基于協(xié)調度模型的河北省人口—耕地—糧食調關系研究

楊偉州　臧亮　魏明歡　張蓬濤

摘要：應用協(xié)調度函數(shù)模型對河北省11個地級市的2000-2011年人口-耕地-糧食系統(tǒng)協(xié)調度進行綜合評價，分析各區(qū)域協(xié)調度的時空變異。結果表明，河北省11個地級市人口-耕地-糧食協(xié)調水平總體不高，處于基本協(xié)調水平。從時間序列上看，2000-2011年各市協(xié)調度C值隨著時間的延續(xù)呈波狀起伏變化，協(xié)調關系穩(wěn)定性較差；從空間序列上看，協(xié)調度等級在地域上呈不規(guī)則分布，地域差異不明顯。該研究結果可為河北省人口-耕地一糧食協(xié)調關系水平的提高以及農業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

關鍵詞：人口-耕地-糧食；協(xié)調關系；時空變異；河北省

中圖分類號：F327 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）09-2427-06

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展，人地矛盾已成為制約中國經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸之一。在面對保障糧食安全和建設活動占用大量耕地的雙重壓力下，如何實現(xiàn)人口一耕地一糧食之間構成的這一耦合系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展。對推動中國經(jīng)濟平穩(wěn)轉型，協(xié)調未來人口、耕地資源利用和糧食生產(chǎn)的矛盾具有重要的理論和現(xiàn)實意義。陸汝成結合基于熵值法的協(xié)調度函數(shù)模型對廣西崇左市經(jīng)濟社會發(fā)展與土地利用的協(xié)調度進行綜合評價：曹堪宏等利用空間耦合模型與動態(tài)耦合模型來研究廣州市和深圳市土地利用效益的耦合狀態(tài)和規(guī)律，并對其土地利用效益進行了評價：部分研究者還利用模糊數(shù)學方法構建協(xié)調發(fā)展度來識別區(qū)域經(jīng)濟、社會和資源環(huán)境之間的協(xié)調發(fā)展關系：還有的研究者以某一區(qū)域為研究對象，利用灰色關聯(lián)模型、系統(tǒng)相關因子模型等對人口-耕地-糧食的互動關系進行了預測，并提出了可持續(xù)發(fā)展的相關建議等。

綜觀以上文獻，眾多學者主要是從土地利用與社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調發(fā)展等方面進行研究，且多是采用相關分析和基于專家咨詢法和熵值法的協(xié)調模型，而運用層次分析法和協(xié)調度模型研究事物之間協(xié)調關系的實例較少：很多學者專注于研究特定區(qū)域內兩對象之間動態(tài)發(fā)展變化的耦合狀態(tài)和規(guī)律，卻很少基于某一時間段，研究區(qū)域不同事物發(fā)展變化中協(xié)調關系的時空變異。本研究旨在將人口、耕地和糧食的協(xié)調關系作為研究對象，通過建立耦合協(xié)調度模型，評價河北省11個地級市人口、耕地和糧食系統(tǒng)的協(xié)調度，研究分析各區(qū)域協(xié)調度的時空差異及其產(chǎn)生原因，以期為河北省人口-耕地-糧食協(xié)調水平的提高以及農業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河北省位于東經(jīng)113°11′-119°45′，北緯36°05′-42°37′之間，總面積18.85萬km²，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明。地勢西北高、東南低。由西北向東南傾斜。地形地貌復雜多樣，高原、山地、丘陵、盆地、平原等地貌類型齊全，內環(huán)京津。東臨渤海。河北省是一個人口大省，到2011年末，河北省的總人口數(shù)量已經(jīng)達到了7241萬人，位居全國第六位。近年來雖實行了較為嚴格的計劃生育政策，人口數(shù)量得到了控制，但由于人口基數(shù)大的原因，人口總數(shù)將會在長時期內保持一定的增長趨勢：河北省2011年末耕地面積為584.05萬hm²。河北省耕地質量總體水平不高，且部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤受侵蝕、沙化、水土流失、鹽堿化等危害的耕地面積仍占不少比例，同時河北省面臨著耕地資源總量和人均耕地面積相對不足，耕地資源區(qū)域分布不均衡，土壤污染等難題：河北省是全國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)。糧食作物種類較多，如小麥、玉米、水稻、大豆、谷子、高粱、甘薯、馬鈴薯等。但主要作物是小麥和玉米，從播種面積看。小麥和玉米的播種面積占全省糧食總播種面積的85.5%，這兩種作物的總產(chǎn)量占全省糧食總產(chǎn)量的92.0%，但近年來，由于耕地面積減少，自然災害的影響以及農業(yè)結構的調整等。河北省的糧食生產(chǎn)面臨巨大的壓力。在人口與耕地逆向發(fā)展條件下，研究人口-耕地-糧食三者之間發(fā)展的協(xié)調關系對于維持人口對糧食的需求，保障糧食安全，調控耕地資源數(shù)量以及推動河北省農業(yè)經(jīng)濟系統(tǒng)的良性發(fā)展具有重要意義。

2 研究方法與步驟

2.1 評價指標體系的構建

科學的評價指標體系是進行人口-耕地-糧食協(xié)調關系研究的基礎。評價指標體系的構建在遵循重點性、整體性、層次性、獨立性等原則的基礎上，參考現(xiàn)有研究成果，結合河北省實際。以人口發(fā)展變化綜合指數(shù)、耕地資源利用變化指數(shù)和糧食生產(chǎn)綜合指數(shù)三個方面作為指標體系的準則層：指標層方面，利用主成分分析法的理論原則，選取貢獻程度較高的13個指標作為評價因子，建立人口-耕地-糧食系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展關系評價指標體系。

2.2 數(shù)據(jù)的標準化

對評價指標進行標準化處理，以消除變量的量綱不同所造成的影響。本文采用極差標準化方法，對原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行標準化處理。公式為： （1）

式中。P_ij為指標的標準化值；X_ij為指標的原始數(shù)據(jù)；X_imin為指標的原始數(shù)據(jù)最小值；X_imax為指標的原始數(shù)據(jù)最大值。具有正效應的指標，其值越大對人口-耕地-糧食的協(xié)調發(fā)展越有利：相反。具有負效應的指標，其值越大越不利于人口-耕地-糧食的協(xié)調發(fā)展。本研究中所采用的指標除化肥施用量、人口自然增長率和年末總人口數(shù)外。其他均為正效應的指標。

2.3 指標權重的確定

由于協(xié)調度評價中具體指標的復雜性和多樣性，同時結合前人的研究成果，本研究采用層次分析法確定準則層和指標層的權重。步驟如下。

在將評價體系分為目標層、準則層和指標層的基礎上，分別構造判斷矩陣確定人口-耕地-糧食評價系統(tǒng)的權重。構造的判斷矩陣為：

式中，a_ij表示因素a_i（i=1，2，…，n）對a_j（i=1，2，…，n）的相對重要程度值，a_ij的取值見表1。

假設人口-耕地-糧食系統(tǒng)評價總體目標為A，由于人口-耕地-糧食系統(tǒng)中三者重要性對于研究三者的協(xié)調關系同等重要，故相對于總體目標而言，這里認為準則層目標B的三者之間同等重要。

通過計算得出準則層目標B三者之間判斷矩陣的特征向量W=[0.3333，0.3333，0.3333]^T即評價指標B₁、B₂、B₃的權重值分別為0.3333、0.3333、0.3333，矩陣最大特征根λ_max=3，為了檢驗判斷矩陣是否具有滿意的一致性。需要將一致性指標（CI）與相應的平均隨機一致性指標（RI）進行比較。其中CI=（λ_max-n）/（n-1）=0，RI=0.58，一致性比例CR=CI/RI=0，說明上述判斷矩陣有完全的一致性，

通過層次分析法依次確定評價體系指標層的權重，結果見表2。

2.4 人口-耕地-糧食協(xié)調度發(fā)展函數(shù)的建立

協(xié)調發(fā)展是系統(tǒng)之間相互影響、相互促進，達到一種處于良性循環(huán)發(fā)展態(tài)勢水平的過程，反映的是系統(tǒng)之間動態(tài)的相互作用關系及其程度。協(xié)調度則是對其協(xié)調狀況好壞程度進行度量的定量指標。根據(jù)協(xié)調度的定義，設{x₁，x₂，…，x_{i}、{y1，y2，…，yj}、{z1，z2，…，zk}分別描述人口發(fā)展變化綜合指數(shù)、耕地資源利用變化指數(shù)和糧食生產(chǎn)綜合指數(shù)，其中，i=1，2，3；j=1，2，…7；k=1，2，3。xi、yj、zk分別表示上述三者的評價指標。評價函數(shù)分別為：}

式中：x_i'、y_j'、z_k'分別為人口發(fā)展變化綜合指數(shù)、耕地資源利用變化指數(shù)和糧食生產(chǎn)綜合指數(shù)的標準化值，ω_i、ω_j、ω_k分別為人口發(fā)展變化綜合指數(shù)、耕地資源利用變化綜合指數(shù)和糧食生產(chǎn)綜合指數(shù)的權重，要達到人口和耕地數(shù)量與糧食安全協(xié)調發(fā)展。則，f（x）、g（y）與h（z）的離差系數(shù)應當越小越好，而使離差系數(shù)越小越好的充要條件是C'，越大越好。

C'=f（x）·g（y）·h（z）/（f（x）+g（y）+h（z）/3）³ （4）

根據(jù)上式，為使計算出的協(xié)調度具有一定的層次性，參考王欣等的相關研究，定義人口一耕地一糧食協(xié)調度C的計算公式為：

C={f（x）·g（y）·h（z）·（f（x）+g（y）+h（z）/3）^-3）^λ （5）

式中：λ（λ≥2）為調節(jié)系數(shù)，因為系統(tǒng)為三者的協(xié)調關系，所以取λ=3。

2.5 人口-耕地-糧食協(xié)調度等級的劃分

人口-耕地-糧食協(xié)調發(fā)展過程就是農業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)綜合協(xié)調、各子系統(tǒng)交互脅迫的發(fā)展過程，其實質就是發(fā)展因素與限制因素相互作用、相互脅迫，由低級協(xié)調向高級協(xié)調發(fā)展的過程。本研究采用分布函數(shù)法擬定協(xié)調度的等級劃分（表3）。

2.6 數(shù)據(jù)來源

河北省人口-耕地-糧食協(xié)調度發(fā)展關系研究的基礎數(shù)據(jù)均來源于2001-2012年《河北省農村統(tǒng)計年鑒》、11個地級市《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》等。研究范圍為河北省，包括其下屬的11個地級市，土地總面積為18.77萬km²。

3 結果與分析

3.1 評價結果

利用數(shù)據(jù)標準化公式、人口-耕地-糧食協(xié)調度函數(shù)進行評價計算，求得2000-2011年河北省11個地級市的協(xié)調度C值，如表4所示。

3.2 河北省人口-耕地-糧食協(xié)調度發(fā)展時空變異分析

3.2.1 河北省人口-耕地-糧食協(xié)調度發(fā)展水平的年度變化分析

1）由表4和圖1（各市柱狀圖從左至右依次代表2000-2011年）分析可知，石家莊、張家口、唐山、保定、衡水、邢臺和邯鄲的協(xié)調度C值呈“降低→增高→降低→增高”的“W”型起伏變化，且大體呈現(xiàn)出基期、終期持平的發(fā)展態(tài)勢。具體來看。協(xié)調度C值在2000-2003年呈下降趨勢，其中石家莊下降幅度最大，由2000年的0.9621降至2003年的0.0010.2003年后協(xié)調度C值又開始急劇回升，其中唐山增幅最大，2004-2007年間變化不大，2008年又出現(xiàn)一個低谷，2009-2011年呈小幅下降態(tài)勢：在協(xié)調度等級上，2000-2003年間除張家口協(xié)調度由比較協(xié)調降為基本協(xié)調外，協(xié)調度等級均由高度協(xié)調降至極不協(xié)調，2004-2007年，協(xié)調度等級均維持在比較協(xié)調水平，2008年處于極不協(xié)調狀態(tài)：2009-2011年間，協(xié)調度等級又以比較協(xié)調為主。

2）承德、秦皇島、廊坊和滄州的協(xié)調度C值總體表現(xiàn)出“增高→降低→增高→降低→增高→降低”的連續(xù)起伏變化特點。協(xié)調度C值在2000-2002年呈增長趨勢。2003年跌至低谷，其中廊坊降幅最大，由2000年的0.7345降至2003年的0.0010。2004-2007期間，C值呈小幅下降趨勢，2008年C值又跌至低谷，2009-2011年呈小幅下降態(tài)勢：在協(xié)調度等級上，2000-2001年間，協(xié)調度等級均上升為高度協(xié)調等級，2002-2003年，協(xié)調水平又急劇降為極不協(xié)調狀態(tài)。2004-2007年，協(xié)調度等級主要維持在比較協(xié)調水平，2008年處于極不協(xié)調狀態(tài)，2009-2011年間。協(xié)調度等級又以比較協(xié)調為主。

3）河北省11個地級市人口-耕地-糧食協(xié)調度C值在2003和2008年均出現(xiàn)不同程度的降低。這兩個年份河北省11個地級市協(xié)調度C值平均分別為0.1521和0.0504，為評價期內最低的兩個年份。2003年平均協(xié)調度C值低主要是因為2002年退耕還林（草）工程在河北省全面開展，退耕還林面積達16.67萬hm²。糧食產(chǎn)量（2712.37萬t）、人均糧食產(chǎn)量（418.68kg）、糧食耕種面積（573.59萬hm²）與其他年份相比最低。其中石家莊市2003年C值下降幅度最大，由2002年的0.4284降至2003年的0.0010。主要原因是2003年石家莊市人口自然增長率為5.53‰。但糧食總產(chǎn)量、人均糧食產(chǎn)量和糧食作物播種面積較上年分別下降3.67%、4.36%和2.13%，耕地人口密度增大，人均糧食占有量不足等使人口-耕地-糧食之間的發(fā)展關系惡化：2008年同樣出現(xiàn)一個協(xié)調關系的低谷，較上一年度降幅均達到86.86%以上。這主要是受2008年金融危機的影響，鄉(xiāng)村從業(yè)人員回鄉(xiāng)，致使鄉(xiāng)村地區(qū)人口增加，耕地人口密度增大。糧食需求量上升，加劇了人口一耕地一糧食系統(tǒng)發(fā)展關系的惡化，其中衡水市2008年C值降幅最大，較2007年降低98.42%。其主要原因是2008年衡水市人口自然增長率為6.61‰，但糧食作物播種面積為56.39萬hm²，較上一年度下降2.14%。

4）河北省各市的協(xié)調關系年度變化呈現(xiàn)出穩(wěn)定性較低、協(xié)調關系脆弱的特點。從年度變化幅度大小分析可知，保定市協(xié)調關系年度變化最不穩(wěn)定。標準偏差達到0.3267，緊隨其后的是衡水和滄州，標準偏差也分別達到0.3041和0.3020：張家口的年度變化相對而言最為穩(wěn)定，標準偏差為0.2331。

3.2.2 河北省人口-耕地-糧食協(xié)調發(fā)展水平的空間變化分析為進一步分析河北省11個地級市人口-耕地-糧食協(xié)調度C值的區(qū)域差異，選取基期年2000年、終期2011年及兩個中間時點2004年和2008年4個時間點，利用GIS技術，繪制河北省11個地級市人口-耕地-糧食協(xié)調度C值空間分布圖（圖2），對其變化進行分析。

1）從空間分布來看，11個地級市協(xié)調度C值呈現(xiàn)出低水平協(xié)調和較高水平協(xié)調交錯演替，地區(qū)差異性不明顯等特點。2000年承德和秦皇島位于不協(xié)調等級水平，滄州和邯鄲處于基本協(xié)調水平，張家口、廊坊和邢臺協(xié)調等級為比較協(xié)調水平，石家莊、唐山和衡水為高度協(xié)調水平：2004年期間整個河北省以比較協(xié)調和高度協(xié)調水平為主：2008年河北省各市人口-耕地-糧食關系普遍極不協(xié)調：而2011年又重新回到比較協(xié)調的水平。

2）由圖2可知，人口-耕地-糧食協(xié)調度C值高低在地域上呈不規(guī)則分布，協(xié)調關系的好壞與地理位置無明顯聯(lián)系。人口-耕地-糧食協(xié)調關系脆弱，易受多種因素影響，協(xié)調關系不穩(wěn)定。

4 小結與討論

4.1 小結

本研究采用基于層次分析法的協(xié)調度模型對河北省11個地級市人口-耕地-糧食的協(xié)調關系進行了綜合評價。結果表明：①各地區(qū)協(xié)調度C值并未嚴格地以單調遞增或遞減的規(guī)律發(fā)展變化，而是呈現(xiàn)出波狀起伏的變化態(tài)勢：⑦協(xié)調度C值呈現(xiàn)出低水平協(xié)調和較高水平協(xié)調等級交錯演替的特點，穩(wěn)定性較低：③協(xié)調度C值大小在地域上差異不明顯，且呈不規(guī)則分布。

4.2 討論

1）本研究根據(jù)河北省實際情況，在選取有代表性的13個評價指標基礎上，利用協(xié)調度函數(shù)模型對河北省11個地級市人口一耕地一糧食的協(xié)調關系進行了綜合分析。針對不同地區(qū)的特點和情況，因地制宜地選取適合本地區(qū)實際情況的評價指標，有利于獲得更符合研究地區(qū)實際情況的評價結果，但會犧牲區(qū)域間的可比性。兩者如何兼顧值得探討。

2）人口-耕地-糧食協(xié)調關系作為一個動態(tài)變化的系統(tǒng)，易受多種因素的影響，本研究中僅選取影響河北省各地級市的13個指標作為評價指標，對于未考慮到的指標有待進一步分析。

人口-耕地-糧食協(xié)調關系的好壞取決于人們對耕地施加的正反影響相互博弈的結果。針對本研究分析的人口-耕地-糧食協(xié)調關系脆弱、協(xié)調度等級缺乏穩(wěn)定性等現(xiàn)狀，提出以下建議：人口方面。在繼續(xù)推行“計劃生育”政策前提下，從人口數(shù)量、結構及質量等多方面減輕人口壓力，提高人們保護耕地的責任意識：耕地方面。一方面完善耕地流轉和利益分配機制。鼓勵耕地的規(guī)模經(jīng)營和集約經(jīng)營，發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)，另一方面嚴格控制耕地的建設占用，同時大力開展農村土地綜合整治，以增加耕地面積、提高耕地質量：糧食方面，探索建立糧食生產(chǎn)直補長效機制，財政資金向“三農”傾斜，完善社會化服務體系，大力改良和推廣糧食新品種，提高糧食單產(chǎn)等。