Coupling characteristics and the driving factors of agricultural water poverty and food production vulnerability in Fenhe River basin， China

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00176

Journal of Desert Research ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5): 13-23.DOI: 10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00176

Coupling characteristics and the driving factors of agricultural water poverty and food production vulnerability in Fenhe River basin， China

Pengfei Zhang^a^,^b(), Jiaqi Han^a, Zhenjiang Zhao^a, Yanyan Dai^a^,^b, Geng Liu^a^,^b(), Jinlong Chao^a^,^b, Lei Zhang^b^,^c

^a.School of Geography Science /, Taiyuan Normal University，Taiyuan 030619，China
^b.Shanxi Key Laboratory of Surface Processes and Resource Ecological Security of Fenhe River Basin /, Taiyuan Normal University，Taiyuan 030619，China
^c.School of Economics and Management, Taiyuan Normal University，Taiyuan 030619，China

Received:2024-11-04 Revised:2024-12-11 Online:2025-09-20 Published:2025-09-27
Contact: Geng Liu

Abstract

Abstract:

Exploring the coupling and coordination laws between agricultural water poverty and food production vulnerability is of great significance for the Fenhe River basin， which faces water shortages and poor grain production capacity. This study constructed evaluation index systems for agricultural water poverty and food production vulnerability in the Fenhe River basin. It calculated the coupling coordination degree between the two from 2007 to 2021 and identified the spatial-temporal patterns and influencing factors of their coupling coordination. The results showed that：（1） During the study period， agricultural water poverty in the Fenhe River basin significantly eased， with the water poverty index rising from 0.349 to 0.384. Spatially， the upstream region experienced the most severe agricultural water poverty （0.334）， followed by the midstream region （0.356）， and the downstream region （0.385）. Additionally， the western region showed more severe water poverty than the eastern region. （2） There was no significant difference in food production vulnerability in the Fenhe River basin during the study period. Spatially， the upstream region exhibited the most severe food production vulnerability （0.348）， followed by the midstream region （0.379）， and the downstream region （0.419）. （3） During the study period， there was no significant change in the coupling coordination degree between agricultural water poverty and food production vulnerability in the Fenhe River basin. Overall， the coupling coordination degree exhibited a spatial distribution characterized by "low in the north and high in the south"， supplemented by "low in the west and high in the east". （4） The dominant factors affecting the coupling coordination degree between agricultural water poverty and vulnerability of food production in the Fenhe River basin are water consumption per unit area of grain sowing， pesticide application intensity in grain production， level of mechanization in grain production， and proportion of grain crop sowing area， etc. Additionally， there is an enhancing effect when these factors interact with each other.

Key words: agricultural water poverty, grain production vulnerability, spatial-temporal coupling, driving factors, Fenhe River basin

CLC Number:

F323.1

Pengfei Zhang, Jiaqi Han, Zhenjiang Zhao, Yanyan Dai, Geng Liu, Jinlong Chao, Lei Zhang. Coupling characteristics and the driving factors of agricultural water poverty and food production vulnerability in Fenhe River basin， China[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(5): 13-23.

Figures/Tables 11

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系统层	系统层权重	指标层	单位	熵权法权重	AHP权重	D-S综合权重	数据来源	缺失数据补齐
资源	0.2159	年降水量X₁	mm	0.4879	0.4357	0.4238	水资源公报	—
资源	0.2159	单位面积耕地水资源占有量X₂	m³·hm^-2	0.5121	0.5643	0.5762	水资源总量/耕地面积	—
设施	0.2512	节水灌溉类机械拥有量X₃	万台	0.8867	0.7231	0.9534	山西省统计年鉴	市级数据替代
设施	0.2512	地均水库库容水平X₄	m³·hm^-2	0.1133	0.2769	0.0466	水库库容/土地面积	市级数据替代
能力	0.2394	节水灌溉率X₅	%	0.0256	0.1269	0.0103	节水灌溉面积/耕地面积	—
		旱涝保收率X₆	%	0.4879	0.3368	0.5213	山西省统计年鉴	市级数据替代
		水利设施投资率X₇	%	0.0215	0.0735	0.0050	水利设施支出/财政支出	市级数据替代
		农村居民人均可支配收入X₈	元	0.4008	0.3561	0.4528	山西省统计年鉴	—
		农业劳动力老龄化率X₉	%	0.0310	0.0852	0.0084	山西省统计年鉴	市级数据替代
		高中及以上劳动力占比X₁₀	%	0.0332	0.0215	0.0023	山西省统计年鉴	市级数据替代
使用	0.1651	有效灌溉率X₁₁	%	0.5652	0.3856	0.4492	山西省统计年鉴	—
使用	0.1651	单位粮食产量用水量X₁₂	m³·t^-1	0.4349	0.6144	0.5508	山西省统计年鉴	—
环境	0.1284	农药施用强度X₁₃	kg·hm^-2	0.6789	0.5000	0.6789	山西省统计年鉴	部分年份数据均值法补齐
环境	0.1284	化肥施用强度X₁₄	kg·hm^-2	0.3211	0.5000	0.3211	山西省统计年鉴	—

系统层	系统层权重	指标层	单位	熵权法权重	AHP权重	D-S综合权重	数据来源	缺失数据补齐
资源	0.2159	年降水量X₁	mm	0.4879	0.4357	0.4238	水资源公报	—
资源	0.2159	单位面积耕地水资源占有量X₂	m³·hm^-2	0.5121	0.5643	0.5762	水资源总量/耕地面积	—
设施	0.2512	节水灌溉类机械拥有量X₃	万台	0.8867	0.7231	0.9534	山西省统计年鉴	市级数据替代
设施	0.2512	地均水库库容水平X₄	m³·hm^-2	0.1133	0.2769	0.0466	水库库容/土地面积	市级数据替代
能力	0.2394	节水灌溉率X₅	%	0.0256	0.1269	0.0103	节水灌溉面积/耕地面积	—
		旱涝保收率X₆	%	0.4879	0.3368	0.5213	山西省统计年鉴	市级数据替代
		水利设施投资率X₇	%	0.0215	0.0735	0.0050	水利设施支出/财政支出	市级数据替代
		农村居民人均可支配收入X₈	元	0.4008	0.3561	0.4528	山西省统计年鉴	—
		农业劳动力老龄化率X₉	%	0.0310	0.0852	0.0084	山西省统计年鉴	市级数据替代
		高中及以上劳动力占比X₁₀	%	0.0332	0.0215	0.0023	山西省统计年鉴	市级数据替代
使用	0.1651	有效灌溉率X₁₁	%	0.5652	0.3856	0.4492	山西省统计年鉴	—
使用	0.1651	单位粮食产量用水量X₁₂	m³·t^-1	0.4349	0.6144	0.5508	山西省统计年鉴	—
环境	0.1284	农药施用强度X₁₃	kg·hm^-2	0.6789	0.5000	0.6789	山西省统计年鉴	部分年份数据均值法补齐
环境	0.1284	化肥施用强度X₁₄	kg·hm^-2	0.3211	0.5000	0.3211	山西省统计年鉴	—

系统层	系统层权重	指标层	单位	熵权法权重	AHP权重	D-S综合权重	数据来源	缺失数据补齐
暴露性	0.3333	单位粮食播种面积劳动力Y₁	人·hm^-2	0.1666	0.2219	0.1405	山西省统计年鉴	—
		单位粮食播种面积用水量Y₂	m³·hm^-2	0.1496	0.2219	0.1262	山西省统计年鉴	—
		人均粮食播种面积Y₃	hm²	0.4057	0.2996	0.4620	山西省统计年鉴	—
		作物成灾率Y₄	%	0.2781	0.2566	0.2713	受灾面积/成灾面积	市级数据替代
敏感性	0.3333	农业生产资料价格指数Y₅	%	0.1145	0.1322	0.0487	山西省统计年鉴	市级数据替代
		粮食作物播种面积占比Y₆	%	0.4253	0.3965	0.5424	山西省统计年鉴	—
		非农业产值比例Y₇	%	0.1110	0.1571	0.0561	市统计年鉴	—
		人均粮食产量Y₈	kg	0.3492	0.3142	0.3529	山西省统计年鉴	—
适应性	0.3333	粮食生产机械化水平Y₉	kW·hm^-2	0.2522	0.1935	0.2659	山西省统计年鉴	—
		粮食生产化肥施用强度Y₁₀	kg·hm^-2	0.1777	0.1780	0.1723	山西省统计年鉴	部分年份数据均值法补齐
		粮食生产农药施用强度Y₁₁	kg·hm^-2	0.1676	0.1780	0.1625	山西省统计年鉴	—
		有效灌溉率Y₁₂	%	0.1090	0.2136	0.1268	山西省统计年鉴	—
		财政支农强度Y₁₃	%	0.2111	0.2369	0.2724	财政支农支出占财政总支出的比重	市级数据替代

系统层	系统层权重	指标层	单位	熵权法权重	AHP权重	D-S综合权重	数据来源	缺失数据补齐
暴露性	0.3333	单位粮食播种面积劳动力Y₁	人·hm^-2	0.1666	0.2219	0.1405	山西省统计年鉴	—
		单位粮食播种面积用水量Y₂	m³·hm^-2	0.1496	0.2219	0.1262	山西省统计年鉴	—
		人均粮食播种面积Y₃	hm²	0.4057	0.2996	0.4620	山西省统计年鉴	—
		作物成灾率Y₄	%	0.2781	0.2566	0.2713	受灾面积/成灾面积	市级数据替代
敏感性	0.3333	农业生产资料价格指数Y₅	%	0.1145	0.1322	0.0487	山西省统计年鉴	市级数据替代
		粮食作物播种面积占比Y₆	%	0.4253	0.3965	0.5424	山西省统计年鉴	—
		非农业产值比例Y₇	%	0.1110	0.1571	0.0561	市统计年鉴	—
		人均粮食产量Y₈	kg	0.3492	0.3142	0.3529	山西省统计年鉴	—
适应性	0.3333	粮食生产机械化水平Y₉	kW·hm^-2	0.2522	0.1935	0.2659	山西省统计年鉴	—
		粮食生产化肥施用强度Y₁₀	kg·hm^-2	0.1777	0.1780	0.1723	山西省统计年鉴	部分年份数据均值法补齐
		粮食生产农药施用强度Y₁₁	kg·hm^-2	0.1676	0.1780	0.1625	山西省统计年鉴	—
		有效灌溉率Y₁₂	%	0.1090	0.2136	0.1268	山西省统计年鉴	—
		财政支农强度Y₁₃	%	0.2111	0.2369	0.2724	财政支农支出占财政总支出的比重	市级数据替代

年份	上游区	中游区	下游区	全流域
2007	0.323±0.050^a	0.341±0.028^c	0.374±0.034^bc	0.350±0.037^c
2008	0.335±0.067^a	0.359±0.042^abc	0.360±0.023^c	0.356±0.041^bc
2009	0.324±0.053^a	0.348±0.036^bc	0.359±0.028^c	0.349±0.036^c
2010	0.325±0.045^a	0.347±0.034^bc	0.373±0.041^bc	0.353±0.040^c
2011	0.329±0.045^a	0.349±0.030^bc	0.381±0.026^abc	0.357±0.035^bc
2012	0.330±0.050^a	0.350±0.033^bc	0.377±0.039^bc	0.356±0.040^bc
2013	0.333±0.051^a	0.350±0.032^bc	0.382±0.037^abc	0.358±0.039^bc
2014	0.333±0.048^a	0.352±0.030^bc	0.391±0.032^abc	0.362±0.039^bc
2015	0.336±0.048^a	0.357±0.033^abc	0.388±0.043^abc	0.364±0.041^bc
2016	0.338±0.048^a	0.359±0.031^abc	0.394±0.041^ab	0.368±0.041^abc
2017	0.337±0.048^a	0.360±0.030^abc	0.394±0.038^ab	0.368±0.039^abc
2018	0.335±0.046^a	0.358±0.029^abc	0.391±0.037^abc	0.366±0.038^abc
2019	0.344±0.046^a	0.368±0.030^ab	0.401±0.039^ab	0.376±0.039^ab
2020	0.344±0.042^a	0.368±0.028^ab	0.403±0.038^ab	0.376±0.038^abc
2021	0.349±0.043^a	0.375±0.028^a	0.412±0.036^a	0.384±0.038^a
均值	0.334±0.007^C	0.356±0.009^B	0.385±0.015^A	0.363±0.040

Coupling characteristics and the driving factors of agricultural water poverty and food production vulnerability in Fenhe River basin， China

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2007	0.347±0.040^a	0.383±0.027^ab	0.417±0.021^abcd	0.390±0.034^abcd
2008	0.343±0.038^a	0.381±0.027^abc	0.418±0.018^abcd	0.388±0.035^abcd
2009	0.328±0.037^a	0.366±0.027^bc	0.399±0.019^d	0.372±0.034^d
2010	0.335±0.039^a	0.373±0.026^abc	0.408±0.022^bcd	0.380±0.035^bcd
2011	0.344±0.038^a	0.379±0.026^abc	0.418±0.022^abcc	0.387±0.036^abcd
2012	0.348±0.038^a	0.382±0.025^abc	0.425±0.026^ab	0.391±0.037^ab
2013	0.359±0.039^a	0.391±0.025^a	0.433±0.024^a	0.401±0.036^a
2014	0.354±0.038^a	0.380±0.026^abc	0.429±0.023^a	0.393±0.037^ab
2015	0.352±0.040^a	0.379±0.027^abc	0.426±0.024^ab	0.391±0.037^abc
2016	0.358±0.043^a	0.387±0.023^a	0.429±0.023^a	0.397±0.035^ab
2017	0.350±0.039^a	0.380±0.026^abc	0.419±0.019^abcd	0.389±0.034^abcd
2018	0.334±0.042^a	0.363±0.025^c	0.404±0.019^cd	0.373±0.035^cd
2019	0.359±0.036^a	0.382±0.030^abc	0.430±0.022^a	0.395±0.038^ab
2020	0.355±0.039^a	0.380±0.032^abc	0.422±0.022^abc	0.391±0.037^abcd
2021	0.351±0.034^a	0.377±0.031^abc	0.417±0.021^abcd	0.386±0.036^abcd
均值	0.348±0.009^C	0.379±0.007^B	0.419±0.010^A	0.388±0.036

年份	上游区	中游区	下游区	全流域
2007	0.577±0.034^a	0.601±0.014^bcde	0.628±0.021^abc	0.607±0.025^abc
2008	0.58±0.039^a	0.607±0.016^abcde	0.623±0.015^bc	0.609±0.023^abc
2009	0.57±0.034^a	0.596±0.014^e	0.615±0.018^c	0.599±0.023^c
2010	0.573±0.031^a	0.599±0.013^de	0.624±0.023^abc	0.604±0.025^bc
2011	0.579±0.03^a	0.602±0.014^abcde	0.631±0.017^abc	0.609±0.024^abc
2012	0.581±0.033^a	0.604±0.014^abcde	0.632±0.025^abc	0.61±0.027^abc
2013	0.587±0.033^a	0.607±0.013^abcd	0.637±0.023^ab	0.615±0.026^ab
2014	0.585±0.032^a	0.604±0.015^abcde	0.639±0.02^ab	0.613±0.027^ab
2015	0.585±0.033^a	0.606±0.016^abcde	0.637±0.025^ab	0.613±0.028^ab
2016	0.588±0.035^a	0.61±0.016^abc	0.641±0.024^ab	0.617±0.028^a
2017	0.585±0.033^a	0.608±0.016^abcd	0.637±0.02^ab	0.614±0.026^ab
2018	0.577±0.034^a	0.6±0.016^cde	0.63±0.019^abc	0.607±0.026^abc
2019	0.592±0.03^a	0.612±0.016^a	0.644±0.022^a	0.62±0.026^a
2020	0.59±0.028^a	0.611±0.015^ab	0.641±0.022^ab	0.618±0.026^a
2021	0.591±0.029^a	0.612±0.016^ab	0.643±0.019^a	0.62±0.026^a
均值	0.583±0.007^C	0.605±0.005^B	0.633±0.008^A	0.612±0.026

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