汾河流域农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合特征及影响因素

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

汾河流域农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合特征及影响因素

张鹏飞^,^a^,^b, 韩佳琦^a, 赵振江^a, 戴燕燕^a^,^b, 刘庚^,^a^,^b, 钞锦龙^a^,^b, 张蕾^b^,^c

a.太原师范学院，地理科学学院，山西太原 030619

b.太原师范学院，汾河流域地表过程与资源生态安全山西省重点实验室，山西太原 030619

c.太原师范学院，经济管理学院，山西太原 030619

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

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

通讯作者: 刘庚（E-mail： liugeng9696@126.com）

收稿日期: 2024-11-04 修回日期: 2024-12-11

基金资助:

教育部人文社科规划基金项目.  19YJAZH066
山西省自然科学研究面上项目.  202303021211186
山西省哲学社会科学规划课题.  2023YY224
山西省留学人员科研资助项目.  2023-159
山西省社科联重点课题.  SSKLZDKT2024111

Received: 2024-11-04 Revised: 2024-12-11

作者简介 About authors

张鹏飞（1983—），男，山西柳林人，博士，副教授，主要研究方向为资源评价与开发E-mail：zhangpf66@163.com , E-mail：zhangpf66@163.com

摘要

探究农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合协调规律，对水资源短缺和粮食生产能力较差的汾河流域具有重要意义。通过构建农业水贫困与粮食生产脆弱性评价指标体系，测算了2007—2021年汾河流域农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合协调度，查明了二者耦合协调时空格局及影响因素。结果表明：（1）研究期内汾河流域农业水贫困显著缓解，水贫困指数由0.349上升到0.384。上游区农业水贫困最严重（0.334），中游区次之（0.356），下游区较好（0.385）；西部区水贫困现象较东部区严重。（2）研究期内汾河流域粮食生产脆弱性无明显差异。上游区粮食生产脆弱性现象严重（0.348），中游区次之（0.379），下游区较好（0.419）。（3）研究期内汾河流域农业水贫困和粮食生产脆弱性耦合协调度无明显变化。耦合协调度总体上呈现北低南高为主、西低东高为辅的空间分布特征。（4）影响汾河流域农业水贫困和粮食生产脆弱性耦合协调度的主导因子依次为单位粮食播种面积用水量、粮食生产农药施用强度、粮食生产机械化水平、粮食作物播种面积占比等，且因子两两交互有增强的效果。

关键词： 农业水贫困 ; 粮食生产脆弱性 ; 时空耦合 ; 驱动因素 ; 汾河流域

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.

Keywords： agricultural water poverty ; grain production vulnerability ; spatial-temporal coupling ; driving factors ; Fenhe River basin

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本文引用格式

张鹏飞, 韩佳琦, 赵振江, 戴燕燕, 刘庚, 钞锦龙, 张蕾. 汾河流域农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合特征及影响因素. 中国沙漠[J], 2025, 45(5): 13-23 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00176

Zhang Pengfei, Han Jiaqi, Zhao Zhenjiang, Dai Yanyan, Liu Geng, Chao Jinlong, Zhang Lei. Coupling characteristics and the driving factors of agricultural water poverty and food production vulnerability in Fenhe River basin， China. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(5): 13-23 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00176

0 引言

在气候变暖、水体污染、人口激增及社会经济发展的多重背景下，水资源短缺已成为全球普遍面临的挑战^［1］。社会经济用水不断挤占农业用水份额，农业用水需求难以满足。人地关系日益紧张，粮食需求的持续增长给粮食安全带来了前所未有的压力^［2］。因此，在资源环境刚性约束下，厘清农业水资源和粮食生产的耦合协调关系，对提高粮食产量、保障国家粮食安全具有重要意义^［3］。

水贫困指数（Water Poverty Index，WPI）概念由Sullivan^［4］提出，之后学者们开展了一系列关于水贫困的研究。农业水贫困是将水贫困理论引入农业生产活动中，更加系统精准地研究农业水资源短缺问题。当前，关于农业水贫困的研究已从传统水文学角度出发，构建了一系列评价体系，包括但不限于作物水分胁迫指数^［5］、农业水贫困指数^［6］、农业水赤字指数^［7］、绿水/蓝水/灰水稀缺指数^［8］和农业水稀缺指数^［9］等。近年来，越来越多的研究把社会能力引入到农业水贫困评价体系，更加丰富了农业水贫困的内涵，使得评价结果更加精准^［10］。粮食生产脆弱性是将脆弱性理论引入粮食生产过程中，用来反映粮食紧缺的风险、摆脱风险的能力及引发的粮食不安全标度^［11］，指在粮食生产过程中受到资源、生态、社会等多重因素影响导致的粮食生产水平下滑^［12］。关于粮食生产脆弱性的研究可追溯到1989年黄朝迎^［13］关注的气候脆弱区（北方冬麦区）气候微小波动对小麦产量的潜在影响。谢立勇等^［14］进一步分析了气候变化对粮食生产系统脆弱性的影响，并提出了加强粮食生产系统敏感性评估能力、适应能力建设的建议。姚成胜等^［15］全面关注了粮食生产脆弱性，还考察了粮食消费脆弱性，通过双重视角的整合，剖析了中国各省份在上述两方面的时空演变特征及耦合协调性变化态势。李长松等^［16-17］从水资源管理的角度出发，分别探讨了水贫困和水资源非农化对粮食生产脆弱性的影响机制，提出了因地制宜提高农业用水效率及粮食生产保障能力的建议。董恺等^［11］从粮食生产脆弱性对农户的影响入手，提出了关注农业脆弱群体的农业活动的建议。罗光强等^［18］研究了数字素养对农户粮食生产脆弱性的影响路径，提出了提高数字素养、降低农户粮食生产脆弱性的策略。综上，关于粮食生产脆弱性的研究形成了从气候变化、水资源管理、农户生计到数字赋能等多维度、多层次的研究体系。

目前关于农业水贫困和粮食生产脆弱性两大领域的研究，评价指标体系构建^{［16-17，19］}、因子权重分析^{［18，20］}、空间演变特征探究^{［16-17，19-20］}以及驱动因素剖析^{［17，19］}等方面的研究相对较成熟；但将农业水贫困与粮食生产脆弱性两者紧密关联起来，以定量方式评价区域农业水资源与粮食生产之间协调适配程度，并深入分析其背后驱动因素的研究仍显不足。

汾河流域作为山西省重要的粮食生产基地，其水资源状况与粮食生产受到了广泛关注。当前，针对汾河流域水资源领域的研究在多个维度上取得了进展，如从环境角度评估了水资源承载力并分析了生态敏感性^［21-22］，从城市化角度评价了水资源管理和利用效率^［23］，从水文学角度测算了汾河流域地表水可利用量^［24］等。然而，针对汾河流域粮食生产领域的研究相对匮乏。此外，现有研究大多局限于水资源或粮食生产的单一视角，而鲜有研究将二者紧密结合，深入探讨它们之间的内在联系与相互作用机制。

综上，汾河流域作为山西省乃至黄河流域的重要粮食生产基地和生态功能区，理顺水与经济社会发展的关系、水与生态系统中其他要素的关系，实现水资源合理利用已成为汾河流域高质量发展的一个关键科学问题。鉴于此，本研究利用汾河流域2007—2021年相关数据，构建了适用于汾河流域农业水贫困和粮食生产脆弱性评价指标体系，分析二者的耦合关联机制，并进一步揭示汾河流域农业水贫困和粮食生产脆弱性的时空分布特征。同时利用地理探测器深入探究影响上述耦合协调关系的主导因素及交互因素的作用规律，为汾河流域实现农业高质量发展提供可行性思路。

1 研究区概况

汾河发源于山西省宁武县东寨镇管涔山脉楼山水母洞，流经忻州、吕梁、太原、晋中、临汾、运城40个县（市、区，图1），在万荣县汇入黄河。汾河全长716 km，流域面积39 741 km²（35°20′—39°00′N、110°30′—113°32′E），约占山西省总面积的25.0%。汾河流域气候为温带大陆性季风气候，全流域多年平均降水量为504.8 mm，地形以山地、平原、盆地为主，土壤肥沃。多年平均水资源量为30.1亿m³，耕地面积26 466.8 hm²，高产田仅占16%，粮食产量占山西省45%，农业产值占山西省的64%，以占山西省27%的水资源与25%土地养育了山西省41.0%的人口。农业生产需水量大，水资源供不应求。

图1

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图1 研究区概况

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Overview of the study area

2 数据来源与研究方法

2.1　数据来源

本研究以汾河流域40个县（市、区）为研究对象，分别构建了农业水贫困（表1）和粮食生产脆弱性（表2）评价指标体系，数据均来源于2007—2021年山西省及各市（忻州、吕梁、太原、晋中、临汾、运城）统计年鉴。缺失数据使用上级行政单元数据替代或用均值法补齐^［22］。

表1 汾河流域农业水贫困评价指标体系

Table 1 Evaluation index system of agricultural water poverty in Fenhe River basin

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	—

注：农业劳动力老龄化率为负向指标，即数值越高，贫困程度越重。

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表2 汾河流域粮食生产脆弱性评价指标体系

Table 2 Evaluation index system of food production vulnerability in Fenhe River basin

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

注：作物成灾率和农业生产资料价格指数为负向指标，即数值越高，脆弱程度越重。

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2.2　研究方法

2.2.1　评价指标体系构建

本文采用了熵权法、层次分析法（AHP）及D-S证据合成理论分别构建了农业水贫困与粮食生产脆弱性评价指标体系^［25-27］。

2.2.2　农业水贫困指数

根据采用以上方法计算的权重值进一步计算农业水贫困指数：

A_{W P} = \frac{w_{r} R + w_{f} F + w_{a} A + w_{u} U + w_{e} E}{w_{r} + w_{f} + w_{a} + w_{u} + w_{e}}

（1）

式中：A_WP表示农业水贫困指数；R、F、A、U和E分别表示资源、设施、能力、使用和环境子系统综合评价得分；w_r、w_f、w_a、w_u和w_e分别代表采用层次分析法确定的各子系统权重。A_WP值越大，水贫困程度越小^［16］。根据该公式计算出汾河流域各县农业水贫困指数，并参考李长松等^［16］的研究使用ArcGIS10.8自然断点分级法，划分为严重贫困区、较严重贫困区、中等贫困区、较低贫困区、低贫困区5个等级。

2.2.3　粮食生产脆弱性指数

根据采用以上方法计算的权重值进一步计算粮食生产脆弱性指数：

F_{P V} = \frac{x_{e} E + x_{s} S + x_{a} A}{x_{e} + x_{s} + x_{a}}

（2）

式中：F_PV表示粮食生产脆弱性指数；E、S和A分别表示暴露性、敏感性和适应性子系统综合评价得分；x_e、x_s、x_a分别代表采用层次分析法确定的各子系统权重。F_PV值越大，表明该地区越不脆弱^［16］。根据该公式计算出汾河流域各县粮食生产脆弱性指数，并参考李长松等^［16］的研究使用ArcGIS10.8自然断点分级法，划分为严重脆弱区、较严重脆弱区、中等脆弱区、较低脆弱区、低脆弱区5个等级。

2.2.4　耦合协调度模型

耦合协调度模型可用来反映两种或者两个以上系统或者系统要素之间的良性相互关联^［3］。依据计算方式^［3］，计算得出汾河流域农业水贫困和粮食生产脆弱性耦合协调度综合得分，并参考李长松等^［16］的研究使用ArcGIS10.8自然断点分级法，划分为低度耦合区、较低耦合区、中等耦合区、较高耦合区、高度耦合区5个等级。

2.2.5　地理探测器

地理探测器是一种用于探测地理要素的空间分异性及背后驱动力的统计学方法，地理探测器q统计量，可用于度量空间分异性、探测解释因子、分析变量之间的交互关系，主要包括因子探测、风险探测、生态探测和交互探测4个部分^［28］。本文利用因子探测和交互探测分析农业水贫困和粮食生产脆弱性耦合协调度背后的驱动因子的作用规律。

2.3　数据统计分析

本研究采用Origin 2021、R语言（4.0.2）对数据进行统计分析，采用单因素方差分析法（one-way ANOVA）检验各区域不同年度（数据后小写字母）及区域间（数据后大写字母）农业水贫困、粮食生产脆弱性及二者耦合协调度的差异显著性（邓肯法，P=0.05）。

3 结果与分析

3.1　农业水贫困时空演变特征

3.1.1　时间变化特征

汾河流域2007—2021年农业水贫困指数总体呈波动上升趋势（表3），表明农业水贫困程度整体上显著改善，年均增长0.0021，贫困等级由2007年较严重贫困提升为2021年的较低贫困，展示出较好的发展趋势。上游区农业水贫困指数年均增长0.0015，贫困等级由2007年的严重贫困升为2021年的较严重贫困，但15年来变化不显著；中游区15年来水贫困程度明显改善，年均增长0.0018，贫困等级由2007年较严重贫困升为2021年的中等贫困；下游区同样改善效果显著，年均增长0.0031，贫困等级由2007年的中等贫困升为2021年的低贫困。总体来看，下游区改善幅度最大，中游次之，上游增幅最小。2007—2009年，上、中、下游区指数均出现起伏，2010—2021年，各区指数均呈上升趋势。多年来农业水贫困指数一直保持下游>中游>上游，且差异明显。

表3 2007—2021年汾河流域农业水贫困指数演变

Table 3 Evolution of agricultural water poverty index in Fenhe River basin 2007-2021

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

注：小写字母表示不同年度间差异显著（P<0.05），大写字母表示不同区域间差异显著（P<0.05）。

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3.1.2　空间变化特征

为研究汾河流域农业水贫困的空间特征，选取2007、2014年和2021年计算了全局莫兰指数（Global Morans's I），得分依次为0.327、0.376和0.362，且P值均通过了10%以下的显著性假设检验。这表明汾河流域各县（市、区）之间农业水贫困呈空间正相关关系，并存在聚集现象，聚集程度为先分散后密集。由图2可知，2007—2021年汾河流域农业水贫困程度持续改善，多数县（市、区）由低等级区发展为高等级区。上游区以低等级区为主，农业水贫困现象严重；中游区以中等级区为主，农业水贫困现象中等；下游区以高等级区为主，农业水贫困程度较轻。另外汾河流域西部区域农业水贫困现象严重，东部区域较轻。总体上呈现北低南高为主、西低东高为辅的分布格局。

图2

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图2 汾河流域农业水贫困的时空格局

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.2 Temporal and spatial patterns of agricultural water poverty in Fenhe River basin

3.2　粮食生产脆弱性时空演变特征

3.2.1　时间变化特征

2007—2021年汾河流域粮食生产脆弱性总体上无明显变化（表4），个别年份出现了波动，脆弱等级无变化。各分区粮食生产脆弱性指数变化不明显，但脆弱等级发生了变化。其中，上游区由2007年严重脆弱提升为2021年的较严重脆弱，中游区由2007年中等脆弱下降为2021年的较严重脆弱，下游区由2007年的较低脆弱升为2014年的低脆弱又回落到2021年较低脆弱。研究期间汾河流域粮食生产脆弱性指数出现起伏，且始终保持着明显的区域差异特征，即下游区>中游区>上游区。

表4 汾河流域粮食生产脆弱性指数演变

Table 4 Evolution of food production vulnerability index in Fenhe River basin 2007-2021

年份	上游区	中游区	下游区	全流域
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

注：小写字母表示不同年度间差异显著（P<0.05），大写字母表示不同区域间差异显著（P<0.05）。

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3.2.2　空间变化特征

为研究汾河流域粮食生产脆弱性的空间相关性，选取2007、2014、2021年计算全局莫兰指数，得分依次为0.569、0.713、0.541（P<0.1）。这表明汾河流域各县（市、区）之间粮食生产脆弱性呈空间正相关关系，存在聚集现象，聚集程度为先密集后分散。由图3可知，2007—2021年汾河流域粮食生产脆弱性涨势微弱，且出现起伏，个别县（市、区）有倒退现象。上游区粮食生产脆弱性现象严重，中游区次之，下游区较好。汾河流域西部脆弱性指数较差，东部区较好。同时，不同程度脆弱性地区存在集聚现象。而位于中游区的太原市集聚程度最低，辖区内差异明显。总体上呈现出北低南高为主、西低东高为辅的分布格局。

图3

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图3 汾河流域粮食生产脆弱性的时空格局

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.3 Spatio-temporal pattern of food production vulnerability in Fenhe River basin

3.3　农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合协调度时空演变特征

为研究汾河流域农业水贫困与粮食生产脆弱性之间的关系，计算了2007—2021年二者间的耦合协调度（表5），结果显示研究期内汾河流域农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合协调度总体上无显著差异，个别年份出现波动，协调等级先由中等耦合降为较低耦合后又恢复为中等耦合。各分区耦合协调度变化也不明显，但耦合协调等级发生了变化，其中上游区由2007年较低耦合提升为2021年的中等耦合，中游区由2007年中等耦合提升为2021年的较高耦合，下游区由2007年的较高耦合提升为2021年高度耦合。下游区耦合协调度较优，中游区次之，上游区最弱。

表5 汾河流域农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合协调度演变

Table 5 Evolution of agricultural water poverty and food production vulnerability in Fenhe River basin

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

注：小写字母表示不同年度间差异显著（P<0.05），大写字母表示不同区域间差异显著（P<0.05）。

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为研究汾河流域农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合协调度的空间相关性，选取2007、2014年和2021年计算全局莫兰指数，得分依次为0.379、0.457、0.452（P<0.1）。这表明汾河流域各县（市、区）之间农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合协调度存在空间正相关关系，且存在聚集现象，聚集程度为先密集后分散。由图4可知，2007—2021年间汾河流域耦合协调等级呈增长的趋势，部分县（市、区）由低等级地区发展为高等级地区。表现为上游区耦合协调度较差，中游区次之，下游区较好；西部耦合协调度较差，东部较好。总体上汾河流域农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合协调水平较低，呈现北低南高为主、西低东高为辅的分布格局。

图4

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图4 汾河流域农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合协调度的空间分布

注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2023）2762号）制作，底图边界无修改

Fig.4 Spatial distribution of coupling coordination degree between agricultural water poverty and food production vulnerability in Fenhe River basin

3.4　农业水贫困与粮食生产脆弱性耦合协调度影响因素

影响汾河流域农业水贫困和粮食生产脆弱性耦合协调度的主导因子由高到低依次为单位粮食播种面积用水量Y₂、粮食生产农药施用强度Y₁₁、粮食生产机械化水平Y₉、粮食作物播种面积占比Y₆、单位面积耕地水资源占有量X₂、粮食生产化肥施用强度Y₁₀、单位粮食产量用水量X₁₂（图5）。这表明在汾河流域的粮食生产过程中，水资源是制约其发展的核心要素，目前汾河流域农业用水效率较低^［29］，导致粮食生产成本高，进而制约粮食生产的可持续性。同时，汾河流域土地资源开发和利用强度大，人类活动干扰强烈^［30］，存在过度使用农药化肥导致的土壤退化和水体污染等问题^［31］，这不仅影响粮食安全，也对生态环境构成威胁^［32］。尽管近年来汾河流域农业机械化水平有所提升，但仍有很大发展空间^［33］，该流域粮食生产仍面临生产效率较低和人力成本高的双重问题。另外，汾河流域存在耕地资源紧缺、播种面积占比较小、粮食生产在农业中的投入占比低等问题。

图5

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图5 驱动因子q值

Fig.5 q-value diagram of driving factor

由于汾河流域农业水贫困和粮食生产脆弱性耦合协调度的复杂性与规律性，其空间分异也受到多因子交互影响，通过地理探测器探测不同因子间相互关系。结果表明，农药施用强度X₁₃与粮食作物播种面积占比Y₆交互作用最强，达到0.886，其次是化肥施用强度X₁₄与单位粮食播种面积用水量Y₂为0.879、年降水量X₁与财政支农强度Y₁₃为0.868、化肥施用强度X₁₄与粮食作物播种面积占比Y₆为0.863（图6）。这表明加大财政支持力度与加快高标准农田与水利设施建设可以在一定程度上提高粮食生产抗风险能力。同时，保障粮食价格、提高农民收入能提高农民种植粮食的积极性，可有效提高汾河流域农业水贫困和粮食生产脆弱性的耦合协调度，实现粮食生产的可持续发展。

图6

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图6 耦合协调度驱动因子交互探测

Fig.6 Interactive detection diagram of coupling coordination driving factors

4 讨论

研究结果表明汾河流域2007—2021年农业水贫困显著缓解，这与李长松等^［16］和牟牧戈等^［34］的研究结果相吻合。主要归因于自2010年国务院正式批准山西省为国家资源型经济转型综合配套改革试验区以来，山西省落实绿色发展、可持续发展理念，注重对水资源的保护与开发^［23］。2012—2021年汾河流域的水资源承载力水平实现了阶段性增长，高质量经济发展水平和高水平水资源保护的协同推进，促使水资源承载力的整体平稳上升^［21］。农业水资源总量增长，利用率提高，农业用水得到有效保障。

汾河流域上游区农业水贫困严重，且在研究期内并无显著缓解，这主要是因为上游区有效灌溉面积和节水灌溉面积占比均低于中下游区，导致水资源利用效率相对较低^［35］。此外，上游区农药化肥的投入量远低于中下游区域，这不仅限制了粮食生产能力的提升^［36］，也使得农民收入普遍偏低^［37］，且在研究期内与中下游区的差距并未明显缩小。中游区农业水贫困程度中等，且研究期内有所缓解，这主要得益于农民收入的持续增长^［37］以及节水灌溉率的显著提升^［38］，两者共同促进了农业水资源利用效率的提高和农业经济的稳步发展。下游区农业水贫困程度较轻，且贫困程度有所缓解，这主要归功于其丰富的灌溉水源确保了农业生产的稳定进行，同时高标准农田建设的不断推进也提升了农田的灌溉效率和产出能力^［38］。

2007—2021年汾河流域粮食生产脆弱性无显著性差异。这与李长松等^［16］针对中国粮食主产区的研究结果存在不一致，可能是由于中国粮食主产区对粮食生产的重视程度高，财政支持力度大，农药化肥使用合理，农业现代化水平高。而汾河流域虽然在山西省农业生产中占据重要地位，但第二产业一直是其主导产业^［39］，且自2000年以来单位粮食播种面积用水量涨幅很小，同时城市化综合指数迅速上升，城市化快速发展，农业劳动人口减少^［23］，导致粮食作物播种面积占比下降。研究期内，粮食播种总面积减少了13.33万hm²。尽管粮食生产机械化水平持续增长，但个别年份受政策影响而支持力度不够。这些因素共同作用，使得汾河流域粮食生产的脆弱性在研究期间并未得到显著缓解。

上游区粮食生产脆弱性严重，但研究期内脆弱程度有所减轻，这主要是由于尽管上游区气候条件相对不利于农业生产^［40］，但研究期内粮食生产机械化水平^［41］和化肥农药利用效率^［36］的提升使得人均粮食产量逐步增长，从而一定程度上缓解了粮食生产脆弱性。中游区粮食生产脆弱性次之，但研究期内脆弱等级无明显变化，这主要归因于中游区人口集中，研究期内城市化迅速推进，导致单位面积耕地水资源占有量的下降和耕地面积减少^［42］，进而影响了人均粮食播种面积和人均粮食产量。相比之下，下游区粮食生产脆弱性较好，且研究期内脆弱等级变化不大，这主要得益于下游区优越的气候条件^［43］和先进的农业现代化水平^［41］。

5 结论与建议

5.1　结论

2007—2021年，汾河流域农业水贫困显著缓解，贫困等级由较严重贫困提升为较低贫困。各区农业水贫困存在显著性的差异，上游区最严重，中游区次之，下游区较好。上游区研究期内农业水贫困无明显变化，贫困等级以低等级区为主；中游区和下游区研究期内农业水贫困显著缓解，贫困等级分别以中等级区和高等级区为主。另外西部区水贫困现象较东部区严重。

2007—2021年汾河流域粮食生产脆弱性无显著性差异，个别年份存在起伏，且脆弱等级没有发生变化。上游区粮食生产脆弱性现象严重，中游区次之，下游区较好，另外西部脆弱性较东部严重。

2007—2021年汾河流域农业水贫困和粮食生产脆弱性耦合协调度无明显变化，但协调度等级经历了中等耦合—较低耦合—中等耦合的变化过程。耦合协调度总体上呈现北低南高为主、西低东高为辅的空间分布特征。

影响汾河流域农业水贫困和粮食生产脆弱性耦合协调度主导因子依次为单位粮食播种面积用水量、粮食生产农药施用强度、粮食生产机械化水平、粮食作物播种面积占比等。

5.2　建议

汾河流域上游区水资源相对匮乏，应完善用水管理制度与水环境保护政策；完善灌溉设施，推广节水灌溉技术，提高灌溉效率；因地制宜，种植节水作物与耐旱耐寒作物；培养农民节水意识，提高节水能力。

中游区严格执行耕地保护政策，确保耕地数量不减少、质量不降低。加强对耕地的监管和保护，防止非法占用和破坏耕地。推广现代农业技术，提高农业生产效率，降低农业劳动强度，应对农业人口减少现象。

下游区可完善灌溉系统，推广节水灌溉技术，加强防洪排涝；加强中低产田的改造和升级，建设高标准农田；引进优良品种，推广测土配方施肥、精准施肥；加强病虫害防控；完善政策支持与保障，建立粮食生产保护区。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

张恩月，苏迎庆，张云枫，等.

汾河流域水土资源耦合协调格局及驱动因素

［J］.中国沙漠，2023，43（3）：169-177.