湖北省耕地多功能變化及障礙因素診斷

趙志尚， 胡偉艷， 魏安奇

(華中農業大學公共管理學院，湖北武漢 430070)

耕地是人類賴以生存與發展的關鍵資源環境要素，不僅具有提供糧食衣物等生產功能，還承擔著區域糧食安全、生態環境服務以及鄉村就業維持等非生產性功能[1]。長期以來，片面的耕地功能認知導致耕地保護主體與受益主體的高度不對稱，耕地非農化無序擴張。李效順等研究表明，我國耕地非農化存在嚴重的過渡性損失，其中44.73%屬于未納入耕地生態效益的結果[2]。同時，過度集約化的耕地利用導致不斷接近甚至突破耕地生態系統承載的極限，耕地質量惡化成為不爭的事實，全國第二次土地調查顯示，全國中重度污染耕地超過333.33萬hm2[3]。中央政府于2007年、2013年提出劃定“耕地紅線”和“生態紅線”，站在“五位一體”全局戰略高度，強力推進生態文明建設。耕地是農業經營最主要的元素和載體，在新時期推動耕地從單功能利用轉向多功能綜合利用是貫徹生態文明建設的重要舉措。

近年來，土地科學研究已從土地利用/土地覆蓋變化研究向土地功能變化研究轉變[4]。Verburg等認為，土地功能評價關注土地產出的產品與服務，強調了土地功能與人類福祉的聯系[5]。耕地與人類社會的密切聯系使其功能研究受到了更多的關注。目前，國內研究主要集中在耕地功能劃分[6]，耕地資源價值評價[7]、耕地多功能內涵與特性[8]、耕地功能時空演變[9]、耕地多功能管理[1]等方面。宋小青等對建國以來中國耕地多功能時間演變進行分析，發現多功能間變化趨勢不一[10]。楊雪等通過對北京市耕地功能分析發現，2004年與2011年耕地多功能存在明顯的時空差異[9]。當前研究主要聚焦在耕地功能需求多元化的大都市郊區，傳統農業區則涉及較少，且耕地功能時間變化多以不同時間截面對比分析，無法反映長期演變趨勢與特征。本研究以糧食主產省湖北省為例，通過構建耕地多功能評價指標體系，揭示湖北省自1991年以來耕地多功能變化特征，并對影響耕地多功能的障礙因素進行診斷，以期為提高耕地多功能管理水平提供依據。

1　研究方法

1.1　耕地多功能分類及指標體系

耕地多功能是耕地復合系統與人類社會利益需求匹配下的結果。一方面，耕地資源是土地系統中的精華，其自身優越的水肥氣熱特性決定了在支持植物生長外，還具有涵養水源、碳匯、凈化污染物等外部效應，即耕地利用具有聯合生產屬性[8]。另一方面，從耕地與社會的關系出發，耕地存在的意義即滿足特定的社會需求，耕地多功能特性是不同利益相關者對耕地需求差異性的表現。筆者考慮耕地多功能的供給、需求層面，參考前人及生態系統服務相關研究[10-11]，結合湖北省實際特征，構建耕地多功能評價指標體系(表1)。

1.2　評價方法

1.2.1改進的TOPSIS法TOPSIS法是一種多屬性決策方法，Hwang等首次提出，現已被廣泛用于多目標決策評價中[16]。其基本原理是通過構造決策問題中各指標最優解和最劣解，建立評價指標與最優解和最劣解之間距離的二維數據空間，在此基礎上對評價方案與最優解和最劣解作比較，若最接近于最優解，同時又最遠離最劣解，則該方案為最優方案。傳統的TOPSIS方法沒有考慮評價對象與最優解、最劣解的調整修正，可能影響優劣排序的合理性，筆者采用改進后的TOPSIS方法對具有多種屬性特征的耕地多功能進行評價。基本步驟如下：

(1)標準化指標數據。其計算公式為

式中：Xij為第i年第j個指標的評價值，Xjmax和Xjmin分別為第j個指標的最大值和最小值；Yij為標準化后的矩陣。i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

表1　耕地多功能評價指標體系

注：化肥利用率參考曾希柏等的研究成果，將單位播種面積化肥施用量在300 kg以下年份采用中施肥區計算公式，300 kg以上年份采用高施肥區計算公式[13]。固碳釋氧量計算依據為植物生產1 g干物質吸收固定1.63 g CO2，釋放1.2 g O2與干物質量=經濟產量×(1-作物含水量)/經濟系數[14]。污染物吸收參考馬新輝等關于不同類型單位耕地吸收污染氣體的研究成果，其中用水澆地近似代表水田吸收量[15]。糧食自給率與人均糧食需求量參考糧食安全主流觀點定為95%與400 kg，農藥施用安全標準采用發達國家農藥施用安全標準上限2.3 kg/hm2。

(2)確定指標權重，構建加權規范化矩陣。權重的確定方法主要有層次分析法、特爾斐法等，其中，熵值法是客觀賦權法，根據指標數據變異性的大小確定權重，體現了較強的客觀性和科學性[10]。計算公式如下：

式中：n為評價指標，m為1991—2013年的年數，Ej為第j項指標的熵值，并假定，當qij=0時，令qij×lnqij=0，為第j項指標下第i年指標的標準化值在整個評價年份序列中的比重，wj為第j項指標的權重值。

將熵值法確定的指標權重向量wj考慮進決策矩陣中，建立加權規范化矩陣：

Z=|Zij|m×n=wj×Yij。

式中：Zij為第j項指標第i年加權規范化值，wj與Yij含義同上。

式中：Zij、z+、z-含義同上。

(5)計算歷年評價對象與最優方案的貼近度Ci：

式中：Ci介于0和1之間，其值越大，表明第i年耕地功能越強。

1.2.2障礙因素診斷方法分析耕地多功能變化既在于對耕地功能狀態進行評判探查發展趨勢，更重要的是厘清影響耕地功能的障礙因素，以便對耕地功能狀態進行病理診斷。具體方法是引入因子貢獻度wij、指標偏離度Fr、障礙度Oj、Ui3個指標進行分析診斷。其中，因子貢獻度wij為單因素對總目標的權重；指標偏離度Fij為單項指標與耕地功能發展目標的差距，即單項指標值與100%的差距；障礙度Oj、Ui分別表示單項指標與分類指標對耕地功能狀態的影響。計算公式如下：

Fij=(1-xij)；

Oj=Fij×wij×100%/Fij×wij。

在分析各指標因素限制程度基礎上，進一步診斷各功能層面障礙度，用下式表示：

Ui=∑Oij。

Xij為第i個子系統第j個指標的標準化值，n為指標個數。

1.3　研究區域概況與數據來源

湖北省位于長江中游，洞庭湖以北，108°21′～116°07′E，29°05′～33°20′N。東西長約740 km，南北寬約470 km，總面積18.59萬km2。作為全國糧食主產省(區)和稻谷的主調出省，湖北省耕地保有量并不充裕，2013年耕地面積340.991萬hm2，約占國土總面積18.34%。2003年之前，建設占用導致耕地面積不斷減少，之后政府嚴控耕地非農占用，同時土地整理、復墾工作的開展使得耕地面積不斷增加，2013年已恢復到1991年水平。隨著湖北省城鎮化進程加快，耕地非農化壓力不斷增加。同時，湖北省耕地生態質量自1995—2005年年間下降了約10百分點[12]，因此，科學分析湖北省耕地多功能變化，凸顯耕地資源多功能特性，對將耕地保護由單純的面積保護上升到多功能保護層面，從而更好地符合城鄉居民需求具有重要意義。

本研究數據均來源于1992—2014年《湖北統計年鑒》《湖北農村統計年鑒》《中國統計年鑒》。

2　結果與分析

2.1　耕地多功能變化特征

2.1.1多功能根據改進的TOPSIS方法步驟，利用熵值法測算湖北省耕地多功能指標權重(表1)，然后獲得耕地多功能評價值(圖1)。

貼近度C值反映耕地功能強弱，該值越大，耕地功能越強。從圖1可以看出，湖北省耕地多功能大致呈“U”形變化，2001年之前，貼近度C值從0.519 7下降至0.327 7，年均下降3.36%，2001年至今，貼近度C值從0.347 9上升至 0.460 3，年均上升2.69%，耕地多功能在經過短期波動后快速上升。耕地多功能是各功能變化趨勢疊加的表現，而人類需求強調耕地多功能最大化，因而未來應協調各功能發展態勢，促使功能之間協同發展，強化耕地總效益。

2.1.2生產功能生產功能在2010年前總體保持在 0.28～0.46。1991—2005年呈現“波峰—波谷”狀變化趨勢，1996年達到局部最高點0.464 5，2000—2002年徘徊在最低點0.282 9上下，2002年后則從0.357 0上升至0.780 0(圖2)。1997年前，糧食產量年均增加65.05萬t，同時農田灌溉等配套設施不斷完善，1996年達到局部頂點，1997年后，糧食產量不斷下滑，2003年時為23年最低值，為1 921.02萬t，同時其他因素的下降導致在2000—2002年生產功能滑落到23年間波谷位置。宋小青等研究表明，1998—2003年全國糧食產量同樣出現了下滑趨勢，主要原因為種糧效益的降低。而2003年正式實施的惠農政策扭轉了糧食產量的下跌趨勢[17]，種糧補貼政策以現金方式直接補貼了種糧收益，刺激了糧食產量的提高。2010年后，地均農業增加值年均增加 0.6 萬元，這與之前年均增加0.12萬元有了較大提高，因而生產功能快速增強。

2.1.3生態功能生態功能在2001年前微弱下降，經過2001—2003年波動上升后逐漸穩定，23年間從0.425 8上升至0.537 4(圖2)。富余化肥強度在23年間增加了150.4%，表明增產性投入受到農戶青睞，這也與中國自20世紀50年代后期逐漸步入以生物化學技術創新為特點的耕地開發模式相對應[18]。2000年后，生態退耕政策的實施以及農戶優化的生產決策使得低產出耕地被棄耕，25°以上耕地面積減少了187.19 hm2，土壤保持功能逐漸增強。2003年后得益于水田與耕地總面積的增加，污染物吸收功能不斷增強，因而在趨勢上2003年成為變化的轉折點。

2.1.4社會功能社會功能從0.659 0下降至0.319 4，在2007年前持續下降，2007年以來緩慢上升(圖2)。糧食安全保障功能中，自2003年后，耕地壓力指數逐漸下降并與20世紀90年代初齊平，表現出良好態勢，但糧食品質保障一路下滑，數據顯示，自1999年起農藥施用強度就已超過太湖流域農業高度集約化施用強度34.5 kg/hm2，近5年逐漸穩定，但仍在39 kg/hm2左右。1994年以來，生活消費自給率、生活消費支出滿足度分別下降了72.2%、36.90%，導致社會功能逐漸減弱。2007年以來，隨著城鄉收入差距與耕地壓力指數不斷下降，社會功能轉而增強，但仍處在較弱狀態。

2.2障礙因素診斷

2.2.1單項障礙因素診斷考慮耕地多功能變化特征，根據障礙因素診斷方法，選取1991年、2001年、2013年計算湖北省耕地多功能障礙度，分析影響耕地多功能的單項障礙因素，不同年份耕地多功能障礙因素排序見表2。

從表2可以看出，1991年，單項障礙因素主要有土壤保持、地均農業增加值、人均耕地經營面積、污染物吸收等。2001年則是糧食品質保障、土壤保持、污染物吸收、地均農業增加值、人均耕地經營面積等，2013年則轉化為糧食品質保障、富余化肥強度、生活消費支出滿足度、耕地破碎度等。

從單項指標變化趨勢看，1991—2013年間，糧食品質保障、富余化肥強度、耕地破碎度、生活消費支出滿足度、生活消費自給率等指標障礙度上升幅度較大，障礙度分別提高了 26.37%、14.86%、9.42%、6.66%、6.62%。近年來，生活保障與農藥、化肥投入成為主要的障礙因素。隨著土地制度改革的不斷深入，農戶擁有了要素配置決策權，非農務工機會成本不斷攀升使得省工性與增產性投入對勞動力的替代程度放大，因而農戶可以優化配置土地投入要素的配比，從而表現為生活保障功能的持續減弱，農藥、化肥投入帶來的生態負效應不斷增強。

表2　不同年份耕地多功能障礙因素排序

2.2.2多功能障礙因素診斷在單項指標障礙度計算的基礎上，進一步計算耕地多功能分類指標障礙度，考察功能層面的障礙程度，耕地多功能障礙度變化趨勢見圖3。

從圖3可以看出，生產與生態功能障礙度逐漸下降，而社會功能障礙度不斷上升。1999年前，生態功能障礙度最大，其次是社會功能與生產功能，1999年后，社會功能障礙度超過生態功能上升至第1位，生產功能仍處在第3位。從各功能障礙度年變化率看，1991—2013年，社會功能障礙度以年均4.11%的速度增加，生態功能與生產功能障礙度分別以年均0.82%、3.05%的速度減小。

生態功能障礙度總體保持在較大幅度，且下降幅度微弱。近年來，三農政策已逐漸涉及到農業資源保育議題，2016年中央一號文件著重提出加快農業環境突出問題治理，因而政府未來應加大對農田生態環境的保護力度。從農業產業層面講，耕地社會功能的適度降低是農業現代化發展與規模化經營的要求，但功能的過度弱化也導致了耕地拋荒等現象的發生。城鎮經濟的發展尤其是第二產業容納了大量農村勞動力，未來隨著我國經濟結構的調整，部分非農勞動力將逐漸回流，因而政府應結合實際情況，合理控制耕地就業功能，提高務農農戶的實質保障力度。

3　結論與討論

考慮耕地多功能的供需因素，構建了耕地多功能評價指標體系，并在時間維度上分析了湖北耕地多功能的變化特征及影響因素。結果表明，湖北省耕地多功能處于動態變化中。其中1991—2001年耕地多功能不斷減弱，貼近度C值從 0.519 7 下降至0.327 7；2001—2013年間在波動中不斷增強，貼近度C值從0.347 9上升至0.460 3；生產功能與生態功能在2003年后不斷增強，生產功能在2010年后快速上升，生態功能則在經過2003—2005年快速上升后逐漸穩定，社會功能則明顯減弱，但2007年后已表現出微弱上升趨勢。障礙因素診斷結果表明，2013年糧食品質保障、生活消費支出滿足度、生活消費自給率、富余化肥強度等成為主要障礙因素。在功能層面，社會功能與生態功能對耕地多功能影響較大。研究結果表明，未來應加大耕地保護力度，鼓勵農民減少農藥、化學品投入；加大支農力度，推動農業高附加值產業的發展，同時兼顧新型職業農民的培育，從而拓寬農戶增收渠道。

為使研究進一步完善，將來可以開展耕地多功能的空間差異性和相互關系研究。區域間耕地功能供給的異質性與耕地功能需求的差異性導致在不同地域空間上耕地多功能的表現形態不同，而揭示耕地多功能的空間分異特征將有利于制定差別化的耕地利用政策。另外，耕地的聯合生產屬性以及人類對耕地多功能的權衡使得多功能間存在密切的關聯，因而如何以較小的成本權衡耕地多功能之間的關系，最大化多功能綜合水平，將成為將來主要的研究方向。

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