山西省农业水土资源时空匹配及短缺分析

孙晶华，张吴平，吴亚楠，魏 强

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

山西省农业水土资源时空匹配及短缺分析

孙晶华，张吴平，吴亚楠，魏 强

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

利用山西省及所辖11个地市的耕地面积、水资源总量及农田灌溉用水量等数据，使用单位耕地面积水资源量法计算农业水土资源匹配度及当量系数，并采用ArcGIS对匹配格局及短缺状况进行可视化。结果表明，耕地资源和可供农田灌溉水量在空间分布上存在不对称现象；农业水土资源匹配度的年际变化范围为0.120万～0.170万m3/hm2，水资源总量与农业水土资源匹配度的变化趋势相一致；农业水土资源匹配程度的空间差异较大，忻州和晋中的匹配程度较优，运城、长治、临汾、吕梁和朔州的匹配程度良好，大同和太原的匹配程度一般，晋城的匹配程度较差，阳泉的匹配程度极差；全省的当量系数为2.150，属于缺水地区，农业水土资源短缺状况的空间差异较大，其中，晋中、临汾、忻州、吕梁、大同、朔州、运城、长治和太原的当量系数大于1，为缺水地区，晋城和阳泉的当量系数小于1，为缺土地区。

农业水土资源；匹配度；当量系数；时空变化；山西省

水资源与耕地资源是农业生产的基础资源，二者的匹配程度直接影响水土资源的综合利用效率，进而影响农业的可持续发展和粮食安全。因此，应将水土资源作为一个整体来研究，以寻求综合效率最优。

关于农业水土资源匹配的研究方法主要有2种：单位耕地面积水资源量法和基尼系数法[1-10]，但目前应用较多的是单位耕地面积水资源量法。耿庆玲[11]研究西北旱区的农业水土资源匹配格局发现，农业水土资源匹配度较高的地区是以灌溉农业为主，匹配度相对较低的地区是以雨养农业或牧草业为主的旱作区。郑久瑜等[12]对河套灌区的研究发现，该地区耕地资源比较丰富，水资源相对短缺。王薇等[13]对黄河三角洲的研究发现，水土资源匹配程度差的主要影响因素是水资源的短缺。姜秋香等[1]对三江平原的研究发现，限制该地区农业生产的主要因素是水资源的短缺和较低的利用效率。侯薇等[14]对陕西关中地区的研究发现，水资源的时空分布特征决定了该地区的农业水土资源匹配格局。

山西省地处黄土高原地区，水资源十分贫乏且时空分布不均衡，水资源利用效率较低，水资源的不足成为制约农业发展的短板。本研究利用农业水土资源匹配度与当量系数对山西省的农业水土资源匹配程度及短缺状况进行分析，以期对该地区农业水土资源的利用及优化配置提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本研究数据来源于《山西省统计年鉴》（2008—2014）[15]、《中国区域经济统计年鉴》（2011）[16]，选取水资源量、用水总量、农田灌溉用水量、有效灌溉面积及耕地面积等指标，结合相关模型对山西省及各地市的农业水土资源匹配度及当量系数进行测算。

1.2 测算方法

1.2.1 农业水土资源匹配度测算方法 农业水土资源匹配度反映特定地区可供农田灌溉利用的水资源与耕地资源的时空匹配程度。本研究采用单位耕地面积水资源量法来测算，它将农业水土资源的时空匹配特征进行了量化。匹配度越高，表明单位耕地面积上的水资源量越多，农业水资源能够满足耕地资源的程度越高，农业生产条件就越好。其测算模型[12，14]如下。

其中，Ri为农业水土资源匹配度（万m3/hm2）；W为水资源总量（亿m3）；αi为农田灌溉用水比例（%）；Li为耕地面积（万hm2）。

1.2.2 农业水土资源当量系数测算方法 农业水土资源当量系数是以农业水土资源匹配度与水土资源自然匹配度的比值来评价研究地区的水土资源短缺状况。其测算模型[9]如下。

其中，Rt为水土资源自然匹配度（万m3/hm2）；W为水资源总量（亿m3）；Lt为土地总面积（万hm2）。

其中，D为农业水土资源当量系数。

当D＞1时，表明单位耕地面积上的农田灌溉用水量超过了单位土地面积上的水资源量，农田灌溉用水受限，应提高农田灌溉用水的利用效率，说明该地区水资源短缺，即为缺水地区。当D＜1时，表明单位耕地面积上的农田灌溉用水量小于单位土地面积上的水资源量，水资源相对充足，可以分配更多的水资源给耕地，当农田灌溉用水利用效率不变时，可相应地增加耕地面积，说明该地区耕地资源短缺，即为缺土地区。

2 结果与分析

2.1 农业水土资源时空变化分析

2.1.1 水资源现状 2007—2013年山西省年均降水量为527.57 mm，全国年均降水量为634.30 mm，低于全国平均水平。年均水资源总量为103.60亿m3，其中，地表水资源量为62.96亿m3，地下水资源量为85.57亿m3，重复计算量为44.93亿m3。人均水资源量为294.33 m3，相当于全国平均水平（2 012.86 m3/人）的15%，按照国际人均水资源量标准，属于极度缺水地区。图1显示，2007—2013年水资源总量、地表水资源量和地下水资源量随时间的变化趋势相一致，水资源量先下降，于2009年达到最小值，分别为85.76亿、47.67亿、76.15亿m3，之后再波动上升。山西省水资源量以地下水资源为主。

山西省水资源空间分布不均衡，晋南和晋东南地区水资源相对丰富，晋北地区水资源相对匮乏。2007—2013年山西省年均总用水量为65.59亿m3，农田灌溉用水量为35.86亿m3，占总用水量的54.67%。农田灌溉用水比例空间差异较大（表1），其中，运城、朔州、忻州、晋中和临汾的农田灌溉用水比例均超过60%，主要是因为上述地市位于山西省的运城、忻定、太原和临汾四大盆地，农业相对较发达。阳泉、晋城和太原的农田灌溉用水比例均低于30%，主要是因为这3个地市以山地地形为主，耕地占土地总面积的比例相对较小。

表1 2007—2013年山西省各地市平均水资源状况统计

2.1.2 耕地资源现状 从表2可以看出，2007—2009年山西省耕地面积逐年增加，2009年达到最大值406.84万hm2，随后波动下降。全省多年平均耕地面积为406.18万hm2，占全省土地总面积的25.92%，高于全国平均水平（13.69%）。2007—2013年山西省人均耕地面积为0.12 hm2，高于全国平均水平（0.10 hm2/人）。有效灌溉面积随时间变化呈上升趋势。全省多年平均有效灌溉面积为129.60万hm2。全省有效灌溉面积仅占耕地总面积的31.91%，低于全国平均水平（45.91%）。

表2 2007—2013年山西省耕地状况统计

2008年山西省各市垦殖率空间差异较大，表现为南北高于中部、西部高于东部（图2）。山西省11个地市垦殖率由高到低的顺序为：运城，朔州，大同，忻州，吕梁，长治，临汾，晋中，晋城，太原，阳泉。其中，运城和朔州的垦殖率分别为38.74%和34.43%，处于全省最高水平；阳泉为14.99%，处于全省最低水平。全省11个地市的垦殖率均高于2008年全国平均水平（12.68%）。

2.1.3 农业水土资源空间分布特征 山西省耕地资源和可供农田灌溉水量在空间分布上存在不对称现象（表3）。运城、长治、临汾、吕梁和朔州的农业水土资源空间分布相对比较均衡。忻州和晋中的农业水土资源空间分布表现为“水多地少”，其中，忻州的表现最为明显，可供农田灌溉水量的比例为耕地面积比例的1.43倍。阳泉、晋城、太原和大同的农业水土资源空间分布表现为“地多水少”，其中，阳泉的表现最为明显，耕地面积比例为可供农田灌溉水量比例的2.63倍。

表3 2008年山西省各地市农业水土资源量占全省的比例 %

2.2 农业水土资源时空匹配分析

2.2.1 农业水土资源匹配程度分析 根据2008年山西省各地市水资源总量、农田灌溉用水比例、耕地面积和土地总面积统计数据，运用农业水土资源匹配度测算模型和当量系数测算模型，得出山西省各地市2008年的农业水土资源匹配度（表4）、水土资源自然匹配度和农业水土资源当量系数（表5）。依据农业水土资源匹配度（Ri）的积聚与离散的分异特征，采用自然间断点分级法（Jenks）将农业水土资源匹配度划分为5个等级：Ⅰ.匹配程度较优（0.124≤Ri≤0.169）；Ⅱ.匹配程度良好（0.095≤Ri＜0.124）；Ⅲ.匹配程度一般（0.062≤Ri＜0.095）；Ⅳ.匹配程度较差（0.045＜Ri＜0.062）；Ⅴ.匹配程度极差（Ri＝0.045）。由表4可知，忻州和晋中的匹配程度较优，运城、长治、临汾、吕梁和朔州的匹配程度良好，大同和太原的匹配程度一般，晋城的匹配程度较差，阳泉的匹配程度极差。全省的农业水土资源匹配度为0.120万m3/hm2，远远低于全国整体水平（1.397万m3/hm2），仅为全国整体水平的8.59%，这是因为山西省以雨养农业为主。忻州、晋中和运城的农业水土资源匹配度高于全省整体水平，其中，忻州最高，为0.169万m3/hm2。太原、大同、阳泉、长治、晋城、朔州、临汾和吕梁的农业水土资源匹配度低于全省整体水平，其中，阳泉最低，为0.045万m3/hm2。

表4 2008年山西省各地市农业水土资源匹配度

表5 2008年山西省各地市农业水土资源当量系数

2.2.2 农业水土资源匹配的时间变化 2007—2013年山西省农业水土资源匹配度的年际变化如图3所示，2007—2009年呈下降趋势，2009年达到最低，仅为0.120万m3/hm2，随后波动上升，最大值出现在2013年，为0.170万m3/hm2。对比图1与图3可以看出，水资源总量与农业水土资源匹配度的变化趋势相一致，说明水资源总量对农业水土资源匹配度的制约程度非常大。

2.2.3 农业水土资源匹配的空间变化 山西省地貌类型区域差异较大，农业水土资源空间分布不均衡，导致了农业水土资源匹配度的空间差异较大（图4）。忻州的农业水土资源匹配程度较优，主要是因为其水资源总量处于全省最高水平，农田灌溉用水比例也处于全省较高水平。晋中的水资源总量不多，但农田灌溉用水比例较高，耕地面积也处于全省中等偏下水平，所以，匹配度较高。运城水资源总量位居全省第2，农田灌溉用水比例位居全省第1，但耕地面积较大（位居全省第2），所以，匹配程度良好，但低于晋中和忻州。长治农田灌溉用水比例较小，但水资源总量较大，导致匹配程度在全省处于中上水平。临汾和吕梁的水资源总量处于全省较高水平，但农田灌溉用水比例处于中等水平，耕地面积又处于全省较高水平，使得匹配度不是特别高，匹配程度良好。朔州的水资源总量处于全省较低水平，但同时耕地面积也处于全省中等偏下水平，所以，匹配程度良好。大同的水资源总量和农田灌溉用水比例均处于全省中等偏下水平，耕地面积处于全省中等水平，所以，匹配度不高，匹配程度一般。太原的水资源总量和农田灌溉用水比例处于全省较低水平，但耕地面积也处于全省较低水平，所以，匹配程度一般。晋城水资源总量位居全省中等水平，但农田灌溉用水比例水平居全省第10位，所以，匹配度较低，匹配程度较差。阳泉的水资源总量和农田灌溉用水比例均处于全省最低水平，所以，匹配度最低，匹配程度最差。所以，水资源总量、农田灌溉用水比例及耕地面积三者的综合作用导致了农业水土资源匹配度的空间差异。

2.3 农业水土资源短缺分析

2007—2013年山西省水土资源自然匹配度的年际变化趋势与农业水土资源匹配度的变化趋势相一致（图3），最小值出现在2009年（0.055万m3/hm2），最大值出现在2013年（0.081万m3/hm2）。2008年山西省水土资源自然匹配度的空间分布格局如图5-a和表5所示。各地市水土资源自然匹配度由高到低的顺序为：晋城，运城，忻州，长治，阳泉，太原，朔州，晋中，大同，吕梁，临汾。山西省的水土资源自然匹配度为0.056万m3/hm2。晋城、运城、忻州、长治和阳泉的匹配度高于全省整体水平，太原、朔州、晋中、大同、吕梁和临汾的匹配度低于全省整体水平。晋城的水土资源自然匹配度为0.089万m3/hm2，匹配度最高，匹配程度最好。临汾和吕梁的水土资源自然匹配度分别为0.041万、0.043万m3/hm2，匹配度最低，匹配程度最差（表5）。

由图3可知，山西省农业水土资源当量系数的年际变化趋势的最大值（2.183）出现在2009年，最小值（1.983）出现在2011年。2008年山西省的农业水土资源当量系数空间分布格局如图5-b和表5所示。2008年山西省的当量系数为2.150，属于缺水地区。全省11个地市的当量系数相差较大。晋中、临汾、忻州、吕梁、大同、朔州、运城、长治和太原的当量系数大于1，表明这些地区为缺水地区，当量系数值越大，表明缺水程度越严重。晋中的当量系数为3.104，处于全省最高水平，所以，缺水程度最严重。晋城和阳泉的当量系数分别为0.680和0.731，当量系数小于1，说明这2个地区为缺土地区，当量系数值越小，表明缺土程度越严重，所以，晋城和阳泉为缺土地区，晋城的缺土程度最严重。

3 结论

本研究通过对2007—2013年山西省及2008年各地市的农业水土资源匹配度和当量系数进行计算与分析，结果表明，耕地资源和可供农田灌溉水量在空间分布上存在不对称现象。农业水土资源匹配度的年际变化范围为0.120万～0.170万m3/hm2，水资源总量与农业水土资源匹配度的变化趋势相一致，说明水资源总量对农业水土资源匹配度的制约程度非常大。农业水土资源匹配度的空间分布差异较大，忻州和晋中的匹配程度较优，运城、长治、临汾、吕梁和朔州的匹配程度良好，大同和太原的匹配程度一般，晋城的匹配程度较差，阳泉的匹配程度极差。农业水土资源当量系数的空间分布差异较大。全省的当量系数为2.150，属于缺水地区。其中，晋中、临汾、忻州、吕梁、大同、朔州、运城、长治和太原的当量系数大于1，为缺水地区，可通过修建相关的农田水利灌溉设施和推广农田节水技术来提高农田灌溉用水利用效率；晋城和阳泉的当量系数小于1，为缺土地区，可相应地增加农田灌溉用水比例或耕地面积，同时控制建设用地等其他地类对耕地的占用，促进农业可持续发展。

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Study on Spatial-temporal Matching Pattern and Shortage of Agricultural Water and Land Resources in Shanxi Province

SUNJinghua，ZHANGWuping，WUYanan，WEI Qiang

（College ofResources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

Based on the data of cultivated area,total amount of water resources and the water consumption of farmland irrigation in Shanxi province and its 11 cities,the matching coefficient and equivalent coefficient of agricultural water and land resources were calculated by the method ofwater resources per unit of cultivated area.Then,the matching pattern and shortage situation were visualized by ArcGIS.The results showed that there was a phenomenon of asymmetry between cultivated land resources and water available for irrigation in space.The inter-annual variation of the matching coefficient of agricultural water and land resources ranged from 0.120× 104m3/hm2to 0.170×104m3/hm2.The change trends oftotal amount ofwater resources and the matching coefficient ofagricultural water and land resources were consistent.The matching degree of agricultural water and land resources had distinct spatial diversity.Xinzhou city and Jinzhong city had better matching degrees than other cities.Yuncheng city,Changzhi city,Linfen city,Lüliang city and Shuozhou city had good matching degrees.Datong city and Taiyuan city had general matching degrees.Jincheng city had a poor matching degree. Yangquan city had the worst matching degree.The equivalent coefficient of Shanxi province was 2.150,and it belonged to water shortage area.The shortage degree of agricultural water and land resources had distinct spatial diversity.The equivalent coefficient of agricultural water and land resources in Jinzhong city,Linfen city,Xinzhou city,Lüliang city,Datong city,Shuozhou city,Yuncheng city,Changzhi city and Taiyuan city were greater than one,and they were all water shortage areas.The equivalent coefficient of agricultural water and land resources in Jincheng city and Yangquan city were less than one,and they were land shortage areas.

agricultural water and land resources；matching coefficient;equivalent coefficient;spatial-temporal variation;Shanxi province

F323.2

A

1002-2481（2017）03-0443-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.30

2016-11-20

公益性行业（农业）科研专项（201303104）；山西省科技攻关项目（20130311008-5）

孙晶华（1992-），女，山东德州人，在读硕士，研究方向：土地信息技术。张吴平为通信作者。