操信春，楊陳玉，何 鑫，施慧丹，束 銳，鄭雅蓮，王振昌，郭相平

(河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

灌區(qū)覆蓋中國(guó)50%以上的耕地面積，利用了絕大部分農(nóng)業(yè)用水的同時(shí)生產(chǎn)了近3/4的糧食[1]，是水資源高效利用和糧食安全生產(chǎn)核心。由于灌溉可以明顯增加作物產(chǎn)量，在耕地面積受限的情況下發(fā)展灌溉將是促進(jìn)糧食增長(zhǎng)重要措施。然而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城鎮(zhèn)化推進(jìn)，其他部門對(duì)水資源需求加大使得農(nóng)業(yè)用水投入不可能大幅增加?？茖W(xué)評(píng)價(jià)灌溉水資源利用效率并分析其空間差異對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。自Israelsen[2]提出灌溉效率定義以來，灌溉水資源利用效率一直是研究的熱點(diǎn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為灌溉效率和水分生產(chǎn)率兩大類[3]。前者描述水資源有效利用程度而后者揭示水資源投入能獲得的糧食產(chǎn)出能力。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水分運(yùn)移過程的復(fù)雜性，不同視角和尺度下灌溉效率和水分生產(chǎn)率指標(biāo)可能存在差異[4]。當(dāng)前灌溉水資源利用效率評(píng)價(jià)的研究?jī)?nèi)容主要集中包括不同用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建及意義[5-7]、灌溉效率指標(biāo)的空間格局及影響因素[8,9]、不同水分生產(chǎn)率指標(biāo)的核算及其尺度效應(yīng)[10,11]、不同研究對(duì)象水資源利用效率指標(biāo)的核算方法等[12-14]。中國(guó)典型灌區(qū)灌溉水資源有效利用率和水分生產(chǎn)率及其空間分布格局也是學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[15-17]。針對(duì)中國(guó)灌區(qū)用水和糧食生產(chǎn)狀況，在建立灌溉效率和水分生產(chǎn)基礎(chǔ)上聯(lián)合二者分析中國(guó)灌溉水資源利用效率的空間分布格局。以期在擴(kuò)展農(nóng)業(yè)水資源利用效率評(píng)價(jià)理論與方法同時(shí)為區(qū)域灌溉用水管理提供參考。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 水資源利用效率指標(biāo)

農(nóng)業(yè)水資源利用量來源于灌溉和天然降水，為了剔除降水的作用而只分析灌溉水資源利用效率，通過如下公式來計(jì)算灌溉效率IE與水分生產(chǎn)率WP指標(biāo)：

IE=ETb/WUb

(1)

WP=(YI-YR)/ETb

(2)

式中：ETb為灌溉水田間蒸散量，m3/hm2；WUb為單位面積灌溉用水量，也是因灌溉而增加的水資源投入量，m3/hm2；YI為灌區(qū)(灌溉農(nóng)田)糧食單位面積產(chǎn)量，kg/hm2，YI-YR即為因?yàn)楣喔榷黾拥募Z食產(chǎn)出量；YR為雨養(yǎng)農(nóng)田糧食作物單位面積產(chǎn)量，kg/hm2。

由指標(biāo)計(jì)算過程可知，IE衡量灌溉水資源的有效利用程度，是灌溉工程建設(shè)和管理水平評(píng)價(jià)的依據(jù)；而WP揭示了灌溉水資源投入對(duì)糧食產(chǎn)出的真實(shí)效益。針對(duì)灌溉用水，兩個(gè)指標(biāo)從不同方面衡量了特定灌溉過程中的水資源利用效率。

1.2 空間自相關(guān)分析方法

空間自相關(guān)是對(duì)地理屬性的空間分布特征進(jìn)行定量描述的地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，其包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)[12]。全局空間自相關(guān)對(duì)地理屬性在整個(gè)區(qū)域空間的總體分布特征進(jìn)行的描述，判斷此屬性值在空間上是否存在聚集特性。通過對(duì)全局空間自相關(guān)統(tǒng)計(jì)量全局Moran's I的估計(jì)來分析地理屬性的總體空間關(guān)聯(lián)程度：若Moran's I顯著為正，則表示該屬性值相當(dāng)?shù)氖^(qū)在空間聚集；若Moran's I顯著為負(fù)，則表示總體上各省區(qū)與其周邊地區(qū)屬性值差異較大[12]。局部空間自相關(guān)用以測(cè)度局部區(qū)域單元地理屬性值的空間異質(zhì)性，推算出聚集地的空間位置、范圍及其變化情況，并以LISA聚集圖的形式形象表征[12]。與全國(guó)平均水平相比，可以判斷出一個(gè)省區(qū)屬性值在總體中所處的水平。某一特定省區(qū)局部空間自相關(guān)結(jié)果可能為4種情況：HH表示某一省區(qū)和周圍省區(qū)的地理屬性值都較高；LH表示該省區(qū)值較低而其周圍省區(qū)較高；HL表示該省區(qū)值高而周圍省區(qū)較低；LL表示該省區(qū)和周圍省區(qū)值都較低。

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

全國(guó)范圍內(nèi)選取的459個(gè)典型灌區(qū)和各省區(qū)的統(tǒng)計(jì)資料為灌溉、水資源、糧食相關(guān)數(shù)據(jù)獲取來源。灌區(qū)灌溉效率、糧食灌溉單產(chǎn)以及單位面積灌溉用水量來自中國(guó)大型灌區(qū)網(wǎng)站及部分的灌區(qū)管理局；省級(jí)行政區(qū)的灌溉效率、糧食灌溉單產(chǎn)以及單位面積灌溉用水量由該省內(nèi)各灌區(qū)的計(jì)算結(jié)果通過對(duì)灌區(qū)有效灌溉面積加權(quán)得到。各省區(qū)耕地面積、糧食播種、糧食總產(chǎn)量、有效灌溉面積收集于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和部分地區(qū)的統(tǒng)計(jì)年鑒。雨養(yǎng)面積單產(chǎn)由各地區(qū)糧食總產(chǎn)量、灌溉單產(chǎn)以及灌溉面積比例求得[1]。

2 結(jié)果及分析

2.1 中國(guó)灌溉水資源利用效率

3個(gè)代表年灌溉效率的全國(guó)平均值分別約為0.420、0.444及0.492，而水分生產(chǎn)率的值為0.944、1.131和1.249 kg/m3，均呈隨時(shí)間增長(zhǎng)趨勢(shì)。計(jì)算出省級(jí)行政區(qū)不同年份的灌溉效率和水分生產(chǎn)率值，如圖1所示。同時(shí)，表1給出了不同年份及各水分生產(chǎn)率指標(biāo)省區(qū)間的最大、最小、平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)量，以描述和比較二者空間分散程度及其隨時(shí)間變化情況。

圖1 不同年份省級(jí)行政區(qū)水資源利用效率指標(biāo)Fig.1 Provincial irrigation efficiency and water productivity in China

圖2(a)顯示，除個(gè)別省區(qū)的個(gè)別年份外，省區(qū)尺度灌溉效率呈現(xiàn)較為一致的增加態(tài)勢(shì)，這也與中國(guó)近年農(nóng)業(yè)用水基本保持恒定而灌溉面積穩(wěn)定擴(kuò)大的現(xiàn)實(shí)相吻合。經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的直轄市和東北、長(zhǎng)江中下游省區(qū)的增長(zhǎng)幅度較大，而西北、西南和華南部分省區(qū)增幅較小。從年均情況來看：北京灌溉效率最高，達(dá)0.608，也是唯一超過0.600的省級(jí)行政區(qū)；灌溉效率介于0.500～0.600之間的省區(qū)包括西藏、甘肅、天津、遼寧、吉林、陜西、江蘇、云南和上海；此外，還有6個(gè)省區(qū)的灌溉效率大于全國(guó)值的0.452(表1)，分別是山東(0.497)、黑龍江(0.477)、新疆(0.461)、四川(0.458)、浙江(0.457)和安徽(0.455)。15個(gè)灌溉效率低于全國(guó)值的省區(qū)中，寧夏、江西、廣西及內(nèi)蒙古四省區(qū)僅分別為0.397、0.391、0.383和0.348，均不足0.400，為中國(guó)灌溉水資源有效利用比率最低的省區(qū)。

水分生產(chǎn)率方面，雖然大部分省區(qū)也表現(xiàn)為隨時(shí)間增長(zhǎng)，但是省區(qū)間變化規(guī)律的一致性不強(qiáng)，較多省區(qū)在不同年份出現(xiàn)較大波動(dòng)。這是因?yàn)樗稚a(chǎn)率同時(shí)與糧食產(chǎn)量和灌溉水資源的田間消耗量有關(guān)，前者雖然在年際年比較穩(wěn)定，但是田間灌溉水蒸散量受降水頻率和水資源等多種因素影響，而這些因素在不同年份有可能出現(xiàn)較大波動(dòng)。

表1 灌溉水資源利用效率指標(biāo)的主要統(tǒng)計(jì)量Tab.1 Main statistics of irrigation efficiency and water productivity in typical years

水分生產(chǎn)率的全國(guó)值由1998年的0.944 kg/m3穩(wěn)步增長(zhǎng)到2010年的1.249 kg/m3，得主要得益于中國(guó)灌區(qū)糧食單產(chǎn)水平的提升。水分生產(chǎn)率代表年的平均值為1.108 kg/m3，省區(qū)值在0.523～2.080 kg/m3之間變化，最大值和最小值分別出現(xiàn)在河北和海南；除河北外，河南省的水分生產(chǎn)率也在2.000 kg/m3之上，為2.033 kg/m3；陜西、山西和山東的該指標(biāo)值均較大，介于1.800～2.000 kg/m3之間，其余省區(qū)均不足1.600 kg/m3；另外9個(gè)省區(qū)在全國(guó)之上，包括湖北、內(nèi)蒙古、四川、寧夏、安徽、西藏、北京、江西以及重慶；17個(gè)省區(qū)的水分生產(chǎn)率在全國(guó)均值以下，且僅有甘肅在1.000 kg/m3之上；上海、廣東、吉林及海南四省區(qū)灌溉水的凈產(chǎn)出能力較小，均不足0.600 kg/m3，其中最低的海南僅為0.523 kg/m3。在從表1還可以看出，灌溉效率與水分生產(chǎn)率的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)均隨時(shí)間增大，這說明全國(guó)范圍內(nèi)灌溉水資源利用效率隨時(shí)間提升的同時(shí)區(qū)域間差距也在逐步拉大。同時(shí)，對(duì)比二者的變異系數(shù)可知，灌溉效率與為0.129，明顯低于水分生產(chǎn)率的0.432；可見，不同灌溉水資源利用效率指標(biāo)的省區(qū)間差距相差較大，后者明顯大于前者。

2.2 灌溉水資源利用效率指標(biāo)空間分布格局

表2給出了不同年份灌區(qū)灌溉效率和水分生產(chǎn)全局Moran's I估計(jì)值及檢驗(yàn)。表中顯示，代表年二者的全局Moran's I的估計(jì)值均大于零，同時(shí)對(duì)應(yīng)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)量(Z-Score)也均大于正態(tài)分布函數(shù)在概率為0.05時(shí)臨界值的1.96，即均通過了顯著性檢驗(yàn)。說明代表年中國(guó)灌區(qū)的灌溉效率和水分生產(chǎn)率在省區(qū)間存在正自相關(guān)關(guān)系，整體表現(xiàn)出相似大小灌溉水資源利用效率指標(biāo)在空間顯著聚集現(xiàn)象。灌區(qū)灌溉水資源利用效率指標(biāo)不僅與氣候、作物種類、土壤等自然條件影響，也與灌溉發(fā)展水平、作物產(chǎn)量、資料投入等經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件有關(guān)，這些因素在地理上均能表現(xiàn)出類似現(xiàn)象的靠近特征，這是類似水平灌溉水資源利用效率指標(biāo)的省區(qū)在地理上聚集的重要原因。

表2 灌溉用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的全局Moran's I及檢驗(yàn)Tab.2 Global Moran's I test for IE and WP of 1998, 2005 and 2010

由表2還可以看出，不同年份灌溉效率的全局Moran's I與Z-Score均明顯小于水分生產(chǎn)率(P-value自然相反)，說明后者的空間聚集程度強(qiáng)于前者。水分生產(chǎn)率除了與灌溉設(shè)施保障程度有關(guān)外，也受到人為生產(chǎn)活動(dòng)的影響，也就是說，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)加強(qiáng)了灌溉水資源利用效率指標(biāo)空間聚集特性。計(jì)算出各省區(qū)的局部Moran'sI估計(jì)值，對(duì)局部空間自相關(guān)屬性進(jìn)行判斷，并采用LISA指數(shù)來揭示灌溉水資源利用效率指標(biāo)局部空間分布特征。由于各省區(qū)在不同年份的局部空間自相關(guān)屬性無(wú)明顯變化，故采用二者LISA屬性年均情況來對(duì)比局部空間格局的差異。各省灌區(qū)灌溉效率與水分生產(chǎn)率指標(biāo)的LISA聚集圖如圖2所示。

圖2 灌溉效率與水分生產(chǎn)率指標(biāo)的LISA聚集圖Fig.2 LISA cluster map of IE and WP in China during 1998-2010

圖2顯示，各省區(qū)灌溉效率與水分生產(chǎn)率局部空間自相關(guān)屬性有類似之處，但也存在明顯的差別。二者均在西部出現(xiàn)較多的LL省區(qū)而在東部存在大量的HH省區(qū)。長(zhǎng)江以北至黃河下游省區(qū)是二者HH省區(qū)聚集明顯的地區(qū)；而由西北至青藏高原則集中分布了局部空間屬性表現(xiàn)為L(zhǎng)L的省區(qū)。灌溉效率的LISA屬性的3個(gè)類型HH、LH及LL省區(qū)呈現(xiàn)出較為明顯的東-中-西部分塊(帶)分布的態(tài)勢(shì)。這與中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的空間格局基本吻合，說明農(nóng)業(yè)水利的投入能力與建設(shè)效果存在一致性。而水分生產(chǎn)率的局部空間分布屬性呈現(xiàn)HH與LL省區(qū)東、西部分隔明顯的特征。這可能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程和管理水平同時(shí)決定水分生產(chǎn)率的局部空間分布格局有關(guān)。具體來看，各省區(qū)灌溉效率的LISA屬性基本為HH(10個(gè))、LH(10個(gè))和LL(8個(gè))，LH省區(qū)個(gè)數(shù)較多說明空間分布與相互影響的關(guān)系較為復(fù)雜。對(duì)于水分生產(chǎn)率而言，HH與LL省區(qū)占據(jù)了絕大部分，HL與LH省區(qū)分別為4個(gè)和5個(gè)，且主要位于華北平原與長(zhǎng)江中下游的江西、湖南等地。華北直轄市是東北糧食主產(chǎn)區(qū)與黃淮海平原糧食主產(chǎn)區(qū)的過渡地帶，由于糧食生產(chǎn)規(guī)模小，水分生產(chǎn)率的局部空間屬性受東北與黃淮海平原的綜合影響，使得其表現(xiàn)為非正相關(guān)；而江西、湖南、貴州一帶與同時(shí)受黃淮海糧食主產(chǎn)區(qū)與東南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省區(qū)輻射，出現(xiàn)比較復(fù)雜的局部空間分布特征也在情理之中。

2.3 灌溉效率與水分生產(chǎn)率之間關(guān)系分析

灌溉效率與水分生產(chǎn)率從不角度衡量了灌溉水資源的利用效率，二者數(shù)據(jù)獲取來源于所表達(dá)的意義均有所差別。了解二者在空間分布上的一致性對(duì)于刻畫灌溉水資源利用效率空間上的相對(duì)大小關(guān)系有直接的幫助。畫出不同年份灌溉效率與水分生產(chǎn)率之間的散點(diǎn)圖，以觀察二者之間可能的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同時(shí)間灌溉效率與水分生產(chǎn)率之間散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagrams between irrigation efficiency and water productivity

圖4 各省區(qū)灌溉用水效率與耕地灌溉率Fig.4 Provincial water use efficiency and the irrigation rate in 1998-2010

從圖3可以看出，不同年份(包括年平均情況)二者之間關(guān)系非常散亂，基本上不呈現(xiàn)可直觀描述出的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。作為不同角度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，二者在衡量灌溉水資源利用效率空間差異的功能上相互不可替代。在比較省區(qū)間灌溉水資源的利用效率時(shí)，同時(shí)考慮二者的表現(xiàn)是有必要的。由于灌溉效率和水分生產(chǎn)率均是有明確物理含義的指標(biāo)，因此在此試圖探尋融合二者以得到同時(shí)能夠包含水資源有效利用程度和作物產(chǎn)出增加程度的指標(biāo)。灌溉效率或水分生產(chǎn)率值越大均意味著灌溉水資源利用效率越高，因而在此考慮將二者的乘積用來綜合描述灌溉水資源利用效率指標(biāo)，并命名為灌溉用水效率(IWE)。由式(1)和(2)可知，灌溉用水效率實(shí)際上反映的是單位灌溉用水量所能得到糧食凈產(chǎn)出量(kg/m3)，根據(jù)計(jì)算過程和量綱可知其仍屬于水分生產(chǎn)率的范疇[6]。研究年份灌溉用水效率值分別為0.396、0.502及0.615 kg/m3，呈較為明顯的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。各省級(jí)行政區(qū)的灌溉用水效率的年均值如圖4所示。省區(qū)間灌溉用水效率差異較大，較高的省區(qū)主要位于華北、長(zhǎng)江中下游及西北地區(qū)，而灌溉用水效率較低的省區(qū)集中在東北和華南地區(qū)。年平均情況看，僅有12個(gè)省區(qū)的灌溉用水效率值在全國(guó)均值的0.501 kg/m3，其中陜西、山東、河北及河南四省值超過了0.800 kg/m3，為中國(guó)灌溉水資源綜合利用效率最高的地區(qū)；北京、山西、西藏和湖北、四川、安徽分別位于0.700和0.600 kg/m3檔次，此外甘肅和寧夏也大于全國(guó)值；灌溉用水效率低于全國(guó)值的省區(qū)中，重慶、內(nèi)蒙古、江西、天津、云南、湖南、江蘇及青海較大，其余均不足0.400 kg/m3；位于華南地區(qū)的廣西、廣東和海南的灌溉用水效率處于國(guó)家最末位置，僅分別為0.251、0.229及0.228 kg/m3。

灌溉用水效率涵蓋了灌溉效率和灌溉水資源真實(shí)水分生產(chǎn)率，鑒于灌溉可以明顯增加糧食產(chǎn)量，因此能夠用來判別一個(gè)地區(qū)是否適合發(fā)展灌溉以在保障國(guó)家糧食安全中起積極作用。在不考慮其他因素前提下，可以認(rèn)為灌溉用水效率高的地區(qū)相對(duì)適合發(fā)展灌溉，反正，在灌溉用水效率低的地區(qū)發(fā)展灌溉不利于水資源的高效利用。耕地灌溉率，即有效灌溉面積占耕地總面積的比例，可以反映一個(gè)區(qū)域灌溉的發(fā)展程度，因此在圖中還畫出了各省區(qū)的耕地灌溉率，以觀察其與灌溉用水效率的耦合程度。圖4顯示，不少省區(qū)存在灌溉用水效率和耕地灌溉率出現(xiàn)錯(cuò)位的現(xiàn)象。如天津、上海、江蘇、浙江、福建、湖南以及新疆等省區(qū)的耕地灌溉率較大，均在60%以上，然而灌溉用水效率處于較低位置。提高灌溉用水效率可以大幅減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源投入。而這些省區(qū)大部分是經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，減少農(nóng)業(yè)用水投入也可為保障其他產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展提供水資源支持。另一方面，部分西北干旱區(qū)如陜西、山西、甘肅等，灌溉用水效率較高，但由于受水資源限制，耕地灌溉設(shè)施的覆蓋程度較低，僅為30%左右，這些省區(qū)可以考慮利用區(qū)域外部水資源用于灌溉面積擴(kuò)展，以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行和灌溉用水效率的正常發(fā)揮。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)針對(duì)灌溉水資源利用，灌溉效率與水分生產(chǎn)率能夠分別反映其有效利用比例和真實(shí)糧食產(chǎn)出能力。全國(guó)及各省級(jí)行政區(qū)的灌區(qū)灌溉效率與水分生產(chǎn)率均呈現(xiàn)隨時(shí)間增長(zhǎng)的趨勢(shì)，分別由1998年的0.420與0.944 kg/m3增加到2010年的0.492與1.249 kg/m3，意味著農(nóng)業(yè)用水狀況正在逐步全面改善。然而，與此同時(shí)二者的區(qū)域間差距也在被拉大，灌溉用水效率的區(qū)域間不平衡性正在加劇。

(2)由于與灌溉所發(fā)生區(qū)域的氣象、水文、土地類型、作物種植種類、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平等因素有關(guān)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究發(fā)現(xiàn)，水分生產(chǎn)率在空間上呈顯著的聚集現(xiàn)象，高值區(qū)主要分布于黃淮海平原，低值省區(qū)則集中于東北地區(qū)和華南地區(qū)，且在時(shí)間上總體分布格局和局部差異狀況隨時(shí)間變化不大。而灌溉效率受當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)條件作用明顯，其在空間上無(wú)明顯的分布規(guī)律。

(3)灌溉效率與水分生產(chǎn)率二者在表現(xiàn)灌溉水資源利用狀況的空間相對(duì)優(yōu)劣上相互不可替代，但可以統(tǒng)一為灌溉用水效率指標(biāo)，并以此作為區(qū)域是鼓勵(lì)得發(fā)展的依據(jù)。灌溉用水效率在華北糧食主產(chǎn)區(qū)較高而東北和南方大部分地區(qū)較低。發(fā)達(dá)省市的灌溉用水效率高而耕地灌溉比例較低，而西北部分干旱省份相反，各地方可根據(jù)灌溉用水效率和耕地灌溉率的表現(xiàn)指導(dǎo)相應(yīng)的灌溉和水資源利用策略。

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