基于区位熵的耕地变化与经济发展的相互关系探讨——以湖南省为例

刘 娜，喻 瑶

(湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128)

耕地作为人类最宝贵的自然资源之一，不仅具有一定的生态功能，还肩负着保障粮食安全乃至国家安全的重任[1-4]。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[5]。改革开放以来，中国的城市化和工业化快速发展，经济总量不断提升，人口数量日趋增长，耕地资源处于紧张态势[6]。经济快速发展与耕地急剧减少之间的矛盾尖锐，如何解决这一矛盾将是影响未来可持续发展的关键问题。

我国学者对耕地变化与经济发展之间的关系进行了积极的探索，并取得了一定的研究成果[7-8]。学者们普遍认为耕地资源减少的主要诱因之一是经济发展，表现出耕地面积随经济发展而减少的趋势。有学者认为耕地变化与经济发展呈线性负相关关系，有学者对部分地区的研究显示，耕地面积随人均GDP的增加而减少，表现为指数递减趋势[9]。也有学者认为，耕地面积与经济发展之间表现出类似于库茲涅茨的倒“U”形曲线特征，如曲福田等[10]对天津和山东、杨桂山[11]对长江三角洲等经济发达地区耕地面积流失与经济发展关系的定量分析，验证了类似库茲涅茨曲线的存在。如何在保障经济快速增长的同时，保障耕地红线，确保我国粮食安全，既是国家宏观调控的目标之一，也是学者们研究的焦点问题[12]。本文以湖南省为例，运用灰色关联分析模型，分析了耕地变化的主要因素、土地弹性系数，探究了耕地利用的集约度、区位熵探讨耕地变化与经济发展的相互关系，从而为保护耕地资源以及可持续利用提供相应参考。

1 研究区域概况

湖南幅员辽阔，地处东经108°47′～114°15′，北纬24°39′～30°08′，位于长江中游、洞庭湖以南，是我国东南腹地。全省土地面积21.18万km2,占全国国土面积的2.2%,在各省市区面积中居第11位。地貌以山地、丘陵为主，山地面积占全省总面积的51.2%，丘陵及岗地占29.3%，平原占13.1%，水面占6.4%。湖南属中亚热带季风湿润气候，光热充足，雨量丰沛。全省辖13个市、1个自治州、122个县(市、区)。2016年末全省常住人口6822.0万人。其中，城镇人口3598.6万人，城镇化率52.75%，比上年末提高了1.86个百分点。2016年末地区生产总值为31244.7亿元，比上年增长了7.9%；其中，第一产业增加值3578.4亿元，增长了3.3%；第二产业增加值13181.0亿元，增长了6.6%；第三产业增加值14485.3亿元，增长了10.5%[13]。湖南省因矿产丰富、矿种齐全，素有“有色金属之乡”和“非金属矿之乡”之称。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文所需数据主要包括湖南省及湖南省下辖14个城市的社会经济数据和土地数据。数据主要来源于2006～2017年《湖南统计年鉴》、《湖南年鉴》，部分数据来源于相关网站。

2.2 研究方法

2.2.1 灰色关联分析(GRA) 灰色关联分析属于邓聚龙教授首创的灰色系统理论，其主要思想是依据特征序列与关联序列几何形状的相似程度判断因素之间联系的紧密性，反映曲线间的关联程度，对系统的发展态势进行动态量化分析[14]。具体操作步骤如下：

(1)特征序列和关联序列的确定。文章的特征序列为耕地面积，各影响因素为关联序列，分别用Y0和Xi，i=1，2，…，12表示。

(2)原始数据标准化，又称数量的无量纲化，本文采用极值法计算。采用极值法计算时，应先辨别关联序列的正逆指标，即第i个评价对象第j项指标为Xij，则标准化公式为[15]：

当指标呈正效应时，公式为：

(1)

当指标呈正效应时，公式为：

(2)

式中：minXij为指标的下限值，maxXij为指标的上限值。当Y=1时，指标代表的项目达到最佳状态；相反，当Y=0时，达到最差状态。

(3)计算关联系数。表征两个被比较序列在某一时刻的紧密程度，其范围为(0,1)，引入系数ζ。公式为：

(3)

式中：ζ为分辨系数，取值范围[0,0.5],本文分析中取值为0.5；Δmin为各数列与参考数列值的差的最小值，Δmax为各数列与参考数列值的差的最大值，Δi(k)为各数列与参考数列值的差(绝对值)。

(4)灰色关联度的计算。公式为：

(4)

式中：r0i为特征序列X0与关联序列Xi的关联度。

(5)指标灰色关联度排序。根据各影响因素与耕地面积之间灰色关联度r0i的大小排序，衡量耕地面积变化与各因素之间的密切关联程度。灰色关联度值越大，表明关联程度大，反之，越小。

2.2.2 土地弹性系数 经济学中的弹性是指一个变量变动的百分比相应于另一变量变动的百分比来反应变量之间变动的敏感程度。弹性的大小可用弹性系数来衡量，弹性系数=y变动的百分比/x变动的百分比[16]。本文主要研究耕地变化与经济发展之间的关系，故采用耕地面积年减少率与GDP年增长率之间的比值来反映土地利用集约性和可持续性的变化情况。土地利用弹性系数Z的计算公式:

Z=(ΔX/X)/(ΔY/Y)×100%

(6)

式中：Z为土地利用弹性系数，X为耕地减少总量，ΔX为耕地年减少量；Y为GDP增加总量，ΔY为GDP年增加量。

2.2.3 区位熵 区位熵用于衡量某一区域要素的空间分布情况、反映某一产业部门的专业化程度，以及体现某一区域在高层次区域的地位和作用[16]。本研究将区位熵运用于分析湖南省各城市经济发展对耕地变化的影响程度。

(7)

式中：Xij为第i个市第j年耕地减少量，Yij为第i个市同时期GDP的增加量；LQij代表第i个市第j年经济发展对耕地变化的区位熵值。

3 湖南省耕地数量变化及其影响因素分析

3.1 湖南省耕地数量变化特征

如图(1)所示：湖南省耕地面积和人均耕地面积呈现同步增长或递减趋势。总体特征为先减少后增加，最后逐渐平稳的状态。2005～2008年，耕地面积由381.60万hm2减少至378.95万hm2，共减少2.65万hm2。2008～2015年，耕地面积由378.94万hm2增长至415.35万hm2，共增长36.41万hm2。其中，2008～2009年间耕地面积增长迅速，变化最为强烈，由2008年的378.95万hm2增加到413.50万hm2，共增加34.55万hm2，占总增加面积的95%。其余年份仅有小幅度增加，耕地变化整体呈平稳状态。湖南省自2007年7月1日起进行第二次土地大调查，第二次土地大调查由于调查标准、技术方法的改进和农村税费政策调整等因素影响，得到的数据更加全面、客观、准确，因此，耕地面积相对与第二次土地调查前变化幅度大，数量增加多。人均耕地面积在2009～2010年间下降幅度较大。

图1 湖南省2005～2016年耕地总量和人均耕地面积变化

3.2 湖南省耕地变化影响因素分析

3.2.1 影响因子选取 经济发展、城市化进程加快、人口增长以及开发区建设等多种因素使得湖南省耕地数量减少，但由于增减挂钩等多项耕地保护政策的实行，耕地面积有小幅增加。因此，综合湖南省具体情况和相关研究成果，依据行文思路与要求，指标数据可得性、灵敏性和可量化原则及客观反映区域耕地变化的趋势和问题，将人均耕地变化量(Y)作为因变量反映耕地数量的变化，选取总人口、城市化率、GDP等12个与耕地变化相关的因子来研究其对耕地变化的影响。影响因子如表1所示。

表1 湖南省耕地变化影响因子

3.2.2 基于GRA的耕地变化影响因素分析 湖南省耕地面积呈现先减少后增加的特征，增加年份较减少年份持续时间长，故本文中划分正负效应指标主要考虑对耕地面积增加所产生的影响，正效应指标表明指标值越大影响越大，负效应则相反。在12个影响因子中，其中正效应指标：农业人口、农业机械总产值、农林牧渔总产值、地区生产总值、固定资产投资、农村人均可支配收入、农作物播种面积、粮食总产量；负效应指标：第三产业总产值、城市化率、建成区土地面积、总人口。通过公式(1)、(2)、(3)、(4)的计算，得到表2中12个影响因子的灰色关联度值。一般而言，关联度值在0.6以上才能说明两者具有关联度。由表2可知：与耕地变化具有关联度的共有8个因子，其中：农业人口>农业机械总动力>农林牧渔总产值>地区生产总值>固定资产投资额>农村人均可支配收入>农作物播种面积>粮食总产量。科技的发展、收入的增加使得大多农户愿意投身于农业活动中。同时,我国推行相关政策保护农民的权益，加强对农业相关知识的宣传，鼓励大家从事农业活动，给予农户更多的帮助与扶持。

4 湖南省耕地变化和经济发展的相关关系

通过上述分析可知：与耕地变化关联度排名前3的为农业人口、农业机械总动力以及农林牧渔总产值，三者的变化直接影响到耕地的变化，地区生产总值对耕地变化的影响仅次于农业人口、农业机械总动力以及农林牧渔总产值，其关联度值达0.713，所以本文着重研究经济发展(地区生产总值GDP表示)与耕地变化的相互关系。

表2 耕地变化影响因子灰色关联度值

4.1 耕地年减少率和GDP年增长率的关系

湖南省耕地变化与经济发展在总体相关的背景下，还呈现出不同的变化特点。受宏观经济背景以及政策等因素的影响，耕地资源用于非农业建设，其经济效应需要一定的时间后才能体现，即具有一定的时滞性。因此，以GDP变化率和耕地变化率为主要分析指标具有一定的说服力。湖南省耕地年变化率波动最大的年份是2008～2010年，其余年份处于平稳状态，而GDP增长的波峰期出现在2007和2010年，年增长率均为0.228(图2)。由表3可知：2005～2008年，湖南省土地利用弹性系数变化基本为0，说明耕地锐减的势头基本得到基本控制。2009～2016年，土地利用弹性系数从0.695下降至-0.012，其中2011和2015年土地利用弹性系数虽回跌至0，但总体而言，湖南省土地利用弹性系数波动较明显，这表明耕地利用的集约化程度较低。

图2 耕地年减少率和GDP年增长率的关系

年份耕地年减少率/%GDP年增长率/%土地利用弹性系数200500.17402006-0.0070.166-0.042200700.2280200800.226020090.0910.1310.69520100.0010.2280.004201100.227020120.0020.1270.01620130.0010.1120.00920140.0010.0990.010201500.06902016-0.0010.082-0.012

4.2 湖南省耕地变化与经济发展的区位熵

文章通过区位熵的计算，探讨湖南省14个地级市耕地变化与经济发展的相互关系。本文将研究时长划分为3个时段，分别是2005～2008年、2009～2012年、2013～2016年；将区位熵计算结果划分为3种类型，即区位熵≤0、0<区位熵<1、区位熵≥1。

2005～2008年各城市的区位熵均为正值(表4)。其中区位熵介于0～1之间的有5个城市，按区位熵大小依次排列分别是常德市、株洲市、湘潭市、岳阳市和长沙市；这表明经济发展并不是以牺牲耕地面积为代价；5个城市区位熵均值为0.861，处于全省平均水平之下；区位熵≥1的共有9个城市，按区位熵大小依次排列分别是张家界市、湘西自治州、益阳市、郴州市、邵阳市、怀化市、永州市、衡阳市和娄底市。区位熵值最大的是张家界市，区位熵值为4.103。经济的飞速发展、耕地利用的非农化造成耕地面积的大幅减少，这9个城市的经济发展对耕地面积减少的影响也较大。

2009～2012年间湖南省耕地面积总体上升，但部分城市因发展经济不得不占用部分耕地，故区位熵呈现正负两种状态。区位熵≤0的城市由大到小排列分别是长沙、湘潭、张家界市，这4个城市的区位熵均为负值，经济处于上升阶段，新修道路、扩建城市以及其他基础建设不得已的占用了一些耕地。区位熵介于0～1之间的只有郴州市，区位熵为0.365，这表明经济发展对耕地变化基本影响程度不大。区位熵≥1的有10个城市，分别是湘西自治州、益阳市、怀化市、永州市、娄底市、岳阳市、常德市、株洲市、邵阳市、衡阳市。其中区位熵值最大的是湘西自治州，区位熵值为5.102，远远超过其他6个城市的区位熵。2009～2012年14个城市区位熵均值为1.442，故经济的发展对耕地面积的影响较大。

2013～2016年这一研究时段较其他2个研究时段，耕地变化处于较平稳状态，耕地面积虽有所下降，但下降幅度小。区位熵≤0的共有5个城市，分别是衡阳市、岳阳市、张家界市、益阳市、永州市。区位熵最小的是张家界市，区位熵值为-4.215，说明这5个城市在4年间经济的发展对于耕地面积的增加有推动作用。0<区位熵<1的有且只有长沙一个城市，区位熵值为0.975。区位熵≥1的共有8个城市，分别是株洲市、湘潭市、邵阳市、常德市、郴州市、怀化市、娄底市、湘西自治州，这些城市大都位于湖南西边，经济发展速度较东边城市缓慢，后期经济处于快速发展阶段，二三产业较第一产业发展快，经济发展阶段不得不占用相应耕地，故经济发展对耕地变化的影响较大。

由图3～图5可知：长沙市、岳阳市以及湘潭市经济发展对耕地变化影响较小，经济的发展虽消耗了大量的耕地资源，但增减挂钩及其他耕地保护政策的推行使得耕地变化基本不受影响。而邵阳市、怀化市、娄底市和湘西自治州区位熵值一直保持≥1且数值较大，表明这4座城市经济发展对耕地影响程度一直较强。区位熵小于0的城市分布不是很稳定且在研究后期2013～2016年间存在城市较多，发展经济的同时也应注重耕地的保护。

表4 2005～2016年湖南省耕地变化与经济发展的区位熵

5 结论与建议

(1)2005～2008年耕地面积呈现下降趋势，2008年以后，耕地面积有所增加，且在2008～2009年间呈急剧增加态势。这是因为湖南省自2007年开始进行第二次土地大调查，数据比以往更加精确、全面，故数量增长比率快。

图3 2005～2008年湖南省区位熵分布

图4 2009～2012年湖南省区位熵分布

图5 2013～2016年湖南省区位熵分布

(2)在湖南省耕地变化12个影响因子中，有8个因子存在一定的关联度，关联度程度由高到低为：农业人口>农业机械总动力>农林牧渔总产值>地区生产总值>固定资产投资额>农村人均可支配收入>农作物播种面积>粮食总产量。经济因素和农业因素是影响湖南耕地变化的主要因素。随着湖南省经济的发展、产业结构优化升级和科学技术的提高，耕地减少现状得到一定的改善。

(3)包括省会城市长沙在内的湘东一些较发达城市由于产业结构的升级、政策的影响以及科学技术的提高，发展经济的同时更能兼顾耕地的可持续利用，而湘西一些较不发达城市，如怀化、娄底、湘西自治州，经济发展速度缓慢且在发展经济的同时不得不占用部分耕地，经济发展对耕地变化的影响程度较强。

(4)湖南省作为农业大省，农业在未来很长一段时间仍然是湖南省农业居民的主要收入来源。采取耕地保护措施，使耕地得到合理有效利用是十分必要的。(1)政府通过对《土地管理法》和《基本农田保护条例》等法律法规的宣传和学习，提升全民耕地保护的自觉性。(2)加大耕地补偿机制，对农户进行政策、技术、资金等多方式补贴，提高农户保护耕地的积极性。(3)加大农业基础设施投入、加强农田水利建设，改善农田生产条件，提高农田抗旱、抗洪能力；同时，推进农业机械化进程，加大管道系统等固定设施在农田装备中的比重，提高劳动生产率。