中國水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合協(xié)調研究

彭 書 范,吳 學 兵

(1.長江大學 湖北農(nóng)村發(fā)展研究中心,湖北 荊州 434023; 2.長江大學 經(jīng)濟與管理學院,湖北 荊州 434023)

0 引 言

習近平總書記在黨的二十大報告中指出,高質量發(fā)展是全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的首要任務。而農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展是高質量發(fā)展的應有之義,是建設農(nóng)業(yè)強國的“重要抓手”。但農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展面臨水資源剛性約束,中國水資源總量雖然豐富,但時空分布十分不均。農(nóng)業(yè)是中國第一用水大戶,消耗全國總用水量的60%～65%[1],水資源與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的空間分布不匹配和粗放式農(nóng)業(yè)高耗水問題制約著中國農(nóng)業(yè)的高質量發(fā)展[2]。水資源承載力被認為是區(qū)域水資源承載狀態(tài)的評判標準,對實現(xiàn)經(jīng)濟社會與環(huán)境保護協(xié)同作用具有重要意義[3]。鑒于此,研究水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量耦合協(xié)調發(fā)展具有重要的理論和實踐意義。

國內(nèi)學者針對中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展已開展了廣泛深入研究。關于農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展,已有研究主要從農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展的內(nèi)涵、存在的問題與對策等定性方面展開分析[4],以及農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展的指標評價體系構建與測度[5],并從土地流轉政策[6]、人口老齡化和社會化服務[7]等切入點對農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展的影響進行了探討。關于水資源承載力,已有研究主要運用模糊綜合評價法[8]、四元聯(lián)系數(shù)減法集對勢[9]和改進TOPSIS模型[10]等方法對水資源承載力進行評價。關于水資源與其他領域的耦合協(xié)調,主要研究包括水資源與經(jīng)濟社會耦合協(xié)調[11],水資源、能源與環(huán)境耦合協(xié)調[12],水資源能源和糧食系統(tǒng)協(xié)調[13],以及水資源承載力與城鎮(zhèn)化質量協(xié)調[14]等4個方面。

綜上所述,農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展和水資源承載力的研究相對豐富,但鮮有對兩者的耦合協(xié)調進行研究,缺少對水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量協(xié)調發(fā)展的交互機理和耦合關系研究,運用空間分析方法分析農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展的研究也相對稀缺。將水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展作為整體來考慮其耦合協(xié)調對于保障糧食安全、實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和建設中國式農(nóng)業(yè)強國具有重要意義。本文選擇中國31個省(自治區(qū)、直轄市)為研究區(qū)域(香港、澳門特別行政區(qū)和臺灣省未列入本次研究),采用CRITIC權重法、耦合協(xié)調度模型和空間自相關模型等方法分析2011～2020年中國水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量協(xié)調發(fā)展的水平和時空特征,以期為緩解用水壓力、提高農(nóng)業(yè)發(fā)展質量提供有益思考。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

1.1.1水資源概況

中國河流、湖泊數(shù)量眾多,水資源總量豐富但人均較少,且分布不均勻,整體呈現(xiàn)“東多西少”“南多北少”以及“夏秋多、冬春少”的時空差異格局。從2011～2020年,中國水資源總量從23 257億m3增加到31 605億m3,人均水資源量也從1 726 m3提升至2 240 m3。中國水資源總量位居世界第四,但人均水資源量不到世界平均水平的28%。水資源短缺長期制約著中國農(nóng)業(yè)發(fā)展。

1.1.2農(nóng)業(yè)發(fā)展概況

2011～2020年,中國糧食產(chǎn)量逐年增長,農(nóng)業(yè)占GDP的比重逐年下降。糧食總產(chǎn)量從57 120.8萬t提高到66 949.2萬t,人均糧食產(chǎn)量從437.5 kg增長到474.4 kg。第一產(chǎn)業(yè)增加值由44 781.4億元提高到77 754.1億元,所占比重從9.2%下降到7.7%。農(nóng)業(yè)用水量從2011年的3 743.6億m3降低到2020年的3 612.4億m3,有效灌溉面積從616 816 km2增長到691 605 km2。目前中國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨環(huán)境與資源的約束。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文章選取中國31個省(自治區(qū)、直轄市)2011～2020年的數(shù)據(jù)進行研究,數(shù)據(jù)來自EPS數(shù)據(jù)庫和《中國水資源公報》,以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家林業(yè)和草原局、國家統(tǒng)計局、水利部、國家糧食和物資儲備局官方網(wǎng)站等,少數(shù)缺失值根據(jù)歷年數(shù)據(jù)擬合得出。

2 研究方法與指標體系

本文分別構建水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展評價體系,采用CRITIC權重法對中國31個省(自治區(qū)、直轄市)2011～2020年水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平進行量化分析,計算出各省(自治區(qū)、直轄市)水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平綜合得分,進一步度量二者的耦合協(xié)調度,以客觀評價中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展的耦合協(xié)調水平以及時空特征。

2.1 研究方法

2.1.1CRITIC權重法

為客觀評價中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平,本文采用CRITIC權重法測算指標權重。CRITIC權重法是基于評價指標的,其通過對比強度和指標之間的沖突性來綜合衡量指標的客觀權重,相較于熵權法和標準離差法,CRITIC權重法更加客觀和科學[15]。

首先對指標進行無量綱化處理,標準化處理會使波動性指標失去意義[16],因此用正向化或逆向化處理。

若Xij為正向指標:

(1)

若Xij為負向指標:

(2)

標準變異性:

(3)

然后計算指標沖突性,用相關系數(shù)表示。與其他指標的相關性越強,該指標與其他指標之間的沖突越小,反映的相同信息越多,可以反映的評價內(nèi)容越重復,在一定程度上也削弱了該指標的評價強度,應減少分配給該指標的權重。用Rij代表指標i與j之間的相關系數(shù),Rj表示第j個指標與其他指標的沖突性。

指標沖突性:

(4)

公式(3)、(4)從兩個不同的方面定義了Sj和Rj,將其綜合起來則構成信息量,信息量越大則應分配更多的權重。其中Cj表示第j個指標在整個指標體系中的作用。

信息量:

(5)

得到信息量之后就可以根據(jù)信息量進行賦權,Wj表示第j個指標的權重:

(6)

2.1.2耦合度及耦合協(xié)調度模型構建

(1) 耦合度及耦合協(xié)調度模型。耦合度主要是指兩個及兩個以上系統(tǒng)相互關聯(lián)、相互影響的關系,耦合度數(shù)值的大小與選取要素之間的關聯(lián)程度的大小成正比。本文借鑒相關學者的選擇指標思路與測度方法運用耦合協(xié)調度模型來計量水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量協(xié)同發(fā)展水平,通過構建水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展的評價指標體系,建立水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展的耦合協(xié)調度模型。分別計算兩者的耦合度及耦合協(xié)調度,用耦合度來表示水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量之間相互影響的強弱程度,即耦合度越高,兩者之間的協(xié)調度越高;用耦合協(xié)調度來反映相互耦合的協(xié)調水平,最后整合分析水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量協(xié)調發(fā)展程度。

(2) 耦合度計算及其等級標準劃分。前文中對選取指標的原數(shù)值進行標準化處理并通過使用CRITIC權重法分別計算出了水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展選取指標的權重,利用上文所得權重計算綜合貢獻值,用Pi表示第i個樣本的評價水平,其公式如下:

(7)

計算水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展之間的耦合度C來反映兩者間關聯(lián)度的大小,耦合度數(shù)值越大,二者的協(xié)調度越高,公式如下:

(8)

耦合度C的取值范圍為[0,1],為了便于各地區(qū)進行比較,對耦合度進行階段劃分,當耦合度C值分別位于[0.0,0.3)、[0.3,0.5)、[0.5,0.8)和[0.8,1.0]區(qū)間時,耦合階段分別為低水平耦合、拮抗耦合、良性耦合和高水平耦合。

(3) 耦合協(xié)調度及其等級標準劃分。為防止水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展程度較高的情況發(fā)生,首先計算綜合評價指數(shù)T,即兩產(chǎn)業(yè)在融合過程中各自的權重占比:

T=α·P1+β·P2

(9)

式中:α,β為待定系數(shù),且二者之和為1,考慮到水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展同等重要,所以α,β均取值0.5。

隨后計算耦合協(xié)調度D來表示水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展的協(xié)調發(fā)展程度:

(10)

耦合協(xié)調度D的取值范圍為[0,1],為便于分析,對耦合協(xié)調度進行階段劃分,見表1。

表1 耦合協(xié)調度階段劃分

2.1.3空間自相關檢驗

空間自相關模型能進一步觀測水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展的耦合協(xié)調是否存在空間集聚特征,以及各省份的耦合協(xié)調度是否存在空間溢出效應。分別采用全局莫蘭指數(shù)和局部莫蘭指數(shù)來檢驗空間相關性及空間集聚情況。

全局莫蘭指數(shù):

(11)

局部莫蘭指數(shù):

(12)

2.2 指標體系構建

本文在參考國內(nèi)外相關研究成果的基礎下,結合中國水資源和農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實情況和數(shù)據(jù)可得性,分別構建水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展評價體系,見表2。其中水資源承載力指標體系借鑒文獻[13,17],從水資源、經(jīng)濟發(fā)展、社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境4個維度,遴選16個指標;農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展指標體系借鑒文獻[18],從生產(chǎn)生活、資源消耗、質效提升、社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境5個維度,選取22個二級指標。

表2 水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展評價體系

3 結果分析

3.1 水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展的時空特征分析

根據(jù)表2評價體系,利用CRITIC權重法測算出中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平。綜合來看,中國水資源承載力、農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平在研究時段內(nèi)均為整體上升趨勢,且農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展速度高于水資源承載力發(fā)展速度。水資源承載力指數(shù)從2011年的0.449增長到2020年的0.495,增長10.24%,農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展指數(shù)從2011年的0.485增長到2020年的0.565,增長16.49%。將中國水資源承載力、農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平按四大區(qū)域進行劃分,見表3。

10 a內(nèi)中國水資源承載力指數(shù)有較大提升,各地區(qū)10 a平均值排名為:中部>東部>西部>全國平均值>東北,東部增長速度最快,東北次之,中部和西部增長速度低于全國平均值。從水資源承載力評價體系具體指標來看,單位農(nóng)田用水和萬元產(chǎn)值工業(yè)用水降幅明顯,城市污水處理能力逐年提高,廢水中各類污染物排放數(shù)量減少,但人均生活用水有所增長。中國水資源承載力指數(shù)在2011～2020年有一次波動,各省2016年水資源承載力指數(shù)較上一年有較大提升,并在隨后1～2 a內(nèi)達到10 a峰值,這主要是因為歷年水資源量受自然影響變化較大,中國2016年水資源總量達到3.25萬億m3,較2015年的2.8萬億m3提高了約16%。

中國農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平較高,且增速快,東北農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展指數(shù)最高,東部其次,中西部則低于全國平均值。從評價子維度來看,生產(chǎn)生活、社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境部分在過去10 a里發(fā)展較好,增幅分別為46.215%,29.627%和24.960%,說明中國農(nóng)民生活水平、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和鄉(xiāng)村環(huán)境治理有了較為明顯的提升,但質效提升部分只提高了5.972%,說明中國土地生產(chǎn)效率、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比和產(chǎn)業(yè)結構調整進步較慢,資源消耗部分10 a僅提高了1.519%,中國農(nóng)業(yè)發(fā)展依然沒有擺脫農(nóng)藥、化肥和化石能源依賴。

3.2 水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合協(xié)調度的時空耦合分析

計算水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合度和協(xié)調度,見表4。從2011～2020年水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合度來看,10 a里耦合度從0.796增長到了0.948,增速為19.095%,東北以93.241%的增長率排名第一,其次是西部的20.865%和東部的10.411%,增長速度最低的是中部的8.891%,與2011年相比,2020年各省耦合度差距有所減少。到2020年,除海南、寧夏和青海外,其他省份耦合度均在0.9以上,說明中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展存在較強的相關性,兩者聯(lián)系緊密,相互影響。從各地區(qū)水資源承載力-農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合度排名來看,中部和東北部地區(qū)排名靠前,特別是中部地區(qū)耦合水平遠高于其他地區(qū)。西部地區(qū)耦合度略高于全國平均水平,東部地區(qū)則落后其他地區(qū)。

表4 水資源承載力-農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合度與協(xié)調度

從2011～2020年各地區(qū)水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展協(xié)調度發(fā)展水平來看,中國耦合協(xié)調水平從2011年的0.464發(fā)展到2020年的0.768,10 a增幅為65.517%,從瀕臨失調逐漸達到中級協(xié)調水平。整體表現(xiàn)出東北地區(qū)較好,中西部地區(qū)水平接近,東部低于全國平均水平。中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展之間耦合協(xié)調水平逐漸提高,兩者能夠實現(xiàn)良好的互相促進作用。

3.3 耦合協(xié)調度空間自相關分析

空間上相鄰的省份可能位于同一地理區(qū)域或同一經(jīng)濟帶,自然條件和經(jīng)濟基礎趨同,在發(fā)展農(nóng)業(yè)和利用水資源時會存在一定程度的借鑒情況,為提高水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展協(xié)調水平提供有利條件。由于各省水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展理論上存在空間關聯(lián)性,因此進行空間計量分析。運用Stata15.1軟件計算中國2011～2020年水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合協(xié)調度的全局和局部莫蘭指數(shù),結果見表5和表6。由表5結果可知,所有年份全局莫蘭指數(shù)所對應的p值均小于0.1,除2018年和2020年外,其他年份p值小于0.05,通過了顯著性檢驗,表明中國水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合協(xié)調度存在一定的空間自相關性。2011～2020年中國水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合協(xié)調度的全局莫蘭指數(shù)從0.349下降到0.118,說明中國各省間耦合協(xié)調有一定程度的互動,但其空間依賴性則表現(xiàn)出由強減弱的變化態(tài)勢,即耦合協(xié)調度高的地區(qū)和耦合協(xié)調度低的地區(qū)在空間上均趨于相鄰。

表5 水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合協(xié)調度全局莫蘭指數(shù)

表6 耦合協(xié)調度局部莫蘭指數(shù)散點圖結果

莫蘭指數(shù)散點圖分為4個象限,分別對應“高-高”、“低-高”、“低-低”、“高-低”4個類型聚集區(qū)。分布于第一、三象限的省份存在較強的空間正相關性,而位于第二、四象限的省份存在較強的空間負相關性。根據(jù)莫蘭指數(shù)散點圖整理各省份象限分布表(見表6),可以發(fā)現(xiàn)多數(shù)省份分布在第一、三象限,說明中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合協(xié)調度的空間正相關性占據(jù)主導地位。耦合協(xié)調度在空間上存在集聚現(xiàn)象,不過不同時間的集聚特征存在差異,反映出中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量協(xié)調發(fā)展還沒有形成穩(wěn)定的空間格局,各省份水資源利用和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展策略還在不斷變化和調整。

從各類型區(qū)省份分布來看,“高-高”型分布的省份多為中部和東北地區(qū),西部省份多“低-低”集聚,說明中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量協(xié)調發(fā)展水平在空間上不均衡。中部和東北地區(qū)協(xié)調發(fā)展較好,存在一定空間溢出效應,能夠帶動鄰近地區(qū)發(fā)展。西部地區(qū)協(xié)調發(fā)展水平有待提高,大部分西部省份協(xié)調發(fā)展欠佳且對周圍地區(qū)輻射較低、缺少滲透。

表6中4個年份均出現(xiàn)在“低-高”聚集區(qū)的有上海和寧夏,處于“低-高”聚集的地區(qū)應學習發(fā)展水平較好省份的經(jīng)驗,提高自身水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量協(xié)調發(fā)展水平。均在“高-低”聚集區(qū)的有內(nèi)蒙古、四川、浙江和湖北,說明這些地方協(xié)調發(fā)展較好,但對周圍鄰近省份輻射帶動作用不足。

4 討論與結論

4.1 討 論

本文構建的水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展評價體系參考了諸多學者的研究成果,較以往相關研究更加全面,但囿于數(shù)據(jù)可得性,仍有不足之處,后續(xù)研究可參考本文評價體系進行改進。為比較各省水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平,文章對各省評價時采用統(tǒng)一的指標體系,具有普適性,但中國地域遼闊、省份間情況各異,如果后續(xù)研究區(qū)域聚焦于某一省份或地區(qū),可根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)實情況進行調整,提高評價體系的針對性。

對水資源承載力評價發(fā)現(xiàn)中國水資源承載力有較大提升,該發(fā)展趨勢與趙偉靜等[2]對中國糧食主產(chǎn)區(qū)13個省份水資源承載力測度結果一致。中國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水效率有所提高,但居民生活用水量逐年增加,應通過多種形式增強居民節(jié)水意識,減少水資源浪費。支持節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展,進一步降低單位農(nóng)田用水量。鼓勵建設跨區(qū)域調水設施,修建水庫、大壩,緩解中國水資源時空分布不均衡的問題。

文章對農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平進行測度發(fā)現(xiàn)中國東北和東部地區(qū)較高,中西部地區(qū)農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平相對較低,該結論與劉濤等[25]和于婷等[19]的研究結果趨于一致。中國各地資源稟賦不同,因此各省制定農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展方案時要根據(jù)本地實際情況,因地制宜、因時制宜進行規(guī)劃。對于質效提升和資源消耗部分在過去10 a發(fā)展緩慢的問題,要對產(chǎn)業(yè)結構進行調整,合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn),重視農(nóng)業(yè)人才培養(yǎng)和農(nóng)業(yè)技術推廣,利用生產(chǎn)水平提高促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提升,減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的資源消耗。

中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合協(xié)調度空間依賴性表現(xiàn)出由強減弱的變化趨勢,中國耦合協(xié)調度整體水平不高,各地差異較大,建議進行整體規(guī)劃,耦合協(xié)調度高的省份可發(fā)揮輻射帶動作用,提高周邊省份的協(xié)調性。

4.2 結 論

文章采用CRITIC權重法對中國31個省(自治區(qū)、直轄市,港澳臺未統(tǒng)計)2011～2020年水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平進行測算和研究,而后進一步度量二者的耦合協(xié)調度,分析中國水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量協(xié)調發(fā)展的耦合協(xié)調水平和時空特征。最終得出以下結論:① 中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展水平在研究時段內(nèi)有較大提升。水資源承載力指數(shù)10 a平均值地區(qū)排名為:中部>東部>西部>全國平均值>東北。農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展指數(shù)東北最高,東部其次,中西部則低于全國平均值。② 水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合度和耦合協(xié)調度從2011～2020年分別增長19.095%和65.517%。中部和東北部地區(qū)耦合度排名靠前,西部地區(qū)高于全國平均水平,東部地區(qū)則落后于其他地區(qū)。研究時段內(nèi)協(xié)調度水平逐漸提高,從瀕臨失調逐漸達到中級協(xié)調水平,整體表現(xiàn)出東北地區(qū)較好,中西部地區(qū)水平接近,東部低于全國平均水平。③ 全局莫蘭指數(shù)表明中國水資源承載力與農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合協(xié)調度存在一定的空間自相關性,各省間耦合協(xié)調有一定程度的互動,但其空間依賴性則表現(xiàn)出由強減弱的變化態(tài)勢。局部莫蘭指數(shù)說明中國水資源承載力和農(nóng)業(yè)高質量發(fā)展耦合協(xié)調度在空間上存在集聚現(xiàn)象,但還沒有形成穩(wěn)定的空間格局。