数字农业时空信息

数字农业时空信息（精选4篇）

数字农业时空信息 第1篇

数字农业技术是将现代信息技术、生物技术、农业科学技术与农机工程装备技术相结合的新型农业技术。数字农业技术体系由3个部分组成,即信息获取系统、信息处理系统和智能化农业机械。其中,田间的信息获取技术是数字农业的关键技术。目前,田间信息获取方法主要有传统的田间采样、田间GPS采集、智能农机作业和多平台遥感获取等4种方式。通常所说的“3S”技术中的全球定位系统(GPS)和遥感技术(RS)是田间信息获取的重要手段,它是实现数字农业的重要支撑技术[1,2,3]。

1 全球定位系统

全球定位系统(GPS,Global Positioning System)是由地球导航卫星、地面监控系统和用户GPS接收机等3个主要部分组成。现在最常用的是美国GPS系统,它包括在离地球约20000km 高空近似圆形轨道上运行的24颗地球导航卫星,其轨道参数和时钟由设于世界各大洲的5个地面监测站与设于其本土的一个地面控制站进行监测和控制,使得在近地旷野的GPS接收机在昼夜任何时间、任何气象条件下最少能接受到4颗以上卫星的信号。通过测量每一卫星发出的信号到达接收机的传输时间,即可计算出接收机所在的地理空间位置。

农田养分信息具有显著的空间属性,其空间变异性很大。在数据采集过程中,其位置的识别是与数据监测密不可分的,因此需要对信息进行准确的定位。

全球定位系统(GPS) 提供了全天候、实时精确定位的测量手段。数字农业中,GPS 主要是用来确定在田间的位置,结合其土壤的含水量、氮、磷、钾、有机质和病虫害等不同信息的分布情况,辅助农业生产中的灌溉、施肥、喷药等田间操作,其作用从本质来说是提供三维位置和时间。GPS主要应用于以下3个方面:一是智能化农业机械的动态定位(即根据管理信息系统发出的指令,实施田间的精准定位);二是农业信息采集样点定位(即在农田设置的数据采集点、自动或人工数据采集点和环境监测点均需GPS定位数据);三是遥感信息GPS定位(即对遥感信息中的特征点用GPS采集定位数据,以便于GIS配套应用)。由于GPS存在较大的误差,所以差分GPS(即DGPS)越来越受到人们的重视。DGPS可以消除卫星钟差、星历误差、电离层和对流层延迟误差等,从而使定位精度大幅度提高。

2 遥感技术

遥感技术(RS,Remote Sensing)的基本原理是利用物体的电磁波特性,通过观测物体的电磁波,从而识别物体及其存在的环境条件。遥感技术系统由传感器、遥感平台及遥感信息的接受和处理系统组成。其中,接受从目标反射或辐射的装置叫做遥感器(如扫描仪、雷达、摄影机、摄像机和辐射计等),装载遥感器的平台称遥感平台(如飞机和人造卫星等)。经过遥感器得到的数据在使用前应根据用途需要做相应的纠正、增强、变换、滤波和分类等处理。

遥感(RS)技术是未来数字农业技术体系中获得田间数据的重要来源,它可以提供大量的田间时空变化信息。遥感技术在精准农业中的应用主要以下3个方面:一是作物长势及其背景的监测,运用高分辨率(米级分辨率)传感器,在不同的作物生长期实施全面监测,并根据光谱信息进行空间定性和定位分析,为定位处方农作提供依据;二是作物冠层多光谱监测,利用地物光谱仪和多光谱相机获取的信息,监测叶绿素密度的变化,并分析其变化与养分的关系;三是运用多光谱遥感信息(红外波段),在有作物条件下监测土壤水分。

3 田间信息获取技术的现状和发展趋势

3.1 土壤水分和养分信息获取技术

国内外已开始研究采用各种不同的手段来获取土壤水分和养分信息。目前,除了一些传统的常规测量方法外,已尝试采用的较新的技术,包括遥感、计算机及网络和地面传感技术等。其中,实践较多的是以电子技术为支撑的地面信息传感技术和以空间技术为支撑的遥感信息采集技术。

土壤水分信息的获取相对于其他土壤养分更易掌握,因此对土壤水分测量方法的研究已经取得了显著成果。各种在线式的测量方法相继产生,如电阻法、时域反射法(TDR法)、频域反射法(FDR法)、中子散射法和近红外光谱法等。这些方法均有一定的局限性:一是电阻法的测量精度受土壤含水率的影响很大;二是时域反射法在低频(≤20MHz)工作时较易受到土壤盐度、粘粒和容重的影响,而且价格比较高;三是频域反射法的读数强烈地受到电极附近土体孔隙和水分的影响,特别是对于使用套管的FDR测量;四是中子散射法虽然测量方法简单,但仪器设备昂贵,并且存在潜在的辐射危害。对于土壤养分信息(土壤中的N,P,K,pH值、有机质、含盐量和电导率)的获取技术,常规化学试验测量方法仍是现在土壤养分信息获取的主要手段。该方法具有破坏性和不及时性等缺陷,因此随着近红外光谱技术的不断完善和应用的广泛性,用近红外光谱技术来检测土壤养分已经成为国内外学者研究的重点。

近红外光谱法是根据水的红外吸收光谱来进行测量的,在红外区内,水的吸收波长为1200,1450,1940和2950nm,测量方式有反射式、透射式和反射透射复合式等几种。红外光谱水分仪具有无接触、快速、连续测量、测量范围大、准确度高和稳定性好等优点,适用于在线水分监测,但在测量自然物体时因表面不规则使得反射率不稳定,影响测量精度,需对样本做简单处理。

土壤其他养分信息的研究主要包括土壤中N,P,K,pH值、有机质、含盐量和电导率等信息的采集。现在,除了常规化学试验测量方法外,用近红外反射光谱法来测量土壤养分已成为国内外诸多学者研究的重点。Shibusawa 等指出,用400~1900nm波段来预测土壤湿度、pH值、土壤电导率和土壤有机质等,其相关系数从0.19变化到0.87[4];李民赞研究了基于可见光光谱分析的土壤参数分析,在1100, 1350, 1398,2210nm处建立了多元线性回归模型,相关系数为0.934[5];于飞健等用近红外光谱法分析了土壤中的有机质和氮素[6];He 等对土壤电导率和常量元素的测量[7,8];鲍一丹等应用光谱技术研究了土壤粒度和含水量对预测土壤氮含量的影响[9]。

3.2 作物长势的监测技术

对农作物长势的动态监测可以及时了解农作物的生长状况、土壤墒情、肥力及植物营养状况,以便及时采取各种管理措施,保证农作物的正常生长。同时,可以及时掌握大风或降水等天气现象对农作物生长的影响,监测自然灾害或病虫害对作物产量造成的损失等,为农业政策的制订和粮食贸易提供决策依据。

应用遥感技术可对大面积农作物的长势进行监测,其基本方法是利用覆盖周期短而面积大的NOAA卫星资料,对地面植被吸收的光谱信息和地面实际情况进行分析,并结合常规的方法和资料,建立作物监测模式,用以监测作物长势,发布苗情监测通报,指导农业生产[10]。国际上,关于农作物生长状况遥感监测与估产有3个标志性的实验计划,即美国的LACIE 计划、A-GRISTARS计划和欧盟的MARS计划。1974-1977 年,美国农业部(USDA)、国家海洋大气管理局(NOAA)、美国宇航局(NASA)和商业部合作主持了“大面积农作物估产实验”,主要品种是小麦,地区范围是美国、加拿大和前苏联。1980-1986年,执行LACIE计划的几个部门又合作开展了“农业和资源的空间遥感调查计划”,其中包括世界多种农作物长势评估和产量预报。欧盟所属的联合研究中心遥感应用研究所通过实施“遥感农业监测”项目,即MARS计划,也成功地建成了欧盟区的农作物估产系统,并将结果应用于诸如农业补贴与农民申报核查等欧盟的共同农业政策。在农作物长势监测的方法上,国外科学家主要围绕适合大面积监测的NOAA-AVHRR 的应用进行了多方面的探索,取得了许多突破进展[11,12,13]。我国利用气象卫星监测作物生长状况的研究始于20世纪80年代中期,并应用气象卫星对农作物长势进行宏观监测的理论和方法进行了研究[14,15]。

3.2.1 作物根系信息监测技术

作物根系信息基本上是通过图像识别的方法来得到的。例如加拿大产的ET-100 根系生态监测系统,运用透明管材埋设在需要研究的根系周围,使用特殊图像捕捉系统对根系照相,然后借助专业根系分析系统对混合图像进行分析,从而跟踪了解其生长过程。这种方法可以非破坏性地动态追踪分析根系形态因子,根系相关数据能够定量化,还可以根据用户需求监测土壤水分状况,从而研究根系所在区域内溶质运移及水分胁迫所引起的生理变化。该方法已广泛应用于园艺植物培养和作物生长模型研究等领域。

3.2.2 光合作用测定技术

光合作用测定的一个例子是用叶室内装备最新的小型红外气体分析传感器(IRGA),测量温度和光合有效辐射(PAR)的传感器接收信号,再用便携式微处理器控制叶室内的二氧化碳和水蒸汽浓度,并测量二氧化碳和水蒸汽交换。CIRAS-1植物光合测定仪根据精密测量叶片表面CO2浓度及水分的变化情况,来考察叶片与植物光合作用相关的参数,用以测量植物叶片的光合速率、蒸腾速率和气孔导度等与植物光合作用相关的参数。

3.3 作物营养监测技术

叶绿素是吸收光能的物质,对作物的光能利用有直接影响。叶绿素含量和作物的光合能力、发育阶段以及氮素状况有较好的相关性。由于叶绿素之间的含氮量和叶变化趋势相似,通常认为可以通过测定叶绿素来监测植株氮素营养。

叶绿素的常规测定使用分光光度计法,因为这种方法要进行组织提取和分光光度计的测定,所以既耗时间又对植被造成损伤。另外,从大田到实验室的运输和样本制备过程中很可能损失叶绿素,进而导致叶绿素含量发生变化[16]。

目前,应用较多的是一种日本生产的SPAD-502 叶绿素仪。这种叶绿素仪的工作原理是采用两个不同波长的光源分别照射植物叶片表面,通过比较穿过叶片的透射光光密度差异而得出SPAD值。因此,SPAD值是一个无量纲的比值,与叶片中的叶绿素含量成正相关。在叶绿素仪应用的研究中,各研究者所采用的测定部位都大体相同,即作物生长前期取新展开的第一片完全展开叶作为测定部位,生长后期则取功能叶(小麦取旗叶和玉米取穗位叶)作为测定部位。叶绿素仪在玉米株与株之间的测定值可能会相差15%,在同一片叶上不同位置的测定值也不同。一般认为,距离叶基部55%处的SPAD测定值较大,且偏差较小,是合适的测试位点。

便携式高光谱仪是一种非损伤性测定叶绿素的方法,它通过测定绿色植物叶片的反射率、透射率和吸收率来测定叶绿素含量,这决定了高光谱技术在植被叶绿素含量评价研究中具有不可替代的作用。国内外很多学者已经对作物氮元素的高光谱及光谱测量进行了研究,并且各种反射率比值及植被指数用于监测植物的氮素亏缺[17,18,19,20,21]。王人潮等利用叶绿素计和高光谱快速测定了大麦的营养状况,结果表明,可以通过光谱法来测定大麦的氮素水平[17];Li等应用反射光谱检测了茶叶的叶绿素含量[18];方慧等应用光谱技术检测了油菜叶片中叶绿素含量[19]。光谱监测提供了一种自动、快速和非损伤性的植物营养状态监测方法,并且田间不同处理之间的冠层光谱差异为高光谱和多光谱遥感大面积监测氮素营养提供了可行性。

3.4 作物冠层多光谱监测技术

植物冠层光谱特性是植物光谱特性与背景土壤光谱特性的综合。随着植物冠层的发育, 土壤光谱特性的作用逐渐下降;在植物衰老时,土壤背景的作用又逐渐增大。一般叶面积指数(LAI)达到 3左右时,冠层在可见光和中红外波段的光谱反射率基本稳定;而在近红外波段,LAI达到5~6时,光谱反射率才能饱和。冠层光谱反射率还受太阳光入射角、双向反射、气溶胶和风速等诸多外部因素的影响。由于植物营养状况能影响叶面积、冠层形态和内在生理特征,而且不同营养元素的影响程度也不同,因此利用冠层光谱分析可以诊断植物营养状况。现代"精细农业"的一个非常重要的技术手段,就是利用遥感技术监测作物的营养状况与长势。与叶片光谱特性一样,氮素营养对冠层光谱特性影响的研究最为系统和深入。

随着氮素营养水平的提高,光谱反射率在可见光和中红外波段降低,而在近红外波段却增加。 诊断水稻冠层氮素营养水平的敏感波段为760~900 nm,630~690 nm和520~550 nm。不同氮素营养水平下的冠层光谱反射率存在着明显差异,经植被指数转换后差异更为显著与稳定。因此,利用冠层光谱测试可以区分作物的氮素营养水平。

植物中磷钾营养水平与冠层光谱特性的关系研究较少见。总的来说,磷钾对光谱特性的影响不如氮明显。在水培和砂培条件下,不同磷钾水平的植物冠层光谱反射率存在显著差异,磷钾营养对冠层光谱特性的影响与氮的影响相似。随着磷钾营养水平的提高,可见光波段的光谱反射率下降,而在近红外波段却有明显增加。利用光谱分析,可区分3~5级的磷钾营养水平。在田间条件下,由于磷钾的缺乏不严重,有时结果不太一致。

中量及微量元素营养对冠层光谱特征影响的研究还未见报导。由于它们对叶面积、生物量以及叶片叶绿素等生理生化性质的影响与大量元素具有相似性,预计中量及微量元素对冠层光谱特征的影响也具有相似性,但影响程度将会差异较大。

目前,在国外应用的一种田间便携式分光仪可以方便地检测作物的冠层反射系数。用数学方法将几个波长下得到的反射系数进行合并就可以得到作物的“光谱系数”,或称之为探测值。经过优化的光谱系数在作物的拔节期和抽穗期与作物的供氮状况密切相关。利用这种分光仪探测原理,并加以改进而研制的拖拉机机载探测施肥系统已经很成熟。它通过探测系统将作物冠层信息输入计算机,经处理得出作物的需肥情况,计算机通过协调拖拉机步进速度和DGPS(差分GPS)数据,在考虑探测器间距离和施肥区范围基础上控制施肥操作。

作物冠层反射和土壤背景辐射在红外胶片上为不同的辐射显影。照片经计算机处理后,每个像素的色度变化都可以表示出作物反射光线的情况,而作物反射光线特性的变化正是作物营养变化,特别是氮营养状况发生变化的结果。这样分析作物冠层照片就可以准确地分析作物的氮营养状况。Hansen等用高光谱反射分别对小麦的冠层生物量和氮含量进行了研究[22];Daughtry等通过叶片和冠层反射率来预测玉米叶片的叶绿素含量[23];冯雷等应用多光谱技术检测了油菜叶片中叶绿素含量[24]。

3.5 作物病虫害诊断及杂草识别技术

病虫害是影响农作物产量和品质提高的重要因子,及时、准确与有效地检测病虫害的发生时间和发生程度是采取治理措施的基础。

目前,用雷达监测飞性昆虫、孢子捕捉器监测一些作物病原菌、性信息素诱芯或诱饵监测田间鳞翅目害虫以及灯光诱集飞行趋光性昆虫等,都是利用有害生物的习性开发出的相对省工和省时的监测手段。随着遥感和高光谱技术的广泛应用,用光谱和遥感技术来监测作物病虫害的研究也取得了一定的进展。北京农业信息技术研究中心采用高光谱遥感监测小麦条锈病、白粉病和蚜虫,以达到大面积、快速、无破坏的病虫害监测和预测预报的目的。美国利用卫星遥感图片分析监测森林舞毒蛾扩散及危害程度,监测草地蝗虫危害等。中国科学院利用综合航空多光谱数字相机成像系统,监测蝗虫及主要棉花害虫。中科院还利用TM图像遥感监测东亚飞蝗的栖息地芦苇的植被指数和监测蝗灾的动态变化。北京农林科学院利用TM卫星图片监测麦蚜对冬小麦的危害。吴迪等应用光谱和多光谱技术对茄子和番茄的灰霉病进行了早期诊断识别[25,26,27]。

随着人们环境保护意识的提高和对农药残留物的重视,对田间杂草清除的研究也逐渐受到许多学者的重视。杂草-作物区分的研究可分为3种:一是人工区分;二是航空遥感技术;三是光学传感器。人工区分目前是区分作物和土壤背景的最佳方法,但既费时又费力;航空图片虽然可以在短时间内获得作物大范围的图像,但是研究表明杂草密度对图像的可视性有严重的影响[28];基于地面多光谱传感器的研究使得对单种作物—杂草的研究有了进一步的进展[29,30]。Borregaard等研究表明,杂草与作物在几何特征和纹理特征方面的区分率可以达到91%[31]。朱登胜等应用光谱技术结合神经网络模型使作物与杂草的识别率达到100%[32]。

4 结术语

数字农业时空信息 第2篇

数字图书馆的含义很广, 它不是简单的互联网上的图书馆主页, 而是一整套面向对象的、分布式的、平台无关的数字化资源的集合。广义而言, 数字图书馆包括所有数字形式的图书馆资源:经过数字化转换的资料或本来就是以电子形式出版的资料, 新出版的或经过回溯性加工的资料;各类资源类型, 包括期刊、参考工具书、专著、视频声频资料等;各种文件的数字化格式, 从位图形式的页面到经SGML编码的特殊文本文件等。数字图书馆是传统图书馆在信息时代的发展, 是传统图书馆的延续, 它不但包含了传统图书馆的功能, 向社会公众提供相应的服务, 还融合了其他信息资源 (如博物馆、档案馆等) 的一些功能, 提供综合的公共信息访问服务。

农村信息化是国民经济和社会信息化的重要组成部分, 农村信息化是通讯技术和计算机技术在农村生产、生活和社会管理中实现普遍应用和推广的过程, 包括农村信息基础设施建设、信息技术在农业和农村经济与社会事业中的应用, 农村信息资源开发利用和农村信息化人才培养等。农村信息化是社会信息化的一部分, 它首先是一种社会经济形态, 是农村经济发展到某一特定过程的概念描述。它不仅包括农业信息技术, 还应包括微电子技术、通信技术、光电技术等在农村生产、生活、管理等方面普遍而系统应用的过程。农村信息化包括了传统农业发展到现代农业进而向信息农业演进的过程, 又包含在原始社会发展到资本社会进而向信息社会发展的过程中。

在三网融合的背景下, 互联网的主导地位日益凸显, 围绕着互联网打造面向农村的综合信息服务体系, 将在调整农村经济结构, 转变农村经济发展方式方面起到积极的作用。信息化有利于优化资源配置, 提高农业生产管理水平和经营管理水平, 促进农业生产的科学化、效率化。信息化有利于提高农业科技含量, 促进农科教结合, 加快农业生产技术传播和培养农业科技人才。农村经济发展、农业现代化以及农民增收, 都离不开信息化的支撑。

现在农村基本都受农业生产的分散性、时空的变异性、灾害的突变性和农民区域的分散性, 使农民受到地域、空间和时间的限制, 农民对农业科技的渴求和农业科技信息传播相对滞后的矛盾日益凸显。同时随着互联网的迅速发展、计算机功能的增强和农业发展形势的不断变化, 现有的农业科技信息服务模式已不能满足迅猛发展的县域农业和农村经济对科技的需求, 且农业数字信息资源建设大多处于各自独立、相对分散的状态, 缺乏整体性, 造成不同程度的资源浪费和重复建设。因此, 迫切需要建立一个日益完善的农业科技信息服务系统, 充分应用数字化技术、网络技术、通讯技术等现代信息技术改造传统农业, 发挥其在农业科技创新中的支持和保障作用。

数字图书馆由于实现了不受地域、空间和时间限制的资源共享, 使得图书馆跨越了空间的阻隔, 克服了地理位置上的障碍, 冲破了服务对象、服务范围的区域性局限, 进一步拓展了图书馆的服务效率、服务空间和服务能力, 使得其他服务多样化、服务内容知识化。农业数字图书馆就是利用先进的多媒体和网络技术, 把分散于不同地理位置、不同载体形式的农业信息资源以数字化形式贮存, 形成有组织的数据库和知识库。

农业数字图书馆与其他数字图书馆一样, 但是他更加适应农业生产的分散性、时空的变异性、灾害的突变性、农民的区域分散性和市场的多变形势, 其信息存贮和用户访问不受地域限制, 能对外提供高性能的信息服务, 以便在更广泛的空间实现资源共享和高效利用。其内涵不仅仅体现在其数字化资源的建设上, 更应体现在服务上, 即提供个性化服务。个性化服务是指根据用户提出的明确要求或通过对用户个性、使用习惯的分析, 及时、主动地提供用户需要的且以往没有获得的知识资源信息, 并能根据读者对推荐的内容反馈进一步改进推荐结果, 实现了由“收藏型”向“服务型”的转变, 实现了一次文献信息异地查询和高效快速获取, 十分便捷地使人们在任何地点, 以不同的方式、从不同的角度加以利用。随着农业数字图书馆的建设完善发展, 农业数字图书馆将发挥在农业科技创新中的支持和保障作用, 在农村农民生活生产中起到重要作用, 这将会加快推动我国农村信息化建设的速度, 加快社会主义新农村建设。S

参考文献

[1]梁新春, 张艳明.浅析中国数字图书馆的发展现状[J].牡丹江教育学院学报, 2005 (2) .

[2]李道亮.我国农村信息化发展趋势与发展政策[J].中国信息界, 2008.

[3]郑德俊, 等.我国数字图书馆信息安全管理现状[J].现代图书情报技术, 2011 (Z1) .

[4]白岚.农业院校图书馆为“三农”服务刍议[OL].http://www.cnki.con/article/cjfdtotal-nmjx200305054.html, 2012-07-22.

[5]罗洪泽.农村信息化的意义和内涵以及媒体的作用[OL].http://cio.ccidnet.com/art/69/20070413/1061359_1.html, 2012-07-15.

[6]崔淑贤, 赵海泓.农业数字图书馆的延伸服务[J].农业网络信息, 2008, 3.

[7]赵素牌.网络环境下国家农业图书馆信息服务模式的拓展[J].农业网络信息, 2006, 9.

新疆农业供养能力的时空演变 第3篇

粮食安全是国家安全的基础。随着经济和社会的发展、世界总人口的持续增长, 粮食需求量将日益加大, 使人口和资源的矛盾日益尖锐。有关专家和学者对我国粮食生产情况、时空变化以及影响因素等方面进行了相关探究[1,2,3], 角度多倾向于生产方面[4,5]、农业布局方面[6,7,8]和供需平衡方面[9], 但对农业供养能力的量化研究较少。

新疆维吾尔自治区地处中国西北边陲、亚欧大陆腹地, 战略地位特殊, 在国家经济发展总体布局中具有无可替代的重要性, 是实施西部大开发的重点地区、西北的战略屏障、对外开放的门户、战略资源的重要基地之一[10], 也是我国粮食能自我平衡的四大粮食平衡区之一[9]。从宜农后备土地资源[11]、“四大定位”[10]及其“粮食平衡区”[9]的意义来说, 新疆在我国粮食生产上占据着重要地位。

本文以新疆及各地、市、州为研究区域, 从能量角度量化研究区的农业供养能力, 探究其农业供养能力的时空演变, 及其在一定时期内生产的动植物农产品提供的能量能满足多少人的需求, 与当时实际人口比较有富余还是有缺口, 若有缺口主要在哪方面, 找出新疆农业供养方面存在的问题和原因, 为实现新疆农业的均衡发展提出针对性的建议。

2 材料与方法

人们每天从食物中摄取一定量的能量来维持生存与生长, 这些食物主要来自各种农产品, 而各种农产品包含着不同比例的能量。供养能力是指按一定的标准, 各种农产品提供的总能量能养活的人口数。《中国食物与营养发展纲要 (2001—2010年) 》提出的2010年食物与营养发展总体目标 (小康标准) 为:人均每日获得能量2600kcal (即人均年获能量94.9万kcal) [12]。联合国粮农组织 (FAO) 提出粮食自给 (生存标准) 的条件为:人均一昼夜享用2300kcal (即人均每年获能量83.95万kcal) 能量的食物[13]。

2.1 从能量数量角度确定的农业供养能力

从能量数量角度看, 各种农产品提供的能量之间具有互补性和替代性, 因此农产品提供的总能量应是各种具体产品提供的能量之和。一般而论, 农业提供的粮食产出量 (MC) 分为三部分:一部分直接作为食物食用 (M) , 一部分成为粮食损耗 (MW) , 还有一部分间接用于农业成为了饲料用粮 (MF) 和种子用粮 (MS) , 因此农业提供的粮食产品作为食物直接使用的物质量M粮食应为:

然而, 不同粮食产品的损耗和间接使用的比例与系数不同, 其中畜禽与水产养殖可根据畜禽产品、水产品的饲料报酬率计算饲料用粮MF;而种子用粮MS取决于主要粮食作物的播种面积Si:

已有研究成果显示, 我国粮食产后的损失约为9%—16%[14]。本文粮食损耗MW按粮食产量的12%计算, 即粮食损耗系数D=0.12。Bi作为单位畜禽养殖产品的耗粮系数, 其中肉类、奶、水产品耗粮系数取国家统计局的历年成本收益数据的平均数, 分别为2∶1、0.39∶1和1.02∶1[15]。根据历年《全国农产品成本收益资料汇编》[16]确定的主要粮食作物单位播种面积平均用粮111kg/hm2计算, 农业产出最终的M粮食为:

为了具体计算出一定条件下能养活的人口数量, 需计算各种农产品提供的能量总和:

式中, H (t) 为各种农产品提供的总能量;H1 (t) 为植物性农产品提供的总能量;H2 (t) 为动物性农产品提供的总能量;Mi (t) 为某种农产品的物质量;ai为单位该种农产品包含的能量, ai取值参照指方权的文献[17];i为某种农产品, i=1, 2, 3, 4, 5为植物性产品, 分别表示粮食、油料、糖料、蔬菜、水果, i=6, 7, 8为动物性产品, 分别表示肉类、奶、水产。

2.2 从能量组成比例确定的农业供养能力

根据资料[12], 为保障合理的营养物质摄入, 达到小康生活标准, 人均每日获得能量为2600kcal;其中80%能量来自植物性农产品, 20%能量来自动物性农产品, 是一个比较合理的能量与营养物质搭配, 此标准已接近亚洲发达国家居民膳食营养标准。因此, 在从总能量的角度确定农业供养能力的基础上, 进一步考虑能量的组成比例, 探讨农业的供养能力, 应将动物性农产品与植物性农产品分别进行讨论。

式中, P1为植物性产品的供养能力;P2为动物性产品的供养能力;AH1为人均年需摄入的植物性产品提供的能量或营养物质量;AH2为人均年需摄入的动物性产品提供的能量或营养物质量。当植物性农产品和动物性农产品提供能量为8∶2的小康标准下, 植物性农产品和动物性农产品提供的能量应分别为AH1=759200kcal、AH2=189800kcal。Pa为实际供养能力, 若P1, P2>Pa, 则表明动植物农产品均过剩;若P1, P2Pa, P2Pa, 则表明植物性农产品不足, 动物性农产品过剩。

3 结果与讨论

本文数据来源于《新中国六十年统计资料汇编》中的新疆部分[18]和各年的《新疆统计年鉴》[19], 从中获得新疆1955—2011年的总人口、各种农产品产量 (图1、图2) , 并参照了《中国食物与营养发展纲要 (2001—2010年) 》提出的营养目标[12]和主要农产品营养成分[20]。

3.1 新疆农业供养能力的时间演变

从图1可见, 自1955年新疆维吾尔自治区成立, 农业得到迅速发展。除水产品产量外, 主要农产品年产量大幅提高, 其中粮食总产量从1955年的147.02万t增加到2011年的1200.75万t, 增长了8.17倍。新疆粮食生产可划分为四个阶段: (1) 建区初期 (1955—1967年) 。农业基础薄弱, 生产力水平较低, 粮食总产量缓慢增长。自治区重视农业, 尤其在1958—1962年的人民公社和“大跃进”时期大力兴修水利、开荒造田, 农民的生产积极性提高, 粮食总产量不断增长。 (2) 十年动乱时期 (1968—1977年) , 尽管在前一时期粮食播种面积和农村政策相对稳定, 但动乱时期对农业机械的破坏, 粮食总产量变化幅度不大, 在300万t上下波动。 (3) 改革开放后近20年 (1977—1995年) 。改革开放后, 家庭联产承包责任制的实行调动了广大农民的生产积极性, 特别是1993年新疆实行粮食购销体制改革, 由国家粮食部门独家收购经营改为放开经营、多渠道经营, 粮食经营多样化, 使粮食产量持续增长[3], 粮食总产由322.78万t增加到730.16万t, 增长了126%。 (4) 粮食增长稳定期 (1996—2011年) 。除1999—2001年因粮食相对剩余和库存充盈而对农业生产进行了结构性调整[17]、粮食产量略减少外, 其余年份粮食总量稳定增长, 2009年粮食总产量更是突破1000万t。新疆粮食增长主要归结于农业机械、化肥施用和有效灌溉投入的增加。1980—1999年粮食增长中的化肥施用与农业机械贡献率达29.1%;1990—1999年, 化肥和农业机械投入仍是粮食增产的主要因子, 贡献率分别为28.1%、14.6%;同时, 有效灌溉面积增加对粮食增产的效应开始显现, 贡献率为2.4%。2000—2009年化肥施用量和农业机械总动力仍然是粮食增产的主要影响因素, 贡献率分别为16.8%和11.4%[2], 有效灌溉面积对粮食增产的贡献率有较大幅度增加, 增幅为0.7%。此外, 受“毒奶粉事件”影响, 蔬菜、奶类和肉类年产量在2008年大幅减产, 直至两年后才开始回升;其余时期的蔬菜、水果、肉、奶等农产品产量基本处于稳定增长。

由图2可见, 新疆实际人口从1955年的516.73万人增加到1984年的1344.08万人, 年均增长率为5.52%;自1984年实施计划生育后, 年均增长率降到2.38%, 2011年人口为2208.71万人。依据小康标准以及生存标准, 用式 (1) — (3) 计算出新疆1955—2011年主要农产品提供的能量可供养人口数见图2。对比实际人口与可供养人口, 1955年、1959—1962年、1967—1978年新疆的农业综合生产力较低, 以人均每日2300kcal的生存标准, 农业产出不能供养实际人口。此后新疆农业迅速发展, 农业供养水平从1980年开始达到小康标准, 供养能力越来越高, 人民的营养水平也越来越高。由于动物性能量的品质优于植物性能量, 当农业提供的总能量可满足供养需求时, 前者占比增加, 意味着农业供养能力的结构优化。合理的膳食结构为植物性农产品和动物性农产品提供能量配比为8∶2[12], 根据式 (5) 计算植物性农产品与动物性农产品供养能力见图3。

由图3可见, 植物性农产品和动物性农产品提供的能量结构是变化的。1949—1952年、1961—1962年、1968年、1974年, 植物性农产品的供养能力无法满足需求, 其余时期均高于实际人口, 且以一定的速度增长。可见, 新疆植物性农产品的供养能力较高, 为发展畜牧等养殖业和提高人民生活水平提供了有利条件。新疆动物性农产品从1955年的低水平逐步增长到1998年能满足实际人口的能量需求, 而后渐渐高于实际人口。进入21世纪, 植物性农产品和动物性农产品均达到过剩, 且动物性农产品提供能量过剩高于植物性农产品。植物性农产品和动物性农产品的产量和结构特点与变化的原因是:新疆的第一产业比重偏高, 具体表现在农业内部结构单一, 种植业比重偏大。随着国家对新疆投入政策的调整与科技水平的进步, 农业机械化的推广、化肥施用量的提高和有效灌溉面积的增长使农业综合生产效率提高;家庭联产承包责任制调动了农民的生产积极性, 人口控制促进了新疆农业的自给自足。植物性农产品富裕为农业产业结构调整创造了条件, 动物性农产品产量大幅增加。自1980年以来, 新疆农业总供养能力、植物性农产品供养能力、动物性农产品供养能力均能满足新疆人民的需求。

3.2 新疆农业供养能力的空间差异、

根据新疆各地、州、市农业供养能力数据, 利用ARCGIS软件, 分别绘制出2000年、2005年、2010年新疆各地、州、市农业供养能力图 (图4, 见封二) 。由图4可见, 新疆各州市的农业供养能力以及营养分布存在显著的区域差异。根据各州、市供养能力是否达到生存标准与小康标准, 结合自然地理位置, 将新疆分为三个区域[21]:南疆 (包括巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州、喀什地区、和田地区、博尔塔拉蒙古自治州) 和北疆一区 (包括乌鲁木齐市、克拉玛依市、阿勒泰地区、吐鲁番地区和哈密地区) 、北疆二区 (包括昌吉回族自治州、伊犁州直属县 (市) 、塔城地区) 。

从各地、州、市农业供养能力的整体情况来看:在小康标准下, 南疆农业总供养能力能支撑当地的实际人口。然而, 在8∶2的植物性农产品和动物性农产品的营养分配条件下, 南疆地区植物性农产品过剩, 而动物性农产品不足。北疆一区除吐鲁番地区2000年外, 其余地区各时段在2300kcal的生存标准下, 农业供养能力无法支撑当地的实际人口, 植物性农产品和动物性农产品均不足。北疆二区不但达到小康标准, 农业供养能力能支撑当地的实际人口, 而且在8∶2的植物性农产品和动物性农产品的营养分配条件下, 其植物性农产品和动物性农产品均过剩, 存在空间差异的原因可从地理和社会因素等方面探讨。

纵观2000年、2005年、2010年新疆的农业供养能力变化, 除吐鲁番和阿勒泰两处为特殊的区域外, 各地区供养能力总体格局基本不变, 能满足需求的地区连年均能满足当地需求, 不能满足的地区无明显改善。吐鲁番地区供养能力存在波动起伏, 主要是因为该地区自身的农产品产量低, 但交通在新疆属最方便区域, 因此与周边地区的交往频繁, 尤其是农产品贸易, 在满足当地农产品需求的同时形成了一定的依赖性, 因此农业总供养能力呈高低波动;而阿勒泰地区的自然灾害频繁, 2004年遭受冰雹袭击, 2005年遭到草地螟和雪灾, 2006年受到草地螟危害, 2009年遭受严重的汛期地质灾害, 故阿勒泰地区在努力发展农业的过程中呈现波动式增长。

南疆地区以第一产业为主, 第二产业、第三产业较落后, 经几十年的发展, 虽然第一产业比重减少, 但比重仍偏大 (2009年第一产业比重为30.2%) 。随着各州市加大农业结构调整力度, 新的增产技术的运用, 即使南疆的自然环境恶劣, 其总供养能力仍能超过小康水平。尤其是近年来南疆果业发展迅速, 果业在农业综合生产上比重加大, 使南疆地区植物性农产品产量增多, 其植物性农产品供养能力大大提高。然而在产业结构上, 南疆的种植业比例偏大, 养殖业发展差, 动物性农产品供养能力不足。

北疆地区第一产业比重逐年下降, 第二产业占主导地位, 第三产业比重逐步增长, 非农人口比重、工业增加值占GDP比重等城市化指标中占较高水平[22]。同时, 北疆一区自然环境恶劣, 准葛尔盆地年平均气温5—7℃, 阿勒泰、塔城地区为2.5—5.0℃[23];哈密地区春夏多大风, 全年可出现8级以上大风日149天, 定时最大风速37m/s, 对农业有致命危害[24], 农业综合生产效率低下;克拉玛依市全境大部分地区为戈壁荒漠, 土壤盐碱化严重[25]。由于生产投入和其他因素的改变, 对克拉玛依市农业综合生产力没有较大改善, 供养能力处于低水准。

北疆二区种植业和养殖业的发展具有更大的优势, 农业综合生产效率比其他地区高[21]。如塔城地区, 幅员辽阔、物产丰富、宜农宜牧。北疆二区即使农业投入不高, 农业供养能力仍处于较高水平, 且植物性农产品和动物性农产品的供养能力均富裕。

4 结论与建议

由新疆供养能力时空演变可知, 随着农产品产量近50年来的波动式增长, 1982年至今新疆总供养能力已可在小康水平上满足全区的需求, 新疆成为我国可以实现农业自给自足的省份。然而, 自治区内不同地、市、州的供养能力存在差异, 并不是所有地区的供养能力都能满足当地的实际需求。如南疆地区尽管总供养能力能达到小康水平, 但动物性农产品供养能力不足;北疆一区的总供养能力尚不能满足当地生存条件的需求, 植物性农产品和动物型农产品也存在缺口;而北疆二区各方面都存在富余, 明显优于前两区。

为了最大程度地实现各地州市对农产品的供需平衡, 提出以下建议: (1) 抑制人口过快增长。人类生存是需要能量的, 人口增长过快, 对资源的需求加大, 相应地要提高农业的供养能力。抑制人口过快增长, 就能将供养能力的需求控制在可承受范围内, 实现资源供需平衡。 (2) 调整农业产业结构。从新疆的实际情况出发, 发展优势产业与特色经济。从农业布局上来说, 南疆地区应在稳定粮食生产、确保粮食产量的前提下, 调整优化种植业结构, 把发展现代畜牧业作为农业结构调整的突破口;北疆一区应通过推广优良品种, 开发高附加值的特色产品, 逐步实现农产品优质化, 全面提高农产品质量;北疆二区通过农业机械化、化肥施用量以及有效灌溉面积的改善和综合利用, 提高了农业综合生产效率和农产品的产量与供养能力。 (3) 发挥比较优势, 通过各种途径提高各区域农业产出的同时, 以强补弱, 缩小区域差异。南疆地区种植业和林果业发展与北疆一区相比具有比较优势, 而畜牧业与北疆二区相比始终缺乏比较优势, 在南疆地区满足自身需求条件下, 将剩余的植物性农产品补充给北疆一区, 并从北疆二区获得动物性农产品的补给。这样既能减少新疆的农业发展压力, 实现全区的整体均衡, 缩小区域之间的不平衡, 还可将剩余的劳动力用于第二产业、第三产业的发展, 从而加快新疆全区农村经济的增长。 (4) 加强生态保护, 提高农业综合生产效率。保护与改善农业生态环境可提高耕地与草地质量, 维持和提高农业综合生产能力, 保障农牧业的可持续发展。新疆地区耕地、草地资源丰富, 然而属干旱地区, 水资源短缺, 沙漠面积大, 生态环境脆弱。为了农业和人类生存的可持续发展, 应加强生态保护, 合理利用水资源, 提高植被覆盖率, 做好退耕还林还草工作, 防止沙漠扩大;提高耕地质量, 一方面要加强中低施肥量地区的施肥强度发挥化肥的增产潜力;另一方面要适度调整高施肥量地区的施用量, 预防过量施用化肥, 实现化肥资源的优化配置。

摘要：为了了解新疆农业供养能力的时空演变, 按获取能量的不同标准计算了新疆1955—2011年农业供养能力。根据各地农业供养能力的差异, 划分出3个地区:南疆地区总供养能力达到小康水平, 但动物性农产品供养能力不足;北疆一区供养能力不足, 植物性和动物性农产品均存在缺口;北疆二区的植物性和动物性农产品都有富余。为了提高新疆农业供养能力, 需抑制人口的过快增长, 调整农业结构, 以强补弱, 保护生态, 提高农业综合产出。

甘肃省农业水土资源时空匹配格局 第4篇

甘肃省地处我国西部地区,黄河的上游,土地面积约45.44×104km2。由于甘肃省深居西北内陆,大部分地区气候干燥,各地年降水量在36.6—734.9mm之间,水资源利用方式粗放,且区内未利用地广布,因此水土资源短缺现象突出。截至2015年底,甘肃省全省水资源总量303.20×108m3,总用水量121.99×108m3,耕地面积390.48hm2。本研究按照董佩华的划分方法将甘肃省14个市划分为河西(包括金昌、武威、张掖、嘉峪关、酒泉5市)、陇东陇中(包括兰州、白银、天水、平凉、庆阳、定西、临夏7市)、陇南和甘南四个地区,选取2000年、2005年、2010年和2015年为时间节点,在对甘肃省水土资源空间分布格局分析的基础上,构建水土资源匹配测算模型,测度甘肃省四个地区和14个地级市(州)的水土资源匹配系数,并将测度结果进行空间可视化和等级类型划分,再进行水土资源匹配程度及其变化分析。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

水土资源匹配系数指区域内可供农业活动所利用的水资源和耕地资源时空分布上是否匹配的量比关系,重在指出区域水资源和耕地资源在时空分配上的协调及适宜程度[7]。匹配系数越高,区域农业水资源与耕地资源的分布越协调;系数越低,水资源与耕地资源的分布越失衡。市域尺度水土资源测算模型为:

式中,Ri,t为第i个市t年的水土资源匹配系数(万m3/hm2);Wi,t为第i个市t年的用水总量(108m3);αi,t为第i个市t年农业用水占用水总量的百分比;Li,t为第i个市t年的耕地面积(104hm2);n为甘肃省市(州)辖区的数量,n=14。区域尺度水土资源测算模型:

式中,Rt为t年甘肃省水土资源匹配系数(万m3/hm2),αt为t年甘肃省农业用水占用水总量的百分比,其余参数的解释同式(1)。

1.2 数据来源

市域水资源数据来源于2000年、2005年、2010年、2015年的《甘肃省水资源公报》和《甘肃省水利统计年鉴》,耕地数据和人口数据来源于2000年、2005年、2010年、2015年的《甘肃省建设统计年报》和《甘肃省统计年鉴》。

2 甘肃省的水土资源构成及利用

2.1 水资源构成及利用

甘肃省多年平均水资源总量为270.19×108m3,其中,地表水资源量为226.48×108m3、地下水资源量为135.01×108m3,重复计算量91.3×108m3。可见,甘肃省水资源以地表水为主,约占水资源总量的83%。多年农业用水比重均在78%以上,农业用水比例较高。人均水资源量从2000年的854.58m3/人增加到2015年的1173.46m3/人。根据国际人均水资源量标准,甘肃省2000年为重度缺水地区(≤1000m3/人),2015年改善为中度缺水地区(≤2000m3/人)。其中,甘肃省有4个市属于中度缺水地区,两个市属于重度缺水地区,8个市属于极度缺水地区(≤500m3/人),人均水资源量为甘南>陇南>河西地区>陇东陇中。甘肃省水资源的季节变化、分布不均和短缺情况制约着省内农业的发展,关系着农业水土资源的空间匹配状况。

2.2 土地资源构成及利用

甘肃省的土地利用以农林用地和牧草用地为主。2000年底甘肃全省土地总面积达4540万hm2,其中,耕地487.99万hm2、林地387.13万hm2、园地19.10万hm2、牧草地1417.87万hm2、居民点及工矿用地87.01万hm2、交通运输用地5.95万hm2、水利设施用地2.80万hm2。到2015年底,甘肃省的耕地面积比2000年增加了49.89hm2,园地增加了6.76hm2,牧草地减少了825.59hm2,居民点及工矿用地减少了11.92hm2,交通运输用地增加了1.56hm2,水利设施用地增加了1.04hm2。2000—2015年甘肃省耕地面积为先减少后上升,主要是由于实施退耕还林还草项目和推进耕地保护政策。人均耕地面积处于不断减少趋势,从2000年的0.19hm2/人下降到2015年的0.15hm2/人,分布不均,呈现出陇南>河西>陇东陇中>甘南的态势。

3 甘肃省农业水土资源空间分布格局

本研究以甘肃省14个地级市为评价单元,以单位面积水资源量、垦殖率为衡量指标。依据GIS的自然断点法,我们将甘肃省各市按照单位面积水资源量和垦殖率划分为四个等级(图1),进行农业水土资源空间分布格局研究。

甘肃省多年平均单位面积水资源量为6.01×104m3/km2,远远低于全国的平均水平28.41×104m3/km2,可见甘肃省水资源严重匮乏。由图1可知,甘肃省的水资源空间分布不均衡,表现出“南多北少、腹地次之”的主要特点,单位面积水资源总量最高的是陇南地区,为21.79×104m3/km2,最低的是嘉峪关市,为0.33×104m3/km2。甘肃省各市垦殖率空间分布不均,具有一定程度的集聚现象,大体呈现出“南高北低、东高西低”的特点。其中,垦殖率最高的是平凉市34.96%,最低的是酒泉市1.01%。对比图1中的A、B可见,甘肃省水资源与耕地资源的分布存在错位现象,以甘南藏族自治州最为显著,单位面积水资源总量居前列,但垦殖率却是倒数,耕地资源短缺限制了该地区农业发展。甘肃省水土资源空间分布上的错位现象阻碍了农业资源的可持续利用与高效健康发展。

4 水土资源匹配系数测算及其时空变化

4.1 水土资源匹配系数的测算

依据甘肃省各市多年平均水资源量和耕地面积进行数据汇总,通过模型进行计算得到甘肃省及各地区、各市的农业水土资源匹配系数(表1)。由表1可知,甘肃省的水土资源匹配系数呈逐渐上升趋势,但仍低于全国的平均水平(2000年为0.27万m3/hm2、2005年为0.29万m3/hm2、2010年为0.30万m3/hm2、2015年为0.29万m3/hm2),甘肃省人均水资源量约占全国人均水资源量的45%,人均耕地面积大约是全国的1.4倍,水土资源的大格局决定了甘肃省水土资源匹配系数的差异和匹配程度的长期落后。

就甘肃省的分区情况来看,水土资源匹配系数呈现出河西>陇东陇中>甘南>陇南的主要分布特点,且河西地区与陇南地区的水土资源匹配系数相差较大,相差值平均在0.76万m3/hm2以上。甘肃省各市的水土资源匹配系数也相差较大。2000—2015年以来,甘肃省水土资源匹配系数最高的多为酒泉市,最低的一直都是庆阳市,多年相差均在1.05万m3/hm2以上。

4.2 水土资源空间匹配格局及其时空变化

依据表1,将甘肃省各市农业水土资源匹配系数的测算结果进行空间可视化表达,利用GIS的自然断点法将测算结果划分为4个等级。为了同时体现出2000—2015年间各市水土资源匹配系数的升降情况,自然断点时匹配程度的分级统一采用2000年水土资源匹配程度的分级标准:匹配程度极差(0<R≤0.05)、匹配程度较差(0.05<R≤0.24)、匹配程度良好(0.24<R≤0.74)、匹配程度较优(0.74<R≤1.71)。

由图2可知,甘肃省各市农业水土资源空间匹配程度不均衡现象明显,表现出一定的集聚态势,呈现出“西高东低、北高南低”的特点。2000—2015年,甘肃省匹配程度较优的地区位于河西走廊,相比2000年,增加了金昌市。同样,位于河西走廊的武威市由于石羊河流域水资源短缺严重,绿洲面积萎缩,水土资源匹配程度相对较低;匹配程度良好的地区大致位于陇中地区,包括武威市、兰州市、白银市和金昌市。由于金昌市产业结构调整和节水农业发展,2015年匹配程度已变为较优;白银市由于近年来高效节水灌溉工程的建设,2015年匹配程度由较差转变为良好;匹配程度较差和极差的地区主要交叉分布在陇东、甘南和陇南地区,包括定西市、天水市、平凉市、庆阳市、临夏回族自治州、甘南藏族自治州和陇南市,区内水土资源匹配程度出现不稳定现象,时高时低,如平凉市2000年匹配程度为较差,2005年和2010年为极差,2015年则变成较差。

4.3 水土资源匹配差异成因

甘肃省分区来看,呈现出河西>陇东陇中>甘南>陇南的农业水土资源匹配程度分级。河西地区灌溉主要依赖于区内的三大内陆河流域,绿洲成为发展农业的重要基础条件,区内光照充足、热量丰富、土地面积大,历来是甘肃省重要的商品粮基地,也是甘肃最大的灌溉农业区,农业水土资源匹配程度较优;陇东和陇中位于黄土高原西部,为温带半湿润与半干旱区,垦殖率较高、耕地集中分布,是甘肃省农业开发历史最悠久的地区。但由于降水的季节变化造成水土流失严重,加之区内难利用的荒山荒坡面积广布,农业水土资源匹配程度为良好,次于河西走廊区;甘南为高寒湿润区,降水较丰,但区内林草广布、耕地面积少,为甘肃最大的林区,农业水土资源匹配程度较差,次于陇东和陇中;陇南为甘肃省降水最多的地区,水资源总量丰富,但区内地貌复杂、耕地后备资源不足,加之区内不合理的陡坡耕作和盲目滥垦乱伐,水土资源匹配程度极差。

从甘肃省整体看,农业水土资源空间匹配不均衡,原因有:(1)甘肃省水资源的时空分布不均,各地降水量差距较大,且水资源相对短缺,部分地区水资源过度开发,造成水资源承载力的降低。同时,甘肃省各市土地资源丰缺不一、耕地资源好坏程度不一、耕地的后备储备也不同,水资源与耕地资源错位分布造成甘肃省农业水土资源匹配程度的差异。(2)有效灌溉面积比例的巨大差距造成农业水资源利用率的高低各异,也造成了农业水土资源匹配程度的差异。2000年、2005年、2010年和2015年的甘肃省各市有效灌溉面积比例见图3。甘肃省农业水土资源匹配程度与其有效灌溉面积比例相关程度较高。从图3可见,各市有效灌溉面积比例相差巨大,河西五市远远高于其他地区,金昌市2015年显著变高,这是金昌市2015年农业水土资源匹配程度转变为较优的原因。酒泉市有效灌溉面积比例一直都较高,因此农业水土资源匹配程度一直处于较优程度;而陇南和甘南的有效灌溉面积比例一直处于较低水平,因此农业水土资源匹配程度一直都较差。(3)甘肃省农业结构存在不合理现象,现代化程度低,传统高耗水农业比例占优,农业灌溉用水比重一直高于全国平均水平,加剧了水资源的分配矛盾。自2000年西部大开发战略实施以来,耕地资源大规模开发,高耗水农业的长期发展造成地下水资源的过度开发,河西地区绿洲甚至出现萎缩现象,耕地资源出现退化现象,土壤侵蚀和土壤盐渍化现象加剧,降低了土壤的肥力,造成农业水土资源匹配程度下降。近年来高效节水农业发展使农业水土资源匹配程度有所提高,但仍处于低水平,水土资源的合理开发和高效配置以及农业的产业转型工作还需加大力度。

5 结论与讨论

甘肃省水资源相对短缺,多年平均水资源量不足全国的5%,人均水资源占有量不足全国平均水平的1/2;水资源利用结构不合理,农业用水比重较大;水资源空间分布不均,呈现出“南多北少、腹地次之”的空间分布特点。甘肃省人均耕地面积大约是全国的1.4倍,且耕地资源大体呈现出“南多北少、东多西少”的特点。总体看,甘肃省水土资源现状为:耕地资源较丰富,水资源相对短缺,水土资源存在错位分布现象。

2000—2015年甘肃省水土资源匹配系数呈逐渐上升趋势,但仍处于较低水平,2015年水土资源匹配系数为0.254万m3/hm2,低于全国平均水平。从甘肃省分区来看,2000—2015年水土资源匹配系数呈现出河西>陇东陇中>甘南>陇南的分布特点,且河西与陇南地区水土资源匹配系数相差较大,多年都大于0.76万m3/hm2;甘肃省各市水土资源匹配系数大小各异,差距较大,2000—2015年,水土资源匹配系数的格局变化较小,匹配系数最高的多数为酒泉市,最低的一直都是庆阳市,多年相差均大于1.05万m3/hm2。

甘肃省农业水土资源的空间分布不均、有效灌溉面积比例的巨大差距和工农业现代化水平的低下(高耗水)共同导致了甘肃省农业水土资源匹配程度的不均衡现象。水土资源匹配程度形成“西高东低、北高南低”的格局,且呈现出一定的集聚态势,河西地区形成匹配程度较好的集聚区,陇东和陇南形成匹配程度较低的集聚区。2000—2015年空间匹配程度的格局相对稳定,变化较小,匹配程度较优和良好的区域数量略少于匹配程度较差和极差的区域。可见,甘肃省农业水土资源匹配程度水平低下,近年来虽然大力推广高效节水灌溉技术,调整工农业产业结构,但并未从根本上改变现状,今后应继续坚持节水技术推广和产业结构升级,同时注重水土资源的合理开发与保护,因地制宜,逐步实现农业水土资源的高效配置。

受到数据可获取性的限制,本文以甘肃省14个市为评价单元,选取4个时间节点分析了甘肃省各地区及各市的农业水土资源匹配格局与变化情况,但由于各年份各市域内部存在差异,对甘肃省更小评价单元、更长时间序列的研究有待进一步深入。同时,水土资源的匹配程度还受到技术进步(水资源调配工程)的影响,今后的研究还需考虑一些关键要素,如技术要素等。

摘要：以甘肃省市域为评价单元,将其分为河西、陇东陇中、陇南和甘南四区,通过构建水土资源匹配测算模型,对该省2000年、2005年、2010年和2015年农业水土资源空间分布和匹配格局进行分析。结果表明:甘肃省水土资源现状为“耕地资源较丰富,水资源短缺,水土资源错位分布”;2000—2015年农业水土资源匹配系数逐渐上升,2015年水土资源匹配系数为0.254万m~3/hm~2,低于全国平均水平;空间匹配程度形成“西高东低、北高南低”的特点,有一定的集聚态势,总体格局保持稳定。