黑龍江省地級市耕地利用生態(tài)效益時(shí)空變化分析

張漫琳，宋　戈，2，劉海礁，張　雪，閆　飛，4

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；

2.東北大學(xué)土地資源管理研究所，遼寧 沈陽 110819；

3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；

4.民航黑龍江安全監(jiān)督管理局，黑龍江 哈爾濱 150030)

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黑龍江省地級市耕地利用生態(tài)效益時(shí)空變化分析

張漫琳1，宋戈1，2，劉海礁3，張雪1，閆飛1，4

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；

2.東北大學(xué)土地資源管理研究所，遼寧 沈陽 110819；

3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；

4.民航黑龍江安全監(jiān)督管理局，黑龍江 哈爾濱 150030)

[摘要]以黑龍江省13個(gè)地級市為研究區(qū)，從生產(chǎn)、生活和生境3個(gè)方面構(gòu)建了評價(jià)指標(biāo)體系，應(yīng)用突變級數(shù)法對研究區(qū)2003—2012年耕地利用生態(tài)效益的時(shí)空變化進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:(1)10年間，研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益可分為4個(gè)變化時(shí)期，即2003—2004年的下降期，2004—2005年的上升期，2005—2007年的二次下降期，2007—2012年的緩慢上升期，耕地利用生態(tài)效益水平呈現(xiàn)波動發(fā)展的變化趨勢.(2)2003—2008年，高效區(qū)、較高效區(qū)、較低效區(qū)的城市數(shù)量變化依次表現(xiàn)為減少、增加、保持不變；2008—2011年，高效區(qū)、較高效區(qū)、較低效區(qū)的城市數(shù)量變化依次表現(xiàn)為增加、減少、保持不變.(3)2003—2008年，高效區(qū)分布由東部、西北部向中部、東南部延伸；較高效區(qū)分布由南部、中部向東西部邊沿延伸；較低效區(qū)分布由北部、東南部邊沿向西部邊沿延伸；2008—2011年，高效區(qū)分布由中部、東南部向中部四周延伸；較高效區(qū)分布由南部、東西部邊沿向東南部變化；較低效區(qū)分布由西部邊沿向南部、北部邊沿變化.

[關(guān)鍵詞]突變級數(shù)法；耕地利用；生態(tài)效益；時(shí)空變化

1問題的提出

耕地利用生態(tài)效益水平是衡量耕地質(zhì)量高低的重要依據(jù)，科學(xué)地評價(jià)耕地利用生態(tài)效益水平并分析其時(shí)空變化特征，不僅能夠協(xié)調(diào)區(qū)域人地關(guān)系，保障區(qū)域糧食安全，而且對實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益平衡具有重要的指導(dǎo)意義.在人類對耕地的利用過程中，引發(fā)了耕地?cái)?shù)量減少、耕地質(zhì)量下降、耕地生態(tài)系統(tǒng)退化等一系列問題，耕地資源面臨著前所未有的挑戰(zhàn).如何合理高效地利用耕地資源，提高耕地利用生態(tài)效益水平已引起了政府和學(xué)者的普遍關(guān)注.

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于耕地利用生態(tài)效益問題已經(jīng)做了一定的探索.國外學(xué)者一般采用狀態(tài)描述法、指標(biāo)法、調(diào)查法[1-3]，從自然和人為要素、耕地保護(hù)、耕地空間類型及特征[4-6]等角度來研究耕地利用生態(tài)效益；國內(nèi)學(xué)者的研究主要集中在耕地利用綜合生態(tài)效益的評價(jià)、生態(tài)效益價(jià)值的測算、影響生態(tài)效益變化的驅(qū)動力分析等方面[7-15].在對耕地利用生態(tài)效益進(jìn)行研究時(shí)主要側(cè)重于時(shí)間變化上的定量分析，對于空間變化的分析較少；且研究尺度主要針對某一脆弱區(qū)域或是熱點(diǎn)城市，進(jìn)行中微觀評價(jià)[15-16]，對于省域范圍各城市進(jìn)行的宏觀評價(jià)較少；研究方法手段主要采取層次分析法和熵值法結(jié)合[11]、主成分分析法[13]，還有學(xué)者運(yùn)用GIS手段進(jìn)行計(jì)算[17]，這些方法普遍存在著人為賦權(quán)較重、主觀性較強(qiáng)的問題.

本文選取黑龍江省13個(gè)地級市為研究區(qū)，基于突變理論，運(yùn)用突變級數(shù)法，對2003—2012年研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益水平進(jìn)行了宏觀評價(jià)，并對其空間變化特征進(jìn)行了分析.研究方法突破了以往指標(biāo)之間相互影響和關(guān)聯(lián)的問題，同時(shí)減少了人為賦權(quán)較重的主觀性，不僅為解決耕地利用生態(tài)效益問題提供了科學(xué)的方法與思路，而且也為全國同類地級市耕地資源合理利用與結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到了借鑒和參考作用.

2研究區(qū)概況與研究方法

2.1研究區(qū)概況

本文以黑龍江省12個(gè)地級市(哈爾濱市、齊齊哈爾市、牡丹江市、佳木斯市、大慶市、雞西市、雙鴨山市、伊春市、七臺河市、鶴崗市、黑河市、綏化市)以及大興安嶺地區(qū)為研究區(qū).截至2012年末，黑龍江省土地總面積為45.3萬km2，其中耕地面積為11.8萬km2，占土地總面積的26.1%；年末總?cè)丝跒?78.9萬人；地區(qū)生產(chǎn)總值由2003年的4 057.4億元增加到2012年的13 691.6億元.黑龍江省地勢平坦、耕地資源豐富，黑土有機(jī)質(zhì)含量較高、肥力較好，總耕地面積和可開發(fā)的土地后備資源均占全國十分之一以上.但受水土流失、過量施肥等因素影響，部分地區(qū)已出現(xiàn)了耕地質(zhì)量下降的問題.

2.2數(shù)據(jù)來源與標(biāo)準(zhǔn)化

本研究所需數(shù)據(jù)主要來源于《黑龍江統(tǒng)計(jì)年鑒》(2003—2012).

由于耕地利用生態(tài)效益評價(jià)的指標(biāo)較多，為使各指標(biāo)之間量綱統(tǒng)一具有可比性，因此要將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以得到的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值作為評價(jià)的基礎(chǔ).本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理.

2.3耕地利用生態(tài)效益模型的建立

突變級數(shù)法是一種對評價(jià)目標(biāo)進(jìn)行多層次矛盾分解，利用突變理論與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生突變模糊隸屬函數(shù)，由歸一公式進(jìn)行綜合量化運(yùn)算，從而對評價(jià)目標(biāo)進(jìn)行排序分析的一種綜合評價(jià)方法.該方法沒有對指標(biāo)采用權(quán)重，但考慮了各評價(jià)指標(biāo)的相對重要性，從而減少了主觀性又不失科學(xué)性、合理性，而且計(jì)算簡易準(zhǔn)確，其應(yīng)用范圍廣泛.[18-20]本文應(yīng)用突變級數(shù)模型評價(jià)研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益，主要思路為：(1)建立多層次的評價(jià)指標(biāo)體系；(2)確定評價(jià)指標(biāo)體系各層次的突變系統(tǒng)模型；(3)利用歸一公式進(jìn)行綜合評價(jià).

2.3.1尖點(diǎn)突變模型的建立

本文運(yùn)用尖點(diǎn)突變模型計(jì)算耕地利用生產(chǎn)效益水平，其突變模糊隸屬函數(shù)為

f(x)=x4+ax2+bx.

式中：x為狀態(tài)變量，即耕地利用生產(chǎn)效益；a，b為控制變量，分別表示耕地資源效益、水資源效益，其中對耕地利用生產(chǎn)效益的影響強(qiáng)度為a>b.另外，耕地資源效益、耕地質(zhì)量的計(jì)算也屬于尖點(diǎn)突變模型.

2.3.2燕尾突變模型的建立

本文運(yùn)用燕尾突變模型計(jì)算耕地利用生態(tài)效益水平，其突變模糊隸屬函數(shù)為

f(x)=x5+ax3+bx2+cx.

式中：x為狀態(tài)變量，即耕地利用生態(tài)效益；a，b，c為控制變量，分別表示生產(chǎn)效益、生活效益、生境效益，對耕地利用生態(tài)效益的影響強(qiáng)度為a>b>c.另外，生活效益、生境效益的計(jì)算也屬于燕尾突變模型.

2.3.3蝴蝶突變模型的建立

本文運(yùn)用蝴蝶突變模型計(jì)算耕地?cái)?shù)量水平，其突變模糊隸屬函數(shù)為

f(x)=x6+ax4+bx3+cx2+dx.

式中：x為狀態(tài)變量，即耕地?cái)?shù)量；a，b，c，d為控制變量，分別表示耕地年增加面積、土地墾殖指數(shù)、復(fù)種指數(shù)、受災(zāi)面積，其中對耕地?cái)?shù)量的影響強(qiáng)度為a>b>c>d.另外，水資源效益的計(jì)算也屬于蝴蝶突變模型.

3研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益評價(jià)

3.1耕地利用生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

本文結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，從生活、生產(chǎn)、生境3個(gè)方面選取了16個(gè)指標(biāo)構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系，對黑龍江省13個(gè)地級市耕地利用生態(tài)效益的高低水平進(jìn)行了評價(jià)(見圖1).

圖1　黑龍江省耕地利用生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)體系

3.2耕地利用生態(tài)效益各層指標(biāo)突變類型的確定

建立多層次的耕地利用生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)體系，并通過層次分析法對各層次指標(biāo)按重要程度進(jìn)行排序.如果一個(gè)指標(biāo)所對應(yīng)的下層指標(biāo)有2，3，4個(gè)，可視該指標(biāo)為狀態(tài)變量，2，3，4個(gè)下層指標(biāo)為控制變量的尖點(diǎn)突變類型、燕尾突變類型、蝴蝶突變類型.指標(biāo)逐層集成的突變類型見圖2.

圖2　黑龍江省耕地利用生態(tài)效益各層次突變類型

3.3耕地利用生態(tài)效益評價(jià)結(jié)果

本文運(yùn)用歸一化公式(公式(1)—(3))，逐層應(yīng)用突變級數(shù)模型，依次計(jì)算耕地利用的生活效益、生產(chǎn)效益、生境效益，最終求取2003—2012年黑龍江省耕地利用的生態(tài)效益評價(jià)值，結(jié)果見表1.

歸一化公式：

，尖點(diǎn)突變；　(1)

4研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益時(shí)空變化分析

4.1研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益時(shí)間變化分析

根據(jù)表1的評價(jià)結(jié)果得到2003—2012年黑龍江省耕地利用生態(tài)效益評價(jià)值曲線圖(見圖3).

黑龍江省耕地利用生態(tài)效益變化趨勢是：2003—2004年為下降期，2004—2005年為上升期，2005—2007年為二次下降期，2007—2012年為上升期，耕地利用生態(tài)效益呈現(xiàn)波動發(fā)展的變化趨勢(見圖3).

圖3　黑龍江省2003—2012年耕地利用生態(tài)效益評價(jià)值

2003—2004年，研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益由 0.641 2下降為0.600 2，水土協(xié)調(diào)比率的不平衡、農(nóng)用復(fù)合肥使用量的增加導(dǎo)致耕地利用生態(tài)效益水平出現(xiàn)下降趨勢；2004—2005年，研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益由0.600 2上升到0.714 8，耕地保護(hù)政策的進(jìn)一步實(shí)施、農(nóng)田水利設(shè)施的進(jìn)一步健全，保證了農(nóng)田有效灌溉面積，促進(jìn)了耕地質(zhì)量的改善；2005—2007年，研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益由0.714 8下降到0.640 4，年均下降率為3.38%，災(zāi)害面積的增加、人口的快速增長、水土協(xié)調(diào)比率下降導(dǎo)致耕地的生產(chǎn)力下降，耕地利用生態(tài)效益水平波動較大；2007—2012年，研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益由0.640 4上升到0.813 2，年均增長率為3.46%，其中2011年較為特殊，略微下降，其值為0.721 9，黑龍江省農(nóng)村土地補(bǔ)償制度政策在利益上加強(qiáng)了人們對耕地保護(hù)的認(rèn)識，直接或間接地提高了耕地的質(zhì)量，同時(shí)政府加強(qiáng)了對環(huán)境的重視程度、投資力度也對耕地利用生態(tài)效益水平產(chǎn)生一定的影響.

4.2耕地利用生態(tài)效益空間變化特征分析

4.2.1評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

目前，國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一確定耕地利用生態(tài)效益的標(biāo)準(zhǔn).本文參考了國內(nèi)外相關(guān)研究，同時(shí)結(jié)合黑龍江省地級市的實(shí)際特征，建立了黑龍江省耕地利用生態(tài)效益的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表2).

表2　耕地利用生態(tài)效益的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4.2.2空間變化特征分析

根據(jù)突變級數(shù)模型，對黑龍江省13個(gè)地級市2003年、2008年、2011年耕地利用生態(tài)效益進(jìn)行評價(jià)，得到的計(jì)算結(jié)果見圖4.同時(shí)，2003年、2008年、2011年研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益水平的空間分布集中在較低效區(qū)、較高效區(qū)和高效區(qū)，根據(jù)研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益水平，繪制黑龍江省13個(gè)地級市3年的耕地利用生態(tài)效益空間分布圖(見圖5).

研究發(fā)現(xiàn)，高效區(qū)城市的數(shù)量呈先減少后增加趨勢，較高效區(qū)城市的數(shù)量呈先增加后減少趨勢，較低效區(qū)城市的數(shù)量保持不變.其中，2003年研究區(qū)高效區(qū)、較高效區(qū)、較低效區(qū)城市在全省城市占比分別為46.153 8%，30.769 3%，23.076 9%；2008年其比例依次為30.769 3%，46.153 8%，23.076 9%；2011年其比例依次為53.846 2%，23.076 9%，23.076 9%.

圖4　2003年、2008年、2011年黑龍江省地級市耕地利用生態(tài)效益評價(jià)值

圖5　2003年、2008年、2011年黑龍江省地級市生態(tài)效益空間分布圖

2003—2008年黑龍江省地級市耕地利用生態(tài)效益空間分布表現(xiàn)為：高效區(qū)由東部、西北部向中部、東南部延伸，表現(xiàn)較為突出城市為哈爾濱市.哈爾濱市作為全省重要的經(jīng)濟(jì)中心，其優(yōu)勢在于耕地?cái)?shù)量的增長(由2003年的135.314 8萬hm2上升至2008年的179.3萬hm2)，較少的化肥使用量、足夠的日照和降水量使得土壤肥力較好，土地生產(chǎn)能力得到提高.較高效區(qū)由南部、中部向東西部邊沿延伸，表現(xiàn)較為突出城市為鶴崗和雙鴨山市，兩個(gè)城市均為煤炭型城市，耕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較穩(wěn)定，因地制宜地選擇發(fā)展可持續(xù)產(chǎn)業(yè)，減少開采煤炭對生態(tài)系統(tǒng)的破壞，對于該類地區(qū)耕地利用生態(tài)效益提高具有重要意義.較低效區(qū)由北部、東南部邊沿向西部邊沿延伸，主要表現(xiàn)在齊齊哈爾市，該城市的耕地利用生態(tài)效益由2003年的0.894 4下降到2008年的0.575 6，作為重要的老工業(yè)基地，生產(chǎn)工業(yè)廢料、生活垃圾大量排放，環(huán)境質(zhì)量下降，人口的增長、受災(zāi)面積的擴(kuò)增加大了耕地的壓力，生態(tài)效益水平降低，由高效區(qū)轉(zhuǎn)為較低效區(qū).

2008—2011年黑龍江省地級市耕地利用生態(tài)效益空間分布表現(xiàn)為：高效區(qū)由中部、東南部地區(qū)向中部四周延伸，表現(xiàn)較為突出城市為大慶、佳木斯和鶴崗市，這類城市的優(yōu)勢在于人均耕地面積提高、受災(zāi)面積減小、除澇易澇比率增大，生產(chǎn)環(huán)境較優(yōu)越；土地復(fù)種指數(shù)變大、三廢綜合利用率提高，促進(jìn)了耕地利用生態(tài)效益的提高.較高效區(qū)由南部、東西部邊沿向東南部變化，表現(xiàn)較為突出城市為雞西市，其生態(tài)效益水平由2008年的0.809 1上升為2011年的0.843 7，但煤炭開采使得土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞、土壤污染嚴(yán)重，因此，加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、加入高新科技產(chǎn)業(yè)對于較高效區(qū)上升為高效區(qū)有較大影響.較低效區(qū)由西部邊沿地區(qū)變化為南部、北部地區(qū)，主要表現(xiàn)在牡丹江市，其生態(tài)效益值由2008年的0.836 6降低為2011年的0.586 6，主要是由于土地墾殖系數(shù)、復(fù)種指數(shù)、農(nóng)田有效灌溉面積下降，受災(zāi)面積迅速增長，耕地利用的整體生產(chǎn)能力下降，生態(tài)效益水平下降.

5結(jié)論及討論

本文以黑龍江省13個(gè)地級市為研究區(qū)，運(yùn)用突變級數(shù)法，分析了2003—2012年耕地利用生態(tài)效益的時(shí)空變化及2003年、2008年、2011年3個(gè)時(shí)期的空間變化特征，研究結(jié)果表明：

(1) 2003—2012年黑龍江省地級市耕地利用生態(tài)效益變化可分為2003—2004年下降、2004—2005年上升、2005—2007年下降、2007—2012年上升4個(gè)時(shí)期.

(2) 2003—2008年黑龍江省13個(gè)地級市耕地利用生態(tài)效益空間分布表現(xiàn)為：高效區(qū)由東部、西北部向中部、東南部延伸，表現(xiàn)較為突出城市為哈爾濱市；較高效區(qū)由南部、中部向東西部邊沿延伸，表現(xiàn)較為突出城市為鶴崗和雙鴨山市；較低效區(qū)由北部、東南部邊沿向西部邊沿延伸，主要表現(xiàn)在齊齊哈爾市.

(3) 2008—2011年黑龍江省13個(gè)地級市耕地利用生態(tài)效益空間分布表現(xiàn)為：高效區(qū)由中部、東南部地區(qū)向中部四周延伸，表現(xiàn)較為突出城市為大慶、佳木斯和鶴崗市；較高效區(qū)由南部、東西部邊沿向東南部變化，表現(xiàn)較為突出城市為雞西市；較低效區(qū)由西部邊沿地區(qū)變化為南部、北部地區(qū)，主要表現(xiàn)在牡丹江市.

(4) 化肥和農(nóng)藥的施用量、災(zāi)害的發(fā)生是導(dǎo)致生態(tài)效益下降的主要因素，土地墾殖指數(shù)、復(fù)種指數(shù)、農(nóng)田灌溉保證率、水土協(xié)調(diào)比率是影響耕地利用生態(tài)效益高低的重要因子.

為提高研究區(qū)耕地利用生態(tài)效益水平，應(yīng)盡量減少化肥、農(nóng)藥的施用量以及生產(chǎn)生活三廢、垃圾的排放；同時(shí)加強(qiáng)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，提高抵御自然災(zāi)害的能力；政府制定針對性的耕地保護(hù)與治理政策.

耕地利用生態(tài)效益評價(jià)是一項(xiàng)綜合生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會和景觀的復(fù)雜工程，簡單建立評價(jià)指標(biāo)體系不能全面反映出耕地利用生態(tài)效益的水平，除本文考慮到的影響因素外，政策、管理、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、抗災(zāi)等眾多指標(biāo)的量化方法將是今后進(jìn)一步深入研究的課題.

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(責(zé)任編輯：方林)

Analysis on the spatial-temporal variations characteristics of cultivated land useage eco-benefits of district cities in Heilongjiang Province

ZHANG Man-lin1，SONG Ge1，2，LIU Hai-jiao3，ZHANG Xue1，YAN Fei1，4

(1.College of Resources and Environment，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.Institute of Land Management，Northeastern University，Shenyang 110819，China；3.College of Economics and Management，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；4.The Civil Aviation Safety Supervision and Administration of Heilongjiang Province，Harbin 150030，China)

Abstract:Cultivated land that uses eco-benefit evaluation for reasonable development，utilization and protection of cultivated land resources is of important guiding significance. This paper selects 13 District Cities (districts) in Heilongjiang Province as the study area. From the aspects of production，life and habitat evaluation index system and using catastrophe progression method，analysis the cultivated land use spatial and temporal variations of ecological benefits according to the study area in 2003—2012. The research shows that：(1) In ten years，the study area of cultivated land that uses ecological benefits can be divided into four phases，It declined from the year of 2003 to 2004. It rised from the year 2004 to 2005. It declined the second time from 2005 to 2007 amd rised slowly from 2007 to 2012. The cultivated land useage in the development of ecological suffered some fluctuations. (2) From 2003 to 2008，the number of high efficiency，more efficient，and more inefficient zone of cities respectively reduced，increased，and remained unchangeable. From 2008 to 2011，the number of high efficiency，more efficient，and more inefficient zone of cities respectively increased，reduced and remained unchangeable. (3) From 2003 to 2008，high efficient area stretched from east and northwest to central and southeast. More efficient area stretches from southern and central to the east and west edge. The inefficient zone stretches from north and southeast edge to the west. From 2008 to 2011，high efficient area that distributed in central and southeast areas spread to central China. More efficient area distributed from the southeast and west edge to the southeast. The inefficient zone changed from the western border to the southern and northern edge.

Keywords:mutation progression method；cultivated land resource utilization；ecological benefit；temporal variation characteristics

[中圖分類號]F 301.21[學(xué)科代碼]790·5930

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[作者簡介]張漫琳(1990—)，女，碩士研究生，主要從事土地利用與區(qū)域發(fā)展研究；通信作者：宋戈(1969—)，女，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事土地利用與城鎮(zhèn)規(guī)劃研究.

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41071346)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(N130714001).

[收稿日期]2014-11-03

[文章編號]1000-1832(2016)01-0141-07

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.01.028