中国农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调分析.pdf

年 月第 卷 第 期 湖南师范大学自然科学学报 ，引用格式：覃梦香，伍国勇，刘金丹 中国农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调分析 湖南师范大学自然科学学报，（）：，（）：中国农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调分析覃梦香，伍国勇 ，刘金丹（贵州大学 经济学院，西部发展能力研究中心，中国 贵阳 ；重庆大学 公共管理学院，中国 重庆 ）摘要为了协调优化农业水土资源，促进农业可持续发展，本研究选取 年 省（区、市）面板数据，在构建农业水资源承载力和耕地利用效益评价体系基础上，运用熵权 测算两系统的耦合协调度，分析其时序和空间特征，并探索影响两系统耦合协调关系的障碍度因素。研究结果表明：（）中国农业水资源承载力与耕地利用效益指数均呈现上升趋势，但呈现不同程度的地区差异；（）农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调水平持续增强，由中度耦合向高度耦合转变；不同地区耦合协调关系在空间上呈现显著的差异；（）耕地利用社会效益和经济效益是影响中国农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调度的两大障碍因素。从微观指标来说，节水灌溉面积比例、农业供水模数和人均耕地面积主要影响两个系统的耦合协调度水平。关键词农业水资源承载；耕地利用效益；耦合协调中图分类号 文献标识码 文章编号 （），（，；，），（），（），收稿日期：基金项目：贵州省教育厅人文社科重点研究基地“中国喀斯特地区乡村振兴研究院”项目（）；贵州大学农林经济管理国内一流学科建设项目（）；贵州大学经济学院研究生创新基金项目资助（）通信作者：伍国勇，博士，教授，研究方向：农业农村发展与生态经济，：。（），；农业水资源和耕地集约有效利用能显著改善农业生态环境、促进农业经济增长，但当前对农业水资源和耕地资源的利用仍存在农业用水量大、水质差、耕地面积减少、质量退化等一系列问题。新时代推进农业绿色发展既需要保护亿亩生态农田，又需要保障农业水质水量。因此，分析中国农业水资源承载与耕地利用效益的耦合关系，对协调水土资源，促进农业绿色发展，全面推进乡村振兴具有重要意义。国内外学者对水资源承载力的研究主要集中在两方面：一是对水资源承载力的概念、影响因素及评价指标进行定性研究；二是运用不同研究方法对水资源承载力进行定量测算。研究主体主要包括区域 ，、流域 ，、生态经济 及城市水资源承载力 等；研究方法多运用主成分分析 、模糊综合评价 、熵权 、系统动力学 、投影寻踪法 等进行评价。国外对耕地利用效益的研究相对成熟。世纪德国最先制定耕地经济效益评价体系；等 将耕地指数与数学模型相结合测算耕地利用社会效益；等 将生态学理论应用于耕地利用生态评价的实践中。随后西方学者的研究逐渐转向内涵、理论机制和测算方法上。目前，国内学者将耕地利用效益 分为经济 、社会 和生态效益 三部分，并从时空格局演化 及影响因素 进行探讨。水土资源两子系统间的相互作用一直是学者关注的热点。国外学者更多地从宏观层面将两系统综合分析 ，国内学者对水、土资源系统的研究经历了独立分析、两者合并及纳入第三系统的过程。将水、土资源两系统划分为独立个体，从两者耦合协调的角度进行时空特征和影响因素分析 。随着对水、土资源研究的深入，逐渐将两个系统合并，研究侧重于农业水土优化配置 、资源承载力 及可持续利用 等方面。近年来将水土资源与第三个系统（如经济发展 、聚落分布 、城镇化发展 及生态环境 ）结合分析的研究也逐渐增多。现有文献针对农业水资源承载力和耕地利用效益的研究多倾向单一水、土资源研究，从微观指标深入揭示影响两个系统耦合协调关系的障碍因子的研究较少。因此，本文在构建农业水资源承载力和耕地利用效益子系统的基础上，从时序和空间分析耦合协调水平特征，进而从微观角度剖析影响其耦合协调的障碍度因子，以期为优化农业水资源与耕地资源利用，促进农业可持续发展提供参考和建议。指标体系、研究方法及数据来源 体系构建为反映农业水资源承载力与耕地利用效益的测量指标，本研究参照杨子江等 研究成果，在王桂华等 构建的耕地利用效益评价体系上，构建了包含 个准则层和 个指标层的农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调系统（表 ）。数据来源本文以 年为研究期，数据来源于 中国统计年鉴、中国环境统计年鉴、各省（区、市）统计公报 和 水资源公报 等。考虑数据可得性，样本涵盖 个省（自治区、直辖市），不包括中国台湾、香港和澳门特别行政区。个别缺失数值通过插值法或平均值法补齐，以保证数据的准确性和科学性。研究方法在构建农业水资源承载力与耕地利用效益评价体系基础上，计算两子系统的耦合协调度，分析其时空差异，并探索影响耦合协调关系的障碍度因子。步骤如下：湖南师范大学自然科学学报第 卷覃梦香等：中国农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调分析表 农业水资源承载力与耕地利用效益评价体系 子系统准则层指标层单位计算公式指标性质农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调系统农业水资源承载力系统耕地利用效益系统农业水资源节水指标农业水资源用水指标农业水资源供水指标经济效益社会效益生态效益节水灌溉比例节水灌溉面积 耕地面积正农业用水量来源于统计数据负单位灌溉用水量 农业用水量 有效灌溉面积负灌溉覆盖率灌溉面积 耕地面积正农业供水比例农业供水量 水资源总量负农业供水模数农业供水量 耕地面积正粮食播面单产 粮食总产量 粮食播种面积正单位面积农业总产值万元 农业总产值 耕地面积正人均农业 元 人农业总产值 总人口正农业机械化程度 农业机械总动力 耕地面积正单位面积劳动力人 农村劳动力 耕地面积正粮食安全系数人均粮食产量 正农村居民人均可支配收入元来源于统计数据正人均耕地面积 人耕地面积 总人口正人均粮食产量 人粮食总产量 总人口正复种指数农作物播种面积 耕地面积正平均耕地面积化肥施用量 化肥施用量 耕地面积负耕地有效利用比例有效灌溉面积 耕地面积正万元产值能耗 万元农业用电量 农业总产值负（）参考马聪等人的研究 ，运用熵权 法计算评价对象与正理想解的贴近度 ，贴近度代表农业水资源承载力或耕地利用效益接近最优水平程度。，越大，说明承载力或效益越接近最优水平。当 时，效益水平最高；当 时，效益水平最低。（）构建耦合协调度模型：()槡，（），（）槡，（）式中，和 分别代表两系统的耦合度和协调指数；和 为待定系数，一般取值为 ；和 分别代表农业水资源承载力与耕地利用效益；为两系统耦合协调度，。参考相关研究 ，将两系统耦合协调关系按大小可划分为 种类型（表 ）。表 耦合协调度发展阶段与类型划分 协调度值 ，（，（，（，基本类型低耦合协调中度耦合协调高度耦合协调极度耦合协调（）借鉴同步发展模型 确定两系统间同步发展关系：，（）式中 为同步发展指数。若 时，说明农业水资源承载与耕地利用效益完全同步协调发展；若 ，说明两系统基本发展同步；若 ，则两系统发展存在偏差。非参数检验模型 非参数检验模型的优点在于不需要事先设定样本分布特征，也不受少数异常值和缺失值的影响，可检验样本在时间上的变化趋势，广泛运用于经济、环境、水文等领域。第 期 空间相关性与障碍度模型本研究采用全局空间莫兰指数刻画两系统耦合协调关系是否存在空间相关，用障碍度模型测算各因素的负向贡献度，公式如下：，（），（），（）式中，为各指标标准化处理值；代表指标贡献度，运用指标权重表示；代表指标偏离度；代表第 项指标的具体障碍度；为各准则层的最终障碍度。实证结果与分析 农业水资源承载力与耕地利用效益综合评价图 为 年全国及三大地区农业水资源承载力和耕地利用效益发展指数。在 年间农业水资源承载力呈波动上升趋势，由 上升至 ，增长 ，说明期间我国在推广节水技术、把控资源利用过程中提高了农业水资源承载力，尤其是农业农村现代化发展被提高到国家战略高度，农业供水、节水能力不断提高。而在 年间农业水资源承载力呈下降趋势，由 下降至 ，说明该时期农业水资源承载系统出现退化，长期粗放型的资源利用方式在一定程度上降低了水资源利用效率。此外，东、中、西部省市的农业水资源承载力水平差异逐渐扩大，至 年承载力指数呈现出东部突出，中、西部较低的特征。图 年中国农业水资源承载与耕地利用效益综合发展指数 近 年我国耕地利用效益指数整体呈现稳步增长，效益值由 增加至 ，增幅为 ，表明在研究期内耕地利用效益不断提高，特别是 年后增速明显加快。年，随着乡村振兴战略的提出，农业生产调整耕种结构，耕地利用效率、农民收入不断提高。但耕地利用持续效益受到化肥施用量、复种指数的影响呈现起伏，在一定程度上对耕地利用效益的攀升产生阻碍。从同步发展指数来看，在 年间耕地利用效益系统一直优于农业水资源承载系统，指数差值湖南师范大学自然科学学报第 卷覃梦香等：中国农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调分析随时间增加呈上升趋势，说明两系统差距在扩大，两者关系有待协调。三大地区同步发展指数呈现较大的地区差异，东部地区发展指数由 年 变为 年 ，表明东部耕地利用效益综合发展逐渐高于农业水资源承载。而中、西部地区同步发展指数一直为负，且呈现变大的趋势，说明耕地利用效益系统一直优先于农业水资源承载系统，两系统的协调程度逐渐变差，农业水资源承载强弱问题对中、西部地区促进农业可持续发展的重要性逐渐凸显。农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调度特征 农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调度的时序特征由表 可知，从时间上看，在 年农业水资源承载力和耕地利用效益耦合度处于较高水平，耦合度均值为 ，代表两系统存在高度相关，但关联性随时间推移呈减弱趋势。两系统耦合协调度在 年具有稳步增长趋势，表明两系统呈现出相互促进作用，但大范围的失调趋势明显，其原因在于 全国农业可持续发展规划（年）等政策的推动，农业资源利用水平稳步提高，耦合协调度值不断增长。但地区资源禀赋不足和粗放的利用方式，与农业经济发展速度不匹配，导致大部分省市难以达到高度协调状态。表 农业水资源承载力和耕地利用效益耦合协调度 年份耦合协调类型 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 中度耦合协调 高度耦合协调表 显示三大地区农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调度水平，可见地区间耦合协调度差异显著。东部地区耦合协调度均值为 ，由 年 上升至 年 ，增长率超过 。其次为西部地区增长速度较快，由 年 上升至 年 ，增长率为 。中部地区两系统耦合协调度最低，平均值为 。从变化趋势来说，三大区域两系统耦合协调度均呈现不同程度的上升，说明两系统耦合协调作用逐渐加强。除东部地区外，中、西部地区的耦合协调度值均处于中度耦合协调类型，表明现阶段两系统耦合协调度仍处于较低的水平。表 年三大区域两系统耦合协调度 年份东部地区中部地区西部地区年份东部地区中部地区西部地区 平均值 样本量 第 期对农业水资源承载力和耕地利用效益耦合协调度进行 检验，如表 所示。东、中、西部各省份在一定水平上呈现显著性。东部地区北京、天津等 个省（市）在 的水平上显著，仅北京的耦合协调度显著性水平最低。中部地区除安徽和湖北外均呈现增加趋势。西部地区整体检验系数较高，但四川和宁夏检验系数在 左右，耦合协调水平并未呈现时间增加趋势。表 农业水资源承载力和耕地利用效益耦合协调度的 检验 地区省（区、市）值地区省（区、市）值地区省（区、市）值东部地区北京市 天津市 河北省 辽宁省 上海市 江苏省 浙江省 福建省 山东省 广东省 海南省 中部地区山西省 吉林省 黑龙江 安徽省 江西省 河南省 湖北省 湖南省 西部地区广西壮族自治区 内蒙古自治区 重庆市 四川省 贵州省 云南省 西藏自治区 陕西省 甘肃省 青海省 宁夏回族自治区 新疆维吾尔自治区 注：表示增加趋势，分别表示在 、和 的水平下统计检验显著。图 年两系统耦合协调度的空间关系 农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调度的空间特征图 所示两系统耦合协调的整体空间效应。农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调度存在明显的空间相关性。在 年全局 指数均为正且显著，代表两系统协调度有较强的空间正相关。此外，全局 指数值整体呈增长趋势，从 年 增长至 年 ，说明两系统耦合协调度的空间正相关性总体不断提高，地区耦合协调水平相互间的影响作用在不断增强。表 所示三大地区空间效应。不同地区两系统耦合协调关系在空间上呈现显著的地区差异。东部地区和 年中部地区两系统耦合协调度的全局莫兰指数为正且通过了显著性水平检验。西部 指数整体上为正但未通过空间显著性检验，说明该区域农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调度较高省份的聚集现象不明显。表 三大区域农业水资源承载与耕地利用效益耦合协调度的空间关系 年份东部中部西部年份东部中部西部 注：，分别表示在 ，和 的水平下统计检验显著 农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调的障碍因子（）准则层障碍度。据上述测算，发湖南师范大学自然科学学报第 卷覃梦香等：中国农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调分析现农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调关系虽呈现持续上升状态，但地区间协调水平仍较低，准则层障碍度测算分析结果如表 所示。从障碍强度来看，耕地利用社会效益、经济效益始终是影响农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调度的主要障碍因素；同时农业供水、节水障碍度数值逐年增高，成为影响两系统耦合协调度的重要障碍因子。此外，在农业供水、用水以及耕地利用生态效益障碍度中，以农业用水障碍度最低，说明近年来国家关注农业绿色可持续发展取得良好成果。从变化趋势看，各准则层变化趋势差异显著。其中，农业节水障碍度呈现持续增长态势；耕地利用社会效益障碍度始终维持在 左右，对两系统良好耦合的障碍水平长期保持不变。表 年准则层障碍因子 年份障碍度 农业供水农业用水农业节水社会效益经济效益生态效益 （）指标层障碍度。仅从准则层障碍度分析影响两系统耦合协调度因素会忽略子指标的差异特征。计算各指标层的障碍度，并对排名前五的障碍因子进行识别，如图 所示。图 年各指标层障碍因子 第 期在 年排在前五位障碍度因子分别是节水灌溉面积比例、农业供水模数、单位面积农业总产值、人均耕地面积和农村居民人均可支配收入，由此可看出初期农业节水供水和耕地利用社会经济效益是影响两系统耦合协调度的主要因素，这与准则层障碍度分析结论高度一致。年间节水灌溉面积比例障碍度不断提高，由 上升至 ，农业节水技术受农户行为、技术推广等影响，农业用水效率低下，节水灌溉面积比例一直是影响两系统耦合协调度的首要障碍度因子。人均耕地面积由 年第四位上升至 年第三位，障碍度提高 ，说明城镇化过程中，撂荒、城镇建设占用耕地面积增多致耕地减少，进一步约束了两系统耦合协调度。与 年相比，年影响两系统耦合协调的障碍因子基本一致。年人均耕地面积、人均粮食产量和粮食安全系数障碍度不断提升，尤其是人均耕地面积障碍度增幅达 ，说明耕地利用社会效益指标对两系统耦合协调度的障碍作用显著提高。值得关注的是，农村居民可支配收入和单位面积农业总产值障碍度降幅显著，这与“脱贫攻坚、乡村振兴”等政策激励密切相关。结论与讨论 结论本文基于 年间 个省（区、市）数据，通过构建农业水资源承载力与耕地利用效益的耦合协调度模型，分析时序和空间特征，探究障碍度因素，得出以下结论：（）农业水资源承载力与耕地利用效益发展指数均呈现上升趋势，但呈现不同程度的地区差异。（）在 年间两系统耦合协调水平持续增强，由中度耦合向高度耦合趋势迈进；农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调呈现显著的空间正相关性特征，东部地区空间关系显著，但中西部地区空间特征不明显。（）不同指标层对两系统耦合协调的作用不同，节水灌溉面积比例、农业供水模数和人均耕地面积是影响两系统耦合协调度提升的三大障碍度因素，并随时间推移不断增强。总体来说，农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调度仍处于不断调整适应的阶段，面临上升突破点。在资源“非农化”约束条件下，一方面发挥高协调水平省市辐射带动作用，推广节水灌溉技术，提高低协调水平省市的农业现代化水平；另一方面建立健全制度约束和保护机制：建立严格的耕地保护补偿、考核制度，推动农业结构调整，破解提升耕地经济、社会效益的阻碍；控制化肥和农药使用量，减少农业面源污染，提高耕地生态效益。讨论本文探讨的农业水资源承载力，重点关注原有水资源禀赋基础上农业生产过程中水资源的供需矛盾。为避免与耕地利用效益指标重复，侧重选取农业供水、用水相关指标，涉及经济社会发展等方面的量化指标较少。但实际水土系统协调会影响经济社会发展，在一定程度上忽略了现实情形下农业水资源承载力、耕地利用效益和经济社会高质量发展的相关性。由于研究期的限制，有待进一步验证所得结论与更长研究期结论是否一致，因而在一定程度上影响评价结果的全面性。此外，本研究认为有待进一步拓展的方向：一是进一步深挖农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调机理；二是测算水资源承载力已经存在微观水环境和气候变化指标，如化学需氧量、区域降雨量等指数，未来可结合流域水质特征纳入研究体系以期研究更具现实意义。参考文献：，（），：周侃，樊杰，王亚飞，等 干旱半干旱区水资源承载力评价及空间规划指引：以宁夏西海固地区为例 地理科学，（）：，：湖南师范大学自然科学学报第 卷覃梦香等：中国农业水资源承载力与耕地利用效益耦合协调分析 邓正华，戴丽琦，邓冰，等 洞庭湖流域水资源承载力时空演变分析 经济地理，（）：张樨樨，曹正旭，张仁杰，等 黄河三角洲生态经济区水资源承载力评价及趋势预测 世界地理研究，（）：李高伟，韩美，刘莉，等 基于主成分分析的郑州市水资源承载力评价 地域研究与开发，（）：张泽毅，刘臣炜，高成，等 快速城市化地区典型村镇水资源承载力及影响因素研究 生态与农村环境学报，（）：陈丽，周宏 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