基于熵權TOPSIS的河南省農業水土資源承載力時空分異與關聯分析

文 倩, 孫江濤, 范利瑤, 李小彎, 李青松

(河南農業大學 資源與環境學院, 鄭州 450002)

隨著新冠疫情在全球的持續和蔓延，糧食生產與供應體系正遭受多重挑戰，世界對糧食安全的擔憂亦日益增加[1]。作為糧食生產的關鍵核心要素，區域耕地和水資源及對應的農業水土資源承載能力是糧食穩產與高產、國家糧食安全的基礎與保障，也是人口、資源與環境可持續發展評價的重要指標[2]。隨著我國經濟快速發展和城鎮化的持續推進，農業水土資源短缺和區域性結構破壞等問題日益突出[3]，土壤與水體污染也增加了國家糧食安全的風險和不確定性[4]。同時，因人口頂峰的到來及社會主義現代化目標的實現，預計2022—2030年我國糧食需求將達到峰值、年均增加約656.6萬t[5]。因此，為滿足我國社會不斷增長的糧食總量需求，必須強化糧食生產能力建設、提高農業水土資源的承載能力。

目前學界對農業水土資源承載力尚無統一定義[3]，早期相關研究主要側重于土地或水資源承載力的獨立評價[6-7]，由于未綜合考慮農業水土資源的復雜作用與耦合關系，而不利于其整體效能的充分發揮[8]。近年來，越來越多的學者將農業用水與耕地資源二者相結合以開展綜合研究，如王國強等[9]研究了水土資源匹配系數與河南糧食產量的關系，發現二者空間分布錯位明顯，糧食高產區普遍過度利用水資源；任守德等[8]采用微觀和宏觀兩種模型研究了三江平原的農業水土資源承載力，認為其能較好的反映區域水土資源的實際情況；李慧等[10]研究表明延安市農業水土資源匹配程度較差，農業水土資源承載力水平整體偏低；楊劍等[11]采用DPSIR模型和熵權TOPSIS方法對湖北省農業水土資源承載力做了定量研究，發現不同地區差異較大：安全承載與超載區域各占約50%。可以看出，目前農業水土資源承載力的研究取得了一定進展，但統一、綜合的時空動態研究仍然較為缺乏。

自2013年以來，河南省糧食產量平均每年增加100萬t，對國家糧食安全做出了重要貢獻。但河南人地矛盾尖銳、耕地質量偏低，近1/7耕地存在退化、農田面源污染等問題突出[12]，同時水資源極度緊缺、水土資源匹配較差[13]，其農業水土資源承載能力直接影響到了糧食有效供給與糧食產能穩定。因此，本研究采用熵權TOPSIS模型與灰色關聯分析方法，對河南省近13年來區域農業水土資源承載力的變化特征與影響因素進行動態分析與定量診斷，以期為筑牢河南農業根基、強化和提高糧食生產能力并增強糧食供給保障提供科學依據。

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

河南省地理位置北緯31°23′—36°22′、東經110°21′—116°39′，土地總面積16.7萬km2，耕地總面積811.2萬hm2，人均耕地面積0.075 hm2。為暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤季風氣候，年均氣溫13～16℃，年均降水500～900 mm。地勢西高東低，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%，26.6%和17.7%。主要土壤類型為棕壤、黃褐土、褐土和潮土，質地以粘質、砂質和壤質為主。河南是我國糧食主產區，2018年糧食種植面積1 476.9萬hm2，其中小麥574.0萬hm2，玉米391.9萬hm2，全年糧食產量1 329.8億kg。2018年全省GDP4.8萬億元，三次產業結構為9∶46∶45；2018年末全省總人口1.1億人、城鎮化率51.7%，森林覆蓋率24.5%。

1.2 數據來源

2 河南省農業水土資源承載力評價方法

2.1 農業水土資源承載力指標體系

基于綠色、協調、生態環保、高質量發展的原則以及農業水土資源承載力內涵與相關研究成果[3,10]，本文從資源、環境、經濟、社會4個方面選取了15項指標構建河南農業水土資源承載力評價指標體系，各指標具體名稱及其性質詳見表1。

表1 河南省農業水土資源承載力評價指標體系

2.2 數據標準化處理與權重確定

本文采用熵權法計算指標權重，熵權法具有客觀、定量的特點，能較好地反映各指標的實際貢獻。計算步驟為：首先，用極差標準化法對原始數據進行處理；其次，確定各指標的信息熵(Hi)以及信息效用值，信息熵越大則該指標越重要；熵權計算方法見式(1,2)。

(1)

(2)

式中：Wi為指標權重；Hi為信息熵；fij為指標特征比重；rij為第i年第j個指標的原數值；m為指標個數；n為年份。

2.3 農業水土資源承載力評價模型構建

本文采用TOPSIS模型對河南省農業水土資源承載力水平進行定量分析。該方法通過對有限評價對象與理想目標接近程度的排序來計算目標與正負理想解的距離，并在此基礎上計算區域農業水土資源承載力水平，主要步驟如下：

(1)構建標準化評價矩陣。首先采用熵權法計算各指標的權重w，再加權構建標準化評價矩陣Y。

(3)

式中:Y為評價矩陣；ymn表示第i個指標第j年的加權后的數值；rmn表示第i個指標第j年的原數值；wmn表示第m個指標第n年的權重。

這年秋天，我上學的事忽然被提上了議事日程，之前一直都是媽媽在家里教我。說實話，我對上學不可能沒有顧慮。開學那天，我徑直朝教室走去，不用抬頭也知道沿路有一些同學在直勾勾地盯著我看個沒完，“注目禮”形成的光束灼灼燃燒著我。

(2)確定正負理想解。即用規范化加權評價矩陣各列的最大最小值構成最優、最劣向量，正、負理想解分別記為：

(4)

(5)

(3)計算距離。采用歐氏距離方法計算評價對象與正、負理想解的距離，詳見式(6,7)：

(6)

(7)

(4)農業水土資源承載力計算。采用貼近度表示第i個評價對象與本地區最優承載力間的接近程度并以此計算區域農業水土資源承載力水平，詳見式(8)：

(8)

2.4 農業水土資源承載力等級劃分

Jenks最佳自然斷裂法是將數據劃分為多個類別，在數據值的差異相對較大的位置處設置其邊界[14]。本文依據河南實際，采用類內差異最小，類間差異最大的Jenks最佳自然斷裂法將河南省農業水土資源承載力指數劃分為良好、穩定、敏感、薄弱4個等級，進行空間分析，評價級別及對應承載力水平具體見表2。

表2 河南省農業水土資源承載力分級標準

2.5 灰色關聯分析

灰色關聯分析具有原理簡單、運算方便、易于挖掘數據規律的特點，計算公式為：

(9)

(10)

3 結果與分析

3.1 農業水土資源承載力時間動態變化

2006—2018年，河南省農業水土資源承載力總體呈增長趨勢，承載力指數均值為0.266，承載力指數由2006年的0.226上升至2018年的0.336，增加了48.67%，但承載力不夠穩定、圍繞趨勢線上下波動且幅度較大，最高值與最低值相差近1.26倍(圖1)。2018年，河南農業水土資源承載力達良好水平，其余年份(不含2006年)屬于穩定水平。農業水土資源承載力自2014年起出現較大幅度下降，與極端干旱氣候導致耕地水土資源系數降低有關；2014年農作物受災面積較2013年增加了61%；同時頻繁的大風天氣也對糧食產量造成了一定影響[15]。

圖1 2006-2018年河南省農業水土資源承載力

2006—2018年，河南省內新鄉、鄭州、信陽、商丘、許昌等市農業水土資源承載力平均水平較高，漯河、平頂山、鶴壁、開封相對較低(圖2)。除信陽、駐馬店、三門峽、鄭州外大部分地市農業水土資源承載力都有所增加，其中濮陽、焦作、鶴壁年均增長速率較快，均超過9%；其次是安陽和新鄉，年均增長約7%～8%；農業水土資源承載力下降較快的是信陽和駐馬店，年變化率為-8.49%和-2.77%，這些地市在很大程度上降低了河南省的總體承載力水平。

圖2 2006-2018年河南省各市農業水土資源承載力均值及變化率

2006—2018年，河南省各市間農業水土資源承載力水平變化差異明顯(表3)，依據其變化特點，河南各市農業水土資源承載力大體可分為4類：第一類包括新鄉、信陽2個地市，農業水土資源承載力2007—2013年呈緩慢上升；2014年迅速上升，隨后進入相對穩定階段，至2018年又有所下降；第2類包括鄭州、許昌、南陽和周口4市，農業水土資源承載力在2006—2010年相對較高，其余年份比較平穩；第3類包括安陽、漯河、三門峽、商丘和駐馬店5市，其農業水土資源承載力變化趨勢大體呈“幾”字形，前期和后期平穩，中間階段(2011—2013年)高；開封、洛陽、平頂山等7市屬第4類，其農業水土資源承載力總體平穩，僅在2018年有所上升。

表3 2006-2018年河南省各市農業水土資源承載力

3.2 農業水土資源承載力空間動態變化

為研究河南省農業水土資源承載力的空間分布情況，首先將承載力水平分為良好(Ⅰ級)、穩定(Ⅱ級)、敏感(Ⅲ級)和薄弱(Ⅳ級)4個等級，再選取2006年、2012年、2018年農業水土資源承載力進行空間分析(圖3)。2006—2018年，總體上河南農業水土資源承載力在空間上的分布規律為豫北>豫南>豫東>豫西；其在時間與空間兩個維度上的變化規律為：2006年，豫南>豫西、豫中>豫北>豫東；2012年，豫北>豫東>豫南>豫西；2018年，豫北>豫東>豫南>豫西。可以看出，隨著時間變化，承載力良好區域逐漸向豫北和豫東集中。

圖3 河南省農業水土資源承載力空間分異

3.3 農業水土資源影響因素分析

灰色關聯系數能夠客觀體現各評價指標對河南省農業水土資源承載力的貢獻程度，圖4可見各指標與農業水土資源承載力指數的關聯系數都高于0.5。其中，農作物受災面積比例(C9)、本年度農林水利工程投資比例(C11)、廢水處理率(C6)、農業水土資源匹配系數(C1)、森林覆蓋率(C4)、單位耕地面積的耗電量(C12)等指標與農業水土資源承載力的關聯度高于0.6，是主要的影響因素。特別是農作物受災面積比例(C9)與農業水土資源承載力的關聯度最高、達到了0.834，表明河南應大力提高農業防災、減災能力。

圖4 評價指標與農業水土資源承載力指數的灰色關聯度排序

4 討論與結論

4.1 討 論

良好的農業水土資源承載力是實現糧食增產與安全的基石，研究期內河南省農田水利投資金額、有效灌溉面積以及森林覆蓋率持續增長[16]；因此，農業水土資源承載能力總體有所提高。但與此同時，快速的城鎮化與經濟增長對區域農業水土資源的壓力也在持續增加[17]；研究期內河南單位耕地面積化肥與農藥施用量[18]、極端天氣與農業災害[19]都有所增加，不僅給河南糧食生產帶來了隱患，也可能是承載力大幅波動的原因之一。研究期內，河南農業水土資源承載力空間差異逐漸增大，豫南農業水土資源承載力下降、承載良好區域逐漸向豫北和豫東集中，這與豫北各市普遍增加了對農田水利設施的投入、農業水土資源匹配程度有所好轉有關[16]；也反應出豫南地區亟需加強對農業水土的保護及農業投入。同時，關聯分析表明農作物受災面積比例、農林水利工程投資比例與廢水處理率、農業水土資源匹配系數是影響水土資源承載力的重要因素。為筑牢糧食生產根基、提高糧食生產水平，河南應重點增強農業抗災能力、提高水資源利用效率，增加生態環境、農業資金和技術投入、優化農業種植結構，從而實現農業水土資源持續利用和社會經濟可持續發展。

4.2 結 論

(1)2006—2018年，河南省農業水土資源承載力指數平均值0.266，承載力水平總體上升但波動較大，承載力指數最高值與最低值相差近1.26倍，除2018年外，絕大多數年份處于穩定水平；濮陽、焦作、鶴壁農業水土資源承載力年均增長速率較快，均超過9%；信陽和駐馬店下降較快，年均分別下降8.49%和2.77%。

(2)2006—2018年，河南省農業水土資源承載力在空間上的分布規律為：豫北>豫南>豫東>豫西，其中鄭州、新鄉、信陽、商丘、許昌等5市較高，開封、平頂山、漯河、鶴壁等4市較低，研究時段內豫南農業水土資源承載力逐漸下降、豫北和豫東逐漸增高。

(3)對河南省農業水土資源承載力影響較大的因子主要有農作物受災面積比例、本年度農林水利工程投資比例、廢水處理率、農業水土資源匹配系數以及森林覆蓋率。