中原經濟區農業節水分區研究

趙俊偉，尹昌斌

(1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081;2.中國農業大學經濟管理學院，北京 100083)

中原經濟區農業節水分區研究

趙俊偉1,2，尹昌斌1

(1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081;2.中國農業大學經濟管理學院，北京 100083)

通過農業節水分區促進區域水資源高效利用，緩解農業用水短缺，為中原經濟區農業可持續發展提供科學決策依據。針對中原經濟區水資源短缺、農業用水量大的現狀，選取地形地貌、氣候特征、水資源利用狀況以及農業結構4個一級指標18個二級指標，建立農業節水分區評價指標體系。運用主成分分析法對農業節水分區指標進行篩選，再采用系統聚類法對中原經濟區進行農業節水分區。結合聚類結果和中原經濟區43個市(縣)的實際情況，將中原經濟區劃分為4個農業節水類型區，并結合GIS技術對其進行空間分析。各個農業節水分區與其地理位置所決定的氣候特征和農業結構分布有著很好的一致性，應用該指標體系與方法獲得較為合理的農業節水分區。

中原經濟區；農業節水分區；主成分分析；系統聚類；GIS

《國家農業節水綱要(2012—2020年)》指出，大力發展農業節水、提高灌溉保證率，是促進水資源可持續利用、保障國家糧食安全、加快轉變經濟發展方式的重要舉措。《全國農業可持續發展規劃(2015—2030年)》發布節約高效用水，保障農業用水安全的重點任務。農業作為用水大戶，近年來其用水量約占經濟社會用水總量的62%，部分地區高達90%以上，農業用水效率不高，節水潛力很大[1]。中原經濟區作為全國主體功能區的重點開發區域，糧食優勢突出，在全國改革發展大局中具有重要戰略地位[2]。然而，中原經濟區是水資源嚴重短缺地區，其中，2014年河南省平均降水量725.9mm，較多年平均值偏少5.9%；水資源總量為283.37億m3，人均水資源量265.78m3，僅約相當于全國平均水平(2100m3/人)的十分之一，用于農田灌溉的水量占總用水量的49.8%[3]，且農業水資源利用效率較低。

農業節水分區是研究農業水資源高效利用的主要手段之一[4]。通過農業節水分區判斷水資源緊缺程度，為農業水資源高效利用指引方向。目前，較多的采用經驗法、重疊法、聚類法和指標法等方法，通過分析自然條件、灌溉水平和農業種植效益等影響因素進行農業節水分區研究[5-6]，但與空間分析法相結合進行的研究方法較少，且中原經濟區作為國家糧食生產核心區，對其進行農業節水分區的研究鮮見。基于此，本文針對中原經濟區的戰略定位及其水資源缺乏、農業生產地位重要等問題，結合氣候條件、地形地貌、缺水程度、種植結構和社會經濟水平等因素，構建合理的農業節水分區指標體系，采用主成分分析和系統聚類相結合的方法進行研究，并利用GIS技術進行空間分析，以期為中原經濟區農業節水發展提供科學的決策依據。

1 分區原則與思路

1.1 分區原則

農業節水分區總體上遵循因地制宜、統籌兼顧、區劃完整性和可持續發展原則[7]。結合各地區自然地理和社會經濟條件，充分考慮研究區域的具體情況，制定符合當地資源狀況的農業節水分區方案，增強農業節水分區的實際應用效果，努力做到與人口、資源、生態環境的相互協調，保障水資源可持續利用和農業、農村經濟可持續發展。農業節水分區是在節水農業生產和水資源利用現狀基礎上，研究農業水資源利用規律，綜合考慮農業水資源利用的各種因素，對農業生產劃分不同的類型區，提出高效利用農業水資源的措施、方向和戰略布局，為制定農業節水規劃提供依據[8]。此外，同一分區內的農業生產和灌溉相關的自然地理條件應基本相似，水資源開發利用情況及水資源緊缺狀況應基本相似，農業種植結構要有一定的相似性，即在同一區域內，種植制度和灌溉方式要基本一致，農業及農村經濟水平基本相似，即農民經濟狀況和農業產值等要有相似性，還要盡量保證行政區劃的完整性以及各分區特點的相對獨立性[6]。

1.2 分區思路

該研究以市、省直轄縣為基本單元進行研究，綜合考慮自然條件、水資源狀況、社會經濟狀況以及農業種植結構等影響中原經濟區農業節水分區的因素，從而構建分區指標體系。運用相關分析軟件，采用主成分分析法對所選指標進行降維，將原來多個變量轉化為少數幾個綜合指標，從而簡化計算及排除不確定性。首先，對眾多指標相關系數矩陣進行分析，剔除影響農業節水分區的相關性較大的指標，并將篩選的指標運用主成分分析進行降維，依據因子累積貢獻率，確定綜合指標個數為主成分替代原來的指標[9]，然后對得到的主成分采用系統聚類法[10]進行計算，繪制樹狀圖，根據中原經濟區實際情況對中原經濟區進行分區。這種方法既有效地避免了指標個數太多導致分析的復雜性，同時又可以保留原始指標的大部分信息，并且指標彼此間的相關性也得以弱化，從而提高分區的精度。

2 分區方法

2.1 指標選取與數據來源

選取中原經濟區作為農業節水分區的對象，以市(縣)為單元，依據可靠性、充分性、可評價性及科學性的原則，確定分區評價指標。根據“節水農業”的內涵和特點,節水農業因子系統包括自然條件、水資源狀況、社會經濟因素和農業種植結構等四個大的方面[11]，其中每個方面又包含多個指標，結合中原經濟區的實際情況，組成農業節水分區的指標體系，并初步設置農業節水分區影響因子的18項指標，如表1所示。

評價指標體系中涉及的絕大部分數據來源于各市(縣)統計年鑒和水資源公報，個別指標如降雨量、≥10℃活動積溫等數據來自各地區官方氣象網站，通過搜集并整理了2010—2014年的樣本數據，個別地區對應的個別指標在個別年份出現數據缺失現象，通過插值法進行處理。

數據來源：《中國氣象年鑒》《河南省統計年鑒》《安徽省統計年鑒》《山東省統計年鑒》《山西省統計年鑒》及《河南省水資源公報》《安徽省水資源公報》《山東省水資源公報》《山西省水資源公報》(2011—2015年)。

為便于研究，將部分指標進行釋義如下：

(1)干燥度(K)：K=Et/P，Et為生長季節內最大可能蒸發量，P為生長季節平均降水量。由于最大可能蒸發量很難直接測定，借鑒相關研究[13]，采用干燥度等價公式為：

K=0.16∑T/∑P

(1)

式中：∑T為大于等于10℃活動積溫；∑P為同期降水量，mm。

根據干燥度劃分區域干旱程度[12]，K≥2.0為干旱地區、1.5≤K<2.0為半干旱地區、1.0≤K<1.5為半濕潤地區、0.5≤K<1.0為濕潤地區、K<0.5為十分濕潤地區。

(2)地形地貌影響系數(L)：中原經濟區地形分為平原、丘陵和山地三大類，參考相關研究[13]中不同地形對農業生產影響的大小，確定其影響系數分別為1.0、0.8和0.7，通過加權求得地形地貌影響系數。

(3)缺水程度(β)：耕地面積上的可用灌溉水量與綜合作物需水量[14]的比值。公式為：

β=Wy/Ws

(2)

式中：Wy為單位公頃耕地平均可用灌溉水量，m3·hm-2；WS為綜合作物需水量，m3·hm-2。Wy的計算公式如下：

Wy=(Wg-Wq)/A+αPo

(3)

式中：Wg為年平均可供水量，m3；Wq為除灌溉用水外的其他用水量，m3；P0為年平均降雨量，m3·hm-2；α為降雨有效利用系數；A為耕地面積，hm2。其中：

α=1.06e-0.001090P0

WS的計算公式如下：

(4)

式中：WS為綜合作物需水量，m3·hm-2；n為作物種類；Wi為第i種作物的需水量，m·hm-2；ai為第i種作物的種植比例，%。

β值越小，說明越缺水[5]。β<1為極缺水地區；1≤β<2為缺水地區；2≤β<3為微缺水地區；β≥3為豐水地區。

2.2 指標檢驗

根據分區原則直接選取的指標可能包含了一些對農業節水分區影響不大的信息，也包含了一定的重復信息。利用變異性分析和相關性分析可以用來剔除冗余數據。

(1)變異系數檢驗。變異系數的大小反應了隨機變量的離散程度，即表示研究隨機變量空間變異性的強弱。指標值越大說明變異程度越大，對節水分區差異越具代表性。因此，在分析中需要留下空間分異大的指標，排除空間分異較小的指標。其中，變異系數計算公式如下：

(5)

式中：Cv為變異系數；σ為標準差；μ為均值。

針對研究內容參考相關研究[5]對變異系數范圍界定，取Cv≥20%的指標作為適宜農業節水分區指標。運用SPSS軟件計算各項指標的變異系數，結果顯示各指標的變異系數均大于20%，均滿足分析要求，因此保留各項指標。

(2)相關性檢驗。相關性檢驗是考察兩個變量之間線性關系的一種統計分析方法，相關系數越大表明變量之間的相關程度越密切，反之亦然。該研究需要剔除相關性大的指標，每一對變量組中保留一個具有明顯節水農業類型特征意義的指標。其中，相關系數公式為：

(6)

本研究在對各指標間進行相關性檢驗過程中，參考相關研究[5]中對相關系數的取值范圍，將R≥0.60作為變量是否顯著相關的臨界值。經初步計算，顯著相關的變量及其相關系數為：Rx1-x16=-0.649；Rx4-x8=0.676；Rx4-x10=-0.62；Rx8-x13=0.722；Rx9-x10=0.84，每一對變量組中不存在兩兩之間相關性較大的指標，因此，保留原指標。

2.3 主成分分析

主成分分析法的主要思想是對指標體系進行降維，將原來多個變量轉化為少數幾個綜合指標，從而簡化計算及排除不確定性。通過對眾多指標相關系數矩陣進行分析，按照相關性進行分組，使同組內的指標相關性高，而每組之間的相關性較低，每組指標代表一個基本結構，這個基本結構稱為主成分，從而使眾多的指標歸結為幾個主成分，用較少的幾個綜合指標反映原來較多指標所反映的信息，以達到降維、便于分析的目的[9]。運用SPSS19.0軟件進行主成分分析，選擇累計貢獻率達到85%以上對應的因子作為主成分，結果見表2。

表2 主成分分析的解釋總方差

注：提取方法為主成分分析法。

從表2可以看出，前8個主成分對應的因子累積貢獻率達到88.1%，這些主成分能夠較好地反應原始數據的大部分信息。因此，本文選取8個主成分進行聚類分析。

2.4 系統聚類分析

通過系統聚類分析可以實現中原經濟區農業節水分區，聚類時遵循類間差異大而類內差異小的準則進行類別合并。本文運用SPSS19.0軟件對提取的主成分進行聚類分析，在選取聚類測度方法時參考前人的研究[15]，采用系統聚類中的離差平方和(Ward)法進行聚類，生成聚類樹狀圖(見圖1)。

圖1 系統聚類樹狀圖

從樹狀圖中可以看出系統聚類分析結果中除個別分區單元(如滑縣)外，大部分市(縣)與其所處的地理位置有著較好的一致性。主要由于中原經濟區的地理位置決定著總的氣候特征，而氣候特征又是影響農業結構(尤其是種植業結構)的主要因素。因此，構建的指標體系反映出了農業節水分區的主要影響因子。此外，將該分區結果與中原經濟區建設糧食生產核心區規劃相比，發現二者具有很大的吻合性，這表明該指標體系與分區方法結合運用所獲得的結果是較為合理的。

3 結果與討論

3.1 分區結果

為了便于指導各分區按照各自不同的特點發展相應的節水措施，結合聚類分析結果，依據分區原則，將中原經濟區43個市(縣)分為4個農業節水類型區，并結合各分區的地形特征進行命名，如表3所示。

將中原經濟區農業節水分區結果利用GIS技術呈現其空間分布，如圖2所示。從圖中看出，中原經濟區農業節水分區整體上符合分區原則，分區較為合理。其中，滑縣位于中原經濟區的中北部，而分區結果中將滑縣劃分到了Ⅰ區，通過對比滑縣與各分區的主要指標特征值發現，滑縣的各指標值與Ⅰ區的指標值比較接近，滑縣的農村家庭人均純收入僅為6447.23元、人均國內生產總值15118.73元，均低于Ⅱ區對應平均指標值9146.24元、34524.41元，且滑縣的復種指數為1.96,高于Ⅱ區縣市的復種指數，較高的復種指數提高了農業用水需求，增加區域水資源短缺風險，這也與其經濟水平較低，在農業用水需求的節水技術和灌溉設備相對較落后有關。具體來看，4個農業節水類型區的特征及其區域分布如下：

Ⅰ區(東部黃淮平原區)：主要分布在安徽西北部和河南東南部及滑縣地區，該區域地勢平坦，以平原為主，是重要糧食產區。干燥度為1.14，屬于半濕潤地區，多年平均降雨量為699mm，缺水系數為0.93，屬于極缺水地區，糧食作物播種面積占總播種面積的78.59%，農作物復種指數達2.01，以井灌為主，適宜采取開采與補給相結合的方法，普及管道輸水灌溉技術，建設節水型井灌區。

Ⅱ區(北部低洼平原區)：分布在河北南部、山東西南部和河南中北部，主要屬于太行山山前平原區和冀魯豫低洼平原區。該區域地勢平坦，干燥度為1.68，屬于半干旱地區，多年平均降雨量為618mm，該區缺水系數為0.74，單位公頃耕地水資源量僅2792.38m3，是4個分區水資源量最為貧乏的地區，種植作物以小麥、玉米、蔬菜為主，耕地較為集中，水資源量及農業經濟水平在4個分區居中，但糧食單位面積產量和單位耕地面積農業產值是最高的一個區，該區域以純井灌區為主，具有較好的現代農業發展基礎，適宜發展管道輸水灌溉技術，田間構筑小畦短溝，配備地面軟管或閘管灌溉輸送。

Ⅲ區(南部丘陵平原區)：主要分布在河南南部，該區域多年平均降雨量為707mm，干燥度1.06，是4個分區中氣候相對最為濕潤的區域，從耕地有效灌溉率和單位耕地面積農業產值等指標可以看出，該區域投入產出效率較低。由于缺水系數為0.43，屬于極度缺水地區，且單位公頃耕地水資源不豐富，所以應對玉米、小麥等旱作物種植區發展節水型井灌技術，對部分種植水稻的地區推廣濕潤灌溉方式，既能達到節水，又能實現水稻穩產的目標。

表3 中原經濟區農業節水分區

Ⅳ區(西部山地丘陵區)：主要分布在山西東南部和河南西部，該分區山地丘陵面積較其他分區相對最大，不利于農田灌溉，該區單位公頃耕地水資源量達8297.91 m3，是4個分區中水資源相對最為豐富的區域，而缺水系數為0.39，在4個分區中最為缺水，單位公頃耕地面積農業產值在4個分區中最低，且與其他分區差距較大，耕地有效灌溉率僅為41.85%，灌溉水資源利用率最低。結合區域地形特征及農作物種植結構，適宜發展噴灌、微灌技術，從而達到節水高效的目標。

圖2 中原經濟區農業節水分區

3.2 結果分析

節水農業的發展受到農業氣候因素、地形地貌、水資源狀況、農業種植結構及社會經濟發展水平等諸多因素的影響。結合各分區主要特征指標值(見表4)可知，4個節水分區在大部分指標方面都存在著很大差異性。

表4 各分區的主要特征指標值

為了直觀顯示中原經濟區地形地貌狀況、氣候干燥程度、缺水程度以及耕地有效灌溉率等的空間分布特征，利用GIS技術將其繪制成圖(見圖3～圖6)。

地形地貌影響系數越大，意味著平原面積越大。4個分區的地形地貌影響系數均大于0.8，中原經濟區大部分區域地勢平坦，以平原為主，且LⅠ>LⅡ>LⅢ>LⅣ。結合圖3可以看出，山地丘陵大多集中于位于中原經濟區南部的Ⅲ區和西部的Ⅳ區，這類地形不利于農業灌溉，且農業水資源利用率較低。

干燥度作為氣候濕潤程度指標，其值越大表明干旱程度越大。由圖4可以看出，Ⅰ區和Ⅲ區的干燥度明顯低于Ⅱ區和Ⅳ區，Ⅰ區和Ⅲ區的干燥度指數1.0≤K<1.5，屬于半濕潤地區，Ⅱ區和Ⅳ區的干燥度指數1.5≤K<2.0，屬于半干旱地區，不同的氣候干燥程度代表著不同區域水蒸發能力和降水量的大小，除了由其所處的地理位置決定外，在某種程度上與各地區不同的地形地貌也有關，不同的氣候類型分布在某種程度上決定了中原經濟區各地區的水分干濕狀況。以上不同的自然條件決定了中原經濟區農業種植類型和灌溉方式，分析的結果與研究區域的實際情況基本吻合，進一步證實了研究分析的科學合理性。

缺水系數越小，意味著缺水程度越高。由表4可見4個分區的平均缺水系數β均小于1，說明中原經濟區整體上屬于極缺水地區，且βⅠ>βⅡ>βⅢ>βⅣ，而與單位公頃耕地水資源量相比，Ⅳ區的水資源量最為豐富，說明Ⅳ區的耕地面積上的可用灌溉水量較少，缺少基本灌溉條件，在有灌溉條件的地方存在罐區工程不配套等問題；結合圖5各個地區的缺水度分布情況，鳳臺縣的缺水度β>3，屬于豐水區，淮南市潘集區缺水度為2.62，屬于微缺水地區，焦作市、濮陽市和蚌埠市的缺水度大于1，屬于缺水地區，其他地區的缺水度均小于1，屬于極缺水地區，其中以駐馬店市和新蔡縣缺水程度尤為嚴重，缺水度不到0.2，意味著耕地干旱等缺水問題非常嚴重。從水資源分布狀況來看，中原經濟區水資源分布極其不平衡，一方面與黃河、淮河等河流有關，黃淮河流經的地區水資源相對豐富，另一方面也與地形地貌有關。

耕地有效灌溉率的高低反映各地農田水利化程度的高低，是衡量耕地利用水平的重要指標，也是土地利用和農業生產上應對干旱災害、保障農業高產穩產的重要條件。如圖6所示，Ⅰ區和Ⅱ區的耕地灌溉有效率相對高于Ⅲ區和Ⅳ區，且Ⅰ區>Ⅱ區>Ⅲ區>Ⅳ區，Ⅰ區的平均耕地有限灌溉率79.76%，Ⅳ區僅為41.85%，其中長治市、晉城市和三門峽市的耕地有效灌溉率不到25%，中原經濟區內區域間差異性非常顯著。但是，由表4可以看出，Ⅰ區和Ⅱ區的水資源較為貧瘠，而其耕地灌溉有效率均達到75%以上，相較于Ⅰ區和Ⅱ區，Ⅲ區和Ⅳ區擁有相對較為豐富的水資源量，而實際灌溉用水量水平和耕地有效灌溉率較低，且各區的耕地有效灌溉率均低于80%，一方面受其地形地貌的影響，另一方面與針對山地丘陵較多地區的農業節水灌溉技術不成熟和缺少水利工程建設等有關。通過比較分析，在某種程度上反應了中原經濟區的山地丘陵地帶農業節水灌溉方式不合理，應區別于平原地區的農業節水灌溉方式，針對不同的地形地貌建設水利工程并配備適合當地節水灌溉的設備。以Ⅳ區為例，Ⅳ區的糧食播種比例高達80.07%，而耕地有效灌溉率僅為41.85%，單位面積糧食產量和單位耕地面積農業產值僅為Ⅰ區的74.69%和74.59%，與其他三個分區相比均相對最低，通過比較分析可以看出，與農業水資源的利用效率低有密切的關系，說明在提高農業節水灌溉水平和灌溉效率等方面有待提高，從而提高水資源的高效利用。

圖3 地形地貌影響系數

圖4 干燥度

圖5 缺水度

圖6 耕地有效灌溉率

從分析結果可以看出，干燥度與地形地貌影響系數同缺水程度基本上呈反向關系，越是干旱的地區缺水程度就越高，以平原為主的地區與丘陵山區相對較多的地區相比，缺水程度相對較低，這也與農業具有涵養水源、保持水土、調節氣候的生態功能密切相關；糧食播種比例越小、復種指數越高、耕地有效灌溉率越高，農業經濟水平就相對越高。

4 結論與展望

本文依據農業節水分區原則，從中原經濟區的自然條件、水資源狀況、社會經濟條件及農業種植結構特征四個方面構建其農業節水指標體系，并對指標信息進行檢驗，在此基礎上運用主成分分析與系統聚類分析相結合的方法對中原經濟區進行農業節水分區，并利用GIS技術呈現其空間分布，分區結果與中原經濟區實際情況較為接近，具有一定的合理性。研究結果表明：①中原經濟區可分為4個農業節水類型區，結合地形地貌特征分別命名為東部黃淮平原區(Ⅰ區)、北部低洼平原區(Ⅱ區)、南部丘陵平原區(Ⅲ區)和西部山地丘陵區(Ⅳ區)；②4個農業節水分區均屬于極缺水地區，Ⅰ區和Ⅲ區為半濕潤地區，Ⅱ區和Ⅳ區為半干旱地區；③結合中原經濟區農業種植結構狀況，Ⅰ區適宜采取開采與補給相結合的辦法，普及管道輸水灌溉技術，建設節水型井灌區。Ⅱ區適宜發展管道輸水灌溉技術，田間構筑小畦短溝，配備地面軟管或閘管灌溉輸送。Ⅲ區應對玉米、小麥等旱作物種植區發展節水型井灌為主技術，對部分種植水稻的地區推廣濕潤灌溉方式。Ⅳ區適宜發展噴灌、微灌技術。各分區通過發展不同的灌溉技術達到農業節水的目的。

限于資料的有限性，在建立農業節水指標體系時，尤其是水資源利用方面不夠全面，未考慮各地區現有節水農業比例、單位面積農田需水量、地下水開采程度，以及由于南水北調影響中原經濟區水資源分配情況等因素，因此與各分區的實際情況可能還存在一定的偏差。今后在資料收集全面性、指標體系系統性以及外部環境對分析對象的干擾性等方面還需進一步深度研究，從而分析中原經濟區農業節水發展潛力，推進以農田水利設施為基礎的田間工程建設，提高農業灌溉用水利用效率，發展高效節水灌溉，推進水資源節約利用，實現水資源可持續利用，為中原經濟區建設糧食生產核心區、構建現代農業支撐體系提供對策建議。

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(責任編輯 沈蓉)

Agricultural Water-Saving regionalization in Central Plains Economic Region

Zhao Junwei1,2,Yin Changbin1

(1.Institute of Agriculture Resources and Regional Planning,CAAS,Beijing 100081,China;2.College of Economics and Management,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Agricultural water-saving regionalization can promote the effective utilization of regional water resources and relieve the shortage of agricultural water，and it also provides the scientific policy-making basis for the agricultural sustainable development in Central Plains Economic Region(CPER).In view of the present water resources shortage and high agricultural water consumption in CPER，evaluation index system for agricultural water-saving regionalization was established with four class-1 indexes(topography，climatic，water utilization and cropping characteristics) and eighteen class-2 indices.Through principal component analysis，key indices of agricultural water-saving regionalization were selected.Then hierarchical cluster analysis was used to regionalize agricultural water-saving regionalization in CPER.According to the results and the real conditions of 43 municipalities(counties) in CPER，it was divided into 4 sub-regions.And then it was carried on spatial analysis with GIS.The results indicate that each agricultural water-saving regionalization is in better uniformity with the distribution of the climate features and agricultural structures determined by the geographical locations.As a result，the application of the index system and method can obtain the rational agricultural water-saving regionalization.

CPER；Agricultural water-saving regionalization；Principal component analysis；Hierarchical cluster；GIS

2016-08-04

趙俊偉(1986-)，男，河南許昌人，博士研究生；研究方向：農業經濟、農業區域發展。

F323.1；F323.213

A