姜森嚴(yán)，王鐵良，李 波，李 雷

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866；2.沈陽天易通工程咨詢有限公司，沈陽110000)

0 引 言

遼寧省是水資源嚴(yán)重短缺的省份之一，為了改變農(nóng)業(yè)“靠天吃飯”的局面，遼寧省在2011年開展了“千萬畝節(jié)水灌溉工程”，在全省范圍內(nèi)全面推廣節(jié)水灌溉技術(shù)。但是，當(dāng)前某些地區(qū)在發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)上帶有一定的盲目性，沒有因地制宜地推廣，部分地區(qū)盲目投入或重復(fù)投入，造成大面積的節(jié)水灌溉設(shè)施荒廢，導(dǎo)致節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展事倍功半。

為了避免盲目地發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，現(xiàn)在有必要針對(duì)遼寧省各地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)業(yè)水資源條件、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、水利設(shè)施現(xiàn)狀和地貌形態(tài)等因素劃分出不同的區(qū)域，以便根據(jù)各分區(qū)的特點(diǎn)，選擇適宜的節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展模式[1]。李英能等在1998年提出了通過建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)農(nóng)業(yè)分區(qū)的概念；隨后吳景社等在2004年利用主成分分析與聚類分析相結(jié)合的方法對(duì)全國(guó)節(jié)水灌溉分區(qū)，相比傳統(tǒng)只用聚類分析一種方法的分區(qū)，結(jié)合主成分分析之后會(huì)使分區(qū)更準(zhǔn)確；2013年許一等分別運(yùn)用模糊聚類法和灰色聚類法建立了安徽省節(jié)水灌溉分區(qū)，以比較兩種方法在分區(qū)應(yīng)用中的準(zhǔn)確性、合理性；2014年褚琳琳等利用數(shù)學(xué)方法得出了江蘇省節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)。目前還沒有學(xué)者對(duì)遼寧省的節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)進(jìn)行研究。

因此，通過總結(jié)前人研究成果并結(jié)合遼寧省實(shí)際情況，本研究采用遼寧省自然條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、社會(huì)情況等數(shù)據(jù)，利用因子分析，先將原來多個(gè)變量進(jìn)行降維處理，提取少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，再通過聚類分析法對(duì)遼寧省進(jìn)行節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)，以期為遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)決策依據(jù)[2]。

1 分區(qū)原則

節(jié)水農(nóng)業(yè)區(qū)劃必須建立在符合客觀規(guī)律與現(xiàn)實(shí)條件的基礎(chǔ)上，按照“歸納相似性，區(qū)別差異性，照顧行政區(qū)界”的原則進(jìn)行分區(qū)[3]。主要考慮：①氣候、地形、地貌等自然地理?xiàng)l件的相似性；②地表水和地下水資源量以及水資源的開發(fā)利用條件大體相同；③同一區(qū)域內(nèi)主要灌溉作物對(duì)象及節(jié)水灌溉措施要基本一致；④適當(dāng)照顧現(xiàn)有行政區(qū)劃、水資源區(qū)劃的完整性[4]。

2 分區(qū)指標(biāo)確定

分區(qū)指標(biāo)的設(shè)置必須滿足全面性、概括性、易于取得的要求，考慮到節(jié)水灌溉的特點(diǎn)，采用地貌形態(tài)、氣候特征、缺水程度、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、灌區(qū)類型、地貌形態(tài)5個(gè)類型、共8項(xiàng)指標(biāo)組成節(jié)水灌溉分區(qū)的指標(biāo)體系[5]。

(1)氣候特征指標(biāo)。氣候特征中與灌溉關(guān)系最大的就是降水和蒸發(fā)，直接決定農(nóng)作物對(duì)灌溉的需求。目前，氣候干濕劃分的指標(biāo)多采用干旱指數(shù)，是年蒸發(fā)能力和年降水量的比值?？刹捎谩哆|寧省水資源》書中推薦的公式計(jì)算：

r=E0/P

(1)

即r=kE601/P=kKEφ20/P

(2)

式中：K為EΦ20與E601換算系數(shù)；k為E0與E601換算系數(shù)，遼寧省k值近似取值為1。

當(dāng)r<1.0時(shí)，表示該區(qū)域蒸發(fā)能力小于降水量，該地區(qū)為濕潤(rùn)氣候。當(dāng)r>1.0時(shí)，即蒸發(fā)能力超過降水量，說明該地區(qū)偏于干燥，r越大，即蒸發(fā)能力超過降水量越多，干燥程度就越嚴(yán)重。

(2)缺水程度指標(biāo)。缺水程度指標(biāo)可用缺水指數(shù)來表示，農(nóng)業(yè)水資源可利用量與綜合作物需水量的比值即是缺水指數(shù)，公式為：

β=Wy/Ws

(3)

式中：Wy為農(nóng)業(yè)水資源可利用量；Ws為綜合作物需水量，

式中:xij與x'ij分別表示第i個(gè)樣本、第j項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值;珋x與sj分別表示原始數(shù)據(jù)中第j項(xiàng)指標(biāo)的平均值和方差。

缺水指數(shù)是直接反應(yīng)某地區(qū)灌溉缺水程度的指標(biāo)，是影響選擇節(jié)水灌溉措施最主要的因素。β值小的地區(qū)，灌溉水資源緊缺，為了保證農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，就需要采用高效的節(jié)水灌溉措施；β值大的地區(qū)，說明灌溉水資源充沛，農(nóng)民對(duì)節(jié)水灌溉措施接受程度較差，即便是發(fā)展也應(yīng)該選擇投入低，容易使用的節(jié)水灌溉措施。

(3)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)指標(biāo)。農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)是各地區(qū)某種作物所占總種植面積比。這里選取水稻種植比和以玉米、花生為代表的旱作物種植比兩個(gè)指標(biāo)作為參考。

(4)灌區(qū)類型指標(biāo)。灌區(qū)分為蓄引水灌區(qū)、井灌區(qū)2種類型，根據(jù)不同的灌區(qū)類型所占總有效灌溉面積比，可反映出各地區(qū)對(duì)發(fā)展節(jié)水灌溉的需求。

(5)地貌形態(tài)指標(biāo)。地勢(shì)起伏會(huì)影響灌溉系統(tǒng)布局，也會(huì)影響農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和發(fā)展方向。地勢(shì)起伏小則適宜集中連片發(fā)展節(jié)水灌溉。地勢(shì)起伏大，耕地不集中，則適宜發(fā)展可應(yīng)用于小面積的節(jié)水灌溉措施。

綜上所述，本次節(jié)水農(nóng)業(yè)區(qū)劃選取的指標(biāo)見表1。

3 分區(qū)方法

3.1 因子分析

借助IBM SPSS Statistics數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)遼寧省所轄78個(gè)涉農(nóng)縣(區(qū)、縣級(jí)市)的8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行因子分析。通過計(jì)算，得出特征值和貢獻(xiàn)率，見表2。利用特征值(λ1,λ2,…,λ8)分別求出各指標(biāo)(x1,x2,…,x8)在各因子上的載荷，得到成分矩陣。

表1 節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 The evaluation index system of water-saving agriculture division

注：數(shù)據(jù)來源《遼寧省水資源》、《遼寧省水資源公報(bào)》(2009-2014年)、《遼寧省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2009-2014年)。

表2 特征值及貢獻(xiàn)率Tab.2 Eigen values and contribution ratio

為了使因子間差異更明顯，通過最大方差法旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)成分矩陣，見表3。

表3 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Tab.3 Rotated component matrix

由表2可看出第一、第二因子的(y1、y2)的特征值均大于1，貢獻(xiàn)率分別是44.807%和40.469%，說明y1描述了原數(shù)據(jù)中44.807%的信息量，y2描述了原數(shù)據(jù)中40.469%的信息量，且y1、y2的累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.276%。從表3可看出y1中載荷不低于0.6的指標(biāo)有x3、x4、x7、x8，可見y1是代表了農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、地貌形態(tài)的公共因子；y2中載荷不低于0.6的指標(biāo)有x1、x2、x5、x6，是反映各地區(qū)的氣候特征、缺水程度和灌區(qū)類型的公共因子[6]。綜上所述y1、y2這兩個(gè)公共因子基本上可以代表原始數(shù)據(jù)的全部信息，從而取y1、y2兩個(gè)公共因子就可以反映遼寧省各地區(qū)的基本特征。

因此將遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)中原有的8項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)用2個(gè)公共因子代表，并利用這2個(gè)公共因子通過聚類分析算法進(jìn)行節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)。

3.2 聚類分析

利用聚類分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類。IBM SPSS Statistics數(shù)據(jù)處理軟件中，聚類分析共有7種方法，分別是類間平均法、類內(nèi)平均法、最短距離法、最長(zhǎng)距離法、重心法、中間距離法和離差平方法。分別利用這7種方法進(jìn)行聚類，其中類內(nèi)平均法、最長(zhǎng)距離法、重心法、中間距離法和離差平方法5種法結(jié)果相似[7]。因此，根據(jù)聚類分析結(jié)果，結(jié)合分區(qū)原則與遼寧省實(shí)際情況及各區(qū)域的指標(biāo)特點(diǎn)將遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)分為6大區(qū)域，見表4。

表4 遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)成果Tab.4 Division results of water-saving agriculture in Liaoning Province

遼寧西部低山丘陵缺水區(qū)Ⅰ：該區(qū)域的特點(diǎn)是地勢(shì)起伏，風(fēng)沙較大，水土流失嚴(yán)重。干旱指數(shù)1.2以上，該區(qū)域多年平均降雨量為450～550 mm，多年平均蒸發(fā)量在1 000 mm左右，缺水指數(shù)在0.35以下，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)，并且降雨時(shí)間分布不均，春旱現(xiàn)象比較嚴(yán)重。旱作物種植比占80%以上。該區(qū)域總種植面積占遼寧省總種植面積的1/3，但是“十年九旱”的自然現(xiàn)象，也讓該區(qū)域成為遼寧省“節(jié)水增糧行動(dòng)”的主要實(shí)施地點(diǎn)。在該區(qū)域?qū)嵤┕?jié)水灌溉工程不僅會(huì)促進(jìn)當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)業(yè)增產(chǎn)增收，還可以加快提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度，因此遼西低山丘陵缺水區(qū)應(yīng)當(dāng)是未來幾年遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。

遼寧北部波狀平原風(fēng)沙區(qū)Ⅱ：該區(qū)域地勢(shì)波狀起伏。干旱指數(shù)在0.7～0.8之間，多年平均降雨量在590～630 mm之間，缺水指數(shù)0.5左右，屬于遼北半干旱地區(qū)。玉米、花生等旱作物種植面積占總種植面積74%，以井灌為主。可見該地區(qū)可以適當(dāng)?shù)耐茝V節(jié)水灌溉技術(shù)。

遼寧中部遼河平原區(qū)Ⅲ：該區(qū)域位于遼河沖積平原，地勢(shì)平坦，土地肥沃。干旱指數(shù)0.75左右，多年平均降雨量在620～720 mm之間，缺水指數(shù)在0.75～0.9之間，水資源較平衡，但偶爾會(huì)發(fā)生春旱等自然災(zāi)害。種植作物以玉米、水稻、棚菜為主。耕地集中，是遼寧省商品糧產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域位處遼寧省中部，土壤、氣候等環(huán)境較遼寧其他區(qū)域優(yōu)勢(shì)明顯，節(jié)水農(nóng)業(yè)在該地區(qū)的發(fā)展應(yīng)該側(cè)重于打造現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，力爭(zhēng)打造遼寧省的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田樣板。

遼河三角洲低地平原澇區(qū)Ⅳ：該區(qū)域地處渤海灣，地勢(shì)低平，易發(fā)生洪澇災(zāi)害，所以該區(qū)域主要種植水稻。灌溉水源主要為渤海客水，所以引水灌溉和提水灌溉面積占有效灌溉面積的90%。缺水指數(shù)在1.0～1.1之間。該區(qū)域應(yīng)該發(fā)展工程節(jié)水，例如修建泵站、閘門、渠道襯砌等，增加引水、提水效率，減少輸水過程中的滲漏，增加灌溉水利用系數(shù)。

遼寧東部山地豐水區(qū)Ⅴ：該區(qū)地處遼寧東部山區(qū)，山地面積占總面積的97%以上。干旱指數(shù)在0.4～0.5之間，缺水指數(shù)均位于1.15左右，水資源豐富。耕地面積小且不集中連片，地處山區(qū)，并且有豐富的礦產(chǎn)資源，所以該區(qū)域以工業(yè)為主，農(nóng)業(yè)不是主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。農(nóng)業(yè)節(jié)水主要為了減少其他行業(yè)用水壓力。

遼寧南部半島丘陵區(qū)Ⅵ：毗鄰渤海與黃海，山丘面積占總面積95%以上。干旱指數(shù)0.75左右，多年平均降雨量620～670 mm，屬于半濕潤(rùn)海洋性氣候，水資源豐富，但是灌溉可用水量較少，水庫塘壩較多灌溉多以蓄水灌溉為主。農(nóng)作物以玉米和經(jīng)濟(jì)類作物為主，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)以工業(yè)和水產(chǎn)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)為輔[8,9]。

4 結(jié) 語

本次節(jié)水農(nóng)業(yè)分區(qū)研究首先通過因子分析將原有的8個(gè)指標(biāo)降維，用2個(gè)因子來表示，這樣不但使后期分區(qū)的工作量減少，而且也讓各個(gè)指標(biāo)之間彼此獨(dú)立，提高了分區(qū)精度。

根據(jù)聚類分析結(jié)果，并考慮地域完整性，將遼寧省劃分成6個(gè)分區(qū)。結(jié)合遼寧省節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展分析各分區(qū)特點(diǎn)，Ⅰ區(qū)由于氣候、地質(zhì)等原因，水資源嚴(yán)重匱乏，屬于資源性缺水，應(yīng)當(dāng)大面積實(shí)施節(jié)水灌溉，“節(jié)水增糧”是該分區(qū)未來的節(jié)水方向；Ⅱ區(qū)屬于半干旱地區(qū)，多年平均水資源量較少，風(fēng)沙較大，“節(jié)水增糧”同樣是農(nóng)業(yè)的工作重點(diǎn)，但Ⅱ區(qū)的氣候、土壤條件均優(yōu)于Ⅰ區(qū)，所以該分區(qū)的節(jié)水灌溉工程應(yīng)按需實(shí)施；Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)水資源相對(duì)比較平衡，氣候、土壤都適合農(nóng)作物生長(zhǎng)，因此節(jié)水農(nóng)業(yè)應(yīng)該著力于“節(jié)水增效”，提高水資源利用效率，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)；Ⅴ區(qū)水資源豐富，但由于地處山區(qū)，耕地不集中，農(nóng)業(yè)不是主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。因此該分區(qū)的節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向是“節(jié)水減壓”，減少農(nóng)業(yè)用水對(duì)其他行業(yè)的壓力。Ⅵ區(qū)三面環(huán)海，水質(zhì)環(huán)境尤其重要，因此減輕農(nóng)業(yè)面源污染是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然要求，“節(jié)水減排”成為了遼南地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

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