基于GIS的农业水土资源匹配特征分析

基于GIS的农业水土资源匹配特征分析

王聪珲

内蒙古自治区水利科学研究院，内蒙古呼和浩特010000

摘要：中国地域辽阔，但水土资源分布不平衡，呈现出农业用地占比大，农业对水资源需求量和耗费量巨大等特点。水土资源的量、质及匹配关系对农业发展前景有着深刻的影响。随着人口增加和经济快速发展，水土资源的自然状态不断遭到破坏，其供需矛盾日益激烈，诱发了一系列农业生态问题。通过研究农业水土资源匹配特征系数，来反应特定区域农业生产可供水资源和耕地资源在空间上适宜匹配的量比关系，为农业发展提供科学决策是现阶段最基础、可行的做法。本文基于地理信息系统（GIS）对数据提取、分析的优势，分析了农业领域的水土资源匹配特征，以期为因地制宜布局农业、改进农业水土障碍因子提供依据。

关键词：水资源；耕地资源；农业水土资源匹配；GIS技术

引言

水土资源作为农业生产、经济发展和生态环境的核心资源，与人类的生存息息相关。近年来，由于全球变暖、人口数量激增等问题的出现，水土资源的利用程度不断加深，由此导致水土资源污染和自然环境的破坏等严重问题。水资源与耕地资源的匹配程度是影响农业可持续发展的重要因素之一，农业水土匹配系数则是对某一区域农业生产用水与耕地资源是否匹配的量化反映。目前关于水土资源匹配的研究主要包括四类：一是，水土资源匹配系数法。用来衡量某一区域内水土资源的匹配状况，通过区域内水资源与耕地资源数量的比值计算；二是，基尼系数法。将多个子区构成的组合体看作一个整体，用来量化水土资源在各个子区之间分布的不均衡程度；三是，数据包络分析（DEA）方法。基于 DEA 的水土资源匹配模型，是以水资源、耕地资源为输入指标，农业产值为输出指标，对某一区域水土资源匹配特征进行分析；四是，水土资源匹配系数与基尼系数综合使用方法。首先通过计算水土资源匹配系数得到某一地区的水土资源匹配状况，再计算基尼系数进一步分析水土资源在区域内部分配的不均衡性。本文综合考虑现阶段我国农业水土资源匹配特征研究情况，在分析自然资源条件与社会经济状况的基础上，利用基于地理信息系统（geographic information system，GIS）的土地利用类型统计法和水土资源空间匹配方法，较为全面地分析了我国农业水土资源匹配格局，并从技术和人工多层面提出解决对策。

1 GIS技术在农业领域的应用

地理信息系统（Geographic Information Systems，GIS）技术以地理空间为基础，采用地理模型分析方法，实时提供多种空间和动态的地理信息，能为地理研究和地理决策服务。GIS是一种特定的十分重要的空间信息系统，它在计算机硬件、软件系统支持下，可以实现对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、处理、分析、显示和描述。

在资源与环境应用领域中，GIS发挥着技术先导的作用。在农业生产中，它可以动态模拟一个地区的农业环境，并制定基于证据的趋势预测，确保管理者和决策者的有效运作。在我国，从20世纪80年代中期开始，GIS技术就被应用于农业领域，从国土资源决策管理、农业资源信息、区域农业规划、粮食流通管理与粮食生产辅助决策到农业生产潜力研究、农作物估产研究、区域农业可持续发展研究、农用土地适宜性评价、农业生态环境监测、基于GPS和GIS的精细农业信息处理系统研究等，都取得了很大的成绩，一些研究成果直接应用于农业生产，取得了很大的经济效益。

随着GIS理论的产生发展以及方法和技术的成熟，在农业领域的应用也逐步深入。从技术角度看，GIS在我国农业资源与环境领域中的应用进展主要体现在四个方面：一是，作为农业资源调查的工具，建立了农业资源地理数据库，实现空间数据库的浏览、检索等，利用GIS绘制农业资源分布图和产生正规的报表；二是，作为农业资源分析的工具，GIS技术已不限于制图和空间数据库的简单查询，而是以图形及数据的重新处理等分析工作为特征，用于各种目标的分析和重新导出新的信息，产生专题地图和进行地图数据的叠加分析等；三是，作为农业生产管理的工具，主要是建立了各种模型和拟订各种决策方案，直接用于农业生产；四是，作为农业管理的辅助决策工具，利用了GIS的模型功能和空间动态分析以及预测能力，并与专家系统、决策支持系统及其它的现代技术（如RS和GPS）有机结合，便于我国农业生产的管理和辅助决策。

GIS技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息，对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可以有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。基于以上优势，让GIS技术在农业领域应用日渐成熟，为解决农业水土资源短缺提供技术支撑。

2我国农业水土资源特征研究现状

2.1地理信息数据共享程度不高

地理信息数据是联通水文管理、土地资源管理的桥梁，利用地理信息数据可以模拟农业水土情况，直观演示农业水土资源匹配程度，以及未来的变化趋势。目前，我国对“地理信息数据共享”的需求呼声不断，但学术界和有关专家并未给出一致答复，地理信息数据不共享形成的数据壁垒成了横在研究农业水土现状、解决农业水土资源不匹配问题面前的一道坎。鉴于当前科研水平及社会发展的变化，如果数据共享问题无法从根本上解决，将影响到地理信息系统技术在农业、甚至各领域的开发和应用，地理信息系统技术在水土资源管理中的实际应用效果也将打折扣。

2.2农业水土资源模拟模型的耦合集成不足

根据建模理论和方法，农田资源监测模拟模型可以分为地理模型和经济模型，前一种侧重于反映环境因素的影响，后一种侧重于反映人为选择和决策行为的影响。农业水资源和耕地资源的形成和演变受到自然和人为两方面因素的影响，具有综合性、复杂性和动态性。综合考虑农业水资源和耕地资源的形成条件，结合多学科知识研究农业水土资源所处的自然和人类系统，利用相关生态模型模拟，是农业水土监测模型的发展方向。

3基于GIS的农业水土资源匹配特征

3.1农业资源管理

农业资源是农业自然资源和经济资源的全称，主要依赖土壤肥力、土壤生物碳和气候等因素。应用GIS技术可以以遥测图像为特征，利用GIS RS的图形分析功能绘制作物和土壤图，通过图像堆叠的方式以查看土壤中植物生长情况和土壤肥力变化情况。此外，GIS技术在化肥和农药分配方面的应用，有助于人们管理农业安全风险。再者，GIS技术还可用于分析各种农业作物的地质现象、粮食、土壤相关数据和卫生设施，以生产优质、营养、高产出的谷物。

3.2 建立GIS集成技术的空间分析模型

传统桌面型GIS系统相互独立、耦合度低，不利于农业水土资源信息数据相互操作、实现共享。当前，信息技术不断发展：无人机、倾斜摄影、先进传感器、激光点云、街景等现代遥感和监测技术快速发展，大数据、云计算、人工智能、区块链等高科技先进技术逐步覆盖全球性，密码技术、云安全、安全态势感知、主动防御等信息安全技术提高，使地理信息系统由面向过程发展到面向对象再发展到面向组件，这为自然资源数字化、信息化发展提供了技术支撑。通过研究GIS的系统特性，将具有共同特点的不同类型系统有效结合，可以消除各类型系统相互排斥的现象。因此，利用国土三调中的农业耕地数据，结合地区水资源分布情况，打破部门间的数据壁垒后，再将同一地区农业、化肥和其他人为农耕操作数据耦合到基础地理信息数据系统当中，才能更全面地分析农业水土资源匹配程度，为科学管理农业资源提供更为充分的技术支撑。

3.3加强水土资源的合理利用

世界各国农业用水量占总用水量的比重随地区气候条件和工业化程度不同而有差异：印度93%，墨西哥86%，日本50%，俄罗斯20%，美国42%，波兰11%，德国20%，英国3%。我国农业用水约占全国用水总量的73%，比重仍很大，有较大的节水潜力。因此，保护农业用水是高度优先事项。第一，改进大中型灌溉地区的供水技术，发展水资源综合管理系统，包括季节性水管理系统、水文灌溉系统、水管理系统，推广现代技术改进水资源的回收再利用系统；第二，合理规划土地资源的利用，提高单位面积的生态成本，降低农耕成本，逐步淘汰传统耗水量大、水质污染严重的农业技术；第三，优化农业用水的工程措施，如土渠衬砌，并跟踪渗漏情况，有的放矢进行节水改造。

结束语

农业水土资源匹配程度的衡量方法主要是计算单位耕地面积的农业用水占有量的农业水土资源匹配系数法，是某一区域农业生产所占有的水资源与耕地资源在空间上匹配的量比指标。系数大，则该地区水资源满足耕地资源的程度就越高，水土资源分布越合理，农业生产基本条件就越好；反之，系数越小，表明水土资源分布越失衡。我国整体的水土资源呈相对匹配状态，但水土资源在区域内部分配并不均衡，四川省（龙羊峡以上）匹配程度相对较好，内蒙古自治区（内流区）较差。利用GIS技术做到分区研究，可以有效弥补区域水土资源匹配的差异性，在此基础上建立集成耦合模型则有助于更加科学的实现农业现代化管理。此外，农业水土资源的高效利用也离不开多部门协同发力、科学规划，只有GIS技术和人的有效配合，才能擦出农业高质量发展的新火花。

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