山東省耕地多功能耦合協調度時空格局分析

路 昌 耿 昊 劉 蕊 呂永強

(1.山東建筑大學管理工程學院，濟南 250101； 2.山東建筑大學測繪地理信息學院，濟南 250101)

0 引言

耕地是人類食物以及基礎資源的來源，耕地的農業生產功能(提供農副產品以滿足基本物質需求)一直受到學術界重點關注[1]。隨著社會經濟的發展和知識體系的豐富，耕地社會保障功能(提供就業崗位及經濟來源以保障農民基本生活)、生態環境功能(調節大氣組分與豐富生物多樣性)和景觀格局功能(提供規整耕作風景)等其他功能逐漸顯現[2-3]。受自然資源條件、社會經濟發展方向、耕地資源數量等多因素的影響，傳統耕地資源發展模式以耕地單功能增長的退耦化模式[4]為主，耕地多功能發展不均衡，隨著農業產業化升級[5]，傳統耕地資源發展模式已無法滿足人們對耕地多功能的需求。耕地多功能耦合協調發展模式有利于緩解耕地需求無序競爭、促進耕地多功能統籌利用，為耕地資源保護提供了全新思路。

20世紀90年代初，聯合國環境與發展大會提出“農業多功能性”的概念[5]，耕地多功能受到國內外學者的普遍關注。國外學者多以耕地多功能指標體系構建[6]、理論框架分析[7]為研究重點；國內學者的研究主要集中于耕地多功能內涵及保護[4]、單功能及多功能評價與空間特征分析[8-9]、多功能權衡與協同分析[3,10]等方面。在指標體系構建方面，大多數學者以“三生”體系為基礎，重點關注生產、生活、生態功能[11-12]，也有少數學者將生產或生態功能進行細分，重點關注耕地的單功能演變[2]。研究尺度多以國家[13]、省[14-15]、市[16-17]等宏觀尺度為主，以縣區為研究單元的研究較少。研究方法主要有全排列多邊形法[15]、空間自相關模型[10]、耦合協調度模型[18-19]等，但以耕地多功能耦合協調度為基礎進行空間格局分析的研究鮮見報道。

山東省是我國糧食主產區和農業大省，隨著經濟社會的發展及糧食需求的不斷增長，耕地資源短缺、生態系統承載力下降、退耦化等問題日益突顯，阻礙了耕地功能協調發展。2019年《國務院關于促進鄉村產業振興的指導意見》明確提出，要踐行綠水青山就是金山銀山理念，嚴守耕地和生態保護紅線，保護環境，促進農村生產、生活、生態協調發展。2020年國務院先后發布了關于防止耕地“非農化”、“非糧化”，穩定糧食生產的意見。在此背景下，探討耕地各功能之間的耦合協調關系，對促進耕地多功能協調發展具有重要意義。本文以山東省為研究區，構建綜合評價指標體系，揭示耕地多功能性，運用耦合協調度及空間自相關模型對耕地多功能耦合協調度時空關聯格局進行分析，揭示耕地各功能協調發展的空間分布規律，為耕地區域差異化治理、提升耕地綜合功能提供依據。

1 研究區概況

山東省位于我國東部沿海地區，地理坐標34°22.9′～38°24.01′N，114°47.5′～122°42.3′E，地形以平原為主，地勢整體呈“中部高四周低”的態勢，屬溫帶季風氣候，雨熱同期，光照充足，適合農作物生長。截至2015年末，山東省共17個地級市，137個縣級行政單位，區域土地總面積1.56×107hm2，耕地面積7.62×106hm2，占全國的4.58%，但糧食總產量與農業總產值的占比分別為7.60%和8.60%，是我國的糧食主產區和農業大省。另一方面，山東省農藥化肥使用量近十年僅次于河南省，農藥化肥的過度使用使土壤污染嚴重，耕地生態環境惡化，生產力降低，制約耕地多功能均衡發展。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文所使用的土地利用變化遙感監測數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心構建的“全國陸地區域多時相土地利用現狀數據庫”(http:∥www.resdc.cn)，空間分辨率為30 m×30 m(2005、2010、2015年)，社會經濟數據數據來源于2006、2011、2016年《中國縣域統計年鑒》、《山東省農村統計年鑒》及各地市統計年鑒。因部分縣區指標數據不全，本文將數據空缺較多的縣區(如長島縣、歷下區、李滄區等)刪除，最終選取研究區內132個縣區為基本研究單元。

2.2 研究方法

2.2.1耕地多功能評價指標體系構建

耕地功能是耕地為人類生存發展提供各類必要資源的能力，主要包括生產、生活、生態及各項衍生功能，多功能是耕地的重要特征。借鑒相關耕地功能分類研究成果并結合研究區耕地情況，本文將耕地功能劃分為農業生產、景觀格局、社會保障和生態環境功能4類[20-23]，并根據系統性、代表性、客觀性和可操作性原則[8,15]選取15個評價指標構建耕地多功能評價指標體系(表1)。①農業生產功能表現為物質產出能力，是耕地的基本功能。糧食作物及經濟作物是耕地的主要產物，因此選取二者的單產反映耕地生產力，與農業生產功能呈正相關；通過人均耕地面積可以反映人均可利用的耕地資源狀況；耕地墾殖率是區域耕地面積占該區域土地面積的比重，反映區域土地資源開發利用的程度。②社會保障功能主要表現為耕地為農村居民帶來經濟收益及就業機會的能力。農業從業人員占從業人員比重可以直接反映農民對耕地的依賴程度；農村人均農業收入側重于反映耕地對農民收入的支持保障作用[21]；耕地單位年收益越多則耕地具有更高的經濟效益；農業機械化水平可以反映出地區農業生產對勞動力的吸納能力，以農業機械總動力與農業從業人員比值來表示，機械化水平越高，耕地對勞動力的吸納能力越低，耕地的就業保障能力越差，與社會保障功能呈負相關[22]。③景觀格局功能反映了耕地的景觀效果及美學價值。景觀多樣性是耕地類型占整個景觀的面積的相對比例，其值越大越具有觀賞性，景觀格局功能越強[8]；田塊規整度反映了耕地受人為影響的程度，田塊規整度是周長與面積的比值，比值越大說明耕地斑塊形狀越規整，耕地更具有美觀價值[24]；道路通達度是耕地一定范圍內村莊數量，反映了耕地各個斑塊之間道路的聯系程度，交通便利能夠促進景觀格局功能的提高。④生態環境功能反映了耕地生產對生態環境造成的影響。農用塑料薄膜強度、農藥化肥施用強度直觀反映了耕地生產的必要投入，二者強度越大則對生態環境的破壞越嚴重；農田生態多樣性指數反映了農作物種類，指數越大耕地生態恢復力越高，生態環境功能越強[23]；固碳釋氧量反映了耕地農作物對生態環境的改善程度[8]。耕地各個功能之間相互聯系，相互作用形成了耕地多功能。

表1 耕地多功能評價指標體系Tab.1 Multi-functional evaluation index system of farmland

2.2.2耕地功能值的計算

(1)數據標準化

由于各指標數據的單位不一致，且存在正向指標與負向指標，本研究采用極差標準化法對指標數據進行無量綱化處理，計算公式為

(1)

(2)

式中X′θij——標準化數值

Xθij——第θ年縣區i的第j個指標值

Xθijmin——第θ年縣區i的第j個指標最小值

Xθijmax——第θ年縣區i的第j個指標最大值

(2)確定指標權重

為進一步確定各指標對耕地功能的影響程度，參照文獻[25]對指標體系構建的結果采用熵值法初步確定客觀權重；參照文獻[26]利用Yaahp軟件確定主觀權重；最后結合主客觀權重，得到綜合權重Wj，計算公式為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中Wsj——第j個指標的主觀權重

m——縣區總數與年數乘積

ej——第i個指標的信息熵

Yij——縣區i的第j個指標值比重

Yθij——第θ年縣區i和j個指標值比重

Woj——第j個指標的客觀權重

θ——研究時長，a

(3)功能值計算

參照文獻[18]，對農業生產、社會保障、景觀格局、生態環境功能指數進行測算，計算公式為

(7)

(8)

(9)

(10)

式中Fagri——耕地農業生產指數

Fsoci——耕地社會保障指數

Fland——耕地景觀格局指數

Fecol——耕地生態環境指數

w(agri)i——耕地農業生產功能評價的第i項指標的權重

w(soci)i——耕地社會保障功能評價的第i項指標的權重

w(land)i——耕地景觀格局功能評價的第i項指標的權重

w(ecol)i——耕地生態環境功能評價的第i項指標的權重

X′(agri)i——耕地農業生產功能第i項指標標準化數值

X′(soci)i——耕地社會保障功能第i項指標標準化數值

X′(land)i——耕地景觀格局功能第i項指標標準化數值

X′(ecol)i——耕地生態環境功能第i項指標標準化數值

2.2.3耦合協調度計算

耕地各功能之間并不獨立存在，其農業生產、社會保障、景觀格局、生態環境功能之間存在著相互促進、相互制約的影響。本研究通過耦合協調度模型來表達耕地各功能之間的相互關系，計算公式為

(11)

其中

(12)

T=αFagri+βFsoci+γFland+ηFecol

(13)

式中C——耦合度，取值范圍為0～1

D——耦合協調度

T——耕地農業生產、社會保障、景觀格局、生態環境功能的綜合評價指數

α、β、γ、η——待定系數

本文采用熵值法與層次分析法綜合確定α、β、γ、η，可得α=0.26、β=0.34、γ=0.18、η=0.22。

2.2.4空間自相關分析

(1)全局自相關分析

由于耕地各功能在空間分布特征上對鄰域有不同程度的影響，通過建立空間自相關分析模型對耕地權衡與協同的空間布局的變化進行探究[24-25]。全局自相關分析通過Global Moran’sI指數(GMI)表示，取值范圍為[-1，1]，當GMI<0，耕地各功能之間呈現負相關關系；GMI>0，呈現正相關關系；GIM=0，則不存在相關關系，計算公式為

(14)

式中Xi、Xj——區域i、j的指標值

n——研究區總個數

Eij——區域i、j的鄰近關系，當Eij=1則耕地i、j相鄰，當Eij=0則耕地i、j不相鄰

(2)局部自相關分析-熱點分析

為了解局部區域是否存在高低值聚類，采用熱點分析方法研究局域空間相關性[27]，計算公式為

(15)

Wij——縣區i第j個指標的綜合權重

3 結果與分析

3.1 耕地多功能時空差異分析

將山東省各縣區耕地功能值結果進行可視化處理，利用耕地單項功能等級圖探究耕地單項功能的空間分布特征。參照文獻[18]，建立分級評價標準：功能指標值F∈[0，0.20]，為低值水平；功能指標值F∈(0.20，0.40]，為較低值水平；功能指標值F∈(0.40，0.60]，為中值水平；功能指標值F∈(0.60，0.80]，為較高值水平；功能指標值F∈(0.80，1]，為高值水平。

3.1.1農業生產功能

2005—2015年間，山東省耕地農業生產功能整體呈現顯著增長趨勢，48個縣級單元功能等級上升，分布較為廣泛。較高值水平區域由2005年的3個增加到2015年的21個縣級單元，由零星分布轉變為連片分布，主要集中在魯西平原和魯北平原地區，該區域高程和坡度較低、水資源豐富、耕地面積和質量均處于較高水平。研究期間中值水平區域不斷擴張，縣級單元數量由60個增長到68個，廣泛分布于研究區范圍內。較低值水平區域縣級單元數量減少了24個，主要分布于魯北平原、魯中南山地丘陵及膠東半島地區，該區域地形起伏較大、耕地細碎化嚴重、不適宜農業規模經營，農業生產功能較弱。低值水平區域縣級單元數量較少，研究末期僅有淄川區處于低值水平。研究區農業生產功能總體呈現由以中值和較低值水平為主逐步向以中值和較高值水平為主發展的趨勢(圖1)。

3.1.2社會保障功能

研究期間山東省耕地社會保障功能變化明顯，整體呈現上升趨勢。2005年有130個縣級單元社會保障功能處于低值和較低值水平，僅棲霞市和福山區為中值水平；2005—2010年，研究區社會保障功能增長明顯，28個縣區功能值水平提高；2010—2015年全省社會保障功能進一步加強，54個縣區達到中值及以上水平，其中16個縣區位于膠東半島地區，該地區農業生產以種植經濟作物為主，耕地單位年收益較高，社會保障功能發展較快。研究末期，棲霞市為唯一高值水平地區，當地規模化的水果種植產業推動農村經濟快速發展，提供大量就業崗位的同時顯著增加農戶人均農業收入，社會保障功能突出。研究期間山東省社會保障功能值空間分布無明顯聚集現象(圖2)。

3.1.3景觀格局功能

山東省景觀格局功能在研究期間基本保持穩定。2005—2010年，研究區132個縣級單元中僅8個發生變化，其中萊城區、平原縣和寧陽縣功能增長，廣饒縣、即墨市、濟南市中區、棗莊市中區和淄川區功能降低。2010—2015年，7個縣區景觀格局功能降低，125個縣級單元功能保持穩定。研究期間，低值與較低值水平主要分布在濟南、青島、煙臺、淄博和棗莊等地區，濟南、青島和煙臺近年來社會經濟高速發展，城市規模快速擴張過程中占用大量優質耕地導致當地耕地非農化、細碎化現象十分突出；淄博市和棗莊市均為資源型城市，耕地資源相對匱乏。中值與較高值水平主要分布在濰坊市和菏澤市，該地區經濟結構以農業生產為主，耕地資源豐富且連片度高，具有一定規模的農田景觀生態系統(圖3)。

3.1.4生態環境功能

2005—2015年研究區生態環境功能呈現小幅降低趨勢，整體以中值和較高值水平為主，二者數量之和占比大于97%；不同級別規模小幅變化，主要表現為中值與較高值水平的相互轉變，其中16個縣級單元由中值轉為較高值水平，19個縣級單元由較高值水平降低為中值水平。研究期間生態環境功能總體呈現一定的空間聚集分布，中值水平縣區分布于魯北平原及膠東半島等社會經濟發展較快、人為活動干預較多的地區。較高值水平縣區集中分布在魯西平原和魯中南山地丘陵地區，魯西平原農田生態系統多樣性豐富，固碳釋氧量較高，生態環境優異；魯中南山地丘陵地區地形起伏較大，不適宜規模化耕種，農業機械化水平低，耕地生態環境受人為影響較小，自然條件較好(圖4)。

3.1.5綜合功能

在農業生產技術提高、社會經濟發展、人們生活需求增加等不同因素影響下，2005—2015年研究區耕地綜合功能呈現持續增長趨勢，28個縣區綜合功能等級上升，其中農業生產、社會保障、景觀格局和生態環境功能增長數量分別為26、28、3、14個。結果表明，研究期間山東省農業生產和社會保障功能對耕地綜合功能增長有較強推動作用，景觀格局和生態環境功能影響相對較小。2015年，研究區132個縣區中108個為中值水平，21個縣區為較低值水平，僅有濟陽縣、茌平縣和壽光市3個縣區為較高值水平，整體綜合功能水平有待提升。壽光市綜合功能值最高，為0.62，其農業生產、社會保障和景觀格局功能值均為全省最高，該市耕地質量優越，面積廣闊，以蔬菜種植為主，農業生產實現了規模化經營、區域化布局和產業化管理，帶動當地農民收入提高，耕地功能提升顯著；最低值為青島市城陽區，功能值僅為0.27，其農業生產、社會保障和景觀格局功能均為低值水平，在經濟建設占用耕地、水土流失等問題影響下，區域耕地面積不斷減少，農業發展基礎薄弱，農業從業人員少，經營粗放，耕地綜合功能提升困難(圖5)。

3.2 耕地多功能耦合協調度分析

耕地的農業生產、社會保障、景觀格局、生態環境功能之間存在一定相互聯系、相互影響的關系，四者形成了一個開放、復雜的系統。在耕地利用過程中，各功能共同作用，任意一種功能的無序發展都會導致系統耦合協調度的下降。隨著社會的發展，土地作為城鎮與工業發展的空間載體，人類對建設用地的需求不斷提高，耕地“非農化”問題不斷出現，嚴重影響耕地綜合功能。與此同時，科學技術不斷進步，農藥化肥、農業機械、塑料薄膜等廣泛運用于農業生產，耕地物質產出、經濟效益及生產效率大幅提高，農業生產功能增強；但是，農藥化肥的過量使用會對耕地造成負向反饋，影響生態環境功能；農用機械的大量投入會減少單位耕地可提供就業崗位，降低社會保障功能。因此，耕地不同功能之間耦合協調程度對耕地綜合功能影響明顯，對耕地不同功能耦合協調情況進行分析，可為提升耕地綜合功能提供一定的科學依據。

參照文獻[28]，將研究區耕地多功能耦合協調度劃分為4個等級：低水平耦合階段(耦合協調度為0～0.4)、拮抗階段(耦合協調度為0.4～0.6)、磨合階段(耦合協調度為0.6～0.8)、成熟階段(耦合協調度為0.8～1)，并將不同階段劃分若干亞級(表2)。研究期間山東省耕地多功能耦合協調度整體呈顯著上升趨勢，主要表現為從以拮抗階段為主逐步提高到以磨合階段為主，拮抗階段的縣區由36個減少到17個，磨合階段的縣區由95個增長到115個；研究期末沒有縣區處于低水平耦合階段和成熟階段。研究區耕地多功能耦合協調度地域差異較為明顯，魯西平原地區耦合協調度一直處于相對較高水平，由以輕度磨合協調階段為主過渡到以高度磨合協調階段為主，耕地各單項功能水平較高；膠東半島地區耦合協調度增長迅速，研究期末9個縣區由輕度磨合階段增長為高度磨合階段，社會保障與景觀格局功能持續增長，區域耕地各功能發展趨于平衡；魯中南山地丘陵地區由拮抗階段發展到磨合階段，受地形限制，大部分耕地不適合規模化集約化經營，耕地生態環境功能與農業生產、景觀格局功能差異較大，耦合協調度較低。濟南市和青島市作為山東省經濟發展核心城市，耕地資源以實現生態環境和社會保障功能為主，農業生產和景觀格局功能較低，各單項功能間發展不均衡，耦合協調度處于低值(圖6)。

表2 耕地多功能耦合協調度等級劃分Tab.2 Coordination level division of farmland function

3.3 耕地多功能耦合協調度空間自相關分析

利用全局空間自相關模型對研究區耕地多功能耦合協調度分析并做出Moran散點圖(圖7)，山東省耕地功能耦合協調度Global Moran’sI指數為0.36、0.32、0.32，均大于0，Z值為6.99、6.21、6.10，均大于1.65，通過顯著性水平α=0.05檢驗，表現為顯著空間相關性，表明研究期間山東省耕地多功能耦合協調度的空間分布具有一定規律且空間相關性逐漸降低。散點圖中點主要分布于第一象限(高-高聚集)和第三象限(低-低聚集)，第二象限(高-低聚集)和第四象限(低-高聚集)數量較少，說明研究區耕地多功能耦合協調度空間正相關性較強，具有較高的空間聚集性。

利用局部空間自相關分析模型將山東省耕地多功能耦合協調度劃分為5個等級：顯著H-H區、顯著H-L區、非顯著區、顯著L-H區和顯著L-L區，得到耕地功能局部空間關聯圖(表3和圖8)。研究期間，不同類型區空間分布變化明顯。顯著H-H區由分布于魯西和魯北平原逐漸集中分布于魯西平原北部，由18個減少為11個縣區，該區域耕地各功能發展均衡，耦合協調度較高，縣級單元之間存在高協調輻射；2005年顯著L-L區主要分布于魯中南山地丘陵地區，2015年逐漸集中于膠東半島地區，由10個減少到8個縣區，該區域耕地農業生產功能和景觀格局功能較低，耕地各功能耦合協調度較低，縣區之間存在低協調輻射；顯著L-H區和顯著H-L區占比較少，變化不明顯，其中顯著L-H區為高耦合協調縣區周圍與低耦合協調縣區相鄰，分布于魯中南山地丘陵地區南部；顯著L-H區為低耦合協調縣區周圍與高耦合協調縣區相鄰，呈現零星分布。根據分析結果可將研究區劃分為不同區域，顯著H-H區耦合協調度為高度磨合協調，空間分布高度集中，耕地功能發展較好，可劃為“優勢協調區”；顯著L-L區耦合協調度表現為拮抗協調，可劃為“全面改良區”；顯著H-L區中心縣區為高度磨合協調，周邊縣區為拮抗協調，受周邊縣區影響易轉變為顯著L-L區，可劃為“適度保護區”；顯著L-H區情況與顯著H-L區相反，可劃為“重要改良區”；針對不同區域實行差異化管理和調控，充分發揮各區域優勢，進一步提高顯著H-H區(魯西平原地區)耕地耦合協調度，帶動周邊地區多功能協調發展。

表3 2005—2015年耦合協調度空間自相關類型的縣區個數及占比Tab.3 Number and proportion of counties with spatial autocorrelation type from 2005 to 2015

結合耕地多功能耦合協調度空間分布圖(圖6)分析可知，顯著H-H區對應的主要是高度磨合協調區，其中2005年由于協調度普遍較低，顯著H-H區與輕度磨合協調對應；顯著H-L區主要對應的是輕度和高度磨合協調區；非顯著區主要對應輕度磨合協調區；顯著L-H區主要對應輕度拮抗協調區域；顯著L-L區主要對應輕度不協調和高度拮抗協調區域。可見，基于局部空間自相關分析得到的耦合協調度的空間關聯圖與其空間分布的實際情況基本相符。

3.4 討論

運用耦合協調度及空間自相關模型對山東省耕地多功能耦合協調度時空關聯格局進行分析。結果表明以耦合協調度為基礎分析時空格局更準確反映了耕地各功能協調發展的空間分布規律。但由于耕地功能分類尚未統一以及數據的可獲取性，指標體系還需進一步完善和優化。例如：農業生產功能作為耕地最基本功能，本文共選取4個指標，后期可以增加人均糧食保證率，進一步完善農業生產功能評價體系；社會保障功能相關指標可進一步劃分為就業保障與經濟保障，使各個指標更準確反映與功能之間的關系。

4 結論

(1)2005—2015年，耕地各單項功能時空格局變化差異明顯。農業生產功能整體呈顯著增長趨勢，魯西平原地區作為糧食主產區增長較為明顯，魯中南山地丘陵地區功能較弱；社會保障功能整體呈現上升趨勢，較高水平集中分布在膠東半島地區；景觀格局功能基本保持穩定，低值與較低值水平主要分布在濟南、青島等經濟發達地區，中值與較高值水平主要分布在濰坊市和菏澤市；生態環境功能呈小幅降低趨勢，整體以中值和較高值水平為主，中值水平分布于魯北平原及膠東半島等地區，較高值水平集中分布在魯西平原和魯中南山地丘陵地區。研究期間，山東省耕地綜合功能持續增長，以中值水平為主，農業生產和社會保障功能對耕地綜合功能增長有較強的推動作用，景觀格局和生態環境功能影響相對較小。

(2)山東省耕地多功能耦合協調度由拮抗階段向磨合階段逐步提高，研究期末沒有縣區處于低水平耦合階段和成熟階段，地域分布差異較為明顯。農業發展重點地區耦合協調度水平高于經濟發展重點區域：耦合協調度增長區主要分布在以傳統農業發展為主的魯西平原地區，應重點提升該區耕地景觀格局和生態環境功能，加快由傳統農業向現代生態農業轉型，進一步提高耦合協調度；濟南、青島作為經濟發展重點地區，城鎮化及工業化進程加快，耦合協調度處于拮抗階段，應重點提升該區耕地農業生產和景觀格局功能，提高土地集約利用水平，強化土地用途管制，切實保護耕地，增強耕地各功能間的聯系，促進各功能均衡協調發展。

(3)山東省耕地多功能耦合協調度具有較高的空間聚集性，空間相關性逐漸降低，不同類型區空間分布變化明顯。顯著H-H區與顯著L-L區空間聚集性較強，顯著H-H區由魯西和魯北平原逐步向魯西平原北部集中收縮，顯著L-L區由魯中南山地丘陵地區向膠東半島地區轉移，數量不斷減少，尤其青島市區最為集聚；顯著L-H區與顯著H-L區數量較少，空間分布零散。