水土保持技術對農業產業-資源系統的耦合路徑分析

趙曉翠,王繼軍,,*,喬 梅,韓曉佳,李 玥

1 西北農林科技大學水土保持研究所, 楊凌 712100 2 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

目前,我國水土流失治理已經取得了重大成效[1- 3],在水土流失治理過程中水土保持技術的作用顯得尤為重要[4- 5],因此,研究水土保持技術評價對生態建設及區域可持續發展具有重要作用。

針對水土保持技術及相關問題的研究主要集中在：水土保持技術的適宜性評價[6- 7]、水土保持效益評價指標與方法[8- 10]、單項水土保持技術評價[11- 12]、水土保持綜合效益評價等[13- 17],這些研究為水土流失治理和水土保持技術的選擇奠定了良好的基礎,但是都未能系統地揭示水土保持技術與水土保持技術作用下農業產業-資源系統之間的內在關系。基于此,課題組與項目組先后進行了水土保持技術的概念和特征[18]、水土保持技術評價指標體系、評價方法、評價模型等[19]研究,系統揭示了水土保持技術屬性、應用過程、應用效果相耦合本質背景下的評估問題,為水土保持技術的評價提供了重要科學依據。但是,針對水土保持技術與其直接作用對象—生態、經濟系統(生產者直接關注的是農業資源和農業產業)的作用路徑和過程研究尚有待進一步拓展和深化。而這一點制約了水土保持技術與生態經濟系統的可持續發展。因此,對于水土保持技術與農業產業-資源系統耦合路徑關系的研究有很重要的現實意義。

水土保持技術與農業產業-資源系統之間的互動關系,首先表現為潛變量,而對于潛變量的研究比較成熟的方法是運用結構方程模型。王繼軍等[20]利用結構方程模型探討了陜北黃土丘陵區及各個區域農業生態經濟系統的耦合關系及差異性,為農業生態經濟系統耦合優化提供科學依據;成思敏等[21]利用結構方程模型探討了農業產業與農業資源之間的互動關系,對促進系統穩定、良性循環發展具有重大意義;蘇鑫等[22]利用結構方程模型分析了退耕還林區域農業生態經濟系統的耦合關系,揭示了生態脆弱區生態經濟系統之間的內在關系,為農業生態經濟可持續發展提供可靠依據;夏自蘭等[23]利用結構方程模型從農戶視角研究了水土保持背景下農業產業與農業資源的耦合關系,明確了融入水土保持政策的農業生態經濟系統互動關系及作用路徑,為系統演替方向提供了參考。所以,本文選擇運用結構方程模型來研究水土保持技術與農業產業-資源系統的耦合路徑關系。而縣南溝流域是黃土高原丘陵溝壑區的典型代表流域,也是退耕還林工程的試點流域。研究該流域水土保持技術與農業產業、資源的發展變化過程具有重要的現實意義。

基于以上背景,運用結構方程模型研究縣南溝流域水土保持技術與農業產業-資源系統之間的互動關系,旨在揭示水土保持技術對農業產業-資源系統的影響,以期為下一步優化水土保持技術提供參考價值,為促進農業生態經濟系統的可持續發展提供依據。

1 研究區域概括

縣南溝流域位于陜西省安塞縣沿河灣鎮,東經109°12′12″—109°22′12″,北緯 36°41′24″— 36°46′12″。流域內梁峁起伏、地形破碎,流域面積50.64 km2;該流域年降水量為500—550 mm,降雨分配不均,主要集中在7—9月,年平均氣溫8.8℃,在氣候上處于暖溫帶半濕潤向半干旱過渡區。縣南溝流域包括3個行政村中的16個村民小組,寨子灣(皮塔村、寨子灣、桑塔村、孫岔村),方家河(張坪村、崖堯村、窯灣村、灰條咀、社科村、方家河村、黃柏梁村、永豐堯村、畔坡山村),沿河灣鎮后街(磚窯溝村、朱鳳臺村、新莊洼村)。該流域2017年有753戶,共2529人,人均年收入達8356元。流域內主要產業為種植業、林果業、棚栽業、畜牧業。

流域內所涉及到的水土保持技術包括水土保持工程技術(梯田、淤地壩、魚鱗坑等)、水土保持耕作技術(壟溝種植、輪作等)和水土保持生物技術(造林等)。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

模型運算與分析過程中所用數據來源于縣南溝流域(課題組)已有資料和2018年8月農戶調查。農戶調查采取隨機抽樣法,調查區域涉及縣南溝流域3個行政村中的16個村民小組。調查內容包括水土保持技術使用情況及實施效果、家庭勞動力、農作物產量、土地利用、農業收入與支出、退耕還林等情況,調查持續半個月,每戶大約1 h,共調查133戶,有效問卷130戶,滿足結構方程所需樣本量。

2.2 研究方法

結構方程模型是表示潛變量之間、潛變量與觀測變量之間關系的一種統計方法,它結合了因子分析和路徑分析的特點,并且可以設置誤差項,不需要再受到路徑分析的干擾限制[24]。結構方程模型包括結構模型和測量模型。結構模型是描述潛變量之間的關系,測量模型則反映了潛變量與觀測變量之間的關系。

模型方程如下：

X=Λxξ+δ

(1)

Y=Λyη+ε

(2)

η=Βη+Γξ+ζ

(3)

(1)和(2)是測量模型方程式,(3)是結構模型方程式。

方程式中X為外生觀測變量組成的向量,Y表示的是內生觀測變量組成的向量,Λx表示外生觀測變量與外生潛變量之間的關系,是外生觀測變量在外生潛變量上的因子負荷矩陣;Λy表示內生觀測變量與內生潛變量之間的關系,是內生觀測變量在內生潛變量上的因子負荷矩陣;δ表示外生觀測變量X的測量誤差,ε表示內生觀測變量Y的測量誤差。η表示內生潛變量,ξ表示外生潛變量,B表示內生潛變量之間的關系,Γ表示外生潛變量對內生潛變量的影響,ζ表示結構方程的殘差項,反映了η在方程中未被解釋的部分。

3 結果分析

3.1 結構方程模型的建立

3.1.1系統變量的選擇

水土保持技術與農業產業-資源系統是一個復雜的耦合系統。水土保持技術、農業資源、農業產業是系統耦合的主體[25]。農戶不僅是水土保持技術的實施者,也是農業資源和農業產業的主宰者。現階段,生態治理已經達到一定程度,人們追求的主要目標是經濟效益,因此,將農戶關注的經濟效益設置為系統耦合的出口,也是系統耦合的最終目標。水土保持技術與農業產業-資源系統耦合與相悖這一矛盾運動過程,可以從水土保持技術實施后農業資源利用變化和農業產業發展的角度來描述。退耕還林工程、水土保持技術的實施,顯著改善了生態環境,增加了農業資源量,調整了農業產業結構,從而影響了系統耦合狀態。即水土保持技術直接作用于生態環境、農業資源、農業產業、耦合狀態4大要素。基于此,選取水土保持技術、農業資源、農業產業、生態環境、耦合狀態、經濟效益作為潛變量。其中水土保持技術為外生潛變量,農業資源、農業產業、生態環境、耦合狀態、經濟效益為內生潛變量。因為無法直接對潛變量進行描述,故對每個潛變量設置可觀測變量。水土保持技術的可測變量為技術成熟度、技術應用難度、技術相宜性,這是課題組經過多次討論、論證確定的,已應用于水土保持技術屬性的表征;農業資源、農業產業、經濟效益、生態環境、耦合狀態可測變量的確定參考已有的研究結果[26],選取果園用地比重、人均基本農田、農產品商品率、農業勞力比重、人均純收入、人均糧食產量、可灌溉面積率、林草面積率、資源適宜度、產業資源相關度作為內生可測變量(表1)。

3.1.2初始模型的建立

結合縣南溝流域實際調查情況與感性認識,提出了以下假設：H1：水土保持技術對農業資源有影響;H2：水土保持技術對生態環境有影響;H3：水土保持技術對農業產業有影響;H4：水土保持技術對耦合狀態有影響;H5：農業資源對農業產業有影響;H6：農業資源對耦合狀態有影響;H7：農業產業對耦合狀態有影響;H8：農業產業對經濟效益有影響;H9：生態環境對農業資源有影響;H10：生態環境對農業產業有影響;H11：生態環境對耦合狀態有影響;H12：耦合狀態對經濟效益有影響;在此基礎上并根據表征潛變量的可測變量,建立初始模型圖1。圖中e1—e18為殘差變量,表示無法被系統解釋的部分。

表1 水土保持技術與農業產業-資源系統耦合變量解釋

圖1 水土保持技術與農業產業-資源系統耦合關系初始模型Fig.1 Initial model of coupling relation between soil and water conservation technology and agricultural industrial-resource system圖中箭頭上的1是固定參數,表示結構方程模型擬合過程中無須估計的參數

3.2 模型運算

3.2.1數據處理及信度分析

應用spss21.0對130份數據進行信度檢驗,各潛變量和模型整體信度均達0.70以上,表明數據的整體性、一致性較好。

3.2.2模型擬合、修正及檢驗

利用Amos21.0對模型進行初始檢驗,由于數據是隨機抽樣法,并且符合多元正態分布總體,故采用最大似然值法,根據初始模型輸出的結果,同時參考擬合指數修正意見,進而修正模型。本文選取a)絕對擬合指數,包括卡方自由度比(x2/df)、近似誤差均方根(RMSEA)、擬合優度指數(GFI)3個指標,b)相對擬合指數,包括規范擬合指數(NFI)、比較擬合指數(CFI)、增量擬合指數(IFI)3個指標,c)簡約擬合指數,包括Akaike信息標準(AIC)、期望交叉驗證指數(ECVI)2個指標。擬合后的指標指數見表2,擬合后的耦合模型見圖2。

3.3 模型解釋

3.3.1水土保持技術對農業產業-資源系統及耦合狀態的作用分析

從圖2中可以看出,假設都是成立的。水土保持技術直接作用于農業產業、農業資源、生態環境及耦合狀態,其路徑系數為：耦合狀態(0.15)>生態環境(0.13)>農業資源(0.08)>農業產業(-0.02),與現實相符。影響程度的排序驗證了初始選擇水土保持技術時的理念,即首先滿足生態治理的需要。路徑系數小這一結果說明水土保持技術與農業產業-資源系統耦合效果并不明顯。在水土保持技術的應用過程中,農業生產習慣發生改變,變廣種薄收為少種高產多收;同時,禁牧等的影響,養殖結構和數量發生較大變化,導致對農業資源的有效利用不足,系統耦合系數較低。進一步分析其原因,1999年,縣南溝流域相較于其他流域而言已建立基本穩定的生態經濟系統,在此基礎上又實施了退耕還林工程,25°以上的坡耕地退耕還林還草,林草面積迅速增加。到2008年,嚴重的水土流失基本得到治理,環境顯著改善,農林牧土地面積趨于穩定[28]。至2017年,生態系統與經濟系統形成相對均衡的狀態。從治理目標來看,已完成了規模化的治理,水土保持技術的實施拉動了生態效應螺旋式的上升,但經濟增長的速度遠遠低于生態改善的速度。所以,目前水土保持技術對其作用對象的影響強度較弱,這是一種基于水土保持技術經過系統化、規模化治理后的弱強度,也屬于量變基本完成基礎上的弱強度;同時也隱含了將要由“外延治理”轉為“內涵治理”,即在目前所形成的水土保持技術體系基礎之上,圍繞水土保持內涵經營過程,以滿足生態文明建設的需求,實現經濟社會的可持續發展為目標,以生態功能的提升為主線,篩選、集成、研發水土保持技術,創造生態建設和經濟發展和諧共贏的局面。

表2 模型擬合指數

3.3.2基于水土保持技術作用下的農業產業-資源系統對耦合狀態的影響

由圖2可見,生態環境、農業資源、農業產業直接作用于耦合狀態,其影響系數為0.283、0.062、0.169(表3),生態環境對農業資源與農業產業的影響系數分別為1.544、0.253,農業資源單向作用于農業產業,影響系數是0.022(表3)。表明水土保持技術的實施改善了生態環境,但環境改善所增加的資源量并未得到產業的有效利用,更多地體現了其生態效益,從而影響了系統良性耦合。就目前情況而言,縣南溝流域為了穩固退耕還林成果,伴隨著封山禁牧政策的實施,產業發展未建立在資源有效利用之上,尤其是畜牧業,大量林草資源的閑置和浪費導致林草-畜牧業循環鏈網缺失[20]。再加之比較利益、勞務輸出等各種原因,出現農業產業與農業資源局部相悖的態勢,導致系統耦合并不顯著：即系統耦合每變化1個單位,經濟效益僅變化0.02個單位;生態環境和農業資源對經濟效益間接的影響系數為0.366、0.029(表5),系數為正,說明環境的改善有助于提高系統發展,進一步說明促進生態系統與經濟系統的協調發展是系統耦合的目的。農業產業對經濟效益的耦合系數為1.25,路徑系數較大。說明目前縣南溝流域發展的農業產業對經濟效益有很大影響作用。退耕還林工程實施后,政府部門為了提高農村經濟,退耕還林的同時,發展林果業(蘋果)、高效設施農業、養殖業,林果業者居大多數(表4)。到目前為止,林果業和高效設施農業都取得了很好的經濟效益。

表3 修正模型標準化路徑系數

表4 調研戶產業分布情況

表5 總的標準化效應系數

3.3.3反映各個潛變量的可測變量之間的耦合關系

反映各個潛變量的可測變量之間的耦合關系主要表現為兩個層次：某一潛變量下的可測變量通過另一可測變量對另一潛變量的作用;同一個潛變量下各個可測變量的重要程度。

某一潛變量下的可測變量通過另一可測變量作用于另一潛變量。對于表征水土保持技術的三個可測變量來講,技術成熟度與人均糧食產量、生態環境相互影響,技術應用難度與農業勞力比重相互影響,技術相宜性與人均糧食產量、農產品商品率相互影響。它們分屬于生態環境、經濟效益、農業產業3個潛變量。表明了技術成熟度、技術應用難度、技術相宜性除了表征水土保持技術外,對其他3個潛變量都有間接作用。人均基本農田和人均糧食產量之間的影響系數是0.33,果園用地比重和人均糧食產量之間的影響系數是-0.1,這與現實相符。退耕還林政策的實施,人均貢獻度農田面積大量減少,人均糧食產量也隨之減少,在僅有的土地面積內,無論選擇種植業或林果業為主導產業,兩者之間都必然成反方向變化,間接反映了資源的合理利用與經濟效益之間的關系。基于以上分析從另一個視角反映了系統耦合不是單一的線性關系,而是相互影響的鏈網結構。

同一潛變量下,不同的表征變量對潛變量的貢獻程度不一致。針對水土保持技術來說,3個可測變量重要程度排序為：技術相宜性0.94>技術成熟度0.91>技術應用難度0.40(圖2),這一結果與專家的判定一致(“生態技術評價方法、指標與評價模型開發”課題組對各個指標賦予的權重值),一項技術得以使用,相宜性是技術選擇的前提。不僅要適合區位特征,還要符合區域經濟發展的需求。因此,縣南溝流域按照水土保持技術的屬性及應用的范圍,土地按照宜林、宜牧、宜農進行規劃。采取了山上緩坡修梯田,溝道建淤地壩、陽坡建果園、棄耕坡地種草的辦法,一方面土地得以合理利用,提高了勞動生產率,另一方面促進了區域經濟發展。果園用地比重0.52>人均基本農田0.31(圖2),效益的好壞影響農民的農業經營行為,農業經營行為導致農業產業布局的變化[26],退耕還林后,政府推廣實施的蘋果產業發展較好,農民為了獲得滿意的效益,在僅有的農耕地上選擇種植效益較好的蘋果,不僅促進了經濟的發展,也提高了資源的合理利用率。對農業產業來說,農產品商品率1.18>農業勞力比重0.31,圖2也可以看出,農產品商品率和經濟效益有相互關系。在市場經濟背景下,產業發展不以依賴勞動力為核心,商品化程度反映人們追求商品生產,因此,和農產品商品率比起來,農業勞動力比重對農業產業的貢獻度略小。耦合狀態中,產業與資源相關度和資源適宜度與耦合狀態的關聯度都是0.97,說明在系統耦合關系中產業與資源相關度和資源適宜度同等重要。

4 結論與討論

針對水土保持技術對農業產業-資源系統耦合路徑不明確的現實,在構建其表征體系的基礎上,運用結構方程模型,以縣南溝流域為例,對水土保持技術與農業產業、資源發展變化過程進行分析,明確了水土保持技術對農業產業-資源系統的作用過程與強度。

(1)水土保持技術與生態環境、農業資源、農業產業形成了一個新的耦合系統,其中水土保持技術的實施改善了生態環境,增加了農業資源量,影響了農業產業發展,增加了經濟效益。(由于生態環境對農業資源的作用路徑系數為1.54,農業資源對農業產業的作用路徑系數為0.02)。所以生態環境改善增加的資源量并沒有得到產業發展的有效利用,導致系統耦合效果較差。

(2)目前水土保持技術對其作用對象的影響強度較弱,這是基于水土保持系統化、規模化治理后的弱強度,屬于量變基本完成基礎上的弱強度(水土流失治理度為100%);同時也隱含了將要由“外延治理”轉為“內涵治理”,即在目前所形成的水土保持技術體系基礎上,需要圍繞水土保持內涵經營過程,以生態功能的提升為主線,篩選、集成、研發水土保持技術,形成新時代背景下可適化水土保持技術體系。

(3)本研究是基于農戶空間尺度上的分析,結合對水土保持技術歷史發展變化過程的評估,充分理解新時代背景下生態文明建設、鄉村振興戰略等對水土保持技術的需求,圍繞群落優化、提質增效等,完成對新技術的選擇。