江苏典型灌区农业水土资源匹配现状及其承载力特征

曲绅豪, 姚怀柱, 王彦东, 陈 于, 彭亚敏, 房 凯, 佘冬立

(1.河海大学 农业科学与工程学院, 南京 211100; 2.江苏省农村水利科技发展中心, 南京 210029; 3.宿迁市水务局, 江苏 宿迁 223800)

灌区作为粮食和经济作物的主要产区,其水土资源的承载能力一直是灌区发展关注的热点。水土资源承载力主要通过地区可生产的最大粮食产量或可承载的最大人口数量来表征[1]。李慧等[2]通过构建承载力评价体系,对延安市农业水土资源匹配情况和承载力状况进行评价。朱薇等[3]创新性地将层次分析法、熵权法和模糊综合评价模型结合,评价哈萨克斯坦农业水土资源承载力,并进行障碍度分析。任守德等[4]将投影寻踪主成分分析模型应用于对三江平原农业水土资源承载力综合评价中。王凌阁等[5]对甘肃河西地区的内陆河中游地区水土耦合协调情况进行量化研究。综合以往研究发现,相关学者意识到水土资源承载力受诸多因素影响,开始考虑经济、生态、社会等方面来构建水土资源系统承载力评价体系,同时不断创新评价方法和细化评价体系,从而适用不同区域水土资源承载力评价;另一方面,目前研究多集中于区县级、市级或省级尺度,缺少对灌区或粮食主产区特定区域的水土资源承载力研究。

基于此,本研究以江苏典型灌区为研究对象,通过计算基尼系数和水土资源匹配系数,分析水土资源空间匹配格局和匹配现状,并结合熵权法TOPSIS模型对灌区水土资源承载力系统健康度进行评价,识别灌区发展的障碍因子;基于系统耦合协调理论,分析区域水土资源承载力系统的演化状态和内部要素关系,以期为灌区农业水土资源利用和管理提供科学性建议。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

以江苏省典型灌区为例开展本研究,研究区(30°45″—35°20″N,116°18″—121°57″E)地势平坦,河湖众多,农用地占全省土地的60%以上,多年平均降水量为996 mm,年际、年内分配不均,水资源可利用量少,供需矛盾突出[6]。本文选择石梁河灌区、来龙灌区、涟东灌区、渠南灌区、清水坝、高邮灌区和堤东灌区7个大型灌区为研究对象,其分布情况见图1。

1.2 数据来源

本研究所用的耕地面积和农业用水量来自于《江苏省2020年统计年鉴》和《江苏省2019年水资源公报》,其余数据来自于2019年各典型灌区现代化水平评价基础信息调查统计。

2 研究方法

2.1 基尼系数和水土资源匹配系数

以灌区第一产业用水量累计比例为横坐标,耕地面积累计比例为纵坐标,按照排序构建洛伦兹曲线,基于洛伦兹曲线与45°线构成面积的2倍计算基尼系数[7]。基尼系数G的范围为[0,1],当耕地资源和水资源空间分布越均衡,曲线与45°线越接近,表示整体区域的水土资源匹配水平越好,即G值越小[8]。

水土资源匹配程度即匹配系数越高,越有利于农业生产[9]。

(1)

式中:Ri为第i个灌区的水土资源匹配系数;Wi为第i个灌区第一产业用水量(104m3);Li为第i个灌区耕地面积(hm2)。

2.2 熵权法TOPSIS模型及障碍因子分析

水土资源承载力受经济、社会等不同系统中多因素影响,因此正确选取评价指标,构建科学评价体系是合理评价承载力水平的前提[10]。本研究选取水土资源、经济、生态和社会4项子系统,结合传统农业和灌区现代化建设特色构建24项代表性指标,采用熵权法TOPSIS模型对典型灌区农业水土资源承载力系统健康度进行评价,并明确其障碍因子。模型评价指标体系见表1,具体实施步骤见文献[11]。

表1 灌区水土资源承载力系统健康度评价体系Table 1 Evaluation system of health degree of water and soil resources carrying capacity in irrigation area

2.3 系统耦合协调模型

区域水土资源、经济、生态、社会是一个多层次复杂系统,水土资源的利用同区域经济的发展、社会的建设和生态的治理等多种因素相互联系、耦合协调,从而保证系统的关联和演化[12]。因此,本文将基于系统耦合协调理论,构建典型灌区水土资源承载力系统耦合协调模型,分析各子系统之间耦合协调关系,为灌区水土资源可持续利用提供新思路。耦合协调度计算过程如下:

(1) 计算各子系统贡献值。

Ui=∑wjx′ij(i=1,2,3,4)

(2)

式中:U1,U2,U3,U4分别为水土资源子系统、经济子系统、生态子系统和社会子系统对总系统有序度的贡献值。

(2) 耦合协调指数。

(3)

(4)

(5)

式中:C为系统耦合度;D为系统耦合协调度;T为子系统综合协调指数;α,β,γ,δ为各子系统贡献系数,具体取值为各子系统评价指标权重和,即α=0.27,β=0.19,γ=0.21,δ=0.33。同时根据廖重斌[13]的研究,对水土资源承载力系统耦合协调度进行类型划分(表2)。

表2 水土资源承载力系统耦合协调度划分标准Table 2 Standard for division of coupling coordination degree of water and soil resource carrying capacity system

3 结果与分析

3.1 水土资源匹配现状分析

通过对灌区基尼系数的计算发现,洛伦兹曲线与45°线构成的面积A=0.13,得出基尼系数0.26,灌区水土资源匹配情况整体较好(0.20

图2 典型灌区基尼曲线示意图Fig. 2 Gini curve diagram of typical irrigation area

3.2 水土资源承载力健康度评价及障碍度分析

选择的典型灌区水土资源承载力系统健康度由高到低分别为渠南(0.58)、高邮(0.52)、石梁河(0.50)、来龙(0.45)、涟东(0.44)、堤东(0.42)和清水坝灌区(0.39),承载力健康度差异显著。渠南灌区和高邮灌区的农业水土资源承载力健康度最高,这与水土资源匹配系数结果吻合。究其原因,渠南灌区是我国首批节水改造建设的大型灌区之一,共实施10期节水改造与续建配套工程项目,其“两河三堆”的灌排布置形式,充分利用回归水灌溉,节约用水和提高用水效率[17]。而高邮灌区作为现代化灌区的典范,工程建设程度和管理调度水平均处于优秀水平,综合运用工程改造、调度运行、管理管护等措施,不断推进灌区现代化建设[18]。清水坝灌区水土资源承载力系统健康度显著低于其他灌区,原因之一是水费征收难度大,灌区经费不足,灌区工程的改造养护和其他项目的发展受到阻碍,无法保证灌区灌溉效益充分发挥[14]。其余灌区水土资源承载力系统健康度为0.40～0.50,各灌区承载力评价等级属于中低等水平,开发潜力有限。根据及茹等[19]针对江苏省粮食主产区多年平均农业水土资源承载力的研究结果发现,江苏省粮食主产区多年平均水土资源为低承载力(<0.42),与本文研究相吻合。

计算各灌区农业水土资源匹配系数与江苏省农业水土资源匹配平均系数(6 500 m3/hm2)的差值,结果见图3。选择的7个典型灌区水土资源匹配系数差异显著,涟东、渠南和高邮3个灌区的水资源能够较好地满足耕地资源开发的需求,其中高邮灌区水土资源匹配状况最优;清水坝、来龙灌区的水土资源匹配系数略低于省平均匹配系数,其中清水坝灌区因尚未设立灌区统一管理机构,存在水费征收拖欠现象,水资源无法最大限度地利用[14]。石梁河灌区和堤东灌区水土资源匹配系数显著低于全省水土资源匹配平均系数,其中石梁河灌区灌溉水量的调配缺少时效性和调度灵活性,使得供水效益低,水资源存在一定浪费[15],而堤东灌区地处沿海地区,沿海开发需要消耗大量淡水资源,同时堤东灌区可抽取的淡水资源总量被严格限定,盈余部分还需要供滩涂围垦开发所用,使灌区淡水供给矛盾更加突出[16]。

图3 灌区水土资源匹配系数与全省平均值之间差值Fig. 3 The difference between the matching coefficient of water and soil resources in irrigated area and the average value of the whole province

灌区水土资源承载力子系统(水土资源、经济、生态和社会子系统)障碍度占比情况如图4所示,各子系统障碍度为组成该子系统的指标障碍度之和。各子系统对农业水土资源承载力健康度的影响作用在不同灌区间差异显著,但各灌区均表现为社会子系统所占比例大,其次是水土资源子系统,表明选择的典型灌区农业水土资源承载力系统建设方面,特别是在社会子系统建设方面具有较大提升空间,但同时需统筹兼顾提升每个子系统承载力。为进一步探究影响承载力系统健康度的具体因素,选取各灌区前5的障碍因子进行排序分析(表3),社会子系统中的指标要素,如农机化程度、人均耕地面积、人均水资源量、水利技术人员占比,以及生态子系统中的生态沟渠占比、骨干沟渠完好率,在不同灌区均占比较高;从各障碍度因子出现频次分析可以看出,社会子系统对灌区农业水土资源承载力系统健康度的影响尤为突出,灌区水土资源发展规划中应重视社会子系统的发展和完善。

表3 影响各灌区发展的前5名障碍度因子Table 3 The top 5 obstacle factors affecting the development of irrigation areas

图4 典型灌区农业水土资源承载力子系统障碍度占比Fig. 4 Proportion of obstacle degree of sub-system of carrying capacity of agricultural soil and water resources in typical irrigated areas

3.3 水土资源承载力系统耦合协调度分析

选择的典型灌区水土资源承载力系统耦合协调度(图5)位于0.50～0.60,各灌区之间差异不显著,均属于基本协调发展;水土资源承载力系统耦合协调度与健康度之间呈显著正相关关系,水土资源承载力系统耦合协调度越低,其承载力系统健康度水平越差,这与李怡[20]的研究结论一致。各典型灌区在水土资源利用、经济发展、生态建设和社会发展之间还存在一定的耦合协调空间,各子系统之间存在明显不均衡现象,表明水土资源承载力系统健康度受各子系统、各因素共同作用,各子系统协调发展才能提高水土资源承载力,从而实现农业水土资源可持续利用。

图5 典型灌区承载力系统耦合协调度和健康度对比Fig. 5 Comparison of coupling coordination degree and health degree of carrying capacity system in typical irrigation area

4 结 论

(1) 典型灌区基尼系数为0.26,作为一个整体水土资源是均衡的,优于同期全国和全球范围内的水土资源匹配格局,但各灌区水土资源匹配系数差异显著,个别灌区水土资源匹配情况低于同期全省平均水平,具有一定提升空间。

(2) 灌区之间水土资源承载力健康度差异显著,其中以渠南和高邮灌区的水土资源承载力健康度最高,但整体仍处于中等水平,在现状条件下灌区开发潜力有限;基于水土资源承载力障碍因子分析,社会子系统成为限制承载力系统健康度发展的关键因素。

(3) 各灌区水土资源承载力系统属于基本协调发展类,灌区各子系统之间存在不均衡发展现象,耦合协调改善空间较大;灌区水土资源承载力系统的耦合协调与承载力呈正相关关系,各子系统的耦合协调性一定程度限制了灌区水土资源承载力系统的发展。