江蘇典型灌區農業水土資源匹配現狀及其承載力特征

曲紳豪, 姚懷柱, 王彥東, 陳 于, 彭亞敏, 房 凱, 佘冬立

(1.河海大學 農業科學與工程學院, 南京 211100; 2.江蘇省農村水利科技發展中心, 南京 210029; 3.宿遷市水務局, 江蘇 宿遷 223800)

灌區作為糧食和經濟作物的主要產區,其水土資源的承載能力一直是灌區發展關注的熱點。水土資源承載力主要通過地區可生產的最大糧食產量或可承載的最大人口數量來表征[1]。李慧等[2]通過構建承載力評價體系,對延安市農業水土資源匹配情況和承載力狀況進行評價。朱薇等[3]創新性地將層次分析法、熵權法和模糊綜合評價模型結合,評價哈薩克斯坦農業水土資源承載力,并進行障礙度分析。任守德等[4]將投影尋蹤主成分分析模型應用于對三江平原農業水土資源承載力綜合評價中。王凌閣等[5]對甘肅河西地區的內陸河中游地區水土耦合協調情況進行量化研究。綜合以往研究發現,相關學者意識到水土資源承載力受諸多因素影響,開始考慮經濟、生態、社會等方面來構建水土資源系統承載力評價體系,同時不斷創新評價方法和細化評價體系,從而適用不同區域水土資源承載力評價;另一方面,目前研究多集中于區縣級、市級或省級尺度,缺少對灌區或糧食主產區特定區域的水土資源承載力研究。

基于此,本研究以江蘇典型灌區為研究對象,通過計算基尼系數和水土資源匹配系數,分析水土資源空間匹配格局和匹配現狀,并結合熵權法TOPSIS模型對灌區水土資源承載力系統健康度進行評價,識別灌區發展的障礙因子;基于系統耦合協調理論,分析區域水土資源承載力系統的演化狀態和內部要素關系,以期為灌區農業水土資源利用和管理提供科學性建議。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

以江蘇省典型灌區為例開展本研究,研究區(30°45″—35°20″N,116°18″—121°57″E)地勢平坦,河湖眾多,農用地占全省土地的60%以上,多年平均降水量為996 mm,年際、年內分配不均,水資源可利用量少,供需矛盾突出[6]。本文選擇石梁河灌區、來龍灌區、漣東灌區、渠南灌區、清水壩、高郵灌區和堤東灌區7個大型灌區為研究對象,其分布情況見圖1。

1.2 數據來源

本研究所用的耕地面積和農業用水量來自于《江蘇省2020年統計年鑒》和《江蘇省2019年水資源公報》,其余數據來自于2019年各典型灌區現代化水平評價基礎信息調查統計。

2 研究方法

2.1 基尼系數和水土資源匹配系數

以灌區第一產業用水量累計比例為橫坐標,耕地面積累計比例為縱坐標,按照排序構建洛倫茲曲線,基于洛倫茲曲線與45°線構成面積的2倍計算基尼系數[7]。基尼系數G的范圍為[0,1],當耕地資源和水資源空間分布越均衡,曲線與45°線越接近,表示整體區域的水土資源匹配水平越好,即G值越小[8]。

水土資源匹配程度即匹配系數越高,越有利于農業生產[9]。

(1)

式中:Ri為第i個灌區的水土資源匹配系數;Wi為第i個灌區第一產業用水量(104m3);Li為第i個灌區耕地面積(hm2)。

2.2 熵權法TOPSIS模型及障礙因子分析

水土資源承載力受經濟、社會等不同系統中多因素影響,因此正確選取評價指標,構建科學評價體系是合理評價承載力水平的前提[10]。本研究選取水土資源、經濟、生態和社會4項子系統,結合傳統農業和灌區現代化建設特色構建24項代表性指標,采用熵權法TOPSIS模型對典型灌區農業水土資源承載力系統健康度進行評價,并明確其障礙因子。模型評價指標體系見表1,具體實施步驟見文獻[11]。

表1 灌區水土資源承載力系統健康度評價體系Table 1 Evaluation system of health degree of water and soil resources carrying capacity in irrigation area

2.3 系統耦合協調模型

區域水土資源、經濟、生態、社會是一個多層次復雜系統,水土資源的利用同區域經濟的發展、社會的建設和生態的治理等多種因素相互聯系、耦合協調,從而保證系統的關聯和演化[12]。因此,本文將基于系統耦合協調理論,構建典型灌區水土資源承載力系統耦合協調模型,分析各子系統之間耦合協調關系,為灌區水土資源可持續利用提供新思路。耦合協調度計算過程如下:

(1) 計算各子系統貢獻值。

Ui=∑wjx′ij(i=1,2,3,4)

(2)

式中:U1,U2,U3,U4分別為水土資源子系統、經濟子系統、生態子系統和社會子系統對總系統有序度的貢獻值。

(2) 耦合協調指數。

(3)

(4)

(5)

式中:C為系統耦合度;D為系統耦合協調度;T為子系統綜合協調指數;α,β,γ,δ為各子系統貢獻系數,具體取值為各子系統評價指標權重和,即α=0.27,β=0.19,γ=0.21,δ=0.33。同時根據廖重斌[13]的研究,對水土資源承載力系統耦合協調度進行類型劃分(表2)。

表2 水土資源承載力系統耦合協調度劃分標準Table 2 Standard for division of coupling coordination degree of water and soil resource carrying capacity system

3 結果與分析

3.1 水土資源匹配現狀分析

通過對灌區基尼系數的計算發現,洛倫茲曲線與45°線構成的面積A=0.13,得出基尼系數0.26,灌區水土資源匹配情況整體較好(0.20

圖2 典型灌區基尼曲線示意圖Fig. 2 Gini curve diagram of typical irrigation area

3.2 水土資源承載力健康度評價及障礙度分析

選擇的典型灌區水土資源承載力系統健康度由高到低分別為渠南(0.58)、高郵(0.52)、石梁河(0.50)、來龍(0.45)、漣東(0.44)、堤東(0.42)和清水壩灌區(0.39),承載力健康度差異顯著。渠南灌區和高郵灌區的農業水土資源承載力健康度最高,這與水土資源匹配系數結果吻合。究其原因,渠南灌區是我國首批節水改造建設的大型灌區之一,共實施10期節水改造與續建配套工程項目,其“兩河三堆”的灌排布置形式,充分利用回歸水灌溉,節約用水和提高用水效率[17]。而高郵灌區作為現代化灌區的典范,工程建設程度和管理調度水平均處于優秀水平,綜合運用工程改造、調度運行、管理管護等措施,不斷推進灌區現代化建設[18]。清水壩灌區水土資源承載力系統健康度顯著低于其他灌區,原因之一是水費征收難度大,灌區經費不足,灌區工程的改造養護和其他項目的發展受到阻礙,無法保證灌區灌溉效益充分發揮[14]。其余灌區水土資源承載力系統健康度為0.40～0.50,各灌區承載力評價等級屬于中低等水平,開發潛力有限。根據及茹等[19]針對江蘇省糧食主產區多年平均農業水土資源承載力的研究結果發現,江蘇省糧食主產區多年平均水土資源為低承載力(<0.42),與本文研究相吻合。

計算各灌區農業水土資源匹配系數與江蘇省農業水土資源匹配平均系數(6 500 m3/hm2)的差值,結果見圖3。選擇的7個典型灌區水土資源匹配系數差異顯著,漣東、渠南和高郵3個灌區的水資源能夠較好地滿足耕地資源開發的需求,其中高郵灌區水土資源匹配狀況最優;清水壩、來龍灌區的水土資源匹配系數略低于省平均匹配系數,其中清水壩灌區因尚未設立灌區統一管理機構,存在水費征收拖欠現象,水資源無法最大限度地利用[14]。石梁河灌區和堤東灌區水土資源匹配系數顯著低于全省水土資源匹配平均系數,其中石梁河灌區灌溉水量的調配缺少時效性和調度靈活性,使得供水效益低,水資源存在一定浪費[15],而堤東灌區地處沿海地區,沿海開發需要消耗大量淡水資源,同時堤東灌區可抽取的淡水資源總量被嚴格限定,盈余部分還需要供灘涂圍墾開發所用,使灌區淡水供給矛盾更加突出[16]。

圖3 灌區水土資源匹配系數與全省平均值之間差值Fig. 3 The difference between the matching coefficient of water and soil resources in irrigated area and the average value of the whole province

灌區水土資源承載力子系統(水土資源、經濟、生態和社會子系統)障礙度占比情況如圖4所示,各子系統障礙度為組成該子系統的指標障礙度之和。各子系統對農業水土資源承載力健康度的影響作用在不同灌區間差異顯著,但各灌區均表現為社會子系統所占比例大,其次是水土資源子系統,表明選擇的典型灌區農業水土資源承載力系統建設方面,特別是在社會子系統建設方面具有較大提升空間,但同時需統籌兼顧提升每個子系統承載力。為進一步探究影響承載力系統健康度的具體因素,選取各灌區前5的障礙因子進行排序分析(表3),社會子系統中的指標要素,如農機化程度、人均耕地面積、人均水資源量、水利技術人員占比,以及生態子系統中的生態溝渠占比、骨干溝渠完好率,在不同灌區均占比較高;從各障礙度因子出現頻次分析可以看出,社會子系統對灌區農業水土資源承載力系統健康度的影響尤為突出,灌區水土資源發展規劃中應重視社會子系統的發展和完善。

表3 影響各灌區發展的前5名障礙度因子Table 3 The top 5 obstacle factors affecting the development of irrigation areas

圖4 典型灌區農業水土資源承載力子系統障礙度占比Fig. 4 Proportion of obstacle degree of sub-system of carrying capacity of agricultural soil and water resources in typical irrigated areas

3.3 水土資源承載力系統耦合協調度分析

選擇的典型灌區水土資源承載力系統耦合協調度(圖5)位于0.50～0.60,各灌區之間差異不顯著,均屬于基本協調發展;水土資源承載力系統耦合協調度與健康度之間呈顯著正相關關系,水土資源承載力系統耦合協調度越低,其承載力系統健康度水平越差,這與李怡[20]的研究結論一致。各典型灌區在水土資源利用、經濟發展、生態建設和社會發展之間還存在一定的耦合協調空間,各子系統之間存在明顯不均衡現象,表明水土資源承載力系統健康度受各子系統、各因素共同作用,各子系統協調發展才能提高水土資源承載力,從而實現農業水土資源可持續利用。

圖5 典型灌區承載力系統耦合協調度和健康度對比Fig. 5 Comparison of coupling coordination degree and health degree of carrying capacity system in typical irrigation area

4 結 論

(1) 典型灌區基尼系數為0.26,作為一個整體水土資源是均衡的,優于同期全國和全球范圍內的水土資源匹配格局,但各灌區水土資源匹配系數差異顯著,個別灌區水土資源匹配情況低于同期全省平均水平,具有一定提升空間。

(2) 灌區之間水土資源承載力健康度差異顯著,其中以渠南和高郵灌區的水土資源承載力健康度最高,但整體仍處于中等水平,在現狀條件下灌區開發潛力有限;基于水土資源承載力障礙因子分析,社會子系統成為限制承載力系統健康度發展的關鍵因素。

(3) 各灌區水土資源承載力系統屬于基本協調發展類,灌區各子系統之間存在不均衡發展現象,耦合協調改善空間較大;灌區水土資源承載力系統的耦合協調與承載力呈正相關關系,各子系統的耦合協調性一定程度限制了灌區水土資源承載力系統的發展。