黄河流域九省区农业水资源利用效率评价和障碍因子分析_白芳芳
第 36 卷第 3 期
2022 年 6 月
水土保持学报
Journal of Soil and Water Conservation
Vol.36No.3 Jun.,2022
黄河流域九省区农业水资源利用效率评价和障碍因子分析
白芳芳1 ,2 ,齐学斌1 ,3 ,乔冬梅1 ,韩 洋1 ,2 ,赵宇龙1 ,2 ,陆红飞1
(1.中国农业科学院农田灌溉研究所,河南 新乡 453002;2.中国农业科学院研究生院,
北京 100081;3.中国农业科学院河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站,河南 新乡 453002)
摘要:为了解黄河流域九省区农业水资源利用现状,明晰提高九省区农业水资源利用效率障碍因子 。基于 熵权 Topsis模型,以黄河流域九省区为评价单 元,从 资 源 利 用 效 率 、经 济 效 益 、生 态 效 益 准 则 层 中 选 取 14 个评价指标,构建九省区的农业水资源利用效率的综合评价指标体系,评价黄河流域九省区 2004 年 、2009 年 、2014 年 、2019 年的农业水资源利用效率,并对九省区的农业水资源利用效率进行障碍因子诊断 。结果 表明:(1)2004 — 2019 年,青海 、内蒙古 、河南 、山东的农 业 水 资 源 利 用 效 率 较 高,陕 西 、甘 肃 、山 西 的 农 业 水 资源利用效率相对较低。(2)2004 — 2019 年,各省区的农业 水 资 源 利 用 效 率 整 体 提 高,且 九 省 区 之 间 的 农 业水资源利用效率差异逐渐减小。(3) 地均水资源占有量(A6) 、人均生态环境用水量(A13) 是山西 、山东 、 河南 、四川 、陕西 、甘肃 、宁夏的主要障碍因子,人均生态环境用水量(A13) 、农业水资源利用效率系数(A4) 是青海的主要障碍因子,地均水资源占有量(A6) 、用 水 的 农 业 生 产 总 值(A9) 是 内 蒙 古 主 要 障 碍 因 子 。 因 此,九省区水资源禀赋及生态环境用水量是影响其农业水资源利用效率的主要因素 。
关键词:黄河流域;熵权 TOPSIS模型;农业水资源利用效率;障碍因子
中图分类号:TV213 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2022)03-0146-07
DOI:10.13870/j.cnki.stbcxb.2022.03.021
Evaluation ofAgricultural Water Resource Utilization Efficiency and Obstacle Factor Diagnoses in Nine Provinces of the Yellow River Basin
BAI Fangfang1 ,2 ,QI Xuebin1 ,3 ,QIAO Dongmei1 ,HAN Yang1 ,2 ,ZHAO Yulong1 ,2 ,LU Hongfei1
(1 .Farmland IrrigationResearch Institute,ChineseAcademy ofAgricultural Sciences,Xinxiang,Henan 453002 ;
2 .GraduateSchoolofChineseAcademy ofAgricultural Sciences,Beijing 100081 ;3 .AgriculturalWaterSoil
EnvironmentalFieldResearchStationofXinxiang,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Xinxiang,Henan 453002)
Abstract:The purpose of this paper is to understand the present situation of agricultural water resources uti- lization in nine provinces of the Yellow River Basin and to clarify the obstacles to improve agricultural water resources utilization efficiency.Based on entropy weight Topsis model,9 provinces of the Yellow River Basin were taken as evaluation units,and 14evaluation indexes were selected from resource utilization efficiency, economic benefit and ecological benefit to construct a comprehensive evaluation index system of agricultural water resources utilization efficiency.The agricultural water resource utilization efficiency was evaluated by the comprehensive evaluation index system and its obstacle factors were diagnosed in 2004 ,2009 ,2014and 2019.The results showed that:(1) From 2004to 2019 ,the agricultural water resource utilization efficiency in Qinghai,Inner Mongolia,Henan,and Shandong was relatively high,while that in Shaanxi,Gansu,and Shanxi was relatively low.(2) From 2004to 2019 ,the agricultural water resources utilization efficiency of the nine provinces increased on the whole , and the difference of agricultural water resources utilization efficiency among the nine provinces gradually decreased.(3) The main obstacle factors of Shanxi,Shandong, Henan,Sichuan,Shaanxi,Gansu,and Ningxia were per capita water resources (A6) and per capita ecologi- cal water consumption (A13); per capita ecological water consumption (A13) and agricultural water resource utilization efficiency (A4) were the main obstacles in Qinghai.Average water resources occupancy (A6) and total agricultural production value (A9) were the main obstacles in Inner Mongolia.Therefore,
收稿日期:2021-10-25
资助项目:中央级公益性科研院所基本科研项目(FIRI20210102) ;河南省科技攻关项目(212102110233) ;国家自然科学基金项目 (51879268, 51679241) ;国家重点研发计划项目(2017YFD0800605)
第一作者:白芳芳(1986 — ) ,女,助理研究员,博士研究生,主要从事农业水资源与水环境研究 。E-mail:baiffang0921@163.com
通信作者:乔冬梅(1978 — ) ,女,博士,副研究员,硕士生导师,主要从事农业水资源与水环境研究 。E-mail:qiaodongmei78@126.com
第 3 期 白芳芳等:黄河流域九省区农业水资源利用效率评价和障碍因子分析 147
water resources endowment and ecological water consumption are the main factors affect the agricultural water resources utilization efficiency in the nine provinces.
Keywords:Yellow River Basin ;TOPSIS model ;agricultural water resource utilization efficiency ;obstacle
factor
近年来,沿黄省区生态环境严重恶化,农田灌溉受 到严重威胁,农业正常生产无法得到保障[1] 。此外,灌 溉过程中农业用水浪费进一步加剧了灌溉用水不足问 题 。因此,水资源是黄河流域九省区农业高质量发展强 有力的保障 。提高农业水资源利用效率是解决农业水 资源短缺的重要途径之一,故对黄河流域九省区农业水 资源利用效率进行评价并确定其障碍因子,是保障农业 水资源可持续发展和粮食安全的必要前提。
目前,农业水资源利用效率的评价指标和评价方 法主要从农业水资源利用效率 、经济效益和生态效益 的方面选取评价指标[2-4] 。 国内外对资源利用效率评 价的理论与方法比较成熟[5-6] 。 以往评价研究[7] 中多 用单项指标评价,忽略了农业水资源多层次 、多 目标 特性所带来的指标不相容和高维问题 。综合指数法 、 层次分析法 、模糊综合评判法等方法在赋予指标权重 时多带有人为因素,并缺乏各指标对总体目标贡献和 方向的 结 构 性 评 价[8] 。 投 影 寻 踪 方 法(TOPSIS) [9] 的核心是将多指标问题转换为易进行分析的单指标 问题,依据评价指标自身数据特征进行综合评价 。投 影寻踪法及其与其他优化方法结合在水资源评价领 域应用较多[10-12] 。
对黄河流域农业水资源的研究[13-15] 主要集中在 水资源承载力 、水资源价值 、存在问题及技术对策等 方面 。左其亭 等[13] 研 究 表 明,九 省 区 水 资 源 承 载 力 呈增大趋势,水资源承载力提升趋势最为明显的是河 南 、山东 、内蒙古;九省区水资源承载力空间差异性明 显,不同省区的水资源承载力障碍因子差异明显 。张 慧等[16] 研究表 明,综 合 农 业 水 资 源 利 用 效 率 较 高 的 省份为山西 、山东 、河南与陕西,处于中等水平的省份 为甘肃 、四川与内蒙古,而宁夏的农业水资源利用效 率明显低下 。张永凯等[17] 研究表明,2009 — 2017 年, 黄河流域水资源利用效率呈“先上升 、后下降 、且波动 大”的特点,水资源利用效率整体有所提升,且技术水 平是影响其利用效率的关键因素 。
综上,针对黄河流域农业水资源利用效率综合评价 的研究较少,且并未从时间和空间上分析黄河流域农业 水资源利用效率发展趋势及空间分布特征 。农业水资 源是黄河流域水资源可持续发展、生态保护和粮食安全 的前提和基础,而农业水资源利用效率评价及障碍因子 诊断是提高农业水资源利用效率的关键环节 。鉴于此, 基于熵权 TOPSIS模型,以黄河流域九省区为评价单
元,依据农业水资源高效利用的内涵和特点,来构建黄 河流域九省区的农业水资源利用效率评价指标体系和 评价方法,评价2004年、2009 年、2014年、2019 年黄河流 域九省区农业水资源利用效率,并对评价结果进行农业 用水障碍因子诊断,为黄河流域高质量发展和该区农业 水资源高效利用与优化配置提供决策支持。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
黄河流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山 西、河南和山东九省区,流域多年平均降水量 464mm, 总体呈“南多北少,东多西少”的态势,降水量年内分配 极不均衡,6 — 9月降水量占全年的45%~60% 。沿黄九 省区粮食播种面积占全国的36.03% ,粮食产量占全国的 35.31% [18] ,多年(2009— 2019 年) 平均水资源总量、平均 地表水 资 源 量、地 下 水 资 源 量 分 别 为 5 143.7×108 , 4 078.4×108 ,1 898.0×108 m3 。多年平均供水量、地表 水供水量、地下水供水量分别为 1 258.8×108 ,819.2× 108 ,417.4×108 m3 。多年平均农业用水量、生态用水量 分别为 831.1×10 8 ,53.9×10 8 m3 ,分 别 占 水 资 源 总 量的 66.0% ,4.3% 。 各 省 区 农 田 灌 溉 水 有 效 利 用 系 数为0.477~0.643 ,耕地实际灌溉均用水量 157~706 m3/667m2 ,万元国内生产总值用水量为 31.7~186.5 m3 ,九省区资源环境禀赋及经济发展水平差异较大 。 水资源供需矛盾尖锐,水质严重恶化,生态环境问题 突出,农业水资源利用效率低下等是九省区面临的共 性问题,因此,提高九省区农业水资源利用效率是黄 河流域高质量发展的重要保障 。
1.2 研究方法
1.2.1 评价指标体系构建 参考前人[19] 在农业水资 源评价时选取的评价指标体系,结合黄河流域九省区 水资源禀赋条件 、生态环境状况 、经济和社会发展水 平,根据农业水资源内涵及相关的研究理论,综合熵 权 TOPSIS 模 型 特 点,从 资 源 利 用 效 率 、经 济 效 益 、 生态效益中共选取 14 个评价指标,构成了九省区农 业水资源利用效率的综合评价指标体系(表 1)。 1.2.2 熵权 TOPSIS 模型 熵权 TOPSIS 法核心在 于 TOPSIS,首先,利 用 熵 权 法 计 算 得 到 各 评 价 指 标 的权重,并且将评价指标数据与权重相乘,得到新的 数据,利用新数据进行 TOPSIS分析 。TOPSIS[20] 即 逼近理想解排序法,是一种基于多指标进行综合评价 的客观评价方法,其基本原理是通过确定各指标评价值
148 水土保持学报 第 36 卷
向量与评价最优方案和最劣方案间的相对距离,然后, 基于该相对距离大小对评价对象进行排序评价 。该方
法计算过程灵活、评价结果合理,在农业水资源综合评 价中应用较多[12] 。主要计算步骤为:
表 1 黄河流域九省(区)农业水资源利用效率评价指标体系
目标层 |
准则层 |
指标层 |
指标计算式 |
属性 |
农 业 水 资 源 利 用 效 率 |
资源利用效率 |
降水效率 A1/(kg · mm-1 · hm-2 ) 供水模数 A2/(万 m3 · km-2 ) 农业用水比例 A3/% 农业水资源利用效率系数 A4/(kg · m-3 ) 农田灌溉用水量 A5/(m3 · hm-2 ) 地均水资源占有量 A6/(m3 · hm-2 ) 有效灌溉率 A7/% 万元 GDP用水量 A8/m3 |
单位面积粮食产量/年降水量 供水量/区域面积 农业用水量/总用水量 粮食产量/农业用水量 农田灌溉用水量/耕地实灌面积 水资源总量/灌溉面积 有效灌溉面积/总耕地面积 总用水量/GDP 总量 |
正向 逆向 逆向 正向 逆向 正向 正向 逆向 |
经济效益 |
用水的农业生产总值 A9/(元 · m-3 ) 农民家庭平均每人纯收入 A10/(元 · 人-1 ) 单位耕地面积粮食产量 A11/(t · hm-2 ) 生态环境用水比例 A12/% |
农业生产总值/农业用水量 农民年收入总值/农民人口总数 粮食产量/耕地面积 生态用水量/总用水量 |
正向 正向 正向 正向 |
|
生态效益 |
人均生态环境用水量 A13/(m3 · 人-1 ) 单位面积化肥施用量 A14/(kg · hm-2 ) |
生态用水量/总人口 总化肥施用量/总耕地面积 |
正向 逆向 |
148 水土保持学报 第 36 卷
注:指标属性中正向表示数值越大越好;逆向表示数值越小越好 。
(1) 评价指标归一化处理 。正向指标归一化处理 公式:
x(i,j) = (x * (i,j)-xmin (j) )/(xmax (j)-xmin (j) ) 逆向指标归一化处理公式:
x(i,j) = (xmax (j)-x * (i,j) )/(xmax (j)-xmin (j) ) 式中:xmin (j)、xmax (j) 分别为样本集中第 j 个指标的 最小值和最大值 。
Z=(r(i,j))m×n
式中:r(i,j)=wj ×x(ij);wj 为第j 个指标权重 。
(2) 评价指标归一化后的最优 、最劣向量分别为: Z +=(Zmax1 ,Z max2 ,…,Zmaxm ) Z -=(Zmin1 ,Z min2 ,…,Zminm )
第i个评价对象与最优、最劣方案的距离分别为: D =
D i - =
第i个评价对象与最优方案的接近程度Ci 为: Ci=D i -/(D +D i - )
式中:贴 近 度 Ci 取 值 0~1 ,Ci 值 越 大 则 评 价 对 象 水平越高,Ci 值越低则表示评价对象水平越低;其中 i=1 ,2 ,…,n。
1.2.3 障碍度模型 运用障碍度模型进行障碍因子 诊断有利于识别黄河流域各省(区) 农业水资源利用 效率的主要障碍因子 。具体计算步骤[21] 为:
(1) 评价指标的因子贡献度,即单个因素对总 目 标的贡献程度,用单个因素的权重 wj 表示 。
(2) 计算指标偏离度(Iij )。 I ij =1-xij
(3) 计算各评价指标的障碍度(Pij )。
P ij =Iij ·wj/∑ j n=1 (Iij ·wj )
1.2.4 数据来源 选取 14 个代表性指标,对九省区
2004 年 、2009 年 、2014 年 、2019 年的农业水资源利用
效 率 进 行 评 价 。 数 据 主 要 来 源 于《 中 国 统 计 年
鉴》[22] 、《 中 国 水 利 统 计 年 鉴》[23] 、《 中 国 水 资 源 公
报》[24] 、《中国国土资源公报》[25] 等 。
2 结果与分析
2.1 黄河流域九省区各评价指标权重
根据黄河流域九省区各评价指标的统计数据,采 用熵权法确 定 各 指 标 在 不 同 年 份 的 熵 值 和 权 重(表 2),指标的熵值越大,说明该项指标提供的信息越多, 从而权重值越大[26] 。 由表 2 可知,2004 年,地均水资 源占有量权重 A6(0.198) 远大于其他指标的权重,说 明其是影响 该 年 农 业 水 资 源 利 用 效 率 的 主 要 因 素 。 2009 年 、2014 年 、2019 年,地均水资源占有量 A6 、人 均生 态 环 境 用 水 量 A13 权 重 较 大,故 二 者 是 影 响 2009 年 、2014 年 、2019 年 农 业 水 资 源 利 用 效 率 的 主 要因素,且二者的权重整体呈上升趋势 。综上分析可 知,黄河流域各省(区) 的水土资源匹配度是影响该区 农业水资源利用效率的基本因素 。万元 GDP用水量 在 4 个年份中权重值均最小,说明其是影响九省区农 业水资源利用效率的潜力因素 。
2.2 黄河流域九省区农业水资源利用效率评价结果
由表 3 可知,2004 年,青海、山东、河南农业水资源 利用效率的贴近度 Ci 值较大,说明这3个省份的农业水 资源利用效率较高;2009 年农业水资源利用效率较高的 省份为青海、内蒙古、四川;2014年农业水资源利用效率 较高的省份为内蒙古、青海、宁夏;2019 年农业水资源利
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用效率较高的省份为青海、内蒙古、河南 。2004 年,宁 夏、陕西、甘肃省农业水资源利用效率的贴近度 Ci 值较 低,说明这 3 个省份的农业水资源利用效率较低;2009 年农业水资源利用效率较低的省份 为 甘 肃 、山 西 、陕 西;2014 年农业水资源利用效率较低的省份为四川 、 陕西 、甘肃;2019 年农业水资源利用效率较低的省份 为陕西 、宁夏 、甘肃 。整体上看,青海 、内蒙古 、山东 、 河南农业水资源利用效率常年较高,陕西 、甘肃 、山西 农业水资源利用效率常年较低 。
表 2 各评价年份指标权重
指标 |
2004年 |
2009 年 |
2014年 |
2019 年 |
降水效率 A1 |
0.086 |
0.086 |
0.066 |
0.060 |
供水模数 A2 |
0.057 |
0.074 |
0.061 |
0.073 |
农业用水比例 A3 |
0.041 |
0.034 |
0.043 |
0.043 |
农业水资源利用效率系数 A4 |
0.075 |
0.068 |
0.061 |
0.071 |
农田灌溉用水量 A5 |
0.046 |
0.035 |
0.039 |
0.032 |
地均水资源占有量 A6 |
0.198 |
0.204 |
0.204 |
0.231 |
有效灌溉率 A7 |
0.077 |
0.047 |
0.047 |
0.069 |
万元 GDP用水量 A8 |
0.026 |
0.029 |
0.027 |
0.033 |
用水的农业生产总值 A9 |
0.068 |
0.068 |
0.058 |
0.068 |
农民家庭平均每人纯收入 A10 |
0.076 |
0.055 |
0.039 |
0.042 |
单位耕地面积粮食产量 A11 |
0.082 |
0.067 |
0.056 |
0.057 |
生态环境用水比例 A12 |
0.053 |
0.050 |
0.091 |
0.064 |
人均生态环境用水量 A13 |
0.076 |
0.113 |
0.176 |
0.111 |
单位面积化肥施用量 A14 |
0.039 |
0.069 |
0.033 |
0.049 |
表 3 黄河流域九省区农业水资源利用效率评价结果
省份 |
2004 |
年 |
2009 |
年 |
2014 |
年 |
2019 |
年 |
|
排序 |
|
排序 |
|
排序 |
|
排序 |
|
山西 |
0.334 |
6 |
0.306 |
8 |
0.286 |
6 |
0.287 |
6 |
内蒙古 |
0.379 |
5 |
0.447 |
2 |
0.516 |
1 |
0.413 |
2 |
山东 |
0.423 |
2 |
0.345 |
5 |
0.296 |
4 |
0.345 |
4 |
河南 |
0.396 |
3 |
0.338 |
6 |
0.293 |
5 |
0.358 |
3 |
四川 |
0.394 |
4 |
0.355 |
3 |
0.266 |
7 |
0.306 |
5 |
陕西 |
0.284 |
8 |
0.256 |
9 |
0.231 |
8 |
0.280 |
7 |
甘肃 |
0.244 |
9 |
0.317 |
7 |
0.226 |
9 |
0.246 |
9 |
青海 |
0.577 |
1 |
0.618 |
1 |
0.490 |
2 |
0.604 |
1 |
宁夏 |
0.319 |
7 |
0.347 |
4 |
0.335 |
3 |
0.253 |
8 |
将黄河流域九省区的农业水资源利用效率评价 指标分别按省区进行熵权 TOPSIS分析,以 2004 年 、 2009 年 、2014 年 、2019 年 为 评 价 对 象,评 价 结 果 Ci 值见图 1 。 由图 1 可 知,2004 — 2019 年,九 省 区 农 业 水资源利用效率整体上呈增加态势,说明农业生产过 程中各省区的水资源利用情况趋于合理;山东 、甘肃 、 宁夏的农业水资源 利 用 效 率 Ci 值 呈 逐 年 增 加 态 势 。 2004 — 2009 年,甘肃省 Ci 值增幅最大,从 0.179 增加 到了 0.345,增幅高达92.7%,主要是甘肃省的有效灌 溉率(A7)、用 水 的 农 业 生 产 总 值(A9)、农 民 家 庭 平 均每人纯收入(A10)、人均生态环境用水量(A13) 分 别提高了 12 414%,83%,61% ,1 316% ,同 时,万 元
GDP用水量(A8) 降低了 54% ;2009 — 2014 年,内蒙 古自治区 Ci 值增幅最大,增幅高达 79.0%,主要是因 为 2014 年内蒙古自治区降水量增加了 20.9%,属平 水年,水资源总量增加了 42.2%,用水的农业生产总 值(A9)、农民家庭平均每人纯收入(A10)、单位耕地 面积粮食产量 A11 、人均生态环境用水量(A13) 分别增 加了 48.4%,50.5%,22.6%,45.9%,同时万元 GDP用水 量(A8)、农田灌溉用水量(A5) 降低了 81.7%,10.6% , 说明内蒙古农业水资源利用状况逐渐好转,粮食产量 增加、农田灌溉用水量减少、农民收入增加、生态环境 用水量增加,故农业水资源利用效率提升;山西、河南 Ci 值增幅紧随其后,增幅分别为 77.9%,75.1% 。2014— 2019年,陕西省农业水资源利用效率增幅最大为57.2% , 这主要是因 为 2019 年 陕 西 省 降 水 量 增 加 了 8.3% , 属丰水年,水资源总量增加了 40.9%,其中,地表水资 源量增加了 44.1% ;同 时,陕 西 省 GDP 总 量 增 加 了 45.9%,万元 GDP 用 水 量(A8) 降 低 了 29.3%;人 均 生态环境用水量(A13) 增 加 了 70.92%,故 陕 西 省 的 农业水资源利用效率提高较多 。2004— 2009 年,山西、 内蒙古、河 南、四 川、陕 西、青 海 的 农 业 水 资 源 利 用 效 率 Ci 值出现了负增长,增幅分别为-18.1%,-0.6% , -18.9% ,-0.5% ,-12.5% ,-9.1% ;2014 — 2019 年,山西省的农业水资源利用效率 Ci 值略降,增幅为 -3.3% 。2004 年 、2009 年 、2014 年 、2019 年 九 省 区 的农业水资源利用效率 Ci 值的标准差分别为 0.078 , 0.054,0.063,0.062,这说明九省区的农业水资源利用 效率相对差异整体呈减小趋势 。
2.3 黄河流域九省区农业水资源利用效率评价指标
障碍因子诊断
由表 4 可 知,九 省 区 农 业 水 资 源 利 用 效 率 障 碍 因子排名前 6 的 为 地 均 水 资 源 占 有 量 (A6)、人 均 生态环境用水量(A13)、降水效率(A1)、单位耕地面 积 粮 食 产 量 (A11)、农 民 家 庭 平 均 每 人 纯 收 入 (A10)、有效灌溉率(A7)。 山东 、河南 、四川 、陕西排 名前 2 的障碍因子均为地均 水 资 源 占 有 量(A6)、降 水效率(A1),分别占总障碍度的 52.289%,53.022% , 40.506%,39.122% 。 内 蒙 古 、甘 肃 排 名 前 2 的 障 碍 因子均为地均水资源占有量(A6)、单 位 耕 地 面 积 粮 食产量(A11),说明这 2 个省份的地均水资源占有量 较少,同时单位面积粮食产量有待提高;山西排名前 2 的障碍因子 为 地 均 水 资 源 占 有 量(A6)、人 均 生 态 环境用水量(A13),占 总 障 碍 度 的 43.702%,主 要 是 山西的地均水资源占有量较少,人均生态环境用水量 偏低;宁夏排名前 2 的障碍因子为地均水资源占有量 (A6)、农业 水 资 源 利 用 效 率 系 数(A4),占 总 障 碍 度 的 37.192%,说明宁夏的地均水资源占有量较少,农
150 水土保持学报 第 36 卷
业水资源利用效率系数较低;青海排名前 2 的障碍因 子为农业水资源利用效率系 数(A4)、农 民 家 庭 平 均 每人纯收入(A10),占 总 障 碍 度 的 29.323%,说 明 青 海的农业水 资 源 利 用 效 率 系 数 较 低,农 民 家 庭 收 入 有待提高 。万元 GDP 用水量(A8) 的农业用水障 碍 度较低,是 2004 年山西 、河南 、四川 、陕西农业用水潜 力影响因 子 。 内 蒙 古 降 水 效 率(A1) 的 障 碍 度 是 0 , 故对其 农 业 水 资 源 利 用 效 率 无 影 响 。 有 效 灌 溉 率 (A7)、万元 GDP用水量(A8)、农民家庭平均每人纯 收入(A10)、单位耕地面积粮食产量(A11) 对山东农
业水资源利用效率无影响 。农业水资源利用效率系 数(A4)、人 均 农 业 用 水 量(A5)、用 水 的 农 业 生 产 总 值(A9)、生 态 环 境 用 水 比 例(A12) 对 河 南 省 的 农 业 水资源利用效率无影响 。 四川的农业用水比例(A3) 的障碍度为 0,说明四川省的用水比例合理,对其 农 业水资源利用效率 无 影 响 。供 水 模 数(A2)、地 均 水 资源占有量(A6)、单 位 面 积 化 肥 施 用 量(A14) 对 青 海省 的 农 业 水 资 源 利 用 效 率 无 影 响 。 降 水 效 率 (A1)、人均 生 态 环 境 用 水 量(A13) 对 宁 夏 的 农 业 水 资源利用效率无影响 。
图 1 2004-2019 年黄河流域各省区农业水资源利用效率 Ci 值
表 4 2004 年黄河流域各省区农业水资源利用效率评价指标障碍度
省份 |
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
A5 |
A6 |
A7 |
A8 |
A9 |
A10 |
A11 |
A12 |
A13 |
A14 |
山西 |
11.170 |
2.170 |
0.253 |
0.772 |
0.235 |
31.687 |
11.156 |
0.130 |
3.795 |
6.869 |
10.968 |
6.307 |
12.015 |
2.474 |
内蒙古 |
0 |
0.750 |
5.949 |
10.344 |
2.438 |
32.659 |
0.737 |
1.504 |
10.020 |
7.127 |
11.760 |
7.617 |
8.216 |
0.880 |
山东 |
13.580 |
10.844 |
3.294 |
5.636 |
0.234 |
38.708 |
0 |
0 |
0.696 |
0 |
0 |
6.580 |
12.689 |
7.738 |
河南 |
15.465 |
9.279 |
1.005 |
0 |
0 |
37.557 |
8.262 |
0.304 |
0 |
8.463 |
5.950 |
0 |
7.933 |
5.782 |
四川 |
15.291 |
2.864 |
0 |
3.633 |
2.214 |
25.215 |
13.691 |
0.573 |
4.824 |
8.070 |
4.842 |
5.781 |
10.815 |
2.187 |
陕西 |
12.122 |
1.946 |
1.402 |
4.829 |
1.125 |
27.000 |
8.103 |
0.318 |
3.811 |
10.978 |
11.287 |
3.885 |
9.003 |
4.192 |
甘肃 |
3.718 |
1.281 |
3.265 |
8.247 |
3.371 |
24.190 |
9.840 |
1.452 |
6.935 |
9.713 |
10.479 |
6.773 |
9.713 |
1.023 |
青海 |
5.805 |
0 |
3.467 |
15.047 |
8.603 |
0 |
6.008 |
1.806 |
13.031 |
14.276 |
13.597 |
8.285 |
10.076 |
0 |
宁夏 |
0.776 |
7.772 |
5.591 |
10.193 |
6.272 |
26.999 |
5.833 |
3.545 |
9.272 |
7.434 |
9.002 |
5.453 |
0 |
1.857 |
均值 |
8.659 |
4.101 |
2.692 |
6.522 |
2.721 |
27.113 |
7.070 |
1.070 |
5.820 |
8.103 |
8.654 |
5.631 |
8.940 |
2.904 |
由表 5 可知,2019 年,九省区农业水资源利用效 率障碍因子排名前 6 的为地 均 水 资 源 占 有 量(A6)、 人均生态 环 境 用 水 量(A13)、农 业 水 资 源 利 用 效 率 系数(A4)、有效 灌 溉 率(A7)、用 水 的 农 业 生 产 总 值 (A9)、生态环境用水比例(A12)。 山西 、山东 、河南 、 四川 、陕西 、甘 肃 、宁 夏 排 名 前 2 的 障 碍 因 子 均 为 地 均水资源占有量(A6)、人均生态环境用水量(A13), 分 别 占 总 障 碍 度 的 51.830% ,59.883% ,58.519% , 44.060%,44.856%,42.639%,39.670%;内蒙古排名 前 2 的障碍因子为地均水资 源 占 有 量(A6)、用 水 的 农业生产总值(A9),占总障碍度的 58.295%,说明内 蒙古的地均水资源占有量较少,用水的农业生产总值 较低;青海排名前 2 的农业水资源利用效率障碍因子 为人均生态环境用水量(A13)、农业水资源利用效率 系数(A4),占总障碍度的 32.978%,说明其人均生态环
境 用 水 量 相 对 较 低,农 业 水 资 源 利 用 效 率 系 数 有 待 提高 。万元 GDP用水量(A8)、人均农业用水量(A5) 障 碍度较低,分别为 0.430,0.291,是 2019 年山西省农业用 水潜力影响因子 。降水效率(A1)、生态环境用水比例 (A12)、人均生态环境 用 水 量(A13) 的 障 碍 度 是 0,对 内蒙古2019年的农业水资源利用效率无影响 。有效灌 溉率(A7)、万元 GDP用水量(A8)、农民家庭平均每人纯 收入(A10)、单 位 耕 地 面 积 粮 食 产 量(A11) 对 山 东 省 2019年的农业水资源利用效率无影响 。农业用水比例 (A3)、农业水资源利用效率系数(A4)、人均农业用水量 (A5)、用水的农业生产总值(A9) 对河南省的农业水资 源利用效率无影响 。万元 GDP用水量(A8) 障碍度较 低为 0.721,是 四 川 农 业 用 水 潜 力 影 响因 子 。 万 元 GDP用水量(A8)、用水的农业生产总值(A9) 障碍度 较低为 0.126,0.005,是陕西 2019 年农业用水潜力影
150 水土保持学报 第 36 卷
第 3 期 白芳芳等:黄河流域九省区农业水资源利用效率评价和障碍因子分析 151
响因子 。供水 模 数(A2)、地 均 水 资 源 占 有 量(A6)、 单位面积化肥施用量(A14) 对青海 2019 年的农业水 资源利用效率无影响 。有效灌溉率(A7) 的障碍度是 0.769 ,是宁夏 农 业 水 资 源 利 用 潜 力 影 响 因 子 。 对 比 表 4 、表 5 可知,地均水资源占有量(A6)、人均生态环 境用水量(A13)(内蒙古除外)、供水模数(A2)、单位
面积化肥施用量(A14) (山 东 除 外)、万 元 GDP 用 水 量(A8)(陕西除外) 对黄河流经大部分省区的农业水 资源利用效率障碍度增加;农民家庭平均每人纯收入 (A10)、单位耕地面积粮食产量(A11) 对各省份的农 业水资源利用效率障碍度降低,二者对山东省的农业 水资源利用效率无影响 。
表 5 2019 年黄河流域各省区农业水资源利用效率评价指标障碍度
省份 |
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
A5 |
A6 |
A7 |
A8 |
A9 |
A10 |
A11 |
A12 |
A13 |
A14 |
山西 |
6.573 |
3.752 |
1.265 |
5.365 |
0.291 |
35.739 |
3.100 |
0.430 |
6.292 |
3.924 |
7.039 |
6.178 |
16.090 |
3.961 |
内蒙古 |
0 |
1.377 |
5.716 |
8.548 |
1.372 |
46.406 |
9.805 |
3.487 |
11.889 |
2.654 |
5.161 |
0 |
0 |
3.585 |
山东 |
5.846 |
13.286 |
2.327 |
4.238 |
0.127 |
41.909 |
0 |
0 |
2.819 |
0 |
0 |
5.586 |
17.974 |
5.888 |
河南 |
5.953 |
13.500 |
0 |
0 |
0 |
42.729 |
8.648 |
0.478 |
0 |
2.496 |
1.309 |
0.904 |
15.790 |
8.193 |
四川 |
8.730 |
3.791 |
1.897 |
7.000 |
1.822 |
27.374 |
10.372 |
0.721 |
4.198 |
2.407 |
3.083 |
9.621 |
16.686 |
2.298 |
陕西 |
8.477 |
3.040 |
1.478 |
6.640 |
1.071 |
29.880 |
9.408 |
0.126 |
0.005 |
3.970 |
7.083 |
6.924 |
14.977 |
6.923 |
甘肃 |
3.972 |
1.562 |
4.699 |
8.111 |
2.285 |
29.714 |
7.143 |
2.730 |
6.958 |
5.697 |
5.707 |
6.753 |
12.925 |
1.744 |
青海 |
8.028 |
0.000 |
5.352 |
14.380 |
3.790 |
0.000 |
7.622 |
2.444 |
12.341 |
6.553 |
11.545 |
9.348 |
18.598 |
0 |
宁夏 |
1.818 |
8.886 |
5.589 |
9.098 |
4.159 |
30.026 |
0.769 |
4.289 |
8.839 |
3.295 |
2.829 |
7.028 |
9.644 |
3.730 |
均值 |
5.488 |
5.466 |
3.147 |
7.042 |
1.658 |
31.531 |
6.318 |
1.634 |
5.927 |
3.444 |
4.862 |
5.816 |
13.631 |
4.036 |
3 讨 论
提高黄河流域农业水资源利用效率是黄河流域 生态环境保护和高质量发展的重要保障 。本研究表 明,2004— 2019 年,山西、内 蒙 古、山 东、河 南、四 川、陕 西、甘肃、青海、宁夏的农业水资源利用效率 Ci 值均不同 程度增加,且九省区的农业水资源利用效率差异整体减 小,主要因为经济效益和生态效益部分指标提升较多, 农田灌溉水利用效率提高 。这与左其亭等[13] 对黄河流 域九省区水资源 承 载 力 研 究 结 论 相 符 。 评 价 指 标 的 选取对农业水资源利用效率至关重要,本研究中青海 省 、内蒙古的农业水资源利用效率较高,山东 、河南 、 四川处于中等水平,而陕西 、甘肃 、宁夏的农业水资源 利用效率较低,这与张慧等[16] 研究略有差异,主要因 为张慧等[16] 从资源利用效率和经济效率方面选取了 5 个评价指标,而本文添加了生态效益 、经济效益 准 则层,共选取了 14 个评价指标,评价因素更全面 。
从资源利用效率准则层看,排名靠前的是青海、宁 夏、内蒙古、甘肃,排名靠后的是四川、山东、山西、河南、 陕西 。青海资源利用效率较高,是因为其地均水资源占 有量、降水效率较高,但农业用水比例偏高;宁夏降水效 率和有效灌溉率较高,但供水模数、农田灌溉用水量、农 业用水比例均较高,有待调整;内 蒙 古 的 降 水 效 率 较 高 、供水模数较低,但农业用水比例偏高;甘肃的农业 用水比例 、农田灌溉用水量偏高,农业水资源利用效 率系数有待提升;四川的降水效率 、农业水资源利用 效率系数 、有效灌溉率均较低;山东 、河南的农业水资 源利用效率系数较高,农田灌溉用水量较低,但地均 水资源占有量远低于其他省份,供水模数较高,故资
源利用效率较低 。 山西农田灌溉水资源利用效率均 较高,主要是因为地均水资源占有量较低,故资源利 用效率偏低;陕西的降水效率 、有效灌溉率 、农业水资 源利用效率系数均偏低,农田灌溉用水量略高 。
从经济效益准则层看,排名靠前的分别为河南、山 东、四川、陕西,排名靠后的为内蒙古、山西、宁夏、甘肃、 青海,前者主要是因为经济水平整体较高,农业用水产 值、农民收入均较高,后者主要是因为受社会发展水平 限制,农民收入及农业用水产值均较低 。其中,内蒙古、 宁夏的万元 GDP用水量均较高,且用水的农业生产总 值、单位面积粮食产量较低;山西主要是因为单位面积 粮食产量、用水的农业生产总值均较低;甘肃主要是因 为万元 GDP用水量偏高,用 水 的 农 业 生 产 总 值 、单 位 面积粮食产量 、农民家庭平均每人纯收入均较低 。
从生态效益准则层看,排名靠前的分别为内蒙古、 河南、青海、宁夏,排名靠后的为陕西、四川、山西 。 内蒙 古的生态效益较高主要因为生态环境用水比例及人均 生态环境用水量均较高;河南的生态环境用水比例较 高,但人均生态环境用水量偏低,且单位面积化肥施用 量偏高;青海的单位面积化肥施用量最低,但生态环境 用水比例及人均生态环境用水量均偏低;宁夏的人均 生态环境用水量较高,但生态环境用水比例较低,单 位面积化肥施用量略高;陕西 、四川 、山西的生态环境 效益较低主要因为生态环境用水比例及人均生态环 境用水量均较低,且单位面积化肥施用量偏高 。
综上可知,九省区农业水资源利用效率呈现出空 间差异的原 因 各 异,各 因 素 在 九 省 区 障 碍 度 差 异 显 著 。本研究中地均水 资 源 占 有 量(A6)、人 均 生 态 环
152 水土保持学报 第 36 卷
152 水土保持学报 第 36 卷
境用水量(A13) 是九省区主要障碍因子 。 因此,提高 九省区农业水资源利用效率关键在于通过合理调节 引黄水量,调节各省区水资源量,增加生态环境用水 量,提高农业产值和农田灌溉水有效利用系数 。
4 结 论
(1)2004 — 2019 年,青 海 、内 蒙 古 、河 南 、山 东 的 农业水资源利用效率较高,陕西 、甘肃 、山西的农业水 资源利用效率相对较低 。
(2)2004 — 2019 年,黄河流域九省区农业水资源 利用效率评价 Ci 值 整 体 上 呈 增 加 态 势,且 九 省 区 之 间的农业水资源利用效率差异逐渐减小 。
(3) 地均水资源占有量(A6)、人均生态环境用水 量(A13) 是山西 、山东 、河南 、四川 、陕西 、甘肃 、宁 夏 的主要障碍因子,人 均 生 态 环 境 用 水 量(A13)、农 业 水资源利用效率系数(A4) 是 青 海 的 主 要 障 碍 因 子, 地均水资源占有量(A6)、用水的农业生产总值(A9) 是内蒙古主要障碍因子 。
(4)2004 — 2019 年,地均水资源占有量(A6)、人 均生态 环 境 用 水 量(A13) (内 蒙 古 除 外)、供 水 模 数 (A2)、单位面积化肥施用量(A14) (山东除外)、万元 GDP用水量(A8) (陕 西 除 外) 对 黄 河 流 经 大 部 分 省 区的农业水资源利用效率障碍度增加;农民家庭平均 每人纯收入(A10)、单位耕地面积粮食产量(A11) 对 各省份的农业水资源利用效率障碍度降低,二者对山
东省的农业水资源利用效率无影响 。
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