湖北省耕地多功能變化及障礙因素診斷

趙志尚， 胡偉艷， 魏安奇

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，湖北武漢 430070)

耕地是人類賴以生存與發(fā)展的關(guān)鍵資源環(huán)境要素，不僅具有提供糧食衣物等生產(chǎn)功能，還承擔(dān)著區(qū)域糧食安全、生態(tài)環(huán)境服務(wù)以及鄉(xiāng)村就業(yè)維持等非生產(chǎn)性功能[1]。長(zhǎng)期以來，片面的耕地功能認(rèn)知導(dǎo)致耕地保護(hù)主體與受益主體的高度不對(duì)稱，耕地非農(nóng)化無序擴(kuò)張。李效順等研究表明，我國耕地非農(nóng)化存在嚴(yán)重的過渡性損失，其中44.73%屬于未納入耕地生態(tài)效益的結(jié)果[2]。同時(shí)，過度集約化的耕地利用導(dǎo)致不斷接近甚至突破耕地生態(tài)系統(tǒng)承載的極限，耕地質(zhì)量惡化成為不爭(zhēng)的事實(shí)，全國第二次土地調(diào)查顯示，全國中重度污染耕地超過333.33萬hm2[3]。中央政府于2007年、2013年提出劃定“耕地紅線”和“生態(tài)紅線”，站在“五位一體”全局戰(zhàn)略高度，強(qiáng)力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。耕地是農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)最主要的元素和載體，在新時(shí)期推動(dòng)耕地從單功能利用轉(zhuǎn)向多功能綜合利用是貫徹生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措。

近年來，土地科學(xué)研究已從土地利用/土地覆蓋變化研究向土地功能變化研究轉(zhuǎn)變[4]。Verburg等認(rèn)為，土地功能評(píng)價(jià)關(guān)注土地產(chǎn)出的產(chǎn)品與服務(wù)，強(qiáng)調(diào)了土地功能與人類福祉的聯(lián)系[5]。耕地與人類社會(huì)的密切聯(lián)系使其功能研究受到了更多的關(guān)注。目前，國內(nèi)研究主要集中在耕地功能劃分[6]，耕地資源價(jià)值評(píng)價(jià)[7]、耕地多功能內(nèi)涵與特性[8]、耕地功能時(shí)空演變[9]、耕地多功能管理[1]等方面。宋小青等對(duì)建國以來中國耕地多功能時(shí)間演變進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多功能間變化趨勢(shì)不一[10]。楊雪等通過對(duì)北京市耕地功能分析發(fā)現(xiàn)，2004年與2011年耕地多功能存在明顯的時(shí)空差異[9]。當(dāng)前研究主要聚焦在耕地功能需求多元化的大都市郊區(qū)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)則涉及較少，且耕地功能時(shí)間變化多以不同時(shí)間截面對(duì)比分析，無法反映長(zhǎng)期演變趨勢(shì)與特征。本研究以糧食主產(chǎn)省湖北省為例，通過構(gòu)建耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，揭示湖北省自1991年以來耕地多功能變化特征，并對(duì)影響耕地多功能的障礙因素進(jìn)行診斷，以期為提高耕地多功能管理水平提供依據(jù)。

1　研究方法

1.1　耕地多功能分類及指標(biāo)體系

耕地多功能是耕地復(fù)合系統(tǒng)與人類社會(huì)利益需求匹配下的結(jié)果。一方面，耕地資源是土地系統(tǒng)中的精華，其自身優(yōu)越的水肥氣熱特性決定了在支持植物生長(zhǎng)外，還具有涵養(yǎng)水源、碳匯、凈化污染物等外部效應(yīng)，即耕地利用具有聯(lián)合生產(chǎn)屬性[8]。另一方面，從耕地與社會(huì)的關(guān)系出發(fā)，耕地存在的意義即滿足特定的社會(huì)需求，耕地多功能特性是不同利益相關(guān)者對(duì)耕地需求差異性的表現(xiàn)。筆者考慮耕地多功能的供給、需求層面，參考前人及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)研究[10-11]，結(jié)合湖北省實(shí)際特征，構(gòu)建耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

1.2　評(píng)價(jià)方法

1.2.1改進(jìn)的TOPSIS法TOPSIS法是一種多屬性決策方法，Hwang等首次提出，現(xiàn)已被廣泛用于多目標(biāo)決策評(píng)價(jià)中[16]。其基本原理是通過構(gòu)造決策問題中各指標(biāo)最優(yōu)解和最劣解，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)解和最劣解之間距離的二維數(shù)據(jù)空間，在此基礎(chǔ)上對(duì)評(píng)價(jià)方案與最優(yōu)解和最劣解作比較，若最接近于最優(yōu)解，同時(shí)又最遠(yuǎn)離最劣解，則該方案為最優(yōu)方案。傳統(tǒng)的TOPSIS方法沒有考慮評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)解、最劣解的調(diào)整修正，可能影響優(yōu)劣排序的合理性，筆者采用改進(jìn)后的TOPSIS方法對(duì)具有多種屬性特征的耕地多功能進(jìn)行評(píng)價(jià)?；静襟E如下：

(1)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)數(shù)據(jù)。其計(jì)算公式為

式中：Xij為第i年第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，Xjmax和Xjmin分別為第j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值；Yij為標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣。i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

表1　耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

注：化肥利用率參考曾希柏等的研究成果，將單位播種面積化肥施用量在300 kg以下年份采用中施肥區(qū)計(jì)算公式，300 kg以上年份采用高施肥區(qū)計(jì)算公式[13]。固碳釋氧量計(jì)算依據(jù)為植物生產(chǎn)1 g干物質(zhì)吸收固定1.63 g CO2，釋放1.2 g O2與干物質(zhì)量=經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量×(1-作物含水量)/經(jīng)濟(jì)系數(shù)[14]。污染物吸收參考馬新輝等關(guān)于不同類型單位耕地吸收污染氣體的研究成果，其中用水澆地近似代表水田吸收量[15]。糧食自給率與人均糧食需求量參考糧食安全主流觀點(diǎn)定為95%與400 kg，農(nóng)藥施用安全標(biāo)準(zhǔn)采用發(fā)達(dá)國家農(nóng)藥施用安全標(biāo)準(zhǔn)上限2.3 kg/hm2。

(2)確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建加權(quán)規(guī)范化矩陣。權(quán)重的確定方法主要有層次分析法、特爾斐法等，其中，熵值法是客觀賦權(quán)法，根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)變異性的大小確定權(quán)重，體現(xiàn)了較強(qiáng)的客觀性和科學(xué)性[10]。計(jì)算公式如下：

式中：n為評(píng)價(jià)指標(biāo)，m為1991—2013年的年數(shù)，Ej為第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值，并假定，當(dāng)qij=0時(shí)，令qij×lnqij=0，為第j項(xiàng)指標(biāo)下第i年指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值在整個(gè)評(píng)價(jià)年份序列中的比重，wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值。

將熵值法確定的指標(biāo)權(quán)重向量wj考慮進(jìn)決策矩陣中，建立加權(quán)規(guī)范化矩陣：

Z=|Zij|m×n=wj×Yij。

式中：Zij為第j項(xiàng)指標(biāo)第i年加權(quán)規(guī)范化值，wj與Yij含義同上。

式中：Zij、z+、z-含義同上。

(5)計(jì)算歷年評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的貼近度Ci：

式中：Ci介于0和1之間，其值越大，表明第i年耕地功能越強(qiáng)。

1.2.2障礙因素診斷方法分析耕地多功能變化既在于對(duì)耕地功能狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判探查發(fā)展趨勢(shì)，更重要的是厘清影響耕地功能的障礙因素，以便對(duì)耕地功能狀態(tài)進(jìn)行病理診斷。具體方法是引入因子貢獻(xiàn)度wij、指標(biāo)偏離度Fr、障礙度Oj、Ui3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析診斷。其中，因子貢獻(xiàn)度wij為單因素對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重；指標(biāo)偏離度Fij為單項(xiàng)指標(biāo)與耕地功能發(fā)展目標(biāo)的差距，即單項(xiàng)指標(biāo)值與100%的差距；障礙度Oj、Ui分別表示單項(xiàng)指標(biāo)與分類指標(biāo)對(duì)耕地功能狀態(tài)的影響。計(jì)算公式如下：

Fij=(1-xij)；

Oj=Fij×wij×100%/Fij×wij。

在分析各指標(biāo)因素限制程度基礎(chǔ)上，進(jìn)一步診斷各功能層面障礙度，用下式表示：

Ui=∑Oij。

Xij為第i個(gè)子系統(tǒng)第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

1.3　研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

湖北省位于長(zhǎng)江中游，洞庭湖以北，108°21′～116°07′E，29°05′～33°20′N。東西長(zhǎng)約740 km，南北寬約470 km，總面積18.59萬km2。作為全國糧食主產(chǎn)省(區(qū))和稻谷的主調(diào)出省，湖北省耕地保有量并不充裕，2013年耕地面積340.991萬hm2，約占國土總面積18.34%。2003年之前，建設(shè)占用導(dǎo)致耕地面積不斷減少，之后政府嚴(yán)控耕地非農(nóng)占用，同時(shí)土地整理、復(fù)墾工作的開展使得耕地面積不斷增加，2013年已恢復(fù)到1991年水平。隨著湖北省城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，耕地非農(nóng)化壓力不斷增加。同時(shí)，湖北省耕地生態(tài)質(zhì)量自1995—2005年年間下降了約10百分點(diǎn)[12]，因此，科學(xué)分析湖北省耕地多功能變化，凸顯耕地資源多功能特性，對(duì)將耕地保護(hù)由單純的面積保護(hù)上升到多功能保護(hù)層面，從而更好地符合城鄉(xiāng)居民需求具有重要意義。

本研究數(shù)據(jù)均來源于1992—2014年《湖北統(tǒng)計(jì)年鑒》《湖北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2　結(jié)果與分析

2.1　耕地多功能變化特征

2.1.1多功能根據(jù)改進(jìn)的TOPSIS方法步驟，利用熵值法測(cè)算湖北省耕地多功能指標(biāo)權(quán)重(表1)，然后獲得耕地多功能評(píng)價(jià)值(圖1)。

貼近度C值反映耕地功能強(qiáng)弱，該值越大，耕地功能越強(qiáng)。從圖1可以看出，湖北省耕地多功能大致呈“U”形變化，2001年之前，貼近度C值從0.519 7下降至0.327 7，年均下降3.36%，2001年至今，貼近度C值從0.347 9上升至 0.460 3，年均上升2.69%，耕地多功能在經(jīng)過短期波動(dòng)后快速上升。耕地多功能是各功能變化趨勢(shì)疊加的表現(xiàn)，而人類需求強(qiáng)調(diào)耕地多功能最大化，因而未來應(yīng)協(xié)調(diào)各功能發(fā)展態(tài)勢(shì)，促使功能之間協(xié)同發(fā)展，強(qiáng)化耕地總效益。

2.1.2生產(chǎn)功能生產(chǎn)功能在2010年前總體保持在 0.28～0.46。1991—2005年呈現(xiàn)“波峰—波谷”狀變化趨勢(shì)，1996年達(dá)到局部最高點(diǎn)0.464 5，2000—2002年徘徊在最低點(diǎn)0.282 9上下，2002年后則從0.357 0上升至0.780 0(圖2)。1997年前，糧食產(chǎn)量年均增加65.05萬t，同時(shí)農(nóng)田灌溉等配套設(shè)施不斷完善，1996年達(dá)到局部頂點(diǎn)，1997年后，糧食產(chǎn)量不斷下滑，2003年時(shí)為23年最低值，為1 921.02萬t，同時(shí)其他因素的下降導(dǎo)致在2000—2002年生產(chǎn)功能滑落到23年間波谷位置。宋小青等研究表明，1998—2003年全國糧食產(chǎn)量同樣出現(xiàn)了下滑趨勢(shì)，主要原因?yàn)榉N糧效益的降低。而2003年正式實(shí)施的惠農(nóng)政策扭轉(zhuǎn)了糧食產(chǎn)量的下跌趨勢(shì)[17]，種糧補(bǔ)貼政策以現(xiàn)金方式直接補(bǔ)貼了種糧收益，刺激了糧食產(chǎn)量的提高。2010年后，地均農(nóng)業(yè)增加值年均增加 0.6 萬元，這與之前年均增加0.12萬元有了較大提高，因而生產(chǎn)功能快速增強(qiáng)。

2.1.3生態(tài)功能生態(tài)功能在2001年前微弱下降，經(jīng)過2001—2003年波動(dòng)上升后逐漸穩(wěn)定，23年間從0.425 8上升至0.537 4(圖2)。富余化肥強(qiáng)度在23年間增加了150.4%，表明增產(chǎn)性投入受到農(nóng)戶青睞，這也與中國自20世紀(jì)50年代后期逐漸步入以生物化學(xué)技術(shù)創(chuàng)新為特點(diǎn)的耕地開發(fā)模式相對(duì)應(yīng)[18]。2000年后，生態(tài)退耕政策的實(shí)施以及農(nóng)戶優(yōu)化的生產(chǎn)決策使得低產(chǎn)出耕地被棄耕，25°以上耕地面積減少了187.19 hm2，土壤保持功能逐漸增強(qiáng)。2003年后得益于水田與耕地總面積的增加，污染物吸收功能不斷增強(qiáng)，因而在趨勢(shì)上2003年成為變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2.1.4社會(huì)功能社會(huì)功能從0.659 0下降至0.319 4，在2007年前持續(xù)下降，2007年以來緩慢上升(圖2)。糧食安全保障功能中，自2003年后，耕地壓力指數(shù)逐漸下降并與20世紀(jì)90年代初齊平，表現(xiàn)出良好態(tài)勢(shì)，但糧食品質(zhì)保障一路下滑，數(shù)據(jù)顯示，自1999年起農(nóng)藥施用強(qiáng)度就已超過太湖流域農(nóng)業(yè)高度集約化施用強(qiáng)度34.5 kg/hm2，近5年逐漸穩(wěn)定，但仍在39 kg/hm2左右。1994年以來，生活消費(fèi)自給率、生活消費(fèi)支出滿足度分別下降了72.2%、36.90%，導(dǎo)致社會(huì)功能逐漸減弱。2007年以來，隨著城鄉(xiāng)收入差距與耕地壓力指數(shù)不斷下降，社會(huì)功能轉(zhuǎn)而增強(qiáng)，但仍處在較弱狀態(tài)。

2.2障礙因素診斷

2.2.1單項(xiàng)障礙因素診斷考慮耕地多功能變化特征，根據(jù)障礙因素診斷方法，選取1991年、2001年、2013年計(jì)算湖北省耕地多功能障礙度，分析影響耕地多功能的單項(xiàng)障礙因素，不同年份耕地多功能障礙因素排序見表2。

從表2可以看出，1991年，單項(xiàng)障礙因素主要有土壤保持、地均農(nóng)業(yè)增加值、人均耕地經(jīng)營(yíng)面積、污染物吸收等。2001年則是糧食品質(zhì)保障、土壤保持、污染物吸收、地均農(nóng)業(yè)增加值、人均耕地經(jīng)營(yíng)面積等，2013年則轉(zhuǎn)化為糧食品質(zhì)保障、富余化肥強(qiáng)度、生活消費(fèi)支出滿足度、耕地破碎度等。

從單項(xiàng)指標(biāo)變化趨勢(shì)看，1991—2013年間，糧食品質(zhì)保障、富余化肥強(qiáng)度、耕地破碎度、生活消費(fèi)支出滿足度、生活消費(fèi)自給率等指標(biāo)障礙度上升幅度較大，障礙度分別提高了 26.37%、14.86%、9.42%、6.66%、6.62%。近年來，生活保障與農(nóng)藥、化肥投入成為主要的障礙因素。隨著土地制度改革的不斷深入，農(nóng)戶擁有了要素配置決策權(quán)，非農(nóng)務(wù)工機(jī)會(huì)成本不斷攀升使得省工性與增產(chǎn)性投入對(duì)勞動(dòng)力的替代程度放大，因而農(nóng)戶可以優(yōu)化配置土地投入要素的配比，從而表現(xiàn)為生活保障功能的持續(xù)減弱，農(nóng)藥、化肥投入帶來的生態(tài)負(fù)效應(yīng)不斷增強(qiáng)。

表2　不同年份耕地多功能障礙因素排序

2.2.2多功能障礙因素診斷在單項(xiàng)指標(biāo)障礙度計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算耕地多功能分類指標(biāo)障礙度，考察功能層面的障礙程度，耕地多功能障礙度變化趨勢(shì)見圖3。

從圖3可以看出，生產(chǎn)與生態(tài)功能障礙度逐漸下降，而社會(huì)功能障礙度不斷上升。1999年前，生態(tài)功能障礙度最大，其次是社會(huì)功能與生產(chǎn)功能，1999年后，社會(huì)功能障礙度超過生態(tài)功能上升至第1位，生產(chǎn)功能仍處在第3位。從各功能障礙度年變化率看，1991—2013年，社會(huì)功能障礙度以年均4.11%的速度增加，生態(tài)功能與生產(chǎn)功能障礙度分別以年均0.82%、3.05%的速度減小。

生態(tài)功能障礙度總體保持在較大幅度，且下降幅度微弱。近年來，三農(nóng)政策已逐漸涉及到農(nóng)業(yè)資源保育議題，2016年中央一號(hào)文件著重提出加快農(nóng)業(yè)環(huán)境突出問題治理，因而政府未來應(yīng)加大對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度。從農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)層面講，耕地社會(huì)功能的適度降低是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展與規(guī)模化經(jīng)營(yíng)的要求，但功能的過度弱化也導(dǎo)致了耕地拋荒等現(xiàn)象的發(fā)生。城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展尤其是第二產(chǎn)業(yè)容納了大量農(nóng)村勞動(dòng)力，未來隨著我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，部分非農(nóng)勞動(dòng)力將逐漸回流，因而政府應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，合理控制耕地就業(yè)功能，提高務(wù)農(nóng)農(nóng)戶的實(shí)質(zhì)保障力度。

3　結(jié)論與討論

考慮耕地多功能的供需因素，構(gòu)建了耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并在時(shí)間維度上分析了湖北耕地多功能的變化特征及影響因素。結(jié)果表明，湖北省耕地多功能處于動(dòng)態(tài)變化中。其中1991—2001年耕地多功能不斷減弱，貼近度C值從 0.519 7 下降至0.327 7；2001—2013年間在波動(dòng)中不斷增強(qiáng)，貼近度C值從0.347 9上升至0.460 3；生產(chǎn)功能與生態(tài)功能在2003年后不斷增強(qiáng)，生產(chǎn)功能在2010年后快速上升，生態(tài)功能則在經(jīng)過2003—2005年快速上升后逐漸穩(wěn)定，社會(huì)功能則明顯減弱，但2007年后已表現(xiàn)出微弱上升趨勢(shì)。障礙因素診斷結(jié)果表明，2013年糧食品質(zhì)保障、生活消費(fèi)支出滿足度、生活消費(fèi)自給率、富余化肥強(qiáng)度等成為主要障礙因素。在功能層面，社會(huì)功能與生態(tài)功能對(duì)耕地多功能影響較大。研究結(jié)果表明，未來應(yīng)加大耕地保護(hù)力度，鼓勵(lì)農(nóng)民減少農(nóng)藥、化學(xué)品投入；加大支農(nóng)力度，推動(dòng)農(nóng)業(yè)高附加值產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)兼顧新型職業(yè)農(nóng)民的培育，從而拓寬農(nóng)戶增收渠道。

為使研究進(jìn)一步完善，將來可以開展耕地多功能的空間差異性和相互關(guān)系研究。區(qū)域間耕地功能供給的異質(zhì)性與耕地功能需求的差異性導(dǎo)致在不同地域空間上耕地多功能的表現(xiàn)形態(tài)不同，而揭示耕地多功能的空間分異特征將有利于制定差別化的耕地利用政策。另外，耕地的聯(lián)合生產(chǎn)屬性以及人類對(duì)耕地多功能的權(quán)衡使得多功能間存在密切的關(guān)聯(lián)，因而如何以較小的成本權(quán)衡耕地多功能之間的關(guān)系，最大化多功能綜合水平，將成為將來主要的研究方向。

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