河南省位于中国中东部、黄河中下游, 地理坐标31° 23'~36° 22'N、110° 21'~116° 39'E。境内地势西高东低、北坦南凹, 山区丘陵面积占44.3%, 平原和盆地面积占55.7%^[18]。2014年河南省国内生产总值达到34 938.24亿元, 比上年增长8.9%, 人均生产总值达37 072元。同期, 人均水资源量仅为265.77 m³, 远低于全国平均水平, 并且受地理位置和气候条件的双重影响, 降水分布不均, 自然灾害频繁。2014年人均耕地面积0.076 hm², 低于全国平均水平, 并且存在耕地利用粗放、后备资源不足等问题。当前河南省既处于蓄势崛起、跨越发展的重要阶段, 又处于爬坡过坎、攻坚转型的紧要关口, 亟须解决水土资源持续利用问题。

数据来源:《河南统计年鉴》(2001— 2015年); 《中国统计年鉴》(2001— 2015年); 《河南省水资源公报》(2000— 2014年); 《河南省环境质量年报》(2000— 2014年); NASA(美国国家航空航天局)提供的MOD13Q1和MOD17A3数据(https://lpdaac.usgs.gov/data_access/data_pool)。

水土资源持续利用是区域经济社会持续、健康发展的基础, 其核心是维护和提升水土资源系统的结构和功能, 协调水资源与土地资源的关系, 提升水土资源利用的经济、社会和生态效益。由于水土资源是一个有机整体, 涉及自然资源禀赋、经济社会、生态环境等诸多因素, 因而在研究中针对河南省水土资源特点, 在借鉴相关研究成果的基础上^{[4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12]}, 根据数据可得性、灵敏性和可量化性原则, 同时考虑三角模型的特点及要求, 从自然资源持续性、经济社会可行性和生态环境合理性3个方面构建指标体系(表1), 共19个指标。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 水土资源持续利用评价指标体系 Table 1 Evaluation index system of land and water sustainable utilization 目标层 Target layer 准则层 Criterion layer 指标层 Index layer 权重 Weight 水土资源持续利用 Land and water resources sustainable utilization 自然资源持续性 Natural resource sustainability (0.342 7) 人均耕地Cultivated land per capita/hm2 0.197 5 粮食安全系数 Food safety coefficient 0.103 0 耕地有效灌溉率Effective irrigation rate of cultivated land/% 0.142 1 用水压力指数Water pressure index/% 0.131 7 产水系数Water production coefficient 0.106 4 人均水资源量Water resource per capita/m3 0.178 9 植被净初级生产力(以碳计)Net primary productivity(NPP)/(g· m-2· a-1) 0.140 4 经济社会可行性 Economic society feasibility (0.308 4) 人口密度Population density/km-2 0.172 4 人均GDP GDP per capita/yuan 0.107 8 城镇化水平Urbanization level/% 0.193 9 万元GDP水耗Water consumption per ten thousand yuan GDP/m3 0.194 3 万元GDP能耗Energy consumption per ten thousand yuan GDP/t 0.211 8 第三产业占GDP比重Tertiary industry proportion in GDP/% 0.119 8 生态环境合理性 Ecological environment reasonability (0.348 9) 水土流失治理率Improvement rate of soil and water loss/% 0.216 7 废水排放量Waste water discharge/(108 t) 0.124 8 超Ⅴ 类水质比重Water proportion worse than Ⅴ category/% 0.113 1 植被覆盖度 Vegetation coverage/% 0.221 4 地均化肥施用量Fertilizer input per hectare/(kg· hm-2) 0.165 8 地均农药施用量Pesticides input per hectare/(kg· hm-2) 0.158 2

表1 水土资源持续利用评价指标体系 Table 1 Evaluation index system of land and water sustainable utilization

自然资源持续性是区域可持续发展的基础, 其中, 水资源和土地资源是最基本的自然资源, 是人类社会赖以生存和发展的基础, 选取人均耕地、人均水资源量、植被净初级生产力(NPP)等指标进行表征; 经济社会可行性主要反映人类社会在发展过程中通过对水土资源的利用促进经济发展、推动社会进步, 具体通过人均GDP、城镇化水平、万元GDP水耗等指标反映; 生态环境合理性是指通过对水土资源的科学、合理利用, 有效维护和改善生态环境质量, 具体通过水土流失治理率、废水排放量、植被覆盖度等指标表征。

1.3.1 三角模型

三角模型是美国农业部根据土壤的砂-粉砂-黏土含量分析土壤类型时提出的一种方法^[19], 可以对3个相互联系的方面进行可视化描述, 并且作为一种直观的平台能够很好地图解综合状况及趋势。由于具有直观性和简明性, 该方法已广泛应用于区域经济发展、资源环境等领域^{[20, 21]}。水土资源持续利用是区域经济社会稳定、健康发展的基础, 其目标是维护和改善水土资源系统的结构和功能, 提升水土资源利用的社会、经济、生态效益。根据水土资源持续利用评价指标体系, 以非自然资源持续性指数(NNRSI, non-natural resource sustainability index)、非经济社会可行性指数(NESFI, non-economic society feasibility index)和生态环境合理性指数(EERI, ecological environment reasonability index)3组相互联系的指数为基础, 通过三角图对3组指数的相互关系进行可视化描述, 从而定量分析河南省水土资源持续利用的状态和趋势。采用Grapher 8.0构建三角图, 得到三角模型(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 水土资源持续利用状态及趋势Fig.1 State and trend of land and water resource sustainable utilization

在图1中, 三角形为等边三角形, EERI位于最高顶点, NESFI位于左下顶点, NNRSI位于右下顶点。X、Y和Z轴分别代表NNRSI、EERI、NESFI, 每个轴沿逆时针方向从0到1。每个轴分别平均分为5个范围:“ 非常低” , 0~0.2; “ 较低” , 0.2~0.4; “ 中等” , 0.4~0.6; “ 较高” , 0.6~0.8; “ 非常高” , 0.8~1.0。同时, 用三角形图表对NNRSI、EERI、NESFI的相对比例结合情况进行说明。将三角形从顶到底细分为5个区域(Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 、Ⅴ ), 分别表示5种水土资源持续利用状态及相应的表现水平(图1、表2)。在三角图中, 根据EERI、NESFI、NNRSI相对比例的变化, 可识别出7个趋势(T1~T7), 分别代表7种水土资源持续利用趋势(表3)。通过计算, 根据不同数据点和数据系列的相对位置关系对水土资源持续利用状态和趋势进行定量分析。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 水土资源持续利用状态评价 Table 2 Evaluation of land and water resource sustainable utilization state 状态 State 指标数值范围 Index value scopes 相对指数值 Relative index value 相对持续状态 Relative sustainable state EERI NESFI NNRSI EERI NESFI NNRSI Ⅰ 0.8~1.0 0.0~0.2 0.0~0.2 非常高Very high 非常低Very low 非常低Very low 很强Very strong Ⅱ 0.6~0.8 0.0~0.4 0.0~0.4 较高High 非常低-较低Very low-low 非常低-较低Very low-low 强Strong Ⅲ 0.4~0.6 0.0~0.6 0.0~0.6 中等Middle 非常低-中等Very low-middle 非常低-中等Very low-middle 一般Fair Ⅳ 0.2~0.4 0.0~0.8 0.0~0.8 较低Low 非常低-较高Very low-high 非常低-较高Very low-high 弱Weak Ⅴ 0.0~0.2 0.0~1.0 0.0~1.0 非常低 Very low 非常低-非常高 Very low-very high 非常低-非常高 Very low-very high 很弱Very bad

表2 水土资源持续利用状态评价 Table 2 Evaluation of land and water resource sustainable utilization state

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 水土资源持续利用状态相对趋势评价 Table 3 Evaluation on relative trend of land and water resource sustainable utilization state 趋势 Trend 变化范围 Moving direction 指数变化相对比例Relative percentage change of index 相对持续趋势 Relative sustainability EERI NESFI NNRSI T1 0~60° ↑ ↓ ↑ 一般持续Fair sustainability T2 60~120° ↑ ↓ ↓ 很强持续Strong sustainability T3 120~180° ↑ ↑ ↓ 一般持续Fair sustainability T4 180~240° ↓ ↑ ↓ 弱持续Weak sustainability T5 240~300° ↓ ↑ ↑ 不可持续Unsustainability T6 300~360° ↓ ↑ ↑ 弱持续Weak sustainability T7 无变化No variation ↑ ↑ ↑ 弱持续Weak sustainability ↓ ↓ ↓ 弱持续Weak sustainability — — — 原始状态Original state “ ↑ ” represented increase; “ ↓ ” represented decrease; “ — ” represented no change. “ ↑ ” 表示增加, “ ↓ ” 表示减少, “ — ” 表示不变。

表3 水土资源持续利用状态相对趋势评价 Table 3 Evaluation on relative trend of land and water resource sustainable utilization state

三角模型具体分析步骤如下:

(1)数据标准化处理

由于评价中涉及指标较多, 并且各指标的量纲不尽相同, 为使各指标具有可比性, 运用功效函数对指标进行标准化处理^[22]。假设水土资源持续利用系统的序参数变量为X_ij(i=1, 2, 3, …, m; j=1, 2, 3, …, n), 其值为x_ij。α _ij、β _ij是系统稳定临界点的序参量的上、下限值。根据协同理论, 水土资源持续利用系统对系统有序的功效函数X_ij可以表示为:

X_ij= xij-βijαij-βij×0.9+0.1, Xij具正功效时αij-xijαij-βij×0.9+0.1, Xij具负功效时。 (1)

式(1)中X_ij为变量x_ij对系统的功效贡献大小, 0≤ X_ij≤ 1。

(2)指标权重确定

指标权重(W)采用客观赋值的熵权法确定, 该方法主要根据各指标传递给决策者的信息量大小确定权重。当熵值较小时, 说明该指标提供的信息量大, 相应的权重也较大, 反之权重则较小, 具体权重见表1。

(3)计算综合指数

采用加权平均法计算自然资源持续性指数(NRSI, natural resource sustainability index)、经济社会可行性指数(ESFI, economic society feasibility index)和生态环境合理性指数(EERI, ecological environment reasonability index), 计算公式分别为:

式(2)~(4)中:NRSI_y、ESFI_y、EERI_y分别是第y个研究对象的自然资源持续性指数、经济社会可行性指数、生态环境合理性指数; W_h是第h个自然资源持续性权重; W_k是第k个经济社会可行性指标权重; W_l是第l个生态环境合理性指标权重。

(4)构建三角模型图

三角模型由3个能构成此消彼长关系的指数构成, 依据公式(2)~(4)选取非自然资源持续性指数(NNRSI)、生态环境合理性指数(EERI)、非经济社会可行性指数(NESFI)作为评价指数, 构建三角模型图。在水土资源持续利用系统中, 非自然资源持续性指数与自然资源持续性指数、非经济社会可行性指数与经济社会可行性指数分别是一对相对的概念, 因此NNRSI=1-NRSI(自然资源持续性指数), NESFI=1-ESFI(经济社会可行性指数), NRSI、ESFI值越大, NNRSI、NESFI值越小。

(5)状态及趋势分析

依据计算的综合指数及建立的三角模型图, 同时结合水土资源持续利用状态相对趋势评价表(表3), 分析水土资源持续利用的具体状态及趋势。

1.3.2 灰色关联分析

灰色关联分析以灰色系统理论为基础, 对系统所包含的相互作用因素之间的关联程度进行定量描述和比较。其基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。该方法对数据分布类型及变量无特殊要求, 且计算简便, 已广泛应用于社会经济、资源环境等领域^{[23, 24, 25]}。由于水土资源持续利用涉及水、土地、生态、环境等诸多因素, 并且各因素的信息存在不确定性和不完全性, 是一个灰色系统, 因而可应用该方法识别水土资源持续利用的主要影响因素, 具体步骤如下。

(1)确定参考序列和比较序列

X_s为比较序列, x_s(ψ )为因素X_s关于第ψ 个指标的数据, ψ =1, 2, …, n; s表示因素代码; X_o为参考序列, 为2000— 2014年河南省水土资源持续利用中NRSI、ESF、EERI指数的加权平均值。

(2)指标初值化处理

为消除指标数据的量纲, 对各指标进行初值化处理, 公式为:

X'= Xxs1= 1, x2x1, x3x1, …, x(n)x1。 (5)

式(5)中:X'为各因素序列的初值像; X_s为系统行为数据列; x_s(1)为数据序列的初始值。

(3)求取关联系数

γ [x_o(ψ ), x_s(ψ )]= minsminψ|xo(ψ)-xs(ψ)|+ζmaxsmaxψ|xo(ψ)-xs(ψ)||xo(ψ)-xs(ψ)|+ζmaxsmaxψ|xo(ψ)-xs(ψ)|。(6)

式(6)中:γ [x_o(ψ ), x_s(ψ )]为关联系数; ξ 为分辨系数, ξ ∈ [0, 1], 一般取0.5。

(4)计算关联系数

式(7)中:γ (x_o, x_s)为参考序列X_o与比较序列X_s的灰色关联度, 若关联度较大, 则该指标是水土资源持续利用的主要影响因素。

根据各指标的标准化数值及其权重, 采用公式(2)~(4)测算河南省2000— 2014年水土资源持续利用的自然资源持续性指数、经济社会可行性指数、生态环境合理性指数(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 2000— 2014年河南省水土资源持续利用的准则层指数Fig.2 Rule layer index of land and water resource sustainable utilization in Henan from 2000 to 2014

由图2可知, 2000— 2014年河南省水土资源持续利用的自然资源持续性指数(NRSI)在0.382 9~0.636 5之间, 均值为0.541 5, 呈上下震荡态势。其中, 2010年自然资源持续性指数达到最高值, 2001年为最低值, 其他年份则在均值上下波动, 主要受区域水土资源禀赋、极端气候等影响。研究时段内河南省人均水资源量、耕地有效灌溉率等不断下降, 产水系数随气候变化波动, 加之用水压力指数大幅增加, 导致自然资源持续性指数震荡波动。经济社会可行性指数(ESFI)介于0.283 3~0.842 9, 总体上呈增加态势, 其中2000年最低, 2014年最大, 且2007— 2014年该指数均超过均值。这是因为随着经济社会的发展, 万元GDP能耗、水耗等持续下降, 而人均GDP、城镇化水平等显著提升。这一结果也从侧面反映了经济发展、社会进步有利于促进能耗、水耗的降低。生态环境合理性指数(EERI)呈波动下降趋势, 其中2000年达最大值, 为0.786 3, 2014年最小, 仅为0.260 6。这说明虽然河南省在经济社会发展过程中较注重生态环境的保护, 但是保护力度仍有待提升。同时, 由于受城镇外延式发展等的影响, 植被覆盖度不断下降。

以河南省2000— 2014年水土资源持续利用的非自然资源持续性指数(NNRSI)、非经济社会可行性指数(NESFI)、生态环境合理性指数(EERI)为样本空间, 运用Grapher 8.0构建三角模型分析水土资源持续利用状态及趋势(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 2000— 2014年河南省水土资源持续利用状态及趋势 A~O分别表示2000— 2014年各年Fig.3 State and trend of land and water resource sustainable utilization in Henan from 2000 to 2014 A-O represented each year from 2000 to 2014

2.2.1 水土资源持续利用状态分析

由图3可知, 2000— 2014年河南省水土资源持续利用状态总体水平不高, 主要位于Ⅲ 、Ⅳ 区域, 在一般持续状态和弱持续状态之间徘徊。具体可以分为3个阶段:第一阶段, 位于Ⅳ 区域(弱持续状态), 包括2000年和2001年, 这一时期虽然生态环境合理性指数较高, 但是非经济社会可行性指数、非自然资源持续性指数达到最大值, 由此导致水土资源持续利用处于弱持续状态; 第二阶段, 位于Ⅲ 区域(一般持续状态), 涵盖2002— 2012年, 该阶段生态环境合理性指数波动下降, 非经济社会可行性指数持续走低, 非自然资源持续性指数呈上下震荡趋势, 主要是由于该时期河南省经济社会进入快速发展时期, 水土资源的消耗进一步加大, 同时环境保护力度加大, 从而表现为一般持续状态; 第三阶段, 位于Ⅳ 区域(弱持续状态), 2013— 2014年, 这一阶段生态环境合理性指数达到最低值, 非自然资源持续性指数不断攀升, 非经济社会可行性指数显著减小, 这主要源于经济社会的持续发展, 对水土等自然资源的消耗加剧, 同时, 大批新建工业项目的上马投产, 导致废水排放量连年攀高, 废水排放量与环境容量相对不足的矛盾没有得到根本缓解, 加上过度开荒以及农药、化肥的过量施用等, 导致生态环境合理性指数表现为最低值, 直接影响到水土资源持续利用状态下降到弱持续状态。

2.2.2 水土资源持续利用趋势分析

根据图2可知, 2000— 2014年河南省水土资源持续利用状态呈现弱持续趋势→ 一般持续趋势→ 弱持续趋势, 其中:非经济社会可行性指数从0.716 7震荡下降到0.157 1, 说明随着河南省经济社会的持续发展, 水土资源利用的经济社会效益不断提升; 非自然资源持续性指数在0.363 5~0.617 1之间波动, 源于经济社会发展对水土资源的利用程度不断增加, 但还未完全实现循环、绿色、持续利用, 从而影响了水土资源自然资源属性的持续利用; 生态环境合理性指数从0.786 3震荡下降到0.260 6, 表明随着经济社会的日益发展, 水土资源开发程度加大, 而生态环境的保护力度相对滞后。

具体地, 2000— 2014年河南省水土资源持续利用状态表现出4个明显的趋势:2000— 2002年呈现T6趋势(弱持续), EERI、NESFI、NNRSI值变化趋势分别为减少、增加、增加; 2002— 2004年呈T3趋势(一般持续), EERI、NESFI、NNRSI值变化趋势分别为增加、增加、减少; 2004— 2010年呈T1趋势(一般持续), EERI、NESFI、NNRSI值变化趋势分别为增加、减少、增加; 2010— 2014年呈T6趋势(弱持续), EERI、NESFI、NNRSI值变化趋势分别为减少、增加、增加。从河南省水土资源持续利用状态演变的4个趋势来看, 2000— 2014年河南省水土资源持续利用趋势呈波动变化, 经历了弱持续趋势、一般持续趋势、一般持续趋势、弱持续趋势4个阶段, 这与河南省水土资源持续利用的状态变化相一致。随着河南省经济社会的转型发展, 水土资源利用方式提升, 相应表现为2000— 2010年水土资源持续利用水平呈持续提升态势, 而2010— 2014年由于受资源和环境约束日益明显, 并且国家加大了宏观调控力度和产业结构的转型升级, 水土资源持续利用水平呈弱持续状态。

为进一步识别影响河南省水土资源持续利用水平提升的主要因素, 基于灰色关联分析模型识别阻碍河南省水土资源持续利用的主要因素, 其中灰色关联度采用2000— 2014年的均值表示(表4)。多数指标的灰色关联度在0.7以上, 表明研究中选取的评价指标与水土资源持续利用水平关系密切。从灰色关联度大小排序来看, 排在前8项的指标依次为植被覆盖度> 耕地有效灌溉率> 人口密度> 地均农药施用量> 水土流失治理率> 地均化肥施用量> 废水排放量> 产水系数。这些指标主要隶属于生态环境系统和经济社会系统。虽然研究时段内河南省的经济社会发展呈现一般持续和弱持续发展态势, 但是当地水土资源粗放利用现象仍较普遍。为实现水土资源的持续利用, 在保持经济稳定增长的同时, 应加快经济社会转型, 进一步优化河南省的经济社会结构, 转变经济社会发展方式, 提升发展质量和效益, 减少对水资源和土地资源的消耗, 实施主要污染物和水土资源消费总量预算管理。通过合理开发、高效利用、综合治理、优化配置、有效保护和科学管理水土资源, 推动水土资源持续、协调利用。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 水土资源持续利用与各指标的灰色关联分析 Table 4 Grey relational analysis between land and water resource sustainable utilization and indices 指标 Index 灰色关联度 Grey relational grade 指标 Index 灰色关联度 Grey relational grade 人均耕地Cultivated land per capita 0.733 5 万元GDP水耗Water consumption per million yuan GDP 0.443 8 粮食安全系数Coefficient of food safety 0.856 4 万元GDP能耗Energy consumption per million yuan GDP 0.626 4 耕地有效灌溉率Effective irrigation rate 0.931 2 第三产业占GDP比例Ratio of third industry to GDP 0.893 7 用水压力指数Water pressure index 0.567 7 水土流失治理率Soil and water loss control rate 0.907 1 产水系数Coefficient of water production 0.898 1 废水排放量Waste water discharge 0.904 4 人均水资源量Water resources per capita 0.893 4 超Ⅴ 类水质比重Proportion of water worse than Ⅴ 0.882 2 植被净初级生产力Net primary productivity 0.759 7 植被覆盖度Vegetation coverage 0.958 0 人口密度Population density 0.911 7 地均化肥施用量Amount of fertilizer per hectare 0.907 1 人均GDP GDP per capita 0.644 6 地均农药施用量Amount of pesticides per hectare 0.910 0 城镇化水平Urbanization level 0.571 5

表4 水土资源持续利用与各指标的灰色关联分析 Table 4 Grey relational analysis between land and water resource sustainable utilization and indices