基于主成分分析的黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力評價研究

張麗霞，劉淑英，王平，張瑞浩，王靜怡

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

農(nóng)業(yè)作為第一產(chǎn)業(yè)，是社會分工和國民經(jīng)濟(jì)其他部門獨(dú)立和發(fā)展的基礎(chǔ)。水資源對農(nóng)業(yè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，充足的水資源是農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)，優(yōu)質(zhì)的水資源是農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。

就水資源承載力而言，眾多學(xué)者采用不同研究方法從不同尺度展開了一系列研究[2-7]，其研究主要包括流域、灌區(qū)、行政區(qū)（市、縣），研究內(nèi)容主要包括水資源承載力的可持續(xù)發(fā)展問題，水資源承載力的動態(tài)模擬評估等，研究方法主要有主成分分析法、生態(tài)足跡法、五元聯(lián)系數(shù)法、模糊綜合評價法等，這為研究農(nóng)業(yè)水資源承載力提供了一定的理論與方法參考。

目前對于黑河流域乃至中游地區(qū)的研究大多是對水資源承載力的綜合評價，而對于農(nóng)業(yè)水資源承載力的研究較少。本文利用主成分分析法對黑河流域中游農(nóng)業(yè)水資源承載力進(jìn)行評價，進(jìn)一步探討農(nóng)業(yè)水資源對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的支撐能力，進(jìn)而為黑河流域中游農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供一定參考。

1 研究內(nèi)容

1.1 農(nóng)業(yè)水資源承載力的含義

以水資源承載力的概念為依據(jù)，農(nóng)業(yè)水資源承載力可定義為以維護(hù)生態(tài)良性循環(huán)發(fā)展為條件，水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展的最大支撐能力。農(nóng)業(yè)水資源承載農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的理想狀態(tài)為最大程度地提高用水效率[8-12]。

1.2 研究區(qū)域概況

黑河中游區(qū)包括甘肅省張掖市的甘州區(qū)、臨澤縣、高臺縣、民樂縣、山丹縣，總面積約1.96×104平方千米，年降水量在50～250 毫米之間，年蒸發(fā)量大于1 000毫米，光熱資源豐富，屬溫帶荒漠氣候。黑河中游是典型的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，集中了全流域80%的綠洲、95%的耕地、91%的人口和89%的GDP，承擔(dān)保障下游生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水供給的責(zé)任[13]。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究基礎(chǔ)性統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于《甘肅省統(tǒng)計年鑒》（2015-2019 年部分）、《張掖市統(tǒng)計年鑒》（2015-2019 年部分）、《甘肅省水資源公報》（2015-2019年部分）等；本研究采用的基礎(chǔ)性地理數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心（https://www.webmap.cn//），包括景觀單元邊界、行政區(qū)邊界、水系、河網(wǎng)數(shù)據(jù)等。

2.2 農(nóng)業(yè)水資源承載力指標(biāo)體系構(gòu)建

參照現(xiàn)有研究中關(guān)于農(nóng)業(yè)水資源承載力評價指標(biāo)選取的內(nèi)容以及統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，結(jié)合黑河流域中游農(nóng)業(yè)水資源的特點(diǎn)及農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響因素，選取了9 項(xiàng)評價指標(biāo)（見表1）。

表1 黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力評價指標(biāo)體系

2.3 評價方法

本研究采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，利用主成分分析法對黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力進(jìn)行評價。

2.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

2.3.2 熵權(quán)法確定權(quán)重。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，在具體使用過程中，可以用熵值判斷某個指標(biāo)的離散程度，計算出各個指標(biāo)的權(quán)重，為多指標(biāo)綜合評價提供依據(jù)[14]。

計算每個指標(biāo)的熵值ej和冗余值dj：

式中，pij為第j 個指標(biāo)下第i 個項(xiàng)目的指標(biāo)值的權(quán)重。

計算指標(biāo)權(quán)重Wj：

2.3.3 主成分分析法。主成分分析法是一種降維的統(tǒng)計方法，它將多個相關(guān)變量重新組合為互相無關(guān)的綜合指標(biāo)[15]，一般步驟為：

（1）對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

（2）生成相關(guān)系數(shù)矩陣R。

（3）計算R 的P 個特征值并確定主成分貢獻(xiàn)率：

式中，Ui1,Ui2,…,Uip分別表示第1,2,…,P 個特征值分別對應(yīng)的特征向量；C1,C2,…,Cp分別表示第1,2,…,P個原始變量的標(biāo)準(zhǔn)化變量。

（4）計算累計貢獻(xiàn)率，一般按累計貢獻(xiàn)率≥85%的原則確定主成分個數(shù)；累積貢獻(xiàn)率達(dá)到或超過85%時，說明前m 個主成分已包含了原始變量的絕大部分信息，則可選取前m 個主成分構(gòu)成綜合評價函數(shù)。

（5）計算主成分權(quán)重與得分。

（6）構(gòu)造綜合評價函數(shù)：

由式（8）得出綜合得分，F(xiàn) 值越大表示這個主成分的綜合得分越高。

2.3.4 黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力分級標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)農(nóng)業(yè)水資源承載力綜合得分大小進(jìn)行分級，以此劃定評價標(biāo)準(zhǔn)，參考相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容和現(xiàn)有研究成果[16-17]，以及結(jié)合黑河中游農(nóng)業(yè)水資源的特點(diǎn)，將其農(nóng)業(yè)水資源承載力的大小分為三個等級（見表2）。

表2 黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力綜合得分分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析

3.1 黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力年際變化分析

選取反映黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力的9 個因子，運(yùn)用SPSS 25.0 統(tǒng)計軟件進(jìn)行主成分分析，可得主成分的特征值、貢獻(xiàn)率、累計貢獻(xiàn)率（見表3）。由表3 可知前三個主成分的累計貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了90.667%，可以認(rèn)為三大主成分已經(jīng)全面地反映了所選9 項(xiàng)影響因子的絕大多數(shù)信息，可以充分體現(xiàn)黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力的年際變化趨勢。

表3 黑河中游主成分特征值及貢獻(xiàn)率

主成分得分系數(shù)矩陣反映了主成分與影響因子間的關(guān)系（見表4）。由表3 和表4 可得，第1 主成分Z1的貢獻(xiàn)率為48.659%，在第1 主成分中，人均糧食產(chǎn)量（C5）、耕地灌溉率（C7）2 項(xiàng)評價指標(biāo)所占比重明顯超過另外7 項(xiàng)指標(biāo)的比重，可以看出人均糧食產(chǎn)量與耕地灌溉率對黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響較大，同時也反映出區(qū)域灌溉工程或設(shè)備配備情況對農(nóng)業(yè)水資源承載力大小的影響。第2 主成分Z2的貢獻(xiàn)率為25.91%，在第2 主成分中，耕地面積（C4）、農(nóng)業(yè)人均產(chǎn)值（C6）、農(nóng)業(yè)用水比例（C8）、單方水農(nóng)業(yè)產(chǎn)值（C9）4 項(xiàng)指標(biāo)較其它5 項(xiàng)指標(biāo)所占比重大，對農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響更大，體現(xiàn)出農(nóng)業(yè)用水量對農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響。第3 主成分Z3的貢獻(xiàn)率為16.098%，其中，地表水（C1）、地下水（C2）、降水量（C3）3 項(xiàng)指標(biāo)所占比重較大，體現(xiàn)出自然資源對農(nóng)業(yè)水資源承載力的重大影響?？梢钥闯觯孛娣e（C4）在3 個主成分中所占比重均偏大。

表4 黑河中游主成分得分系數(shù)矩陣

黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力的綜合排名（2015—2019）如表5 所示。其中，Y1、Y2、Y3是主成分得分，Y是主成分的綜合得分。由表中排名可見，2015—2019年第一主成分Y1的得分總體是明顯升高的，從2015年的0.182 升高到2019 年的0.321。由于第一主成分所占權(quán)重最高，故其關(guān)聯(lián)指標(biāo)對于農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響也較大。第二主成分Y2的得分總體呈增長趨勢，且年際間變化偏小，2017 年得分最低，其中農(nóng)業(yè)用水比例這一負(fù)指標(biāo)在2017 年上升較為明顯，說明2017 年農(nóng)業(yè)水資源的開發(fā)利用程度不夠充分。第三主成分Y3的得分趨勢較平緩，且關(guān)聯(lián)指標(biāo)為自然資源類指標(biāo)，表征自然資源的豐富度及其開發(fā)利用程度，其中2019 年的得分最高為0.157。

表5 黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力的綜合排名（2015—2019）

黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力綜合得分如圖1 所示，綜合得分Y 值越大，說明農(nóng)業(yè)水資源承載力越大，反之越小。2015—2018 年承載力的得分大致在0.35～0.55 之間波動，2018 年承載力最低，2019 年承載力最高，2018年到2019 年上升幅度較大，是因?yàn)?018 年較2019 年降水量低。2018 年初，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的貫徹實(shí)施及農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的深入推進(jìn)，水資源開發(fā)利用技術(shù)和灌溉設(shè)備更加完善，農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量隨之提高，承載力的大小隨著農(nóng)業(yè)用水效率的提高而升高。由表2 可知，2015—2019年，2015 年、2016 年與2017 年均處于中等承載力，2018 年的承載力綜合得分為0.343，分值最小，處于弱承載力，2019 年黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力的綜合得分為0.672，處于高承載力。

圖1 黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力綜合得分（2015—2019）

3.2 黑河中游各縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)水資源承載力分析

為了更全面地了解黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力的變化狀況，在對黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力進(jìn)行年際變化分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對黑河中游各縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)水資源承載力進(jìn)行分析，以其得到更科學(xué)客觀的結(jié)果。由表6 得知，前三個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到了91.842%，可以較全面地反映黑河中游各縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)水資源承載力的變化趨勢。

表6 黑河中游各縣（區(qū)）主成分特征值及貢獻(xiàn)率

由表7 可看出，第一主成分與C1、C2之間有著較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，第二主成分與C4、C5、C6、C7之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。第一主成分主要體現(xiàn)了自然水資源的影響因子，黑河中游各縣（區(qū)）地表水資源量與地下水資源量差異較大，這將影響到各縣（區(qū)）的農(nóng)業(yè)水資源承載力。隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高及水資源開采利用技術(shù)的不斷加強(qiáng)，地表水與地下水可利用量增大，這又對各縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)水資源承載力的提高起到一定的推動作用。第二主成分主要體現(xiàn)了社會經(jīng)濟(jì)的影響因子，耕地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的載體，其面積對人均糧食產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)人均產(chǎn)值有直接影響。第三主成分主要體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)水資源開發(fā)利用的影響因子，農(nóng)業(yè)水資源開發(fā)利用技術(shù)的加強(qiáng)對于提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率具有重要作用，農(nóng)業(yè)水資源利用效率提高的同時，農(nóng)業(yè)用水比例下降，進(jìn)而影響黑河中游各縣（區(qū)）的農(nóng)業(yè)水資源承載力。

表7 黑河中游各縣（區(qū)）主成分得分系數(shù)矩陣

由表8 主成分得分及綜合排名可知，第一主成分的得分與各縣（區(qū)）綜合得分基本趨于一致，這主要是因?yàn)榈谝恢鞒煞值呢暙I(xiàn)率較高（36.392%），說明自然水資源對農(nóng)業(yè)水資源的承載力大小起決定性作用。從各縣（區(qū)）綜合排名可知，甘州區(qū)的綜合得分為0.682，排名第一，這是由于甘州區(qū)總面積相對比較大的同時耕地面積也偏大，得益于地表水與地下水資源條件的優(yōu)越性，甘州區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源承載力居于首位。臨澤縣與民樂縣綜合排名均靠前的共同原因在于具有優(yōu)越的自然資源優(yōu)勢，此外，臨澤縣由于具備良好的水利灌溉基礎(chǔ)條件，耕地灌溉率隨之提高，對于促進(jìn)農(nóng)業(yè)水資源承載力發(fā)揮了積極作用[18]。高臺縣和山丹縣農(nóng)業(yè)灌溉基礎(chǔ)設(shè)施陳舊，輸水損失大，浪費(fèi)嚴(yán)重。此外，山丹縣自然條件惡劣，對農(nóng)作物的生長造成嚴(yán)重影響，這在一定程度上大大影響了農(nóng)業(yè)水資源承載力[19]?？傮w來講，黑河中游各縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)用水比例偏大，利用效率偏低，農(nóng)業(yè)水資源開發(fā)利用技術(shù)還有很大的發(fā)展空間與潛力。

表8 黑河中游各縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)水資源承載力的綜合排名

由表2 和表8 可知，甘州區(qū)的綜合得分為0.682，在黑河中游各縣（區(qū)）中分值最大，處于高承載力，民樂縣和臨澤縣處于中等承載力，高臺縣和山丹縣處于弱承載力，其中，山丹縣綜合得分為0.243，分值最小。

4 結(jié)論與討論

（1）影響黑河中游農(nóng)業(yè)水資源承載力的主要因子有耕地灌溉率、地表水與地下水資源量，這也與農(nóng)業(yè)水資源承載力的含義相呼應(yīng)，即水資源開發(fā)使用量不變時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越大，農(nóng)業(yè)水資源承載力越高。

（2）從時間上看，2015—2019年，黑河中游的農(nóng)業(yè)水資源承載力呈現(xiàn)出上升趨勢。其中，2015 年、2016年與2017 年均處于中等承載力，2018 年的綜合得分為0.343，分值最小，農(nóng)業(yè)水資源承載力最小且處于弱承載力，2019 年黑河中游綜合得分為0.672，分值最大，農(nóng)業(yè)水資源承載力最大且處于高承載力，2019 年的綜合得分是2018 年的1.96 倍。

（3）從空間上看，甘州區(qū)的綜合得分為0.682，在黑河中游各縣（區(qū)）中分值最大，處于高承載力，民樂縣和臨澤縣處于中等承載力，高臺縣和山丹縣處于弱承載力，其中，山丹縣綜合得分為0.243，分值最小，甘州區(qū)的綜合得分是山丹縣的2.81 倍。

（4）從黑河中游各縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)水資源承載力的比較分析可知，高臺縣與山丹縣農(nóng)業(yè)水資源承載力相對較弱，應(yīng)積極完善灌溉基礎(chǔ)設(shè)施，提高農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，加強(qiáng)水資源的綜合管理。此外，針對黑河中游各縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)用水比例均偏高的問題，應(yīng)調(diào)整現(xiàn)有水資源的開發(fā)利用結(jié)構(gòu)，使有限的水資源發(fā)揮最大的效益。