于 水, 黃法融, 李蘭海

中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性及其變化特征分析*

于 水1,2,3,5, 黃法融1,2,4,5**, 李蘭海1,2,3,4,5

(1. 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011; 2. 中國(guó)科學(xué)院伊犁河流域生態(tài)系統(tǒng)研究站 新源 835800; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 中國(guó)科學(xué)院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心 烏魯木齊 830011; 5. 新疆干旱區(qū)水循環(huán)與水利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011)

農(nóng)業(yè)用水是鏈接自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié), 研究農(nóng)業(yè)水資源脆弱性的時(shí)空變化對(duì)揭示水資源的可持續(xù)開發(fā)利用、保障水資源安全、應(yīng)對(duì)洪旱災(zāi)害具有重要意義。為研究中亞地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性變化特征, 本文以中亞五國(guó)為研究區(qū), 基于氣象、土地覆蓋、地形和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù), 依據(jù)脆弱性概念框架, 從暴露度、敏感度和適應(yīng)度3個(gè)方面選取18個(gè)指標(biāo), 建立了農(nóng)業(yè)水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 采用等權(quán)重法和主成分分析法確定指標(biāo)權(quán)重, 對(duì)1992－2017年中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)及特征分析。結(jié)果表明: 1)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間分布表現(xiàn)為“南高北低”的特征, 5國(guó)中土庫(kù)曼斯坦農(nóng)業(yè)水資源脆弱性最強(qiáng), 其次為烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦和吉爾吉斯斯坦, 而哈薩克斯坦農(nóng)業(yè)水資源脆弱性最弱; 研究時(shí)段內(nèi)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間分布格局變化較小。2)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性隨時(shí)間變化表現(xiàn)為“前期升高, 中期降低, 后期穩(wěn)定”的態(tài)勢(shì), 整個(gè)研究期內(nèi)研究區(qū)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性變化類型以相對(duì)穩(wěn)定為主。不同地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性隨時(shí)間的變化存在差異, 吉爾吉斯斯坦西部和土庫(kù)曼斯坦的農(nóng)業(yè)水資源脆弱性升高, 烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦以及咸海地區(qū)水資源脆弱性降低, 其他地區(qū)相對(duì)穩(wěn)定。3)不同地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性對(duì)各指標(biāo)的敏感性不同, 北部農(nóng)業(yè)水資源脆弱性動(dòng)態(tài)變化對(duì)農(nóng)田灌溉定額和灌溉指數(shù)以負(fù)敏感為主, 對(duì)其他指標(biāo)以正敏感為主, 而南部對(duì)各指標(biāo)的敏感性正負(fù)均有; 相關(guān)性分析表明, 森林覆蓋率、農(nóng)業(yè)用水比例、農(nóng)田灌溉定額、水分脅迫指數(shù)、灌溉指數(shù)和農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)率是導(dǎo)致中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間差異的重要因素。4)為降低農(nóng)業(yè)水資源脆弱性, 中亞地區(qū)需發(fā)展集約型農(nóng)業(yè), 調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu), 推廣耐旱品種農(nóng)作物, 進(jìn)行節(jié)水灌溉。研究結(jié)果可為中亞農(nóng)業(yè)水資源規(guī)劃管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局調(diào)整以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

農(nóng)業(yè); 水資源; 脆弱性評(píng)價(jià); 中亞

脆弱性出現(xiàn)在生態(tài)學(xué)、災(zāi)害學(xué)、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域的有關(guān)文獻(xiàn)中, 是用來(lái)衡量系統(tǒng)自身及其構(gòu)成要素受到影響和破壞后, 因此而缺乏抵御干擾和恢復(fù)初始狀態(tài)的能力[1]。在水資源研究領(lǐng)域, 法國(guó)學(xué)者Albinet和Marget在20世紀(jì)60年代率先提出地下水資源脆弱性概念, 隨后美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)、美國(guó)環(huán)保署、國(guó)際水文地質(zhì)協(xié)會(huì)以及政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)等相關(guān)研究人員都把水資源脆弱性作為重要研究領(lǐng)域, 使水資源脆弱性的概念與內(nèi)涵不斷豐富和發(fā)展[2-5]。隨著水資源脆弱性的深入研究, 地表水脆弱性研究越來(lái)越受到重視[6]。鄒君等[7-8]詳細(xì)研究了地表水資源脆弱性的概念與內(nèi)涵及評(píng)價(jià)方法, 并已經(jīng)在多個(gè)地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。夏軍等[9]對(duì)氣候變化下水資源脆弱性的概念和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了適應(yīng)性研究, 認(rèn)為水資源脆弱性可以由暴露程度、敏感性以及適應(yīng)能力組成的函數(shù)來(lái)表達(dá)。當(dāng)前, 水資源脆弱性研究實(shí)現(xiàn)了由單一的地下水脆弱性或地表水脆弱性向多方向水資源脆弱性轉(zhuǎn)變。農(nóng)業(yè)水資源脆弱性是指正常運(yùn)作的農(nóng)業(yè)水資源系統(tǒng)在遭受人類活動(dòng)和自然災(zāi)害時(shí)所展現(xiàn)的受損狀態(tài), 以及受損后難以恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)的性質(zhì)[10-11]。因此, 農(nóng)業(yè)水資源脆弱性可以作為衡量農(nóng)業(yè)水資源系統(tǒng)影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力的重要指標(biāo)。通過(guò)開展區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源脆弱性評(píng)價(jià), 不僅可以了解區(qū)域農(nóng)業(yè)水環(huán)境脆弱狀況的空間分布差異, 還可以為區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源規(guī)劃提供參考依據(jù)。

在脆弱性評(píng)價(jià)方法上, 主要分為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)兩類。定性評(píng)價(jià)是分析與水資源變化有緊密關(guān)聯(lián)的眾多要素, 找出影響水資源脆弱性的主要因子, 并結(jié)合區(qū)域地理特征和生態(tài)特征, 提出降低水資源脆弱性的具體措施。如黃友波等[12]對(duì)黑河流域水資源脆弱性進(jìn)行分析, 并基于研究區(qū)生態(tài)地理特征提出保護(hù)水資源及生態(tài)環(huán)境的建議。定量評(píng)價(jià)是從水資源脆弱性的影響因素入手, 在評(píng)價(jià)過(guò)程中引入１個(gè)能夠描述水資源脆弱程度的變量來(lái)計(jì)算水資源系統(tǒng)抵抗干擾的能力, 其方法主要包括函數(shù)法、綜合指標(biāo)法和指標(biāo)權(quán)重法等。如焦士興等[13]利用熵值法和線性加權(quán)綜合法, 對(duì)河南省農(nóng)業(yè)水資源脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià); 楊琴等[14]采用改進(jìn)的主成分分析法和熵值法綜合確定指標(biāo)權(quán)重, 對(duì)湖南省水資源脆弱性特征進(jìn)行分析。在選擇評(píng)價(jià)方法時(shí), 應(yīng)遵循區(qū)域適用性原則, 優(yōu)先選擇操作簡(jiǎn)單、評(píng)價(jià)結(jié)果適當(dāng)?shù)姆椒āＴ诖嗳跣詫?shí)際評(píng)價(jià)過(guò)程中, 多種方法可以相互組合使用[15]。在脆弱性評(píng)價(jià)框架上, Polsky等[16]提出VSD (vulnerability scoping diagram)框架, Acosta- Michlik等[17]提出ADV (agents differential vulnerability)框架, 與其他脆弱性評(píng)價(jià)方法相比, 這些框架具有多元的數(shù)據(jù)組織、明確的脆弱性內(nèi)涵和科學(xué)構(gòu)建的指標(biāo)體系, 給研究者提供了清晰的評(píng)價(jià)思路。

中亞地區(qū)自然條件復(fù)雜, 生態(tài)環(huán)境脆弱, 對(duì)氣候變化響應(yīng)極為敏感。水資源來(lái)源于高山區(qū)的冰雪融水和中山區(qū)的降水, 經(jīng)空間轉(zhuǎn)移到河流下游的綠洲和荒漠區(qū), 最終被沿途耗散以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所利用[18]。近年來(lái), 一些學(xué)者對(duì)該地區(qū)的自然和社會(huì)脆弱狀況等方面進(jìn)行了研究[19-24]。但這些研究多針對(duì)區(qū)域內(nèi)的典型流域或典型地區(qū), 鮮有學(xué)者對(duì)整個(gè)中亞地區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源脆弱性變化情況進(jìn)行深入研究。本文以中亞五國(guó)為研究對(duì)象, 基于VSD脆弱性框架, 采用多指標(biāo)加權(quán)平均方法對(duì)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性及其變化特征進(jìn)行分析, 以期為中亞農(nóng)業(yè)水資源管理和“一帶一路”倡議落實(shí)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中亞包括哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、土庫(kù)曼斯坦、吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦5個(gè)國(guó)家(46°45′~87°21′E, 35°5′~55°33′N), 東起西天山的南脈, 與中國(guó)相鄰; 西至里海, 與俄羅斯、阿塞拜疆相望; 南以科畢達(dá)山脈和阿姆河中游及其源頭噴赤河為界, 與伊朗、阿富汗毗鄰; 北到西伯利亞大草原, 與俄羅斯相接。該地區(qū)地勢(shì)東南高、西北低, 自東向西依次為山區(qū)、丘陵和平原, 其中以平原和丘陵為主, 且沙漠廣布(圖1)。氣候以溫帶沙漠、溫帶草原和溫帶大陸性氣候?yàn)橹? 光照充足, 蒸發(fā)量大[25], 形成山地森林草原—盆地平原綠洲寓于荒漠, 并與荒漠共存的生態(tài)地理格局[26]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用數(shù)據(jù)包括: 1)作物生育期平均氣溫、降水量和潛在蒸散量, 來(lái)源于英國(guó)東英吉利大學(xué)氣候研究中心(CRU) (http://data.ceda.ac.uk/badc/cru/ data/)提供的1992—2017年氣象數(shù)據(jù)集(TS4.02), 空間分辨率為0.5°; 2)土地覆蓋類型, 來(lái)源于歐空局(CCI) 1992—2015年土地覆蓋產(chǎn)品(https://www.esa- landcover-cci.org), 空間分辨率為300 m; 3)土壤有效含水量, 來(lái)源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)的土壤數(shù)據(jù)集(V1.2)(http://data. casnw.net/portal/); 4)地形起伏度, 來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn), 空間分辨率為90 m; 5)森林覆蓋率和人均農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值指數(shù), 來(lái)源于世界銀行(https://data.worldbank.org.cn/indicator); 6)施政效率(法律法規(guī)、監(jiān)管質(zhì)量和政府效能), 來(lái)源于世界銀行(https://databank.worldbank.org/databases/ rule-of-law); 7)人均水資源量、產(chǎn)水系數(shù)、農(nóng)村安全飲用水指數(shù)、農(nóng)業(yè)用水比例、農(nóng)田灌溉定額、水分脅迫指數(shù)和灌溉指數(shù), 來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(http://www.fao.org/faostat/en/#data); 8)農(nóng)業(yè)增加值用水量和農(nóng)業(yè)用水產(chǎn)出率,來(lái)源于世界銀行(https://data.worldbank.org.cn/indicator)和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(http://www.fao.org/faostat/en/#data)。以上均為1992—2017年各國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。對(duì)上述數(shù)據(jù), 利用最鄰近法重采樣至1 km空間分辨率。

1.3 研究方法

1.3.1 框架模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建

根據(jù)Polsky于2007年提出的VSD框架概念, 將脆弱性定義為暴露度、敏感度和適應(yīng)度3個(gè)一級(jí)指標(biāo), 采用一級(jí)指標(biāo)—二級(jí)指標(biāo)—三級(jí)指標(biāo)逐級(jí)遞進(jìn)、細(xì)化的方式研究脆弱性[16,27]。其中, 暴露度是農(nóng)業(yè)水資源系統(tǒng)受到自然與社會(huì)環(huán)境沖擊的程度; 敏感度是農(nóng)業(yè)水資源系統(tǒng)受到氣候環(huán)境變化影響的程度; 適應(yīng)度是農(nóng)業(yè)水資源系統(tǒng)在采取相應(yīng)措施后達(dá)到適應(yīng)環(huán)境變化以及應(yīng)對(duì)不利后果中恢復(fù)的程度。脆弱度與暴露度和敏感度呈正相關(guān), 暴露度或敏感度越大, 脆弱度就越大; 脆弱度與適應(yīng)度呈負(fù)相關(guān), 適應(yīng)度越大, 脆弱度越小。中亞地區(qū)下墊面條件和水資源質(zhì)量空間差異明顯, 各地區(qū)對(duì)水資源的處理方式不同, 導(dǎo)致居民飲用水達(dá)標(biāo)程度不同, 特別是東部農(nóng)區(qū)近年來(lái)才開始關(guān)注居民飲用水安全; 同時(shí)蘇聯(lián)解體后中亞五國(guó)管理模式不一, 各國(guó)的法律法規(guī)、監(jiān)管質(zhì)量和政府效能存在差異, 導(dǎo)致各國(guó)施政效率和農(nóng)業(yè)水資源的管理方式不同。因此, 本文基于VSD框架, 依據(jù)暴露度、敏感度和適應(yīng)度的定義, 結(jié)合區(qū)域自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件[27], 考慮上述更能體現(xiàn)中亞地區(qū)特征的農(nóng)業(yè)水資源脆弱性因素, 并根據(jù)已有農(nóng)業(yè)水資源脆弱性研究[13,19,21,24], 從科學(xué)性和完備性原則、主導(dǎo)性和相互獨(dú)立性原則、可操作性和可比性原則以及區(qū)域性和動(dòng)態(tài)性原則出發(fā), 構(gòu)建了中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.3.2 指標(biāo)權(quán)重及脆弱性等級(jí)的確定

1)歸一化處理。為了消除農(nóng)業(yè)水資源脆弱性評(píng)價(jià)中各指標(biāo)量綱的影響, 采用極差正規(guī)化法將各級(jí)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱歸一化處理[24], 即: 各個(gè)指標(biāo)值介于0~1。

正向指標(biāo)歸一化公式為:

X=(x?xmin)/(xmax?xmin) (1)

負(fù)向指標(biāo)歸一化公式為:

X=(xmax?x)/(xmax?xmin) (2)

式中:X為歸一化值,x為評(píng)價(jià)指標(biāo)的樣本值,xmax和xmin分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)最大值和最小值。歸一化處理前研究時(shí)段內(nèi)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間分布圖(圖2)。

2)農(nóng)業(yè)水資源暴露度、敏感度和適應(yīng)度計(jì)算公式為:

式中:F值介于0~1, 為各二級(jí)指標(biāo)綜合作用于一級(jí)指標(biāo)暴露度、敏感度和適應(yīng)度的結(jié)果;為F的二級(jí)指標(biāo)數(shù)量, 文中=6;X為各一級(jí)指標(biāo)下的二級(jí)指標(biāo);e為X的權(quán)重。等權(quán)重法假定構(gòu)成綜合指標(biāo)的各指標(biāo)對(duì)研究對(duì)象的影響程度相同。從社會(huì)全面發(fā)展角度來(lái)看, 水資源脆弱性所涉及的各個(gè)方面都同等重要, 地理學(xué)者哈特向也認(rèn)為二級(jí)指標(biāo)權(quán)重應(yīng)當(dāng)相同[28]。因此, 本研究采用等權(quán)重法確定各二級(jí)指標(biāo)權(quán)重,e=1/6。

3)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性計(jì)算公式為:

式中:值介于0~1, 為各級(jí)指標(biāo)綜合作用于水資源脆弱性的結(jié)果;為一級(jí)指標(biāo)數(shù)量, 文中=3;F為暴露度、敏感度或適應(yīng)度, 即脆弱性的一級(jí)指標(biāo);w為F的權(quán)重系數(shù)。為降低一級(jí)指標(biāo)之間的相互影響, 本研究通過(guò)差異權(quán)重法將一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重差異化, 而主成分分析法能夠?qū)崿F(xiàn)權(quán)重的差異化, 同時(shí)相對(duì)準(zhǔn)確地評(píng)估研究對(duì)象。因此, 本研究利用主成分分析法獲得了暴露度、敏感度和適應(yīng)度的權(quán)重系數(shù)(表2), 再通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算農(nóng)業(yè)水資源脆弱性[29-30]。

表2 1992—2017年中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性一級(jí)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

4)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性等級(jí)劃分。水資源系統(tǒng)具有復(fù)雜性和變化性, 各研究人員對(duì)水資源脆弱性概念與內(nèi)涵的理解以及研究區(qū)域均存在差異, 因此對(duì)水資源脆弱性分級(jí)并沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文參考相關(guān)文獻(xiàn)[31-33], 采用自然間斷點(diǎn)法將中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性時(shí)空分布結(jié)果分為微度(0~0.189)、輕度(0.189~0.357)、中度(0.357~0.573)、重度(0.573~0.739)和極度(0.739~ 1.000)5個(gè)等級(jí), 并將不同時(shí)段中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間分布結(jié)果兩兩相減, 把農(nóng)業(yè)水資源脆弱性演變信息分為顯著降低(最小值~?0.079)、緩慢降低(?0.079~ ?0.028)、相對(duì)穩(wěn)定(?0.028~0.019)、緩慢升高(0.019~ 0.063)和顯著升高(0.063~最大值)5個(gè)等級(jí)。

1.3.3 指標(biāo)敏感分析

將中亞1992—2017年劃分為5個(gè)分時(shí)段(1992—1996年、1997—2001年、2002—2006年、2007—2011年和2012—2017年)。根據(jù)敏感分析方法[34-35], 獲得1992—2017年各二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性的敏感系數(shù)。其公式為:

式中:X為各二級(jí)指標(biāo)分時(shí)段的序列值,V為脆弱性分時(shí)段的序列值, 文中=1, 2, 3, 4, 5;和分別為X與V的平均值;為各二級(jí)指標(biāo)的敏感系數(shù),為正表明脆弱性隨著該二級(jí)指標(biāo)的增加而增加, 為負(fù)表明隨著該二級(jí)指標(biāo)的增加而減小。

2 結(jié)果與分析

2.1 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性時(shí)空分布特征

根據(jù)1.3.3劃分的5個(gè)分時(shí)段(1992—1996年、1997—2001年、2002—2006年、2007—2011年、2012—2017年)以及一個(gè)全時(shí)段(1992—2017年), 分別得到各時(shí)段中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間分布圖(圖3), 并提取各時(shí)段不同等級(jí)脆弱性的面積和比例(表3)。

在分時(shí)段內(nèi), 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間格局表現(xiàn)為“南高北低”的態(tài)勢(shì)(圖3a-e), 但其分布格局隨時(shí)間變化較小。微、輕度脆弱面積在各分時(shí)段內(nèi)變化較小, 其分布面積比例為66.06%~68.34%, 該等級(jí)脆弱性變化主要發(fā)生在哈薩克斯坦; 中度脆弱面積比例從5.04%增加到10.04%, 其中2007—2011年和2012—2017年兩個(gè)時(shí)段在烏茲別克斯坦部分地區(qū)出現(xiàn)明顯增加; 極重度脆弱面積比例從27.28%減少到21.93%, 其中2007—2011年和2012—2017年兩個(gè)時(shí)段在烏茲別克斯坦部分地區(qū)呈現(xiàn)明顯減少。從各國(guó)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性分布來(lái)看, 哈薩克斯坦以微輕度脆弱為主, 吉爾吉斯斯坦以中度脆弱為主, 塔吉克斯坦以重度脆弱為主, 土庫(kù)曼斯坦以極度脆弱為主, 烏茲別克斯坦由極重度脆弱向中重度脆弱轉(zhuǎn)變。

在全時(shí)段內(nèi), 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間格局也表現(xiàn)為“南高北低”的態(tài)勢(shì)(圖3f)。極重度脆弱區(qū)域主要分布于烏茲別克斯坦、土庫(kù)曼斯坦和塔吉克斯坦, 微輕度脆弱區(qū)域主要分布于哈薩克斯坦, 中度脆弱區(qū)域僅分布于吉爾吉斯斯坦。由此可見, 中亞北部農(nóng)業(yè)水資源脆弱性較低, 但南部4國(guó)脆弱程度較高?？傮w而言, 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性重度以上和輕度以下面積比例分別為27.03%和68.03%, 其中輕度以下脆弱區(qū)域所占比例超過(guò)重度以上脆弱區(qū)域41.00%。此外, 僅有4.94%的區(qū)域呈中度脆弱。

2.2 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性演變特征

根據(jù)2.1中各時(shí)段的農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間格局, 利用1.3.2中所述農(nóng)業(yè)水資源脆弱性演變分級(jí)方法, 得到4個(gè)分時(shí)期(1992—2001年、1997—2006年、2002—2011年、2007—2017年)以及一個(gè)全時(shí)期(1992—2017年)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性演變特征圖(圖4), 并提取各時(shí)期不同變化等級(jí)的面積和比例(表4)。

在分時(shí)期內(nèi), 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性變化整體表現(xiàn)為“前期升高, 中期降低, 后期穩(wěn)定”的特點(diǎn), 其變化類型主要以相對(duì)穩(wěn)定為主(圖4a-d)。1992—2001年脆弱性升高區(qū)域達(dá)47.30%, 而脆弱性降低區(qū)域僅占5.67%; 1997—2006年脆弱性降低區(qū)域達(dá)33.85%, 而脆弱性升高區(qū)域占比15.84%; 2002—2011年和2007—2017年兩時(shí)期, 脆弱性降低區(qū)域占比分別為11.16%和14.14%, 而脆弱性升高區(qū)域占比分別為18.55%和0.76%, 農(nóng)業(yè)水資源脆弱性變化類型中相對(duì)穩(wěn)定占主導(dǎo)。從各國(guó)變化情況來(lái)看, 哈薩克斯坦脆弱性變化經(jīng)歷升高-降低-穩(wěn)定-穩(wěn)定的過(guò)程, 吉爾吉斯斯坦脆弱性變化主要經(jīng)歷穩(wěn)定-降低-升高-降低的過(guò)程, 塔吉克斯坦脆弱性變化主要表現(xiàn)為升高-降低-穩(wěn)定-降低的過(guò)程, 土庫(kù)曼斯坦脆弱性變化主要表現(xiàn)為升高-升高-升高-穩(wěn)定的過(guò)程, 烏茲別克斯坦脆弱性變化主要表現(xiàn)為穩(wěn)定-升高-降低-降低的過(guò)程。

表3 1992—2017年不同時(shí)段中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性的面積與比例

表4 1992—2017年不同時(shí)期中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性變化類型的面積與比例

在全時(shí)期內(nèi), 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性變化主要表現(xiàn)為相對(duì)穩(wěn)定(圖4e)。脆弱性升高區(qū)域主要分布在吉爾吉斯斯坦西部和土庫(kù)曼斯坦, 脆弱性降低區(qū)域主要分布在烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦和哈薩克斯坦境內(nèi)咸海地區(qū), 而哈薩克斯坦和吉爾吉斯斯坦的大部分地區(qū)脆弱性變化較小。總體來(lái)看, 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性升高與降低面積比例分別為16.24%和15.28%, 有68.49%的區(qū)域脆弱性相對(duì)穩(wěn)定。由此可見, 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性整體上變化較小, 但區(qū)域內(nèi)部變化差異較大。

2.3 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性敏感分析

評(píng)價(jià)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性時(shí), 從暴露度、敏感度、適應(yīng)度中所選取的18個(gè)二級(jí)指標(biāo)中, 地形起伏度和土壤有效含水量在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)為定值, 因此只對(duì)其余16個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行敏感分析。

中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性對(duì)各暴露度二級(jí)指標(biāo)的敏感系數(shù)如圖5所示: 農(nóng)業(yè)水資源脆弱性對(duì)人均水資源量的敏感程度在咸海和阿爾泰山地區(qū)較大, 對(duì)作物生育期降水量的敏感程度在澤拉夫尚河流域較大, 對(duì)作物生育期平均氣溫和作物生育期潛在蒸散量的敏感程度在哈薩克斯坦部分地區(qū)較高, 對(duì)產(chǎn)水系數(shù)的敏感程度相對(duì)較小。

中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性對(duì)各敏感度二級(jí)指標(biāo)的敏感系數(shù)如圖6所示: 咸海地區(qū)對(duì)農(nóng)村安全飲用水指數(shù)的敏感程度大于其他地區(qū), 烏茲別克斯坦北部和中部對(duì)森林覆蓋率的敏感程度較高, 塔吉克斯坦對(duì)農(nóng)業(yè)用水比例和水分脅迫指數(shù)的敏感性較高, 而烏茲別克斯坦對(duì)農(nóng)田灌溉定額的敏感程度較高。

中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性對(duì)各適應(yīng)度二級(jí)指標(biāo)的敏感系數(shù)如圖7所示: 農(nóng)業(yè)水資源脆弱性對(duì)灌溉指數(shù)敏感的地區(qū)主要位于吉爾吉斯斯坦, 對(duì)土地覆蓋類型敏感的地區(qū)較為分散, 對(duì)農(nóng)業(yè)增加值用水量的高敏感地區(qū)主要位于咸海, 對(duì)農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)率高敏感的地區(qū)主要位于吉爾吉斯斯坦, 對(duì)人均農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值和施政效率高敏感的地區(qū)主要位于土庫(kù)曼斯坦。

2.4 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性相關(guān)分析

利用相關(guān)分析探討了18個(gè)二級(jí)指標(biāo)對(duì)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間分布的影響(表5), 結(jié)果表明農(nóng)業(yè)水資源脆弱性與各二級(jí)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)差異較大。中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性與森林覆蓋率、農(nóng)業(yè)用水比例、農(nóng)田灌溉定額、水分脅迫指數(shù)和灌溉指數(shù)呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)>0.80), 而與農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)率和施政效率呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)

表5 1992—2017年不同時(shí)段中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性與各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

3 討論

本文從暴露度、敏感度和適應(yīng)度3個(gè)方面選擇反映研究區(qū)自然因素和社會(huì)因素的18個(gè)指標(biāo)研究中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性, 采用等權(quán)重法和主成分分析法相結(jié)合的方式確定指標(biāo)權(quán)重, 揭示了研究區(qū)1992—2017年農(nóng)業(yè)水資源脆弱性的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明, 哈薩克斯坦農(nóng)業(yè)水資源脆弱性較低, 但是南部4國(guó)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性相對(duì)較高。農(nóng)業(yè)水資源極度脆弱區(qū)主要分布在土庫(kù)曼斯坦、烏茲別克斯坦北部以及塔吉克斯坦的部分地區(qū), 主要原因在于這些地區(qū)自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件較差, 同時(shí)錫爾河流域和阿姆河流域作為經(jīng)濟(jì)活動(dòng)區(qū), 水資源不合理利用導(dǎo)致水資源時(shí)空分布不均, 進(jìn)而出現(xiàn)土地荒漠化和鹽堿化等環(huán)境問(wèn)題[36-37]。此外, 咸海面積不斷縮小, 水資源量驟減使得地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源脆弱程度較高[38]。在研究時(shí)段前期, 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性升高, 水資源安全存在風(fēng)險(xiǎn), 這與已有研究結(jié)果基本一致[19-23]。但部分地區(qū)的研究結(jié)果也存在差異, 如哈薩克斯坦南部等地在該研究中呈輕度脆弱, 而在相關(guān)研究中脆弱程度較高[39-41]。

由于不同地區(qū)氣候和社會(huì)環(huán)境主導(dǎo)因素不同[20], 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性在地區(qū)間的分布差異顯著。例如, 中亞北部農(nóng)業(yè)水資源脆弱性對(duì)多數(shù)二級(jí)指標(biāo)的敏感性以正敏感為主, 但對(duì)農(nóng)田灌溉定額和灌溉指數(shù)以負(fù)敏感為主, 而南部則對(duì)多數(shù)指標(biāo)的敏感程度正負(fù)均有, 表明南部農(nóng)業(yè)水資源脆弱性的影響因素較為復(fù)雜, 解決農(nóng)業(yè)水資源問(wèn)題更加困難。從相關(guān)分析結(jié)果來(lái)看, 施政效率的提高對(duì)緩解地區(qū)水資源壓力, 促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展有著積極作用[36-37]。森林覆蓋率、農(nóng)業(yè)用水比例、農(nóng)田灌溉定額、水分脅迫指數(shù)、灌溉指數(shù)和農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)率等二級(jí)指標(biāo)與各時(shí)段農(nóng)業(yè)水資源脆弱性相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值≥0.85, 表明這些指標(biāo)對(duì)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間分布影響較為明顯。

為有效緩解中亞地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源問(wèn)題, 需要從多方向加以應(yīng)對(duì)[36-37,42]: 1)以水資源承載力為依據(jù), 調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)與發(fā)展規(guī)模相協(xié)調(diào)。農(nóng)業(yè)發(fā)展必須由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變, 調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)與規(guī)模, 推廣耐旱農(nóng)作物品種, 發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)。2)以生態(tài)系統(tǒng)管理為指導(dǎo), 實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)保護(hù)與區(qū)域調(diào)水相統(tǒng)一。要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水環(huán)境的健康與發(fā)展, 應(yīng)退耕還草還湖、保障生態(tài)需水, 建立區(qū)域水資源管理機(jī)構(gòu), 在跨界流域下游的哈薩克斯坦、土庫(kù)曼斯坦和烏茲別克斯坦應(yīng)當(dāng)顧及塔吉克期坦和吉爾吉斯斯坦的利益訴求。3)以水資源管理為目標(biāo), 保障水資源安全與國(guó)際合作相聯(lián)結(jié)。各國(guó)應(yīng)在水資源合作委員會(huì)(ICWC)下, 制定跨界水資源分配方案和補(bǔ)償協(xié)議。同時(shí), 應(yīng)借“一帶一路”倡議開展同中國(guó)的交流與合作, 共享資金、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì), 實(shí)現(xiàn)共同發(fā)展。

本文根據(jù)研究區(qū)自然與社會(huì)環(huán)境狀況, 選擇具有區(qū)域特點(diǎn)的指標(biāo)來(lái)探究農(nóng)業(yè)水資源脆弱性變化特征, 這對(duì)中亞農(nóng)業(yè)水資源管理具有指導(dǎo)意義。目前中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性研究仍處于起步階段, 可以借鑒的數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料相對(duì)匱乏, 諸多方面需要完善與改進(jìn), 如數(shù)據(jù)資料需要提高精度、評(píng)價(jià)模型需要改進(jìn)完善、影響因素需要定量分析等, 特別是社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料的空間分辨率需要精細(xì)到各國(guó)的州或縣尺度, 因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)國(guó)家尺度社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)水資源脆弱性的空間分布特征。農(nóng)業(yè)水資源脆弱性能夠反映地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源系統(tǒng)受到外界波動(dòng)或干擾時(shí)的響應(yīng)與恢復(fù)能力, 獲取更加完備的數(shù)據(jù)資料和反映區(qū)域特征的評(píng)價(jià)模型來(lái)深刻了解中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性特征及其影響因素是未來(lái)需要解決的問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文基于1992—2017年中亞五國(guó)氣象、土地覆蓋、地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料等, 借助主成分分析、敏感分析、相關(guān)分析等方法, 對(duì)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性及其變化特征進(jìn)行分析, 并探討了影響中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性的主要因子, 主要得出以下結(jié)論:

1)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間格局表現(xiàn)為“南高北低”的態(tài)勢(shì), 該分布格局隨時(shí)間變化較小。各國(guó)農(nóng)業(yè)水資源脆弱性存在差異, 哈薩克斯坦以微輕度脆弱為主, 吉爾吉斯斯坦以中度脆弱為主, 塔吉克斯坦以重度脆弱為主, 土庫(kù)曼斯坦以極度脆弱為主, 烏茲別克斯坦由極重度脆弱向中重度脆弱轉(zhuǎn)變。

2)中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性變化隨時(shí)間的推移表現(xiàn)為“前期升高, 中期降低, 后期穩(wěn)定”的特點(diǎn), 其變化類型以相對(duì)穩(wěn)定為主。脆弱性升高地區(qū)分布在吉爾吉斯斯坦西部和土庫(kù)曼斯坦地區(qū), 而脆弱性降低地區(qū)分布在烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦和咸海等地, 其他地區(qū)脆弱性變化較小。

3)中亞北部農(nóng)業(yè)水資源脆弱性對(duì)農(nóng)田灌溉定額和灌溉指數(shù)以負(fù)敏感為主, 對(duì)其他指標(biāo)以正敏感為主, 而南部對(duì)各指標(biāo)的敏感程度正負(fù)均有, 影響南部農(nóng)業(yè)水資源脆弱性的因素較為復(fù)雜。從相關(guān)系數(shù)上來(lái)看, 森林覆蓋率、農(nóng)業(yè)用水比例、農(nóng)田灌溉定額、灌溉指數(shù)和農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)率是影響中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間差異的重要因素。

致謝 感謝中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所周宏飛研究員在農(nóng)學(xué)方面的指導(dǎo)。

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Analysis of agricultural water resource vulnerability and its variable characteristics in Central Asia*

YU Shui1,2,3,5, HUANG Farong1,2,4,5**, LI Lanhai1,2,3,4,5

(1. State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 2. Ili Station for Watershed Ecosystem Research, Chinese Academy of Sciences, Xinyuan 835800, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Research Center for Ecology and Environment of Central Asia, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 5. Key Laboratory of Water Cycle and Utilization in Arid Zone, Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China)

Agricultural water utilization is a key link between natural environment and socio-economic system. It is important to investigate the vulnerability of agricultural water resources to secure water resource sustainability and mitigate flood and drought risks. To investigate the variable characteristics of agricultural water resource vulnerability in Central Asia, an index system was established with 18 indicators from three components — exposure, sensitivity, and adaptation — according to the scheme of vulnerability assessment. Based on the data on socio-economic factors, topography, land cover, and soil from 1992 to 2017, agricultural water resource vulnerability in Central Asia was calculated via the Equal-Weights and Principal Component Analysis (PCA) method. The results showed that the vulnerability of agricultural water resources in Central Asia was high in the south and low in the north. Among the five countries in Central Asia, the highest agricultural water resource vulnerability occurred in Turkmenistan, followed by Uzbekistan, Tajikistan, and Kyrgyzstan; the lowest agricultural water resource vulnerability occurred in Kazakhstan. These spatial patterns varied little over the past 26 years. Agricultural water resource vulnerability in Central Asia showed an increasing-decreasing-stabilizing pattern during the study period. Regional changes in the agricultural water resource vulnerability were dominated by a steady state during the entire study period. The variations in agricultural water resource vulnerability differed spatially over time, increasing in the west of Kyrgyzstan and Turkmenistan, declining in Uzbekistan, Tajikistan, and the Aral Sea region of Kazakhstan, and with little variation in the rest of the study area. Sensitivity analysis indicated that the agricultural water resource vulnerability varied in different areas of Central Asia. Temporal variations in the agricultural water resource vulnerability in the north were negatively related to the farmland irrigation quota and irrigation index but positively related to other indices. The sensitivities of indices were more complex in the south. Correlation analysis demonstrated that the forest coverage rate, proportion of agricultural water, farmland irrigation quota, water stress index, irrigation index, and agricultural water productivity ratio more strongly affected the spatial differences in agricultural water resource vulnerability than the other factors. Therefore, intensive agriculture practices, cropping structure adjustments, application of drought-tolerant crop varieties, and water-saving irrigation technology and measures should be implemented to reduce the vulnerability of agricultural water resources in Central Asia. This study analyzed the spatial and temporal variations in agricultural water resource vulnerability in Central Asia, explored the impact factors of these variations, and proposed recommendations to reduce the vulnerability of agricultural water resources. This work can inform agricultural water resources planning and management, adjustments of the agricultural production structure, and help to secure sustainable agricultural development in Central Asia.

Agriculture; Water resources; Vulnerability assessment; Central Asia

10.13930/j.cnki.cjea.200433

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S273.1

* 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA2004030202)和新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)青年基金(2017D01B52)資助

黃法融, 研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水文。E-mail:huangfr@ms.xjb.ac.cn

于水, 研究方向?yàn)樗呐c水資源。E-mail: yushui17@mails.ucas.edu.cn

2020-06-08

2020-09-22

* This study was funded by theStrategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences (XDA2004030202), and the Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region of China (2017D01B52).

, E-mail: huangfr@ms.xjb.ac.cn

Jun. 8, 2020;

Sep. 22, 2020