土地利用轉型和糧食產量耦合關系
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摘要：土地利用轉型包含顯性形態和隱性形態的變化，而土地利用強度是土地利用隱性形態的重要指征，既可以反映出人類對土地的干預程度，又可以呈現出特定時期社會經濟發展狀態。本文以土地利用強度的定量測度為抓手，基于分縣統計數據及遙感解譯的土地利用數據計算了區域土地利用隱性形態的變化，探討了區域土地利用轉型與糧食產量的耦合關系。研究表明：（1）1990—2010年，黃淮海地區耕地利用強度不斷增加，而村莊建設用地利用強度快速減少，且區域時空格局差異明顯；（2）耕地利用強度-村莊建設用地利用強度-糧食產量耦合類型時空演化特征明顯，“低-低-低”類型主要分布在環渤海灣地區，而“高-高-高”類型主要集聚于冀魯豫交界地區；（3）土地利用轉型推動糧食生產格局不斷演化，二者耦合關系模式將呈現出由“拮抗”到“協調”的轉化過程。綜上所述，土地利用轉型過程中，科學優化土地利用轉型與糧食生產的耦合關系，對保障區域糧食安全有重要作用。
關鍵詞：黃淮海地區；土地利用轉型；隱性形態；糧食生產轉型；耦合關系
土地作為人地關系地域系統中的關鍵要素，深刻影響著社會經濟的轉型和發展。同時，社會經濟的轉型發展也帶來了土地利用方式的變革，進而導致區域土地利用轉型[1]。土地利用轉型指在特定的社會經濟變革過程中，區域土地利用由一種形態（含顯性形態和隱性形態）轉變為另一種形態的過程[2]。其中土地利用隱性形態主要涉及土地質量、產權、經營方式、投入和產出等多重屬性[3]。土地利用強度是土地利用隱性形態的重要屬性，既可以反映出人類對土地的干預程度，又可以呈現出特定時期內區域社會經濟發展狀態。土地利用強度的變化是土地利用形態變化的內在動力之一[4]，因此，基于土地利用強度來研究土地利用隱性形態的變化是一種有效的嘗試。當前，針對土地利用強度的內涵和外延[5-6]、定量測度、格局演化[7]及動力機制[8]研究較多，而針對區域土地利用強度的變化與糧食生產的關系研究較少。基于以上分析，本文選取我國糧食主產區（黃淮海地區）與糧食生產密切相關的耕地和村莊建設用地[9]利用強度的變化，表征區域土地利用隱性形態的轉型，在土地利用隱性形態定量測度的基礎上，劃分土地利用隱性形態變化與糧食產量的耦合類型，在實證研究的基礎上探討基于土地利用強度變化區域土地利用轉型與糧食生產的耦合關系，用以指導區域糧食生產系統的優化與調控。
1材料與方法
1.1研究區概況黃淮海地區占我國國土面積的4.3%，2010年黃淮海地區耕地面積、人口數量和糧食產量占全國的比重分別為20.6%、22.5%和30.8%，其中小麥和玉米產量占全國總產量的比重約為70%和40%[10]。依照地形特征和農業生產特點該地區又可以劃分4個亞區，分別為燕山太行山山麓平原區（以下簡稱山麓平原區）、冀魯豫低洼平原區（以下簡稱低洼平原區）、黃淮平原區和山東丘陵區[11]（圖1）。黃淮海地區作為我國耕地面積廣、人口密度大和糧食產量高的“三高”地區特征日漸明顯[12]。同時，該地區又是我國城鄉快速轉型發展地區，耕地、村莊建設用地等與糧食生產和農民生活密切相關的土地利用形態快速轉型。
1.2數據來源本文研究過程中使用的分縣統計數據來源于《中國縣（市）社會經濟統計年鑒》及各地（市）年鑒，統計數據主要包括化肥使用折純量、有效灌溉面積、農作物播種面積、農業機械總動力、鄉村人口數量、鄉村從業人員數量、農業勞動力數量等指標，部分評價指標市轄區沒有統計數據將使用地級市平均數補充。土地利用數據來源于國土資源部，該數據采用第二次全國土地利用調查分類體系，數據根據LandsatTM和ETM傳感器經幾何校正后合成的真彩色影像監督分類獲得。經過市轄區合并處理后，本文研究的黃淮海地區共有358個縣級行政單元。
1.3土地利用隱性形態的測度
1.3.1指標選取本文以土地利用強度的變化表征區域土地利用隱性形態的轉型。研究表明，耕地與村莊建設用地的變化是鄉村地區土地利用轉型的主體[9]，因而，本文構建了耕地利用強度和村莊建設用地利用強度，用以定量刻畫黃淮海地區與糧食生產密切相關的土地利用隱性形態轉型。耕地利用強度（LUIF）評價指標體系的選擇以糧食生產相關的“投入”指標作為評價依據。黃淮海地區糧食生產系統中地均化肥投入（Ffer）[10-14]、灌溉系統（Pirri）[13]、復種指數Cropi和地均農業機械（Pam）的使用作為評價耕地利用強度的指標。而影響糧食生產的其他要素如自然環境和資本等要素，未納入測度指標。村莊建設用地指鄉村地區與農民生產和生活相關的建設用地。城鎮化進程中，農業勞動力非農就業比例不斷上升，村莊建設用地利用格局不斷演化，村莊建設用地在糧食生產中的功能也發生了較大變化。村莊建設用地利用強度（LUIR）的評價指標亦考慮到與糧食生產密切相關的指標，本文以鄉村人口密度（Rpopd）、農業勞動力比重（Parl）、村莊建設用地比例（Prc）和鄉村人均建設用地（Pccl）作為評價指標。評價指標中除鄉村人均建設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。評價指標權重的確定參考了已有的研究成果[15]，在咨詢國內相關領域專家意見的基礎上，利用熵值法[16]確定，即考慮了數據樣本客觀性的同時兼顧專家判定，各評價指標的權重如表1。
1.3.2土地利用隱性形態測度方法為了消除評價指標體系源數據量綱對評價的影響，對源數據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指標歸一化后的數值，Xkn為第n個樣本k指標的原始數據，Xmax和Xmin分別代表第k個指標的最大值和最小值。在數據標準化的基礎上利用指標權重與歸一化之后的數據相乘求和的方法定量評價土地利用隱性形態轉型，耕地利用強度的計算利用公式（3），村莊建設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重，Tij和Tip為i縣第j和第p個指標歸一化后的數值。1.4耕地利用強度-村莊建設用地利用強度-糧食產量耦合分類利用耕地利用強度和村莊建設用地利用強度，結合縣域糧食產量，基于ArcGIS10.2中自然間斷點（Jenks）分類方法，分別把3個序列數據由低到高分為“低”（1）、“中”（2）和“高”（3）3組，利用3伊3矩陣交叉方法，構建“低-低-低”（111）…“高-高-高”（333）共27類耕地利用強度-村莊建設用地利用強度-糧食產量耦合（FRGC）類型（圖2）。在研究過程中利用信息圖譜[17]的方式，實現在復雜耦合類型模式下的格局演化研究。
2結果與討論
2.1土地利用轉型與糧食產量變化的時空格局研究結果表明，耕地利用強度持續增加，村莊建設用地利用強度加速下降，糧食產量波動上升。1990—2010年LUIF（圖3a~圖3c）均值由0.29上升到0.4，山麓平原區耕地利用強度一直較高；黃淮平原區和低洼平原區增長較快，成為耕地高投入區；山東丘陵區耕地利用強度較低。期間，LUIR均值由0.52下降到0.45，并呈現加速減少的趨勢（圖3d~圖3f），1990—2000年村莊建設用地利用強度呈現下降趨勢，山東丘陵區保持較高水平，黃淮平原西部地區LUIR大部在增加，而低洼平原區和蘇北地區及山麓平原區村莊建設用地利用強度處于下降趨勢。1990—2010年黃淮海平原地區糧食產量由1.06億t上升到1.65億t，1990年、2000年和2010年糧食產量占全國總產量的比重分別為24.4%、24%和30.1%，在經歷了2000年附近短暫的下降后，黃淮海地區糧食生產在全國的地位不斷加強。黃淮平原區和低洼平原區是糧食增產的主要地區（圖3g~圖3i），而山麓平原區和山東丘陵區糧食產量在下降。
2.2土地利用轉型與糧食產量耦合類型的時空格局1990—2010年耕地利用強度-村莊建設用地利用強度-糧食產量耦合類型時空格局FRGC特征明顯，呈現穩中有變的時空格局。1990—2010年LUIF較低（111~133）的區域主要集中于山東丘陵區、低洼平原東部和黃淮平原南部地區（圖4a~圖4c），LUIR和糧食產量較低的區域主要集中在環渤海灣地區；山東丘陵區和山麓平原部分地區LUIR和糧食產量較高。耦合類型中LUIF居中（211~233）的區域主要分布在低洼平原北部和山東丘陵東部地區，并在黃淮平原地區離散分布（圖4d~圖4f）；這些縣域中LUIR和糧食產量較低的區域主要集中在低洼平原北部地區，而LUIR和糧食產量較高的地區主要集中在黃淮平原區。黃淮海地區LUIF較高（311~333）的地區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，并逐漸在冀魯豫交界地區形成明顯的集聚區（圖4g~圖4i），而山麓平原北部地區逐漸退出該耦合類型；FRGC類型中LUIF、LUIR和糧食產量均較高的地區逐漸向冀魯豫交界地區集中，而蘇北地區和山麓平原地區的縣域逐漸減少，石家莊市附近地區耦合類型逐漸由333類型為主演化為322類型為主。
2.3土地利用轉型與糧食生產的耦合關系土地利用轉型背景下，不同地類土地利用強度相互影響，共同推動區域糧食生產格局的轉型。轉型初期，耕地和村莊建設用地利用強度均增加，推動糧食生產能力提升。城鎮化背景下，農業剩余勞動力析出，農業勞動力數量相應減少，就業結構和收入結構不斷改善，農戶農業生產資本投入能力增強，耕地利用強度提高[18]。農民改善居住條件的需求增加，農村宅基地開始向外擴張，村莊建設用地的比例增加，這一階段，農業生產收入比例仍占主要地位，農民的兼業情況主要呈現為季節性和短距離外出務工或本地非農就業為主。鄉村人口總體增長狀態下，農業勞動力比重下降不明顯，村莊建設用地利用強度增加。這一階段耕地利用強度與村莊建設用地利用強度普遍上升，糧食生產能力得到提升，糧食安全格局穩定（圖5a）。轉型中期，耕地利用強度繼續增加和村莊建設用地利用強度開始下降，區域糧食安全保障能力下降。農業勞動力轉移過程中，由于人口增加和經濟因素導致的村莊建設用地面積呈現快速的外延擴張，人均建設用地面積迅速提高（圖5b）。同時，由于大量人口外流，村莊宅基地出現廢棄和空置現象，農村“空心化”[19]問題突出。此外，部分農業勞動力實現資本原始積累，徹底脫離農業生產，農村宅基地需求下降。農業勞動力的兼業化比例提高，農業勞動力數量快速下降，農業勞動力比重下降，鄉村人口密度也隨之下降。城鎮化快速推進過程中，城鎮建設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，村莊建設用地在建設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用地利用強度的下降。
隨著農戶收入結構的改善，農戶繼續追加耕地投入的能力迅速提升，但是純農戶的比例不斷減少[20]，并且農戶的年齡結構趨于“老弱化”，大規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。農戶耕地流轉的趨勢開始出現，且比例不斷提升。而耕作條件較好的平原農區隨著農業機械化的大力推廣，糧食播種面積不降反升（如研究時段內的黃淮平原區），灌溉比例也相應提升，而丘陵及耕地質量不高地區的耕地利用形態會出現棄耕或撂荒[21]的現象，耕地利用強度區域格局差異明顯。這一階段耕地利用強度仍保持較高水平，糧食產量較穩定。但同時也應該看到糧食生產要素投入產出的效率不斷下降，糧食生產成本不斷增加，糧食生產所帶來的資源環境問題不斷凸顯[22]。耕地資源被建設占用的比例迅速提高（圖6），村莊建設用地利用強度不斷下降，糧食生產的保障能力降低。轉型后期，耕地和村莊建設用地利用強度均下降，糧食生產高效化和集約化保障區域糧食安全。城鎮化發展中后期，農業勞動力比重低，村莊建設用地整治需求旺盛，農村聚落社區化，人口居住集中化開始大力推進，村莊建設用地的比例迅速下降，村莊建設用地將實現優化重組[23]。鄉村人口密度不斷降低，農業勞動力數量和比重不斷下降，村莊建設用地利用強度下降。耕地利用方面由于鄉村人口逐漸減少，土地流轉的比例不斷增加，糧食生產的規模化和集約化不斷加強，可持續的農業生產系統[24]不斷優化，耕地利用強度逐步下降，并趨于穩定。農村剩余勞動力轉移基本完成，新型農業經營主體成為糧食生產的主力，糧食生產格局進入新的狀態（圖5c）。城鎮化進程中，我國土地利用形態與糧食生產均發生了深刻的變化，系統研究二者耦合關系、動力機制及其演化規律，對于揭示我國糧食生產系統要素轉型、結構變革和功能演化，保障我國糧食安全的同時，促進鄉村良性發展，優化鄉村土地利用結構，實現社會良性轉型具有至關重要的作用[25]。因此，糧食生產轉型過程中，應合理優化土地利用轉型與糧食生產的耦合關系，加強耕地的保護力度，限制村莊建設用地的無序擴張，合理搭配鄉村農業生產體系中的人口及其他生產要素，確保農戶生產與生活水平穩定提升。
3結論
（1）城鎮化進程中，黃淮海地區土地利用形態和糧食生產格局迅速轉型。1990—2010年土地利用轉型格局呈現出耕地利用強度不斷增加，村莊建設用地利用強度加速減少，且時空格局區域差異明顯。區域糧食生產能力經歷短暫的下降后持續增強。（2）1990—2010年耕地利用強度-村莊建設用地利用強度-糧食產量耦合類型時空格局特征明顯。“低-低-低”（111）類型主要分布在環渤海灣地區，“高-高-高”（333）類型主要集聚于冀魯豫交界地區。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且不斷集中。（3）土地利用轉型推動糧食生產格局不斷演化。轉型初期，耕地和村莊建設用地利用強度均增加，推動糧食生產能力提升。轉型中期，耕地利用強度繼續增加和村莊建設用地利用強度開始下降，區域糧食安全保障能力下降。轉型后期，耕地和村莊建設用地利用強度均下降，糧食生產高效化和集約化保障區域糧食安全。依據土地利用轉型與糧食生產不同階段的耦合關系，制定合理的糧食生產政策能夠有效保障區域糧食生產安全。（4）本文基于土地利用強度變化初步探討了土地利用轉型與糧食生產的耦合關系，是土地利用轉型對糧食生產系統影響的初步研究。而對土地利用隱性形態中涉及質量、產權和經營方式等土地利用形態尚缺乏深入的研究。本文初步構建了土地利用轉型與糧食生產耦合關系模式，但對二者耦合過程的動力機制研究仍薄弱，這些內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境學院；3.中國科學院精準扶貧評估研究中心
