四川水资源压力与耕地利用效益变化的格局及耦合关系*

马 历，唐 宏，2※，冉瑞平，2，肖月洁

(1.四川农业大学管理学院，成都 611130；2.四川省农村发展研究中心，成都 611130)

0 引言

水土资源是农业生产活动的必备要素，合理的水土资源开发利用格局对促进区域可持续发展、确保国家粮食安全具有重要意义[1]。近年来随着工业化、城镇化进程的加快和社会经济的发展，耕地与水资源农转非现象严重、农村生态环境趋于恶化、资源环境承载力不足等问题逐步威胁着农业农村的发展[2，3]。随着新型城镇化规划的出台，未来中国城乡建设必将面临更大的环境压力，如何有效调节农业水土资源，保障其协调发展成为目前亟需解决的问题[4]。

长期以来，学者对水土资源的开发利用做了大量研究[5，6]，主要包括水质水量变化对农业生产及土地利用的影响[7，8]、水土资源的优化配置[9，10]、农业水价对农户种植的约束力[11]、城镇化进程背景下水土资源综合效益和时空分异特征研究[12]等。还有学者探讨了水土资源利用潜力的估算方法，并对水土资源综合利用效益和潜力进行估算[13，14]。在以往对水土资源开发利用的研究中，多是将水土资源作为独立系统分别进行研究，忽视了两者之间相辅相成、相互作用的关系[15，16]，而水土资源的协调发展是改善农业生态环境系统的重要前提。水土资源的开发利用与保护对于土地资源优化配置、自然资源与社会经济的协调、因地制宜开发利用水资源、保障粮食安全及更好解决“三农”问题具有重要的现实意义。基于以上认识，文章选择传统的农业大省——四川省为研究区域，在量化分析水资源压力和耕地利用效益的基础上，进一步通过相关性检验和对比分析研究水资源压力和耕地利用效益间的相互作用关系，以此为依据刻画水资源压力与耕地利用效益的时空耦合态势，并探讨其耦合差异的原因。揭示水资源压力和耕地利用效益变化的规律特征，促进农业生态系统内水土资源的协调发展。

1 研究区概况和数据来源

四川位于中国西南部，地处长江上游，东部为川东平行岭谷和川中丘陵，中部为成都平原，西部为川西高原，辖区面积48.6万km2，下辖18个地级市、3个自治州，与7个省(区、市)接壤，是承接华南华中、连接西南西北、沟通中亚南亚东南亚的重要交汇点和交通走廊。地势西高东低，河流众多，水资源评价面积大，河流分属7个水资源二级区，以长江水系为主。土地资源总量大、人均占有量少，且地域差异明显，宜农耕地后备资源缺乏，较大部分土地难以开发利用，总体开发利用程度和生产力水平较低[17]。2016年四川省地区生产总值3.268 05万亿元，人均GDP 3.969 5万元，一、二、三产业增加值分别为3 924.1亿元、1.392 47万亿元、1.483 17万亿元，三产产业结构为12.2：44.1：43.7。

图1 四川省地理分区

依据《四川省“十二五”规划纲要(2011—2015年)》及地理区位特点，将四川分为川中平原区、川南丘陵区、川东北丘陵区、川西北高原区、攀西地区5个区域[18](图1)。所用的社会经济数据主要来源于各年度《四川省统计年鉴》、四川省各市(州)国民经济和社会发展统计公报、四川省农村统计年鉴、四川省水资源公报，部分指标经二次计算，为消除价格变动因素带来的影响，文中经济指标数据均折算为2000年可比价。

2 研究方法与模型构建

2.1 水资源压力评价模型

区域人口—社会—经济及水资源自身状况都会给水资源压力带来一定程度的影响，而科技进步、制度创新和管理水平提高又会对水资源压力起到缓解作用[2]。国际上衡量水资源压力的指标主要包括人均水资源量和水资源开发利用程度[19]，在此基础上，选取人均水资源量、人均GDP、水资源总量折合地表径流深度、水资源开发利用程度、万元GDP耗水下降率5个指标进一步表征水资源压力，分别计算四川省各市(州)水资源的人口、经济发展、生态和技术压力，分析各项指标对水资源开发利用所带来的影响[20-22]，使水资源压力评价结果更加系统科学。构建水资源综合压力指数模型为：

(1)

式(1)中，P为区域水资源综合压力指数；Pi、Pe、Pc、Pt分别为水资源人口、经济、生态、技术4个方面的压力指数值。压力指数越大区域水资源所承受压力越大，反之则越小；若压力指数<0，则表明暂时不存在压力，水资源利用程度良好。

①水资源人口压力指数(Pi)。该指标用来衡量人口数量给区域水资源带来的压力。以人均水资源量(PWR)作为水资源的人口压力指数，人均水资源量越多，表明水资源人口压力越小，反之则越大。根据中国水资源紧缺指标体系，水资源人口压力的临界值为1 000m3，1 000m3以上的人均水资源量能够保证人们对水资源的正常生活需求[23，24]。因此，将人均水资源1 000m3作为水资源人口压力指数计算的临界值，则：

(2)

②水资源经济发展压力指数(Pe)。该指标用来衡量经济发展给区域水资源带来的压力。采用人均GDP(GA)作为经济发展的衡量指标，研究发现，当中国人均GDP达到3 000美元时，伴随着产业结构的优化升级，农业用水设施的改善，三产用效率的提高，促使单位GDP用水量有明显下降，使社会整体用水量得以控制[25]。故将经济发展对水资源压力的临界值设定为人均GDP达到3 000美元，则：

(3)

③水资源生态压力指数(Pc)。即水资源自身状况和人类活动对区域水资源环境所产生的影响。采用水资源总量折合地表径流深度(WR)和水资源开发利用程度(WD)分别表征自然条件和人类活动对水资源压力带来的影响。研究表明，水资源折合地表径流深为150 mm是水资源维系良好生态系统的临界值，当其>150 mm表明该地区生态系统维系良好，而<150 mm的地区则面临着生态环境恶化的威胁[23，26]。水资源开发利用程度(WD)越高表明对生态环境的影响越大，反之越小，有学者认为水资源开发利用率应控制在50%以内为宜[27]，水资源自身状况和人类活动对其生态环境的影响同等重要，其公式为：

(4)

④水资源技术压力指数(Pt)。该指标用来衡量技术因素给区域水资源带来的压力，该文将全国万元GDP用水量(GB)作为水资源技术压力的参照值，与四川省万元GDP用水量(GU)相比较，计算水资源技术压力值[20]。公式为：

(5)

2.2 耕地利用效益评价模型

2.2.1 评价指标体系构建

遵循科学性、系统性、可操作性、可比性、层次性原则，参考已有评价指标[28-30]，结合耕地利用在社会、经济、生态环境3方面实际情况，在数据可获取和便于量化的前提下，选取以下评价指标(表1)。所有指标中正向指标值越大越好，负向指标值则越小越好。

表1 耕地利用效益评价指标体系

2.2.2 指标的无量纲化处理和权重确定

为便于不同单位或量级的指标进行比较和加权，首先对数据进行无量纲化处理。采用极差标准化方法，求得数据标准化值Yij，并对逆向指标进行变向处理[17]。为避免主观因素带来的偏差，该文采用改进熵值法，得到各指标权重Wj[31，32-37]，表(1)。

2.2.3 耕地利用效益计算

(6)

f(a)、f(b)、f(c)分别表示耕地利用社会、经济、生态效益，ft表示耕地利用综合效益，ft越大表示该地区耕地所创造出的效益值越高，反之则低。

3 结果与分析

运用式(1)～ (6)得到四川省各市(州)不同年份水资源压力和耕地利用综合效益值(表2)。

表2 2005—2014年各市(州)水资源压力与耕地利用综合效益

3.1 水资源压力的时空演变特征

为便于分析、比较不同地区间的时空差异程度，利用ArcGIS10.1软件分析平台，运用Jenks最佳自然断裂法，根据同类差异最小，类间差异最大原则[33，34]，将水资源压力值按从大到小的顺序划分为：压力高值区、压力较高区、压力中值区、压力较低区、压力低值区5种类型区，得到不同年份各市(州)水资源压力发展的时空演变特征图(图2)。

图2 2005—2014年四川省各市(州)水资源压力发展时空演变特征

3.1.1 各市(州)水资源压力时间演变特征

2005—2014年四川省各市(州)水资源综合压力指数有明显的波动。随着经济增长和科技进步，各区域水资源经济和技术发展压力逐渐减小，与此同时随着人口增多和水资源开发利用程度的增加使水资源人口和生态发展压力逐渐增大。水资源压力波动上升的市(州)有自贡市、绵阳市等9个市(州)；波动下降的市(州)有成都市、攀枝花市等12个市(州)，分别占四川省市(州)总数的42.86%和57.14%。其中泸州、德阳、遂宁市水资源压力减小的幅度最为明显，对比分析发现与2005年相比，2014年泸州市水资源人口、经济、生态、技术压力均有所减小，在这一时段内水资源开发利用呈良性发展态势。由于各区域自然资源禀赋和社会经济发展的实际情况存在差别，其水资源压力状况也各具特色，如何因地制宜地制定水资源开发利用计划，科学处理好水资源人口、经济、生态和技术方面的压力将是未来所需努力的方向。

3.1.2 各市(州)水资源压力空间演变特征

从空间尺度看，四川省水资源压力空间分布差异较为明显，压力高值区主要集中在东、中部地区，呈现出东高西低的特点。水资源压力从高到低的区域依次为川中平原区、川东北丘陵区、川南丘陵区、攀西地区、川西北高原区，这与四川省水资源利用的实际情况较为吻合。

川中平原区作为四川省最大的人口、经济密集区，生产、生活用水量大，农业灌溉面积广，因此水资源压力值高。川东北丘区作为川渝陕甘结合部区域经济中心，拥有四川东北部较大的城市群，是工业、化工基地，耗水较多且农业、生活用水占有较大比重，因此水资源压力较大。川南丘区作为长江上游城市群，人口较多，工业、制造业、农业较为发达，水资源人口和技术压力较高，水资源总体压力水平在四川省中等水平。攀西地区人口相对较少，自然资源丰富，拥有金沙江、雅砻江和安宁河三大水系，水力蕴藏量达4 003万kW，约占中国的6%，良好的光热条件和优质的矿产资源给攀西地区农业和工业发展创造了良好的条件，因此其水资源压力较低。川西北高原水资源丰富、河流湖泊众多，境内河流纵横，2014年阿坝州和甘孜州水资源总量分别为410.34亿m3、674.91亿m3，占四川省水资源总量40%左右，该区域水资源人口、生态和技术原则上均不存在压力，但受自然、地理条件的影响川西北高原区社会经济发展水平低，水资源仍存在经济发展压力。

3.2 耕地利用效益的时空演变特征

为便于分析、比较各年份和地区耕地利用效益之间的关系，运用Jenks最佳自然断裂法，得到2005、2008、2011、2014年各市(州)耕地利用综合效益时空演变图(图3)。

图3 2005—2014年四川省各市(州)耕地利用综合效益时空演变特征

从时间序列看，川南丘区和川西高原区耕地利用综合效益相对比较稳定，无较大变化；川中平原区、川东北丘区、攀西地区耕地利用综合效益则变化较大，大部分地区耕地利用综合效益值有减小趋势。从空间分布特征看，土地利用综合效益值从大到小依次为川中平原区、川东北丘区、攀西地区、川南丘区、川西高原区，呈现出川中平原及周围丘陵地区耕地利用效益较大，川西高原及山地地区耕地利用效益较小的特点。这是由于四川省25°以上坡耕地，主要分布于盆周山地区、川西南山地区和川西北高山高原区，对耕地质量、劳动力成本和农作物产量有较大影响，从而降低了耕地利用效益。

川中平原区由于地势平坦、交通便利、气候条件适宜、农业机械化程度高、水资源充沛灌溉设施齐全等优势，使耕地资源能够得到充分利用，发挥其效益，因此其耕地利用效益高于四川省其他4个区。攀西地区有四川省第二大平原安宁河平原，丰厚的自然资源和光热条件给农作物生长创造了较好的条件，有利于提高耕地利用效益。川东北丘区与川南丘区耕地利用效益发展水平较为相似，从地形、地貌来看两者均属于丘陵地区，川东北丘区有嘉陵江、涪江等水系为农业生产提供保障，川南丘区有金沙江、岷江等水系为农业生产提供支撑，研究发现，两区耕地利用经济效益相差不大，川东北丘区耕地利用生态效益相对较高，而川南丘区耕地利用经济效益相对较高，因此两区在发挥各自优势的同时还应注重提升薄弱部位。川西高原区由于地处四川西部高原区，海拔较高，气候、生态环境较为恶劣，耕地资源少、质量相对较差，导致生产成本高、农作物产量低，且甘孜、阿坝州为少数民族聚集地，仍有较多农民以游牧为生，社会经济发展较为落后、技术水平有限、农民生活水平不高，导致其耕地利用综合效益长期低于其他市(州)。

表3 2014年耕地利用效益和水资源压力等级相关系数及检验

3.3 水资源压力与耕地利用效益耦合效应

运用SPSS 22.0统计软件对水资源压力和耕地利用效益进行相关性分析(表3)，反映各市(州)水资源压力与耕地利用效益的协同关系，相关系数的绝对值越大表明两者之间的相互作用程度越强，反之则越弱。当值为正时，表明水资源压力与耕地利用效益之间呈正相关；为负时，则表明两者之间的关系为负相关。从表中可以看出，水资源综合压力和耕地利用综合效益在置信度为0.01时显著相关，相关系数为0.555；水资源人口压力与耕地利用社会效益在置信度为0.01时显著相关，相关系数为0.560，呈现出较高的协调演进格局。而水资源经济、生态效益间与耕地利用经济、生态效益的相关性则表现为不显著。进一步分析其可能存在的原因如下相关性。

3.3.1 水资源人口压力与耕地利用社会效益间相关性较为显著

即水资源人口压力较高区域其耕地利用社会效益较高，耕地利用社会效益较低区域其水资源人口压力亦较低。其可能的原因是水资源人口压力高的区域，人口密集、人均水资源量少，而人口密集区域农业现代化更为发达、劳动力非农转移加速，对于耕地规模化经营和土地生产率的提高起到正向促进作用，使得粮食产出和农民收入增加，从而提高耕地利用社会效益。

3.3.2 水资源经济压力和耕地利用经济效益的相关性表现为不显著

其主要原因在于两者的影响方式不同，水资源经济压力主要取决于区域人均GDP的大小，而耕地利用经济效益与农业产值、劳动生产率和投资回报率等关系密切。一方面，耕地利用经济效益高的地区，说明其土地生产率高、经济效益好，对于地区经济的发展起到正向促进作用，有利于促进用水效率提高和水资源专业化管理，从而减小水资源压力。另一方面，局部耕地利用经济效益较高区域，可能是因为其投资回报率和农业机械化程度的提高，但对区域人均GDP的贡献并不明显，因此水资源经济压力仍较高。由于以上多种原因，使水资源经济压力和耕地利用经济效益间的相关性较弱。

3.3.3 水资源生态压力与耕地利用生态效益的相关性表现为不显著

分析可能存在的原因发现：水资源生态压力取决于区域间水资源总量折合地表径流深度、水资源开发利用程度等因素，耕地利用生态效益则取决于耕地灌溉、复垦指数、化肥使用量等因素。水土间相互作用因素相对较少，外部环境影响更为强烈。一方面，随着生态文明、新型城镇化等理念的提出，农村地区宅基地退出、迁村并居和村镇建设新格局的形成，减小了对区域耕地资源的消耗，提高了生态环境质量，有利于农业生态环境的保护和耕地利用生态效益的提高，但是由于生产和生活的集中，使区域总体或者局部水资源生态压力增加。另一方面，由于部分区域灌溉设施落后、耕地复垦率低和农药化肥超量使用等原因，耕地利用生态效益偏低，同时带来点源、面源环境污染，致使地表水和地下水遭受面源污染，加剧了水环境恶化，迫使水资源生态压力增加。除此之外，区域农业现代化程度、工业化进程和城市经济发展水平等因素也影响着水土资源间的相互作用关系。因此，水资源生态压力和耕地利用生态效益间的相关性较弱。

3.3.4 水资源综合压力和耕地利用综合效益呈正相关关系

根据2014年各市(州)水资源综合压力和耕地利用综合效益空间变动比较相关性分析(图4)，看出：水资源压力和耕地利用效益呈正相关关系，即水资源综合压力越大，耕地利用综合效益越大；水资源综合压力越小，耕地利用综合效益越小。如2014年德阳市水资源综合压力和耕地利用综合效益分别为-0.271和0.562，高于全省80.95%和90.48%的市(州)；2014年甘孜州水资源综合压力和耕地利用综合效益分别为-14.682和0.210，低于全省100%和90.48%的市(州)，表现出明显的增减协同演进格局。这主要是由于内生和外部因素共同作用的结果。

图4 2014年四川省耕地利用效益和水资源压力空间变动比较

内生原因在于：人口和区域资源禀赋存在较大差异。如甘孜州，由于其河流众多、水资源总量丰富和人口相对较少等优势，该区域并不存在水资源压力且相对于其他区域压力偏小；然而该区域地处川西高原地区，气候、生态环境较为恶劣，宜耕宜农资源较少、质量差，社会经济发展和技术水平有限，导致农业生产成本高、农作物产量低，因此其耕地利用综合效益长期低于其他市(州)。外部因素在于：工业化、新型城镇化进程的加快给区域社会经济发展带来巨大的变革。随着社会经济发展、土地流转、规模化经营和农业现代化水平的提高，耕地利用效益有明显增加；此时随着对生产、生活用水需求量增加，水环境平衡遭到破坏，区域或局部水资源关系趋于紧张，导致水资源压力增加。如资阳市，随着对耕地利用的逐步重视，相关部门对耕地撂荒、代耕、互助、补偿和扶持等作了较为全面的工作，促使耕地利用效益提高，2014年资阳市耕地利用经济效益和生态效益分别为0.299和0.124，高于全省80.95%和71.43%的市(州)；而由于资阳市水资源短缺、工业耗水严重、水质污染和处理率低等问题，该区域水资源压力偏大，2014年资阳市水资源人口压力和生态压力分别为0.432和-0.359，高于全省80.95%和95.24%的市(州)，呈现出耕地利用效益高和水资源压力大的特点。

4 结论与讨论

4.1 结论

该文对四川省各市(州)水资源压力和耕地利用效益进行综合测度，分析了其时空演变特征，并通过相关性检验和对比分析研究两者间的耦合效应及可能存在的原因，结果如下。

(1)从时间尺度看，随着经济增长，四川省各市(州)水资源经济和技术发展压力逐渐减小，与此同时人口增多和水资源开发利用程度的增加使水资源人口和生态发展压力逐渐增大，水资源综合压力指数有明显波动。从空间尺度看，水资源压力空间分布差异较为明显，压力高值区主要集中在东、中部地区，呈现出东高西低的特点；水资源压力从高到低的区域依次为川中平原区、川东北丘陵区、川南丘陵区、攀西地区、川西北高原区。

(2)从时间序列来看，川南丘区和川西高原区耕地利用综合效益相对比较稳定，无较大变化；川中平原区、川东北丘区、攀西地区耕地利用综合效益则变化较大，大部分地区耕地利用综合效益值有减小趋势。从空间分布特征看，土地利用综合效益值从大到小依次为川中平原区、川东北丘区、攀西地区、川南丘区、川西高原区，呈现出川中平原及周围丘陵地区耕地利用效益较大，川西高原及山地区耕地利用效益较小的特点。

(3)通过Spearman等级相关分析发现，水资源人口压力与耕地利用社会效益在置信度为0.01时显著相关，相关系数为0.555，水资源综合压力与耕地利用综合效益在置信度为0.01时显著相关，相关系数为0.560，呈现出较高的协调演进格局，与各市(州)水资源压力和耕地利用效益分区的宏观格局特征基本一致；而耕地利用经济、生态效益与水资源经济、生态效益间的相关性则表现为不显著。水资源压力与耕地利用效益间存在着相互依赖、相互制约的关系，影响其耦合协调发展的内外部因素主要概括为：区域人口、资源禀赋所存在的差异和工业化、新型城镇化进程的加快给社会经济发展带来巨大的变革。因此，在未来的发展中，应统筹考虑水土资源的开发利用，避免出现水资源压力与耕地利用效益同高同低的现象。

4.2 讨论

由于城市区域和乡村区域水资源压力分区测度在数据获取与处理具有一定的困难，在研究过程中忽略了城市发展程度对水资源压力可能产生的影响。但农业是用水大户，四川作为农业大省，水资源整体压力将会集中体现在农业方面，因此考察水资源压力和耕地利用效益之间的关系，具有重要意义。水资源压力与耕地利用效益间的耦合程度与区域资源禀赋和社会经济活动存在重要联系，因此提出3项假设为未来进一步深入的研究提供一些思路和借鉴。

(1)水资源压力和耕地利用效益的空间耦合与区域资源禀赋、社会经济活动具有相关性。

(2)在外部干扰较少的理想模式下，水资源压力高的区域，耕地利用效益则相对较低，反之水资源压力低的区域，耕地利用效益则相对较高。

(3)现实中存在自然和人为因素打破上述理想发展阶段中的平衡，导致水资源压力与耕地利用效益的空间耦合态势出现复杂的变化。

在研究过程中不同学者对耕地利用效益和水资源压力评价所采用方法不同，未能有统一的评价标准，该研究采用ArcGIS软件分析平台中的Jenks最佳自然断裂法，对研究区域内各评价值进行分类，分类结果仅能进行区域间差异程度的比较，无法与中国其他区域相关值对比，如何确定可统一进行对比、评价的标准，是接下来需要进一步研究的方向。