东北地区耕地生态安全质量动态评估及影响要素

冷志杰，刘雪宁

（黑龙江八一农垦大学 经济管理学院，黑龙江 大庆 163319）

耕地是国土空间中重要的战略资源，不仅影响着人类生存发展，还关系到国家粮食安全及农业现代化可持续发展。工业化时代以来，人们对耕地的利用程度加深，致使原有的耕地生态系统受到不同程度的影响，已经成为阻碍国家农业经济可持续发展的重要因素[1]。因此，研究耕地生态安全能够对其发展过程出现的问题提前预警，促使政府出台相关政策，对于农业产业链合作及可持续发展有着重要意义。

耕地能够保障社会可持续发展，与国民生活息息相关。近年来，国外在耕地生态安全方面的研究主要借助于模型构建测度耕地的数量与质量变化，以此评估耕地生态安全等级[2-3]。目前国内相关领域的学者们用各种模型方法从多层次视角进行了有意义的研究工作，并进行了评价，耕地生态问题也引起了各级政府的重视[4]。在研究方法层面主要包括能值法、实物形态法、价值形态法及综合指标法等。PENG 等[5]利用实物形态法及回路理论，计算“阻力”模拟生态系统中的景观异质性，识别云南省耕地生态安全廊道及节点。梁流涛等[6]采用OD 空间矩阵方法从不同层面分析了虚拟耕地流动格局，并进一步探讨了其稳定性和持续性。研究视角方面主要包括生态安全、粮食安全、耕地保护及资源约束等。LI等[7]从粮食安全和生态安全视角，从质量和生产力等方面分析1996—2015 年东北地区耕地储备转化情况，进一步评价了耕地复垦生态安全绩效。王兆峰等[8]基于区域可持续发展综合视角，解析湖南省耕地资源利用演化时空过程，分析其存在的问题并提出了优化路径。

我国对于耕地生态安全的研究起步较晚，随着耕地生态环境的恶化，很多学者做了有益的研究，但是仍然存在着一些不足。本文的创新之处包括：①以Landsat卫星数据精确测量耕地空间分布及利用变化情况；②以多指标协同的PSR 模型全面评估耕地的安全水平；③以地理—社会时空分异属性的地理加权模型分析耕地生态安全的时空分异具有综合性客观性优势[9]。鉴于此，本次研究基于耕地生态安全指标体系框架，采用熵权法估算各指标的权重系数，对耕地生态安全影响机制进行了测度，以期研究成果对中国耕地生态安全及农业可持续发展提供有价值的参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

东北地区位于中国国土最北端，由黑龙江、吉林及辽宁3 省组成，区域地跨东经118°～135°，北纬48°～55°。新中国成立初期，东北地区工业总产值曾占全国总量的85%。2019 年的国家经济统计数据显示，东北三省GDP 总量约为50 000 亿元，占全国GDP 总量的5.07%，区域总人口约为0.98 亿人，占全国人口总量的6.95%，区域土地总面积约为78.73 万平方千米，占全国国土面积的8.20%，年度粮食总产量约为13 811 万吨，约占全国年度粮食总产量的20.80%，但是近年来其粮食产量全国占比有所下降，因此，研究东北地区耕地生态安全及影响机制具有典型代表性（图1）。

图1 研究区域

1.2 数据来源

本研究所需的基本数据主要包括社会经济和地理空间数据。社会经济数据来自辽宁、吉林和黑龙江3 省的《统计年鉴》和《农村统计年鉴》（1990—2020）等，一些缺失的数据来自各级政府的官方网站。耕地的地理空间分布数据主要来源于1990 年、2000 年、2010 年和2020 年夏季的Landsat TM/ETM 遥感影像，并参考BUCHNER 等[10]的研究方法，在GEE 地理云平台上对影像波段、大地基准和地面控制点的空间信息进行了一系列校正。本研究将水田、旱地和坡地纳入耕地类别，与《中国统计年鉴》中的耕地数据相比，总体准确率达到90.34%～96.52%，基本满足本研究的要求。

2 研究方法

2.1 核密度估计

耕地的地理分布具有空间离散、点多面广的特征，常规的计量方法无法直观地识别其整体性与空间异质性。核密度估计（KDE）与常规的以行政区范围计算耕地面积密度的理念完全不同，其对各要素建立平滑的圆形表面，采用估算概要密度函数的非参数方法，通过渐进式传输中心强度，以要素点到参考位置的距离建立峰值构建平滑的连续表面，表征空间位置差异性及中心强度距离衰减性。KDE 可以有效测度不同地形耕地的空间分布形态，计算公式如下：

式中：f(x,y)是位置(x,y)的耕地核密度估计，其表征单位面积上承载的耕地面积，di是位置(x,y)距第i个观测位置的距离，n是观测数量，h是距离衰减的阈值，k是空间权重函数值。

2.2 耕地生态安全指数

耕地生态安全评价指数具有生态系统性、复杂性及交叉性等特点，是一个融合多层次的复合系统（表1）。其指标的选取既要综合考虑生态安全的潜在影响，也要关注生态现状。鉴于不同评价指标的数值不同，单位也不同，为了使选择的指标具有可比性，本研究采用差化标准法对选取的指标原始数据统一量纲，选择熵权法根据各指标的重要程度与数量级客观计算其权重值。

表1 耕地生态安全指标体系

（1）耕地生态系统压力。耕地生态系统压力表征社会发展中农业从业者对耕地资源的利用程度，主要因素包括农业化生产过程中化肥、农业等人工添加剂的使用及土地垦殖程度等，这些因素对耕地生态造成了一定影响，改变了耕地生态平衡。本次研究选取人均耕地面积、单位耕地化肥负荷、单位耕地农药负荷、土地垦殖率、人口密度及城市化水平6 个指标来量化耕地生态压力的状态。

（2）耕地生态系统状态。人类对耕地的利用强度随着耕地生态系统的压力增强而变化，利用效率的变化对耕地生态安全状况产生影响。本次研究选取森林覆盖率、单位耕地农业机械化水平、灾害指数、单位耕地粮食产量及人均水资源量5 个指标来量化耕地生态系统的发展状态。

（3）耕地生态系统响应。耕地在生态安全压力、状态等影响下，会自动做出反应。本次研究选取灌溉保证率、第一产业产值占GDP 比重、农民人均纯收入、农业从业人员投入及环保污染治理投资占GDP 比重5 个指标来量化耕地生态响应状态。

单一指标无法全面准确地反映耕地生态安全，而耕地生态安全综合指数直接反映了耕地安全水平，其综合多层次指标按照各项指标、标准值、权重来评价[11]，取值范围为0～1（表2）。其计算式如下：

表2 耕地生态安全等级分类

式（2）、（3）中：Fm是系统中各要素层综合生态安全指数，Xij是标准值，wj1是第j项指标的相对权重。F是耕地生态安全目标层的综合指数，wj是第j项指标的总权重。1 ＞F＞0，其值越趋于0，表示耕地生态安全不安全，越趋于1，表示耕地生态安全越安全。

2.3 耕地生态安全影响因素（GWR模型）

在全球化与生态系统复杂性的条件下，深层驱动因素作用于表层驱动因素，以自然环境、地理区位、社会经济及区域政策等多要素相互作用的形式影响着耕地生态安全演化进程。自然环境因素是耕地生态安全的本底基础，其资源禀赋限制着耕地的利用方式。地理区位直接影响着耕地利用的便捷度及开发价值。社会经济不同发展阶段对应耕地利用主导形态，促进了其现代化转型。区域政策因素是影响耕地利用直接动力，并激励着从业者开发行为（表3）。

表3 耕地生态安全影响因素指标

地理加权回归模型（GWR 模型）可以测度指标参数在地理空间中的变化，准确反映出其空间特征。它的工作原理是通过对不同区域影响程度估算，反映指标参数在不同空间下的非平稳性，确保变量随着空间位置变化，其估算结果融合了地理与面板数据的综合属性，更适合地理指标数据的真实情况[12]。其计算式如下：

道家的美学思想之所以能在汉晋之际被广泛地接受和发展，并由此而塑造出一个个美的典范，关键就在于此时的士人接受了道家的人生哲学，能以一种淡泊虚静的心态面对生活，面对社会，面对人生。也就是说，汉晋之际的士人在接受道家美学的同时，准确地把握住了道家的审美心理，即只有保持一种平淡宁静、虚空寂寥、无碍无挂的自然心境的人，才能够发现美的真谛，欣赏美的神韵，享受美的欢乐的思想。

式中：β0(ui,vj)是常数项，βk(ui,vj)是回归系数，t是研究单元个数，Xik是研究区各评价单元的变量数，εi是随机误差。

3 耕地生态安全时空演变测度

3.1 耕地核密度测度

采用式（1）的核密度（KDE）模型对东北地区耕地分布进行空间分析，使用自然断裂点法将耕地KDE 划分为低密度区、较低密度区、中密度区、较高密度区与高密度区等五类（图2）。由图2 显示可知，东北地区KDE分布空间差异比较明显但是变化幅度较小，各年份变化范围在0～10.92 hm²/km²之间波动变化。

图2 耕地核密度空间分布特征

具体而言，1990 年耕地KDE 的高值区与较高值区主要分布在东北地区黑龙江西部、吉林中部及辽宁西部的齐齐哈尔、绥化、哈尔滨、长春、沈阳及盘锦等地区。2000 年耕地KDE 高值和较高值地区缓慢增长，黑龙江最明显。其中，黑龙江东部的佳木斯、双鸭山、鸡西及鹤岗等地区的林地、草地转变为耕地。2010 年耕地KDE 高值区与较高值区缓慢收缩，与此同时，部分地区的耕地面积在缓慢恢复，吉林、辽宁最明显。其中，吉林西部和中部的白城、长春、四平及辽源等地区大面积的耕地、水体转变成城市及工业用地，辽宁的铁岭、阜新、沈阳及大连等地区的耕地也转变成城市用地。与大部分城市耕地收缩相反的是黑龙江的佳木斯、黑河及吉林的吉林市等地区耕地正缓慢恢复。2020 年耕地KDE 高值区与较高值区进一步收缩，辽宁、吉林最明显，与此同时，大部分地区的耕地正缓慢恢复，黑龙江最显著。辽宁的沈阳、盘锦及吉林的长春、松原等地区的耕地因为大规模城市建设转变为建设用地，大连则因为滨海新区的持续开发促使耕地面积减少。与大部分城市耕地收缩相反的是黑龙江东部与西部的佳木斯、鹤岗、鸡西及黑河等地区因为经济发展滞后，人口外流及耕地保护政策等因素，近年来耕地面积正稳定恢复，耕地密度逐步提高。

参考2020 年东北三省的统计年鉴中耕地面积统计数据，东北地区耕地总面积约为20 080.26 千公顷，其中，辽宁耕地总面积约为3 228.84 千公顷，吉林耕地总面积约为5 325.13 千公顷，黑龙江耕地总面积约为11 516.30 千公顷，分别约占东北地区的16.13%，26.52%及57.35%。通过统计数据与Landsat 监测数据对比可知，在本次研究的四个时间段内东北地区耕地KDE 分异明显，集聚分布特征显著，呈现出“西密东疏”的核密度空间分布特征。究其原因主要有自然因素及人工因素等方面，其中自然因素层面，东北地区西部的大兴安岭、北部的小兴安岭及东部的长白山等山脉导致东北地区西部、北部及东部的地形海拔骤然升高，坡度超过了农业耕种的用地坡度，同时这些地区也是地广人稀，而在东北地区中部形成了连接辽宁、吉林及黑龙江的东北平原，其地形平缓、土地肥沃、气候适宜大规模机械化耕种，同时东北重要的大城市如沈阳、长春、哈尔滨及齐齐哈尔等都位于此平原带，大量的人口聚集，形成了东北地区最大的农副产品生产区。通过已有文献资料可知，人工因素主要源于沈阳、大连、长春及哈尔滨等城市快速发展，新建了大量的居住、概要用地，导致耕地面积减少，而资源型城市的抚顺、鞍山、松原及大庆等则是资源集中开发导致耕地减少。相对而言，东北地区东北部的佳木斯、鸡西、双鸭山及鹤岗等地经济发展滞后、人口外流及农业政策等因素，促进了耕地恢复改善了生态环境。

3.2 耕地生态安全测度

参照表2 的标准，由图3 可知，1990—2020 年东北地区耕地生态安全压力（P）指数在0.31～0.67 之间，处于“临界安全—不安全—临界安全—较不安全”状态，并表现出波动中上升最后持续下降趋势。耕地状态（S）指数在0.16～0.72 之间，处于“临界安全—不安全—较安全”状态，并表现出先下降后持续上升趋势。耕地响应（R）指数在0.31～0.76 之间，处于“不安全—较不安全—临界安全—较安全”状态，并表现出持续上升趋势。

图3 耕地PSR指数动态变化

（1）耕地压力系统安全评价。1990—1995 年东北地区压力安全指数急速下降，首次表现出“不安全”，1995—2005 年压力指数稳步上升，由“不安全”上升到“临界安全”，2005—2020 年压力安全指数持续下降，由“临界安全”下降到“较不安全”，总体上东北地区的耕地生态压力指数处于下降趋势。20 世纪90 年代以来，东北地区率先进入工业化发展进程，工业化产业链崛起，城镇建设规模扩大，城镇人口聚集，城镇化建设占用了大量的优质的耕地。同时现代化的化肥和农药过量使用，导致耕地质量下降引起了生态安全水平下降。参考东北三省的统计年鉴数据，1990—2020 年单位耕地化肥、农药和农膜使用量不断上升。其中，单位耕地化肥施用量由1990 年402.31 kg/hm²到2020 年的601.73 kg/hm²，2020 年比1990 年增加了199.43 kg/hm²。农药、农膜等大量使用在造成农业面源污染的同时，也对耕地生态安全造成了较大压力。

（2）耕地状态系统安全评价。1990—2000 年状态指数呈下降趋势，由“临界安全”下降到“不安全”，2000—2020 年状态指数呈持续上升趋势，由“不安全”上升至“较安全”。1990—2000 年耕地状态下降主要源于东北地区工业化快速发展促使大量耕地被占用，引起了人均耕地面积短期内快速下降，为保证农产品总产量，大量的化肥、农药使用提高了单位产量，但是造成了耕地污染。人均耕地面积从1990年的0.17 hm²减少到2000年的0.15 hm²。2000—2020 年呈现出上升趋势主要源于森林覆盖率、农业机械化水平提高，其中，森林覆盖率由2000年的46.13%上升到58.36%，单位耕地农业机械化水平由2000 年的2.93 kW/hm²增加到6.79 kW/hm²。2000 年以后，随着工业化发展，污染情况越发严重，人们意识到污染的危害，增强了环保意识，大力种植树林，使得森林覆盖率持续上升。

（3）耕地响应系统安全评价。东北地区耕地响应的安全指数由1990 年的“不安全”状态上升至2000 年的“较安全”状态。20 世纪90 年代以来，在东北地区城镇化、工业化发展过程中，随着污染问题的加剧，政府部门逐渐意识到人为因素对耕地环境的污染并出台了一些对应措施。1990—2020 年东北地区耕地有效灌溉面积显著增加，农民人均纯收入、农业从业人员投入水平不断提高，环保污染治理投资占GDP 比重提高，其中，灌溉保证率由1990 年的20.57%增加到2020 年的49.00%，农民人均年度纯收入则由1990 年的2 725.53 元增长到2020年的21 345.43 元。

4 影响机制分析

耕地生态安全时空演变主要受到自然、区位、经济及政策等多方面因素的共同影响，参考已有文献，本文选取然资源条件、地理区位条件、社会经济因素及区域政策因素4 个目标层12 个指标因子，探究其对生态安全的影响。东北地区耕地生态安全值增长的空间自相关已经证明了各城市的生态安全具有明显的空间聚集性及地区差异性，最小二乘法（OLS）模型不能解释地理变量，而地理加权（GWR）模型具有空间解释能力，能够对线性模型进行空间修正。使用SPSS 对标准化后的变量进行共线性检验，判断多重共线性问题，本次12 个指标因子的方差膨胀因子（VIF）均小于7.5，表明所选指标能够作为GWR 模型的解释变量。通过表4 分析结果可知，1990—2020 年不同因子对东北地区耕地生态安全的影响呈现出不同的趋势，其中，自然资源类要素主要呈下降趋势，而地理区位、社会经济及区域政策类要素主要呈上升趋势。

表4 耕地生态安全演化影响因素探测结果

（1）自然资源条件。自然因素决定了东北地区耕地的先天禀赋，其中年日照时数、年降水量影响着区域耕地资源的外部环境，种植方式及产出效率，地理坡度影响着区域更多资源开发的难度和可利用程度。1990 年代社会经济还不发达，区域政策不完善，自然资源条件在耕地生态安全影响因素中占据了重要位置，但是随着经济技术条件提高，区域政策完善，自然资源条件的影响力呈现下降趋势。其中，年日照时数、年降水量及地形坡度的系数均下降[13]。目前东北地区的黑龙江自然地理条件优越，后备耕地资源丰富，农业基础设施完善，其耕地生产能力较高，吉林次之，而辽宁地形地貌相对复杂，耕地主要集中在辽宁中部狭长平原地带，后备耕地资源匮乏，前期对利用方式粗放，生态安全水平较低，近年来逐渐好转。因此，区域自然因素差异是影响东北地区耕地生态安全时空分异格局的基本因素。

（2）地理区位条件。东北地区耕地生态安全水平与地理区位条件关联度较高，其中距河流、距主要公路及距城镇对区域耕地生态安全具有较大影响。距河流越近，耕地的水资源越丰富，距主要公路的距离决定了耕地的机械化作业程度及农作物运输的便捷度，而距城镇越近其耕地管理越方便，这些因素共同促进了耕地利用方式由粗放经营转向集约化经营[14]。随着科学技术不断提高，地理区位条件的影响力呈现出稳定上升趋势，但是现代化灌溉技术导致距河流的影响力小幅下降，其中距主要公路及距城镇的影响力上升，而距河流的影响力下降。当前黑龙江平原因为地理区位条件较好，公路交通较发达，其耕地集约化程度在21 世纪初就达到了较高水平，吉林在优化完善交通网络后，耕地生态安全不断提高，相比而言，辽宁因为多丘陵，前期耕地生态安全较低，且部分农业人口向京津冀及山东等经济发达地区转移，但是近年来政府大力完善交通及灌溉体系，其耕地生态安全逐渐上升。因此，地理区位条件是影响东北地区耕地生态安全时空分异及演化的重要因素。

（3）社会经济因素。随着区域经济发展水平提高，产业结构不断调整优化，在市场需求的刺激下，耕地生态安全水平持续上升，农业技术人员群体的扩大及农业人员知识素养的提升，促进耕地粮食单位产量不断提高，社会经济发对区域耕地利用方式产生重大影响。其中粮食单产及农民人均纯收入的影响力均上升，而随着城市二、三产业比重的提高，第一产业的占比逐渐减少，其影响力下降。当前东北地区辽宁经济发展程度高，是东北地区城镇化和工业化发展的引擎，工业化产业占据了较大的比例，快速城镇化及工业化导致其耕地生态安全水平较低，且耕地环境条件较差。相比而言，东北地区的黑龙江、吉林等地，其区域经济发展水平相对较低，农业产业比重较大，且农业条件较好，促进了其耕地生态安全的稳定增长。因此，经济社会发展差异是影响东北地区耕地生态安全时空演化的最重要的因素。

（4）区域政策因素。政府政策反映出耕地利用的基本导向，是耕地生态安全的重要保障。健全的耕地管理、荒地再利用等政策有助于耕地生态安全的提高，而农业税改革、农业补贴等政策减轻了农业投入压力，对耕地的合理利用产生了积极效应[15]。农业贷款率、农业科研支出的影响力均上升，而农业税的影响力呈现小幅度下降。目前，东北地区黑龙江、吉林等地政府部门出台了较完善的耕地生态安全保护政策，合理引导农业从业者对耕地资源的合理利用，发挥了生态安全的积极效应。而辽宁等地政府部门重视工业化、城镇化建设，在农业政策方面的指导性政策还不完善，政策的正面效应还未完全显现。因此，区域政策差异对东北地区耕地生态安全时空演化有引导性作用。

5 结论与建议

5.1 结论

基于Landsat 和社会经济数据，本文综合运用核密度估计、耕地生态安全、地理加权等模型方法，分析了东北地区1990—2020 年耕地生态安全水平演化进程时空特征，结果表明：①东北地区耕地核密度分异明显，集聚分布特征显著，表现出“西密东疏”的空间分布格局。研究期间，其耕地状态、响应在波动中缓慢上升，而耕地压力则在波动中下降。②东北地区耕地生态综合安全水平在波动中上升，而PSR 系统协调度则在波动上升后趋于稳定，表明东北地区耕地生态安全水平趋向“安全”状态，但是系统协调度并未同步变化。③耕地生态安全时空演变主要受到自然、区位、经济以及政策等多因素的综合影响，通过地理加权模型，东北地区的自然资源条件的影响力呈现下降趋势，而地理区位条件、社会经济因素及区域政策等因素呈上升趋势。

5.2 政策建议

基于1990—2020 年东北地区耕地生态安全水平时空分异及影响机制探讨，从生态安全视角提出中国耕地利用及农业可持续发展的政策建议：①控制耕地的污染。在农业生产过程中，过量的化肥及农药使耕地的生态承载力下降，建议提高农业从业人员的环保意识，结合已有研究，主要措施包括：控制化肥和农药的单位施用量，降低其对耕地土壤的危害；推广秸秆还田技术，加大对有机肥料的财政补贴，提倡绿肥种植，改良耕地土质结构；加强绿色科技农业技术宣传，提高农业人员的环保意识。②加大土地整治。对农业土地进行综合整治，加强农田水利建设，改善水利灌溉设施，提高有效灌溉面积，增强土地的综合产能。合理开发后备耕地，提高耕地质量并保护好生态环境。③完善耕地的保护制度。避免建设用地占用耕地，建议增加建设用地范围的管控与引导，对国家重要建设项目占用耕地建立规范的补偿制度和监管机制。提高农业耕种的补贴范围和额度，提高农民耕种的积极性，落实基本农田保护制度，明确农民的权利及义务。