黑龍江省糧食生產與耕地利用耦合分析

倪 超，雷國平

（1.東北農業大學 資源與環境學院，哈爾濱150030；2.哈爾濱學院 地理系，哈爾濱150080）

“民以食為天，食以土為先”，糧食是人類賴以生存和發展的基本保障，耕地是糧食生產的前提。糧食生產與耕地資源之間存在著密不可分的聯系，糧食生產離不開耕地資源作為物質支撐，耕地資源是糧食生產必不可少的基本載體。耕地利用通過一定的方式影響糧食總產量［1］。因而，耕地資源的合理利用是糧食增產的有力保障，耕地保育技術的運用可以改善土壤質量、提高耕地的生產潛力，從而為糧食增產提供有利條件。反之，倘若對耕地資源進行不合理的利用，會對生態環境造成一系列不同程度的破壞，嚴重時將導致土壤肥力下降和土壤質量退化，從而抑制糧食產量的增加，甚至在一定程度上導致糧食減產。黑龍江省是我國重要的商品糧生產基地，也是我國的耕地資源大省，優越的農業生產條件為保障國家糧食安全做出了突出貢獻。但極端氣候頻發對糧食生產造成不利影響的同時，人口的迅速膨脹也給耕地帶來了極大的壓力。盡管前人對耕地利用與糧食生產已進行過一些相關研究［2－4］，但對二者的耦合模型研究還不多見。為實現黑龍江省由農業大省向農業強省跨越，對全省耕地利用系統與糧食生產系統狀況進行深入研究，本文在構建黑龍江省耕地利用與糧食生產評價指標體系的基礎上，借鑒耦合度模型定量分析研究區糧食生產與耕地利用的耦合關系及發展變化趨勢，以期為今后黑龍江省糧食生產和耕地利用的協調發展提供相應的數據支持和科學依據。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

基礎數據主要來源于1981—2011年《中國統計年鑒》、1987—2011年《中國農業統計年鑒》、1987—2011年《黑龍江統計年鑒》、黑龍江省部分地市統計年鑒、1995—2010年《黑龍江省國民經濟和社會發展統計公報》及有關部門的研究報告等。

1.2 研究方法

“耦合”這一概念來源于物理學，指兩個或兩上以上系統或運動方式通過各種相互作用而彼此影響以至協同的現象，是在各子系統之間的良性作用下，表現出的相互影響、相互制約、相互促進、相互協調的動態關聯關系［5－6］。從協同學的角度看，耦合作用和協調程度決定了系統由無序走向有序的趨勢［7］及變化特征和規律［8］。耦合度能描述系統或要素彼此間相互作用的影響程度，反映系統協同作用的量度［9］。當前，系統耦合模型在生態經濟［10］、水文環境［11］、城市發展［12］等領域已得到了廣泛應用，研究成果也比較豐富。

李雅普若夫第一近似定理指出，非線性系統的運動穩定性取決于一次近似系統特征根的性質［13］，借助一般系統論中心系統演化的思想［14］，系統耦合動態模型構建步驟如下［15］：

（2）建立預耦合系統的一般函數：

式中：x，y——兩系統的元素（均為時間的變量函數）；a，b——各元素的權重。

（3）根據一般系統論建立預耦合系統的動態演化方程：

（4）建立預耦合系統因受自身及外界影響下的系統演化速度評價模型：

（5）在二維平面建立以VA與VB為變量的坐標系，因區域系統演化呈現S型發展，故演化速度V的變化軌跡為一個橢圓，則系統耦合狀態評價模型為：

式中：θ——區域系統耦合度。

（6）根據θ值確定區域系統演化狀態及耦合狀態，具體見表1。

表1 系統狀態劃分及特征描述［15］

2 黑龍江省耕地利用與糧食生產耦合分析

2.1 指標選取

影響耕地利用和糧食生產的驅動因子眾多，在借鑒已有研究成果的基礎上［16－18］，結合研究區實際，構建評價指標體系（表2）。

2.2 結果分析

根據主成分分析法的基本原理及計算步驟［19］，采用多元統計分析軟件SPSS 15.0，對黑龍江省耕地利用及糧食生產指標體系進行綜合評價，并采用協調度指數對系統內各因素的發展速率和協調情況進行分析，結果見圖1。

表2 黑龍江省耕地利用和糧食生產指標體系

圖1 1980－2010年黑龍江省耕地利用與糧食生產綜合評價值及協調度

耕地利用與糧食生產之間存在著相互影響、相互制約的關系。一方面，耕地是糧食生產最基本的物質條件之一，耕地的數量變化會在一定程度上對糧食生產造成影響。另一方面，糧食生產要以一定面積的耕地作為載體，糧食生產的波動在很大程度上取決于耕地的變化。從兩系統的綜合評價值（圖1）可以看出，1980—2010年黑龍江省耕地利用與糧食生產綜合評價值除個別年份略有回落外，總體上呈上升趨勢，且兩條曲線走勢相近。根據協調度曲線走勢來看，兩系統的協調度總體上呈上升趨勢，由最初的不協調逐漸向協調方向發展，因此可將耕地與糧食兩個系統通過各自指標產生的相互作用和影響程度定義為耕地—糧食耦合度。基于上述思想，從系統論的角度構建黑龍江省耕地利用與糧食生產的動態耦合模型，通過實證分析尋求兩者的耦合關系。根據耦合模型原理，并結合圖1對耕地利用和糧食生產綜合評價值進行非線性模擬，得出二者的耦合度（圖2）。

2.2.1 耕地利用與糧食生產的演化速度 黑龍江省耕地系統曲線總體走勢呈明顯的U型，拐點出現在1994年，演化速度先快速下降后快速上升；而黑龍江省糧食系統曲線走勢與耕地系統曲線有一定的相近性，轉折點為1987年，但演化速度先緩慢下降后快速上升。兩系統曲線在1991年數值點處重合，此處是明顯的分界點，表明此時全省耕地利用與糧食生產正好滿足人們的需求，但系統開始由良性向不持續方向發展（圖2）。1980—1990年耕地利用演化速度大于糧食生產演化速度，二者的耦合度為0°～45°，表明兩系統處于協調發展階段，由于社會經濟的平衡發展、物質和科技投入的增加，人們對糧食的需求不斷增加，耕地利用方式隨之發生改變，但此時糧食生產供給大于需求，余糧較多。1991—2010年耕地利用演化速度小于糧食生產演化速度，兩者的耦合度為45°～90°，表明兩系統處于不協調發展階段，由于人口的迅速增長，建設用地需求遠大于耕地利用供給，盡管科技和物質投入使糧食生產能力提高且已達到最大，但供給遠小于需求。

圖2 1980－2010年黑龍江省耕地—糧食耦合態勢

2.2.2 耕地利用與糧食生產的耦合態勢 從耦合態勢上看，兩系統經歷著“協調—不協調—協調”的發展過程。第一個協調發展階段主要是指1980—1990年，這11a間黑龍江省耕地面積以年均0.11%的速度增加，而人口卻以0.96%的速度膨脹，人口的不斷增加導致對糧食的需求增長。但糧食總產量增長速度也較快，由1980年的1 462.4萬t增加到1990年的2 312.5萬t，11a間共增加850.1萬t，年均漲幅達5.28%，因此有足夠的余糧滿足人們的需求。其中這一階段又可細分為兩個小時段：（1）1980—1986年耦合度緩慢增加。耕地和人口均呈增長態勢，二者的年均增長率分別為0.23%和0.81%，此階段耕地的增長幅度大約為1980—1990年耕地漲幅的2倍，而人口的漲幅卻比1980—1990年人口漲幅低0.16個百分點，糧食總產也比1980—1990年低2.22個百分點，因此耦合度曲線總體趨勢稍緩；（2）1987—1990年耦合度迅速增加。盡管此階段糧食總產以年均8.27%的速度在不斷增長，但同期耕地面積呈不斷減少的趨勢，年均降幅為0.08%，人口卻以0.87%的速度在不斷增長，因此人們對糧食的需求較第一小時段有所增加。

1991—2010年耦合度處于不協調發展階段，但有逐漸向協調方向發展的趨勢。此階段由于物質和科技投入達到最大，糧食生產能力也達到最大，糧食產量年均漲幅為6.58%，但人口由1991年的3 575.0萬人增加到2010年的3 833.4萬人，共增加258.4萬人，因此糧食對人口和社會經濟發展的支撐能力越顯不足，人地矛盾嚴重激化。其中此階段又可細分為兩個小時段：（1）1991—1996年耦合度逐漸走向不協調，直至達到頂峰值，此階段人均耕地面積年均減少0.09%，人口卻以每年0.71%的速度增長，糧食需求逐漸不能滿足人們的需求。（2）1997—2010年耦合度不協調性逐漸降低，14a間的人口漲幅僅為0.16%，而糧食年均漲幅卻高達4.4%，糧食供給逐漸滿足人們的需求，系統有向良性方向發展的趨勢。這主要得益于國家出臺的農業優惠政策和制度，黑龍江省積極落實最嚴格的耕地保護措施，加強用地審批管理，貫徹國家的一系列支農惠農政策，加大農業基礎設施投入，使農民種糧積極性大大提高，從而促進了糧食增產，因此使耕地—糧食耦合度逐漸趨于協調。

3 結論與討論

（1）根據耕地利用和糧食生產的綜合評價值結果可以看出：1980—2010年間，糧食生產與耕地利用兩系統走勢比較相近，總體上均呈現穩步增長的趨勢。根據協調度指數的走勢可知，兩系統的協調程度不斷增強，由最初的不協調逐漸向協調方向發展。

（2）從耕地利用和糧食生產的耦合結果來看：在演化速度上，兩系統總體走勢呈現先快速下降后快速上升的特點，1980—1990年間耕地利用演化速度大于糧食生產演化速度，1991—2010年間耕地利用演化速度小于糧食生產演化速度；在耦合態勢上，兩系統表現為由協調向不協調，再向協調方向發展的特點。盡管研究結果表明系統趨于協調，但隨著城市化進程的不斷加快，非農業用地需求的增加，人為環境等因素的制約，耕地面臨的壓力不容忽視。因此，應充分挖掘耕地利用潛力，實現耕地集約、高效、可持續利用，從而提高全省糧食產量以保障國家的糧食安全。

（3）已往對耕地利用與糧食生產耦合研究較少［15，20］，以黑龍江省為研究對象的類似成果目前鮮見報道。通過對黑龍江省糧食生產與耕地利用進行耦合研究，對深入挖掘耕地資源潛力、有效提高糧食生產能力、促進耕地利用與糧食生產協調發展具有一定的現實意義。但影響糧食生產與耕地利用的因素眾多，鑒于相關數據資料難以獲取，在構建評價指標體系時存在一定的主觀性，今后還需要對評價指標進行更深入地篩選以逐步改進此體系。

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