基于GIS的三江平原耕地利用效益研究

张文琦+姜博+罗冲+初楠臣+李晓庆+王玉迪

摘要：基于经济、社会与生态视角利用多因素综合评价模型并结合ArcGIS空间分析手段探究2005—2014年三江平原耕地利用效益时间动态变化与各县（市、区）耕地利用效益空间变异的特征。结果表明，2005—2014年三江平原耕地利用效益整体呈上升趋势，生态效益在2005—2009年呈下降趋势，随着农业资源利用效率的提高，2009年以后耕地利用生态效益基本稳定；现代农业综合改革试验区的建立，带来三江平原耕地利用效益空间格局的重塑，东北部低平原区耕地利用综合效益高于西南部丘陵地区；未来三江平原耕地利用效益还有较大的提升空间，实现农业现代化的同时应更加注重耕地利用生态效益与经济、社会效益的协调发展。

关键词：耕地利用效益；时间变化；空间分异；GIS技术；三江平原；经济效益；社会效益；生态效益；综合效益

中图分类号：F301.21 文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）23-0243-05

国外对耕地利用效益研究开始的比较早，波兰农业地理学家Kostowicki根据农业类型学委员会判定的原则和方法把世界农业划分为6个一级类型、25个二级类型和93个三级类型[7]；Herdt等提出从生态效益、社会效益和经济效益3个方面来衡量农业系统的可持续发展能力[8-9]。国内学者傅伯杰等认为应依据土地可持续利用的特点，从生态、社会、经济角度建立土地可持续利用的评价指标体系[10]；黄秋昊等指出土地可持续利用的评价指标应该具有时间序列性与空间敏感性[11]；林庶民等分别采用主成分分析、聚类分析和相关性分析等方法进行实证研究，揭示了区域耕地利用效益的时空差异和特征[12-14]。

但目前我国耕地利用效益的研究主要针对耕地质量下降明显的一些人口密集地区，对县域耕地利用效益时空分异的研究比较少，针对三江平原耕地利用效益的时间动态变化规律和空间分异的研究目前还鲜有报道。本研究在参考已有研究成果的基础上，建立三江平原耕地利用效益评价指标体系，应用地理信息系统（geographic information system，GIS）技术对三江平原耕地的经济效益、社会效益、生态效益与综合效益的时空变化特征进行分析，以期为三江平原耕地资源合理利用及综合效益的提高提供参考。

1研究区域概况

三江平原位于黑龙江省东部，小兴安岭以东，长白山以北，介于43°49′55″N～48°27′20″N、129°11′20″E～135°5′10″E之间。主要包括黑龙江、松花江、乌苏里江冲击形成的低平地，以及完达山和南乌苏里江支流域兴凯湖交汇形成的冲积平原。包含佳木斯市、双鸭山市、鹤岗市、鸡西市、七台河市所属的21个县（市、区）和牡丹江所属的穆棱市、哈尔滨所属的依兰县，总面积108 900 km2，占黑龙江总面积的23.04%。该区域是温带湿润、半湿润的大陆性季风气候，夏季炎热湿润，冬季寒冷干燥，四季鲜明，1月平均气温低于-18 ℃，7月平均气温21～22 ℃，年降水量500～650 mm。区域内土壤土层相对较厚，质地主要是以壤土和壤质粘土为主，土壤有机质含量相对较高，已垦耕地土壤以草甸土、白疆土、黑土和暗棕壤为主。三江平原具有典型的河谷平原特点，平均海拔为50～60 m，平原面积大约占总面积的61.2%，是我国重要的农业区和商品粮生产基地。

2研究方法

2.1耕地利用效益評价指标体系的构建

在科学性、客观性、系统性和可操作性等原则的指导下从经济、社会与生态视角综合测度三江平原耕地利用效益。经济效益从耕地资金、技术等投入与生产成本降低、粮食产量提高角度判断耕地的利用效益；社会效益从宏观社会效应角度分析耕地利用对社会环境系统作用的效益；生态效益从生态环境角度阐释在耕地利用过程中对生物、土壤、水资源等生态环境造成的影响[15]。结合三江平原的实际情况，经因子分析筛选出13个指标，构建三江平原耕地利用效益评价指标体系（表1），该体系由目标层A、准则层B和指标层C构成，将耕地利用综合效益定为目标层，经济效益、社会效益和生态效益设为准则层，各单项指标设为指标层。

2.2耕地利用效益评价指标权重的确定

运用层次分析法（AHP）从主观视角分析各项指标对耕地利用综合效益的作用强度[16]。咨询有代表性的学者专家，比较所列指标的重要程度并逐层进行判断打分，进而构建判断矩阵，设为A=（aij）n×n，其中aij=1/aji（i≠j，i、j=1，2，…，n）；aij=1（i=j）。判断矩阵中标度值通常依据比较标度法得到，2个指标i、j同等重要，标度值为1，微弱重要为3，明显重要为5，突出重要为7，绝对重要为9，相邻判断的中间值为2、4、6、8。依据方根法计算最大特征根所对应的特征向量，进而得到各项指标的重要性权值，经过层次排序和一致性检验，得出三江平原耕地利用效益各评价指标的权重Wi，如表2所示。

2.3数据处理

以各项指标的原始数值为基础，通过标准化处理消除量纲，得出标准化数值，以此作为指标体系评价标准。采用极差变换法对数据进行标准化处理。

正向指标：yij=xij-bijaij-bij；逆向指标：yij=aij-xijaij-bij。

式中：yij为无量纲处理后的数值；xij指j年第i项指标的实际值；aij为第i项指标的最大值；bij为第i项指标的最小值。考虑到后期绘图便于观察，将标准化处理数值转化为指标得分：Qi=yij×10+100。指标得分按照正向指标和逆向指标分别计算，得分与耕地利用效益均呈正相关，即Qi越大，耕地利用效益越高，反之亦然。

研究数据来源于2006—2015年《黑龙江省统计年鉴》[17]和各地方统计年鉴，部分数据来源于我国经济与社会发展统计数据库和黑龙江省统计公报，评价方法使用的部分数据是根据各项指标由原始数据计算整理得到。endprint

2.4耕地利用效益评价模型

根据各指标数据标准化处理后计算得分和指标综合权重，采用多因素综合评价法建立耕地利用效益评价模型。P=∑13i=1QiWi；E=∑4i=1QiBi；S=∑9i=5QiBi；F=∑13i=10QiBi。其中，P为综合效益指数；E为经济效益指数；S为社会效益指数；F为生态效益指数；Qi为第i个指标的得分值；Wi为各指标的组合权重值，∑Wi=1；Bi为单因子权重，∑Bi=1。

3结果与分析

3.1三江平原耕地利用效益时序特征分析

由图1可知，2005—2014年三江平原耕地利用社会效益、经济效益和综合效益的时序特征大致相同，曲线重合度较高，呈波动上升趋势，2010、2013年是2个转折点；而生态效益曲线呈下降趋势，且下降幅度较大。

耕地利用经济效益是耕地综合利用效益的核心，经济效益的提高有助于社会需求满足度的提高和耕地生态环境的改善。三江平原耕地利用经济效益在2005—2014年这10年内增长幅度较大，2010、2013年出现转折点，均比上一年小幅度下降。分析影响三江平原耕地利用经济效益的影响因素可以看出，粮食单位面积总产值、农业机械化程度始终处于增长态势，技术效率的进步释放多余劳动力，使得单位面积劳动力逐渐减少。由于2010年三江平原腹地遭遇百年一遇的早春低温寡照雪灾致使农时约延后15 d，严重影响粮食产量，2013年8月份，受降水偏多和主要江河水位上涨的影响，局部农田出现涝情，粮食生产受到直接威胁，致使2010、2013年粮食播面单产下降，这2个年份的耕地利用经济效益出现转折。

根据耕地利用社会效益评价指数变化，2005—2014年三江平原耕地利用社会效益基本呈稳步上升趋势，间或有小的回落。随着社会经济的发展，人均粮食产量、社会需求满足度、人均农业国内生产总值、农民人均纯收入和劳动力转移指数均有所增加；三江平原地广人稀且人口增长较为缓慢，人均耕地面积基本趋于稳定。另外，由于自然灾害，2010年、2013年人均粮食产量与社会需求满足度有所回落，导致三江平原耕地利用社会效益出现小幅度下降。

耕地利用的生态效益关系到耕地利用的可持续发展，2005—2014年三江平原的耕地利用生态效益的评价值与经济、社会和综合效益的相反，出现了明显下降又趋于平稳的态势。2005—2009年，三江平原耕地资源生态环境状况相对较好，前期生态效益指数明显高于经济效益、社会效益和综合效益，但粮食增产的同时伴随着化肥、农药投入量的加大，致使这一阶段的耕地利用生态效益逐年下降。2009—2014年，三江平原耕地生态效益评价值趋于平稳，万元产值能耗的逐步降低缓解了耕地利用生态效益下降的态势，这种态势从一定意义上表明耕地利用不可持续的危险有所控制。

三江平原耕地利用的综合效益总体呈上升趋势，2005—2007年生态效益的下降一定程度上影响了耕地利用综合效益，加之经济效益和社会效益提升缓慢，2007年耕地利用综合效益达到10年间最低水平。2008年以来，三江平原加快推进黑龙江、松花江、乌苏里江三江连通工程，实现江河、航运和水系贯通，发挥三江平原水利工程综合效益，随着水利设施的修建、农业科技水平的改善与农民农业素养的提高，其耕地利用综合效益在整体上也处于上升态势。

3.2三江平原耕地利用效益空间变异

基于三江平原2014年县域耕地利用效益指数，利用ArcGIS 10.0软件的专题图显示功能对三江平原耕地利用效益属性数据生成空间分布图，研究经济效益、社会效益、生态效益和综合效益在地域空间上的分布差异（图2）。

三江平原耕地利用经济效益指数具有明显的空间集聚特征，松花江沿线平原区的佳木斯和双鸭山地区受到周边城市群经济发展的辐射，整体上经济利用效益较好，而三江平原的南部地区，由于人口密集，耕地面积较少，耕地利用经济效益指数相对较低。经济效益评价值得分小于104.00的县（市、区）有8个，经济效益评价值得分在104.01～105.00之间的县（市、区）有8个，经济效益评价值得分在105.01～106.99之间的县（市、区）有7个，表明各区域之间的耕地利用经济效益差异较大，各县（市、区）经济耕地利用经济效益程度参差不齐。三江地区各县（市、区）粮食播面单产平均值为 6.21 t/hm2，大于平均水平的县（市、区）有11个，2014年三江平原单位面积总产值平均值为 21 821.91元/hm2，大于平均水平的县（市、区）有9个，均占45%左右。农业机械化程度大于平均值的县（市、区）有7个，且空间分布差异较大，这主要是受地形和农业现代化水平的影响。

三江平原耕地利用社会效益评价值得分高于103.00的地区主要集中在三江平原北部的富锦市、同江市和抚远县，以及三江平原边缘区的虎林市和依兰县，这些县（市、区）地广人稀，人均耕地面积交广，人均粮食产量较高，耕地利用社会效益评价值得分也相对较高。三江平原人均耕地面积约为全国平均水平的5倍，各县（市、区）平均值为0.53 hm2，人均粮食产量平均值为3 164.49 kg，超过平均值的县（市、区）有8个，人均农业国内生产总值和农民人均纯收入平均值分别为11 514.33、10 244.72 元， 高于平均水平的县（市、 区）分别有9、13个，分别占40%、56%。表明三江平原水土资源丰富，农业产值相对较高，但农民收入差距较大，收入高的农民集中在佳木斯、鹤岗、双鸭山、鸡西和七台河等5个市辖区及其周边县（市、区），这些地区的劳动力转移指数也比较高。

三江平原耕地利用生态效益评价值得分为小于105.00、105.01～107.00、107.01～109.13的县（市、区）分别有6、10、7个。高值区主要分布在东部平原区，耕地利用的生态效益评价值得分大于107.01的有抚远县、虎林市、穆棱市、友谊县、鸡东县和桦南县，这些地区土壤肥沃、农业现代化程度高，化肥、农药的利用率高，對水体、土壤污染较小。低值区则集中在七台河及其周边地区，影响这些县（市、区）生态效益的主要因素是耕地灌溉面积小、化肥施用量大以及能耗相对较高，其中勃利县、桦川县、集贤县、七台河市市辖区和同江市位于后5位。但从整体上看，三江平原地区积极响应国家发展农业建设高水平农业示范区的号召，政府加大农业水利等基础设施投入，耕地有效灌溉面积比率逐年上升，这也使三江平原耕地利用生态效益下降趋势有所缓解，耕地利用可持续度提高。endprint

三江平原耕地利用综合效益评价值呈东西高、中间低的空间分布形态，这一方面受到地形地理差异的影响，另一方面是由于各县（市、区）农业经济和技术发展水平的差异所致。抚远县的耕地利用综合效益评价值最高，为106.93，富锦市、虎林市和鸡东县位于第二梯队，这些耕地利用综合效益评价值较高的地区主要位于三江平原的东北部，该地区耕地开发时间较短，耕地质量较高，再加上黑龙江省农垦系统归属其中，机械化程度较高，整体上耕地利用综合效益较好。三江平原耕地利用综合效益评价值得分小于103.00的有七台河市市辖区和勃利县，其余县（市、区）耕地利用综合效益评价值得分均在103.01～105.00之间，表明三江平原大部分县（市、区）的耕地利用综合效益均处于中等水平，还有较大的提升空间。

4结论与讨论

三江平原耕地利用经济效益、社会效益和综合效益在时间序列上曲线重合度较高，表现为波动上升，期间2010、2013年遭受自然灾害，耕地利用综合效益评价值出现小幅度回落，生态效益评价值在2005—2009年持续下降，2009年以后变化态势逐渐趋于平稳。10年间，耕地利用效益的提高主要依赖于粮食产量、农业机械化程度、农民人均纯收入的增长与万元产值能耗的降低。

三江平原耕地利用效益空间变异较大，呈明显的东西高、中间低的空间分布形态，各县（市、区）的农业生产水平不均衡发展，耕地利用效益高值区集中在三江平原东北部低平原区，耕地利用综合效益较高的地区有抚远市、富锦市、虎林市和鸡东县。对耕地利用效益空间差异影响较大的指标有农业机械化程度、万元产值能耗、农民人均纯收入，表明三江平原耕地利用技术、劳动力资源的区域分配不平衡和农民的贫富差距较大。

未来三江平原在大力发展农业的同时更应重视耕地利用综合效益的提高，根据三江平原各县（市、区）耕地利用效益的空间差异，制定相应的区域规划，引导各区域经济、社会和生态效益协调发展。依靠科技进步增加粮食播面单产，提高农业生产效率，减小农业机械化水平和能耗的空间差异，在耕地利用过程中控制农药、化肥施用量的增长，增加耕地有效灌溉面积，提高耕地资源的有效利用率。

运用ArcGIS技术可以直观地反映三江平原各县（市、区）耕地利用效益水平的相对空间分布，可为建立耕地利用效益动态监测平台提供理论依据。此外，由于客观条件的局限性，在今后的研究中，还须进一步优化耕地利用效益评价指标体系，减小评价结果与实际值的偏差。

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