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自然资源学报 >

2025 , Vol. 40 >Issue 2: 350 - 366

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20250205

其他研究论文

基于人地系统视角耕地利用转型过程及其驱动因素分析——以黑龙江省齐齐哈尔市为例

  • 孙心怡 , 1 ,
  • 王介勇 2 ,
  • 朱西存 , 1 ,
  • 董雨晴 1 ,
  • 林旭 2
展开
  • 1.山东农业大学资源与环境学院，泰安 271018
  • 2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101
朱西存（1970- ），男，山东菏泽人，博士，教授，研究方向LUCC环境效应、土壤地理学等。E-mail:

孙心怡（1999- ），女，山东潍坊人，硕士，研究方向土地资源管理。E-mail:

收稿日期: 2024-03-25

  修回日期: 2024-08-23

  网络出版日期: 2025-01-23

基金资助

国家自然科学基金项目(42171266)

中国科学院战略性先导科技专项（A类）(XDA28130400)

收起

Transformation of cultivated land utilization and its driving factors based on human-earth system perspective: Taking Qiqihar city, Heilongjiang province, as an example

  • SUN Xin-yi , 1 ,
  • WANG Jie-yong 2 ,
  • ZHU Xi-cun , 1 ,
  • DONG Yu-qing 1 ,
  • LIN Xu 2
Expand
  • 1. College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian 271018, Shandong, China
  • 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

Received date: 2024-03-25

  Revised date: 2024-08-23

  Online published: 2025-01-23

Fold

摘要

快速工业化城镇化发展促使黑土耕地利用方式和程度发生显著变化，深刻影响黑土地资源可持续利用状态。基于人地系统视角构建耕地利用转型分析框架，以齐齐哈尔市为案例区，采用突变级数模型定量分析1995—2020年耕地利用过程及其关键转折点，解析不同转型阶段的主要驱动因素。结果表明：（1）1995—2020年耕地利用系统状态评价值波动上升，集中在0.35~0.45之间，说明齐齐哈尔市耕地利用系统存在不同的利用状态阶段，处于转型变化过程中；（2）以2003年、2015年为转折点，研究区耕地利用方式经历了粗放式开发利用、高强度集约利用、保护可持续利用的转变过程，其功能实现了粮食从“自给自足”（1995—2002年）向“商粮外调”（2003—2014年）再向“绿色转型”（2015—2020年）升级，耕地利用经历了两次转型过程；（3）1995—2020年研究区耕地利用由第一阶段向第二阶段转型主要受要素投入和政策调控等关键因素驱动，第二阶段向第三阶段主要是市场需求、政策调控和科技进步等因素共同作用促使转型。建议继续加强黑土地保护利用力度，统筹黑土区要素资源配置，优化区域耕地利用结构，促进黑土耕地功能升级，夯实保障国家粮食安全和区域农业农村可持续发展基石。

关键词： 人地系统; 耕地利用转型; 突变级数模型; 黑土区

本文引用格式

孙心怡 , 王介勇 , 朱西存 , 董雨晴 , 林旭 . 基于人地系统视角耕地利用转型过程及其驱动因素分析——以黑龙江省齐齐哈尔市为例[J]. 自然资源学报, 2025 , 40(2) : 350 -366 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20250205

Abstract

Rapid industrialization and urbanization have led to significant changes in the utilization of black soil cultivated land, which profoundly affects the sustainable utilization of black soil resources. Based on the human-land system perspective, this paper constructs an analytical framework for the transformation of cultivated land utilization, takes Qiqihar city as a case study area, and adopts the mutation level model to quantitatively analyze the process of cultivated land utilization and its key turning points from 1995 to 2020, and to examine the main driving factors of different transformation stages. The results show that: (1) The state evaluation value of cropland utilization system fluctuates and rises from 1995 to 2020, concentrating between 0.35 and 0.45, indicating that the cropland utilization system in Qiqihar has different stages of utilization state and is in the process of transformation and change. (2) With 2003 and 2015 as the turning points, the cropland utilization mode in the study area has experienced the rough development and utilization, high-intensity and intensive utilization, protection and sustainable utilization, and its function has realized the transformation of food from "self-sufficiency" (1995-2002) to "external transfer of commercial food (2003-2014)", and then to "green transformation (2015-2020)". The utilization of cultivated land has gone through two transformations. (3) The transformation of cultivated land utilization from the first to the second stage in the study area from 1995 to 2020 was mainly driven by key factors such as factor inputs and policy regulation, and the second to the third stage was mainly driven by market demand, policy regulation and technological progress. It is recommended to continue to strengthen the protection and utilization of black soil, coordinate the allocation of factors and resources in the black soil area, optimize the structure of regional cultivated land utilization, promote the upgrading of black soil cultivated land functions, and strengthen the cornerstone of guaranteeing national food security and the sustainable development of regional agriculture and rural areas.

Key words： human-land system; transformation of cultivated land utilization; mutation level model; black soil area

耕地是人类赖以生存的基本资源，也是人地关系最直接的反映。耕地利用作为人地关系中的最核心部分，是“人与地”在特定的地域环境中相互联系、相互作用而形成的一种动态结构，具有地域功能性、系统结构化、时空变异动态性及人地系统效应差异性等诸多系统特征[1]。近年来，由于自然条件变化的不确定性以及内外环境压力的共同冲击[2]，以“人”为主体的多元扰动因素，持续推动耕地利用过程中各要素相互作用、相互制约，引发优质耕地非农化、非粮化等要素性问题[3]，作物种植连作、田块细碎化、种粮比较效益低下等结构性[4,5]难题，以及耕地质量退化、生态环境恶化等功能性弊端[6]。这些问题已成为威胁区域耕地可持续利用与粮食安全的关键因素。
耕地利用转型是指在一段时期内与经济和社会发展阶段转型相对应的区域耕地利用由一种形态转变为另一种形态的过程[7]。目前，国内外学者对于耕地利用转型的研究主要立足于耕地自身特征，分析其转型内涵及研究框架[8,9]、转型路径[4]、过程机理[10]、耕地系统各要素之间的权衡与协同作用[11⇓-13]、时空格局演变[14]以及驱动机制分析[15⇓-17]等。以上研究成果对耕地利用状态转型的识别具有重要的参考作用。但现有研究大多从耕地资源或耕地利用条件变化的视角，解析耕地转型特征[18]，较少基于人地耦合视角综合分析耕地利用系统转型过程中自然、人文、政策、市场等多因素作用机制。东北黑土区是中国重要的粮食主产区、最大的商品粮生产基地，在保障国家粮食安全中具有不可替代的战略地位[19]。然而近年来，随着工业化、城镇化进程加快，东北黑土区人地关系发生了显著变化[20]，黑土耕地利用方式和强度也发生了改变。因此，系统分析东北黑土区耕地利用变化特征，探索建立转型诊断的理论与技术方法，科学识别耕地利用转型过程、阶段状态及深入剖析其驱动因素，对于促进黑土资源保护利用与提升粮食生产能力具有重要参考意义。
本文基于人地系统视角解释了东北黑土区耕地利用转型的内涵特征，以黑龙江省齐齐哈尔市为研究区，阐明耕地利用系统构成因子突变引发耕地的非稳定状态，构建基于耕地利用系统“要素—结构—功能”指标体系，利用突变级数模型，识别齐齐哈尔市1995—2020年耕地利用状态特征，分析其转型过程及其关键转折点，探讨各阶段转型的主导驱动因素。

1 理论框架与研究方法

1.1 基于人地系统视角耕地利用转型解释

（1）基于人地系统的耕地利用转型理论认知。人地系统是由地理环境和人类活动两个子系统相互作用构成的复杂、开放的巨系统，内部具有一定的结构和功能机制[21]。耕地利用体现了以“耕地”为主的自然生态系统和以“人类活动”为主体的社会经济系统在特定区域内通过协同和拮抗作用而形成具有自组织特征的复杂过程[22]，以粮食生产功能为核心，是典型人地系统。基于人地系统视角解析耕地系统的“要素—结构—功能”转变，有利于系统认知耕地利用转型过程与机制[23]。耕地系统中“人”因素包括人、技、机、肥等投入要素，“地”因素包括光、温、水、土等自然本底要素。耕地人地系统各要素间组合及其相互作用形成了不同的结构，包括产值结构、用地结构、劳耕结构、种植结构等。系统结构及外界环境需求的变化，进一步驱动着系统内部与外部物质循环、信息传递及能量交换，进而诱使耕地系统功能呈现（图1）。耕地利用转型是耕地人地耦合系统演变的结果，包括人机技肥生产投入要素的变化和光温水土自然要素的变化，以及这些要素变化带来耕地系统结构的重组和利用方式的调整，进而引起耕地利用系统功能的演替。
图1 基于人地系统视角耕地利用转型分析框架

Fig. 1 Analytical framework for the transformation of cropland utilization based on the human-land system perspective

（2）耕地利用转型过程认知思路与分析框架。耕地利用转型是耕地人地系统的要素、结构和功能在一段时间内由量变发生质变的过程。在要素层面，表现为关键要素类型变化及其数量增减，是耕地利用转型的基础特征；在结构层面，表现为耕地人地系统的组成要素间相互联系相互作用的方式和形态发生重要变化，是耕地利用转型的内在特征；在功能层面，表现为耕地人地系统对外输出的作用和效能发生重大改变，是耕地利用转型的外在表现。在快速工业化城镇化背景下，东北黑土区耕地利用呈现明显的转型过程。本文围绕东北黑土区耕地利用过程中存在的诸多问题及矛盾，以人地系统理论为指导，遵循从要素到整体、从结构到功能、从简单到复杂等系统演化层次规律，基于“要素—结构—功能”的系统研究逻辑，研究耕地利用过程中要素增减、结构变化、功能演替的过程，识别耕地利用转型转折点及主要驱动因素（图2）。
图2 耕地利用转型分析研究框架

Fig. 2 Research framework for the analysis of transformation in the use of cultivated land

1.2 研究区概况

齐齐哈尔市（122°E~126°E，45°N~48°N）位于松嫩平原中部核心地带，辖区面积约为4.25万km2，耕地面积4356万亩（1亩≈667 m2，图3）。土壤类型以黑土、黑钙土、草甸土为主，其中黑土面积占土壤总面积的1/3，黑土有机质含量位3%~6%。域内属温带大陆性季风气候，耕作区域覆盖第一至第四积温带，适宜农业生产，具有端牢“中国饭碗”的自然资源禀赋。齐齐哈尔市是中国重要的商品粮基地，是全国第四大粮食产量大市，商品粮调出量约占粮食总产量的2/3[24]。2020年粮食产量达到1182.0万t，其中水稻296.0万t，玉米710.0万t，大豆155.5万t。此外，该市重点发展绿色农业。截至2020年全市国家级绿色食品原料基地面积1156万亩，绿色食品认证数量442个，有机食品认证数量119个，农产品地理标志产品11个。然而，在工业化、城镇化加速和保障粮食生产的重压下，该地农村人地关系矛盾较为突出[20]，耕地利用过程中服务供给能力失衡，面临着水土流失、黑土退化以及环境恶化等问题，严重制约着黑土地资源的可持续利用。在此背景下，探讨其耕地利用转型过程对于研究耕地保护与粮食安全问题具有重要意义。
图3 齐齐哈尔市位置及其耕地资源分布

注：本图基于自然资源部标准地图服务系统下载的标准地图制作，底图无修改。

Fig. 3 Location of Qiqihar city and the distribution of its cultivated land resources

1.3 耕地利用转型诊断指标体系构建

耕地利用转型是耕地人地系统的要素、结构和功能在一段时间内由量变发生质变的过程。基于耕地利用转型分析框架，按照科学性、客观性及数据可得性等原则，参考国内外学者对耕地利用的相关研究，科学分析齐齐哈尔市耕地利用内部构成因子和外界变化的交互作用，在定量提取耕地利用状态变化的敏感性因子基础上，依据耕地利用稳定性因子作用机理，结合衡量“要素—结构—功能”三个维度，参考FAO《土地评价纲要》、东北地区黑土地评价标准[12,25]，构建适合齐齐哈尔市耕地利用状态变化指标体系。在要素层面，选取光照、温度、降水以及耕地面积表示耕地的自然本底要素；选取农业劳动力、农业科技人员、农业机械总动力、亩均化肥施用量代表耕地利用过程中的生产投入要素。在结构层面，分别选取农业产值、无公害绿色种植面积、粮播面积比、劳均耕地面积表示耕地利用过程中的产值结构、用地结构、种植结构、劳耕结构。在功能层面，选取粮食单产水平、农民人均收入表示耕地的社会保障功能。耕地亩均收益作为经济功能，利用NDVI指数表示耕地利用过程中的生态功能（表1）。采用熵权法[26]确定评价指标的权重。
表1 齐齐哈尔市耕地利用状态评价指标

Table 1 Analysis of the evolution of cropland system state in Qiqihar city

目标
层		 准则
层		 一级
指标		 二级指标 指标释义 指标
权重

耕地
利用
状态
评价
指标
 自然
本底
要素		 光照 光照时数X1/h 日照条件对农作物及农田生物有机体生长发育的影响 0.0193
温度 平均气温X2/℃ 所处环境的温度条件，反映耕地系统大气温度分布状况和变化态势的重要指标 0.0201
降水 年均降水量X3/mm 某一时间段内的未经蒸发、渗透、流失的降水在水平面上积累的深度，反映耕地系统所处环境的降水程度 0.0232
耕地 耕地面积X4/亩 主要用作种植农作物并经常耕翻的土地面积 0.0240
生产
投入
要素		 农户 农业劳动力X5/万人 能参加农业劳动的劳动力数量和质量 0.0271
技术 农业科技人员X6/人 农业劳动力中受过各种农业专业技术培训或掌握某项农业专门技能并具有专业技术职称的人员，表征该地农业科技水平 0.0225
机械 农业机械总动力X7
/万kW		 主要用于农、林、牧、渔业的各种动力机械的动力总和，机械化程度高，可以显著提高粮食产量 0.0229
化肥 亩均化肥施用量X8/t 直接或间接供给作物所需养分，改善土壤性状，以提高作物产量和品质的物质，在一定程度上反映对土壤环境的影响 0.0229
结构 产值结构 农业产值X9/元 一定时期（通常为一年）内以货币形式表现的农、林、牧、渔业全部产品的总量。反映农业生产总规模和总成果 0.0228
用地结构 绿色种植占比X10/% 一定时期绿色无公害种植农作物的数量 0.0229
种植结构 粮播面积比X11/% 表示地区一定时期粮食作物的种植面积，衡量地区种植业发展程度的一个重要指标 0.0241
劳耕结构 劳均耕地面积X12/亩 反映每一农业劳动力平均占有耕地面积的指标 0.0204
功能 社会功能 粮食单产水平X13/t 指平均每单位土地面积上收获的农产品数量，反映耕地的基本粮食生产水平 0.6518
农民人均收入X14/元 农民人均收入水平是指农民可以用来自由支配的收入，反映农民生活保障水平 0.0213
经济功能 耕地亩均收益X15/元 在单位面积的土地上，所生产的作物产出能够获得的经济收益，表征农业经济水平 0.0228
生态功能 NDVI X16 NDVI值是通过测量近红外（植被强烈反射）和红光（植被
吸收）之间的差异来量化植被，表征耕地系统中的植被覆盖情况		 0.0319
本文数据包括两个方面：（1）社会经济数据。主要来源于《黑龙江省统计年鉴》和《齐齐哈尔市经济统计年鉴》（1995—2021年）、齐齐哈尔市土地利用总体规划（2006—2020年）、联合国粮食及农业组织数据库（https://www.fao.org/faolex/zh/）以及各县（区、市）统计年鉴等。（2）自然资源数据。NDVI数据等主要来源中国科学院资源环境科学数据中心（https://www.resdc.cn/Default.aspx）等。但由于部分年份NDVI值数据存在缺失，采取线性拟合的方法进行填补。

1.4 耕地利用转型诊断方法

采用1972年由法国著名数学家THOM提出的突变理论（Catastrophe Theory）原理[27]，该原理主要以拓扑学为工具，以结构稳定性理论为基础，用形象的数学模型来描述连续性行动突然中断导致质变的过程[28]。突变级数模型是以突变理论为基础[29]，由突变理论和模糊函数相结合生成的突变模型势函数推导出归一公式，再利用归一公式由下而上逐层对评价目标进行排序分析的综合评价方法[30]，其核心是研究一些不连续现象的形态、结构、功能突然发生变化的规律，体现出系统状态从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态[6]。耕地利用突变指耕地利用演变过程中由于自然以及人文要素缓慢变化累积到一定程度或者发生骤变，造成耕地利用的结构和功能发生转折性的变化过程[27]，具有不确定性和突变性特征，运用突变级数模型能够客观地评价耕地利用的转型过程，识别各阶段变化的关键点。具体步骤如下：
（1）标准化处理。采用极差标准化[31]对原始数据 x i j（ x i j为第i个准则层第j项指标）进行标准化处理，以消除不同量纲的影响，记为 x ' i j，并将标准化后的数据向右移动a个单位进行消除负数处理，记为 x ″ i j。具体公式如下：
若 x i j为正向指标，则
x ' i j = x i j - m i n ( x 1 j ,   x 2 j ,   ⋯ ,   x n j ) m a x x 1 j ,   x 2 j ,   ⋯ ,   x n j - m i n ( x 1 j ,   x 2 j ,   ⋯ ,   x n j )
若 x i j为负向指标，则
x ' i j = m a x ( x 1 j ,   x 2 j ,   ⋯ ,   x n j ) - x i j m a x x 1 j ,   x 2 j ,   ⋯ ,   x n j - m i n ( x 1 j ,   x 2 j ,   ⋯ ,   x n j )
x ″ i j = x ' i j + a
（2）指标权重排序。利用改进后的熵权法对指标进行客观赋权，即为 w j利用熵的可加性，将底层指标权重相加，得到上一层指标权重[32]。然后，根据权重对各层级指标进行的相对重要性排序，具体公式如下：
d i j = x ″ i j ∑ i = 1 n x ″ i j
e j = - 1 l n n ∑ i = 1 n d i j l n d i j
w j = ( 1 - e j ) ∑ j = 1 m ( 1 - e j )
式中： d i j为第j个指标第i个项目的数值比例；n为变量个数（个）； w j为第j个指标的权重； e j为第j个指标的熵值。
（3）关键点识别。针对不同类型的突变模型求解势函数，得到分歧集方程，进而求导得到突变函数的归一分歧方程（表2）。计算过程中，若各个控制变量之间不能互相补充不足时，使用非互补原则，即在大中取小；若各控制变量之间可以互相补充不足时，则采用互补原则，取它们的平均数，而是否互补由指标间的相关性以及实际意义来决定。依据该原则依次逐层向上计算突变级数，最终求出总突变级数来进行评价，基于突变级数突变点识别耕地利用阶段变化过程中的关键点[31]。本文中研究区1995—2020年时间段内状态变量均为耕地利用状况，数目为1，因此可以根据研究区不同研究时段控制变量数目选取相对应的三种突变模型即尖点突变模型、燕尾突变模型、蝴蝶突变模型（表2）。
表2 突变级数模型势函数及归一化公式

Table 2 Mutation level model potential function and normalization equation

变量数/个 突变类型 势函数 分歧集方程 归一化公式
2 尖点型突变 f x = x 4 + u x 2 + v x u = - 6 x 2
v = 8 x 3		 X u = u 1 / 2
X v = v 1 / 3
3 燕尾型突变 f x = x 5 + u x 3 + v x 2 + w x u = - 6 x 2
v = 8 x 3
w = - 3 x 4		 X u = u 1 / 2
X v = v 1 / 3
X w = w 1 / 4
4 蝴蝶型突变 f x = x 6 + u x 4 + v x 3 + w x 2 + t x u = - 10 x 2
v = 20 x 3  
w = - 15 x 4
t = 4 x 5		 X u = u 1 / 2
X v = v 1 / 3
X w = w 1 / 4
X t = t 1 / 5

注： f x 表示一个系统的状态变量x的势函数；系数u、v、w、t表示该状态变量的控制变量。

2 结果分析

2.1 齐齐哈尔市耕地利用转型阶段及关键点分析

基于突变级数模型的归一化公式及其取值标准计算得到齐齐哈尔市耕地利用状态评价值（表3）。结果显示，1995—2020年耕地利用系统状态评价值处于波动增加的趋势，大部分集中在0.35~0.45之间，分值较低，说明齐齐哈尔市耕地利用系统存在不同的利用状态阶段，处于状态不断转型变化过程。结果显示，以2003年和2015年为关键点，该地耕地利用具有明显的阶段性特征。耕地利用评价值由1995—2003年快速增长，2003年发生突变，开始下降。2004—2015年波动性上升，2015年再次突变，2016—2020年开始小幅下降。整体呈波动型上升趋势，说明1995—2020年齐齐哈尔市耕地利用系统的“要素—结构—功能”呈现均衡发展态势（图4）。
表3 齐齐哈尔市1995—2020年耕地利用状态突变级数值

Table 3 Cultivated land utilization mutation levels in Qiqihar city in 1995-2020

年份 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
突变值 0.3537 0.3650 0.4048 0.4282 0.4233 0.4241 0.4179 0.4221 0.4067
年份 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
突变值 0.4057 0.4099 0.4092 0.4149 0.4091 0.4136 0.4270 0.4279 0.4246
年份 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 平均值
突变值 0.4254 0.4259 0.4243 0.4208 0.4220 0.4201 0.4186 0.4162 0.4139
图4 1995—2020年齐齐哈尔市耕地利用“要素—结构—功能”综合指标值变化

Fig. 4 Changes in the value of the comprehensive index of "factor-structure-function" for the utilization of cultivated land in Qiqihar city from 1995 to 2020

2.2 耕地利用转型过程诊断

基于计算结果对齐齐哈尔耕地利用状态的转化过程进行诊断。结果显示，齐齐哈尔市1995—2002年耕地利用状态评价值快速增长，2003—2014年呈波动性上升趋势，2015—2020年小幅下降（图5）。回顾1995—2020年中国、黑龙江省以及齐齐哈尔市的主要政策调整、社会经济环境变动等，分析诱致性因素在不同时间维度上对耕地利用状态影响的大小、强度、速度和方向等作用机理，有助于从整体上理解齐齐哈尔市耕地利用的演变，同时也有助于分析其未来黑土保护与利用发展趋势。
图5 齐齐哈尔市耕地利用发展周期及关键点识别

Fig. 5 Cultivated land utilization development cycle and key point identification in Qiqihar city

2.2.1 1995—2002年耕地粗放式开发利用，粮食“自给自足”

1995—2002年黑龙江省经济发展向市场经济转轨，农村开始土地流转，惠农政策促使农业发展。上述分析结果显示，这一阶段齐齐哈尔市耕地利用状态评价值快速增长，但从要素投入、结构特征和功能状态来看，该阶段耕地利用方式仍较为粗放，粮食生产以“自给自足”为主。
该阶段耕地利用状态主要呈现以下特征：（1）在要素特征上，粮食产量主要受制于生产要素的有限投入。受国家“退耕还林”和农业结构调整政策的影响，此阶段耕地数量出现减少趋势。为满足国家粮食需求以及自身食物需求，农户普遍以粮为纲，在有限的耕地面积增加粮食产量，开始加大农业生产要素的投入。农业人口数量增加，机械化水平于1997年开始提高，亩均化肥施用量增加趋势较为明显，由0.0067 t增加至0.0077 t（图6a、图6b）。（2）在结构特征上，受耕地面积减少，农业人口增加影响，劳均耕地面积平均为18.80亩，人地关系矛盾凸显，农业生产方式相对较为粗放；粮食播种面积占比由1995年的85%降至78%，种粮比例在三个阶段中相对较低；此阶段并没有开始无公害作物的种植，绿色农业并未重视；农业产值平均607.72百万元，三个阶段中最低。（3）在功能特征上，具体表现为粮食单产水平总体较低，亩均收益与农民收入不高，均为三阶段中最低水平，耕地利用的经济收益较少，经济与社会保障功能弱化。耕地粗放式开发利用，开垦水平较低，生物化学品投入较少，因此该地NDVI值较高，耕地环境负荷较小，生态环境破坏程度相对较低（图6c、图6d）。
图6 齐齐哈尔市不同时段“要素—结构—功能”对耕地利用的影响

Fig. 6 Influence of "factor-structure-function" on the utilization of cultivated land in different time periods in Qiqihar city

此阶段受农业结构调整政策和城镇化的影响，耕地数量减少趋势明显。为了满足当地粮食生产需求，不断加大生产要素的投入，农业人口增加明显，化肥、农药施用量增多，乡村人地关系矛盾凸显，存在作物种植连作、田块细碎化、种粮比较效益低等结构性问题，耕地利用“自给自足”特征明显。

2.2.2 2003—2014年耕地高强度集约利用，粮食大幅增产

2003—2014年黑龙江省社会主义市场经济体制开始发展，拉动大量农村劳动力转移进城，带动耕地流转速度加快，耕地资源市场价值逐步显化。上述分析结果显示，齐齐哈尔市耕地利用状态评价值总体较高，耕地利用呈现高强度集约利用状态，粮食大幅度增产。人均粮食产量为1.64 t，比上个阶段增加近两倍，这主要得益于农业生产要素持续高效投入以及结构的优化调整，使得该地短期内耕地产出能力大幅提高。
该阶段耕地利用主要呈现以下特征：（1）在要素特征上，粮食产量的大幅提升主要得益于“土技机肥”的高效投入。2003—2015年齐齐哈尔市耕地面积增加较快，由2666.0万亩增加至3598.4万亩（图6a、图6b），为粮食生产提供自然本底保证。随着工业化城镇化进程加快，城乡收入差距较大，诱使农业劳动力会向收入较高的非农部门转移[33]，加剧了农业人口的流失，耕作机会成本上升[34]，人地关系矛盾突出（图4）。耕作机会成本上升会诱导农民采用省力种植技术或种植系统。结果显示，该地农业机械总动力由1995年175.6万kW增加至2015年867.4万kW，增加了近8倍（图6c、图6d），平均每亩化肥施用量为0.01 t，高于世界平均水平（8 kg/亩）。耕地的高强度集约利用，提高了耕地生产效率，促使粮食单产水平的快速提高。此阶段，东北地区粮食调出规模由2002年约237.75亿元，增长到2017年的约2398.42亿元，增长超过十倍。（2）在结构特征上，为了保持粮食的高产稳产，该地不断优化劳耕结构、种植结构等。劳均耕地面积为17.92亩，较上一阶段有所减少；粮播面积占比平均为89%，较上个阶段增加近60%，粮食种植面积增加明显；无公害种植面积开始增加，平均占比7%，开始重视绿色农田建设，农业产值线性增长。（3）在功能特征上，生物化学品以及农业机械化投入增加，土地生产力和劳动生产力明显提高，粮食单产水平增长至0.006 t/亩。农民收入由0.30万元增长到1.10万元，增长近3倍；亩均收益由0.02万元增长至0.11万元，经济收益提升明显，耕地利用的农业经济贡献、粮食生产功能明显增强。但为了谋求粮食产量，大量水田转为旱地，农田生态系统受损，耕地环境负荷加重，NDVI下降明显，生态调节功能明显下降。
此阶段耕地高强度集约利用，提高了耕地利用效率，粮食产量大幅增加，农业经济效益提升显著，耕地产出的“商粮外调”特征明显。但由于高强度农业活动，玉米、水稻主要作物长期连作以及机械化不合理耕作致使黑土区表层土壤严重压实，土壤水分有效性降低，导致黑土耕地土壤板结退化问题严重[35]。随着开垦年限的增加，东北黑土区土壤耕作层全氮含量减少，黑土地呈现“变薄、变瘦、变硬”的趋势[36]，黑土耕地退化严重，加之农业人口流失严重，人地关系矛盾突出，具有较大的黑土地可持续利用压力。

2.2.3 2015—2020年耕地保护可持续利用，农业“绿色转型”

2015—2020年黑龙江省社会主义市场经济体制逐步完善，土地、劳动力、生产资料及资本市场不断发展。上文分析可知，耕地高度集约利用导致黑土退化，为了保证耕地粮食高产稳产，提高耕地可持续利用水平，齐齐哈尔市2015年开始探索黑土保护与利用相结合的新利用模式。耕地流转形成适度的规模经营、保护性耕作技术的应用及种植结构与农业管理措施优化等，提高农业产出效率，提升粮食生产品质，耕地利用功能得到综合提高，农业生产趋向于“绿色转型”。
该阶段耕地利用主要呈现以下特征：（1）在要素特征上，光照、温度、降水等因素对作物生产影响趋于明显，生产要素注重投入效率。气温增加近0.37 ℃，光照时数小幅增加（图6a、图6b），使该地区种植制度界限北移东扩，影响粮食播种面积。在农业劳动力下降趋势明显的基础上，为了保证粮食“高产稳产”，东北地区继续稳步提高综合机械化水平。据统计，2019年东北三省农业机械总动力约占全国的12.03%，其中黑龙江省综合机械化率达到97%，主粮生产已基本实现全程机械化。为了加强绿色农田建设，该地不断减少化肥、农药的使用量。截至2020年底，全市化肥和农药使用量比2015年分别下降4.68%和3.35%。（2）在结构特征上，为了改善粮食产出品质，当地政府不断调整耕地种植结构。协调农林牧渔占比，增加粮食播种面积。开展优质粮食工程，黑龙江省在2020年底的优质粮食种植基地面积达到2733万亩，优质粮食产量1687.50 t，粮食供给质量大幅提升。不断优化劳均用地结构，劳均面积增加为18.95亩，为开展黑土地适度规模经营提供数量支持；提高绿色种植比例，无公害农田种植比例为15%，较上个阶段增加近两倍，逐步提升绿色农业种植水平（图6c、图6d），农业产值增加明显。（3）在功能特征上，耕地利用的经济产出、社会保障、生态保护功能得到综合提升。以免耕和少耕秸秆覆盖还田的“梨树模式”“龙江模式”等在齐齐哈尔市得到了较好的推广应用，并完成耕地土壤环境质量类别划分，优先保护类0.38亿亩、安全利用类0.96万亩、严格管控类311.7亩。此外，自2016年开始全市高标准农田项目区已基本形成了田成方、林成网、路相通、渠相连、灌溉水利化、耕作机械化、栽培科技化的现代化农业雏形，亩均收益稳步提高，农民收入增加显著，NDVI值保持较高水平，黑土保护利用效率持续增强，实现了经济、社会和生态效益的同步提升。
该阶段黑土耕地利用系统“要素—结构—功能”整体联结水平较高，人地关系矛盾有所缓解。受城乡居民日益多样化的食物、环境、休闲等需求引导，集旅游、观光于一体的现代农业在东北地区开始兴起，例如铁锋区查罕诺村，打造美丽休闲乡村“新业态”产业发展模式，强化创新驱动，增加农民收入，诱致农户回流；同时，生物化学品投入主要考虑农作物需求和资源环境承载能力，劳动生产力和全要素生产力明显提高，耕地利用的生态经济收益明显增强，耕地利用呈现出“绿色转型”特征。但在实现耕地多元化功能的过程中，如何建立黑土地保护性利用的长效机制，实现黑土地资源的保护利用仍是较为严峻的现实问题。

2.3 耕地利用转型驱动因素解析

齐齐哈尔市1995—2020年耕地经历了由“粗放式开发利用”向“高强度集约利用”再向“耕地保护可持续利用”的耕地利用转型。从“人地系统”视角，基于上文分析结果对齐齐哈尔市耕地利用演化的影响因素进行归因解析，总结其转型的驱动因素及其机制（图7）。
图7 齐齐哈尔市耕地利用转型驱动因素作用机制

Fig. 7 Mechanism of the role of driving factors for the transformation of cultivated land utilization in Qiqihar city

前期齐齐哈尔市土地、劳动力、生产资料及资本市场处于发育阶段，由“耕地粗放式开发利用向高强度集约利用阶段转型”主要受政策宏观调控和农业生产要素投入的影响。由于国家开始重视耕地数量，陆续颁布《中华人民共和国土地管理法》《中华人民共和国基本农田保护条例》等法律条例[37]，促使东北黑土耕地面积快速增加，为粮食增产提供了本底要素条件。2004年前后，农业税费改革、“三免一补”、粮食分配制度改革等政策的调整，激发了农民种粮积极性，加大了政府对粮食生产的支持力度，黑土耕地资源的市场价值渐趋明显，水田陆续向旱地转化，种植结构不断优化。同时受全国粮食产量需求的影响，增加农业生产要素的投入，农业机械总动力以及化肥使用量明显增加，耕地生产效率提升，粮食单产水平由0.73 t增至0.93 t，粮食产量大幅增加[38]，占全国粮食总产量的1/4，种粮效益明显增强，驱动耕地利用功能由“自给自足”向“商粮外调”转变。
后期随着土地、劳动力、生产资料及资本市场逐步完善，由“耕地高强度集约利用向可持续保护利用阶段转型”主要受政策宏观调控、科技进步以及市场粮食品质需求的影响。经济社会不断发展，城乡居民日益追求多样化、营养化的食物，市场粮食品质需求提升。齐齐哈尔市不断增加优质粮种植比例，加强绿色农田建设，提高粮食种植品质，打造以生态原产地“齐齐哈尔好粮油”公共品牌为统领的泰来大米、金鹤大米、甘南大米等绿色优质粮油产品品牌集群；农药化肥“双减”政策以及《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030年）》等保护政策的提出，使得东北地区探索黑土保护与利用相结合的新利用模式。基于先进科技，塑造“宽窄行种植，秸秆全覆盖”的“梨树模式”等保护性耕作技术模式，使东北地区秸秆综合利用率显著提升，2020年达到86.1%，较2016年提高了19.5个百分点等，黑土地资源保护利用价值显著提升。农业科技进步、市场粮食需求品质提升以及地方政策的适时调整驱动该地粮食提质增效，农业呈现“绿色转型”特征。
总体而言，在内外源因素的共同作用下，自然资源禀赋是耕地利用转型的本底条件，很大程度上决定着粮食的播种面积，是维系和实现耕地生产功能高质量运行的本底因素[20]；市场消费活力是耕地利用发展潜力的重要体现，城乡居民市场农产品消费结构及水平升级，促使种粮比较效益改变，粮食价格变化影响农民种粮意愿及农业生产要素投入量，进而影响耕地利用方式；政策调控反映政府组织管理能力，在提升耕地产出水平与利用转型方面具有持久作用；科技创新为耕地保护利用的实现提供更多可行性，使政府管理者更准确、快速地掌握耕地利用现状，促使耕地利用转型[39]。因此，在实现黑土保护的基础上提升农业效益，需从耕地利用转型的主要驱动因素出发，实时结合市场需求及政策调整，改进地区耕作技术方法，提高耕地产出水平，促使农民增收、农业增效，实现黑土保护与利用协同发展。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文通过界定“黑土地”耕地利用转型的内涵，提出了基于人地系统视角耕地利用转型分析框架，以齐齐哈尔市为研究区，阐明了耕地利用过程中构成因子突变引发耕地利用非稳定状态的原理，基于人地系统理论，利用突变级数模型，构建了耕地利用“要素—结构—功能”的指标体系，科学识别齐齐哈尔市1995—2020年耕地利用的不同状态，分析其转型过程及关键点，并明确各阶段变化的驱动因素。
（1）齐齐哈尔市1995—2020年黑土耕地利用状态变化值呈明显阶段性特征。1995—2020年耕地利用系统状态评价值处于波动增加的趋势，大部分集中在0.35~0.45之间，分值较低，说明齐齐哈尔市耕地利用系统存在不同的利用状态阶段。黑土耕地利用经历了“粗放式开发利用向高强度集约利用再向可持续保护利用”的发展演化过程，体现了从“自给自足（1995—2002年）”向“商粮外调（2003—2014年）”再向“绿色转型（2015—2020年）”升级，耕地利用经历了两次转型过程，转型关键点分别为2003年和2015年。
（2）基于人地耦合视角认知耕地利用转型具有科学性。人地关系发展演变是推动该研究区耕地利用转型的直接原因。人地关系矛盾突出，黑土耕地粗放式及高强度集约利用，粮食产量迅速增加，但黑土地“变薄、变瘦、变硬”的趋势明显；人地关系协调共生、黑土地保护可持续利用、粮食产量高产稳产的同时，粮食生产附加值提升，实现农业绿色转型。协调人地关系，需要“地”和“人”各组成要素之间在结构和功能上保持相对平衡。
（3）1995—2020年研究区耕地利用状态演化的驱动因子不断变化。由“自给自足”向“商粮外调”转化的驱动因素主要表现为宏观政策调整及农业生产要素投入的增加，而农业科技进步、市场粮食消费水平和黑土保护政策等是驱动耕地利用由“商粮外调”向“绿色转型”演化的主要因素。

3.2 讨论与建议

本文基于人地关系地域系统视角，从“要素—结构—功能”的系统研究逻辑出发，整合黑土耕地利用状态分析、关键点识别等，明确了东北地区黑土耕地利用的转型阶段，揭示了其演化机制，丰富了粮食产区人地关系研究的相关理论与方法，为保障区域粮食安全提供了理论依据与参考。耕地人地关系在三个阶段中不断发展，促使黑土耕地利用状态的变化。粮食实现高产稳产，但也存在黑土“变薄变瘦变硬”的现实问题，致使黑土耕地利用的“经济、社会、生态”效益得不到综合实现，不利于粮食生产的稳定供给。因此通过本文研究分析，为了减少未来黑土地利用的不确定性和脆弱性，得出以下启示：（1）统筹黑土区要素资源配置。通过人力整合与土地整合，改善人地关系，激发耕地可持续利用的内生动力。构建专业化合作社组织，加大农业科技的有效投入，实现黑土耕地适度的规模化精准管理、推广节水灌溉、减少资源限制、提高规模效益等，建设成片高标准农田，提高应对极端气候、自然灾害等不确定性风险的能力。（2）优化区域耕地利用结构。单一化的用地结构会引起耕地利用过程中生产功能的弱化。在保障粮食产出的基础上，赋予各区县更多自主权，集中围绕本土主导产业、特色产品、优势品种，建立更加灵活主动、便于操作的多元化结构。不断优化劳耕结构、调整种植结构、改善用地结构、提升产值结构等，提高耕地利用的可持续性。（3）促进黑土耕地功能升级。应提高黑土耕地利用的现代化水平，构建完备的产业链，提高综合功能效益，保障土壤安全。提高黑土地生产率和农产品商品率，统筹粮食生产、社会保障与生态维护的耕地多元化功能绿色发展新模式，促使农民增收、农业增效，实现黑土保护。此外，黑龙江省黑土地的复杂性决定了耕地利用演变的多样性，尽管本文界定了1995—2020年齐齐哈尔市耕地利用状态演化的不同阶段，但尚未从空间尺度对其阈值边界深入探讨以实现黑土耕地利用转型阶段的“完全定量”划分。因此，多元化、全方位、多层次探讨黑土耕地利用状态的演化规律，更加科学地对重要粮食产区耕地利用各阶段转型进行模拟分析等，将成为未来研究的重点。

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