湖北省耕地多功能变化及障碍因素诊断

赵志尚， 胡伟艳， 魏安奇

(华中农业大学公共管理学院，湖北武汉 430070)

耕地是人类赖以生存与发展的关键资源环境要素，不仅具有提供粮食衣物等生产功能，还承担着区域粮食安全、生态环境服务以及乡村就业维持等非生产性功能[1]。长期以来，片面的耕地功能认知导致耕地保护主体与受益主体的高度不对称，耕地非农化无序扩张。李效顺等研究表明，我国耕地非农化存在严重的过渡性损失，其中44.73%属于未纳入耕地生态效益的结果[2]。同时，过度集约化的耕地利用导致不断接近甚至突破耕地生态系统承载的极限，耕地质量恶化成为不争的事实，全国第二次土地调查显示，全国中重度污染耕地超过333.33万hm2[3]。中央政府于2007年、2013年提出划定“耕地红线”和“生态红线”，站在“五位一体”全局战略高度，强力推进生态文明建设。耕地是农业经营最主要的元素和载体，在新时期推动耕地从单功能利用转向多功能综合利用是贯彻生态文明建设的重要举措。

近年来，土地科学研究已从土地利用/土地覆盖变化研究向土地功能变化研究转变[4]。Verburg等认为，土地功能评价关注土地产出的产品与服务，强调了土地功能与人类福祉的联系[5]。耕地与人类社会的密切联系使其功能研究受到了更多的关注。目前，国内研究主要集中在耕地功能划分[6]，耕地资源价值评价[7]、耕地多功能内涵与特性[8]、耕地功能时空演变[9]、耕地多功能管理[1]等方面。宋小青等对建国以来中国耕地多功能时间演变进行分析，发现多功能间变化趋势不一[10]。杨雪等通过对北京市耕地功能分析发现，2004年与2011年耕地多功能存在明显的时空差异[9]。当前研究主要聚焦在耕地功能需求多元化的大都市郊区，传统农业区则涉及较少，且耕地功能时间变化多以不同时间截面对比分析，无法反映长期演变趋势与特征。本研究以粮食主产省湖北省为例，通过构建耕地多功能评价指标体系，揭示湖北省自1991年以来耕地多功能变化特征，并对影响耕地多功能的障碍因素进行诊断，以期为提高耕地多功能管理水平提供依据。

1　研究方法

1.1　耕地多功能分类及指标体系

耕地多功能是耕地复合系统与人类社会利益需求匹配下的结果。一方面，耕地资源是土地系统中的精华，其自身优越的水肥气热特性决定了在支持植物生长外，还具有涵养水源、碳汇、净化污染物等外部效应，即耕地利用具有联合生产属性[8]。另一方面，从耕地与社会的关系出发，耕地存在的意义即满足特定的社会需求，耕地多功能特性是不同利益相关者对耕地需求差异性的表现。笔者考虑耕地多功能的供给、需求层面，参考前人及生态系统服务相关研究[10-11]，结合湖北省实际特征，构建耕地多功能评价指标体系(表1)。

1.2　评价方法

1.2.1改进的TOPSIS法TOPSIS法是一种多属性决策方法，Hwang等首次提出，现已被广泛用于多目标决策评价中[16]。其基本原理是通过构造决策问题中各指标最优解和最劣解，建立评价指标与最优解和最劣解之间距离的二维数据空间，在此基础上对评价方案与最优解和最劣解作比较，若最接近于最优解，同时又最远离最劣解，则该方案为最优方案。传统的TOPSIS方法没有考虑评价对象与最优解、最劣解的调整修正，可能影响优劣排序的合理性，笔者采用改进后的TOPSIS方法对具有多种属性特征的耕地多功能进行评价。基本步骤如下：

(1)标准化指标数据。其计算公式为

式中：Xij为第i年第j个指标的评价值，Xjmax和Xjmin分别为第j个指标的最大值和最小值；Yij为标准化后的矩阵。i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

表1　耕地多功能评价指标体系

注：化肥利用率参考曾希柏等的研究成果，将单位播种面积化肥施用量在300 kg以下年份采用中施肥区计算公式，300 kg以上年份采用高施肥区计算公式[13]。固碳释氧量计算依据为植物生产1 g干物质吸收固定1.63 g CO2，释放1.2 g O2与干物质量=经济产量×(1-作物含水量)/经济系数[14]。污染物吸收参考马新辉等关于不同类型单位耕地吸收污染气体的研究成果，其中用水浇地近似代表水田吸收量[15]。粮食自给率与人均粮食需求量参考粮食安全主流观点定为95%与400 kg，农药施用安全标准采用发达国家农药施用安全标准上限2.3 kg/hm2。

(2)确定指标权重，构建加权规范化矩阵。权重的确定方法主要有层次分析法、特尔斐法等，其中，熵值法是客观赋权法，根据指标数据变异性的大小确定权重，体现了较强的客观性和科学性[10]。计算公式如下：

式中：n为评价指标，m为1991—2013年的年数，Ej为第j项指标的熵值，并假定，当qij=0时，令qij×lnqij=0，为第j项指标下第i年指标的标准化值在整个评价年份序列中的比重，wj为第j项指标的权重值。

将熵值法确定的指标权重向量wj考虑进决策矩阵中，建立加权规范化矩阵：

Z=|Zij|m×n=wj×Yij。

式中：Zij为第j项指标第i年加权规范化值，wj与Yij含义同上。

式中：Zij、z+、z-含义同上。

(5)计算历年评价对象与最优方案的贴近度Ci：

式中：Ci介于0和1之间，其值越大，表明第i年耕地功能越强。

1.2.2障碍因素诊断方法分析耕地多功能变化既在于对耕地功能状态进行评判探查发展趋势，更重要的是厘清影响耕地功能的障碍因素，以便对耕地功能状态进行病理诊断。具体方法是引入因子贡献度wij、指标偏离度Fr、障碍度Oj、Ui3个指标进行分析诊断。其中，因子贡献度wij为单因素对总目标的权重；指标偏离度Fij为单项指标与耕地功能发展目标的差距，即单项指标值与100%的差距；障碍度Oj、Ui分别表示单项指标与分类指标对耕地功能状态的影响。计算公式如下：

Fij=(1-xij)；

Oj=Fij×wij×100%/Fij×wij。

在分析各指标因素限制程度基础上，进一步诊断各功能层面障碍度，用下式表示：

Ui=∑Oij。

Xij为第i个子系统第j个指标的标准化值，n为指标个数。

1.3　研究区域概况与数据来源

湖北省位于长江中游，洞庭湖以北，108°21′～116°07′E，29°05′～33°20′N。东西长约740 km，南北宽约470 km，总面积18.59万km2。作为全国粮食主产省(区)和稻谷的主调出省，湖北省耕地保有量并不充裕，2013年耕地面积340.991万hm2，约占国土总面积18.34%。2003年之前，建设占用导致耕地面积不断减少，之后政府严控耕地非农占用，同时土地整理、复垦工作的开展使得耕地面积不断增加，2013年已恢复到1991年水平。随着湖北省城镇化进程加快，耕地非农化压力不断增加。同时，湖北省耕地生态质量自1995—2005年年间下降了约10百分点[12]，因此，科学分析湖北省耕地多功能变化，凸显耕地资源多功能特性，对将耕地保护由单纯的面积保护上升到多功能保护层面，从而更好地符合城乡居民需求具有重要意义。

本研究数据均来源于1992—2014年《湖北统计年鉴》《湖北农村统计年鉴》《中国统计年鉴》。

2　结果与分析

2.1　耕地多功能变化特征

2.1.1多功能根据改进的TOPSIS方法步骤，利用熵值法测算湖北省耕地多功能指标权重(表1)，然后获得耕地多功能评价值(图1)。

贴近度C值反映耕地功能强弱，该值越大，耕地功能越强。从图1可以看出，湖北省耕地多功能大致呈“U”形变化，2001年之前，贴近度C值从0.519 7下降至0.327 7，年均下降3.36%，2001年至今，贴近度C值从0.347 9上升至 0.460 3，年均上升2.69%，耕地多功能在经过短期波动后快速上升。耕地多功能是各功能变化趋势叠加的表现，而人类需求强调耕地多功能最大化，因而未来应协调各功能发展态势，促使功能之间协同发展，强化耕地总效益。

2.1.2生产功能生产功能在2010年前总体保持在 0.28～0.46。1991—2005年呈现“波峰—波谷”状变化趋势，1996年达到局部最高点0.464 5，2000—2002年徘徊在最低点0.282 9上下，2002年后则从0.357 0上升至0.780 0(图2)。1997年前，粮食产量年均增加65.05万t，同时农田灌溉等配套设施不断完善，1996年达到局部顶点，1997年后，粮食产量不断下滑，2003年时为23年最低值，为1 921.02万t，同时其他因素的下降导致在2000—2002年生产功能滑落到23年间波谷位置。宋小青等研究表明，1998—2003年全国粮食产量同样出现了下滑趋势，主要原因为种粮效益的降低。而2003年正式实施的惠农政策扭转了粮食产量的下跌趋势[17]，种粮补贴政策以现金方式直接补贴了种粮收益，刺激了粮食产量的提高。2010年后，地均农业增加值年均增加 0.6 万元，这与之前年均增加0.12万元有了较大提高，因而生产功能快速增强。

2.1.3生态功能生态功能在2001年前微弱下降，经过2001—2003年波动上升后逐渐稳定，23年间从0.425 8上升至0.537 4(图2)。富余化肥强度在23年间增加了150.4%，表明增产性投入受到农户青睐，这也与中国自20世纪50年代后期逐渐步入以生物化学技术创新为特点的耕地开发模式相对应[18]。2000年后，生态退耕政策的实施以及农户优化的生产决策使得低产出耕地被弃耕，25°以上耕地面积减少了187.19 hm2，土壤保持功能逐渐增强。2003年后得益于水田与耕地总面积的增加，污染物吸收功能不断增强，因而在趋势上2003年成为变化的转折点。

2.1.4社会功能社会功能从0.659 0下降至0.319 4，在2007年前持续下降，2007年以来缓慢上升(图2)。粮食安全保障功能中，自2003年后，耕地压力指数逐渐下降并与20世纪90年代初齐平，表现出良好态势，但粮食品质保障一路下滑，数据显示，自1999年起农药施用强度就已超过太湖流域农业高度集约化施用强度34.5 kg/hm2，近5年逐渐稳定，但仍在39 kg/hm2左右。1994年以来，生活消费自给率、生活消费支出满足度分别下降了72.2%、36.90%，导致社会功能逐渐减弱。2007年以来，随着城乡收入差距与耕地压力指数不断下降，社会功能转而增强，但仍处在较弱状态。

2.2障碍因素诊断

2.2.1单项障碍因素诊断考虑耕地多功能变化特征，根据障碍因素诊断方法，选取1991年、2001年、2013年计算湖北省耕地多功能障碍度，分析影响耕地多功能的单项障碍因素，不同年份耕地多功能障碍因素排序见表2。

从表2可以看出，1991年，单项障碍因素主要有土壤保持、地均农业增加值、人均耕地经营面积、污染物吸收等。2001年则是粮食品质保障、土壤保持、污染物吸收、地均农业增加值、人均耕地经营面积等，2013年则转化为粮食品质保障、富余化肥强度、生活消费支出满足度、耕地破碎度等。

从单项指标变化趋势看，1991—2013年间，粮食品质保障、富余化肥强度、耕地破碎度、生活消费支出满足度、生活消费自给率等指标障碍度上升幅度较大，障碍度分别提高了 26.37%、14.86%、9.42%、6.66%、6.62%。近年来，生活保障与农药、化肥投入成为主要的障碍因素。随着土地制度改革的不断深入，农户拥有了要素配置决策权，非农务工机会成本不断攀升使得省工性与增产性投入对劳动力的替代程度放大，因而农户可以优化配置土地投入要素的配比，从而表现为生活保障功能的持续减弱，农药、化肥投入带来的生态负效应不断增强。

表2　不同年份耕地多功能障碍因素排序

2.2.2多功能障碍因素诊断在单项指标障碍度计算的基础上，进一步计算耕地多功能分类指标障碍度，考察功能层面的障碍程度，耕地多功能障碍度变化趋势见图3。

从图3可以看出，生产与生态功能障碍度逐渐下降，而社会功能障碍度不断上升。1999年前，生态功能障碍度最大，其次是社会功能与生产功能，1999年后，社会功能障碍度超过生态功能上升至第1位，生产功能仍处在第3位。从各功能障碍度年变化率看，1991—2013年，社会功能障碍度以年均4.11%的速度增加，生态功能与生产功能障碍度分别以年均0.82%、3.05%的速度减小。

生态功能障碍度总体保持在较大幅度，且下降幅度微弱。近年来，三农政策已逐渐涉及到农业资源保育议题，2016年中央一号文件着重提出加快农业环境突出问题治理，因而政府未来应加大对农田生态环境的保护力度。从农业产业层面讲，耕地社会功能的适度降低是农业现代化发展与规模化经营的要求，但功能的过度弱化也导致了耕地抛荒等现象的发生。城镇经济的发展尤其是第二产业容纳了大量农村劳动力，未来随着我国经济结构的调整，部分非农劳动力将逐渐回流，因而政府应结合实际情况，合理控制耕地就业功能，提高务农农户的实质保障力度。

3　结论与讨论

考虑耕地多功能的供需因素，构建了耕地多功能评价指标体系，并在时间维度上分析了湖北耕地多功能的变化特征及影响因素。结果表明，湖北省耕地多功能处于动态变化中。其中1991—2001年耕地多功能不断减弱，贴近度C值从 0.519 7 下降至0.327 7；2001—2013年间在波动中不断增强，贴近度C值从0.347 9上升至0.460 3；生产功能与生态功能在2003年后不断增强，生产功能在2010年后快速上升，生态功能则在经过2003—2005年快速上升后逐渐稳定，社会功能则明显减弱，但2007年后已表现出微弱上升趋势。障碍因素诊断结果表明，2013年粮食品质保障、生活消费支出满足度、生活消费自给率、富余化肥强度等成为主要障碍因素。在功能层面，社会功能与生态功能对耕地多功能影响较大。研究结果表明，未来应加大耕地保护力度，鼓励农民减少农药、化学品投入；加大支农力度，推动农业高附加值产业的发展，同时兼顾新型职业农民的培育，从而拓宽农户增收渠道。

为使研究进一步完善，将来可以开展耕地多功能的空间差异性和相互关系研究。区域间耕地功能供给的异质性与耕地功能需求的差异性导致在不同地域空间上耕地多功能的表现形态不同，而揭示耕地多功能的空间分异特征将有利于制定差别化的耕地利用政策。另外，耕地的联合生产属性以及人类对耕地多功能的权衡使得多功能间存在密切的关联，因而如何以较小的成本权衡耕地多功能之间的关系，最大化多功能综合水平，将成为将来主要的研究方向。

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