王 妍，雷曉輝，張 玉，崔 娜

（1中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2北京市水利自動(dòng)化研究所，北京 100036；3中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100036；4陜西省地質(zhì)科技中心，西安 710054）

0 引言

水資源和土地資源作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的必備要素，都將或多或少地影響區(qū)域農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平[1-2]。研究水土資源之間的匹配關(guān)系及特征規(guī)律，可以為水土資源的優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)[3-4]，也能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供技術(shù)支撐。

國(guó)外關(guān)于水土資源的研究，多側(cè)重兩者的內(nèi)部機(jī)理即交互作用和反饋?zhàn)饔玫萚5]。而國(guó)內(nèi)在水土匹配方面的研究較多，其研究方向大致可以分為兩類：其一是定量地描述二者匹配狀況，比較常見(jiàn)的有水土匹配系數(shù)[6]；其二是探索兩者匹配格局的不均衡程度，如通過(guò)基尼系數(shù)來(lái)反映[7]。2種方法計(jì)算原理大不相同，結(jié)果也各有側(cè)重，前者可以直觀地反映一個(gè)地區(qū)水土資源的匹配程度，而后者用于識(shí)別資源在空間分布上的不均衡性。

水土資源匹配方面的研究成果頗為豐富，但少有研究考察水土匹配度與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系[8-11]。

基于此，本研究在分析水土資源時(shí)空匹配情況的基礎(chǔ)上，將水土資源匹配情況與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)兩者做相關(guān)性分析。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原北部，下設(shè)16個(gè)市轄區(qū)，總面積為16410.54 km2，其中山地面積約占全市土地面積的2/3，平原面積約占1/3，地勢(shì)總體呈西北高東南低。

據(jù)2018年北京區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒，耕地216345.4 hm2，耕地面積僅占全市總面積的13.18%；建設(shè)用地以城鎮(zhèn)村及工礦用地為主，占土地總面積的18.68%。

根據(jù)2018年北京市水資源公報(bào)，2017年全市總用水量為39.3億m3，其中生活用水18.4億m3，環(huán)境用水13.4億m3，工業(yè)用水 3.3 億m3，農(nóng)業(yè)用水4.2 億 m3，占11%。

從圖1可以看出：2009—2015年間，水資源和耕地面積都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其中農(nóng)業(yè)用水資源量逐年下降，在2012—2013年下降幅度略低于往年，這可能是由于2012年降雨量突然增多，各行業(yè)用水量也隨之有所增加；而耕地面積下降的幅度更大，這與城市功能調(diào)整和城市化進(jìn)程有關(guān)，2012—2013年間耕地面積小幅回升，可能與當(dāng)年的土地政策有關(guān)。

圖1 北京市水土資源動(dòng)態(tài)變化圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取北京各區(qū)級(jí)2009—2015年的水資源總量、農(nóng)業(yè)用水量、耕地面積、第一產(chǎn)業(yè)增加值等系列資料，所有數(shù)據(jù)均來(lái)源于北京市歷年水資源公報(bào)[12]、北京區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒[13]和北京統(tǒng)計(jì)年鑒[14]。

2.2 水土匹配

水土匹配系數(shù)，反映特定區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可支配的水資源量和耕地資源的時(shí)空適宜的量化關(guān)系。水土匹配系數(shù)越大，意味著能夠用于該區(qū)域的農(nóng)業(yè)水資源就越豐富，對(duì)區(qū)域內(nèi)耕地的滿足程度就越高、越有利于耕地的糧食生產(chǎn)；反之亦然[15]。

關(guān)于水土匹配系數(shù)的計(jì)算方式如式（1）所示。

基尼系數(shù)有多種算法[16]，本研究采用如式（2）所示[17]。

式（2）中：Mi為第i個(gè)市轄區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源量累計(jì)百分比；n為市轄區(qū)個(gè)數(shù)；Pi為第i個(gè)市轄區(qū)的耕地面積累計(jì)百分比。

2.3 空間自相關(guān)系數(shù)

空間自相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方式有多種，其中Moran指數(shù)較為常用。其是由Anselin提出，計(jì)算方法如式（3）所示[18]。

式（3）中zi為對(duì)象i的z值（在本研究中指水土匹配系數(shù)）；為研究區(qū)z的均值；zj為z變量的所有其他區(qū)的值（j≠i）；wij為區(qū)i與j之間的權(quán)重，本研究中根據(jù)對(duì)象之間空間關(guān)系來(lái)確定（采用反距離權(quán)重，即兩地間距離的倒數(shù)）。Ii取值范圍為-1到1，越接近-1，則代表區(qū)際間的差異越大或者分布越不集中；越接近1則代表區(qū)際間的關(guān)系越密切，性質(zhì)越類似；接近0則代表單元間不相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水土資源匹配動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)上述計(jì)算方法，對(duì)全市的水土匹配系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，2009—2015年北京市水土匹配情況見(jiàn)表1。

表1 北京市水土匹配情況動(dòng)態(tài)變化

從上表中可以看出：全市的水土資源匹配系數(shù)，低于全國(guó)平均水平，且變化略大；而基尼系數(shù)，年際變化不大，并且一直處于“比較平均”的狀態(tài)。

水土匹配系數(shù)定量描述了水資源與耕地資源之間匹配狀況。2009—2015年間北京市一直處于一種水土資源匹配較差的狀態(tài)，水土資源匹配系數(shù)的平均值為2702.14 m3/hm2，略低于全國(guó)平均水平。2009—2012年，短短幾年時(shí)間該系數(shù)從1721到4000 m3/hm2之間波動(dòng)，2009年開(kāi)始水土匹配系數(shù)逐年上升，2012年由于降雨的增多導(dǎo)致水土匹配系數(shù)達(dá)到一個(gè)小峰值，之后該系數(shù)銳減。

例如2009年為枯水年份，而2012年汛期雨量偏多，降水量比多年平均值多21%，導(dǎo)致水土匹配系數(shù)從2009年的2898 m3/hm2增大到2012年的3939 m3/hm2，原因是多年來(lái)北京市耕地資源具有相對(duì)穩(wěn)定性，但水資源受降雨天氣等因素具有隨機(jī)變化性，因而導(dǎo)致水土匹配系數(shù)變化較大。

基尼系數(shù)反映出來(lái)的是水資源與耕地資源之間匹配的不均衡狀況。2009—2015年北京市水土資源匹配基尼系數(shù)平均值為0.26，多年來(lái)呈小幅波動(dòng)、總體穩(wěn)定趨勢(shì)，都穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)，水資源與耕地資源匹配組合比較均衡。

3.2 水土資源匹配的時(shí)空分異性

全市各區(qū)水土匹配系數(shù)空間格局，如圖2所示。

圖2 全市各區(qū)水土匹配系數(shù)空間格局

從圖2可以看出，東南部地區(qū)水土匹配情況較好，而西北部和東北部較差，中間地區(qū)一般。除城六區(qū)外，全市水土匹配情況總體呈現(xiàn)條帶狀分布。

此次，為了直觀研究全市16個(gè)市轄區(qū)水土匹配情況的空間集聚狀況，本研究計(jì)算了2009—2015年全市水土匹配系數(shù)的Moran’s I指數(shù)，結(jié)果多年的平均值為-0.027，且結(jié)果并不顯著。也就是說(shuō)，北京的水土匹配情況并不具有高度的集聚性和非均質(zhì)性。

究其原因可能是：（1）土地資源，Moran’s I指數(shù)是-0.159，在城市外圍市轄區(qū)中，門頭溝、昌平、延慶、懷柔、密云和平谷的山區(qū)面積都高達(dá)60%，房山的山區(qū)面積也高于1/3，山區(qū)可用于耕種的土地面積遠(yuǎn)不及平原；（2）水資源配置情況，農(nóng)業(yè)用水的Moran’s I指數(shù)是0.215，北京市在農(nóng)業(yè)用水方面的基本政策是，按需分配，并以歷史用水情況作為參考；（3）各區(qū)的農(nóng)業(yè)政策和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)各自為政，在實(shí)際中各區(qū)根據(jù)自身實(shí)際情況和優(yōu)勢(shì)，發(fā)展了各自的特色農(nóng)業(yè)。

建議：各地因結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，因地制宜，積極探索挖掘土地的最大潛力。

3.3 水土匹配情況與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的相關(guān)性分析

水土匹配情況與農(nóng)業(yè)增加值之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 北京市水土匹配情況與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)關(guān)系圖

從圖3可以得出：用水結(jié)構(gòu)的變動(dòng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)，圖中藍(lán)色和紅色虛線分別代表水土匹配系數(shù)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的平均值，以各自的平均值為基準(zhǔn)，水土匹配程度高的，其農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)增加值就高；反之亦然。除昌平和密云區(qū)外，其他各區(qū)兩者的變化趨勢(shì)同步。兩者相關(guān)系數(shù)是0.57，P＜0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2009—2015 年北京市各轄區(qū)的水土資源匹配系數(shù)變化具有明顯的差異性，大興、順義和通州的水土匹配系數(shù)均大于4000 m3/hm2，而城六區(qū)僅有475 m3/hm2；而各區(qū)的農(nóng)業(yè)GDP差距也非常顯著，大興和順義的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)收入超過(guò)40億元，而城六區(qū)和門頭溝的農(nóng)業(yè)收入不足10億元。

城市的產(chǎn)業(yè)布局和用水變化息息相關(guān)。近年來(lái)伴隨著北京城市化進(jìn)程、城市人口增加、環(huán)境污染問(wèn)題加劇等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，各方在積極調(diào)整其城市功能，其中農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變有利于節(jié)水型農(nóng)業(yè)發(fā)展，有效降低農(nóng)業(yè)用水量。農(nóng)業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位也發(fā)生了變化，農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)功能不斷向社會(huì)及生態(tài)功能轉(zhuǎn)變，不斷滿足市民的觀光休閑、娛樂(lè)和保護(hù)生態(tài)的功能逐漸上升為主導(dǎo)地位。

4 結(jié)論

水土匹配系數(shù)不僅可以用在區(qū)級(jí)尺度上進(jìn)行橫向比較，將不同區(qū)作為研究對(duì)象分析個(gè)體之間的空間差異性，還可以將北京市總體與每個(gè)區(qū)的水土匹配系數(shù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ?。通過(guò)分析北京市水土資源分布的基本狀況，評(píng)估北京市及其16個(gè)區(qū)2009—2015年水土資源匹配的均衡程度，可以發(fā)現(xiàn)：（1）2000—2014年北京市水土資源匹配基尼系數(shù)平均值為0.29，表明全市水土匹配狀況總體比較均衡。（2）北京市水資源量相對(duì)短缺，部分地市水土匹配均衡程度不夠理想。2000—2014年北京市各地市多年平均水土匹配系數(shù)為3080 m3/hm2，南部和東部水土匹配狀況較優(yōu)，而北部和中西部地區(qū)水土匹配狀況較差。

水土匹配情況和區(qū)域經(jīng)濟(jì)疊加后分析得出：二者存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的相關(guān)性，兩者的相關(guān)系數(shù)不高，可能的原因是：（1）農(nóng)業(yè)增加值尺度相對(duì)較大，同樣一個(gè)單位的耕地面積，種植出來(lái)的農(nóng)作物所帶來(lái)的價(jià)值是不一樣的，如單位農(nóng)田上生長(zhǎng)出來(lái)的玉米的價(jià)格和草莓（或其他經(jīng)濟(jì)作物）的價(jià)格差距甚大；（2）不同作物的需水量也是大不相同的，一個(gè)單位面積的農(nóng)作物，如水稻和谷物在全生育期總需水量明顯不同。