基于GIS的三江平原耕地利用效益研究

張文琦+姜博+羅沖+初楠臣+李曉慶+王玉迪

摘要：基于經(jīng)濟、社會與生態(tài)視角利用多因素綜合評價模型并結(jié)合ArcGIS空間分析手段探究2005—2014年三江平原耕地利用效益時間動態(tài)變化與各縣（市、區(qū)）耕地利用效益空間變異的特征。結(jié)果表明，2005—2014年三江平原耕地利用效益整體呈上升趨勢，生態(tài)效益在2005—2009年呈下降趨勢，隨著農(nóng)業(yè)資源利用效率的提高，2009年以后耕地利用生態(tài)效益基本穩(wěn)定；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合改革試驗區(qū)的建立，帶來三江平原耕地利用效益空間格局的重塑，東北部低平原區(qū)耕地利用綜合效益高于西南部丘陵地區(qū)；未來三江平原耕地利用效益還有較大的提升空間，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的同時應(yīng)更加注重耕地利用生態(tài)效益與經(jīng)濟、社會效益的協(xié)調(diào)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：耕地利用效益；時間變化；空間分異；GIS技術(shù)；三江平原；經(jīng)濟效益；社會效益；生態(tài)效益；綜合效益

中圖分類號：F301.21 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0243-05

國外對耕地利用效益研究開始的比較早，波蘭農(nóng)業(yè)地理學(xué)家Kostowicki根據(jù)農(nóng)業(yè)類型學(xué)委員會判定的原則和方法把世界農(nóng)業(yè)劃分為6個一級類型、25個二級類型和93個三級類型[7]；Herdt等提出從生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益3個方面來衡量農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力[8-9]。國內(nèi)學(xué)者傅伯杰等認為應(yīng)依據(jù)土地可持續(xù)利用的特點，從生態(tài)、社會、經(jīng)濟角度建立土地可持續(xù)利用的評價指標體系[10]；黃秋昊等指出土地可持續(xù)利用的評價指標應(yīng)該具有時間序列性與空間敏感性[11]；林庶民等分別采用主成分分析、聚類分析和相關(guān)性分析等方法進行實證研究，揭示了區(qū)域耕地利用效益的時空差異和特征[12-14]。

但目前我國耕地利用效益的研究主要針對耕地質(zhì)量下降明顯的一些人口密集地區(qū)，對縣域耕地利用效益時空分異的研究比較少，針對三江平原耕地利用效益的時間動態(tài)變化規(guī)律和空間分異的研究目前還鮮有報道。本研究在參考已有研究成果的基礎(chǔ)上，建立三江平原耕地利用效益評價指標體系，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）技術(shù)對三江平原耕地的經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益與綜合效益的時空變化特征進行分析，以期為三江平原耕地資源合理利用及綜合效益的提高提供參考。

1研究區(qū)域概況

三江平原位于黑龍江省東部，小興安嶺以東，長白山以北，介于43°49′55″N～48°27′20″N、129°11′20″E～135°5′10″E之間。主要包括黑龍江、松花江、烏蘇里江沖擊形成的低平地，以及完達山和南烏蘇里江支流域興凱湖交匯形成的沖積平原。包含佳木斯市、雙鴨山市、鶴崗市、雞西市、七臺河市所屬的21個縣（市、區(qū)）和牡丹江所屬的穆棱市、哈爾濱所屬的依蘭縣，總面積108 900 km2，占黑龍江總面積的23.04%。該區(qū)域是溫帶濕潤、半濕潤的大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱濕潤，冬季寒冷干燥，四季鮮明，1月平均氣溫低于-18 ℃，7月平均氣溫21～22 ℃，年降水量500～650 mm。區(qū)域內(nèi)土壤土層相對較厚，質(zhì)地主要是以壤土和壤質(zhì)粘土為主，土壤有機質(zhì)含量相對較高，已墾耕地土壤以草甸土、白疆土、黑土和暗棕壤為主。三江平原具有典型的河谷平原特點，平均海拔為50～60 m，平原面積大約占總面積的61.2%，是我國重要的農(nóng)業(yè)區(qū)和商品糧生產(chǎn)基地。

2研究方法

2.1耕地利用效益評價指標體系的構(gòu)建

在科學(xué)性、客觀性、系統(tǒng)性和可操作性等原則的指導(dǎo)下從經(jīng)濟、社會與生態(tài)視角綜合測度三江平原耕地利用效益。經(jīng)濟效益從耕地資金、技術(shù)等投入與生產(chǎn)成本降低、糧食產(chǎn)量提高角度判斷耕地的利用效益；社會效益從宏觀社會效應(yīng)角度分析耕地利用對社會環(huán)境系統(tǒng)作用的效益；生態(tài)效益從生態(tài)環(huán)境角度闡釋在耕地利用過程中對生物、土壤、水資源等生態(tài)環(huán)境造成的影響[15]。結(jié)合三江平原的實際情況，經(jīng)因子分析篩選出13個指標，構(gòu)建三江平原耕地利用效益評價指標體系（表1），該體系由目標層A、準則層B和指標層C構(gòu)成，將耕地利用綜合效益定為目標層，經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益設(shè)為準則層，各單項指標設(shè)為指標層。

2.2耕地利用效益評價指標權(quán)重的確定

運用層次分析法（AHP）從主觀視角分析各項指標對耕地利用綜合效益的作用強度[16]。咨詢有代表性的學(xué)者專家，比較所列指標的重要程度并逐層進行判斷打分，進而構(gòu)建判斷矩陣，設(shè)為A=（aij）n×n，其中aij=1/aji（i≠j，i、j=1，2，…，n）；aij=1（i=j）。判斷矩陣中標度值通常依據(jù)比較標度法得到，2個指標i、j同等重要，標度值為1，微弱重要為3，明顯重要為5，突出重要為7，絕對重要為9，相鄰判斷的中間值為2、4、6、8。依據(jù)方根法計算最大特征根所對應(yīng)的特征向量，進而得到各項指標的重要性權(quán)值，經(jīng)過層次排序和一致性檢驗，得出三江平原耕地利用效益各評價指標的權(quán)重Wi，如表2所示。

2.3數(shù)據(jù)處理

以各項指標的原始數(shù)值為基礎(chǔ)，通過標準化處理消除量綱，得出標準化數(shù)值，以此作為指標體系評價標準。采用極差變換法對數(shù)據(jù)進行標準化處理。

正向指標：yij=xij-bijaij-bij；逆向指標：yij=aij-xijaij-bij。

式中：yij為無量綱處理后的數(shù)值；xij指j年第i項指標的實際值；aij為第i項指標的最大值；bij為第i項指標的最小值?？紤]到后期繪圖便于觀察，將標準化處理數(shù)值轉(zhuǎn)化為指標得分：Qi=yij×10+100。指標得分按照正向指標和逆向指標分別計算，得分與耕地利用效益均呈正相關(guān)，即Qi越大，耕地利用效益越高，反之亦然。

研究數(shù)據(jù)來源于2006—2015年《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》[17]和各地方統(tǒng)計年鑒，部分數(shù)據(jù)來源于我國經(jīng)濟與社會發(fā)展統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫和黑龍江省統(tǒng)計公報，評價方法使用的部分數(shù)據(jù)是根據(jù)各項指標由原始數(shù)據(jù)計算整理得到。endprint

2.4耕地利用效益評價模型

根據(jù)各指標數(shù)據(jù)標準化處理后計算得分和指標綜合權(quán)重，采用多因素綜合評價法建立耕地利用效益評價模型。P=∑13i=1QiWi；E=∑4i=1QiBi；S=∑9i=5QiBi；F=∑13i=10QiBi。其中，P為綜合效益指數(shù)；E為經(jīng)濟效益指數(shù)；S為社會效益指數(shù)；F為生態(tài)效益指數(shù)；Qi為第i個指標的得分值；Wi為各指標的組合權(quán)重值，∑Wi=1；Bi為單因子權(quán)重，∑Bi=1。

3結(jié)果與分析

3.1三江平原耕地利用效益時序特征分析

由圖1可知，2005—2014年三江平原耕地利用社會效益、經(jīng)濟效益和綜合效益的時序特征大致相同，曲線重合度較高，呈波動上升趨勢，2010、2013年是2個轉(zhuǎn)折點；而生態(tài)效益曲線呈下降趨勢，且下降幅度較大。

耕地利用經(jīng)濟效益是耕地綜合利用效益的核心，經(jīng)濟效益的提高有助于社會需求滿足度的提高和耕地生態(tài)環(huán)境的改善。三江平原耕地利用經(jīng)濟效益在2005—2014年這10年內(nèi)增長幅度較大，2010、2013年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，均比上一年小幅度下降。分析影響三江平原耕地利用經(jīng)濟效益的影響因素可以看出，糧食單位面積總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)機械化程度始終處于增長態(tài)勢，技術(shù)效率的進步釋放多余勞動力，使得單位面積勞動力逐漸減少。由于2010年三江平原腹地遭遇百年一遇的早春低溫寡照雪災(zāi)致使農(nóng)時約延后15 d，嚴重影響糧食產(chǎn)量，2013年8月份，受降水偏多和主要江河水位上漲的影響，局部農(nóng)田出現(xiàn)澇情，糧食生產(chǎn)受到直接威脅，致使2010、2013年糧食播面單產(chǎn)下降，這2個年份的耕地利用經(jīng)濟效益出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

根據(jù)耕地利用社會效益評價指數(shù)變化，2005—2014年三江平原耕地利用社會效益基本呈穩(wěn)步上升趨勢，間或有小的回落。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人均糧食產(chǎn)量、社會需求滿足度、人均農(nóng)業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值、農(nóng)民人均純收入和勞動力轉(zhuǎn)移指數(shù)均有所增加；三江平原地廣人稀且人口增長較為緩慢，人均耕地面積基本趨于穩(wěn)定。另外，由于自然災(zāi)害，2010年、2013年人均糧食產(chǎn)量與社會需求滿足度有所回落，導(dǎo)致三江平原耕地利用社會效益出現(xiàn)小幅度下降。

耕地利用的生態(tài)效益關(guān)系到耕地利用的可持續(xù)發(fā)展，2005—2014年三江平原的耕地利用生態(tài)效益的評價值與經(jīng)濟、社會和綜合效益的相反，出現(xiàn)了明顯下降又趨于平穩(wěn)的態(tài)勢。2005—2009年，三江平原耕地資源生態(tài)環(huán)境狀況相對較好，前期生態(tài)效益指數(shù)明顯高于經(jīng)濟效益、社會效益和綜合效益，但糧食增產(chǎn)的同時伴隨著化肥、農(nóng)藥投入量的加大，致使這一階段的耕地利用生態(tài)效益逐年下降。2009—2014年，三江平原耕地生態(tài)效益評價值趨于平穩(wěn)，萬元產(chǎn)值能耗的逐步降低緩解了耕地利用生態(tài)效益下降的態(tài)勢，這種態(tài)勢從一定意義上表明耕地利用不可持續(xù)的危險有所控制。

三江平原耕地利用的綜合效益總體呈上升趨勢，2005—2007年生態(tài)效益的下降一定程度上影響了耕地利用綜合效益，加之經(jīng)濟效益和社會效益提升緩慢，2007年耕地利用綜合效益達到10年間最低水平。2008年以來，三江平原加快推進黑龍江、松花江、烏蘇里江三江連通工程，實現(xiàn)江河、航運和水系貫通，發(fā)揮三江平原水利工程綜合效益，隨著水利設(shè)施的修建、農(nóng)業(yè)科技水平的改善與農(nóng)民農(nóng)業(yè)素養(yǎng)的提高，其耕地利用綜合效益在整體上也處于上升態(tài)勢。

3.2三江平原耕地利用效益空間變異

基于三江平原2014年縣域耕地利用效益指數(shù)，利用ArcGIS 10.0軟件的專題圖顯示功能對三江平原耕地利用效益屬性數(shù)據(jù)生成空間分布圖，研究經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益和綜合效益在地域空間上的分布差異（圖2）。

三江平原耕地利用經(jīng)濟效益指數(shù)具有明顯的空間集聚特征，松花江沿線平原區(qū)的佳木斯和雙鴨山地區(qū)受到周邊城市群經(jīng)濟發(fā)展的輻射，整體上經(jīng)濟利用效益較好，而三江平原的南部地區(qū)，由于人口密集，耕地面積較少，耕地利用經(jīng)濟效益指數(shù)相對較低。經(jīng)濟效益評價值得分小于104.00的縣（市、區(qū)）有8個，經(jīng)濟效益評價值得分在104.01～105.00之間的縣（市、區(qū)）有8個，經(jīng)濟效益評價值得分在105.01～106.99之間的縣（市、區(qū)）有7個，表明各區(qū)域之間的耕地利用經(jīng)濟效益差異較大，各縣（市、區(qū)）經(jīng)濟耕地利用經(jīng)濟效益程度參差不齊。三江地區(qū)各縣（市、區(qū)）糧食播面單產(chǎn)平均值為 6.21 t/hm2，大于平均水平的縣（市、區(qū)）有11個，2014年三江平原單位面積總產(chǎn)值平均值為 21 821.91元/hm2，大于平均水平的縣（市、區(qū)）有9個，均占45%左右。農(nóng)業(yè)機械化程度大于平均值的縣（市、區(qū)）有7個，且空間分布差異較大，這主要是受地形和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的影響。

三江平原耕地利用社會效益評價值得分高于103.00的地區(qū)主要集中在三江平原北部的富錦市、同江市和撫遠縣，以及三江平原邊緣區(qū)的虎林市和依蘭縣，這些縣（市、區(qū)）地廣人稀，人均耕地面積交廣，人均糧食產(chǎn)量較高，耕地利用社會效益評價值得分也相對較高。三江平原人均耕地面積約為全國平均水平的5倍，各縣（市、區(qū)）平均值為0.53 hm2，人均糧食產(chǎn)量平均值為3 164.49 kg，超過平均值的縣（市、區(qū)）有8個，人均農(nóng)業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值和農(nóng)民人均純收入平均值分別為11 514.33、10 244.72 元， 高于平均水平的縣（市、 區(qū)）分別有9、13個，分別占40%、56%。表明三江平原水土資源豐富，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值相對較高，但農(nóng)民收入差距較大，收入高的農(nóng)民集中在佳木斯、鶴崗、雙鴨山、雞西和七臺河等5個市轄區(qū)及其周邊縣（市、區(qū)），這些地區(qū)的勞動力轉(zhuǎn)移指數(shù)也比較高。

三江平原耕地利用生態(tài)效益評價值得分為小于105.00、105.01～107.00、107.01～109.13的縣（市、區(qū)）分別有6、10、7個。高值區(qū)主要分布在東部平原區(qū)，耕地利用的生態(tài)效益評價值得分大于107.01的有撫遠縣、虎林市、穆棱市、友誼縣、雞東縣和樺南縣，這些地區(qū)土壤肥沃、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度高，化肥、農(nóng)藥的利用率高，對水體、土壤污染較小。低值區(qū)則集中在七臺河及其周邊地區(qū)，影響這些縣（市、區(qū)）生態(tài)效益的主要因素是耕地灌溉面積小、化肥施用量大以及能耗相對較高，其中勃利縣、樺川縣、集賢縣、七臺河市市轄區(qū)和同江市位于后5位。但從整體上看，三江平原地區(qū)積極響應(yīng)國家發(fā)展農(nóng)業(yè)建設(shè)高水平農(nóng)業(yè)示范區(qū)的號召，政府加大農(nóng)業(yè)水利等基礎(chǔ)設(shè)施投入，耕地有效灌溉面積比率逐年上升，這也使三江平原耕地利用生態(tài)效益下降趨勢有所緩解，耕地利用可持續(xù)度提高。endprint

三江平原耕地利用綜合效益評價值呈東西高、中間低的空間分布形態(tài)，這一方面受到地形地理差異的影響，另一方面是由于各縣（市、區(qū)）農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展水平的差異所致。撫遠縣的耕地利用綜合效益評價值最高，為106.93，富錦市、虎林市和雞東縣位于第二梯隊，這些耕地利用綜合效益評價值較高的地區(qū)主要位于三江平原的東北部，該地區(qū)耕地開發(fā)時間較短，耕地質(zhì)量較高，再加上黑龍江省農(nóng)墾系統(tǒng)歸屬其中，機械化程度較高，整體上耕地利用綜合效益較好。三江平原耕地利用綜合效益評價值得分小于103.00的有七臺河市市轄區(qū)和勃利縣，其余縣（市、區(qū)）耕地利用綜合效益評價值得分均在103.01～105.00之間，表明三江平原大部分縣（市、區(qū)）的耕地利用綜合效益均處于中等水平，還有較大的提升空間。

4結(jié)論與討論

三江平原耕地利用經(jīng)濟效益、社會效益和綜合效益在時間序列上曲線重合度較高，表現(xiàn)為波動上升，期間2010、2013年遭受自然災(zāi)害，耕地利用綜合效益評價值出現(xiàn)小幅度回落，生態(tài)效益評價值在2005—2009年持續(xù)下降，2009年以后變化態(tài)勢逐漸趨于平穩(wěn)。10年間，耕地利用效益的提高主要依賴于糧食產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)機械化程度、農(nóng)民人均純收入的增長與萬元產(chǎn)值能耗的降低。

三江平原耕地利用效益空間變異較大，呈明顯的東西高、中間低的空間分布形態(tài)，各縣（市、區(qū)）的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平不均衡發(fā)展，耕地利用效益高值區(qū)集中在三江平原東北部低平原區(qū)，耕地利用綜合效益較高的地區(qū)有撫遠市、富錦市、虎林市和雞東縣。對耕地利用效益空間差異影響較大的指標有農(nóng)業(yè)機械化程度、萬元產(chǎn)值能耗、農(nóng)民人均純收入，表明三江平原耕地利用技術(shù)、勞動力資源的區(qū)域分配不平衡和農(nóng)民的貧富差距較大。

未來三江平原在大力發(fā)展農(nóng)業(yè)的同時更應(yīng)重視耕地利用綜合效益的提高，根據(jù)三江平原各縣（市、區(qū)）耕地利用效益的空間差異，制定相應(yīng)的區(qū)域規(guī)劃，引導(dǎo)各區(qū)域經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益協(xié)調(diào)發(fā)展。依靠科技進步增加糧食播面單產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減小農(nóng)業(yè)機械化水平和能耗的空間差異，在耕地利用過程中控制農(nóng)藥、化肥施用量的增長，增加耕地有效灌溉面積，提高耕地資源的有效利用率。

運用ArcGIS技術(shù)可以直觀地反映三江平原各縣（市、區(qū)）耕地利用效益水平的相對空間分布，可為建立耕地利用效益動態(tài)監(jiān)測平臺提供理論依據(jù)。此外，由于客觀條件的局限性，在今后的研究中，還須進一步優(yōu)化耕地利用效益評價指標體系，減小評價結(jié)果與實際值的偏差。

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