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2024 , Vol. 44 >Issue 8: 170 - 180

DOI: https://doi.org/10.15957/j.cnki.jjdl.2024.08.019

三农、土地与生态

“虾稻”模式下粮食安全—经济发展—生态保护三维系统综合效益——以湖北潜江市为例

  • 夏天 , 1, 2 ,
  • 武星华 1, 2 ,
  • 周晓 , 1, 2, ※ ,
  • 于雷 1, 2 ,
  • 刘艳霞 3 ,
  • 叶雅文 4
展开
  • 1.华中师范大学 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，中国湖北 武汉 430079
  • 2.华中师范大学 城市与环境科学学院，中国湖北 武汉 430079
  • 3.黑龙江省农业科学院 农业遥感与信息研究所，中国黑龙江 哈尔滨 150086
  • 4.武汉市汉铁高级中学，中国湖北 武汉 430011
※ 周晓（1994—），男，博士，副教授，研究方向为时空大数据挖掘与资源环境管理。E-mail：

夏天（1981—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为农业资源利用、土地资源与环境遥感和空间模型。E-mail：

收稿日期: 2023-12-08

  修回日期: 2024-06-03

  网络出版日期: 2024-09-23

基金资助

国家自然科学基金项目(42171270)

中央高校基本科研业务费项目(CCNU24JCPT020)

中央高校基本科研业务费项目(30106220497)

国家自然科学基金与广东省联合基金项目(U1901601)

收起

Comprehensive Benefits of the Three-dimensional System of Food Security，Economic Development，and Ecological Protection under the Rice-crayfish Co-cropping Model: A Case Study of Qianjiang City in Hubei Province

  • XIA Tian , 1, 2 ,
  • WU Xinghua 1, 2 ,
  • ZHOU Xiao , 1, 2, ※ ,
  • YU Lei 1, 2 ,
  • LIU Yanxia 3 ,
  • YE Yawen 4
Expand
  • 1. Key Laboratory for Geographical Process Analysis and Simulation of Hubei Province，Central China Normal University，Wuhan 430079，Hubei，China
  • 2. College of Urban and Environmental Sciences，Central China Normal University，Wuhan 430079，Hubei，China
  • 3. Institute of Agricultural Remote Sensing and Information，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin 150086，Heilongjiang，China
  • 4. Wuhan Hantie Senior Middle School，Wuhan 430011，Hubei，China

Received date: 2023-12-08

  Revised date: 2024-06-03

  Online published: 2024-09-23

Fold

摘要

“虾稻共作”模式作为一种新兴农业模式，被视为实现农业可持续发展的有力尝试。文章以“虾稻共作”模式的发源地——湖北省潜江市为研究区，通过构建综合评价指标体系，利用Kernel密度估计方法、综合评价模型和障碍度模型，从三维系统角度揭示了2016—2020年潜江市各乡镇在“虾稻共作”模式下粮食安全—经济发展—生态保护三维系统综合效益的时空变化特征，并采用障碍度模型分析了影响该地区综合发展水平的障碍因子。结果表明：①“虾稻共作”模式下，潜江市三维系统发展指数在“十三五”期间呈现出动态演进的特征，各乡镇的发展水平存在一定的绝对差异。②三维系统综合发展效益呈下降趋势，西部、东部和北部较中部高，经济发展效益与三维综合效益的时空变化较为吻合，粮食安全效益与生态保护效益趋势相反。③经济发展指标对综合发展效益的影响最大，其次是生态保护指标和粮食安全指标。

关键词： 虾稻共作; 粮食安全; 经济发展; 生态保护; 综合效益; 可持续发展

本文引用格式

夏天 , 武星华 , 周晓 , 于雷 , 刘艳霞 , 叶雅文 . “虾稻”模式下粮食安全—经济发展—生态保护三维系统综合效益——以湖北潜江市为例[J]. 经济地理, 2024 , 44(8) : 170 -180 . DOI: 10.15957/j.cnki.jjdl.2024.08.019

Abstract

As an emerging agricultural model,the rice-crayfish co-cropping model is considered as a powerful attempt to achieve sustainable agricultural development. This study aims to explore the impact of the rice-crayfish co-cropping model on the comprehensive development benefits in local area from the perspective of the three-dimensional system of food security,economic development,and ecological protection. Taking Qianjiang City of Hubei Province as the study area,it constructs an evaluation index system of the comprehensive development level of food security,economic development and ecological protection,reveals the spatio-temporal changes of the comprehensive benefits of the three-dimensional system of food security,economic development and ecological protection in each township of Qianjiang City from 2016 to 2020 under the rice-crayfish co-cropping model,and explores its obstacle factors by the means of Kernel density estimation method,comprehensive evaluation model and obstacle degree model. The results showed that: 1) Under the rice-crayfish co-cropping model,the three-dimensional system development index of Qianjiang City showed a dynamic evolution during the "13th Five-Year Plan" period,and there were some absolute differences in each township's development level. 2) The comprehensive development benefits of the three-dimensional system show a decreasing trend with higher benefits in the west,east,and north of Qianjiang City than that in the center of Qianjiang City,economic development benefit and comprehensive benefits are more consistent with the spatial and temporal changes,while food security benefits and ecological protection benefits have opposite trends. 3) Economic development indicators have the greatest impact on comprehensive development benefits,followed by ecological protection indicators and food security indicators.

Key words： rice-crayfish co-cropping model; food security; economic development; ecological protection; comprehensive benefits; sustainable development

农业是中国社会经济的基石，中国政府通过实施一系列“三农”政策，力求提高农民的生产水平和收入水平，推动农村社会经济的全面发展[1-4]。然而，传统农业模式在满足粮食需求的同时，也带来了土地资源的过度开发、生态环境破坏等问题，难以在粮食生产、经济发展和生态保护之间取得平衡[5-6]。在此背景下，寻找一种能够实现农业可持续发展的生态路径变得至关重要[7-8]。通过稻渔综合种养实现耕作制度多样化的生态农业已被认为是实现粮食生产和生态保护可持续性的有效手段，其中“虾稻共作”模式便是一种典型的生态农业模式[9-10]。该模式将小龙虾养殖与水稻种植相结合，水稻生长为小龙虾提供食物和庇护所，小龙虾的排泄物为水稻提供肥料，由此减少对虾稻田农药和化肥的施用量，收获绿色水稻和高价值小龙虾生产，是一个综合的农业生态系统[11-12]。该综合农业生态系统在粮食安全、经济发展和生态保护这3个方面均产生影响，从粮食安全的角度来看，“虾稻共作”模式可以提高粮食产量和品质，增强粮食供应的稳定性[13]；在经济发展方面，“虾稻共作”模式通过增加农民收入来源和优化农业产业结构，推动农村经济的繁荣与发展[14]；在生态保护方面，“虾稻共作”模式有助于减少化肥农药的使用，改善农业生态环境[15]。因此，研究“虾稻共作”模式在粮食安全、经济发展和生态保护3个维度的综合效益，对于推动农业可持续发展和乡村振兴具有重要的意义。
随着“虾稻共作”模式在湖北、湖南、江苏、安徽、山东、云南等地不断推广，学者们对该模式也不断深入研究。一方面，针对“虾稻共作”模式对经济发展的影响进行分析[16-18]。已有研究分别对供给侧结构性改革下“虾稻共作”模式促进乡村振兴[19]、改善农民经济状况调查[20]、区域经济增长情况和农村社会经济发展影响[21]等方面进行探讨，发现“虾稻共作”模式在促进当地社会经济发展方面发挥着积极的推动作用。另一方面，针对“虾稻共作”模式对生态环境的利弊进行权衡，许多学者对这种模式能否减少资源消耗、减轻环境污染等方面提出了关注[22-24]。如阿依吐拉·买买提祖农等使用DNDC模型对虾稻田温室气体排放进行了模拟，发现“虾稻共作”模式具有较强的减排固碳能力和绿色发展潜力[25]；曹凑贵等采用产业调查，结合试验示范和定位试验，研究了“虾稻共作”模式的生态效应，结果表明该模式加剧了土壤次生潜育化和水体富营养化的风险[26]。以上两个方面的研究表明，“虾稻共作”模式在促进经济发展方面发挥了明显的积极作用，然而在生态效益方面呈现出双重趋势。此外，部分学者还对“虾稻共作”模式对水稻产量的影响进行了深入而系统的研究，旨在探讨“虾稻共作”模式对水稻生产的潜在影响，并评估这一模式对粮食安全的贡献[27-29]。目前，研究者们已经从不同维度对“虾稻共作”模式进行了深入探讨，包括水稻产量的变化、水质状况的改善、农民收入的增加、生态平衡的恢复以及农田可持续性的发展等方面。通过对这些研究的分析发现，“虾稻共作”模式受到各方面因素的综合影响，现有研究较多从单一维度或特定领域的效益分析，缺乏对“虾稻共作”模式在粮食安全、经济发展和生态保护等多方面综合效益评估。“虾稻共作”模式作为一种创新的生态农业实践，其目标是通过土地的多功能性最大化，实现粮食生产能力、种养业经济效益及生态系统服务综合效益最大化，3个系统之间呈现出错综复杂的相互联系。因此，为了更全面、深入地了解“虾稻共作”模式的综合效益，为乡村振兴战略提供科学支撑和实践指导，迫切需要从该模式本身出发，以系统的视角来审视和分析其对粮食安全、经济发展和生态保护这3个维度的影响；同时，通过运用多种研究方法和技术手段，全面开展“虾稻共作”模式的数据收集、分析和评估，进而掌握其在各维度的实际效益和发展态势。
基于此，本文选取“虾稻共作”模式的发源地——湖北省潜江市为研究区，通过构建粮食安全、经济发展和生态保护三维系统的综合评价指标体系，对“十三五”期间潜江市各乡镇粮食安全、经济发展和生态保护的综合发展效益进行量化分析；同时结合Kernel密度估计方法分析其发展态势，并利用障碍度模型探讨影响潜江市整体发展的影响因子，以期既为“虾稻共作”模式的进一步规划和发展提供参考和借鉴，也为贯彻落实“三农”思想、推进乡村振兴政策提供有力支持。

1 研究区概况

潜江市位于湖北省中部的江汉平原腹地，毗邻长江，是长江经济带的重要节点。该地属亚热带季风性湿润气候区，年均气温16.1℃，年降水量约为1100.0 mm，全年无霜期约为250天，为农作物生长提供了充足的水热条件。潜江市地势较为平坦，水系发达，河流、湖泊、水塘等水域分布广泛，这为农业灌溉提供了丰富的水源，也为水产养殖提供了优越的环境。作为长江经济带的重要组成部分和典型的农业区之一，其丰富的水热和耕地资源为当地农业现代化发展提供了重要基础。农业一直是潜江市的主要产业之一，而“虾稻共作”模式作为当地独特的农业模式备受关注。“虾稻共作”模式作为一种创新性的农业实践，潜江市虾稻田面积在“十三五”期间迅速扩张，到2020年达428.20 km2，占全市耕地总面积的35.53%，成为其耕地利用的重要方式[30]。
“虾稻共作”模式的实践和应用对潜江市的粮食安全、经济发展和生态保护产生了多重影响（图1）。首先，这种模式实际上降低了虾稻田粮食生产力，由于小龙虾的收益是水稻的3~4倍，许多农民将更多的精力投入到小龙虾养殖中，导致虾稻田的粮食产量低于传统水稻田。其次，小龙虾养殖作为一个高附加值的产业，为农民带来了更多的经济收入，同时带动第三产业发展，促进了农村地区的经济多元化发展。“虾稻共作”能够减少农业生产中水资源和土地资源的浪费，有助于提高农业生产效率，从而为经济的可持续增长创造更好的条件。最后，通过小龙虾养殖和水稻种植共作，降低了农药和化肥的使用，减少了对环境的污染，这有助于保护当地的生态系统，维护水资源的可持续性，以及减少对生态环境的负面影响。潜江市是“虾稻共作”模式的发源地和典型地区，以“虾稻共作”模式视角下潜江市综合发展效益评价为着眼点，深入研究粮食安全、经济发展和生态保护三维系统的发展态势，是落实“十四五”规划要求、促进潜江市农业良性发展的重要举措。本文选取潜江市各乡镇作为基本空间单元，其地理、自然和经济差异具有较强代表性，同时“虾稻共作”政策以乡镇为单位开展落实，有利于精细化评估“虾稻共作”模式的应用效果，可为其制定优化政策提供有力参考。
图1 “虾稻共作”模式下粮食安全、经济发展和生态保护三维系统影响

Fig.1 Three-dimensional systemic impacts of food security，economic development, and ecological protection under the rice-crayfish co-cropping model

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文主要使用数据包括：虾稻田空间数据、虾稻田植被净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）和2016—2020年《潜江统计年鉴》。其中，虾稻田空间数据为2016—2020年共5期，是基于GEE平台采用Sentinel-2A遥感影像通过随机森林算法解译得到[31-32]，总体分类精度均值为90.42%，空间分辨率为10 m×10 m。2016—2020年虾稻田NPP空间数据由本团队基于模型利用Landsat遥感影像模拟获得，空间分辨率为30 m×30 m。在ArcGIS中将所有空间数据进行分区统计，获得潜江市23个乡镇的虾稻田数据指标。潜江市虾稻田破碎度及生物多样性等数据采用Fragstats软件基于虾稻田空间数据计算获得。
本研究聚焦于我国“十三五”期间（2016—2020年），虾稻共作模式影响下潜江市粮食—经济—生态综合效益。然而，自2020年全球范围内爆发了COVID-19疫情，这一突发公共卫生事件对全球经济体系，包括中国在内的各个地方经济，产生了深远而复杂的影响。疫情期间，潜江市作为农业大市，其农业生产虽在一定程度上展现出较强的韧性，但虾稻共作模式的运营环境、市场需求、供应链稳定性及农户收入结构均遭受了不同程度的冲击。潜江市人民政府官方发布的统计数据与新闻公告显示，2021年该地区小龙虾产业遭遇积压困境，经济增速放缓，居民收入与消费支出均呈下滑态势。鉴于上述情况，本研究未将2021和2022年纳入评价范围，主要是为了避免疫情带来的不确定性对数据解释力的潜在干扰，确保研究结论能够更为准确、客观地反映虾稻共作模式在常态经济条件下的长期综合效益，为未来政策制定与模式优化提供坚实的数据支撑与理论参考。

2.2 研究方法

2.2.1 综合评价指标体系构建

潜江市虾稻共作模式的多维系统综合评价指标体系包括粮食、经济和生态三大系统，3个系统间相互作用、相互制约，从而实现整体发展。在遵循指标数据可得性、代表性和关联性的原则下，借鉴已有指标体系的构建成果，结合研究区虾稻田实际情况，形成了由3个系统层、6个准则层和12个指标构成的潜江市粮食—经济—生态综合效益评价指标体系（表1）[33-35]。其中，粮食系统方面根据“虾稻共作”模式的独特性，优先考虑反映虾稻田粮食生产情况的指标，选择农业从业人员比例、虾稻田播种面积、虾稻田破碎度和虾稻田NPP作为一级指标，这些能凸显“虾稻共作”模式对潜江市粮食安全的影响；经济系统方面，限上贸易单位零售额的增幅直接体现该模式对当地贸易的促进作用，农业总产值可以评估该模式对农业生产的贡献，计算GDP增幅可以了解该模式对当地经济增长的贡献程度，城镇化率则体现农村经济发展和城乡一体化的趋势；生态系统方面，虾稻田周围有较多林地，从而影响虾稻田生态环境的保护和调节功能，并间接影响虾稻共作模式的生态效益，地均化肥面源污染的变化可以评估该模式在减轻环境污染方面的效果，生物多样性体现该模式的生态稳定与健康，而耕地占比则反映该模式在优化土地利用结构、保护生态用地方面的效果。
表1 潜江市“粮食安全—经济发展—生态保护”综合发展水平评价指标体系

Tab.1 Evaluation indicator system of comprehensive development level for food security，economic development and ecological protection in Qianjiang City

目标层 系统层 准则层 指标层（单位） 指标性质 代码 权重
潜江市综合发展水平 粮食安全 生产条件 农业从业人员比例（%） + a1 0.035
虾稻播种面积（km2） - a2 0.038
虾稻田破碎度 - a3 0.019
粮食产出 虾稻田NPP（gC·m-2） + a4 0.092
经济发展 经济效益特征 限上贸易单位零售额增幅（%） + b1 0.069
农业总产值（万元） + b2 0.116
GDP增幅（%） + b3 0.111
经济结构特征 城镇化率（%） + b4 0.257
生态保护 生态环境 当年造林面积（hm2） + c1 0.122
地均化肥面源污染（t/km2） - c2 0.012
生物多样性 + c3 0.074
农业资源 耕地占生态用地比例（%） - c4 0.055

2.2.2 熵权法

本文采用熵权法确定粮食安全、经济发展和生态保护指标层中各项指标的权重。

2.2.3 综合评价模型

本文采用加权函数，计算3个系统以及综合系统的评价指数，得分越高，表明系统发展水平越好。计算公式如下：
S φ = ∑ j = 1 n W j · x i j '
T = S 1 · w 1 + S 2 · w 2 + S 3 · w 3
式中： S φ表示各个系统的综合评价指数； φ取1、2、3时分别对应粮食系统、经济系统和生态系统； w 1、 w 2和 w 3分别为粮食系统、经济系统和生态系统相对于目标层的权重值。

2.2.4 Kernel密度估计

本文使用Kernel密度估计法分析潜江市粮食系统、经济系统、生态系统以及多维系统的综合发展指数的分布态势。

2.2.5 障碍因子诊断模型

通过定量分析指标体系中影响潜江市综合发展水平的障碍因素，可以有针对性地调整潜江市及各个乡镇的发展策略，为政策制定提供参考。本文采用障碍度模型对评价体系中影响多维系统综合发展的障碍因素进行诊断分析。计算公式如下：
O j = w j · 1 - x i j ' ∑ j = 1 n w j · 1 - x i j '
式中： w j为指标权重； x i j '为标准化数据； O j为指标j对目标层的障碍度，系统层的障碍度可由线性加权法求得。

3 结果分析

3.1 粮食安全—经济发展—生态保护三维系统的动态演进特征

基于Kernel密度估计方法，本文对潜江市的粮食安全、经济发展、生态保护以及三维综合系统的发展动态从分布位置、分布态势、延展性和极化现象进行了多角度的深入分析，发现3个系统及综合系统在不同时间段呈现出不同的动态特征（图2）。
图2 潜江市粮食安全—经济发展—生态保护及三维综合系统的动态演进

Fig.2 Dynamic evolution of food security，economic development，ecological protection and three-dimensional comprehensive system in Qianjiang City

①粮食安全系统（图2a）。核密度曲线的分布中心经历了左偏移后逐渐右移，表明潜江市整体粮食安全水平在2016—2017年有所下降，随后又逐步提高；峰值在样本期内先上升后下降，在2019年达到最高点；波峰的形状逐渐变宽后又收窄，且仅在2016和2020年存在一个并不陡峭的侧峰，同时存在左拖尾特征，说明潜江市粮食发展水平的两极分化现象较弱，各乡镇的粮食安全水平在“虾稻共作”模式视角下的差距在2016—2019年逐渐缩小，2020年有所增大，2016和2020年有个别乡镇低于其他乡镇的现象。
②经济发展系统（图2b）。分布中心整体出现向左偏移的趋势，经济水平有所下降；峰值呈现上升的趋势，波峰宽度有所增加，表明潜江市内部经济发展差距逐渐缩小，但速度较慢；经济发展核密度曲线具有明显的右拖尾现象，这意味着存在经济发展水平很高的乡镇。
③生态保护系统（图2c）。曲线分布中心位置明显向右平移，主要呈现“单主峰”的态势，峰值在样本期内先上升后下降，说明潜江市的生态保护有所改善，各乡镇的生态保护指数差距逐渐缩小；核密度曲线在2016—2017年具有右拖尾特征，而在2018—2020年则表现为左拖尾特征，说明潜江市内部生态保护指数存在差异变化，2016—2017年有个别乡镇高于其他乡镇，而2018—2020年则存在个别乡镇低于其他乡镇的情况。
④三维综合系统（图2d）。分布中心位置呈现略微向右移动的趋势，主峰峰值在样本期内表现为“上升—下降—上升”的现象且宽度变大，2016—2017年存在明显的左侧峰，2016—2020年均存在右拖尾现象，意味着潜江市的整体发展水平存在极化现象，内部发展的绝对差异仍然存在。综上所述，潜江市的三维系统综合发展呈现出总体水平略微下降的趋势，与此同时，各个乡镇之间的差距也在不断演变。

3.2 粮食安全—经济发展—生态保护三维系统综合效益时空差异特征

为了更直观地表示粮食安全—经济发展—生态保护及三维系统综合发展效益在潜江市的发展变化情况，利用自然断点法将2016—2020年潜江市23个乡镇各维度综合发展指数划分为5个层级：低、较低、中等、较高和高（图3）。潜江市2016—2020年三维系统综合发展效益在边缘地区呈现较高的数值，而中心地区则显示相对较低的数值，西部、东部和北部的外围乡镇的综合发展指数明显高于中部乡镇，这表明，外围乡镇在粮食安全、经济发展和生态保护这3个维度的综合发展上，表现优于中部乡镇。除潜江经济开发区外，其余22个乡镇的综合发展效益等级呈下降趋势。各乡镇中，泰丰办事处、园林办事处和潜江经济开发区的综合发展水平名列前茅，而熊口管理区、运粮湖管理区和白鹭湖管理区的综合发展水平则较为靠后。
图3 潜江市粮食安全—经济发展—生态保护及三维系统综合发展效益演变

Fig.3 Comprehensive development benefits of food security，economic development，ecological protection,and the three-dimensional system in Qianjiang City in 2016-2020

进一步对各乡镇粮食安全、经济发展和生态保护系统发展效益的时空演化展开分析，得出结果如下：
①粮食安全系统效益（图3a）。各乡镇粮食安全指数介于0.048~0.166之间，表明潜江市粮食安全系统效益区域差异较大。研究期间粮食安全效益较高的乡镇集中分布在西北部和东南部，较低的乡镇在东北部、西南部和东部地区零星分布。2016年，潜江市整体粮食安全系统效益良好，其中11个乡镇位于高值区；2017—2020年，8个乡镇保持稳定等级，12个乡镇提升等级，主要在北部地区，具有较高的农业生产水平和粮食生产效益。然而，潜江经济开发区、后湖和渔洋等3个乡镇粮食安全指数下降一个等级，需要调整农业政策以提升粮食生产效率。综合5年各乡镇的平均发展状况来看，积玉口镇、浩口镇和高场办事处分列前三位，粮食安全指数分别为0.120、0.113、0.112，这3个乡镇的虾稻种养规模、劳动力投入以及虾稻田完整度较好；而泰丰办事处、竹根滩镇和潜江经济开发区位于后三位，粮食安全指数分别为0.112、0.080和0.073，主要原因是潜江经济开发区和泰丰办事处的农业不是产业重心，而竹根滩镇更多的是种植水稻而非虾稻，因此排名相对靠后。
②经济发展系统效益（图3b）。2016—2019年潜江市经济发展水平呈缓慢波动下降，17个乡镇的经济发展效益保持不变，其中10个乡镇稳定在经济发展效益高值区，在潜江市东部和北部呈集聚分布，表现出较强劲的经济实力；2020年除潜江经济开发区和园林办事处仍保持在经济发展效益高值区外，其他各乡镇的经济发展效益呈下降趋势，处于高值区、中值区和较低值区的乡镇分别为4、8和6个，合占全部乡镇的78.26%。此外，首次出现经济发展效益处于低值区的乡镇，分别是运粮湖、白鹭湖和熊口，表明全球性COVID-19疫情对该地区造成了明显冲击，需要采取合理的补救措施。总体来看，泰丰办事处、园林办事处以及潜江经济开发区的经济发展指数居于前列，与其发展定位相吻合；运粮湖管理区、熊口管理区和白鹭湖管理区的经济发展指数较为靠后，是由于其产业结构较为单一，在政策、基础建设等方面缺乏支持，导致经济相对滞后。
③生态保护系统效益（图3c）。2016—2017年生态保护指数从0.103上升至0.119，高值区乡镇数增至14个，主要分布在潜江市北部、西部和南部地区，其中2016年仅有积玉口处于低值区，较低值区、中值区和较高值区的乡镇个数占总数的69.57%；2018—2019年生态保护指数出现大幅下降，除广华、潜江经济开发区和后湖保持稳定以及渔洋和浩口提升一个等级外，其余乡镇的生态保护等级均有所下降；2020年随着生态环境治理，潜江市生态保护指数有所回升，但仍有2个乡镇处于低值区，分别是运粮湖和白鹭湖。值得注意的是，2016—2018年生态保护系统的发展指数与粮食安全系统表现出相反的变化趋势。这也说明粮食安全系统与生态保护系统之间存在一定的关联，特别是在某些区域（如北部和南部）表现明显。生态保护指数的变化对粮食安全系统的影响是显著的，生态环境的改善有助于提升粮食安全效益。两者在地域分布上的重叠和变化趋势显示出生态保护与农业生产协调发展的重要性。综合来看，园林办事处、潜江经济开发区和泰丰办事处的生态保护指数居于前三位，总体与经济发展指数一致，表明随着经济指数的提升，人们对生态保护的重视也在增加；广华办事处、积玉口镇和运粮湖管理区则分列后三位，其中积玉口镇和运粮湖管理区的虾稻田面积较大，进一步证实了虾稻田中小龙虾养殖可能会扩大农田污染面积的情况。
综上所述，综合评估潜江市粮食安全系统、经济发展系统和生态保护系统的发展水平，可以发现在研究期间均表现出不同的区域和时间变化特征。经济发展系统呈现出最高水平，其次是生态保护系统，而粮食安全系统的发展水平相对较低。这种不均衡状况可能源于政策支持和资源投入的差异，导致经济发展系统更受关注和支持。与此同时，生态保护和粮食安全系统的滞后发展其主要原因是相关政策和创新手段对于适应生态环境和农业方式的影响需要更多的时间，这种发展不平衡可能会威胁到潜江市整体可持续发展目标的实现。因此，需要采取更加平衡的政策措施来促进各子系统的协调发展，以实现长远的综合发展目标。具体而言，针对粮食安全系统的区域差异，应调整农业政策以提升低效益地区的粮食生产效率，尤其是低效益乡镇；对于经济发展系统，需要加强政策支持和基础建设，以提升单一产业结构乡镇的经济发展水平；而对于生态保护系统，则需要继续加强生态治理，确保生态保护指数的稳定提升。总体而言，各系统的发展都需要综合考虑区域差异和外部因素的影响，并制定相应的政策和措施以实现可持续发展的目标。

3.3 粮食安全—经济发展—生态保护三维系统综合效益的障碍因子诊断

通过分析发现，潜江市粮食安全—经济发展—生态保护子系统及三维系统的综合发展效益存在显著的时空差异，为进一步分析造成粮食安全—经济发展—生态保护三维系统综合效益时空分异的驱动因素，本文以评价体系中的12项指标为分析对象，运用障碍度模型进行诊断（图4）。整体上，各系统层对三维系统综合发展效益影响程度由大到小依次为经济发展系统（0.593）、生态保护系统（0.266）、粮食安全系统（0.141）。进一步对3个子系统中各个指标对三维系统综合发展效益影响进行分析，得出结果如下：
图4 潜江市三维系统综合发展障碍因子及障碍度

Fig.4 Obstacl factors of the comprehensive development of the three-dimensional system in Qianjiang City and their obstacle degree

①粮食安全系统中在所有障碍因子中排名相对靠前的是虾稻田NPP，位于第5位，障碍度为0.088，在各乡镇中介于3~7位之间，对三维综合系统效益的影响较大，原因在于2016—2020年潜江市虾稻田扩张迅速，“虾稻共作”模式对潜江市农业生产产生了巨大影响，而研究表明虾稻种养会降低粮食产量，因此虾稻田NPP对维持农业生态平衡和提高水稻生产效益具有重要意义。虾稻田面积、虾稻田破碎度和农业从业人员比例对三维系统综合发展的障碍度在全部障碍因子中居于9~11位，其障碍度分别为0.030、0.013和0.009，在各乡镇中介于7~11位之间，这说明在研究期间尽管虾稻田面积不断扩张，农业从业人员比例发生变化，但并不能保证从事虾稻田中稻生产的人力物力有所增加，因此不足以成为潜江市农业、经济、生态环境等维度整体发展状况的决定性力量。与此同时，虾稻田面积和破碎度仅作为基础条件，其对三维系统综合发展的影响是通过农民的种养行为实现的，因此障碍度排名靠后。
②经济发展系统是影响三维综合系统最重要的因素，单项指标障碍度分析表明，2016—2020年城镇化率、农业生产总值以及GDP增长率主要位于各年份的1、3和4位，其障碍度分别为0.332、0.118和0.102。限上单位零售额增幅、农业生产总值、GDP增幅和城镇化率可以有效反映各时期社会经济发展水平强度和阶段。城镇化率是影响各乡镇综合发展最重要的因素，23个乡镇的城镇化水平是影响其整体发展的首要因素。2016年开始，“虾稻共作”模式在潜江市迅速推广，这种模式同时包含水稻种植和小龙虾养殖，为农村地区提供了新的就业机会，可以减缓农村劳动力向城市的大规模流动，促使农村地区实现可持续经济发展。“虾稻共作”模式实现了农业生态系统中农业和养殖一体化，虾的养殖与水稻的种植相辅相成，对整体农业总产值的增长具有积极的贡献。农业生产总值的提升又可以通过带动农业部门的发展和产业链的延伸，推动当地服务业、加工业等产业的增长，对GDP的综合性增长产生了积极效应。因此，在“虾稻共作”模式的影响下，潜江市经济发展系统指标对于三维系统综合发展的影响更为敏感有效。
③生态保护系统指标对生态环境的改善和推动潜江市农业可持续发展发挥着积极作用，4个生态指标中当年造林面积位于全部障碍因子的第2位，在各乡镇中介于1~3位，障碍度为0.160，对三维系统综合效益的影响仅次于城镇化率。这凸显了造林面积对于促进潜江市生态环境恢复、改善以及三维系统（即经济、社会与环境的综合体系）整体效益的显著提升所起到的关键作用。究其原因，潜江市的土地类型是以耕地为主，而当年造林面积是评估生态系统恢复和生态环境改善的重要指标，因此，在保障粮食生产和经济增长的前提下，适当提高绿化水平有利于促进潜江市三维系统的可持续发展。生物多样性、耕地占生态用地比例和地均化肥面源污染的障碍度分列6、8和12位，其中地均化肥面源污染的障碍度均值为0.002，在各乡镇中稳定居于11~12位，这是由于“虾稻共作”模式通过虾和水稻的相互作用，形成了一个相对封闭的生态系统，虾在养殖过程中排泄的废物可作为水稻的有机肥料，从而减少了对化肥的需求。这种内部循环系统有助于降低化肥的使用量，减缓了化肥面源污染的潜在风险，因此潜江市综合发展中化肥面源污染的障碍度较低。
潜江市的粮食安全、经济发展和生态保护系统的综合发展效益受到多个因素的影响。经济发展系统对综合效益的影响最大，尤其是城镇化率和农业生产总值显著影响了三维系统的发展。虾稻田的NPP在粮食安全系统中对综合效益的影响较大，而生态保护系统中的造林面积则对生态环境改善和可持续发展发挥了重要作用。综合来看，潜江市需要考虑经济、生态和农业因素，制定相应的政策和措施，促进三维系统的协调可持续发展。鉴于经济发展系统的主导作用，政府可以进一步加强对经济发展的支持和引导，特别是在城镇化和农业产值增长方面。同时，应该重视生态保护，加大对生态环境的保护和修复力度，特别是加大对造林和生物多样性的保护投入。在粮食安全方面，政府需要平衡发展“虾稻共作”模式的推广和粮食生产效益的提升之间的关系，采取合适的政策措施，确保粮食生产的持续稳定。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文以“虾稻共作”模式发源地——湖北省潜江市为研究区，从“虾稻共作”视角构建评价指标体系，利用熵权法、综合评价模型和Kernel核密度估计法，揭示了2016—2020年潜江市在“虾稻共作”模式下粮食安全—经济发展—生态保护三维系统综合效益的时空变化规律，并采用障碍度模型分析了影响该地区综合发展水平的障碍因子。得到主要结论如下：①研究区三维系统发展指数在“十三五”期间呈现出动态演进的特征。粮食安全水平在2016—2017年有所下降，随后逐步提高。尽管存在两极分化现象，但整体差距逐渐缩小。虾稻共作模式对各乡镇粮食安全水平的提升起到了显著作用，但也需要警惕个别乡镇的粮食安全问题。②经济发展水平整体向左偏移，内部经济差距缩小，但速度较慢。存在明显的右拖尾现象，表明部分乡镇经济发展水平较高，但大部分乡镇的经济发展效益需要进一步提升。③生态保护系统在研究期间有所改善，各乡镇之间的差距逐渐缩小。尽管在2018—2019年出现下降趋势，但在2020年有所回升。生态保护与粮食安全系统存在一定的关联，生态环境的改善对提升粮食安全效益具有积极作用。④三维综合系统发展效益在不同地区和时间段表现出明显的差异，边缘地区的发展水平较高，而中心地区相对较低。潜江市整体发展水平略微下降，但各系统之间的相互影响和协调发展对实现可持续发展具有重要意义。⑤障碍因子诊断结果表明，经济发展系统对三维系统综合效益影响最大，特别是城镇化率和农业生产总值是主要影响因素。“虾稻共作”模式的推广对经济和粮食安全均有显著影响，但需要平衡其对粮食生产效益的影响。生态保护系统中的造林面积对生态环境改善具有重要作用，而化肥面源污染在“虾稻共作”模式下得到有效控制。

4.2 建议

基于以上结论，本文提出以下政策建议：①针对粮食安全系统效益较低的乡镇，应调整农业政策，提升粮食生产效率。要平衡虾稻共作模式与粮食生产效益的关系，确保粮食安全的持续稳定。②针对经济发展系统，应加强政策支持和基础建设，提升单一产业结构乡镇的经济发展水平，采取合理的补救措施应对经济效益的下降。③针对生态保护系统，应继续加强生态治理，确保生态保护指数的稳定提升，特别是提高造林和生物多样性的保护投入。要促进生态保护与农业生产协调发展，提升农业生态效益。④政府需要综合考虑经济、生态和农业因素，制定相应的政策和措施，促进三维系统的协调可持续发展，特别是平衡虾稻共作模式的推广与粮食生产效益的提升。在城镇化和农业产值增长方面，要强化对经济发展的支持和引导，加大对生态环境保护和修复的投入，确保生态环境的持续改善和粮食生产的稳定。

4.3 讨论

随着“虾稻共作”模式的推广，虾稻田产生的综合效益备受关注，“虾稻共作”模式对潜江市综合效益的整体提升以及对粮食安全、经济发展和生态保护的影响，在很大程度上取决于该模式的具体实施方式、管理水平，以及其对环境变化和市场波动的灵活应对能力。本文选取具有代表性的潜江市各乡镇作为研究对象，从“虾稻共作”视角下对粮食安全、经济发展和生态保护及三维系统的综合效益进行评估，其结果有助于更全面地了解该模式的优势和不足。同时，本文通过对障碍度模型结果进行详细解读，虽然探讨了经济发展、生态保护和粮食安全系统中涉及的具体因素及其影响，充分了解了不同障碍因子如何影响子系统及三维系统的综合效益，但还存在诸多问题需要进一步探讨：①“虾稻共作”模式下的潜江市三维系统发展指数在“十三五”期间变化特征表明指数不是静态的，而是随时间变化的。这种动态性反映了政策、经济因素或生态条件的变化对于“虾稻共作”模式效益的影响，以及该模式对潜江市的发展产生了深远影响，尤其在经济和生态方面取得了一定的进展，但粮食安全方面的表现有所不足，需要进一步关注和改进。②2016—2020年潜江市的乡镇间综合发展指数呈缓慢下降趋势，且这种区域差异可能与资源配置、政策实施等因素有关，为制定针对性政策提供了重要依据。未来应重点探索这些差异背后的原因，以及如何通过政策和实践来减少这些区域性差异。③研究发现，生态保护系统的发展与粮食安全系统呈现出相反的趋势，这提示在“虾稻共作”模式下需要关注和改进粮食生产效率和分配公平性，部分地区可能出现牺牲生态质量换取粮食生产的情况。这种权衡在可持续发展中具有重要意义，未来研究可继续深入探讨如何在不损害生态系统的前提下提高粮食产量，实现生态保护与农业生产的协调发展。④分析结果突出了经济因素在“虾稻共作”模式中的重要性。未来研究要进一步探讨如何优化经济政策，促进粮食安全和生态保护，实现综合发展的最大化，以为实现粮食安全、经济发展和生态保护的协调发展提供更有效的理论和政策支持。

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