李天霄，付強(qiáng)*，孟凡香,2

黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配格局研究

李天霄1，付強(qiáng)1*，孟凡香1,2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱150030；2.黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150030）

基于黑龍江省2000~2014年13個(gè)地市水資源總量、耕地面積、土地面積等數(shù)據(jù)，采用農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)和基尼系數(shù)研究黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配格局。結(jié)果表明，黑龍江省農(nóng)業(yè)水資源和土地資源空間分布不均勻，水資源量大致呈現(xiàn)東西兩側(cè)貧乏，中部和西北部豐富特點(diǎn)，而耕地面積大致呈現(xiàn)東西兩側(cè)較多，中部和西北部較少特點(diǎn)；農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)時(shí)空差異較大，全省僅大興安嶺地區(qū)、伊春市、鶴崗市和牡丹江市多年平均農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)超過全省平均值1.79×104m3·hm-2；不同年份黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)呈現(xiàn)一定波動(dòng)性，但波動(dòng)性不大，最大值和最小值相差僅0.1903，多年平均農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)為0.4687，屬于匹配較差。隨時(shí)間推移，黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)具有明顯先增后降趨勢，2008年達(dá)到最大值0.5307，隨后減小。研究結(jié)果對(duì)保障區(qū)域糧食生產(chǎn)和提高農(nóng)業(yè)水土資源利用效率具有重要理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

農(nóng)業(yè)水土資源；時(shí)空匹配格局；基尼系數(shù)；農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)；黑龍江省

農(nóng)業(yè)水土資源是保障區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]，其時(shí)空匹配特征在極大程度上影響區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配格局是區(qū)域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化的前提與基礎(chǔ)[3]。

目前，農(nóng)業(yè)水土資源匹配研究廣泛[4-6]，姜寧等采用基尼系數(shù)研究黑龍江省水資源與人口、耕地資源和第二產(chǎn)業(yè)匹配程度，發(fā)現(xiàn)黑龍江省水資源空間匹配處于較差或極差水平[7]；聶曉等基于農(nóng)業(yè)水土資源匹配測算模型和基尼曲線，提出松嫩—三江平原地區(qū)水土資源匹配程度空間差異性較為顯著[8]；黃克威等建立DEA四川省水土資源匹配模型，認(rèn)為四川省東部農(nóng)業(yè)水土資源匹配優(yōu)于西部[9]；Suárez等采用基尼系數(shù)研究西班牙埃布羅河盆地農(nóng)田灌溉用水與作物產(chǎn)量之間關(guān)系[10]；Masaki等采用基尼系數(shù)和洛倫茲曲線研究全球氣候變化條件下水資源匹配情況[11]。上述研究從不同角度分析農(nóng)業(yè)水土資源匹配關(guān)系，但側(cè)重于水資源空間匹配，與農(nóng)業(yè)水土資源結(jié)合分析較少。因此，本研究在黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源空間分布狀況分析基礎(chǔ)上，采用基尼系數(shù)和農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配特征定量分析和客觀評(píng)價(jià)，揭示農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空分布規(guī)律，為保障區(qū)域糧食生產(chǎn)和提高農(nóng)業(yè)水土資源利用效率提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于我國東北部，43°26'~53°33'N，121°11'~135°05'E（見圖1）。

圖1 黑龍江省地理位置Fig.1Geographic location sketch map of Heilongjiang Province

黑龍江省總面積約為47.3×104km2，耕地面積16.02×104km2，轄哈爾濱市、齊齊哈爾市、大慶市、綏化市、黑河市、伊春市、鶴崗市、佳木斯市、七臺(tái)河市、牡丹江市、雞西市、雙鴨山市和大興安嶺地區(qū)。平均氣溫-5~5℃，平均降水量400~600 mm，平均水資源總量為810×108m3，人均水資源占有量為2 114 m3，略高于全國平均水平。擁有黑龍江、松花江、烏蘇里江和綏芬河四大水系，在空間上水資源總體呈西部較少、東部較多，平原較少、山區(qū)較多特征。由于受溫帶大陸性季風(fēng)氣候影響，年內(nèi)降水分配不均，年際變幅較大，汛期降水約占全年降水65%以上，冬春季節(jié)降水較少。水資源總量雖然較豐富，但畝均耕地水資源占有量僅為368 m3，不到全國平均水平1/3，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力提升。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用黑龍江省所轄地市水資源總量、耕地面積、土地面積等與農(nóng)業(yè)水土資源相關(guān)數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)來源于《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》《黑龍江省水資源公報(bào)》和《黑龍江省水利統(tǒng)計(jì)資料》。數(shù)據(jù)序列長度為2000~2014年。

1.3 研究方法

1.3.1 農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)

農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)是指單位耕地面積占有水資源量，反映一個(gè)地區(qū)水資源與耕地資源空間協(xié)調(diào)程度[12]。農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)越大，表明該地區(qū)水資源與耕地資源空間分布一致性越好，匹配程度越高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水土資源條件越優(yōu)。其計(jì)算模型如下：

其中：MCij為i研究地市第j年農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)（104m3·hm-2）；AWij為i研究地市第j年水資源量（104m3）；Fij為i研究地市第j年耕地面積（hm2）；n為黑龍江省行政區(qū)地市數(shù)，本文為13；m為研究數(shù)據(jù)序列長度，本文為15。

黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)反映該區(qū)域各地市農(nóng)業(yè)水土資源匹配平均水平，考慮到黑龍江省各地市土地面積相差較大，在以往研究基礎(chǔ)上，引入各地市土地面積與黑龍江省耕地面積比值，具體計(jì)算模型如下：

其中：MCj為黑龍江省第j年農(nóng)業(yè)水土資源平均匹配系數(shù)（104m3·hm-2）；LAi為i研究地市土地面積（hm2）；LA為黑龍江省土地面積（hm-2）。其他參數(shù)見式（1）。

1.3.2 基尼系數(shù)

基尼系數(shù)是意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家基尼教授在分析收入不均衡問題時(shí)提出，由于農(nóng)業(yè)水土資源空間分配同樣具有不均衡特性，因此近年被廣泛用于評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)水土資源空間匹配水平[13-14]。本文采用洛倫茲曲線計(jì)算黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)。具體步驟如下：

①分別計(jì)算黑龍江省各地市（2000~2014年）單位耕地面積所占水資源量，并逐年由小到大排序；

②分別計(jì)算各地市（2000~2014年）水資源量和耕地面積占黑龍江省資源總量比例，并根據(jù)上述各年份排序結(jié)果，計(jì)算各個(gè)地市（2000~2014年）兩種資源占黑龍江省資源總量累計(jì)比例；

③以各地市水資源量累計(jì)比例為x軸，以各地市耕地面積累計(jì)比例為y軸，繪制黑龍江省2000~ 2014年水資源量-耕地面積空間匹配洛倫茲曲線；

④采用MATLAB2015a編程估計(jì)洛倫茲曲線相關(guān)參數(shù)，計(jì)算基尼系數(shù)曲線與45°線圍合面積，該面積2倍即為基尼系數(shù)G?；嵯禂?shù)曲線與45°線越接近，G越小，農(nóng)業(yè)水土資源匹配水平越好，當(dāng)G=0時(shí)，農(nóng)業(yè)水土資源匹配達(dá)到理想最優(yōu)狀態(tài)；偏離45°線越遠(yuǎn)，G越大，農(nóng)業(yè)水土資源匹配水平越差，當(dāng)G=1時(shí)，農(nóng)業(yè)水土資源匹配狀態(tài)最差，即耕地資源完全集中于水資源最差某一區(qū)域。

為綜合評(píng)價(jià)黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源匹配水平，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，按照下式計(jì)算黑龍江省2000~2014年多年平均基尼系數(shù)。

式中：G為黑龍江省多年平均基尼系數(shù)；Gi為第i年基尼系數(shù)；n為評(píng)價(jià)年數(shù)，本文n=15。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省水土資源空間分布特征

以往研究多采用研究單元水資源量占研究區(qū)域水資源總量百分比，或研究單元耕地面積占研究區(qū)域耕地總面積百分比反映研究單元農(nóng)業(yè)水土資源豐欠，對(duì)各研究單元土地面積相差不大、氣候特點(diǎn)相似區(qū)域?qū)嵱眯暂^好。當(dāng)不同研究單元土地面積相差較大或區(qū)域氣候差異較大時(shí)，難以反映研究單元農(nóng)業(yè)水土資源豐欠程度。因此，本文綜合考慮研究區(qū)土地面積及氣候差異影響，采用研究單元單位土地面積上水資源量和研究單元耕地面積占區(qū)域土地面積比例反映研究單元農(nóng)業(yè)水土資源狀況。

根據(jù)黑龍江省2000~2014年平均水資源量和2014年耕地面積及土地面積統(tǒng)計(jì)資料，以黑龍江省13個(gè)地市為基本研究單元，分析黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源空間分布特征，如圖2所示。

圖2 黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源空間分布Fig.2Spatial distribution of agricultural water and soil resources of Heilong Province

由圖2可知，黑龍江省農(nóng)業(yè)水資源和農(nóng)業(yè)土地資源空間分布不均。水資源量大致呈現(xiàn)東西兩側(cè)貧乏，中部和西北部豐富特點(diǎn)，而耕地面積大致呈東西兩側(cè)較多，中部和西北部較少特點(diǎn)。對(duì)比分析黑龍江省農(nóng)業(yè)水資源和農(nóng)業(yè)土地資源空間分布可知，齊齊哈爾市、大慶市和綏化市等西部地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源在空間上表現(xiàn)為“地多水少”，其中齊齊哈爾市最明顯；中部伊春市農(nóng)業(yè)水土資源在空間上分布明顯表現(xiàn)為“地少水多”，其余地市農(nóng)業(yè)水土資源在空間上也存在一定程度錯(cuò)位現(xiàn)象，制約黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。

2.2 黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源匹配格局

2.2.1 農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)分析

根據(jù)前述理論，基于黑龍江省水資源量、耕地面積等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用式（1）計(jì)算黑龍江省各地市農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)，如表1所示。結(jié)合式（2）繪制黑龍江省2000~2014年農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)變化曲線和黑龍江省各地市平均農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)變化曲線如圖3、4所示。

表1 黑龍江省各地市2000~2014年農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)Table 1Matching coefficients of agricultural water and soil resources of each city in Heilongjiang Province from 2000 to 2014

圖3 黑龍江省2000~2014年農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)變化曲線Fig.3Matching coefficients of agricultural water and soil resources in Heilongjiang Province from 2000 to 2014

圖4 黑龍江省各地市平均農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)變化曲線Fig.4Multi-year average matching coefficients of agricultural water and soil resources of each city in Heilongjiang Province

由表1可知，不同年份各地市農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)不同，部分地市不同年份差異較大，以大興安嶺地區(qū)和綏化市為例，大興安嶺地區(qū)各年份農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)極差達(dá)14.92×104m3·hm-2，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)4.3798×104m3·hm-2，而綏化市各年份農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)極差僅0.2692，標(biāo)準(zhǔn)差僅0.0767× 104m3·hm-2。主要原因是不同地市農(nóng)業(yè)水土資源差異較大。

大興安嶺地區(qū)以林地為主，是我國重點(diǎn)國有林區(qū)，森林覆蓋率達(dá)81.23%，雖然土地面積較多，但可耕種土地較少（見圖2）；區(qū)內(nèi)大小河流達(dá)500多條，水資源總量豐富，但受年內(nèi)降水影響較大。綏化市耕地面積較多（見圖2），但境內(nèi)河流較少，水資源總量貧乏，年內(nèi)受降水影響較小。從各地市多年平均農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)看，全省僅大興安嶺地區(qū)、伊春市、鶴崗市和牡丹江市平均農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)超過全省平均值1.79× 104m3·hm-2。其中齊齊哈爾市和大慶市匹配系數(shù)最低，不足全省平均值1/7。說明黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源空間分布不均衡。黑龍江省各年份農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)呈較大波動(dòng)，其中2003年達(dá)最大值2.57×m3·hm-2，2008年達(dá)最小值0.91×m3·hm-2，但均遠(yuǎn)高于全國多年平均農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)0.54×m3·hm-2。

2.2.2 農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)計(jì)算

根據(jù)前述洛倫茲曲線構(gòu)建方法，分別計(jì)算黑龍江省各年份農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)，如圖5所示。

由圖5可知，黑龍江省各年份洛倫茲曲線比較相似，彎曲程度均較大，說明農(nóng)業(yè)水土資源匹配不均衡。如大興安嶺地區(qū)、伊春市、鶴崗市和牡丹江市各年份水資源量占總量比例達(dá)45%以上，但耕地面積占全省耕地面積比例不足5%；齊齊哈爾市各年份耕地面積占全省耕地面積比例達(dá)20%以上，但水資源量不足全省水資源總量4%。通過積分求解陰影部分面積，得到黑龍江省各年份農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)，如表2所示。

由表2可知，不同年份農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)呈一定波動(dòng)性，但波動(dòng)不大，最大值和最小值相差僅0.1903，與農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)不同。根據(jù)聯(lián)合國有關(guān)組織對(duì)區(qū)域基尼系數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)G∈[0 0.2]時(shí)，表明區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配極好；當(dāng)G∈(0.2 0.3]時(shí)，表明區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配良好；當(dāng)G∈(0.3 0.4]時(shí)，表明區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配相對(duì)合理；當(dāng)G∈(0.4 0.5]時(shí)，表明區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配較差；當(dāng)G∈(0.5 1.0]時(shí)，表明區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配極差。黑龍江省僅2000年和2001年G∈(0.3 0.4]，屬于匹配相對(duì)合理；除2008年和2012年G∈(0.5 1.0]，屬于匹配極差外，其余各年份G∈(0.4 0.5]，屬于匹配較差。多年平均農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)為0.4687，屬于匹配較差水平。

圖5 黑龍江省各年份農(nóng)業(yè)水土資源匹配洛倫茲曲線Fig.5Lorenz curve of agricultural water and soil resources of each year in Heilongjiang Province

表2 黑龍江省各年份農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)Table 2Matching Gini coefficient of agricultural water and soil resources of each year in Heilongjiang Province

從發(fā)展趨勢看，擬合基尼系數(shù)隨年份變化趨勢線為G=-0.0012y2+4.7585y-4782.5（y為年份），相關(guān)系數(shù)R=0.807，0.001水平顯著（R0.001(15)=0.725），表明隨時(shí)間推移，黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)先增后降，2008年達(dá)最大值0.5307，隨后減小。與實(shí)際情況對(duì)比，2008年黑龍江省糧食總產(chǎn)量首次達(dá)400×108kg，糧食播種面積占農(nóng)作物播種面積比例達(dá)90.9%，即早期大強(qiáng)度農(nóng)業(yè)開發(fā)條件下，忽略農(nóng)業(yè)水土資源空間分布特點(diǎn)，其匹配狀況不合理；2008年，農(nóng)業(yè)開發(fā)逐漸趨于理性，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，水土資源匹配狀況好轉(zhuǎn)。尤其是近年實(shí)施“兩大平原”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)建設(shè)及大型蓄水和輸配水工程建設(shè)，如尼爾基引嫩擴(kuò)建骨干一期工程、龍江縣花園水庫等項(xiàng)目實(shí)施，在一定程度上緩解了黑龍江省西部半干旱區(qū)缺水及水資源空間分布不足問題。

4 結(jié)論

本文從行政分區(qū)角度，采用黑龍江省2000~ 2014年農(nóng)業(yè)水土資源數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于匹配系數(shù)和基尼系數(shù)區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配識(shí)別模型，研究黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配格局，結(jié)論如下：

a.在以往研究基礎(chǔ)上，引入各地市土地面積與黑龍江省耕地面積比值，重新界定農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)計(jì)算公式，充分考慮黑龍江省不同行政分區(qū)土地面積差異，為相關(guān)研究提供新思路。

b.黑龍江省農(nóng)業(yè)水資源和農(nóng)業(yè)土地資源空間分布不均勻。水資源量大致呈現(xiàn)東西兩側(cè)貧乏，中部和西北部豐富特點(diǎn)，而耕地面積大致呈現(xiàn)東西兩側(cè)較多，中部和西北部較少特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)水土資源空間分布錯(cuò)位在一定程度上制約區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。

c.不同年份各地市農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)不同，部分地市不同年份差異較大，全省僅大興安嶺地區(qū)、伊春市、鶴崗市和牡丹江市多年平均農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)超過全省平均值，其余均低于全省平均值。

d.不同年份黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)性，但波動(dòng)不大，最大值和最小值相差僅為0.1903，多年平均農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)為0.4687，匹配較差。黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源匹配基尼系數(shù)具有明顯先增后降趨勢，2008年達(dá)到最大值0.5307，隨后開始減小。

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Study on the spatio-temporal matching patterns of agricultural water and soil resources in Heilongjiang Province/

LI Tianxiao1,FU Qiang1,MENG
Fanxiang1,2(1.School of Conservancy and Civil Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Heilongjiang Agricultural and Reclamation Survey Design Research Institute,Harbin 150030,China)

Using the data of total amount of water resources,cultivated land acreage,land acreage of 13 cities in Heilongjiang Province from 2000 to 2014,the spatio-temporal matching patterns of agricultural water and soil resources could be studied with the methods of the agricultural water and soil resources matching coefficient and Gini coefficient.The results showed that the spatial distribution of agricultural water and soil was uneven.The water resources presented the characteristics of less on east and west sides and more in the central and northwest,the cultivated area presents the characteristics of more on east and west sides and less in the central and northwest.The spatio-temporal differences of agricultural water and soilresources matching coefficient was bigger,the agricultural water and soil resources matching coefficient exceed the mean value 1.79×104m3·hm-2only in Daxinganling,Yichun,Hegang and Mudanjiang.The Gini coefficient of agricultural water and soil resources matching presented a certain volatility in different years, the difference between the maximum value and minimum value was 0.1903.The yearly Gini coefficient of agricultural water and soil resources matching was 0.4687,which belonged to poor matching type.The Gini coefficient of agricultural water and soil resources matching presented the downward trend after the increase as the time increasing,reaching the maximum value 0.5307 in 2008 and after 2008 beginning to decrease.The results could provide theoretical significance and practical value for improving grain production region and the utilization efficiency of agricultural water and soil resources.

agricultural water and soil resources;spatio-temporal matching patterns;Gini coefficient; agricultural water and soil resources matching coefficient;Heilongjiang Province

S27；F323.2

A

1005-9369（2017）06-0051-08

時(shí)間2017-6-26 17:28:43[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170626.1728.014.html

李天霄,付強(qiáng),孟凡香.黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源時(shí)空匹配格局研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(6):51-58.

Li Tianxiao,Fu Qiang,Meng Fanxiang.Study on the spatio-temporal matching patterns of agricultural water and soil resources in Heilongjiang Province[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(6):51-58.(in Chinese with English abstract)

2017-04-28

國家自然科學(xué)基金（51479032，51579044）；黑龍江省長江學(xué)者后備支持計(jì)劃項(xiàng)目

李天霄（1984-），男，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源高效利用。E-mail:litianxiao@neau.edu.cn

*通訊作者：付強(qiáng)（1973-），教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源高效利用。E-mail:fuqiang@neau.edu.cn