趙俊偉，尹昌斌

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100083)

中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)研究

趙俊偉1,2，尹昌斌1

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100083)

通過農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)促進(jìn)區(qū)域水資源高效利用，緩解農(nóng)業(yè)用水短缺，為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)決策依據(jù)。針對(duì)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源短缺、農(nóng)業(yè)用水量大的現(xiàn)狀，選取地形地貌、氣候特征、水資源利用狀況以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)18個(gè)二級(jí)指標(biāo)，建立農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。運(yùn)用主成分分析法對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行篩選，再采用系統(tǒng)聚類法對(duì)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)。結(jié)合聚類結(jié)果和中原經(jīng)濟(jì)區(qū)43個(gè)市(縣)的實(shí)際情況，將中原經(jīng)濟(jì)區(qū)劃分為4個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水類型區(qū)，并結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)其進(jìn)行空間分析。各個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)與其地理位置所決定的氣候特征和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)分布有著很好的一致性，應(yīng)用該指標(biāo)體系與方法獲得較為合理的農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)。

中原經(jīng)濟(jì)區(qū)；農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)；主成分分析；系統(tǒng)聚類；GIS

《國(guó)家農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要(2012—2020年)》指出，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水、提高灌溉保證率，是促進(jìn)水資源可持續(xù)利用、保障國(guó)家糧食安全、加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要舉措?！度珖?guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2015—2030年)》發(fā)布節(jié)約高效用水，保障農(nóng)業(yè)用水安全的重點(diǎn)任務(wù)。農(nóng)業(yè)作為用水大戶，近年來其用水量約占經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水總量的62%，部分地區(qū)高達(dá)90%以上，農(nóng)業(yè)用水效率不高，節(jié)水潛力很大[1]。中原經(jīng)濟(jì)區(qū)作為全國(guó)主體功能區(qū)的重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域，糧食優(yōu)勢(shì)突出，在全國(guó)改革發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位[2]。然而，中原經(jīng)濟(jì)區(qū)是水資源嚴(yán)重短缺地區(qū)，其中，2014年河南省平均降水量725.9mm，較多年平均值偏少5.9%；水資源總量為283.37億m3，人均水資源量265.78m3，僅約相當(dāng)于全國(guó)平均水平(2100m3/人)的十分之一，用于農(nóng)田灌溉的水量占總用水量的49.8%[3]，且農(nóng)業(yè)水資源利用效率較低。

農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)是研究農(nóng)業(yè)水資源高效利用的主要手段之一[4]。通過農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)判斷水資源緊缺程度，為農(nóng)業(yè)水資源高效利用指引方向。目前，較多的采用經(jīng)驗(yàn)法、重疊法、聚類法和指標(biāo)法等方法，通過分析自然條件、灌溉水平和農(nóng)業(yè)種植效益等影響因素進(jìn)行農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)研究[5-6]，但與空間分析法相結(jié)合進(jìn)行的研究方法較少，且中原經(jīng)濟(jì)區(qū)作為國(guó)家糧食生產(chǎn)核心區(qū)，對(duì)其進(jìn)行農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的研究鮮見?；诖耍疚尼槍?duì)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的戰(zhàn)略定位及其水資源缺乏、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地位重要等問題，結(jié)合氣候條件、地形地貌、缺水程度、種植結(jié)構(gòu)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平等因素，構(gòu)建合理的農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)指標(biāo)體系，采用主成分分析和系統(tǒng)聚類相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，并利用GIS技術(shù)進(jìn)行空間分析，以期為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 分區(qū)原則與思路

1.1 分區(qū)原則

農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)總體上遵循因地制宜、統(tǒng)籌兼顧、區(qū)劃完整性和可持續(xù)發(fā)展原則[7]。結(jié)合各地區(qū)自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件，充分考慮研究區(qū)域的具體情況，制定符合當(dāng)?shù)刭Y源狀況的農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)方案，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的實(shí)際應(yīng)用效果，努力做到與人口、資源、生態(tài)環(huán)境的相互協(xié)調(diào)，保障水資源可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)是在節(jié)水農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源利用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，研究農(nóng)業(yè)水資源利用規(guī)律，綜合考慮農(nóng)業(yè)水資源利用的各種因素，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)劃分不同的類型區(qū)，提出高效利用農(nóng)業(yè)水資源的措施、方向和戰(zhàn)略布局，為制定農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃提供依據(jù)[8]。此外，同一分區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和灌溉相關(guān)的自然地理?xiàng)l件應(yīng)基本相似，水資源開發(fā)利用情況及水資源緊缺狀況應(yīng)基本相似，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)要有一定的相似性，即在同一區(qū)域內(nèi)，種植制度和灌溉方式要基本一致，農(nóng)業(yè)及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平基本相似，即農(nóng)民經(jīng)濟(jì)狀況和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等要有相似性，還要盡量保證行政區(qū)劃的完整性以及各分區(qū)特點(diǎn)的相對(duì)獨(dú)立性[6]。

1.2 分區(qū)思路

該研究以市、省直轄縣為基本單元進(jìn)行研究，綜合考慮自然條件、水資源狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況以及農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)等影響中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的因素，從而構(gòu)建分區(qū)指標(biāo)體系。運(yùn)用相關(guān)分析軟件，采用主成分分析法對(duì)所選指標(biāo)進(jìn)行降維，將原來多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，從而簡(jiǎn)化計(jì)算及排除不確定性。首先，對(duì)眾多指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行分析，剔除影響農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的相關(guān)性較大的指標(biāo)，并將篩選的指標(biāo)運(yùn)用主成分分析進(jìn)行降維，依據(jù)因子累積貢獻(xiàn)率，確定綜合指標(biāo)個(gè)數(shù)為主成分替代原來的指標(biāo)[9]，然后對(duì)得到的主成分采用系統(tǒng)聚類法[10]進(jìn)行計(jì)算，繪制樹狀圖，根據(jù)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)實(shí)際情況對(duì)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)進(jìn)行分區(qū)。這種方法既有效地避免了指標(biāo)個(gè)數(shù)太多導(dǎo)致分析的復(fù)雜性，同時(shí)又可以保留原始指標(biāo)的大部分信息，并且指標(biāo)彼此間的相關(guān)性也得以弱化，從而提高分區(qū)的精度。

2 分區(qū)方法

2.1 指標(biāo)選取與數(shù)據(jù)來源

選取中原經(jīng)濟(jì)區(qū)作為農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的對(duì)象，以市(縣)為單元，依據(jù)可靠性、充分性、可評(píng)價(jià)性及科學(xué)性的原則，確定分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)“節(jié)水農(nóng)業(yè)”的內(nèi)涵和特點(diǎn),節(jié)水農(nóng)業(yè)因子系統(tǒng)包括自然條件、水資源狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)等四個(gè)大的方面[11]，其中每個(gè)方面又包含多個(gè)指標(biāo)，結(jié)合中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的實(shí)際情況，組成農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的指標(biāo)體系，并初步設(shè)置農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)影響因子的18項(xiàng)指標(biāo)，如表1所示。

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中涉及的絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于各市(縣)統(tǒng)計(jì)年鑒和水資源公報(bào)，個(gè)別指標(biāo)如降雨量、≥10℃活動(dòng)積溫等數(shù)據(jù)來自各地區(qū)官方氣象網(wǎng)站，通過搜集并整理了2010—2014年的樣本數(shù)據(jù)，個(gè)別地區(qū)對(duì)應(yīng)的個(gè)別指標(biāo)在個(gè)別年份出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象，通過插值法進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)來源：《中國(guó)氣象年鑒》《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》及《河南省水資源公報(bào)》《安徽省水資源公報(bào)》《山東省水資源公報(bào)》《山西省水資源公報(bào)》(2011—2015年)。

為便于研究，將部分指標(biāo)進(jìn)行釋義如下：

(1)干燥度(K)：K=Et/P，Et為生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)最大可能蒸發(fā)量，P為生長(zhǎng)季節(jié)平均降水量。由于最大可能蒸發(fā)量很難直接測(cè)定，借鑒相關(guān)研究[13]，采用干燥度等價(jià)公式為：

K=0.16∑T/∑P

(1)

式中：∑T為大于等于10℃活動(dòng)積溫；∑P為同期降水量，mm。

根據(jù)干燥度劃分區(qū)域干旱程度[12]，K≥2.0為干旱地區(qū)、1.5≤K<2.0為半干旱地區(qū)、1.0≤K<1.5為半濕潤(rùn)地區(qū)、0.5≤K<1.0為濕潤(rùn)地區(qū)、K<0.5為十分濕潤(rùn)地區(qū)。

(2)地形地貌影響系數(shù)(L)：中原經(jīng)濟(jì)區(qū)地形分為平原、丘陵和山地三大類，參考相關(guān)研究[13]中不同地形對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的大小，確定其影響系數(shù)分別為1.0、0.8和0.7，通過加權(quán)求得地形地貌影響系數(shù)。

(3)缺水程度(β)：耕地面積上的可用灌溉水量與綜合作物需水量[14]的比值。公式為：

β=Wy/Ws

(2)

式中：Wy為單位公頃耕地平均可用灌溉水量，m3·hm-2；WS為綜合作物需水量，m3·hm-2。Wy的計(jì)算公式如下：

Wy=(Wg-Wq)/A+αPo

(3)

式中：Wg為年平均可供水量，m3；Wq為除灌溉用水外的其他用水量，m3；P0為年平均降雨量，m3·hm-2；α為降雨有效利用系數(shù)；A為耕地面積，hm2。其中：

α=1.06e-0.001090P0

WS的計(jì)算公式如下：

(4)

式中：WS為綜合作物需水量，m3·hm-2；n為作物種類；Wi為第i種作物的需水量，m·hm-2；ai為第i種作物的種植比例，%。

β值越小，說明越缺水[5]。β<1為極缺水地區(qū)；1≤β<2為缺水地區(qū)；2≤β<3為微缺水地區(qū)；β≥3為豐水地區(qū)。

2.2 指標(biāo)檢驗(yàn)

根據(jù)分區(qū)原則直接選取的指標(biāo)可能包含了一些對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)影響不大的信息，也包含了一定的重復(fù)信息。利用變異性分析和相關(guān)性分析可以用來剔除冗余數(shù)據(jù)。

(1)變異系數(shù)檢驗(yàn)。變異系數(shù)的大小反應(yīng)了隨機(jī)變量的離散程度，即表示研究隨機(jī)變量空間變異性的強(qiáng)弱。指標(biāo)值越大說明變異程度越大，對(duì)節(jié)水分區(qū)差異越具代表性。因此，在分析中需要留下空間分異大的指標(biāo)，排除空間分異較小的指標(biāo)。其中，變異系數(shù)計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Cv為變異系數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為均值。

針對(duì)研究?jī)?nèi)容參考相關(guān)研究[5]對(duì)變異系數(shù)范圍界定，取Cv≥20%的指標(biāo)作為適宜農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)指標(biāo)。運(yùn)用SPSS軟件計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)，結(jié)果顯示各指標(biāo)的變異系數(shù)均大于20%，均滿足分析要求，因此保留各項(xiàng)指標(biāo)。

(2)相關(guān)性檢驗(yàn)。相關(guān)性檢驗(yàn)是考察兩個(gè)變量之間線性關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，相關(guān)系數(shù)越大表明變量之間的相關(guān)程度越密切，反之亦然。該研究需要剔除相關(guān)性大的指標(biāo)，每一對(duì)變量組中保留一個(gè)具有明顯節(jié)水農(nóng)業(yè)類型特征意義的指標(biāo)。其中，相關(guān)系數(shù)公式為：

(6)

本研究在對(duì)各指標(biāo)間進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)過程中，參考相關(guān)研究[5]中對(duì)相關(guān)系數(shù)的取值范圍，將R≥0.60作為變量是否顯著相關(guān)的臨界值。經(jīng)初步計(jì)算，顯著相關(guān)的變量及其相關(guān)系數(shù)為：Rx1-x16=-0.649；Rx4-x8=0.676；Rx4-x10=-0.62；Rx8-x13=0.722；Rx9-x10=0.84，每一對(duì)變量組中不存在兩兩之間相關(guān)性較大的指標(biāo)，因此，保留原指標(biāo)。

2.3 主成分分析

主成分分析法的主要思想是對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行降維，將原來多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，從而簡(jiǎn)化計(jì)算及排除不確定性。通過對(duì)眾多指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行分析，按照相關(guān)性進(jìn)行分組，使同組內(nèi)的指標(biāo)相關(guān)性高，而每組之間的相關(guān)性較低，每組指標(biāo)代表一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，這個(gè)基本結(jié)構(gòu)稱為主成分，從而使眾多的指標(biāo)歸結(jié)為幾個(gè)主成分，用較少的幾個(gè)綜合指標(biāo)反映原來較多指標(biāo)所反映的信息，以達(dá)到降維、便于分析的目的[9]。運(yùn)用SPSS19.0軟件進(jìn)行主成分分析，選擇累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上對(duì)應(yīng)的因子作為主成分，結(jié)果見表2。

表2 主成分分析的解釋總方差

注：提取方法為主成分分析法。

從表2可以看出，前8個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的因子累積貢獻(xiàn)率達(dá)到88.1%，這些主成分能夠較好地反應(yīng)原始數(shù)據(jù)的大部分信息。因此，本文選取8個(gè)主成分進(jìn)行聚類分析。

2.4 系統(tǒng)聚類分析

通過系統(tǒng)聚類分析可以實(shí)現(xiàn)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)，聚類時(shí)遵循類間差異大而類內(nèi)差異小的準(zhǔn)則進(jìn)行類別合并。本文運(yùn)用SPSS19.0軟件對(duì)提取的主成分進(jìn)行聚類分析，在選取聚類測(cè)度方法時(shí)參考前人的研究[15]，采用系統(tǒng)聚類中的離差平方和(Ward)法進(jìn)行聚類，生成聚類樹狀圖(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)聚類樹狀圖

從樹狀圖中可以看出系統(tǒng)聚類分析結(jié)果中除個(gè)別分區(qū)單元(如滑縣)外，大部分市(縣)與其所處的地理位置有著較好的一致性。主要由于中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的地理位置決定著總的氣候特征，而氣候特征又是影響農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)(尤其是種植業(yè)結(jié)構(gòu))的主要因素。因此，構(gòu)建的指標(biāo)體系反映出了農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的主要影響因子。此外，將該分區(qū)結(jié)果與中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)糧食生產(chǎn)核心區(qū)規(guī)劃相比，發(fā)現(xiàn)二者具有很大的吻合性，這表明該指標(biāo)體系與分區(qū)方法結(jié)合運(yùn)用所獲得的結(jié)果是較為合理的。

3 結(jié)果與討論

3.1 分區(qū)結(jié)果

為了便于指導(dǎo)各分區(qū)按照各自不同的特點(diǎn)發(fā)展相應(yīng)的節(jié)水措施，結(jié)合聚類分析結(jié)果，依據(jù)分區(qū)原則，將中原經(jīng)濟(jì)區(qū)43個(gè)市(縣)分為4個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水類型區(qū)，并結(jié)合各分區(qū)的地形特征進(jìn)行命名，如表3所示。

將中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)結(jié)果利用GIS技術(shù)呈現(xiàn)其空間分布，如圖2所示。從圖中看出，中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)整體上符合分區(qū)原則，分區(qū)較為合理。其中，滑縣位于中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的中北部，而分區(qū)結(jié)果中將滑縣劃分到了Ⅰ區(qū)，通過對(duì)比滑縣與各分區(qū)的主要指標(biāo)特征值發(fā)現(xiàn)，滑縣的各指標(biāo)值與Ⅰ區(qū)的指標(biāo)值比較接近，滑縣的農(nóng)村家庭人均純收入僅為6447.23元、人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值15118.73元，均低于Ⅱ區(qū)對(duì)應(yīng)平均指標(biāo)值9146.24元、34524.41元，且滑縣的復(fù)種指數(shù)為1.96,高于Ⅱ區(qū)縣市的復(fù)種指數(shù)，較高的復(fù)種指數(shù)提高了農(nóng)業(yè)用水需求，增加區(qū)域水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)，這也與其經(jīng)濟(jì)水平較低，在農(nóng)業(yè)用水需求的節(jié)水技術(shù)和灌溉設(shè)備相對(duì)較落后有關(guān)。具體來看，4個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水類型區(qū)的特征及其區(qū)域分布如下：

Ⅰ區(qū)(東部黃淮平原區(qū))：主要分布在安徽西北部和河南東南部及滑縣地區(qū)，該區(qū)域地勢(shì)平坦，以平原為主，是重要糧食產(chǎn)區(qū)。干燥度為1.14，屬于半濕潤(rùn)地區(qū)，多年平均降雨量為699mm，缺水系數(shù)為0.93，屬于極缺水地區(qū)，糧食作物播種面積占總播種面積的78.59%，農(nóng)作物復(fù)種指數(shù)達(dá)2.01，以井灌為主，適宜采取開采與補(bǔ)給相結(jié)合的方法，普及管道輸水灌溉技術(shù)，建設(shè)節(jié)水型井灌區(qū)。

Ⅱ區(qū)(北部低洼平原區(qū))：分布在河北南部、山東西南部和河南中北部，主要屬于太行山山前平原區(qū)和冀魯豫低洼平原區(qū)。該區(qū)域地勢(shì)平坦，干燥度為1.68，屬于半干旱地區(qū)，多年平均降雨量為618mm，該區(qū)缺水系數(shù)為0.74，單位公頃耕地水資源量?jī)H2792.38m3，是4個(gè)分區(qū)水資源量最為貧乏的地區(qū)，種植作物以小麥、玉米、蔬菜為主，耕地較為集中，水資源量及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平在4個(gè)分區(qū)居中，但糧食單位面積產(chǎn)量和單位耕地面積農(nóng)業(yè)產(chǎn)值是最高的一個(gè)區(qū)，該區(qū)域以純井灌區(qū)為主，具有較好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，適宜發(fā)展管道輸水灌溉技術(shù)，田間構(gòu)筑小畦短溝，配備地面軟管或閘管灌溉輸送。

Ⅲ區(qū)(南部丘陵平原區(qū))：主要分布在河南南部，該區(qū)域多年平均降雨量為707mm，干燥度1.06，是4個(gè)分區(qū)中氣候相對(duì)最為濕潤(rùn)的區(qū)域，從耕地有效灌溉率和單位耕地面積農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等指標(biāo)可以看出，該區(qū)域投入產(chǎn)出效率較低。由于缺水系數(shù)為0.43，屬于極度缺水地區(qū)，且單位公頃耕地水資源不豐富，所以應(yīng)對(duì)玉米、小麥等旱作物種植區(qū)發(fā)展節(jié)水型井灌技術(shù)，對(duì)部分種植水稻的地區(qū)推廣濕潤(rùn)灌溉方式，既能達(dá)到節(jié)水，又能實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)。

表3 中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)

Ⅳ區(qū)(西部山地丘陵區(qū))：主要分布在山西東南部和河南西部，該分區(qū)山地丘陵面積較其他分區(qū)相對(duì)最大，不利于農(nóng)田灌溉，該區(qū)單位公頃耕地水資源量達(dá)8297.91 m3，是4個(gè)分區(qū)中水資源相對(duì)最為豐富的區(qū)域，而缺水系數(shù)為0.39，在4個(gè)分區(qū)中最為缺水，單位公頃耕地面積農(nóng)業(yè)產(chǎn)值在4個(gè)分區(qū)中最低，且與其他分區(qū)差距較大，耕地有效灌溉率僅為41.85%，灌溉水資源利用率最低。結(jié)合區(qū)域地形特征及農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，適宜發(fā)展噴灌、微灌技術(shù)，從而達(dá)到節(jié)水高效的目標(biāo)。

圖2 中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)

3.2 結(jié)果分析

節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展受到農(nóng)業(yè)氣候因素、地形地貌、水資源狀況、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等諸多因素的影響。結(jié)合各分區(qū)主要特征指標(biāo)值(見表4)可知，4個(gè)節(jié)水分區(qū)在大部分指標(biāo)方面都存在著很大差異性。

表4 各分區(qū)的主要特征指標(biāo)值

為了直觀顯示中原經(jīng)濟(jì)區(qū)地形地貌狀況、氣候干燥程度、缺水程度以及耕地有效灌溉率等的空間分布特征，利用GIS技術(shù)將其繪制成圖(見圖3～圖6)。

地形地貌影響系數(shù)越大，意味著平原面積越大。4個(gè)分區(qū)的地形地貌影響系數(shù)均大于0.8，中原經(jīng)濟(jì)區(qū)大部分區(qū)域地勢(shì)平坦，以平原為主，且LⅠ>LⅡ>LⅢ>LⅣ。結(jié)合圖3可以看出，山地丘陵大多集中于位于中原經(jīng)濟(jì)區(qū)南部的Ⅲ區(qū)和西部的Ⅳ區(qū)，這類地形不利于農(nóng)業(yè)灌溉，且農(nóng)業(yè)水資源利用率較低。

干燥度作為氣候濕潤(rùn)程度指標(biāo)，其值越大表明干旱程度越大。由圖4可以看出，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的干燥度明顯低于Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的干燥度指數(shù)1.0≤K<1.5，屬于半濕潤(rùn)地區(qū)，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)的干燥度指數(shù)1.5≤K<2.0，屬于半干旱地區(qū)，不同的氣候干燥程度代表著不同區(qū)域水蒸發(fā)能力和降水量的大小，除了由其所處的地理位置決定外，在某種程度上與各地區(qū)不同的地形地貌也有關(guān)，不同的氣候類型分布在某種程度上決定了中原經(jīng)濟(jì)區(qū)各地區(qū)的水分干濕狀況。以上不同的自然條件決定了中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)種植類型和灌溉方式，分析的結(jié)果與研究區(qū)域的實(shí)際情況基本吻合，進(jìn)一步證實(shí)了研究分析的科學(xué)合理性。

缺水系數(shù)越小，意味著缺水程度越高。由表4可見4個(gè)分區(qū)的平均缺水系數(shù)β均小于1，說明中原經(jīng)濟(jì)區(qū)整體上屬于極缺水地區(qū)，且βⅠ>βⅡ>βⅢ>βⅣ，而與單位公頃耕地水資源量相比，Ⅳ區(qū)的水資源量最為豐富，說明Ⅳ區(qū)的耕地面積上的可用灌溉水量較少，缺少基本灌溉條件，在有灌溉條件的地方存在罐區(qū)工程不配套等問題；結(jié)合圖5各個(gè)地區(qū)的缺水度分布情況，鳳臺(tái)縣的缺水度β>3，屬于豐水區(qū)，淮南市潘集區(qū)缺水度為2.62，屬于微缺水地區(qū)，焦作市、濮陽市和蚌埠市的缺水度大于1，屬于缺水地區(qū)，其他地區(qū)的缺水度均小于1，屬于極缺水地區(qū)，其中以駐馬店市和新蔡縣缺水程度尤為嚴(yán)重，缺水度不到0.2，意味著耕地干旱等缺水問題非常嚴(yán)重。從水資源分布狀況來看，中原經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源分布極其不平衡，一方面與黃河、淮河等河流有關(guān)，黃淮河流經(jīng)的地區(qū)水資源相對(duì)豐富，另一方面也與地形地貌有關(guān)。

耕地有效灌溉率的高低反映各地農(nóng)田水利化程度的高低，是衡量耕地利用水平的重要指標(biāo)，也是土地利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)對(duì)干旱災(zāi)害、保障農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要條件。如圖6所示，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的耕地灌溉有效率相對(duì)高于Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)，且Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)，Ⅰ區(qū)的平均耕地有限灌溉率79.76%，Ⅳ區(qū)僅為41.85%，其中長(zhǎng)治市、晉城市和三門峽市的耕地有效灌溉率不到25%，中原經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)區(qū)域間差異性非常顯著。但是，由表4可以看出，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的水資源較為貧瘠，而其耕地灌溉有效率均達(dá)到75%以上，相較于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)擁有相對(duì)較為豐富的水資源量，而實(shí)際灌溉用水量水平和耕地有效灌溉率較低，且各區(qū)的耕地有效灌溉率均低于80%，一方面受其地形地貌的影響，另一方面與針對(duì)山地丘陵較多地區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)不成熟和缺少水利工程建設(shè)等有關(guān)。通過比較分析，在某種程度上反應(yīng)了中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的山地丘陵地帶農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方式不合理，應(yīng)區(qū)別于平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方式，針對(duì)不同的地形地貌建設(shè)水利工程并配備適合當(dāng)?shù)毓?jié)水灌溉的設(shè)備。以Ⅳ區(qū)為例，Ⅳ區(qū)的糧食播種比例高達(dá)80.07%，而耕地有效灌溉率僅為41.85%，單位面積糧食產(chǎn)量和單位耕地面積農(nóng)業(yè)產(chǎn)值僅為Ⅰ區(qū)的74.69%和74.59%，與其他三個(gè)分區(qū)相比均相對(duì)最低，通過比較分析可以看出，與農(nóng)業(yè)水資源的利用效率低有密切的關(guān)系，說明在提高農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉水平和灌溉效率等方面有待提高，從而提高水資源的高效利用。

圖3 地形地貌影響系數(shù)

圖4 干燥度

圖5 缺水度

圖6 耕地有效灌溉率

從分析結(jié)果可以看出，干燥度與地形地貌影響系數(shù)同缺水程度基本上呈反向關(guān)系，越是干旱的地區(qū)缺水程度就越高，以平原為主的地區(qū)與丘陵山區(qū)相對(duì)較多的地區(qū)相比，缺水程度相對(duì)較低，這也與農(nóng)業(yè)具有涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)氣候的生態(tài)功能密切相關(guān)；糧食播種比例越小、復(fù)種指數(shù)越高、耕地有效灌溉率越高，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平就相對(duì)越高。

4 結(jié)論與展望

本文依據(jù)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)原則，從中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的自然條件、水資源狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件及農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)特征四個(gè)方面構(gòu)建其農(nóng)業(yè)節(jié)水指標(biāo)體系，并對(duì)指標(biāo)信息進(jìn)行檢驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用主成分分析與系統(tǒng)聚類分析相結(jié)合的方法對(duì)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)，并利用GIS技術(shù)呈現(xiàn)其空間分布，分區(qū)結(jié)果與中原經(jīng)濟(jì)區(qū)實(shí)際情況較為接近，具有一定的合理性。研究結(jié)果表明：①中原經(jīng)濟(jì)區(qū)可分為4個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水類型區(qū)，結(jié)合地形地貌特征分別命名為東部黃淮平原區(qū)(Ⅰ區(qū))、北部低洼平原區(qū)(Ⅱ區(qū))、南部丘陵平原區(qū)(Ⅲ區(qū))和西部山地丘陵區(qū)(Ⅳ區(qū))；②4個(gè)農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)均屬于極缺水地區(qū)，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)為半濕潤(rùn)地區(qū)，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)為半干旱地區(qū)；③結(jié)合中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)狀況，Ⅰ區(qū)適宜采取開采與補(bǔ)給相結(jié)合的辦法，普及管道輸水灌溉技術(shù)，建設(shè)節(jié)水型井灌區(qū)。Ⅱ區(qū)適宜發(fā)展管道輸水灌溉技術(shù)，田間構(gòu)筑小畦短溝，配備地面軟管或閘管灌溉輸送。Ⅲ區(qū)應(yīng)對(duì)玉米、小麥等旱作物種植區(qū)發(fā)展節(jié)水型井灌為主技術(shù)，對(duì)部分種植水稻的地區(qū)推廣濕潤(rùn)灌溉方式。Ⅳ區(qū)適宜發(fā)展噴灌、微灌技術(shù)。各分區(qū)通過發(fā)展不同的灌溉技術(shù)達(dá)到農(nóng)業(yè)節(jié)水的目的。

限于資料的有限性，在建立農(nóng)業(yè)節(jié)水指標(biāo)體系時(shí)，尤其是水資源利用方面不夠全面，未考慮各地區(qū)現(xiàn)有節(jié)水農(nóng)業(yè)比例、單位面積農(nóng)田需水量、地下水開采程度，以及由于南水北調(diào)影響中原經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源分配情況等因素，因此與各分區(qū)的實(shí)際情況可能還存在一定的偏差。今后在資料收集全面性、指標(biāo)體系系統(tǒng)性以及外部環(huán)境對(duì)分析對(duì)象的干擾性等方面還需進(jìn)一步深度研究，從而分析中原經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展?jié)摿Γ七M(jìn)以農(nóng)田水利設(shè)施為基礎(chǔ)的田間工程建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率，發(fā)展高效節(jié)水灌溉，推進(jìn)水資源節(jié)約利用，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)糧食生產(chǎn)核心區(qū)、構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)支撐體系提供對(duì)策建議。

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(責(zé)任編輯 沈蓉)

Agricultural Water-Saving regionalization in Central Plains Economic Region

Zhao Junwei1,2,Yin Changbin1

(1.Institute of Agriculture Resources and Regional Planning,CAAS,Beijing 100081,China;2.College of Economics and Management,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Agricultural water-saving regionalization can promote the effective utilization of regional water resources and relieve the shortage of agricultural water，and it also provides the scientific policy-making basis for the agricultural sustainable development in Central Plains Economic Region(CPER).In view of the present water resources shortage and high agricultural water consumption in CPER，evaluation index system for agricultural water-saving regionalization was established with four class-1 indexes(topography，climatic，water utilization and cropping characteristics) and eighteen class-2 indices.Through principal component analysis，key indices of agricultural water-saving regionalization were selected.Then hierarchical cluster analysis was used to regionalize agricultural water-saving regionalization in CPER.According to the results and the real conditions of 43 municipalities(counties) in CPER，it was divided into 4 sub-regions.And then it was carried on spatial analysis with GIS.The results indicate that each agricultural water-saving regionalization is in better uniformity with the distribution of the climate features and agricultural structures determined by the geographical locations.As a result，the application of the index system and method can obtain the rational agricultural water-saving regionalization.

CPER；Agricultural water-saving regionalization；Principal component analysis；Hierarchical cluster；GIS

2016-08-04

趙俊偉(1986-)，男，河南許昌人，博士研究生；研究方向：農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)區(qū)域發(fā)展。

F323.1；F323.213

A