郑皓洋 李婷婷 黄颖利*
(1.东北林业大学 经济管理学院,哈尔滨 150040;2.中国社会科学院 农村发展研究所,北京 100732)
耕地作为农业发展的重要载体,是人类生活不可或缺的生存资源,也是保障经济发展及社会稳定的坚实基础[1-2]。在为人类提供生产资料和生活所需时,耕地的合理利用实现了自然与经济社会间物质、能量以及信息的交换,保障人类粮食生产,维护社会稳定,并产生一定的经济价值,同时对于改善耕地生态环境、保持生物多样性起到重要作用。但随着中国快速进入工业化和城镇化阶段,耕地利用的生态污染问题不断加剧,农业用地与城市用地之间的矛盾日益突出[3]。同时,气候变化带来的农业灾害加重和耕地质量下降等影响也日发严峻[4]。眼下“新冠疫情”和“俄乌冲突”加剧了全球粮食供应的不稳定性,大大增加了中国外部粮食供应风险和耕地生产压力[5]。面对当前耕地面积减少、生态恶化、粮食安全等一系列问题,探索黑土区耕地利用效益现状,诊断效益提升过程中所面临的问题,实现多维度耕地可持续利用模式已成为重要目标。
黑土区作为中国最大的粮食生产基地和商品粮生产基地,是保障中国粮食安全的“压舱石”,其特有的黑土资源被认为是最适合作物生长的土壤。然而长期“重用轻养”的高强度利用导致黑土地面临着“量减质退”的困境,出现了黑土层变薄和有机质下降的现象,而耕地质量的退化直接影响着黑土区的粮食生产安全[6]。针对上述问题,中国出台了世界上唯一一部从国家层面立法保护黑土地的《中华人民共和国黑土地保护法》[7],力求稳步恢复提升黑土地基础地力,促进资源的可持续利用。黑土区承担着维护生态平衡,保障国家粮食安全的重大任务,所以急需提高耕地利用效益,以促进区域农业的健康发展。
耕地利用效益是指单位面积土地投入与消耗在区域发展的生态、经济和社会等方面所实现的物质产出或有效成果,能够反映耕地资源的优化配置程度[8]。对这一主题开展的一系列研究主要从耕地利用的经济效益[9-10]、社会效益[11-13]、生态效益[14-15]以及综合效益[16-17]这4个角度进行评估,探讨不同效益的时空变化特征。而对效益进行评估的方法目前主要有包络分析法[18]、成本收益法[19]、空间分析法[20]、综合指标法[21]、能值分析法[22]以及专家评分法[12]等。已有研究的尺度涵盖了全国[23]、省域[11]、地市[24]、县域[25]乃至村域[10]等。但多侧重于评价行政区域范围内的耕地利用效益,较少关注以土壤分布为区域的耕地利用情况,黑土地作为“耕地中的大熊猫”是世界公认的珍贵且肥沃的土壤资源,在中央农村会议上习近平总书记强调“要把黑土地保护作为一个大事来抓,把黑土地用好养好”,中国黑土区分布着广袤黑土耕地,在如今保护和利用好黑土耕地已成为社会亟待解决的议题时,探寻黑土区耕地利用效益现状,明确效益提升的主要问题,并根据不同行政区的空间分异特征,针对性的提出黑土利用建议就显得格外重要。
目前有关耕地利用效益的研究颇多[3,20-25,28],多聚焦于省域等尺度[3,11,14,16,24]的研究,而分析黑土分布区全域耕地利用效益的文献不多,但气候变化、粮食供应波动、水土流失等不利因素不仅限于对某一省份或县域的黑土耕地有影响,在国家全力保障粮食安全和开展黑土地保护规划的双重背景下,对涉及拥有黑土资源246个县域所构成的黑土区整体的耕地利用效益进行研究并分析其共性问题,可以对黑土区耕地资源可持续利用具有揭示作用。因此,本研究拟从经济、社会、生态3个维度构建耕地利用效益评价指标体系,以中国黑土区为研究区域,运用熵权TOPSIS模型综合评价分析黑土区2000—2020年的耕地利用效益,并采用问题分析模型诊断耕地利用中的不利影响因子,利用ArcGIS软件描绘出各省域耕地利用综合效益及问题空间分异特征,对相应问题提出针对性的改进意见,以期为实现黑土地资源的可持续利用提供科学依据和政策启示。
黑土区位于东北地区,主要分布在呼伦贝尔草原、大小兴安岭地区三江平原、松嫩平原、松辽平原部分地区以及长白山地区,包括黑龙江省和吉林省全部、辽宁省东北部以及内蒙古自治区“东四盟”(图1),共涉及246个县(区、市、旗),其总面积为109万km2,约占全球黑土区面积的12%[26]。但是目前黑土区的黑土层普遍面临着“变薄、变瘦、变硬”的现状,来自水利部的监测结果显示部分黑土层厚度已由原来的60~80 cm下降到20~40 cm[26],吉林省的黑土有机质含量由垦前的40~100 g/kg下降为20~50 g/kg[27]。
图1 中国黑土区行政区划图
为能够合理反映出黑土区耕地利用效益,并与当下粮食安全和黑土地保护背景相契合,参考已有研究结果[3,28],遵循系统、客观及可操作性原则,并结合黑土区自然条件和地理特征,构建了黑土区耕地利用效益评价指标体系,详见表1。可见:该体系包含耕地利用的经济、社会、生态3方面效益准则层,其中经济效益是指对耕地的产值以及技术产出的衡量,是反应耕地利用创造经济价值的能力和农业技术产出价值的重要指标,主要从耕地产值、人均农业产值和农业机械化产出价值能力方面进行表现。社会效益是体现耕地利用对人类社会系统所产生的维稳和保障民生等实际社会影响程度的重要指标,是对黑土区保障粮食安全程度的有效反应[32]。在当下全球面临粮食安全的大背景下,耕地的社会效益显得更为重要,因此可以从保障粮食安全的人均粮食产量、人均耕地面积以及反映农业从业者生活水平的农民人均纯收入进行构建。生态效益是表征耕地可持续利用程度的指标,黑土地退化和农村人居环境污染等多个现象已经使得人类社会意识到自然是有限的,是不能够无限索取的。因此本研究将从水土匹配、环境污染、土壤利用3方面分别选取指标来衡量黑土地保护背景下黑土区耕地利用的生态效益。
表1 黑土区耕地利用效益评价指标体系
逼近理想解排序方法(TOPSIS)广泛运用在多指标评价研究中,是决策分析的一种常用技术。该方法是通过归一化矩阵将综合评价问题转换成评估对象之间差异距离的问题,在样本容量和数据分布等方面要求较为宽松[3],并较为科学的通过与最优、最劣解之间的距离反映效益水平高低。但TOPSIS模型所需权重一般主要靠专家评分等主观性较强的方式来确定,会造成最终结果的偏差。因此,为解决主观性所导致的分析误差,已有研究将依靠自身信息判断指标权重的熵权法[28]与TOPSIS方法结合,进而实现更加科学的分析。因此,本研究采用熵权TOPSIS模型对黑土区耕地利用效益进行评价,该方法即结合了熵权法能够依靠自身信息判断指标对综合评价目标影响程度的优点,又结合了TOPSIS模型能够利用与最优、最劣解之间的距离反映效益水平高低的科学性,是研究黑土区耕地利用效益合适的方法,具体步骤如下:
1)评价指标的原始数据标准化矩阵构建。
假设有m个评价指标,n个对象,则耕地利用效益原始评价矩阵X为:
(1)
但是耕地利用效益评价指标体系中的数据量纲和单位并不统一,为使得原始数据转化为无量纲数据,遂采用极差法[3]对数据进行处理,将原始矩阵X转化为标准化数据矩阵R,具体如下:
(2)
(3)
(4)
2)确定耕地利用效益各评价指标权重。
采用熵权法[28]确定各指标权重Wj。熵权法是根据指标自身数据的离散程度来确定信息熵的大小,一般指标信息熵越大对综合评价的影响程度越大,所赋予的权重越大。该方法赋予指标权重相对客观,能够避免主观判断对结果的影响。
计算各评价指标的信息熵Ej[34]:
(5)
式中:常数k与评价对象数n有关,一般令k=1/lnn。
计算各评价指标的权重Wj[34]:
(6)
式中:Wj为耕地利用效益各评价指标权重;Ej为各指标信息熵。
3)建立规范化加权决策矩阵。
通过将标准矩阵R与权重Wj相乘得到规范化加权决策矩阵[34]。
Zij=Wjrij
(7)
式中:Zij为规范化加权决策矩阵;Wj为各评价指标的权重;rij为第j个评价对象第i项指标在决策矩阵R中的对应值。
4)确定评价指标的正、负理想解。
根据规范化加权决策矩阵确定正理想解Z+和负理想解Z-[34]:
Z+={maxZij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)}
(8)
Z-={minZij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)}
(9)
式中:正理想解Z+和负理想解Z-分别由各指标i在j个评价对象中的最大值和最小值组成。
5)计算评价指标与理想解的距离。
采用欧式距离公式计算评价对象的各评价指标与理想解的距离[34]。
(10)
(11)
6)计算所评价对象的耕地利用效益与最优方案的贴近度。
耕地利用效益的贴近度是指所评价对象的耕地利用效益与所计算出理想解最优方案的接近程度[3],符号为Ti,其取值范围为[0,1]。Ti越大表明评价对象的耕地利用效益越接近最优水平,当Ti=1时,耕地利用效益水平最高;当Ti=0时,耕地利用效益水平最低。贴近度计算公式如下[3]:
(12)
问题诊断模型可以诊断耕地利用过程中的效益“短板”。理论上评价对象的经济、社会和生态效益均保持较高水平才能称之为可持续耕地利用,但实际上总会有一些不利影响因子导致某些效益水平偏低。因此识别区域耕地利用过程中的不利影响因子,可以为有针对性的制定政策建议提供帮助。指标偏离度(Iij)能够表示第j个评价对象第i项指标的实际值与最优值之间的差距;不利影响程度(Oij)可以反映第j个评价对象第i项指标对耕地利用效益总目标的不利影响程度。
评价指标偏离度(Iij)和不利影响程度(Oij)的计算公式如下[3]:
Iij=1-rij
(13)
(14)
式中:Iij为指标偏离度;Oij为不利影响程度;Fi为因子贡献度,一般用指标权重Wi来表示。
第j个评价对象的第u个系统不利影响程度(Ouj)计算公式如下[3]:
(15)
式中:Ouj为第u个系统不利影响程度;ui表示第u个系统的指标数量,i=1,2,3。
各项指标数据来源于《中国农村统计年鉴》[35]、《中国县域统计年鉴》[36]、《中国城市统计年鉴》[37]、《黑龙江统计年鉴》[38]、《吉林统计年鉴》[39]、《辽宁统计年鉴》[40]、《内蒙古统计年鉴》[41]以及各县(区、市、旗)的统计年鉴等,部分缺失值由插值法补齐。
3.1.1黑土区耕地利用效益评价
根据式(12)计算出的黑土区耕地利用效益与最优方案的贴近度见图2。可知:2000—2020年黑土区的生态、经济、社会以及综合4种效益不断提高,在本世纪初期耕地利用的社会和经济效益较低,但其二者增速较快,到2020年各种效益均达到较高水平;2000—2020年黑土区耕地利用的综合效益趋势表现为“前期低速发展,中前期快速提升,中后期缓慢增长,后期波动提高”的变化趋势,整体上升态势较为明显。该结果与中国每一期“五年计划”均把农业发展放在国民经济发展的重要位置的政策密切相关。具体结果如下:
图2 黑土区耕地利用效益与最优方案的贴近度
总体来看,“十五”时期(2001—2005年),黑土区耕地利用的综合效益变化较为稳定,贴近度为0.20~0.30,最高值为2005年的0.262。社会效益和经济效益的贴近度均处于0.20以下。耕地利用的生态效益贴近度在0.60上下浮动。“十五”规划中对农业的发展总规划是提升总体效益的持续发展,增加农民收入。在这一时期中国农业总体处在粗放式发展阶段,农业机械化程度较低,粮食产量不高,农民普遍收入较低。而上述问题在黑土区尤为明显。一方面黑土区农业生产的基础设施还未建成,像农村公路建设、农村电网改造、农业水利工程等还亟待解决,而粗放式农业生产还是主流。另一方面黑土区农民进城打工,大量人口外流,同时与粮食销区供销关系还不稳定。以上原因就导致了这一时期黑土区耕地利用的经济和社会效益较低,生态效益也在2003年开始有所下滑。
“十一五”期间(2006—2010年),黑土区耕地的经济、社会和综合效益快速提高,但生态效益有所下降。其中经济效益由2006年的0.214增长到2010年的0.293,社会效益由2006年的0.183增长到2010年的0.283,综合效益由2006年的0.279增长到2010年的0.335,但生态效益却由2006年的0.579降到到2010年的0.541。在这一时期,得益于国家实施一揽子的经济刺激计划,中国加大了对农村基础设施建设的投资,并逐步实现了道路、通讯以及电力等方面的“村村通”,极大方便农村居民出行,促进了农产品贸易的流通,对黑土区社会、经济效益提振明显。但是这一时期的快速发展,却加剧了环境的污染、造成生态破坏,使得生态效益有所下降。
“十二五”期间(2011—2015年),黑土区耕地利用的综合效益增速放缓,社会效益持续增长,2011—2013年经济效益增长迅速,2013—2015年较为平稳。而生态效益在2013年达到最低点0.533后,迅速增长到2014年的0.601,并在之后保持稳定增长。
同时黑土地硬化、肥力下降的问题也受到国家重视,黑土地“保护性耕作”得到普及,生态环境有所恢复;
“十三五”期间(2016—2020年),黑土区的经济、社会、生态以及综合效益迎来了第二次的快速提升,各项效益水平高速增长,并基本于2020年达到最高水平。在这一全新阶段,中国取得了脱贫攻坚的全面胜利,农村居民收入大幅度提高,社会效益极大满足。逐步建立了现代农业产业体系、生产体系、经营体系,提高了农业质量效益和竞争力,并在高效、产品安全、资源节约、环境友好的农业现代化道路不断前进。但是农业发展面临着全新挑战,“十三五规划”前瞻性的将保障“粮食安全”放在了农业发展的首位,而新冠疫情和2022年“俄乌冲突”所带来的国际农产品供给波动更是敲响了“粮食安全”的警钟。面对新的时代挑战,黑土区肩负重要责任。而谋求一条经济-社会-生态综合发展的可持续道路已然成为黑土地利用的重要命题。
3.1.2黑土区耕地利用效益问题诊断
黑土区耕地利用效益子系统不利影响程度变动趋势及黑土区耕地利用效益主要不利影响因子的结果分别见图3和4。可知:2000—2008年,黑土区社会子系统的不利影响程度最高且均在30%以上,最低和最高值分别为2008年的34.94%以及2000年的39.77%(图3)。黑土区前3名的问题影响指标分别为人均粮食产量、单位面积耕地产值以及复种指数(图4)。在“十五”阶段和“十一五”的初期阶段,黑土区农业生产还处于较低水平,农产品产量不能有效满足日益增长的粮食消费和出口需求,就导致了黑土区耕地社会效益问题较为显著。同时较为粗放式的农产品生产使得农业附加值较低,单位面积的耕地产值不高。又由于生产意识以及技术水平的落后,“保护性”耕种方式还尚未有效普及,使得农民保持原有耕地习惯,对耕地保护的意愿较低。
图3 黑土区耕地利用效益子系统不利影响水平变动趋势
图4 黑土区耕地利用效益主要不利影响因子
2009—2012年,黑土区耕地利用的经济效益子系统不利影响程度最高,最低和最高值分别为2009年的34.71%以及2011年的38.43%。这一时期黑土区前3名的不利影响因子并未变,各因子的不利影响较上一时期有逐渐提高的趋势。在这一时期黑土区耕地利用没有了之前的社会效益子系统问题的困扰,反而转为经济效益子系统的阻碍。一方面,农业科技的进步和大量黑土区农业基础设施的投资使得粮食产量能够渐渐满足社会需求。另一方面,随着中国制造业大国的潜质日益凸显,工业逐渐成为中国重要的发展方向,而农业还处在向集约化和高效率发展的探索阶段,产值提升速度相对缓慢,且城镇化进程加快,要素投入的“城市偏向”加剧[33],贫富差距不断扩大,进城打工的农民数量增加,农村撂荒现象增多,许多地区农业产值下降,这就使得经济子系统的问题较显著。
2013—2020年,黑土区的社会效益问题显著,同时前3名不利影响因子中的复种指数变为人均耕地面积。在这一时期中国人口还在不断增长,国内农产品自给面临着供小于需的现状。同时由于城市面积的不断扩大,大量周边原农用地被征占,而黑土区又面临着人口流失、农业劳动力不断减少的现状,使得社会效益问题不利影响程度又重新提高,“人地矛盾”逐渐加剧,农业的产量和产值减少。同时在这一时期“中美贸易摩擦”频率增加,国际粮食价格波动频繁,大豆等粮食产品进口阻碍上升,而“新冠疫情”的影响更使得粮食供给问题加重。在这一时期党中央高度重视“粮食安全”问题,将保障口粮安全作为国家发展的重中之重。而耕地是粮食自给能力的基础[29],所以面对人均耕地面积紧张、国内粮食安全风险不断提高的局面,更要严守“十八亿亩耕地红线”政策,落实“藏粮于地”和“藏粮于技”的政策战略[30-31],提高区域乃至中国的粮食保障能力。
3.2.1黑土区分省(自治区)耕地利用综合效益空间分异特征
2000—2020年,黑土区各省(自治区)耕地利用综合效益空间分异特征见图5。可知:各省(自治区)的耕地利用综合效益随着时间呈现增长趋势,到2020年效益值均比2000年提高了一倍左右。从时序角度来看,2000年内蒙古自治区所辖的部分黑土区的耕地利用综合效益得分最高,其次是辽宁省,最后是黑龙江省和吉林省。到了2010年变为辽宁省得分最高。而到了2020年黑龙江省效益得分快速提升,与辽宁省一起处于较高得分区间。
图5 2000年、2010年和2020年黑土区分省份(自治区)耕地利用综合效益与最优方案的贴近度
从上述结果中可以看出,随着中国经济、社会和科技的不断发展,各省(自治区)的耕地利用效益也在不断提高,从一开始2000年综合效益平均值处于0.270左右,到2020年综合效益平均值提高到0.589左右,黑土区各省份耕地利用效益已提升许多,但是还具有相当大的增长潜力,且各地耕地利用效益差异较大、发展不均衡并且具有波动性发展特征,像内蒙古自治区一开始效益得分最高,但到2020年的效益得分却居于第3位。而黑龙江省利用效益提升较快,由2000年的0.241提高到2020年的0.682,位于2020年的最高效益区间。这首先得力于黑龙江省自然资源,其拥有丰富的耕地资源且许多土地处于黑土带上,是中国优质的农产品生产基地。其次近年来黑龙江省围绕特色农业、绿色农业进行发展,并同时实现了大规模的机械化农业生产。
3.2.2黑土区分省(自治区)耕地利用效益子系统问题诊断空间分异特征
黑土区各省份(自治区)耕地利用效益的问题子系统空间分异特征见图6。可知:
图6 2020年黑土区分省份(自治区)耕地利用效益各子系统问题诊断
1)在2020年的经济子系统的效益问题诊断中,黑龙江省的不利影响程度最为显著,处于最高影响区间33.031~34.604中,其不利影响程度为34.604%;辽宁省处在第二高影响区间31.459~33.031中,其不利影响程度为32.956%;而吉林省则处在第三高影响区间29.886~31.459中,其不利影响程度为29.940%;最后是内蒙古自治区,不利影响程度为28.314%。
2)在2020年的社会子系统的效益问题诊断中,黑龙江省的不利影响最显著,处在最高影响区间48.333~56.486中,其不利影响程度为56.486%;其次是内蒙古自治区和吉林省均处在第三高影响区间32.027~40.180,不利影响程度为分别为37.486%和34.851%;最后是辽宁省,其不利影响程度为23.874%。
3)在2020年的生态子系统效益问题诊断中,辽宁省和吉林省的处在最高影响区间34.605~43.169中,其中辽宁省的不利影响程度为43.169%,吉林省为35.208%;之后是内蒙古自治区处在第二高影响区间26.040~34.605中,其不利影响程度为34.200%;最后是黑龙江省,不利影响程度为8.911%。
综上,目前制约黑龙江省耕地利用效益提高的是经济和社会子系统,而吉林省应注意缓解对生态子系统的压力,辽宁省经济和生态效益问题较显著,内蒙古自治区还应该关注自身的社会和生态效益。
本研究发现,在研究期内黑土区耕地经历了“粗放式”经营向可持续利用探索的重大发展变革,黑土区耕地利用的综合效益趋势表现出了“前期低速发展,中前期快速提升,中后期缓慢增长,后期波动提高”的变化特征,总体呈现上升态势。而“耕地面积减少”、“人均粮食产量较低”、“不合理耕作模式”以及“耕地产值不高”等问题影响因子的干扰使得耕地利用效益在提升过程中有所波动,这与李保国等[31]对黑土地可持续发展面临的问题分析相符。作为中国粮食生产的“压舱石”和重要的商品粮生产基地,黑土区耕地利用效益还有较大提升空间。针对耕地利用过程中的问题诊断,黑土区未来还应做好以下几点:1)坚守耕地红线政策,保证稳定的农产品种植面积;2)着力提高黑土区粮食产量,促进农业科技发展,引入高端农业生产设备,逐步实现农业机械化、集约化生产;3)扩大有效灌溉面积,重视农业水利设施建设,提高地区水土匹配程度;4)推广保护性耕作“梨树模式”,实现秸秆全量覆盖、免耕少耕,逐步恢复黑土土肥力[31];5)提高农业经济“造血”能力,防止农村居民再次返贫;6)加强气候变化监测,构建农业生产应对气候变化技术体系;7)推动地理信息遥感技术与农业结合,构建“天空地”智慧农业数字网络。
分省份来看,目前制约黑龙江省耕地利用效益提高的是经济和社会子系统,而吉林省应注意缓解对生态子系统的压力,辽宁省经济和生态效益问题较显著,内蒙古自治区还应该关注自身的社会和生态效益。因此:1)黑龙江省在后续农业发展中,应重视健全社会化农村服务体系,提高农业产品物流、仓储和管理等社会服务能力,防止农村居民再次返贫,并促进农业产值的快速提升[42-43];2)吉林省与科研院校共同探索的“梨树模式”是提高黑土地利用生态效益的重要经验和手段,应加大推广力度并积极探索出一条符合高质量发展的黑土区全域保护性耕作模式[44];3)辽宁省针对黑土利用的经济和生态问题,应结合自身科研优势,引进科技管理技术,建设数字化环境监测网络,提高农业绿色生产宣传力度,构建分类治理保护模式,开拓出经济-社会-生态效益协调发展的道路;4)内蒙古自治区的“东四盟”,拥有大面积黑土耕地,对粮食安全具有重要作用,但其水资源存量紧缺、水土流失情况严重,农业社会化服务水平较低。在后续的发展过程应在减少水土流失、实现节能增效,并加强社会服务,以促进内蒙古地区的黑土地保护和农业高质量发展。
本研究对涉及拥有黑土资源246个县域所构成的黑土区整体及所属各省份的耕地利用效益及问题进行分析,一定程度上弥补了以往只研究单一省份或典型县域的研究不足。熵权TOPSIS模型对数据有很强的耐受性,研究方法科学可行。但受于数据的可获得性和研究可操作性,在后续研究对于黑土区耕地利用效益评价指标体系的完善和研究深度的扩展都值得进一步探讨。
通过分析2000—2020年黑土区及其所涉及各省(自治区)的耕地利用效益及诊断阻碍效益提升的不利影响因子,主要结论如下:
1)2000—2020年,黑土区耕地利用的经济、社会、生态以及综合效益整体上升态势较为明显,其中综合效益表现出了“前期低速发展,中前期快速提升,中后期缓慢增长,后期波动提高”的变化趋势。
2)2000—2008年,黑土区社会子系统的问题不利影响程度最高;2009—2012年,经济效益子系统的不利影响显著;2013—2020年,黑土区的社会效益问题再次显著。截止到2020年黑土区耕地利用效益的前3名不利影响因子分别为人均粮食产量、单位面积耕地产值以及人均耕地面积。
3)从省域角度来看,黑龙江省耕地利用综合效益提升速度较快,吉林省保持稳定,辽宁省表现良好,内蒙古自治区波动变化。目前制约黑龙江省耕地利用效益提高的是经济和社会子系统,而吉林省应注意缓解对生态子系统的压力,辽宁省经济和生态效益问题较显著,内蒙古自治区还应该关注自身的社会和生态效益。