中国水资源承载力与农业高质量发展耦合协调研究

彭 书 范,吴 学 兵

(1.长江大学 湖北农村发展研究中心,湖北 荆州 434023; 2.长江大学 经济与管理学院,湖北 荆州 434023)

0 引 言

习近平总书记在党的二十大报告中指出,高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务。而农业高质量发展是高质量发展的应有之义,是建设农业强国的“重要抓手”。但农业高质量发展面临水资源刚性约束,中国水资源总量虽然丰富,但时空分布十分不均。农业是中国第一用水大户,消耗全国总用水量的60%～65%[1],水资源与农业生产的空间分布不匹配和粗放式农业高耗水问题制约着中国农业的高质量发展[2]。水资源承载力被认为是区域水资源承载状态的评判标准,对实现经济社会与环境保护协同作用具有重要意义[3]。鉴于此,研究水资源承载力与农业高质量耦合协调发展具有重要的理论和实践意义。

国内学者针对中国水资源承载力和农业高质量发展已开展了广泛深入研究。关于农业高质量发展,已有研究主要从农业高质量发展的内涵、存在的问题与对策等定性方面展开分析[4],以及农业高质量发展的指标评价体系构建与测度[5],并从土地流转政策[6]、人口老龄化和社会化服务[7]等切入点对农业高质量发展的影响进行了探讨。关于水资源承载力,已有研究主要运用模糊综合评价法[8]、四元联系数减法集对势[9]和改进TOPSIS模型[10]等方法对水资源承载力进行评价。关于水资源与其他领域的耦合协调,主要研究包括水资源与经济社会耦合协调[11],水资源、能源与环境耦合协调[12],水资源能源和粮食系统协调[13],以及水资源承载力与城镇化质量协调[14]等4个方面。

综上所述,农业高质量发展和水资源承载力的研究相对丰富,但鲜有对两者的耦合协调进行研究,缺少对水资源承载力与农业高质量协调发展的交互机理和耦合关系研究,运用空间分析方法分析农业高质量发展的研究也相对稀缺。将水资源承载力与农业高质量发展作为整体来考虑其耦合协调对于保障粮食安全、实施乡村振兴战略和建设中国式农业强国具有重要意义。本文选择中国31个省(自治区、直辖市)为研究区域(香港、澳门特别行政区和台湾省未列入本次研究),采用CRITIC权重法、耦合协调度模型和空间自相关模型等方法分析2011～2020年中国水资源承载力与农业高质量协调发展的水平和时空特征,以期为缓解用水压力、提高农业发展质量提供有益思考。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

1.1.1水资源概况

中国河流、湖泊数量众多,水资源总量丰富但人均较少,且分布不均匀,整体呈现“东多西少”“南多北少”以及“夏秋多、冬春少”的时空差异格局。从2011～2020年,中国水资源总量从23 257亿m3增加到31 605亿m3,人均水资源量也从1 726 m3提升至2 240 m3。中国水资源总量位居世界第四,但人均水资源量不到世界平均水平的28%。水资源短缺长期制约着中国农业发展。

1.1.2农业发展概况

2011～2020年,中国粮食产量逐年增长,农业占GDP的比重逐年下降。粮食总产量从57 120.8万t提高到66 949.2万t,人均粮食产量从437.5 kg增长到474.4 kg。第一产业增加值由44 781.4亿元提高到77 754.1亿元,所占比重从9.2%下降到7.7%。农业用水量从2011年的3 743.6亿m3降低到2020年的3 612.4亿m3,有效灌溉面积从616 816 km2增长到691 605 km2。目前中国农业发展面临环境与资源的约束。

1.2 数据来源

文章选取中国31个省(自治区、直辖市)2011～2020年的数据进行研究,数据来自EPS数据库和《中国水资源公报》,以及农业农村部、国家林业和草原局、国家统计局、水利部、国家粮食和物资储备局官方网站等,少数缺失值根据历年数据拟合得出。

2 研究方法与指标体系

本文分别构建水资源承载力和农业高质量发展评价体系,采用CRITIC权重法对中国31个省(自治区、直辖市)2011～2020年水资源承载力和农业高质量发展水平进行量化分析,计算出各省(自治区、直辖市)水资源承载力和农业高质量发展水平综合得分,进一步度量二者的耦合协调度,以客观评价中国水资源承载力和农业高质量发展的耦合协调水平以及时空特征。

2.1 研究方法

2.1.1CRITIC权重法

为客观评价中国水资源承载力和农业高质量发展水平,本文采用CRITIC权重法测算指标权重。CRITIC权重法是基于评价指标的,其通过对比强度和指标之间的冲突性来综合衡量指标的客观权重,相较于熵权法和标准离差法,CRITIC权重法更加客观和科学[15]。

首先对指标进行无量纲化处理,标准化处理会使波动性指标失去意义[16],因此用正向化或逆向化处理。

若Xij为正向指标:

(1)

若Xij为负向指标:

(2)

标准变异性:

(3)

然后计算指标冲突性,用相关系数表示。与其他指标的相关性越强,该指标与其他指标之间的冲突越小,反映的相同信息越多,可以反映的评价内容越重复,在一定程度上也削弱了该指标的评价强度,应减少分配给该指标的权重。用Rij代表指标i与j之间的相关系数,Rj表示第j个指标与其他指标的冲突性。

指标冲突性:

(4)

公式(3)、(4)从两个不同的方面定义了Sj和Rj,将其综合起来则构成信息量,信息量越大则应分配更多的权重。其中Cj表示第j个指标在整个指标体系中的作用。

信息量:

(5)

得到信息量之后就可以根据信息量进行赋权,Wj表示第j个指标的权重:

(6)

2.1.2耦合度及耦合协调度模型构建

(1) 耦合度及耦合协调度模型。耦合度主要是指两个及两个以上系统相互关联、相互影响的关系,耦合度数值的大小与选取要素之间的关联程度的大小成正比。本文借鉴相关学者的选择指标思路与测度方法运用耦合协调度模型来计量水资源承载力与农业高质量协同发展水平,通过构建水资源承载力与农业高质量发展的评价指标体系,建立水资源承载力与农业高质量发展的耦合协调度模型。分别计算两者的耦合度及耦合协调度,用耦合度来表示水资源承载力与农业高质量之间相互影响的强弱程度,即耦合度越高,两者之间的协调度越高;用耦合协调度来反映相互耦合的协调水平,最后整合分析水资源承载力与农业高质量协调发展程度。

(2) 耦合度计算及其等级标准划分。前文中对选取指标的原数值进行标准化处理并通过使用CRITIC权重法分别计算出了水资源承载力和农业高质量发展选取指标的权重,利用上文所得权重计算综合贡献值,用Pi表示第i个样本的评价水平,其公式如下:

(7)

计算水资源承载力与农业高质量发展之间的耦合度C来反映两者间关联度的大小,耦合度数值越大,二者的协调度越高,公式如下:

(8)

耦合度C的取值范围为[0,1],为了便于各地区进行比较,对耦合度进行阶段划分,当耦合度C值分别位于[0.0,0.3)、[0.3,0.5)、[0.5,0.8)和[0.8,1.0]区间时,耦合阶段分别为低水平耦合、拮抗耦合、良性耦合和高水平耦合。

(3) 耦合协调度及其等级标准划分。为防止水资源承载力与农业高质量发展程度较高的情况发生,首先计算综合评价指数T,即两产业在融合过程中各自的权重占比:

T=α·P1+β·P2

(9)

式中:α,β为待定系数,且二者之和为1,考虑到水资源承载力与农业高质量发展同等重要,所以α,β均取值0.5。

随后计算耦合协调度D来表示水资源承载力与农业高质量发展的协调发展程度:

(10)

耦合协调度D的取值范围为[0,1],为便于分析,对耦合协调度进行阶段划分,见表1。

表1 耦合协调度阶段划分

2.1.3空间自相关检验

空间自相关模型能进一步观测水资源承载力与农业高质量发展的耦合协调是否存在空间集聚特征,以及各省份的耦合协调度是否存在空间溢出效应。分别采用全局莫兰指数和局部莫兰指数来检验空间相关性及空间集聚情况。

全局莫兰指数:

(11)

局部莫兰指数:

(12)

2.2 指标体系构建

本文在参考国内外相关研究成果的基础下,结合中国水资源和农业发展的现实情况和数据可得性,分别构建水资源承载力和农业高质量发展评价体系,见表2。其中水资源承载力指标体系借鉴文献[13,17],从水资源、经济发展、社会发展和生态环境4个维度,遴选16个指标;农业高质量发展指标体系借鉴文献[18],从生产生活、资源消耗、质效提升、社会发展和生态环境5个维度,选取22个二级指标。

表2 水资源承载力和农业高质量发展评价体系

3 结果分析

3.1 水资源承载力与农业高质量发展的时空特征分析

根据表2评价体系,利用CRITIC权重法测算出中国水资源承载力和农业高质量发展水平。综合来看,中国水资源承载力、农业高质量发展水平在研究时段内均为整体上升趋势,且农业高质量发展速度高于水资源承载力发展速度。水资源承载力指数从2011年的0.449增长到2020年的0.495,增长10.24%,农业高质量发展指数从2011年的0.485增长到2020年的0.565,增长16.49%。将中国水资源承载力、农业高质量发展水平按四大区域进行划分,见表3。

10 a内中国水资源承载力指数有较大提升,各地区10 a平均值排名为:中部>东部>西部>全国平均值>东北,东部增长速度最快,东北次之,中部和西部增长速度低于全国平均值。从水资源承载力评价体系具体指标来看,单位农田用水和万元产值工业用水降幅明显,城市污水处理能力逐年提高,废水中各类污染物排放数量减少,但人均生活用水有所增长。中国水资源承载力指数在2011～2020年有一次波动,各省2016年水资源承载力指数较上一年有较大提升,并在随后1～2 a内达到10 a峰值,这主要是因为历年水资源量受自然影响变化较大,中国2016年水资源总量达到3.25万亿m3,较2015年的2.8万亿m3提高了约16%。

中国农业高质量发展水平较高,且增速快,东北农业高质量发展指数最高,东部其次,中西部则低于全国平均值。从评价子维度来看,生产生活、社会发展和生态环境部分在过去10 a里发展较好,增幅分别为46.215%,29.627%和24.960%,说明中国农民生活水平、农业生产效率和乡村环境治理有了较为明显的提升,但质效提升部分只提高了5.972%,说明中国土地生产效率、第一产业产值占比和产业结构调整进步较慢,资源消耗部分10 a仅提高了1.519%,中国农业发展依然没有摆脱农药、化肥和化石能源依赖。

3.2 水资源承载力与农业高质量发展耦合协调度的时空耦合分析

计算水资源承载力与农业高质量发展耦合度和协调度,见表4。从2011～2020年水资源承载力与农业高质量发展耦合度来看,10 a里耦合度从0.796增长到了0.948,增速为19.095%,东北以93.241%的增长率排名第一,其次是西部的20.865%和东部的10.411%,增长速度最低的是中部的8.891%,与2011年相比,2020年各省耦合度差距有所减少。到2020年,除海南、宁夏和青海外,其他省份耦合度均在0.9以上,说明中国水资源承载力和农业高质量发展存在较强的相关性,两者联系紧密,相互影响。从各地区水资源承载力-农业高质量发展耦合度排名来看,中部和东北部地区排名靠前,特别是中部地区耦合水平远高于其他地区。西部地区耦合度略高于全国平均水平,东部地区则落后其他地区。

表4 水资源承载力-农业高质量发展耦合度与协调度

从2011～2020年各地区水资源承载力与农业高质量发展协调度发展水平来看,中国耦合协调水平从2011年的0.464发展到2020年的0.768,10 a增幅为65.517%,从濒临失调逐渐达到中级协调水平。整体表现出东北地区较好,中西部地区水平接近,东部低于全国平均水平。中国水资源承载力和农业高质量发展之间耦合协调水平逐渐提高,两者能够实现良好的互相促进作用。

3.3 耦合协调度空间自相关分析

空间上相邻的省份可能位于同一地理区域或同一经济带,自然条件和经济基础趋同,在发展农业和利用水资源时会存在一定程度的借鉴情况,为提高水资源承载力和农业高质量发展协调水平提供有利条件。由于各省水资源承载力和农业高质量发展理论上存在空间关联性,因此进行空间计量分析。运用Stata15.1软件计算中国2011～2020年水资源承载力与农业高质量发展耦合协调度的全局和局部莫兰指数,结果见表5和表6。由表5结果可知,所有年份全局莫兰指数所对应的p值均小于0.1,除2018年和2020年外,其他年份p值小于0.05,通过了显著性检验,表明中国水资源承载力与农业高质量发展耦合协调度存在一定的空间自相关性。2011～2020年中国水资源承载力与农业高质量发展耦合协调度的全局莫兰指数从0.349下降到0.118,说明中国各省间耦合协调有一定程度的互动,但其空间依赖性则表现出由强减弱的变化态势,即耦合协调度高的地区和耦合协调度低的地区在空间上均趋于相邻。

表5 水资源承载力与农业高质量发展耦合协调度全局莫兰指数

表6 耦合协调度局部莫兰指数散点图结果

莫兰指数散点图分为4个象限,分别对应“高-高”、“低-高”、“低-低”、“高-低”4个类型聚集区。分布于第一、三象限的省份存在较强的空间正相关性,而位于第二、四象限的省份存在较强的空间负相关性。根据莫兰指数散点图整理各省份象限分布表(见表6),可以发现多数省份分布在第一、三象限,说明中国水资源承载力和农业高质量发展耦合协调度的空间正相关性占据主导地位。耦合协调度在空间上存在集聚现象,不过不同时间的集聚特征存在差异,反映出中国水资源承载力和农业高质量协调发展还没有形成稳定的空间格局,各省份水资源利用和农业高质量发展策略还在不断变化和调整。

从各类型区省份分布来看,“高-高”型分布的省份多为中部和东北地区,西部省份多“低-低”集聚,说明中国水资源承载力和农业高质量协调发展水平在空间上不均衡。中部和东北地区协调发展较好,存在一定空间溢出效应,能够带动邻近地区发展。西部地区协调发展水平有待提高,大部分西部省份协调发展欠佳且对周围地区辐射较低、缺少渗透。

表6中4个年份均出现在“低-高”聚集区的有上海和宁夏,处于“低-高”聚集的地区应学习发展水平较好省份的经验,提高自身水资源承载力和农业高质量协调发展水平。均在“高-低”聚集区的有内蒙古、四川、浙江和湖北,说明这些地方协调发展较好,但对周围邻近省份辐射带动作用不足。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

本文构建的水资源承载力和农业高质量发展评价体系参考了诸多学者的研究成果,较以往相关研究更加全面,但囿于数据可得性,仍有不足之处,后续研究可参考本文评价体系进行改进。为比较各省水资源承载力和农业高质量发展水平,文章对各省评价时采用统一的指标体系,具有普适性,但中国地域辽阔、省份间情况各异,如果后续研究区域聚焦于某一省份或地区,可根据研究区域现实情况进行调整,提高评价体系的针对性。

对水资源承载力评价发现中国水资源承载力有较大提升,该发展趋势与赵伟静等[2]对中国粮食主产区13个省份水资源承载力测度结果一致。中国工农业生产用水效率有所提高,但居民生活用水量逐年增加,应通过多种形式增强居民节水意识,减少水资源浪费。支持节水农业发展,进一步降低单位农田用水量。鼓励建设跨区域调水设施,修建水库、大坝,缓解中国水资源时空分布不均衡的问题。

文章对农业高质量发展水平进行测度发现中国东北和东部地区较高,中西部地区农业高质量发展水平相对较低,该结论与刘涛等[25]和于婷等[19]的研究结果趋于一致。中国各地资源禀赋不同,因此各省制定农业高质量发展方案时要根据本地实际情况,因地制宜、因时制宜进行规划。对于质效提升和资源消耗部分在过去10 a发展缓慢的问题,要对产业结构进行调整,合理安排农业生产,重视农业人才培养和农业技术推广,利用生产水平提高促进农业生产效率提升,减少农业生产中的资源消耗。

中国水资源承载力和农业高质量发展耦合协调度空间依赖性表现出由强减弱的变化趋势,中国耦合协调度整体水平不高,各地差异较大,建议进行整体规划,耦合协调度高的省份可发挥辐射带动作用,提高周边省份的协调性。

4.2 结 论

文章采用CRITIC权重法对中国31个省(自治区、直辖市,港澳台未统计)2011～2020年水资源承载力和农业高质量发展水平进行测算和研究,而后进一步度量二者的耦合协调度,分析中国水资源承载力与农业高质量协调发展的耦合协调水平和时空特征。最终得出以下结论:① 中国水资源承载力和农业高质量发展水平在研究时段内有较大提升。水资源承载力指数10 a平均值地区排名为:中部>东部>西部>全国平均值>东北。农业高质量发展指数东北最高,东部其次,中西部则低于全国平均值。② 水资源承载力和农业高质量发展耦合度和耦合协调度从2011～2020年分别增长19.095%和65.517%。中部和东北部地区耦合度排名靠前,西部地区高于全国平均水平,东部地区则落后于其他地区。研究时段内协调度水平逐渐提高,从濒临失调逐渐达到中级协调水平,整体表现出东北地区较好,中西部地区水平接近,东部低于全国平均水平。③ 全局莫兰指数表明中国水资源承载力与农业高质量发展耦合协调度存在一定的空间自相关性,各省间耦合协调有一定程度的互动,但其空间依赖性则表现出由强减弱的变化态势。局部莫兰指数说明中国水资源承载力和农业高质量发展耦合协调度在空间上存在集聚现象,但还没有形成稳定的空间格局。