基于水資源可利用量的我國水土資源匹配狀況分析

唱 彤，李云玲

（水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120）

0 引 言1

【研究意義】受資源環境本底限制和區域經濟社會發展占用土地資源等情況影響，水土資源不盡匹配的狀況在我國一直存在，糧食安全面臨挑戰。客觀分析水土資源空間分布差異以及匹配狀況，有利于科學合理指導水土資源開發，持續優化我國水土資源配置與利用效率。【研究進展】吳宇哲等[1]最早將基尼系數（Gini Coefficient）引入水土資源匹配研究中，通過基尼系數表達我國水資源與耕地資源的匹配程度，并與世界其他地區水土資源匹配狀況進行對比分析；姜秋香等[2]、韓雁等[3]、彭立等[4]通過基尼系數揭示區域水資源與人口、耕地和經濟社會發展等要素的空間匹配特征；南紀琴等[5]、文倩等[6]通過單位耕地面積水資源量構建水土資源匹配模型并分析區域水土資源空間匹配格局，孫偵等[7]在分析水資源與潛在耕地資源空間匹配基礎上通過基尼系數對我國水土資源匹配本底狀況進行評價；魏壽煜等[8]、孫才志等[9]、左其亭等[10]分別對區域水資源空間匹配、灰水足跡空間與結構均衡、水資源空間均衡理論應用和量化方法進行了分析討論。高蕓等[11]采用基尼系數、廣義農業水土資源匹配系數和變異系數等，分析黃河流域水土資源匹配狀況。楊亞峰等[12]基于可變集與偏聯系數方法，以基尼系數為主要評價指標對我國水資源空間均衡狀況進行評價。已有研究成果通過區域水資源狀況與耕地面積、人口經濟等要素的基尼系數，對水資源與其他要素的空間匹配程度進行了很好的描述。

【切入點】以往研究中，常會忽略區域水資源[13]中不能為人們所用的部分，包括難以利用的洪水、維持河道內生態系統功能和保持一定地下水合理水位所需的水量等[14]，從土地資源看，一些研究成果并未考慮我國耕地資源中面積超過半數且一般無需灌溉的雨養旱作農業。因此，本文從承載經濟社會的水資源可利用量和灌溉耕地角度，揭示我國水土資源匹配狀況。【擬解決的關鍵問題】以水資源可利用量表征可供河道外經濟社會利用水量，以水田和水澆地表征灌溉耕地面積，通過基尼系數揭示可利用水資源與灌溉耕地整體匹配狀況及變化趨勢，以各省區可利用水資源與灌溉耕地資源匹配相對系數反映我國水土資源匹配時空分布格局與演變趨勢，為以水定地和水土資源空間均衡發展政策制定以及實行差異化管控提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

采用土地調查成果共享應用服務平臺（https://tddc.mnr.gov.cn/to_Login?loginType=2）中2009、2012、2016 年全國土地調查成果和第3 次全國國土調查數據成果，得到2009、2012、2016、2019 年各省區水田、水澆地和旱地面積。多年平均水資源可利用量和水資源量來自第3 次全國水資源調查評價相關成果。耕地灌溉耗水量和耗水總量來自2009、2012、2016、2019 年《中國水資源公報》。土地調查數據和水資源相關數據均不包括港澳臺地區。

1.2 基于水資源可利用量的水土資源匹配評價方法

1.2.1 單位面積灌溉耕地水資源可利用量計算

根據我國原國土資源部2001 年印發的《全國土地分類（試行）》以及宋偉[15]有關土地結構的研究，2007 年水田中不需要灌溉的望天田占耕地面積比例為3.4%，且呈減少趨勢。綜合考慮現行國家標準《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2017）中耕地分類、望天田比例以及數據可獲取性，認為灌溉耕地由水田和水澆地組成。

水資源可利用量是從資源開發利用和生態環境保護角度出發描述流域可能被控制消耗利用的最大水資源量[16]，具有耗水屬性。采用地表水資源可利用量與平原區淺層地下水資源可開采量相加再扣除二者之間重復量的方法計算，重復量主要來自平原區淺層地下水資源量評價中的地表水體補給量。其中，地表水資源可利用量為多年平均地表水資源量扣除河道內生態環境需水量后的水量；平原區淺層地下水資源可開采量是在保護生態環境和地下水資源可持續利用的前提下，通過經濟合理、技術可行的措施，在近期下墊面條件下可從含水層中獲取的最大水資源量，通過水均衡法和可開采系數法計算得到。水資源可利用量具有動態性和隨機性，隨水資源量變化而變化，為反映多年平均水平，采用第3 次全國水資源調查評價中水資源二級區1956—2016 年系列多年平均水資源可利用量成果，通過面積加權折算到省區，省區不同年份灌溉耕地消耗水量比例由各省區耕地灌溉耗水量與耗水總量相除得到，各省區單位面積灌溉耕地擁有水資源可利用量計算式為：

式中：Rij為第i個省區第j年單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量（m3/hm2）；Wij為第i個省區第j年水資源可利用量（萬m3）；Sij為第i個省區第j年灌溉耕地面積（萬hm2）；αij為第i個省區第j年灌溉耕地消耗水量比例；n為省區數量，n=31。

1.2.2 區域水土資源匹配基尼系數計算

基尼系數（G）最初是用于衡量經濟失衡、收入分配或財富人口分布狀況等的指標，通過將人口按收入水平由低到高排序，求得人口累計比例和收入累計比例后構建洛倫茲曲線L（X）。洛倫茲曲線與絕對平均線之間的面積為基尼系數，取值在0～1 之間，曲線弧度越小且越趨向于絕對平均線，基尼系數越小，表明收入分配越趨向平等；曲線弧度越大，基尼系數越大，收入分配差距越大。基尼系數表征均勻狀況等級[5,9-10]如表1 所示。

表1 基尼系數與匹配狀況評價等級Table 1 Gini Coefficient and matching status level

將各省區灌溉耕地水資源可利用量進行從小到大排序，以排序累積比例作為橫坐標，以對應灌溉耕地面積累計比例作為縱坐標，由洛倫茲曲線擬合后，計算得到基于灌溉耕地水資源可利用量的基尼系數，計算式為：

1.2.3 水土資源匹配相對系數

水土資源匹配相對系數可描述區域水資源可利用量與灌溉耕地協調匹配狀況，反映不同省區匹配關系的空間差異，計算式為：

式中：ˉ為第i個省區第j年水土資源匹配相對系數；wij為第i個省區第j年灌溉耕地擁有水資源可利用量占全國比例（%）；sij為第i個省區第j年灌溉耕地面積占全國比例（%）。

2 結果與分析

2.1 我國主要省區耕地數量和結構變化情況

2009、2019 年各省區耕地結構見圖1。由圖1 可知，2019 年我國主要省區耕地面積12 786.2 萬hm2，主要分布在東北平原、黃淮海平原、四川盆地以及云南、新疆等地，東南沿海和青藏高原耕地較少。與2009 年相比，全國耕地面積減少了752.2 萬hm2，東北三省、內蒙古和新疆耕地面積呈增加態勢，增加面積超過600.0 萬hm2，其余省區呈減少趨勢，其中浙江、山東、河南以及除西藏外的西南各省區面積減少均超過65 萬hm2。

圖1 2009 年和2019 年我國主要省區耕地結構Fig.1 Structure of cultivated land in the main province in 2009 and 2019 in China

從耕地結構看，2019 年水田、水澆地、旱地面積占比分別為24.6%、25.1%、50.3%，2009—2019年全國主要省區水田面積比例基本維持不變，水澆地面積比例增加了4.4%，旱地面積比例減少了4.6%，局部地區變化較大。水田面積增加的省區大多分布在北方地區，其中黑龍江水田面積增長近1 倍，占全國水田面積比例超過15%，南方大部分省區呈微降趨勢；水澆地主要分布在河北、內蒙古、山東、河南和新疆，占全國面積的近80%，2009—2019 年面積增加約460 萬hm2，主要集中在內蒙古和新疆；旱地面積除吉林、遼寧和新疆出現微增外，其余省區均呈減少趨勢，黑龍江、江蘇、四川旱地面積減少均超過85 萬hm2。

2.2 我國主要省區水土資源匹配總體狀況及變化分析

圖2 為我國主要省區水資源可利用量與灌溉耕地資源洛倫茲曲線。表2 為基于水資源可利用量和水資源量的基尼系數。由表2 可知，2009—2019 年我國主要省區水土資源總體為較不匹配狀況；其中2009年基尼系數為0.404，處于較不匹配狀態的初始階段，2009—2016 年基尼系數緩慢增加至0.423，到2019年基尼系數迅速增加至0.486，有向嚴重不匹配的發展趨勢。2009 年我國80%的水資源可利用量服務了約53%的灌溉耕地資源，到2019 年80%的水資源可利用量服務的灌溉耕地資源降低至約45%。基于水資源量的基尼系數總體上處于嚴重不匹配狀態，2009—2016 年匹配狀況在0.607 上下波動，到2019年基尼系數增加至0.656。基于水資源可利用量的水土資源匹配狀況整體優于基于水資源量的匹配狀況，這是人們在耕地資源開發利用過程中對區域水資源條件和行業用水差異主動適應的結果；從年際變化看，局部區域灌溉農業發展過快，導致匹配狀況呈下降趨勢，如黑龍江省水田面積大幅增加，內蒙古和新疆水澆地面積增加。

圖2 水資源可利用量與灌溉耕地資源洛倫茲曲線Fig.2 Lorenz curve of available water resources and irrigated cultivated land resources

表2 基于水資源可利用量和水資源量的基尼系數Table 2 Gini Coefficient based on available water resources and water resources

2.3 我國主要省區水土資源匹配空間格局

2019 年各省區單位耕地灌溉面積擁有水資源可利用量如表3，總體呈南方優于北方、沿海較內陸豐富的局面。西南地區和沿海地區單位灌溉耕地擁有水資源可利用量最為豐富，最大值在青海、西藏，與耕地規模受自然條件限制和當地水資源豐沛緊密相關；水資源可利用量由西南和沿海地區向內陸不均勻過度，華北地區單位灌溉耕地平均擁有水資源可利用量總體較低，僅2 027.3 m3/hm2；東北三省灌溉耕地平均水資源可利用量10 260.0 m3/hm2，但黑龍江明顯偏少，僅為吉林、遼寧的1/2；位于西北地區的新疆和內蒙古灌溉耕地水資源可利用量分別為 3 942.0 m3/hm2和2 287.5 m3/hm2，優于華北地區平均水平；全國灌溉耕地水資源可利用量最小值出現在寧夏，僅561.0 m3/hm2。部分省區單位灌溉耕地擁有水資源可利用量較小可能由幾方面原因導致，一是區域節水水平較高，耗水量較小；二是以擠占生態用水為代價發展灌溉面積；三是存在外區域調水。我國13 個糧食主產省灌溉耕地平均水資源可利用量7 520.9 m3/hm2。從2009—2019 年變化趨勢看，大多南方省區單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量呈增加趨勢，北方省區普遍較少，減少比例超過40%的省區有內蒙古、黑龍江、北京等，內蒙古單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量減少比例最高，達57%。糧食主產省單位灌溉耕地擁有水資源可利用量略有減少，減少比例為5%。

表3 我國主要省區單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量Table 3 Available water resources for irrigated farm land per unit in main province

根據水土資源空間匹配相對系數聚集與離散的分異特征，基于水資源稟賦條件和灌溉耕地分布差異，以自然間斷點分級法（Jenks Natural breaks）為基礎，綜合考慮專家咨詢意見、相對系數的物理含義以及不同區域實際情況，對分級斷點進行微調，將空間匹配相對系數劃分為5 個等級，Ⅰ為水資源相對豐沛（R?>1.2），Ⅱ為匹配較好（0.8

表4 主要省區水土資源匹配狀況Table 4 Matching status of water and arable land resources of the main province

2009 年全國水土資源處于不匹配和極不匹配狀態的省區有10 個，為華北各省區、江蘇、上海、重慶和寧夏。經過用水結構和灌溉耕地的發展演變，2019 年處于不匹配和極不匹配狀態的省區增加為11個，有明顯向北遷移擴展的趨勢，且除江蘇和上海外其余省區均處于北方地區。華北六省區、寧夏、江蘇和上海持續處于不匹配和極不匹配狀態；內蒙古和新疆從2009 年的較不匹配狀態演變成2019 年的不匹配和極不匹配狀態；黑龍江從水資源相對豐沛下降為匹配較好。2009 年有約35%的灌溉耕地分布在水土資源不匹配和極不匹配省區，到2019 年這一面積比例超過50%。

3 政策措施

在已有研究[1]中，與基于水資源量與耕地面積的基尼系數0.556 和基于本底水資源量與潛在可開墾耕地面積的基尼系數[8]0.712 相比，本文基于水資源量與灌溉耕地面積的基尼系數介于二者之間。由于本文水資源量指按照農田灌溉用水比例計算的水資源量，耕地口徑也存在差異，匹配結果劣于水資源與耕地資源的匹配結果，但優于我國水土資源匹配本底狀況。

2009—2019 年，我國旱地面積減少995.4 萬hm2，占耕地面積比例從55%下降至約50%。在生態保護和糧食安全背景下，科學發展雨養旱作農業是改善水土資源匹配狀態的重要途徑，也是發展適水農業的重要組成。應緊密圍繞各地實際情況，選用農作物抗旱品種，推行節水型高效耕作栽培模式，配合輪作復種、間作套種、合理密植等措施，逐步形成適合旱作區特點的新型節水種植模式。

針對當前水土資源匹配狀況為水資源相對豐沛和匹配較好的區域，在充分考慮未來行業間用水結構變化的前提下，分析水資源利用效率和節水水平，在加強節水和積極調整農業產業規模、結構前提下，將現有灌溉耕地空間分布與國土空間規劃中的生態保護紅線和城市開發邊界進行空間疊圖計算，考慮地形地貌、降水與積溫、土壤質量等自然地理條件，開展后備耕地資源調查評價，通過估算灌溉耕地水資源可利用量綜合判斷灌溉耕地發展潛力，按照“以水定地”的原則科學確定發展規模，將水土資源匹配保持在原有狀態。

在水土資源較不匹配、不匹配和極不匹配區域，分析水資源短缺特征與屬性，根據水土資源開發利用和匹配特征，一方面提高現有灌溉耕地節水水平，通過生物節水、農藝節水和工程節水[17]措施，推進農業節水增效；另一方面根據現有水資源條件，持續調整種植結構和農業生產布局，發展以水定農業規模、以水定種植結構、以水定作物產量的適水農業，遏制并退減灌溉發展規模，實現與區域可利用水資源和產業發展相適應相協調，提高水土資源匹配度。

改善水土資源匹配狀況還需要統籌考慮由于糧食調入調出帶來的虛擬水在區域間的流動，加強重點農產品發展區特別是糧食主產區水安全保障，按照“確有必要、生態安全、可以持續”的原則，通過完善引調水工程、水源工程和區域供水工程等水利基礎設施建設，加快區域間水資源均衡高效配置，加強水資源用途管控，提高區域水資源承載能力和水土資源匹配狀況。“以水四定”是落實水資源剛性約束制度、加強水資源節約集約利用的重要原則。通過計算單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量，在評價水土資源空間均衡狀況及時空演變的同時，從水資源對農業發展承載角度揭示了水土資源的匹配程度，單位灌溉耕地面積擁有水資源可利用量可為“以水定地”和農業產業調整提供數據支撐，為制定農業發展宏觀戰略、改善水土資源空間匹配狀況以及實行分區域差異化管控提供科學參考。

4 結 論

1）2009—2019 年我國主要省區耕地面積總體減少約6%，各省區間差異較大，東北三省、內蒙古和新疆耕地面積合計增加約15%，其余省區呈不同程度減少。從耕地結構看，水田面積占比基本維持不變，約4%的耕地面積由旱地轉變為水澆地。灌溉耕地面積增加約240 萬hm2，東北和西北地區部分省區增加顯著，其中內蒙古和黑龍江灌溉耕地面積增加近1 倍，新疆增加近40%。

2）當前我國主要省區水土資源匹配總體狀況為較不匹配，且向嚴重不匹配的狀況發展。主要省區間水土資源空間分布差異顯著，西南和沿海地區單位灌溉耕地擁有水資源可利用量最為豐富，由西南和沿海地區向內陸呈不均勻過度，最大值分布在青海、西藏，華北平原、內蒙古和新疆等地處于較低水平，為2 000～4 000 m3/hm2，最小值在寧夏。2009—2019 年，北方省區單位灌溉耕地擁有水資源可利用量普遍減少，以內蒙古、黑龍江最為顯著。

3）從水土資源匹配空間分布看，2019 年處于不匹配和極不匹配狀態的省區有11 個，較2009 年增加1 個且空間分布有向北遷移擴展的趨勢；華北地區、寧夏、江蘇和上海持續處于不匹配和極不匹配狀態，內蒙古和新疆從之前的較不匹配狀態演變成2019 年的不匹配和極不匹配狀態。當前有超過50%的灌溉耕地分布在水土資源不匹配和極不匹配的省區，2009—2019 年處于水土資源不匹配和極不匹配省區的灌溉耕地面積比例增加約15%。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）