辽宁省节水农业分区研究

姜森严，王铁良，李 波，李 雷

(1.沈阳农业大学水利学院，沈阳 110866；2.沈阳天易通工程咨询有限公司，沈阳110000)

0 引 言

辽宁省是水资源严重短缺的省份之一，为了改变农业“靠天吃饭”的局面，辽宁省在2011年开展了“千万亩节水灌溉工程”，在全省范围内全面推广节水灌溉技术。但是，当前某些地区在发展节水农业上带有一定的盲目性，没有因地制宜地推广，部分地区盲目投入或重复投入，造成大面积的节水灌溉设施荒废，导致节水农业发展事倍功半。

为了避免盲目地发展节水农业，现在有必要针对辽宁省各地区的农业气象、农业水资源条件、农业种植结构、水利设施现状和地貌形态等因素划分出不同的区域，以便根据各分区的特点，选择适宜的节水农业发展模式[1]。李英能等在1998年提出了通过建立评价指标体系对农业分区的概念；随后吴景社等在2004年利用主成分分析与聚类分析相结合的方法对全国节水灌溉分区，相比传统只用聚类分析一种方法的分区，结合主成分分析之后会使分区更准确；2013年许一等分别运用模糊聚类法和灰色聚类法建立了安徽省节水灌溉分区，以比较两种方法在分区应用中的准确性、合理性；2014年褚琳琳等利用数学方法得出了江苏省节水农业分区。目前还没有学者对辽宁省的节水农业分区进行研究。

因此，通过总结前人研究成果并结合辽宁省实际情况，本研究采用辽宁省自然条件、农业生产条件、社会情况等数据，利用因子分析，先将原来多个变量进行降维处理，提取少数几个关键指标，再通过聚类分析法对辽宁省进行节水农业分区，以期为辽宁省节水农业可持续发展提供科学决策依据[2]。

1 分区原则

节水农业区划必须建立在符合客观规律与现实条件的基础上，按照“归纳相似性，区别差异性，照顾行政区界”的原则进行分区[3]。主要考虑：①气候、地形、地貌等自然地理条件的相似性；②地表水和地下水资源量以及水资源的开发利用条件大体相同；③同一区域内主要灌溉作物对象及节水灌溉措施要基本一致；④适当照顾现有行政区划、水资源区划的完整性[4]。

2 分区指标确定

分区指标的设置必须满足全面性、概括性、易于取得的要求，考虑到节水灌溉的特点，采用地貌形态、气候特征、缺水程度、农业种植结构、灌区类型、地貌形态5个类型、共8项指标组成节水灌溉分区的指标体系[5]。

(1)气候特征指标。气候特征中与灌溉关系最大的就是降水和蒸发，直接决定农作物对灌溉的需求。目前，气候干湿划分的指标多采用干旱指数，是年蒸发能力和年降水量的比值。可采用《辽宁省水资源》书中推荐的公式计算：

r=E0/P

(1)

即r=kE601/P=kKEφ20/P

(2)

式中：K为EΦ20与E601换算系数；k为E0与E601换算系数，辽宁省k值近似取值为1。

当r<1.0时，表示该区域蒸发能力小于降水量，该地区为湿润气候。当r>1.0时，即蒸发能力超过降水量，说明该地区偏于干燥，r越大，即蒸发能力超过降水量越多，干燥程度就越严重。

(2)缺水程度指标。缺水程度指标可用缺水指数来表示，农业水资源可利用量与综合作物需水量的比值即是缺水指数，公式为：

β=Wy/Ws

(3)

式中：Wy为农业水资源可利用量；Ws为综合作物需水量，

式中:xij与x'ij分别表示第i个样本、第j项指标的原始数值和标准化后的数值;珋x与sj分别表示原始数据中第j项指标的平均值和方差。

缺水指数是直接反应某地区灌溉缺水程度的指标，是影响选择节水灌溉措施最主要的因素。β值小的地区，灌溉水资源紧缺，为了保证农作物稳产高产，就需要采用高效的节水灌溉措施；β值大的地区，说明灌溉水资源充沛，农民对节水灌溉措施接受程度较差，即便是发展也应该选择投入低，容易使用的节水灌溉措施。

(3)农业种植结构指标。农业种植结构是各地区某种作物所占总种植面积比。这里选取水稻种植比和以玉米、花生为代表的旱作物种植比两个指标作为参考。

(4)灌区类型指标。灌区分为蓄引水灌区、井灌区2种类型，根据不同的灌区类型所占总有效灌溉面积比，可反映出各地区对发展节水灌溉的需求。

(5)地貌形态指标。地势起伏会影响灌溉系统布局，也会影响农业种植结构和发展方向。地势起伏小则适宜集中连片发展节水灌溉。地势起伏大，耕地不集中，则适宜发展可应用于小面积的节水灌溉措施。

综上所述，本次节水农业区划选取的指标见表1。

3 分区方法

3.1 因子分析

借助IBM SPSS Statistics数据处理软件，对辽宁省所辖78个涉农县(区、县级市)的8项指标进行因子分析。通过计算，得出特征值和贡献率，见表2。利用特征值(λ1,λ2,…,λ8)分别求出各指标(x1,x2,…,x8)在各因子上的载荷，得到成分矩阵。

表1 节水农业分区评价指标体系Tab.1 The evaluation index system of water-saving agriculture division

注：数据来源《辽宁省水资源》、《辽宁省水资源公报》(2009-2014年)、《辽宁省统计年鉴》(2009-2014年)。

表2 特征值及贡献率Tab.2 Eigen values and contribution ratio

为了使因子间差异更明显，通过最大方差法旋转，得到旋转成分矩阵，见表3。

表3 旋转成分矩阵Tab.3 Rotated component matrix

由表2可看出第一、第二因子的(y1、y2)的特征值均大于1，贡献率分别是44.807%和40.469%，说明y1描述了原数据中44.807%的信息量，y2描述了原数据中40.469%的信息量，且y1、y2的累计贡献率为85.276%。从表3可看出y1中载荷不低于0.6的指标有x3、x4、x7、x8，可见y1是代表了农业种植结构、地貌形态的公共因子；y2中载荷不低于0.6的指标有x1、x2、x5、x6，是反映各地区的气候特征、缺水程度和灌区类型的公共因子[6]。综上所述y1、y2这两个公共因子基本上可以代表原始数据的全部信息，从而取y1、y2两个公共因子就可以反映辽宁省各地区的基本特征。

因此将辽宁省节水农业分区中原有的8项评价指标用2个公共因子代表，并利用这2个公共因子通过聚类分析算法进行节水农业分区。

3.2 聚类分析

利用聚类分析法对数据进行聚类。IBM SPSS Statistics数据处理软件中，聚类分析共有7种方法，分别是类间平均法、类内平均法、最短距离法、最长距离法、重心法、中间距离法和离差平方法。分别利用这7种方法进行聚类，其中类内平均法、最长距离法、重心法、中间距离法和离差平方法5种法结果相似[7]。因此，根据聚类分析结果，结合分区原则与辽宁省实际情况及各区域的指标特点将辽宁省节水农业分为6大区域，见表4。

表4 辽宁省节水农业分区成果Tab.4 Division results of water-saving agriculture in Liaoning Province

辽宁西部低山丘陵缺水区Ⅰ：该区域的特点是地势起伏，风沙较大，水土流失严重。干旱指数1.2以上，该区域多年平均降雨量为450～550 mm，多年平均蒸发量在1 000 mm左右，缺水指数在0.35以下，属于严重缺水地区，并且降雨时间分布不均，春旱现象比较严重。旱作物种植比占80%以上。该区域总种植面积占辽宁省总种植面积的1/3，但是“十年九旱”的自然现象，也让该区域成为辽宁省“节水增粮行动”的主要实施地点。在该区域实施节水灌溉工程不仅会促进当地粮食产业增产增收，还可以加快提高农业现代化程度，因此辽西低山丘陵缺水区应当是未来几年辽宁省节水农业发展的重中之重。

辽宁北部波状平原风沙区Ⅱ：该区域地势波状起伏。干旱指数在0.7～0.8之间，多年平均降雨量在590～630 mm之间，缺水指数0.5左右，属于辽北半干旱地区。玉米、花生等旱作物种植面积占总种植面积74%，以井灌为主。可见该地区可以适当的推广节水灌溉技术。

辽宁中部辽河平原区Ⅲ：该区域位于辽河冲积平原，地势平坦，土地肥沃。干旱指数0.75左右，多年平均降雨量在620～720 mm之间，缺水指数在0.75～0.9之间，水资源较平衡，但偶尔会发生春旱等自然灾害。种植作物以玉米、水稻、棚菜为主。耕地集中，是辽宁省商品粮产区。该区域位处辽宁省中部，土壤、气候等环境较辽宁其他区域优势明显，节水农业在该地区的发展应该侧重于打造现代农业，力争打造辽宁省的高标准农田样板。

辽河三角洲低地平原涝区Ⅳ：该区域地处渤海湾，地势低平，易发生洪涝灾害，所以该区域主要种植水稻。灌溉水源主要为渤海客水，所以引水灌溉和提水灌溉面积占有效灌溉面积的90%。缺水指数在1.0～1.1之间。该区域应该发展工程节水，例如修建泵站、闸门、渠道衬砌等，增加引水、提水效率，减少输水过程中的渗漏，增加灌溉水利用系数。

辽宁东部山地丰水区Ⅴ：该区地处辽宁东部山区，山地面积占总面积的97%以上。干旱指数在0.4～0.5之间，缺水指数均位于1.15左右，水资源丰富。耕地面积小且不集中连片，地处山区，并且有丰富的矿产资源，所以该区域以工业为主，农业不是主导产业。农业节水主要为了减少其他行业用水压力。

辽宁南部半岛丘陵区Ⅵ：毗邻渤海与黄海，山丘面积占总面积95%以上。干旱指数0.75左右，多年平均降雨量620～670 mm，属于半湿润海洋性气候，水资源丰富，但是灌溉可用水量较少，水库塘坝较多灌溉多以蓄水灌溉为主。农作物以玉米和经济类作物为主，经济发达，经济以工业和水产业为主，农业为辅[8,9]。

4 结 语

本次节水农业分区研究首先通过因子分析将原有的8个指标降维，用2个因子来表示，这样不但使后期分区的工作量减少，而且也让各个指标之间彼此独立，提高了分区精度。

根据聚类分析结果，并考虑地域完整性，将辽宁省划分成6个分区。结合辽宁省节水农业的发展分析各分区特点，Ⅰ区由于气候、地质等原因，水资源严重匮乏，属于资源性缺水，应当大面积实施节水灌溉，“节水增粮”是该分区未来的节水方向；Ⅱ区属于半干旱地区，多年平均水资源量较少，风沙较大，“节水增粮”同样是农业的工作重点，但Ⅱ区的气候、土壤条件均优于Ⅰ区，所以该分区的节水灌溉工程应按需实施；Ⅲ区、Ⅳ区水资源相对比较平衡，气候、土壤都适合农作物生长，因此节水农业应该着力于“节水增效”，提高水资源利用效率，发展现代农业；Ⅴ区水资源丰富，但由于地处山区，耕地不集中，农业不是主导产业。因此该分区的节水农业的发展方向是“节水减压”，减少农业用水对其他行业的压力。Ⅵ区三面环海，水质环境尤其重要，因此减轻农业面源污染是农业发展的必然要求，“节水减排”成为了辽南地区节水农业发展的必经之路。

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[1] 李素丽.河北平原节水农业分区[J].南水北调与水利科技,2000,(S1).

[2] 吴景社,康绍忠.基于主成分分析和模糊聚类方法的全国节水灌溉分区研究[J].农业工程学报,2004,20(4):64-68.

[3] 许 一,王振龙,徐得潜.安徽节水灌溉分区研究[J].中国农村水利水电,2013,(9):44-47.

[4] 李英能,黄修桥,吴景社,等.水土资源评价与节水灌溉规划[M],北京：水利水电出版社，1992.

[5] 商艾华,郭维东,黄 毅,等.阜新县节水农业分区研究[J].节水灌溉,2006,(3):13-15.

[6] 褚琳琳.基于因子分析与聚类分析的江苏省节水农业分区研究[J].灌溉排水学报,2014,(3):137-140.

[7] 张艳妮,白清俊,项 艳,等.基于主成分分析与聚类法的山东农业灌溉分区[J].灌溉排水学报,2008,(5):87-89.

[8] 饶贵昌,武 燕.新疆生产建设兵团节水灌溉分区规划[J].中国农村水利水电,2012,(1):69-72.

[9] 朱 蓉,杨依群,杨文泽.新疆生产建设兵团节水灌溉工程分区的探讨[J].中国农村水利水电,2007,(5):65-67.