粮食产销平衡区耕地非粮化负外部效益空间分布特征

宋 戈, 白小艳, 高 佳

(1.东北大学 文法学院 土地管理研究所, 沈阳 110169; 2.中国东北振兴研究院, 沈阳 110169)

耕地非粮化负外部效益属于农业生产领域或环节的负外部效益，是耕地非粮化行为主体在利用耕地资源的非粮食种植用途过程中对其他主体造成的负外部性影响，但并不为此支付足够补偿这种危害的成本[1-2]。耕地过度非粮化既影响国家粮食安全，又影响区域生态环境保护，其负外部效益凸显[3-4]。近年来，耕地保护备受关注，它直接涉及到国家的粮食安全和经济社会的可持续发展[5]。但是受利益驱动，中国耕地非粮化规模有逐年扩大的趋势、非粮化的速度不断加快[6]，1978—2014年全国粮食作物播种面积总体减少786.4万hm2，非粮化比例由19.7%上升至31.9%。粮食产销平衡区粮食净缺口日益增加，生态环境不断恶化。因过度非粮化引起的一系列社会和生态等问题引起了政府的担忧。科学测算耕地非粮化负外部效益以及分析区域差异，对于保障区域粮食安全和合理配置农业土地利用结构有重要的指导意义。

目前，关于耕地非粮化负外部效益的研究多集中在国内，相关研究表明耕地非粮化导致种粮面积减少[7-8]，并且耕地非粮化后的用途差异明显，对土壤层造成不同程度的破坏，影响粮食产量和质量[9-10]。非粮化后化肥农药等施用量明显增加，造成一定程度的水污染、大气污染[11-12]。由此可见，耕地非粮化负外部效益涉及区域粮食安全和生态环境保护两个重要问题，但是相关研究只是停留在简单的定性分析层面上，缺乏系统分析和定量测算，很难明确反映负外部效益高低。从研究尺度来看，相关研究多集中在宏观层面，而从中微观尺度测算耕地非粮化负外部效益及其分析空间分布差异的研究尚少见。国内外关于负外部效益评估的方法主要有机会成本法、条件价值评估法、参数比照法、分解求和法、意愿评估法[13-15]等，但尚未达成共识。耕地非粮化负外部效益测算是一个复杂的过程，分解求和法可以根据非粮化的用途把负外部效益分解，再进行综合计算，可以简化计算过程且计算结果具有一定的科学性。

鉴于此，本文以粮食产销平衡区甘肃省的14个地级市(含2个自治州)为研究区，将耕地非粮化负外部效益分为粮食安全负外部效益和生态环境负外部效益两部分，运用生产率变动法，测算研究区2014年，不同城市的耕地非粮化粮食安全负外部效益，运用恢复费用法和治理成本法，测算耕地非粮化生态环境负外部效益，运用分解求和法综合测算耕地非粮化负外部效益，在此基础上，分析研究区耕地非粮化负外部效益的空间集聚特征、空间分异趋势，以期为耕地非粮化负外部性问题内部化提供科学的依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

甘肃省位于中国西北部，横跨三大自然过渡带，区内自然条件差异明显，资源分布极不平衡。全省辖12个地级市、2个自治州。2014年末，全省土地总面积4 258.89万hm2，其中耕地面积537.88万hm2，农作物播种面积419.75万hm2，粮食播种面积284.25万hm2。较1986年相比，甘肃省“粮作比”由79%下降到67%，耕地非粮化现象明显。“河西地区”是甘肃省最大的粮食生产基地，但是由于农业结构的调整，对全省粮食贡献率正在逐年下降；中部和陇东南粮食产量低，需求缺口持续扩大[16]。如何保障区内粮食自给和生态环境安全一直是甘肃省面临的重大问题。

1.2 数据来源

本文数据来源于甘肃省各地级市国民经济和社会发展统计公报(2014)、《中国乡镇企业及农产品加工业年鉴(2015)》、《甘肃省统计年鉴(2015)》、《甘肃农村年鉴(2015)》、《政府工作报告》、2015年甘肃省14个地级市统计年鉴等原始数据通过计算整理得到。

2 研究区耕地非粮化负外部效益分析及测算

2.1 研究区耕地非粮化负外部效益的表现形式

本文确定的耕地非粮化负外部效益是由多种负外部效益构成的，为了尽量包括所有可能出现的效益并防止效益之间相互包含，把耕地非粮化负外部效益归纳为对粮食安全的负外部效益和对生态环境的负外部效益两大项[17]。

耕地非粮化行为包括从事养殖业、观光旅游业，种植经济作物、树木等，这些行为会直接导致种粮面积减少，以及造成土壤污染，使得粮食减产、质量降低，本文定义为粮食安全负外部效益；种植经济作为农药、化肥、农膜施用量会明显增加，养殖业的动物粪便、尿液排放处理不当，会导致水资源污染、大气污染、土壤污染，本文定义为生态环境负外部效益。

2.2 研究区耕地非粮化负外部效益测算

耕地非粮化负外部效益包括对粮食安全的负外部效益和对生态环境的负外部效益两部分，运用分解求和法综合计算耕地非粮化负外部效益，公式如下：

V=V1+V2

(1)

式中：V表示耕地非粮化负外部效益(万元)；V1表示耕地非粮化粮食安全负外部效益(万元)；V2表示耕地非粮化生态环境负外部效益(万元)。

2.2.1 耕地非粮化粮食安全负外部效益测算 耕地非粮化粮食安全负外部效益包括种粮面积减少造成的粮食数量减少和由于土壤污染造成的粮食产量、质量降低这两部分的损失，运用生产率变动法测算。公式如下：

V1=(φ+σ)ωMCP+SP

(2)

式中：ω为土壤污染造成的作物减产率，根据国家耕地质量的分级，在15等别中，中等以下各等别的平均单产为15等别平均单产的53%左右，在此假定受污染的耕地为中等以下的平均等别，因此，将φ值确定为0.53；σ为受污染的粮食作物的市场价格降低率(%)，污染超标的作物经济损失按低于市场价10%计算[18]。ω为耕地非粮化对土壤污染的影响率；M为粮食播种污染面积(hm2)；C为2014年粮食作物平均单产(kg/hm2)；P为当年粮食作物的平均市场价格，为2.53元/kg(参照2014年粮食市场价格)；S为耕地非粮化总面积(hm2)。

2.2.2 耕地非粮化对土壤污染的影响率测算 本文分别选取化肥施用量、农药施用量、农膜施用量、养殖业污水排放量、养殖业废气排放量、养殖业固体废弃物排放量作为非粮化耕地和其他农用地对土壤污染影响因子；工业对土壤污染的影响因子为工业废水排放量、工业废气排放量、工业废渣排放量；生活废水排放量、生活垃圾、生活垃圾处理率作为日常生活对土壤污染的影响因子[19-20]；采用极差标准化法对各指标进行无量纲处理，运用层次分析法和熵值法确定权重(表1)。

表1 2014年研究区耕地非粮化对土壤污染的影响率

2.2.3 耕地非粮化生态环境负外部效益测算 耕地非粮化对生态环境的负外部效益包括三个方面：土壤污染、水资源污染、空气污染，分别运用恢复费用法和治理成本法测算，公式如下：

V2=S1+S2+S3

(3)

式中：S1为土壤污染恢复成本(万元)；S2为水资源污染的治理成本(万元)；S3为空气污染治理成本(万元)。

S1=ωPth

(4)

式中：ω为耕地非粮化对土壤污染的影响率；h为受污染需要治理的耕地面积(hm2)；Pt为单位面积土地治理费用，根据国内相关研究成果[21]，单位面积土地污染治理费用为1.5万元/hm2。

S2=∑wiPi

(5)

式中：wi为第i种污染物排放量(t)；Pi为第i种污染物处理成本(元/t)，参考国内的相关研究成果，在废弃物出水浓度达到《禽兽养殖业污染物排放标准》(GB18596—2001)规定时，养殖废水的COD，BOD，NH3-N的参考单位处理成本分别为1 875.6元/t，385元/t和468.9元/t[22]。

S3=∑miqi

(6)

式中：mi为耕地非粮化造成的空气中第i种污染物的含量(t)；qi为空气中第i种污染物的治理成本(元/t)，参考相关研究成果，CO2，SO2和悬浮颗粒物的治理成本分别为4.965元/t，1 101.742元/t，6 178.69元/t[23]。

2.3 耕地非粮化负外部效益测算结果与分析

根据公式(1—6)测算得到研究区耕地非粮化的负外部效益(表2)，研究区2014年耕地非粮化负外部效益总值为271.41亿元，耕地非粮化粮食安全负外部效益值为209亿元，生态环境负外部效益值为62.41亿元，耕地非粮化粮食安全负外部效益值为其生态环境负外部效益值的3.35倍。粮食产销平衡区面临着保障区域粮食基本自给和保护生态环境及经济发展的多重问题，研究区巨大的耕地非粮化粮食安全负外部效益值以及生态环境负外部效益势必会增大区域建设发展和粮食生产用地的矛盾。研究区耕地非粮化负外部效益区域差异较大，其中武威市、张掖市、酒泉市的耕地非粮化负外部效益值较大，分别占研究区耕地非粮化负外部效益总值的11.02%，14.05%，20.88%，嘉峪关市和金昌市的耕地非粮化负外部效益值较小，分别占研究区耕地非粮化负外部效益总值的0.38%，3.1%。

表2 研究区耕地非粮化负外部效益值 万元

2.3.1 耕地非粮化粮食安全负外部效益测算结果与分析 研究区土地污染程度整体较小，种粮面积减小造成的损失占粮食安全负外部效益比例高，为84.75%。研究区土地资源禀赋以及自然条件在空间上差异较大，各地耕地非粮化类型和程度不尽相同，非粮化粮食安全负外部效益区域差异明显。嘉峪关市耕地非粮化粮食安全负外部效益最小，为0.75亿元，占全省总值的0.32%；酒泉市耕地非粮化粮食安全负外部效益最大，为45.24亿元，占全省总值的7.86%。通过测算各地单位面积耕地非粮化负外部效益(表3)，张掖市、金昌市、武威市、酒泉市、嘉峪关市的单位面积耕地非粮化粮食安全负外部效益较大，这5个城市耕地非粮化率高，且均属于河西走廊灌溉农业区，水资源及光照等自然条件较好，是研究区重要的粮食生产基地，粮食单产高，耕地非粮化粮食安全负外部问题对各市乃至整个研究区的粮食安全都构成严重威胁。甘南州、平凉市、白银市的单位面积耕地非粮化粮食安全负外部效益较小，甘南州耕地非粮化率较高，但是当地的粮食单产低，导致粮食安全负外部效益小；平凉市和白银市耕地非粮化率低，粮食产量不高，所以单位面积耕地非粮化粮食安全负外部效益也比较小。

2.3.2 耕地非粮化生态环境负外部效益测算结果与分析 研究区耕地非粮化对大气、水、土壤的污染程度存在较大差异，大气污染对耕地非粮化生态环境负外部效益贡献最大占53.64%，其次土壤污染占20.10%、水资源污染占16.26%。嘉峪关市耕地非粮化生态环境负外部效益最小，为0.28亿元，占全省生态环境负外部效益总值的0.41%，但是单位面积耕地非粮化生态环境负外部效益位居第二，嘉峪关市农业属于城郊型农业，以种植蔬菜为主，农药、化肥、农膜施用量大，造成严重的水资源污染。酒泉市耕地非粮化生态环境负外部效益为11.43亿元，占全省的16.58%，单位面积耕地非粮化生态安全负外部效益位居第四。酒泉市是研究区面积最大的城市，地处河西走廊最北边，降水少、蒸发量大，光照充足，耕地非粮化以瓜果为主，农膜施用量明显高于其他地区，水污染、土壤污染严重。甘南州、临夏州单位面积耕地非粮化生态环境负外部效益位居第一和第三，这两个州位于研究区的西部高原地区，畜牧业比较发达，但是经济条件落后，环境保护意识淡薄，环境保护科技落后，污水、垃圾等处理率低，而且小规模养殖较多，缺少废弃物处理设备，对生态环境影响明显。

3 耕地非粮化负外部效益空间差异分析

由于研究区各地耕地非粮化程度不同，其耕地非粮化负外部效益大小各异。为分析在耕地非粮化过程中，研究区耕地非粮化负外部效益大小与区域空间位置的关系，有必要对研究区耕地非粮化负外部效益区域空间分布特征进行分析。

3.1 耕地非粮化负外部效益空间集聚特征

运用GeoDa软件，采用基于邻接的Polygon Contiguty规则对研究区单位面积耕地非粮化负外部效益的全局自相关系数MoransI进行测算。全局MoransI值为0.6295，为正值且通过了1%的显著性检验，表明研究区各个城市的单位面积耕地非粮化负外部效益在空间分布上存在着显著的空间全局自相关，单位面积负外部效益值比较接近的城市在空间上呈现集中分布态势，具有明显的高值区和低值区。根据散点图(图1)统计，位于第一象限的有7个城市，位于第三象限的4个城市，两者共占78.57%，这说明研究区单位面积耕地非粮化负外部效益两极化严重，而且单位面积耕地非粮化负外部效益高值区域占50%。

图1 单位面积耕地非粮化负外部效益散点图

为了精确分析研究区市域单位面积耕地非粮化负外部效益值在相邻空间上的空间自相关性，利用GeoDa软件对2014年研究区单位面积耕地非粮化负外部效益求lisa值，并在z检验的基础上(p≤0.05)绘制lisa聚集图(图2)，来探测单元属性和其周边单元属性正相关或负相关程度。从图中可以看出，单位面积耕地非粮化负外部效益值较高区域集中于酒泉市、嘉峪关市，单位面积耕地非粮化负外部效益值较低区域集中在兰州市、定西市。嘉峪关市耕地面积小，农民为了发展经济，形成了以棉花、蔬菜、中药材等经济作物为主的特色农产品生产基地，耕地非粮化率高达70%，耕地非粮化粮食安全负外部效益值高。酒泉市耕地非粮化类型与嘉峪关市类似，化肥、农药施用量高，非粮化对土地污染的贡献率达50%，耕地非粮化粮食安全和生态安全负外部效益值都高。嘉峪关市和酒泉市耕地非粮化类型以及程度相似，耕地非粮化负外部效益值表现为集聚趋势。以兰州市为中心的区域，耕地非粮化负外部效益属于低值区，耕地非粮化率虽然高，但是这些城市对生态环境的重视度高，其对废弃物等的处理技术好，耕地非粮化导致的负外部效益低于其他城市。

表3 研究区单位面积耕地非粮化负外部效益值 万元/hm2

3.2 耕地非粮化负外部效益空间分异趋势

为了进一步分析研究区耕地非粮化负外部效益空间分布情况，利用ArcGIS 9.2分别对耕地非粮化总负外部效益、耕地非粮化粮食安全负外部效益、耕地非粮化生态环境负外部效益、单位面积耕地非粮化负外部效益进行趋势分析(图3)，趋势图3中的竖棒代表了研究区各个城市的耕地非粮化负外部效益值的大小和其位置，通过投影得到一条最佳拟合线，它模拟了研究区耕地非粮化负外部效益在东西和南北方向上存在的趋势。

从图中(图3A—C)可以看出研究区耕地非粮化负外部效益、耕地非粮化粮食安全负外部效益和单位面积耕地非粮化负外部效益的空间分异基本趋势呈现一致性，西高东低，北高南低。因为西部地区的耕地非粮化以养殖业为主，养殖业造成的生态环境问题严重；东部地区属于黄土高原沟壑区，农业基础设施差，非粮化率明显低于西部，非粮化负外部效益不明显。北部地区是河西走廊地区，以灌溉农业为主并且光照充足，适合多种经济作物生长，导致耕地非粮化负外部效益偏高。研究区自然条件差异较大，是导致耕地非粮化负外部效益呈现一定的分异特征的主要原因。研究区耕地非粮化生态环境负外部效益值空间分异趋势稍有不同(图3D)，中部地区是以兰州市为中心，生态环境保护较好，因此，其耕地非粮化的生态环境负外部效益明显低一些。

图2 单位面积耕地非粮化负外部效益Lisa集聚图

图3 耕地非粮化负外部效益趋势

4 结论与讨论

4.1 结 论

(1) 2014年研究区耕地非粮化负外部效益巨大，为271.41亿元，其中耕地非粮化粮食安全负外部效益占79.25%，耕地非粮化生态环境负外部效益占20.75%。耕地非粮化负外部效益构成中，耕地污染对粮食安全负外部效益的贡献较小占15.25%，种粮面积减少贡献较大占84.75%。大气污染对耕地非粮化生态环境负外部效益影响率最大占53.64%，其次为土壤污染占20.10%、水资源污染占16.26%。

(2) 研究区各城市耕地非粮化负外部效益差异明显。酒泉市耕地非粮化负外部效益最大，为56.68亿元，嘉峪关市最低为1.04亿元，两者相差56倍；粮食安全负外部效益最高为酒泉市45.25亿元，最低为嘉峪关市0.75亿元，相差60倍；生态环境负外部效益最高为酒泉市11.44亿元，最低为嘉峪关市0.28亿元，相差40倍。研究区市域耕地非粮化粮食安全负外部效益均高于生态环境负外部效益。

(3) 从耕地非粮化负外部效益空间分布特征来看，研究区单位面积耕地非粮化负外部效益存在着显著的空间全局自相关性，并且相邻市域的负外部效益存在正相关性。研究区耕地非粮化粮食安全负外部效益和生态环境负外部效益的空间分异趋势上具有一致性，基本呈现由西部河西走廊冲积平原向南部山地降低，由东部丘陵山地向西部黄土高原降低的分布规律。

4.2 讨 论

(1) 本文对以往关于耕地非粮化负外部效益定性研究进行了更加深入系统的分析，将耕地非粮化负外部效益定性分为粮食安全负外部效益和生态安全负外部效益，并运用外部性测算方法，定量测算了耕地非粮化负外部效益，是耕地非粮化负外部效益研究的新探索。

(2) 研究中发现，研究区耕地非粮化负外部效益高的城市集中分布在农业生产条件较好的粮食生产基地酒泉市、张掖市，这对研究区未来粮食安全存在很大的威胁，因此，需要在保证区域粮食安全的基础上，进行合理的农业结构调整，以发展生态粮食带动区域经济发展。

(3) 耕地非粮化负外部效益以及空间分布特征，受多种因素的影响。利用长时序数据测算耕地非粮化负外部效益，深入综合分析包括政策调整等因素对其时空分布特征的动态影响，为区域制定农业结构政策提供更加全面的依据，仍是下一步研究的重点和方向。

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