不同尺度下耕地利用轉型對經濟發展的影響

彭洪兵，錢招東，桑新春

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.自然資源部不動產登記中心，北京 100034）

工業化和現代化的不斷推進同時伴隨著城鄉交流和社會經濟要素的重組，而農村個體和公共部門在應對這種變化時會導致鄉村空間形態、資源利用、就業方式的調整［1］，而這些調整必定會改變其載體，即發生土地利用轉型。對于鄉村地區而言，農業生產作為地方經濟的重要組成部分，其載體耕地的轉型勢必是反映該地區土地利用轉型的重要體現［2］。因此，開展對鄉村地區的耕地利用轉型研究對解決目前普遍存在的耕地質量退化、粗放利用等問題［3］，保障耕地的永續利用，促進鄉村社會經濟發展具有重要意義。

推動社會經濟健康持續發展、保障耕地永續利用是耕地利用轉型的目標，當前關于耕地利用轉型的研究成果十分豐富。在耕地利用轉型的研究方向上，學術界也在不斷探索新的領域以提升研究深度，比如從生物災害脆弱性角度切入的轉型研究［4］，轉型過程中的鄉村勞動力要素變化研究以及社會、經濟因素主導下的轉型研究等［5，6］；在研究方法上，以指標評分法以及各類回歸模型為主［7］，同時隨著機器學習技術的發展以及研究數據精度的不斷提高，神經網絡模型［8，9］、主成分分析法［10］、收斂分析法［11］、地理探測器［5］以及元胞自動機等方法也被引入到耕地利用轉型相關研究中，極大地豐富了研究方法，并取得了許多有益的成果。但是，鮮有從多尺度視角展開耕地利用轉型對經濟發展的研究。

鑒于此，本研究在總結已有耕地利用轉型相關研究基礎上，從功能形態、空間形態視角對耕地利用轉型進行測度，描述2000—2018 年鄂西貧困地區耕地利用轉型特征，并嘗試以區域、縣域兩種研究尺度從農業生產、生活保障、生態服務、景觀格局等角度解釋耕地利用轉型對經濟發展的影響規律，以期為區域耕地利用轉型管理、鄉村振興發展和區域經濟社會可持續發展提供參考和依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

選擇鄂西十堰城區、鄖陽區、鄖西縣、竹山縣、竹溪縣、房縣、丹江口市、秭歸縣、長陽縣、恩施市、利川市、建始縣、巴東縣、宣恩縣、咸豐縣、來鳳縣、鶴峰縣17 個縣市區為研究區。研究區內地形以山地丘陵為主，經濟發展相對落后，在中國扶貧攻堅時期同屬于秦巴山中連片特殊困難地區，集中在2019—2020年實現脫貧，農業生產是地方重要經濟來源，耕地的有效、集約利用是該地區經濟發展的重要保障。

1.2 數據來源與預處理

研究數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心2000—2018 年的LUCC 柵格影像、地區統計年鑒。由于數據來源多樣，各類統計量綱不同，因此采取離差標準化法對各原始數據進行標準化處理。

由于部分社會經濟指標數據來自2001—2019年的《宜昌統計年鑒》《十堰統計年鑒》《恩施統計年鑒》以及《中國縣域統計年鑒》，為保證產值和其他價格指標更能反映實際變化，選擇利用價格指數進行調整，排除物價水平變化影響。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地利用轉型測度模型 從功能形態和空間形態兩個維度對研究區內的耕地利用形態進行測度［12］。其中功能形態變化以結構分析的方法對耕地利用的投入、種植以及類型結構等進行測算［13］；而空間形態則從景觀格局形態和數量變化進行測算［14，15］。耕地利用形態測度體系如表1 所示。

表1 耕地利用形態測度體系

1）指標權重確定。針對標準化后的指標數據采用熵權法進行權重確定［16］，首先對標準化結果進行偏移處理，而后計算各項指標熵值、差異化系數，進而計算出各指標權重，具體計算過程如下所示。

式中，Rij代表各指標數據熵值；xij為偏移處理后的指標標準化結果；Ej為各項指標的差異化系數；Gj代表各項指標的重要性；Wj為指標權重。

2）耕地類型結構。采用旱地和耕地總面積比例表示耕地利用類型結構。

式中，Pd/p為耕地利用類型結構；Sd為區域內旱地面積；Sp為區域內耕地總面積。

3）耕地種植結構。研究區內主要作物為各類糧食經濟作物，因此耕地種植結構用研究區內農作物播種面積占比的多樣性指數表示。

式中，Pf為糧食作物播種面積比例；Sf為糧食作物播種面積；Po為油料作物播種面積比例；So為油料作物播種面積；Pe為其他經濟作物播種面積比例；Se為其他經濟作物播種面積；S為農作物播種總面積；sim為農作物種植多樣性指數。

4）耕地投入結構主要表現為勞動力、農機、化肥、農藥的投入使用情況。

式中，AML為平均勞動力下農機動力；AC為單位面積化肥施用量；AP為單位面積農藥施用量；M為農機總動力；L農業從業人口；C為化肥施用量；P為農藥施用量；S為耕地總面積。

1.3.2 耕地利用轉型對經濟發展貢獻度分析 在縣域尺度下，本研究選用徑向基函數神經網絡模型（RBFNN）進行耕地利用轉型對經濟發展影響效用的測度［17］。RBFNN 具有輸入層、隱含層和輸出層3層結構，運行時先由輸入層節點傳遞輸入信號到隱含層，再由隱含層傳遞到輸出層，可以看成是將原始的非線性可分的特征空間，通過合理變換到另一線性可分的高維空間，從而實現非線性輸入空間向線性輸入空間隱射的目的，據此可模擬出輸入層影響輸出層的內在結構，影響過程更為清晰，且有明確的目標導向。依據上述原理，將耕地功能形態轉型、空間形態轉型以及綜合的耕地利用轉型情況作為輸入層，將地區經濟即GDP 作為目標層，可分析出耕地利用轉型對經濟發展的影響效用。具體運算中利用K-均值聚類方法求取基函數中心ci（i=1，2，3，…，n），高斯函數作為徑向基函數。

此時方差用如下公式求解。

式中，cmax為所選取的中心之間的最大距離；h為訓練樣本個數；xp為訓練樣本集合。測度隱含層至輸出層之間神經元的連接權值可以用最小二乘法計算，公式如下。

隨后根據徑向基網絡各層之間的連接關系，依據如下公式計算輸入層對輸出層的影響因素效用。

式中，aij為輸入層到隱含層權值的歸一化值；i和j分別代表輸入層和隱含層節點；n為輸入層節點總數；bkj為隱含層到輸出層的歸一化值；k為輸出層節點；m為隱含層節點總數；Vik為輸入層對輸出層的影響效用。

在區域尺度下，參考基尼系數的算法［18］，探究耕地利用轉型與GDP 的匹配程度，擬合區域洛倫茲曲線。主要流程為選取耕地利用轉型的功能形態和空間形態為匹配對象，以GDP 為匹配分級對象法，分別計算研究區內17 個縣市區的耕地形態變化情況所對應的GDP 占區域總量的累計百分比，橫軸為GDP 累計比例，縱軸為耕地轉型值累計比例，擬合出洛倫茲曲線，然后利用定積分求得洛倫茲曲線與45°線所夾圖形的面積A，基尼系數G=2A。

參照經濟學上的基尼系數評價居民收入公平程度的劃分方法，將鄂西地區耕地利用轉型與GDP 的匹配程度劃分為5 個等級（表2）。

表2 耕地利用轉型與經濟匹配程度劃分

1.3.3 耕地利用轉型增長阻尼模型 Cobb-Douglas生產函數主要通過考察各要素在總產出的占比來反映要素替代彈性［19］，本研究基于前人研究結果對Cobb-Douglas 生產函數進行擴展變形，建立增長阻尼方程，測算縣域尺度和區域尺度下耕地利用轉型過程中的功能形態變化和空間形態變化對經濟增長的約束程度。

式中，Y（t）表示總產出；F（t）表示耕地功能形態；S（t）表示耕地空間形態；K（t）表示資本投入；A（t）表示技術進步；t表示時間；a、b分別表示耕地功能形態生產彈性、耕地空間形態生產彈性。

對上式進行變形，兩邊取對數得到：

進而對變形后的公式進行求導，可以得到Y、F、S、K、A的增長率函數，用表示，且假定經濟保持均衡增長，則有推得產出增長率：

不受條件約束時，經濟的穩態增長率等于耕地空間形態與功能形態的變化率n，根據阻尼系數的推導過程，耕地功能形態的阻尼系數為除耕地功能形態外其他條件不受約束時的產出增長率與不受任何條件約束的產出增長率之間的差值，即：

空間形態增長阻尼同理。

2 耕地利用轉型情況分析

2.1 功能形態發展特征

2000—2018 年鄂西地區耕地利用功能形態轉型發展特征如圖1 所示。在耕地功能形態轉型方面，各地區發展情況各異，但基本表現為在2010 年后發生顯著轉型，而十堰城區發生顯著轉型的時點較早，在2005 年后就表現出了顯著轉型現象；其中秭歸縣、長陽縣、鶴峰縣耕地功能形態轉型發展情況較好，平均轉型值分別為0.463、0.425、0.411，十堰城區、房縣、鄖西縣耕地功能形態轉型發展情況較劣，平均轉型值分別為0.292、0.291、0.274；各地區功能形態轉型值隨時間增長呈不同幅度的增長趨勢，增長幅度越大則表現出轉型現象越明顯，其中轉型現象最為明顯的為鶴峰縣、竹山縣與竹溪縣，平均變化幅度分別為0.117、0.104、0.099，轉型現象最為輕微的主要為來鳳縣、恩施市以及鄖陽區，平均變化幅度分別為0.073、0.064、0.042。

2.2 空間形態變化特征

2000—2018 年鄂西地區耕地利用空間形態轉型發展特征如圖2 所示。在耕地空間形態轉型方面，各地區基本在2015 年后發生顯著轉型，而十堰城區由于主要為城市建成區，則從2000 年即表現出較高的耕地空間形態發展程度，近19 年來耕地空間形態轉型值的變化形式一直表現為小幅波動變化。從各地區來看，耕地空間形態轉型發展情況較好的為十堰城區、竹山縣與利川市，平均轉型值分別為0.435、0.249、0.239，轉型情況較差的為長陽縣、鄖西縣以及鶴峰縣，平均轉型值分別為0.147、0.138、0.114；從耕地空間形態轉型現象顯著情況來看，表現最為明顯的主要為竹山縣、房縣、竹溪縣，平均變化幅度分別為0.112、0.084、0.079，空間形態轉型現象輕微的主要為秭歸縣、鶴峰縣以及十堰城區，平均變化幅度分別為0.036、0.026、0.025。

圖2 2000—2018 年鄂西地區耕地空間形態轉型發展情況

2.3 耕地利用轉型發展特征

綜合鄂西地區耕地功能形態與空間形態轉型發展情況，所得的2000—2018 年鄂西地區耕地利用轉型情況如圖3 所示。從整體來看，各地區耕地利用形態值均表現為明顯的上升趨勢，且從2005 年開始呈現顯著的耕地利用轉型現象。從各耕地利用轉型發展情況來看，十堰城區、秭歸縣、利川市表現較優，平均轉型值分別為0.373、0306、0.298，竹溪縣、房縣、鄖西縣表現較劣，平均轉型值分別為0.247、0.229、0.203；而從耕地利用轉型現象的顯著性來看，竹山縣、房縣、竹溪縣的耕地利用轉型現象最為明顯，耕地利用形態值平均變化幅度分別為0.108、0.089、0.088，鄖陽區、秭歸縣、十堰城區耕地利用轉型現象表現最輕微，平均變化幅度分別為0.055、0.054、0.049。

圖3 2000—2018 年鄂西地區耕地利用轉型發展情況

3 耕地利用轉型對經濟發展的影響效用

3.1 縣域尺度下的影響效用

以2000—2018 年鄂西各地區耕地利用形態的功能形態轉型值、空間形態轉型值和耕地利用轉型值為輸入層，各縣市區GDP 為輸出層，構建RBFNN模型進行鄂西地區17 個縣市區耕地利用轉型對經濟發展的影響效用分析，結果如表3 所示。

表3 鄂西地區耕地利用轉型對經濟發展的影響系數

由表3 可知，大部分地區模型預測精確度都在90%以上，只有鶴峰縣、利川市、十堰城區、鄖陽區、竹溪縣5 個地區預測誤差較大，結果不具備統計分析意義，一定程度上說明這些地區耕地利用轉型對經濟發展的影響作用較低。

而從各縣市區耕地利用轉型對經濟發展的影響效用情況來看，各縣市區均表現出耕地功能形態轉型對地區經濟的影響比耕地空間形態轉型的影響更為顯著。對比各縣市區的情況，功能形態與空間形態轉型對不同縣域也存在著不同的影響效用。從耕地功能形態轉型對經濟發展的影響效用上看，竹溪縣、丹江口市、來鳳縣耕地功能形態轉型的影響效用較大，而鶴峰縣、鄖陽區功能形態轉型的影響效用較小；在耕地空間形態轉型對經濟發展的影響效用方面，竹溪縣、來鳳縣耕地空間形態轉型影響效用較大，十堰城區、秭歸縣、長陽縣耕地空間形態轉型影響效用較小；在兩者共同作用下的耕地利用轉型影響效用方面，竹溪縣、來鳳縣的影響效用較大，恩施市、鶴峰縣、竹山縣影響效用較小。

3.2 區域尺度下的影響效用

將研究區17 個縣市區的耕地利用轉型值進行排序、累加，并與GDP 累加比例對應。根據基尼系數研究方法繪制洛倫茲曲線，從而得出鄂西地區耕地利用轉型與GDP 匹配現狀。

如圖4 所示，耕地利用轉型—GDP 洛倫茲曲線與45°線所夾面積為0.199，即基尼系數為0.398，代表鄂西地區2018 年耕地利用轉型對經濟發展的情況匹配程度一般；同理可得耕地功能形態轉型以及空間形態轉型對經濟的基尼系數分別為0.417、0.373，表示耕地功能形態轉型對經濟影響較弱，而空間形態轉型對經濟影響相對較高，對比這兩條曲線，鄂西地區耕地空間形態轉型對于經濟增長的貢獻要高于功能形態轉型。

圖4 2018 年耕地利用轉型—GDP 洛倫茲曲線

由圖5 的2000—2018 年耕地利用轉型對經濟增長的匹配情況可知，從整體來看，功能形態轉型、空間形態轉型以及綜合的耕地利用轉型對經濟增長的貢獻度都在隨時間增長而減弱，從2000 年的相對匹配階段逐漸衰退至2018 年的較不匹配階段，這說明伴隨社會經濟的發展，農業對地區經濟發展的重要性同樣會呈下降趨勢，因此耕地利用轉型對經濟發展的影響也在逐漸減弱。

圖5 2000—2018 年鄂西地區耕地利用轉型基尼系數

而對比來看，耕地功能形態對經濟發展的影響要低于耕地空間形態的影響。對于耕地空間形態轉型而言，主要體現在耕地數量以及景觀格局上的變化，其中較為重要的是耕地向其他用地類型轉型的現象，而研究期正是中國城鎮化與工業化高速發展階段，研究區內城市化現象激烈，例如鄖陽區曾為十堰市下轄的鄖縣，于2014 年9 月撤縣改區，可見耕地空間形態轉型對經濟的影響更為顯著，而隨著城市化的不斷推進，簡單粗放的耕地非農化轉型對經濟發展的影響也在逐漸降低；而耕地功能形態轉型雖然對經濟增長的匹配度較低，但是基尼系數變化較不明顯，即雖然農業發展對經濟增長的影響程度較低，但伴隨耕地功能形態轉型所帶來的農業集約化、高效化也作為一種影響作用較低而穩定的驅動力在促進經濟增長。

綜上，耕地空間形態轉型可以看作區域經濟增長的基礎，即耕地空間形態的變化為經濟創造提升空間；從時間序列上來看，耕地功能形態的轉型所帶來的農業生產進步對區域經濟增長起到一定的促進作用，而伴隨城市化、工業化的不斷完善以及地區經濟的轉型發展，耕地利用轉型對地區經濟的影響在逐漸減弱。

3.3 限制作用分析

對2000—2018 年鄂西地區各縣市區生產總值、功能形態轉型、空間形態轉型取對數進行回歸分析，進一步對耕地利用轉型的變化率進行計算，結合回歸分析結果，分別求得鄂西地區耕地功能形態轉型與空間形態轉型的增長阻尼值，如圖6 所示。

圖6 2000—2018 年鄂西地區耕地利用轉型增長阻尼

耕地利用轉型阻尼值=功能形態轉型阻尼值+空間形態轉型阻尼值。由圖6 可知，除秭歸縣外，鄂西其他地區的“增長阻尼”都是正數，可見耕地利用轉型對鄂西地區經濟發展存在一定的限制作用，同時也說明耕地利用轉型的發生對鄂西地區的經濟發展存在一定的促進作用。從縣域尺度上來看，房縣的耕地利用轉型阻尼最大（0.174），秭歸縣最小（-0.006），此外各縣市區普遍表現為空間形態轉型阻尼＞功能形態轉型阻尼，這說明空間形態轉型對經濟發展的限制影響小于功能形態轉型的限制影響。從區域尺度上看來看，功能形態轉型阻尼平均值為0.018、空間形態轉型阻尼平均值為0.046，結果顯示與大部分地區所表現的限制作用相同。

4 結論與政策建議

4.1 結論

本研究基于多尺度視角對鄂西地區耕地利用轉型情況進行分析，并從功能形態轉型與空間形態轉型兩個角度探究耕地利用轉型對經濟發展的影響，得出如下結論。

1）耕地利用轉型可以看作耕地利用形態在時間序列上的斷點型變化，包括功能形態和空間形態兩方面的變化，其中功能形態主要體現耕地類型、投入、種植結構，大部分地區的耕地功能轉型發生在2010 年前后，空間形態則體現耕地的景觀格局形態和數量變化情況，大部分地區的耕地空間形態轉型發生在2015 年后，綜合而言大部分地區耕地利用轉型表現為發生在2010 年后。

2）耕地利用轉型對地區經濟發展存在一定的促進作用，但伴隨經濟發展，影響作用在逐步降低。從縣域尺度上來看，與空間形態轉型相比，所有縣市區功能形態轉型對經濟發展的影響作用更大；從區域尺度上來看，功能形態轉型對經濟發展的影響較為穩定，而空間形態轉型對經濟發展的影響呈下降趨勢。綜合不同尺度影響作用，可以將耕地功能形態轉型的影響看作一種驅動力，即耕地功能形態變化的同時對經濟發展起到一定的促進作用，而耕地空間形態轉型的影響可以看作一種供給存量，即耕地空間形態的變化為經濟創造提升空間。

3）耕地利用轉型對鄂西地區經濟發展存在促進作用的同時，也存在一定的限制作用。而從縣域和區域尺度上來看，與功能形態轉型相比，空間形態的轉型對經濟發展的限制作用更大，體現耕地空間形態轉型為其他產業發展提供了載體，而農業生產進步可以對區域經濟增長起到一定的促進作用，伴隨其他產業的發展，農業在地方經濟的占比越來越小。

4.2 政策建議

依據耕地利用轉型對地區經濟發展的影響效用研究結果，從耕地利用以及管理的角度提出如下建議，以促進耕地利用轉型發展，提升耕地利用效益，促進經濟的持續發展。

1）促進農業從業人員專業化，提升耕地利用轉型發展效率。在遵循市場經濟客觀規律的基礎上，引導農業向從業人員專業化發展，解放更多勞動力，使其流向其他產業。

2）加大農業投入力度，提升農業機械化程度以及合理調整化肥、農藥的施用，改善種植結構，在保障糧食安全的基礎上，追求作物經濟效益的最大化，從而提升耕地利用效率和經濟效益。

3）開展土地整治、修復、復墾工作，奠定耕地利用轉型發展基礎。鄂西地區由于地形地貌的特殊性，耕地普遍存在分布零散、坡地耕地面積占比高、土壤肥力低下等問題，通過廣泛發展土地工程，對土地資源稟賦和耕地景觀格局形態進行改善，建設高標準基本農田，為農業機械化發展創造條件，提升耕地質量和經營效率，為耕地利用轉型發展奠定基礎。

4）完善耕地保護政策制度，規范耕地利用轉型發展。簡單的耕地非農化轉型對經濟發展的貢獻呈下降趨勢，因此可以通過基本農田劃定、尊重耕地占補平衡、推動農村集體經營性建設用地入市、促進農村土地承包經營權流轉等手段，完善城鄉統一土地管理政策體制，改善建設用地粗放占用耕地的情況，為城市化留出合理的空間，并維持一定數量的耕地，規范耕地利用轉型發展。