黑龙江省地级市耕地利用生态效益时空变化分析

张漫琳，宋　戈，2，刘海礁，张　雪，闫　飞，4

(1.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030；

2.东北大学土地资源管理研究所，辽宁 沈阳 110819；

3.东北农业大学经济管理学院，黑龙江 哈尔滨 150030；

4.民航黑龙江安全监督管理局，黑龙江 哈尔滨 150030)



黑龙江省地级市耕地利用生态效益时空变化分析

张漫琳1，宋戈1，2，刘海礁3，张雪1，闫飞1，4

(1.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030；

2.东北大学土地资源管理研究所，辽宁 沈阳 110819；

3.东北农业大学经济管理学院，黑龙江 哈尔滨 150030；

4.民航黑龙江安全监督管理局，黑龙江 哈尔滨 150030)

[摘要]以黑龙江省13个地级市为研究区，从生产、生活和生境3个方面构建了评价指标体系，应用突变级数法对研究区2003—2012年耕地利用生态效益的时空变化进行了分析.结果表明:(1)10年间，研究区耕地利用生态效益可分为4个变化时期，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年的缓慢上升期，耕地利用生态效益水平呈现波动发展的变化趋势.(2)2003—2008年，高效区、较高效区、较低效区的城市数量变化依次表现为减少、增加、保持不变；2008—2011年，高效区、较高效区、较低效区的城市数量变化依次表现为增加、减少、保持不变.(3)2003—2008年，高效区分布由东部、西北部向中部、东南部延伸；较高效区分布由南部、中部向东西部边沿延伸；较低效区分布由北部、东南部边沿向西部边沿延伸；2008—2011年，高效区分布由中部、东南部向中部四周延伸；较高效区分布由南部、东西部边沿向东南部变化；较低效区分布由西部边沿向南部、北部边沿变化.

[关键词]突变级数法；耕地利用；生态效益；时空变化

1问题的提出

耕地利用生态效益水平是衡量耕地质量高低的重要依据，科学地评价耕地利用生态效益水平并分析其时空变化特征，不仅能够协调区域人地关系，保障区域粮食安全，而且对实现区域生态经济效益平衡具有重要的指导意义.在人类对耕地的利用过程中，引发了耕地数量减少、耕地质量下降、耕地生态系统退化等一系列问题，耕地资源面临着前所未有的挑战.如何合理高效地利用耕地资源，提高耕地利用生态效益水平已引起了政府和学者的普遍关注.

目前，国内外学者对于耕地利用生态效益问题已经做了一定的探索.国外学者一般采用状态描述法、指标法、调查法[1-3]，从自然和人为要素、耕地保护、耕地空间类型及特征[4-6]等角度来研究耕地利用生态效益；国内学者的研究主要集中在耕地利用综合生态效益的评价、生态效益价值的测算、影响生态效益变化的驱动力分析等方面[7-15].在对耕地利用生态效益进行研究时主要侧重于时间变化上的定量分析，对于空间变化的分析较少；且研究尺度主要针对某一脆弱区域或是热点城市，进行中微观评价[15-16]，对于省域范围各城市进行的宏观评价较少；研究方法手段主要采取层次分析法和熵值法结合[11]、主成分分析法[13]，还有学者运用GIS手段进行计算[17]，这些方法普遍存在着人为赋权较重、主观性较强的问题.

本文选取黑龙江省13个地级市为研究区，基于突变理论，运用突变级数法，对2003—2012年研究区耕地利用生态效益水平进行了宏观评价，并对其空间变化特征进行了分析.研究方法突破了以往指标之间相互影响和关联的问题，同时减少了人为赋权较重的主观性，不仅为解决耕地利用生态效益问题提供了科学的方法与思路，而且也为全国同类地级市耕地资源合理利用与结构优化起到了借鉴和参考作用.

2研究区概况与研究方法

2.1研究区概况

本文以黑龙江省12个地级市(哈尔滨市、齐齐哈尔市、牡丹江市、佳木斯市、大庆市、鸡西市、双鸭山市、伊春市、七台河市、鹤岗市、黑河市、绥化市)以及大兴安岭地区为研究区.截至2012年末，黑龙江省土地总面积为45.3万km2，其中耕地面积为11.8万km2，占土地总面积的26.1%；年末总人口为478.9万人；地区生产总值由2003年的4 057.4亿元增加到2012年的13 691.6亿元.黑龙江省地势平坦、耕地资源丰富，黑土有机质含量较高、肥力较好，总耕地面积和可开发的土地后备资源均占全国十分之一以上.但受水土流失、过量施肥等因素影响，部分地区已出现了耕地质量下降的问题.

2.2数据来源与标准化

本研究所需数据主要来源于《黑龙江统计年鉴》(2003—2012).

由于耕地利用生态效益评价的指标较多，为使各指标之间量纲统一具有可比性，因此要将原始数据进行标准化处理，以得到的标准化数值作为评价的基础.本文采用极差标准变换对数据进行了处理.

2.3耕地利用生态效益模型的建立

突变级数法是一种对评价目标进行多层次矛盾分解，利用突变理论与模糊数学相结合产生突变模糊隶属函数，由归一公式进行综合量化运算，从而对评价目标进行排序分析的一种综合评价方法.该方法没有对指标采用权重，但考虑了各评价指标的相对重要性，从而减少了主观性又不失科学性、合理性，而且计算简易准确，其应用范围广泛.[18-20]本文应用突变级数模型评价研究区耕地利用生态效益，主要思路为：(1)建立多层次的评价指标体系；(2)确定评价指标体系各层次的突变系统模型；(3)利用归一公式进行综合评价.

2.3.1尖点突变模型的建立

本文运用尖点突变模型计算耕地利用生产效益水平，其突变模糊隶属函数为

f(x)=x4+ax2+bx.

式中：x为状态变量，即耕地利用生产效益；a，b为控制变量，分别表示耕地资源效益、水资源效益，其中对耕地利用生产效益的影响强度为a>b.另外，耕地资源效益、耕地质量的计算也属于尖点突变模型.

2.3.2燕尾突变模型的建立

本文运用燕尾突变模型计算耕地利用生态效益水平，其突变模糊隶属函数为

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

式中：x为状态变量，即耕地利用生态效益；a，b，c为控制变量，分别表示生产效益、生活效益、生境效益，对耕地利用生态效益的影响强度为a>b>c.另外，生活效益、生境效益的计算也属于燕尾突变模型.

2.3.3蝴蝶突变模型的建立

本文运用蝴蝶突变模型计算耕地数量水平，其突变模糊隶属函数为

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

式中：x为状态变量，即耕地数量；a，b，c，d为控制变量，分别表示耕地年增加面积、土地垦殖指数、复种指数、受灾面积，其中对耕地数量的影响强度为a>b>c>d.另外，水资源效益的计算也属于蝴蝶突变模型.

3研究区耕地利用生态效益评价

3.1耕地利用生态效益评价指标体系的构建

本文结合研究区域实际情况，从生活、生产、生境3个方面选取了16个指标构建评价指标体系，对黑龙江省13个地级市耕地利用生态效益的高低水平进行了评价(见图1).

图1　黑龙江省耕地利用生态效益评价指标体系

3.2耕地利用生态效益各层指标突变类型的确定

建立多层次的耕地利用生态效益评价指标体系，并通过层次分析法对各层次指标按重要程度进行排序.如果一个指标所对应的下层指标有2，3，4个，可视该指标为状态变量，2，3，4个下层指标为控制变量的尖点突变类型、燕尾突变类型、蝴蝶突变类型.指标逐层集成的突变类型见图2.

图2　黑龙江省耕地利用生态效益各层次突变类型

3.3耕地利用生态效益评价结果

本文运用归一化公式(公式(1)—(3))，逐层应用突变级数模型，依次计算耕地利用的生活效益、生产效益、生境效益，最终求取2003—2012年黑龙江省耕地利用的生态效益评价值，结果见表1.

归一化公式：

，尖点突变；　(1)

4研究区耕地利用生态效益时空变化分析

4.1研究区耕地利用生态效益时间变化分析

根据表1的评价结果得到2003—2012年黑龙江省耕地利用生态效益评价值曲线图(见图3).

黑龙江省耕地利用生态效益变化趋势是：2003—2004年为下降期，2004—2005年为上升期，2005—2007年为二次下降期，2007—2012年为上升期，耕地利用生态效益呈现波动发展的变化趋势(见图3).

图3　黑龙江省2003—2012年耕地利用生态效益评价值

2003—2004年，研究区耕地利用生态效益由 0.641 2下降为0.600 2，水土协调比率的不平衡、农用复合肥使用量的增加导致耕地利用生态效益水平出现下降趋势；2004—2005年，研究区耕地利用生态效益由0.600 2上升到0.714 8，耕地保护政策的进一步实施、农田水利设施的进一步健全，保证了农田有效灌溉面积，促进了耕地质量的改善；2005—2007年，研究区耕地利用生态效益由0.714 8下降到0.640 4，年均下降率为3.38%，灾害面积的增加、人口的快速增长、水土协调比率下降导致耕地的生产力下降，耕地利用生态效益水平波动较大；2007—2012年，研究区耕地利用生态效益由0.640 4上升到0.813 2，年均增长率为3.46%，其中2011年较为特殊，略微下降，其值为0.721 9，黑龙江省农村土地补偿制度政策在利益上加强了人们对耕地保护的认识，直接或间接地提高了耕地的质量，同时政府加强了对环境的重视程度、投资力度也对耕地利用生态效益水平产生一定的影响.

4.2耕地利用生态效益空间变化特征分析

4.2.1评价标准的确定

目前，国内外还没有统一确定耕地利用生态效益的标准.本文参考了国内外相关研究，同时结合黑龙江省地级市的实际特征，建立了黑龙江省耕地利用生态效益的评价标准(见表2).

表2　耕地利用生态效益的评价标准

4.2.2空间变化特征分析

根据突变级数模型，对黑龙江省13个地级市2003年、2008年、2011年耕地利用生态效益进行评价，得到的计算结果见图4.同时，2003年、2008年、2011年研究区耕地利用生态效益水平的空间分布集中在较低效区、较高效区和高效区，根据研究区耕地利用生态效益水平，绘制黑龙江省13个地级市3年的耕地利用生态效益空间分布图(见图5).

研究发现，高效区城市的数量呈先减少后增加趋势，较高效区城市的数量呈先增加后减少趋势，较低效区城市的数量保持不变.其中，2003年研究区高效区、较高效区、较低效区城市在全省城市占比分别为46.153 8%，30.769 3%，23.076 9%；2008年其比例依次为30.769 3%，46.153 8%，23.076 9%；2011年其比例依次为53.846 2%，23.076 9%，23.076 9%.

图4　2003年、2008年、2011年黑龙江省地级市耕地利用生态效益评价值

图5　2003年、2008年、2011年黑龙江省地级市生态效益空间分布图

2003—2008年黑龙江省地级市耕地利用生态效益空间分布表现为：高效区由东部、西北部向中部、东南部延伸，表现较为突出城市为哈尔滨市.哈尔滨市作为全省重要的经济中心，其优势在于耕地数量的增长(由2003年的135.314 8万hm2上升至2008年的179.3万hm2)，较少的化肥使用量、足够的日照和降水量使得土壤肥力较好，土地生产能力得到提高.较高效区由南部、中部向东西部边沿延伸，表现较为突出城市为鹤岗和双鸭山市，两个城市均为煤炭型城市，耕地生态环境质量较稳定，因地制宜地选择发展可持续产业，减少开采煤炭对生态系统的破坏，对于该类地区耕地利用生态效益提高具有重要意义.较低效区由北部、东南部边沿向西部边沿延伸，主要表现在齐齐哈尔市，该城市的耕地利用生态效益由2003年的0.894 4下降到2008年的0.575 6，作为重要的老工业基地，生产工业废料、生活垃圾大量排放，环境质量下降，人口的增长、受灾面积的扩增加大了耕地的压力，生态效益水平降低，由高效区转为较低效区.

2008—2011年黑龙江省地级市耕地利用生态效益空间分布表现为：高效区由中部、东南部地区向中部四周延伸，表现较为突出城市为大庆、佳木斯和鹤岗市，这类城市的优势在于人均耕地面积提高、受灾面积减小、除涝易涝比率增大，生产环境较优越；土地复种指数变大、三废综合利用率提高，促进了耕地利用生态效益的提高.较高效区由南部、东西部边沿向东南部变化，表现较为突出城市为鸡西市，其生态效益水平由2008年的0.809 1上升为2011年的0.843 7，但煤炭开采使得土壤结构遭到破坏、土壤污染严重，因此，加大基础设施建设、加入高新科技产业对于较高效区上升为高效区有较大影响.较低效区由西部边沿地区变化为南部、北部地区，主要表现在牡丹江市，其生态效益值由2008年的0.836 6降低为2011年的0.586 6，主要是由于土地垦殖系数、复种指数、农田有效灌溉面积下降，受灾面积迅速增长，耕地利用的整体生产能力下降，生态效益水平下降.

5结论及讨论

本文以黑龙江省13个地级市为研究区，运用突变级数法，分析了2003—2012年耕地利用生态效益的时空变化及2003年、2008年、2011年3个时期的空间变化特征，研究结果表明：

(1) 2003—2012年黑龙江省地级市耕地利用生态效益变化可分为2003—2004年下降、2004—2005年上升、2005—2007年下降、2007—2012年上升4个时期.

(2) 2003—2008年黑龙江省13个地级市耕地利用生态效益空间分布表现为：高效区由东部、西北部向中部、东南部延伸，表现较为突出城市为哈尔滨市；较高效区由南部、中部向东西部边沿延伸，表现较为突出城市为鹤岗和双鸭山市；较低效区由北部、东南部边沿向西部边沿延伸，主要表现在齐齐哈尔市.

(3) 2008—2011年黑龙江省13个地级市耕地利用生态效益空间分布表现为：高效区由中部、东南部地区向中部四周延伸，表现较为突出城市为大庆、佳木斯和鹤岗市；较高效区由南部、东西部边沿向东南部变化，表现较为突出城市为鸡西市；较低效区由西部边沿地区变化为南部、北部地区，主要表现在牡丹江市.

(4) 化肥和农药的施用量、灾害的发生是导致生态效益下降的主要因素，土地垦殖指数、复种指数、农田灌溉保证率、水土协调比率是影响耕地利用生态效益高低的重要因子.

为提高研究区耕地利用生态效益水平，应尽量减少化肥、农药的施用量以及生产生活三废、垃圾的排放；同时加强农田水利设施建设，提高抵御自然灾害的能力；政府制定针对性的耕地保护与治理政策.

耕地利用生态效益评价是一项综合生态、经济、社会和景观的复杂工程，简单建立评价指标体系不能全面反映出耕地利用生态效益的水平，除本文考虑到的影响因素外，政策、管理、农业基础设施建设、抗灾等众多指标的量化方法将是今后进一步深入研究的课题.

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(责任编辑：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

[中图分类号]F 301.21[学科代码]790·5930

[文献标志码]A

[作者简介]张漫琳(1990—)，女，硕士研究生，主要从事土地利用与区域发展研究；通信作者：宋戈(1969—)，女，博士，教授，博士研究生导师，主要从事土地利用与城镇规划研究.

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(41071346)；中央高校基本科研业务费资助项目(N130714001).

[收稿日期]2014-11-03

[文章编号]1000-1832(2016)01-0141-07

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.01.028