新疆農業水土資源時空匹配研究

謝桂云，張飛云

(新疆農業大學 管理學院，烏魯木齊 830011)

水土資源是人類生產和發展所必需的最基本的物質條件，同樣也是糧食生產的基礎[1]。水資源和土地資源之間存在著相互匹配和平衡的關系，其中一種資源的短缺必將會影響到另一種資源的利用，最終會導致水土資源綜合利用率的降低，農業生產水平也會受到影響，同時制約著社會發展的水平[2]。然而，水土資源是有限的，在社會經濟快速發展的背景下，人口數量不斷增長，人類對水土資源的利用也會增加從而導致一系列不合理的利用方式，造成水土資源數量的減少、質量的下降，人類生存的自然環境不斷惡化等問題，進而阻礙了社會經濟的可持續發展[3]。新疆是典型的干旱區，土地面積很廣，水資源量相對匱乏，但隨著經濟社會的快速發展和人類對水資源需求的不斷增加，在一定程度上導致水土資源存在嚴重的不協調。因此，分析新疆水土資源匹配程度，能夠為水土資源的合理開發利用提供理論支撐。水土資源的時空匹配決定農業生產的方式。目前已有較多學者對水土資源匹配程度進行研究。吳宇哲等采取區域基尼系數分析了全國水土資源的整體匹配狀況[4]。鄭久瑜等通過建立水土資源匹配系數評價了河套灌區農業水土資源的匹配程度[5]。劉洋采用了系統動力學的方法對四川省農業水土資源的承載力進行了評價研究[6]。侯薇等對關中地區及所轄5個地級市的農業水土資源匹配程度進行研究和評價[7]。然而，對新疆這樣一個土地資源廣闊，水資源稀缺，南北疆差異較大的地區，水土資源匹配研究較少。王潔云等采用不同土地利用模式下的需水量數據，對新疆水土資源綜合承載力與水土耦合進行了評價[8]。韓琳以新疆農產品與中亞5國的農業投入產出作為基礎數據，以為提高當地農產品的競爭力為目的，對新疆農業水土資源匹配做出了研究[9]。王潔云和韓琳分別從水資源供需情況和經濟貿易的角度分析新疆農業的水土資源承載力和匹配的狀況，但是，她們并沒有從整體上對新疆農業水土資源的時空匹配狀況進行分析，難以從根本上探討新疆農業水土資源分配的差異性。

為了分析新疆不同地區農業水土資源的匹配情況，本研究采用農業水土匹配系數的方法，對新疆14個地、州、市的農業水土資源的匹配狀況進行分析，探討新疆地區農業水土資源匹配的時空差異，為各地區水、土地資源可持續發展提供理論支撐。

1 研究區概況

新疆維吾爾自治區(如圖1)位于我國西北地區，東經73°40′～96°18′，北緯34°25′～48°10′，總面積166.49×664 km2，約占全國總面積的1/6。屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，光熱資源豐富，降水較少，蒸發量較大，年平均降水量154.8 mm，并且南疆和北疆降水量分配極不均衡。新疆水資源總量1 013.09 億m3，其中地表水963.96 億m3，地下水586.99 億m3。本文將新疆行政區劃分為14個地、州、市，分別為烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市、哈密市、昌吉回族自治州、博爾塔拉自治州、巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什地區、和田地區、伊犁哈薩克自治州(直屬)、塔城地區、阿勒泰地區。

圖1 研究區概況Fig.1 Overview of the study area

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

本文選取了新疆14個地、州、市2008-2017年的水資源總量、總用水量、耕地面積來分析新疆農業水土資源匹配系數。其中，水資源總量指當地降水形成的地表和地下產水總量，即地表徑流量與降水入滲補給量之和；總用水量指各類用水戶取用的包括輸水損失在內的毛用水量；耕地面積指種植各種農作物的土地面積，包括灌溉水田、望天田、水澆地、旱地、菜地等[10]。水資源總量、總用水量和耕地面積的數據均來源于歷年新疆統計年鑒。

2.2 研究方法

農業水土資源匹配系數法通過計算單位面積耕地所擁有的農業可利用水資源量，進而評價區域農業水土資源匹配水平，其值越大，則說明水資源滿足耕地資源的程度就越高，農業用水基本條件就越好[11-12]。新疆14個地、州、市農業水土匹配系數計算公式為：

(1)

新疆農業水土匹配系數計算公式為：

(2)

式中：Rp為新疆水土匹配系數，萬m3/hm2；αp為新疆農業可利用水的比例。

3 結果分析與討論

3.1 新疆水資源時空變化分析

新疆2008-2017年的水資源總量時間變化趨勢如圖2所示。從2008年到2017年新疆水資源總量呈現增加趨勢，水資源總量增加174.22 億m3。2010年水資源總量最大，為1 123.67 億m3，2014年水資源總量最小，為726.955 2 億m3。

圖2 2008-2017年新疆水資源總量變化圖Fig.2 Change in total water resources in Xinjiang from 2008 to 2017

新疆是典型的干旱內陸區，降水量少，蒸發量大，新疆水資源總量和其他省區相比較小。2014年新疆出現洪旱災情，總體是旱情大于汛情，大部地區降水偏少，河道來水、水庫蓄水偏少以及大風揚沙天氣等因素的影響，南疆大部分和北疆西部地區特別是伊犁河流域出現了較為嚴重的旱情。2016年全疆降水量比往年多，由于極端天氣異常的影響，汛情來得早，部分河流發生有觀測資料以來最大洪水[13]，屬豐水年。馬玉龍[14]和李豫新[15]等對新疆的水資源的變化情況進行分析，得出新疆的水資源量呈現出增加的趨勢，與本文的研究結果一致。

由于新疆各地、州、市行政區面積差異較大，各地、州、市的水資源總量較難反映水資源的空間分布。因此，本文用各地、州、市的水資源總量除以各地、州、市的面積(各地、州、市單位面積上的水資源量)來分析新疆14個地、州、市的水資源的空間分布狀況。從圖3可以看出，新疆各地、州、市的水資源空間分布極不均衡。在北疆，伊犁哈薩克自治州和阿勒泰地區單位面積上的水資源量較多，分別為34.05 萬m3/km2和10.84 萬m3/km2；克拉瑪依市單位面積上的水資源量最少，為0.71 萬m3/km2。在東疆，吐魯番市和哈密市單位面積上的水資源量較少，分別為1.20 萬m3/km2和1.10 萬m3/km2。在南疆，克孜勒蘇柯爾克孜自治州的單位面積上的水資源量較多，為11.12 萬m3/km2；巴音郭楞蒙古自治州單位面積上的水資源量較少，為2.99 萬m3/km2。單位面積上的水資源量空間分布還與地形有較大關系，靠近阿爾泰山、天山和昆侖山的地區單位面積上的水資源量均較多，遠離山區的地區單位面積上的水資源量均較少。

胡寶華等采用因子分析法，分析新疆干旱區水資源承載力的空間布局，得出新疆水資源承載力呈現出南弱北強的分布格局[16]。林秀鳳通過構建水資源承載力評價指標體系，運用SVM模型，對新疆的水資源空間分布情況進行了分析，得出了新疆水資源承載力空間分布不均衡，北疆地區水資源承載力高于南疆地區的結論[17]。本文的研究結果與林秀鳳、胡寶華等的研究結果一致。

圖3 新疆14個地、州、市單位面積水資源量空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of water resources per unit area of 14 prefectures,states and municipalities in Xinjiang

3.2 新疆耕地資源時空變化分析

對2008年和2017年新疆各地、州、市的耕地面積分布(見圖4)情況進行分析發現，從整體上看新疆各地、州、市耕地面積分布的特點為北疆整體較高，南疆部分地區較高、多數地區較低，東疆普遍較低，其中吐魯番市最低。2017年天山北坡耕地面積最大。

圖4 2008年和2017年新疆耕地面積空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of Xinjiang cultivated area in 2008 and 2017

本文用2017年耕地面積減去2008年耕地面積來分析2008年到2017年新疆14個地、州、市耕地面積的變化情況。2008-2017年新疆各地、州、市的耕地面積整體呈現出增加的趨勢。其中北疆地區耕地面積增加顯著的是塔城地區、昌吉州和伊犁州(直屬)分別增加了174 907.38、111 260.72和78 867.06 km2；增加不顯著的是克拉瑪依市，為21 605.23 km2。南疆地區耕地面積增加顯著的是喀什地區和阿克蘇地區，分別增加了163 332.31和45 705.34 km2；增加不顯著的是克孜勒蘇柯爾克孜自治州，為2 632 km2。東疆哈密市的耕地面積增加較為明顯，而吐魯番市的耕地面積變化不顯著。

墾殖率是指一定區域內耕地面積占土地總面積的比例(新疆各地、州、市的耕地面積除以各地、州、市的面積)，能夠反映土地資源利用程度和結構[18]。此處采用墾殖率來分析新疆14個地、州、市的耕地情況。由于2009-2016年新疆統計年鑒耕地面積均以2008年統計的數據為準，因此本文選取的是2008年和2017年新疆耕地資源的數據來分析新疆墾殖率的變化情況(見圖5)。從整體上看新疆各地、州、市土地墾殖率分布的特點為北疆整體較高，南疆部分地區較高、多數地區較低，東疆整體較低。土地墾殖率越高，農業土地開發利用率也就越高[18]。南疆的地形錯綜復雜，氣溫高，蒸發量較大，荒漠化嚴重，可利用的生態系統較為脆弱[19]。

本文用2017年土地墾殖率減去2008年土地墾殖來分析2008年到2017年新疆14個地、州、市土地墾殖率的變化情況。從2008年到2017年，土地墾殖率增加顯著的是克拉瑪依市和博爾塔拉蒙古自治州，分別增加0.026%和0.021%；土地墾殖率減少顯著的是烏魯木齊市，減少0.011%；土地墾殖率增加不顯著的是哈密市、巴音郭楞蒙古自治州和克孜勒蘇柯爾克孜自治州，墾殖率的變化介于0.003%～0.009%之間。由此可知，靠近天山地區的土地墾殖率較高，阿爾泰山和昆侖山地區的土地墾殖率相對較低。

圖5 2008年和2017年新疆墾殖率空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of Xinjiang reclamation rate in 2008 and 2017

賀可等選取1972-2015年遙感影像數據，通過對新疆土地利用及其綠洲動態變化得出，新疆土地利用效率在不斷地提高[20]；王龍龍等采用1990、2000、2010年全國LUCC數據和DEM數據，分析新疆3個時期土地利用的變化情況，發現耕地的面積不斷增加[21]。馮雪力等運用遙感抽樣、地理數學與3S技術相結合的方法，對新疆耕地利用率進行了研究，得出天山北坡的土地利用率較高[22]。本文的研究結果與前人的結論相一致。

3.3 新疆農業水土資源匹配系數的時空分布特征

3.3.1 時間變化趨勢

由2008-2017年新疆農業水土資源匹配系數趨勢(圖6)可知，2008年到2017年新疆農業水土資源匹配系數呈現增加趨勢，但不顯著。2014年新疆農業水土資源匹配系數最低，為1.67 萬m3/hm2，2016年新疆農業水土資源匹配系數最高，為2.56 萬m3/hm2。

圖6 2008-2017年新疆農業水土資源匹配系數變化圖Fig.6 Change in the matching coefficient of agricultural soil and water resources in Xinjiang from 2008 to 2017

3.3.2 空間分布格局

本文以2017年為例，分析新疆農業水土資源匹配的空間分布狀況(如圖7)。由圖7可知，新疆農業水土資源匹配系數的空間分布極不均衡。從整體上看，北疆的農業水土資源匹配系數整體低于南疆地區，北疆阿勒泰地區水土資源匹配系數最高，達到1.258 841 萬m3/hm2，克拉瑪依市和昌吉回族自治州的農業水土資源匹配系數較低，介于0.541 18～0.442 14 萬m3/hm2之間。南疆地區的農業水土資源匹配系數普遍較高，其中農業水土資源匹配系數最高的是克孜勒蘇柯爾克孜自治州，為1.607 166 萬m3/hm2。王潔云[8]等對新疆水土資源綜合承載力進行分析，發現塔城地區和博爾塔拉蒙古自治州的水土資源綜合承載力最高，伊犁哈薩克自治州(直屬)和巴音郭楞蒙古自治州次之。本文通過對新疆14個地、州、市2017年農業水土資源的匹配系數進行分析發現，克孜勒蘇柯爾克孜自治州的農業水土資源匹配系數較高，阿勒泰地區和和田地區次之，伊犁哈薩克自治州(直屬)和巴音郭楞蒙古自治州排第三。由此可以發現，新疆水土資源綜合承載力的空間分布與農業水土資源匹配系數的空間分布是存在差異的。水土資源承載力側重于土地資源可承受生產生活程度的量化度量[23]，而水土匹配系數主要反映的是水資源與耕地資源的狀況[18]。

圖7 2017年新疆農業水土資源匹配系數空間分布圖Fig. 7 Spatial distribution map of Xinjiang agricultural soil and water resources matching coefficient in 2017 to 2017

本文用新疆2017年農業水土資源匹配系數減去2008年農業水土資源匹配系數(見圖8)，來分析2008年到2017年新疆農業水土資源匹配系數變化的空間分布情況。由圖8可知，從2008年到2017年，北疆地區農業水土資源匹配系數整體處于增加趨勢，其中阿勒泰地區增加最為明顯，為1.259 萬m3/hm2，其次是伊犁哈薩克自治州(直屬)為0.510 萬m3/hm2，烏魯木齊市農業水土資源匹配系數增加了0.24 萬m3/hm2，而博爾塔拉蒙古自治州農業水土資源匹配系數降低了0.493 萬m3/hm2；南疆地區農業水土資源匹配系數僅有克孜勒蘇柯爾克孜自治州和和田地區增加較為明顯，分別增加1.607和0.490 萬m3/hm2，喀什地區農業水土資源匹配系數降低了0.3 萬m3/hm2；東疆地區農業水土資源匹配系數均有微弱減小趨勢。

圖8 新疆14個地、州、市農業水土資源匹配系數變化空間分布圖Fig.8 Spatial distribution map of the matching coefficient of agricultural soil and water resources in 14 prefectures, states and cities in Xinjiang

4 結 論

水土資源的時空匹配程度會影響到某區域的耕地利用變化情況。本文采用農業水土資源匹配系數為指標，對新疆14個地、州、市的水土資源匹配情況進行了分析。得出以下結論：

(1)從時間上看，2008-2017年新疆農業水土資源匹配系數整體呈現出增加的趨勢，其中2014年新疆農業水土資源匹配系數最低，2016年新疆農業水土資源匹配系數最高。新疆農業水土資源匹配系數與水資源總量的趨勢一致。

(2)從空間上看，北疆地區的農業水土資源匹配系數整體較低，南疆地區的農業水土資源匹配系數較高。其中北疆阿勒泰地區農業水土資源匹配系數較高，南疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州的農業水土資源匹配系數最高。從2008年到2017年，北疆地區農業水土資源匹配系數整體處于增加趨勢，其中阿勒泰地區增加最為明顯，其次是伊犁哈薩克自治州(直屬)和烏魯木齊市；南疆地區僅有克孜勒蘇柯爾克孜自治州和和田地區的農業水土資源匹配系數增加較為明顯；東疆地區水土資源匹配系數均有微弱減小趨勢。北疆博爾塔拉蒙古自治州和南疆的喀什地區農業水土資源匹配系數減少最明顯，分別降低了0.49和0.30 萬m3/hm2。

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