national proportion of China (b) in Jiangsu Province and Anhui Province from 1978 to 2020

南方地区总体而言,1978—2020年各省区市有效灌溉比例及有效灌溉面积占全国有效灌溉面积比例变化情况内部差异相对较小。从1978—2020年华东地区有效灌溉面积占全国有效灌溉面积比例来看,各省市均呈现下降趋势。从有效灌溉比例来看,江西呈现波动中轻微上升趋势;江苏、上海、浙江、安徽和福建有效灌溉面积占耕地面积的比例呈现稳步上升趋势。从1978—2020年华中地区的湖北省和湖南省有效灌溉面积占全国有效灌溉面积比例变化情况来看,湖北省呈现先减少后增加趋势,即在2002年前后达到最小值,随后呈现缓慢增加趋势;湖南省总体呈现缓慢下降趋势。从有效灌溉比例变化来看,湖北省和湖南省均呈现小幅波动上升趋势。1978—2020年西南地区各省区市有效灌溉面积占全国有效灌溉面积比例变化差异较大,四川省呈现持续小幅度下降趋势;重庆呈现持续下降趋势;云南、贵州则呈现持续增加趋势;西藏则呈现先减少后增加趋势。从有效灌溉比例变化来看,西南地区各省区均呈现增加的变化趋势,其中西藏增加趋势最显著。从1978—2020年华南地区有效灌溉面积占全国有效灌溉面积比例变化情况来看,广东、广西呈现下降的变化趋势;海南呈现波动增长趋势。从有效灌溉比例变化来看,广东、广西和海南三省区均呈现增加的变化趋势。

2.3 1978—2020年我国有效灌溉面积的空间分布特征

1978—2020年我国31个省区市有效灌溉面积变化趋势计算倾向率得到空间分布见图8。可见各地区在1978—2020年有效灌溉面积的变化趋势差异较大:东北地区有效灌溉面积变化率呈现较明显的增长趋势,其中,黑龙江省的变化率增长趋势为全国最大,达到了143.7×103hm2/a,达到了极显著水平;安徽、河南、新疆和内蒙古地区的有效灌溉面积增加的趋势较明显,变化率均在50×103hm2/a以上;吉林、辽宁、河北、山西、山东、江苏、湖南、湖北、贵州和云南地区的有效灌溉面积变化倾向率均为1×104～4×104hm2/a;北京、天津、浙江和上海的有效灌溉面积呈现出减少的趋势,这些地方均为我国东部发达地区;其他省区市的有效灌溉面积变化倾向率不大,变化趋势呈现少量增加的特点。

基于审图号:GS(2021)6952。Based on drawing review No.GS(2021)6952.

2.4 我国各省区市有效灌溉面积的年代际变化特征

表1为我国各省级行政区不同年代际的有效灌溉面积均值及倾向率变化情况。可知:东北三省过去各年代际有效灌溉面积均值均呈现增加的特点,从各年代际的变化率来看,吉林和辽宁的20世纪90年代和21世纪00年代的2个年代际的有效灌溉面积增加的趋势最为明显,线性拟合的变化率显示这段时间的有效灌溉面积增加较为明显,而黑龙江省则在20世纪90年代、21世纪00年代和21世纪10年代的3个年代际增加较为明显;华北各省区市中,山西、河北和内蒙古地区均呈现各年代际有效灌溉面积均值增加的特点,而北京和天津则呈现出各年代际有效灌溉面积均值稳步减少的特点。从各年代际有效灌溉面积线性拟合的结果来看,山西在后21世纪00和10年代有效灌溉面积增加趋势较为明显,达到了极显著水平,而河北和内蒙古则在2000年前后增加较为显著;北京和天津在2000年后有效灌溉面积减少较为显著。西北各省区市中,甘肃、新疆、青海和宁夏地区均呈现各年代际有效灌溉面积均值增加的特点,而陕西则呈现出各年代际有效灌溉面积均值变化不大的特点。从各年代际有效灌溉面积线性拟合的结果来看,甘肃、宁夏和新疆在各年代际有效灌溉面积增加趋势较为明显,达到了极显著水平,而青海则在前2个年代际增加较为显著;陕西则呈现每年代际变化不显著的特点。

表1 1978—2020年我国31个省区市有效灌溉面积的年代际变化Table 1 Interannual variation of effective irrigated area in China from 1978 to 2020

华东各省市中,山东、安徽、江苏、福建和江西地区均呈现各年代际有效灌溉面积均值增加的特点,而上海和浙江则呈现出各年代际有效灌溉面积均值稳步减少的特点。从各年代际有效灌溉面积线性拟合的结果来看,山东和安徽各年代际有效灌溉面积增加趋势较为一致,部分年代际达到极显著水平,而江苏、福建和江西则呈现增加趋势先减少后增加的特点;浙江和上海呈现有效灌溉面积显著减少的变化趋势。华中各省中,河南省呈现各年代际有效灌溉面积均值增加的特点,而湖北省和湖南省则呈现出各年代际有效灌溉面积均值先减少后增加的特点。从各年代际有效灌溉面积线性拟合的结果来看,河南在后3个年代际有效灌溉面积增加趋势较为明显,达到了极显著水平,而湖北和湖南则在2000年前后增加较为显著。西南各省区市中,贵州、云南、重庆和西藏地区均呈现各年代际有效灌溉面积均值增加的特点,而四川省则在21世纪00年代和10年代(重庆划出成为直辖市后)呈现出有效灌溉面积均值稳步增加的特点。从各年代际有效灌溉面积线性拟合的结果来看,西藏和四川在后2个年代际有效灌溉面积增加趋势较为明显,达到了极显著水平,而贵州和云南则在所有的年代际均呈现较为显著的增加趋势;重庆的年代际有效灌溉面积变化趋势不明显。华南各省区中,广西和海南呈现各年代际有效灌溉面积均值增加的特点。从各年代际有效灌溉面积线性拟合的结果来看,广西和海南在2010年后有效灌溉面积增加趋势较为明显,达到了极显著水平。

3 结论与建议

根据我国31个省级行政区1978—2020年的有效灌溉面积等统计资料,研究我国有效灌溉面积的时空动态变化,主要结论如下:1)1978—2020年,我国有效灌溉面积总体不断增加,增加趋势的倾向率达到了631.5×103hm2/a,有效灌溉面积净增加的年份粮食总产量也呈现增长的变化特点,有效灌溉面积的稳定增加为我国的粮食生产安全提供保障;2)1978—2020年,我国内陆地区大部分省区市有效灌溉面积呈现出增加的趋势,其中东北地区增加最为明显,黑龙江省是全国有效灌溉面积增加最明显的省份,河北、陕西、内蒙古、山东、江苏、安徽、河南、湖北、湖南、新疆、贵州和云南也是有效灌溉面积增加较为明显的省区。3)1978—2020年,我国部分沿海发达省市有效灌溉面积呈现出减少的趋势,浙江和广东呈现出有效灌溉面积减少的趋势,北京、天津和上海的有效灌溉面积减少趋势较为明显,特别是2000年后。4)从我国1978—2020年有效灌溉比例变化来看,北京、天津和新疆是我国有效灌溉比例最高的地区,达到80%左右,南方地区的有效灌溉比例普遍较北方低;东北地区是我国有效灌溉比例增加最明显的地区,此外,安徽、浙江、福建和广东的有效灌溉比例21世纪10年代前后也增加较为明显。

基于上述研究结果,本研究建议:对于有效灌溉面积减少的地区,除考虑退耕还林、还草这些导致耕地面积减少的因素外,还应该考虑有效灌溉比例的变化情况[20],结合实际考量灌溉工程和设备、耕地面积、灌溉水源、资金投资、灌溉技术和自然灾害等这些主要影响因素对当地有效灌溉面积的影响,在守住耕地红线的基础之上采取有利措施保证有效灌溉面积的良性发展。