封 麗，趙又霖

(河海大學(xué)商學(xué)院，南京 211100)

0 引 言

水利是農(nóng)業(yè)的命脈，受天然水資源稟賦條件所限，我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)灌溉面積中有一半以上依靠地下水[1]。多年來，伴隨農(nóng)業(yè)灌溉用水不斷增加，我國(guó)北方糧食主產(chǎn)區(qū)地下水過度開發(fā)問題日益突出，尤以華北地區(qū)最為嚴(yán)重，區(qū)域內(nèi)地下水超采區(qū)面積18 萬km2，地下水累計(jì)虧空量1 800 億m3。華北地區(qū)是我國(guó)的糧食核心產(chǎn)區(qū)，糧食產(chǎn)量占全國(guó)的近1/4，與此同時(shí)，由于當(dāng)?shù)氐乇硭慈狈?，華北農(nóng)業(yè)灌溉用水主要依靠地下水源，區(qū)域農(nóng)業(yè)地下水開采量約占總開采量的70%。華北地區(qū)地下水超采嚴(yán)重威脅國(guó)家水安全和糧食安全，從長(zhǎng)期來看，依靠超采地下水保障糧食生產(chǎn)不具有可持續(xù)性[2,3]。伴隨南水北調(diào)工程的實(shí)施，華北地區(qū)地下水資源迎來修復(fù)機(jī)遇。目前，當(dāng)?shù)卣谕ㄟ^地下水源置換、農(nóng)業(yè)節(jié)水改造、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、輪耕休耕等方式推進(jìn)實(shí)施糧食主產(chǎn)區(qū)地下水超采治理。在此背景下，開展華北地區(qū)地下水開采與糧食生產(chǎn)的脫鉤關(guān)系研究，深入揭示脫鉤效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)因素及其時(shí)空變化特征，對(duì)于客觀反映華北地區(qū)地下水超采治理成效，輔助華北糧食主產(chǎn)區(qū)地下水超采治理精準(zhǔn)施策，繼而促進(jìn)地下水資源修復(fù)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近些年來，脫鉤效應(yīng)分析逐漸成為資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向。OECD在2002年首先提出了“脫鉤”概念，用于研究環(huán)境損害與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的相關(guān)性[4]。國(guó)內(nèi)，于法穩(wěn)[5]較早應(yīng)用OECD提出的脫鉤模型研究我國(guó)糧食生產(chǎn)與灌溉用水的關(guān)系。在此之后，Tapio脫鉤模型[6]、Vehmas脫鉤模型[7]等均被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活用水[8-11]、耗能耗水[12,13]、廢污水排放[14]等資源環(huán)境要素與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤研究。近期，許長(zhǎng)新[15]、王喜峰[16]分別對(duì)脫鉤模型進(jìn)行了改進(jìn)拓展，提出了改進(jìn)脫鉤模型和蒸汽機(jī)模型，豐富了脫鉤研究模型方法。在脫鉤評(píng)價(jià)單元尺度上日趨多元化，從早期的全國(guó)尺度[17-19]逐漸拓展到長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶[20,21]、京津冀[22]、中原城市群[23]、長(zhǎng)江三角洲[24]、渭河流域[25]等區(qū)域流域尺度。

隨著脫鉤研究的深入，當(dāng)前研究趨勢(shì)呈現(xiàn)出兩方面特征。一是從因子分解視角探究脫鉤效應(yīng)背后的驅(qū)動(dòng)因素，Kaya恒等式和LMDI分解模型是常用的驅(qū)動(dòng)因子分解方法[26,27]。許長(zhǎng)新等[15]運(yùn)用LMDI方法將脫鉤指數(shù)分解為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)脫鉤彈性等五個(gè)分量，謝文寶等[28]對(duì)新疆農(nóng)業(yè)水資源利用的時(shí)序變化進(jìn)行了效應(yīng)分解，章恒全等[24]分解了長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的用水量變化驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，聶志萍等[29]通過LMDI將生活用水分解為結(jié)構(gòu)效應(yīng)、技術(shù)效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和人口效應(yīng)。馬海良等[14]及姜明棟等[22]另辟蹊徑，采用乘法因子對(duì)脫鉤指數(shù)進(jìn)行了整體分解。二是從空間自相關(guān)分析視角探究脫鉤效應(yīng)的空間差異特征。許長(zhǎng)新等[30]采用莫蘭指數(shù)研究了我國(guó)水土匹配空間效應(yīng)，洪思楊等[13]通過空間自相關(guān)分析和脫鉤分析探究了我國(guó)能源生產(chǎn)與用水之間的空間關(guān)聯(lián)性，馬海良等[31]運(yùn)用空間自相關(guān)方法分析了中國(guó)工業(yè)水資源和能源消耗之間聯(lián)系，黃木易等[32]基于GIS空間數(shù)據(jù)分析方法，分析了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)用地與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的時(shí)空差異及脫鉤關(guān)系。

從現(xiàn)有研究來看，已有部分學(xué)者[5,25,33]探討了農(nóng)業(yè)水資源利用與農(nóng)業(yè)產(chǎn)值或糧食產(chǎn)量之間的脫鉤關(guān)系，但針對(duì)華北地區(qū)地下水開采與糧食生產(chǎn)的脫鉤研究鮮有報(bào)道，更未發(fā)現(xiàn)以地市級(jí)為評(píng)價(jià)單元的中小尺度細(xì)化研究。脫鉤效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)因素和脫鉤狀態(tài)的空間分布特征是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，但目前的研究通常將兩者分離獨(dú)立研究，綜合運(yùn)用LMDI分解模型和GIS空間分析模型，開展脫鉤分解驅(qū)動(dòng)因素的空間差異性研究還不多見。鑒于此，本文以華北地區(qū)為研究對(duì)象，分別從省區(qū)和地市兩個(gè)層面探討地下水開采與糧食生產(chǎn)的脫鉤效應(yīng)及其分解驅(qū)動(dòng)因素的時(shí)空差異特征，最后根據(jù)脫鉤狀態(tài)及驅(qū)動(dòng)因素的空間差異提出相應(yīng)的對(duì)策建議。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

1.1.1 Tapio脫鉤模型

本文采用資源消耗與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)脫鉤關(guān)系研究中廣泛使用的Tapio脫鉤模型。該模型綜合了總量變化和相對(duì)量變化兩類指標(biāo)，采用以時(shí)期為時(shí)間尺度的彈性分析方法反映變量之間的脫鉤狀態(tài)。Tapio脫鉤模型的計(jì)算公式為：

(1)

式中：t為脫鉤指數(shù)；A為資源消耗變量；B為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)變量。參照公式(1)可以得到糧食產(chǎn)量變化對(duì)地下水開采量變化的脫鉤指數(shù)：

(2)

式中：GW為地下水開采量；GY為糧食產(chǎn)量。

本文采用糧食生產(chǎn)實(shí)物量直接表示經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)指標(biāo)，避免糧食產(chǎn)值指標(biāo)的價(jià)格折算。根據(jù)脫鉤指數(shù)將糧食產(chǎn)量與地下水開采量之間的脫鉤狀態(tài)劃分為連接、脫鉤、負(fù)脫鉤三種基本類型，再細(xì)分為8種狀態(tài)，詳見表1。

1.1.2 LMDI分解模型

本文采用對(duì)數(shù)指標(biāo)分解法(Logarithmic Mean Divisia Index，LMDI)將華北地區(qū)地下開采量變化進(jìn)行加法分解。LMDI分解模型具有完全分解余量和解決零值問題的優(yōu)點(diǎn)，被學(xué)術(shù)界廣泛使用。首先依據(jù)Kaya恒等式將華北地下水開采量(GW)分解如下：

(3)

式中：GW為地下水開采量；W為總供水量或總用水量；AW為糧食生產(chǎn)灌溉用水量；GA為糧食播種面積。

根據(jù)LMDI分解模型，t期相對(duì)于t-1期地下水開采量的變化量ΔGW可以表示為：

ΔGW=ΔGW1+ΔGW2+ΔGW3+ΔGW4

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ΔGW1表示供水結(jié)構(gòu)變化引起的地下開采量變化，定義為供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)；ΔGW2表示用水結(jié)構(gòu)變化引起的地下水開采量變化，定義為用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)；ΔGW3表示單位播種面積灌溉用水量變化引起的地下水開采量變化，定義為用水效率效應(yīng)；ΔGW4表示糧食播種面積變化引起的地下水開采量變化，定義為規(guī)模效應(yīng)。

式(4)表示華北地區(qū)地下水開采量變化可以分解為供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)、用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)、用水效率效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)四者綜合貢獻(xiàn)的結(jié)果。

1.1.3 空間自相關(guān)分析方法

全局莫蘭指數(shù)(Moran’sI)是用以描述區(qū)域空間特征要素自相關(guān)的常用指標(biāo)，計(jì)算公式為：

(9)

全局莫蘭指數(shù)取值在-1與1之間，正值表明具有相似屬性值的空間單元聚集在一起，負(fù)值表示具有相異屬性值的空間單元聚集在一起，零值表示研究對(duì)象不存在空間自相關(guān)性，其空間分布呈隨機(jī)狀態(tài)。在莫蘭指數(shù)的顯著性檢驗(yàn)中，常假設(shè)變量的空間分布服從正態(tài)分布，通過服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的z統(tǒng)計(jì)量來判斷地區(qū)間的空間相關(guān)性。

局部莫蘭指數(shù)Ii主要用于驗(yàn)證研究對(duì)象是否存在相似值或相異值的局部集聚現(xiàn)象，計(jì)算公式如下：

(10)

若計(jì)算所得Ii為正，表示區(qū)域i與其臨近區(qū)域均為高值區(qū)，屬于高高(H-H)聚集，或者表示區(qū)域i與其臨近區(qū)域均為低值區(qū)，屬于低低(L-L)聚集，即區(qū)域i存在相似值的空間聚集。若計(jì)算所得Ii為負(fù)，表示區(qū)域i與其臨近區(qū)域呈相反的值，區(qū)域i為高值則其臨近區(qū)域?yàn)榈椭担瑢儆?H-L)聚集，反之亦然，屬于(L-H)聚集，即區(qū)域i存在相異值的空間聚集。

地下水資源管理及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局具有較強(qiáng)的地域性，相關(guān)政策的推行通常產(chǎn)生空間上的連片聚集效應(yīng)，因此，可以運(yùn)用空間自相關(guān)分析方法對(duì)其進(jìn)行分類研究。本文運(yùn)用全局莫蘭指數(shù)對(duì)脫鉤指數(shù)和地下水開采量的4個(gè)驅(qū)動(dòng)效應(yīng)在整個(gè)華北地區(qū)的空間關(guān)聯(lián)特征進(jìn)行描述，運(yùn)用局部莫蘭指數(shù)對(duì)脫鉤指數(shù)和地下水開采量的4個(gè)驅(qū)動(dòng)效應(yīng)在華北各地市之間的空間聚集特征進(jìn)行描述。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究范圍包括華北地區(qū)北京市、天津市、河北省、山東省和河南省，其中，河北省、山東省和河南省又進(jìn)一步細(xì)分為地市。研究時(shí)期為2010年至2018年(天津市和河北省2018年數(shù)據(jù)缺失)。研究采用的地下水開采量、供水量、用水量、農(nóng)業(yè)用水量來自各省市的《水資源公報(bào)》，糧食播種面積、農(nóng)作物播種面積、糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自各省市統(tǒng)計(jì)年鑒。通常，農(nóng)業(yè)用水量中的非農(nóng)田灌溉用水量占比較小，以河北省2018年用水?dāng)?shù)據(jù)為例，非農(nóng)田灌溉用水量占農(nóng)業(yè)用水量的比例約為6%，而且在省級(jí)水資源公報(bào)中未公布各地市的詳細(xì)數(shù)據(jù)。本文采用的數(shù)據(jù)處理方法與欒健等學(xué)者[33]的方法一致，用農(nóng)業(yè)用水量近似代替農(nóng)田灌溉用水量，并將糧食生產(chǎn)中的灌溉用水量進(jìn)行了一定調(diào)整，表示為:

(11)

式中：AW為糧食生產(chǎn)灌溉用水量；GA為糧食播種面積；TA為農(nóng)作物總播種面積；WT為農(nóng)業(yè)用水量。

2 結(jié)果分析

2.1 省級(jí)區(qū)域脫鉤狀態(tài)及驅(qū)動(dòng)效應(yīng)分析

以年為計(jì)算時(shí)期，從省級(jí)行政區(qū)層面計(jì)算華北地區(qū)各省市的脫鉤指數(shù)，依據(jù)表1判定脫鉤類型，計(jì)算結(jié)果見表2。從計(jì)算結(jié)果看，強(qiáng)脫鉤是華北地區(qū)糧食產(chǎn)量與地下水開采的主要狀態(tài)，這表明華北農(nóng)業(yè)灌溉用水對(duì)地下水的依賴性正在減弱。分省區(qū)看，天津、河北、山東三省市的強(qiáng)脫鉤表現(xiàn)最為明顯。在研究期內(nèi)，天津市只有2012-2013年期間出現(xiàn)了增長(zhǎng)負(fù)脫鉤，河北省只有2013-2014年期間出現(xiàn)了衰退脫鉤，山東省只有2017-2018年期間出現(xiàn)了衰退脫鉤。天津、河北、山東三省市較好地處理了地下水壓采與糧食增產(chǎn)的關(guān)系，在保護(hù)修復(fù)地下水資源的同時(shí)，保障了糧食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)。河南省脫鉤狀態(tài)呈現(xiàn)強(qiáng)、弱脫鉤交替出現(xiàn)的特征，表明河南省在糧食持續(xù)增產(chǎn)的同時(shí)，地下水開采量并非持續(xù)減少，強(qiáng)脫鉤狀態(tài)仍不穩(wěn)定。北京市以弱負(fù)脫鉤為主。主要原因是，伴隨南水北調(diào)工程的通水，北京市地下水開采量持續(xù)減少，與此同時(shí)，由于城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，北京市糧食播種面積和產(chǎn)量縮減明顯。

進(jìn)一步采用LMDI方法對(duì)華北地區(qū)三省兩市地下水開采量變化的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行分解，探究引起開采量變化的原因，各省級(jí)區(qū)域分解結(jié)果如下。

表2 華北地區(qū)省級(jí)區(qū)域地下水開采量與糧食產(chǎn)量脫鉤類型計(jì)算結(jié)果Tab.2 Types of decoupling between groundwater exploitation and grain production in the province level areas of North China Plain

北京市在研究時(shí)期內(nèi)地下水開采量累計(jì)減少4.94 億m3，開采量變化的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)貢獻(xiàn)率分布見圖1?？傮w上看，供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)的總比重分別為-83.1%和-296.5%，是地下水開采量減小的主要驅(qū)動(dòng)因素，其中規(guī)模效應(yīng)最為明顯，除2011-2012和2014-2015兩個(gè)時(shí)期貢獻(xiàn)率在-20%左右外，其余時(shí)期都在-40%左右，在此期間，北京市糧食播種面積減少16.75 萬hm2，大幅導(dǎo)致了開采量的減小。供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)貢獻(xiàn)率在-10%左右，由于南水北調(diào)的通水，北京市以地下水為主的供水結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，外調(diào)水源成為當(dāng)?shù)刂匾墓┧?。用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)和效率效應(yīng)的總比重分別為304.6%和18.6%，是地下水開采量增加的主要驅(qū)動(dòng)因素，其中，用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)貢獻(xiàn)率在20%～50%之間，用水效率貢獻(xiàn)率波動(dòng)較大，2010-2011年期間，用水效率上升顯著，貢獻(xiàn)率為-25.8%,驅(qū)動(dòng)了地下水開采量的減小，然而，2012-2013年期間，用水效率轉(zhuǎn)為下降，貢獻(xiàn)率為30.1%，驅(qū)動(dòng)了地下水開采量的增加，2016年以來，用水效率逐年微升，在一定程度上驅(qū)動(dòng)了地下水開采量的減小。4個(gè)驅(qū)動(dòng)因素總體貢獻(xiàn)率由大到小為：用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)>規(guī)模效應(yīng)>供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)>效率效應(yīng)。

天津市在研究期內(nèi)地下水開采量累計(jì)減小0.96 億m3，開采量變化的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)貢獻(xiàn)率分布見圖2?？傮w上看，供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)是驅(qū)動(dòng)地下水開采量減小的唯一因素，總比重為-192.7%，在2014-2015年期間，貢獻(xiàn)率達(dá)到峰值-46.7%。與北京類似，南水北調(diào)水源逐漸成為天津市的重要供水來源，地下水在總供水中所占比例逐漸下降。用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)、效率效應(yīng)、規(guī)模效應(yīng)均是導(dǎo)致地下水開采增加的驅(qū)動(dòng)因素，其中，規(guī)模效應(yīng)最為明顯，總貢獻(xiàn)率達(dá)到60%，天津糧食種植面積增加是導(dǎo)致地下水開采量增長(zhǎng)的主要原因。4個(gè)驅(qū)動(dòng)因素總貢獻(xiàn)率由大到小為：供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)>規(guī)模效應(yīng)>用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)>效率效應(yīng)。

河北省在研究期內(nèi)地下水開采量累計(jì)減小40.06 億m3，開采量變化的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)貢獻(xiàn)率分布見圖3?？傮w上看，供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)和效率效應(yīng)是驅(qū)動(dòng)地下水開采量減小的主要驅(qū)動(dòng)因素，兩者的總比重分別為-240.8%和-202.5%。河北省是我國(guó)推行地下水超采區(qū)治理的第一個(gè)試點(diǎn)省份，伴隨治理工作進(jìn)程，一方面地下水供水比例持續(xù)下降，另一方面，農(nóng)業(yè)灌溉用水效率不斷提升，兩方面效應(yīng)共同驅(qū)動(dòng)了地下水開采的逐年減小。用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)是驅(qū)動(dòng)地下水開采增加的主要因素，兩者總比重分別為115%和52.9%。研究期間，河北省糧食播種面積從2010年逐漸增加到2016年的最大值679.14 萬hm2，隨后開始減小，規(guī)模效應(yīng)由驅(qū)動(dòng)地下水開采量增加轉(zhuǎn)化為減小。4個(gè)驅(qū)動(dòng)因素總貢獻(xiàn)率由大到小為：供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)>效率效應(yīng)>用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)>規(guī)模效應(yīng)。

山東省在研究期內(nèi)地下水開采量累計(jì)減小13.02 億m3，開采量變化的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)貢獻(xiàn)率分布見圖4。總體上看，供水水結(jié)構(gòu)效應(yīng)、效率效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)都是驅(qū)動(dòng)地下水開采量減小的因素，三者的總比重分別為-131.1%、-82.4%和-105.9%。從逐年變化趨勢(shì)上看，供水結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)呈現(xiàn)波動(dòng)特征，用水效率效應(yīng)在后期有所減弱，這表明，山東省農(nóng)業(yè)灌溉用水效率雖然仍在提升，但是有所放緩，農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水空間有限。用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)是驅(qū)動(dòng)地下水開采量增加的因素，表明山東省總用水量增加較為明顯，間接驅(qū)動(dòng)了地下水開采量的增加。4個(gè)驅(qū)動(dòng)因素總貢獻(xiàn)率由大到小為：供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)>規(guī)模效應(yīng)>用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)>效率效應(yīng)。

河南省在研究期內(nèi)地下水開采量累計(jì)減小19.1 億m3，開采量變化的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)貢獻(xiàn)率分布見圖5。總體上看，供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)和效率效應(yīng)是驅(qū)動(dòng)地下水開采增加的主要因素，兩者總比重分別為-156.5%和-4.3%。從逐年變化趨勢(shì)上看，供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)和效率效應(yīng)均呈現(xiàn)波動(dòng)特征，特別是用水效率效應(yīng)在-74.2%和41.4%之間變化，說明河南省農(nóng)業(yè)灌溉用效率提升不穩(wěn)定，今后仍有進(jìn)一步提升空間。用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)是驅(qū)動(dòng)地下水開采量增加的因素，其中又以規(guī)模效應(yīng)最為明顯，達(dá)到89.5%。4個(gè)驅(qū)動(dòng)因素總貢獻(xiàn)率由大到小為：供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)>規(guī)模效應(yīng)>用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)>效率效應(yīng)。

從整個(gè)華北地區(qū)來看，伴隨南水北調(diào)工程的通水，區(qū)域供水結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大改變，地下水供水比例逐年下降，從而使得供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)成為推動(dòng)地下水開采量與糧食產(chǎn)量脫鉤的主要因素。從變化趨勢(shì)上看，北京、天津的供水結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)慢慢減弱，河北、山東供水結(jié)構(gòu)正在不斷調(diào)整過程中，供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)將持續(xù)發(fā)揮主導(dǎo)作用，河南供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)正負(fù)轉(zhuǎn)換頻繁，供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)潛力較大，是下一步調(diào)整的重點(diǎn)。在習(xí)總書記提出的十六字治水思路中，“節(jié)水優(yōu)先”處于首要地位，節(jié)水效應(yīng)是驅(qū)動(dòng)地下水開采減少的重要因素，其中以河北、山東最為明顯，相比之下，北京、天津、河南的節(jié)水效應(yīng)呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，今后有較大提升潛力。華北地區(qū)作為糧食主產(chǎn)區(qū)，糧食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)對(duì)于保障國(guó)家糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義，山東、北京糧食播種面積減小明顯，雖然客觀上驅(qū)動(dòng)了地下水開采量的減少，但是對(duì)于保障糧食生產(chǎn)造成一定潛在風(fēng)險(xiǎn)，需要引起關(guān)注。華北地區(qū)是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)最為活躍的地區(qū)之一，用水總量的增加間接制約了地下水開采量與糧食生產(chǎn)的脫鉤，今后應(yīng)切實(shí)貫徹“把用水總量作為最大剛性約束”的水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管總基調(diào)，落實(shí)水資源開發(fā)利用控制紅線，嚴(yán)格管控新增用水量。

2.2 地市級(jí)區(qū)域脫鉤狀態(tài)及空間差異分析

由于降水豐枯、糧食價(jià)格等因素導(dǎo)致地下水開采、糧食播種面積容易產(chǎn)生年際波動(dòng)，隨著研究單元的細(xì)化，地市級(jí)數(shù)據(jù)波動(dòng)尤其明顯。為了減緩這一影響，本次研究采用時(shí)段平均法，對(duì)地市原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理。首先將整個(gè)研究時(shí)期(2010-2018年)劃分為3個(gè)時(shí)段：Ⅰ(2010-2012年)，Ⅱ(2013-2015年)，Ⅲ(2016-2018年)，分別對(duì)應(yīng)“十二五”前期、“十二五”后期、“十三五”前期。然后對(duì)各地市數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)段平均計(jì)算，分別得到時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ數(shù)據(jù)平均值。最后分別針對(duì)Ⅰ-Ⅱ時(shí)期和Ⅱ-Ⅲ時(shí)期進(jìn)行Tapio脫鉤分析，其中，Ⅰ-Ⅱ時(shí)期近似代表了“十二五”期間脫鉤狀態(tài)，Ⅱ-Ⅲ時(shí)期近似代表了“十三五”期間脫鉤狀態(tài)。具體計(jì)算結(jié)果如下。

“十二五”期間，脫鉤類型以弱負(fù)脫鉤、強(qiáng)脫鉤、衰退脫鉤、衰退連接為主，分別占研究單元數(shù)量的14.6%、27.1%、27.1%和10.4%?！笆濉逼陂g，脫鉤類型以弱負(fù)脫鉤、強(qiáng)脫鉤和衰退連接為主，分別占研究單元數(shù)量的10.4%、50.0%和29.2%。從兩個(gè)時(shí)期對(duì)比可以看出，從“十二五”到“十三五”，負(fù)脫鉤數(shù)量減少了50%，從14個(gè)減少為7個(gè)，連接類型數(shù)量也從6個(gè)減少為2個(gè)，與之相對(duì)應(yīng)，脫鉤類型數(shù)量從28個(gè)增加到39個(gè)，在“十三五”期間，脫鉤狀態(tài)總數(shù)已經(jīng)達(dá)到81.2%(表3)。從脫鉤結(jié)果來看，2010年以來，華北地區(qū)地下水開采量與糧食產(chǎn)量脫鉤地市級(jí)區(qū)域不斷擴(kuò)大，在“十二五”期間，地市之間、省區(qū)之間零散分布，無明顯集聚特征，到了“十三五”期間，脫鉤地區(qū)在地理空間上連續(xù)性不斷增強(qiáng)，已經(jīng)在多個(gè)地市間連片發(fā)展，甚至跨越了省界差異，河北、河南大部地區(qū)以及與兩省交界的魯西北、魯西南地區(qū)都處于脫鉤狀態(tài)。這也表明，在中央水行政主管部門的統(tǒng)一部署下，華北各地區(qū)的地下水超采治理正在整體推進(jìn)，地下水壓采的總體成效正在顯現(xiàn)。值得注意是，“十三五”期間，威海、開封兩地市處于強(qiáng)負(fù)鉤和增長(zhǎng)負(fù)脫鉤狀態(tài)，說明在近期內(nèi)，兩地區(qū)糧食生產(chǎn)仍然較大依賴地下水開采，平衡協(xié)調(diào)兩者關(guān)系難度較大。另外，“十三五”期間，28個(gè)地市的糧食產(chǎn)量出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，長(zhǎng)期來看，這將影響華北糧食主產(chǎn)區(qū)地位，需要引起關(guān)注。

表3 華北地區(qū)地市級(jí)區(qū)域地下水開采量與糧食產(chǎn)量脫鉤類型計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Types of decoupling between groundwater exploitation and grain production in city level areas of North China Plain

本次研究采用ArcGIS對(duì)華北地區(qū)地下水開采量與糧食產(chǎn)量的脫鉤關(guān)系進(jìn)行空間特征分析，針對(duì)兩個(gè)時(shí)期分別計(jì)算Moran′sI值和對(duì)應(yīng)的Z值、P值，結(jié)果見表4。Moran′sI值在兩個(gè)時(shí)期分別為0.033 3和0.131 5，表明脫鉤關(guān)系存在一定的空間自相關(guān)，并隨時(shí)間推移其空間相關(guān)性增大，空間聚集程度在不斷增強(qiáng)。從表4可以進(jìn)一步看出，只有“十三五”期間，Z值>1.65,通過了顯著性檢驗(yàn)(P<0.1),表明，“十三五”期間地市之間的地下水開采量與糧食產(chǎn)量的脫鉤程度具有顯著的空間集聚特征，即脫鉤指數(shù)值較高的地區(qū)相互接近，較低的地區(qū)相互接近。

表4 華北地區(qū)地下水開采量與糧食產(chǎn)量脫鉤指數(shù)的全局莫蘭指數(shù)Tab.4 Global Moran index of decoupling index between groundwater exploitation and grain production in North China Plain

全局莫蘭指數(shù)是以整體為切入點(diǎn)，僅研究全局空間自相關(guān)，無法表征整體內(nèi)部各地區(qū)的空間聚集特征。因此，繼續(xù)引入局部莫蘭指數(shù)揭示“十三五”期間地市脫鉤類型的局部空間分布特征。計(jì)算結(jié)果表明，脫鉤指數(shù)H-H集聚區(qū)包括滄州市和保定市，表明這兩個(gè)地區(qū)處于高脫鉤指數(shù)區(qū)域，且鄰近地區(qū)脫鉤指數(shù)也較高，從脫鉤類型來看，兩個(gè)地市均為衰退脫鉤，即在地下水開采大幅度較少的同時(shí)，糧食產(chǎn)量略有減少。脫鉤指數(shù)L-L集聚區(qū)處于河北、河南交界處的邯鄲、安陽兩地市，表明這兩個(gè)地區(qū)處于低脫鉤指數(shù)區(qū)域，且對(duì)鄰近地區(qū)發(fā)揮了良好的示范帶動(dòng)效應(yīng)，使得周邊區(qū)域脫鉤指數(shù)也較低，從脫鉤類型來看，兩個(gè)地市均為強(qiáng)脫鉤，即在地下水開采減少的同時(shí)，糧食產(chǎn)量保持增長(zhǎng)。脫鉤指數(shù)L-H集聚區(qū)僅出現(xiàn)在衡水市，表明衡水市處于低脫鉤指數(shù)區(qū)域，但鄰近地區(qū)脫鉤指數(shù)較高，從脫鉤類型來看，衡水市處于強(qiáng)脫鉤狀態(tài)，周圍地區(qū)多為衰退脫鉤。總體上看，“十三五”期間各地市脫鉤指數(shù)的空間聚集特征比“十二”期間明顯提升，然而脫鉤指數(shù)空間聚集范圍還較小，大部分地區(qū)仍然處于非顯著特征狀態(tài)。

2.3 地市級(jí)區(qū)域脫鉤驅(qū)動(dòng)效應(yīng)空間差異分析

為了深入探究“十三五”期間各脫鉤驅(qū)動(dòng)效應(yīng)在地市之間的差異，采用全局莫蘭指數(shù)對(duì)四類驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行空間自相關(guān)分析。結(jié)果見表5?？梢钥闯鏊念愹?qū)動(dòng)效應(yīng)的貢獻(xiàn)率都通過了自相關(guān)顯著性檢驗(yàn)，表明“十三五”期間地市之間的脫鉤驅(qū)動(dòng)效應(yīng)具有顯著的空間集聚特征。進(jìn)一步應(yīng)用局部莫蘭指數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行空間差異性分析，結(jié)果見表6。

表5 “十三五”期間各類驅(qū)動(dòng)效應(yīng)貢獻(xiàn)率的全局莫蘭指數(shù)Tab.5 Global Moran index of contribution rate of driving effects during the 13th five year plan

表6 “十三五”期間各類驅(qū)動(dòng)效應(yīng)貢獻(xiàn)率的空間聚集區(qū)分布Tab.6 Spatial distribution of contribution rates of driving effects during the 13th five year plan

從供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)貢獻(xiàn)率來看，H-H聚集區(qū)包括淄博、濰坊，表明兩地市及其周邊地區(qū)地下水供水比例有所增加，這與山東省中部及膠東半島近些年降水偏少，地表水資源減少有關(guān)。L-L聚集區(qū)包括天津、廊坊，表明兩區(qū)域地下水供水比例明顯下降，這也正是南水北調(diào)通水后，地下水壓采效果的體現(xiàn)。

從用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)貢獻(xiàn)率來看，H-H聚集區(qū)包括日照、萊蕪、青島，表明這一區(qū)域及其周邊地區(qū)糧食灌溉用水比例下降，L-L聚集區(qū)包括洛陽、南陽、三門峽、焦作，表明這一區(qū)域及其周邊地區(qū)糧食灌溉用水比例增加。H-L聚集區(qū)出現(xiàn)在漯河，表明漯河糧食生產(chǎn)灌溉用水比例有所下降，但其周邊地區(qū)糧食生產(chǎn)灌溉用水比例增加。

從效率效應(yīng)貢獻(xiàn)率來看，H-H聚集區(qū)主要位于河南西部，包括平頂山、許昌、洛陽、三門峽、鄭州、焦作六個(gè)地市，表明這一區(qū)域的農(nóng)業(yè)灌溉用水效率有所下降，驅(qū)動(dòng)了地下水開采量的增加，這一聚集區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水效率有較大提升空間。L-L聚集區(qū)位于張家口市，表明張家口及其周邊區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水效率提升明顯，在河北地下水超采治理實(shí)施過程中，伴隨滴灌、微噴灌等地表節(jié)水工程的推進(jìn)，該地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水效果正在逐漸發(fā)揮。

從規(guī)模效應(yīng)貢獻(xiàn)率來看，H-H聚集區(qū)有兩個(gè)，一是位于德州、濱州，二是位于周口、商丘、開封、菏澤。表明這兩個(gè)區(qū)域及其周邊地區(qū)糧食播種面積有所增加。華北地區(qū)是我國(guó)糧食增產(chǎn)計(jì)劃的主要實(shí)施區(qū)域之一，為保證糧食生產(chǎn)，各地區(qū)積極調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，增加了糧食作物播種面積。L-L聚集區(qū)包括日照、煙臺(tái)、威海，表明山東半島沿海地市糧食播種面積呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論與建議

本文基于Tapio脫鉤模型、LMDI分解模型和莫蘭指數(shù)空間分析方法對(duì)華北地區(qū)地下水開采量與糧食產(chǎn)量之間的脫鉤關(guān)系進(jìn)行分析，探討了脫鉤的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)及空間差異特征。研究得到以下結(jié)論：①強(qiáng)脫鉤是華北地區(qū)糧食產(chǎn)量與地下水開采的主要狀態(tài)，尤以天津、河北、山東三省市表現(xiàn)最為明顯，河南省強(qiáng)脫鉤狀態(tài)不穩(wěn)定，北京市以弱負(fù)脫鉤為主。②供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)、用水效率效應(yīng)是推動(dòng)華北地區(qū)地下水開采減小的主要因素，規(guī)模效應(yīng)是推動(dòng)山東省、北京市地下水開采量減小的重要因素，華北地區(qū)用水總量的增加在一定程度上制約了地下水開采量與糧食生產(chǎn)的脫鉤。③研究時(shí)期內(nèi)，華北地區(qū)地下水開采量與糧食產(chǎn)量脫鉤地市級(jí)區(qū)域不斷擴(kuò)大，相比于“十二五”期間分散脫鉤狀態(tài)，“十三五”期間脫鉤地區(qū)在地理空間上的連續(xù)性不斷增強(qiáng)，河北、河南大部地區(qū)以及與兩省交界的魯西北、魯西南地區(qū)都處于脫鉤狀態(tài)。“十三五”期間脫鉤指數(shù)H-H集聚區(qū)包括滄州市和保定市，L-L集聚區(qū)位于邯鄲、安陽兩地市。④“十三五”期間，供水結(jié)構(gòu)效應(yīng)貢獻(xiàn)率H-H聚集區(qū)包括淄博、濰坊，L-L聚集區(qū)包括天津、廊坊，用水結(jié)構(gòu)效應(yīng)貢獻(xiàn)率H-H聚集區(qū)包括日照、萊蕪、青島，L-L聚集區(qū)包括洛陽、南陽、三門峽、焦作，用水效率效應(yīng)貢獻(xiàn)率H-H聚集區(qū)主要位于河南西部，L-L聚集區(qū)位于張家口市，規(guī)模效應(yīng)貢獻(xiàn)率H-H聚集區(qū)位于德州、濱州以及周口、商丘、開封、菏澤，L-L聚集區(qū)主要位于山東半島沿海地市。

華北地區(qū)是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)最具活力的地區(qū)之一，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)地下水超采區(qū)治理與農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)之間的關(guān)系，是保障我國(guó)水安全戰(zhàn)略和糧食安全戰(zhàn)略實(shí)施的重要保障?；诒疚难芯拷Y(jié)論，建議下一步繼續(xù)加大南水北調(diào)水源置換力度，推進(jìn)輸配水管網(wǎng)建設(shè)，尤其加大調(diào)整河北、河南、山東三省區(qū)的供水結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減少地下水開采消耗。與此同時(shí)，應(yīng)貫徹落實(shí)“節(jié)水優(yōu)先”治水思路，繼續(xù)推進(jìn)實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水，強(qiáng)化用水效率驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，從前述研究結(jié)果可以看出，河南西部，包括平頂山、許昌、洛陽等地區(qū)用水效率還有較大提升空間。另一方面，山東半島等地區(qū)糧食播種面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，雖然客觀上促使了地下水開采量減少，但也對(duì)保障糧食安全造成一定不利影響，需要引起重視。

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