基于主成分分析的黑河中游农业水资源承载力评价研究_张丽霞.pdf

文章编号：1003-7853（2023）02-0071-04基于主成分分析的黑河中游农业水资源承载力评价研究张丽霞，刘淑英*，王 平，张瑞浩，王静怡（甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070）摘要：以黑河中游农业水资源承载力为对象，运用主成分分析法、熵权法对黑河中游农业水资源承载力从时间和空间两个角度进行评价分析。结果表明，（1）影响黑河中游农业水资源承载力的主要因素有耕地灌溉率、地表水与地下水资源量。（2）从时间上来看，2015 年、2016 年与 2017 年均处于中等承载力，2018年处于弱承载力，2019 年处于高承载力。总体来看，20152019年黑河中游农业水资源承载力呈上升趋势。（3）从空间上来看，甘州区处于高承载力，民乐县和临泽县处于中等承载力，高台县和山丹县处于弱承载力且山丹县承载力最小。黑河中游各县（区）农业水资源承载力存在明显差异，要因地制宜，采取针对性措施，提高农业水资源承载力，促进农业生产的可持续发展。关键词：农业水资源承载力；黑河中游；熵权法；主成分分析法中图分类号：TV213.9文献标识码：Adoi:10.16202/ki.tnrs.2023.02.016Evaluation of Agricultural Water ResourcesCarrying Capacity in the Middle Reachesof Heihe River Based on PrincipalComponent AnalysisZhang Lixia,Liu Shuying*,Wang Ping,Zhang Ruihao，Wang Jingyi(College of Resources and Environment,Gansu AgriculturalUniversity,Lanzhou Gansu 730070,China)Abstract:Taking the agricultural water resources carrying capacityinthemiddlereachesofHeiheRiverastheobject,theagricultural water resources carrying capacity in the middle reachesof Heihe River was evaluated and analyzed from the perspectivesof time and space by using principal component analysis andentropy weight method.The results show that,(1)the main factorsaffecting the carrying capacity of agricultural water resources in themiddle reaches of Heihe River are cultivated land irrigation rate,surface water and groundwater resources.(2)In terms of time,theaverage annual bearing capacity in 2015,2016 and 2017 ismedium,weak in 2018 and high in 2019.Overall,the agriculturalwater resources carrying capacity of the middle reaches of HeiheRiver showed an upward trend from 2015 to 2019.(3)In terms ofspace,Ganzhou district is in high bearing capacity,Minle countyand Linze County are in medium bearing capacity,Gaotai Countyand Shandan County are in weak bearing capacity,and ShandanCounty has the smallest bearingcapacity.Thereareobviousdifferences in agricultural water resources carrying capacity amongcounties(districts)in the middle reaches of Heihe River.Weshould take targeted measures according to local conditions toimprove agricultural water resources carrying capacity and promotethe sustainable development of agricultural production.国土与自然资源研究2023No.2TERRITORY&NATURAL RESOURCES STUDY71Key words:agricultural water resources carrying capacity;middle reaches of Heihe River;entropy weight method;principal componeny analysis0引言农业作为第一产业，是社会分工和国民经济其他部门独立和发展的基础。水资源对农业发展起着至关重要的作用，充足的水资源是农产品生产的基础，优质的水资源是农产品生产的关键1。就水资源承载力而言，众多学者采用不同研究方法从不同尺度展开了一系列研究2-7，其研究主要包括流域、灌区、行政区（市、县），研究内容主要包括水资源承载力的可持续发展问题，水资源承载力的动态模拟评估等，研究方法主要有主成分分析法、生态足迹法、五元联系数法、模糊综合评价法等，这为研究农业水资源承载力提供了一定的理论与方法参考。目前对于黑河流域乃至中游地区的研究大多是对水资源承载力的综合评价，而对于农业水资源承载力的研究较少。本文利用主成分分析法对黑河流域中游农业水资源承载力进行评价，进一步探讨农业水资源对于农业生产的支撑能力，进而为黑河流域中游农业的可持续发展提供一定参考。1研究内容1.1农业水资源承载力的含义以水资源承载力的概念为依据，农业水资源承载力可定义为以维护生态良性循环发展为条件，水资源对农业生产系统发展的最大支撑能力。农业水资源承载农业生产的理想状态为最大程度地提高用水效率8-12。1.2研究区域概况黑河中游区包括甘肃省张掖市的甘州区、临泽县、高台县、民乐县、山丹县，总面积约 1.96104平方千米，年降水量在 50250 毫米之间，年蒸发量大于 1 000毫米，光热资源丰富，属温带荒漠气候。黑河中游是典型的绿洲农业区，集中了全流域 80%的绿洲、95%的耕地、91%的人口和 89%的 GDP，承担保障下游生活、生产和生态用水供给的责任13。2数据来源及方法2.1数据来源本研究基础性统计数据主要来源于甘肃省统计年 鉴（2015-2019 年 部 分）、张 掖 市 统 计 年 鉴（2015-2019 年部分）、甘肃省水资源公报（2015-2019年部分）等；本研究采用的基础性地理数据来源于国家基础地理信息中心（https:/ 9 项评价指标（见表 1）。2.3评价方法本研究采用熵权法确定指标权重，利用主成分分析法对黑河中游农业水资源承载力进行评价。2.3.1数据标准化。正向指标：xij=xij-minxijmaxxij-minxij（1）逆向指标：xij=maxxij-xijmaxxij-minxij（2）式中，xij表示标准化后的指标；xij表示原数据，代表第 i 个区域第 j 个指标；maxxij代表第 i 个区域内数据的最大值；minxij代表最小值。2.3.2熵权法确定权重。熵权法是一种客观赋权方法，在具体使用过程中，可以用熵值判断某个指标的离散程度，计算出各个指标的权重，为多指标综合评价提供依据14。计算每个指标的熵值 ej和冗余值 dj：ej=-kni=1pijlnpij(k=1lnn)（3）pij=xijni=1xij,(i=1,n;j=1,m)（4）式中，pij为第 j 个指标下第 i 个项目的指标值的权重。dj=1-ej（5）计算指标权重 Wj：Wj=djmj=1dj（6）2.3.3主成分分析法。主成分分析法是一种降维的统计方法，它将多个相关变量重新组合为互相无关的综合指标15，一般步骤为：（1）对原始数据进行标准化处理。（2）生成相关系数矩阵 R。（3）计算 R 的 P 个特征值并确定主成分贡献率：Yi=Ui1C1+Ui2C2+UipCp（7）式中，Ui1,Ui2,Uip分别表示第 1,2,P 个特征值分别对应的特征向量；C1,C2,Cp分别表示第 1,2,P个原始变量的标准化变量。72张丽霞等 基于主成分分析的黑河中游农业水资源承载力评价研究表 1黑河中游农业水资源承载力评价指标体系目标层 A准则层 B指标层 C指标含义性质农业水资源承载力自然资源社会经济农业水资源开发利用地表水（亿 m3）C1地下水（亿 m3）C2降水量（mm）C3耕地面积（万 hm2）C4人均粮食产量（kg/人）C5人均农业产值（元/人）C6耕地灌溉率（%）C7农业用水比例（%）C8单方水农业产值（元/m3）C9甘肃省统计年鉴甘肃省统计年鉴张掖市统计年鉴张掖市统计年鉴粮食总产量农村人口农业总产值农村人口有效灌溉面积/耕地面积农业用水量/总用水量农业总产值/农业用水量正向正向正向正向正向正向正向逆向正向（4）计算累计贡献率，一般按累计贡献率85的原则确定主成分个数；累积贡献率达到或超过 85时，说明前 m 个主成分已包含了原始变量的绝大部分信息，则可选取前 m 个主成分构成综合评价函数。（5）计算主成分权重与得分。（6）构造综合评价函数：F=a1Y1+a2Y2+apYp（8）由式（8）得出综合得分，F 值越大表示这个主成分的综合得分越高。2.3.4黑河中游农业水资源承载力分级标准。根据农业水资源承载力综合得分大小进行分级，以此划定评价标准，参考相关文献内容和现有研究成果16-17，以及结合黑河中游农业水资源的特点，将其农业水资源承载力的大小分为三个等级（见表 2）。表 2黑河中游农业水资源承载力综合得分分级标准农业水资源承载力分级高承载力中等承载力弱承载力综合得分0.60.350.60.353结果分析3.1黑河中游农业水资源承载力年际变化分析选取反映黑河中游农业水资源承载力的 9 个因子，运用 SPSS 25.0 统计软件进行主成分分析，可得主成分的特征值、贡献率、累计贡献率（见表 3）。由表 3 可知前三个主成分的累计贡献率已经达到了 90.667%，可以认为三大主成分已经全面地反映了所选 9 项影响因子的绝大多数信息，可以充分体现黑河中游农业水资源承载力的年际变化趋势。表 3黑河中游主成分特征值及贡献率主成分特征值贡献率（%）累计贡献率（%）Z1Z2Z34.3792.3321.44948.65925.9116.09848.65974.56990.667主成分得分系数矩阵反映了主成分与影响因子间的关系（见表 4）。由表 3 和表 4 可得，第 1 主成分 Z1的贡献率为 48.659%，在第 1 主成分中，人均粮食产量（C5）、耕地灌溉率（C7）2 项评价指标所占比重明显超过另外 7 项指标的比重，可以看出人均粮食产量与耕地灌溉率对黑河中游农业水资源承载力的影响较大，同时也反映出区域灌溉工程或设备配备情况对农业水资源承载力大小的影响。第 2 主成分 Z2的贡献率为25.91%，在第 2 主成分中，耕地面积（C4）、农业人均产值（C6）、农业用水比例（C8）、单方水农业产值