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土地利用轉(zhuǎn)型和糧食產(chǎn)量耦合關(guān)系

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土地利用轉(zhuǎn)型和糧食產(chǎn)量耦合關(guān)系

摘要:土地利用轉(zhuǎn)型包含顯性形態(tài)和隱性形態(tài)的變化,而土地利用強度是土地利用隱性形態(tài)的重要指征,既可以反映出人類對土地的干預程度,又可以呈現(xiàn)出特定時期社會經(jīng)濟發(fā)展狀態(tài)。本文以土地利用強度的定量測度為抓手,基于分縣統(tǒng)計數(shù)據(jù)及遙感解譯的土地利用數(shù)據(jù)計算了區(qū)域土地利用隱性形態(tài)的變化,探討了區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量耦合關(guān)系。研究表明:(1)1990—2010年,黃淮海地區(qū)耕地利用強度不斷增加,而村莊建設(shè)用地利用強度快速減少,且區(qū)域時空格局差異明顯;(2)耕地利用強度-村莊建設(shè)用地利用強度-糧食產(chǎn)量耦合類型時空演化特征明顯,“低-低-低”類型主要分布在環(huán)渤海灣地區(qū),而“高-高-高”類型主要集聚于冀魯豫交界地區(qū);(3)土地利用轉(zhuǎn)型推動糧食生產(chǎn)格局不斷演化,二者耦合關(guān)系模式將呈現(xiàn)出由“拮抗”到“協(xié)調(diào)”的轉(zhuǎn)化過程。綜上所述,土地利用轉(zhuǎn)型過程中,科學優(yōu)化土地利用轉(zhuǎn)型與糧食生產(chǎn)的耦合關(guān)系,對保障區(qū)域糧食安全有重要作用。

關(guān)鍵詞:黃淮海地區(qū);土地利用轉(zhuǎn)型;隱性形態(tài);糧食生產(chǎn)轉(zhuǎn)型;耦合關(guān)系

土地作為人地關(guān)系地域系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素,深刻影響著社會經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型和發(fā)展。同時,社會經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型發(fā)展也帶來了土地利用方式的變革,進而導致區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型[1]。土地利用轉(zhuǎn)型指在特定的社會經(jīng)濟變革過程中,區(qū)域土地利用由一種形態(tài)(含顯性形態(tài)和隱性形態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)的過程[2]。其中土地利用隱性形態(tài)主要涉及土地質(zhì)量、產(chǎn)權(quán)、經(jīng)營方式、投入和產(chǎn)出等多重屬性[3]。土地利用強度是土地利用隱性形態(tài)的重要屬性,既可以反映出人類對土地的干預程度,又可以呈現(xiàn)出特定時期內(nèi)區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展狀態(tài)。土地利用強度的變化是土地利用形態(tài)變化的內(nèi)在動力之一[4],因此,基于土地利用強度來研究土地利用隱性形態(tài)的變化是一種有效的嘗試。當前,針對土地利用強度的內(nèi)涵和外延[5-6]、定量測度、格局演化[7]及動力機制[8]研究較多,而針對區(qū)域土地利用強度的變化與糧食生產(chǎn)的關(guān)系研究較少?;谝陨戏治?,本文選取我國糧食主產(chǎn)區(qū)(黃淮海地區(qū))與糧食生產(chǎn)密切相關(guān)的耕地和村莊建設(shè)用地[9]利用強度的變化,表征區(qū)域土地利用隱性形態(tài)的轉(zhuǎn)型,在土地利用隱性形態(tài)定量測度的基礎(chǔ)上,劃分土地利用隱性形態(tài)變化與糧食產(chǎn)量的耦合類型,在實證研究的基礎(chǔ)上探討基于土地利用強度變化區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型與糧食生產(chǎn)的耦合關(guān)系,用以指導區(qū)域糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化與調(diào)控。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況黃淮海地區(qū)占我國國土面積的4.3%,2010年黃淮海地區(qū)耕地面積、人口數(shù)量和糧食產(chǎn)量占全國的比重分別為20.6%、22.5%和30.8%,其中小麥和玉米產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的比重約為70%和40%[10]。依照地形特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點該地區(qū)又可以劃分4個亞區(qū),分別為燕山太行山山麓平原區(qū)(以下簡稱山麓平原區(qū))、冀魯豫低洼平原區(qū)(以下簡稱低洼平原區(qū))、黃淮平原區(qū)和山東丘陵區(qū)[11](圖1)。黃淮海地區(qū)作為我國耕地面積廣、人口密度大和糧食產(chǎn)量高的“三高”地區(qū)特征日漸明顯[12]。同時,該地區(qū)又是我國城鄉(xiāng)快速轉(zhuǎn)型發(fā)展地區(qū),耕地、村莊建設(shè)用地等與糧食生產(chǎn)和農(nóng)民生活密切相關(guān)的土地利用形態(tài)快速轉(zhuǎn)型。

1.2數(shù)據(jù)來源本文研究過程中使用的分縣統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《中國縣(市)社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》及各地(市)年鑒,統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要包括化肥使用折純量、有效灌溉面積、農(nóng)作物播種面積、農(nóng)業(yè)機械總動力、鄉(xiāng)村人口數(shù)量、鄉(xiāng)村從業(yè)人員數(shù)量、農(nóng)業(yè)勞動力數(shù)量等指標,部分評價指標市轄區(qū)沒有統(tǒng)計數(shù)據(jù)將使用地級市平均數(shù)補充。土地利用數(shù)據(jù)來源于國土資源部,該數(shù)據(jù)采用第二次全國土地利用調(diào)查分類體系,數(shù)據(jù)根據(jù)LandsatTM和ETM傳感器經(jīng)幾何校正后合成的真彩色影像監(jiān)督分類獲得。經(jīng)過市轄區(qū)合并處理后,本文研究的黃淮海地區(qū)共有358個縣級行政單元。

1.3土地利用隱性形態(tài)的測度

1.3.1指標選取本文以土地利用強度的變化表征區(qū)域土地利用隱性形態(tài)的轉(zhuǎn)型。研究表明,耕地與村莊建設(shè)用地的變化是鄉(xiāng)村地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型的主體[9],因而,本文構(gòu)建了耕地利用強度和村莊建設(shè)用地利用強度,用以定量刻畫黃淮海地區(qū)與糧食生產(chǎn)密切相關(guān)的土地利用隱性形態(tài)轉(zhuǎn)型。耕地利用強度(LUIF)評價指標體系的選擇以糧食生產(chǎn)相關(guān)的“投入”指標作為評價依據(jù)。黃淮海地區(qū)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)中地均化肥投入(Ffer)[10-14]、灌溉系統(tǒng)(Pirri)[13]、復種指數(shù)Cropi和地均農(nóng)業(yè)機械(Pam)的使用作為評價耕地利用強度的指標。而影響糧食生產(chǎn)的其他要素如自然環(huán)境和資本等要素,未納入測度指標。村莊建設(shè)用地指鄉(xiāng)村地區(qū)與農(nóng)民生產(chǎn)和生活相關(guān)的建設(shè)用地。城鎮(zhèn)化進程中,農(nóng)業(yè)勞動力非農(nóng)就業(yè)比例不斷上升,村莊建設(shè)用地利用格局不斷演化,村莊建設(shè)用地在糧食生產(chǎn)中的功能也發(fā)生了較大變化。村莊建設(shè)用地利用強度(LUIR)的評價指標亦考慮到與糧食生產(chǎn)密切相關(guān)的指標,本文以鄉(xiāng)村人口密度(Rpopd)、農(nóng)業(yè)勞動力比重(Parl)、村莊建設(shè)用地比例(Prc)和鄉(xiāng)村人均建設(shè)用地(Pccl)作為評價指標。評價指標中除鄉(xiāng)村人均建設(shè)用地面積對土地利用強度的作用為負效應外,其他指標的作用均為正效應。評價指標權(quán)重的確定參考了已有的研究成果[15],在咨詢國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)<乙庖姷幕A(chǔ)上,利用熵值法[16]確定,即考慮了數(shù)據(jù)樣本客觀性的同時兼顧專家判定,各評價指標的權(quán)重如表1。

1.3.2土地利用隱性形態(tài)測度方法為了消除評價指標體系源數(shù)據(jù)量綱對評價的影響,對源數(shù)據(jù)利用極值法進行歸一化處理:功效為正的指標使用公式(1),功效為負的指標使用公式(2):Tkn=Xkn-XminXmax-Xmin(1)Tkn=Xmax-XknXmax-Xmin(2)式中:Tkn為第n個樣本的k指標歸一化后的數(shù)值,Xkn為第n個樣本k指標的原始數(shù)據(jù),Xmax和Xmin分別代表第k個指標的最大值和最小值。在數(shù)據(jù)標準化的基礎(chǔ)上利用指標權(quán)重與歸一化之后的數(shù)據(jù)相乘求和的方法定量評價土地利用隱性形態(tài)轉(zhuǎn)型,耕地利用強度的計算利用公式(3),村莊建設(shè)用地利用強度計算利用公式(4):LUIFi=撞mj伊Tij(3)LUIRi=撞np伊Tip(4)式中:mj和np分別為二者各評價指標的權(quán)重,Tij和Tip為i縣第j和第p個指標歸一化后的數(shù)值。1.4耕地利用強度-村莊建設(shè)用地利用強度-糧食產(chǎn)量耦合分類利用耕地利用強度和村莊建設(shè)用地利用強度,結(jié)合縣域糧食產(chǎn)量,基于ArcGIS10.2中自然間斷點(Jenks)分類方法,分別把3個序列數(shù)據(jù)由低到高分為“低”(1)、“中”(2)和“高”(3)3組,利用3伊3矩陣交叉方法,構(gòu)建“低-低-低”(111)…“高-高-高”(333)共27類耕地利用強度-村莊建設(shè)用地利用強度-糧食產(chǎn)量耦合(FRGC)類型(圖2)。在研究過程中利用信息圖譜[17]的方式,實現(xiàn)在復雜耦合類型模式下的格局演化研究。

2結(jié)果與討論

2.1土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量變化的時空格局研究結(jié)果表明,耕地利用強度持續(xù)增加,村莊建設(shè)用地利用強度加速下降,糧食產(chǎn)量波動上升。1990—2010年LUIF(圖3a~圖3c)均值由0.29上升到0.4,山麓平原區(qū)耕地利用強度一直較高;黃淮平原區(qū)和低洼平原區(qū)增長較快,成為耕地高投入?yún)^(qū);山東丘陵區(qū)耕地利用強度較低。期間,LUIR均值由0.52下降到0.45,并呈現(xiàn)加速減少的趨勢(圖3d~圖3f),1990—2000年村莊建設(shè)用地利用強度呈現(xiàn)下降趨勢,山東丘陵區(qū)保持較高水平,黃淮平原西部地區(qū)LUIR大部在增加,而低洼平原區(qū)和蘇北地區(qū)及山麓平原區(qū)村莊建設(shè)用地利用強度處于下降趨勢。1990—2010年黃淮海平原地區(qū)糧食產(chǎn)量由1.06億t上升到1.65億t,1990年、2000年和2010年糧食產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的比重分別為24.4%、24%和30.1%,在經(jīng)歷了2000年附近短暫的下降后,黃淮海地區(qū)糧食生產(chǎn)在全國的地位不斷加強。黃淮平原區(qū)和低洼平原區(qū)是糧食增產(chǎn)的主要地區(qū)(圖3g~圖3i),而山麓平原區(qū)和山東丘陵區(qū)糧食產(chǎn)量在下降。

2.2土地利用轉(zhuǎn)型與糧食產(chǎn)量耦合類型的時空格局1990—2010年耕地利用強度-村莊建設(shè)用地利用強度-糧食產(chǎn)量耦合類型時空格局FRGC特征明顯,呈現(xiàn)穩(wěn)中有變的時空格局。1990—2010年LUIF較低(111~133)的區(qū)域主要集中于山東丘陵區(qū)、低洼平原東部和黃淮平原南部地區(qū)(圖4a~圖4c),LUIR和糧食產(chǎn)量較低的區(qū)域主要集中在環(huán)渤海灣地區(qū);山東丘陵區(qū)和山麓平原部分地區(qū)LUIR和糧食產(chǎn)量較高。耦合類型中LUIF居中(211~233)的區(qū)域主要分布在低洼平原北部和山東丘陵東部地區(qū),并在黃淮平原地區(qū)離散分布(圖4d~圖4f);這些縣域中LUIR和糧食產(chǎn)量較低的區(qū)域主要集中在低洼平原北部地區(qū),而LUIR和糧食產(chǎn)量較高的地區(qū)主要集中在黃淮平原區(qū)。黃淮海地區(qū)LUIF較高(311~333)的地區(qū)主要集中在山麓平原大部、低洼平原南部及蘇北和豫北地區(qū),并逐漸在冀魯豫交界地區(qū)形成明顯的集聚區(qū)(圖4g~圖4i),而山麓平原北部地區(qū)逐漸退出該耦合類型;FRGC類型中LUIF、LUIR和糧食產(chǎn)量均較高的地區(qū)逐漸向冀魯豫交界地區(qū)集中,而蘇北地區(qū)和山麓平原地區(qū)的縣域逐漸減少,石家莊市附近地區(qū)耦合類型逐漸由333類型為主演化為322類型為主。

2.3土地利用轉(zhuǎn)型與糧食生產(chǎn)的耦合關(guān)系土地利用轉(zhuǎn)型背景下,不同地類土地利用強度相互影響,共同推動區(qū)域糧食生產(chǎn)格局的轉(zhuǎn)型。轉(zhuǎn)型初期,耕地和村莊建設(shè)用地利用強度均增加,推動糧食生產(chǎn)能力提升。城鎮(zhèn)化背景下,農(nóng)業(yè)剩余勞動力析出,農(nóng)業(yè)勞動力數(shù)量相應減少,就業(yè)結(jié)構(gòu)和收入結(jié)構(gòu)不斷改善,農(nóng)戶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資本投入能力增強,耕地利用強度提高[18]。農(nóng)民改善居住條件的需求增加,農(nóng)村宅基地開始向外擴張,村莊建設(shè)用地的比例增加,這一階段,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收入比例仍占主要地位,農(nóng)民的兼業(yè)情況主要呈現(xiàn)為季節(jié)性和短距離外出務(wù)工或本地非農(nóng)就業(yè)為主。鄉(xiāng)村人口總體增長狀態(tài)下,農(nóng)業(yè)勞動力比重下降不明顯,村莊建設(shè)用地利用強度增加。這一階段耕地利用強度與村莊建設(shè)用地利用強度普遍上升,糧食生產(chǎn)能力得到提升,糧食安全格局穩(wěn)定(圖5a)。轉(zhuǎn)型中期,耕地利用強度繼續(xù)增加和村莊建設(shè)用地利用強度開始下降,區(qū)域糧食安全保障能力下降。農(nóng)業(yè)勞動力轉(zhuǎn)移過程中,由于人口增加和經(jīng)濟因素導致的村莊建設(shè)用地面積呈現(xiàn)快速的外延擴張,人均建設(shè)用地面積迅速提高(圖5b)。同時,由于大量人口外流,村莊宅基地出現(xiàn)廢棄和空置現(xiàn)象,農(nóng)村“空心化”[19]問題突出。此外,部分農(nóng)業(yè)勞動力實現(xiàn)資本原始積累,徹底脫離農(nóng)業(yè)生產(chǎn),農(nóng)村宅基地需求下降。農(nóng)業(yè)勞動力的兼業(yè)化比例提高,農(nóng)業(yè)勞動力數(shù)量快速下降,農(nóng)業(yè)勞動力比重下降,鄉(xiāng)村人口密度也隨之下降。城鎮(zhèn)化快速推進過程中,城鎮(zhèn)建設(shè)用地和工礦用地需求增加,占用耕地和征用村莊用地的比例提高,村莊建設(shè)用地在建設(shè)用地中的比例不斷下降。以上多種因素共同推動了村莊建設(shè)用地利用強度的下降。

隨著農(nóng)戶收入結(jié)構(gòu)的改善,農(nóng)戶繼續(xù)追加耕地投入的能力迅速提升,但是純農(nóng)戶的比例不斷減少[20],并且農(nóng)戶的年齡結(jié)構(gòu)趨于“老弱化”,大規(guī)模增加資本性投入需求下降,耕地投入主要以省工性投入為主,地均化肥使用量不斷增加。農(nóng)戶耕地流轉(zhuǎn)的趨勢開始出現(xiàn),且比例不斷提升。而耕作條件較好的平原農(nóng)區(qū)隨著農(nóng)業(yè)機械化的大力推廣,糧食播種面積不降反升(如研究時段內(nèi)的黃淮平原區(qū)),灌溉比例也相應提升,而丘陵及耕地質(zhì)量不高地區(qū)的耕地利用形態(tài)會出現(xiàn)棄耕或撂荒[21]的現(xiàn)象,耕地利用強度區(qū)域格局差異明顯。這一階段耕地利用強度仍保持較高水平,糧食產(chǎn)量較穩(wěn)定。但同時也應該看到糧食生產(chǎn)要素投入產(chǎn)出的效率不斷下降,糧食生產(chǎn)成本不斷增加,糧食生產(chǎn)所帶來的資源環(huán)境問題不斷凸顯[22]。耕地資源被建設(shè)占用的比例迅速提高(圖6),村莊建設(shè)用地利用強度不斷下降,糧食生產(chǎn)的保障能力降低。轉(zhuǎn)型后期,耕地和村莊建設(shè)用地利用強度均下降,糧食生產(chǎn)高效化和集約化保障區(qū)域糧食安全。城鎮(zhèn)化發(fā)展中后期,農(nóng)業(yè)勞動力比重低,村莊建設(shè)用地整治需求旺盛,農(nóng)村聚落社區(qū)化,人口居住集中化開始大力推進,村莊建設(shè)用地的比例迅速下降,村莊建設(shè)用地將實現(xiàn)優(yōu)化重組[23]。鄉(xiāng)村人口密度不斷降低,農(nóng)業(yè)勞動力數(shù)量和比重不斷下降,村莊建設(shè)用地利用強度下降。耕地利用方面由于鄉(xiāng)村人口逐漸減少,土地流轉(zhuǎn)的比例不斷增加,糧食生產(chǎn)的規(guī)?;图s化不斷加強,可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)[24]不斷優(yōu)化,耕地利用強度逐步下降,并趨于穩(wěn)定。農(nóng)村剩余勞動力轉(zhuǎn)移基本完成,新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體成為糧食生產(chǎn)的主力,糧食生產(chǎn)格局進入新的狀態(tài)(圖5c)。城鎮(zhèn)化進程中,我國土地利用形態(tài)與糧食生產(chǎn)均發(fā)生了深刻的變化,系統(tǒng)研究二者耦合關(guān)系、動力機制及其演化規(guī)律,對于揭示我國糧食生產(chǎn)系統(tǒng)要素轉(zhuǎn)型、結(jié)構(gòu)變革和功能演化,保障我國糧食安全的同時,促進鄉(xiāng)村良性發(fā)展,優(yōu)化鄉(xiāng)村土地利用結(jié)構(gòu),實現(xiàn)社會良性轉(zhuǎn)型具有至關(guān)重要的作用[25]。因此,糧食生產(chǎn)轉(zhuǎn)型過程中,應合理優(yōu)化土地利用轉(zhuǎn)型與糧食生產(chǎn)的耦合關(guān)系,加強耕地的保護力度,限制村莊建設(shè)用地的無序擴張,合理搭配鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中的人口及其他生產(chǎn)要素,確保農(nóng)戶生產(chǎn)與生活水平穩(wěn)定提升。

3結(jié)論

(1)城鎮(zhèn)化進程中,黃淮海地區(qū)土地利用形態(tài)和糧食生產(chǎn)格局迅速轉(zhuǎn)型。1990—2010年土地利用轉(zhuǎn)型格局呈現(xiàn)出耕地利用強度不斷增加,村莊建設(shè)用地利用強度加速減少,且時空格局區(qū)域差異明顯。區(qū)域糧食生產(chǎn)能力經(jīng)歷短暫的下降后持續(xù)增強。(2)1990—2010年耕地利用強度-村莊建設(shè)用地利用強度-糧食產(chǎn)量耦合類型時空格局特征明顯?!暗?低-低”(111)類型主要分布在環(huán)渤海灣地區(qū),“高-高-高”(333)類型主要集聚于冀魯豫交界地區(qū)。而“中-中-中”類型主要分布在山東半島東部和低洼平原北部地區(qū)且不斷集中。(3)土地利用轉(zhuǎn)型推動糧食生產(chǎn)格局不斷演化。轉(zhuǎn)型初期,耕地和村莊建設(shè)用地利用強度均增加,推動糧食生產(chǎn)能力提升。轉(zhuǎn)型中期,耕地利用強度繼續(xù)增加和村莊建設(shè)用地利用強度開始下降,區(qū)域糧食安全保障能力下降。轉(zhuǎn)型后期,耕地和村莊建設(shè)用地利用強度均下降,糧食生產(chǎn)高效化和集約化保障區(qū)域糧食安全。依據(jù)土地利用轉(zhuǎn)型與糧食生產(chǎn)不同階段的耦合關(guān)系,制定合理的糧食生產(chǎn)政策能夠有效保障區(qū)域糧食生產(chǎn)安全。(4)本文基于土地利用強度變化初步探討了土地利用轉(zhuǎn)型與糧食生產(chǎn)的耦合關(guān)系,是土地利用轉(zhuǎn)型對糧食生產(chǎn)系統(tǒng)影響的初步研究。而對土地利用隱性形態(tài)中涉及質(zhì)量、產(chǎn)權(quán)和經(jīng)營方式等土地利用形態(tài)尚缺乏深入的研究。本文初步構(gòu)建了土地利用轉(zhuǎn)型與糧食生產(chǎn)耦合關(guān)系模式,但對二者耦合過程的動力機制研究仍薄弱,這些內(nèi)容是進一步研究的重點。

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作者:戈大專,龍花樓,屠爽爽,張英男 單位:1.中國科學院地理科學與資源研究所;2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院;3.中國科學院精準扶貧評估研究中心