基于“三生”功能的河南省耕地利用綜合效益評價

周嘉昕，楊永芳，全江濤

(河南大學 環境與規劃學院，河南 開封 475004)

0 引言

耕地是最為寶貴的資源，我國人多地少的基本國情決定了必須實行最嚴格的耕地保護制度，在確保耕地數量的基礎上、提升耕地質量，才能有效保障農業生產、糧食安全及社會穩定。截止到2017年，我國共有農用地64512.66萬hm2，其中耕地13492.10萬hm2(20.24億畝)，占全國農用地面積的20.91%，相較于2016年13499.87萬hm2(20.25億畝)的耕地面積，年內凈減少耕地面積7.69萬hm2(0.01億畝)[1]。隨著城鎮化、工業化發展和人口日益增長的趨勢，糧食需求數量和結構也發生了變化。2004年中國首次邁入糧食“凈進口”時代，2015年糧食凈進口量高達9902萬t，相當于全國產量的16%，等同于0.49億hm2虛擬耕地產量，截至2017年，糧食凈進口量13062萬t，超過全國糧食總產量的1/5[2]。由此可見，耕地面積的不斷減少及其糧食需求數量和結構的變化，使我國耕地功能面臨眾多挑戰。因此，在促進經濟社會可持續發展、堅守耕地紅線的同時，高效地利用耕地資源，最大限度地提升耕地的功能效益，有助于保障國家糧食安全、維護社會穩定。

近年來，我國學者針對土地利用綜合效益評價進行了多方位、多視角、多方法的研究，學者們從不同視角構建了指標體系。孔祥斌等[3]從全球視角、農戶視角、時空監測網絡角度入手，選取具有代表性的指標對耕地質量發展趨勢進行探討；張曉慧等[4]從宏觀與微觀結合角度，利用各地市土地利用動態度、耕地相對變化率及耕地重心分布進行評價指標體系的構建；劉超等[5]基于耕地利用中的經濟、社會、生態3個方面效益，對目標地區耕地利用效益做出量化評價，利用協調度模型判斷3種效益之間的協調關系與發展趨勢；王建慶等[6]從投入強度、利用程度及產出效益等方面對耕地利用效益進行了分析；李紅等[7]從經濟發展水平、自然條件、區位因素、政策作用4個方面構建了耕地利用效益評價指標體系；覃事婭等[8]則從生產功能、生態功能、社會功能及文化功能方面構建了評價指標體系；朱向楠等[9]從微觀的村域尺度出發，利用GDI指數與障礙度評價了模型評價耕地效益，并分析了影響耕地效益的主導因素。

在研究方法上，劉瓊峰等[10]通過ArcGIS對研究地區耕地利用綜合效益進行了時空差異分析，直觀地反映出目標地區耕地利用效益指數及各評價指標的空間分布格局；梁流濤等[11]基于DEA的方法，將耕地利用綜合技術效率分解為純技術效率與規模效益進行分析后，對耕地利用效率變化影響因素進行了討論，最后得出建議及政策啟示；李佳等[12]從經濟、社會和生態3個方面構建了耕地利用效益評價指標體系并利用協調度模型判斷影響耕地利用效益的各個子系統之間的協調程度；鄭華偉等[13]通過GIS手段與PSR模型的結合,利用TOPSIS對模型中指標進行了優劣檢驗，不僅通過子系統的協調程度反映了耕地資源效益的均衡程度，同時發現“壓力-狀態-響應”系統中的“響應”層需要提高重視程度；梁雪石等[14]基于SBM模型，從碳排放效率視角對耕地效益與碳排放進行一致性分析、技術效率分析及規模效益分析，并將耕地類型進行高效率-高集約、高效率-低集約、低效率-高集約與低效率-低集約4種類型，從而提出了相對應的優化策略。

綜上所述，大部分學者的研究側重于指標因子的選取、模型框架的構建及研究方法的選用，多為單一的耕地利用綜合效益評價而未進行其他相關研究。因此，基于上述研究并結合河南省實際情況，本研究以耕地可持續利用為目標，在前人研究的基礎上，以河南省為例，基于耕地的生態功能、生產功能、生活功能構建綜合效益評價指標體系并進行三生功能的協調度分析，對2000～2016年河南省耕地利用效益進行了評價，以期為河南省耕地今后發展提出建議，為相關研究提供參考。

1 研究區概況

河南省位于中國中東部、黃河中下游，界于北緯31°23′～36°22′，東經110°21′～116°39′之間，地理位置優越，地處沿海開放地區與中西部地區的結合部，地跨淮河、長江、黃河及海河四大流域。河南省地勢西高東低，是傳統的農業大省和人口大省，又是新興的經濟大省和工業大省。河南省國土面積16.7萬km2，居全國各省區市第17位，約占全國總面積的1.73%；截至2018年，全省常用耕地面積810.60萬hm2、糧食總產量6168.3萬t，以全國1/16的耕地面積生產出了1/10的糧食，在全國糧食安全保障方面發揮著尤為重要的作用。然而隨著社會經濟的不斷發展，耕地的生產功能、生態功能及生活功能等方面也出現了較大波動。因此，以河南省為例，研究耕地利用綜合效益，不僅對實現農業增產、農民增收具有現實意義，更對確保國家糧食安全、推動“藏糧于地、藏糧于技”戰略具有極其重大的意義。

2 指標選擇與研究方法

2.1 指標選擇

本研究以河南省為例，從耕地利用的生產功能、生態功能和生活功能的“三生”功能進行分析，建立耕地利用綜合效益評價指標體系。生產功能即為人類生活和生存提供食物和原料的功能，表現為糧食生產、能源礦產生產、原材料生產及間接生產等。耕地的生產功能主要取決于耕地數量和質量的投入程度，因此選取農業機械化程度、單位面積糧食產量、土地生產力、單位面積勞動力投入4項指標作為生產功能的指標因子，以便較好地反映研究區耕地生產功能。生態功能指耕地系統利用過程中對水資源、土壤、生物、能源等的耦合與協同能力，表現為水源涵養、氣候調節、廢物與污染、生物多樣性與土壤形成與保護等。一方面農業生產過程與地表水資源和土壤質量關系緊密，另一方面我國大量使用農藥、化肥等，使土壤有機質含量不斷減少，耕地糧食生產能力對化肥的依賴越來越嚴重，對耕地質量減損的同時對生態系統也造成了極大損害。其次是農業與水的矛盾，統計表明，水利灌溉直接影響到我國糧食生產，當前我國超過20%的水利灌溉設施已失去了效益，因此，在生態功能中以復種指數表征研究區耕地利用程度、以耕地平均施肥量表征面源污染情況、以有效灌溉面積表征水源利用情況。生活功能是指耕地利用對社會環境系統造成的影響和產生的宏觀社會效應及對農民生活福祉的影響，表現為空間承載、物質生活保障及精神生活保障等，因此在生活功能中，選取人均耕地面積、農民人均純收入、社會需求滿足度、恩格爾系數、人均糧食產量5項指標因子。本研究通過上述12項指標因子從生產、生活和生態3個層面來表征耕地利用的綜合效益(表1)。

表1 河南省耕地利用效益評價指標體系

2.2 研究方法

2.2.1 熵值法 熵是對不確定性的度量，熵值法是利用信息的有序度差異，即信息效用值來確定權重的一種綜合評價方法[12]。信息量越大，不確定性就越小，熵也就越小；信息量越小，不確定性越大，熵也越大。

2.2.2 耕地利用綜合指標體系 耕地利用綜合指標體系是一個多層次、多指標組成的綜合評價體系，從生態功能、生產功能及生活功能3個方面入手，通過加權來構建形成耕地利用效益系數(Index of Land use Efficiency，ILE)。

現設耕地利用效益指數為ILE，生產功能、生態功能及生活功能3個效益層次分別為X1、X2、X3，而各個效益下的細化指標分別用下標的第二位表示，即X1i表示生產功能的各個細化指標，X2j表示生態功能的各個細化指標，X3k表示生活功能的各個細化指標。各個效益的權重表示為R1、R2、R3，而各個細化指標的權重則分別表示Wi、Wj、Wk，公式為：

可以看出，各個具體指標的權重對ILE將會產生很大的影響，因此如何確定這2個層次的權重將是研究方法的重點內容。此外，上述的各個具體指標的值，是經過無量綱標準化處理后的值(表2)。

表2 協調度取值范圍與意義

2.2.3 空間分析 選取2000、2005、2010及2016年4個時間截面，根據所獲得的耕地利用綜合效益值將其均等劃分為5個等級[15]：Ⅰ級(0.20

2.2.4 協調度分析法 本研究從生產功能、生態功能及生活功能方面表征河南省耕地利用綜合效益，從系統論的角度出發，生產、生態、生活功能與綜合效益之間存在沖突、權衡及協同的關系，但由于無法以量化形式對其進行分析，因此本研究引入協調分析法對生產、生態、生活功能與綜合效益之間的沖突及協同關系進行分析，只研究耕地利用綜合效益與三生功能效益協調與否，定量描述一個系統中各子系統的發展協調關系。其公式如下:

Di=1-Ti/Pi(i=1，2，…，n)

(2)

式中，Di為第i個樣本的協調系數；Ti為第i個樣本的各準則層評價值的標準差；Pi為第i個樣本的各準則層評價值的平均值。

協同理論認為：協調度C在0～1之間,當C>0.8時,協調度極大,耕地利用綜合效益各指標因子高度集中；當0.6

3 結果與分析

3.1 三生功能效益評價結果與分析

由數據及公式運算得到圖1，可以發現2000～2016年河南省耕地利用生產功能效益總體呈下降趨勢，大概分為4個階段，第一階段為2000～2003年，從2000年的0.14上升至2001年的0.16卻又在2002年下滑至0.11并保持穩定狀態，觀察生產功能中各項指標因子，發現單位面積勞動力投入呈下降趨勢，說明該階段單位面積勞動力投入對生產功能效益值影響較大進而限制耕地利用綜合效益的發展。第二階段為2004～2007年，該階段生產功能效益值直線上升，由2004年的0.5上升至2008年的0.22，該階段農業機械化程度、單位面積糧食產量、土地生產力及單位面積勞動力投入4項指標因子皆處于上升態勢。第三階段為2008～2009年，該階段處于急速下降階段并在2009年生產功能效益值達到17年最低值0.1，分析發現，除了全國第二次土地調查與第一次土地調查選用標準不一樣的原因外，一方面由于2008～2009年間全省遭遇百年一遇的洪澇暴雪等災害天氣，另一方面農業機械化程度及單位面積勞動力投入大幅度下降直接導致單位面積糧食產量與土地生產力下降。第四階段為2010～2016年，發展較為平穩，生產功能效益值在2014、2015、2016年分別達到0.14、0.16、0.13，此時農業機械化程度對生產功能效益值影響較大，由2014年的211.8 W/hm2上升至2015年的216.15 W/hm2，在2016年下降至180.45 W/hm2，與生產功能效益值發展趨勢一致。

圖1 2000～2016年河南省耕地利用綜合效益值

從圖1和表3可以看出：生態功能效益值處于波動下降狀態，分為4個階段。第一階段為2000～2002年，呈下降趨勢，從2000年的0.29下降至2002年的0.21，該階段復種指數由1.91降為1.84，有效灌溉面積比率由0.69降至0.66，化肥使用量大幅度上升，從0.620 t/hm2上升至0.646 t/hm2，對生態功能在一定程度上造成了負作用。第二階段為2003～2007年，該階段發展較為平穩，生態功能效益值始終處于0.24～0.26區間，其中化肥施用量與有效灌溉面積均呈直線增長態勢，化肥使用量依舊過高并在2008年達到0.79 t/hm2，并未得到有效遏制。第三階段為2008～2009年，處于急速下降階段，由0.24降至0.05，除全國第一次土地調查與全國第二次土地調查選用標準不一致的原因外，該階段對化肥施用量進行了有效遏制，減少了8.3%，從0.84下降至0.77，但復種指數及有效灌溉面積比率仍大幅度下降，復種指數由1.97降至1.73，下降了12.1%；有效灌溉面積比率由0.69降至0.61，下降了11.6%，說明此時耕地對化肥的依賴已較為嚴重。第四階段(2010～2016年)處于波動上升趨勢，從2010年的0.04上升至2016年的0.07，其中化肥施用量、復種指數及有效灌溉面積皆處于緩慢增長狀態，增長比例分別為4.8%、1.7%、4.8%。

從圖1和表3可知：生活功能效益值可以分為4個階段。第一階段為2000～2003年，呈先上升后下降的態勢，從2000年的0.03上升至2003年的0.04并在2002年達到最高值0.08，與社會需求滿足度及人均耕地面積發展趨勢相同。第二階段為2004～2007年，該階段處于直線上升趨勢，由2004年的0.07上升至2007年的0.13，除人均耕地面積下降了1.75%，農民人均純收入、社會需求滿足度、恩格爾系數及人均糧食產量均呈現上升趨勢。第三階段為2008～2009年，生活功能效益值由0.14上升至0.26，除人均耕地面積從0.073 hm2/人增加至0.082 hm2/人，農民人均純收入、社會需求滿足度、恩格爾系數及人均糧食產量均呈現負增長，這種態勢在一定意義上表明耕地面積的增加并沒有使耕地產量得到提升，因此應加強農業機械化水平，利用技術手段提高糧食產量，貫徹落實“藏糧于地、藏糧于技”戰略。第四階段為2010～2016年，處于平穩上升態勢，從0.22上升至0.32，觀察生活功能各項指標因子發現：除人均耕地面積從0.078 hm2/人下降至0.076 hm2/人，農民人均純收入、社會需求滿足度、恩格爾系數及人均糧食產量均處于正增長態勢。

3.2 綜合效益評價結果與分析

由圖1和表3數據可知，河南省耕地利用綜合效益總體呈上升趨勢，大概分為4個階段。

第一階段為2000～2003年，2000年河南省耕地利用綜合效益值為0.46，在2001年達到本階段最高值0.48，但在2002與2003年降至0.4，其中生產功能效益值與綜合效益值發展趨勢完全一致，在2001年由0.14上升至0.16卻又在2002年下滑至0.11并保持穩定狀態，其中生產功能各項指標因子中，單位面積勞動力投入呈先增后減的趨勢，對生產功能及耕地綜合效益影響較大，表明此時單位面積勞動力投入對提高耕地利用綜合效益有著重要的作用。

表3 河南省耕地利用綜合效益值

第二階段為2004～2007年，此階段呈直線上升趨勢，其中生產功能效益值從0.15直線上升至0.22、生活功能效益值從0.07直線上升至0.13、而生態功能效益值則在0.24～0.26區間內呈波動下降趨勢。觀察生產功能與生活功能指標因子發現：此時生產功能指標因子中農業機械化程度從10.49 kW/hm2上升至12.11 kW/hm2、單位面積勞動力投入從7.15人/hm2上升至7.26人/hm2，生活功能指標因子中人均糧食產量由2004年的0.438 t/人上升至2007年的0.531 t/人，不難發現農業機械化程度與單位面積勞動力投入是使耕地增產、效益提升的有效手段。

第三階段為2008～2010年，該階段處于急速下降態勢并在2010年達到17年耕地利用綜合效益最低值0.38，其中耕地的生產和生活功能效益值皆處于波動變化狀態，而生態功能效益值則從0.24直線下降致0.04，觀察生態功能指標因子發現：復種指數從1.97下降至1.73、有效灌溉面積比率從0.693下降至0.615。研究表明：此時耕地效益的提升主要依靠復種指數與有效灌溉面積，河南省在追求耕地利用經濟效益提升的過程中導致生態效益有所損失，因此，在今后耕地利用過程中應注意保護生態環境、統籌生態效益。

第四階段為2011～2016年，綜合效益值由0.4上升為0.52，處于直線上升階段，其中生產功能及生態功能皆處于波動變化，而生活功能發展趨勢與耕地利用綜合效益發展趨勢完全一致，從2011年的0.23上升至2016年的0.32，呈現出直線上升態勢。研究表明：人均糧食產量的提升是提升社會需求滿足度與減少恩格爾系數的重要指標因子，而人均糧食產量的增加則要依靠有效提升農業機械化程度，因此在未來的發展中應大力提高農機化程度、實現耕地的高效利用。

3.3 河南省耕地利用效益空間差異分析

為了研究河南省耕地利用綜合效益水平在地域空間上的分布差異，分別選取了2000、2005、2010和2016年4個時間截面，以河南省18個地市的評價指標數據為基礎，進行耕地利用綜合效益空間差異分析(圖2)。

圖2 河南省耕地利用效益值空間差異

由圖2分析可知，除鄭州和濟源外，其他地市耕地利用效益均呈上升趨勢，其中洛陽、開封、安陽、鶴壁、南陽、平頂山、三門峽、信陽、許昌、周口、駐馬店11個地市耕地利用綜合效益呈直線上升趨勢。結合圖2-a與圖2-b可以發現，此時耕地利用綜合效益上升最快的是洛陽市和信陽市，而下降最明顯的則是鄭州市和濟源市，通過實地調研可知，2000～2005年間洛陽市重點關注生產及生活功能效益，有效提高了農業機械化水平，在保證耕地數量的同時提升了耕地質量，強化了耕地產出，信陽則通過耕地流轉，集中發展促進了規模經濟的有效提高，而鄭州在該時間段單位勞動力投入與有效灌溉面積均呈大幅度下降態勢，單位面積勞動力投入減少了12%，有效灌溉面積比率下降了14%，嚴重制約了耕地利用綜合效益的提高。結合河南省農業災害數據分析發現，2000～2005年間濟源市經歷了嚴重的夏旱和伏旱，夏季總降雨量121.0 mm，僅占常年同期的36.8%，尤其是7～8月，降水量僅占70.3 mm，創造了30年來最低值，造成秋作物大面積絕收，嚴重影響了秋作物產量。對比圖2-b與圖2-c發現：此階段所有地市耕地利用綜合效益均呈上升趨勢，但上升幅度不同，其中商丘、南陽及信陽市等河南省中南部地區城市耕地效益提升最快，其中商丘勞動力充足，對農業發展具有一定程度的促進作用，南陽和信陽通過《農村土地承包法》等相關政策，一方面大力提倡耕地流轉、形成規模經濟以促進其發展；另一方面通過遏制化肥等物資的過度使用，緩解了耕地污染、耕地地力下降等生態問題，強化了耕地利用的生態功能，從而提升了耕地利用綜合效益值。從圖2-c與圖2-d可以看出：除鄭州外，其他城市均有一定程度的變化，其中平頂山、許昌、開封和周口市變化最大，總體來看，2000～2005年、2005～2010年、2010～2016年，區域間耕地綜合效益變化差異明顯，由初期的“北高南低”發展至“南高北低”。

3.4 協調度分析

耕地利用生產功能、生態功能及生活功能之間存在相互關聯與耦合的關系，根據公式(2)采用耕地利用綜合效益的協調度作為參考，對耕地系統協調度發展趨勢及相對變化程度進行了分析。因為耕地利用綜合協調度取決于各子系統之間協調程度的高低，只有三生功能達到協調發展，耕地利用綜合效益才能達到最佳(圖3)。

圖3 2000～2016年河南省耕地利用協調度

從圖3分析可知，2000～2016年17年間河南省耕地利用協調度處于波動狀態：2000～2002年，耕地利用協調度由不協調逐漸向基本協調發展，該階段生活功能發展趨勢與系統協調度發展趨勢較為相似。2002～2003年耕地利用協調度與生產、生態及生活功能都呈現不同程度的下降趨勢，此時系統處于不協調狀態。2003～2008年耕地利用協調度逐漸上升，由不協調逐漸發展至比較協調，期間生產、生態及生活功能三者處于比較協調的狀態，該時間段內河南省大力發展農業、提高機械化水平的同時有效遏制了化肥施用量，使得生態功能發展較為穩定、生產功能與生活功能得到不同程度的提高。2008～2009年耕地利用協調度呈直線急速下降態勢，處于不協調的狀態，此時系統協調度與生產功能及生態功能發展趨勢較為相似，而與生活功能發展趨勢相反，說明此時系統協調度與生產功能及生態功能較協調，而與生活功能之間協調度偏低。2009～2016年系統協調度波動上升狀態但一直處于不協調的狀態，在2014年達到17年間系統協調度最低值，此時系統協調度與生態功能發展趨勢基本吻合，與生產功能發展趨勢較為相似，與生活功能發展趨勢呈相反狀態，說明此時系統協調度與生態功能及生產功能較為協調而與生活功能不協調。

4 結論與討論

4.1 結論

(1)通過耕地利用生產功能、生態功能及生活功能構建耕地利用綜合效益評價指標體系，發現2000～2016年河南省耕地利用綜合效益評價值大概分為4個階段且總體呈波動上升趨勢，河南省耕地利用綜合效益在空間上由“北高南低”向“北低南高”逐漸變化的發展態勢，其中生產功能指標因子中農業機械化程度是影響耕地利用綜合效益最重要的因素，因此，在今后的發展中，應大力發展農業機械化，提高農機械化水平，落實“藏糧于技”戰略，穩步提升綜合農機化水平，調整農業結構以推進多樣化發展，加強國內與國際間的農機化交流。

(2)利用協調度模型對2000～2016年河南省耕地利用綜合效益協調度進行分析發現，河南省耕地利用系統協調度呈波動較大，總體呈小幅度上升趨勢。耕地系統初期與生活功能協調、中期與生產功能及生態功能協調、后期僅與生產功能協調，說明當前社會發展過分強調了生產功能發展從而忽視了生態功能與生活功能發展，因此，在今后的發展中，應注意提升生態功能與生活功能，促進耕地系統不斷向協調發展。

4.2 討論

(1)本研究與李佳等[12]進行的河南省耕地利用效益評價研究結果大體吻合，河南省耕地利用綜合效益波動起伏但總體呈上升趨勢，說明本研究選取的指標因子及研究方法能夠刻畫耕地利用效益情況。然而在協調度分析中，李佳等[12]得出的結論是2005～2009耕地利用系統處于基本協調狀態，本研究發現，2005～2008年耕地利用系統處于基本協調狀態，但在2009年，系統協調度直線下降，究其原因，一方面因為2個研究選取指標有差別導致一定的出入，另一方面由于全國第二次土地調查與全國第一次土地調查標準不一，導致耕地指標變化較大。

(2)本研究基于市域尺度，對河南省18個地市進行耕地利用綜合效益評價與協調度分析，在之后的研究中會選取更多的、典型的、具有代表意義的指標因子，同時深入至縣域尺度進行研究，以期對縣域尺度上的耕地利用效益進行具有針對性的分析評價并提出相應的對策與建議，以小見大、以點見面，為耕地利用效益研究提供參考。