河北省耕地壓力與經濟發展的時空耦合研究*

楊人豪，楊慶媛，陳伊多，曾 黎

(西南大學地理科學學院，重慶 400715)

0 引言

耕地是農業生產發展最重要的資源，如今正面臨數量減少[1]、質量下降[2]等嚴重問題。城市建設發展占用、生態退耕等原因引起耕地數量迅速減少[3]，耕地質量因耕地污染[4]、生態破壞[5]等不斷下降，甚至出現無法耕種的現象。研究耕地資源數量及其壓力變化，探討變化背后的原因等成為地理學中的研究熱點[6-8]。 國外學者多關注耕地環境污染、工業侵占耕地等威脅并尋求解決問題的方法[9-11]； 國內學者更多關注耕地數量變化及驅動因子[12-13]，耕地變化與城鎮化[14]、耕地資源與經濟發展關系[15]、糧食安全[16]及影響因素[17]等問題。其中在耕地資源與經濟發展關系的研究方面，學者運用脈沖響應函數[18]、Granger因果關系檢驗法[19]、經濟與環境協調度模型[20]等方法探討兩者的關系，取得了較豐富的成果，為后續研究提供了理論與方法的借鑒。文章根據統計數據，辨析1978～2014年河北省耕地壓力指數變化情況，進而運用空間計量方法探索耕地壓力與經濟發展的地理空間關聯與耦合規律，以期在糧食產量、人口數量雙增長的背景下探究河北省長期以來的耕地壓力狀況，為區域制定農業政策、轉變耕地利用方式來協調經濟發展與耕地壓力之間的矛盾提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

河北省地處蒙古高原、燕山和太行山山地、華北平原三者交界處，地勢西北高、東南低，包括高原、山地、丘陵、盆地、平原等多種地形，幅員18.88萬km2，河北省屬溫帶大陸性季風氣候，冬夏均溫相差達20℃，年均降水量484.5mm，年無霜期81～204d。2014年全省總人口為7 384萬人，全年地區生產總值2.942 1萬億元，人均生產總值3.998 4萬元，全年糧食播種面積633.2萬hm2，糧食產量3 360.2萬t。

1.2 數據來源

研究中涉及的耕地面積、人口數量、糧食產量、糧食播種面積、農作物播種面積等數據主要來源于《河北省統計年鑒》(1978～2015)、《河北農村統計年鑒》(1978～2015)、《河北省國民經濟和社會發展統計公報》及各市統計年鑒(1978～2015)等。

2 研究方法

2.1 最小人均耕地面積與耕地壓力指數

最小人均耕地面積是指保障一定區域內食物安全所需保護的耕地數量底線，即在一定區域范圍內，一定食物自給水平和耕地綜合生產能力條件下，為了滿足每個人正常生活的食物消費所需的耕地面積[21]。

(1)

式(1)中，Smin為最小人均耕地面積(hm2)；β為糧食自給率(%);Gr為人均年糧食需求量(kg/人);p為糧食單產(kg/hm2);q為糧食播種面積占總播種面積的百分比(%);k為復種指數。

耕地壓力指數是指人均所需最小耕地面積與實際人均耕地面積之比[21]，可通過耕地壓力指數的大小判斷區域耕地—糧食—人口系統中耕地資源緊張程度。

(2)

式(2)中，K為耕地壓力指數;Sa為實際人均耕地面積(hm2/人)。K<1時，耕地無明顯壓力；K=1時，耕地瀕臨壓力變化的邊界；K>1時，耕地壓力明顯，若不采取糧食增產措施，可能爆發區域糧食危機。

2.2 地理聯系率

地理事物在地理空間分布上存在聯系，可用地理聯系率刻畫兩種地理事物聯系的程度[22]。借鑒該方法表征耕地壓力指數與經濟發展水平的關聯程度。

(3)

式(3)中，G為地理聯系率;Ki為i地區的耕地壓力指數;K0為全域內的耕地壓力指數;Pi為i地區的經濟發展水平;P0為全域內的經濟發展水平。當Ki、K0的比值與Pi、P0的比值在空間上分布較為一致時，G值較高，表明兩者的地理聯系率較高； 當Ki、K0的比值與Pi、P0的比值在空間上分布差異較大時，G值較低，表明兩者的地理關聯性弱。

2.3 重心模型

該文借鑒來自于物理學領域中的重心理論，將其引入地理學研究中，某行政區域某種屬性點重心可借助各次級行政區的某種屬性和地理坐標來表征[23]。

(4)

式(4)中,當Mi為各市的耕地壓力指數或經濟發展水平時，則(Xt，Yt)為第t年全省耕地壓力指數或經濟發展水平的重心。

為反映重心偏移幅度，引入重心空間偏移距離d。

(5)

式(5)中，(Xti，Yti)，(Xtj，Ytj)分別為第t年的第i和第j個重心坐標;d為兩個重心坐標的空間距離。

2.4 地理集中度與耦合指數

地理集中度是表明某種屬性在地域上集中程度的指標，可用其衡量某一要素在空間分布的狀況[24]。

(6)

式(6)中，Ri為i地區耕地壓力指數或經濟發展水平的地理集中指數;Ai為i地區的耕地壓力指數或經濟發展水平；Ti為i地區的國土面積。

耕地壓力和經濟發展的空間耦合關系可用兩者的地理集中度的比值來表征[25]，計算公式：

Ii=Ri耕地壓力/Ri經濟發展水平

(7)

式(7)中，Ii為i地區的耦合指數;Ri耕地壓力為i地區耕地壓力的地理集中度；Ri經濟發展水平為i地區經濟發展水平的地理集中度。

3 結果與分析

3.1 河北省耕地壓力指數變化

耕地占用和人口增長的結果必然是耕地壓力的增加，耕地壓力指數能很好地反映區域耕地資源的壓力水平。人均年糧食需求量(Gr)取值的不同直接影響耕地壓力水平的指征。眾多研究者對該變量取值為300～400kg/人[26-27]，且世界糧農組織提出400kg/人即可滿足正常營養水平。當前全國人均年糧食消費水平400～500kg/人[28]，考慮現代飲食結構的調整，把近年人們增加的蔬菜、肉類消費部分進行折算[29]，將1978～1990年、1991～2000年、2001～2014年Gr分別取值為380kg/人、400kg/人、420kg/人，糧食自給率為100%，計算結果如圖1。

圖1 河北省人均最小耕地面積、實際人均耕地面積及耕地壓力指數變化

3.1.1 耕地壓力指數的時序變化

隨著農業技術進步和人們食物結構的調整，河北省人均最小耕地面積Smin從1978年的0.15hm2/人震蕩下降至2014年的0.08hm2/人(圖1)，實際人均耕地面積Sa在37年中基本持續保持緩慢下降趨勢，從1978年的0.13hm2/人下降至2014年的0.09hm2/人，而耕地壓力指數K波動較大，在1992～2003年期間明顯呈“U”形，之后基本呈下降趨勢，直到2014年底，耕地壓力指數K為0.91。圖1中K值在1995年以前除1990年為0.99外都保持大于1，在1978～1995年期間我國農業處于發展階段，糧食單產量還有待提高，人口數量增長速度較快，糧食需求量大，耕地壓力較大。在1995～2000年K值處于0.89～0.99之間，期間由于國家長久以來給予三農問題的高度關注，耕地資源得到有效保護，糧食產量不斷提高，加之1982年以來實施計劃生育政策使人口數量增長得到一定控制，耕地壓力有所下降。在2001～2009年耕地壓力又有所回升，期間河北省城市建設發展較快，更多的農村青年勞動力進入城市，農村中空心村、耕地撂荒等現象更加嚴重。2010年以來K值一直保持在1以下，期間國家對進一步擴大種糧直補、良種補貼和農資綜合補貼的規模，并且出臺高標準基本農田建設規劃，對于耕地保護、糧食安全等給予了更高的關注。

3.1.2 耕地壓力指數的空間變化

根據式(1)和(2)為保持時間間隔的一致性，利用河北省11市數據分別計算1980年、1990年、2000年、2010年的耕地壓力指數，并使用ArcGIS 9.3把各市4個年份的耕地壓力指數進行可視化表達(圖2)，大部分地級市的耕地壓力指數均從較高水平(1.20≤K≤1.60)下降至較低水平(0.00≤K≤1.20)。1980年河北省僅石家莊市、唐山市的耕地壓力指數小于1.00，其余9市均大于1； 1990年唐山市、廊坊市、石家莊市、衡水市耕地壓力指數小于1.00，其余7市耕地壓力指數位于1.00～1.60之間； 2000年已有超過一半地級市的耕地壓力指數小于1.00，包括邯鄲市、保定市、石家莊市、邢臺市、滄州市、衡水市，河北省土地侵蝕最為嚴重的張家口市耕地壓力指數超過2.00，與其長期以來土地干旱、沙化現象有關，其余5市除秦皇島市外耕地壓力指數基本位于1.00～1.20之間； 2010年除了唐山市、承德市、秦皇島市、張家口市耕地壓力指數大于1.00，其余7市耕地壓力指數均低于1.00。河北省各市耕地壓力的下降與國家對農業的持續關注密切相關。近年來建設的渤海糧倉科技示范工程、寧晉糧食綜合示范基地等大幅度提升了河北省糧食生產能力，進一步緩解了耕地壓力。

圖2 河北省耕地壓力指數的空間演變

3.2 河北省經濟發展變化

河北省經濟發展水平較快， 2014年GDP達2.942 1萬億元，城鎮居民人均可支配收入2.414 1萬元； 農村居民人均可支配收入1.018 6萬元[30]。2014年河北省GDP與1978年相比增長了近160倍，人均GDP增長了近109倍，GDP和人均GDP都實現了從百元向萬元的巨大飛躍(圖3)。

作為中國重要的棉糧產區，河北省不僅種植大量小麥、玉米、高粱等糧食作物，也種植許多棉花、油料、麻類、甜菜等經濟作物， 2014年第一產業占GDP的11.7%； 改革開放以來，河北省大力發展工業，形成以新能源、汽車、電氣、煤炭等為主要方向的優勢產業，已建成4個國家級高新技術產業開發區， 2014年實現工業增加值1.333 1萬億元，第二產業占GDP的51.1%； 隨著經濟發展水平不斷提高，娛樂業、服務業等第三產業也蓬勃發展，第三產業占GDP的37.2%[30]。

圖3 河北省GDP和人均GDP變化 圖4 河北省第一、二、三產業產值占GDP比重變化

表1 河北省耕地壓力指數重心、GDP重心、人均GDP重心移動距離

年份耕地壓力指數重心(km)GDP重心(km)人均GDP重心(km)1980～199022 954 038 21991～200044 928 369 812001～201011 9816 579 27

3.3 河北省耕地壓力與經濟發展的重心軌跡演變

GDP和人均GDP能夠較好反映區域實際經濟發展水平，利用式(3)計算河北省耕地壓力指數分別與GDP、人均GDP的地理聯系率G1和G2，進而利用模型尋找河北省1980年、1990年、2000年和2010年的耕地壓力指數重心、GDP重心、人均GDP重心，測算40年來每一次重心移動的距離。

3.3.1 耕地壓力指數與GDP的重心軌跡擬合

1980年、1990年、2000年和2010年的河北省耕地壓力指數與GDP的地理聯系率G1均超過了90，分別為95.28、94.90、94.76和95.36，表明耕地壓力與經濟發展實現的GDP產值的地理分布較為一致，在空間上存在較高的關聯。利用式(4)計算1980年、1990年、2000年和2010年耕地壓力指數重心和GDP重心變化(圖5)。40 年期間河北省的耕地壓力指數重心和GDP重心移動軌跡大體一致，均向東北方向偏移。在1980～1990年，耕地壓力指數重心和GDP重心移動位置均位于保定市，從重心移動距離和方向來看，耕地壓力指數重心向東北方向移動，且移動距離較大，超過20km，而GDP重心向西北方向發生4.03km的移動； 1991～2000年期間耕地壓力指數重心和GDP重心均發生東移跨越市行政界線，前者依然保持較長距離的移動至廊坊市，后者緊跟后向東移動至滄州市，此時耕地壓力指數重心和GDP重心不再處于同一市域； 2001～2010年耕地壓力指數重心和GDP重心繼續分別位于廊坊市和滄州市，并不斷向彼此移動靠近。40 年來耕地壓力和GDP的在移動方向和軌跡的一致性，一定程度上更加表明GDP與耕地壓力密切相關。

圖5 河北省耕地壓力指數重心與GDP重心移動軌跡 圖6 河北省耕地壓力指數重心與人均GDP重心移動軌跡

3.3.2 耕地壓力指數與人均GDP的重心軌跡擬合

1980年、1990年、2000年和2010年的河北省耕地壓力指數與人均GDP的地理聯系率G2比G1更高，均超過95，分別為97.58、98.41、97.80 和96.42，表明耕地壓力與人均GDP在地理空間上的分布也存在較高的關聯性。利用公式(4)計算1980年、1990年、2000年和2010年耕地壓力指數重心和人均GDP重心變化(圖6)，兩者均大致向東北方向移動。40年期間耕地壓力指數重心和人均GDP重心都在保定市和廊坊市之間移動，但耕地壓力指數重心總體移動距離較大，總計移動距離超過79km，呈現“增大—減少”的震蕩變化，并且在方向上出現“先東北，后東南”的移動軌跡； 而人均GDP重心的移動距離基本保持不變，呈現“東北—東南—東北”的東移態勢。在1980～2000年期間兩者分別沿自己的移動軌跡向東北偏移，在2001～2010年向彼此方位靠近，也反映經濟水平的提高，人們收入的增加與區域內耕地壓力關系密切。

3.4 耕地壓力與經濟發展的空間關聯

通過測度耕地壓力指數與GDP、人均GDP的重心和地理聯系率是從整體上反映耕地壓力與經濟發展的耦合程度，而地理集中度可以從區域內各地級市的角度反映兩者的耦合關系。運用式(6)(7)計算河北省11市耕地壓力、GDP、人均GDP的地理集中指數和耦合指數(表2)。

表2 河北省耕地壓力指數與GDP、人均GDP的地理集中度與耦合指數

地區1980年1990年2000年2010年RGR1R2I1I2RGR1R2I1I2RGR1R2I1I2RGR1R2I1I2唐山市0 252 252 040 110 121 161 901 620 610 721 262 542 160 500 581 413 072 090 460 68邯鄲市1 682 191 870 770 901 561 851 400 841 121 181 691 210 700 981 251 821 230 691 02保定市0 750 950 610 801 250 781 070 620 731 270 591 000 560 591 050 670 860 850 780 80承德市0 420 210 361 981 160 490 210 352 301 400 450 150 262 891 720 520 210 342 511 54廊坊市2 411 341 701 801 422 442 073 441 180 712 581 893 341 370 772 711 922 271 411 20石家莊市0 741 961 540 380 480 852 001 380 420 620 772 271 470 340 520 981 990 820 491 20秦皇島市2 291 202 931 910 782 211 312 951 690 753 211 252 812 571 143 431 102 633 111 31邢臺市1 631 041 091 581 491 441 171 081 221 320 981 111 000 880 971 050 900 901 161 16張家口市0 590 290 392 071 530 510 310 411 621 231 010 230 314 383 290 680 240 372 791 84滄州市1 631 011 041 601 561 451 070 971 361 501 101 251 180 870 930 871 521 970 570 44衡水市2 590 811 253 192 071 701 071 561 591 091 011 191 820 850 561 080 821 621 310 66 注：RG、R1、R2分別為耕地壓力指數、GDP、人均GDP的地理集中度，I1、I2分別為耕地壓力指數與GDP、人均GDP的耦合指數

3.4.1 耕地壓力指數、GDP、人均GDP的地理集中度分異

1980～2010年區間，耕地壓力指數地理集中度的高值區均出現在衡水市、廊坊市、秦皇島市，表現為耕地面積較少，但人口數量較多，糧食供給壓力較大； 保定市、張家口市、承德市為耕地壓力指數地理集中度的低值區，最高值與最低值相差4～5倍。GDP地理集中度的最高值均出現在石家莊市、邯鄲市、唐山市、廊坊市，且都是河北省重要的工業城市，經濟水平發展程度較高； 承德市、張家口市、衡水市為GDP地理集中度的低值區，最高值與最低值相差近10倍。人均GDP地理集中度的高值區出現在秦皇島市、唐山市、邯鄲市、廊坊市、滄州市等城市； 而低值區為承德市、張家口市、保定市等區域，最高值與最低值的差值從1980年的7倍增長到2000年的12倍，再在2010年回歸到7倍。

3.4.2 耕地壓力指數與GDP、人均GDP的耦合指數分異

耕地壓力指數與GDP的耦合指數的高值區出現在秦皇島市、承德市、張家口市、衡水市，說明這些區域耕地壓力的增長與GDP的增長有著更密切的聯動關系； 低值區為唐山市、石家莊市，表明兩個城市GDP的增長帶來的耕地壓力的增長幅度比其他城市小， 1980～2010年期間最高值與最低值相差從30倍降至10倍左右。

耕地壓力指數與人均GDP的耦合指數的高值區在1980年和1990年出現在張家口市、滄州市、衡水市，而在2000年和2010年高值區變為秦皇島市、承德市、張家口市，說明近年來多市出現經濟發展影響耕地壓力水平的現象； 低值區在1980～2010年期間基本都出現在秦皇島市、石家莊市、廊坊市、唐山市等區域，最高值與最低值相差從10倍降至3倍。從河北省各市耕地壓力與GDP、人均GDP的耦合指數來看， 40年間雖然高值、低值區域有較小變化，但總體趨勢是內部區域的耦合指數高值與低值的差距逐漸縮小，逐漸趨近于1，耕地壓力與經濟發展水平的協調一致程度逐漸提高。

3.4.3 耕地壓力與經濟發展的耦合類型分異

圖7 河北省耕地壓力與經濟發展耦合類型演變

4 結論與討論

該文利用耕地壓力指數模型測算河北省1978～2014年耕地壓力指數，利用地理聯系率、重心模型等方法擬合了河北省耕地壓力指數重心與GDP、人均GDP重心演變軌跡，進而測算耕地壓力、GDP、人均GDP的地理集中度和耦合指數，分析其時空耦合類型。

(1)1978～2014年間河北省耕地壓力指數呈現下降趨勢。伴隨著農業技術條件的進步，糧食產量不斷提高，河北省的人均最小耕地面積逐漸減少，耕地壓力指數也隨之降低，從1978年的1.16下降至2014年的0.91，并在2010年之后持續保持低于1的態勢，出現因為耕地面積導致糧食供應不足現象的可能性較低； 由于耕地產能、人口數量、城市發展等影響，河北省11市耕地壓力區域差異明顯，其中耕地壓力指數小于1的數量也從1980年的僅2個增加到2010年的7個，耕地壓力在空間分布上出現較大面積的降低。1978～2014年間河北省經濟發展速度較快。改革開放以來，河北省大力發展工業，拓展高新技術等優勢產業，GDP和人均GDP增長迅速，經濟總量位居全國前列。期間河北省的第一產業占GDP的比重從28.52%降至11.7%，第二產業占GDP的比重持續保持在50%左右，第三產業蓬勃發展，在2014年已占GDP的37.30%，其產業結構發生了較合理的改變。

(2)河北省耕地壓力與經濟發展存在密切的聯系。1978～2014年期間河北省耕地壓力指數與GDP、人均GDP的地理聯系均較高，到2010分別達到95.36和96.42。隨著區域內GDP和人均GDP的迅速增長，最小耕地面積和耕地壓力指數不斷減少，正是耕地保護與經濟發展之間矛盾統一的牽制關系。經濟發展推動耕作技術的革新、加速農業發展的進程，可以更好地利用耕地得到更高的糧食產量，并且經濟發展之后可利用更多的社會經濟資源開展土地整理整治項目，恢復因挖損、塌陷等造成的耕地損失； 但經濟發展可能帶來侵占部分優質良田、污染耕地等現象。1978～2014年期間耕地壓力指數重心與GDP重心、人均GDP重心的移動軌跡保持較高的一致性，均向東北方向發生移動。就移動幅度來看，耕地壓力指數重心的偏移距離和角度大于GDP重心、人均GDP重心，說明耕地壓力指數受到影響的可能性更大，移動更具敏感性，而區域內經濟處于穩定增長發展時期，更加具有穩定性； 就重心偏移的演變路徑而言，GDP重心和人均GDP重心后于耕地壓力指數重心，且在2010年出現三者彼此集中的現象，說明在經濟發展和城市建設過程中，確實占用一部分耕地，經濟水平提高的同時，耕地壓力也隨之升高。

(3)河北省耕地壓力與經濟發展耦合關系明顯，耦合類型隨著時間的推移發生演變。1980～2010年期間河北省各地級市的耕地壓力地理集中度與GDP地理集中度、人均GDP地理集中度在數值上的關聯度逐漸增高，各地級市的分異逐步均衡； 越來越多地級市的耕地壓力與經濟發展的耦合指數逐漸趨近于1，在2010年底有6個城市的耦合指數在[0.90， 1.20]之間。但其中張家口市、承德市在絕大部分年度的耦合指數大于1.50，耕地壓力與經濟發展的耦合程度非常高，說明當地區域在城市化和工業化發展過程中，應進一步加強耕地質量建設，積極發展生態農業，增強耕地抗災能力，提升耕地產出水平，防范因耕地壓力過大而引發的糧食供給不足、耕地資源過度利用等問題。

該研究通過對耕地壓力與經濟發展的重心移動軌跡，刻畫了河北省耕地壓力和經濟發展的空間格局變化，為耕地壓力和經濟發展水平關系的研究提供了新的視角，也為當地合理利用耕地資源，轉變經濟發展方式提供了理論依據。但由于統計資料和收集數據的限制，借助蔡運龍等人的觀點僅從糧食安全的角度去測定耕地壓力指數，并未考慮環境污染、生態破壞等因素與耕地壓力水平的關系； 在研究耕地壓力與經濟發展的耦合關系時，僅利用GDP和人均GDP的值判斷區域經濟發展的水平，未建立系統的指標體系去測度經濟發展的速度與質量。今后需進行更多的對當地耕地資源存在的污染、損毀等因素綜合評判區域耕地壓力水平； 對于經濟發展水平的衡量應根據相應問題補充指標。

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