戴毅豪，翁翎燕*，張 超，劉柄麟，張涵玥

(1.南京大學金陵學院，江蘇南京 210089；2.上海師范大學生命與環(huán)境科學學院，上海 200234；3.清華大學環(huán)境學院，北京 100084；4.上海師范大學城市生態(tài)與環(huán)境研究中心，上海 200234)

城市規(guī)模的擴張，社會經濟的發(fā)展一方面侵占了大量的耕地，將其轉為非農用地；另一方面，也增大了對糧食的需求量。面對耕地資源減少、后備耕地資源嚴重不足的嚴峻形勢，保護耕地、利用有限的耕地資源維持巨大的糧食需求已成為社會關注的熱點。而耕地的集約利用則是緩解耕地資源不足、滿足糧食需求的一種有效途徑。

目前，許多學者在耕地集約利用的時空變化[1-2]、影響因素[3-4]、評價體系[5]、與社會經濟發(fā)展的耦合性[6]等方面均有深入研究。從研究方法的角度，用于耕地集約度計算的方法有很多[7]，能值分析法是近年來新興的方法。它采用能值形態(tài)對耕地上要素的投入統(tǒng)一量綱后，進行耕地利用集約度的測度，有效地解決了統(tǒng)一量綱的問題，但難以涵蓋所有投入要素，如除草劑、種子等[8]。能值分析法還被用于土地可持續(xù)利用評價[9]、生態(tài)足跡研究[10]等方面。在以往采用能值分析法測算耕地集約度的研究中，主要是研究時空演變及與社會經濟發(fā)展的協調性[11-12]。筆者采用能值分析方法進行耕地利用集約度的計算，對其時序變化及結構特征進行研究，并運用灰色關聯法分析各影響因素對耕地利用集約度的貢獻率，以期南京農業(yè)朝著低污染、機械化程度高、勞動力投入低的現代化、環(huán)境友好型農業(yè)的方向發(fā)展。

1 數據來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況南京市位于我國東部，長江下游中部地區(qū)，江蘇省西南部。地處長江兩岸，氣候濕潤，土壤肥沃，淡水資源豐富，是我國重要的農業(yè)和商品糧基地之一。2000年以來，南京市經濟突飛猛進。至2015年，南京為9 720.77億元，位居全國城市前列，同比增長9.2%。其中第一產業(yè)生產總值232.39億元，占南京市生產總值的2.4%；第二產業(yè)生產總值3 916.77億元，占南京市生產總值的40.3%，第三產業(yè)生產總值5 571.61億元，占57.3%。

經濟發(fā)展推動了城市擴張，侵占了大量耕地轉為非農用地。2000—2015年南京耕地面積不斷減少，而建設用地的面積快速增加。到2015年，南京市耕地面積23.7萬hm2，比2000年減少了6.6萬hm2，而建設用地面積為18.48萬hm2，比2000年增加了5.66萬hm2。耕地面積的減少及城市的擴張威脅著南京市糧食安全。

1.2數據來源耕地面積、勞動力投入數量(該研究中用農林牧漁業(yè)從業(yè)人員數量代替)、農業(yè)機械(汽油、柴油、電力發(fā)動機)總動力、農用化肥(氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥)施用量、農藥使用量及農膜使用量主等生產要素投入數量主要來源于2001—2016年《南京統(tǒng)計年鑒》，2000—2015年南京市建設用地面積來源于南京市國土資源局統(tǒng)計數據。

1.3研究方法

1.3.1能值分析。能值分析理論由美國學者Odum[13]在20世紀80年代后期所創(chuàng)立，他將能值定義為“一流動或儲存的能量所包含另一種類別能量的數量”，并進一步解釋為“產品或勞務形成過程中直接或間接投入應用的一種有效能的總量”[14]。在實際應用中，以“太陽能值”來衡量某一能量的能值，太陽能值的單位為太陽能焦耳(solar emjoules，簡寫為sej)[15]。

集約度是指單位土地面積所投入的勞力和資本的數量[16]，單位面積耕地上所投入勞力和資本的數量越大，耕地利用集約度越高，反之越低。根據能值分析理論，可以將耕地集約度看作耕地上所投入各生產要素的集約度與復種指數共同作用的結果[17]。

南京市耕地的投入主要為耕地勞動力、農業(yè)機械動力、農用化肥、農藥及農膜5種主要生產要素，代表了耕地上生產要素投入的整體趨勢，其他要素可忽略不計[11]。該研究分別計算5種主要生產要素的集約度及復種指數來得到南京市耕地集約度。各投入要素的能值轉換率等主要來自于元赫等[12]、藍盛芳等[15]、湯進華等[17]的研究結果。具體計算方法如下[18]。

(1)勞動力集約度。

LE=Tl·Cl·Nl

(1)

式中，LE為每公頃耕地上投入勞動力的能值(sej/hm2)；Tl為勞動力的能值轉化率，3.80×105sej/J；Cl為勞動力的能量折算系數，3.50×109J/人；Nl為每公頃耕地上的農林漁牧業(yè)從業(yè)人員的投入數量(人/hm2)。

(2)農業(yè)機械動力集約度。

ME=Tm·Cm·Pm·z

(2)

(3)

式中，ME為每公頃耕地上投入農業(yè)機械的能值(sej/hm2)；Tm為農業(yè)機械能值轉化率， 7.50×107sej/J；Cm為農業(yè)機械動力的能量折算系數，2.10×108J/kg；Pm為每公頃耕地面積上的農業(yè)機械總動力(kW/hm2)；z為各種農用機械的千瓦數折成千克數后，再乘上折舊系數0.1 的值，動力機械(M1)、排灌機械(M2)和大型農具(M3)分別為104.72 kg/kW、4.96 kg/kW和393.04 kg/kW。Ma、Mb和Mc分別為汽油發(fā)動機動力、電動機動力和柴油發(fā)動機動力(kW)。

(3)農用化肥集約度。

FE=A%N·TN+A%p·Tp·A%k·TK·A%M·TM

(4)

式中，FE為每公頃耕地上投入的農用化肥的能值，單位為sej/hm2；A為每公頃耕地上農用化肥使用折純量(t/hm2)；%N、%P、%K和%M分別為農用化肥施用量中氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥所占比重；TN為氮肥的能值轉換率，3.80×1015sej/t；TP為磷肥的能值轉換，3.90×1015sej/t；TK為鉀肥的能值轉換率，1.10×1015sej/t；TM為復合肥的能值轉化率，2.80×1015sej/t。

(4)農藥集約度。

PE=TP·NP

(5)

式中，PE為每公頃耕地上投入的農藥的能值，單位為sej/hm2；TP為農藥的能值轉化率， 1.62×1015sej/t；NP為每公頃耕地上的農藥使用量(t/hm2)。

(5)農膜集約度。

QμE=TQμ·NQμ

(6)

式中，QμE為每公頃耕地上投入的農膜的能值(sej/hm2)；TQμ為農膜的能值轉化率，3.80×1014sej/t；NQμ為每公頃耕地面積上的農膜使用量(t/hm2)。

(6)復種指數。

(7)

式中，M為復種指數；S為耕地面積；A為農作物總播種面積，單位為hm2。

(7)耕地利用集約度。

I=(ME+FE+PE+QμE+LE)×M

(8)

式中，I為耕地利用集約度，單位為sej/hm2，ME、FE、PE、QμE、LE和M的含義同式(1)～(7)。

1.3.2灰色關聯分析?；疑P聯分析源于鄧聚龍教授創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論。是根據因素間發(fā)展趨勢的曲線的相似程度來判斷因素間的關聯程度的一種方法。灰色關聯分析常被用于度量因素之間關聯程度的關聯度，在預測、評估、聚類等方面也有成功地應用[19]。該研究運用灰色關聯分析探究南京耕地利用集約度各影響因素的貢獻率。

該研究將2000—2015年南京耕地利用集約度作為參考數列(即輸出時間序列)X0(t)(t=2000,2001，…，2015)，選取了第一產業(yè)增加值(i=1)、人均GDP(i=2)、農村居民純收入(i=3)、建設用地面積(i=4)4個指標作為比較數列(即輸入時間序列)Xi(t)(i=1,2,3,4；t=2000,2001，…，2015)，并對參考數列與比較數列中的數據運用初值法進行無量綱化。無量綱化后可進行關聯系數和關聯度的計算，并通過關聯分析進行耕地利用集約度與各影響因素關聯水平的研究。

無量綱化計算公式如下：

(9)

關聯系數的計算公式如下[20]：

βi(t)=

(10)

式中，|X0(t)-Xi(t)|為參考數列與對應的比較數列的差的絕對值；ρ為分辨系數，分辨系數的大小影響著關聯系數的差異，該研究中分辨系數ρ取0.5。

關聯度的計算公式如下：

(11)

關聯度θ0i的取值范圍具體分級見表1。

表1 關聯水平與特征

2 結果與分析

2.1耕地利用集約度的時序變化分析由圖1可知，2000—2015年南京市耕地利用集約度處于持續(xù)上升的趨勢，由2000年的2.90×1018sej/hm2上升至2015年的5.28×1018sej/hm2，平均增長率為4.41%。就時間跨度而言，南京耕地利用集約度可以分為2個階段：2000—2002年為快速增長階段，2003—2015年總體表現為緩慢增長階段。2000—2015年南京市耕地利用集約度的增長速度主要受農業(yè)機械集約度變化的影響。

2.2各投入要素集約度的時序變化分析運用能值分析方法對各投入要素的集約度進行計算，結果見表2。

由表2可知，南京市耕地的5種主要生產要素投入中，以農業(yè)機械集約度所占比重最大。2000—2015年農業(yè)機械集約度快速增長，由2000年的1 967.711×1015sej/hm2增長至2015年的3 945.998×1015sej/hm2，年平均增長率為4.97%，反映了南京市農業(yè)機械化水平不斷提高。農膜集約度略有增加，由2000年的0.006×1015sej/hm2增長至2015年的0.08×1015sej/hm2；勞動力集約度、農用化肥集約度和農藥集約度都持續(xù)降低。勞動力集約度減少了1.666×1015sej/hm2，農業(yè)機械化的提高減少了耕地上勞動力的投入，促進了農村勞動力的轉移，剩余勞動力進城務工有利于提高農村居民的生活水平；化肥集約度與農藥集約度的減少反映了每公頃耕地上化肥與農藥的投入減少，有利于農業(yè)朝著低污染的方向發(fā)展。

圖1 2000—2015年南京耕地利用集約度時序變化Fig.1 Temporal variation of cultivated land use intensity in Nanjing during 2000-2015

表2 2000—2015年南京市耕地各投入要素集約度變化

2.3耕地利用集約度與影響因素的關聯水平分析通過灰色關聯分析得到南京耕地利用集約度與第一產業(yè)增加值、人均GDP、農村居民人均純收入和建設用地面積之間的關聯水平和特征，結果見表3。

表3 南京市耕地利用集約度與影響因素的關聯水平與特征

由表3可知，各影響因素對耕地利用集約度的貢獻率由大到小依次是建設用地面積(0.90)、農村居民人均純收入(0.82)、第一產業(yè)增加值(0.72)、人均GDP(0.70)。4個因素都與耕地利用集約度的關聯水平處于較高及以上水平，其中以建設用地面積的關聯度最高。建設用地面積的擴張侵占了耕地面積，為了保持糧食的產量，使單位耕地面積的糧食產量增高，農民在耕地上增加了生產要素(主要是農業(yè)機械)的投入，從而提高了耕地利用集約度。農村居民人均純收入的提高使農民有更多的資金對耕地進行生產要素的投入，每公頃耕地上的資本投入增加促進了耕地利用集約度的增加。第一產業(yè)增加值則反映了農林漁牧業(yè)的規(guī)模與水平的提升，農業(yè)規(guī)模的提升促進耕地利用的集約化。人均GDP反映了城市經濟的發(fā)展，經濟發(fā)展增強了農民對耕地物質投入的積極性，提高了耕地上資本投入的水平，同時有利于農田基礎設施的建設，為促進耕地利用的集約化提供條件。

3 結論與討論

3.1結論該研究運用了能值分析的方法計算了耕地利用集約度及勞動力、農用機械、農用化肥、農藥和農膜等生產要素的集約度，并通過灰色關聯分析來研究耕地利用集約度分別與第一產業(yè)增長值、人均GDP、農村居民純收入和建設用地面積4個因素之間的關聯水平，得出了以下結論：

(1)南京耕地利用集約度持續(xù)上升。 南京耕地利用集約度持續(xù)增加，由2000年的2.90×1018sej/hm2上升至2015年的5.28×1018sej/hm2。近10年耕地利用集約度的增加較為平緩。

(2)農業(yè)機械集約度快速增長，勞動力、農用化肥和農藥集約度呈下降趨勢。農業(yè)機械集約度的上升與勞動力集約度的下降反映了農業(yè)機械水平的提高和農業(yè)現代化的發(fā)展。農用化肥和農藥集約度的降低有利于促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，化肥和農藥的投入減少有利于減輕環(huán)境壓力，實現產出高效、產品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現代農業(yè)發(fā)展。

(3) 各影響因素中，建設用地擴張與耕地利用集約度的關聯水平最高。各影響因素中建設用地面積和農村居民人均純收入與耕地利用集約度的關聯水平高，耦合度強；第一產業(yè)增加值和人均GDP與耕地利用集約度的關聯水平較高，耦合性較強。對耕地利用集約度的貢獻率由大到小依次是建設用地面積(0.90)、農村居民人均純收入(0.82)、第一產業(yè)增加值(0.72)、人均GDP(0.70)。耕地面積的減少，收入的增加，經濟的發(fā)展都是影響農民增加耕地上生產要素投入的原因。

3.2討論

(1)根據計算結果得出南京市耕地利用集約度上升的主要原因是農業(yè)機械投入的快速增長，而其他幾種集約度的變化對南京耕地利用集約度的影響微乎其微，所占比重在不斷下降。隨著農業(yè)機械水平的提升，勞動力投入減少，農村剩余勞動力增多，大量剩余勞動力轉移至城市務工，提高了家庭的收入水平，促進城市的建設，加速了經濟的發(fā)展。家庭的收入水平提高使農民有更多的可支配收入投入到耕地利用中。

(2)建設用地面積的擴張侵占了耕地面積，21世紀以來南京耕地面積持續(xù)下降。隨著城市的快速發(fā)展，南京市人口數量也在不斷增加，對糧食的需求也在擴大。耕地利用集約度是有限度的，并不能無限增加。為防止耕地面積被侵占過多導致糧食產量小于需求，在節(jié)約和集約利用耕地的同時，也要實現城市土地的集約利用，嚴格控制建設用地的擴張，嚴格執(zhí)行耕地保護制度，保護基本農田。從近幾年的耕地面積變化來看，南京市耕地面積減少的幅度趨于緩慢。

(3)不僅要集約利用耕地，還要促進耕地資源利用的可持續(xù)發(fā)展，實現環(huán)境友好的現代農業(yè)發(fā)展。南京市在過去的十多年間不斷減少農用化肥和農藥的使用量，其中農用化肥從2000年的18.78萬t減少至2015年的7.45萬t，農藥從2000年的5 978 t減少至2015年的1 698 t。這2種生產要素投入的降低有利于減少環(huán)境污染，保證食品安全，使農業(yè)朝著低污染的方向發(fā)展。

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