棉花生產與水資源協調耦合發展研究

蔡玲松,賈楠楠

(新疆科技學院，新疆 庫爾勒 841000)

1 概述

巴音郭楞蒙古族自治州(簡稱巴州)位于新疆東南部，是我國重要的棉花和能源生產基地，也是我國重要石油化工基地，戰略地位十分重要。當地棉花及其質量不僅需要滿足全國各地剛性需求，也是當地農村振興和農民生活水平提高的經濟保障，已成為重要經濟支柱型產業。根據巴州2020年統計年鑒報告，巴州2020年棉花產量達到60多萬t，約占GDP和第一產業產值的10%和60%。本文對棉花產量和一產產值的回歸及其顯著性特征的研究表明：二者之間高度相關(相關系數r=0.93)且棉花影響顯著(檢驗值P=0.00<0.05)；其產量每增加1000t，第一產業產值通過直接和間接的方式平均增加0.344億元，包括農民直接經濟收入和帶動其他行業經濟發展的間接經濟效益[1]；因此必須實現棉花產業的穩定可持續發展和保證水資源的配置能力。

巴州地處新疆腹地，遠離水汽源地，屬于內陸干旱區域，近年來隨著經濟的快速發展、特別是石油化工和棉花等高耗水行業的迅猛發展，并不豐富的水資源面臨短缺，水資源對產業發展的配置能力在一定程度上制約了經濟發展的規模?？紤]到棉花生產的行業關聯影響及其對農村經濟發展的重要性，本文結合專家們的前期研究和詳細數據調研，對過去多年棉花生產和水資源消耗的耦合協調度進行了研究；并以此為后續研究的基礎，在下一步研究中擬以“十四五”計劃期各年度為參考期限，應用2種數據分析方法分別推測水資源對第一產業和棉花產業的承載規模，確定不同用水效率和單產經濟效益情況下的棉花種植規模和預期用水量，特別是現狀水資源對“十四五”規劃經濟發展目標及其速度的承載規模，從而確定棉花產業可持續發展的生產規模[2]。

2 已有研究基礎

耦合度和耦合協調度的研究屬于經典經濟研究方法，由于其數據計算依賴于實際統計數據，且計算過程信息量損失較小，因而在當前經濟領域和其他相關領域得到了廣泛的應用，國內外學者對耦合度和耦合協調度的研究一直沒有停止，并以此為基礎研究發展出了很多邊緣應用方法。學者王成和唐寧[3]將耦合協調方法應用于鄉村三生空間功能的時空特征與格局演化研究中，探究鄉村三生空間功能間的互動關系，研究方法的組合十分新穎；學者盛亞和鄭書莉[4]完成了流通產業與區域經濟協調發展的耦合研究，研究以浙江省流通產業與區域經濟協調發展的耦合協調度為例，根據計算結果詳細給出了耦合度呈現短期波動、長期平穩的狀態，區域經濟發展指數受宏觀環境影響滯后于流通產業發展指數，并對產業發展提供了參考依據；學者李國敏[5]等應用耦合協調度方法對煤炭行業高質量發展的評價體系進行了研究，構建了基于耦合協調度的煤炭行業高質量發展評價模型，實現了研究方法的進一步擴展，并應用于山西省煤炭行業的實際中。學者劉超凡等[6]測算了凈灌溉水量同作物生長天數之間關系。關于巴州水資源的研究較少，但現有文獻研究較深，覆蓋了巴州水資源的基本情況，學者于剛和陳元剛[7]就新疆巴州水資源利用現狀進行了分析研究，提出巴州水資源利用現狀中存在的用水總量超量、農業用水過多、地下水超采和水資源利用效率低等問題，并提出水資源利用的對策及建議；學者穆永利[8]就加強新疆巴州水生態文明建設的方法進行了研究，提出了巴州水生態方面存在的問題；學者李帥瑩[9]對遼寧水資源承載能力進行了研究；學者成正才[10]就巴州水資源及其承載力進行了研究，較為詳細地研究了巴州水資源的形成和水資源承載規模，對本研究具有較高的參考價值。關于新疆巴州棉花生產的參考文獻較少，本文主要參考資料和實地調研結果進行研究，并參考了趙姍姍等[11-12]學者關于棉花產業的研究。

本文在參考上述研究報告的基礎上，通過調研和資料分析認為，以往耦合協調度的研究主要針對較大規模經濟系統問題，而應用于實際小區域水資源和棉花產業的研究還很少發現，為此將耦合度和耦合協調度研究方法應用于新疆巴州水資源供給和棉花產業發展的實際研究中，同時考慮到這方面可參考研究資料的有限性和研究正確性的需要，故決定在研究過程中采用聯系實際和數據比較的方法，盡量使誤差和信息損失降到最低，并為下一步研究奠定了可靠基礎。

3 研究方式及其數據來源說明

3.1 第一產業和棉花產業經濟數據說明

巴州棉花生產從規?；跗?000年的10多萬t發展到2020年60多萬t，需求旺盛時期一度達到450萬畝種植規模，約占新疆棉花產量的75%。表1給出了各計劃期棉花產量，說明棉花產量從快速增加到“十三五”前4年發展速度有所下降，分析認為其主要原因是水資源的約束效應，巴州調整了有限水資源的灌溉結構，提倡發展紅棗等耐旱經濟作物，適當減少了棉花種植規模。但由于經濟建設對巴州棉花的剛性需求，政府經濟發展規劃表明在“十四五”期間棉花生產還將在現有基礎上實現進一步發展，同時要求提高棉花種植用水效率和單產經濟效益[13]。

表1 巴州棉花生產量及其增長速度

研究表明，巴州第一產業產值與棉花產量之間具有很緊密的耦合關系，巴州第一產業產值與棉花產量的發展趨勢圖如圖1所示，圖中曲線表明，除2015和2016年以外，其他年份都呈現出良好的耦合形態。事實上巴州棉花產業產值約占第一產業產值的60%，對第一產業經濟的影響十分顯著，因此形成較高的耦合態勢。

圖1 巴州地區棉花產量與第一產業產值發展趨勢圖

巴州棉花產量對第一產業產值影響的顯著性研究結果表明；棉花產量與一產產值之間存在高度相關性(r=0.93)，棉花產量對第一產業產值的影響顯著(P=0.00<0.05)；依據回歸分析結果認為；巴州棉花產量每增加1000t，第一產業產值通過直接和間接的方式平均增加0.344億元，其中包括棉花產量帶來的農民直接經濟收入和帶動第一產業其他行業的間接經濟效益。

3.2 水資源及其數據說明

巴州水資源總量的多年平均值見表2，巴州總降水量約為460億m3，降水量的區域分布很不均勻，在10～1000mm之間，夏季約占60%～80%、春秋季約占10%～20%，冬季較少。地表水來源的山區降水較穩定，加上冰川和永久積雪儲量對地表和地下水轉換的調節作用，使塔里木和開都河等主要河道徑流量比較穩定；多年平均水資源總量約為111億m3，地下水量為6.018億m3[14]。

表2 巴州行政區年均水資源總量

表3 巴州部分行政區年均降水量標準分數分布 單位：億m3

上述分析表明，巴州地域遼闊，降水量分布廣泛，雖然各行政區降水量的年差異相對較大，但由于高原盆地水資源豐富，對總體水資源有較好的調節和緩沖作用，使地下水和地表水相互轉換較為穩定，這些因素保證了整個巴州區域的水資源總量較為穩定，這對棉花生產的發展具有重要意義。

4 耦合模型與指標體系構建

4.1 耦合模型構建

本文分別對2個系統的屬性指標進行了選取，由于水資源和棉花系統的指標體系沒有現成研究可供參考，課題組結合實際統計數據，分別按照相關性特征選取各項指標，年份時間起點從規模種植開始的2009—2019年的序列數據，水資源系統包括全州人均用水(m3)、第一產業用水(108m3)、總用水(108m3)、棉花耕地灌溉用水(108m3)和棉花產值用水(108m3)5項指標，棉花系統包括相同各年度產生的棉花產量(t)、棉花平均價格(元/t)、棉花種植面積(khm2)、農牧民人均純收入(元)和畝產棉花(kg/畝)5項指標；故2個系統形成11(m=11行)個評價對象和5(n=5列)項評價指標構成的11×5(即m×n)非標準化數據矩陣，需要進行標準化處理。為保證標準化數據的正值屬性，對某個待標準化數據xij分別采用如下公式：

xij=[xij-min(xj)]/[max(xj)-min(xj)]

(1)

xij=[max(xj)-xij]/[max(xj)-min(xj)]

(2)

式中，xij和xij—第i行和第j列的原始數據和標準化后數據；max(xj)和min(xj)—第j項指標的最大值和最小值。

耦合是指2種或2種以上系統相互內聯特征，量化揭示了系統之間通過各指標數據形成的相互協調和匹配程度；當系統之間具有較高的協調度時，可形成較高的量化匹配態勢，如果不能形成協調則表現出較低的量化匹配態。在本文的研究中，選擇棉花生產及其相關指標和水資源供給及其相關指標為2個目標系統和其指標體系，具體模型如下：

用Ui代表某個系統的綜合參數，則各系統之間的耦合度模型可用下式表示：

(3)

這里選擇棉花和水資源2個系統，取n=2，則(1)可轉化為如下公式：

(4)

(5)

式中，α和β—待定系數，體現相應系統在綜合評價得分中所占的比重，α+β=1，本文設水資源與棉花系統同等重要，故取α=β=0.5。

4.2 計算結果分析

如上所述，本文選用了規?；N植以來2009—2019歷史年份的統計數據分別表示水資源系統和棉花系統的各項指標，由于各指標原始數據來源于實際統計數據，其權重更貼近實際。2個系統各指標的權重系數見表4。

表4 水資源系統和棉花系統各指標權重系數

國家規定的耦合協調度參考值見表5，本文中2個系統的耦合協調度可以分為耦合度C和耦合協調度D，表5給出的是耦合協調度的評價標準；其中0≤D<0.4表示失調值域，分為4個等級，分別為極度失調、嚴重失調和中度失調輕度失調，最后等級是小于0.4，而大于等于0.4是失調與協調的臨界點，也是進入協調門檻的瀕臨協調等級。協調值域總體被賦值于0.4≤D<0.1，越接近于1協調程度越顯著和優良，除瀕臨協調等級外共有5個協調等級可供參考。

表5 耦合協調度等級劃分標準

表4結果和上述公式計算得到U1和U2，然后再根據公式計算出耦合度C與耦合協調度D，見表6；從U1和U2對比關系看，2009—2010年間水資源和棉花產業的耦合度指數水平先下降然后在2011年恢復良好耦合度，這與實際情況十分接近，由于2009年開始的觀摩化種植在一定程度上促進了用水效率的提高，但管理水平滯后也在一定程度上影響到水資源和棉花產業的耦合度。從整體耦合度量值分析，不難發現除2014—2015期間有微弱欠耦合以外基本保持良好；2014年棉花生產量超過60萬t大關，相比2013年增加10萬多t，并通過2015年下降至53萬t，這種現象引起水資源的變動，是耦合度體現出2年連續下降并回復的情況。

表6 水資源和棉花生產系統綜合得分和耦合度及耦合協調度

本文用耦合協調度(D)反映水資源和棉花產業之間相互影響的協同效應，事實上這2個系統的耦合協調度與耦合度具有緊密的關系，但耦合度只能反映2個系統的匹配程度，對2個系統的實際水平并不敏感，而耦合協調兼顧兩個方面的因素，同時反映系統間的耦合程度和協調程度。結合表7和圖2能夠較完整地描述水資源系統和棉花產業的耦合協調程度；從2009—2019的11個歷史年份中，沒有出現10級耦合協調等級，說明水資源受其他行業用水影響較大，2013年后出現中級以上的協調態勢，主要有等級8和9構成，水資源與棉花產業體現出較高的耦合協調度，說明棉花用水在總水資源消耗中占有重要地位。

表7 耦合協調計算結果評價

從圖2所示的發展形態分析，2012年前雖然水資源與棉花產業具有較高耦合度，但耦合協調度并不高，處于失調和初步形成協調的形態，體現出棉花產業規模化種植過程中對水資源需求的確定并不穩定，加之其他行業對水資源的需求影響而至。2013年開始進入較高協調狀態，表明水資源與棉花產業已經形成較為穩定的需求關系，且需求量較為穩定，2個系統發展趨勢向上，而2014年耦合協調能力同時下降，這主要是棉花生產量的突然加大使水資源失去跟隨能力，水資源配置能力表現出不穩定，與棉花生產的水需求失去協調性，但后期一直處于良好協調狀態。

圖2 水資源與棉花產業耦合度和耦合協調度示意圖

5 建議

本研究顯示，除規?；N植開始的最初3年以外，其他各年度水資源承載規模與棉花生產具有較好的耦合協調度，同時能夠較好支持棉花的生產，但這并不能代表2020年以后的耦合協調程度(由于沒有2020年統計數據)，對當前和“十四五”規劃期水資源對棉花的承載規模，還需要進行下一步的研究，但就目前巴州經濟發展的規模分析，其總體用水量需求較大，水資源配置能力面臨較大挑戰。由于巴州水資源的有限性和可用水資源余度較小的現實，承載全州經濟長期發展的預期能力有限，需要積極采用有效節水政策和措施加以防范，本文提出以下幾個建議供參考：

首先，根據各行業生產用水和生活用水特點，盡快制定出臺以節水為中心、更加嚴格和細化的節水政策和措施，政策措施要具有可操作性，其細化措施要緊貼行業生產節水的實際需要，提高農業用水效率。

其次，展開社會節水活動，加強公民節水意識，普及到每個公民，加強全州節水工作的配套制度，結合國家和自治區相關政策措施，積極創建節水型社會體系和機制。

再次，根據全州工業經濟發展較快的實際，加強工業企業用水管理、細化生產過程節水、開拓研發節水型生產工藝和節水技術、提高工業用水利用率。

最后，根據全州農業生產用水實際，水資源節約潛力較大，需要制定相應的農業節水政策措施和配套法規，結合新疆農業節水政策和進度，積極開展農業生產過程節水和農村居民生活節水活動；同時考慮棉花產業在農業的較大比重，提高給定水資源配額條件下的棉花單產經濟效益，在保證農業經濟發展水平的同時降低農業水資源消耗。