耕地利用多功能權衡關系測度與分區優化
——以河南省為例

方 瑩，王 靜，孔雪松，吳榮濤，李保蓮，劉晶晶

（1.武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079；2.河南省國土資源調查規劃院，河南 鄭州 450016）

1 引言

土地的功能即土地提供產品和服務的能力[1]，多種功能性是土地利用具有的本質屬性。耕地作為農業空間的重要組成部分，是人類生存和發展不可替代的重要資源，具有保障糧食安全和社會穩定的重要功能[2]。隨著中國近幾十年社會經濟的快速發展，耕地資源大量流失，各級政府一直高度重視耕地生產功能的提高與保護，采取了世界上最嚴格的耕地數量和質量保護政策。但對耕地利用多功能性認識不夠全面，尤其是對耕地生態功能、社會保障功能認識不足，隨著國家生態文明建設戰略的實施，面臨日益稀缺的耕地資源，如何發揮有限耕地資源多種功能最佳與有效利用，科學認識并有效協同與權衡耕地利用的多功能性，對農業空間管控和耕地保護具有重大意義。

有關耕地利用多功能協同與權衡測度研究，目前主要是借鑒生態系統服務協同與權衡關系研究。國內外生態系統服務協同與權衡研究已從定性分析發展到線性關系的定量研究，以及到非線性關系的定量研究[3-7]，并且大多數研究側重于耕地生態系統服務類型的協同與權衡關系研究。定性分析主要采用圖示法，如雷達圖[8-9]、全排列多邊形[10]、玫瑰圖[11]等。線性關系研究是目前研究的重點[7]，如利用相關性分析、線性回歸模型、主成分分析、灰色關聯分析方法等識別生態系統服務類型間的關系[12-17]，將InVEST、ARIES、SolvES等模型納入空間相關分析算法[17-18]，計算相關系數/偏相關系數并根據其顯著性來判斷生態系統服務類型間的權衡關系；BRADFORD和D’AMATO提出以均方根誤差方法，量化了生態系統服務類型間的權衡關系[19-20]；也有學者通過R語言繪制散點圖并模擬相關性曲線[11]、引入生產可能性邊界（即PPF曲線）等定量分析生態系統服務類型間的非線性關系[21-23]。耦合協調度常用于度量復合系統的耦合協調程度，描述構成該復合系統的子系統間的相互依存關系[24-25]。生態系統服務權衡關系研究及耦合協調度模型對耕地利用多功能權衡關系定量分析具有重要借鑒意義。國內學者主要利用社會經濟統計數據開展農地多功能之間空間關系的研究，側重于區域差異分析和時空變化研究[26-27]，但有關定量化測度耕地利用多功能的權衡關系并進行分區優化等方面的研究仍較少[28-29]。

自20世紀初開始，空間分區不斷受到重視[30]。分區時大多采用主導功能分區法[31]，以各功能中分值最高的為主導功能進行分區，亦有學者提出以雙約束聚類法、AgentLA模型、空間自相關等[30，32-33]方法進行分區，但較少考慮土地利用各功能間的權衡關系。

故本文以河南省為例，在定量評估耕地利用生產、生態和社會保障功能的基礎上，采用耕地利用多功能耦合協調度和權衡強度模型，定量測度耕地利用多功能權衡關系，探討耕地利用多功能權衡關系的空間分異及區域協調關系，以縣級行政單元開展基于耕地利用多功能權衡關系的分區方案并提出優化建議，為河南省農業空間管控提供決策支持。

2 研究區概況及數據

2.1 研究區概況

河南省位于中國中東部，是人口和糧食大省，糧食產量常年居于全國首位，2015年達606.7億kg，其中以小麥和玉米產量最高。河南省耕地資源豐富，共計810.59萬hm2，集中分布在黃淮海平原、南陽盆地及豫西黃土區，占全省農用地面積的60.81%和土地總面積的48.93%，是農業空間的重要組成部分。

2.2 數據來源及處理

本文所用數據包括河南省耕地資源數據、農用地分等定級數據、社會經濟數據和生態功能評估數據等。耕地資源分布數據來自河南省2015年土地利用變更調查數據庫；分等定級數據來源于河南省2014年農用地分等定級數據庫；社會經濟數據選取自《河南統計年鑒》（2015年）和《城市統計年鑒》（2015年）生態功能評估數據引用研究團隊已有研究成果[39-40]。因生態功能評估尺度為1 km×1 km，為保持一致性，本文利用ArcGIS建立同等大小格網后再進行評估。另外，對比分析數據來源于《中原經濟區國土規劃（河南部分）（2011—2030年）》中原經濟區競爭力提升與區域協調和國土生態安全專題。

3 研究方法

3.1 耕地利用多功能評估指標體系構建

耕地利用多功能綜合評估指標體系應全面考慮影響生產、生態、社會保障三大功能的諸多因素。

耕地生產功能是耕地最基本的功能，主要體現在耕地生產潛力及其生產活動的產出上[3，30-33]。其中糧食播面單產、每公頃耕地谷物產出及耕地分等利用等別等指標可反映區域耕地生產力的大小，與生產功能正相關；土地墾殖率則反映區域中耕地開發利用程度，影響耕地系統結構和生產功能的穩定。同時，借鑒已有耕地生產功能研究成果[30-33]，分析1990—2018年耕地生產功能評估指標體系文獻，并結合河南省現狀及數據可獲得性，選取本文生產功能評估指標（表1）。

生態功能評估指標引用相關研究成果[34-45]，基于多指標集合度量模型，從土壤、植被、地貌與氣候、土地污染/損毀與退化狀況、生態建設與保護狀況等方面選取了諸如土壤條件指數（土壤有機質含量、有效土層厚度、土壤碳蓄積量水平）、氣候條件指數、植被狀況指數、土壤污染損毀指數及生態壓力指數共5個一級指標、14個二級指標等進行耕地生態功能評估。

耕地的社會保障功能主要體現耕地提供就業載體、生活保障的能力[26，28-29]。鄉村從業人數可反映耕地容納勞動力的能力，農民人均純收入和城鄉收入比則反映耕地提供生活保障能力的大小，人均耕地經營面積反映了區域耕地利用的平均水平，較好反映了耕地對區域人口的糧食安全保障能力。在借鑒已有耕地社會保障功能研究成果基礎上[26，28-29]，分析相關文獻，并結合河南省現狀及數據可獲得性，本文所選取的耕地社會保障功能評估指標見表1。

3.2 耕地生產、生態和社會保障單功能評估方法

耕地生產和社會保障功能評估指標權重由層次分析法（一致性檢驗CR＜0.1）和熵權法共同確定，如表1所示。

耕地生態功能評估指標權重確定方法采用層次分析法和因素成對比較法，指標及其權重參見相關研究成果[34-35]。

根據生產、生態、社會保障功能指標權重和指標值，采用綜合指數法評估，三種功能指數計算模型分別如式（1）—式（3）。

表1 耕地生產功能和社會保障功能評估指標體系及其權重Tab.1 Evaluation indicators and the weights on production functions and social security functions of cultivated land in Henan Province

式（1）—式（3）中：CF1、CF2、CF3分別為生產、生態、社會保障功能指數；αi表示生產功能第i指標的權重值，Pi表示生產功能第i指標的Min-Max標準化值；Wi為生態功能第i一級指標的權重值；Wj為生態功能第j二級指標的權重值；Yj為生態功能第j二級指標分值；n為生態功能二級指標數量；βj表示社會保障功能第j指標的權重值，Bj表示社會保障功能第j指標的Min-Max標準化值。

3.3 耕地利用多功能權衡關系測度

耕地利用的生產、生態、社會保障三大功能間相互關聯、制約，多因素綜合評估不能直觀反映各功能間的耦合協調程度。耦合協調度可反映各功能間的協調程度[24-25]，權衡強度可簡單直觀量化耕地生產、生態、社會保障功能之間的權衡關系。因此本文分別測算耕地生產、生態、社會保障功能的耦合協調度和權衡強度，并綜合二者的異同確定研究區內耕地利用多功能的權衡關系。

3.3.1 耦合度與協調度測算

借鑒李裕瑞等改進的耦合協調度[24]，推演得到耕地利用多功能耦合協調度測算模型：

式（4）—式（6）中：T為耕地利用多功能綜合指數；CF1、CF2、CF3分別為耕地的生產、生態、社會保障功能指數；C為多功能耦合度；D為多功能協調度。

3.3.2 權衡強度測算

采用Bradford和D’Amato提出的生態系統服務權衡關系量化方法來量化耕地利用多功能間的協調關系[19-20]。基本思想如圖1所示，1∶1線表示多功能平衡，某點至1∶1線的距離為權衡強度，其數值等于均方根誤差（RMSE），公式如下：

式（7）中：DFi為第i功能分值（標準化之后的值）；為第i功能數學期望，n為功能個數。

圖1 耕地利用多功能權衡圖示說明Fig.1 Illustration of the trade-offs among multifunctionality of cultivated land use

3.4 耕地利用多功能組合類型及分區

在耕地利用生產、生態、社會保障功能測度和多功能權衡關系測度基礎上，以自然斷點法將各功能分值、協調度、權衡強度劃分為高中低三級，根據排列組合特征劃分多功能協調區，如表2所示。

多功能高協調區三種功能均較強，且協調度高、權衡強度低，低協調區則與此相反；單功能主導區協調度低、權衡強度高，主導功能的功能分較高；兩大功能協調區協調度和綜合權衡強度均處于中等水平，對應的權衡強度較低、功能分較高。

4 結果與討論

4.1 耕地利用多功能空間分異特征

根據層次分析法和熵權法確定耕地的生產功能、社會保障功能指標權重，以層次分析法和因素成對比較法確定耕地的生態功能指標權重后，采用綜合指數法得到河南省耕地利用生產、生態和社會保障功能評估結果，各功能指數空間分布見圖2。

耕地利用生產功能以焦作、新鄉、商丘最強，功能指數介于0.505～0.785之間。其分布特征與豫北平原、豫東黃淮平原、豫南南陽盆地三個農產品提供區相互對應，農產品主產區的作物生產尤其是糧食生產是剛性要求，生產功能整體較強。

豫東平原的漯河、駐馬店、周口等及南陽區域生態功能較強，西部地區和市轄區功能指數低于0.462。生態功能空間上呈現由鄭州、開封、南陽等市中心向外圍逐漸增強的趨勢，主要原因是豫東、豫南地區自然基礎條件較好，而西部靠近太行山、伏牛山及桐柏—大別山區等生態調節功能區的耕地資源少，分布零星、連片度低，市轄區相對郊區及農村地區耕地稀少且破碎度高，耕地生態建設不強。

中原城市群社會保障功能最高，各市區由中心向外逐漸減弱。其中鄭州、新鄉城市組團以0.267～0.596之間的高功能指數居首，洛陽及周邊區域功能指數則低于0.154，社會保障功能最弱。這一特征與國土生態功能分區的人居保障功能區基本對應。中原城市群及周邊重點城鎮經濟發達、地理區位條件良好，耕地利用多以滿足日常所需的經濟作物為主，人均收入較高，社會保障功能強。

表2 耕地利用多功能分區規則Tab.2 Classi fi cation rule of multi-functionality of cultivated land use

圖2 河南省耕地利用多功能空間分布Fig.2 The distribution of multi-functionality of cultivated land in Henan Province

4.2 耕地利用多功能耦合度與協調度

河南省耕地利用多功能區域耦合度整體北高南低（除南陽和商丘東部外），其中中原城市群耦合度普遍高于0.9，表現出多功能區域發展的高度相關性。河南省耕地利用多功能協調度在空間上表現為中原城市群＞豫北＞豫西南＞豫東，高值區位于0.629～0.777之間，多功能協調發展；而三門峽、洛陽南部協調度低于0.546，處于全省最低水平，各功能發展不均衡。該結果與河南區域協調水平空間分布呈現出的特征高度一致。其中，經濟發達的中心城市資源承載力差，生態功能相對較弱，多功能協調度相對較低，斑塊狀鑲嵌于協調度高的區域之間；豫西南的伏牛山、桐柏—大別山等區域的耕地自然生態條件較好，而破碎、分布零散導致耕地利用程度不高，生產、社會保障功能較低，協調度由此普遍較低。

4.3 耕地利用多功能權衡強度

耕地利用多功能權衡強度越高，其功能協調性越低，故權衡強度與協調度在意義上是一致的。河南省耕地利用多功能兩兩間及綜合權衡強度如圖3所示。

河南省耕地利用生產—生態權衡強度低值區（0.007～0.137）集中分布于豫東平原廣大區域和豫南南陽地區，高值區（0.214～0.420）在鄭州、開封及信陽南部地區，88.67%的縣域權衡強度高于0.100；生產功能和生態功能數據點大部分更偏向于生態功能。從生產—社會保障權衡強度圖及散點圖中可知鄭汴都市區權衡強度低（＜0.156），權衡強度高（0.242～0.469）的區域更偏向于生產功能。生態—社會保障權衡強度在大部分區域空間分布上與生產—生態恰好相反，但在數值分布上與生產—社會保障之間權衡強度類似，其中98.1%縣域的權衡強度高于0.050，協調性差，且生態功能更強。

綜上，結合綜合權衡強度，中原城市群三種功能的權衡強度最小（均低于0.123）、協調性最好，豫東地區權衡強度最大（介于0.177～0.337之間）、協調性差，各功能協調關系與協調度分析結果高度一致，故可綜合多功能耦合協調度和權衡強度確定多功能間的協調關系。

4.4 耕地利用多功能分區與優化措施

由于區域的自然生態條件及社會經濟發展水平的不同，河南省耕地利用多功能性及權衡關系呈現出了明顯的空間異質性，基于表2的8大類型，將河南省劃分為6大耕地利用多功能協調區。

河南省耕地中占比最大的是單功能主導區（接近50%），其中又以生產功能主導區為主；其次是生產—生態協調區；高、低協調區占比最少，均低于4%，高協調區緊密分布于生產—社保協調區的地市及周邊，低協調區則主要分布于豫西地區。耕地占比面積最大的生產主導區與生產—生態協調區，二者之和超過總耕地面積的60%，突出表現了糧食大省的生產優勢。

河南省是糧食生產大省同時人地關系緊張，基于上述研究結果和分區，河南省要充分重視耕地生產功能，最大可能提高糧食生產質量和耕地利用水平，發揮耕地生態保護功能優勢和社會保障功能,采取差別化發展模式。各功能分區優化建議包括以下方面：

Ⅰ多功能高協調區分布于鄭州、新鄉和周口地區，耕地利用多功能協調發展，應把握區位優勢，在嚴格遵守生態環境保護政策的同時，保持多功能協調發展并發展優勢產業，加強生態休閑觀光田園綜合體等的建設，促進農業空間多功能復合利用，進一步提高耕地利用水平及社會經濟發展水平。

Ⅱ多功能低協調區主要分布于耕地較為貧乏且利用難度較大的豫西山區，耕地資源的整體利用水平不高，多功能協調度明顯較低，未顯示出功能優勢。故該類型區應結合實際加強耕地多功能尤其是生產功能利用水平，如加大技術投入和資金扶持，重點提升耕地生態質量包括生物量、有機質含量等，改善產地環境，提升糧食生產能力。但針對其中以嵩縣為代表不適宜進行糧食種植的區縣，應推廣當地特色藥材、食用菌等的種植。

Ⅲ單功能主導區應注重保持并提升其優勢功能，同時穩步提升其他功能。其中生產功能主導的駐馬店、信陽等糧食核心區，應加強高標準農田建設，打造糧食生產功能區品牌，保證糧食穩產高產和耕地生態質量，并適當種植花生、煙葉等特色經濟作物，提高農民的收入，增強社會保障功能；生態功能優勢明顯地區較少且分布零星，應注重發展耕地的生產效率和經濟產出，提升糧食良種質量以提高糧食供給水平；社會保障功能主導區在濟源、南陽、洛陽等少量分布，人口密度低、耕地壓力較小，一定程度上能保障人民生活所需，但生產、生態功能均不強的現狀不利于長期發展。應加強政策引導，鼓勵提高糧食單產，支持發展高效種養業和生態農業，加強土壤污染治理和監管力度，保證耕地資源的可持續及多功能利用。

圖3 河南省耕地利用多功能權衡強度空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of trade-off degrees of multi-functionality of cultivated land use in Henan Province

Ⅳ生產—生態協調區主要分布于黃淮平原，是重要的糧食生產區，該地區人口密度和社會經濟需求較大，社會保障功能未能滿足需求，為保證社會穩定和經濟的進一步發展，應積極調整產業結構，發展特色農業等加快經濟發展，同時政府通過財政轉移支付和政策性投資等形式對該區域進行補償等提高社會保障能力。

Ⅴ生產—社保協調區分布于靈寶市、盧氏縣、洛寧縣等少部分地區，該類型區域耕地使用過度、日漸貧瘠，生態功能低下，反過來給生產和社會保障功能造成負面影響。故該區域的發展重點是維護和改善區域耕地生態狀況，通過改善耕地利用模式、土地整治等，逐步減輕農業面源污染，提高耕地質量及生產水平，走集約高效生產道路，加強社會保障能力。

Ⅵ生態—社保協調區主要包含汝州市、禹州市、唐河縣等，能保障糧食基本需求且耕地生態質量良好，但耕地資源較少且農業生產定位不高，糧食供給量相對較低，后期發展應整合零星耕地、改良耕地土壤環境以提高耕地利用的效率，從而提高糧食產量和質量，提升生產功能。

5 結論與展望

本文分析了河南省耕地利用多功能空間分布異質性，在此基礎上結合協調度和權衡強度兩種方法重點研究了多功能權衡關系的區域差異，劃分不同耕地利用多功能協調區并提出相應的優化措施。主要結論如下：

（1）本文綜合各功能分值、多功能協調度、綜合權衡強度及各功能兩兩間權衡強度，可客觀反映河南省耕地利用多功能間權衡關系及其空間分布差異，解決了以往對耕地利用多功能協調發展的忽視問題。從評價結果來看，生產、生態及社會保障功能均呈現明顯的空間異質性，耕地利用三大功能權衡關系差異明顯，協調發展程度不一。故而結合多功能分值和權衡關系描述耕地多功能利用情況使結果更客觀全面。

（2）依據多功能間的權衡關系，本文將河南省耕地劃分為多功能高協調區、多功能低協調區、單功能主導區、生產—生態協調區、生產—社會保障協調區、生態—社會保障協調區6大多功能協調區。其中生產功能主導區、生產—生態協調區分別占有33.69%和30.96%，累計超過60%，而高協調、低協調區均較少。

（3）結合地區社會經濟發展和社會需求分析各多功能類型和權衡關系分布特征，提出針對六大區域的耕地利用多功能優化建議，促進河南省耕地利用多功能全面協調發展，以期為農業空間管控提供政策建議和決策支持。

耕地利用多功能協調發展是一個長期的過程，本文只選取了一期數據分析河南省耕地利用多功能間的權衡關系，還應深入分析同一區域耕地利用多功能權衡關系的動態變化；同時，本文選取了耕地利用中的三種典型功能進行分析，更全面的多功能權衡關系測度在下一步研究中應受到重視；本文以自然斷點法劃分各功能分值、協調度及權衡強度的等級作為分區依據，是否有更科學合理的劃分等級方法仍有待探索；本文分區優化措施主要側重于各區域耕地利用宏觀上導向性的建議，未對區內每一個縣、村及農戶經營組織等制定精確詳細的操作指南，今后應探討更有利于實施的微觀、具體的措施。