基于不同地下水下降速度分区的黄淮海平原农户土地利用模式分析

程静怡 孔祥斌* 刘 鑫 雷 鸣

(1.中国农业大学 土地科学与技术学院,北京 100193；2.自然资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100193)

黄淮海平原是我国粮食主产区，近30年来，其粮食产量的提升伴随着地下水资源的高度消耗，形成了世界面积最大和下降速度最快的地下水漏斗区[1]。已有研究表明，农户土地利用是导致黄淮海平原地下水下降的重要因素[2]。从2014年实施耕地休养生息政策开始，休耕措施就主要以调整农户土地利用模式的方式来改善地下水超采情况。而黄淮海平原作为我国较大范围的地下水漏斗区，农户土地利用模式和地下水下降具有明显的空间差异性[3]。因此，探究黄淮海平原不同地下水下降区的农户土地利用模式，对地下水超采区休耕政策的合理制定和高效实施具有重要的意义。

农户作为耕地利用的主体，其土地利用模式与土地用途变更、耕地利用集约度和LUCC(Land Use/Cover Change,土地利用/土地覆盖变化)等密切相关[4]。在农户土地利用模式研究方面，首先大多学者是对农户土地利用模式差异进行研究，如梁流涛等[5]和李翠珍等[6]研究农户土地利用决策和行为，并得出农户类型和农户投入的差异性。也有学者对土地利用行为模式的影响因素进行研究：或侧重于土地利用行为特定的影响因素如政策[7-10]，或侧重于一般因素如内外部环境[11-13]。还有学者对土地利用模式的空间区域差异进行分析，如王鹏飞等[14]和刘洪斌等[15-16]研究发现不同功能区农户耕作意愿、作物类型和农业投入存在较大差异，阎建忠等[17]分析不同生计农户在土地投入和土地利用的农户土地利用模式的个体差异和区域差异。在农户土地利用模式与地下水下降速度关系的研究方面，吴芳芳等[3]研究地下水下降与黄淮海土地利用变化的关系,许月卿等[18]指出农业用水、灌溉方式和作物类型是引起地下水下降的重要因素,张凤娥等[19]阐述了耕地利用对地下水系统水位影响。整体来看，现有的农户土地利用模式研究多是对农户土地利用特征和其影响因素的分析，对于农户土地利用模式空间区域差异的研究还较少，从地下水下降速度分区视角将农户土地利用模式进行对比分析的文献更为少见。将地下水和土地利用进行分析的学者，也多是探究土地利用变化或土地利用类型对地下水变化影响或土地利用对地下水时空变化的响应，对地下水下降速度分区农户土地利用模式差异进行深入的探讨几乎没有。因此，本研究基于Kong等[20]的黄淮海平原地下水下降速度数据，通过对黄淮海平原浅层与深层地下水下降速度的图层叠加和分级，得到黄淮海平原地下水位下降速度分区图。选择与黄淮海平原地下水快速下降区、一般下降区、较慢下降区和无明显下降区相对应的4个黄淮海平原三级生态区——太行山北麓平原、京津唐平原、徐淮低平原和豫东平原进行农户调研，根据4个区域共330份有效农户调查数据，对不同地下水下降速度分区的农户土地利用模式进行分析，探索其空间差异，依据对地下水资源保护与恢复的需求，旨在为黄淮海平原不同地下水下降区的农户土地利用模式调整提供科学建议，加强政府制定保护耕地和地下水政策的针对性，并促进地下水的可持续利用和各区域的协调发展。

1 研究区概况

黄淮海平原作为我国“北粮南调”的重要生产基地和国家的粮仓[21]，面临着水资源匮乏的问题，地表和地下水资源总量仅700多亿m3，单位面积水资源占有量只有中国平均值的1/8，其缺水严重性居全国之首[1]。黄淮海平原春季升温快、蒸发量大和降水少，同时农业用水量增加，春旱严重。本研究将Kong等[20]关于黄淮海平原的浅层地下水和深层地下水下降速度数据标准化，然后通过加权求和叠加分析，其次利用分位法将黄淮海平原地下水位下降速度分为4个不同等级区——快速下降区、一般下降区、较慢下降区和无明显下降区(图1)。其中，地下水快速下降区在黄淮海平原主要的浅层和深层地下水超采区的区域内，如石家庄、邯郸和衡水等,主要包括太行山北麓平原和黄海平原；地下水一般下降区大部分位于黄淮海平原的中部和北部，主要包括京津唐平原、黄海平原以及部分太行山麓平原；地下水较慢和无明显下降区位于黄淮海平原南部和西部沿海地区，因水热条件较其他区域好，故其地下水下降速度较小，主要包括徐淮低平原、皖北平原、胶西黄泛平原以及豫东平原。

图1 黄淮海平原地下水位下降速度分区图

因此，依据我国农业生态区划，选取农业生态三级分区中的太行山北麓平原、京津唐平原、徐淮低平原和豫东平原作为农户调查的调研区域，这4个调研区域分别对应了黄淮海平原不同地下水下降速度分区。其中，太行山北麓平原位于山前冲积平原，海拔在100 m以下，年降水量仅有500～1 050 mm，地表水资源难以满足农业生产需求，是地下水严重超采区。自2014年起，河北省出台一系列政策进行农户耕地利用调整，对地下水资源损耗进行遏制，大多区域处于地下水快速下降区；京津唐平原地处黄淮海平原的北部，西北两侧依太行山和燕山，东南部濒临渤海，年平均降水量为594.6 mm，且年内降水分布不均，冬小麦生长期时降水少[22]，大多区域处于地下水一般下降区；徐淮低平原位于黄淮海平原东南部，该区域地处暖温带，水热条件充裕，是小麦和玉米主要生产基地之一[23]，大多区域属地下水较慢下降区；豫东平原位于黄淮海平原东南部，属半湿润易旱季风气候区，多年平均降水711.9 mm，年际降水分布不均，冬小麦生长期能满足40%～60%需水量，大多区域处于地下水无明显下降区。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及样本特征

主要来自2015年8月的农户调研问卷数据，此外还包括实验室的一些区域基础数据。在问卷设计方面，充分考虑到农户的理解程度和信息接收能力。为了保证数据获取的科学性和有效性，首先，于2015年5月对石家庄、天津、徐州和商丘市等地农户进行预调研，获取不同地下水下降区农户土地利用模式数据，并对预调研的结果进行分析以对调研内容进行修正，使问卷的设置更加符合实际和科学；其次，为了保证数据可用性和样本的可信度，进行调研队伍组织与调研培训，针对不同地下水下降区的基本状况、调研内容、农户访谈技巧和数据记录等对调研人员进行培训；最后，依据整群、分层和随机抽样以及平均分布的原则以保证调研数据的可靠性和科学性，选取研究区域具有代表性的点进行农户调研，调研分组和路线制定考虑区划单元为基本单位。

2.2 研究方法

2.2.1农户耕地利用结构及耕地利用程度

农户耕地利用结构指农户选择种植的作物类型，目前,黄淮海平原地区农户的耕地利用结构主要包括小麦、玉米、水稻和大豆等，故采用种植作物比重来表征，其中种植作物比重是指作物种植面积与总种植面积的比值；耕地利用程度方面，本研究重点分析地下水资源与农户耕地利用方式之间的关系，故采用复种指数与有效灌溉比率来表征。复种指数是农户全年播种作物的总面积与耕地总面积的比值，有效灌溉比率为有效灌溉面积与耕地面积的比值。

2.2.2农户耕地投入强度

农户土地投入表现为农户将资金和劳动力通过一定的物质载体运用一定的投入方式投入到土地中[11]。本研究依据黄淮海平原农户土地投入的特点，选用灌溉来源及次数、种子、化肥、农药和机械动力等指标来表征农户土地投入强度，其中劳动力投入暂不考虑，主要考虑耕地的资金投入。灌溉来源和次数由农户调查可得，考虑到研究区域较大会存在区域差异，故农药、机械和灌溉投入以费用的形式来表征，而种子和化肥的投入既比较投入量差异也比较投入费用差异。灌溉来源主要包括地下水、地表水和无灌溉，表征小麦灌溉情况；种子、化肥、农药和机械动力由农户调研以及计算得出，单位分别为kg/hm2和元/hm2。

耕地利用投入集约度可表征各分区在耕地投入水平上的整体差异性。针对已选指标，首先确定其权重，然后算分区的耕地利用集约度值。本研究采用客观赋值法中的变异系数法来确定指标权重，即在评价指标体系中，指标取值差异越大的指标，也是越难以实现的指标，这样的指标更能反映被评价单元的差异。为了消除各项评价指标量纲不同的影响，以便直接比较其差异程度，需要用各项指标的变异系数来衡量各项指标取值的差异程度。各项指标的变异系数公式如下：

(1)

式中：Vi是第i项指标的变异系数，也成为了标准差系数；σi是第i项指标的标准差；Ai是第i项指标的平均值。

各项指标的权重为：

(2)

式中：Wi是第i项指标的权重。

2.2.3农户耕地利用产出

农户耕地利用产出水平与农业生产收益有直接关系，是耕地利用行为重要影响的内容。本研究主要以冬小麦、夏玉米2种作物的单产作为农户耕地利用产出水平的指标，来表征农户耕地利用产出水平在不同地下水下降分区的差异性。

3 结果与分析

3.1 农户耕地利用结构分析

根据调研样本，不同地下水下降速度分区农户的耕地利用结构差异较大(表1)。地下水快速下降区小麦和玉米种植比例均超过80%，对水资源需求较大；地下水一般下降区小麦、夏玉米种植比例均<50%，主要是因为有38.91%的耕地种植春玉米；地下水较慢和无明显下降区小麦种植比例均>80%，其中地下水较慢下降区由于水热条件较好，有66.45%的比例种植水稻，而地下水无明显下降区夏玉米种植比例也超过75%是由于其区域降水和地表水资源丰富。整体而言，不论是地下水快速下降区、一般下降区、较慢下降区或是无明显下降区均以种植冬小麦或夏玉米这两类种植作物为主，但在水热条件较好的地下水较慢下降区水稻也是其中重要的种植类型。

3.2 农户耕地利用程度分析

根据农户调研，计算出黄淮海平原的平均复种指数值为1.78，最大值为2.00(表2)，黄淮海平原大多都是一年两熟的种植模式，且区际内变异系数较小，表明黄淮海平原耕地利用程度普遍较高。其中，地下水一般下降区因种植春玉米的原因，该分区复种指数较低，且区内的差异也较大；地下水无明显下降区复种指数较其他区域最高，地下水快速和较慢下降区次之，且三者的区内差异均小于地下水一般下降区。

表1 耕地利用结构

注：某作物比重是通过该作物种植面积/总种植面积所得。

Note： The specific gravity of certain crop is obtained from the planted area/total planted area of the crop.

表2 农户复种指数

黄淮海平原灌溉强度整体较高(表3)，有效灌溉比率为0.70～0.95，研究区除地下水快速下降区区内差异较小，其他区域有效灌溉比率的变异系数均在45%左右。地下水快速下降区主要是小麦-玉米一年两熟的种植模式，且该区域降水较少，地下水灌溉是冬小麦和夏玉米等作物生长最直接且最主要的灌溉水源；地下水一般下降区有效灌溉比率的区际差异较大，是由于该区域对农业生产水平的要求不高而造成灌溉设施投入水平不一；此外，地下水较慢和无明显下降区因水热条件较好，故其有效灌溉比率较其他2个区域略低。

表3 农户有效灌溉比率

3.3 农户耕地投入强度分析

1)灌溉来源。根据调研样本分析，黄淮海平原以地下水为主要灌溉来源，地下水灌溉占68.48%，地表水灌溉占20.91%，无灌溉占10.61%，且具有较大的区域差异性(图2)。地下水快速下降区因大部分靠近内陆且降水较少，地下水灌溉是其重要的灌溉来源，地下水灌溉比重占所有灌溉水源的95%以上；地下水一般下降区较地下水快速下降区降水多，其地下水灌溉占75%和地表水灌溉占23.33%；地下水较慢下降区因为充分利用区域降水和地表水资源就可满足耕地作物种植时的水分需要，其地下水灌溉仅占1.67%，地表水灌溉是该区域主要灌溉方式占65.75%，无灌溉占32.88%；地下水无明显下降区虽水热条件较好，但因处于内陆和作物种植习惯的影响，地下水灌溉也占较大比重，其地下水灌溉占87.27%，地表水灌溉仅占3.64%。

2)灌溉次数。根据样本分析(表4)，黄淮海平原冬小麦灌溉次数平均值为2.09次，区内差异明显。地下水快速下降区与地下水一般下降区灌溉次数最多，总体标准偏差与其他分区相比较小，灌溉次数的平均值也相近，分别是3.8和3.4次；地下水较慢下降区由于地表水资源丰富，平均灌溉次数最小，仅为0.50次，但变异系数较大，区域内有较大差异；地下水无明显下降区平均灌溉次数为1.44次。

RD、GD、SD、ND分别为地下水快速下降区、地下水一般下降区、地下水较慢下降区和地下水无明显下降区。下图同。

表4 小麦灌溉次数

图3 土地各要素资金投入

3)土地各资金投入要素。如图3所示，黄淮海平原土地资金投入要素中种子、机械、农药和化肥投入在不同区域间差异较小，耕地总投入的差异主要是由灌溉的投入差异产生。地下水一般下降区是土地投入费用最高的地区，总投入费用为8 712.69元/hm2，地下水无明显下降区是土地投入费用最低的地区，总投入费用为6 577.16元/hm2，各分区投入总体水平差异在2 000元/hm2以内。在土地资金投入各要素之间，化肥投入费用最高，占总费用的35%～40%，其次为机械化投入费用，占总费用的25%～30%，农药费用占比较低，总费用为550～595元/hm2。整体而言，因各地对地下水需求和灌溉来源、次数以及单价不一，各分区灌溉费用存在非常大的差异，灌溉投入是农户耕地资金总投入区域差异的主要原因。其中，地下水快速下降区和地下水一般下降区灌溉投入分别为1 291.03和1 272.13元/hm2，而地下水较慢下降区灌溉投入水平最低，地下水较慢和无明显下降区灌溉投入分别为154.74和371.7元/hm2。

4)耕地利用投入集约度计算。根据数据分析，利用熵权法计算各指标的权重如表5。灌溉投入的权重值最高，为0.38，主要是由于灌溉水平在各个分区的差异很大；化肥的权重值较小，是因分区间化肥的投入水平相较于其他指标分异较小造成。分区间耕地利用集约度值(图4)均>0.5。但分区差异明显，整体呈现地下水快速和一般下降区远大于地下水较慢和无明显下降区。地下水快速和一般下降区耕地集约度>0.8。地下水较慢和无明显下降区的耕地集约度值>0.55。

依据数据统计分析，灌溉水平的差异是造成耕地利用投入集约度区域分异的重要原因。其中，地下水快速和一般下降区灌溉次数多，且灌溉成本费用高，地下水较慢下降区灌溉次数少，灌溉成本费用低。实际上，灌溉水平高低与否是黄淮海平原尤其北部地区是否适宜种植小麦、玉米以及种植作物产量高低的重要条件。

表5 土地投入要素指标权重

图4 耕地投入集约度

3.4 农户耕地利用产出分析

根据样本分析，地下水快速下降区小麦和玉米的产量分别为7 107.56和8 664.34 kg/hm2，且小麦产量的变异系数为研究区域最低值，表示该区小麦产量较其他区域比较均一化，同时不仅其产量是区域间最高，耕地投入集约度也最高；地下水一般下降区小麦和玉米的产量分别为6 244.05和8 224.43 kg/hm2，同时该区域耕地投入集约度也较高；地下水较慢下降区小麦和玉米的产量分别为6 299.11和6 535.71 kg/hm2，小麦和玉米产量为区域间最低且耕地投入集约度也较低；地下水无明显下降区小麦和玉米的产量分别为7 008.62和7 196.65 kg/hm2，虽该区域耕地投入集约度低，但小麦产量为区域间第二、玉米产量为第三。黄淮海平原小麦和玉米每公顷产量的标准差均较大，表明小麦和玉米产量均存在较大的区域差异。

从空间分布上说，黄淮海平原南部地区包括地下水较慢和无明显下降区水热条件利于农业生产，具有很大的粮食提产潜力，而其余地区提升潜力不大，其中部分高投入-偏低产出区域可以考虑降低投入，从而避免资源损耗。地下水快速下降区相较于种植冬小麦，种植春玉米可以有效缓解地下水的损耗，具有较强的生态保护目的。同时，玉米种植期约为5—10月，地下水较慢和无明显下降区具有较好的水热条件，符合玉米的生长环境，相较于地下水一般下降区具有较大玉米提产的潜力。

表6 小麦与玉米产量

5 结论与讨论

采用农户调研法和统计分析法，研究不同地下水下降速度分区农户土地利用模式的空间差异。不同地下水下降速度分区的农户社会经济与政策制度、自然资源禀赋、区域气候特征和农户特征不同，农户在追求的自身需求和目标存在差异，因此不同地下水下降速度分区农户土地利用模式上必然也存在差异。本研究得到以下结论：

1)不同地下水下降速度分区农户的耕地利用结构差异较大。本研究耕地利用结构利用种植作物比重这一指标来表征，虽然不同地下水下降速度分区均以种植粮食作物为主，但其中地下水快速下降区以小麦和玉米为主，种植比例均达85%以上，对水资源的需求较大；地下水一般下降区因热量和降雨等自然及经济因素，冬小麦、夏玉米和春玉米种植比例在40%左右，该区域地下水消耗低于地下水快速下降区；地下水较慢下降区的小麦和水稻种植比例分别为93.54%和66.45%，该区域因地表水资源丰富，可以满足粮食生产需求；地下水无明显下降区小麦种植比例为91.79%，其具有较好的水热条件，对地下水资源的损耗也较小。

2)不同地下水下降速度分区农户耕地利用程度具有很大差异。本研究耕地利用程度用复种指数和有效灌溉比率进行表征，4个区域复种指数和有效灌溉比率的均值分别为1.37～1.92和0.70～0.95，因为黄淮海平原耕地大多都是一年两熟的耕作制度。在复种指数方面，除地下水一般下降区因种植春玉米而复种指数较低，其他区域复种指数均在1.88以上，且区内变异较小；在有效灌溉比率方面，不同地下水下降速度分区由于各省市灌溉设施投入水平不一均存在较大的区域间差异，其中地下水快速下降区和地下水一般下降区有效灌溉比率>0.85，而地下水较慢下降区和地下水无明显下降区因降水和地表水丰富，有效灌溉比率较低。

3)不同地下水下降速度分区农户耕地投入强度和产出存在很大差异。地下水快速下降区和地下水一般下降区主要以地下水灌溉为主，相应的灌溉费用投入较其他区域高；而地下水较慢下降区地表水和降水充足，以地表水灌溉和无灌溉为主；地下水无明显下降区虽降水较多，但因处于内陆，仍以地下水灌溉为主，故而其灌溉投入会略高于较慢下降区。黄淮海平原各要素资金投入在灌溉投入上差异明显，这与地表水资源、降水的空间分布不均有较大关系，通过计算耕地利用投入集约度，发现灌溉次数和灌溉费用的差异是造成耕地利用投入集约度差异的主要原因，故地下水快速下降区与地下水一般下降区相较于另外2个区域的耕地利用集约度较高。分析不同区域冬小麦和夏玉米的产量时，地下水快速下降区小麦产量最高，区域内粮食产量均一化，是高投入高产出类型区；地下水一般下降区和地下水较慢下降区均为玉米高产区和小麦低产区，不同的是地下水一般下降区耕地利用集约度较高，属于高投入偏低产出类型区，而地下水较慢下降区虽有丰富的水热条件但属于低投入低产出类型区，有较大的粮食生产潜力；地下水无明显下降区则是低投入偏高产出类型区。

根据以上结论，目前政府在地下水超采区实行休耕轮作的耕地资源休养生息战略试点，在政策制定时需要考虑不同地下水下降速度分区的差异，充分发挥农户土地利用模式区域差异在改善地下水下降状况和耕地地力保护的作用。因此，针对黄淮海平原地下水漏斗区的现状，有如下政策启示：一是在地下水快速下降区应在保证粮食安全的前提下减少小麦这类高耗水型粮食作物的生产规模而改种植其他耗水较少的经济作物或粮食作物，进而减少地下水资源的耗费；二是对于地下水一般下降区，应改良种植结构，使种植作物符合该区域的资源优势，避免因种植收益低或其他市场需求造成的劳动力流失；三是地下水较慢下降区应调整耕作制度，努力实现土地的集约化，进而提高土地投入的效率，挖掘该区域的集约利用发展空间和粮食生产潜力；四是地下水无明显下降区应凭借较好的资源禀赋优势调动农户的积极性，一方面确保粮食安全，另一方面可发展特色农业，从而增加农民收入渠道并提高农民收入。

依据调研数据对农户土地利用模式特征进行了定量分析，但因受到当前统计资料和其他数据的影响与制约，未对农户土地利用模式区域差异的驱动因素和更深层次的农户土地利用模式、需求与目标进一步的分析与研究，同时也还未将地下水下降数据与农户土地利用模式数据构建模型进行多因素比较分析。后续也会就上述进行深入研究，从农户视角出发，对农户从兼业型和纯农户等进行分类，结合自下而上的反馈分析农户土地利用模式差异造成的地下水资源损耗的明显空间差异性，用计量模型分析地下水与农户土地利用的联系，为黄淮海平原不同地下水下降速度分区的耕地资源休养生息战略的具体制定和实施提供科学的参考意见。