朱 赫， 楊姍姍， 劉 晗， 徐征和

(1. 濟南大學水利與環(huán)境學院， 山東濟南 250022； 2. 山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心， 山東濟南 250100)

2019年國家發(fā)展改革委員會和水利部聯(lián)合印發(fā)的《國家節(jié)水行動方案》提出[1]，要堅持節(jié)水優(yōu)先方針，發(fā)展高效節(jié)水灌溉，劃定水資源承載能力地區(qū)分類，實施差別化管控措施，以水定城、以水定地、以水定人、以水定產，推進用水方式由粗放向節(jié)約集約轉變，提升水資源利用效率。

農業(yè)節(jié)水分區(qū)是以區(qū)域為研究對象，綜合考慮區(qū)域水資源利用存在的問題，通過調查分析區(qū)域的資源、環(huán)境、社會經濟等的現(xiàn)狀，對農業(yè)節(jié)水空間進行的合理劃分[2-4]，是研究農業(yè)水資源高效利用的主要手段之一。國外學者對農業(yè)節(jié)水分區(qū)的研究開始較早，以美國和以色列為例，由于農業(yè)種植結構較為單一，因此分區(qū)方法多為單因素分析以及定性分析，對多因素影響的復雜情況研究較少[5]。我國農業(yè)結構復雜，發(fā)展模式多樣，學者采用多種不同的方法對農業(yè)節(jié)水分區(qū)進行研究。在綜合考慮海河流域節(jié)水現(xiàn)狀的基礎上，丁志宏等[6]確定17個分區(qū)指標，運用模糊聚類法對海河流域進行農業(yè)節(jié)水分區(qū)。姜森嚴等[7]、褚琳琳等[8]均選取因子分析法和聚類分析法為主要研究方法，分別對遼寧省和江蘇省進行農業(yè)節(jié)水分區(qū)。趙俊偉等[9]、韋梅等[10]采用主成分分析法與系統(tǒng)聚類法相結合的方法，分別借助地理信息系統(tǒng)(GIS)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(DPS)對中原經濟區(qū)及山東省進行農業(yè)節(jié)水分區(qū)。龐桂斌等[11]以山東省東營市為研究區(qū)域，利用GIS與統(tǒng)計學相結合的方法，將東營市農業(yè)節(jié)水區(qū)劃分為5大類型。范海燕等[12]結合層次分析法(AHP)與ArcGIS疊加分析功能，對北京市農業(yè)節(jié)水分區(qū)指標體系中的5個指標進行賦值、計算，將北京市劃分為3個農業(yè)節(jié)水發(fā)展區(qū)。楊蕊等[13]運用主成分分析和模糊聚類相結合的方法，將云南省129個縣、市劃分為4個農業(yè)節(jié)水一級區(qū)和10個農業(yè)節(jié)水二級區(qū)。由于分區(qū)指標的選取具有不確定性，因此目前研究中存在指標選取不夠全面、分布不均衡等問題，影響分區(qū)結果的可靠性。

山東省是我國的農業(yè)大省，糧食產量優(yōu)勢突出，農業(yè)用水占比較大，但是，該省存在水資源時空分布不均、年內年際變化巨大的問題，屬資源性缺水的省份，水資源與耕地用水需求不匹配，灌溉保證率較低。隨著社會經濟的不斷發(fā)展以及人民生活水平的提高，水資源供需矛盾日益突出，缺水已經成為制約山東省經濟、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素。針對山東省農業(yè)用水利用率較低、具有較大節(jié)水潛力的現(xiàn)狀，大力發(fā)展農業(yè)節(jié)水，推動節(jié)水灌溉技術的應用，是解決水資源問題、實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施。由于山東省具有獨特的自然地理環(huán)境和氣候水文條件，各地區(qū)節(jié)水發(fā)展模式各異，因此以往對該省農業(yè)節(jié)水分區(qū)鮮有研究。

在借鑒前人研究成果的基礎上，本文中結合山東省各城市的資源、環(huán)境等特點，選取18個分區(qū)指標，建立適合山東省的農業(yè)節(jié)水分區(qū)指標體系，采用主成分分析和聚類分析相結合的方法進行農業(yè)節(jié)水分區(qū)，并利用GIS技術進行空間分析，針對各分區(qū)的情況，提出適合區(qū)域發(fā)展的節(jié)水模式，以期為山東省的農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

1 分區(qū)原則及分區(qū)指標確定

1.1 分區(qū)原則

農業(yè)節(jié)水分區(qū)要符合歸納相似性、區(qū)別差異性、照顧行政區(qū)界的原則[14-17]： 1)保證區(qū)域農業(yè)節(jié)水方案與實際發(fā)展相符； 2)盡可能使分區(qū)邊界與行政區(qū)劃邊界一致； 3)保證在同一分區(qū)內，自然條件、資源環(huán)境、種植結構、社會經濟現(xiàn)狀等方面應具有相似性； 4)保持農業(yè)節(jié)水分區(qū)的相對獨立性。

1.2 分區(qū)指標選取與數(shù)據(jù)來源

壓力-狀態(tài)-響應(pressure-state-response，PSR)模型以因果關系為基礎，包含壓力指標、狀態(tài)指標、響應指標等多項評價指標，常用于評價人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響程度，其中，壓力(P)代表人類活動對環(huán)境、資源等造成的損耗，狀態(tài)(S)代表環(huán)境、資源、社會經濟等所處的現(xiàn)狀，響應(R)代表為減輕負面影響而采取的補救措施。本文中以PSR模型為依托，綜合考慮山東省17個城市農業(yè)節(jié)水的特點(研究伊始萊蕪市尚未撤市劃區(qū))，共選取7項壓力指標、6項狀態(tài)指標以及5項響應指標構建山東省農業(yè)節(jié)水分區(qū)指標體系。

2)x2——地形地貌影響系數(shù)，用于節(jié)水區(qū)劃分類及其命名。山東省地形可分為山地、丘陵和平原3類，參考相關文獻并結合實際情況，確定影響系數(shù)分別為1.0、0.8和0.7。

3)x3——人均國內生產總值(GDP)，反映山東省農業(yè)生態(tài)建設的經濟能力。

5)x5——可用灌溉量，為現(xiàn)狀可供水量減去其他用水量而得到的水量。

7)x7——農業(yè)供水比重，即農業(yè)供水總量占總供水量的比例。

9)x9——耕地有效灌溉率，利用有效灌溉面積與總面積的比值來表征灌溉用水水平。

10)x10——糧食生產能力，選取研究區(qū)主要糧食作物的單位面積產量為衡量指標。

11)x11——糧食作物播種比例。

12)x12——蔬菜播種比例。

13)x13——其他農作物播種比例。

14)x14——節(jié)水灌溉比例，用來衡量區(qū)域節(jié)水發(fā)展水平。

15)x15——引水灌溉比例。

16)x16——蓄水灌溉比例。

17)x17——井灌灌溉比例。

18)x18——提水灌溉比例。

選取2018年為現(xiàn)狀水平年，通過查閱《山東省統(tǒng)計年鑒》、水資源公報、中國氣象網等資料，整理出2014—2018年的樣本數(shù)據(jù)，對個別缺失數(shù)據(jù)利用插值法處理。

2 分區(qū)方法與結果

定性分析和定量分析是農業(yè)節(jié)水分區(qū)的2種常用方法，其中定性分析的主要方法有經驗法、指標法、重疊法、過渡法、類型法以及綜合法等[18]，定量分析方法包括聚類分析法、判別法、系統(tǒng)評價層次分析法以及主成分分析法等[19-21]。本文中選取主成分分析法及聚類分析法作為主要研究方法。

2.1 主成分分析法

主成分分析法是通過降維處理，將具有一定相關關系的原始指標轉化為少數(shù)幾個綜合指標(即主成分)，從而簡化計算，排除不確定性。由于本文中選取的原始指標較多，相關關系復雜，因此選取主成分分析法，在最大程度地保留各原始指標信息的基礎上，對18個原始指標進行降維處理，得到具有代表性的主成分指標。

2.1.1 指標標準化

對18個分區(qū)指標進行標準化處理，使得各指標平均值均為0，方差均為1，最大程度地消除各指標值在量綱和數(shù)量級上的差異，計算公式為

(1)

標準化矩陣為

(2)

2.1.2 相關性分析

計算相關系數(shù)矩陣為

(3)

式中rij(i，j=1,2,3, …,p)為變量xi與xj的相關系數(shù)，計算公式為

(4)

2.1.3 計算主成分特征根及貢獻率

設第i個指標的特征值為λi，令|R-λiI|=0，|R-λ2I|=0，…，|R-λpI|=0，即

(5)

求出各指標特征值λi以及對應的特征向量μi(i=1,2,…,p)，并將特征值按從大到小的順序進行排列。

主成分yi的方差貢獻率為

(6)

則m個主成分的累積貢獻率為

(7)

式中yi對x1，x2…，xp信息的代表能力與εi的值成正比。一般取m個特征值大于1的主成分(m

2.1.4 主成分分析結果

運用統(tǒng)計產品與服務解決方案(SPSS)軟件進行主成分分析，最終選取5個主成分，均滿足特征值λi>1的條件，且累積貢獻率為85.13%，符合主成分的選取要求，最大程度上包含了原始指標的信息。主成分特征值及貢獻率結果見表1。

表1 主成分特征值及貢獻率

2.2 聚類分析法

聚類分析法是一種常用的數(shù)據(jù)分析方法，根據(jù)各指標的特性進行分類，以減少研究對象的數(shù)量。該方法的分析結果有較強的科學性，因此選用聚類分析法對主成分進行分析計算，避免人為因素對定性分析的影響。

基于主成分分析得到的5個主成分基礎數(shù)據(jù)，采用歐氏距離表征區(qū)域樣本間的距離，建立分類矩陣，運用聚類分析法對17個地市進行劃分。

區(qū)域樣本數(shù)據(jù)與小類、小類與小類之間的親疏程度可通過最短距離法、類內平均鏈鎖法、重心法、離差平方和法等方法計算得到，本文中采用多種方法進行計算，分別繪制系譜圖。

根據(jù)類樣本距離小、不同類距離大的評判原則，對比分析各方法所得系譜圖，認為離差平方和法的計算結果最為合理。運用離差平方和法對提取的主成分指標進行聚類分區(qū)處理，所得系譜圖見圖1。

圖1 基于離差平方和法的聚類分區(qū)系譜圖

2.3 分區(qū)結果

在圖1中，山東省17個地市被劃分為6個農業(yè)節(jié)水分區(qū)， 分別為黃泛平原區(qū)， 魯中山區(qū)， 魯南山區(qū)， 魯中、 魯東平原區(qū)， 魯東丘陵區(qū)， 魯西南平原區(qū)，各類型區(qū)空間分布如圖2所示。

山東省地圖從國家標準地圖網站下載，地圖審批編號為GS(2019)3333號(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0210%22)，經過ArcGIS 10.6軟件處理后得到。圖2 山東省農業(yè)節(jié)水分區(qū)空間分布

3 各分區(qū)節(jié)水模式探討

3.1 各分區(qū)基本情況

基于山東省農業(yè)節(jié)水分區(qū)結果，分別計算各類型區(qū)的18個分區(qū)指標值，得到山東省各農業(yè)節(jié)水分區(qū)的基本情況見表2。

3.2 各分區(qū)節(jié)水灌溉適宜模式探討

黃泛平原區(qū)是重要的糧食作物區(qū)，主要種植作物為小麥和玉米，經濟較為發(fā)達；但是水資源緊缺，區(qū)域內水量難以滿足各項需求，主要采用引水、提水、井灌溉等節(jié)水技術，因此，該地區(qū)應適當調整農業(yè)種植結構，選種抗旱性植物，以減少灌溉用水量，提高灌溉水有效利用率。同時，引水灌溉地區(qū)應加強渠道防滲，減少水在輸送過程的滲漏損失，井灌區(qū)應加強“井灌井排”技術的應用，通過對地下水位的有效控制，保持地下水的開采平衡，進而減少土地鹽漬化問題的發(fā)生。

魯中山區(qū)主要種植作物為糧食作物，高耗水的瓜果蔬菜作物種植比例在各分區(qū)中最高，經濟較為發(fā)達，屬于一般缺水地區(qū)，主要灌溉方式為井灌溉，因此，該地區(qū)應結合種植作物的需求，重點發(fā)展噴灌、微灌等節(jié)水灌溉技術。同時，應用水肥一體化技術以及耕作保墑技術，以實現(xiàn)水資源的更好儲存。

表2 山東省農業(yè)節(jié)水分區(qū)基本情況

魯南山區(qū)糧食作物及油料作物的種植比例較大，經濟發(fā)展水平較低，屬于一般缺水地區(qū)，主要灌溉方式為井灌以及蓄水灌溉，因此，該區(qū)應充分利用各類水資源，包括天然降水、地表水、地下水等，同時，在井灌區(qū)應加強控制地下水開采力度。另外，應合理發(fā)展多項灌溉技術，如蓄水灌溉、引水灌溉、提水灌溉以及膜下滴灌、微灌等，大力推廣深松整地、抗旱坐水種等措施。

魯中、魯東平原區(qū)主要種植糧食作物以及高耗水的蔬菜，經濟較為發(fā)達，屬于一般缺水地區(qū)，主要灌溉方式為井灌以及蓄水灌溉，因此，該地區(qū)應大力推廣噴灌、滴灌、微灌等田間節(jié)水技術。同時，充分利用地理位置優(yōu)勢帶來的降水，實現(xiàn)有限水資源的最大利用，此外，應結合種植情況，應用覆蓋保墑技術，以減少水分蒸發(fā)，保證土壤含水量。

魯東丘陵區(qū)主要種植作物為糧食作物，在各分區(qū)中經濟最為發(fā)達，但水資源極度短缺，蓄水、提水以及井灌溉等節(jié)水灌溉技術是該區(qū)常用的灌溉技術，因此，該地區(qū)應加強泵站改造，以調高抽水能力。同時，協(xié)調好蓄水、保水以及節(jié)水的關系，實施雨水集蓄利用等措施，利用有限的水資源達到盡可能高的灌溉水有效利用率。另外，要加強坡耕地綜合治理，以減少水土流失。

魯西南平原區(qū)主要種植糧食作物以及高耗水蔬菜， 經濟發(fā)展水平較低， 人均GDP低于其余類型區(qū)， 屬于一般缺水地區(qū)， 主要灌溉方式為井灌溉， 因此， 該地區(qū)應大力推廣管道輸水、 噴灌、 微灌、 膜下滴灌等節(jié)水技術， 并加強渠道防滲襯砌， 采取井渠結合的方式， 加大地下水與地表水的聯(lián)合調控能力， 同時， 應用水肥一體化技術， 以提高灌溉水有效利用率。

4 結論

針對目前農業(yè)節(jié)水分區(qū)研究存在的指標選取不全面、分布不均衡等的問題，本文中從全面性、易獲取、概括性強等原則出發(fā)，充分考慮山東省各城市自然環(huán)境及社會經濟發(fā)展現(xiàn)狀，選取18個能整體反映區(qū)域實際情況的農業(yè)節(jié)水分區(qū)指標，構建了具有區(qū)域特點的農業(yè)節(jié)水分區(qū)指標體系。選取主成分分析法和聚類分析法作為主要研究方法，將不同區(qū)域的自然屬性和社會屬性進行量化處理，用數(shù)學方法確定其親疏程度，進而完成分區(qū)，避免了定性分析中人為因素的影響，提高了分區(qū)結果的準確性和可靠性。同時，運用GIS技術將山東省農業(yè)節(jié)水分區(qū)的空間分布呈現(xiàn)出來，使得分區(qū)結果更為直觀，研究結果可為實現(xiàn)山東省水資源的高效利用以及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1)在綜合考慮山東省各地市自然資源、環(huán)境、社會經濟狀況等的基礎上，選取18個分區(qū)指標，構建了山東省農業(yè)節(jié)水分區(qū)指標體系。結合現(xiàn)有資料，通過比較各類定性分析和定量分析方法的優(yōu)缺點，選取主成分分析法和聚類分析法作為主要研究方法。

2)利用主成分分析法，借助SPSS軟件，對原始指標進行降維處理，最終確定出5個主成分，在減少工作量的同時，去除了各原始指標之間的聯(lián)系。依據(jù)主成分的特性，運用聚類分析法，對指標進行分類處理，最終將山東省可劃分為黃泛平原區(qū)， 魯中山區(qū)， 魯南山區(qū)， 魯東丘陵區(qū)， 魯西南平原區(qū)， 魯中、 魯東平原區(qū)共6個農業(yè)節(jié)水類型區(qū)，并運用GIS技術呈現(xiàn)各區(qū)域的空間分布。

3)針對山東省水資源分布及農業(yè)節(jié)水技術應用現(xiàn)狀，提出適宜各分區(qū)發(fā)展的節(jié)水灌溉模式，努力實現(xiàn)以水定城、以水定地、以水定人、以水定產。

近年來，南水北調工程、膠東引黃調水工程、治淮東調南下工程的實施在一定程度上優(yōu)化了山東省的水資源分布以及居民生活用水、工業(yè)用水現(xiàn)狀，但就農業(yè)用水而言，影響較小。由于受資料所限，本文在選取指標時未能充分考慮跨流域調水等影響因素，分析結果與實際情況有一定的偏差，因此仍需進一步改進。