河南省农业水资源脆弱性时空特征及障碍度诊断

焦士兴，陈林芳，王安周，尹义星，张建伟，李中轩，赵荣钦

（1.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南 安阳 455002；2.洛阳市第十九中学，河南 洛阳 471000；3.南京信息工程大学水文与水资源工程学院，江苏 南京 210044；4.许昌学院城乡规划与园林学院，河南 许昌 461000；5.华北水利水电大学测绘与地理信息学院，河南 郑州 450046）

随着全球环境变化和人地耦合系统的研究深入，生态脆弱性及脆弱性评价等受到广泛关注，已经成为当前可持续科学领域关注的前沿和热点问题[1-3]。自1968年Margat首次提出地下水脆弱性的概念以来，相关研究经历了从内容扩展到学科综合化的发展过程，并且从自然科学（灾害学、生态学、资源学等）向社会科学（社会学、经济学、管理学等）渗透，呈现出多学科、综合化研究趋势[4-6]。水资源脆弱性是度量水资源安全性的重要指标，已在概念特征、驱动机制、评估方法及其调控对策等方面开展了相关研究[7-12]。水资源脆弱性是水资源系统易于遭受人类活动、自然灾害威胁和损失的性质和状态，受损后难于恢复到原来状态和功能的性质，具有隐蔽性、突发性、区域性等特征[7-8]；水资源脆弱性是内外多种因素共同作用的结果，取决于其敏感性、暴露性和适应性[9]；评估方法多采用迭置指数、过程模拟、模糊物元等模型，结合3S技术的综合评价方法将成为主要的研究趋势[10]；研究表明在遵循协调性、效率性等原则基础上，采取人为干预策略则能阻滞水资源系统的退化[11]，未来研究还将涉及指标体系、尺度问题和阈值研究等方面[12]。

农业是水资源密集型产业，农业水资源脆弱性研究对于保障粮食安全至关重要，目前在定量评价、优化配置以及持续利用等方面研究较多，但在脆弱性研究方面相对薄弱[13]。基于CNKI文献统计的农业水资源脆弱性研究成果来看，研究方法仅涉及物元评价[14]、投入产出[15]等模型，研究区地貌类型涉及盆地[13]和半岛[16]，研究省份包括湖南[14]、江苏[15]和湖北[17]等；但在华北平原上，作为全国粮仓和商品粮基地的河南省尚未见相关研究，尤其对脆弱性的障碍因子分析薄弱。要把水资源作为最大的刚性约束，坚决抑制不合理用水需求，应大力发展节水产业和技术，大力推进农业节水，推动用水方式由粗放型向节约集约型转变[18]。河南省作为产粮大省，2003年以来粮食保持15年连增，但水资源脆弱性已成为农业健康发展的主要障碍因素，因此加强水资源脆弱性研究，明确区域农业水资源受损程度、演变趋势以及障碍因子，并进行适应性调整，对实现人水和谐、保障粮食安全具有重要现实意义。基于此，以河南省18个城市为研究对象，从自然脆弱性、人为脆弱性和承载力脆弱性方面构建评价指标体系，利用熵值法和线性加权综合法对农业水资源脆弱性进行定量评价，并采用障碍度模型诊断了影响脆弱性水平的主要障碍因子，以便采取针对性战略措施促进河南省农业水资源持续利用。

1 研究区域概况

河南省位于中国中东部、黄河中下游地区，耕地面积0.72×108hm2。省内农业生产条件存在着地域差异，豫东、豫中平原区和南阳盆地地势较为平坦，土壤肥沃，是我国重要的农耕区；豫西太行山、伏牛山、桐柏等山区，利于发展特色农业和配套加工业。河南省属暖温带—亚热带、湿润—半湿润季风气候，年平均降水量为500～900 mm，且降水多集中在夏季；水资源总量为4.13×1010m3，居全国第19位，水资源人均占有量420 m3，是全国人均占有量的1/5，水资源相对短缺。据统计，2016年河南省农药化肥施用总量是2001年的1.6倍，未被农作物吸收的部分进入水体而造成面源污染[19]；地下水超采现象严重，占总供水量的53%；农业用水量占总用水量的55%，其中商丘市、周口市、驻马店等市超过60%。因此，水资源短缺、水环境恶化等已成为制约河南省农业可持续发展的关键因素。

2 指标体系与研究方法

2.1 构建指标体系

在遵循评价指标系统性、科学性、可比性、可测性和独立性等原则的基础上[20]，结合河南省实际和相关成果[13,21-23]，从自然脆弱性、人为脆弱性和承载力脆弱性3个层面构建了农业水资源脆弱性评价指标体系（表1）。在自然脆弱性层面，从水资源禀赋及降水量年际变化构建了指标层；在人为脆弱性层面，从农业用水效率、农田水利建设、农业水污染3方面构建了指标层；在承载力脆弱性方面，从农业发展对水资源的需求方面选取了5个指标构建指标层。数据来源于《河南统计年鉴》（2002—2017年）、《河南水资源公报》（2001—2016年）和各市统计年鉴（2002—2017年）。

2.2 研究方法

2.2.1 农业水资源脆弱性评价模型 在确定评价指标权重的基础上，运用熵值法和线性加权综合法评价农业水资源脆弱性[24]。熵值法是根据评价指标值所提供信息量的大小来确定权重系数，规避了主观因素产生的误差，具有客观性强的特点；线性加权综合法将评价指标的权重叠加成一个综合值，保证了评价指标的公平性[20]。

表1 农业水资源脆弱性评价指标体系Table 1 Evaluation index system of agricultural water resource vulnerability

1）指标数值预处理。各项指标之间由于度量单位及数量级的差别而存在不可公度性，采用极差法做标准化处理，以消除原始指标数据差异的影响。正向指标数值越大，农业水资源脆弱性越高；逆向指标数值越大，农业水资源脆弱性越低。计算方法为[20]：

式中：rij为第i个评价对象第j个评价指标的标准化数值；xij为标准化前第i个评价对象第j个评价指标的原始数值；mj=min{x1j，x2j，…，xnj}；Mj=max{x1j，x2j，…，xnj}。

对标准化数据进行坐标平移，以消除rij对数计算的影响。计算公式为[24-25]：

式中：yij为标准化数据平移后的指标值；A为平移幅度，A＞ min（rij），A取值越接近min（rij），评价结果越显著（取A= 0.39以消除所有负值）。

2）指标熵值和差异系数计算公式：

式中：Pij为特征比重；yij含义同上；Ij为指标熵值；K为常数，取K=1/ln(n)，n为样本数；rj为差异系数；j为第i个城市的评价指标；m为指标数。

3）农业水资源脆弱性计算模型：

式中：wj为评价指标权重；Si为第i个城市的农业水资源脆弱性；其他字母含义同上。

2.2.2 障碍度模型 在评价农业水资源脆弱性的基础上，对其障碍因子进行障碍度诊断，计算公式如下[25]：

式中：Tj表示因子贡献度；Wi表示第i个准则层的权重；Uij表示第i个准则层第j个单项指标的权重；Ej表示指标偏离度；Kj表示第j项指标经标准化后的值；Oj表示第j项指标对农业水资源系统改善的障碍度，m表示指标个数；Oij表示第i个准则层第j项指标对农业水资源系统改善的障碍度，Ri表示第i个准则层对农业水资源系统改善的障碍度。

3 河南省农业水资源脆弱性时空差异分析

3.1 河南省农业水资源脆弱性时序变化分析

基于农业水资源脆弱性相关评价指标，利用公式（1）—（7）来计算2001—2016年河南省农业水资源脆弱性，然后得到脆弱性增长率（表2），并绘制其演变趋势图（图1）。

表2 2001—2016年河南省农业水资源脆弱性的总增长率（%）Table 2 Growth rate of agricultural water resource vulnerability in Henan Province from 2001 to 2016 (%)

图1 河南省农业水资源脆弱性演变趋势Fig. 1 Evolution trend of agricultural water resource vulnerability in Henan Province

郑州、洛阳、平顶山、鹤壁、新乡、焦作、三门峡、驻马店、济源9市农业水资源脆弱性呈现减少态势，脆弱性水平降低，农业生产过程中对水资源的利用情况趋于合理。其中三门峡、洛阳、鹤壁3市的脆弱性增长率分别为-22.4%、-20.5%、-15.4%，位居后三位，水资源系统改善程度偏高，是由于单方水资源粮食产量分别提高了58%、81%、101%，农业用水效率大幅增强，减少了大量水资源浪费。农业用水效率的增幅与脆弱性缓解程度成反比，主要是受到了农业水质恶化程度差异的影响，三门峡等3市农药、化肥施用总量分别增长22%、34%、51%，其中鹤壁市农业水质污染恶化态势最为严重，导致农业水资源系统的改善程度最低。

开封、安阳、濮阳、许昌、漯河、南阳、商丘、信阳、周口9市农业水资源脆弱性呈现增长态势，表明随着时间的推移，脆弱性水平不断提升，农业生产过程中对水资源的利用不尽合理，但改善空间增大。其中商丘、安阳、开封等3市的脆弱性增长率分别为45.3%、17.3%、16.7%，位居前三位，水资源系统的恶化态势比较明显。研究期间商丘市、安阳市的化肥和农药施用总量增长了124%、91%，很大程度上加剧了农业水资源污染，因此脆弱性增速偏快，由于安阳市单方水资源粮食产量增长120%，农业用水有效性增加，所以脆弱性水平远低于商丘市；开封市的化肥、农药施用总量增长50%，农业水资源污染虽相对严重，但低于平顶山、安阳、鹤壁、新乡、许昌、南阳、信阳7市；安阳市和新乡市单方水资源粮食产量分别增长120%、122%，约为开封市的1.6倍，农业水资源利用效率提升较快，脆弱性得以缓解；南阳市和信阳市水资源丰富，缓解了水污染造成的压力；其余城市农作物播种面积的增长率远低于开封市，农业生产过程中的需水量偏小。

河南省农业水资源脆弱性的演变趋势分为先降后升型、先升后降型、波动上升型和波动下降型。图1表明：①郑州、洛阳、平顶山、许昌、三门峡、南阳、信阳、驻马店属于先降后升型，其中三门峡、南阳、信阳、驻马店脆弱性的降低与水资源禀赋提高有关，例如2001—2003年南阳市水资源总量增加172%，对水资源脆弱性的缓解作用明显增强，2001—2013年驻马店市单方水资源粮食产量提高56%，同期脆弱性降低，说明农业用水效率提高也是促使脆弱性降低的重要原因；其余城市脆弱性降低与农业用水效率提高有关，例如2003—2009年郑州市单方水资源粮食产量提高40%，减轻了农业用水浪费现象。②开封、安阳、新乡、焦作、濮阳、漯河、济源属于先升后降型，主要是农田水利建设水平、农业用水效率降低、农业水污染等问题导致了脆弱性提升，例如2002—2009年开封市有效灌溉面积占比、单方水资源粮食产量分别减少14%、11%，化肥、农药施用总量增加28%，水资源系统趋于恶化。③商丘市和周口市属于波动上升型，研究期间两地化肥、农药施用总量分别增长124%、42%，农业水污染程度加剧，主要是水质恶化导致了农业水资源脆弱性提升。④鹤壁市属于波动下降型，研究期间单方水资源粮食产量提高101%，表明农业用水效率的提高能有效降低水资源的脆弱性。

3.2 河南省农业水资源脆弱性空间特征分析

河南省农业水资源脆弱性空间集聚特征明显，但存在着较小的空间差异。图2表明：河南省农业水资源脆弱性的空间分布特征是豫北＞豫东＞豫南＞豫中＞豫西，区域脆弱性的平均值分别为0.0593、0.0575、0.0561、0.0533、0.0485，脆弱性差值低至0.018。

豫北地区脆弱性最高，是因为安阳市化肥、农药施用总量偏高（年均37.33×104t）[26]，且传统工业居多，生产粗放型特征显著[27]，加剧了农业水资源污染；鹤壁、焦作、濮阳、济源、新乡5市单方水资源粮食产量年均值均低于0.003 t/m3，农业用水浪费现象严重。豫东地区脆弱性相对较高，原因在于周口市和商丘市施用大量化肥、农药（总量年均值分别为70.92×104t、62.73×104t）[26]，农业水资源污染程度偏高，开封市单方水资源粮食产量的年均值低至0.0023 t/m3，约为最高值的1/4[26]，农业生产用水效率偏低。豫南地区脆弱性较低，原因在于信阳市和南阳市水资源丰富，农业用水压力较小；驻马店市农业单方水资源粮食产量的年均值高达0.0095 t/m3，农业用水效率高。豫中地区脆弱性相对较低，原因是郑州市作为全国重要枢纽城市、中部地区重要商贸城市和物资集散地，经济比较发达，农业用水压力较小；漯河市和许昌市农田水利建设良好、农业用水效率较高，促进了脆弱性整体水平不断改善。豫西地区脆弱性最低，主要在于三门峡市人口密度和农作物播种面积小（年均值分别为215人/km2、24×104hm2，远低于省内其他城市）[26]，洛阳市旅游业和工业发展良好，两地农业水资源需求小，开发利用程度低。

图2 2001—2016年河南省农业水资源脆弱性平均值Fig. 2 Annual average value of agricultural water resource vulnerability in Henan Province from 2001 to 2016

4 河南省农业水资源脆弱性障碍度诊断

运用公式（8）—（11），测算河南省农业水资源脆弱性准则层的障碍度（表3）和指标层障碍因子（表4）。在了解准则层障碍度的基础上，依据指标层对脆弱性的影响程度，确定3个主要障碍因子，以分析对农业水资源脆弱性影响较强的因素。

4.1 农业水资源脆弱性准则层障碍度分析

人为脆弱性和承载力脆弱性是阻碍河南省农业水资源脆弱性提升的重要因素。表3表明：①郑州、开封、安阳、鹤壁、新乡、焦作、濮阳、漯河8市准则层的障碍度由强到弱依次为人为脆弱性、承载力脆弱性和自然脆弱性，例如鹤壁市人为、承载力和自然脆弱性障碍度的年均值分别为0.626、0.355和0.019，说明采取人为措施保护水资源的成效显著。②洛阳、平顶山、许昌、三门峡、南阳、商丘、信阳、周口、驻马店、济源10市准则层的障碍度由强到弱依次为承载力脆弱性、人为脆弱性和自然脆弱性，例如洛阳市承载力、人为和自然脆弱性障碍度的年均值分别为0.632、0.351和0.017，说明农业水资源系统对脆弱性的缓解能力较强，表明承载力脆弱性和人为脆弱性是改善水资源问题的关键。③焦作市、濮阳市和鹤壁市的人为脆弱性障碍度较高、承载力脆弱性障碍度较低，南阳市、驻马店市和三门峡市的人为脆弱性障碍度较低、承载力脆弱性障碍度较高，原因在于焦作等3市水资源系统的形势较为严峻，为保障农业用水需求，采取人为措施治理和保护水资源，所以在很大程度上缓解了农业水资源问题；南阳市和驻马店市水资源禀赋好、三门峡市人口压力小，水资源支撑农业生产的能力相对较强，能够满足农业生产的需要。

表3 农业水资源障碍度的年均值和演变趋势Table 3 Annual average values and evolution trends of agricultural water resource obstacles

表4 2001—2016年河南省18市农业水资源脆弱性的主要障碍因子Table 4 Main obstacles of agricultural water resource vulnerability in Henan Province from 2001 to 2016

河南省18个城市的自然脆弱性障碍度基本上趋于平稳，人为障碍度呈现波动上升趋势，承载力障碍度则呈现波动上升和波动下降两种类型。表3表明：①从自然脆弱性障碍度来看，信阳市和南阳市呈现波动下降趋势，说明水资源系统缓解脆弱性的能力减弱，虽然信阳市和南阳市水资源禀赋良好，但水资源保护意识相对薄弱，因此农业生产造成的水资源浪费和污染现象较为严重，水资源系统压力增大；郑州等16市的自然脆弱性障碍度均趋于平稳，且波动范围较小，例如郑州市仅为0.1，表明自然因素对水资源脆弱性的影响较小，且影响程度比较稳定，短期内难以改变。②从人为脆弱性障碍度来看，18个城市均呈现波动上升趋势，表明采取人为措施治理水资源的成效明显，且随着时间的推移，阻碍脆弱性提升的能力日益增强。③从承载力脆弱性障碍度来看，变化趋势存在区域差异，郑州、开封、洛阳、平顶山、安阳、焦作、濮阳、漯河、许昌、三门峡、驻马店、济源、商丘、信阳、周口15市呈现波动下降的趋势，该类城市在保证农业可持续发展、维护生态良性循环发展等条件下，水资源支撑农业经济发展的能力逐渐减弱；鹤壁、新乡、南阳3市呈现波动上升的趋势，说明区域水资源系统缓解农业水资源问题的能力逐渐增强。

4.2 农业水资源脆弱性指标层主要障碍因子分析

河南省农业水资源脆弱性的主要障碍因子存在地域差异。表4表明：①在自然脆弱性层面，降水量（X1）和水资源总量（X2）是18个城市的主要障碍因子，区域水资源禀赋虽然能够减轻水环境压力，但其净化周期长且净化能力有限，加上降水量和水资源总量属于自然因素，短期内难以大幅增加，因此对脆弱性提升的阻碍较小；其中年降水距平百分比（X7）是平顶山、三门峡、南阳、商丘、信阳、周口、驻马店的主要障碍因子，反映平顶山等市的降水年际变化差异对缓解农业水资源脆弱性不利。②在人为脆弱性层面，单方水资源粮食产量（X4）是开封、新乡、焦作、濮阳、济源的主要障碍因子，原因在于开封等市单方水资源粮食产量的年均值均低于0.003 t/m3，农业水资源利用效率较低，浪费现象较为严重，导致脆弱性程度加剧。③在承载力脆弱性层面，人均农业产值（X8）是郑州、洛阳、鹤壁、许昌、漯河的主要障碍因子，说明农业生产规模不尽合理，导致水资源系统受损，致使农业水资源的脆弱性水平不断提升；人均水资源量（X10）是安阳市的主要障碍因子，表明农业生产中的用水问题主要受到水资源禀赋的制约。

5 结论与政策建议

5.1 结论

利用熵值法与线性加权综合法，分析了2001—2016年河南省18个城市农业水资源脆弱性的时空特征；并在此基础上运用障碍度模型，诊断了农业水资源脆弱性的主要障碍因子。

1）河南省农业水资源脆弱性增长率存在差异，其中郑州等9市呈减小态势，开封等9市呈增大态势。从演变趋势来看，郑州等8市属于先降后升型，开封等7市属于先升后降型，商丘市和周口市属于波动上升型，鹤壁市属于波动下降型。

2）河南省农业水资源脆弱性空间集聚特征明显，空间分布大致呈现出豫北＞豫东＞豫南＞豫中＞豫西的特点；但空间差异较小，脆弱性差值低至0.018。

3）河南省农业水资源的自然脆弱性障碍度趋于平稳，人为脆弱性障碍度呈波动上升趋势；承载力脆弱性障碍度演变趋势各异，其中郑州等15市属于波动下降型，鹤壁等3市属于波动上升型。

4）河南省农业水资源主要障碍因子均包含年降水量和水资源总量，但差异明显，其中郑州等5市、开封等5市和平顶山等7市还分别包括人均农业产值、单方水资源粮食产量和年降水距平百分比，而安阳市则为人均水资源量。

5.2 政策建议

影响河南省农业水资源脆弱性的障碍因子存在地域差异，要因地制宜、适地适水、采取针对性措施来缓解脆弱性问题，但由于自然脆弱性指标和承载力脆弱性指标在短期内难以发生质的改变，因此应从人为脆弱性指标入手，通过加大农业投入、兴修水利设施、提高用水效率等措施，以缓解水资源系统的脆弱性，促进农业生产的可持续发展。

1）加大农田水利资金投入，减轻对水资源的依赖。河南省属于中部欠发达地区，政府在农业方面的投入仍需加强，依托经济、政策等手段，加大良种研发、农资补助等投入，辅以调整农业结构、规模化经营等，从而减少对水资源的过度依赖[28]。人均农业产值是郑州、洛阳、鹤壁、许昌、漯河5市脆弱性的主要障碍因子，表明发展高效农业能够阻碍水资源脆弱性增加。据此郑州等5市应加强水资源利用和管理方面的投入，发展高效集约农业。

2）优化农田水利建设水平，缓解气候变化产生的负面影响。河南省农业气候呈暖干化趋势，导致农业需水量持续增加[29]，可通过完善灌区配套设施、推进高标准农田建设等，以保障农业用水的合理需求。年降水距平百分比是平顶山、三门峡、南阳、商丘、信阳、周口、驻马店7市水资源脆弱性的主要障碍因子，表明气候变化加剧了农业用水脆弱性和不稳定性。基于此平顶山等7市要重点加强农田水利建设，提高农业综合生产能力。

3）推广节水灌溉技术，建设高效节水农业。河南省普遍采用土渠道等传统灌溉方式，渠系渗漏等问题严重，导致农业用水效率低下[30]，推广管道输水、微灌、喷灌等技术势在必行。单方水资源粮食产量是开封、新乡、焦作、濮阳、济源5市脆弱性的主要障碍因子，表明农业节水技术能有效缓解农业用水脆弱性。因此开封等5市要积极推广农业节水与集水技术，建立农业节水补偿和激励机制等，从而有效缓解农业水资源的脆弱性，实现人水和谐。