中国灌溉水资源利用效率的空间差异分析

操信春，杨陈玉，何 鑫，施慧丹，束 锐，郑雅莲，王振昌，郭相平

(河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，河海大学水利水电学院，南京 210098)

灌区覆盖中国50%以上的耕地面积，利用了绝大部分农业用水的同时生产了近3/4的粮食[1]，是水资源高效利用和粮食安全生产核心。由于灌溉可以明显增加作物产量，在耕地面积受限的情况下发展灌溉将是促进粮食增长重要措施。然而随着社会经济发展与城镇化推进，其他部门对水资源需求加大使得农业用水投入不可能大幅增加。科学评价灌溉水资源利用效率并分析其空间差异对实现农业可持续发展有重要意义。自Israelsen[2]提出灌溉效率定义以来，灌溉水资源利用效率一直是研究的热点。农业生产用水效率评价指标可分为灌溉效率和水分生产率两大类[3]。前者描述水资源有效利用程度而后者揭示水资源投入能获得的粮食产出能力。由于农业生产中水分运移过程的复杂性，不同视角和尺度下灌溉效率和水分生产率指标可能存在差异[4]。当前灌溉水资源利用效率评价的研究内容主要集中包括不同用水效率评价指标的构建及意义[5-7]、灌溉效率指标的空间格局及影响因素[8,9]、不同水分生产率指标的核算及其尺度效应[10,11]、不同研究对象水资源利用效率指标的核算方法等[12-14]。中国典型灌区灌溉水资源有效利用率和水分生产率及其空间分布格局也是学者关注的热点[15-17]。针对中国灌区用水和粮食生产状况，在建立灌溉效率和水分生产基础上联合二者分析中国灌溉水资源利用效率的空间分布格局。以期在扩展农业水资源利用效率评价理论与方法同时为区域灌溉用水管理提供参考。

1 方法与数据

1.1 水资源利用效率指标

农业水资源利用量来源于灌溉和天然降水，为了剔除降水的作用而只分析灌溉水资源利用效率，通过如下公式来计算灌溉效率IE与水分生产率WP指标：

IE=ETb/WUb

(1)

WP=(YI-YR)/ETb

(2)

式中：ETb为灌溉水田间蒸散量，m3/hm2；WUb为单位面积灌溉用水量，也是因灌溉而增加的水资源投入量，m3/hm2；YI为灌区(灌溉农田)粮食单位面积产量，kg/hm2，YI-YR即为因为灌溉而增加的粮食产出量；YR为雨养农田粮食作物单位面积产量，kg/hm2。

由指标计算过程可知，IE衡量灌溉水资源的有效利用程度，是灌溉工程建设和管理水平评价的依据；而WP揭示了灌溉水资源投入对粮食产出的真实效益。针对灌溉用水，两个指标从不同方面衡量了特定灌溉过程中的水资源利用效率。

1.2 空间自相关分析方法

空间自相关是对地理属性的空间分布特征进行定量描述的地统计学方法，其包括全局空间自相关和局部空间自相关[12]。全局空间自相关对地理属性在整个区域空间的总体分布特征进行的描述，判断此属性值在空间上是否存在聚集特性。通过对全局空间自相关统计量全局Moran's I的估计来分析地理属性的总体空间关联程度：若Moran's I显著为正，则表示该属性值相当的省区在空间聚集；若Moran's I显著为负，则表示总体上各省区与其周边地区属性值差异较大[12]。局部空间自相关用以测度局部区域单元地理属性值的空间异质性，推算出聚集地的空间位置、范围及其变化情况，并以LISA聚集图的形式形象表征[12]。与全国平均水平相比，可以判断出一个省区属性值在总体中所处的水平。某一特定省区局部空间自相关结果可能为4种情况：HH表示某一省区和周围省区的地理属性值都较高；LH表示该省区值较低而其周围省区较高；HL表示该省区值高而周围省区较低；LL表示该省区和周围省区值都较低。

1.3 数据来源与处理

全国范围内选取的459个典型灌区和各省区的统计资料为灌溉、水资源、粮食相关数据获取来源。灌区灌溉效率、粮食灌溉单产以及单位面积灌溉用水量来自中国大型灌区网站及部分的灌区管理局；省级行政区的灌溉效率、粮食灌溉单产以及单位面积灌溉用水量由该省内各灌区的计算结果通过对灌区有效灌溉面积加权得到。各省区耕地面积、粮食播种、粮食总产量、有效灌溉面积收集于《中国统计年鉴》和部分地区的统计年鉴。雨养面积单产由各地区粮食总产量、灌溉单产以及灌溉面积比例求得[1]。

2 结果及分析

2.1 中国灌溉水资源利用效率

3个代表年灌溉效率的全国平均值分别约为0.420、0.444及0.492，而水分生产率的值为0.944、1.131和1.249 kg/m3，均呈随时间增长趋势。计算出省级行政区不同年份的灌溉效率和水分生产率值，如图1所示。同时，表1给出了不同年份及各水分生产率指标省区间的最大、最小、平均值以及标准差和变异系数等统计量，以描述和比较二者空间分散程度及其随时间变化情况。

图1 不同年份省级行政区水资源利用效率指标Fig.1 Provincial irrigation efficiency and water productivity in China

图2(a)显示，除个别省区的个别年份外，省区尺度灌溉效率呈现较为一致的增加态势，这也与中国近年农业用水基本保持恒定而灌溉面积稳定扩大的现实相吻合。经济相对发达的直辖市和东北、长江中下游省区的增长幅度较大，而西北、西南和华南部分省区增幅较小。从年均情况来看：北京灌溉效率最高，达0.608，也是唯一超过0.600的省级行政区；灌溉效率介于0.500～0.600之间的省区包括西藏、甘肃、天津、辽宁、吉林、陕西、江苏、云南和上海；此外，还有6个省区的灌溉效率大于全国值的0.452(表1)，分别是山东(0.497)、黑龙江(0.477)、新疆(0.461)、四川(0.458)、浙江(0.457)和安徽(0.455)。15个灌溉效率低于全国值的省区中，宁夏、江西、广西及内蒙古四省区仅分别为0.397、0.391、0.383和0.348，均不足0.400，为中国灌溉水资源有效利用比率最低的省区。

水分生产率方面，虽然大部分省区也表现为随时间增长，但是省区间变化规律的一致性不强，较多省区在不同年份出现较大波动。这是因为水分生产率同时与粮食产量和灌溉水资源的田间消耗量有关，前者虽然在年际年比较稳定，但是田间灌溉水蒸散量受降水频率和水资源等多种因素影响，而这些因素在不同年份有可能出现较大波动。

表1 灌溉水资源利用效率指标的主要统计量Tab.1 Main statistics of irrigation efficiency and water productivity in typical years

水分生产率的全国值由1998年的0.944 kg/m3稳步增长到2010年的1.249 kg/m3，得主要得益于中国灌区粮食单产水平的提升。水分生产率代表年的平均值为1.108 kg/m3，省区值在0.523～2.080 kg/m3之间变化，最大值和最小值分别出现在河北和海南；除河北外，河南省的水分生产率也在2.000 kg/m3之上，为2.033 kg/m3；陕西、山西和山东的该指标值均较大，介于1.800～2.000 kg/m3之间，其余省区均不足1.600 kg/m3；另外9个省区在全国之上，包括湖北、内蒙古、四川、宁夏、安徽、西藏、北京、江西以及重庆；17个省区的水分生产率在全国均值以下，且仅有甘肃在1.000 kg/m3之上；上海、广东、吉林及海南四省区灌溉水的净产出能力较小，均不足0.600 kg/m3，其中最低的海南仅为0.523 kg/m3。在从表1还可以看出，灌溉效率与水分生产率的最大值、最小值、平均值、标准差以及变异系数均随时间增大，这说明全国范围内灌溉水资源利用效率随时间提升的同时区域间差距也在逐步拉大。同时，对比二者的变异系数可知，灌溉效率与为0.129，明显低于水分生产率的0.432；可见，不同灌溉水资源利用效率指标的省区间差距相差较大，后者明显大于前者。

2.2 灌溉水资源利用效率指标空间分布格局

表2给出了不同年份灌区灌溉效率和水分生产全局Moran's I估计值及检验。表中显示，代表年二者的全局Moran's I的估计值均大于零，同时对应的正态统计量(Z-Score)也均大于正态分布函数在概率为0.05时临界值的1.96，即均通过了显著性检验。说明代表年中国灌区的灌溉效率和水分生产率在省区间存在正自相关关系，整体表现出相似大小灌溉水资源利用效率指标在空间显著聚集现象。灌区灌溉水资源利用效率指标不仅与气候、作物种类、土壤等自然条件影响，也与灌溉发展水平、作物产量、资料投入等经济社会条件有关，这些因素在地理上均能表现出类似现象的靠近特征，这是类似水平灌溉水资源利用效率指标的省区在地理上聚集的重要原因。

表2 灌溉用水效率评价指标的全局Moran's I及检验Tab.2 Global Moran's I test for IE and WP of 1998, 2005 and 2010

由表2还可以看出，不同年份灌溉效率的全局Moran's I与Z-Score均明显小于水分生产率(P-value自然相反)，说明后者的空间聚集程度强于前者。水分生产率除了与灌溉设施保障程度有关外，也受到人为生产活动的影响，也就是说，农业生产活动加强了灌溉水资源利用效率指标空间聚集特性。计算出各省区的局部Moran'sI估计值，对局部空间自相关属性进行判断，并采用LISA指数来揭示灌溉水资源利用效率指标局部空间分布特征。由于各省区在不同年份的局部空间自相关属性无明显变化，故采用二者LISA属性年均情况来对比局部空间格局的差异。各省灌区灌溉效率与水分生产率指标的LISA聚集图如图2所示。

图2 灌溉效率与水分生产率指标的LISA聚集图Fig.2 LISA cluster map of IE and WP in China during 1998-2010

图2显示，各省区灌溉效率与水分生产率局部空间自相关属性有类似之处，但也存在明显的差别。二者均在西部出现较多的LL省区而在东部存在大量的HH省区。长江以北至黄河下游省区是二者HH省区聚集明显的地区；而由西北至青藏高原则集中分布了局部空间属性表现为LL的省区。灌溉效率的LISA属性的3个类型HH、LH及LL省区呈现出较为明显的东-中-西部分块(带)分布的态势。这与中国经济发展程度的空间格局基本吻合，说明农业水利的投入能力与建设效果存在一致性。而水分生产率的局部空间分布属性呈现HH与LL省区东、西部分隔明显的特征。这可能与农业生产过程和管理水平同时决定水分生产率的局部空间分布格局有关。具体来看，各省区灌溉效率的LISA属性基本为HH(10个)、LH(10个)和LL(8个)，LH省区个数较多说明空间分布与相互影响的关系较为复杂。对于水分生产率而言，HH与LL省区占据了绝大部分，HL与LH省区分别为4个和5个，且主要位于华北平原与长江中下游的江西、湖南等地。华北直辖市是东北粮食主产区与黄淮海平原粮食主产区的过渡地带，由于粮食生产规模小，水分生产率的局部空间属性受东北与黄淮海平原的综合影响，使得其表现为非正相关；而江西、湖南、贵州一带与同时受黄淮海粮食主产区与东南经济发达省区辐射，出现比较复杂的局部空间分布特征也在情理之中。

2.3 灌溉效率与水分生产率之间关系分析

灌溉效率与水分生产率从不角度衡量了灌溉水资源的利用效率，二者数据获取来源于所表达的意义均有所差别。了解二者在空间分布上的一致性对于刻画灌溉水资源利用效率空间上的相对大小关系有直接的帮助。画出不同年份灌溉效率与水分生产率之间的散点图，以观察二者之间可能的统计关系，如图3所示。

图3 不同时间灌溉效率与水分生产率之间散点图Fig.3 Scatter diagrams between irrigation efficiency and water productivity

图4 各省区灌溉用水效率与耕地灌溉率Fig.4 Provincial water use efficiency and the irrigation rate in 1998-2010

从图3可以看出，不同年份(包括年平均情况)二者之间关系非常散乱，基本上不呈现可直观描述出的统计关系。作为不同角度的评价指标，二者在衡量灌溉水资源利用效率空间差异的功能上相互不可替代。在比较省区间灌溉水资源的利用效率时，同时考虑二者的表现是有必要的。由于灌溉效率和水分生产率均是有明确物理含义的指标，因此在此试图探寻融合二者以得到同时能够包含水资源有效利用程度和作物产出增加程度的指标。灌溉效率或水分生产率值越大均意味着灌溉水资源利用效率越高，因而在此考虑将二者的乘积用来综合描述灌溉水资源利用效率指标，并命名为灌溉用水效率(IWE)。由式(1)和(2)可知，灌溉用水效率实际上反映的是单位灌溉用水量所能得到粮食净产出量(kg/m3)，根据计算过程和量纲可知其仍属于水分生产率的范畴[6]。研究年份灌溉用水效率值分别为0.396、0.502及0.615 kg/m3，呈较为明显的增长态势。各省级行政区的灌溉用水效率的年均值如图4所示。省区间灌溉用水效率差异较大，较高的省区主要位于华北、长江中下游及西北地区，而灌溉用水效率较低的省区集中在东北和华南地区。年平均情况看，仅有12个省区的灌溉用水效率值在全国均值的0.501 kg/m3，其中陕西、山东、河北及河南四省值超过了0.800 kg/m3，为中国灌溉水资源综合利用效率最高的地区；北京、山西、西藏和湖北、四川、安徽分别位于0.700和0.600 kg/m3档次，此外甘肃和宁夏也大于全国值；灌溉用水效率低于全国值的省区中，重庆、内蒙古、江西、天津、云南、湖南、江苏及青海较大，其余均不足0.400 kg/m3；位于华南地区的广西、广东和海南的灌溉用水效率处于国家最末位置，仅分别为0.251、0.229及0.228 kg/m3。

灌溉用水效率涵盖了灌溉效率和灌溉水资源真实水分生产率，鉴于灌溉可以明显增加粮食产量，因此能够用来判别一个地区是否适合发展灌溉以在保障国家粮食安全中起积极作用。在不考虑其他因素前提下，可以认为灌溉用水效率高的地区相对适合发展灌溉，反正，在灌溉用水效率低的地区发展灌溉不利于水资源的高效利用。耕地灌溉率，即有效灌溉面积占耕地总面积的比例，可以反映一个区域灌溉的发展程度，因此在图中还画出了各省区的耕地灌溉率，以观察其与灌溉用水效率的耦合程度。图4显示，不少省区存在灌溉用水效率和耕地灌溉率出现错位的现象。如天津、上海、江苏、浙江、福建、湖南以及新疆等省区的耕地灌溉率较大，均在60%以上，然而灌溉用水效率处于较低位置。提高灌溉用水效率可以大幅减少农业生产水资源投入。而这些省区大部分是经济较为发达的地区，减少农业用水投入也可为保障其他产业健康可持续发展提供水资源支持。另一方面，部分西北干旱区如陕西、山西、甘肃等，灌溉用水效率较高，但由于受水资源限制，耕地灌溉设施的覆盖程度较低，仅为30%左右，这些省区可以考虑利用区域外部水资源用于灌溉面积扩展，以保证农业生产的顺利进行和灌溉用水效率的正常发挥。

3 结 语

(1)针对灌溉水资源利用，灌溉效率与水分生产率能够分别反映其有效利用比例和真实粮食产出能力。全国及各省级行政区的灌区灌溉效率与水分生产率均呈现随时间增长的趋势，分别由1998年的0.420与0.944 kg/m3增加到2010年的0.492与1.249 kg/m3，意味着农业用水状况正在逐步全面改善。然而，与此同时二者的区域间差距也在被拉大，灌溉用水效率的区域间不平衡性正在加剧。

(2)由于与灌溉所发生区域的气象、水文、土地类型、作物种植种类、农业生产水平等因素有关，利用地统计学方法研究发现，水分生产率在空间上呈显著的聚集现象，高值区主要分布于黄淮海平原，低值省区则集中于东北地区和华南地区，且在时间上总体分布格局和局部差异状况随时间变化不大。而灌溉效率受当地社会经济条件作用明显，其在空间上无明显的分布规律。

(3)灌溉效率与水分生产率二者在表现灌溉水资源利用状况的空间相对优劣上相互不可替代，但可以统一为灌溉用水效率指标，并以此作为区域是鼓励得发展的依据。灌溉用水效率在华北粮食主产区较高而东北和南方大部分地区较低。发达省市的灌溉用水效率高而耕地灌溉比例较低，而西北部分干旱省份相反，各地方可根据灌溉用水效率和耕地灌溉率的表现指导相应的灌溉和水资源利用策略。

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