【文献分享LM】耕地弹性理论与耕地系统的整合:来自中国粮食主产区的实证分析

文摘   2024-11-23 07:50   广东  

来源:土地生态课题组(2024年11月19日)



本文发表于国际期刊Land Degradation & Development,2024年第35卷,通讯作者为江西财经大学的徐国良副教授。

文章指出,从恢复力的角度探索耕地利用和保护对于解决区域粮食安全问题至关重要。本文首先研究了弹性在耕地利用系统中的理论适用性,随后引入了耕地系统弹性(CLSR)的具体概念。以中国粮食主产区长江中游为研究对象,构建了包括生产禀赋、社会经济因素、规模结构、生态压力和粮食安全5个维度的测度体系。该体系用于评估2001年至2020年该地区CLSR的时空演变及影响机制。结果表明,CLSR总体水平提高了7.2%,并呈现出明显的空间格局,高值区域从中心向周边地区扩展。此外,CLSR与集聚水平的上升呈正空间相关。CLSR的空间异质性受各种因素的相互作用影响,导致部分非线性的双因素增强。不同因素的影响在不同时间段有所不同,从生态压力转向规模结构,最终影响粮食安全。因此,恢复力视角为识别区域耕地系统中的关键脆弱性提供了更大的解释力,这种方法可以提高耕地资源的有效分配,促进区域层面的可持续和健康发展。

本文选取的研究区域位于长江中游,包括湖北、湖南和江西三省,由于其优越的气候和地理条件以及丰富的农业资源,对于保障国家粮食安全至关重要。CLSR被定义为耕地系统在经历外部冲击后,随着时间的推移恢复到新的平衡状态的能力。这一过程包括吸收外部压力、调整或破坏现有状态,并建立新的发展路径。具体来说,该系统必须应对环境影响、干扰以及内部元素结构和功能的退化。CLSR涵盖了系统管理干扰、调整状态以及恢复平衡和稳定的能力,它反映了短期调整和长期适应过程。首先,研究确定了用于评估CLSR的模型,通过使用极差标准化技术对未处理的数据进行标准化,使用熵权法确定指标权重,采用综合指数法从生产禀赋、社会经济因素、规模结构、生态压力、粮食安全等维度计算每个研究单元的CLSR。其次,通过空间自相关分析确定CLSR的空间相关类型和空间集聚。第三,使用地理探测器确定各种因素对CLSR空间变异的影响程度,利用计算出的q值量化这些因素的驱动力,并通过交互分析同时研究多个因素对CLSR的影响。最后,构建CLSR指标体系。CLSR指标体系分为五个维度:生产禀赋弹性(包括耕地的总面积、土壤的有机碳含量、耕地的坡度、年降水量和年平均气温)、社会经济弹性(包括耕地的机械化水平、每公顷耕地所需的第一产业劳动力、耕地主要固定资产投资、水土协调程度)、规模结构弹性(包括耕地的复种指数、耕地的开垦率、人均耕地面积、经济作物的播种面积比例)、生态压力弹性(包括每公顷耕地的化肥、农药、塑料薄膜使用量)、粮食安全弹性(包括每公顷耕地的粮食产量、粮食作物种植面积比例、每公顷耕地的农作物总产值、个人粮食安全率)。

(图片来自原文)

研究结果表明,2001年至2020年间,长江中游地区的CLSR呈现出“下降-恢复”的模式,在不同时间段内有所波动。这些波动表现为年度变化率的频繁下降和上升。尽管存在这些变化,但研究期间耕地弹性的总体增长率为7.2%。2001年至2014年,弹性指数经历了小幅波动,从2001年的83.98上升到2014年的86.72。然而,从2014年到2017年,该指数经历了显著下降,随后在2020年反弹至88.30。随后,基于长江流域CLSR的计算,该研究将2006年、2012年、2016年和2020年确定为具有代表性的时间段。在ArcGIS 10.2中使用自然断点法,将长江中游的CLSR分为三个区间,以评估区域弹性水平,分为高、中、低三个等级。结果表明,CLSR在长江中部地区呈现出显著的区域异质性,并且表现出明显的地理聚集和局部差异特征。弹性水平等级高的集群显著集中在研究区域的核心区域及其东西两侧的相邻城市,特别是在湖北省南部、湖南省东北部和江西省北部。随着时间的推移,观察到等级高的集聚区域扩展,连续斑块的范围增加,而等级低集聚区域的大小逐渐减小。
(图片来自原文)

空间相关性分析结果表明,在所有4个分析时间点中,莫兰指数均大于0,表明CLSR存在显著的空间相关性。然而,相对系数相对较低,表明总体空间聚集度较小。2006年,CLSR的莫兰指数为0.051,表明空间相关性水平较低。当时,只有武汉市呈现出“高-高”集聚,而襄阳市呈现出“高-低”集聚,其余地区未显示出具有统计学意义的结果。到2012年,莫兰指数增加到0.220,表明与2006年相比,空间相关性呈现出显著的正相关。聚类分析揭示了三个“高-高”集聚区,三个“高-低”集聚区、一个位于株洲市的集聚区以及三个“低-低”集聚区,在其他地区未观察到显著的分组趋势。2016年,莫兰指数有所下降,张家界市呈现出“高-高”集聚、两个区域呈现出“低-高”集聚,三个区域呈现出“低-低”集聚,其他区域未显示出具有统计学意义的空间格局。到2020年,莫兰指数与2016年的水平一致,有三个“高-高”集聚区、一个位于株洲市的“高-低”集聚区、两个“低-低”集聚区,其他地区未观察到显著的聚集现象。
(图片来自原文)

采用地理探测器探究影响CLSR的因素和机制,初步的因子分析确定了影响该地区CLSR的关键决定因素,诸如规模结构、生态压力和粮食安全等因素始终影响着CLSR,但这些变量的解释力在不同时间段有所波动。2006年,每公顷耕地的农药使用量(X15)和塑料薄膜使用量(X16)对CLSR的区域异质性产生了显著影响,这些因素在很大程度上影响了这一时期的弹性。2012年,用于粮食生产的面积比例(X18)和用于经济作物的面积比例(X13)对CLSR有显著影响,其影响程度较2006年有所加剧。然而,每公顷耕地的农药使用量(X15)和化肥使用量(X14)的影响显著下降。此外,随着时间的推移,影响因素的相关性从生态压力转向规模和结构。2016年,耕地复种指数(X10)、耕地总面积(X1)、耕地开垦率(X11)等因素影响CLSR。在此期间,生产禀赋因素对耕地系统的影响显著。到2020年,耕地坡度(X3)、人均耕地面积(X12)和每公顷耕地总产值(X19)成为描述CLSR的最重要因子。在此期间,众多因素影响了CLSR,尤其侧重于粮食安全。
(图片来自原文)

双因素交互q值的分析结果表明,因素之间的相互作用通常会到导致放大影响,而不是相互独立或恶化,无论是双向还是非线性的。这些发现强调了两个因素的共同影响对CLSR的影响比任何单个因素都要大,这也突出了该地区CLSR的发展是多种因素相互作用的结果。2006年因素交互作用总体水平较高。每公顷耕地的农药使用量(X15)与其他因素的交互作用影响最大,与每公顷耕地化肥使用量(X14)的交互作用值最强。这一发现表明,在此期间,CLSR受到生态压力的严重影响。2012年,因素交互作用比2006年有所增强,大多数交互作用值接近0.90。值得注意的是,粮食生产的面积比例(X18)和经济作物的面积比例(X13)与其他因素的交互作用最强,有效地说明了种植结构对CLSR空间分异的影响。2016年,因素相互作用的主要特征是通过双重因素增强,其中耕地总面积(X1)和耕地开垦率(X11)与其他因素的相互作用显著。2020年,虽然双重因素增强仍然是相互作用的显著特征,但这些相互作用的强度与2012年和2016年相比有所减弱。在此期间,粮食生产的面积比例(X18)和每公顷耕地总产值(X19)与其他因素的相互作用表现强劲,部分验证了粮食安全因素对CLSR空间分异的影响,其影响通过因素相互作用得以放大。
(图片来自原文)

综上,本文的研究结论可以归纳为以下几点:(1)长江中游地区CLSR的整体增长轨迹不确定,在整个研究期间累计增长了7.2%,呈现出反复的“下降-恢复”模式,表明区域耕地系统在受到干扰后最终能恢复到原始状态;(2)CLSR呈现出显著的不平衡和明显的空间差异;(3)影响该地区CLSR的关键决定因素包括规模结构、生态压力和粮食安全等因素,但这些变量的解释力在不同时间段有所波动;(4)两个因素的共同影响对CLSR的影响比任何单个因素都要大,该地区CLSR的发展是多种因素相互作用的结果。

本文的创新之处在于系统构建了耕地利用系统中的弹性理论框架,提出了耕地利用系统弹性的概念。而文章的局限之处在于由于耕地利用系统的结构元素复杂且外部因素的不确定性,可能导致该框架在实际应用中的局限性,这种复杂性使得在不同地区和条件下的适用性和有效性难以保证。



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