粮食主产区土地生态与粮食安全耦合协调性分析*

薛选登，马 路

（河南科技大学经济学院，洛阳 471000）

0 引言

土地是粮食生产的命根子，是粮食生产的主要载体，也是国家粮食安全战略的重要支撑，没有土地安全就没有粮食安全，为此，我国出台了严格的土地保护制度，有效保障了我国粮食生产和粮食安全。但近年来，为了追求粮食产量和保证安全，在农业生产过程中，过量使用化肥、农药，以及农业废弃物的不合理处置，导致土地生态退化，耕地质量下降，宜耕面积减少。据中国农科院土壤肥料研究所检测到的调查数据显示，目前中国大半的地区氮肥平均施用量超过国际公认的上限225kg/hm2，严重威胁着粮食的可持续生产。因此，如何既能确保粮食安全又能保障土地生态安全，实现土地生态安全与粮食安全的协调发展已成为农业绿色发展背景下迫切需要解决的难题。

粮食安全与生态安全的研究一直是学术界关注的焦点，梳理研究成果可知，围绕粮食安全或生态安全单个维度，探究其内涵[1-4]、发展水平[5-8]、时空分布格局[9,10]及其影响因素[11,12]的文献较多。在粮食安全与生态安全二者关系的研究中，存在以下几种观点：一是粮食安全构成生态安全[13,14]，黎东升等将生态安全纳入粮食安全评价体系之中[14]；二是粮食安全与生态安全同等重要，邱建军等提出生态安全与粮食安全相互影响、相互促进，生态安全是粮食安全的基础[15]；三是将生态视作影响粮食安全的重要因素[16]，侧重分析耕地资源与气候变化对粮食安全的影响。当前我国粮食安全正面临生态退化威胁，粮食安全与生态安全的协调发展成为研究热点。但国内学者对生态安全与粮食安全两系统协调性研究相对较少[17,18]，研究成果集中于农业生态系统、水资源生态系统与粮食安全的协调状况，而对于土地生态安全与粮食安全两系统的协调发展研究有待补充。

为此，文章以13个粮食主产区作为研究对象，基于对DPSIR概念模型和粮食安全内涵的理解，分别构建土地生态安全和粮食安全评价体系，评价粮食主产区土地生态安全与粮食安全水平，最后运用耦合协调模型定量分析2009—2018年粮食主产区土地生态安全与粮食安全的耦合协调状况，探究土地生态安全与粮食安全耦合协调发展类型，为实现粮食主产区土地生态安全与粮食安全协调发展提供科学的依据。

1 研究区域概况

粮食主产区顾名思义是指某个地区的地理、土壤、气候、科技等条件适宜某些粮食作物生长，同时具有一定的资源优势、技术优势和经济效益等比较优势的产区。2003年财政部将河北、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、江苏、安徽、江西、山东、河南、湖北、湖南、四川等13个省、自治区确定为我国粮食主产区。这些地区地形相对平坦，主要位于中东部季风区，土地资源丰富，且土地质量等级较高，降水较多，但季节与地域分布不均。2019年粮食主产区耕地面积约8 893万hm2，粮食产量5.237 1亿t，占全国总产量的78.8%，但土地生态安全状况不容乐观，工业废水排放量约105.781 6亿t，化肥总施用量3 593万t，占全国总量的66.5%，每公顷耕地化肥使用量约为404kg，比发达国家安全标准高出80%。

2 研究方法

2.1 构建评价指标体系

土地生态安全本质上是指一定时间内某个区域的生态状况不会威胁到环境及人类生存发展，并且生态系统自身的稳定性能够不断得到提高的状态[4]。土地生态系统不是一个独立体，而是由自然、经济、社会相互联系作用的统一体。该文遵从指标选取的系统性、科学性、代表性与可操作性原则，参考现有研究成果[6,11,19]，采用DPSIR模型从土地生态驱动力、土地生态压力、土地生态状态、土地生态影响和土地生态响应五个方面选取如下15个指标，构建粮食主产区土地生态安全评价指标体系（表1）。

（1）土地生态驱动力：表示促使土地生态安全状况发生变化的关键性因素，包括人口指标（人口密度）和经济发展指标（经济密度）。（2）土地生态压力指标是指人类生产活动对土地生态安全产生的压力，包括农用化肥使用量、工业废水排放量和城镇化率。（3）土地生态状态指标指的是在各种因素影响下土地生态安全所处的状态，包括人均耕地面积、水土协调度、森林覆盖率和人均水资源量。（4）土地生态影响指标代表土地生态安全状态发生对社会生产活动的影响，包括人均GDP、第三产业比重和粮食单产。（5）土地生态响应指标则是指为提高土地生态安全水平采取的各种管理措施，包括环保投资指数、当年造林面积以及城市生活垃圾无害化处理率。

联合国粮农组织将粮食安全定义为：“保证任何人在任何时候都能够获得生存和健康所必须的食物”。随着人们生活水平提高和认识的增长，粮食安全的内涵也在不断地更新，关注的焦点从粮食获取的数量安全转移到粮食获取的结构性安全，即满足每个人在任何时候都能获得足够的、安全的和有营养的粮食。从内涵来看，粮食安全包含多个方面的内容，因而构架粮食安全评价体系是个相对复杂的问题。基于粮食安全概念内涵的理解，结合学者的研究成果[7,8]，从产量安全、质量安全、消费安全和资源安全等四个方面选取如下11个具体指标构建粮食主产区粮食安全评价指标体系（表1）。

表1 粮食主产区土地生态安全与粮食安全综合评价指标体系

（1）粮食产量安全指标包括粮食总产量、粮食人均产量、粮食播种面积、农作物受灾面积以及有效灌溉面积。粮食人均产量、粮食播种面积、有效灌溉面积越高，粮食产量相对也越高，粮食安全水平也越高。农作物受灾面积越大，粮食产量越低，粮食安全程度越低。

（2）粮食质量安全指标包括单位耕地农药使用量和单位耕地农膜使用量。粮食质量安全表示消费者能够购买到营养丰富、健康安全的粮食，单位耕地使用的农药、农膜数量越多，粮食中富含的化学残留越多，粮食质量越不安全，粮食安全水平越低。

（3）粮食消费安全指标包括人口自然增长率和粮食消费价格指数。粮食消费既包括消费者为满足自身生存需求而购买粮食进行的直接消费，又包括用于工业和农业生产中的间接消费。人口自然增长率和粮食消费价格指数越大，粮食消费需求越高，粮食安全程度越低。（4）粮食资源安全指标包括单位粮食水资源消耗量和单位粮食耕地资源消耗量。耕地资源和水资源是粮食生产的重要投入要素，单位粮食产量消耗的资源越少，粮食安全程度越高。

2.2 数据来源

该文所需数据通过查阅北、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、江苏、安徽、江西、山东、河南、湖北、湖南、四川等13个粮食主产区2010—2019年《统计年鉴》，以及相关年份的《中国统计年鉴》《中国农业统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《中国水利统计年鉴》《中国环境统计年鉴》。

2.3 指标权重

熵权法是一种客观赋权法，根据熵权原理，熵值可以判断某个指标的离散程度，指标的离散程度越大，该指标对综合评价的影响也越大。熵权法求权重的一般步骤如下。

第一步：由于不同变量具有不同的单位和变异程度，而单位差异会使一些变量的系数在现实中的解释发生困难。因此，为了解决量纲和变异程度对数值大小的影响使数据具有数值上的可比性，需要对数据进行标准化处理。该文采用极值法对原始数据进行线性变换，对于正向指标和负向指标的处理公式有所区别：

正向指标：

式（2）中，xij代表第i个评价对象的第j个评价指标的实际数值；max(xj)表示第j个评价指标中的最大值；min(xj)表示第j个评价指标中的最小值；Xij代表经过标准化处理过的指标值。

第二步：在数据进行标准化之后，计算第j个指标下第i个评价对象的样本值占该指标的比重为：

第三步：根据熵值计算公式计算第j个指标的信息熵Ej为：

第四步：由第j个指标的信息熵计算差异性系数Dj为：

第五步：利用第j个指标的差异性系数计算各项指标权重Wj为：

最后，计算两个子系统的综合指数Ui为：

2.4 耦合协调模型

耦合度C能够反映两个或两个以上系统相互影响作用程度，它本是物理学概念，后来被引用到生物学、地理学、经济学和旅游学之中。耦合度C值介于0～1之间，当C值越接近于1时，说明系统间的相互关系越强，当C值越接近与0时，说明系统间的相互关系越弱。借鉴现有研究[17,19]，构建耦合协调模型，以便于分析我国粮食主产区土地生态安全与粮食安全的耦合协调关系。

式（8）（9）中，U1表示土地生态安全综合指数；U2表示粮食安全综合指数；D值表示土地生态安全和粮食安全的耦合协调度；T为耦合协调发展水平指数；a和b分别为土地生态安全和粮食安全的重要性系数，该文考虑到土地生态安全和粮食安全对人类生存和发展同样重要，所以取a=b=0.5。结合现有文献[19,20]，将土地生态安全与粮食安全耦合协调度划分等级，便于直接反映两个系统的耦合协调程度（表2）。

表2 土地生态安全与粮食安全耦合协调度等级分类

2.5 相对发展度模型

相对发展度模型分析土地生态安全与粮食安全两个系统的相对发展状态，根据相对发展度大小判断两系统的耦合发展类型，具体公式为：

参考已有文献对相对发展度等级的划分[21]，将土地生态安全与粮食安全耦合协调发展状况划分为3阶段9种类型见表3。

表3 土地生态安全与粮食安全耦合协调发展阶段与类型

3 结果与分析

根据式（1）至（7）测算了2009—2018年13个粮食主产区土地生态安全指数和粮食安全指数，其后运用式（8）至（10）计算耦合协调度。该文将土地生态安全与粮食安全定量划分为5个等级（第Ⅰ级，不安全，＜0.2；第Ⅱ级，较不安全，0.2～0.4；第Ⅲ级，临界安全，0.4～0.6；第Ⅳ级，较安全，0.6～0.8；第Ⅴ级，安全，＞0.8）。

3.1 土地生态安全时空演变

从时间维度来看，粮食主产区土地生态安全水平呈现“波动增长”态势。由图1可知，2009—2018年粮食主产区土地生态安全指数均值从0.258提高到0.354，总体呈现波动上升态势，说明粮食主产区总体土地生态安全状况有所改善。从表4来看，2009—2014年粮食主产区土地生态安全指数均值从0.258上升到0.31，只有四川省土地生态安全指数从0.336降至0.31出现小幅下降。2014—2018年粮食主产区整体土地生态安全水平继续提高，增长幅度约为14%，其中湖北、江苏、四川、内蒙古和黑龙江地区土地生态安全指数增幅较大，与此同时，仅有辽宁省土地生态安全状况有所恶化。总体而言，粮食主产区整体土地生态安全状况向好，各省区土地生态安全综合值也有不同程度的提高。

图1 2009—2018年粮食主产区土地生态安全、粮食安全及耦合协调度变动

从空间维度来看，粮食主产区土地生态安全等级由“南北高，中部低”演变为“北高南低”的特征。由图2可以看出，2009年空间布局呈现“南北高，中部低”的凹型分布特征，其中临界安全省区只有内蒙古，较不安全省区包括辽宁、吉林、黑龙江、湖北、湖南、江西和四川7省，不安全省区主要有河北、山东、河南、安徽和江苏5省。2014年空间分布与2009年基本类似，其中临界安全和较不安全省区范围扩张，不安全等级区域缩小。具体表现为黑龙江省安全等级从较不安全演变为临界安全，河北、山东、安徽和江苏4省由不安全上升到较不安全等级。2018年空间布局呈现“北高南低”分布特征，处于临界安全等级的省区数量增加，分布在吉林、黑龙江、内蒙古和四川4省区，其余9省皆处于较不安全等级。总体上，不安全等级区数量从5个减少到0个，较不安全区从7个增加到9个，临界安全区从1个增加到4个，而临界安全区主要以黑龙江为中心向南连接内蒙古和吉林两地成块状分布，这些地区土地面积辽阔，森林覆盖率较高，经济发展速度较慢，生态环境相对较好。

图2 2009年、2014年和2018年粮食主产区土地生态安全的空间分布状况

3.2 粮食安全时空演变

从时间上看，粮食主产区粮食安全水平呈现“不断增长”的趋势。从图1中可以看出，2009—2018年粮食主产区粮食安全指数均值从0.315升至0.431，粮食安全指数均值整体呈持续上升的态势，表明粮食主产区粮食安全水平不断提升。由表4知，2009—2014年粮食主产区粮食安全发展水平增长迅速，粮食安全指数均值增长了大约18%，各地区粮食安全指数皆向好发展。这一时期国家粮食安全中长期规划纲要(2008—2020年)开始实施，粮食主产区逐步统一思想，高度重视粮食安全工作，粮食安全水平明显提升。2014—2018年粮食主产区粮食安全发展相对平稳，粮食安全指数均值由0.371增长至0.431，各省区粮食安全指数都呈现不同幅度的增长态势。该时期国家进行农业供给侧改革，调整粮食种植结构以应对国内外粮食需求，这一政策一定程度上减少了对国外市场的依赖，促进了粮食安全水平提高。

表4 2009年、2014年和2018年粮食主产区土地生态安全与粮食安全综合指数及等级划分

从空间上看，粮食主产区粮食安全等级呈现“由北向南”递减的趋势。从图3可知，2009年粮食主产区粮食安全等级空间格局分散，处于临界安全的省区只有黑龙江和河南两省，较不安全等级的省区包括内蒙古、吉林、河北、山东、安徽、江苏、湖南、四川8省，不安全等级省区主要有辽宁、湖北和江西3省。2014年空间格局呈现“北高南低”分布特征，大部分省区粮食安全等级跃升，如黑龙江省安全等级变为较安全，河南、吉林和内蒙古的安全等级升至临界安全，湖北安全等级演变为较不安全。2018年空间格局与2014年类似，仅个别省区发生改变，黑龙江省安全等级达到安全状态，河北、山东、安徽和江西等省粮食安全等级提升一级。可以看出，粮食安全等级较高的省区是黑龙江省，该省耕地面积广阔，土质优良，常住人口数量较少，适宜大规模农业机械化生产，粮食产量与人均粮食产量在粮食主产区中处于前列。

图3 2009年、2014年和2018年粮食主产区粮食安全的空间分布状况

3.3 土地生态安全与粮食安全耦合协调时空演变

截取2009年、2014年和2018年的数据计算出粮食主产区土地生态安全与粮食安全的耦合协调度，并将土地生态安全与粮食安全的耦合协调状况划分为不同等级，使用ArcGIS10.2进行可视化处理得到2009年、2014年和2018年粮食主产区土地生态安全与粮食安全耦合协调状况的空间分布（图4）。从时间与空间维度总结出以下特征。

图4 2009年、2014年和2018年粮食主产区土地生态安全与粮食安全发展水平及协调类型空间分布状况

在时间维度上，粮食主产区土地生态安全与粮食安全耦合协调度均值呈“缓慢上升”的发展态势，耦合协调类型由轻度失调跃升至濒临失调。由图1知，2009—2018年粮食主产区总体耦合协调度均值从0.369提高到0.433，增长了17%，协调类型从轻度失调升至濒临失调，说明粮食主产区土地生态安全与粮食安全两系统的相互作用持续存在且协调性逐渐加强。从表5可知，2009年粮食主产区土地生态安全与粮食安全耦合协调度处于0.318～0.484，其中轻度失调与濒临失调类型省区的比例为10∶3，协调水平较低，均处于失调状态。2014年耦合协调度介于0.353～0.554，该阶段轻度失调、濒临失调与勉强协调类型省区的比例为10∶2∶1，对比2009年各省区耦合协调度水平均有改善，失调省区数量减少，黑龙江省迈入勉强协调阶段。该阶段粮食主产区各省区粮食安全与土地生态安全指数均不断提升，反映出各省在保障国家粮食安全的同时强化生态环境建设，生态效益提升。2018年耦合协调度位于0.374～0.597，其中轻度失调、濒临失调与勉强协调类型省区的比例为4∶7∶2，各省区耦合协调水平进一步提高，勉强协调类型省区数量增加。该时期由于各项生态保护政策不断落实和农业生产技术提高带动了粮食主产区土地生态与粮食生产效率提高，促使两系统协调性加强。

从表5整体来看，不同协调类型省区数量相比2009年发生明显变化，其中轻度失调型省区数量从2009年10个减少到2018年4个，濒临失调型省区从2009年3个增加到2018年7个，勉强协调型数量从2009年的0个增加到2018年的2个，这说明粮食主产区土地生态安全与粮食安全协调性逐渐增强，但研究期间大部分省区多处于轻度失调和濒临失调阶段且仅个别省区达到勉强协调，因而粮食主产区土地生态安全与粮食安全协调水平有待进一步提升。

表5 2009年、2014年和2018年粮食主产区土地生态安全与粮食安全耦合协调度

在空间维度上，粮食主产区土地生态安全与粮食安全耦合协调度整体呈现出“北高南低”的分布特征，区域差异显著。由图4知，粮食主产区土地生态安全与粮食安全耦合协调度较好的地区分布在东北地区，以黑龙江省为中心向南辐射连接成片分布。2009年轻度失调区分布广泛，覆盖吉林省以南的全部省区，濒临失调区集中分布东北平原的黑龙江、吉林与内蒙古地区。2014年空间分布与2009年相似，轻度失调区范围维持不变，濒临失调区面积缩小仅分布在吉林与内蒙古两地，勉强协调区零星散落在黑龙江省。2018年轻度失调区分布较为广泛，覆盖长江以南3省以及东北地区的辽宁省，濒临失调区以黄淮海平原为中心连片分布为主，其余零散分布在吉林与四川两省，勉强协调区小片分布在黑龙江和内蒙古两地。

总体而言，粮食主产区土地生态安全与粮食安全协调水平由东北向东南和西南递减，耦合协调度高的地区主要分布在黑龙江和内蒙古两省区。一方面，黑龙江与内蒙古地区地广人稀，土壤肥沃且耕地质量高，能够配合农业现代化技术发挥粮食生产的规模化和集约化优势，良好的资源禀赋也为保障粮食安全提供强有力的支撑。另一方面，随着生态保护理念渗入社会发展的各个方面，黑龙江与内蒙古两地也更加注重生态保护，加大了生态建设投入，尤其是黑龙江省环保投资比重约0.76%，确实提高了土地生态安全水平。

3.4 土地生态安全与粮食安全耦合协调发展类型分析

为进一步揭示粮食主产区土地生态安全与粮食安全协调状况和土地生态安全、粮食安全发展水平的关系，引入相对发展度模型分析土地生态安全与粮食安全相对发展程度，借以探究土地生态安全与粮食安全所属的耦合协调发展类型。由表6知，在2009年、2014年和2018年等3个时间节点上，粮食主产区土地生态安全与粮食安全所处的发展阶段为低度磨合和高度磨合阶段，各主产区耦合协调发展类型为低度磨合、高度磨合与Ⅵ等3种类型。

表6 2009年、2014年和2018年粮食主产区土地生态安全与粮食安全耦合协调发展类型

2009年黑龙江、河北、山东、河南、安徽及江苏6省区的耦合协调发展类型为Ⅳ类，处于低度磨合发展阶段；吉林、湖北与四川3省耦合协调发展类型为Ⅴ类，处于高度磨合发展阶段；内蒙古、辽宁、湖南和江西发展类型为Ⅵ类，处于低度磨合发展阶段。2014年黑龙江、吉林、河北、山东、河南与安徽6省发展类型为Ⅳ类，发展阶段处于低度磨合；内蒙古、江苏和四川3地发展类型为Ⅴ类，发展阶段属于高度磨合；辽宁、湖南、湖北及江西4省发展类型为Ⅵ类，处于低度磨合阶段。2018年黑龙江、吉林、河北、山东、河南和安徽6省发展类型为Ⅳ类，处于低度磨合发展阶段；内蒙古、辽宁、湖北与江苏4省为Ⅴ类，处于高度磨合阶段；湖南、江西和四川属于Ⅵ类，处于低度磨合阶段。

综上所述，46.2%的省区耦合协调发展类型为Ⅵ类，处于低度磨合发展阶段，这些省区土地生态安全发展水平滞于粮食安全，土地生态安全与粮食安全的互动效应较小，二者关系趋于退化。25.6%的省区耦合协调发展类型为Ⅴ类，处于高度磨合状态，当地土地生态安全与粮食安全同步发展，两者关系逐渐优化，但协调发展水平较低。28.2%的省区属于Ⅵ类，发展阶段处于低度磨合状态，这些地方土地生态安全滞后于粮食安全，两者关系退化并阻碍两系统的协调发展。总之，粮食主产区土地生态安全与粮食安全耦合协调发展阶段多处于低度磨合状态，大多数省区土地生态安全滞后于粮食安全发展水平，调整两者发展速度将有助于提高粮食主产区土地生态与粮食安全的耦合协调水平。

4 结论与政策

4.1 结论

（1）2009—2018年粮食主产区土地生态安全指数均值呈现“波动增长”态势，粮食主产区土地生态安全状况改善，各省区土地生态安全指数也有不同程度的提高；空间布局呈“北高南低”的分布特征，其中黑龙江、内蒙古与吉林等地土地生态安全水平最好。

（2）2009—2018年粮食主产区粮食安全指数均值呈现“不断增长”的趋势，粮食安全水平不断提高；空间布局呈现“由北向南”递减的分布特征，其中黑龙江省粮食安全等级最高。

（3）2009—2018年粮食主产区土地生态安全与粮食安全耦合协调度均值呈“缓慢上升”态势，整体从轻度失调向濒临失调演进，说明粮食主产区土地生态安全与粮食安全协调性增强，但仍需进一步提升；空间格局呈现出“北高南低”的分布特征，区域差异显著，勉强协调区多分布在东北地区，失调区集中在黄淮海平原和长江中下游地区。

（4）2009—2018年粮食主产区土地生态安全与粮食安全耦合协调发展类型主要为低度磨合土地生态滞后型（Ⅳ）、高度磨合同步发展型（Ⅴ）及低度磨和粮食安全滞后型（Ⅵ）等3类，其中大多数省区属于低度磨合土地生态滞后型，土地生态安全明显滞后于粮食安全发展水平，土地生态安全水平有待提升。

4.2 政策

结合粮食主产区土地生态与粮食安全的耦合协调发展不同类型采取差异化措施。

（1）低度磨合土地生态滞后区。如黑龙江、河北、山东、河南与安徽等省份，粮食安全水平较高，但土地生态压力较大。该类区域应通过加强环境保护相关法律法规的宣传，提高公众环保意识，增加农业科技投入资金，推广现代农业，科学施肥，加大生态保护力度，在保持粮食产量的基础上，保护生态环境。

（2）低度磨和粮食安全滞后区。如湖南、江西等省区，土地生态状况较好，粮食安全水平较低。该类区域需要积极推进土地整治、中低农田改造，完善农田水利设施建设，增加农田有效灌溉面积，保障耕地数量、质量；结合自身资源禀赋，优化粮食种植结构与区域布局，提高粮食综合效益。

（3）高度磨合同步发展区。像内蒙古自治区、江苏等省区，这类地区土地生态与粮食安全发展速度相当，但两者耦合协调水平还有待提高。为此，应继续保持原有发展方向，树立粮食生产与土地生态保护一体协调发展理念，建立长效的“土地生态安全”与“粮食安全”良好协同机制。通过集约化内涵式发展道路，以生态安全引领粮食安全发展，实现土地生态与粮食安全高质量协调发展。