河南省耕地利用效益與水資源壓力耦合評價

焦士興， 王安周， 李青云， 李中軒，趙榮欽， 張 曼， 林璐霜

（1.安陽師范學院資源環境與旅游學院，河南安陽 455002； 2.洛陽市第十九中學，河南洛陽 471000；3.許昌學院城市與環境學院，河南許昌 461000； 4.華北水利水電大學測繪與地理信息學院，鄭州 450046）

水土資源是人類生產生活的基礎資源，其協調發展有利于實現區域糧食安全和可持續發展［1］. 伴隨著社會經濟的發展，工業化、城鎮化進程加快，導致農業用地持續減少、水環境惡化等現象，并嚴重威脅農村耕地的可持續利用［2-3］. 國外研究在水土資源生態占用、土地利用對水資源影響、糧食生產對水資源影響等方面較多，如AL-Mulali等采用生態足跡方法探討了可再生能源生產對水土占用帶來的影響［4］；Yira等依據水文模擬模型研究了土地利用變化對水資源產生的影響［5］；孫世坤等采用虛擬水流模型分析了糧食進出口對區域水資源壓力［6］. 國內學者研究集中在構建模型、時空分異、耦合協調等方面，如杜捷構建了寧夏水土資源評價指標體系，研究其耦合關系［7］；姜秋香構建了水土資源優化配置體系，分析了三江平原水土資源空間分布及其特征［8］；馬歷等通過構建水資源與耕地利用效益指標體系，并以四川省為例探討了二者的耦合關系［9］.

綜上，有關水資源與耕地利用的相關研究主要集中于土地對水資源的影響［5-6］、時空差異分析［8］以及區域研究［4，7，9］等，但對二者耦合協調、相互影響研究較少. 水資源系統改善與耕地利用效益增長存在雙向作用，開展二者相互影響、相互作用關系的研究更具有現實意義. 河南省作為農業大省和糧食生產核心區，農業耗水量多且受到“非農業”用水擠壓，農業水資源相對短缺. 本研究構建了河南省耕地利用效益與水資源壓力的綜合評價體系，采用耦合協調度等模型，研究其耦合協調狀況及空間分異，提出了針對性的政策建議.

1 研究方法及數據來源

1.1 耕地利用效益指標體系和評價模型

結合相關研究［10-12］，構建了河南省經濟等3方面14項指標體系（表1）. 具體公式如下：

表1 河南省耕地利用效益指標Tab.1 Indexes of cultivated land use benefit in Henan Province

式中：f(t)為耕地利用效益指數；f(a)、f(b)、f(c)分別表示耕地利用社會效益、經濟效益和生態效益；Wj表示第j個指標權重；i表示第i年；j表示第j個指標；Yij表示i年第j個指標的標準化值.

1.2 水資源綜合壓力評價模型

1.2.1 標準差法賦權重

為消除指標單位差異，采用標準化處理指標層［13］. 根據各指標標準化值，計算指標權重［14］. 具體公式如下：

式中：E(Xj)、σ(Xi)、Wj分別表示xij標準化后的均值、標準差和指標權重；xij為第i年第j個指標值；N表示指標數量；Zij為經過標準化處理的數值.

1.2.2 水資源綜合壓力評價模型

結合相關研究成果，構建了包括水資源人口等4個壓力指標的綜合壓力評價模型［9］.具體公式如下：

式中：P為水資源綜合壓力指數，該值越大，壓力越大；Wα、Wβ、Wγ、Wδ分別為水資源人口、經濟、生態、技術壓力指數權重；Zi、Ze、Zc、Zt則分別為水資源的人口、經濟、生態、技術壓力指數標準化值［13］. 水資源人口等壓力指數計算見參考文獻［9］.

1.3 耦合協調度計算

根據耕地利用效益和水資源綜合壓力指數值，計算耦合度及耦合協調度. 具體公式如下：

式中：O為耦合度；I為協調指數；X為兩個系統的耦合協調度；Z1和Z2分別是耕地利用效益和水資源綜合壓力評價值；a、b為待定系數，假設耕地利用效益與水資源壓力系統同等重要，則a=b=0.5［15］. 耦合度反映了耕地利用效益與水資源綜合壓力相互作用程度，耦合協調度則探討了其動態演化過程. 耦合度、耦合協調度類別標準見表2［9，16］.

表2 耦合度與耦合協調類別標準Tab.2 Standards for coupling degree and coupling coordination category

1.4 數據來源

數據包括有效灌溉面積、農民人均可支配收入等18個指標. 其中人均水資源量、有效灌溉面積、水資源開發量、萬元GDP用水量、水資源利用量5個數據來源于《河南省水資源公報》（2005—2018年）；農民人均可支配收入、第一產業產值、人均GDP、農業增加值、糧食總產量、耕地總面積、全年農作物播種總面積、總人口數、非農業人口數、第一產業從業人口、農業機械總動力、土地總面積化肥使用量、農藥使用量13個數據來源于《河南省統計年鑒》（2006—2019年）. 個別缺失數據依據相關資料整理獲得.

2 耕地利用效益與水資源綜合壓力指數時間演變特征

利用公式（1）～（5）計算河南省18市耕地利用效益指數和水資源綜合壓力指數，具體如圖1、圖2所示.

由圖可知，河南省耕地利用效益發展態勢較好，均呈現增長趨勢，但增長速度不同. 依據耕地利用效益指數，運用SPSS軟件進行聚類分析，將其分為快速增長和緩慢增長兩類（圖1）. 快速增長的城市為鄭州、鶴壁、濮陽、南陽、信陽. 其中鄭州耕地利用效益指數由2005年的0.21增長到2018年的0.769，增速最快，原因在于在經濟與科技的推動下，社會、經濟和生態效益均呈現高速增長，增速分別為185.6%、758.6%、184.7%，從而使耕地利用效益指數不斷提高. 緩慢增長的城市有商丘、開封、洛陽、平頂山、安陽、新鄉、焦作、許昌、漯河、三門峽、周口、駐馬店、濟源. 其中商丘市耕地利用效益指數由2005年的0.478增長到2018年的0.629，增速最慢，原因在于近年來商丘市耕地大量被占用轉變為商業用地［17］，生態效益降低（降低354.9%），但社會效益和經濟效益有所增加，耕地利用效益指數小幅度增長，但增速較慢.

圖1 2005—2018年河南省耕地利用效益態勢Fig.1 Cultivated land use benefit index of Henan Province from 2005 to 2018

河南省水資源壓力區域差異較大，但整體呈波動增長態勢. 依據水資源綜合壓力指數增長速度，運用SPSS軟件進行聚類分析，將其分為快速增長和緩慢增長兩類（圖2）. 快速增長的城市有鄭州、開封、洛陽、安陽、新鄉、平頂山、鶴壁等7市，其中鄭州水資源壓力指數由2005年的0.04增長到2018年的1.10，增長幅度較大，原因是近年來經濟高速發展，水資源經濟、人口和生態壓力指數均不斷增大，導致綜合壓力指數波動增長，水資源利用效益有待提高. 緩慢增長的城市有焦作、濮陽、許昌、漯河、三門峽、南陽、商丘、信陽、周口、駐馬店、濟源等11市，其中濟源市水資源壓力指數從2005年的0.083增長到2018年的0.120，增長幅度相對較小，原因是濟源市水資源技術、人口、生態壓力均有小幅度的上升，而經濟壓力指數則大幅下降，水資源壓力指數變化幅度較小.

圖2 2005—2018年河南省水資源綜合壓力態勢Fig.2 Comprehensive pressure index of water resources in Henan Province from 2005 to 2018

3 耕地利用效益與水資源壓力的耦合分析

3.1 耕地利用效益與水資源壓力綜合評價指數動態分析

利用公式（1）～（5），計算河南省耕地利用效益指數和水資源綜合壓力指數，具體如圖3、4所示.

由圖3可知，河南省耕地利用效益與水資源壓力綜合評價指數變化趨勢相同，相關系數為0.973，表明二者具有較強的正向相關性，說明耕地利用效益增長導致水資源壓力不斷增長，且水資源壓力指數波動幅度相對較大.

圖3 2005—2018年河南省耕地利用效益與水資源綜合壓力評價指數Fig.3 Evaluation index of cultivated land use efficiency and comprehensive pressure on water resources in Henan Province from 2005 to 2018

河南省耕地利用效益指數呈波動增加趨勢，但波動幅度較小. 耕地利用的社會、經濟和生態效益權重依次為0.338、0.275、0.387，表明生態效益對耕地利用效益的影響最大. 耕地利用效益指數由2005 年的0.236波動增長至2018年的0.692，年均增長0.035. 2006年后，隨著國家“十一五”計劃的貫徹執行，河南省加強了耕地資源的管理，耕地利用水平不斷提高，利用方式不斷優化，復種指數、灌溉指數均有大幅增加［18］.

河南省水資源壓力綜合評價指數呈增加趨勢，但波動幅度較大. 水資源利用壓力不斷增加，從2005年的0.338 增至2018 年的0.738，年均增長0.031，且水資源人口、經濟、生態、技術壓力的權重依次為0.244、0.280、0.257、0.219，表明水資源受經濟影響較大. 隨著用水結構優化和管理水平的提升，水資源綜合利用的水平也不斷提高，但持續增長的經濟、生態、人口等用水導致水資源壓力不斷增大. 2013年水資源綜合壓力指數達到低值（0.410），原因是2013年水資源生態、技術壓力均達到2005—2018年中最高值，分別為0.751和0.591，且綜合用水效率在2005—2017年最低［19］，因此水資源壓力較高，其綜合壓力指數則相應較低.

3.2 耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協調度動態分析

利用公式（6）～（8）計算河南省耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協調度，具體如圖4所示.

由圖4可知，河南省耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協調度均呈增長態勢. 作為農業大省和糧食生產核心區，伴隨著耕地利用效益的提高，河南農業用水需求增大，二者耦合度從2005年低水平耦合（0.262）發展到2018年磨合時期（0.661），耦合協調度則從中度失調（0.274）發展到低度耦合協調（0.687）.2012—2013年，河南省的耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協調度呈現下降趨勢，原因是2012年是“十二五”規劃的開局之年，伴隨著經濟新常態調整以及農業方面的供給側改革，經濟發展變動幅度較大，耕地利用效益略有下降. 但隨著水資源保護政策不斷發展完善，水污染狀況趨于減緩，且2012—2013年河南省水資源總量最大（256×108m3），因此2012—2013年水資源壓力有所下降.

圖4 2005—2017年河南省耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協調度Fig.4 Coupling degree and coupling coordination degree between cultivated land use efficiency and comprehensive pressure of water resources in Henan Province from 2005 to 2017

3.3 耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合協調度的時空分異

利用公式（6）～（8）計算河南18市耕地效益與水資源綜合壓力耦合度及耦合協調度，具體如表3所示.

由表3可以看出，鄭州、洛陽、鶴壁和南陽耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合協調度由2005年的嚴重失調轉為2018年的低度失調；開封、安陽、周口、駐馬店、許昌、漯河、商丘、三門峽和濟源由中度失調過渡到低度失調；新鄉和濮陽由嚴重失調轉為中度失調；平頂山、焦作則均處于中度失調；信陽由嚴重失調轉為弱度失調. 河南省18市耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合協調度整體呈增長趨勢，原因是伴隨著經濟新常態穩步發展，河南省注重保護和利用耕地，耕地利用效益不斷增加，同時加大對水資源的經濟、生態、技術等方面投資，水資源壓力不斷減小，促使二者耦合協調度不斷提升.

由表3 還可看出，河南省18 市耕地利用效益與水資源綜合壓力耦合協調度差異較小. 鄭州、許昌、洛陽、三門峽、漯河、開封、鶴壁、商丘、周口、南陽、駐馬店、信陽、平頂山、安陽、新鄉、焦作、濮陽17市耦合協調度年均值為0.207～0.284，處于中度失調；濟源市則為0.309，處于低度失調. 中度失調，說明耕地利用效率提高對水資源壓力的影響較小，但人口壓力、生態壓力較大，如鄭州2018 年人口壓力、生態指數值分別為0.980 和0.955. 濟源的原因是隨著經濟的發展，耕地利用社會和生態效益迅速增加［20］，耕地有效灌溉用水面積增加了69.4%，且水資源總量在河南18市中最少，水資源壓力指數較大.

表3 河南省18市耕地利用效益與水資源綜合壓力的耦合協調度Tab.3 Coupling coordination degree of cultivated land use benefit and comprehensive pressure of water resources in 18 cities of Henan Province

4 結論與政策建議

4.1 結論

1）河南省耕地利用效益發展態勢較好但增速度不同，水資源壓力區域差異較大且整體呈現波動增長趨勢.

2）河南省耕地利用效益增長導致水資源壓力不斷增長，二者具有正向相關性，且水資源壓力波動幅度相對較大.

3）河南省耕地利用效益與水資源壓力均呈波動增長態勢，耦合度從低水平耦合發展到磨合階段，耦合協調度則從中度失調發展到低度耦合協調.

4）河南省18 市耕地利用效益與水資源壓力的耦合協調度均呈增長趨勢，但增長幅度不同且區域差異較小.

4.2 政策建議

1）加大技術和資金投入，完善灌溉設施，發展節水、節地農業；適當壓縮農業用水規模，優化水資源配置結構，保障區域用水安全；在提高耕地利用效率的同時，強化水資源的再生循環與重復利用，提高公民節約用水意識，減少水資源浪費，緩解水資源壓力.

2）推進農業綠色轉型和產業化發展，優化農業結構，建設高標準農田，提高農業發展水平，確保耕地利用效益持續向好. 因地制宜，制定相應的水資源保護政策，促進水資源利用；多采用滴灌噴灌技術，提高農業用水效率，促進水土資源優化配置.

3）統籌耕地資源和水資源開發利用機制，加強耕地數量保護，提高科學耕作水平，依托科技支撐，高質量和集約化發展農業；不斷優化水資源管理和利用，加強用水管理，提高水資源的綜合利用，促進水資源系統進一步優化.

4）依據耦合協調類型，因地制宜制定區域政策，積極發展節水耐旱作物，培養蓄水聚肥技術，提高土壤自身的持水、蓄水能力，發揮“土壤水庫”的功能，促進水資源的高效利用，多措并舉，以實現耕地利用效益和水資源的高效利用二者的耦合協調發展.