黑龍江省地級市耕地利用生態效益時空變化分析

張漫琳，宋　戈，2，劉海礁，張　雪，閆　飛，4

(1.東北農業大學資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150030；

2.東北大學土地資源管理研究所，遼寧 沈陽 110819；

3.東北農業大學經濟管理學院，黑龍江 哈爾濱 150030；

4.民航黑龍江安全監督管理局，黑龍江 哈爾濱 150030)

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黑龍江省地級市耕地利用生態效益時空變化分析

張漫琳1，宋戈1，2，劉海礁3，張雪1，閆飛1，4

(1.東北農業大學資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150030；

2.東北大學土地資源管理研究所，遼寧 沈陽 110819；

3.東北農業大學經濟管理學院，黑龍江 哈爾濱 150030；

4.民航黑龍江安全監督管理局，黑龍江 哈爾濱 150030)

[摘要]以黑龍江省13個地級市為研究區，從生產、生活和生境3個方面構建了評價指標體系，應用突變級數法對研究區2003—2012年耕地利用生態效益的時空變化進行了分析.結果表明:(1)10年間，研究區耕地利用生態效益可分為4個變化時期，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，耕地利用生態效益水平呈現波動發展的變化趨勢.(2)2003—2008年，高效區、較高效區、較低效區的城市數量變化依次表現為減少、增加、保持不變；2008—2011年，高效區、較高效區、較低效區的城市數量變化依次表現為增加、減少、保持不變.(3)2003—2008年，高效區分布由東部、西北部向中部、東南部延伸；較高效區分布由南部、中部向東西部邊沿延伸；較低效區分布由北部、東南部邊沿向西部邊沿延伸；2008—2011年，高效區分布由中部、東南部向中部四周延伸；較高效區分布由南部、東西部邊沿向東南部變化；較低效區分布由西部邊沿向南部、北部邊沿變化.

[關鍵詞]突變級數法；耕地利用；生態效益；時空變化

1問題的提出

耕地利用生態效益水平是衡量耕地質量高低的重要依據，科學地評價耕地利用生態效益水平并分析其時空變化特征，不僅能夠協調區域人地關系，保障區域糧食安全，而且對實現區域生態經濟效益平衡具有重要的指導意義.在人類對耕地的利用過程中，引發了耕地數量減少、耕地質量下降、耕地生態系統退化等一系列問題，耕地資源面臨著前所未有的挑戰.如何合理高效地利用耕地資源，提高耕地利用生態效益水平已引起了政府和學者的普遍關注.

目前，國內外學者對于耕地利用生態效益問題已經做了一定的探索.國外學者一般采用狀態描述法、指標法、調查法[1-3]，從自然和人為要素、耕地保護、耕地空間類型及特征[4-6]等角度來研究耕地利用生態效益；國內學者的研究主要集中在耕地利用綜合生態效益的評價、生態效益價值的測算、影響生態效益變化的驅動力分析等方面[7-15].在對耕地利用生態效益進行研究時主要側重于時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域或是熱點城市，進行中微觀評價[15-16]，對于省域范圍各城市進行的宏觀評價較少；研究方法手段主要采取層次分析法和熵值法結合[11]、主成分分析法[13]，還有學者運用GIS手段進行計算[17]，這些方法普遍存在著人為賦權較重、主觀性較強的問題.

本文選取黑龍江省13個地級市為研究區，基于突變理論，運用突變級數法，對2003—2012年研究區耕地利用生態效益水平進行了宏觀評價，并對其空間變化特征進行了分析.研究方法突破了以往指標之間相互影響和關聯的問題，同時減少了人為賦權較重的主觀性，不僅為解決耕地利用生態效益問題提供了科學的方法與思路，而且也為全國同類地級市耕地資源合理利用與結構優化起到了借鑒和參考作用.

2研究區概況與研究方法

2.1研究區概況

本文以黑龍江省12個地級市(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)以及大興安嶺地區為研究區.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%；年末總人口為478.9萬人；地區生產總值由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，黑土有機質含量較高、肥力較好，總耕地面積和可開發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，部分地區已出現了耕地質量下降的問題.

2.2數據來源與標準化

本研究所需數據主要來源于《黑龍江統計年鑒》(2003—2012).

由于耕地利用生態效益評價的指標較多，為使各指標之間量綱統一具有可比性，因此要將原始數據進行標準化處理，以得到的標準化數值作為評價的基礎.本文采用極差標準變換對數據進行了處理.

2.3耕地利用生態效益模型的建立

突變級數法是一種對評價目標進行多層次矛盾分解，利用突變理論與模糊數學相結合產生突變模糊隸屬函數，由歸一公式進行綜合量化運算，從而對評價目標進行排序分析的一種綜合評價方法.該方法沒有對指標采用權重，但考慮了各評價指標的相對重要性，從而減少了主觀性又不失科學性、合理性，而且計算簡易準確，其應用范圍廣泛.[18-20]本文應用突變級數模型評價研究區耕地利用生態效益，主要思路為：(1)建立多層次的評價指標體系；(2)確定評價指標體系各層次的突變系統模型；(3)利用歸一公式進行綜合評價.

2.3.1尖點突變模型的建立

本文運用尖點突變模型計算耕地利用生產效益水平，其突變模糊隸屬函數為

f(x)=x4+ax2+bx.

式中：x為狀態變量，即耕地利用生產效益；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效益的影響強度為a>b.另外，耕地資源效益、耕地質量的計算也屬于尖點突變模型.

2.3.2燕尾突變模型的建立

本文運用燕尾突變模型計算耕地利用生態效益水平，其突變模糊隸屬函數為

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

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

2.3.3蝴蝶突變模型的建立

本文運用蝴蝶突變模型計算耕地數量水平，其突變模糊隸屬函數為

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

式中：x為狀態變量，即耕地數量；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、復種指數、受災面積，其中對耕地數量的影響強度為a>b>c>d.另外，水資源效益的計算也屬于蝴蝶突變模型.

3研究區耕地利用生態效益評價

3.1耕地利用生態效益評價指標體系的構建

本文結合研究區域實際情況，從生活、生產、生境3個方面選取了16個指標構建評價指標體系，對黑龍江省13個地級市耕地利用生態效益的高低水平進行了評價(見圖1).

圖1　黑龍江省耕地利用生態效益評價指標體系

3.2耕地利用生態效益各層指標突變類型的確定

建立多層次的耕地利用生態效益評價指標體系，并通過層次分析法對各層次指標按重要程度進行排序.如果一個指標所對應的下層指標有2，3，4個，可視該指標為狀態變量，2，3，4個下層指標為控制變量的尖點突變類型、燕尾突變類型、蝴蝶突變類型.指標逐層集成的突變類型見圖2.

圖2　黑龍江省耕地利用生態效益各層次突變類型

3.3耕地利用生態效益評價結果

本文運用歸一化公式(公式(1)—(3))，逐層應用突變級數模型，依次計算耕地利用的生活效益、生產效益、生境效益，最終求取2003—2012年黑龍江省耕地利用的生態效益評價值，結果見表1.

歸一化公式：

，尖點突變；　(1)

4研究區耕地利用生態效益時空變化分析

4.1研究區耕地利用生態效益時間變化分析

根據表1的評價結果得到2003—2012年黑龍江省耕地利用生態效益評價值曲線圖(見圖3).

黑龍江省耕地利用生態效益變化趨勢是：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，耕地利用生態效益呈現波動發展的變化趨勢(見圖3).

圖3　黑龍江省2003—2012年耕地利用生態效益評價值

2003—2004年，研究區耕地利用生態效益由 0.641 2下降為0.600 2，水土協調比率的不平衡、農用復合肥使用量的增加導致耕地利用生態效益水平出現下降趨勢；2004—2005年，研究區耕地利用生態效益由0.600 2上升到0.714 8，耕地保護政策的進一步實施、農田水利設施的進一步健全，保證了農田有效灌溉面積，促進了耕地質量的改善；2005—2007年，研究區耕地利用生態效益由0.714 8下降到0.640 4，年均下降率為3.38%，災害面積的增加、人口的快速增長、水土協調比率下降導致耕地的生產力下降，耕地利用生態效益水平波動較大；2007—2012年，研究區耕地利用生態效益由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，黑龍江省農村土地補償制度政策在利益上加強了人們對耕地保護的認識，直接或間接地提高了耕地的質量，同時政府加強了對環境的重視程度、投資力度也對耕地利用生態效益水平產生一定的影響.

4.2耕地利用生態效益空間變化特征分析

4.2.1評價標準的確定

目前，國內外還沒有統一確定耕地利用生態效益的標準.本文參考了國內外相關研究，同時結合黑龍江省地級市的實際特征，建立了黑龍江省耕地利用生態效益的評價標準(見表2).

表2　耕地利用生態效益的評價標準

4.2.2空間變化特征分析

根據突變級數模型，對黑龍江省13個地級市2003年、2008年、2011年耕地利用生態效益進行評價，得到的計算結果見圖4.同時，2003年、2008年、2011年研究區耕地利用生態效益水平的空間分布集中在較低效區、較高效區和高效區，根據研究區耕地利用生態效益水平，繪制黑龍江省13個地級市3年的耕地利用生態效益空間分布圖(見圖5).

研究發現，高效區城市的數量呈先減少后增加趨勢，較高效區城市的數量呈先增加后減少趨勢，較低效區城市的數量保持不變.其中，2003年研究區高效區、較高效區、較低效區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效益評價值

圖5　2003年、2008年、2011年黑龍江省地級市生態效益空間分布圖

2003—2008年黑龍江省地級市耕地利用生態效益空間分布表現為：高效區由東部、西北部向中部、東南部延伸，表現較為突出城市為哈爾濱市.哈爾濱市作為全省重要的經濟中心，其優勢在于耕地數量的增長(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，土地生產能力得到提高.較高效區由南部、中部向東西部邊沿延伸，表現較為突出城市為鶴崗和雙鴨山市，兩個城市均為煤炭型城市，耕地生態環境質量較穩定，因地制宜地選擇發展可持續產業，減少開采煤炭對生態系統的破壞，對于該類地區耕地利用生態效益提高具有重要意義.較低效區由北部、東南部邊沿向西部邊沿延伸，主要表現在齊齊哈爾市，該城市的耕地利用生態效益由2003年的0.894 4下降到2008年的0.575 6，作為重要的老工業基地，生產工業廢料、生活垃圾大量排放，環境質量下降，人口的增長、受災面積的擴增加大了耕地的壓力，生態效益水平降低，由高效區轉為較低效區.

2008—2011年黑龍江省地級市耕地利用生態效益空間分布表現為：高效區由中部、東南部地區向中部四周延伸，表現較為突出城市為大慶、佳木斯和鶴崗市，這類城市的優勢在于人均耕地面積提高、受災面積減小、除澇易澇比率增大，生產環境較優越；土地復種指數變大、三廢綜合利用率提高，促進了耕地利用生態效益的提高.較高效區由南部、東西部邊沿向東南部變化，表現較為突出城市為雞西市，其生態效益水平由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構遭到破壞、土壤污染嚴重，因此，加大基礎設施建設、加入高新科技產業對于較高效區上升為高效區有較大影響.較低效區由西部邊沿地區變化為南部、北部地區，主要表現在牡丹江市，其生態效益值由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、復種指數、農田有效灌溉面積下降，受災面積迅速增長，耕地利用的整體生產能力下降，生態效益水平下降.

5結論及討論

本文以黑龍江省13個地級市為研究區，運用突變級數法，分析了2003—2012年耕地利用生態效益的時空變化及2003年、2008年、2011年3個時期的空間變化特征，研究結果表明：

(1) 2003—2012年黑龍江省地級市耕地利用生態效益變化可分為2003—2004年下降、2004—2005年上升、2005—2007年下降、2007—2012年上升4個時期.

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

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

(4) 化肥和農藥的施用量、災害的發生是導致生態效益下降的主要因素，土地墾殖指數、復種指數、農田灌溉保證率、水土協調比率是影響耕地利用生態效益高低的重要因子.

為提高研究區耕地利用生態效益水平，應盡量減少化肥、農藥的施用量以及生產生活三廢、垃圾的排放；同時加強農田水利設施建設，提高抵御自然災害的能力；政府制定針對性的耕地保護與治理政策.

耕地利用生態效益評價是一項綜合生態、經濟、社會和景觀的復雜工程，簡單建立評價指標體系不能全面反映出耕地利用生態效益的水平，除本文考慮到的影響因素外，政策、管理、農業基礎設施建設、抗災等眾多指標的量化方法將是今后進一步深入研究的課題.

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(責任編輯：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[學科代碼]790·5930

[文獻標志碼]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域發展研究；通信作者：宋戈(1969—)，女，博士，教授，博士研究生導師，主要從事土地利用與城鎮規劃研究.

[基金項目]國家自然科學基金資助項目(41071346)；中央高校基本科研業務費資助項目(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