中原经济区农业节水分区研究

赵俊伟，尹昌斌

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081;2.中国农业大学经济管理学院，北京 100083)

中原经济区农业节水分区研究

赵俊伟1,2，尹昌斌1

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081;2.中国农业大学经济管理学院，北京 100083)

通过农业节水分区促进区域水资源高效利用，缓解农业用水短缺，为中原经济区农业可持续发展提供科学决策依据。针对中原经济区水资源短缺、农业用水量大的现状，选取地形地貌、气候特征、水资源利用状况以及农业结构4个一级指标18个二级指标，建立农业节水分区评价指标体系。运用主成分分析法对农业节水分区指标进行筛选，再采用系统聚类法对中原经济区进行农业节水分区。结合聚类结果和中原经济区43个市(县)的实际情况，将中原经济区划分为4个农业节水类型区，并结合GIS技术对其进行空间分析。各个农业节水分区与其地理位置所决定的气候特征和农业结构分布有着很好的一致性，应用该指标体系与方法获得较为合理的农业节水分区。

中原经济区；农业节水分区；主成分分析；系统聚类；GIS

《国家农业节水纲要(2012—2020年)》指出，大力发展农业节水、提高灌溉保证率，是促进水资源可持续利用、保障国家粮食安全、加快转变经济发展方式的重要举措。《全国农业可持续发展规划(2015—2030年)》发布节约高效用水，保障农业用水安全的重点任务。农业作为用水大户，近年来其用水量约占经济社会用水总量的62%，部分地区高达90%以上，农业用水效率不高，节水潜力很大[1]。中原经济区作为全国主体功能区的重点开发区域，粮食优势突出，在全国改革发展大局中具有重要战略地位[2]。然而，中原经济区是水资源严重短缺地区，其中，2014年河南省平均降水量725.9mm，较多年平均值偏少5.9%；水资源总量为283.37亿m3，人均水资源量265.78m3，仅约相当于全国平均水平(2100m3/人)的十分之一，用于农田灌溉的水量占总用水量的49.8%[3]，且农业水资源利用效率较低。

农业节水分区是研究农业水资源高效利用的主要手段之一[4]。通过农业节水分区判断水资源紧缺程度，为农业水资源高效利用指引方向。目前，较多的采用经验法、重叠法、聚类法和指标法等方法，通过分析自然条件、灌溉水平和农业种植效益等影响因素进行农业节水分区研究[5-6]，但与空间分析法相结合进行的研究方法较少，且中原经济区作为国家粮食生产核心区，对其进行农业节水分区的研究鲜见。基于此，本文针对中原经济区的战略定位及其水资源缺乏、农业生产地位重要等问题，结合气候条件、地形地貌、缺水程度、种植结构和社会经济水平等因素，构建合理的农业节水分区指标体系，采用主成分分析和系统聚类相结合的方法进行研究，并利用GIS技术进行空间分析，以期为中原经济区农业节水发展提供科学的决策依据。

1 分区原则与思路

1.1 分区原则

农业节水分区总体上遵循因地制宜、统筹兼顾、区划完整性和可持续发展原则[7]。结合各地区自然地理和社会经济条件，充分考虑研究区域的具体情况，制定符合当地资源状况的农业节水分区方案，增强农业节水分区的实际应用效果，努力做到与人口、资源、生态环境的相互协调，保障水资源可持续利用和农业、农村经济可持续发展。农业节水分区是在节水农业生产和水资源利用现状基础上，研究农业水资源利用规律，综合考虑农业水资源利用的各种因素，对农业生产划分不同的类型区，提出高效利用农业水资源的措施、方向和战略布局，为制定农业节水规划提供依据[8]。此外，同一分区内的农业生产和灌溉相关的自然地理条件应基本相似，水资源开发利用情况及水资源紧缺状况应基本相似，农业种植结构要有一定的相似性，即在同一区域内，种植制度和灌溉方式要基本一致，农业及农村经济水平基本相似，即农民经济状况和农业产值等要有相似性，还要尽量保证行政区划的完整性以及各分区特点的相对独立性[6]。

1.2 分区思路

该研究以市、省直辖县为基本单元进行研究，综合考虑自然条件、水资源状况、社会经济状况以及农业种植结构等影响中原经济区农业节水分区的因素，从而构建分区指标体系。运用相关分析软件，采用主成分分析法对所选指标进行降维，将原来多个变量转化为少数几个综合指标，从而简化计算及排除不确定性。首先，对众多指标相关系数矩阵进行分析，剔除影响农业节水分区的相关性较大的指标，并将筛选的指标运用主成分分析进行降维，依据因子累积贡献率，确定综合指标个数为主成分替代原来的指标[9]，然后对得到的主成分采用系统聚类法[10]进行计算，绘制树状图，根据中原经济区实际情况对中原经济区进行分区。这种方法既有效地避免了指标个数太多导致分析的复杂性，同时又可以保留原始指标的大部分信息，并且指标彼此间的相关性也得以弱化，从而提高分区的精度。

2 分区方法

2.1 指标选取与数据来源

选取中原经济区作为农业节水分区的对象，以市(县)为单元，依据可靠性、充分性、可评价性及科学性的原则，确定分区评价指标。根据“节水农业”的内涵和特点,节水农业因子系统包括自然条件、水资源状况、社会经济因素和农业种植结构等四个大的方面[11]，其中每个方面又包含多个指标，结合中原经济区的实际情况，组成农业节水分区的指标体系，并初步设置农业节水分区影响因子的18项指标，如表1所示。

评价指标体系中涉及的绝大部分数据来源于各市(县)统计年鉴和水资源公报，个别指标如降雨量、≥10℃活动积温等数据来自各地区官方气象网站，通过搜集并整理了2010—2014年的样本数据，个别地区对应的个别指标在个别年份出现数据缺失现象，通过插值法进行处理。

数据来源：《中国气象年鉴》《河南省统计年鉴》《安徽省统计年鉴》《山东省统计年鉴》《山西省统计年鉴》及《河南省水资源公报》《安徽省水资源公报》《山东省水资源公报》《山西省水资源公报》(2011—2015年)。

为便于研究，将部分指标进行释义如下：

(1)干燥度(K)：K=Et/P，Et为生长季节内最大可能蒸发量，P为生长季节平均降水量。由于最大可能蒸发量很难直接测定，借鉴相关研究[13]，采用干燥度等价公式为：

K=0.16∑T/∑P

(1)

式中：∑T为大于等于10℃活动积温；∑P为同期降水量，mm。

根据干燥度划分区域干旱程度[12]，K≥2.0为干旱地区、1.5≤K<2.0为半干旱地区、1.0≤K<1.5为半湿润地区、0.5≤K<1.0为湿润地区、K<0.5为十分湿润地区。

(2)地形地貌影响系数(L)：中原经济区地形分为平原、丘陵和山地三大类，参考相关研究[13]中不同地形对农业生产影响的大小，确定其影响系数分别为1.0、0.8和0.7，通过加权求得地形地貌影响系数。

(3)缺水程度(β)：耕地面积上的可用灌溉水量与综合作物需水量[14]的比值。公式为：

β=Wy/Ws

(2)

式中：Wy为单位公顷耕地平均可用灌溉水量，m3·hm-2；WS为综合作物需水量，m3·hm-2。Wy的计算公式如下：

Wy=(Wg-Wq)/A+αPo

(3)

式中：Wg为年平均可供水量，m3；Wq为除灌溉用水外的其他用水量，m3；P0为年平均降雨量，m3·hm-2；α为降雨有效利用系数；A为耕地面积，hm2。其中：

α=1.06e-0.001090P0

WS的计算公式如下：

(4)

式中：WS为综合作物需水量，m3·hm-2；n为作物种类；Wi为第i种作物的需水量，m·hm-2；ai为第i种作物的种植比例，%。

β值越小，说明越缺水[5]。β<1为极缺水地区；1≤β<2为缺水地区；2≤β<3为微缺水地区；β≥3为丰水地区。

2.2 指标检验

根据分区原则直接选取的指标可能包含了一些对农业节水分区影响不大的信息，也包含了一定的重复信息。利用变异性分析和相关性分析可以用来剔除冗余数据。

(1)变异系数检验。变异系数的大小反应了随机变量的离散程度，即表示研究随机变量空间变异性的强弱。指标值越大说明变异程度越大，对节水分区差异越具代表性。因此，在分析中需要留下空间分异大的指标，排除空间分异较小的指标。其中，变异系数计算公式如下：

(5)

式中：Cv为变异系数；σ为标准差；μ为均值。

针对研究内容参考相关研究[5]对变异系数范围界定，取Cv≥20%的指标作为适宜农业节水分区指标。运用SPSS软件计算各项指标的变异系数，结果显示各指标的变异系数均大于20%，均满足分析要求，因此保留各项指标。

(2)相关性检验。相关性检验是考察两个变量之间线性关系的一种统计分析方法，相关系数越大表明变量之间的相关程度越密切，反之亦然。该研究需要剔除相关性大的指标，每一对变量组中保留一个具有明显节水农业类型特征意义的指标。其中，相关系数公式为：

(6)

本研究在对各指标间进行相关性检验过程中，参考相关研究[5]中对相关系数的取值范围，将R≥0.60作为变量是否显著相关的临界值。经初步计算，显著相关的变量及其相关系数为：Rx1-x16=-0.649；Rx4-x8=0.676；Rx4-x10=-0.62；Rx8-x13=0.722；Rx9-x10=0.84，每一对变量组中不存在两两之间相关性较大的指标，因此，保留原指标。

2.3 主成分分析

主成分分析法的主要思想是对指标体系进行降维，将原来多个变量转化为少数几个综合指标，从而简化计算及排除不确定性。通过对众多指标相关系数矩阵进行分析，按照相关性进行分组，使同组内的指标相关性高，而每组之间的相关性较低，每组指标代表一个基本结构，这个基本结构称为主成分，从而使众多的指标归结为几个主成分，用较少的几个综合指标反映原来较多指标所反映的信息，以达到降维、便于分析的目的[9]。运用SPSS19.0软件进行主成分分析，选择累计贡献率达到85%以上对应的因子作为主成分，结果见表2。

表2 主成分分析的解释总方差

注：提取方法为主成分分析法。

从表2可以看出，前8个主成分对应的因子累积贡献率达到88.1%，这些主成分能够较好地反应原始数据的大部分信息。因此，本文选取8个主成分进行聚类分析。

2.4 系统聚类分析

通过系统聚类分析可以实现中原经济区农业节水分区，聚类时遵循类间差异大而类内差异小的准则进行类别合并。本文运用SPSS19.0软件对提取的主成分进行聚类分析，在选取聚类测度方法时参考前人的研究[15]，采用系统聚类中的离差平方和(Ward)法进行聚类，生成聚类树状图(见图1)。

图1 系统聚类树状图

从树状图中可以看出系统聚类分析结果中除个别分区单元(如滑县)外，大部分市(县)与其所处的地理位置有着较好的一致性。主要由于中原经济区的地理位置决定着总的气候特征，而气候特征又是影响农业结构(尤其是种植业结构)的主要因素。因此，构建的指标体系反映出了农业节水分区的主要影响因子。此外，将该分区结果与中原经济区建设粮食生产核心区规划相比，发现二者具有很大的吻合性，这表明该指标体系与分区方法结合运用所获得的结果是较为合理的。

3 结果与讨论

3.1 分区结果

为了便于指导各分区按照各自不同的特点发展相应的节水措施，结合聚类分析结果，依据分区原则，将中原经济区43个市(县)分为4个农业节水类型区，并结合各分区的地形特征进行命名，如表3所示。

将中原经济区农业节水分区结果利用GIS技术呈现其空间分布，如图2所示。从图中看出，中原经济区农业节水分区整体上符合分区原则，分区较为合理。其中，滑县位于中原经济区的中北部，而分区结果中将滑县划分到了Ⅰ区，通过对比滑县与各分区的主要指标特征值发现，滑县的各指标值与Ⅰ区的指标值比较接近，滑县的农村家庭人均纯收入仅为6447.23元、人均国内生产总值15118.73元，均低于Ⅱ区对应平均指标值9146.24元、34524.41元，且滑县的复种指数为1.96,高于Ⅱ区县市的复种指数，较高的复种指数提高了农业用水需求，增加区域水资源短缺风险，这也与其经济水平较低，在农业用水需求的节水技术和灌溉设备相对较落后有关。具体来看，4个农业节水类型区的特征及其区域分布如下：

Ⅰ区(东部黄淮平原区)：主要分布在安徽西北部和河南东南部及滑县地区，该区域地势平坦，以平原为主，是重要粮食产区。干燥度为1.14，属于半湿润地区，多年平均降雨量为699mm，缺水系数为0.93，属于极缺水地区，粮食作物播种面积占总播种面积的78.59%，农作物复种指数达2.01，以井灌为主，适宜采取开采与补给相结合的方法，普及管道输水灌溉技术，建设节水型井灌区。

Ⅱ区(北部低洼平原区)：分布在河北南部、山东西南部和河南中北部，主要属于太行山山前平原区和冀鲁豫低洼平原区。该区域地势平坦，干燥度为1.68，属于半干旱地区，多年平均降雨量为618mm，该区缺水系数为0.74，单位公顷耕地水资源量仅2792.38m3，是4个分区水资源量最为贫乏的地区，种植作物以小麦、玉米、蔬菜为主，耕地较为集中，水资源量及农业经济水平在4个分区居中，但粮食单位面积产量和单位耕地面积农业产值是最高的一个区，该区域以纯井灌区为主，具有较好的现代农业发展基础，适宜发展管道输水灌溉技术，田间构筑小畦短沟，配备地面软管或闸管灌溉输送。

Ⅲ区(南部丘陵平原区)：主要分布在河南南部，该区域多年平均降雨量为707mm，干燥度1.06，是4个分区中气候相对最为湿润的区域，从耕地有效灌溉率和单位耕地面积农业产值等指标可以看出，该区域投入产出效率较低。由于缺水系数为0.43，属于极度缺水地区，且单位公顷耕地水资源不丰富，所以应对玉米、小麦等旱作物种植区发展节水型井灌技术，对部分种植水稻的地区推广湿润灌溉方式，既能达到节水，又能实现水稻稳产的目标。

表3 中原经济区农业节水分区

Ⅳ区(西部山地丘陵区)：主要分布在山西东南部和河南西部，该分区山地丘陵面积较其他分区相对最大，不利于农田灌溉，该区单位公顷耕地水资源量达8297.91 m3，是4个分区中水资源相对最为丰富的区域，而缺水系数为0.39，在4个分区中最为缺水，单位公顷耕地面积农业产值在4个分区中最低，且与其他分区差距较大，耕地有效灌溉率仅为41.85%，灌溉水资源利用率最低。结合区域地形特征及农作物种植结构，适宜发展喷灌、微灌技术，从而达到节水高效的目标。

图2 中原经济区农业节水分区

3.2 结果分析

节水农业的发展受到农业气候因素、地形地貌、水资源状况、农业种植结构及社会经济发展水平等诸多因素的影响。结合各分区主要特征指标值(见表4)可知，4个节水分区在大部分指标方面都存在着很大差异性。

表4 各分区的主要特征指标值

为了直观显示中原经济区地形地貌状况、气候干燥程度、缺水程度以及耕地有效灌溉率等的空间分布特征，利用GIS技术将其绘制成图(见图3～图6)。

地形地貌影响系数越大，意味着平原面积越大。4个分区的地形地貌影响系数均大于0.8，中原经济区大部分区域地势平坦，以平原为主，且LⅠ>LⅡ>LⅢ>LⅣ。结合图3可以看出，山地丘陵大多集中于位于中原经济区南部的Ⅲ区和西部的Ⅳ区，这类地形不利于农业灌溉，且农业水资源利用率较低。

干燥度作为气候湿润程度指标，其值越大表明干旱程度越大。由图4可以看出，Ⅰ区和Ⅲ区的干燥度明显低于Ⅱ区和Ⅳ区，Ⅰ区和Ⅲ区的干燥度指数1.0≤K<1.5，属于半湿润地区，Ⅱ区和Ⅳ区的干燥度指数1.5≤K<2.0，属于半干旱地区，不同的气候干燥程度代表着不同区域水蒸发能力和降水量的大小，除了由其所处的地理位置决定外，在某种程度上与各地区不同的地形地貌也有关，不同的气候类型分布在某种程度上决定了中原经济区各地区的水分干湿状况。以上不同的自然条件决定了中原经济区农业种植类型和灌溉方式，分析的结果与研究区域的实际情况基本吻合，进一步证实了研究分析的科学合理性。

缺水系数越小，意味着缺水程度越高。由表4可见4个分区的平均缺水系数β均小于1，说明中原经济区整体上属于极缺水地区，且βⅠ>βⅡ>βⅢ>βⅣ，而与单位公顷耕地水资源量相比，Ⅳ区的水资源量最为丰富，说明Ⅳ区的耕地面积上的可用灌溉水量较少，缺少基本灌溉条件，在有灌溉条件的地方存在罐区工程不配套等问题；结合图5各个地区的缺水度分布情况，凤台县的缺水度β>3，属于丰水区，淮南市潘集区缺水度为2.62，属于微缺水地区，焦作市、濮阳市和蚌埠市的缺水度大于1，属于缺水地区，其他地区的缺水度均小于1，属于极缺水地区，其中以驻马店市和新蔡县缺水程度尤为严重，缺水度不到0.2，意味着耕地干旱等缺水问题非常严重。从水资源分布状况来看，中原经济区水资源分布极其不平衡，一方面与黄河、淮河等河流有关，黄淮河流经的地区水资源相对丰富，另一方面也与地形地貌有关。

耕地有效灌溉率的高低反映各地农田水利化程度的高低，是衡量耕地利用水平的重要指标，也是土地利用和农业生产上应对干旱灾害、保障农业高产稳产的重要条件。如图6所示，Ⅰ区和Ⅱ区的耕地灌溉有效率相对高于Ⅲ区和Ⅳ区，且Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区>Ⅳ区，Ⅰ区的平均耕地有限灌溉率79.76%，Ⅳ区仅为41.85%，其中长治市、晋城市和三门峡市的耕地有效灌溉率不到25%，中原经济区内区域间差异性非常显著。但是，由表4可以看出，Ⅰ区和Ⅱ区的水资源较为贫瘠，而其耕地灌溉有效率均达到75%以上，相较于Ⅰ区和Ⅱ区，Ⅲ区和Ⅳ区拥有相对较为丰富的水资源量，而实际灌溉用水量水平和耕地有效灌溉率较低，且各区的耕地有效灌溉率均低于80%，一方面受其地形地貌的影响，另一方面与针对山地丘陵较多地区的农业节水灌溉技术不成熟和缺少水利工程建设等有关。通过比较分析，在某种程度上反应了中原经济区的山地丘陵地带农业节水灌溉方式不合理，应区别于平原地区的农业节水灌溉方式，针对不同的地形地貌建设水利工程并配备适合当地节水灌溉的设备。以Ⅳ区为例，Ⅳ区的粮食播种比例高达80.07%，而耕地有效灌溉率仅为41.85%，单位面积粮食产量和单位耕地面积农业产值仅为Ⅰ区的74.69%和74.59%，与其他三个分区相比均相对最低，通过比较分析可以看出，与农业水资源的利用效率低有密切的关系，说明在提高农业节水灌溉水平和灌溉效率等方面有待提高，从而提高水资源的高效利用。

图3 地形地貌影响系数

图4 干燥度

图5 缺水度

图6 耕地有效灌溉率

从分析结果可以看出，干燥度与地形地貌影响系数同缺水程度基本上呈反向关系，越是干旱的地区缺水程度就越高，以平原为主的地区与丘陵山区相对较多的地区相比，缺水程度相对较低，这也与农业具有涵养水源、保持水土、调节气候的生态功能密切相关；粮食播种比例越小、复种指数越高、耕地有效灌溉率越高，农业经济水平就相对越高。

4 结论与展望

本文依据农业节水分区原则，从中原经济区的自然条件、水资源状况、社会经济条件及农业种植结构特征四个方面构建其农业节水指标体系，并对指标信息进行检验，在此基础上运用主成分分析与系统聚类分析相结合的方法对中原经济区进行农业节水分区，并利用GIS技术呈现其空间分布，分区结果与中原经济区实际情况较为接近，具有一定的合理性。研究结果表明：①中原经济区可分为4个农业节水类型区，结合地形地貌特征分别命名为东部黄淮平原区(Ⅰ区)、北部低洼平原区(Ⅱ区)、南部丘陵平原区(Ⅲ区)和西部山地丘陵区(Ⅳ区)；②4个农业节水分区均属于极缺水地区，Ⅰ区和Ⅲ区为半湿润地区，Ⅱ区和Ⅳ区为半干旱地区；③结合中原经济区农业种植结构状况，Ⅰ区适宜采取开采与补给相结合的办法，普及管道输水灌溉技术，建设节水型井灌区。Ⅱ区适宜发展管道输水灌溉技术，田间构筑小畦短沟，配备地面软管或闸管灌溉输送。Ⅲ区应对玉米、小麦等旱作物种植区发展节水型井灌为主技术，对部分种植水稻的地区推广湿润灌溉方式。Ⅳ区适宜发展喷灌、微灌技术。各分区通过发展不同的灌溉技术达到农业节水的目的。

限于资料的有限性，在建立农业节水指标体系时，尤其是水资源利用方面不够全面，未考虑各地区现有节水农业比例、单位面积农田需水量、地下水开采程度，以及由于南水北调影响中原经济区水资源分配情况等因素，因此与各分区的实际情况可能还存在一定的偏差。今后在资料收集全面性、指标体系系统性以及外部环境对分析对象的干扰性等方面还需进一步深度研究，从而分析中原经济区农业节水发展潜力，推进以农田水利设施为基础的田间工程建设，提高农业灌溉用水利用效率，发展高效节水灌溉，推进水资源节约利用，实现水资源可持续利用，为中原经济区建设粮食生产核心区、构建现代农业支撑体系提供对策建议。

[1]中共中央,国务院.国家农业节水纲要(2012—2020年)[EB/OL].http://www.gov.cn/zwgk/2012-12/15/content_2291002.htm.

[2]财政部财政科学研究所课题组,贾康,钱国玉,苏明,等.中原经济区建设的全局意义、历史机遇及优劣势分析[J].经济研究参考,2011(43):2-11.

[3]河南省水利厅.河南省水资源公报(2014年)[EB/OL].http://www.hnsl.gov.cn/gallery/8aa98f175085369c0150899cf7840-

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[4]苏荟.新疆农业高效节水灌溉技术选择研究[D].石河子大学,2013.

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[14]陈玉民，等,中国主要作物需水量与灌溉[M].北京:水利电力出版社，1995.

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(责任编辑 沈蓉)

Agricultural Water-Saving regionalization in Central Plains Economic Region

Zhao Junwei1,2,Yin Changbin1

(1.Institute of Agriculture Resources and Regional Planning,CAAS,Beijing 100081,China;2.College of Economics and Management,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Agricultural water-saving regionalization can promote the effective utilization of regional water resources and relieve the shortage of agricultural water，and it also provides the scientific policy-making basis for the agricultural sustainable development in Central Plains Economic Region(CPER).In view of the present water resources shortage and high agricultural water consumption in CPER，evaluation index system for agricultural water-saving regionalization was established with four class-1 indexes(topography，climatic，water utilization and cropping characteristics) and eighteen class-2 indices.Through principal component analysis，key indices of agricultural water-saving regionalization were selected.Then hierarchical cluster analysis was used to regionalize agricultural water-saving regionalization in CPER.According to the results and the real conditions of 43 municipalities(counties) in CPER，it was divided into 4 sub-regions.And then it was carried on spatial analysis with GIS.The results indicate that each agricultural water-saving regionalization is in better uniformity with the distribution of the climate features and agricultural structures determined by the geographical locations.As a result，the application of the index system and method can obtain the rational agricultural water-saving regionalization.

CPER；Agricultural water-saving regionalization；Principal component analysis；Hierarchical cluster；GIS

2016-08-04

赵俊伟(1986-)，男，河南许昌人，博士研究生；研究方向：农业经济、农业区域发展。

F323.1；F323.213

A