，，

(1.吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，長(zhǎng)春 130021; 2.長(zhǎng)春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

1 研究背景

農(nóng)業(yè)水資源承載力有著多重定義。學(xué)術(shù)界按照其作為評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)水資源能否滿足當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的重要指標(biāo)之一，定義農(nóng)業(yè)水資源承載力不僅具有自然屬性而且具有社會(huì)屬性，還與在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中開(kāi)發(fā)利用水資源的程度有關(guān)[1-3]。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)水資源承載力已研究多年[4-5]，國(guó)內(nèi)一部分學(xué)者在區(qū)域水資源承載力研究方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)農(nóng)業(yè)水資源承載力進(jìn)行了研究。

20世紀(jì)60年代，我國(guó)開(kāi)始對(duì)水資源各方面進(jìn)行研究，首先進(jìn)行的是水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方面的研究。80年代初，由華士乾教授率領(lǐng)的一支科學(xué)研究小組對(duì)北京地區(qū)水資源利用系統(tǒng)進(jìn)行了分析與研究，并在國(guó)家“七五”公關(guān)項(xiàng)目中加以提高和應(yīng)用[6]。隨后，水資源模擬模型在北京及海河北部地區(qū)都得到了推廣和應(yīng)用。80年代后期，我國(guó)對(duì)水資源各方面的研究開(kāi)始了迅猛的發(fā)展，學(xué)術(shù)界開(kāi)始提出水資源的合理配置及承載能力方面的課題，并取得初步成果。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、航天工業(yè)總公司710研究所和清華大學(xué)相互協(xié)作，在國(guó)家“八五”攻關(guān)以及其他重大國(guó)際合作項(xiàng)目中，以以往的工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，形成了融宏觀經(jīng)濟(jì)、系統(tǒng)方法和區(qū)域水資源規(guī)劃實(shí)踐為一體的水資源承載力研究理論，并在這一基于宏觀經(jīng)濟(jì)的理論方法指導(dǎo)下提出了多層次、多目標(biāo)、群決策等方法 。

吉林西部地區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)從半濕潤(rùn)森林草原向半干旱和沙漠地區(qū)的過(guò)渡帶[7]，素有“十年九旱”之說(shuō)。依據(jù)吉林省“十二五規(guī)劃”綱要，吉林西部地區(qū)在2015年城鎮(zhèn)居民人均可支配收入達(dá)到7.03萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)能力由目前的250億kg提高到300億kg，新建30.5萬(wàn)hm2高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田，其中新增水田32.3萬(wàn)hm2地表水資源貧乏，地下水資源量有限，農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾將會(huì)越來(lái)越突出，生態(tài)環(huán)境也將會(huì)受到嚴(yán)重的威脅。因此，面臨西部地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃前景，正確評(píng)估農(nóng)業(yè)水資源承載力、實(shí)現(xiàn)水土資源合理分配已成為該區(qū)迫在眉睫的問(wèn)題。本次結(jié)合吉林省西部地區(qū)實(shí)際發(fā)展需求，以可持續(xù)發(fā)展為指導(dǎo)原則，開(kāi)展農(nóng)業(yè)水資源承載力評(píng)價(jià)研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)發(fā)展以及國(guó)家糧食安全的基本保障和支撐吉林省經(jīng)濟(jì)發(fā)展改善生態(tài)環(huán)境具有十分重大的現(xiàn)實(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

2 研究方法

本文將采用主成分分析法對(duì)吉林西部地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。主成分分析方法[8-9]利用統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)多個(gè)原始變量的處理，選取出幾個(gè)相對(duì)原始變量較少的有代表意義獨(dú)立的指標(biāo)進(jìn)行降維，以避免人為主觀上的隨意性，使所選取的指標(biāo)能更典型、更準(zhǔn)確、更簡(jiǎn)潔地表達(dá)出所要研究對(duì)象的絕大部分信息[10]。

主成分分析的大體步驟如下：

(1) 將收集的最初數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。這樣做的目的是消除各指標(biāo)在量綱化和數(shù)量級(jí)上的差別，提高準(zhǔn)確性和對(duì)比度。

(2)建立矩陣X的相關(guān)系數(shù)矩陣：

R=rijp×p。

(1)

該矩陣反映標(biāo)準(zhǔn)化后各數(shù)據(jù)之間相關(guān)聯(lián)的程度，其中rij為第i項(xiàng)指標(biāo)與第j項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)。

(3) 計(jì)算R的P個(gè)特征值并確定主成分貢獻(xiàn)率：

Yi=Ui1X1+Ui2X2+…+UiPXP。

(2)

式中：Ui1，Ui2,…,UiP分別表示第1，2，…，P個(gè)特征值分別對(duì)應(yīng)的特征向量；X1,X2,…,XP分別表示第1，2，…，P個(gè)原始變量的標(biāo)準(zhǔn)化變量。

(4) 以每個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)造綜合評(píng)價(jià)函數(shù)：

F=a1Y1+a2Y2+…+aPYP。

(3)

將每個(gè)樣本的P項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的得分代入式(2)，算出其主成分得分，再由式(3)即可得到其樣本的綜合得分，即可確定主成分個(gè)數(shù)。

依據(jù)主成分個(gè)數(shù)的選取原則，要求特征值大于1，且累積貢獻(xiàn)率達(dá)到或超過(guò)85%時(shí)，說(shuō)明前m個(gè)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(gè)主成分構(gòu)成綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，這樣即可起到降維的作用，既在最大程度上保持了原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性又簡(jiǎn)化了計(jì)算。

主成分分析法中指標(biāo)的選取原則是要求所選取的指標(biāo)能足夠表達(dá)出影響當(dāng)?shù)厮Y源情況的各個(gè)因素，并可從各方面反映出當(dāng)?shù)厮Y源的供需情況和開(kāi)發(fā)利用情況。已有研究表明，影響農(nóng)業(yè)水資源承載力的因素主要有耕地灌溉率、水資源開(kāi)發(fā)利用率、人均供水量、人均GDP和耕地面積[11-14]。唐振華等人在研究寧夏南部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水資源開(kāi)發(fā)與可持續(xù)利用時(shí)選取了耕地灌溉率，水資源開(kāi)發(fā)利用率和耕地面積等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在2009年孫洪鵬等人在研究遼寧農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用對(duì)策時(shí)選取了水資源開(kāi)發(fā)利用率、人均供水量和耕地面積等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在2011年于程等人在研究東北地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用及發(fā)展對(duì)策的研究中選取耕地灌溉率、人均供水量、人均GDP等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

由于吉林省西部地區(qū)屬于典型的半干旱地區(qū)[15]，以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主，要堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展原則在最大程度上發(fā)展經(jīng)濟(jì)，考慮到這些特殊原因，在借鑒前人已有研究的基礎(chǔ)上增加了4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，選用以下9個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因素：①耕地灌溉率X1(%)：有效灌溉面積與耕地面積之比；②水資源開(kāi)發(fā)利用率X2(%)：現(xiàn)狀水平年75%保證率的供水量與可利用的水資源總量之比；③供水模數(shù)X3(萬(wàn)m3/km2)：供水量與土地面積之比；④人均供水量X4(m3)：實(shí)際供水量與總?cè)丝谥?；⑤人均GDP(X5)：人均國(guó)民生產(chǎn)總值(元)；⑥單位面積糧食產(chǎn)量X6(t/hm2)；⑦單位GDP占有水資源量X7(m3/百元)；⑧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值X8(萬(wàn)元)；⑨耕地面積X9(萬(wàn)hm2)。

3 農(nóng)業(yè)水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

所選取的吉林省西部農(nóng)業(yè)水資源承載力大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件[16-17]對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，計(jì)算上述9項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣的結(jié)果如下。

相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值及其貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率和特征向量見(jiàn)表2。

由表2可知前4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.696%>85%，可以認(rèn)為前4個(gè)主成分已反映了原來(lái)所選取的9項(xiàng)指標(biāo)的絕大部分信息，可用這4個(gè)主成分代表原9項(xiàng)指標(biāo)信息。由主成分計(jì)算公式得這4個(gè)主成分與原9項(xiàng)指標(biāo)的線性組合如下：

0.524X5-0.122X6+0.506X7-0.202X8-0.069X9，

(4)

Y2=0.49X1+0.277X2+0.515X3+0.074X4+

0.015X5+0.208X6-0.157X7-0.234X8-0.538X9，

(5)

Y3=0.036X1+0.331X2+0.073X3+0.234X4+

0.126X5+0.598X6+0.149X7+0.618X8+0.228X9，

(6)

Y4=0.456X1-0.537X2-0.381X3+0.118X4+

0.041X5+0.257X6+0.469X7-0.019X8-0.239X9。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化后的目標(biāo)函數(shù)值為 -4.459 5×10-5m/s，接近于0，滿足零速投苗條件。最優(yōu)參數(shù)值代入約束條件的相關(guān)公式計(jì)算，也都滿足要求。

(7)

表1 吉林省西部農(nóng)業(yè)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)

表2 特征值及特征向量

第1主成分Y1的貢獻(xiàn)率為30.62%，在第1主成分中，X4(人均供水量)、X5(人均GDP)、X7(單位GDP占有水資源量)3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)所占比重超出另外6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的比重很多；從中可以看出人均供水量、人均GDP以及單位GDP占有水資源量對(duì)吉林西部地區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響與其他因素相比較大，反映出人均占有量對(duì)農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響。第2主成分Y2的貢獻(xiàn)率為27.84%，在第2主成分中X9(耕地面積)、X3(供水模數(shù))、X1(耕地灌溉率)3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)所占比重較其他6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)所占的比重大，從中可以看出農(nóng)業(yè)耕地面積、供水模數(shù)以及農(nóng)業(yè)耕地灌溉率這3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與其他6項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)相比較，對(duì)吉林省西部地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響更大，說(shuō)明第2主成分中耕地用水對(duì)農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響最大。第3主成分Y3的貢獻(xiàn)率為21.32%，其中，X8(農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值)、X6(糧食單位面積產(chǎn)量)所占的比重最大，反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值和糧食單位面積產(chǎn)量對(duì)吉林省西部地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響與其他因素相比較更大，在第3主成分中以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值為重要成分。第4主成分Y4的貢獻(xiàn)率為7.91%，其中，X2(水資源開(kāi)發(fā)率)所占比重最大，其次是X7(單位GDP占有水資源量)和X1(耕地灌溉率)，從中可以充分的看出，在第4主成分中對(duì)吉林省西部地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力影響最大的因素就是水資源開(kāi)發(fā)率，反映了水資源的開(kāi)發(fā)利用程度對(duì)農(nóng)業(yè)水資源承載力的重大影響，其次還可以看出X7(單位GDP占有水資源量)對(duì)該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的影響，在第1主成分中X7(單位GDP占有水資源量)所占比重就相當(dāng)大，在第4主成分中仍然占據(jù)比較大的比重。

按照主成分分析法的計(jì)算方法與步驟，以上述計(jì)算分析所得的4個(gè)主成分貢獻(xiàn)率為權(quán)重，得到綜合評(píng)價(jià)函數(shù)如下：

F=(30.62Y1+27.84Y2+

21.32Y3+7.91Y4)/100 。

(8)

綜合評(píng)價(jià)函數(shù)F值的大小可由每個(gè)地區(qū)的9項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值算出，F(xiàn)值越大表示這個(gè)主成分的綜合得分越高，進(jìn)而說(shuō)明該區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源承載力也越大。各個(gè)地區(qū)詳細(xì)的農(nóng)業(yè)水資源承載力大小的最終分析結(jié)果及大小順序如圖1。從圖中可以看出，農(nóng)業(yè)水資源承載力排最大的地區(qū)是前郭縣，農(nóng)業(yè)水資源承載力較差的地區(qū)有通榆縣、長(zhǎng)嶺縣和乾安縣，其中農(nóng)業(yè)水資源承載力最好的前郭縣與農(nóng)業(yè)水資源承載力最差的通榆縣相比，差距很大。

圖1 各分區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載能力主成分分析綜合分析評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖1可以看出，農(nóng)業(yè)水資源承載力較大的地區(qū)有前郭縣和白城市區(qū)，這是因?yàn)?地所處的地理位置本身就具有一定優(yōu)勢(shì)，前郭縣和白城市區(qū)水資源較吉林省西部其他地區(qū)水資源豐富，并且當(dāng)?shù)赜盟凸?jié)水措施良好，水資源開(kāi)發(fā)利用合理，水資源利用率高；農(nóng)業(yè)水資源承載力較差的地區(qū)有長(zhǎng)嶺縣和通榆縣，這2個(gè)地區(qū)本身的地理位置處水資源條件就較差，水資源人均占有量少，水資源開(kāi)發(fā)利用率低，耕地灌溉利用率小，存在用水浪費(fèi)的情況，因此在這些地區(qū)應(yīng)適當(dāng)加大水利設(shè)施建設(shè)，注重日常居民用水和農(nóng)業(yè)節(jié)水，大力提倡節(jié)水農(nóng)業(yè)，提高水資源的綜合利用率，以期在目前所處的情況下提高當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)水資源承載力；其余農(nóng)業(yè)水資源承載力中等的地區(qū)用水及節(jié)水措施都較一般，可在這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下適當(dāng)采取一些節(jié)水措施來(lái)提高本地的農(nóng)業(yè)水資源承載力，以帶動(dòng)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钯|(zhì)量；除此之外，還可以看出，農(nóng)業(yè)水資源承載力排在前幾名的城市中，除白城市之外，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平卻不高，說(shuō)明這些地區(qū)的水資源利用率較低，相比之下松原市在水資源利用方面就大有可鑒之處，其農(nóng)業(yè)水資源承載力不大，但是城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展卻靠前，農(nóng)業(yè)水資源承載力排名靠前的地區(qū)要加大當(dāng)?shù)氐挠盟?，使本地的資源物盡其用，農(nóng)業(yè)水資源承載力排名靠后的地區(qū)要合理開(kāi)采當(dāng)?shù)厮Y源，并且要注重利用客水。

考慮到吉林省西部地區(qū)水資源的自身特點(diǎn)[18]，并參考前人已研究過(guò)的評(píng)價(jià)參數(shù)的分級(jí)指標(biāo)[19-20]承載力的影響程度分為3個(gè)級(jí)別[21-22]，Ⅰ級(jí)(>0.65)，屬于承載力較大；Ⅱ級(jí)(-0.48～0.65)，屬于承載力中等；以及Ⅲ級(jí)(<-0.48)，屬于承載力較小，這樣的3個(gè)級(jí)別。用此分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)吉林省西部各地區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源承載能力優(yōu)良情況進(jìn)行分析比較并且分類(lèi)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 吉林西部地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力優(yōu)良分級(jí)情況

4 結(jié)論與建議

(1) 在初步了解掌握了研究區(qū)概況的基礎(chǔ)上，運(yùn)用主成分分析法對(duì)吉林西部農(nóng)業(yè)水資源承載力作出計(jì)算及評(píng)價(jià)。影響農(nóng)業(yè)水資源承載力大小的因素眾多，本文從中選取了9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)吉林省西部地區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出吉林省西部地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的主要影響因素是社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口數(shù)量的增加等方面，結(jié)果較客觀地反映了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水資源承載力的情況，證明主成分分析法是一種很好的評(píng)價(jià)水資源承載力的方法。本文的不足之處在于在指標(biāo)的選取過(guò)程中沒(méi)有考慮客水量，只有當(dāng)?shù)氐牡乇硭亢偷叵滤?，所以得出的結(jié)果與實(shí)際農(nóng)業(yè)水資源承載力會(huì)有一定出入，但也可為吉林省的水資源規(guī)劃作出一些參考價(jià)值。

(2) 人口耕地面積對(duì)于以農(nóng)業(yè)為主要經(jīng)濟(jì)動(dòng)力的吉林省西部地區(qū)來(lái)說(shuō)，意義十分重大，同時(shí)人口耕地面積也是影響該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力的幾個(gè)主要因素之一。由此可以看出，在保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以“好”字為先的前提下，并且要在水資源量有限的前提下緊追吉林省“十二五”規(guī)劃，農(nóng)業(yè)水資源承載力的壓力將會(huì)越來(lái)越大。

(3) 吉林西部地區(qū)屬于半干旱地區(qū)，地表水資源不充足，地下水資源可供開(kāi)采量又有限，水資源條件不優(yōu)越，為了提高當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，這就更要求該地區(qū)要加強(qiáng)水資源管理與利用，提高水資源的開(kāi)發(fā)利用水平，比如在地下水資源相對(duì)豐富的地區(qū)可以加大地下水的開(kāi)采量，在客水較多的地區(qū)充分利用客水資源和充分利用當(dāng)?shù)赜旰橘Y源等，以期為吉林省西部規(guī)劃的進(jìn)程加快步伐。

(4) 作為水資源用戶(hù)，要積極參與農(nóng)業(yè)水資源管理，做好農(nóng)業(yè)節(jié)水的相關(guān)宣傳工作，轉(zhuǎn)變單一的用水模式，在現(xiàn)有設(shè)備和條件下盡力提高水資源循環(huán)利用率，同時(shí)也要做好保護(hù)地下水的相關(guān)工作，農(nóng)民要注意科學(xué)合理施打農(nóng)藥，在必要時(shí)可適當(dāng)采用經(jīng)濟(jì)措施。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，要注意“好”字在先，推行社會(huì)經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展，發(fā)展資源節(jié)約型的經(jīng)濟(jì)路線，為吉林省的發(fā)展做出一份努力。

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