黑龙江省农业水土资源时空匹配格局研究

李天霄，付强*，孟凡香,2

黑龙江省农业水土资源时空匹配格局研究

李天霄1，付强1*，孟凡香1,2

（1.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨150030；2.黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨150030）

基于黑龙江省2000~2014年13个地市水资源总量、耕地面积、土地面积等数据，采用农业水土资源匹配系数和基尼系数研究黑龙江省农业水土资源时空匹配格局。结果表明，黑龙江省农业水资源和土地资源空间分布不均匀，水资源量大致呈现东西两侧贫乏，中部和西北部丰富特点，而耕地面积大致呈现东西两侧较多，中部和西北部较少特点；农业水土资源匹配系数时空差异较大，全省仅大兴安岭地区、伊春市、鹤岗市和牡丹江市多年平均农业水土资源匹配系数超过全省平均值1.79×104m3·hm-2；不同年份黑龙江省农业水土资源匹配基尼系数呈现一定波动性，但波动性不大，最大值和最小值相差仅0.1903，多年平均农业水土资源匹配基尼系数为0.4687，属于匹配较差。随时间推移，黑龙江省农业水土资源匹配基尼系数具有明显先增后降趋势，2008年达到最大值0.5307，随后减小。研究结果对保障区域粮食生产和提高农业水土资源利用效率具有重要理论意义和实践价值。

农业水土资源；时空匹配格局；基尼系数；农业水土资源匹配系数；黑龙江省

农业水土资源是保障区域农业生产和促进社会经济发展重要物质基础[1-2]，其时空匹配特征在极大程度上影响区域农业可持续发展，准确识别区域农业水土资源时空匹配格局是区域农业种植结构调整和优化的前提与基础[3]。

目前，农业水土资源匹配研究广泛[4-6]，姜宁等采用基尼系数研究黑龙江省水资源与人口、耕地资源和第二产业匹配程度，发现黑龙江省水资源空间匹配处于较差或极差水平[7]；聂晓等基于农业水土资源匹配测算模型和基尼曲线，提出松嫩—三江平原地区水土资源匹配程度空间差异性较为显著[8]；黄克威等建立DEA四川省水土资源匹配模型，认为四川省东部农业水土资源匹配优于西部[9]；Suárez等采用基尼系数研究西班牙埃布罗河盆地农田灌溉用水与作物产量之间关系[10]；Masaki等采用基尼系数和洛伦兹曲线研究全球气候变化条件下水资源匹配情况[11]。上述研究从不同角度分析农业水土资源匹配关系，但侧重于水资源空间匹配，与农业水土资源结合分析较少。因此，本研究在黑龙江省农业水土资源空间分布状况分析基础上，采用基尼系数和农业水土资源匹配系数，对农业水土资源时空匹配特征定量分析和客观评价，揭示农业水土资源时空分布规律，为保障区域粮食生产和提高农业水土资源利用效率提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑龙江省位于我国东北部，43°26'~53°33'N，121°11'~135°05'E（见图1）。

图1 黑龙江省地理位置Fig.1Geographic location sketch map of Heilongjiang Province

黑龙江省总面积约为47.3×104km2，耕地面积16.02×104km2，辖哈尔滨市、齐齐哈尔市、大庆市、绥化市、黑河市、伊春市、鹤岗市、佳木斯市、七台河市、牡丹江市、鸡西市、双鸭山市和大兴安岭地区。平均气温-5~5℃，平均降水量400~600 mm，平均水资源总量为810×108m3，人均水资源占有量为2 114 m3，略高于全国平均水平。拥有黑龙江、松花江、乌苏里江和绥芬河四大水系，在空间上水资源总体呈西部较少、东部较多，平原较少、山区较多特征。由于受温带大陆性季风气候影响，年内降水分配不均，年际变幅较大，汛期降水约占全年降水65%以上，冬春季节降水较少。水资源总量虽然较丰富，但亩均耕地水资源占有量仅为368 m3，不到全国平均水平1/3，严重影响农业生产能力提升。

1.2 数据来源

本研究采用黑龙江省所辖地市水资源总量、耕地面积、土地面积等与农业水土资源相关数据资料，数据来源于《黑龙江省统计年鉴》《黑龙江省水资源公报》和《黑龙江省水利统计资料》。数据序列长度为2000~2014年。

1.3 研究方法

1.3.1 农业水土资源匹配系数

农业水土资源匹配系数是指单位耕地面积占有水资源量，反映一个地区水资源与耕地资源空间协调程度[12]。农业水土资源匹配系数越大，表明该地区水资源与耕地资源空间分布一致性越好，匹配程度越高，农业生产水土资源条件越优。其计算模型如下：

其中：MCij为i研究地市第j年农业水土资源匹配系数（104m3·hm-2）；AWij为i研究地市第j年水资源量（104m3）；Fij为i研究地市第j年耕地面积（hm2）；n为黑龙江省行政区地市数，本文为13；m为研究数据序列长度，本文为15。

黑龙江省农业水土资源匹配系数反映该区域各地市农业水土资源匹配平均水平，考虑到黑龙江省各地市土地面积相差较大，在以往研究基础上，引入各地市土地面积与黑龙江省耕地面积比值，具体计算模型如下：

其中：MCj为黑龙江省第j年农业水土资源平均匹配系数（104m3·hm-2）；LAi为i研究地市土地面积（hm2）；LA为黑龙江省土地面积（hm-2）。其他参数见式（1）。

1.3.2 基尼系数

基尼系数是意大利经济学家基尼教授在分析收入不均衡问题时提出，由于农业水土资源空间分配同样具有不均衡特性，因此近年被广泛用于评价农业水土资源空间匹配水平[13-14]。本文采用洛伦兹曲线计算黑龙江省农业水土资源匹配基尼系数。具体步骤如下：

①分别计算黑龙江省各地市（2000~2014年）单位耕地面积所占水资源量，并逐年由小到大排序；

②分别计算各地市（2000~2014年）水资源量和耕地面积占黑龙江省资源总量比例，并根据上述各年份排序结果，计算各个地市（2000~2014年）两种资源占黑龙江省资源总量累计比例；

③以各地市水资源量累计比例为x轴，以各地市耕地面积累计比例为y轴，绘制黑龙江省2000~ 2014年水资源量-耕地面积空间匹配洛伦兹曲线；

④采用MATLAB2015a编程估计洛伦兹曲线相关参数，计算基尼系数曲线与45°线围合面积，该面积2倍即为基尼系数G。基尼系数曲线与45°线越接近，G越小，农业水土资源匹配水平越好，当G=0时，农业水土资源匹配达到理想最优状态；偏离45°线越远，G越大，农业水土资源匹配水平越差，当G=1时，农业水土资源匹配状态最差，即耕地资源完全集中于水资源最差某一区域。

为综合评价黑龙江省农业水土资源匹配水平，根据上述计算结果，按照下式计算黑龙江省2000~2014年多年平均基尼系数。

式中：G为黑龙江省多年平均基尼系数；Gi为第i年基尼系数；n为评价年数，本文n=15。

2 结果与分析

2.1 黑龙江省水土资源空间分布特征

以往研究多采用研究单元水资源量占研究区域水资源总量百分比，或研究单元耕地面积占研究区域耕地总面积百分比反映研究单元农业水土资源丰欠，对各研究单元土地面积相差不大、气候特点相似区域实用性较好。当不同研究单元土地面积相差较大或区域气候差异较大时，难以反映研究单元农业水土资源丰欠程度。因此，本文综合考虑研究区土地面积及气候差异影响，采用研究单元单位土地面积上水资源量和研究单元耕地面积占区域土地面积比例反映研究单元农业水土资源状况。

根据黑龙江省2000~2014年平均水资源量和2014年耕地面积及土地面积统计资料，以黑龙江省13个地市为基本研究单元，分析黑龙江省农业水土资源空间分布特征，如图2所示。

图2 黑龙江省农业水土资源空间分布Fig.2Spatial distribution of agricultural water and soil resources of Heilong Province

由图2可知，黑龙江省农业水资源和农业土地资源空间分布不均。水资源量大致呈现东西两侧贫乏，中部和西北部丰富特点，而耕地面积大致呈东西两侧较多，中部和西北部较少特点。对比分析黑龙江省农业水资源和农业土地资源空间分布可知，齐齐哈尔市、大庆市和绥化市等西部地区农业水土资源在空间上表现为“地多水少”，其中齐齐哈尔市最明显；中部伊春市农业水土资源在空间上分布明显表现为“地少水多”，其余地市农业水土资源在空间上也存在一定程度错位现象，制约黑龙江省农业水土资源可持续利用和农业生产发展。

2.2 黑龙江省农业水土资源匹配格局

2.2.1 农业水土资源匹配系数分析

根据前述理论，基于黑龙江省水资源量、耕地面积等统计数据，采用式（1）计算黑龙江省各地市农业水土资源匹配系数，如表1所示。结合式（2）绘制黑龙江省2000~2014年农业水土资源匹配系数变化曲线和黑龙江省各地市平均农业水土资源匹配系数变化曲线如图3、4所示。

表1 黑龙江省各地市2000~2014年农业水土资源匹配系数Table 1Matching coefficients of agricultural water and soil resources of each city in Heilongjiang Province from 2000 to 2014

图3 黑龙江省2000~2014年农业水土资源匹配系数变化曲线Fig.3Matching coefficients of agricultural water and soil resources in Heilongjiang Province from 2000 to 2014

图4 黑龙江省各地市平均农业水土资源匹配系数变化曲线Fig.4Multi-year average matching coefficients of agricultural water and soil resources of each city in Heilongjiang Province

由表1可知，不同年份各地市农业水土资源匹配系数不同，部分地市不同年份差异较大，以大兴安岭地区和绥化市为例，大兴安岭地区各年份农业水土资源匹配系数极差达14.92×104m3·hm-2，标准差达4.3798×104m3·hm-2，而绥化市各年份农业水土资源匹配系数极差仅0.2692，标准差仅0.0767× 104m3·hm-2。主要原因是不同地市农业水土资源差异较大。

大兴安岭地区以林地为主，是我国重点国有林区，森林覆盖率达81.23%，虽然土地面积较多，但可耕种土地较少（见图2）；区内大小河流达500多条，水资源总量丰富，但受年内降水影响较大。绥化市耕地面积较多（见图2），但境内河流较少，水资源总量贫乏，年内受降水影响较小。从各地市多年平均农业水土资源匹配系数看，全省仅大兴安岭地区、伊春市、鹤岗市和牡丹江市平均农业水土资源匹配系数超过全省平均值1.79× 104m3·hm-2。其中齐齐哈尔市和大庆市匹配系数最低，不足全省平均值1/7。说明黑龙江省农业水土资源空间分布不均衡。黑龙江省各年份农业水土资源匹配系数呈较大波动，其中2003年达最大值2.57×m3·hm-2，2008年达最小值0.91×m3·hm-2，但均远高于全国多年平均农业水土资源匹配系数0.54×m3·hm-2。

2.2.2 农业水土资源匹配基尼系数计算

根据前述洛伦兹曲线构建方法，分别计算黑龙江省各年份农业水土资源匹配基尼系数，如图5所示。

由图5可知，黑龙江省各年份洛伦兹曲线比较相似，弯曲程度均较大，说明农业水土资源匹配不均衡。如大兴安岭地区、伊春市、鹤岗市和牡丹江市各年份水资源量占总量比例达45%以上，但耕地面积占全省耕地面积比例不足5%；齐齐哈尔市各年份耕地面积占全省耕地面积比例达20%以上，但水资源量不足全省水资源总量4%。通过积分求解阴影部分面积，得到黑龙江省各年份农业水土资源匹配基尼系数，如表2所示。

由表2可知，不同年份农业水土资源匹配基尼系数呈一定波动性，但波动不大，最大值和最小值相差仅0.1903，与农业水土资源匹配系数不同。根据联合国有关组织对区域基尼系数划分标准：当G∈[0 0.2]时，表明区域农业水土资源匹配极好；当G∈(0.2 0.3]时，表明区域农业水土资源匹配良好；当G∈(0.3 0.4]时，表明区域农业水土资源匹配相对合理；当G∈(0.4 0.5]时，表明区域农业水土资源匹配较差；当G∈(0.5 1.0]时，表明区域农业水土资源匹配极差。黑龙江省仅2000年和2001年G∈(0.3 0.4]，属于匹配相对合理；除2008年和2012年G∈(0.5 1.0]，属于匹配极差外，其余各年份G∈(0.4 0.5]，属于匹配较差。多年平均农业水土资源匹配基尼系数为0.4687，属于匹配较差水平。

图5 黑龙江省各年份农业水土资源匹配洛伦兹曲线Fig.5Lorenz curve of agricultural water and soil resources of each year in Heilongjiang Province

表2 黑龙江省各年份农业水土资源匹配基尼系数Table 2Matching Gini coefficient of agricultural water and soil resources of each year in Heilongjiang Province

从发展趋势看，拟合基尼系数随年份变化趋势线为G=-0.0012y2+4.7585y-4782.5（y为年份），相关系数R=0.807，0.001水平显著（R0.001(15)=0.725），表明随时间推移，黑龙江省农业水土资源匹配基尼系数先增后降，2008年达最大值0.5307，随后减小。与实际情况对比，2008年黑龙江省粮食总产量首次达400×108kg，粮食播种面积占农作物播种面积比例达90.9%，即早期大强度农业开发条件下，忽略农业水土资源空间分布特点，其匹配状况不合理；2008年，农业开发逐渐趋于理性，农业种植结构调整，水土资源匹配状况好转。尤其是近年实施“两大平原”现代农业综合配套改革试验区建设及大型蓄水和输配水工程建设，如尼尔基引嫩扩建骨干一期工程、龙江县花园水库等项目实施，在一定程度上缓解了黑龙江省西部半干旱区缺水及水资源空间分布不足问题。

4 结论

本文从行政分区角度，采用黑龙江省2000~ 2014年农业水土资源数据，构建基于匹配系数和基尼系数区域农业水土资源时空匹配识别模型，研究黑龙江省农业水土资源时空匹配格局，结论如下：

a.在以往研究基础上，引入各地市土地面积与黑龙江省耕地面积比值，重新界定农业水土资源匹配系数计算公式，充分考虑黑龙江省不同行政分区土地面积差异，为相关研究提供新思路。

b.黑龙江省农业水资源和农业土地资源空间分布不均匀。水资源量大致呈现东西两侧贫乏，中部和西北部丰富特点，而耕地面积大致呈现东西两侧较多，中部和西北部较少特点。农业水土资源空间分布错位在一定程度上制约区域农业水土资源可持续利用和农业生产发展。

c.不同年份各地市农业水土资源匹配系数不同，部分地市不同年份差异较大，全省仅大兴安岭地区、伊春市、鹤岗市和牡丹江市多年平均农业水土资源匹配系数超过全省平均值，其余均低于全省平均值。

d.不同年份黑龙江省农业水土资源匹配基尼系数呈现波动性，但波动不大，最大值和最小值相差仅为0.1903，多年平均农业水土资源匹配基尼系数为0.4687，匹配较差。黑龙江省农业水土资源匹配基尼系数具有明显先增后降趋势，2008年达到最大值0.5307，随后开始减小。

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Study on the spatio-temporal matching patterns of agricultural water and soil resources in Heilongjiang Province/

LI Tianxiao1,FU Qiang1,MENG
Fanxiang1,2(1.School of Conservancy and Civil Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Heilongjiang Agricultural and Reclamation Survey Design Research Institute,Harbin 150030,China)

Using the data of total amount of water resources,cultivated land acreage,land acreage of 13 cities in Heilongjiang Province from 2000 to 2014,the spatio-temporal matching patterns of agricultural water and soil resources could be studied with the methods of the agricultural water and soil resources matching coefficient and Gini coefficient.The results showed that the spatial distribution of agricultural water and soil was uneven.The water resources presented the characteristics of less on east and west sides and more in the central and northwest,the cultivated area presents the characteristics of more on east and west sides and less in the central and northwest.The spatio-temporal differences of agricultural water and soilresources matching coefficient was bigger,the agricultural water and soil resources matching coefficient exceed the mean value 1.79×104m3·hm-2only in Daxinganling,Yichun,Hegang and Mudanjiang.The Gini coefficient of agricultural water and soil resources matching presented a certain volatility in different years, the difference between the maximum value and minimum value was 0.1903.The yearly Gini coefficient of agricultural water and soil resources matching was 0.4687,which belonged to poor matching type.The Gini coefficient of agricultural water and soil resources matching presented the downward trend after the increase as the time increasing,reaching the maximum value 0.5307 in 2008 and after 2008 beginning to decrease.The results could provide theoretical significance and practical value for improving grain production region and the utilization efficiency of agricultural water and soil resources.

agricultural water and soil resources;spatio-temporal matching patterns;Gini coefficient; agricultural water and soil resources matching coefficient;Heilongjiang Province

S27；F323.2

A

1005-9369（2017）06-0051-08

时间2017-6-26 17:28:43[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170626.1728.014.html

李天霄,付强,孟凡香.黑龙江省农业水土资源时空匹配格局研究[J].东北农业大学学报,2017,48(6):51-58.

Li Tianxiao,Fu Qiang,Meng Fanxiang.Study on the spatio-temporal matching patterns of agricultural water and soil resources in Heilongjiang Province[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(6):51-58.(in Chinese with English abstract)

2017-04-28

国家自然科学基金（51479032，51579044）；黑龙江省长江学者后备支持计划项目

李天霄（1984-），男，工程师，硕士研究生，研究方向为农业水土资源高效利用。E-mail:litianxiao@neau.edu.cn

*通讯作者：付强（1973-），教授，博士生导师，研究方向为农业水土资源高效利用。E-mail:fuqiang@neau.edu.cn