新疆農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配研究

謝桂云，張飛云

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，烏魯木齊 830011)

水土資源是人類生產(chǎn)和發(fā)展所必需的最基本的物質(zhì)條件，同樣也是糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ)[1]。水資源和土地資源之間存在著相互匹配和平衡的關(guān)系，其中一種資源的短缺必將會(huì)影響到另一種資源的利用，最終會(huì)導(dǎo)致水土資源綜合利用率的降低，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平也會(huì)受到影響，同時(shí)制約著社會(huì)發(fā)展的水平[2]。然而，水土資源是有限的，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)，人類對(duì)水土資源的利用也會(huì)增加從而導(dǎo)致一系列不合理的利用方式，造成水土資源數(shù)量的減少、質(zhì)量的下降，人類生存的自然環(huán)境不斷惡化等問題，進(jìn)而阻礙了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]。新疆是典型的干旱區(qū)，土地面積很廣，水資源量相對(duì)匱乏，但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和人類對(duì)水資源需求的不斷增加，在一定程度上導(dǎo)致水土資源存在嚴(yán)重的不協(xié)調(diào)。因此，分析新疆水土資源匹配程度，能夠?yàn)樗临Y源的合理開發(fā)利用提供理論支撐。水土資源的時(shí)空匹配決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方式。目前已有較多學(xué)者對(duì)水土資源匹配程度進(jìn)行研究。吳宇哲等采取區(qū)域基尼系數(shù)分析了全國(guó)水土資源的整體匹配狀況[4]。鄭久瑜等通過建立水土資源匹配系數(shù)評(píng)價(jià)了河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源的匹配程度[5]。劉洋采用了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)四川省農(nóng)業(yè)水土資源的承載力進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究[6]。侯薇等對(duì)關(guān)中地區(qū)及所轄5個(gè)地級(jí)市的農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)[7]。然而，對(duì)新疆這樣一個(gè)土地資源廣闊，水資源稀缺，南北疆差異較大的地區(qū)，水土資源匹配研究較少。王潔云等采用不同土地利用模式下的需水量數(shù)據(jù)，對(duì)新疆水土資源綜合承載力與水土耦合進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8]。韓琳以新疆農(nóng)產(chǎn)品與中亞5國(guó)的農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)出作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以為提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力為目的，對(duì)新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配做出了研究[9]。王潔云和韓琳分別從水資源供需情況和經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的角度分析新疆農(nóng)業(yè)的水土資源承載力和匹配的狀況，但是，她們并沒有從整體上對(duì)新疆農(nóng)業(yè)水土資源的時(shí)空匹配狀況進(jìn)行分析，難以從根本上探討新疆農(nóng)業(yè)水土資源分配的差異性。

為了分析新疆不同地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源的匹配情況，本研究采用農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)的方法，對(duì)新疆14個(gè)地、州、市的農(nóng)業(yè)水土資源的匹配狀況進(jìn)行分析，探討新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配的時(shí)空差異，為各地區(qū)水、土地資源可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)(如圖1)位于我國(guó)西北地區(qū)，東經(jīng)73°40′～96°18′，北緯34°25′～48°10′，總面積166.49×664 km2，約占全國(guó)總面積的1/6。屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，光熱資源豐富，降水較少，蒸發(fā)量較大，年平均降水量154.8 mm，并且南疆和北疆降水量分配極不均衡。新疆水資源總量1 013.09 億m3，其中地表水963.96 億m3，地下水586.99 億m3。本文將新疆行政區(qū)劃分為14個(gè)地、州、市，分別為烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市、哈密市、昌吉回族自治州、博爾塔拉自治州、巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什地區(qū)、和田地區(qū)、伊犁哈薩克自治州(直屬)、塔城地區(qū)、阿勒泰地區(qū)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取了新疆14個(gè)地、州、市2008-2017年的水資源總量、總用水量、耕地面積來分析新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)。其中，水資源總量指當(dāng)?shù)亟邓纬傻牡乇砗偷叵庐a(chǎn)水總量，即地表徑流量與降水入滲補(bǔ)給量之和；總用水量指各類用水戶取用的包括輸水損失在內(nèi)的毛用水量；耕地面積指種植各種農(nóng)作物的土地面積，包括灌溉水田、望天田、水澆地、旱地、菜地等[10]。水資源總量、總用水量和耕地面積的數(shù)據(jù)均來源于歷年新疆統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2 研究方法

農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)法通過計(jì)算單位面積耕地所擁有的農(nóng)業(yè)可利用水資源量，進(jìn)而評(píng)價(jià)區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配水平，其值越大，則說明水資源滿足耕地資源的程度就越高，農(nóng)業(yè)用水基本條件就越好[11-12]。新疆14個(gè)地、州、市農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

新疆農(nóng)業(yè)水土匹配系數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

式中：Rp為新疆水土匹配系數(shù)，萬m3/hm2；αp為新疆農(nóng)業(yè)可利用水的比例。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 新疆水資源時(shí)空變化分析

新疆2008-2017年的水資源總量時(shí)間變化趨勢(shì)如圖2所示。從2008年到2017年新疆水資源總量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，水資源總量增加174.22 億m3。2010年水資源總量最大，為1 123.67 億m3，2014年水資源總量最小，為726.955 2 億m3。

圖2 2008-2017年新疆水資源總量變化圖Fig.2 Change in total water resources in Xinjiang from 2008 to 2017

新疆是典型的干旱內(nèi)陸區(qū)，降水量少，蒸發(fā)量大，新疆水資源總量和其他省區(qū)相比較小。2014年新疆出現(xiàn)洪旱災(zāi)情，總體是旱情大于汛情，大部地區(qū)降水偏少，河道來水、水庫蓄水偏少以及大風(fēng)揚(yáng)沙天氣等因素的影響，南疆大部分和北疆西部地區(qū)特別是伊犁河流域出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的旱情。2016年全疆降水量比往年多，由于極端天氣異常的影響，汛情來得早，部分河流發(fā)生有觀測(cè)資料以來最大洪水[13]，屬豐水年。馬玉龍[14]和李豫新[15]等對(duì)新疆的水資源的變化情況進(jìn)行分析，得出新疆的水資源量呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，與本文的研究結(jié)果一致。

由于新疆各地、州、市行政區(qū)面積差異較大，各地、州、市的水資源總量較難反映水資源的空間分布。因此，本文用各地、州、市的水資源總量除以各地、州、市的面積(各地、州、市單位面積上的水資源量)來分析新疆14個(gè)地、州、市的水資源的空間分布狀況。從圖3可以看出，新疆各地、州、市的水資源空間分布極不均衡。在北疆，伊犁哈薩克自治州和阿勒泰地區(qū)單位面積上的水資源量較多，分別為34.05 萬m3/km2和10.84 萬m3/km2；克拉瑪依市單位面積上的水資源量最少，為0.71 萬m3/km2。在東疆，吐魯番市和哈密市單位面積上的水資源量較少，分別為1.20 萬m3/km2和1.10 萬m3/km2。在南疆，克孜勒蘇柯爾克孜自治州的單位面積上的水資源量較多，為11.12 萬m3/km2；巴音郭楞蒙古自治州單位面積上的水資源量較少，為2.99 萬m3/km2。單位面積上的水資源量空間分布還與地形有較大關(guān)系，靠近阿爾泰山、天山和昆侖山的地區(qū)單位面積上的水資源量均較多，遠(yuǎn)離山區(qū)的地區(qū)單位面積上的水資源量均較少。

胡寶華等采用因子分析法，分析新疆干旱區(qū)水資源承載力的空間布局，得出新疆水資源承載力呈現(xiàn)出南弱北強(qiáng)的分布格局[16]。林秀鳳通過構(gòu)建水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用SVM模型，對(duì)新疆的水資源空間分布情況進(jìn)行了分析，得出了新疆水資源承載力空間分布不均衡，北疆地區(qū)水資源承載力高于南疆地區(qū)的結(jié)論[17]。本文的研究結(jié)果與林秀鳳、胡寶華等的研究結(jié)果一致。

圖3 新疆14個(gè)地、州、市單位面積水資源量空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of water resources per unit area of 14 prefectures,states and municipalities in Xinjiang

3.2 新疆耕地資源時(shí)空變化分析

對(duì)2008年和2017年新疆各地、州、市的耕地面積分布(見圖4)情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，從整體上看新疆各地、州、市耕地面積分布的特點(diǎn)為北疆整體較高，南疆部分地區(qū)較高、多數(shù)地區(qū)較低，東疆普遍較低，其中吐魯番市最低。2017年天山北坡耕地面積最大。

圖4 2008年和2017年新疆耕地面積空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of Xinjiang cultivated area in 2008 and 2017

本文用2017年耕地面積減去2008年耕地面積來分析2008年到2017年新疆14個(gè)地、州、市耕地面積的變化情況。2008-2017年新疆各地、州、市的耕地面積整體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。其中北疆地區(qū)耕地面積增加顯著的是塔城地區(qū)、昌吉州和伊犁州(直屬)分別增加了174 907.38、111 260.72和78 867.06 km2；增加不顯著的是克拉瑪依市，為21 605.23 km2。南疆地區(qū)耕地面積增加顯著的是喀什地區(qū)和阿克蘇地區(qū)，分別增加了163 332.31和45 705.34 km2；增加不顯著的是克孜勒蘇柯爾克孜自治州，為2 632 km2。東疆哈密市的耕地面積增加較為明顯，而吐魯番市的耕地面積變化不顯著。

墾殖率是指一定區(qū)域內(nèi)耕地面積占土地總面積的比例(新疆各地、州、市的耕地面積除以各地、州、市的面積)，能夠反映土地資源利用程度和結(jié)構(gòu)[18]。此處采用墾殖率來分析新疆14個(gè)地、州、市的耕地情況。由于2009-2016年新疆統(tǒng)計(jì)年鑒耕地面積均以2008年統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，因此本文選取的是2008年和2017年新疆耕地資源的數(shù)據(jù)來分析新疆墾殖率的變化情況(見圖5)。從整體上看新疆各地、州、市土地墾殖率分布的特點(diǎn)為北疆整體較高，南疆部分地區(qū)較高、多數(shù)地區(qū)較低，東疆整體較低。土地墾殖率越高，農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用率也就越高[18]。南疆的地形錯(cuò)綜復(fù)雜，氣溫高，蒸發(fā)量較大，荒漠化嚴(yán)重，可利用的生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱[19]。

本文用2017年土地墾殖率減去2008年土地墾殖來分析2008年到2017年新疆14個(gè)地、州、市土地墾殖率的變化情況。從2008年到2017年，土地墾殖率增加顯著的是克拉瑪依市和博爾塔拉蒙古自治州，分別增加0.026%和0.021%；土地墾殖率減少顯著的是烏魯木齊市，減少0.011%；土地墾殖率增加不顯著的是哈密市、巴音郭楞蒙古自治州和克孜勒蘇柯爾克孜自治州，墾殖率的變化介于0.003%～0.009%之間。由此可知，靠近天山地區(qū)的土地墾殖率較高，阿爾泰山和昆侖山地區(qū)的土地墾殖率相對(duì)較低。

圖5 2008年和2017年新疆墾殖率空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of Xinjiang reclamation rate in 2008 and 2017

賀可等選取1972-2015年遙感影像數(shù)據(jù)，通過對(duì)新疆土地利用及其綠洲動(dòng)態(tài)變化得出，新疆土地利用效率在不斷地提高[20]；王龍龍等采用1990、2000、2010年全國(guó)LUCC數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，分析新疆3個(gè)時(shí)期土地利用的變化情況，發(fā)現(xiàn)耕地的面積不斷增加[21]。馮雪力等運(yùn)用遙感抽樣、地理數(shù)學(xué)與3S技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)新疆耕地利用率進(jìn)行了研究，得出天山北坡的土地利用率較高[22]。本文的研究結(jié)果與前人的結(jié)論相一致。

3.3 新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)的時(shí)空分布特征

3.3.1 時(shí)間變化趨勢(shì)

由2008-2017年新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)趨勢(shì)(圖6)可知，2008年到2017年新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但不顯著。2014年新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)最低，為1.67 萬m3/hm2，2016年新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)最高，為2.56 萬m3/hm2。

圖6 2008-2017年新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)變化圖Fig.6 Change in the matching coefficient of agricultural soil and water resources in Xinjiang from 2008 to 2017

3.3.2 空間分布格局

本文以2017年為例，分析新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配的空間分布狀況(如圖7)。由圖7可知，新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)的空間分布極不均衡。從整體上看，北疆的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)整體低于南疆地區(qū)，北疆阿勒泰地區(qū)水土資源匹配系數(shù)最高，達(dá)到1.258 841 萬m3/hm2，克拉瑪依市和昌吉回族自治州的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)較低，介于0.541 18～0.442 14 萬m3/hm2之間。南疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)普遍較高，其中農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)最高的是克孜勒蘇柯爾克孜自治州，為1.607 166 萬m3/hm2。王潔云[8]等對(duì)新疆水土資源綜合承載力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)塔城地區(qū)和博爾塔拉蒙古自治州的水土資源綜合承載力最高，伊犁哈薩克自治州(直屬)和巴音郭楞蒙古自治州次之。本文通過對(duì)新疆14個(gè)地、州、市2017年農(nóng)業(yè)水土資源的匹配系數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，克孜勒蘇柯爾克孜自治州的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)較高，阿勒泰地區(qū)和和田地區(qū)次之，伊犁哈薩克自治州(直屬)和巴音郭楞蒙古自治州排第三。由此可以發(fā)現(xiàn)，新疆水土資源綜合承載力的空間分布與農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)的空間分布是存在差異的。水土資源承載力側(cè)重于土地資源可承受生產(chǎn)生活程度的量化度量[23]，而水土匹配系數(shù)主要反映的是水資源與耕地資源的狀況[18]。

圖7 2017年新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)空間分布圖Fig. 7 Spatial distribution map of Xinjiang agricultural soil and water resources matching coefficient in 2017 to 2017

本文用新疆2017年農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)減去2008年農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)(見圖8)，來分析2008年到2017年新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)變化的空間分布情況。由圖8可知，從2008年到2017年，北疆地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)整體處于增加趨勢(shì)，其中阿勒泰地區(qū)增加最為明顯，為1.259 萬m3/hm2，其次是伊犁哈薩克自治州(直屬)為0.510 萬m3/hm2，烏魯木齊市農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)增加了0.24 萬m3/hm2，而博爾塔拉蒙古自治州農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)降低了0.493 萬m3/hm2；南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)僅有克孜勒蘇柯爾克孜自治州和和田地區(qū)增加較為明顯，分別增加1.607和0.490 萬m3/hm2，喀什地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)降低了0.3 萬m3/hm2；東疆地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)均有微弱減小趨勢(shì)。

圖8 新疆14個(gè)地、州、市農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)變化空間分布圖Fig.8 Spatial distribution map of the matching coefficient of agricultural soil and water resources in 14 prefectures, states and cities in Xinjiang

4 結(jié) 論

水土資源的時(shí)空匹配程度會(huì)影響到某區(qū)域的耕地利用變化情況。本文采用農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)為指標(biāo)，對(duì)新疆14個(gè)地、州、市的水土資源匹配情況進(jìn)行了分析。得出以下結(jié)論：

(1)從時(shí)間上看，2008-2017年新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)整體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，其中2014年新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)最低，2016年新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)最高。新疆農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)與水資源總量的趨勢(shì)一致。

(2)從空間上看，北疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)整體較低，南疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)較高。其中北疆阿勒泰地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)較高，南疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)最高。從2008年到2017年，北疆地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)整體處于增加趨勢(shì)，其中阿勒泰地區(qū)增加最為明顯，其次是伊犁哈薩克自治州(直屬)和烏魯木齊市；南疆地區(qū)僅有克孜勒蘇柯爾克孜自治州和和田地區(qū)的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)增加較為明顯；東疆地區(qū)水土資源匹配系數(shù)均有微弱減小趨勢(shì)。北疆博爾塔拉蒙古自治州和南疆的喀什地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)減少最明顯，分別降低了0.49和0.30 萬m3/hm2。

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