焦士興，王安周，李玉靖，張建偉，趙榮欽，李中軒，尹義星

(1.安陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，河南 安陽455002；2.洛陽市第十九中學(xué)，河南 洛陽471000；3.華北水利水電大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，河南 鄭州450046；4.許昌學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南 許昌 461000；5.南京信息工程大學(xué) 水文與水資源工程學(xué)院，江蘇 南京210044)

河南省是我國重要的產(chǎn)糧大省，糧食產(chǎn)量占全國的1/10，但水資源分布不均、供求不協(xié)調(diào)等問題凸顯，已經(jīng)成為糧食生產(chǎn)限制性因素[1]。水資源和糧食安全研究受到廣泛關(guān)注，國內(nèi)相關(guān)研究主要集中于優(yōu)化配置、耦合協(xié)調(diào)、管理評價等方面[2-7]。首先在優(yōu)化配置方面，趙凈等采用VAR模型研究了中國糧食生產(chǎn)對水資源配置要求[2]；何杰等研究了松花江區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力優(yōu)化配置，表明區(qū)域水資源量能夠承載預(yù)期的產(chǎn)糧目標[3]。其次在耦合協(xié)調(diào)方面，畢博等研究了遼寧省水資源、能源和糧食系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)狀況，認為區(qū)域耦合等級持續(xù)提升[4]；孫才志等對我國水資源、能源和糧食耦合系統(tǒng)進行了評價，認為耦合協(xié)調(diào)度總體呈上升趨勢[5]。最后在管理評價方面，趙銀亮等建議通過節(jié)水工程等措施，能夠確保黃河流域的糧食安全[6]；劉渝等對中國糧食和水資源安全進行了評價，表明糧食安全呈上升趨勢但水生態(tài)安全呈下降趨勢[7]。綜上可知，當前糧食生產(chǎn)與水資源的研究較多，且多采用耦合度[8]、水足跡[9]、脫鉤分析[10]等評價方法，但采用基尼系數(shù)等對糧食生產(chǎn)與水資源的時空匹配格局研究有待加強[11]。

河南省(圖1)是中國的糧倉，但水資源供求矛盾日益突出[1]。2017年豫南、豫東糧食總產(chǎn)量均占河南糧食產(chǎn)量的30%，但豫南水資源量占河南省總量的61%，豫東僅占13%，糧食產(chǎn)量與水資源供給的空間分布不均衡，因此開展河南省二者時空匹配格局的研究，對于優(yōu)化水資源配置、保障糧食持續(xù)高產(chǎn)等具有重要意義?；诖?，在分析河南省糧食生產(chǎn)和灌溉用水變化特征的基礎(chǔ)上，采用基尼系數(shù)等方法研究二者的時空匹配特征，以期為促進農(nóng)業(yè)水資源持續(xù)利用、糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供決策參考。

圖1 河南省區(qū)域劃分標準

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)包括：水資源量、灌溉用水量、糧食總產(chǎn)量、不同種類糧食作物產(chǎn)量、播種總面積和糧食播種面積、灌溉面積和耕地灌溉面積等，其中水資源量等數(shù)據(jù)來自《河南水資源公報》(2000-2017年)，糧食產(chǎn)量等數(shù)據(jù)來自《河南統(tǒng)計年鑒》(2001-2018年)，其中2000年灌溉面積由糧食灌溉面積估算分解法獲得[11]。

1.2 研究方法

1.2.1 基尼系數(shù)

基尼系數(shù)是用以表示收入分配差異程度的統(tǒng)計指標，能夠用來研究糧食生產(chǎn)和水資源的不均衡性空間分布[12]?；诖?，分別研究糧食產(chǎn)量與水資源量和糧食灌溉水量的基尼系數(shù)(GA、GB)，以探討兩者的集中吻合程度，其中GA數(shù)值越大表示水資源緊缺區(qū)域的糧食產(chǎn)量越高，GB數(shù)值越大則表示糧食灌溉用水較少地區(qū)的糧食產(chǎn)量越高，即糧食灌溉生產(chǎn)率區(qū)域差異越明顯[11]。

基尼系數(shù)(GA、GB)計算步驟是：在區(qū)域水資源量、糧食灌溉水量和糧食產(chǎn)量及各種糧食總產(chǎn)量遞增排序基礎(chǔ)上，分別計算區(qū)域水資源量等累計百分比，然后采用梯形面積法進行計算。公式為[11-14]：

(1)

式中：GA(GB)為糧食產(chǎn)量～水資源量(糧食灌溉水量)基尼系數(shù)，xi、yi分別為第i個區(qū)域的水資源量(糧食灌溉水量)、糧食產(chǎn)量(各種糧食總產(chǎn)量)的累計百分比，xi-1、yi-1則分別為第i-1區(qū)域相應(yīng)類型的累計百分比[11]。當i=1時，xi-1=yi-1=0。依據(jù)基尼系數(shù)、水資源和糧食產(chǎn)量的匹配程度劃分為匹配、一般不匹配、較不匹配和嚴重不匹配等4個等級，其對應(yīng)取值范圍分別為0～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～1[13]。

1.2.2 不平衡指數(shù)

不平衡指數(shù)用以衡量水資源對糧食生產(chǎn)的協(xié)調(diào)程度，計算公式為[11]：

(2)

式中：IA(IB)為水資源(糧食灌溉水量)～糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)，ai為i分區(qū)水資源量(糧食灌溉水量)占區(qū)域水資源量(糧食灌溉水量)的比例；bi為i分區(qū)糧食產(chǎn)量(不同種類糧食產(chǎn)量)占區(qū)域糧食產(chǎn)量(不同種類糧食產(chǎn)量)的比例。若ai和bi差異值越小，表明兩者相對平衡，否則不平衡性較為突出。IA反映糧食生產(chǎn)對水資源壓力狀況，若IA<0表明水資源壓力較大；IB反映糧食灌溉用水生產(chǎn)率情況，若IB<0表示灌溉用水的糧食生產(chǎn)率較高。

2 河南省糧食生產(chǎn)及灌溉用水變化分析

2.1 河南省糧食產(chǎn)量時空演化分析

河南省糧食產(chǎn)量呈波動增加趨勢。河南省糧食產(chǎn)量由2000年的415.80×108kg增至2017年的652.12×108kg，年均增長率為2.35%。依據(jù)河南省2000-2017年糧食產(chǎn)量，對比分析其發(fā)展趨勢，結(jié)果見圖2。圖2表明：河南省糧食產(chǎn)量變化分為四個階段，其中2000-2003年為第一階段，受糧價影響造成河南省糧食產(chǎn)量大幅度下滑，總下降比例17.97%；2004-2006年為第二階段，受農(nóng)業(yè)政策改革影響，糧食產(chǎn)量呈恢復(fù)性增長，年均增長率為7.68%；2007-2015年為第三階段，在國家政策扶持下，糧食產(chǎn)量穩(wěn)步增長[15]，年均增長率為2.89%；2016年至今為第四階段，受城市空間擴展的影響，糧食種植面積減少[16]，但糧食產(chǎn)量仍保持增長趨勢。

圖2 2000-2017年河南省糧食產(chǎn)量

河南省糧食產(chǎn)量空間分布不均，豫南糧食生產(chǎn)最多，豫西糧食生產(chǎn)最少。圖2表明：年均糧食產(chǎn)量由高到低排序為豫南、豫東、豫北、豫中、豫西，表明河南省糧食生產(chǎn)空間分布不均衡。2017年豫南、豫東、豫北糧食產(chǎn)量分別為202.39×108kg、190.01×108kg、146.73×108kg，合計占總量的83%；豫中和豫西糧食總產(chǎn)量為61.99×108kg、50.94×108kg，兩者僅占總量的17%，原因在于豫南、豫東地處平原且豫北以平原為主，耕地面積廣闊，水熱條件優(yōu)越，適合糧食等農(nóng)作物生長，因此在河南省糧食主產(chǎn)區(qū)中具有舉足輕重的作用[15]；而豫中耕地面積較小，僅為0.84×106hm2；豫西以山地為主，不適合種植業(yè)規(guī)?；l(fā)展。

2.2 河南省糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化分析

河南省糧食生產(chǎn)以小麥和玉米為主，豆類和稻谷為輔，其中小麥、豆類和稻谷等產(chǎn)量占比不斷下降，而玉米則不斷上升。小麥與玉米產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量比重較大，2000年、2009年和2017年平均達到88.64%，而豆類與稻谷比例較低，僅占11.36%，因此小麥與玉米在河南省糧食生產(chǎn)中占絕對優(yōu)勢。從動態(tài)變化看，2000-2017年玉米產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量比例持續(xù)增高，從25.77%增至32.58%，原因在于河南省水資源相對緊缺，灌溉能力有限，導(dǎo)致玉米等耐旱作物面積不斷增加；同時生豬等畜牧業(yè)的快速發(fā)展，對玉米的市場需求量持續(xù)增長。2000-2017年小麥產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量比例則由61.22%降至58.02%，原因在于小麥總產(chǎn)和單產(chǎn)相對穩(wěn)定，但播種面積增速(0.95%)低于糧食作物總播種面積增速(1.22%)。豆類產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量由3.19%降至1.72%，原因在于大豆產(chǎn)量和經(jīng)濟效益相對較低，導(dǎo)致種植面積遠遠低于小麥、玉米和稻谷。稻谷產(chǎn)量比重由9.81%降至7.05%，原因在于河南省降水時空分布不均，旱災(zāi)成為稻谷生產(chǎn)的嚴重威脅[17]。

河南省區(qū)域糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)存在差異。從2000年、2009年和2017年平均值來看，豫東是大豆主產(chǎn)區(qū)，大豆產(chǎn)量占河南省大豆產(chǎn)量比例為43.00%；豫東、豫北是玉米的主產(chǎn)區(qū)，玉米產(chǎn)量分別占河南省玉米產(chǎn)量的27.12%、23.10%；豫南、豫東是小麥的主產(chǎn)區(qū)，小麥產(chǎn)量分別占河南省小麥產(chǎn)量的26.49%、32.29%；豫南是稻谷的主產(chǎn)區(qū)，占比高達86.39%。

2.3 河南省夏糧產(chǎn)量明顯高于秋糧產(chǎn)量

河南省夏糧產(chǎn)量明顯高于秋糧產(chǎn)量。依據(jù)夏秋糧食產(chǎn)量，對比分析河南省5個綜合分區(qū)2000年、2009年和2017年的夏秋糧食產(chǎn)量比值，結(jié)果見圖3。圖3表明：2000-2009年夏秋產(chǎn)糧比均大于1且持續(xù)增大，主要原因是年均夏糧播種面積、單產(chǎn)產(chǎn)量(5.30×106hm2、557kg/hm2)均大于秋糧(4.59×106hm2、498kg/hm2)，且差距有擴大趨勢。從空間分布來看，2000-2017年豫中、豫南、豫西的夏秋產(chǎn)糧比分別上升了0.23、0.20、0.36，與河南省整體變化趨勢一致；豫北夏秋產(chǎn)糧比保持相對穩(wěn)定；豫東夏秋產(chǎn)糧比由1.31降至1.27，主要是豫東秋糧播種面積年均增速(0.038%)大于夏糧(0.001%)。

圖3 河南省夏糧與秋糧產(chǎn)量比值

2.4 河南省糧食灌溉用水變化分析

河南省糧食灌溉用水呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，而灌溉水量占總灌溉用水比值呈現(xiàn)波動下降趨勢。利用河南省2000年、2009年和2017年糧食灌溉水量及其占河南省灌溉水量比值，分析5個地理綜合分區(qū)灌溉水量變化趨勢，結(jié)果見表1。表1表明：河南省的糧食灌溉水量先由2000年的64.710×108m3增至2009年的80.845×108m3，之后降至2017年的67.354×108m3，主要原因是2000-2009年國家采取多種措施鼓勵糧食生產(chǎn)，糧食灌溉水量增加，2009-2017年農(nóng)業(yè)投入增加、灌溉技術(shù)進步等導(dǎo)致用水效率提高，糧食灌溉用水量不斷減小。河南省糧食灌溉水量占灌溉水量比例由2000年的70.75%下降到2017年的70.11%，主要原因是糧食灌溉用水受到了林地、園地、草地等灌溉用水的擠壓[11]。

表1 河南省不同區(qū)域糧食灌溉水量及其占比 單位：×108m3

河南省豫南、豫東和豫北糧食灌溉用水呈現(xiàn)波動上升趨勢，而豫中和豫西波動下降。表 1表明：2000-2017年豫南糧食灌溉水量增長了1.852×108m3，主要原因是糧食種植面積增加了0.068×106hm2，灌溉水量相應(yīng)增多；豫東糧食灌溉水量增加了4.391×108m3，同樣是糧食種植面積增加了0.075×106hm2；豫北糧食灌溉水量增長了0.743×108m3，原因是農(nóng)業(yè)用水效率不高，年均單位水資源糧食產(chǎn)量僅為0.0035t/m3，致使糧食灌溉水量增多。豫中糧食灌溉水量減少了2.841×108m3，主要原因是地處中原城市群核心區(qū)，城市化等迅速發(fā)展，耕地面積減小并導(dǎo)致灌溉用水總量減小；同樣豫西糧食灌溉水量減少了1.502×108m3。

此外，2009-2017年豫西灌溉水量比例減少最大，豫東比例增加最大，豫南保持平穩(wěn)狀態(tài)，而豫北、豫中則減少較小。2009-2017年河南省各區(qū)糧食灌溉用水量均減少，但所占比重上升，主要有兩個方面的原因，其一是河南省加大了資金、技術(shù)、勞動力等投入，農(nóng)業(yè)水資源利用效率處于“高投入、高產(chǎn)出”階段，致使灌溉用水不斷減少[18]；其二是糧食播種面積不斷增加且占農(nóng)作物播種面積比重不斷上升，研究期間河南省糧食播種面積年均增長1.15%，所占比重由69.48%增至74.09%，受農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移和比較利益驅(qū)動等社會經(jīng)濟因素影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，棉花、豆類等經(jīng)濟作物向糧食作物轉(zhuǎn)移，致使糧食播種面積不斷增大且灌溉水量所占比重增加。

3 河南省糧食產(chǎn)量與水資源時空匹配定量評價

3.1 基尼系數(shù)分析及影響因素

3.1.1 河南省糧食產(chǎn)量-水資源量基尼系數(shù)分析

河南省糧食產(chǎn)量與水資源處于“匹配”狀態(tài)，并隨時間變化匹配水平有增加趨勢。依據(jù)公式(1)，計算河南省糧食產(chǎn)量-水資源量基尼系數(shù)，以分析發(fā)展趨勢，結(jié)果見表2。

表 2表明：2000-2017年，糧食總體GA由0.365減少到0.350，說明河南省水資源與糧食產(chǎn)量整體上為“匹配”狀態(tài)，且匹配程度有小幅度增加趨勢。從生產(chǎn)結(jié)構(gòu)來看，小麥GA由0.407減少到0.391，由“不匹配”變?yōu)椤捌ヅ洹?；玉米GA由0.499減少到0.476，持續(xù)為“較不匹配”；豆類GA由0.385增加到0.406，由“匹配”變?yōu)椤安黄ヅ洹薄?/p>

表 2 河南省糧食產(chǎn)量與水資源量、糧食產(chǎn)量與糧食灌溉水量的基尼系數(shù)

河南省糧食產(chǎn)量-水資源量匹配程度存在空間差異，呈現(xiàn)“東部最優(yōu)，北部、中部優(yōu)于西部和南部”的格局。表2表明：從2000年、2009年、2017年平均值來看，豫南(0.151)>豫西(0.141)>豫中(0.099)>豫北(0.065)>豫東(0.028)，豫南的平均值最大，歸因于信陽市是河南省唯一的南方城市，水資源量占豫南比重明顯大于糧食產(chǎn)量所占豫南比重；豫東GA的平均值最小，主要原因是區(qū)域水資源相對較少，如2017年水資源僅占河南省的13%，但糧食占比為29.14%，而農(nóng)業(yè)用水比例則高達61.5%。

3.1.2 河南省糧食產(chǎn)量-糧食灌溉水量基尼系數(shù)分析

河南省糧食產(chǎn)量-糧食灌溉水量處于“匹配狀態(tài)”，且有增加趨勢。依據(jù)公式(1)，計算河南省糧食產(chǎn)量-糧食灌溉水量基尼系數(shù)，結(jié)果見表2。表 2表明：河南省糧食產(chǎn)量GB由2000年的0.113減小到2017年的0.077，持續(xù)為“匹配”狀態(tài)，且匹配程度有增加趨勢。2000-2017年，河南省小麥GB由0.143減少為0.082，持續(xù)為“匹配”狀態(tài)；玉米GB由0.204減少為0.112，持續(xù)為“匹配”狀態(tài)；豆類GB由0.189減少為0.048，持續(xù)為“匹配”狀態(tài)。不同種類作物GB均有所減少但趨勢不同，表明河南省不同種類糧食產(chǎn)量與灌溉水量匹配度有增加趨勢，主要原因是農(nóng)田水利建設(shè)和節(jié)水灌溉等措施提高了灌溉用水效率。

河南省糧食產(chǎn)量-糧食灌溉水量匹配程度存在空間差異，呈現(xiàn)出“北部最優(yōu)，西部、南部和東部優(yōu)于中部”的格局。表 2表明：從2000年、2009年、2017年平均來看，豫北、豫西、豫南、豫東、豫中的GB分別為0.070、0.078、0.167、0.168、0.286。豫中GB最高，原因是鄭州市是河南省省會，屬于特大城市并且是中原城市群核心城市，生活用水量、工業(yè)用水量較多，而農(nóng)業(yè)灌溉用水較少，糧食灌溉水量所占豫中比重明顯小于糧食產(chǎn)量所占比重。豫北最低，原因是糧食產(chǎn)量所占豫北比重與灌溉水量所占比重差距不明顯，因此兩者匹配度最高。

3.2 河南省水資源與糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)分析

3.2.1 河南省水資源量-糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)分析

河南省呈“水量少，產(chǎn)糧多”狀態(tài)。依據(jù)公式(2)，計算出2000年、2009年和2017年河南省各分區(qū)水資源量-糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)，結(jié)果見圖4。圖4表明：河南省水資源量-糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)呈現(xiàn)整體減小趨勢，即糧食產(chǎn)量對水資源的需求量大于河南省的水資源量[11]，水資源壓力呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。河南省水資源量-糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)存在區(qū)域差異，不平衡指數(shù)從高到低排序為豫南、豫西、豫中、豫北、豫東。豫南最高，原因是水資源相對優(yōu)越，水資源所占河南省比重大于糧食產(chǎn)量所占比重；豫西較高，原因是豫西以山地居多，不利于糧食作物的種植，水資源比重大于糧食所占比重；豫中、豫北較低，原因是豫中地處平原，適合糧食耕作，但農(nóng)業(yè)用水受社會經(jīng)濟用水擠壓，而豫北較低，原因是高污染企業(yè)較多，水污染嚴重，水資源壓力較大[19]；豫東最低，主要原因是地處平原且為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)，水資源所占比重明顯小于糧食產(chǎn)量所占比重。

圖4 河南省水資源量與糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)

3.2.2 河南省糧食灌溉水量-糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)分析

河南省呈“灌水少，產(chǎn)糧多”狀態(tài)。依據(jù)公式(2)，計算2000年、2009年和2017年河南省糧食灌溉水量-糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)，結(jié)果見圖 5。圖5 表明：河南省大部分區(qū)域糧食灌溉水量與糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)(IB)為負值，表明灌溉糧食產(chǎn)量占總產(chǎn)量比重超過了糧食灌溉水量占農(nóng)業(yè)灌溉用水比重，即河南省糧食灌溉水效率整體較高。河南省糧食灌溉水量與糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)存在區(qū)域差異，不平衡指數(shù)從高到低排序為豫北、豫西、豫中、豫東、豫南。豫北最高，原因是施用化肥農(nóng)藥較多，灌區(qū)配套設(shè)施不完善[19]，糧食產(chǎn)量高但用水效率有待提高；豫西是以山地為主，糧食灌溉水量低且糧食產(chǎn)量有限，灌溉水量僅占河南省的7.70%；豫中和豫東地區(qū)由于農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)推廣應(yīng)用，糧食灌溉水量有所減小且用水效率較高[20]，且糧食產(chǎn)量較高；豫南地區(qū)降水量較多，農(nóng)作物需水量相對較少且對綠水利用較多[21]，因此糧食灌溉用水較少但糧食產(chǎn)量仍然較高，因此灌溉用水的糧食生產(chǎn)率最高。

圖5 河南省糧食灌溉水量與糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)

4 結(jié)論

采用基尼系數(shù)和不平衡指數(shù)，定量評價河南省糧食生產(chǎn)與水資源時空匹配格局。結(jié)果表明：

1)河南省糧食產(chǎn)量呈波動增長且空間分布不均，豫南產(chǎn)糧最多，豫西產(chǎn)糧最少；糧食以小麥、玉米為主?；诖耍幽鲜∫攸c發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，依據(jù)區(qū)域水資源量合理調(diào)整種植規(guī)模。

2)河南省農(nóng)業(yè)灌溉用水呈波動增長趨勢，且灌溉用水空間差異明顯，其中豫南、豫東和豫北呈波動上升趨勢，而豫中和豫西則呈波動下降趨勢?；诖?，河南應(yīng)推廣新型節(jié)水灌溉技術(shù)，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的灌溉條件，發(fā)展綠色高效節(jié)水農(nóng)業(yè)[22]。

3)河南省糧食產(chǎn)量與水資源基尼系數(shù)處于“匹配”狀態(tài)且有增加趨勢，其中豫東最高，豫南最低；糧食產(chǎn)量與糧食灌溉水量的基尼系數(shù)處于“匹配”狀態(tài)且仍有增加趨勢，其中豫北最高，豫中最低。基于此，河南應(yīng)結(jié)合“南水北調(diào)”等水利工程，確保過境水以及區(qū)域內(nèi)水資源的合理利用。

4)河南省呈現(xiàn)“水量少，產(chǎn)糧多”狀態(tài)，水資源量-糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢，表明農(nóng)業(yè)水資源壓力逐漸增大；河南省呈現(xiàn)“灌水少，產(chǎn)糧多”狀態(tài)，且糧食灌溉水量-糧食產(chǎn)量不平衡指數(shù)較低，表明糧食灌溉水生產(chǎn)率較高?；诖?，河南省應(yīng)加強高標準基本農(nóng)田建設(shè)，優(yōu)化水資源合理配置，確保糧食生產(chǎn)與水資源利用的協(xié)調(diào)發(fā)展。