瑪河流域耕地景觀細碎化與利用效率的關聯性探析

李賽博，徐麗萍，方曼曼，王 睿，琚小倩，呂振濤，萬科幸

（石河子大學 理學院，新疆 石河子832003）

瑪河流域耕地景觀細碎化與利用效率的關聯性探析

李賽博，徐麗萍，方曼曼，王 睿，琚小倩，呂振濤，萬科幸

（石河子大學 理學院，新疆 石河子832003）

運用生態學景觀格局指數測算了瑪納斯河流域耕地細碎化水平，利用DEA-Malmquist生產率指數方法測算了耕地利用的純技術效率和規模效率，運用相關分析測度了細碎化水平與耕地利用的純技術效率、規模效率和綜合效率的關系。結果表明：研究區耕地逐漸由初期小面積斑塊占主導、空間上破碎分布的格局趨于耕地景觀連續化。20年間耕地景觀綜合效率為“降低—增加—降低”走勢，同時耕地生產率呈現“增加—降低—增加”的趨勢，耕地生產率和20年間的技術變化走勢吻合。景觀邊緣復雜度和耕地景觀規模度水平對耕地技術效率和全要素生產率產生一定負面影響。耕地景觀形狀的不規整阻礙了農業的發展及農業機械的采用，也造成農業經營效率的損失，無形中提高了使用機械的物質費用，降低了糧食生產的勞動生產率、土地生產率和成本產值率。

耕地景觀；細碎化；利用效率；DEA；SPSS

耕地細碎化是指由于自然或人文因素的干擾所導致的耕地景觀由簡單趨向于復雜的過程，即耕地景觀由單一、均質和連續的整體趨向于復雜、異質和不連續的斑塊鑲嵌體[1]。耕地細碎化是許多國家農業中存在的主要問題之一[2-3]。主要原因是細碎化對農業生產效率具有一定影響[4]。其積極作用表現在耕地細碎化有利于農戶進行多元化種植；另一種觀點則認為耕地細碎化阻礙了農業的發展及農業機械的采用[5-6]。Jabarin等[7]利用調查約旦北部的農戶資料所獲取的有關小麥生產方面的數據，運用廣義最小二乘估計模型，研究耕地細碎化與小麥生產成本的關系，結果顯示小麥生產成本因耕地細碎化的存在而增加。Wadud等[8]為研究耕地細碎化對農業生產技術效率的影響程度，以孟加拉為例，采用了隨機前沿函數和研究方法，研究結果表明農戶擁有的地塊平均面積越大（即耕地細碎化程度越低），農戶生產的農業技術效率就會越高。許慶等[9]以調查獲得的吉林、四川、江西和山東4個省份在1993年、1995年、1999年和2000年的農戶數據為基礎，利用半對數模型，定量分析了家庭人均年收入與耕地細碎化之間的關系。王秀清等[10]以調查獲得的山東省萊西市農戶數據為基礎，應用分組對比法、因子分析方法和聚類分析法，研究了耕地細碎化與農業生產之間的關系[10]。但一些學者研究層面只停留在了農民收入，即社會經濟上，并沒有從景觀生態學的角度去分析兩者之間的關系，而且很少有學者把景觀生態學與數據包絡分析結合起來去研究此問題，且針對瑪河流域細碎化的時空特征及與耕地利用效率的關系分析尚未涉及。本文采用主成分分析法和數據包絡分析法定量研究區域的耕地細碎化和耕地利用效率水平，以此為基礎探析耕地細碎化和耕地利用效率的關聯性，進而使耕地資源規模更具合理化，提高瑪納斯河流域灌溉農業現代化、科學化的合理性，為降低農業生產成本，提高耕地利用效率提供參考。

1 研究區概況

瑪納斯河流域85°01°—86°32′E，43°27′—45°21′N，位于新疆準噶爾盆地西南部，相鄰于準噶爾盆地邊緣和著名的天山山脈，最高海拔5 242.5 m，平原區海拔300～500 m，地形南高北低，山區和平原各半。地處天山北坡經濟開發區核心地帶，流域總面積8.432萬km2，截止到2010年人口數達到102.08萬人。該流域屬于典型的大陸性氣候，夏季炎熱冬季寒冷，年均氣溫6.8℃，年降水量為110～200 mm[11]。

行政區域包括石河子市、沙灣縣和瑪納斯縣，以及分布在兩縣境內新疆生產建設兵團農八師和農六師的農牧團場。目前流域主要景觀類型為：草地、未利用土地和耕地，占全流域的90%左右。流域水資源經過多年的開發，有利于耕地的擴張，現在瑪納斯河流域是中國第4大灌溉農業區。

2 材料與方法

2.1 數據預處理

本研究遙感影像數據由美國地質勘察局（USGS）官方網站（http：∥www.usgs.gov）下載，包括1990年、2000年、2005年與2010年的Landsat TM（分辨率30 m×30 m）遙感影像數據。先對研究區的同一時期的三景Landsat影像進行幾何精校正、配準、圖像鑲嵌與裁剪、去云及陰影處理和光譜歸一化預處理步驟。然后采用eCogniton軟件的面向對象的影像分析方法解譯地物，同時從已經處理得到的研究區域的土地利用現狀圖上選取均勻的驗證圖斑，進行外業實地檢驗。根據《土地利用現狀分類》國家標準，并結合研究區域的實際情況，劃分出9類土地利用景觀：草地、林地、水域、耕地、建設用地、裸地、沙地、鹽堿地和未利用地。統計數據源主要來自研究期間的《新疆統計年鑒》、《新疆建設兵團統計年鑒》、《石河子統計年鑒》、《沙灣縣統計年鑒》以及《瑪納斯縣統計年鑒》。

2.2 景觀指數選取

文章借鑒已有研究成果[12-13]，在耕地類型尺度上選擇地塊平均面積（MPS）、邊界密度（ED）、地塊密度（PD）、面積加權形狀指數（AWMSI）和面積加權分維數（AWMPFD）等指數描述耕地細碎化。

2.3 主成分分析

由于所選衡量細碎化的景觀指數之間存在著很大的相關性，因此本研究用主成分法消除相關性，避免主觀賦權帶來的偏差，并達到降維目的，使得能利用更少的變量更多地反映耕地細碎化的信息。同時，構建瑪河流域地區耕地細碎化測度體系。

2.4 DEA模型

Malmquist生產率指數最初是由瑞典經濟學家和統計學家Malmquist于1953年首先提出，用來分析不同時期的消費變化。Caves等[14]首先將該指數應用于生產率變化的測算，此后與Charnes等[15]建立的DEA理論相結合，在生產率測算中的應用日益廣泛。

根據DEA-Malmquist生產率指數方法，各效率存在以下關系：

TFPch=Effch·Techch=Sech·Pech·Techch式中：TFPch代表TFP變化；Techch代表技術進步；Effch代表技術效率變化；Sech表示規模效率變化；Pech表示純技術效率變化，當Techch，Effch，Sech或Pech大于1時，表明其對TFP的提高有促進作用，反之，則有阻礙作用[16]。

2.5 投入—產出指標選擇

選取耕地產出指標時既要考慮耕地資源的經濟效益，又要考慮耕地的社會效益。經濟效益指標主要選取農業（種植業）總產值，其作為一項基本的輸出指標可以反映某個區域的農業生產活動的規模和總量；耕地的社會效益主要表現為保障國家的糧食安全和社會穩定，因此，利用糧食總產量作為耕地社會效益的衡量指標。

農業生產的投入指標可以用土地、資本和勞動力投入的數量來表征[17-19]。鑒于數據的可獲得性，用農作物播種面積來表示土地的投入，資本的投入用農田化肥施用量和農業機械總動力來表示，勞動力投入用生產中的實際勞動人員來表示。

3 結果與分析

3.1 瑪河流域耕地細碎化評價

1990—2010年，瑪河流域耕地景觀由研究初期小面積斑塊占主導的格局和空間上破碎分布的格局逐漸趨于耕地景觀連續化（圖1）。耕地的平均斑塊面積逐年遞增，遞增幅度高達29.11%，且尤以2005—2010年、1990—2000年兩時段內遞增幅度最為顯著，分別高達99.33%，77.32%。與此相反，耕地景觀的斑塊密度、面積加權的平均形狀指標和面積加權的平均斑塊分維數總體呈現出遞減趨勢，尤其在2005—2010年，這一變化更為明顯。其中，斑塊密度指數減少了35.85%，面積加權的平均形狀指標和面積加權的平均斑塊分維數則分別由2005年的17.395 5，1.246 3減少到2010年的14.769 8，1.232 4。

圖1 瑪河流域耕地景觀指數變化

1990—2010年，瑪河流域耕地景觀主要向西部擴展，同時又向內部蔓延（圖2）。其中耕地面積增加量近似于1990年的耕地面積的97.75%，但是也存在3.7%耕地面積減少的現象。耕地減少區域主要分布在石河子行政區域內，這和1990—2010年石河子市區急速擴張有關，且耕地消亡形狀和市區蔓延形狀吻合。

圖2 瑪河流域1990-2010年耕地動態分布

對于1990—2000年，可以看出1990年的耕地細碎化現象比較嚴重，在這10年間擴張的耕地主要沿著原有的耕地景觀邊界向其周圍蔓延。2000—2005年耕地面積增加值和1990—2000年相近，不過從空間上可以看出，蔓延區域主要分布在沙灣縣，瑪納斯縣增加的耕地比較分散。2005—2010年耕地面積增加200 654.8 hm2，比前兩個階段增加明顯，且沙灣縣是主要的擴展區域。

文章用主成分法消除景觀指數的相關性，計算景觀指數特征值及對細碎化的貢獻率，前兩個主成分的累計貢獻率達到了98.76%，大于85%，說明前兩個主成分的變化基本可代表5個景觀指數的變化，可用第一和第二主成分綜合衡量耕地細碎化度。

第一主成分與邊緣密度（ED）、面積加權的平均形狀指標（AWMSI）、面積加權的平均斑塊分維數（AWMPFD）的相關系數在0.80以上，其中與ED，AWMSI，AWMPFD的相關系數是正值，表示邊緣密度越大，形狀越復雜，第一主成分數值越大。第二主成分主要代表平均斑塊面積和斑塊密度（PD），載荷值大于93%。其中與平均斑塊面積的相關系數是-0.935，表示第二主成分與平均斑塊面積是負相關關系，斑塊平均面積越大，第二主成分數值越小。PD與第二主成分的相關系數是0.993，表示斑塊密度越大，耕地景觀越趨于細碎化，第二主成分值越大。

3.2 瑪河流域耕地利用效率評價

研究區域包含的縣級行政區域即DMU（決策單元）較少，DEA模型的C2R模型分析，需要DMU個數多于投入和產出個數及主要用于截面數據。如果強行進行C2R模型分析會導致最終的效率值真實性降低。針對此現象，采用DEA模型的Malmquist指數分析處理面板數據和時間序列數據，計算出3個研究期間段的效率變化量。將時刻上的景觀細碎化指數，轉為3個研究期間的變化量，以建立變化量和變化量之間的關系。

使用學者Coelli[19]編寫的DEA模型專用程序DEAP Version 2.1，采用產出導向的方法，對瑪河流域1990—2010年的耕地利用效率變化值進行測算，其中綜合效率=技術效率×規模效率。

瑪河流域近20年耕地景觀綜合效率為“降低—增加—降低”走勢（圖3）。前10年，研究區域的耕地面積雖然在急劇增加，但是處于規模遞減階段，即對耕地利用效率不高，對耕地的粗放現象比較嚴重。其中比較異常的是這10年純技術效率變化穩定在1，即給定投入的情況下耕地獲取最大產出的能力不變。而2000—2005年的綜合效率變化值為1.420，大于1，5年增加42%。同時耕地生產率呈現“增加—降低—增加”的趨勢，和20年間的技術變化走勢吻合。

圖3 瑪河流域分地區耕地利用效率評價

石河子市1990—2000年耕地景觀處于規模效率遞減階段，而2000—2010年純技術效率和規模效率都有所提升，其中純技術效率提升更為明顯。瑪納斯縣和沙灣縣在1990—2000年的綜合效率變化大于1，瑪納斯縣的純技術效率并沒有提升，而是規模更優，對于沙灣縣這兩者均有升高，2000—2005年兩縣的綜合效率值為1，處于穩定階段，而技術變化在降低。2005—2010年瑪納斯縣的技術得到明顯提升，而沙灣縣處于規模遞減階段，且純技術效率值也有所降低。對于耕地生產率，石河子市在20年間一直增加，其中在1990—2010年和2005—2010年，技術變化對其貢獻最大，2000—2005年純技術效率變化和規模效率變化對其貢獻較大。瑪納斯縣和沙灣縣在1990—2000年和2005—2010年的耕地生產率處于增長階段，且主要貢獻都在于技術提升，即耕地生產率的增長主要依靠技術進步水平的提高，而不是耕地效率水平（技術效率和規模效率）的改善。

石河子市耕地利用綜合效率變化值為1，即給定投入的情況下耕地獲取最大產出的能力不變，而技術變化達到了1.763（圖4）。沙灣縣的耕地綜合效率變化值為0.927，耕地利用效率在下降，其對耕地生產率的貢獻率為-7.3%，純技術效率和規模效率對綜合效率的貢獻分別為-5.5%和-2%。瑪納斯縣20年間，耕地利用效率處于增長階段，規模效率貢獻率為0.7%，同時綜合利用效率對耕地生產率的貢獻率為0.7%，而技術變化對其貢獻率達到了71.2%。

3.3 瑪河流域耕地細碎化與利用效率關系分析

文中分別選取耕地技術指數值和耕地全要素生產率值作為因變量，以反映耕地細碎化的第一、第二主成分為自變量，建立逐步回歸模型。分析結果表明，第一、二主成分均未進入模型，說明這兩個指標與耕地技術指數、全要素生產率指數之間未呈現明顯的相關關系。針對此現象，本文擬采用相關分析中的“線性雙變量”分析，耕地技術指數和耕地全要素生產率指數均與第一、二主成分呈現負相關。其中第一主成分包括邊緣密度（ED）、面積加權的平均形狀指標（AWMSI）、面積加權的平均斑塊分維數（AWMPFD），說明隨著第一主成分值的增加即耕地景觀邊緣越復雜其耕地技術指數和全要素生產率指數是遞減的。第二主成分主要代表平均斑塊面積和斑塊密度（PD），且與平均斑塊面積是負相關和斑塊密度呈現正相關關系，其中F2值越大，即耕地景觀規模度越低，耕地景觀破碎度越高，而耕地技術值和全要素生產率指數越低。

圖4 1990-2010年瑪河流域分地區耕地利用效率評價

4 討論與結論

4.1 討論

對耕地細碎化與耕地利用效率的關系進行研究時，實際有兩種截然不同的觀點，一種觀點認為：耕地細碎化有利于農戶進行多元化種植，合理配置并充分利用農村勞動力，以維持或增加農戶的種植業凈收入；另一種觀點則認為耕地細碎化阻礙了農業的發展及農業機械的采用，也造成農業經營效率的損失和耕地面積的減少，無形中提高了使用機械的物質費用，降低了糧食生產的勞動生產率、土地生產率和成本產值率[20-22]。本研究結果表明，當地的耕地技術確實有所提高，而反映在耕地利用效率上并沒有很好體現出來，出現這種情況的原因可能是某些地區落后的耕作水平拉低了整個行政區的耕地技術水平，即差異顯著。且石河子1990年的播種面積為152 400 hm2，2010年的播種面積為194 580 hm2，增加了42 180 hm2，1990年的農業總產值為47 192萬元，2010年的農業總產值904 983萬元，表明20年間石河子地區的農業產值增長可能大多建立在播種面積的增加，而在單位面積上的產出即耕地利用效率并不是很樂觀。

其中對于邊緣復雜度較高問題，一方面要使農民權益得到保障，同時要參照節約集約利用耕地的規定，對耕地進行重新劃定，通常采取措施對形狀不規則、達不到機械耕作要求的耕地，可以利用相關的手段將其轉化為整齊、規則，以進行集約經營，促進農業經濟的不斷發展，為創建社會主義現代化農村，積極構建新型農村提供前提條件。本文的耕地細碎化指標由景觀邊緣復雜度和耕地景觀規模度水平兩個因素組成，且目前對瑪河流域耕地技術效率和全要素生產率產生一定負面影響，但是這種影響往往隨著細碎化水平而改變，因此下一步需要結合此現象確定研究區的最佳耕地規模。

4.2 結論

（1）近20年，研究區耕地景觀逐漸趨于連續化。不同階段內耕地景觀連續化進程表現出不同的演變趨勢，但景觀連續化依舊是研究區耕地景觀格局變動的主旋律。隨著時代進步，瑪河流域以及其區域內的石河子市、瑪納斯縣和沙灣縣，其耕地生產率和時代進步息息相關，而時代進步則通過技術進步體現，純技術效率和規模效率并沒有起到明顯的促進作用。

（2）1990—2010年瑪河流域耕地景觀形狀的不規整阻礙了農業的發展及農業機械的采用，也造成農業經營效率的損失，無形中提高了使用機械的物質費用，降低了糧食生產的勞動生產率、土地生產率和成本產值率。同時耕地景觀規模化的降低，一定水平上抑制了瑪河流域的耕地技術效率和全要素生產率。對于機耕，要求條田具有一定的長度，若條田太短，農機開行長度太小，轉彎次數增多，生產率較低，機械磨損較大，消耗燃料也多，根據試驗測定，拖拉機開行長度小于300～400 m時，生產效率顯著降低[23]。

[1]李鑫，歐名豪，馬賢磊.基于景觀指數的細碎化對耕地利用效率影響研究：以揚州市里下河區域為例[J].自然資源學報，2011，26（10）：1758-1767.

[2]呂曉，黃賢金，鐘太洋，等.中國農地細碎化問題研究進展[J].自然資源學報，2011，26（3）：530-540.

[3]劉七軍，曲瑋，李昭楠.耕地細碎化對干旱綠洲區作物生產和農戶收入影響效應調查分析：以甘肅省民樂縣為例[J].干旱地區農業研究，2011，29（3）：191-198.

[4]田孟，賀雪峰.中國的農地細碎化及其治理之道[J].江西財經大學學報，2015（2）：88-96.

[5]李慶東，王秋兵，錢鳳魁，等.農戶耕地經營細碎化分析：以遼寧省昌圖縣為例[J].廣東農業科學，2010，37（6）：230-232.

[6]牛新勝，王紹雷，呂振宇，等.華北平原典型農區農地細碎化對村級農田林網的影響：以河北省曲周縣為例[J].中國生態農業學報，2014，22（4）：447-455.

[7]Jabarin A S，Epplin F M.Impacts of land fragmentation on the cost of producing wheat in the rain-fed region of northern Jordan[J].Agricultural Economics，1994，11（2/3）：191-196.

[8]Wadud A，White B.Farm household efficiency in Bangladesh：a comparison of stochastic frontier and DEA methods[J].Applied Economics，2000，32（13）：1665-1673.

[9]許慶，田士超，邵挺，等.土地細碎化與農民收入：來自中國的實證研究[J].農業技術經濟，2007（6）：67-72.

[10]王秀清，蘇旭霞.農用地細碎化對農業生產的影響：以山東省萊西市為例[J].農業技術經濟，2002（2）：2-7.

[11]南峰，李有利，史興民，等.新疆瑪納斯河流量波動與氣候變化之間的關系[J].水土保持研究，2003，10（3）：59-61.

[12]黃思琴，陳英，張仁陟，等.基于景觀指數的耕地細碎化與農業經濟水平的空間相關性分析[J].干旱地區農業研究，2015（3）：238-244.

[13]孫美琴，趙成義，施楓芝，等.近20 a塔里木河干流區土地利用變化特征[J].干旱區研究，2013，30（1）：16-21.

[14]Caves D W，Diewert W E.The economic theory of index numbers and the measurement of input，output，and productivity[J].Econometrica，1982，50（6）：1393-1414.

[15]Charnes A，Cooper W W，Rhodes E.Measuring the efficiency ofdecision making units[J].European Journal of Operational Research，1978，2（6）：429-444.

[16]鄧宗兵.中國農業全要素生產率增長及影響因素研究[D].重慶：西南大學，2010.

[17]張寧，陸文聰.中國農村勞動力素質對農業效率影響的實證分析[J].農業技術經濟，2006（2）：74-80.

[18]趙芝俊，張社梅.近20年中國農業技術進步貢獻率的變動趨勢[J].中國農村經濟，2006（3）：4-12.

[19]Coelli T.A guide to DEAP version 2.1：a data envelopment analysis（computer）program[Z].Australia：University of New England，1996.

[20]張榮天，焦華富.中國省際耕地利用效率時空格局分異與機制分析[J].農業工程學報，2015，31（2）：277-287.

[21]李慶東，王秋兵，錢鳳魁，等.農戶耕地經營細碎化分析：以遼寧省昌圖縣為例[J].廣東農業科學，2010，37（6）：230-232.

[22]李功奎，鐘甫寧.農地細碎化、勞動力利用與農民收入：基于江蘇省欠發達地區的實證研究[J].中國農村經濟，2006（4）：42-48.

[23]馬永宏.小型灌區農田水利渠道設計與施工分析[J].科技創新與應用，2016（1）：149-150.

Analysis of Correlation Between Farmland Landscape Fragmentation and Utilization Efficiency in Manas River Basin，Xinjiang Uygur Autonomous Region

LI Saibo，XU Liping，FANG Manman，WANG Rui，JU Xiaoqian，LYU Zhentao，WAN Kexing
（College of Science，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang832003，China）

We calculated the level of farmland landscape fragmentation by ecology landscape pattern index in Manas River Basin，and used the method of DEA-Malmquist productivity index to measure the pure technical efficiency and scale efficiency of farmland use and relationship between the level of farmland landscape fragmentation and pure technical efficiency，scale efficiency，comprehensive efficiency of farmland use.The results showed that pattern of farmland of the study area had tended gradually to continuous farmland landscape from the early small dominated patches and fragmentized pattern in space.Farmland landscape comprehensive efficiency in the two decades had the trend of‘reduce—increase—reduce’and farmland productivity was the trend of‘increase—reduces—increase’.Farmland productivity and technical change trend in the two decades were similar.Landscape edge levels of complexity and farmland landscape scale of arable land had negative effects on technical efficiency and total factor productivity.Farmland landscape irregular shape hindered the development of agriculture and agricultural machinery and caused the loss of agricultural management efficiency，which enhanced virtually the costs to use mechanical material and reduced the labor productivity and land productivity of grain production and cost output ratio.

farmland landscape；fragmentation；utilization efficiency；DEA；SPSS

F301.2;F323.21;S181

A

1005-3409（2017）01-0311-06

2016-02-17

2016-03-07

石河子大學大學生研究訓練計劃項目（SRP2015301）；國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201510759079）

李賽博（1994—），男，河南商丘人，本科生，研究方向為土地資源管理。E-mail：742187365＠qq.com

徐麗萍（1978—），女，新疆庫爾勒人，副教授，主要從事資源與環境生態研究。E-mail：xlpalw＠sina.com