東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展與權(quán)衡分析*

卓志清, 興 安, 孫忠祥, 黃元仿**, 曹 夢, 李 貞, 張世文

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193; 2. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院 淮南 232001)

協(xié)同學(xué)理論由德國物理學(xué)家哈肯(Haken)于1989年提出, 他認(rèn)為在復(fù)雜系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間存在相互干擾和制約的非線性關(guān)系, 只有系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間相互適應(yīng)、協(xié)作、促進(jìn), 才能實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展[1]。此外, 他還提出了用以衡量系統(tǒng)發(fā)展有序度的協(xié)同模型。黃成毅[2]嘗試將其應(yīng)用于成都平原耕地資源系統(tǒng)的協(xié)同性分析, 該方法給予了較強的理論支撐, 為資源環(huán)境系統(tǒng)研究提供了新的思路。而Bradford 等[3]從系統(tǒng)內(nèi)部權(quán)衡關(guān)系的角度, 提出了應(yīng)用均方根誤差(root mean square error,RMSE)定量化判斷系統(tǒng)功能之間權(quán)衡關(guān)系的方法。國內(nèi)學(xué)者李雙成等[4]、Lu等[5]將該方法納入地理學(xué)的學(xué)科框架, 并采用該方法研究了黃土高原人工林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的權(quán)衡關(guān)系, 為該方法在半自然生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。較自然生態(tài)系統(tǒng)而言, 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是人類與環(huán)境相互作用而形成的復(fù)雜系統(tǒng), 具有社會、經(jīng)濟、生態(tài)等多重功能和屬性, 系統(tǒng)內(nèi)部各服務(wù)功能類型和數(shù)量之間協(xié)同關(guān)系的時空變化, 對區(qū)域人類福祉具有重要影響[6-7]。在特定時空尺度下衡量農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展程度, 對區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)作用[8-10]。

我國作為農(nóng)業(yè)大國, 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響社會經(jīng)濟發(fā)展[11]。近年來隨著農(nóng)業(yè)生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn), 農(nóng)業(yè)由單一的生產(chǎn)功能向多功能方向轉(zhuǎn)變, 更加注重農(nóng)業(yè)低碳化、生態(tài)化和可持續(xù)化, 因而農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合評價成為了區(qū)域農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究的熱點[12-14]。師帥等[15]和馬歷等[16]學(xué)者分別從低碳、區(qū)域人地關(guān)系等視角, 結(jié)合生態(tài)補償、區(qū)域農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展等背景對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了評價; 賈士靖等[17]和馮宗富等[18]通過分層次建立指標(biāo),應(yīng)用耦合模型對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了定量分析。此外, 學(xué)者們還從全國、省域、縣域等不同尺度對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行了評價[19-21]。胡兵輝等[22]則對不同時序農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能協(xié)同度進(jìn)行了測算, 結(jié)果表明, 我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展協(xié)同度呈現(xiàn)“東高西低”的空間格局。東北旱作區(qū)是我國糧食增產(chǎn)規(guī)劃的關(guān)鍵區(qū)域之一, 但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能和生態(tài)功能的結(jié)構(gòu)性矛盾是該區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙, 系統(tǒng)內(nèi)部各功能之間的時空權(quán)衡關(guān)系還不清晰[23]。如何全面評價東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生活、農(nóng)業(yè)生態(tài)功能之間的協(xié)同發(fā)展程度, 成為區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容之一。本文基于復(fù)雜系統(tǒng)理論, 運用協(xié)同學(xué)方法構(gòu)建東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展評價體系, 通過計算不同時段農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同度和權(quán)衡程度, 分析各功能時空演變特征, 以期厘清區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有序發(fā)展的障礙因素, 為東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)包括黑龍江省的 46個縣市、吉林省的19個縣市和遼寧省的20個縣市。以1 km2網(wǎng)格離散東北地區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖, 將網(wǎng)格內(nèi)旱地占耕地面積40%以上、地形坡度＜5°的區(qū)域作為旱作區(qū)。研究區(qū)年降水量300～600 mm、年積溫2 000～3 400 ℃。依據(jù)降水和土壤類型劃分為東部半濕潤易旱區(qū)和西部半干旱區(qū), 東部半濕潤易旱區(qū)土壤類型以黑土、草甸土為主, 有機質(zhì)含量較高, 西部半干旱區(qū)主要為黑鈣土和堿土。研究區(qū)地貌上屬于山麓沖洪積平原及臺地, 耕地破碎度小且耕作條件良好, 主要種植玉米(Zea mays)、小麥(Triticum aestivum)等糧食作物和大豆(Glycine max)、甜菜(Beta vulgaris)等經(jīng)濟作物, 是我國北方重要旱作作物種植區(qū)及商品糧基地(圖1)。

圖1 東北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)分布圖Fig. 1 Distribution of dry farming areas of Northeast China

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)及土壤屬性數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)基于區(qū)域遙感影像, 依據(jù)旱作區(qū)劃分方法利用ENVI提取旱地斑塊, 并利用ArcGIS 10.3軟件對行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)和所提取數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置處理。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要源于東北各省市統(tǒng)計年鑒、《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》、《中國縣域統(tǒng)計年鑒》等資料[24-28]。研究區(qū)土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)來自 2017年 5月采集土壤樣品的測試結(jié)果, 以15 km×15 km網(wǎng)格布點與按土壤亞類分層抽樣相結(jié)合的方法, 按照0～20 cm、20～40 cm垂直分層取樣,共采集274個土樣。樣品風(fēng)干過篩后測定土壤含水量、容重、有機質(zhì)含量等指標(biāo), 并參考姜文來[29]和王思楚等[30]的方法, 基于農(nóng)田土壤各項指標(biāo)測定結(jié)果計算旱作區(qū)土壤水源涵養(yǎng)量和有機碳含量。個別縣市有效灌溉率及農(nóng)藥使用量數(shù)據(jù)缺失, 用相鄰年份的數(shù)據(jù)代替; 為消除因行政區(qū)劃調(diào)整對數(shù)據(jù)分析造成的影響, 本文以 2015年最新行政區(qū)劃為準(zhǔn),進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2.2 協(xié)同評價指標(biāo)體系

依據(jù)科學(xué)性、層次性和可比性等原則, 在參考同類研究成果的基礎(chǔ)上, 通過頻度分析建立初始指標(biāo)體系。結(jié)合區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的特點, 將東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)劃分為 3個子系統(tǒng), 分別為反映區(qū)域糧食產(chǎn)出及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入強度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)子系統(tǒng)、反映區(qū)域人口生活和社會經(jīng)濟發(fā)展水平的農(nóng)業(yè)生活子系統(tǒng)和反映由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的農(nóng)業(yè)生態(tài)子系統(tǒng)[31-32]。綜合考慮數(shù)據(jù)的可獲得性, 對不同時段數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余篩選,最終從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生活和農(nóng)業(yè)生態(tài) 3個方面分層次建立東北旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同評價指標(biāo)體系, 指標(biāo)中糧食類作物主要包括小麥、玉米和大豆(表1)。

2.3 協(xié)同函數(shù)

協(xié)同是事物間良性互動關(guān)系的描述, 學(xué)者常用“協(xié)同函數(shù)”來測度復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部相互影響的強度[33]。本研究假設(shè)旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展、演變過程中的屬性序參量為λj=(λj1,λj2,λj3,…,λji,),j≥1;i≥1,βji≤λji≤αji。旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)及各子系統(tǒng)屬性序參量λji的值δji(λji)為:

式中:βji和αji分別為第j個屬性序參量在第i個指標(biāo)上的下限值和上限值,δji(λji)∈[0, 1]越大, 表示序參量對系統(tǒng)屬性的貢獻(xiàn)越大; 反之, 則越小。正、逆向表示不同指標(biāo)趨向的標(biāo)準(zhǔn)化方法; 決定系統(tǒng)屬性特征的所有序參量λji貢獻(xiàn)率的集合就是λj對系統(tǒng)屬性有序程度的總貢獻(xiàn), 可將系統(tǒng)屬性有序度值ηj(ηj)表示為:

表1 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同評價指標(biāo)體系Table 1 The synergy valuation index system of agro-ecosystem in the dry farming areas of Northeast China

同理, 通過序參量貢獻(xiàn)值的幾何平均數(shù)確定子系統(tǒng)θmj(ηmj)的有序度函數(shù),m≥1。序參量ηj(λj)越大,子系統(tǒng)θmj(ηmj)的有序度就越高, 反之, 就越低。給定初始時刻t0, 子系統(tǒng)的有序度為當(dāng)系統(tǒng)演變至t1時刻時, 子系統(tǒng)服務(wù)的有序度為

將子系統(tǒng)有序度代入式(3)和(4), 即可計算出子系統(tǒng)協(xié)同度的值S(Cλ), 并對各子系統(tǒng)的協(xié)同度求幾何平均數(shù), 從而得出東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的綜合協(xié)同度T(Sm)。參考已有研究成果和上述農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同度變化區(qū)間及取值特征, 本研究對系統(tǒng)協(xié)同度的變化區(qū)間劃分如下[34](表2)。

表2 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同度變化區(qū)間及描述Table 2 The change interval and description of synergy degree of agro-ecosystem in the dry farming areas of Northeast China

2.4 權(quán)衡關(guān)系量化

參考Bradford等[3]提出的方法, 利用統(tǒng)計參數(shù)均方根誤差(RMSE)作為旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多種功能權(quán)衡關(guān)系的量化指標(biāo)。以某一對功能的坐標(biāo)點較1∶1線的相對位置, 來說明在某一種情況下哪種功能的收益更多一些; 并以坐標(biāo)點到1∶1線的垂直距離,判斷各功能之間權(quán)衡度的大小[35]。

式中: ESi為第i個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能協(xié)同度的標(biāo)準(zhǔn)差,為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中各功能協(xié)同度標(biāo)準(zhǔn)差的平均值,n為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能分類數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 東北旱作區(qū)旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各功能時空變化特征

從空間分布特征來看, 2005—2010年, 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能協(xié)同度呈現(xiàn)中間高、南北低的分布格局, 高值區(qū)(Ⅲ級、Ⅳ級)主要集中于吉林旱作區(qū)和黑龍江旱作區(qū)中南部, 均值達(dá) 0.34; 而2010—2015年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能協(xié)同度低值區(qū)(Ⅰ級、Ⅱ級)主要分布于吉林省旱作區(qū)和黑龍江旱作區(qū)中南部, 其中吉林旱作區(qū)協(xié)同度下降最為明顯, 最大降幅為 1.10, 黑龍江北部縣市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能協(xié)同度則有所增加。從時間尺度分析, 2010—2015年, 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能協(xié)同度較2005—2010年平均下降0.03, 其中降幅較大的是吉林省通榆縣和洮南市(圖2A)?？傮w而言, 2005—2015年東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能協(xié)同度下降, 區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能整體向無序方向發(fā)展。

2005—2010年, 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生活功能協(xié)同度低值區(qū)(Ⅰ級、Ⅱ級)集中連片分布于各省旱作區(qū)境內(nèi); 2010—2015年低值區(qū)向各省旱作區(qū)邊緣地帶轉(zhuǎn)移, 高值區(qū)零散分布于部分縣市。從時間變化來看,2005—2010年, Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級協(xié)同度縣市個數(shù)所占比例分別為 9.41%、69.41%、21.18%; 而2010—2015年Ⅰ級、Ⅱ級縣市個數(shù)所占比例分別下降為 8.24%、56.47%, Ⅲ級縣市個數(shù)則上升為32.94%。區(qū)域農(nóng)業(yè)生活功能協(xié)同度平均上升0.1, 增幅為 58.82%, 整體向有序方向發(fā)展, 但黑龍江和吉林旱作區(qū)的局部縣市農(nóng)業(yè)生活功能協(xié)同度有所下降(圖2B)。

2005—2010年, 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)功能協(xié)同度高值區(qū)(Ⅲ級、Ⅳ級)在黑龍江、吉林旱作區(qū)集中連片分布, 低值區(qū)(Ⅰ級、Ⅱ級)主要分布于遼寧旱作區(qū);而2010—2015年生態(tài)功能協(xié)同度高值區(qū)集中于遼寧旱作區(qū), 低值區(qū)則集中連片分布于黑龍江、吉林旱作區(qū), 且協(xié)同度下降明顯。從時間尺度分析,2005—2010年, Ⅲ級、Ⅳ級協(xié)同度縣市個數(shù)占比分別為58.82%、22.35%, 而2010—2015年分別下降為24.71%、4.7%, Ⅱ級縣市所占比例則上升為61.18%,農(nóng)業(yè)生態(tài)功能協(xié)同度平均下降 0.45, 整體向無序方向發(fā)展(圖2C)。

3.2 東北旱作區(qū)旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同分析

圖2 2005—2015年東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能(A)、生活功能(B)和生態(tài)功能(C)協(xié)同度時空變化Fig. 2 The temporal and spatial variations of synergy degree of agro-ecosystem from 2005 to 2015 in the dry farming areas of Northeast China (A: agricultural production function; B: agricultural living function; C: agricultural ecological function)

通過計算東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能協(xié)同度的幾何平均值, 得到不同時段內(nèi)東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的綜合協(xié)同度, 并依據(jù)設(shè)定的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級劃分(圖3)。結(jié)果表明, 2005—2010年,東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度為 0.03, 處于較協(xié)同狀態(tài)。其中Ⅰ級、Ⅱ級協(xié)同度的縣市總數(shù)所占比為45.88%; 而2010—2015年Ⅰ級、Ⅱ級協(xié)同度的縣市總數(shù)則上升為 70.59%, 區(qū)域綜合協(xié)同度下降為-0.08, 處于低度協(xié)同水平, 但各縣市降幅不同?？臻g分布上, 2005—2010年, 綜合協(xié)同度高值區(qū)集中連片分布于黑龍江、吉林旱作區(qū), 低值區(qū)分布于遼寧旱作區(qū)大部和黑龍江旱作區(qū)局部及邊緣地帶;而2010—2015年則與之相反, 綜合協(xié)同度高值區(qū)零散分布于黑龍江旱作區(qū)北部及遼寧旱作區(qū)東南部,低值區(qū)則在黑龍江、吉林旱作區(qū)集中連片分布。從綜合協(xié)同度變化量可知, 2005—2015年, 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度下降 0.12, 吉林西部、黑龍江的中部、三江平原旱作區(qū)部分縣市綜合協(xié)同度下降明顯, 其中吉林省西北、西南旱作區(qū)綜合協(xié)同度最大降幅達(dá) 40%。相關(guān)研究表明, 糧食增產(chǎn)壓力與農(nóng)業(yè)資源環(huán)境負(fù)荷持續(xù)加重的矛盾促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能與生態(tài)功能朝相反方向發(fā)展, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能與生態(tài)功能之間的協(xié)同狀態(tài)被打破, 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度持續(xù)下降[36-37]。

圖3 2005—2015年東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度時空變化Fig. 3 The temporal and spatial variations of agro-ecosystem overall synergy degree from 2005 to 2015 in the dry farming areas of Northeast China

為了進(jìn)一步明確不同時段東北各省旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同度演變特征, 本研究對東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)整體及各功能協(xié)同度計算結(jié)果作了進(jìn)一步分析。結(jié)果表明, 遼寧旱作區(qū)各功能協(xié)同度在 2005—2010年表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)生態(tài)功能＞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能＞農(nóng)業(yè)生活功能, 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度處于Ⅱ級水平; 而 2010—2015年各功能及綜合協(xié)同度均上升為Ⅲ級水平。吉林旱作區(qū)各功能協(xié)同度在 2005—2010年表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能＞農(nóng)業(yè)生態(tài)功能＞農(nóng)業(yè)生活功能, 綜合協(xié)同度為 0.17, 處于Ⅲ級水平, 而 2010—2015年則表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)生活功能＞農(nóng)業(yè)生態(tài)功能＞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能, 綜合協(xié)同度下降0.37, 處于Ⅱ級水平。2005—2010年, 黑龍江旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)功能協(xié)同度為 0.40, 處于Ⅲ級水平,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能和生活功能協(xié)同度分別為-0.04、-0.17, 均屬于Ⅱ級水平; 而2010—2015年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能協(xié)同度上升為 0.05, 達(dá)到Ⅲ級水平; 農(nóng)業(yè)生態(tài)功能和生活功能協(xié)同度則分別降為-0.33、-0.11, 均屬于Ⅱ級水平?？傮w而言, 2005—2015年, 遼寧旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度上升,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)、生活功能協(xié)同度在各時段內(nèi)差異性不顯著(P＜0.05); 而吉林、黑龍江旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度下降, 且各功能協(xié)同度在不同時段上存在明顯差異, 整體朝無序方向發(fā)展(圖4)。2005—2015年, 吉林、黑龍江旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生活功能協(xié)同度上升, 而農(nóng)業(yè)生態(tài)功能下降, 各功能之間的協(xié)同狀態(tài)被打破, 導(dǎo)致兩省旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)整體協(xié)同度下降。

3.3 旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各功能權(quán)衡關(guān)系差異

圖4 東北各省旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)、生活功能協(xié)同度變化Fig. 4 The variations of synergy degree of three agricultural functions in the dry farming areas of Northeast provinces in China

通過計算東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各功能均方根誤差, 量化各功能之間的權(quán)衡關(guān)系。由圖5可知,2005—2010年, 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-生態(tài)功能之間收益于生態(tài)功能的縣市數(shù)量所占比為 81.18%, 可見東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在二者之間總體收益于農(nóng)業(yè)生態(tài)功能; 而2010—2015年收益于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能的縣市數(shù)量占比達(dá)69.41%, 說明該階段區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在二者之間總體收益于生產(chǎn)功能。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能和生活功能之間的權(quán)衡關(guān)系在2005—2010年和2010—2015年兩個時段內(nèi)無明顯變化。各時段內(nèi)農(nóng)業(yè)生活功能與生態(tài)功能之間的權(quán)衡關(guān)系明顯,2005—2010年, 區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在二者之間收益于農(nóng)業(yè)生態(tài)功能的縣市數(shù)量所占比為83.53%, 而2010—2015年該比例則下降為28.24%, 整體趨向收益于農(nóng)業(yè)生活功能。該結(jié)果從各功能的權(quán)衡關(guān)系角度解釋了東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同度的變化特征, 表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-生態(tài)、農(nóng)業(yè)生活-生態(tài)功能之間收益方向的轉(zhuǎn)變是東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同度出現(xiàn)波動的重要原因。

圖5 2005—2010年和2010—2015年東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各功能權(quán)衡關(guān)系變化Fig. 5 The trade-offs among three agricultural functions in the dry farming areas of Northeast China during 2005-2010 and 2010-2015

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

2005—2015年, 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度明顯下降, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能、生活功能和生態(tài)功能之間的不協(xié)調(diào)發(fā)展是導(dǎo)致其下降的主要原因。相關(guān)研究表明, 由于區(qū)域人均耕地面積減少、旱地改水田趨勢加快以及化肥產(chǎn)出率下降等原因?qū)е赂黜椫笜?biāo)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能的貢獻(xiàn)率下降, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能協(xié)同度降低[38]。雖然研究區(qū)糧食產(chǎn)量持續(xù)增加,但受到人口增長、糧食價格波動等因素影響, 導(dǎo)致人均糧食占有量和農(nóng)民人均純收入增速放緩, 區(qū)域農(nóng)業(yè)生活功能協(xié)同度雖有所增加, 但增幅較小[39]。研究區(qū)是我國重要糧食產(chǎn)區(qū), 近年來在糧食持續(xù)增產(chǎn)的同時, 化肥、農(nóng)藥以及農(nóng)膜的長期過量投入使農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境負(fù)荷加重, 區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)功能協(xié)同度下降, 導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境面臨較大壓力。

就東北旱作區(qū)各省份而言, 吉林、黑龍江旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度明顯下降, 可見吉林、黑龍江旱作區(qū)在農(nóng)業(yè)供給側(cè)調(diào)整方面還具有較大的空間。已有研究表明, 近30年吉林、黑龍江旱作區(qū)農(nóng)業(yè)種植制度和種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化, 小麥播種面積縮減, 玉米種植面積增加, 水稻種植呈現(xiàn)北移東擴趨勢等因素, 均是引起區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同度出現(xiàn)波動的因素[40-41]。而遼寧旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度上升的主要原因是區(qū)域內(nèi)部分縣市受國家糧食作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等政策的積極影響,玉米種植面積大幅調(diào)減。調(diào)整面積主要種植經(jīng)濟作物和特色作物, 替代作物收益良好。伴隨著種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整, 農(nóng)業(yè)化肥施用和農(nóng)藥的使用量下降, 農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險降低, 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)向協(xié)同有序方向發(fā)展[42-43]。

本文應(yīng)用統(tǒng)計參數(shù)均方根誤差判別東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各功能之間的權(quán)衡關(guān)系, 以某一對功能坐標(biāo)點的相對位置變化來表征各功能之間的權(quán)衡關(guān)系, 其不僅可以定量化表征各功能間權(quán)衡關(guān)系的強弱, 而且可以直觀地描述不同時段內(nèi)各功能間收益方向的變化。通過對不同時段內(nèi)各功能之間的權(quán)衡分析, 結(jié)果表明東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-生態(tài)、生活-生態(tài)功能之間權(quán)衡關(guān)系的變化是影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同性的主要因素。2005—2015年, 各功能之間的權(quán)衡關(guān)系發(fā)生了明顯變化, 但由于區(qū)域內(nèi)各縣市在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整幅度及農(nóng)業(yè)人口等方面有較大區(qū)別, 導(dǎo)致東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各功能之間權(quán)衡關(guān)系的強弱呈現(xiàn)一定差異。由于本文的研究側(cè)重點不同以及受數(shù)據(jù)獲取的限制, 在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)選擇上與前人研究存在一定差異, 最終評價結(jié)果可能具有區(qū)域局限性[44]。建議后續(xù)研究在內(nèi)容上可分地域強化協(xié)同評價體系中指標(biāo)設(shè)置的科學(xué)性, 結(jié)合區(qū)域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化, 模擬不同土地利用情景下農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中各功能權(quán)衡及協(xié)同關(guān)系的變化特征; 在研究尺度上, 可在典型縣域或在更大研究尺度上做進(jìn)一步分析探討, 更好地推動區(qū)域農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展研究。

4.2 結(jié)論

2005—2015年, 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度平均下降 0.12, 由Ⅲ級(較協(xié)同)下降為Ⅱ級(低度協(xié)同)水平。就各功能而言, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能和生態(tài)功能分別下降0.03、0.45, 而生活功能協(xié)同度有較小增幅。2005—2010年, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能協(xié)同度高值區(qū)主要分布于吉林和黑龍江旱作區(qū)中部縣市, 低值區(qū)集中于黑龍江旱作區(qū)北部邊緣及遼寧旱作區(qū)大部;而2010—2015年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能高值區(qū)集中于遼寧省大部和黑龍江部分縣市, 低值區(qū)則集中連片分布于吉林和黑龍江旱作區(qū)大部。從各省份來看, 吉林、黑龍江旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合協(xié)同度下降, 朝無序方向發(fā)展, 而遼寧旱作區(qū)與之相反, 綜合協(xié)同度上升, 朝有序方向發(fā)展。

2005—2015年, 東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各功能之間存在時空權(quán)衡關(guān)系。2005—2010年, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-生態(tài)、農(nóng)業(yè)生活-生態(tài)功能之間的權(quán)衡關(guān)系整體均表現(xiàn)為收益于農(nóng)業(yè)生態(tài)功能; 2010—2015年則整體呈現(xiàn)為收益于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能和農(nóng)業(yè)生活功能, 而2005—2015年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-生活功能二者之間的權(quán)衡關(guān)系變化較小。區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整以及農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)移等因素的變化推動了各功能之間權(quán)衡關(guān)系及收益方向的轉(zhuǎn)變, 進(jìn)而導(dǎo)致東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)整體協(xié)同度出現(xiàn)波動。

本研究將協(xié)同函數(shù)和統(tǒng)計參數(shù)均方根誤差應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)時空協(xié)同演變特征的研究中具有可行性, 其協(xié)同度及權(quán)衡程度可以作為定量化衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有序發(fā)展及系統(tǒng)內(nèi)部各功能之間關(guān)系的重要指標(biāo)。通過某一對功能的坐標(biāo)點距離1∶1線的相對位置, 分析不同時段旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-生活以及農(nóng)業(yè)生活-生態(tài)功能之間權(quán)衡關(guān)系的強弱變化, 能夠更直接有效地判斷引起農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同度變化的因素, 可為東北旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有序發(fā)展提供決策依據(jù)。

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