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：基于經濟、社會與生態視角利用多因素綜合評價模型并結合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變化與各縣（市、區）耕地利用效益空間變異的特征。結果表明，2005—2014年三江平原耕地利用效益整體呈上升趨勢，生態效益在2005—2009年呈下降趨勢，隨著農業資源利用效率的提高，2009年以后耕地利用生態效益基本穩定；現代農業綜合改革試驗區的建立，帶來三江平原耕地利用效益空間格局的重塑，東北部低平原區耕地利用綜合效益高于西南部丘陵地區；未來三江平原耕地利用效益還有較大的提升空間，實現農業現代化的同時應更加注重耕地利用生態效益與經濟、社會效益的協調發展。

關鍵詞：耕地利用效益；時間變化；空間分異；GIS技術；三江平原；經濟效益；社會效益；生態效益；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，波蘭農業地理學家Kostowicki根據農業類型學委員會判定的原則和方法把世界農業劃分為6個一級類型、25個二級類型和93個三級類型[7]；Herdt等提出從生態效益、社會效益和經濟效益3個方面來衡量農業系統的可持續發展能力[8-9]。國內學者傅伯杰等認為應依據土地可持續利用的特點，從生態、社會、經濟角度建立土地可持續利用的評價指標體系[10]；黃秋昊等指出土地可持續利用的評價指標應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、聚類分析和相關性分析等方法進行實證研究，揭示了區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量下降明顯的一些人口密集地區，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變化規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上，建立三江平原耕地利用效益評價指標體系，應用地理信息系統（geographic information system，GIS）技術對三江平原耕地的經濟效益、社會效益、生態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）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%。該區域是溫帶濕潤、半濕潤的大陸性季風氣候，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。區域內土壤土層相對較厚，質地主要是以壤土和壤質粘土為主，土壤有機質含量相對較高，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%，是我國重要的農業區和商品糧生產基地。

2研究方法

2.1耕地利用效益評價指標體系的構建

在科學性、客觀性、系統性和可操作性等原則的指導下從經濟、社會與生態視角綜合測度三江平原耕地利用效益。經濟效益從耕地資金、技術等投入與生產成本降低、糧食產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角度分析耕地利用對社會環境系統作用的效益；生態效益從生態環境角度闡釋在耕地利用過程中對生物、土壤、水資源等生態環境造成的影響[15]。結合三江平原的實際情況，經因子分析篩選出13個指標，構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構成，將耕地利用綜合效益定為目標層，經濟效益、社會效益和生態效益設為準則層，各單項指標設為指標層。

2.2耕地利用效益評價指標權重的確定

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，進而構建判斷矩陣，設為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。依據方根法計算最大特征根所對應的特征向量，進而得到各項指標的重要性權值，經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重Wi，如表2所示。

2.3數據處理

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

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。考慮到后期繪圖便于觀察，將標準化處理數值轉化為指標得分：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，即Qi越大，耕地利用效益越高，反之亦然。

研究數據來源于2006—2015年《黑龍江省統計年鑒》[17]和各地方統計年鑒，部分數據來源于我國經濟與社會發展統計數據庫和黑龍江省統計公報，評價方法使用的部分數據是根據各項指標由原始數據計算整理得到。endprint

2.4耕地利用效益評價模型

根據各指標數據標準化處理后計算得分和指標綜合權重，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；E為經濟效益指數；S為社會效益指數；F為生態效益指數；Qi為第i個指標的得分值；Wi為各指標的組合權重值，∑Wi=1；Bi為單因子權重，∑Bi=1。

3結果與分析

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個轉折點；而生態效益曲線呈下降趨勢，且下降幅度較大。

耕地利用經濟效益是耕地綜合利用效益的核心，經濟效益的提高有助于社會需求滿足度的提高和耕地生態環境的改善。三江平原耕地利用經濟效益在2005—2014年這10年內增長幅度較大，2010、2013年出現轉折點，均比上一年小幅度下降。分析影響三江平原耕地利用經濟效益的影響因素可以看出，糧食單位面積總產值、農業機械化程度始終處于增長態勢，技術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致使農時約延后15 d，嚴重影響糧食產量，2013年8月份，受降水偏多和主要江河水位上漲的影響，局部農田出現澇情，糧食生產受到直接威脅，致使2010、2013年糧食播面單產下降，這2個年份的耕地利用經濟效益出現轉折。

根據耕地利用社會效益評價指數變化，2005—2014年三江平原耕地利用社會效益基本呈穩步上升趨勢，間或有小的回落。隨著社會經濟的發展，人均糧食產量、社會需求滿足度、人均農業國內生產總值、農民人均純收入和勞動力轉移指數均有所增加；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定。另外，由于自然災害，2010年、2013年人均糧食產量與社會需求滿足度有所回落，導致三江平原耕地利用社會效益出現小幅度下降。

耕地利用的生態效益關系到耕地利用的可持續發展，2005—2014年三江平原的耕地利用生態效益的評價值與經濟、社會和綜合效益的相反，出現了明顯下降又趨于平穩的態勢。2005—2009年，三江平原耕地資源生態環境狀況相對較好，前期生態效益指數明顯高于經濟效益、社會效益和綜合效益，但糧食增產的同時伴隨著化肥、農藥投入量的加大，致使這一階段的耕地利用生態效益逐年下降。2009—2014年，三江平原耕地生態效益評價值趨于平穩，萬元產值能耗的逐步降低緩解了耕地利用生態效益下降的態勢，這種態勢從一定意義上表明耕地利用不可持續的危險有所控制。

三江平原耕地利用的綜合效益總體呈上升趨勢，2005—2007年生態效益的下降一定程度上影響了耕地利用綜合效益，加之經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，實現江河、航運和水系貫通，發揮三江平原水利工程綜合效益，隨著水利設施的修建、農業科技水平的改善與農民農業素養的提高，其耕地利用綜合效益在整體上也處于上升態勢。

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

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的虎林市和依蘭縣，這些縣（市、區）地廣人稀，人均耕地面積交廣，人均糧食產量較高，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）平均值為0.53 hm2，人均糧食產量平均值為3 164.49 kg，超過平均值的縣（市、區）有8個，人均農業國內生產總值和農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）分別有9、13個，分別占40%、56%。表明三江平原水土資源豐富，農業產值相對較高，但農民收入差距較大，收入高的農民集中在佳木斯、鶴崗、雙鴨山、雞西和七臺河等5個市轄區及其周邊縣（市、區），這些地區的勞動力轉移指數也比較高。

三江平原耕地利用生態效益評價值得分為小于105.00、105.01～107.00、107.01～109.13的縣（市、區）分別有6、10、7個。高值區主要分布在東部平原區，耕地利用的生態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，這些地區土壤肥沃、農業現代化程度高，化肥、農藥的利用率高，對水體、土壤污染較小。低值區則集中在七臺河及其周邊地區，影響這些縣（市、區）生態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、七臺河市市轄區和同江市位于后5位。但從整體上看，三江平原地區積極響應國家發展農業建設高水平農業示范區的號召，政府加大農業水利等基礎設施投入，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效益下降趨勢有所緩解，耕地利用可持續度提高。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，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）農業經濟和技術發展水平的差異所致。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主要位于三江平原的東北部，該地區耕地開發時間較短，耕地質量較高，再加上黑龍江省農墾系統歸屬其中，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和勃利縣，其余縣（市、區）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）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結論與討論

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

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，各縣（市、區）的農業生產水平不均衡發展，耕地利用效益高值區集中在三江平原東北部低平原區，耕地利用綜合效益較高的地區有撫遠市、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業機械化程度、萬元產值能耗、農民人均純收入，表明三江平原耕地利用技術、勞動力資源的區域分配不平衡和農民的貧富差距較大。

未來三江平原在大力發展農業的同時更應重視耕地利用綜合效益的提高，根據三江平原各縣（市、區）耕地利用效益的空間差異，制定相應的區域規劃，引導各區域經濟、社會和生態效益協調發展。依靠科技進步增加糧食播面單產，提高農業生產效率，減小農業機械化水平和能耗的空間差異，在耕地利用過程中控制農藥、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技術可以直觀地反映三江平原各縣（市、區）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監測平臺提供理論依據。此外，由于客觀條件的局限性，在今后的研究中，還須進一步優化耕地利用效益評價指標體系，減小評價結果與實際值的偏差。

參考文獻：

[1]劉瓊峰，李明德，段建南，等. 基于GIS的湖南省耕地利用效益時空變異研究[J]. 經濟地理，2013，33（9）：142-147.

[2]李俏，谷國鋒，姚麗，等. 黑龍江墾區耕地利用效率變化分析[J]. 干旱區資源與環境，2016，30（4）：30-35.

[3]李瑞華，李明秋. 河南省耕地利用效益時空分異及驅動因素研究[J]. 地域研究與開發，2010，29（1）：109-112.

[4]劉吉平，趙丹丹，田學智，等. 1954—2010年三江平原土地利用景觀格局動態變化及驅動力[J]. 生態學報，2014，34（12）：3234-3244.

[5]王娟，于鳳榮，孫曉兵，等. 三江平原耕地后備資源評價及空間特征分析[J]. 現代化農業，2016（5）：59-62.

[6]宋開山，劉殿偉，王宗明，等. 1954年以來三江平原土地利用變化及驅動力[J]. 地理學報，2008，63（1）：93-104.

[7]Todkari G U，Suryawanshi S P，Suryawanshi M V，et al. Agriculture landuse pattern in solapur district of Maharashtra[J]. International Journal of Agriculture Sciences，2010，2（2）：1-8.

[8]Herdt A R，Byeongsu Kim A，Taton T A. Encapsulated magnetic nanoparticles as supports for proteins and recyclable biocatalysts[J]. Bioconjugate Chemistry，2007，18（1）：183-189.

[9]Vitousek P M，Naylor R，Crews T，et al. Nutrient imbalances in agricultural development[J]. Science，2009，324（5934）：1519-1520.

[10]傅伯杰，陳利頂，馬克明. 黃土丘陵區小流域土地利用變化對生態環境的影響——以延安市羊圈溝流域為例[J]. 地理學報，1999，54（3）：241-246.

[11]黃秋昊，蔡運龍. 國內幾種土地利用變化模型述評[J]. 中國土地科學，2005，19（5）：25-30.

[12]林庶民. 耕地利用效益時空差異：基于山東省的實證研究[J]. 內蒙古農業大學學報（社會科學版），2007，9（2）：97-100.

[13]牛海鵬，張安錄. 耕地利用生態社會效益測算方法及其應用[J]. 農業工程學報，2010，26（5）：316-323.

[14]陳美球，黃靚，蔡海生，等. 鄱陽湖區土地健康評價[J]. 自然資源學報，2004，19（2）：170-175.

[15]宋戈，梁海鷗，林佳，等. 黑龍江省墾區耕地利用綜合效益評價及驅動力分析[J]. 經濟地理，2010，30（5）：835-840.

[16]李豐玉，董子銘. 基于層次分析法（AHP）的休閑農業產業集群競爭力評價指標體系[J]. 江蘇農業科學，2014，42（12）：484-486.

[17]黑龍江省統計局，國家統計局黑龍江調查總隊. 黑龍江統計年鑒2006—2015[M]. 北京：中國統計出版社，2006—2015.江蘇農業科學2017年第45卷第23期周鴻文，孫艷偉，呂文星，等. 基于SWAT模型的青海引黃灌區耗水系數模擬[J]. 江蘇農業科學，2017，45（23）：248-251.endprint