探讨农业水资源安全与粮食生产能力在水源地区之间的权衡：以中国汉江流域为例

《International Journal of Agricultural Sustainability》：Exploring the trade-offs between agricultural water security and grain production capacity in water source areas: a case study of the Han River Basin, China

农业水资源安全与粮食生产能力耦合协调机制研究——以汉江流域为例。通过构建17项指标的四维驱动机制分析框架，采用四象限模型、耦合协调度模型和障碍度模型，系统评估2010-2021年汉江流域19个县市的发展协调度。研究发现：农业水资源安全指数从0.204增至0.233，粮食生产能力指数从0.295增至0.324，但前者持续滞后于后者；耦合协调度整体处于0.4-0.6的轻度失调阶段，区域差异显著；水利建设支出（60.8%）、农业水资源量（20.93%）和抗旱防洪保障面积（13.5%）是主要制约因素。研究提出核心粮食产区、农业优势区和生态保护区三类功能区划策略。

　　随着工业化和城市化的快速发展，以及极端天气事件的频繁发生，粮食生产面临着日益严峻的资源约束。全球约有一半的人口生活在水资源紧张的地区，预计到2050年，全球粮食需求将增加约60%，而淡水资源的短缺将成为实现这一目标的重要制约因素。与此同时，人口增长、土地资源有限性和水资源供需矛盾之间的日益加剧，显著影响了粮食生产的可持续能力。由于农业用水在粮食生产中占据重要地位，农业水资源安全成为保障粮食安全和提升整体生产能力的关键。然而，在耕地资源有限的背景下，一些旨在确保农业可持续供水的措施可能会产生矛盾。一方面，耕地稀缺使得充足的灌溉水源对粮食生产至关重要；另一方面，农业灌溉用水需求的上升对农业水资源安全构成了严峻挑战。这种矛盾在汉江中下游地区尤为明显，该地区既是南水北调中线工程的水源地，也是中国重要的粮食生产基地。

农业水资源安全指的是农业生产系统能够在不同条件下可持续地获得充足、高质量且时空分布合理的水资源，以满足粮食生产需求并维持农业生态系统的稳定。其核心在于水资源供应的可靠性、可及性和可持续性。粮食生产能力则指特定区域在一定时期内通过有效配置各种生产要素，能够实现一定产量的潜在能力，反映了农业生产系统的综合效率和可持续发展水平。农业水资源安全和粮食生产能力之间并不存在简单的线性因果关系，而是两个相对独立但紧密相关的复杂系统。基于耦合协调理论，这两个系统通过物质流、信息流和能量流相互作用，表现出耦合和协调的特征。耦合程度反映了两者相互影响的强度，而协调程度则体现了其同步发展和兼容性。作为南水北调中线工程的水源地和国家重要的粮食生产基地，汉江中下游地区的农业水资源安全与粮食生产能力之间的耦合协调关系不仅影响区域农业的可持续发展，也关系到国家水资源安全和粮食安全战略的实施效果。

本研究基于汉江流域的特殊背景，构建了一个四维驱动机制分析框架，即“资源禀赋—制度环境—技术进步—政策驱动”。资源禀赋维度源于水源地的资源约束现实，南水北调中线工程的实施从根本上改变了汉江流域的水资源格局。上游的水资源调配导致中下游地区可用水资源总量减少，使得自然禀赋约束成为影响农业发展的主要因素。同时，流域内降水时空分布不均和年际变化显著，进一步加剧了水资源禀赋的约束效应。制度环境维度源于多重制度约束的叠加，水源地必须实施最严格的水资源管理制度，包括总量控制和用水效率管理。作为重要的粮食生产基地，该地区还承担着保障国家粮食安全的责任，需落实粮食生产目标责任制。这种多重制度约束形成了复杂的制度环境。基于多层级治理理论和制度复杂性理论，制度环境深刻影响着农业水资源安全与粮食生产能力之间的耦合协调关系，通过影响交易成本、激励结构和资源配置效率。

技术进步维度源于农业节水与增产的双重技术需求。在水资源调配的背景下，汉江流域需要寻求减少用水与提高粮食产量之间的平衡，迫切需要协调推进节水与增产技术。传统的高耗水农业生产方式已无法适应新的资源约束条件，必须依靠技术创新来实现“节水不减产、节水促增产”的目标。基于定向技术变革理论，资源约束引导技术进步的方向，推动节水农业技术的发展和应用。政策驱动维度源于重大国家战略的政策传导需求。多项政策如南水北调工程、长江经济带发展、乡村振兴战略和国家粮食安全战略在实施过程中相互叠加，产生了强烈的政策推动效应。不同政策目标之间既有协同关系，如生态保护与可持续发展，也有潜在冲突，如水资源调配与农业用水需求。这种多重政策叠加的特点使政策驱动成为影响农业水资源安全与粮食生产能力耦合协调关系的重要外生变量。

通过系统性的结构分析和功能划分，不仅明确了各子系统在四维驱动机制中的定位和作用，还为构建科学合理的评价指标体系提供了清晰的框架基础。每个子系统具有相对独立的功能特征，但通过复杂的互动关系形成一个有机统一的整体，共同决定了农业水资源安全与粮食生产能力的耦合协调水平。这种结构分析有助于更深入地理解农业水资源安全和粮食生产能力之间的关系，为政策制定和区域协调发展提供理论支持。

研究区域主要集中在南水北调中线工程的水源地，即丹江口水库的中下游地区。该区域具有亚热带湿润季风气候特征，气温温和，四季分明，阳光充足，雨热同期，无霜期较长。年均气温约为15.9°C，年均降水量约为800毫米，年均蒸发量约为1979.1毫米。近年来，受气候变化影响，干旱频率增加，降水量减少，气温上升，水体蒸发增强。研究区域是南水北调中线工程的重要水源保护区，土地利用主要为森林和农业用地。为保障水源地生态环境，政府实施了多种生态修复项目，如将农田转为林地或草地。2007年至2017年间，研究区域的耕地面积持续减少，主要转化为林地、草地或建设用地，特别是在水库附近。作为南水北调工程的水源地，相关部门采取了一系列措施确保流域水质安全，包括加强水行政执法和岸线管理，控制水土流失，关闭高污染、高能耗企业。因此，该地区的水质一直达到或超过地表水二级标准。

研究方法主要包括数据标准化与指标权重计算、四象限模型、障碍度模型、耦合协调度模型和相对发展度模型。首先，通过熵权法对19个县市的农业水资源安全和粮食生产能力指标进行了综合评估。考虑到不同数据具有不同的维度和变异系数，采用数据标准化处理以消除维度偏差和系数影响，采用范围标准化技术将原始数据归一化到[0,1]区间。其次，构建四象限模型，通过农业水资源安全和粮食生产能力的指数值来反映不同评估单位之间的水资源和粮食生产能力匹配程度。再次，引入障碍度模型，用于识别主要障碍因素对系统层的影响程度，通过健康距离模型，从生态系统评估中得出障碍度模型。此外，采用耦合协调度模型和相对发展度模型，以更全面地评估农业水资源安全与粮食生产能力的协调关系。通过这些方法，研究不仅揭示了农业水资源安全和粮食生产能力之间的互动关系，还分析了它们在时间和空间上的差异，为制定区域发展策略提供了依据。

研究结果表明，农业水资源安全指数从2010年的0.204上升至2021年的0.233，而粮食生产能力指数则从2010年的0.295增加到2021年的0.324。尽管农业水资源安全指数呈现上升趋势，但其增长速度始终慢于粮食生产能力的增长速度，农业水资源安全仍处于滞后状态。主要障碍因素包括水利建设支出（60.80%）、农业水资源量（20.93%）和干旱洪涝保障面积（13.50%）。研究区域内的19个县市被划分为三种功能区：核心粮食生产区、农业优势发展区和绿色生态保护区。通过区域特定的策略来改善障碍因素，是实现可持续发展的主要途径。

在研究过程中，采用了多种分析方法，包括四象限模型、障碍度模型、耦合协调度模型和相对发展度模型。四象限模型用于分析农业水资源安全和粮食生产能力之间的关系，障碍度模型用于识别主要障碍因素对系统的影响程度，耦合协调度模型用于衡量两个系统之间的协调程度，相对发展度模型用于分析两个系统之间的相对发展水平。这些方法的综合运用，使得研究能够更全面地揭示农业水资源安全和粮食生产能力之间的互动关系和协调程度。

通过这些分析，研究发现农业水资源安全与粮食生产能力之间存在显著的时空演变特征。从时间维度看，农业水资源安全和粮食生产能力的耦合协调度在2010年至2021年间缓慢提升，从0.484增加到0.505，但仍处于调整阶段，从近无序向初步协调的过渡速度较慢。从空间维度看，研究区域内的农业水资源安全和粮食生产能力呈现出明显的区域差异。农业水资源安全指数在江汉平原等东南部地区较高，而在西北部和西南部地区较低。粮食生产能力指数则表现出一定的区域差异，可分为三类：一类是显著高于区域平均水平的地区，另一类是传统粮食生产区，大多数县市属于此类，第三类则是生产能力低于区域平均水平的地区，主要集中在房县和神农架地区，由于自然条件的限制，粮食生产能力提升空间有限。

此外，研究还指出，农业水资源安全与粮食生产能力之间的耦合协调关系在时间上表现出一定的波动性，但在空间上则呈现出明显的区域差异。通过构建四维驱动机制分析框架，研究不仅揭示了农业水资源安全和粮食生产能力之间的互动关系，还提供了科学的评价指标体系。这一研究为政策制定者和相关利益方提供了重要的参考依据，有助于制定更加精准和有效的政策。

本研究的主要贡献在于，构建了一个针对水源地的农业水资源安全和粮食生产能力评价指标体系，分析了农业水资源安全与粮食生产能力之间的动态变化和区域差异，识别了影响农业水资源安全和粮食生产能力的主要障碍因素。通过这些研究，为实现农业水资源安全和粮食生产能力的协调发展提供了科学依据和实践指导。