近10年长江经济带多尺度耕地利用变化特征*

罗 素,胡守庚,2,3※

(1. 中国地质大学(武汉) 公共管理学院，武汉 430074；2. 国土资源部法律评价工程重点实验室，武汉 430074；3. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

0 引言

科学合理推进耕地开发利用与保护，是区域社会经济与生态环境可持续发展的重要保障[1]。然而，受城镇化、农业现代化等背景下复杂人类活动影响，耕地利用发生着明显变化[2]。近年来，国内外学者们对耕地利用变化特征进行了系列研究，以期解释耕地利用变化规律与机理、助力区域耕地可持续利用管理。随着遥感、地理信息系统等信息技术的发展，土地分类、植被生物量等“空间”数据与空间统计模型，在耕地利用变化特征研究中得到越来越广泛的应用[3-5]，并基本形成了以耕地数量[6]、空间分布[7]、质量和产能[8]、集约利用[9]、利用效益[10]、价值[11]等为核心的耕地利用变化特征分析框架，耕地利用变化强度、速度和空间分异指数等模型被陆续提出[12-13]。还有学者从耕地流失强度[14]、转入和转出[5]、景观格局[15]、土壤肥力与农业利用布局[16]、种植结构[17]、水田化[18]、投入要素集约度[19]等视角对耕地利用变化的微观特征和规律进行了探索。但是，已有成果多是对省、典型城市或地区的单一尺度研究，流域范围内多尺度耕地利用变化特征研究尚不多见[20]。随着城镇化、工业化、农业现代化进程的不断推进以及耕地占卜平衡、耕地保护补偿等工作的开展，大区域、多尺度耕地利用变化特征研究成为农业发展、国土管理和区域可持续发展的必然需求。多尺度耕地利用变化特征研究，对区域、省、市(县)等“多级”耕地保护、农业发展等决策的支撑作用愈加明显。以长江经济带为例，其涉及9省2(直辖)市，下辖地级及以上城市130个，是我国社会经济发展的重要区域。该区域生态环境资源丰富，长江、洞庭湖、鄱阳湖和太湖等大型水域分布其中(图1)，且是我国的粮食主产区，耕地规模、播种面积和粮食产量分别占全国的33.34%、40.61%、37.77%。“十一五”、“十二五”期间，长江经济带社会经济快速增长，城镇化率突破55%。《长江经济带规划》等系列战略的实施与城市群建设，将进一步刺激长江经济带社会经济发展[21]。如何权衡发展与保护的关系，确保耕地“数”“量”双保，并有效推进生态文明建设，是长江经济带建设面临的重要难题。因此，文章从耕地规模、投入和产出3个方面选取评价指标，构建基于合作博弈赋权法的多指标综合评价模型，开展近10年长江经济带多尺度耕地利用变化特征观测研究。

图1 长江经济带区位示意图注：长江经济带上游(四川、云南、贵州省所辖县(市)和重庆市)； 中游(湖北、湖南、安徽和江西省所辖县(市))； 下游(江苏、浙江省所辖县(市)和上海市)

1 方法及数据

1.1 评价指标选取与标准化处理

规模、投入强度与产出能力是区域耕地利用的基本特征，也是综合衡量耕地利用状况的关键因子。其中，耕地规模指数反映区域耕地规模及经营水平，取决于耕地的绝对规模和经营规模。耕地规模越大，表明可供利用的耕地资源绝对总量越大； 劳均耕地面积越大，则表明单位劳动力所经营的耕地规模越多，这在一定程度上反映了耕地规模经营的良好势头。耕地投入强度，是指特定轮作制度下单位面积耕地上所付出的总成本，是影响耕地质量的直接因素，其主要包括劳动力、机械、农药、化肥等物质投入及复种指数等反映耕地利用强度的指标； 耕地产出能力是指耕地生产粮食等农产品的能力，其是衡量耕地质量水平和利用效果的重要指标，通常用粮食、非粮作物单产来衡量。

因此，该文共选取了能综合反映耕地规模、投入强度和生产能力的8项指标，构建长江中游经济带耕地利用特征评价指标体系(表1)，并利用最大值标准化方法对各指标进行标准化处理，以消除量纲对评价结果的影响：

(1)

1.2 合作博弈赋权法

指标权重的合理性在很大程度上直接影响着多指标综合评价结果的可靠性。为有效规避单一赋权法下由指标权重主观性、片面性和不确定性等因素对评价结果产生的不利影响，该文利用合作博弈赋权法确定各指标权重。合作博弈赋权法，是运用博弈论及纳什均衡来协调不同赋权法下指标权重可能存在的冲突，并输出组合权重的有效方法[22]。利用合作博弈赋权法确定指标组合权重的步骤主要包括：

(1)利用不同赋权法所确定的指标权重，构建指标权重向量w=(w1，w2，…，wm)。其中，wm为第m种赋权法下的指标权重向量，m为初始指标赋权所采用方法的数量；

表1 耕地利用特征评价指标与权重

项目指标解释权重w1w2w3w规模指数耕地面积(x1)耕地面积(hm2)0.750 00.523 60.503 40.597 4劳均耕地面积(x2)耕地面积/农业从业人员(hm2/人)0.250 00.476 40.496 60.402 6投入强度地均化肥投入(x3)化肥使用量/农作物播种面积(t/hm2)0.154 10.252 30.250 60.215 8地均农药投入(x4)农药使用量/农作物播种面积(t/hm2)0.267 00.266 40.249 20.261 4地均机械投入(x5)农业机械总动力/农作物播种面积(kW/hm2)0.495 20.325 60.250 90.364 9复种指数(x6)农作物播种面积/耕地面积0.083 70.155 70.249 30.157 9产出能力粮食作物单产(x7)粮食作物产量/粮食作物播种面积(t/hm2)0.750 00.525 20.504 60.598 3非粮作物单产(x8)非粮作物产量/非粮作物播种面积(t/hm2)0.250 00.474 80.495 50.401 7 注:w1、w2、w3分别为利用改进模糊层次分析法、专家打分法、熵权法所确定的指标权重; 基于上述权重,利用合作博弈赋权法所确定的组合权重为w

1.3 多指标综合评价模型

文本采用简便高效的加权求和模型评价耕地规模、投入强度和生产能力特征：

(2)

式(2)中，Vt为特定评价单元耕地利用特征(项目)t的综合评价结果值；xti、wti分别为特定评价单元耕地利用特征(项目)t的评价指标i的标准化值及组合权重；n为特定评价单元耕地利用特征(项目)t的评价指标数。

2 长江经济带耕地利用变化特征的多尺度分析

2.1 流域尺度

受快速城市化背景下耕地、农村劳动力流失等过程影响[23]， 2005～2015年期间，耕地规模指数增长8.98%(表2)。其中，长江经济带上游耕地规模指数增长最为明显(20.26%)，这与日益严格的耕地保护及大力推进的宜耕后备耕地资源开发等土地整治活动密切相关； 长江经济带下游尤其是长江三角洲地区城市扩张剧烈，耕地非农化趋势明显，耕地规模指数下降3.86%。研究期内长江经济带耕地投入强度变化率高达124.27%，且以中、上游表现最为明显，耕地投入增长显著。在耕地产出能力方面，长江经济带耕地产出能力在2005～2015年期间增加18.81%。其中，下游地区耕地产出能力增长最为明显，耕地产出能力变化率高达31.53%。

表2 2005年和2015年长江经济带耕地利用变化特征

耕地利用特征区域20052015变化量变化率(%)规模指数上游0.643 70.774 10.130 420.26中游0.800 00.864 70.064 78.09下游0.675 30.649 3-0.026 0-3.86全域0.917 61.000 00.082 48.98投入强度上游0.337 10.743 70.406 6120.62中游0.418 11.000 00.581 9139.18下游0.437 50.849 20.411 794.11全域0.445 91.000 00.554 1124.27产出能力上游0.545 90.631 60.085 715.70中游0.621 20.705 00.083 813.49下游0.760 31.000 00.239 731.53全域0.841 71.000 00.158 318.81

2.2 省域尺度

2005年和2015年期间，除安徽省、江苏省外，长江经济带所辖其他7省耕地规模指数均有不同程度增长(图2)。“云南—贵州—湖南—湖北”一带耕地规模指数增长明显，贵州省耕地规模指数涨幅达50.54%，云南、湖南、湖北和浙江4省耕地规模指数涨幅超20%。各省耕地投入强度在2005年和2015年期间均呈增长趋势，云南、安徽、贵州和四川4省耕地投入强度的涨幅超20%，云南省最高(56.47%)； 在耕地产出能力方面，贵州省下降1.29%，其他省份均有不同程度提升。经济带上游的四川省、中游的安徽和江西省、下游的江苏省增长明显，增长率分别为38.51%、24.58%、31.70%和40.24%。

图2 2005年和2015年长江经济带各省耕地利用特征

2.3 地级及以上城市尺度

地级及以上城市尺度耕地规模指数呈增长趋势。重庆市、四川省雅安市、贵州省遵义市、江西省中部、安徽省及长江三角洲大部分地区耕地规模指数呈下降趋势(图3a)，降幅高于20%的地区主要分布于“安徽省—长江三角洲”和江西一带。江苏省淮安市和连云港市、浙江省宁波市表现明显，耕地规模指数降幅分别为43.91%、41.14%、40.12%(图3b)。贵州省南部、浙江省南部、湖北省和云南省局部地区耕地规模指数增长率超60%，江西省萍乡市、贵州省贵阳市和安顺市、湖北省黄石市耕地规模指数涨幅分别为167.27%、163.10%、122.09%、105.35%。2005～2015年期间，地级及以上城市尺度耕地投入强度呈下降态势的地区主要位于浙江省南部、贵州省南部及云南、江西、湖北和安徽等省局部区域(图3c)。江苏省宁波市、浙江省盐城市和安徽省宿州市一带耕地投入强度增长明显，涨幅多在60%以上，淮安市、连云港市、苏州市、淮北市、盐城市、淮南市、阜阳市、无锡市耕地投入强度增长率超100%(图3d)。在耕地产出能力方面，云南省“怒江—大理—楚雄—玉溪—红河”一带、贵州省大部分地区、湖北东部、“恩施—宜昌—常德—娄底—邵阳—衡阳—郴州”一带呈下降态势，安徽省北部、浙江省大部分地区、江西省中北部和四川省大部分地区呈较明显上升趋势(图3e)。四川省甘孜州、阿坝州，江苏省南通市耕地产出能力大幅提升，增长率超60%(图3f)。

图3 2005～2015年长江经济带地级及以上城市尺度耕地利用变化特征

图4 2005～2015年长江经济带地级及以上城市尺度耕地利用指数变动关系

对比地级及以上城市尺度耕地利用规模系数、投入强度和产出能力变动组合关系(图4)发现，长江经济带耕地利用变化特征存在较为明显的错位现象。2005～2015年期间，耕地规模指数与投入强度呈“同向”变动，即耕地“规模系数—投入强度”呈“增—增”或“减—减”关系的地级及以上城市共74个，仅占长江经济带所辖地级及以上城市数的56.92%，而呈 “增—减”和“减—增”“反向”变动关系的地级及以上城市分别为26个和30个，分别占长江经济带所辖地级及以上城市数的20.00%和23.08%(表3)。其中，规模指数和投入强度呈“增—增”变动关系的典型地市为云南省迪庆、保山市，投入强度变化率明显高于耕地规模指数(图3b,d)；呈“增—减”变动关系以浙江省舟山市、台州市、丽水市、温州市和衢州市，江西省萍乡市，湖北省黄石市，贵州省贵阳市、安顺市和黔东南州最为显著；呈“减—增”变动关系的典型地市为江苏省淮安市、连云港市，安徽省宿州市，投入强度与耕地规模指数变化率之差超100%。耕地投入强度和产出能力呈“同向”变动关系的地级及以上城市占长江经济带所辖城市总数的69.24%，二者“增—增”变动比例高达63.85%，以江苏省南通市表现最为明显。呈“减—减”变动关系的城市仅有7个，以湖北省黄石市、贵州省安顺市、云南省昆明市最为显著。呈“反向”变动关系的城市共计40个，“增—减”变动显著的地区主要包括贵州省遵义市、湖南省常德市、云南省怒江傈僳族自治州、楚雄市和丽江市；“减—增”变动突出的地区主要包括浙江省舟山市、台州市、丽水市，江西省南昌市、景德镇市和萍乡市。

表3 2005～2015年长江经济带地级及以上城市尺度耕地利用指数变动关系统计

变动关系规模指数—投入强度投入强度—产出能力数量比例(%)典型地区数量比例(%)典型地区增—增7356.15迪庆(藏族自治州)、保山市8363.85南通市减—减10.77鄂州市75.39黄石市、安顺市、昆明市增—减2620.00舟山市、台州市、丽水市、温州市、衢州市、萍乡市、黄石市、贵阳市、安顺市、黔东南州2015.38遵义市、常德市、怒江(傈僳族自治州)、楚雄市、丽江市减—增3023.08淮安市、连云港市、宿州市2015.38舟山市、台州市、丽水市、南昌市、景德镇市、萍乡市

上述结果表明，近10年来长江经济带耕地投入的增长并未获得预期的产出。这一结论，为“不成比例”的投入—产出增长率所证实(表2)。耕地投入与粮食、非粮单产的统计数据(表4)，亦揭示了这一客观事实。

表4 2005年和2015年长江经济带主要耕地要素投入及作物产出状况

投入/产出主要指标20052015变化量变化率(%)耕地投入化肥(t/hm2)0.294 50.711 20.416 7141.49农药(t/hm2)0.012 10.029 00.016 9139.67机械动力(kW/hm2)3.440 412.836 39.395 9273.10耕地产出粮食作物(t/hm2)5.173 65.602 60.429 08.29非粮作物(t/hm2)11.087 415.401 64.314 238.91

表5 2005～2015年典型地区耕地投入及粮食与非粮作物单产变化率 %

需要说明的是，研究利用粮食与非粮食单产所构建的耕地产出能力度量指标，是对耕地产出能力的综合表征。耕地产出能力的“降低”，并不意味着耕地粮食及非粮单产的减少。但这一结果，必定是由粮食或非粮单产大幅降低所导致的(表5)。且在这些区域，未呈现与耕地投入“同比例”的粮食或非粮单产增长过程。

3 结论与讨论

该文构建了基于合作博弈赋权法的区域多级耕地利用特征综合评价模型，分析了近10年长江经济带流域、省域、地级及以上城市尺度耕地利用变化特征。得到的主要结论如下。

(1)2005～2015年期间，长江经济带耕地规模指数、投入强度和产出能力总体呈增长趋势。从流域尺度上来看，耕地投入呈现大幅增长，但耕地产出能力增长相对缓慢。此外，局部地区耕地利用模式优化仍需持续关注。安徽、江苏省大部分地区，江西省中部和重庆、宁波等地耕地规模指数大幅下降； 浙江省南部、贵州省南部及云南、江西、湖北和安徽等省局部区域耕地投入强度下降明显； “怒江—大理—楚雄—玉溪—红河”一带、贵州省大部分地区、湖北东部、“恩施—宜昌—常德—娄底—邵阳—衡阳—郴州”一带耕地产出能力降低；

(2)长江经济带“耕地规模指数—投入强度”和“耕地投入强度—产出能力”组合变动关系复杂。地级及以上尺度耕地规模指数与投入强度、耕地投入强度与产出能力呈“反向”变动关系的比例较高，且在自然地理和社会经济条件相似的地区，耕地规模指数和投入强度、耕地投入强度和产出能力存在截然相反的(“同向”、“反向”)组合变动关系。可见，除自然地理和社会经济因素外，耕地经营方式、种植结构、农业科技等复杂要素对耕地规模指数、投入和产出间的关系的影响不容忽视。

(3)研究建议，在流域层面，严控耕地流失、有效引导上游和中游局部地区耕地投入和产出强度的提升； 倡导在江苏、安徽、贵州省构建耕地规模监测长效机制，鼓励探索浙江及贵州南部地区耕地投入激励机制，有序推进“怒江—大理—楚雄—玉溪—红河”、“恩施—宜昌—常德—娄底—邵阳—衡阳—郴州”、贵州省“两带一省”耕地增产试点工程； 呼吁关注“两带一省”典型市耕地规模、投入、产出组合关系与变动机理研究，以全面构建长江经济带耕地可持续开发利用管理体系。

需要说明的是，因涉及数据量大且部分数据难以获得，研究仅选择耕地利用初期和末期的变化结果进行对比分析，未考虑研究期内可能存在的特殊情况。为进一步揭示不同尺度下的耕地利用和农业发展规律，未来可选择典型区域，采用多时序研究方法对耕地利用变化特征的成因及形成机制进行具体分析。