基于层次聚类分析东北地区生态农业区划研究

摘 要：农业系统是一个开放的、具有耗散结构的生态—经济—社会三维复合系统，发展农业生产必须因地制宜，为此需要进行农业区域划分。文章在确立生态农业区划原则、明确分区依据的基础上，建立了东北地区生态农业区域划分指标体系，运用层次聚类分析法把整个东北地区分为6个大生态农业区、14个二级生态区。东北地区作为我国具有战略意义的商品粮基地，充分发挥地域生态优势，是把它建成我国粮食安全基地与绿色农畜产品基地的必然趋势。
    关键词：层次聚类分析，东北地区，生态农业，区划
    基金项目：国家自然科学基金项目(41101548&40971303)；黑龙江省哲学社会科学研究规划2011年度项目(11C023)；哈尔滨师范大学科技发展国家预研项目(11XYG-01)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20102329110001)；黑龙江省自然科学基金项目(C201022)、黑龙江省博士后启动基金项目(LBH-Q09070)；黑龙江省高等学校科技创新团队建设计划项目(2010td10)

美国土壤学家阿尔伯卫奇于1970年首次提出“生态农业”概念[1]。而后有许多学者对生态农业进行了研究，建立了不同的学派，共同观点是主张不用农药、化肥、机械等外部投入的非集约化农业技术路线[2-3]。1980年代初，我国学者在结合传统农业的精华与现代科学技术的基础上，提出了把农业生产、农村经济发展和生态环境治理与保护，资源培育和高效利用融为一体的新型综合农业体系[4-10]。东北地区是我国最大的商品粮基地，是中国粮食安全的“稳压器”。一直以来，东北地区走的是“高投入、高产出、高能耗、高污染”的农业发展模式，这种掠夺式的农业开发模式导致大面积水土流失、土地沙化、盐碱化、草地林地退化、耕地面积缩小等一系列的环境问题，不仅严重影响着农业的发展，同时也在一定程度上影响了整个东北区域经济的发展。本研究基于层次聚类分析方法，把区划理论、区划依据与东北生态农业的具体现状相结合，对整个东北地区进行创新性的生态分区，为东北地区各分区生态农业建设方向和发展模式提供有价值的参考。
    1 东北地区生态农业区域划分指标体系的构建
    1.1 东北地区生态农业区域划分原则
    1.1.1 生态关系原则。生态关系是生态系统中各生物组成成分间的物质循环和能量流动关系。生态农业系统是一个人工的生态系统，也有其特定的结构和功能，其中各个组成成分以及它们之间的关系是人为设定的，人为设定的成功与否，直接关系到生态系统功能实现的程度，并最终影响经济效益和生态效益的发挥[11]。不同的生态条件下，采用的生态农业经营模式是不同的，生态系统的结构和功能必然有所不同。在生产实践中，经常采用增加食物链长度及数量的方法来提高农业生态系统对环境资源的利用率。因此，在进行生态农业分区时要充分考虑不同地域生态农业系统中的各种不同的生态关系。
    1.1.2 一致性原则。一致性原则要求在划分出的农业区域内必须注意其内部各单元间的一致性，包括自然资源、农业生产结构及发展方向、社会经济条件等。要求区域间差异最大化和区域内各单元差异最小化。当然，不存在完全相同的生态环境单元，一致性是指在“一定水平”上的相似，因此也称为“相对一致性原则”。至于保持多大相似程度，则要根据区划目的、分区对象、区域分异程度、分区等级体系等因素确定。
    1.1.3 综合分析和主导因素相结合的原则。农业生态环境是一个复杂的系统，在进行区划时必须全面考虑构成生态环境的各种要素及其综合特征的相似性和差异性。使用综合性原则，目的是要保证所划分出的区域是一种具有自身特点的综合体。在综合分析的基础上，再确定区域分异的主导因素。主导因素原则强调选取反映区域分异主导因素的主要指标作为确定区域划分的主要根据。
    1.1.4 共扼性原则。这一原则要求划分出的区域是连续的地域单元，不能有空间上存在于某区域之外，但又属于该区的分区单元。
    1.1.5 保持行政区界的完整性。在许多自然地理区划中，行政区划作为一个“人为”的现象。是许多地理学家在进行研究时不予以考虑的。但在许多经济现象的研究中，行政区划往往占有重要的位置。农业生产是在自然过程和人类社会双重作用之下进行的，因此，在进行区划时应该尽量保持行政界线的完整，便于正确的管理和规划，避免产生纠纷。由于本文研究范围较大，同时又考虑到绝大多数县市生态环境条件存在明显的差异，因而首先考虑保持县级行政范围的完整性[12]。
    1.2 东北地区生态农业区划指标体系的构建
    根据以上原则，结合东北地区的实际情况，突出东北地区的气候、地貌、土壤、植被等自然环境分异的特点、人类活动强烈程度对生态环境的影响以及数据的可得性与可靠性，从自然条件、生态条件以及社会经济条件等三方面设计东北地区生态农业区划的评价指标体系如下(表1)。
    

为了消除不同量纲之间的差别，使不同指标之间可以相互加和，对生态农业区划评价指标采用最大值无量纲化处理，公式如下：
    f(xi)＝xi/Max(xi) 若xi为正作用指标
    f(xi)=Min(xi)/xi 若xi为负作用指标
    式中：Max(xi)、Min(xi)分别为指标xi的最小值和最大值。
    2 研究方法和数据来源
    层次聚类分析法是聚类分析法中比较常用的一种重要方法，是对一组样本或变量进行层层分类的多元统计分析方法。基本思想是，首先在聚类分析的开始，每个样本自成一类；然后，按照某种方法度量所有样本之间的亲疏程度，并把其中最亲密或者最相似的样本首先聚成一小类；接下来，度量剩余的样本和小类间的亲疏程度，并将当前最亲密的样本或小类再聚成一类；再接下来，再度量剩余的样本和小类(或小类和小类)间的亲疏程度，并将当前最亲密的样本或小类再聚成一类；如此反复，直到所有样本聚成一类为止。对样本距离测度方法是采用欧氏距离(Euclidean Distance)，即两样本(x，y)之间的距离是各样本每个变量值之差的平方和的平方根(k个变量)。
    运用层次聚类分析方法进行东北地区生态农业区划的具体路线如下：
    ①根据东北地区平原、丘陵、山区分布特征，光、热、水、土等自然资源不同组合以及农林牧副渔发展水平，较均匀地选择了41个单元(县、市)作为一级生态农业区划分的代表样点，在定性和定量基础上，将样本粗分为K类，计算每一类的聚类中心，区划结果见表2。
    

②应用欧式距离模型：EUCLID(x，y)=∑(xi-yi)2。计算其他各县市到聚类中心的距离，根据判别函数逐个将各县市样本归入与其距离最近的聚类中心。
    ③计算新类别的聚类中心，如果与原聚类中心相近，则聚类完成，否则回到第二步重新进行。
    计算结果最终形成东北地区二级生态农业现状地域结构(表3)：
    3 评价结果分析
    3.1 与稳定的农业分界线划分的东北地区农业地域格局基本一致
    东北地区比较稳定的农业分界线有：①东北、北部山区与半山区之间以及半山区与中部平原之间的分界线；②中部平原和西部半干旱区之间的分界线；③三江平原分界线以及以热量为主导因素南北分异的暖温带、温带和寒温带的分界线[13]。由这几条分界线可以把整个东北区域大致分为东部山区一半山区农业区、北部农业区、三江平原农业区、中部平原农业区、西部半干旱农业区、南部农业区。其中北部生态区由大、小兴安岭地区和小兴安岭南部过渡区共同组成。这与由层次聚类法划分的东北生态农业划分基本一致。
    

3.2 区域特色明显
    东部生态农业区主要指东北地区东部的长白山区，是山区、半山区林、粮、药混作生态农业区。三江生态农业区主要是三江平原地区，是以农为主的农林综合生态农业区。中部生态农业区主要是指东北平原主体区域，拥有自然肥力高，土层厚的黑土层，这为种植业的大规模经营创造了良好的自然条件。北部生态农业区是指黑龙江北部的大小兴安岭山区及部分周边地区，为我国独有的温寒带冷凉湿润或半湿润林区气候，是典型的冷凉生态农业区。南部生态农业区主要指辽东半岛以及辽河三角洲等地区，是多雨渔、果、粮复合生态农业区。西部生态农业区主要包括黑龙江三省西部地区和蒙东地区，是半干旱生态农业区。
    4 结论与建议
    
    东北的振兴绝对是绕不过农业的复兴。作为全国最大的商品粮基地，东北农业发展不仅要面临来自生态、社会和经济方面的严峻挑战，而且还将经受日益严峻的国际竞争所带来的压力。只有充分发挥地域生态优势，打破国际农业贸易绿色壁垒，实现农业结构战略性调整，才能把东北地区建成我国最大的优质农产品基地，率先实现农业现代化，这也是东北地区生态农业发展的必然趋势。
    第一，发挥区域生态优势，实施农业生态系统优化管理。东北地区土地、水、森林资源比较丰富，地貌和气候差异比较大，导致区域生态环境多样，具有突出的区域组合优势，开展农业生态系统优化管理，运用生态农业、生态经济、农业系统工程原理和方法，对东北区进行整体化及层层优化设计，在保证粮食生产的同时，使农、林、牧、副、渔协调发展，把自然、社会、经济复合生态系统建立在和谐与稳定发展的基础之上，对于东北地区生态农业发展具有重要的意义。
    第二，充分利用自然资源，发展高效生态农业。虽然东北地区农业自然资源十分丰富，但却存在着资源利用不合理的问题，严重制约着农业的发展，因而在深度和广度上进一步开发农业自然资源潜力，发展集约、高效农业经营是东北生态农业的一个首要问题。建立起具有相当规模的专业化、区域化农产品生产带[14]。
    第三，在振兴东北的历史机遇面前，东北农业发展要破除省、市、县等行政区划的界限，把东北地区作为一个整体统筹考虑，合理安排，发挥各地区位优势，整合农业资源，建设以品牌农业和绿色农业为标志，以粮食、畜产品及其加工业为载体的现代农业，把东北地区建设成为国家粮食安全基地与绿色农畜牧业基地。
    参考文献：
    [1]金冬霞.生态农业概论[M].北京：科学出版社，1997：46-74.
    [2]马晓河.结构转换与农业发展[M].北京：商务印书馆，2002：1-15.
    [3]卞有生.中外生态农业对比[M].北京：中国环境科学出版社，2000：1-43.
    [4]孔数德.生态保护[M].北京：中国环境科学出版社，1998：1-24.
    [5]姜学民，许志挥.生态经济学通论[M].北京：中国林业出版社，1993：1-25.
    [6]中国农学会.中国农业可持续发展研究[M].北京：北京出版社，1997：64-93.
    [7]王松霖.自然资源利用与生态经济系统[M].北京：中国环境科学出版杜，1990：42-55.
    [8]丁四保.试论经济区划的现实意义及其发展[J].经济地理，2001(6)：641-644.
    [9]刘钦普.生态农业概论[M].郑州：河南科技出版社，1995：1-76.
    [10]周连瑞，严以绥.绿洲生态农业可持续发展[M].北京：中国农业出版社，1998：5-20.
    [11]卞有生.中外生态农业对比[M].北京：中国环境科学出版社，2000：1-43.
    [12]罗其友，陶陶.我国东北地区农业功能区划研究[J].农业现代化研究，2005(6)：407-413.
    [13]刘兴土，何岩，邓伟.东北区域农业综合发展研究[M].北京：科学出版社，2002：53-177.
    [14]孙道纬，余穆清.吉林省发展绿色食品的农业生态环境优势分析[J].地理科学，2002(2)：25-28.

作者： 哈尔滨师范大学黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室/地理科学学院陈晓红 万鲁河 解瑞峰 盐城工学院土木学院建筑系 王玉娟