西北地区粮食安全评价及其障碍因子分析

Assessment and Obstacle Factor Analysis of Food Security in Northwest China

摘要

目的 西北地区是我国重要的粮食生产基地，在保障粮食安全方面责任重大，评价西北地区粮食安全生产现状及精准识别其主要障碍因子对保障该区农业可持续发展有重要意义。 方法 基于熵权TOPSIS模型和障碍度模型，构建粮食安全综合性评价指标体系，评价西北地区粮食安全现状，诊断提高粮食安全现状障碍因子，提出提高西北地区粮食安全现状的关键措施。 结果 1）西北地区粮食产量整体呈上升趋势，其主要粮食作物分别为小麦、玉米、稻谷、豆类、薯类、青稞，合计占该区粮食产量的97.9%；2022年西北地区粮食产量为4 859.5万t，占全国粮食产量的7.1%；2）西北地区农业用水总量占用水总量的85.9%，水资源开发利用率为36.6%，较全国水资源开发利用率高76.0%，其中，甘肃、宁夏、新疆水资源开发利用率超过国际水资源开发利用率通用警戒线40%。3）新疆粮食安全现状最好，其次为青海、陕西、甘肃、宁夏。西北五省区粮食安全障碍因子不一，总体上，资源禀赋、有效灌溉率、农业水资源利用效率是影响该区粮食安全的主要障碍因子。 结论 西北地区水资源极度缺乏，且水资源开发利用率高，需合理控制耕地面积，优化作物种植结构，推广滴灌、喷灌等高效节水灌溉技术，提高有效灌溉面积和农业水资源利用效率，拓宽农业用水来源，采用跨区域生态补偿等综合手段，实现该区域水资源可持续利用与粮食安全。

Abstract

Objective Northwest China is a crucial grain production region in China and bears significant responsibility for ensuring food security. Evaluating the current situation of food security and accurately identifying its main obstacle factors in this region are of great importance for guaranteeing sustainable agricultural development. Methods Based on the entropy-weighted TOPSIS model and the obstacle degree model， a comprehensive evaluation index system for food security was constructed. The current status of food security in northwest China was assessed， the key obstacle factors that hinder its improvement were diagnosed， and key measures for enhancing food security in the region were proposed. Results 1） The grain output in northwest China showed an overall upward trend. The main grain crops were wheat， maize， rice， legumes， potatoes， and highland barley， which together accounted for 97.9% of the region′s total grain output. In 2022， the grain output in northwest China reached 48.595 million tons， accounting for 7.1% of China′s total grain production. 2） Agricultural water use accounted for 85.9% of the total water consumption in the region. The water resource development and utilization rate was 36.6%， which was 76.0% higher than China′s average rate. Notably， the water resource development and utilization rates in Gansu， Ningxia， and Xinjiang exceeded the internationally recognized warning threshold of 40%. 3） Xinjiang exhibited the best food security， followed by Qinghai， Shaanxi， Gansu， and Ningxia. The constraint factors for food security differed among the five northwestern provinces. Overall， resource endowment， effective irrigation rate， and agricultural water use efficiency were the main obstacle factors affecting food security in this region. Conclusion Northwest China faces extreme water scarcity and a high water resource development and utilization rate. It is necessary to rationally control cultivated land area， optimize crop planting structure， promote high-efficiency water-saving irrigation technologies （e.g.， drip and sprinkler irrigation）， increase effective irrigated area and agricultural water use efficiency， broaden water sources for agriculture， and adopt cross-regional ecological compensation to achieve sustainable water resource utilization and food security in this region.

Graphical abstract

关键词

西北地区 / 粮食安全 / 熵权TOPSIS模型 / 障碍度模型 / 障碍因子

Key words

northwest China / food security / entropy-weighted TOPSIS model / obstacle degree model / obstacle factors

西北地区在我国占有重要战略地位，但水资源极度贫乏^［1］；该区生态环境脆弱，干旱少雨，荒漠化土地面积约占全国的56%^［2-3］；水资源短缺和土地退化是制约该地区粮食生产潜力开发的关键自然因素^［4］。全球变暖严重影响西北地区水资源和生态系统稳定性，气候变化导致西北干旱区主要水文要素波动增大，水资源供应的稳定性显著降低^［5］。水资源和土地资源是影响我国粮食安全的两大刚性约束，粮食安全与水资源的可持续利用密切相关^［6］，农业水土资源匹配失衡给西北地区粮食安全带来极大威胁^［7］。因此，探索西北地区粮食安全现状及障碍因子对于保障区域粮食安全、促进农业可持续发展、应对人口和经济发展压力、增强农业抗灾减灾能力有重要意义。

关于西北地区农业水资源利用现状及水资源-能源-粮食协同关系已开展了一些研究。已有研究^［8］表明，2011—2020年西北地区农业水资源利用效率有所提升，系统内连接强度和紧密度增强，需加强五省协调合作，发挥核心省份带动作用，促进水资源、经济与技术要素流动，实现区域均衡发展。在全球变暖背景下，气温上升将进一步推高各行业用水需求，加剧干旱化趋势，可能引发更严重的水资源危机与生态退化，因而有必要将西北地区灌溉总面积控制在300万hm²，并推广节水灌溉与作物结构优化，增强水资源管理的适应能力^［9］。该区农业干旱脆弱性在2010—2020年虽整体下降，但区域差异扩大，呈现“两极”特征，2015年后农业干旱脆弱重心逐渐南移，形成辐射格局，至2020年热点区已转移至甘肃和青海南部，冷点区则集中于新疆北部，需强化热点区域干旱监测预警，以保障粮食安全与水资源的可持续利用^［10］。面对高水资源压力及未来粮食种植面积可能持续增加的趋势，应合理控制耕地规模、优化作物布局并适度发展旱作农业，推动构建丝路经济带虚拟水流动机制，缓解区域水压力^［11］。从系统协同角度看，水资源消耗是水-能-粮复杂系统协同演进的核心变量，必须坚持“以水定产、量水发展”，因地制宜布局粮食与能源产业规模^［12］。2011—2018年，水资源与能源子系统共同主导西北地区水-能-粮系统的协同演化，粮食子系统处于从属地位，五省协同得分整体上升且省际差距缩小，其中陕西、青海、甘肃高于区域平均值，宁夏逐步接近平均值水平，新疆仍为最低^［13］。目前，西北地区水-能-粮系统整体耦合协调程度仍然不高，水资源与能源是主要制约因素，预计2023—2030年系统仍将延续当前发展特征，实现协调提升需更长时间^［14］。在作物水足迹方面，2000—2018年西北地区农作物生产水足迹呈波动上升趋势，虚拟水流出规模持续扩大，亟需将作物结构优化、虚拟水贸易与跨流域调水相结合，统筹实体水-虚拟水循环，缓解供需矛盾^［15］。基于多目标优化的作物布局研究^［16］表明，三大粮食作物面积碳足迹上升而产量碳足迹下降，绿水足迹高于全国水平，在保障粮食安全前提下，适当扩大小麦面积（+6.7%）、压缩玉米（-5.8%）与水稻（-8.0%）种植，可在经济、资源与生态方面实现综合效益提升。此外，西北地区地下水储量正以0.25 cm/a的速度持续枯竭，地下水干旱与气象干旱显著相关区域占比达59.3%^［17］，而农业灌溉用水反弹效应高达340%，单位面积产量提升与种植规模扩大是主要驱动因素，因此，需避免片面追求单产最大化，合理推行亏缺灌溉并科学控制灌溉农业发展规模^［18］。

综上可知，西北地区粮食生产面临水资源短缺、灌溉效率低、地下水枯竭、气候变化加剧干旱、水-能源-粮食系统协同性差等问题，关于西北地区粮食安全综合评价的研究相对薄弱，影响西北地区粮食安全的关键因子不明。为此，基于粮食安全内涵及相关的研究理论，从生产安全、生产投入、资源利用效率、资源禀赋、生产效益方面构建西北地区粮食安全综合评价指标体系，基于障碍度模型诊断影响各省区粮食安全的障碍因子，提出保障各省区粮食安全的关键措施。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西北地区包括陕西、甘肃、青海三省及宁夏回族自治区（以下简称宁夏）和新疆维吾尔自治区（以下简称新疆），总面积为311.3×10⁴ hm²，占全国总面积的32.4%。该区地形复杂多样，深居内陆，距海遥远，该区域以温带大陆性及高寒气候为主，冬寒夏热、降水量少、蒸发量高，水资源严重匮乏且时空分布不均，主要产粮省份（陕西、甘肃、新疆）以占西北地区67.3%水资源量生产西北地区90.1%的粮食。该地区2013—2022年降水量年平均值为372.3 mm，较全国同期年平均值低44.5%，且蒸发强烈，降水多以大雨或暴雨形式出现，水土流失严重，且水土资源在空间上极不匹配，地均水资源量为全国的47.7%。西北地区以占全国7.7%的粮食播种面积生产全国7.1%的粮食，2022年西北地区新增粮食产量占全国新增粮食产量的39.2%，是我国重要的粮食生产后备基地，对保障国家粮食安全意义重大。近年来，西北地区大量的粮食生产给该区域脆弱的生态环境带来巨大压力，水资源成为制约该区域粮食安全的主要瓶颈。

1.2 研究方法

1.2.1 熵权TOPSIS模型

熵权TOPSIS模型的分析流程可分为3个关键步骤：首先基于熵权法确定各指标权重，其次对原始数据进行加权处理，最终运用TOPSIS模型对加权后的数据进行综合评价。

熵权法克服AHP法、专家打分法等主观性的缺点，常用于确定各指标权重^［19-20］，具体计算步骤为：

1）初始指标规范化处理，计算方法为：

r_{ij}=\frac{x_{ij}}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{x}_{ij}}（1）

式中：x_ij 为第i个评价对象的第j个指标；r_ij 为x_ij 的规范化值；i=1，2，…，m，j=1，2，…，n，本文中m=5，n=24。

2）指标熵值计算，计算方法为：

e_j=-\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{r}_{ij}\times \mathrm{l}\mathrm{n}{r}_{ij}}{\mathrm{l}\mathrm{n}m}（2）

式中：e_j 为第j个指标的熵值。

3）计算指标权重，计算方法为：

{\omega }_j=\frac{\mathrm{1}-e_j}{{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}(\mathrm{1}-e_j)}（3）

式中：ω_j 为第j个指标的权重，即熵权。

TOPSIS^［21］（逼近理想解排序法）是一种多指标综合评价方法，其核心思想是通过计算各方案与理想最优解及最劣解的相对距离来实现排序。该方法具有计算灵活、结果可靠的特点，在粮食安全评价领域应用广泛^［22］。主要计算步骤为：

1）评价指标归一化处理。

正向指标归一化处理公式：

P_{ij}=\left[{x^{\mathrm{*}}}_{ij}-x_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}j}\right]/\left[x_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}j}-x_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}j}\right]（4）

逆向指标归一化处理公式：

P_{ij}=\left[x_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}j}-{x^{\mathrm{*}}}_{ij}\right]/\left[{x_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}_j-x_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}j}\right]（5）

式中：x_minj 为样本集中第j个指标的最小值；x_maxj 为样本集中第j个指标的最大值。

得到归一化矩阵P=［P_ij ］ _m×n。

2）建立加权决策评价矩阵。

权重向量W由指标权重ω_ij 组成，基于归一化矩阵P，得到归一化加权矩阵Z，计算方法为：

Z=P×W=［Z_ij ］ _m×n（6）

3）评价指标归一化后的最优、最劣向量分别为：

Z^{+}=(Z_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{1}},Z_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{2}},\cdots ,Z_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}n})（7）

Z^{-}=(Z_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{1}},Z_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{2}},\cdots ,Z_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}n})（8）

第i个评价对象与最优、最劣方案的距离分别为：

D_i^{+}=\sqrt[]{{\sum }_{j=\mathrm{1}}^n{\left(Z_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}j}-Z_{ij}\right)}^{\mathrm{2}}}（9）

D_i^{-}=\sqrt[]{{\sum }_{j=\mathrm{1}}^n{\left(Z_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}j}-Z_{ij}\right)}^{\mathrm{2}}}（10）

第i个评价对象与最优方案的接近程度（C_i ）为：

C_i=D_i^{-}/(D_i^{+}+D_i^{-})（11）

相对贴近度（C_i ）取值0~1，C_i 值越大则评价对象水平越高，C_i 值越低则表示评价对象水平越低。

1.2.2 障碍度模型

采用障碍度模型可有效诊断提高西北五省（区）粮食安全状况的障碍因子。具体计算步骤^［23-24］为：

1）各评价指标对总目标的贡献程度（因子贡献度）可用权重（w_j ）表示；

2）计算指标偏离度（I_ij ）：I_ij=1-x_ij；

3）计算各评价指标的障碍度（H_ij ）：H_{ij}=I_{ij}\times w_j/{\sum }_{j=\mathrm{1}}^n{I}_{ij}\times w_j。

1.2.3 数据来源

选取24个代表性指标对西北地区粮食安全进行综合评价。数据主要来源于《中国水资源公报》^［25］《中国统计年鉴》^［26］及各省区统计年鉴及水资源公报等。

1.3 数据统计与分析

数据处理和作图采用Excel 2010软件；方差分析和相关分析采用SPSS 19软件进行。

2 结果与分析

2.1 西北地区粮食生产状况

2.1.1 西北地区粮食生产指标年际变化

由图1可知，西北地区农作物总播种面积整体呈上升趋势，年平均增长率为1.29%；2022年农作物播种面积较2003年增加29.16%。粮食作物播种面积呈波动上升趋势，2016年粮食作物播种面积最大为9 236.1×10³ hm²，之后呈先降低后增加趋势，年平均增长率为0.64%；2022年粮食作物播种面积较2003年增加13.59%。西北地区粮食产量整体呈上升趋势，2015年粮食产量达到次高峰为4 731.21万t，之后粮食产量略降低后又增加，2022年粮食产量最高，年平均增长率为2.63%；2022年粮食产量较2003年增加57.37%。西北地区粮食作物单位面积产量整体呈增加趋势，年平均增长率为1.53%；2022年粮食作物单位面积产量较2003年增加34.49%。

2.1.2 西北地区主要粮食生产现状分析

由图1可知，2022年，西北地区农作物总播种面积为16 543.0×10³ hm²，占全国农作物总播种面积的9.7%；粮食作物播种面积为9 146.9×10³ hm²，占全国粮食作物播种面积的7.7%；夏收粮食播种面积为3 231.6×10³ hm²，占全国夏收粮食播种面积的12.2%；秋收粮食播种面积为5 915.3×10³ hm²，占全国秋收粮食播种面积的6.8%；小麦播种面积为3 033.7×10³ hm²，占全国小麦播种面积的12.9%；玉米播种面积为3 796.7×10³ hm²，占全国玉米播种面积的8.8%。西北地区粮食产量为4 859.5万t，占全国粮食产量的7.1%；夏收粮食产量为1 501.2万t，占全国夏收粮食产量的10.2%；秋粮产量为3 358.3 万t，占全国秋粮产量的6.6%；小麦产量为1 444.3万t，占全国小麦产量的10.5%；玉米产量为2 653.0万t，占全国玉米产量的9.6%。西北地区粮食单位面积产量为5 080.3 kg/hm²，为全国粮食单位面积产量的87.6%；夏收粮食单位面积产量为4 276.7 kg/hm²，为全国夏收粮食单位面积产量的77.0%；秋粮单位面积产量为5 544.7 kg/hm²，为全国秋粮单位面积产量的94.5%；小麦单位面积产量为4 232.5 kg/hm²，为全国小麦单位面积产量的72.3%；玉米单位面积产量为6 982.5 kg/hm²，为全国玉米单位面积产量的108.5%；提高粮食单位面积产量是保障西北地区粮食安全的重要举措。

西北五省区主要粮食作物分别为小麦、玉米、稻谷、豆类、薯类、青稞，6种作物合计产量分别占陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆粮食产量的97.2%、96.7%、99.1%、96.9%、99.4%，合计占该区粮食产量的97.9%，6种作物分别占该区粮食产量的29.7%、54.6%、2.7%、2.0%、8.4%、0.5%。图3为2022年西北地区主要粮食作物播种面积、粮食作物产量和单位面积粮食产量。陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆主要粮食作物播种面积分别为2 798.2×10³、2 552.0×10³、298.6×10³、584.5×10³、2 411.4×10³ hm²，分别占西北五省区主要粮食作物播种面积的32.4%、29.5%、3.4%、6.8%、27.9%。陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆主要粮食作物产量分别为1 261.4、1 222.7、106.3、364.0、1 802.7 万t，分别占西北五省区主要粮食作物产量的26.5%、25.7%、2.2%、7.7%、37.9%。

由图2可知，陕西省玉米、小麦、薯类、豆类、稻谷、青稞播种面积占主要粮食作物播种面积的42.5%、34.2%、11.6%、7.9%、3.8%、0，主要种植粮食作物为玉米和小麦，占全省主要粮食作物播种面积的76.7%；陕西省玉米、小麦、薯类、豆类、稻谷、青稞产量占主要粮食产量的48.9%、34.1%、8.3%、2.9%、5.8%、0，主要粮食作物玉米和小麦总产量占全省主要粮食作物产量的83%。甘肃省玉米、小麦、薯类、豆类、稻谷、青稞播种面积占主要粮食作物播种面积的42.1%、29.0%、22.6%、6.2%、0.1%、0，主要种植粮食作物为玉米和小麦，占全省主要粮食作物播种面积的71.1%；甘肃省玉米、小麦、薯类、豆类、稻谷、青稞产量占主要粮食产量的54.3%、24.3%、18.2%、3.1%、0.1%、0，主要粮食作物玉米和小麦产量占全省主要粮食作物产量的78.6%。青海省小麦、青稞、薯类、玉米、豆类、稻谷播种面积占主要粮食作物播种面积的33.9%、31.1%、22.7%、7.6%、4.7%、0，主要种植粮食作物为小麦、青稞和薯类，占全省主要粮食作物播种面积的87.7%；青海省小麦、青稞、薯类、玉米、豆类、稻谷产量占主要粮食产量的34.7%、22.1%、26.0%、13.9%、3.3%、0，主要粮食作物小麦、薯类和青稞总产量占全省主要粮食作物产量的82.8%。宁夏玉米、小麦、薯类、稻谷、豆类、青稞播种面积占主要粮食作物播种面积的62.6%、13.9%、13.8%、5.0%、4.7%、0，主要种植粮食作物为玉米、小麦、薯类，占全省主要粮食作物播种面积的90.3%；宁夏玉米、小麦、薯类、稻谷、豆类、青稞产量占主要粮食产量的76.0%、7.5%、8.9%、6.5%、1.1%、0，主要粮食作物玉米、小麦、薯类总产量占全省主要粮食作物产量的92.4%。新疆小麦、玉米、豆类、稻谷、薯类、青稞播种面积占主要粮食作物播种面积的47.8%、47.5%、2.2%、1.5%、1.0%、0，主要种植粮食作物为小麦、玉米，占全省主要粮食作物播种面积的95.3%；新疆小麦、玉米、豆类、稻谷、薯类、青稞产量占主要粮食产量的36.3%、59.9%、0.8%、1.9%、1.1%、0，主要粮食作物玉米和小麦总产量占全省主要粮食作物产量的96.2%。

新疆粮食单位面积产量最高为7 451.0 kg/hm²，较陕西、甘肃、青海、宁夏分别高73.2%、59.0%、110.8%、37.3%。新疆玉米单位面积产量最高为9 432.1 kg/hm²，较陕西、甘肃、青海、宁夏分别高81.7%、52.6%、44.2%、24.7%。新疆小麦单位面积产量最高为5 664.8 kg/hm²，较陕西、甘肃、青海、宁夏分别高26.3%、85.6%、104.4%、122.3%。新疆薯类单位面积产量最高为8 498.4 kg/hm²，较陕西、甘肃、青海、宁夏分别高163.2%、119.9%、109.0%、110.4%。新疆稻谷单位面积产量最高为9 425.2 kg/hm²，较陕西、甘肃、宁夏分别高36.4%、56.3%、17.0%。新疆豆类单位面积产量最高为2 764.9 kg/hm²，较陕西、甘肃、青海、宁夏分别高65.6%、17.6%、12.3%、95.0%。因此，西北地区新疆单位面积主要粮食作物产量最高。

2.2 西北地区用水现状与需求分析

由表1可知，西北地区水资源总量多年平均值为2 385.5×10⁸ m³，仅占全国水资源总量多年平均值的8.2%，是我国最缺水的区域。西北地区用水总量多年平均值为872.5×10⁸ m³，农业用水总量多年平均值为749.7×10⁸ m³，占用水总量的85.9%；有效灌溉面积多年平均值为8 537.9×10³ hm²，占全国有效灌溉面积的12.7%，仅占西北五省区农作物总播种面积的55.1%；人均综合用水量多年平均值为894.4 m³，较全国平均值高107.0%；西北地区旱灾受灾面积1 098.4×10³ hm²，占全国旱灾受灾面积的12.6%；西北地区降水量多年平均值为372.3 mm，潜在蒸散量是降水量的5倍以上；西北地区水资源开发利用率多年平均值为36.6%，较全国水资源开发利用率多年平均值高76.0%，陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆水资源开发利用率多年平均值分别为21.5%、44.0%、3.3%、636.2%、63.6%，较全国水资源开发利用率多年平均值分别高3.4%、111.5%、-84.1%、2 958.7%、205.8%，其中甘肃、宁夏、新疆水资源利用率超过了国际水资源开发利用率通用警戒线40%。

2022年西北地区耕地实际灌溉平均用水量为6 886.5 m³/hm²，较全国平均值高27.2%；农田灌溉水有效利用系数0.563，较全国低1.5%；2013—2022年，陕西省农业用水总量平均值为57.0×10⁸ m³，甘肃省农业用水总量平均值为90.5×10⁸ m³，青海省农业用水总量平均值为19.4×10⁸ m³，宁夏回族自治区农业用水总量平均值为58.5×10⁸ m³，新疆维吾尔自治区农业用水总量平均值为524.3×10⁸ m³，分别占各省区用水总量的62.1%、78.6%、74.9%、85.4%、91.8%，各省区农业用水占比均较高。2022年陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆农田灌溉水有效利用系数分别为0.583、0.578、0.506、0.570、0.579，虽已取得一定进步，但与国际先进水平农田灌溉水有效利用系数0.7~0.8相比仍有较大提升空间。

2023年陕西省河流水质总体优，Ⅰ~Ⅲ类优良水质断面占国控断面的97.8%，Ⅳ~Ⅴ类水质断面占2.2%；城市及县级集中式生活饮用水水源达标率100%；上半年农田灌溉水监测断面达标率81.3%，下半年达标率93.8%，主要超标指标为粪大肠菌群、悬浮物和pH。2023年甘肃省地表水国控断面水质优于Ⅲ类比例为95.9%，Ⅳ~Ⅴ类水质断面占4.1%；51个地下水国控点位中，Ⅰ~Ⅳ类水质点位占比为80%，Ⅴ类占20%，主要超标指标为氯化物和钠。在不考虑天然背景值影响下，饮用水质总体达标。2022年青海省布设的国省控水质监测断面显示地表水水质优良，全省27个国家地下水环境质量监测考核点水质状况稳定。2023年宁夏地表水环境质量稳定，全区20个地表水国家考核断面水质优良比例为80%；监测的湖库中沙湖为Ⅳ类水质，其余均达到或优于Ⅲ类；主要入黄排水沟Ⅱ~Ⅲ类水质断面占68.5%，Ⅳ类水质断面占28.6%，劣Ⅴ类水质断面占2.9%；全区地下水水质为Ⅰ~Ⅳ类点位占71.4%，Ⅴ类占28.6%。2023年，新疆地表水监测的243个区控断面中，Ⅰ~Ⅲ类水质断面占91.4%；Ⅳ类水质断面占4.5%；劣Ⅴ类水质断面占4.1%，主要污染指标为化学需氧量、氟化物和总磷；Ⅰ~Ⅲ类地下水水质监测点占65.1%，Ⅳ类地下水水质监测点9.3%，Ⅴ类地下水水质监测点占25.6%，主要超标指标为硫酸盐、氛化物、钠等；全区灌溉水水质监测点水质达标占85.7%，水质超标监测点占14.3%，主要超标指标为悬浮物、全盐量、氯化物。

综上可知，西北地区水资源极度缺乏，且水资源开发利用率高，但水质呈现“总体改善、局部恶化”的特点，因此需合理控制耕地面积，优化作物种植结构，适当发展旱作农业，提高农业水资源利用效率，从污染源头防控，跨区域生态补偿等综合手段，实现该区域水资源可持续利用与水环境质量提升，保障该区域农业可持续发展。

2.3 西北地区粮食安全综合评价及障碍因子分析

2.3.1 西北地区粮食安全综合评价指标体系构建

为提升粮食生产质量和效率，保障地区粮食安全，同时响应国家粮食安全战略，应对全球化挑战。结合西北地区水资源禀赋、粮食生产状况、经济和社会发展水平，根据粮食安全内涵及相关的研究理论，综合熵权Topsis模型特点，从生产安全、生产投入、资源利用效率、资源禀赋、生产效益共5个准则层共选取24个评价指标^{［19， 22］}，构成西北地区粮食安全综合评价指标体系（表2）。

2.3.2 西北地区粮食安全综合评价指标权重

基于西北地区粮食安全评价体系，运用熵权法计算得出各指标权重分布（表3）。由表3可知，指标熵值与权重呈显著负相关，其中地均水资源占有量（9.2%）贡献度最高，反映出该指标信息价值最大，说明其是影响西北地区粮食安全的主要因子，其次是人均水资源量、有效灌溉率、耕地实际灌溉平均用水量，单位面积农用复合肥施用折纯量、旱灾受灾面积、农村居民人均可支配收入、夏收粮食单位面积产量、水灾受灾面积、农田灌溉水有效利用系数权重均较小。综上分析可知，地均水资源占有量是影响西北地区粮食安全的基本因素。

2.3.3 西北地区粮食安全评价指标障碍度

运用障碍度模型进行障碍因子诊断有利于识别西北地区粮食安全的主要障碍因子。由图3可知，陕西省生产安全准则层障碍度最大为33.92%，其次是资源禀赋、生产投入障碍度；陕西省农业水资源利用效率和农业生产效益较高，故资源利用效率及生产效益障碍度较低。甘肃省资源禀赋障碍度最大为33.57%，其次为生产安全障碍度和资源利用效率障碍度。青海生产安全障碍度最大为38.79%，其次为资源利用效率障碍度和生产投入障碍度。宁夏资源禀赋障碍度最大为27.32%，生产效益障碍度最低为6.95%，其他障碍度相差不大。新疆生产效益障碍度为0，但资源禀赋障碍度最大为46.97%。

由表4可知，陕西省生产安全准则层中，秋粮单位面积产量障碍度最大，其次是农作物受灾面积、粮食单位面积产量、旱灾受灾面积；生产投入准则层中，单位面积农用化肥施用折纯量、单位面积农用氮肥施用折纯量、单位面积农用复合肥施用折纯量障碍度均较高；资源利用效率准则层中主要是有效灌溉率的障碍度，其他因子障碍度为0；资源禀赋准则层中地均水资源占有量和人均水资源量障碍度较高，降水量障碍度为0；生产效益准则层障碍度较低为1.19。因此，陕西省粮食安全主要障碍因子为地均水资源占有量、人均水资源量、有效灌溉率。

甘肃省生产安全准则层中，农作物受灾面积障碍度最大，其次是秋粮单位面积产量、粮食单位面积产量；资源利用效率准则层中主要是有效灌溉率的障碍度（10.30）；资源禀赋准则层中地均水资源占有量和人均水资源量障碍度较高，降水量障碍度较低；生产投入和生产效益准则层障碍度均较低。因此，甘肃省粮食安全主要障碍因子为地均水资源占有量、人均水资源量、有效灌溉率。

青海省生产安全准则层中，秋粮单位面积产量障碍度最大，其次为农作物总播种面积、粮食单位面积产量、粮食作物播种面积；资源利用效率准则层中有效灌溉率的障碍度最大，其次是农业水资源利用效率系数、耕地实际灌溉平均用水量；生产投入准则层中，地方财政农林水事务支出、农业机械总动力障碍度较大，单位面积农用化肥施用折纯量、单位面积农用氮肥施用折纯量、单位面积农用复合肥施用折纯量障碍度为0；生产效益准则层中，农林牧渔业增加值障碍度较大；资源禀赋准则层障碍度较低。因此，青海省粮食安全主要障碍因子为有效灌溉率、农林牧渔业增加值、秋粮单位面积产量、地方财政农林水事务支出、农业机械总动力。

宁夏生产安全准则层中，农作物总播种面积、粮食作物播种面积、粮食产量障碍度较大；生产投入准则层中，地方财政农林水事务支出、农业机械总动力、农业气象观测业务站点个数障碍度较大；资源利用效率准则层中耕地实际灌溉平均用水量、有效灌溉率、农业水资源利用效率系数的障碍度较大；资源禀赋准则层障碍度最高，地均水资源占有量、人均水资源量障碍度较大；生产效益准则层中，农林牧渔业增加值障碍度较大。因此，宁夏粮食安全主要障碍因子为地均水资源占有量、人均水资源量、耕地实际灌溉平均用水量。

新疆生产安全准则层中，农作物受灾面积、粮食作物播种面积障碍度较大；生产投入准则层中，单位面积农用氮肥施用折纯量、单位面积农用化肥施用折纯量障碍度较大；资源利用效率准则层中耕地实际灌溉平均用水量、农业水资源利用效率系数的障碍度较大；资源禀赋准则层障碍度最高，地均水资源占有量、人均水资源量、降水量障碍度均较大；生产效益准则层障碍度为0。因此，新疆粮食安全主要障碍因子为地均水资源占有量、耕地实际灌溉平均用水量、人均水资源量、农业水资源利用效率系数、降水量、单位面积农用氮肥施用。

2.3.4 西北地区粮食安全评价结果

由表5可知，五省区的粮食安全水平存在明显差异。新疆粮食安全评价的相对贴近度最高，达到0.523，表明其粮食安全综合状况在西北地区最为理想；青海粮食安全评价的相对贴近度为0.491，排名第2；陕西和甘肃粮食安全评价的相对贴近度分别为0.437和0.397，排名第3和第4；而宁夏粮食安全评价的相对贴近度最低，仅为0.284，表明其粮食安全水平有待提升。从区域整体来看，西北地区的粮食安全水平呈“西高东低”的分布格局，与该地区的自然资源禀赋和农业生产条件基本吻合。新疆和青海凭借其相对优越的农业生产条件和水资源保障能力，粮食安全水平较高；而陕西、甘肃和宁夏则由于自然条件限制和农业发展水平等因素，粮食安全水平相对较低。

3 讨 论

西北地区作为我国重要的生态屏障和粮食生产基地，其粮食安全受水资源短缺、生态环境脆弱、农业投入不足等多重因素制约。本研究表明，2003—2022年西北地区粮食产量年均增长率为2.63%，2022年较2003年增加57.37%，但单位面积产量仅为全国平均水平的87.6%，表明增产主要依赖播种面积的扩大，与黄季焜^［27］的研究结论一致，即我国粮食增产长期依赖资源投入，粮食生产效率提升有限。

水资源禀赋（地均水资源占有量、人均水资源量）是制约西北粮食安全的核心因素，尤其在新疆、甘肃和宁夏表现突出。新疆尽管粮食单位面积产量较高（7 451.0 kg/hm²），但水资源开发利用率达63.6%，远超国际水资源开发利用率通用警戒线（40%），与刘欢等^［28］提出的新疆地区水资源超载问题相符。应优化作物种植结构，大力推广膜下滴灌+水肥一体化技术，加强水资源精准管理，控制地下水开采，促进生态修复实现水资源的可持续性利用。甘肃地均水资源占有量和人均水资源量低、有效灌溉率低，与赵子萌等^［29］研究结论一致，表明该地区人均水资源生态承载力较低，长期处于水资源生态不可持续发展和易遭受恶化威胁的状态。因此，应构建“工程节水-农艺节水-管理节水”三位一体体系，重点发展集雨补灌、膜下滴灌等高效节水技术，推广抗旱品种与保护性耕作，建立水权交易市场，进而实现水资源优化配置与粮食稳产双赢。宁夏水资源开发利用率甚至高达636.2%，主要依赖黄河过境水^［25］，其粮食生产可持续性面临严峻挑战；未来需通过节水技术升级、产业转型和跨区域协作实现农业可持续发展；同时，气候变化可能导致水资源不确定性增加，需加强适应性管理。陕西省粮食安全的主要障碍因子包括地均水资源占有量、人均水资源量、受灾面积等，与郝雪纯等^［30］研究结论一致，主要是因为陕西省水资源时空分布不均，呈现“南多北少，夏丰冬枯”的典型特征^［31］，作物关键生育期常遇春旱^［32］，导致水资源利用效率不足50%^［33］。因此，应大力推进高标准农田建设，通过土壤改良和节水灌溉提高秋粮单位面积产量；完善气象灾害预警系统，建立覆盖全省的农业保险体系；创新经营模式，培育新型农业经营主体；通过多维度协同措施，可显著增强陕西省粮食综合生产能力，确保区域粮食安全。此外，有效灌溉率和耕地实际灌溉平均用水量的障碍度较高，表明灌溉水利用效率较低，如青海的农田灌溉水有效利用系数仅为0.506，较全国均值低11.5%，生产安全准则层障碍度较大，指标层有效灌溉率障碍度最大，主要是因为灌溉基础设施覆盖不足，且老化严重，部分农田仍依赖雨养农业，导致水资源无法有效输配至田间^［34］。因此推广高效节水灌溉技术、改造老旧渠道、种植耐旱作物、建设蓄水工程、实施智能灌溉是提升青海水资源利用率，保障粮食稳产增产的关键措施。

4 结 论

1）西北地区粮食产量整体呈上升趋势；2022年，西北地区以占全国8.2%的水资源生产全国7.1%的粮食；由于水资源时空分布不均导致该区水资源开发利用率较高，较全国水资源开发利用率高76.0%。

2）新疆粮食安全水平最高，其次为青海、陕西、甘肃、宁夏。陕西和甘肃粮食安全主要障碍因子均为地均水资源占有量、人均水资源量、有效灌溉率；青海省粮食安全主要障碍因子为有效灌溉率、农林牧渔业增加值、秋粮单位面积产量、地方财政农林水事务支出、农业机械总动力。宁夏粮食安全主要障碍因子为地均水资源占有量、人均水资源量、耕地实际灌溉平均用水量。新疆粮食安全主要障碍因子为地均水资源占有量、耕地实际灌溉平均用水量、人均水资源量、农业水资源利用效率系数、降水量、单位面积农用氮肥施用。

3）提高西北地区的粮食安全水平的关键措施为：一方面，推广高效节水灌溉技术并完善灌溉设施，结合高标准农田建设，提升农业基础设施水平；另一方面，优化作物种植结构，积极推广耐旱作物与适水种植模式，以适应区域水资源条件。另外，还需统筹区域水资源管理，系统提升农业水资源利用效率和土地生产力，从而增强粮食生产的可持续性与稳定性。

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基金资助

河南省科技攻关项目(252102320237)

河南科技智库调研课题项目(HNKJZK-2025-82B)

中国农科院科技创新工程重大任务项目(CAAS-ZDRW202201)