典型黑土区建设占用耕地的时空配置效率研究

(吉林大学 地球科学学院,吉林 长春 130061)

典型黑土区建设占用耕地的时空配置效率研究

孟祥凤,王冬艳,李 红,高 博,田文波

(吉林大学 地球科学学院,吉林 长春 130061)

通过ArcGIS和Spss技术平台构建相应模型,以吉林省长春市为研究区,分析了典型黑土区建设占用耕地的时空配置效率。结果表明:①2001—2014年长春市建设占用耕地部门间的配置存在过度化,过度占用耕地19268.34hm2,且存在一定程度的时空配置效率损失(其中,长春市本级辖区、双阳区与榆树市的时空配置效率较高,在20%以上；德惠市、九台市、农安县的时空配置效率较低,低于10%)，因此应结合长春市生态服务功能与时空配置效率将建设用地指标进行科学调整。②长春市大量优质的黑土资源被占用,且土壤质量退化严重,黑土资源质量与数量的双重流失必然会对东北乃至我国粮食安全构成重要威胁。③计划性的建设用地指标配置、地方政府的行政博弈、边际效益的差异是建设占用耕地时空配置效率损失的主要原因。针对研究结果，提出相应对策,为提高我国典型黑土区建设占用耕地时空配置效率提供科学依据。

建设占用耕地;黑土地资源;时空配置效率

联合国调查指出,2009—2050年全世界将约有18.6亿人口生活在城市,城市化率会从50%上升到69%,尽管城市用地面积仅占地球表面的2%,但超过1/2的人口居住在城市[1]。1970—2016年，全世界1000万人口的特大城市从2个增加到36个,包括我国的北京、上海、广州、深圳、天津、成都[2]。城市化发展导致建设用地扩张，不断占用耕地,是经济发展、城市化进程中全球面临的问题,成为众多学者研究的热点。

国内外对建设占用耕地的研究早期主要集中在对耕地驱动力的分析[3-11],建设占用耕地与城市化、经济发展的关系研究[12-21],建设占用耕地的适宜性评价[22]、代际配置研究[23-24]与效率分析[25,26]。由于我国现行土地利用规划中建设用地指标配置更多的是行政博弈而不是科学配置的结果,未考虑区域经济发展水平和自然资源禀赋的不平衡性[27]；加之我国经济建设与优质农地在空间分布上的高度重合,导致耕地资源的过度损失,粮食安全受到威胁[27]。因此，进一步提高建设用地的配置效率,缓解经济发展与资源保护的双重压力已经成为我国经济新常态下亟待解决的关键性问题之一。

近年来,我国众多学者基于全国、省际、省域等不同研究尺度,运用C-D生产函数[28,29]、数据包络分析[30]、反演模型[31]等研究方法构建了建设用地配置效率指标体系[32],测算了建设用地扩张的时序效率变化[33],进行了建设用地扩张的空间效率分析[34]。但已有研究较多的是对建设用地扩张评价体系和时序效率的研究,鲜有关于建设占用耕地的时空配置效率的研究,且研究层面较多地集中在全国和省际层面,研究区域多分布在我国中东部经济发达的地区。由于我国幅员辽阔、省际差别显著,使建设用地的配置效率本身就存在空间差异,要实现全国的空间配置均衡难度较大、可行性较低；同时，黑土地资源是我国粮食产量和质量的重要基础,在保障我国粮食安全、建设生态文明和发展绿色经济中具有举足轻重的战略地位[35],因此基于黑土区域的市域尺度建设占用耕地时空配置效率研究更具有理论价值和现实意义。

本研究以可持续发展与土地资源优化配置理论为依托,以我国典型黑土区吉林省长春市作为研究区域,应用ArcGIS和Spss软件构建相应模型，探究了2001—2014年典型黑土区长春市建设占用耕地的时空配置效率问题,以期为提高我国典型黑土区建设占用耕地时空配置效率提供科学参考。

1 建设占用耕地的时空配置理论分析

建设用地的配置包含了部门间配置、空间配置和时间配置等,本文在探讨典型黑土区长春市建设占用耕地部门间配置的基础上,重点研究了建设占用耕地的时空配置效率问题[36]。这里部门间的配置主要是指耕地代表的农业部门和建设用地代表的非农业部门之间的用地配置,而时空配置效率是某个时间段不同地域空间对资源利用的边际贡献率。因此,根据土地资源优化配置理论,只要满足土地资源在不同部门的边际效益相等,就可实现部门间的优化配置;满足不同地域的边际贡献率相等,就可保证建设用地的时空配置实现帕累托最优。

为了实现建设占用耕地部门之间的帕累托最优,即耕地的边际效益与建设用地的边际效益相等,结合图1对耕地价格与建设占用耕地面积的关系进行了分析。图1中，P3是包含非市场价值的建设占用耕地的边际成本(MSC),P2是基于市场价格的边际成本(MPC),P1是当下建设占用耕地的市场均衡价格；Q1、Q2、Q3分别是P1、P2、P3对应的建设用地占用耕地的数量[37];OQ3是耕地社会成本下的建设占用耕地合理程度,是达到土地资源优化配置、经济社会健康发展的最理想状态，Q1Q2为建设占用耕地的过度性损失Ⅰ，Q2Q3为过度性损失Ⅱ，Q1Q3为代价性损失。这里的过度性损失是指由于政府的干预,市场失灵而导致土地资源无节制地由生产效益较低的部门流向生产效益较高的部门的过度化部分。

图1 耕地价格与建设占用耕地面积

2 研究区域

长春市位于我国东北松辽平原腹地,幅员面积20593.52km2，是吉林省的省会,辖朝阳、南关、二道、宽城、绿园、双阳、九台七区和榆树、德惠两个县级市与农安县。根据长春市各区县市经济发展状况,本文将朝阳、南关、二道、宽城、绿园划并为市本级辖区,以利于下一步的研究(图2)。2014年,长春市建设用地面积约270599hm2,同比增长了2291hm2;耕地面积约1446502.64hm2,同比减少1257.19hm2,而黑土资源面积约占耕地面积的49%,属于全国典型的黑土区。2014年长春市的粮食产量为968.01万t,占吉林省粮食总产量(3532.8万t)的27.40%。

图2 研究区域位置

3 研究方法与数据来源

根据上述理论分析,本文采用投入—产出模型C-D生产函数对长春市耕地与建设用地部门间最优配置进行了测算,为了得到社会成本下的建设占用耕地的合理化程度,本文将生态价值(非市场价值)纳入到耕地的边际效益中。对生态价值的测算,众多学者多采用Costanza[38]耕地生态服务价值的计算方法,本文拟采用谢高地[39]当量因子价值法测算了2001—2014年长春市耕地的生态价值。在对长春市建设占用耕地部门间的配置进行测算后,利用测得的边际收益(建设用地边际收益)与边际成本(耕地的边际收益)的差值求出边际净收益,根据不同空间的边际净收益与总体边际净收益的比值求得边际贡献率,即建设占用耕地的时空配置效率。

3.1 当量因子价值法

根据谢高地总结的全球生态系统服务功能评价模型,结合“中国生态系统服务价值当量因子表”中生态系统服务功能的当量值,依次为涵养水源0.60、保持水土1.46、废物处理1.64、区域气候调节0.89、改善大气质量0.50、维持生物多样性0.71。农地单位当量因子价值量的测算公式为：

(1)

式中,R为单位当量因子的价值量(元/hm2)；i为农作物的种类；pi为第i种农作物的全国平均价格(元/kg)；qi为第i种农作物的单产(kg/hm2)；mi为第i种农作物的种植面积(hm2)；M为n种农作物的种植总面积(hm2)。

3.2 柯布—道格拉斯生产函数

为计算图1中Q2与Q3的值,本文采用柯布—道格拉斯生产函数(C-D函数)对其进行拓展,得到式(2)、式(3):

lnY=lnA+alnK+blnL+rlnG

(2)

lnYW=lnB+clnKw+dlnLw+elnGw

(3)

式中,Y、K、L、G分别代表第一产业的地区生产总值、社会固定资产投资、从业人员数与农作物播种面积的投入;Yw、Kw、Lw、Gw分别代表第二、三产业地区生产总值、社会固定资产投资、从业人员数、建设用地面积的投入;A、B代表技术投入;a、b、r、c、d、e分别代表第一、二、三产业相应生产要素投入的产出弹性系数。

从式(2)、式(3)可知,土地在耕地和建设用地的边际收益可表示为:

MC=A×r×Ka×Lb×Gr-1

(4)

(5)

式中,MC为耕地的边际收益；MR为建设用地的边际收益值。为了测算出合理的建设占用耕地的数量,需要衡量研究阶段的建设占用耕地实际数量同耕地和建设用地边际收益之间的关系。根据实际的建设用地需求供给量[37]得出:

lnQd=A1+A2lnMC

(6)

lnQs=A3+A4lnMR

(7)

式中,Qd、Qs表示实际的建设用地的需求供给数量；MC与MR同上；A1、A2、A3、A4表示待估计参数。将得到的A1、A2、A3、A4的估计值通过使MC=MR,可得到式(8)、式(9):

lnQ=[(A1×A4-A2×A3)/(A4-A2)]

(8)

(9)

由式(8)、式(9)求得lnQ与Q的值。当MC值中包含耕地的生态价值时,Q值就是建设占用耕地的帕累托最优值。将MC与MR的值代入式(10),可测得边际贡献率,即建设占用耕地的空间配置效率Y值。

(10)

式中,Y表示时空配置效率值；MRi与MCi分别表示不同地域空间建设用地与耕地的边际效益。

3.3 数据来源

本文测算长春市耕地生态价值的数据包括长春市主要农作物的种植面积、单产及全国平均价格,来源于相关年份的《长春市统计年鉴》、《全国农产品成本收益汇编》;耕地与建设用地边际收益的测算数据,如第一、二、三产业的劳动力、固定资产投资、面积的投入和产出数据主要来源于相关年份《长春市统计年鉴》、《吉林省统计年鉴》与《吉林省国土资源统计年报》;吉林省土壤类型来源于吉林省国土资源厅。

4 模型估计与结果分析

4.1 生态价值测算结果

根据当量因子价值法对长春市耕地生态价值进行测算,选取稻谷、玉米、土豆、马铃薯等主要农作物,将相应数据代入式(1)求得长春市2001—2014年生态价值见表1。

表1 2001—2014年长春市耕地生态价值(万元/hm2)

运用ArcGIS软件,基于吉林省二次普查土壤类型shp图层得到1∶100万的吉林省黑土资源分布图(图3)。从图3可见,长春市位于吉林省的黑土区,因此无论是经济产出还是生态服务功能均高于我国大部分地区。其中,榆树市、农安县、德惠市的生态效益较高,源于长春市生态功能区划的河流保护区、水土保持区、生态农业区与湿地保护区均位于榆树市、农安县、德惠市这三个区域,因此生态服务功能价值较高[40]。而长春市本级辖区、双阳区与九台市建设用地比例较高,城市生产和生活功能起主导作用,耕地的生态服务功能相对偏低。

图3 吉林省黑土带分布

4.2 长春市建设占用耕地模型估计

本文将长春市耕地生态价值的测算结果投入到建设占用耕地边际效益的测算中,为了得到满意的回归结果,将2001—2014年长春市耕地代表的农业部门与建设用地代表的非农业部门的投入—产出数据进行回归估计。在对式(4)、式(5)进行回归估计时,采用的是广义最小二乘法(GLS),在估计式中运用了一阶自相关校正,并按照横截面区域进行了加权最小二乘法估计,估计结果见表2、表3。

表2 2001—2014年长春市模型(一)估计结果

表3 2001—2014年长春市模型(二)估计结果

从估计结果来看,R2均在90% 以上,表明方程所选的自变量能够较好地解释耕地与建设用地的收益状况,且各项系数都在1%的置信水平上显著,回归拟合效果很好。由此,可得到长春市2001—2014年间耕地的边际收益与建设用地的边际收益,见表4、表5。

表4 2001—2014年长春市耕地边际收益(万元/hm2)

表5 2001—2014年长春市建设用地边际收益(万元/hm2)

我们将求得的MC与MR的值与长春市2001—2014年建设用地需求供给值代入式(5)—(8),求得长春市2001—2014年建设占用耕地的代价性损失、过度性损失Ⅰ、过度性损失Ⅱ,见表6。

表6 长春市2001—2014年间建设占用耕地合理化面积(hm2、%)

通过C-D生产函数测得长春市2001—2014年建设占用耕地的代价性损失达19268.34hm2,占实际建设占用耕地面积的48.42%,过度性损失Ⅰ所占比例为32.31%，过度性损失Ⅱ所占比例为23.80%,其中最优配置20528.2hm2则是长春市满足经济增长、保障粮食安全和生态安全的理想的建设占用耕地面积;次优配置26938.63hm2是在我国当前的市场经济条件下,排除政府对土地分配的宏观调控所能实现的建设占用耕地数量的次优选择。长春市49%的耕地为黑土资源,等别较高的耕地均位于城区周边,城市发展的一般规律是沿城市建成区向外延伸。因此,2001—2014年长春市建设占用耕地的数量不应超过26938.63hm2,否则将造成黑土资源浪费与建设用地闲置。

4.3 长春市建设占用耕地时空配置效率测算分析

将MR与MC的值代入式(10)计算长春市建设占用耕地的时空配置效率,计量结果见表7。

表7 长春市2001—2014年建设占用耕地边际净收益与时空配置效率

图4 长春市2001—2014年建设占用耕地时空配置效率

从表5可见,长春不同地区的建设占用耕地时空配置效率差别较大,应用GIS软件得到长春市1∶50万的时空配置效率分布图(图4)。2001—2014年,长春市各地区之间存在着建设占用耕地的效率损失。其中,长春市市本级辖区、双阳区与榆树市的时空配置效率较高,均在20%以上,德惠市、九台市、农安县的时空配置效率较低,均低于10%;时空配置效率最高的市本级辖区是时空配置效率最低农安县的15.59倍,即在外界投入不变的情况下,同样的GDP产出增值,市本级辖区只需要用农安县4.70%的建设用地面积。从模型的回归结果来看,长春市建设占用耕地的时空配置并没有达到均衡,因此应进行空间调配实现帕累托最优。

5 结论与讨论

5.1 结论

基于以上分析,本文得出以下几条结论:①本文基于土地资源优化配置理论与可持续发展理论对建设占用耕地的优化配置进行了理论剖析,扩展了原有研究中的测算模型。在对建设占用耕地部门间配置进行分析的基础上,提出通过测算区域间边际贡献率来衡量建设占用耕地的时空配置效率。测度结果显示,2001—2014年长春市建设占用耕地部门间配置存在过度化,过度占用耕地19268.34hm2,且存在一定程度的时空配置效率损失。其中,长春市市本级辖区、双阳区与榆树市的时空配置效率较高,在20%以上；德惠市、九台市、农安县的时空配置效率较低,低于10%。因此,应根据测算结果并结合长春市的生态服务功能区划将建设用地进行科学调整,适当将农安县、德惠市、九台市的建设用地扩张指标调配到长春市本级辖区和双阳区。而榆树市不但建设占用耕地的时空配置效率较高,而且还具有较大的生态服务功能,因此对榆树市的建设占用耕地指标的调配还应多考虑其生态安全因素,以实现土地资源与经济发展、生态安全、粮食生产的高效配置。②城市发展的一般规律是沿城市建成区向外延伸,长春市建设占用耕地存在过度性和时间配置效率的不均衡性,必然会导致大量优质的黑土资源被占用。我国的黑土资源在利用过程中长期存在着黑土肥力退化、水土流失、土壤盐渍化、旱涝灾害、土壤沙化、土壤酸化等一系列影响黑土区土壤质量和黑土资源持续利用等方面的问题[41],因此黑土资源质量与数量的双重流失必然会对东北乃至我国粮食安全构成重要威胁。

5.2 讨论

原因分析:长春市建设占用耕地的部门间配置的过度化和时空配置效率的非均衡性,原因在于建设用地与耕地的边际收益差别较大。根据经济学的边际效益理论,土地资源会从边际效益较低的部门转化到边际效益较高的部门,加之地方政府为了从土地流转中获取更多的利益,往往忽略了经济发展的实际需求,进一步推动了建设占用耕地的无序扩张。此外,我国的土地资源配置主要是通过土地利用总体规划来实现的,虽然现有的指标逐级分解制度有效控制了耕地资源锐减并保证了土地用途管制的实施效果,但由于没有考虑到区域经济发展的差异性和自然资源禀赋的非均衡性,没有按照空间效率均衡的原则进行土地资源的空间配置,这种计划性的指标配给制度逐步成为建设占用耕地时空配置效率不均衡的根本原因。

政策启示:首先,对长春市建设占用耕地部门间配置的过度化，一是应提高长春市建设用地节约集约利用程度,提高城市存量土地的开发再利用比率,盘活土地存量,转变土地的利用结构;二是减少政府的行政干预,完善土地市场的配置机制，通过提高征地补偿标准,建立城乡统一的土地交易市场,使耕地的外部价值内部化[42]来提高耕地的边际效益,从而减少长春市建设用地对耕地的过度占用。其次,对长春市建设占用耕地时空配置效率的非均衡性,建议构建县市级的建设用地指标平台,在现有建设用地指标管理体制下,允许区县一级的地方政府在该平台上对用地指标进行交易[43]。如根据长春市生态服务功能区划与建设占用耕地时空配置效率的测算结果,适当将德惠市、农安县与九台市的用地指标在该平台上利用直接交易的方式调配到市本级辖区与双阳区,对改善生态环境和维护国家粮食安全做出贡献、牺牲发展机会的榆树市给予合理补偿，从而显化各地区对用地的真实需求,改进现有计划配置的弊端,提高建设占用耕地的时空配置效率。第三,为了保护黑土资源,扭转长春市耕地资源损失严重的现状,应加快推进建设占用耕地尤其是黑土耕作层土壤剥离工作的实施;进一步健全长春市耕地“先补后占、占补平衡”的长效机制,保证黑土资源的质量与数量。

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ResearchonTime-spaceAllocationEfficiencyofCultivatedLandforConstructionPurposesinTypicalBlackSoilArea

MENG Xiang-feng,WANG Dong-yan,LI Hong,GAO Bo,TIAN Wen-bo
(College of Earth Sciences,Jilin University,Changchun 130061,China)

Applying the ArcGIS and Spss technology platform,this paper built the corresponding models to analyze the time-space allocation efficiency of the cultivated land occupation by construction in Changchun City of Jilin Province,the typical black soil area.The results showed that:Firstly,from 2001 to 2014,the department configuration of cultivated land for construction purposes in Changchun City was excessive,and the expense loss was 19268.34 hm2,had a certain degree of loss which the allocation efficiency was of the time and space.The marginal contribution rate of cultivated land occupation by construction was over 20% in Changchun corresponding level,Shuangyang District and Yushu City.The marginal contribution rate of Dehui,Jiutai,Nong′an County was lower than 10%.Therefore,we should according to the ecological service function and the space-time allocation efficiency of Changchun City make scientific adjust the construction land index.Secondly,a large quantity of black soil resources were occupied by the construction land in Changchun City,and the quality of black soil was degradate seriously.The quantity and quality of black soil resources were erosion that must be severe threat to the northeast or even our country′s food security.Thirdly,the planning of construction land index allocation,the local government administrative game,the difference of marginal benefits were the main causes of the loss of the space-time allocation efficiency of the cultivated land occupation by construction.Forthly,this paper put forward the corresponding measures to provide a scientific basis for the time-space configuration efficiency of cultivated land for construction purposes in typical black soil area in China.

cultivated land occupied by construction;black soil resource;time-space allocation efficiency

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.08.010

F301.2

A

1005-8141(2017)08-0948-06

2017-06-07；

2017-07-25

国家自然科学基金青年科学基金项目(编号:41201158)。

孟祥凤(1990-),女,吉林省四平人,博士研究生,主要从事城市化发展、建设用地扩张与耕地保护方面的研究。

李红(1979-),女,吉林省镇赉人,博士,副教授,研究方向为区域与城市发展。