成都平原及周边区域耕地利用效益时空变异特征研究

第珊珊，任 平*，洪步庭，杨远琴

（1.四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610066；2.四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610066）

耕地不仅能够为人类提供赖以生存的生活生产资料，而且可以净化环境、调节气候和涵养水源，对保障国家粮食安全和社会稳定发挥着重要的作用［1］.在城镇化发展的过程中，随着经济利益的驱动，耕地资源不断地向建设用地转换，耕地资源非农化也成为城市不断扩张过程中资源利用的突出问题［2］.因此，实现对耕地的空间布局、生态、数量和质量的监测和管理十分重要.耕地利用过程中产生的经济、社会和生态效益主要反映了农业生产状况和耕地的质量.在“十三五”规划中，土地利用方面主要有以下2个要求：一是实行最严格的耕地保护制度，坚守耕地红线；二是坚持最严格的集约用地制度，以最小的土地成本，满足社会经济发展与环境建设等用地需求，更有效地利用土地［3］.因此，因地制宜利用耕地，是十分关键的问题.

成都平原及周边区域是我国西部地区重要的粮食生产区.近15年来，成都平原及周边区域耕地资源出现先下降后上升的趋势.耕地资源从2000年的87.770 1万hm2下降为2010年75.444 8万hm2，到2015年，耕地上升为98.571 4万 hm2.2000—2010年因为城市化的进程日益加快和社会经济的快速发展，建设用地面积快速扩张，导致耕地面积不断减少.2010—2015年，地方政府积极强化国家对耕地保护政策的执行力度，加强对耕地资源的调查以及完善相关的法律文件，使耕地资源得到有效保护，面积有所增加.整体来看，随着国家对耕地保护政策的实行以及调查技术方法的改进，耕地总体情况好转.目前对耕地利用效益的研究内容较多，包括耕地利用效益时空特征分析［4］、时空变异研究［5］、时空分异及驱动因素研究［6］和区域差异分析［7］等方面.研究区主要侧重于省、市及人口稀疏的平原，对自然条件优越、人口密集和土壤肥沃的平原地区研究较少.

基于上述原因，本文以成都平原及周边区域为研究单元，进行指标体系的构建.主要包括社会效益、生态效益和经济效益3个方面15个指标，并通过GIS与多因素综合评价模型、修正的协调度模型进行了时空特征分析.以往耕地利用效益研究，考虑的指标较为宏观，缺乏考虑耕地效益的微观区位条件信息.多因素综合评价模型对耕地利用效益进行分析是比较全面的，已被证实可以用于耕地利用效益评价的研究［8］.最初的协调度模型测算三系统之间的协调度存在一定缺陷，即当三系统协调水平均处于较低或均处于较高时，测算出的三系统协调度均较高.主要是因为协调发展水平包括协调水平和发展水平2个层次的含义，之前的只能体现协调水平的含义，所以为了体现出协调水平和发展水平两层次，文中对协调度模型进行修正，得出三系统的协调度模型.以期更加详细地反观其微观差异，为成都平原及周边区域改进耕地利用方式及发挥农业生产优势提供参考.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况 成都平原及其周边区域位于四川盆地中西部，东经 103°1′～ 105°15′，北纬29°11′～32°26′，包含成都市各区县及德阳市、绵阳市、乐山市和眉山市的几个区县，共计35个县（市、区），面积约25 978 km2.主要由涪江冲积平原、岷江和沱江冲积平原以及青衣江和大渡河冲积平原组成.平原内降水充沛，气候类型为亚热带湿润季风气候，成都平原年均降雨量1 200～1 600 mm，年平均气温保持在18℃左右，特殊的盆地地形，夏季降水量多，冬季降水量偏少，阴雨天气比较多［9］.境内人口密度为1 143.39人/km2，成都平原的地形西部比较高，东部低；平均海拔也相对较低，有自古闻名的都江堰灌溉工程，享有“天府之国”的美誉［10］.土壤主要以水稻土和紫色土为主.

1.2 数据来源及处理 本文的研究数据来源于2000—2015年《四川省统计年鉴》和2000—2015年各地方统计年鉴，部分数据来源于各地方国民经济和社会发展统计公报和四川省统计公报.文中为了便于计算，选取2000、2005、2010和2015共4个年度数据.

2 研究方法

2.1 耕地利用效益指标选取与权重确定 耕地效益主要反映在投入资金、资源以及人力的基础上所产生的收益.人类对耕地的利用最直接的表现就是种植农作物.耕地利用效益主要包括社会、生态和经济效益.在耕地利用过程中，社会效益主要指维持社会稳定和保障国家粮食安全等方面的影响；生态效益指生态系统对人类生活、环境和生产条件等所产生的影响.经济效益指对农业机械化程度、劳动力投入所产生的生产成本降低、劳动效率降低以及粮食产量增加等方面的影响.

根据主导性、客观性和科学性等原则，在借鉴其他最新研究成果［11-16］的基础上，结合成都平原及其周边区域实际情况，通过因子分析法对指标进行筛选、比较，选取了15个既具有代表性又符合成都平原特点的指标，并通过层次分析方法构建了成都平原及其周边区域耕地利用效益评价指标体系.耕地利用效益目前常用的评价指标权重确定方法有德尔菲法、层次分析法、主成分分析法、成本比较法及熵权法.为了保证评价结果的可信度和客观性，运用熵值法进行权重确定［17］，如表1所示.

表1 成都平原及周边区域的耕地利用效益评价指标体系及权重Tab.1 Indexes and weights of the cultivated land utilization benefits in Chengdu Plain and its surrounding area

2.2 原始数据标准化处理 由于指标间存在量纲差异，为了使各个评价指标具有可比性，需要对所有指标数据进行标准化处理，本研究采用最普遍使用的极差标准化进行数据处理［18］，方法为：

A′ij为无量纲化数值，Aij为第i个样本的第j个指标原始数据，Amax、Amin分别为第j个指标的最大值和最小值.

2.2.1 计算指标Aij的比重

2.2.2 计算第j项指标的熵值

2.2.3 计算第j项指标的差异性系数

2.2.4 计算第j项指标的权重

2.3 耕地利用效益评价模型

2.3.1 多因素综合评价模型 多因素综合评价模型是通过对耕地利用在社会、生态和经济活动中所表现出的特征进行综合分析，采用定性与定量相结合，把繁琐的事物转化为简单事物的评价方法的一种模型.由于耕地利用是一个复杂多样的系统，必须进行多方面综合评价，把反映事物多个指标的信息综合起来，对事物的整体情况进行评价，这样评价的事物比较客观、合理.因此，多因素综合评价模型广泛用于耕地效益的研究中.该模型采用加权指数法进行评价，简单、易行，同时可计算出耕地效益大小.因此，根据前面的数据进行处理，在指标体系、指标权重及分值确定的基础上，运用多因素综合评价模型进行耕地效益综合评价［19-20］，其计算公式为：

其中，Z表示社会效益指数；X表示生态效益指数；Y表示经济效益指数；B表示综合效益指数；A′ij为第i个样本的第j个指标的分值，Wij为指标权重，Wz、Wx、Wy分别为社会效益、生态效益和经济效益层级权重.为了方便更详细地观察与绘图，根据（7）～（11）式计算的数值得分进行转换，即耕地利用效益指数＝A′ij×10+100.

2.3.2 协调度模型 协调度，是用来判断系统内各组成部分或各子系统相互融合好坏程度的定量指标，体现了各子系统间由独立到协调发展的过程.现有的协调度评价模型大致可以分为以下几类：基于线性加权的协调度模型、变异系数协调度模型、基尼系数协调度模型、模糊隶属函数协调性测度和DEA（数据包络分析）协调度模型等.在上述评价模型中，也存在各自的局限性，而线性加权协调度模型具有计算简便、适用性广等特点，在研究中运用广泛.因此，本文采取线性加权协调度模型反映成都平原及其周边区域耕地利用社会、生态和经济效益之间的协调程度.

本文中3个子系统之间的协调关系是用协调系数来评价的，其中协调系数的公式为

其中，Lij是第i年第j个样本的耕地利用各系统评价值的平均值，Gij是第i年第j个样本的耕地利用效益的协调度，Fij是第i年第j个样本的耕地利用各系统评价值的标准差［21］.

3 评价结果与分析

3.1 成都平原及周边区域耕地利用效益空间特征变异分析 为了分析成都平原及周边区域耕地利用效益空间特征，本文根据上述评价模型，选取2000年和2015年成都平原及其周边区域各地区相关数据对35个县（市、区）耕地利用效益以及3个子系统之间的协调度进行评价，使用GIS软件建立以县域范围为评价区、整理耕地利用效益及协调度的数据库.采用专题图显示功能生成成都平原及周边区域耕地利用效益指数空间分布图和3个子系统的协调度图.

首先，以2000年和2015年成都平原及周边区域各地区评价指标数据为基础，对35个县（市、区）耕地利用效益进行综合评价，并对评价结果进行效益指数处理.GIS软件中的自然间断点分级法基于数据中固有的自然分组，对分类间隔加以识别，是一种数据集中用来确定不同类别的最佳聚类间隔.可对相似值进行最恰当的分组，在数值的差异相对较大的位置处设置边界，适合于非均匀分布的属性值分级.因此，选择Arcgis 10.1软件中的自然间断点分级法生成成都平原及周边区域耕地利用效益指数空间分布图，如图1所示.

图1 2000年和2015年成都平原及周边区域耕地利用效益指数空间变异Fig.1 The spatial variation of benefit index of cultivated land in Chengdu Plain and its surrounding area in 2000 and 2015

耕地利用效益空间变异分析.从图1可以看出，2000年成都平原及周边区域耕地利用社会效益指数小于101.16的地区主要包括中江县、什邡市、绵竹市、涪城区、游仙区、安县、江油市、市中区、沙湾区、五通桥区、夹江县、东坡区、彭山县、都江堰市和龙泉驿区15个县市区，这些地区耕地利用社会效益水平较低，主要在于人均耕地面积、农民人均纯收入和土地垦殖指数等指标明显低于其他地区.

指数介于101.17～101.67的地区主要有武侯区、青白江区、新都区、温江区、双流区、金堂县、郫县、大邑县、浦江县、新津县、彭州市、邛崃市、崇州市、罗江县、旌阳区和广汉市16个县市区，由于受劳动力转移指数以及人均耕地面积等指标影响，社会效益水平指数不太高.

位于101.68～103.24之间的主要有锦江区、青羊区、金牛区和成华区4个地区，这些地区耕地利用社会效益水平较高，主要在于劳动力转移指数和农民人均纯收入等指标明显高于其他地区.

2015年，成都平原及周边区域耕地利用社会效益指数小于101.78的地区主要包括锦江区、青羊区、金牛区、武侯区、成华区、涪城区、市中区、沙湾区、五通桥区、夹江县和龙泉驿区11个县市区，指标明显低于其他地区.其中，锦江区、青羊区、金牛区、武侯区和成华区指标低的原因是在城市扩张过程中，建设用地面积扩大，以及城市往周边区域的外延.

位于101.79～102.39的地区主要包括都江堰市、郫县、新都区、青白江区、旌阳区、什邡市、东坡区、彭山县、温江区、游仙区和江油市11个县市区.

102.40～103.89的地区主要包括大邑县、浦江县、新津县、彭州市、邛崃市、崇州市、绵竹市、罗江县、安县、金堂县、广汉市、双流区和中江县13个县市区.

比较2000年和2015年的社会效益指数，发现随着经济水平提高，城镇化速度加快，城市中心地区的社会效益水平比周边区域有所降低，这也体现了城市中心地区主要集中的是高科技产业和商业区；因此，耕地利用的效益产生作用不太明显.

2000年，成都平原及周边区域耕地利用生态效益排在前7名的地区有锦江区、青羊区、金牛区、武侯区、成华区、双流区和绵竹市，而龙泉驿区、邛崃市、双流区、沙湾区、涪城区和中江县排在了后6位.生态效益的空间差异不太明显：最高为武侯区101.36，最低为涪城区100.16，高低相差1.2分；生态效益较好的地区分布在成都市主城区.

2015年，成都平原及周边区域耕地利用生态效益排在前5名的地区有锦江区、青羊区、金牛区、武侯区和成华区，而罗江县和沙湾区排在最后2名.生态效益差异显著：青羊区最高为105.43，沙湾区最低为100.37，高低相差5.06分.

比较2000年和2015年生态效益指数，可以看出经济发展水平越繁荣的地方，生态环境保护得越好，主要是在耕地利用过程中，单位耕地施肥量减少，复种指数提高，有效灌溉面积比率增加，万元产值能耗降低，使得耕地利用生态效益良好.不同区域的耕地生态效益得分随着时间的变化而变化，在近15年来，成都平原及周边区域的耕地利用生态效益基本都呈上升趋势，说明这些地区在利用耕地的过程中注意改善和维护耕地环境.

2000年，成都平原及周边区域耕地利用经济效益排在前7名的有锦江区、武侯区、成华区、龙泉驿区、涪城区、游仙区和安县.可见这些地区在耕地经济方面的利用能力比较强.而金堂县、市中区、沙湾区和东坡区则排在了后4位.经济效益指数差异不太突出：最高为涪城区103.1，最低为东坡区100.2，高低相差2.9分.经济效益较好的地区主要分布在成都平原的中心区域，说明经济效益好的地区耕地利用效益也相对较好.

2015年，成都平原及周边区域耕地利用经济效益排在前5名的有龙泉驿区、双流区、新都区、温江区和涪城区，而金堂县、金牛区、青羊区、武侯区和成华区排在最后5位.

比较2000年和2015年经济效益指数，呈现出一个共性问题，就是中心城区的商业和科技功能占据了主导地位，周边区域的经济效益指数较高.城市中心区域主要以第三产业为主，耕地利用经济效益较低；城乡交错处的经济效益指数最高，说明城市在扩张过程中带动了周边区域的发展.成都市中心城区的耕地利用经济效益随着时间的推移，呈逐渐递减趋势，主要由于主城区经济发展的需要，较多耕地转化为建设用地和城市公共用地.而成都平原周边区域的耕地利用经济效益也随着时间的发展呈波动上升趋势.

2000年成都平原及周边区域耕地利用综合效益指数排在前5名的有锦江区、青羊区、金牛区、武侯区和成华区，可见这些地方的耕地资源的综合利用效益比较强，综合效益水平也比较高.而市中区和沙湾区则排在后2位.

耕地利用综合效益的层次明显：第一层次主要是锦江区、青羊区、成华区和涪城区，平均综合指数为104.06；而仅次于它们的金牛区和武侯区为第二层次，综合效益指数为103.77；第三个层次主要是龙泉驿区、新都区、温江区和双流区，耕地利用综合效益指数平均为102.29；而邛崃市、都江堰市和中江县的耕地利用综合效益指数最低，平均指数为101.16.由此可见，2000年成都平原及周边区域的耕地利用水平的区域差异明显.

2015年，成都平原及周边区域耕地利用综合效益排在前5名的是青羊区、武侯区、龙泉驿区、新津县和中江县.排在后2位的是五通桥区和涪城区.比较2000年和2015年综合效益指数，可以看出，随着城镇化进程的加快，市中心带动周边地区的效应越来越明显，周边区域综合效益不断上升.主要是因为劳动生产率和农民人均纯收入增加，万元产值能耗降低.

因此，要充分发挥地理区位优势，采用合理的政策措施和战略规划，更精准地挖掘耕地效益.不同区域的耕地利用综合效益指数在近15年来呈上升地区的主要为龙泉驿区、中江县、金堂县和温江区，说明这些地区在近年来耕地利用中注重综合效益；综合效益指数呈下降的地区主要有锦江区、金牛区和武侯区等，这些地区经济发展迅速，地区经济水平发展高，因此，耕地利用数量减少，总体效益呈减少趋势.

3.2 耕地利用系统协调度变异分析 耕地利用效益评价的核心主要在耕地利用效益具体指标值、综合评价值，以及耕地利用各效益子系统之间的相互协调程度.本文主要利用土地利用综合效益的协调度标准作为参考，对耕地利用系统协调发展趋势和变化程度进行分析，从而起到一定的借鉴作用.

协同理论认为，协调度Ci在0～1之间，当Ci＜0.2时，耕地利用系统处于极不协调状态；当0.2≤Ci≤0.4时，耕地利用系统处于不协调状态；当0.4＜Ci＜0.5时，耕地利用系统处于不太协调状态；当0.5≤Ci≤0.6时，耕地利用系统处于基本协调状态；当0.6＜Ci＜0.8时，耕地利用系统比较协调；当Ci≥0.8时，耕地利用系统处于高度协调状态［21］.由（11）式得出耕地的协调度结果（如图2所示）.

图2 2000年和2015年耕地利用系统协调度变异分析Fig.2 Variation analysis of coordination degree of cultivated land use system in 2000 and 2015

2000—2015年，根据成都平原及周边区域耕地利用社会、生态和经济的协调度测算，研究区的整体协调度处于不稳定趋势.从图2的协调度分布的地区来看，整体差异明显，只有部分地区变化不大.协调度C值在35个县市区表现出由不协调、低水平协调、基本协调和较高水平协调的相互演变.大致处于以下几个状态：2000年，江油市、夹江县、五通桥区和市中区处于0.6＜Ci＜0.8，比较协调水平；沙湾区、都江堰市、绵竹市、安县、旌阳区、什邡市和游仙区处于0.5≤Ci≤0.6，不太协调.其余县市区处于不协调与极不协调之间.2015年，夹江县、五通桥区、市中区、都江堰市、龙泉驿区、郫县、温江区和涪城区0.5≤Ci≤0.6，不太协调.其余地区由于在发展过程中，侧重点有所不同，协调度不高.成都平原及周边区域耕地利用社会、生态和经济系统协调度趋势变好.

总体来看，2000—2015年，成都平原及周边区域耕地利用有一定的发展进步.今后，在确保耕地质量和数量的同时，需要加大对耕地的技术投入，不断提高耕地利用效益.同时，加强生态文明建设，更好发挥耕地资源优势.成都市区2000—2015年的各项效益有下降的趋势，周边区县在近15年的发展中，耕地利用结构比较合理，效益也逐渐变高.因为近年来在城市扩张过程中，中心市区更倾向于高新技术和产业.同时，非农业人口占据主导地位，城市化水平比较高，耕地利用效益处于中等协调水平.

4 结论与讨论

本文基于GIS与多因素综合评价方法和协调度模型，在定量分析成都平原及周边区域耕地利用时空演变特征的基础上，采用社会、生态和经济3个子系统进行协调度分析，了解不同自然条件和社会经济环境因素对耕地利用效益空间分布的影响程度.研究结论如下.

1）2000—2015年，成都平原及周边区域耕地利用社会效益、生态效益和综合效益指数变化表现为整体呈波动上升趋势.社会效益主要是社会需求满足度和农民人均纯收入有所增加，城镇化的发展导致非农人口比重增加，所以得到提高.生态效益的上升主要为有效灌溉面积的增加，复种指数的上升和每公顷耕地化肥使用量的减少.经济效益指数出现稍微下降趋势，主要是因为土地生产力和单位劳力投入不断减少所引起的.整体来说，在城市发展过程中，城市中心区域的耕地面积减少，主要以建设用地为主.综合效益指数在3个效益的综合情况下表现出波动上升，整体变化明显.

2）2000—2015年，对耕地利用3个效益之间的协调度进行分析.耕地利用系统的整体协调度呈稍微波动趋势；通过比较2000年和2015年各县市区的协调度，2015年各县市区的耕地利用协调度中的比较协调和基本协调的地区明显比2000年的县市区多；整体的耕地利用协调度往好的方面发展，同时协调度都在往适中的方面转化.

基于以上结论，运用多种经济手段保护耕地，提高城镇土地集约利用效率，充分发挥政府和农民保护耕地的积极性，提高耕地质量.从近15年成都平原及周边区域的耕地利用的时空变异来看，自然因素是区域间耕地效益差异的重要环节；经济社会发展对耕地有显著的影响.而从成都平原及周边区域耕地利用效益指标整体变化情况来看，严格执行耕地保护政策，进行动态监测，合理规划布局农业生产，增加农业科技投入，促进农业发展，挖掘耕地利用潜力等等，是今后耕地利用应该不断调整和探索的方向.