全 文 ：　 　 3倡 　 鬃国家自然科学基金重点项目“农户与地理环境相互作用下中部农区社会经济协调发展研究”（４０５３５０２５） 、河南省高校新世纪优秀人才
支持计划“基于 GIS 与 RS 农田系统能量流转机理与调控优化研究”资助
　 　 收稿日期 ：２００５唱０５唱０８ 　 改回日期 ：２００５唱０７唱２０
基于 GIS 的山地农田系统投入产出空间特征分析 倡
———以河南省吴沟村为例
乔家君１ ，２ 　王艾萍１ ，２
（１ ．河南大学中澳地理信息分析与应用研究所 　开封 　 ４７５００１ ；２畅河南大学环境与规划学院 　开封 　 ４７５００１）
摘 　要 　对河南省吴沟村 ４８２块农田属性及其能量投入产出特征的调查分析表明 ，吴沟村农田系统中能量投入 、
产出较大的地块主要位于居民区周围和吴沟公路两侧 ；相比而言 ，旱平地为高投入 、高产出 、高利用效率的系统 ；农
田系统能量产投效率与农田能量投入水平 、产出水平存在密切关系 。就不同种植作物而言 ，单位面积产投效率为
黄豆 ＜小麦 ＜玉米 。
关键词 　农田系统 　投入产出 　空间特征
Spatial features of input唱output of mountainous farmland system aided by GIS — A case study from Wugou Village ，
Henan Province ．QIAO Jia唱Jun１ ，２ ，WANG Ai唱Ping１ ，２ （１畅China唱Australia Cooperative Research Institute for Geographic
Information Analysis and Applications ，Henan University ，Kaifeng ４７５００１ ，China ；２畅College of Environment and Plan唱
ning ，Henan University ，Kaifeng ４７５００１ ，China） ，CJEA ，２００７ ，１５（１） ：１３５ ～ １３９
Abstract 　 Based on the investigation on the energy attributions and the input唱output characters of ４８２ farmland systems
in Wugou Village ，the paper points out that the farmlands with higher energy input and output mainly lie around residen唱
tial area and along the Wugou Road ．The system of drought flat farmland is higher in input ，output and ratios of output to
input ，which are related with the farmland system input and output levels ．The ratios of output to input of unit area of dif唱
ferent crops rank as follow ：soybean ＜ wheat ＜ corn ．
Key words 　 Farmland system ，Input唱output ，Spatial features
（Received May ８ ，２００５ ；revised July ２０ ，２００５）
耕地是人类生命支撑系统的物质保证 ，据研究 ，我国居民生命活动所需的 ８０％ 以上的热量 、７５％ 以上的
蛋白质 、８８％ 的食物来自于耕地 ；９０％ 以上的肉 、蛋 、奶也是由耕地生产的农副产品转化而来［１］ 。当前和今
后相当长时期内耕地经营收入仍会是我国农民收入的重要组成部分 ，耕地平均可为农民提供 ６０％ 左右的收
入和 ７０％ 左右的生活必需品［１］ 。本文从微观地域 ———农田系统角度进行其投入产出特征探索 ，与以往宏观
研究视角［２ ～ ４］形成一定对比 。
1 　研究区域概况与研究方法
1畅1 　研究区域概况
巩义市位于河南省中西部 ，介于河南省最大的两个城市郑州和洛阳之间 ，位于东经 １１２°４９′ ～ １１３°１７′ 、
北纬 ３４°３１′ ～ ３４°５２′ ，总面积 １０５２km２ ，属暖温带大陆性季风气候 ，雨热同期 。该市南高北低 ，南部的嵩山 、五
指岭海拔在 １０００m以上 ，向北呈扇形展布为一系列海拔 ４００ ～ １０００m的低山 ，再向北呈现广阔的海拔 ４００m
以下的黄土丘陵区和平原区 。自 ２０世纪末巩义市连续 ３年被确定为全国百强县之后 ，２００２年又名列全国
县城经济基本竞争力百强县第 ５５名 ，是中西部地区最强的 ３个县市之一 。 ２００１年巩义市有常住人口 ７９畅３２
万人 ，外来人口超过 １１万人 ，人口密度高达 ８６６人／km２ ，人均耕地 ０畅０４３hm２ 。
吴沟村位于巩义市南部 ，面积约 １畅４１km２ ，隶属中岳嵩山山地 。吴沟村较丰富的石质资源已成为村民可
靠的收入来源 。该村现有人口 ３１３人 ，耕地 １７畅２６hm２ ，是巩义市社会经济发展最为落后的地域之一 。 ２０００
第 １５ 儍卷第 １期 　 　 　 　 　 　 　 　中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 换　 No ．１
２ ０ ０ ７ 乔年 １ 月 　 　 　 　 　 　 　 　 Chinese Journal of Eco唱Agriculture Jan ．，　 ２００７ 後
年农民人均收入仅 ９６１元 ，位居巩义市行政村排序的第 ２８４名（全市共 ２９２个） 。 １９９０ ～ ２０００年间吴沟村人
口呈负增长态势（年均下降 ５畅５７ ‰ ） ；期间农民的陡坡开荒使全村耕地略有增加 ，达 １畅０４hm２ ；该村粮食产量
低且波动较大［５］ ，主要受降雨年际差异大的影响 。
1畅2 　研究方法
根据研究需要 ，选择以 Pentium ４微机 、Microtek ScanMaker４扫描仪为主要硬件和 PC ARC／INFO７畅１ ，
ARCVIEW３畅２和 EXCEL２０００为支撑软件作为研究区数据库建立的运行环境 ，以此完成空间及属性数据库
的建立 、分析模型构建及数据应用分析 。入库的空间信息包括 １∶１万吴沟村行政区划图 、１∶１万吴沟村地形
图 、１∶１万吴沟村土地利用现状图及 １∶１０００农户耕地分布图（调查清绘） ；属性信息包括吴沟村各类地块投
入产出的各项物质 、能量 、价值以及地块类型和面积等数据 。在数据编码设计中 ，根据系统性 、惟一性 、简易
性等原则 ，对各类地块均采用 ５位数字（ABCDE）进行编码 ，其中 A 代表吴沟村 １队 、２队 、３队 ，BC代表该
队的第 １户 、第 ２户 、第 ３户等 ，DE代表该户第 １块 、第 ２块 、第 ３块农田等 。空间数据和属性数据索引亦通
过此进行［６］ 。利用折能系数的相关计算［７］ ，消除耕地物质投入量纲的差异 。为进行不同面积地块的对比分
析 ，采用以 １hm２ 为分析单位的处理 ，以便更好地展示地块的投入产出特征及其效率 。
图 1 　吴沟村土地类型及农田分布 倡
Fig ．１ 　 Soil types and farmland distribution of Wugou Village
　 　倡 １ 为一队路西旱平地 ，２ 为一队路东旱平地 ，３ 为二队路东
旱平地 ，４ 为三队南边旱平地 ，５ 为一队路东旱坡地 ，６ 为二队
路西旱坡地 ，７ 为三队路东旱坡地 ，８ 为陡坡旱地（２００２ 年
退耕还林地） 。
由于 ２００２年陡坡耕地已实施国家退耕还林政策 ，故
在分析相应调查数据时 ，本研究对农田系统的总能量投
入做了 ３ 种耕地类型的对比分析 ，其他分析均以旱平地
和旱坡地的对比分析为主（为便于比较 ，把缓旱坡地笼统
称为旱坡地） 。由于部分地块面积较小（面积 ＜ １０m２ ） ，调
查过程中做了适当处理 ，即把具有同类性质的地块进行
一定的归并 ，此处理基本不影响地块的投入产出特征 。
2 　结果与分析
2畅1 　农田的空间分布
吴沟村较平坦的旱坡地主要分布在沟谷底部及居民
点周围（图 １） ，面积为 ４畅９８hm２ ；缓旱坡地分布在较平坦
旱坡地的外侧 ，位于山坡下部 ，面积为 ２畅９５hm２ ，陡旱坡
地分布在山坡中部 、中上部（图 １） ，面积为 ９畅３３hm２ ，耕地
坡度较大 ，位置较高［８］ 。吴沟村的耕地面积 １７畅２６hm２ ，
但地块数高达 ２７９块 ，主要因为地形较为复杂 。农户分
田时 ，常根据地形 、单产 、距居民点距离等因素 ，平均分配
每户中 ，导致吴沟村耕地地块比较零散 ，每户地块更是零
散 。据调查 ，全村平均每户地块数为 ３畅６９ 块 ，个别农户
的地块数达到 １８块 。
较平坦的旱坡地由于地形相对单一 ，地块数相对较
少（全村仅 ４２块） ，分田时农户意见相对较少 ，每个农户
的土地相对集中 ，随着高程的增加及其他各种因素的附
加 ，地块条件差异显著 ，故农户的地块也随之更加零散 、
破碎 。户均地块数由较平坦旱坡地的 ２畅３０块增加到陡旱坡地的 ５畅５２块（表 １） 。
2畅2 　农田投入的空间特征
由图 ２可知 ，不同农田系统能量投入差别显著 ，农田系统中能量投入较大的地块主要位于居民区周围和
吴沟公路两侧 ，这些农田地块单位面积平均投入能量为 １畅２５ × １０５MJ／hm２ ，有的单位面积能量投入可达
２畅４１ × １０５MJ／hm２ ，这些耕地主要为耕作条件相对较好的旱平地 ，成为吴沟村农业的主要耕作区 。据统计 ，
单位面积能量投入超过 １畅５０ × １０５MJ／hm２ 的农田地块共有 ５７ 块 ，其中陡旱坡地仅 ２块 ，缓旱坡地为 ２块 ，
旱平地达 ５３块 。而该村农田投入能量最小的仅 １１６５７畅５３MJ／hm２ ，地块投入能量相差达 ２０畅６５倍 。
就 ８大农田地块而言 ，能量投入较高的田地主要分布在吴沟村的沟谷地带 ，包括图 １中第 １ 、２ 、３ 、４块农
田 ，全部为旱平地 ，单位面积平均投能为 １１２３５畅３９MJ／hm２ 。能量投入较低的农田主要分布在陡坡地上（图
１３６　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
２a） ，单位面积平均投能仅 ３７３７畅５３MJ／hm２ 。
　 　 就不同种植作物而言 ，小麦单
位面积投入能量明显高于玉米的投
入能量 ，据统计 ，单位面积小麦的投
入能为 ７０４５３畅７４MJ／hm２ ，玉米为
４９５７６畅４４MJ／hm２ ，前者为后者的
１畅４２倍 。 吴沟村小麦农田能量投
入中 ，生产队农田１ ＞ 农田 ２ ＞ 农田
３ ＞农田 ４ ＞农田 ７ ＞ 农田 ５ ＞ 农田
６（图 ２b） 。 吴沟村玉米能量投入
中 ，生产队农田 ３ ＞ 农田 ４ ＞ 农田
１ ＞农田 ２ ＞农田 ７ ＞ 农田 ６ ＞ 农田
５（图 ２c） 。
表 1 　吴沟村耕地属性 倡
Tab ．１ 　 The attribute of cultivated land in Wugou Village
类 　 型 平均高程／m 地块数／块 总面积／hm２ }户均地块数／块 户均面积／hm２ t
Types Average Plot Total area Average plot Average area per
elevation number number per household
household
旱 平 地 ６２３ ４２ 滗４ ~畅９８ ２ 技畅３０ ０ 7畅０５９
缓 旱 坡 地 ６２６ ５１ 滗２ ~畅９５ ３ 技畅２６ ０ 7畅０３５
陡 旱 坡 地 ６６６ １８６ 滗９ ~畅３３ ５ 技畅５２ ０ 7畅１１１
合计（平均） ６３８ ２７９ 滗１７ ~畅２６ ３ 技畅６９ ０ 7畅２０５
　 　 倡 地块数为集中连片的耕地块数 ，户均地块数为每户耕地块数（不等于地块数／户数） 。
图 2 　吴沟村农田系统能量投入 倡
Fig ．２ 　 Energy input of Wugou farmland systems
倡 a为农田全年能量投入 ，b为小麦农田能量投入 ，c为玉米农田能量投入 。
2畅3 　农田产出的空间特征
由图 ３可知 ，高产农田系统主要分布在居民点及吴沟公路周围 ，该地区的地块大多属于旱平地 ，耕作历
史悠久 ，土壤已经熟化 ，且每年都有大量的肥料投入 ，相对比较肥沃 ，成为吴沟村农民农业收入的主要来源
地 。但同是旱平地的地块之间也存在一定差异（图 ３a） 。根据农田产出能量 ，旱平地农田单产总体排序为一
队路东旱平地北部 ＞一队路西旱平地 ＞ 三队南边旱平地南部 ＞ 二队路东旱平地北部 ＞ 一队路东旱平地南
部 ＞三队路东旱平地北部 ＞二队路东旱平地南部 。从图 ３a还可看出 ，旱坡地能量产出明显低于旱平地 ，旱
坡地单位面积能量产出平均为 ６９０１８畅１５MJ／hm２ ，旱平地平均为 ２畅００ × １０５MJ／hm２ 。总体而言 ，旱坡地农田
能量排序为三队路东旱坡地 ＞一队路东旱坡地 ＞二队路西旱坡地 。根据有关分析得知 ，其坡度排序恰好相
反 ，表明坡度的大小对农田能量产出有重要影响 。
种植玉米农田系统能量产出明显高于小麦（图 ３b 、c） ，不但玉米粮食产量高于小麦 ，而且单位面积玉米
秸秆能量产出也高于小麦 。 其中 ，旱平地农田能量产出平均为 ２畅００ × １０５ MJ／hm２ ，旱坡地平均为
６９０１８畅１５MJ／hm２ 。种植小麦和种植玉米的农田系统能量产出具有较强的相关性（其中旱坡地相关系数为
０畅６５ ，旱平地相关系数为 ０畅９１） 。说明从能量产出角度看 ，地块产出类型具有较强的一致性（种植小麦农田
系统能量产出较好的地块 ，同时也是生产玉米较好的农田） 。针对该情况 ，对土质较好的旱平地应不断优化
物质投入结构 ，适当增加对引水灌溉工程的投入 ，以进一步提高农作物能量产出 。旱坡地中要促使土壤土
质不断提高 ，一方面要加大肥料的投入以增加土壤有机质含量 ，另一方面要适当考虑种植根系发达 、能促进
第 １ 媼期 乔家君等 ：基于 GIS的山地农田系统投入产出空间特征分析 １３７　
图 3 　吴沟村农田系统能量产出 倡
Fig ．３ 　 Energy output of Wugou farmland systems
倡 a为农田全年能量产出 ，b为小麦农田能量产出 ，c为玉米农田能量产出 。
土壤形成 、抗干旱的作物 。
2畅4 　农田产投效率的空间特征
根据农田系统的能量投入和产出 ，计算出每一地块的能量产投比 ，可以看出农田产投效率的特征一是农田
能量产投效率与农田能量投入水平 、产出水平存在密切的相关关系 。据统计 ，农田能量产投比与农田系统能量
投入量的相关系数为 ０畅９６４ ，与农田系统能量产出量的相关系数为 ０畅９８４ 。二是旱平地农田产投效率高于旱坡
地 ，旱平地中仅 １１畅０１％ 的农田产投效率 ＜ １ ，而旱坡地中仅 １２畅９９％ 的农田产投效率 ＞ １ 。三是在旱坡地中也存
在一些低投入高产出的农田系统 ，如 ３３２０３地块 ，其产投效率达到 １畅７ ，主要原因是该地块能量投入较少（该地
块种植黄豆）。就 ８大农田地块而言 ，能量产投效率较高的田地也主要分布在吴沟村的沟谷地带 ，生产队农田
１ 、２ 、３ 、４均为产投效率较高的地块（图 ４a） ，也全部为旱平地 ，单位面积产投效率为 １∶１畅１９ 。
就不同种植作物而言 ，黄豆单位面积产投效率 ＜ 小麦单位面积产投效率 ＜ 玉米单位面积产投效率 ，其
产投效率依次为 ０畅６９ 、０畅８３ 、１畅３６ ，主要原因是种植玉米的农田投入的能量较少（如种子 、农药 、有机肥 、化肥
图 4 　吴沟村农田系统能量产投比 倡
Fig ．４ 　 The ratios of output to input of Wugou farmland systems
倡 a为农田全年能量产投比 ，b为小麦农田能量产投比 ，c为玉米农田能量产投比 。
１３８　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
等能量投入均不及小麦） ，而相应的能量产出却较多（图 ４b 、c） ，产生这种格局的原因主要是种植玉米季节恰
好雨热同期 ，水热条件较好 。 由于受黄豆作物本身属性影响（株小低矮） ，其能量产出较小麦 、玉米明显减
少 ，从而导致种植黄豆的农田系统能量产投比十分低下（由于种植黄豆的面积较少 ，故该图从略） 。
3 　小结与讨论
吴沟村农田系统中能量投入较大的地块主要位于居民区周围和吴沟公路两侧 ，这些农田地块单位面积
平均投入能量为 １畅２５ × １０５MJ／hm２ ，产出能量平均为 ２畅００ × １０５MJ／hm２ ，产投效率相对较高 。在农田系统
能量投入中 ，虽然生产队农田投入 、产出及其产投比排序有别 ，但几乎都是旱平地大于旱坡地 。吴沟村不同
耕地类型 、不同农田系统中 ，旱平地与旱坡地存在显著差异 。相比而言 ，旱平地农田系统能量投入水平高 ，
产出水平也高 ，系统利用效率也相对较高 。即旱平地为高投入 、高产出 、高利用效率的系统 ，旱坡地为低投
入 、低产出 、低利用效率的系统 。
种植小麦和种植玉米的农田系统能量产出之间存在较强的相关性 ，即种植小麦的农田系统产出越高 ，
该系统种植玉米的产出也相对较高 。但旱平地与旱坡地之间也存在差异 ，其中旱坡地相关程度比旱平地
低 ，前者相关系数为 ０畅６５ ，后者为 ０畅９１ 。农田能量产投效率与农田能量投入水平 、产出水平存在密切的相关
关系 。据统计 ，吴沟村农田能量产投比与农田系统能量投入量的相关系数为 ０畅９６４ ，与农田系统能量产出量
的相关系数为 ０畅９８４ 。
就不同种植作物而言 ，黄豆单位面积产投效率 ＜ 小麦单位面积产投效率 ＜ 玉米单位面积产投效率 ，其
产投效率依次为 ０畅６９ 、０畅８３ 、１ ．３６ ，主要原因是种植玉米的农田投入的能量较少 ，而相应的能量产出却较多 ，
因为种植玉米季节恰好雨热同期 ，水热条件较好 。由于受黄豆作物本身属性影响 ，其能量产出较小麦 、玉米
明显减少 ，从而导致种植黄豆的农田系统能量产投比十分低下 。当然不同类型村域的农田系统表现出不同
的投入产出特征［９］ 。
参 　考 　文 　献 h
１ 　 郜庆炉 ．我国耕地资源可持续利用的内在机制及对策 ．农业现代化研究 ，２０００ ，２１（２） ：９６ ～ ９９
２ 　 胡新艳 ，刘一明 ，牛宝俊 ．东南沿海地区耕地资源承载力研究 ．国土与自然资源研究 ，２００１ （１） ：２１ ～ ２４
３ 　 杨国义 ，钟继洪 ，林美莹 ．广东耕地资源的人口承载力研究 ．土壤与环境 ，２０００ ，９（２） ：１０３ ～ １０５
４ 　 赵永江 ，王国强 ，刘夏茹 ．河南省耕地资源演变形式研究 ．地域研究与开发 ，１９９９ ，１８（１） ：６９ ～ ７３
５ 　 沣乔家君 ，熊 　 剑 ．村域农田生态经济系统投入产出特征研究 ——— 以河南省巩义市吴沟村为例 ．中国生态农业学报 ，２００６ ，１４（１） ：２２６
６ 　 乔家君 ．典型农区村域人地系统定量研究 ．北京 ：科学出版社 ，２００５ ．１３１ ～ １５３
７ 　 陈 　 阜 ．农业生态学 ．北京 ：中国农业大学出版社 ，２００２ ．２６０ ～ ２６４
８ 　 忖李小建 ，乔家君 ．地形对山区农田人地系统投入产出影响的微观分析 ——— 河南省巩义市吴沟村的实证研究 ．地理研究 ，２００４ ，２３（６） ：
７１７ ～ ７２６
９ 　 沣乔家君 ，丁鹏飞 ．村域农田系统能量投入产出特征比较研究 ——— 以河南省巩义市 ３个不同类型村为例 ．资源科学 ，２００４ ，２６（５） ：１３９
第 １ 媼期 乔家君等 ：基于 GIS的山地农田系统投入产出空间特征分析 １３９