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Analysis of cultivated land utilization change in Loess Hilly and Gully regions based on dissipative structure theory

基于耗散结构理论的黄土丘陵区耕地利用变化分析



全 文 :中国生态农业学报 2010年 1月 第 18卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2010, 18(1): 170−174


* 华北水利水电学院高层次人才科研启动项目、中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室开放
基金(10501-232)资助
郝仕龙(1972~), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为土地利用/土地覆盖变化及“3S”应用研究。E-mail: haoshilong24@163.com
收稿日期: 2009-02-10 接受日期: 2009-05-18
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00170
基于耗散结构理论的黄土丘陵区耕地利用变化分析*
郝仕龙 1,2 曹连海 1 李春静 1
(1. 华北水利水电学院资源与环境学院 郑州 450011; 2. 中国科学院水利部水土保持研究所
黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 杨凌 712100)
摘 要 耕地利用和保护是关系我国国民经济和社会可持续发展的全局性战略问题。针对黄土高原耕地利用
和保护面临的问题, 根据耗散结构理论, 以黄土丘陵区耕地资源为研究对象, 通过分析黄土丘陵区耕地资源
利用的特点, 构建了耕地系统的熵流模型, 耕地利用效益、光合转化效益及生态效益是影响该区域耕地系统有
序性的关键。以上黄试区为例, 分析了该试区不同时期耕地系统熵流变化的规律。结果表明, 从“六五”时期
至“十五”时期, 通过对该试区耕地系统进行综合治理, 耕地系统的熵值逐步减少, 其不同时期的熵变值分别
为−0.652 4、−0.198 8、−0.342 1、−0.266 4和−0.290 0, 表明耕地系统的有序性、稳定性逐步提高。
关键词 耕地利用 耗散结构理论 熵流变化 黄土丘陵区
中图分类号: F301.24 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)01-0170-05
Analysis of cultivated land utilization change in Loess Hilly and
Gully regions based on dissipative structure theory
HAO Shi-Long1,2, CAO Lian-Hai1, LI Chun-Jing1
(1. School of Resources and Environment, North China University of Water Conservancy and Electric Power, Zhengzhou
450011, China; 2. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Water and
Soil Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)
Abstract Cultivated land protection plays an important role on sustainable social-economic development in China. For the severe
situation of land use and protection in the Loess Hilly and Gully region, a dissipative structure theory was used to set up an entropy
change model in accordance with the characteristics of cultivated land utilization. Three factors including changes in benefits of cul-
tivated land utilization, photosynthetic transformation and environment play key role in orderliness of cultivated land. Shanghuang
experimental area was used to analyze the entropy change rules of cultivated lands in different periods. Results show a gradual de-
crease in entropy from the “sixth five-year plan” to the “tenth five-year plan” period. The individual entropy change value flow is
−0.652 4, −0.198 8, −0.342 1, −0.266 4 and −0.290 0 respectively. This indicates a gradual increase in the orderliness and stability of
cultivated lands in the study area.
Key words Cultivated land utilization, Dissipative structure theory, Entropy change, Loess Hilly and Gully region
(Received Feb. 10, 2009; accepted May 18, 2009)
黄土丘陵区根深蒂固的滥垦、滥伐、滥牧的经
营方式和广种薄收的农业生产传统使该地区成为中
国土地利用/土地覆盖变化最剧烈的地区之一, 同时
也是生态环境的脆弱区 [1−5], 综合治理黄土高原水
土流失、改善生态环境和发展当地农业经济是一项
复杂而艰巨的任务 [6−11], 其深层次原因主要表现为
土地资源的不合理利用, 特别是对坡耕地采取掠夺
式的经营模式。据统计, 黄土丘陵区坡耕地面积占
耕地总面积的 70%以上, 由于长期利用过程中缺乏
应有的耕地补偿措施, 造成坡耕地土壤贫瘠, 水土
流失加重, 耕地质量总体呈下降趋势。耕地的数量
及质量变化是引起该区域生态环境变化的重要原因,
因此黄土丘陵区耕地的质量和生态环境等方面的变
化成为许多学者的研究对象[12−17]。在已往的研究过
程中, 许多学者通过直接构建一些评价指标来动态
描述某区域耕地质量变化情况, 本文把耕地作为一
第 1期 郝仕龙等: 基于耗散结构理论的黄土丘陵区耕地利用变化分析 171


个动态、开放的系统, 根据耗散理论, 通过熵变化的
形势来描述耕地质量变化。
1 耗散结构理论与耕地资源系统
1.1 耗散结构理论
耗散结构论认为, 一个远离均衡态的开放系统,
在外界条件变化达到某一特定阈值时, 量变可以引
起质变; 系统通过与外界不断交换物质能量, 可以
从原来的无序状态变化为一种时间、空间或功能上
的有序状态, 这种非均衡状态下的新有序结构, 即
耗散结构[18−20]。耗散结构要求不断地与外界交换物
质和能量才能维持, 所以它是一种“活”的有序结
构。“耗散”的含义正在于这种结构的产生、维持和
发展的根源是物质和能量的耗散。这也正是自然资
源开发利用过程中的本质, 开发利用即自然资源的
消“耗”, 开发利用后果随之扩“散”。
系统状态的变化是通过体系状态函数“熵”来
表达的。根据耗散结构理论, 系统只有不断与外界
进行物质、能量交换, 增加系统的负熵, 使总熵减小,
才能使系统逐步向新的有序方面发展。
1.2 耕地资源系统中的耗散结构
耕地资源系统是在一定时间和地区内, 人类从
事农业生产, 利用耕地生物与非生物环境之间以及
与生物种群之间的关系, 在人工调节和控制下, 建
立起来的各种形式和不同发展水平的耕地生产体
系。与自然生态系统一样, 耕地资源系统也是由耕
地环境因素、绿色植物、动物和微生物构成的物质
循环和能量转化系统, 耕地资源系统是农业生态系
统中最基本的亚系统 , 它以栽培作物种群为主体 ,
以农田气候、土壤环境为基础, 在人工辅助能量和
科学技术的作用下, 进行着能量和物质的转化、固
定、分配和贮藏, 因此, 耕地资源系统是一个开放的
系统, 符合耗散结构理论的基本要求。耕地资源是
一种可更新的资源 , 在对耕地资源利用的过程中 ,
若其负熵的耗散超过负熵的补充, 将使耕地资源系
统走向无序和退化, 耕地资源将产生退化现象。
1.3 黄土丘陵区耕地系统的耗散结构特征
根据耗散结构理论, 系统熵值变化与影响系统
结构与稳定的因素有关, 可通过公式来表示, 即:
ds=dis+ des (1)
开放系统熵的改变 ds由两部分组成: 一部分是
系统内本身不可逆过程所引起的熵增加, 也称为熵
产生(dis); 另一部分是系统与外界交换能量与物质
引起的熵变化, 称为熵流(des)。ds 的大小取决于 dis
和 des 的代数和。如果系统中总熵流为正值, 即 ds
>0, 则系统的无序程度将增加; 如果系统中总熵流
为负值, 即 ds<0, 则系统的有序程度将增加。在黄
土丘陵区, 对于耕地系统负熵流 des, 主要表现在 3
方面: 一是耕地利用效益变化引起耕地系统的负熵
流, 指对耕地合理追加了劳动力、资金和技术等投
入, 其结果表现为系统与外界进行的物质和能量交
换的提高, 耕地利用产出效果良好, 用 des1 表示;
二是耕地转化效益, 指在耕地上通过农作物品种的
改良、种植结构的调整及复种指数的提高, 耕地在
生育期间内单位面积上获得了更多的太阳能的负熵
的补充, 使单位面积耕地的总产量增加, 用 des2 表
示; 三是耕地的环境效益, 指耕地系统环境改善表
现出来的生态系统服务功能, 对于人类的生产和生
活具有重要作用。如退耕还林(草)表现出来的气候调
节、涵养水源、生物多样性控制、水土流失控制等
生态功能处于良好状态, 则耕地系统处于负熵状态,
用 des3表示, 因此, 耕地系统的负熵流公式为:
des=des1+des2+des3 (2)
对于耕地系统的熵产生 dis而言, 它是系统内本
身不可逆过程所引起的熵增加, 系统的熵值总是自
发地朝着增加的方面进行, 一直达到熵值最大的平
衡态。为便于量化分析, 将其具体表示为 3 个部分:
一是由于自然或人为因素使耕地质量下降, 耕地生
产力降低, 导致耕地投入产出比不断下降, 耕地利
用效益低下的熵增, 表示为 dis1; 二是耕地上农作
物品种的退化、种植结构的改变或复种指数的降低
使耕地在整个生育期间内单位面积上获得太阳能的
负熵补充减少, 用 dis2 表示; 三是人类不合理耕作
使耕地受到污染, 水土流失加重, 耕地系统生态系
统功能下降, 耕地系统环境状况脆弱, 引起耕地的
熵增, 用 dis3表示, 故总熵增加公式为:
dis=dis1+dis2+dis3 (3)
因此, 要保证耕地系统向着有序方面发展, 必
须使 | |e is sd d≥ , 即满足:
1 2 3 1 2 3e e e i i is s s s s sd d d d d d+ + + +≥ (4)
由以上分析可知, 黄土丘陵区耕地系统的熵变
主要通过耕地资源利用的生产力状况、光合作用效
果以及耕地环境状况来体现。本文用“Q”表示耕地
系统利用效益情况, 耕地作物光合效益用“P”表示,
耕地系统环境状态用“E”表示。因此, 耕地系统熵
变的数学函数可表示为: ( , , )s f Q P Ed = 。
1.4 计算方法
耕地系统熵变化的影响因素不断变化会引起耕
地系统熵值的变化。因此, 设 t年耕地的系统熵变的
参量分别为: 耕地利用效益 Qt, 耕地的利用效益主
要通过单位面积投入与产出效益来进行分析; 耕地
转化效益 Pt, 通过作物品种改良后, 单位面积产量
变化进行分析; 耕地环境效益 Et, 通过不同时期水
172 中国生态农业学报 2010 第 18卷


土流失量的变化进行分析。结合公式(2)和(3), 耕地
系统在 t年各因素引起的熵变分别为:
11 1 1 ( , )s e i t ts s f Q Qd d d −= + = (5)
12 2 2 ( , )t ts e is s fd d d P P−= + = (6)
13 3 3 ( , )t ts e is s fd d d E E−= + = (7)
式中, ds1、ds2和 ds3分别为耕地利用效益变化引起
的熵变、耕地转化效益改变所引起的耕地系统熵值
变化和耕地环境效益变化引起的熵变。系统在 t年的
总熵变为: 1 2 3 ( , , )s s s s f Q P Ed d d d= + + = 。根据以
上分析, 构建耕地系统熵变的系统熵流模型, 用以
分析耕地系统的健康状态。熵流模型可表达为:

3
1
1
1 1
1 1
2 3
1 1
( 1)
( 1) ( 1)
t tn
s i i
i t
t t t tn n
t t
Q Q
d w s w
Q
P P E E
w w
P E

= −
− −
− −
−= = − +
− −− + −

(8)
式中, wi为影响耕地系统状态的因子的权重; Si为各
因子引起耕地系统的熵变; (−1)n为符 号函数, Qt、
Pt及 Et好于初始状态时, n取 1, 否则取 2。
2 研究区概况、数据来源
2.1 研究区概况
固原市上黄试区位于宁夏南部黄土丘陵沟壑区
的河川乡上黄村, 地处黄土高原西部宽谷丘陵沟壑
区, 地理位置在 106°26′~106°30′E, 35°59′~36°02′N,
总土地面积 7.61 km2, 属暖温带半干旱区。海拔
1 534~1 822 m, 年平均降水 415.1 mm, 干燥度 1.55,
年日照时数 2 518 h, 年总辐射量 5 342.4 MJ·m−2,
年平均气温 6.9 ℃, 大于 10 ℃积温 2 350 ℃, 无霜
期 155 d。治理前粮食平均单产为 510 kg·hm−2, 耕
作区土壤侵蚀模数达 6 000 t·km−2·a−1, 坡耕地利
用率达 83.1%, 耕地基本无氮肥及磷肥投入, 有机
肥投入量仅为 22.0 kg·hm−2, 耕地水资源保证率低。
2.2 数据来源
土地利用数据。1982 年由宁夏测绘局绘制的
1∶1 万地形图, 主要是农地规划和农田基本建设用
图, 农、林、草地等地类界线在图中都已标明, 是比
较理想的地理底图。本研究以此图为基础, 并通过
查阅试区“六五”前期资料和农户调查, 核对了土
地利用历史, 编制了 1982 年土地利用图, 以此作为
试区建点时和“六五”前期的工作基础。“七五”期
间, 开展了航空遥感监测试验研究, 分别于 1987 年
和 1990年进行了彩红外摄影, 并编制了土地利用图
等专题图件。“八五”又进行了地面补充调查, 编制
了试区土地利用图件, 制图比例尺为 1∶1万。2000
年利用 1995年彩红外航空摄影像片为信息源, 采用
4D 技术, 编制了试区彩红外 1︰5 000 正射影像图,
以正射影像图为基础, 对试区进行了土地利用现状
的调查, 编绘了土地利用现状图。2008年在“十五”
的基础上, 对该试区退耕后土地利用进行了全面调
查, 掌握了土地利用动态变化情况。
农村社会经济数据。在研究期间, 上黄试区不
同时期的社会经济数据主要来源于参与式农村评估
方法(Participatory rural appraisal, PRA), 获得不同时
期该试区家庭经济状况、人口数量、粮食生产、投
入与产出变化等相关数据。
综合治理措施。根据上黄试区不同时期的综合
治理研究报告 , 主要有不同时期的综合治理措施 ,
及这些措施的生态、经济及社会效益的变化(表 1)。
3 结果与分析
3.1 耕地系统熵流变化分析
为便于计算和分析, 文本选取具有代表性的资金
投产比、粮食单产及土壤侵蚀模数分别作为耕地利用
变化负熵流、耕地作物光合效益及耕地系统环境状态
指标。权重值采用特尔菲法确定, w1、w2及 w3的权重
值分别为 0.35、0.35 及 0.30。根据公式(8)计算不同
时期耕地系统熵流变化(表 2)。治理期间, “六五”至
“十五”时期, 耕地系统在不同时期内输入的总的负
熵流分别为−0.652 4、−0.198 8、−0.342 1、−0.266 4、
−0.290 0, 耕地系统总的熵流都为负值, 表明在整个
治理期间内, 耕地质量不断提高, 进而体现了耕地系
统的有序性、稳定性逐步提高。
3.2 耕地系统熵流变化原因分析
上黄试区经过近 5个“五年”计划的综合治理,
试区生态效益、经济效益(其中人均纯收入指标为消
除物价上涨因素后数据)及社会效益协调发展。耕地
系统的生产力、农作物良种利用及生态环境在治理
期间均不同程度地给耕地系统输入负熵, 使耕地系
统总熵值降低, 耕地系统的稳定性增加。这与该试
区多年来耕地系统的优化调控措施密不可分。
“六五”期间以生物措施为主, 试区采取了一
先行(草灌先行)、二侧重(侧重抓人工种草, 侧重抓
旱作农业与化肥深施)、三同步(退耕种草、提高粮食
单产与发展牧业同步)的技术路线, 收到了良好效果,
粮食单产提高 91%, 投入产出比由治理前的 1∶3.6
提高到 1∶6.9, 土壤侵蚀模数也由治理前的 6 000
t·km−2·a−1降低到 5 000 t·km−2·a−1, 其中人工林
草面积率已达 45%。耕地系统总熵流为−0.652 4, 耕
地系统的稳定性增强。
“七五”期间遇到了 1987 年的特大干旱和
1986~1989年的连续干旱, 4年平均降雨量 351 mm,
占多年平均降雨量的 73.4%, 人工草地面积随之减
第 1期 郝仕龙等: 基于耗散结构理论的黄土丘陵区耕地利用变化分析 173


表 1 上黄试区不同阶段生态、经济及社会效益变化
Tab. 1 Changes of ecological, economical and social benefits in different periods in Shanghuang experimental area
项目
Item
1982前
Before
1982
“六五”期间
“Sixth
five-year
plan” period
“七五”期间
“Seventh
five-year
plan” period
“八五”期间
“Eighth
five-year
plan” period
“九五”期间
“Ninth
five-year
plan” period
“十五”期间
“Tenth
five-year
plan” period
人均纯收入
Net income per cap. (Yuan·a−1) 94.4 418.9 572.7 1 127.8 1 846 2 093.2
人均粮食
Food occupy per cap. (kg·a−1) 230 366 410 500 550 684.6
粮食单产
Grain production (kg·hm−2) 510 922 1 330 1 627 2 250 2 250
经济效益
Economic
benefit







资金投产比
Ratio of investment to income
1∶3.6 1∶6.9 1∶5.4 1∶8.7 1∶10.5 1∶15.6
林草覆盖度
Vegetation coverage (%)
1.87 24.5 18.4 22.9 32.0 55.7
侵蚀模数
Soil erosion modulus
(t·km−2·a−1)
6 000 5 000 3 000 2 500 2 000 1 200
坡耕地利用率
Ratio of used slope land (%)
83.1 76.9 70.5 72.5 71.2 18.8
生态效益
Ecological
benefit





治理度
Ratio of harness (%)
2 35 18 37 56 83.5
文盲率
Ratio of illiteracy (%)
60 46 25 10 5 2
家庭耐用品价值
Value of household durable
goods (Yuan)
49 980 1 210 3 500 6 000 8 500
居住面积
Living space (m2)
13 15 17 20 25 30
脱贫率
Poverty-eradication ratio (%)
40 60 70 85 95 98
社会效益
Social
benefit










农机械保有率
Hold proportion of agricultural
machinery (%)
2 8 15 36 48 55.8

表 2 不同时期上黄试区耕地系统的熵流变化
Tab. 2 Entropy change of the cultivated land system in different periods in Shanghuang experimental area
项目
Item
“六五”期间
“Sixth five-year
plan” period
“七五”期间
“Seventh five-year
plan” period
“八五”期间
“Eighth five-year
plan” period
“九五”期间
“Ninth five-year
plan” period
“十五”期间
“Tenth five-year
plan” period
生产质量变化引起的熵变
Entropy change caused by the
production conditions
−0.320 8 0.076 1 −0.213 9 −0.072 4 −0.170 0
光合效益变化引起的熵变
Entropy change caused by the change
of photosynthetic efficiency
−0.281 6 −0.154 9 −0.078 2 −0.134 0 0.000 0
环境变化引起的熵变
Entropy change caused by
environmental change
−0.050 0 −0.120 0 −0.050 0 −0.060 0 −0.120 0
耕地系统总熵变
Total entropy change of cultivated
land
−0.652 4 −0.198 8 −0.342 1 −0.266 4 −0.290 0

少 , 植被覆盖度从“六五”末期的 24.5%减少到
18.4%。为增强耕地系统的稳定性, 该时期具体做法
一是为提高耕地系统抗御干旱的能力, 从改善土地
质量上进行调控, 即将坡耕地的 34.2%改建成水平
梯田, 将近水源的河滩地与台地建成喷灌与节水抽
灌地, 共 40 hm2, 仅这两项两年即为上黄试区增产
粮食 2.9 万 kg; 二是应用已有的技术贮备, 从引进
品种、增加施肥量、扩大模式栽培与地膜覆盖等方
面促进大面积均衡增产, 使在干旱条件下, 粮食单
产达到 1 330.5 kg·hm−2, 较类似年型 1 110 kg·hm−2
提高 20%, 其中仅小麦良种一项即增产 3.9 万 kg。
在各种措施综合作用下, 耕地系统总熵流为-0.198 8,
耕地系统的稳定性进一步增强。
“八五”期间主要技术方案为狠抓突破口, 一
环带多环。抓耕地系统潜势开发, 农作物良种普及
率达 90%以上。在此基础上, 针对试区持续干旱, 在
总结利用窑窖等节水微灌抗旱夺丰收经验的基础上,
及时展开大规模井窖工程建设。粮食产量由“七五”
时期的 1 330.5 kg·hm−2增长到 1 627.5 kg·hm−2, 人
均纯收入达 1 127.8元。耕地系统总熵流为−0.342 1,
耕地系统的稳定性进一步增强。
“九五”时期试区根据宁南气候变暖和春旱加剧
174 中国生态农业学报 2010 第 18卷


的趋势 , 及时示范推广小麦改制与高产栽培模式 ,
“扩种冬麦”变成政府行为而大面积推广, 到 2000
年累计推广 6万多 hm2, 已成为宁南干旱山区粮食上
台阶和稳定解决温饱的重大战略措施。同时试验研究
出“果菜型”、“果苗型”、“果畜型”农业生产模式, 大
力发展蔬菜大棚等多种庭园经济模式, 闯出一条“以
庭园经济为突破口, 着力提高农民经济收入, 加快生
态环境建设”的新路子, 创造了干旱山区庭园经济每
公顷收入 15万元的奇迹, 农户经济收入达到 1 846元,
人均粮食及粮食单产分别由“八五”时期的 500 kg、
1 627.5 kg·hm−2增长到 550 kg、2 250 kg·hm−2。耕
地系统总熵流为−0.266 4, 耕地系统的稳定性进一步
增强。
“十五”时期的主要任务是推广试区经验, 大面
积推广庭园经济模式, 形成规模优势 , 为当地的果
业、蔬菜走向市场打下了坚实基础。与此同时, 试区
对大部分坡耕地实施了退耕措施, 坡耕地人工种草,
土地适宜性较好的耕地种植经济效益更高的饲料玉
米, 发展舍饲养牛、舍饲养羊, 土地适宜性最好的耕
地大力发展果业。在上述措施下, 当地农户经济收入
大幅度增长, 人均纯收入达 2 093.2 元, 人均粮食占
有量在退耕补助的基础上增加到 684.6 kg, 生态效益
进一步提高, 土壤侵蚀模数也由“九五”时期的 2 000
t·km−2·a−1降低到 1 200 t·km−2·a−1。耕地系统总
熵流为−0.290 0, 耕地系统的稳定性进一步增强。
4 结论
根据耗散结构理论, 耕地资源的利用过程符合
耗散理论的结构特征。因此, 耕地系统要想稳定、有
序地发展, 必须从外界不断吸收物质与能量, 并且使
耕地系统由此产生的负熵流大于本身不可逆过程引
起的“熵的增加”, 这时“总熵”逐步减少, 无序程
序降低, 耕地系统总熵减少, 耕地系统向更高的有序
发展。
通过分析上黄试区耕地系统的熵流变化情况 ,
根据黄土丘陵区耕地系统的资源特点, 构建了耕地
系统的熵流模型, 影响耕地系统熵变的因素主要有:
耕地的利用效益, 主要反映耕地本身生产潜力对投
入产出的关系, 本文以投入产出比进行分析; 耕地转
化效益, 指作物接受太阳能并将其用作各种转化的
能力, 本文以因作物品种改良引起粮食单位面积的
产量变化指标进行分析; 耕地环境效益, 指耕地利用
过程中表现出来的生态系统服务功能, 本文以土壤
侵蚀模数的变化进行分析。
上黄试区从“六五”时期至“十五”时期, 耕地
系统的“总熵”逐步减少, 其熵变分别为−0.652 4、
−0.198 8、−0.342 1、−0.266 4和−0.290 0。治理时期,
耕地系统处于健康、有序的状态。耕地系统利用效益
稳步提高, 耕地系统的生产效益总体得到提高, 不同
时期耕地系统利用效益的熵变分别为−0.320 8、
+0.076 1、−0.213 9、−0.072 4和−0.170 0。通过引进
良种耕地系统的光合作用效果明显增强, 不同时期
其熵变分别为−0.281 6、−0.154 9、−0.078 2、−0.134 0
和 0.000 0。耕地系统的生态环境逐步改善, 水土流失
逐步得到控制, 土壤侵蚀因素引起耕地系统环境的
熵变在不同时期分别为−0.050 0、−0.120 0、−0.050 0、
−0.060 0和−0.120 0。
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