宁夏水土资源适宜性评价及时空分异的影响因子变化规律

赵晨光, 李 鹏,2, 许垚涛, 党小虎, 张超雅, 龚倪冰

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室, 西安 710048; 2.旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室, 西安 710048; 3.西安科技大学 地质与环境学院, 西安 710054)

水土资源是人类赖以生存的物质基础[1],水土资源作为一个整体与经济社会相辅相成,共同影响着城市化的质量和发展[2]。水土资源适宜性主要关注:在自然或人类活动影响下,资源生态的演变与社会经济的进步是否协调,对水土资源开发利用现状进行客观评价,并根据经济社会的发展探求其影响因子的变化规律。

国际上最早进行水资源和土地资源同时评价是在1932年,Raup[3]指出扩张用地会导致在水资源供应方面存在不确定性。早期的研究多为概念框架建立和物理机制描述,目前国外学者们将RCC创新方法、耦合指数改进评价方法、结合速度特征等多种方法或角度利用起来,以研究与水土资源相关的复杂系统问题。国内学者在定量分析方面,通过构建基尼系数进行区域水土资源匹配状态评价方面的研究;定性分析方面则是从资源管理和政策制定的角度出发,阐明区域资源优化调控的战略意见。经过多方学科融合和发展,针对水土资源适应性的评价方法如熵权可拓物元模型、投影寻踪模型、改进的三维生态足迹模型等手段仍在不断优化,可以有针对性地对目标层、准则层的结果进行分析。熵权TOPSIS模型对样本数据没有限制,能较为精准地评价准则层或指标层间的优劣程度,同时可以避免主观因素的影响,有学者在土地利用绩效理论研究和方法改进上进行积极探索,为土地利用实践提供多方面的指导,进一步丰富土地利用评价研究[4];通过耦合协调度模型整合多体系数据以应对复杂多线的体系网络结构,可以运用其与社会网络分析探究大流域尺度生态保护与经济高质量发展耦合协调联动效应和网络结构特征[5];灰色关联度模型通过对数据进行相似度的对比分析,能够对后期水土资源的管理措施采取给予一定的指导作用。

宁夏属于西北部欠发达地区,由于生态资源禀赋和社会经济结构等方面的特殊性[6],在全国生态安全战略格局中具有重要地位。因此,本文在生态文明建设背景下尝试结合3种数学物理模型,对宁夏水土资源适宜性评价体系和指标进行数据处理和分析,阐述在研究时段内宁夏水土资源协调发展情况并归纳其影响因子,以期为宁夏生态建设与社会经济协调发展提供理论基础,从而引领全方位、多层次、宽领域的高质量发展。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

宁夏回族自治区地处我国黄河流域上游(北纬35°14′—39°23′,东经104°17′—107°39′),全区面积6.64万km2,属于典型的大陆性气候,地势北低南高,海拔范围在956～3 525 m;地形上从北向南分为三大板块,分别为北部引黄灌区、中部干旱带和南部山区[7]。全区中北部受腾格里沙漠、乌兰布和沙漠和毛乌素沙漠三面夹击,植被稀疏、沙化严重;南部沟壑纵横,水力侵蚀严重,是我国水土流失最为严重的省区之一[8]。全区跨3个气候区,从暖温带半湿润区至温带干旱区;气象上总体是干旱少雨,蒸发强烈,是全国水资源最少的省区之一。

1.2 数据来源

宁夏水土资源适宜性评价指标基础数据主要来源于《中国统计年鉴》《宁夏统计年鉴》《宁夏水资源公报》,选取2001—2020年共20 a作为研究时段。

2 研究方法

水土资源适宜性评价首先构建评价体系,选取合适的评价指标;根据熵权TOPSIS模型对评价指标进行数据处理,并结合权重评价水土资源适宜性动态变化;再应用耦合协调度模型分析协调发展水平;最后采用灰色关联度模型对准则层和指标层分别进行排序,针对与评价结果关联度较高的指标进行分时段整合。根据宁夏全区评价指标的灰色关联度排名,选取部分有代表性的指标进行市级水土资源适宜性评价和协调发展水平分析。

2.1 水土资源适宜性评价体系构建

“水土资源适宜性评价体系”涵盖资源、生态、社会、经济等诸多方面,是一个多维度的复杂系统。从资源角度,开发利用得越少,越有承载潜力;从生态角度,通过污染治理与防护,降低污染损失,推动高质量的可持续发展;从社会角度,高质量的水土资源可以满足人类各种社会生活需求,从而提高人民的生活质量;从经济角度,追求低投入带来高收益;综合考虑上述4个角度对促进自然环境与经济社会的可持续发展具有重要意义。鉴于此,在构建水土资源适宜性评价指标体系过程中要考虑水土资源与生态、社会、经济之间的相互关系,在遵循指标体系建立的综合性、可比性、区域性等原则,满足指标的连续性和可获取性基础上,尽可能体现指标的系统性和多样性。

本文研究时段为2001—2020年,选取共20个指标[9]。根据宁夏全区评价指标灰色关联度排序和社会发展基本情况,选取5个地级市在2005年、2010年、2015年、2020年的4个时期10个指标进行市级水土资源适宜性评价分析,分别为资源生态体系中C3,C4,C5,C8,C9和社会经济体系中C12,C15,C16,C17,C20,上述指标组成宁夏2001—2020年水土资源适宜性综合评价体系(表1),其中指标属性分为正向指标(+)和逆向指标(-)。

表1 水土资源适宜性评价指标体系及权重Table 1 Index system and weight of water and soil resources suitability evaluation

2.2 基于熵权TOPSIS模型的指标权重及水平划分标准

熵权TOPSIS即利用选取的指标数据与计算所得权重相乘。TOPSIS即为逼近于理想解的计算方法,其基本思想是通过确定决策标准的正理想解和负理想解,进而比较待评价方案与正、负理想解的距离远近;核心是运用熵值法进行子体系和各项指标权重(表1)的计算[10]。

首先对数据采用归一化进行标准化处理,公式如下:

(1)

(2)

式中:Xij为标准化后数据;xij为原数据。

计算得到加权决策矩阵:

V=X·W=〔vij〕m·n

(3)

式中:V为加权决策矩阵;X为标准化数值;W为各项指标权重。

确定正、负理想解:

(4)

(5)

式中:V+,V-分别为正负理想解。

计算正负理想解距离:

(6)

(7)

式中:Dj+,Dj-分别为距正负理想解的距离。

得到的贴进度(Tj)作为水土资源适宜性的评价值,将水土资源适应性水平划分4个水平标准[11](表2)。

表2 水土资源适宜性水平划分标准Table 2 Criteria for judging land use performance

(8)

2.3 水土资源耦合协调度模型与等级划分

运用耦合协调度模型分析水土资源适宜性4个子体系之间协调发展的水平,参考相关研究成果[12],可以将水土资源适宜性4个子体系之间的耦合协调度分为10级程度(表3)。

表3 水土资源适宜性资源-生态-社会-经济评价耦合协调度等级划分Table 3 Water and soil resources suitability resource-ecological-social-economic evaluation coupling coordination degree type

(9)

T=β1·T1+β2·T2+β3·T3+β4·T4

(10)

(11)

式中:C为耦合度值;T为协调指数;D为耦合协调度。其中T1,T2,T3,T4分别为资源、生态、社会和经济体系评价的贴近度;β1,β2,β3,β4分别为资源、生态、社会和经济体系评价的权重。

2.4 水土资源灰色关联度模型

为了进行较优方案筛选,基于水土资源适宜性评价指标复杂、涵盖模糊的特点,本文采用灰色关联法分别进行准则层和指标层对综合评价的关联度计算[13],依据关联系数得到关联度Ri(i=1,2,…,m)判断单个年度与最优值的联系紧密程度,从而分析各体系指标对评价值的影响[14]。

(12)

式中:Ei为关联系数行向量;W为各子指标权重向量。

3 结果与分析

3.1 宁夏全区水土资源适宜性评价结果

3.1.1 宁夏全区水土资源适宜性综合评价分析 根据宁夏水土资源适宜性综合评价(图1),2002年水土资源适宜性评价值最低(0.177),处于较差水平;2020年达到最高值(0.883),达到优质水平。总体来看,宁夏水土资源适宜性评价自2001—2020年经历了从较差水平—中等水平—良好水平—优质水平共4个阶段。结合宁夏社会经济发展阶段特征,可以按照5 a为时间段进行划分,分4个时段对宁夏水土资源适宜性评价进行综合分析。

图1 宁夏水土资源适宜性综合评价Fig. 1 Comprehensive evaluation on the suitability of water and soil resources in Ningxia

2001—2005年,宁夏水土资源适宜性的综合评价有小幅度波动,基本处于较差水平(0.177～0.283)。刚刚进入21世纪,资源开发和经济发展的双向失衡无法满足整体协调发展的脚步,对经济发展投入大量的社会关注和资金支持,一定程度上忽略了资源生态的社会经济价值。2006—2010年,综合评价保持稳定增长,处于中等水平(0.227～0.469)。这一阶段,宁夏大力推进城市化,带来不同程度上不可忽视的环境污染和生态破坏问题,水土资源开发利用和社会经济的矛盾显现出来,这些因素共同作用下限制了宁夏水土资源适宜性综合评价的进一步提升。2011—2015年,宁夏水土资源适宜性得到迅速发展,等级普遍达到良好水平(0.538～0.726)。该阶段宁夏水土资源利用日趋合理,水土资源和社会经济发展的关系日益协调,促进土地资源可持续发展能力持续提高。2016—2020年,宁夏水土资源适宜性综合评价在这一阶段基本达到优质水平(0.710～0.883)。综合以上发展趋势,宁夏在未来继续落实绿色发展理念,可以实现更高质量、更有效率、更可持续的发展。

3.1.2 宁夏全区水土资源适宜性子体系评价分析 从宁夏水土资源适宜性评价子体系(资源、生态、社会、经济体系)评价结果(图2)来看,4个子体系的评价变化趋势存在一定的差异。其中2001—2003年,资源体系评价快速上升达到良好水平(0.624),随后进入平台期再降为中级水平,直到2015年又开始重新增长,2019年达到最高值(0.679)。生态体系评价在2000—2011年处于波动的较差水平,在2010年出现最低值(0.214),2013年起增长呈现较起伏的良好水平,2016年达到最高值(0.656)。社会体系评价在2001—2009年缓慢增长保持在中级水平,随后2010年起保持的良好水平,2020年达到最高值(0.634)。变化趋势最明显的是经济体系评价,在2001—2020年总体上呈稳定增长趋势,由时段初的0.024上升至时段末的0.951,从较差水平提升至优质水平,这一时期人均GDP和经济密度逐年攀升,且第一产业GDP占比逐年减少,由时段初的0.024上升至时段末的0.951,从较差水平提升至优质水平。

注:0～0.25为较差水平;0.25～0.5为中等水平;0.50～0.75为良好水平;0.75～1.00为优质水平。图2 2001-2020年宁夏水土资源适宜性的资源、生态、社会、经济体系评价Fig. 2 Resource, ecological, social and economic system evaluation of the suitability of water and soil resources in Ningxia from 2001 to 2020

综合来看,虽然在研究时段内各子体系的评价水平都在发生变化,但到研究时段末期都可以达到良好水平及以上,这说明近年来宁夏全区整体的水土资源适宜性不断优化,4个子体系各自的评价情况与综合评价的结果有必然的关联性,子体系评价结果的变动与综合评价持续向好的发展结果相匹配。

3.1.3 宁夏市级水土资源适宜性综合评价分析 根据各市2005年、2010年、2015年、2020年的资源生态-社会经济体系综合评价值变化(图3),可以看出,各市的水土资源适宜性评价水平整体趋势向好,这与宁夏全区的综合评价水平基本一致。其中,银川市一度从中等水平发展至良好水平又降回中等水平,这是由于伴随着城镇化的推进,降雨量较少,加之银川的能源消耗水平较高,对生态环境的影响较大;石嘴山市和中卫市从2005年的良好水平退化到中等水平,之后呈回升态势;吴忠市和固原市从中等水平发展到良好水平。2010年,各市发展水平基本和宁夏全区整体相适应,略有波动但整体还算平稳向好发展。至2020年,银川市(0.435)、石嘴山市(0.486)和中卫市(0.464)处于中等水平,吴忠市(0.620)和固原市(0.686)处于良好水平。

图3 市级水土资源适宜性综合评价Fig. 3 Comprehensive evaluation of the suitability of municipal water and soil resources

3.2 宁夏全区及市级水土资源适宜性体系耦合协调度结果

3.2.1 宁夏全区水土资源适宜性体系耦合协调度分析 根据2001—2020年宁夏水土资源适宜性的资源-生态-社会-经济体系评价值计算耦合协调度,并进行等级划分(表4)。总体来看,2001—2020年宁夏水土资源适宜性的资源-生态-社会-经济评价4个子体系间的耦合协调程度逐年提高,由2001年的严重失调优化至2020年的优质协调,并在2013—2020年连续保持中级协调及更好的协调状态,说明各个阶段的相关政策都得到了有效实施。同时,耦合协调度和协调指数也表现为逐年增大,进一步印证了前文宁夏水土资源适宜性综合评价分析结果。其中,2005年和2010年出现耦合协调等级降低的情况,这是由于在评价体系中,这两个年份的生态体系评价都处在较差水平,且同期的其他子体系仅仅保持在中等水平左右,未能很好中和生态体系中有关评价指标的不足。

表4 宁夏水土资源适宜性体系耦合协调度(2001-2020年)Table 4 Coupling coordination degree of water and soil resources suitability system in Ningxia (2001-2020)

3.2.2 宁夏市级水土资源适宜性体系耦合协调度分析 根据市级耦合协调度结果(图4)可以看出,宁夏城市的水土资源协调等级总体上与宁夏全区评价协调等级演变规律相适应,最大跨度从中度失调发展到良好协调。其中,银川市作为宁夏首府,社会发展比较突出,研究时段内有所波动到2020年降至中度失调,是唯一适宜性协调发展不佳的城市;石嘴山市同样在2010年度经历最好协调程度为中度协调,至2020年再次回升至初级协调;吴忠市、固原市、中卫市随时间推进都呈发展向好趋势。

注:基于标准地图服务系统下载的审图号GS(2019)3266号的标准地图制作,底图未做修改。图4 市级水土资源适宜性耦合协调度Fig. 4 City-level coupling coordination degree of water and soil resources suitability system

3.3 宁夏水土资源适宜性评价影响体系及影响因子

3.3.1 准则层灰色关联度排序 在上文分析评价宁夏水土资源适宜性动态变化和4个子体系之间的耦合协调性基础上,通过灰色关联法得到宁夏水土资源适宜性综合评价水平影响体系和影响因子的排序,找出可持续发展潜力突出的体系与因子。

根据关联度数值大小,将4个子体系进行排序(表5),可以看出20 a的研究期内,资源-生态-社会-经济综合体系中各子体系对水土资源适宜性关联度的数值相对接近,其中资源体系和社会体系对水土资源适宜性综合评价关联度较高且接近,说明自然资源禀赋与社会活动开发消耗相互制约,人类的社会行为及其在生态环保上的建设与应用对水土资源体系都会产生不容忽视的影响。

表5 宁夏水土资源适宜性子评价体系灰色关联度排序Table 5 Evaluation suitability of water and soil resources in Ningxia index grey relational degree ranking

从子评价体系2001—2020年灰色关联度热点图(图5)可以看出,在研究时段初期,资源评价体系(0.953)和生态评价体系(1.000)的关联度相对突出,说明宁夏在处于实现全面建成小康社会的建设过程中在资源利用与生态环境保护方面都有所局限;2009年起,社会评价体系(0.746)开始占据突出位置,城镇化的持续推进带动当地经济快速发展;2015年起,经济评价体系(0.727)对综合评价的关联也越来越明显,之后资源评价体系(0.593)与生态体评价系(0.533)也再次显现出来,这是由于为进一步实现社会发展与经济产业升级,持续推动生态文明的建设,有关政策的完善与落实得到更多监督与保障,因此对应经济的发展结构也在不断进行调整,即当前条件下要实现高质量发展,就要持续推动经济产业结构与生态环境禀赋相适应。对应宁夏全区发展情况可以看出,各子体系对于综合评价的关联程度到研究末期均处在较高水平,对应前文各子体系单独评价情况在研究末期都达到良好水平,这同样说明4个体系之间的协调性越来越好,与前文中耦合协调度的不断优化相一致。

图5 子评价体系灰色关联度热点图(2001-2020年)Fig. 5 Heat map of grey relational degree of evaluation subsystems (2001-2020)

3.3.2 分时段指标层灰色关联度排序 通过灰色关联度模型分4个时段2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年、2016—2020年应用于评价指标,得到影响宁夏水土资源适宜性综合水平的评价指标排序前五名(表6),在时间尺度上对比并评价宁夏水土资源适宜性综合水平。

表6 宁夏水土资源适宜性评价指标分时段灰色关联度排序Table 6 Evaluation suitability of water and soil resources in Ningxia index ranking by period of grey correlation

可以看出,2001—2005年,工业废水排放量(C8)与垦殖率(C1)对水土资源适宜性综合评价具有明显关联性;2006—2010年,自然保护区面积(C10)与农作物播种面积(C5)的关联度上升,与前一研究时段的指标也相适应;2011—2015年,随着经济的发展,社会评价体系中粮食产量(C15)逐渐与水土资源适宜性整体协调发展有密切关联,工业废水排放量(C8)再次凸显;2016—2020年,在水土资源合理开发利用和生态环境不断改善的大环境下,城镇生活污水排放量(C9)和农业用水量(C2)对水土资源适宜性的关联明显,宁夏更多关注在水土资源可持续开发和经济社会发展的协同推进,从评价结果看已经取得一定程度的进展。

总体而言,在20 a的研究期内,自然保护区面积(C10)与农作物播种面积(C5)对宁夏水土资源适宜性有着显著的关联影响,这说明宁夏自然资源禀赋限制突出;单位GDP能耗(C18)和单位GDP电耗(C19)的关联度逐渐增加,说明经济产业的改革与升级对水土资源适宜性有明显作用。整体来看,经济评价体系中的指标关联度较高,这与前文经济体系评价增长趋势稳定相一致,说明宁夏在20年间始终坚持经济发展,努力推动社会进步,在此基础上不断对资源生态等方面给予关注与扶持,综合配置水土资源,坚定不移走绿色低碳发展道路,积极突破资源局限性,促进各个体系间不断协同发展以推动整体进步。

为探求宁夏生态保护和高质量发展的理论依据,本研究对于分时空对宁夏水土资源适宜性动态变化及其与社会经济协调发展进行梳理工作,可为实现兼顾经济发展和生态保护建设提供决策基础。当前条件下,宁夏想要进一步实现高质量发展,就要持续推动经济产业结构变革与生态环境禀赋相协调,此外,持续开展多时段、多时空尺度生态资源禀赋与社会经济要素耦合关系研究,有助于进一步提升研究发现的科学性和应用性[15]。

4 结 论

(1) 基于熵权TOPSIS模型评估宁夏2001—2020年20 a间水土资源适宜性综合评价,结果表明,宁夏水土资源适宜性综合评价总体上经历了从较差水平—中等水平—良好水平—优质水平的变化过程。

(2) 从耦合协调度角度来看,2001—2020年宁夏水土资源适宜性的资源-生态-社会-经济评价4个子体系间的耦合协调度逐年上升,由严重失调(0.159)上升至优质协调(0.946)。下沉到地级市尺度进行评价,市级耦合协调程度整体与全区协调发展相适应,其中银川市经历波动有待继续向好发展,发展跨度最大的是吴忠市。

(3) 基于灰色关联法分析发现,各子体系对水土资源适宜性评价关联度大小排名为资源评价体系>社会评价体系>经济评价体系>生态评价体系。现阶段,应该更多地关注自然保护区面积、农业用水比例、单位GDP能耗、单位GDP电耗、人均GDP等指标。