黃河西岸耕地資源時空演變及承載力研究

藺康莉 紀(jì)欣卓 張宇

(1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障[1],2019年9月,習(xí)近平總書記在河南鄭州考察調(diào)研時強調(diào)要一起抓好大保護、協(xié)同推進(jìn)大治理,將黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略[2]。近年來,隨著經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)、人口增加,導(dǎo)致黃河西岸耕地資源明顯減少,面臨著經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)業(yè)開發(fā)的雙重威脅,研究黃河西岸的耕地資源數(shù)量規(guī)模、結(jié)構(gòu)、布局及其演變,可為保障生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)安全、促進(jìn)黃河流域的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

在耕地資源數(shù)量變化方面,魏洪斌等[3,4]專家學(xué)者運用空間統(tǒng)計分析和加權(quán)平均等方法,探討了基于不同空間尺度的中部糧食主產(chǎn)區(qū)耕地質(zhì)量分布狀況,并針對其限制因素提出了相關(guān)改進(jìn)措施?？紫楸蟮妊芯苛酥袊鞑康貐^(qū)耕地數(shù)量、質(zhì)量的空間分布規(guī)律[5]?；谑∮虺叨?夏建國等研究了四川省耕地數(shù)量、質(zhì)量的變化和原因,并提出了相關(guān)措施[6]。田光進(jìn)等利用遙感數(shù)據(jù)解析了近10a中國耕地資源的時空變化特征,并進(jìn)一步明確了耕地資源減少的影響因素[7]。宋艷華等對2002年和2012年河南省耕地質(zhì)量及其變化規(guī)律進(jìn)行了評價[8]。而耕地資源承載力研究[9-11]則發(fā)源在國外,于生態(tài)學(xué)的承載力中衍生,是20世紀(jì)中葉人類面臨的糧食短缺、能源危機、人口爆炸等眾多難題出現(xiàn)以后所開展的研究,其研究的目的是探討人口、糧食和土地之間的關(guān)系,并為解決三者相互作用引發(fā)的問題提出切實可行的對策。

本文通過數(shù)據(jù)可視化、動態(tài)度等方法對黃河西岸耕地資源利用現(xiàn)狀和時空變化進(jìn)行分析和評價,并運用地理探測器探測影響耕地面積變化的因子,為合理保護開發(fā)利用耕地資源提供參考依據(jù)。同時結(jié)合黃河西岸各縣(市)糧食生產(chǎn)與食物消費的現(xiàn)狀與趨勢,分析各縣(市)耕地資源的人口承載力,充分反映了區(qū)域內(nèi)人口與糧食的關(guān)系。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃河西岸區(qū)域覆蓋陜北、關(guān)中等部分區(qū)域。該區(qū)地貌類型多樣,位于中溫帶和暖溫帶。研究區(qū)涉及榆林、延安、渭南3市,見圖1,具體包括佳縣、府谷縣、吳堡縣、延川縣、神木市、綏德縣、清澗縣、宜川縣、合陽縣、大荔縣、潼關(guān)縣、延長縣、韓城市13個縣(市)。

圖1 研究區(qū)概況圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)包括4大類:耕地面積數(shù)據(jù),來源于陜西省土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫；矢量數(shù)據(jù),來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)；人口數(shù)據(jù)及糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù),來源于陜西省統(tǒng)計年鑒(2009—2018)。

1.3 研究方法

1.3.1 動態(tài)度模型

運用動態(tài)度模型[12]計算黃河西岸2009—2018年耕地資源面積變化率,從而進(jìn)一步探究耕地資源時空分異特征。計算公式:

式中,P為黃河西岸耕地面積多年平均變化率；Sa為研究期初黃河西岸耕地面積,Sb為研究期末黃河西岸耕地面積；T為研究周期。

1.3.2 地理探測器

耕地資源時空分異演變的影響因素大多為自然、經(jīng)濟、社會等。通過收集整理相關(guān)資料,選取相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,運用地理探測器方法有效探測各驅(qū)動因子對黃河西岸耕地時空變化的影響機制。地理探測器是一種統(tǒng)計學(xué)方法,用來探測不同地理要素之間的空間差異性特征及其驅(qū)動因子間的相互影響[13]。主要利用因子探測器和交互探測器從自然條件方面和社會條件方面來定量地進(jìn)行分析,計算公式:

式中,SSW為層內(nèi)方差和；SST為整個研究區(qū)的總方差；L是變量Y或者因子X的分類；Nh是層內(nèi)h個單元的個數(shù)；N是區(qū)域內(nèi)單元的個數(shù)；σ2h是層h的Y值方差；σ2是整個研究區(qū)的Y值方差。q的取值范圍是[0,1],q值越大,耕地資源變化Y的空間分異越明顯。如果是由X引起的,q越大,因子X對耕地變化屬性Y的解釋力就越強,反之則越弱。

1.3.3 承載力模型

耕地承載力是指在一定范圍內(nèi),以一定的土地利用方式為基礎(chǔ),能夠持續(xù)穩(wěn)定地支撐這一區(qū)域人口的食物總量[14]。耕地資源人口承載力是在一定糧食消費水平和一定生產(chǎn)條件下,區(qū)域糧食生產(chǎn)力所能承載的人口規(guī)模,即特定條件下糧食與人口的關(guān)系。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織公布的人均營養(yǎng)熱值標(biāo)準(zhǔn),我國每年人均糧食消費量400kg即可達(dá)到營養(yǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)。基于此,本文研究了黃河西岸各縣(市)糧食生產(chǎn)和糧食消費的現(xiàn)狀和趨勢,以人均糧食消費量作為營養(yǎng)安全的標(biāo)準(zhǔn),分析2009—2019年各區(qū)域縣(市)的耕地資源人口承載力。

為進(jìn)一步揭示黃河西岸各縣(市)的耕地資源承載力,本研究引入人口承載力指數(shù)的概念來表示各縣(市)的人糧關(guān)系。耕地資源人口承載力[15]及其相關(guān)指數(shù)的計算公式:

式中,LCC為黃河西岸耕地資源人口承載力,人；G為黃河西岸糧食總產(chǎn)量,kg；Gpc為黃河西岸人均糧食消費標(biāo)準(zhǔn),kg/人；LCCI為黃河西岸人口承載力指數(shù)；P為黃河西岸人口數(shù),人。根據(jù)盈余或超載的程度差異,可將人糧關(guān)系狀況進(jìn)一步細(xì)分為8個級別,如表1所示。

表1 基于人口承載力指數(shù)的人糧關(guān)系分級評價標(biāo)準(zhǔn)[16]

2 結(jié)果分析

2.1 耕地資源數(shù)量變化特征

由表2可知,研究區(qū)域涉及的13個縣(市)2009—2018年耕地面積總體增加,同時呈現(xiàn)先較快上升后緩慢下降的趨勢。2013年耕地面積增加量最大,到2015年達(dá)到峰值,后又緩慢下降。從各縣的角度分析,神木市耕地面積最多,大荔縣次之；韓城市耕地面積最少同時呈現(xiàn)下降趨勢。神木市煤炭資源豐富,礦區(qū)分布廣泛。近年來隨著土地復(fù)墾政策的逐步完善,礦區(qū)復(fù)墾后的新增耕地、土地綜合整治等逐漸增加是導(dǎo)致神木市耕地面積逐年攀升的原因；然而韓城市作為陜西省計劃單列市,占用部分耕地面積以滿足經(jīng)濟和城市發(fā)展的需要是造成其耕地面積下降的主要原因。通過對各年份耕地面積做差值可得2009—2018年期間,耕地面積每年變化量,見圖2。從10a變化總量來看,潼關(guān)縣、大荔縣、韓城市、府谷縣、綏德縣耕地面積減少,其中大荔縣耕地面積減少量最大；合陽縣、佳縣、吳堡縣、延長縣、宜川縣、神木市、清澗縣、延川縣耕地面積增加,其中,延長縣耕地面積增加最多,神木市次之。這主要是由于潼關(guān)縣、大荔縣、韓城市同屬于關(guān)中城市群,在城市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展的需求下占用部分耕地；而延長縣位于陜北黃土丘陵溝壑區(qū),土壤貧瘠,降水量少。近年隨著土地整治、土地復(fù)墾等工程的實施改善土地狀況,進(jìn)一步促使延川縣耕地面積增加。運用動態(tài)度模型計算可得黃河西岸2009—2018年耕地面積年變化率?？傮w來看,各市縣耕地面積年變化率幾乎均在正負(fù)0%～2%上下波動,變化較小。這說明10a來各市縣耕地面積不存在巨大幅度的變化,真正做到了耕地數(shù)量管護,系統(tǒng)地、全方位地保護耕地。但同時也存在突變點,如2013年延川縣耕地面積變化率上升至9.54%,宜川縣上升至3.11%,2018年韓城市下降至2.18%。

圖2 2009—2018年黃河西岸耕地面積每年變化量

表2 2009—2018年黃河西岸耕地面積變化表

2.2 耕地資源變化驅(qū)動力分析

耕地資源的時空分布變化的影響因素主要包括自然、經(jīng)濟、社會等,本次選取第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值(X1)、氣 溫(X2)、農(nóng) 村 居 民 人 均 可 支 配 收 入(X3)、降水(X4)、農(nóng)村人口(X5)、城鎮(zhèn)人口(X6)、人均GDP(X7)、糧食播種面積(X8)8個驅(qū)動因子,來探測黃河西岸耕地時空變化的影響機制。對各因子進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理,使用SPSS 25.0軟件采用K-均值聚類法對影響黃河西岸耕地資源時空變化的驅(qū)動因子進(jìn)行類別劃分,運用地理探測器模型,通過因子探測器獲得2009—2018年黃河西岸耕地變化驅(qū)動因子的影響強度即地理探測器的q值,q值越大則對耕地變化的解釋能力越強。由表3可知,2009—2018年黃河西岸耕地變化驅(qū)動因子按從大到小排列依次為q(X6)＞q(X1)＞q(X2)＞q(X8)＞q(X3)＞q(X5)＞q(X7)＞q(X4),其中城鎮(zhèn)人口的變化起到主導(dǎo)作用,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值起到較強的解釋作用。城鎮(zhèn)化率不斷攀升,在一定程度上影響耕地面積甚至質(zhì)量的演變。城鎮(zhèn)人口增加意味著農(nóng)村勞動力減少,這就會導(dǎo)致部分耕地被撂荒,耕地非農(nóng)化、非糧化現(xiàn)象出現(xiàn),造成耕地資源流失,面積下降；城鎮(zhèn)化的發(fā)展不可避免地占用優(yōu)質(zhì)耕地,導(dǎo)致耕地質(zhì)量下降。黃河西岸耕地資源時空變化是由多種影響因子共同作用的結(jié)果,運用地理探測器的交互作用探測器來獲取2009—2018年影響因子之間對耕地資源時空變化的交互作用,見表4。

表3 2009—2018年驅(qū)動因子作用強度q值

表4 交互探測作用分析結(jié)果

交互探測作用分析結(jié)果顯示,任意兩因子交互后對耕地資源影響的作用遠(yuǎn)大于單一因子所產(chǎn)生的作用。2009—2018年,黃河西岸耕地資源時空變化的交互作用中沒有單獨起作用的因子,皆是雙因子增強及非線性增強。其中,具有較強解釋力的因子是第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—農(nóng)村人口,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—農(nóng)村居民人均可支配收入,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—城鎮(zhèn)人口,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—人均GDP等,均為非線性增強。第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和農(nóng)村人口的交互作用達(dá)到0.90,說明這2個因子的交互作用對研究區(qū)耕地影響是最大的。同時,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—氣溫,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—降水,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—糧食播種面積,農(nóng)村居民人均可支配收入—城鎮(zhèn)人口,氣溫—降水,氣溫—城鎮(zhèn)人口,氣溫—人均GDP,降水—農(nóng)村人口,降水—城鎮(zhèn)人口,農(nóng)村人口—城鎮(zhèn)人口,農(nóng)村人口—糧食播種面積,城鎮(zhèn)人口—人均GDP,城鎮(zhèn)人口—糧食播種面積,人均GDP—糧食播種面積都為雙因子增強,說明第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)人口、農(nóng)村居民人均可支配收入、人均GDP等可以增強各個驅(qū)動因子對耕地資源時空變化的解釋。

2.3 耕地資源承載力評價

根據(jù)耕地資源人口承載力(LCC)及人口承載力指數(shù)(LCCI),耕地承載力(LCC)為糧食年產(chǎn)量與人均糧食消費標(biāo)準(zhǔn)的比值；耕地承載力指數(shù)(LCCI)為實際人口數(shù)與耕地承載力(LCC)的比值。以人均糧食消費400kg·a-1作為黃河西岸人均年消費糧食數(shù)量,計算出這一時期黃河西岸的LCC及LCC。

由圖3、圖4可知,2009—2019年黃河西岸耕地承載力指數(shù)從1.20減少到0.85,說明人糧關(guān)系從大部分地區(qū)的超載狀態(tài)逐漸演變?yōu)榇蟛糠值貐^(qū)的過剩狀態(tài)。主要原因在于糧食生產(chǎn)力的提升,產(chǎn)量增長的速度超過人口增長水平。從各縣市耕地人口承載力來看,2009年韓城市、潼關(guān)縣人口超載問題最為嚴(yán)重,按溫飽型生活標(biāo)準(zhǔn)400kg計算的耕地承載力指數(shù)達(dá)5.77和4.56之高,相比當(dāng)年實際人口總數(shù)超出32.37萬人和12.15萬人。原因是韓城市和潼關(guān)縣2009年糧食產(chǎn)量總和僅為黃河西岸總量的3%,人口總量卻占到了研究區(qū)總?cè)丝诘?5%,實際糧食產(chǎn)量難以滿足韓城市和潼關(guān)縣的溫飽要求,人口呈現(xiàn)嚴(yán)重超載狀態(tài)。2015年,府谷縣耕地承載力指數(shù)高達(dá)3.25,較2014年上升了2倍,成為該年人口超載問題最嚴(yán)重的縣,人口呈現(xiàn)嚴(yán)重超載狀態(tài)。2018年和2019年,韓城市再次成為人口超載問題最嚴(yán)重的地區(qū),耕地承載力指數(shù)高達(dá)3.29和3.20。黃河西岸各縣(市)中韓城市耕地面積最少,耕地質(zhì)量等別處于中等地、質(zhì)量較差,所以糧食產(chǎn)量較低。同時韓城市是陜西省計劃單列市,城鎮(zhèn)化的發(fā)展促使更多人選擇定居此地,但實際糧食產(chǎn)量無法滿足該城市人口的發(fā)展,所以韓城市多從其他縣(市)進(jìn)口糧食來滿足居民的需求。

圖3 2009年黃河西岸各縣(市)耕地承載力指數(shù)分布圖

圖4 2019年黃河西岸各縣(市)耕地承載力指數(shù)分布圖

從各縣(市)發(fā)展趨勢來看,神木市、吳堡縣、綏德縣在2009—2017年耕地承載力指數(shù)較高,均處于人口超載和嚴(yán)重超載的邊緣,但2018—2019年人糧關(guān)系處于糧食盈余的狀態(tài),究其原因是糧食產(chǎn)量增長幅度較大。近些年,土地流轉(zhuǎn)和規(guī)模經(jīng)營不斷發(fā)展,在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中神木市施行對于玉米進(jìn)行增密度提單產(chǎn),推廣運用水肥一體化、節(jié)水灌溉等高效技術(shù)手段,全面促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。佳縣、清澗縣、合陽縣、大荔縣在2009—2019年幾乎都處于人糧平衡和糧食盈余之間。2019年佳縣、清澗縣耕地承載力指數(shù)小于0.5,屬于富富有余的狀態(tài),合陽縣、大荔縣耕地承載力屬于盈余和平衡有余的狀態(tài)。佳縣和清澗縣糧食產(chǎn)量激增,但供養(yǎng)的人口數(shù)較少,所以相對而言耕地承載力大；合陽縣和大荔縣耕地面積較大,糧食產(chǎn)量在黃河西岸中位居前列,同時供養(yǎng)人數(shù)和糧食產(chǎn)量成正比,所以耕地承載力相較佳縣等較低。府谷縣、延長縣、延川縣、宜川縣耕地承載力在波動中變化。潼關(guān)縣、韓城市2019年耕地承載力相對于2009年有所好轉(zhuǎn),但仍然處于嚴(yán)重超載狀態(tài)。

總體而言,黃河西岸地區(qū)人糧關(guān)系處于盈余狀態(tài),不同地市耕地承載力差異顯著,且存在糧食流動,因此能夠從整體上滿足整個研究區(qū)的糧食消費。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

總體來看,2009—2018年黃河西岸耕地面積增加。從各縣(市)的角度來看,神木市耕地面積最多并呈現(xiàn)逐步上升趨勢,大荔縣次之；韓城市耕地面積最少且呈現(xiàn)下降趨勢。同時運用動態(tài)度模型計算黃河西岸2009—2018年耕地面積年變化率可以得出,各縣(市)耕地面積年變化率幾乎均在正負(fù)0%～2%上下波動,變化較小。

驅(qū)動因子探測下城鎮(zhèn)人口的變化起到主導(dǎo)作用,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值起到較強的解釋作用；交互探測中具有較強的解釋力的因子是第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—農(nóng)村人口,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—農(nóng)村居民人均可支配收入,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—城鎮(zhèn)人口,第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值—人均GDP等,且均為非線性增強。這說明第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化率的攀升在一定程度上會影響耕地面積甚至質(zhì)量的演變。

2009—2019 年黃河西岸耕地承載力指數(shù)從1.20減少到0.85,說明人糧關(guān)系從大部分地區(qū)呈超載狀態(tài)逐漸演變?yōu)榇蟛糠值貐^(qū)呈盈余狀態(tài),這主要得益于糧食生產(chǎn)力的提升,產(chǎn)量增長的速度超過人口增長水平。同時各縣(市)耕地承載力水平差異明顯,但不同地市之間存在糧食的流動,因此能在總體上滿足糧食消費。

4.2 討論

充分保護耕地資源的數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境,是實現(xiàn)耕地資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵,只有這樣才能有效保障我國的糧食安全和生態(tài)安全?；诖?黃河西岸要堅定地執(zhí)行現(xiàn)有的耕地保護制度,保持耕地資源數(shù)量不減。同時,通過對耕地后備資源的調(diào)查與評價,發(fā)現(xiàn)耕地資源潛力,實現(xiàn)后備資源的合理開發(fā)利用。嚴(yán)格控制土地利用,堅決控制“非農(nóng)化”和綜合治理“去糧化”,進(jìn)一步平衡耕地占補平衡,確保補充耕地在數(shù)量和質(zhì)量上達(dá)標(biāo)。