北京市水土资源匹配时空模式研究

王 妍，雷晓辉，张 玉，崔 娜

（1中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2北京市水利自动化研究所，北京 100036；3中国测绘科学研究院，北京 100036；4陕西省地质科技中心，西安 710054）

0 引言

水资源和土地资源作为农业发展的必备要素，都将或多或少地影响区域农业的发展水平[1-2]。研究水土资源之间的匹配关系及特征规律，可以为水土资源的优化配置提供科学依据[3-4]，也能够为农业发展趋势预测提供技术支撑。

国外关于水土资源的研究，多侧重两者的内部机理即交互作用和反馈作用等[5]。而国内在水土匹配方面的研究较多，其研究方向大致可以分为两类：其一是定量地描述二者匹配状况，比较常见的有水土匹配系数[6]；其二是探索两者匹配格局的不均衡程度，如通过基尼系数来反映[7]。2种方法计算原理大不相同，结果也各有侧重，前者可以直观地反映一个地区水土资源的匹配程度，而后者用于识别资源在空间分布上的不均衡性。

水土资源匹配方面的研究成果颇为丰富，但少有研究考察水土匹配度与经济的关系[8-11]。

基于此，本研究在分析水土资源时空匹配情况的基础上，将水土资源匹配情况与当地的农业经济两者做相关性分析。

1 研究区概况

北京市位于华北平原北部，下设16个市辖区，总面积为16410.54 km2，其中山地面积约占全市土地面积的2/3，平原面积约占1/3，地势总体呈西北高东南低。

据2018年北京区域统计年鉴，耕地216345.4 hm2，耕地面积仅占全市总面积的13.18%；建设用地以城镇村及工矿用地为主，占土地总面积的18.68%。

根据2018年北京市水资源公报，2017年全市总用水量为39.3亿m3，其中生活用水18.4亿m3，环境用水13.4亿m3，工业用水 3.3 亿m3，农业用水4.2 亿 m3，占11%。

从图1可以看出：2009—2015年间，水资源和耕地面积都呈现下降的趋势。其中农业用水资源量逐年下降，在2012—2013年下降幅度略低于往年，这可能是由于2012年降雨量突然增多，各行业用水量也随之有所增加；而耕地面积下降的幅度更大，这与城市功能调整和城市化进程有关，2012—2013年间耕地面积小幅回升，可能与当年的土地政策有关。

图1 北京市水土资源动态变化图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

选取北京各区级2009—2015年的水资源总量、农业用水量、耕地面积、第一产业增加值等系列资料，所有数据均来源于北京市历年水资源公报[12]、北京区域统计年鉴[13]和北京统计年鉴[14]。

2.2 水土匹配

水土匹配系数，反映特定区域内农业生产可支配的水资源量和耕地资源的时空适宜的量化关系。水土匹配系数越大，意味着能够用于该区域的农业水资源就越丰富，对区域内耕地的满足程度就越高、越有利于耕地的粮食生产；反之亦然[15]。

关于水土匹配系数的计算方式如式（1）所示。

基尼系数有多种算法[16]，本研究采用如式（2）所示[17]。

式（2）中：Mi为第i个市辖区的农业水资源量累计百分比；n为市辖区个数；Pi为第i个市辖区的耕地面积累计百分比。

2.3 空间自相关系数

空间自相关系数的计算方式有多种，其中Moran指数较为常用。其是由Anselin提出，计算方法如式（3）所示[18]。

式（3）中zi为对象i的z值（在本研究中指水土匹配系数）；为研究区z的均值；zj为z变量的所有其他区的值（j≠i）；wij为区i与j之间的权重，本研究中根据对象之间空间关系来确定（采用反距离权重，即两地间距离的倒数）。Ii取值范围为-1到1，越接近-1，则代表区际间的差异越大或者分布越不集中；越接近1则代表区际间的关系越密切，性质越类似；接近0则代表单元间不相关。

3 结果与分析

3.1 水土资源匹配动态变化

根据上述计算方法，对全市的水土匹配系数进行计算，2009—2015年北京市水土匹配情况见表1。

表1 北京市水土匹配情况动态变化

从上表中可以看出：全市的水土资源匹配系数，低于全国平均水平，且变化略大；而基尼系数，年际变化不大，并且一直处于“比较平均”的状态。

水土匹配系数定量描述了水资源与耕地资源之间匹配状况。2009—2015年间北京市一直处于一种水土资源匹配较差的状态，水土资源匹配系数的平均值为2702.14 m3/hm2，略低于全国平均水平。2009—2012年，短短几年时间该系数从1721到4000 m3/hm2之间波动，2009年开始水土匹配系数逐年上升，2012年由于降雨的增多导致水土匹配系数达到一个小峰值，之后该系数锐减。

例如2009年为枯水年份，而2012年汛期雨量偏多，降水量比多年平均值多21%，导致水土匹配系数从2009年的2898 m3/hm2增大到2012年的3939 m3/hm2，原因是多年来北京市耕地资源具有相对稳定性，但水资源受降雨天气等因素具有随机变化性，因而导致水土匹配系数变化较大。

基尼系数反映出来的是水资源与耕地资源之间匹配的不均衡状况。2009—2015年北京市水土资源匹配基尼系数平均值为0.26，多年来呈小幅波动、总体稳定趋势，都稳定在合理范围之内，水资源与耕地资源匹配组合比较均衡。

3.2 水土资源匹配的时空分异性

全市各区水土匹配系数空间格局，如图2所示。

图2 全市各区水土匹配系数空间格局

从图2可以看出，东南部地区水土匹配情况较好，而西北部和东北部较差，中间地区一般。除城六区外，全市水土匹配情况总体呈现条带状分布。

此次，为了直观研究全市16个市辖区水土匹配情况的空间集聚状况，本研究计算了2009—2015年全市水土匹配系数的Moran’s I指数，结果多年的平均值为-0.027，且结果并不显著。也就是说，北京的水土匹配情况并不具有高度的集聚性和非均质性。

究其原因可能是：（1）土地资源，Moran’s I指数是-0.159，在城市外围市辖区中，门头沟、昌平、延庆、怀柔、密云和平谷的山区面积都高达60%，房山的山区面积也高于1/3，山区可用于耕种的土地面积远不及平原；（2）水资源配置情况，农业用水的Moran’s I指数是0.215，北京市在农业用水方面的基本政策是，按需分配，并以历史用水情况作为参考；（3）各区的农业政策和产业结构各自为政，在实际中各区根据自身实际情况和优势，发展了各自的特色农业。

建议：各地因结合自身优势，因地制宜，积极探索挖掘土地的最大潜力。

3.3 水土匹配情况与农业经济的相关性分析

水土匹配情况与农业增加值之间的关系，如图3所示。

图3 北京市水土匹配情况与农业经济关系图

从图3可以得出：用水结构的变动与经济社会发展息息相关，图中蓝色和红色虚线分别代表水土匹配系数和农业经济的平均值，以各自的平均值为基准，水土匹配程度高的，其农业产业增加值就高；反之亦然。除昌平和密云区外，其他各区两者的变化趋势同步。两者相关系数是0.57，P＜0.05具有统计学意义。

2009—2015 年北京市各辖区的水土资源匹配系数变化具有明显的差异性，大兴、顺义和通州的水土匹配系数均大于4000 m3/hm2，而城六区仅有475 m3/hm2；而各区的农业GDP差距也非常显著，大兴和顺义的农业经济收入超过40亿元，而城六区和门头沟的农业收入不足10亿元。

城市的产业布局和用水变化息息相关。近年来伴随着北京城市化进程、城市人口增加、环境污染问题加剧等现实问题，各方在积极调整其城市功能，其中农业结构发生的改变有利于节水型农业发展，有效降低农业用水量。农业在经济发展中的地位也发生了变化，农业的经济功能不断向社会及生态功能转变，不断满足市民的观光休闲、娱乐和保护生态的功能逐渐上升为主导地位。

4 结论

水土匹配系数不仅可以用在区级尺度上进行横向比较，将不同区作为研究对象分析个体之间的空间差异性，还可以将北京市总体与每个区的水土匹配系数进行纵向对比。通过分析北京市水土资源分布的基本状况，评估北京市及其16个区2009—2015年水土资源匹配的均衡程度，可以发现：（1）2000—2014年北京市水土资源匹配基尼系数平均值为0.29，表明全市水土匹配状况总体比较均衡。（2）北京市水资源量相对短缺，部分地市水土匹配均衡程度不够理想。2000—2014年北京市各地市多年平均水土匹配系数为3080 m3/hm2，南部和东部水土匹配状况较优，而北部和中西部地区水土匹配状况较差。

水土匹配情况和区域经济叠加后分析得出：二者存在统计学意义上的相关性，两者的相关系数不高，可能的原因是：（1）农业增加值尺度相对较大，同样一个单位的耕地面积，种植出来的农作物所带来的价值是不一样的，如单位农田上生长出来的玉米的价格和草莓（或其他经济作物）的价格差距甚大；（2）不同作物的需水量也是大不相同的，一个单位面积的农作物，如水稻和谷物在全生育期总需水量明显不同。