城鄉(xiāng)梯度下的耕地多功能價值空間分異特征

高 星，宋昭穎，李晨曦，查理思，梁思源，湯懷志

城鄉(xiāng)梯度下的耕地多功能價值空間分異特征

高 星1，宋昭穎1，李晨曦2，查理思3，梁思源4，湯懷志5

（1. 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)公共管理學(xué)院，石家莊 050061；2. 西安建筑科技大學(xué)公共管理學(xué)院，西安 710311；3. 廣東財經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院，廣州 510320；4. 鄭州大學(xué)政治與公共管理學(xué)院，鄭州 450001；5. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

顯化耕地多功能價值的空間分異規(guī)律有助于完善耕地保護政策。該研究以2018年石家莊市遙感影像和統(tǒng)計年鑒為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別計算基于地塊尺度耕地的物質(zhì)生產(chǎn)功能、生態(tài)維持功能和社會保障功能的價值，并引入梯度分析方法，以城市中心為原點分別設(shè)置梯次環(huán)和采樣條帶，對其價值變化進行梯度分析。結(jié)果表明：1）2018年石家莊市耕地總功能價值沿“城-鄉(xiāng)”呈現(xiàn)出“上升-下降”的倒“U”型變化趨勢，在第四環(huán)價值達(dá)到倒“U”型趨勢的頂點。1～5環(huán)各項功能價值呈上升趨勢，7～10環(huán)各項功能價值顯著下降。2）基于梯次環(huán)的分析發(fā)現(xiàn)距離石家莊城市中心10～40 km的1～4環(huán)耕地各功能價值最高，其中物質(zhì)生產(chǎn)功能在4環(huán)達(dá)到峰值，生態(tài)維持功能在3環(huán)達(dá)到峰值，6～10環(huán)呈顯著下降趨勢。3）基于條帶的分析發(fā)現(xiàn)，在南北向條帶上耕地各功能價值變化呈“上升-下降”的倒“U”型趨勢，生態(tài)維持功能價值呈現(xiàn)出對稱的“M”形，東西向樣帶上社會保障功能價值在西部變化顯著，而生態(tài)維持功能價值在東部變化劇烈。

土地利用；耕地；多功能價值；梯度效應(yīng)；石家莊

0 引 言

耕地作為能夠同時提供生產(chǎn)、生活、生態(tài)等多重供給的物質(zhì)載體，其多功能特征越來越引起廣泛重視[1-4]。近些年來的城市快速擴張使耕地資源大量流失，加劇了城市發(fā)展與耕地保護之間的矛盾[5-6]。盡管中國實行了最嚴(yán)格的耕地保護政策，但由于對耕地價值的長期低估，導(dǎo)致城市再擴張中占用耕地的成本比較低，不但影響了中國糧食與生態(tài)安全，也對可持續(xù)發(fā)展提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[7]。城市核心區(qū)的集約土地利用和城市邊緣區(qū)的擴展土地利用體現(xiàn)出了城鄉(xiāng)梯度的復(fù)雜特征，這種梯度特征源于城市化導(dǎo)致的從城市到鄉(xiāng)村的人口聚集程度、經(jīng)濟發(fā)展水平、交通區(qū)位條件等空間分布的不均衡[8-9]。這一梯度差異的存在不僅影響了耕地的用地結(jié)構(gòu)、空間形態(tài)和聚集程度，同時也改變了耕地可能供給的功能類型遷移和服務(wù)能力[10-11]。通過城市中心到鄉(xiāng)村腹地的梯度帶或圈層的顯化耕地多功能價值空間分異特征，能夠更好反映區(qū)位條件、人類活動與耕地功能系統(tǒng)的動態(tài)交互關(guān)系，為量化耕地多功能價值提供了一個新的視角[12]。因此，探討在新型城鎮(zhèn)化背景下城鄉(xiāng)梯度下耕地功能價值的空間分異的規(guī)律性，對制定復(fù)合化耕地保護政策、實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有較強的理論和現(xiàn)實意義[13]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者們進一步認(rèn)識到耕地在保護遺產(chǎn)、糧食安全、保持空間平衡發(fā)展、維護生態(tài)平衡、傳承文化和維護社會穩(wěn)定等方面發(fā)揮著不可替代的作用[14-15]?；诓煌难芯壳腥朦c，學(xué)者們對耕地多功能內(nèi)涵的界定和功能類型劃分各不相同。Blum等[16]從功能類型劃分的角度提出了耕地系統(tǒng)的功能包括生產(chǎn)功能、生物棲息及基因庫、過濾緩沖功能等；Coyle等[17]認(rèn)為耕地具有生產(chǎn)、凈化水資源、碳固持以及生物棲息地等功能；De Groot[18]等指出耕地包含調(diào)節(jié)、棲息地、生產(chǎn)、信息等功能；趙華甫[19]認(rèn)為耕地以生產(chǎn)功能為主，兼顧生態(tài)、社會等功能；溫良友等[20]認(rèn)為耕地具有生產(chǎn)、生態(tài)、景觀、文化等功能。雖然學(xué)者們的分類體系各不相同，但綜合來看可將耕地多功能劃分為生產(chǎn)、生態(tài)、社會三大類。目前，國內(nèi)學(xué)者對耕地多功能的研究多集中在其層次性與保護[21]、權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究[22-23]、效應(yīng)及補償機制[24]、生態(tài)安全評價研究[25]、功能評價與價值測算[26-27]等方面。在耕地功能評價與功能值量化方面，常用的方法主要有價值當(dāng)量法、替代市場法、條件價值評估法、功能表征指標(biāo)體系法、能值法和評估模型等[28-29]。例如，辛蕓娜等[30]利用指數(shù)和法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，從土壤學(xué)內(nèi)部循環(huán)角度出發(fā)構(gòu)建了北京市大興區(qū)的耕地多功能評價體系；施園園等[31]用功能表征指標(biāo)體系法對北京耕地多功能演變及空間差異進行了研究；Smith等[32]以生態(tài)系統(tǒng)的碳收支、土壤碳儲量或固碳速率度量了農(nóng)田固碳能力；Richmond等[33]采用影子價格法評估了水田的水土保持功能價值；鐘守琴等[34]運用影子價格法和收益還原法測算了西南丘陵山區(qū)耕地的經(jīng)濟、社會和生態(tài)價值。總體來看，當(dāng)前關(guān)于耕地各功能價值的量化研究取得一定進展，但有些價值量化方法還存在一定的不足，如數(shù)據(jù)收集困難，缺乏可比性、主觀性較強等問題[35]。另外，現(xiàn)有研究主要采用以行政區(qū)劃或區(qū)域為對象、以耕地面積和經(jīng)濟社會統(tǒng)計資料為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的比較分析，在評價單元的精細(xì)化程度方面不足以反映城鄉(xiāng)耕地多功能空間演化特征的復(fù)雜性。

因此，在新時代城鄉(xiāng)融合發(fā)展和鄉(xiāng)村振興背景下，本研究選取石家莊市開展基于地塊尺度構(gòu)建耕地多功能價值量化研究，結(jié)合GIS技術(shù)顯化典型快速城市化地區(qū)沿“城-鄉(xiāng)”梯度的耕地多功能價值空間變化規(guī)律，以期為制定耕地多功能保護和可持續(xù)發(fā)展政策提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

石家莊市是河北省省會，地處河北省中南部，東與衡水市接壤，南與邢臺市毗連，西與山西省為鄰，北與保定市交界，位于37°27'～38°47'N，113°30'～115°20'E。截至2019年，石家莊轄8個區(qū)、11個縣、代管3個縣級市，總面積14 464 km2，常住人口1 103.12萬人，城鎮(zhèn)人口710.55萬人，城鎮(zhèn)化率64.41%。2019年，石家莊市耕地面積583 063.66 hm2，占區(qū)域面積40.31%。石家莊市是北方重要的糧倉，耕地質(zhì)量在全省范圍內(nèi)屬于較高等級。1998—2018 年間，石家莊市建設(shè)用地增加了將近60%，耕地減少了20%?？焖俚某擎?zhèn)化背景下，石家莊市建設(shè)用地需求、糧食安全保障、水資源短缺及城鄉(xiāng)居民對耕地功能需求的多元化對耕地資源的可持續(xù)、多功能利用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，是研究耕地多功能價值變化規(guī)律的理想研究區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用的數(shù)據(jù)包括2019年《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》，2019年《河北省土地調(diào)查統(tǒng)計年鑒》，《2019石家莊統(tǒng)計年鑒》，石家莊數(shù)字高程模型（DEM），2019年耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。石家莊土地利用現(xiàn)狀圖，采取2018年Landsat 8遙感影像進行土地利用分類，在ENVI5.3平臺下對影像進行裁剪預(yù)處理、監(jiān)督分類和分類后處理，參考中國科學(xué)院土地利用/覆被分類體系將其分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域及未利用地六類，分辨率為100 m×100 m。本文所用的Landsat 8 OLI_TIRS遙感影像來自于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）。

2 研究方法

2.1 耕地功能總價值測算

依照現(xiàn)有研究和當(dāng)前石家莊地區(qū)實際情況來看，耕地除了具備生產(chǎn)功能之外，還有維持生活、水源涵養(yǎng)、休閑娛樂等功能。因此本文將耕地的功能分為3種類型，即物質(zhì)生產(chǎn)功能、生態(tài)維持功能和社會保障功能，構(gòu)建了包含15項指標(biāo)的價值測算指標(biāo)體系（如表1），耕地功能總價值計算方法如下：

式中為耕地資源總價值，V為耕地物質(zhì)生產(chǎn)功能價值，V為耕地生態(tài)維持功能價值，V為耕地社會保障功能價值。

表1 耕地功能價值測算指標(biāo)

2.2 物質(zhì)生產(chǎn)功能價值測算

物質(zhì)生產(chǎn)功能作為耕地最傳統(tǒng)的功能之一，其產(chǎn)出的作物為人類的生存提供了物質(zhì)保證。由于石家莊位于中國九大糧食主產(chǎn)區(qū)之一的河北省，種植的作物以糧食作物（小麥、玉米）為主，因此本文只考慮耕地種植糧食作物（小麥、玉米）產(chǎn)生的價值，根據(jù)糧食作物的產(chǎn)量，通過市場價值法進行計算。

2.2.1 耕地物質(zhì)生產(chǎn)功能評價指標(biāo)分級

參考《自然資源分等定級通則》，將7個指標(biāo)分別劃分為5個等級，見表2。

表2 物質(zhì)生產(chǎn)功能評價指標(biāo)分級

2.2.2 物質(zhì)生產(chǎn)功能等級判定

根據(jù)以上7個指標(biāo)的等級評價分級情況對該研究區(qū)耕地物質(zhì)生產(chǎn)功能進行評價[36]，等級判定條件如表3所示。

表3 物質(zhì)生產(chǎn)功能等級判定

2.2.3 物質(zhì)生產(chǎn)功能價值核算方法

依據(jù)以上等級判定，物質(zhì)生產(chǎn)功能價值核算方法如下：

式中V為每個地塊的物質(zhì)生產(chǎn)功能價值（元/(hm2·a)），F為生產(chǎn)功能等級系數(shù)，為土地成本率，C為第種農(nóng)作物年產(chǎn)量（kg/(hm2·a)），P為第種農(nóng)作物價格（元/kg）。其中，基于當(dāng)年統(tǒng)計年鑒中糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)、耕地面積數(shù)據(jù)和當(dāng)年糧食作物市場價格，計算得石家莊市2018年糧食作物單位面積總收益為26 098.58元/hm2。單位面積作物種植成本（包括化肥、農(nóng)膜和農(nóng)藥3項）為5 204.39 元/hm2。

2.3 生態(tài)維持功能價值

耕地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵角色，具有重要的生態(tài)功能價值。耕地在發(fā)揮著物質(zhì)生產(chǎn)功能的同時，也對生態(tài)環(huán)境的維持和改善起到一定的作用。由于其發(fā)揮的生態(tài)價值難以直接量化，因此現(xiàn)有研究多從涵養(yǎng)水源、固氮釋氧和氣候調(diào)節(jié)等角度去計算耕地的生態(tài)價值[27]。也有部分學(xué)者參考謝高地[37]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值測算方法進行計算。本文考慮到實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)的可獲取性，另外考慮了農(nóng)膜和化肥對生態(tài)環(huán)境的影響，選取4個指標(biāo)測算耕地生態(tài)維持功能價值（如表1）。

由于研究區(qū)的耕地類型都為旱地、水澆地，所以僅用旱地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量來測算價值。生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子是生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)相對貢獻大小的潛在能力，經(jīng)分析確定1個生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子的經(jīng)濟價值量等于當(dāng)年全國平均糧食單產(chǎn)市場價值的1/7[37-38]。單位當(dāng)量因子價值量計算公式為

式中為單位當(dāng)量因子價值量；m為種糧食作物的播種面積（hm2）；q為種糧食作物的單位產(chǎn)量（kg/hm2）；為糧食作物種類；為種糧食作物的總播種面積（hm2）?；?019年石家莊統(tǒng)計年鑒得，當(dāng)年石家莊市平均糧食（小麥和玉米）單產(chǎn)市場價值為12 335.27元/kg /hm2。

根據(jù)當(dāng)量因子表和單位當(dāng)量因子價值量可計算耕地產(chǎn)生的生態(tài)維持功能價值，公式如下：

式中V為每個地塊的生態(tài)功能價值元/(hm2·a)，Y為地塊對應(yīng)的生態(tài)價值當(dāng)量因子（如表4），A為地塊對應(yīng)土地面積與單位面積（1 hm2）的比值，I為農(nóng)膜使用強度kg/(hm2·a)，P為每公頃農(nóng)膜價格，元/(hm2·a)，E為耕地利用環(huán)境負(fù)荷，P為每單位面積化肥價格，元/(hm2·a)。根據(jù)2019年石家莊農(nóng)村統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)可得農(nóng)膜價格為36.9萬元/hm2，平均每公頃化肥單價為23 846.5萬元/hm2。

2.4 社會保障功能價值

耕地的社會保障價值是基于中國現(xiàn)狀提出的，在社會保障機制不完善的情況下耕地提供的農(nóng)產(chǎn)品可以作為農(nóng)民的生活保障之一。本文選取了與農(nóng)村居民收支相關(guān)的指標(biāo)（表1），從農(nóng)村居民收入與支出的角度測算耕地的社會保障價值。

因為農(nóng)村人口和城鎮(zhèn)人口收入來源存在較大差異，農(nóng)村人口的主要收入大部分來源于農(nóng)作物的生產(chǎn)，所以引入農(nóng)村居民與城鎮(zhèn)收入的比值來適當(dāng)修正農(nóng)村居民人均收入。近年來，農(nóng)民從事非農(nóng)工作取得的收入占家庭總收入的比例不斷增大，耕地發(fā)揮的社會保障功能有所弱化。城鄉(xiāng)居民收入比指標(biāo)中，農(nóng)村居民依靠耕地獲得的收入是基本不變的，農(nóng)村居民收入越高，說明非農(nóng)收入越高，耕地的社會保障價值越小。如果只考慮耕地提供的社會保障價值可能會比真實水平偏高，因此引入折算系數(shù)對社會保障功能價值進行折算。

表4 不同生態(tài)系統(tǒng)類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量

式中V為耕地社會保障功能價值（元/(hm2·a)），為農(nóng)村家庭人均支出（元/(人·a)），E為農(nóng)村居民人均可支配收入（元/(人·a)），A為人均耕地經(jīng)營面積（hm2/人），k為農(nóng)村居民與城鎮(zhèn)居民收入的比值。為耕地社會保障功能折算系數(shù)，r為農(nóng)村非農(nóng)產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)，r為農(nóng)村人口數(shù)，M為農(nóng)村居民非農(nóng)純收入（元/人），M為農(nóng)村居民總收入（元/人）。根據(jù)《石家莊農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》和《河北經(jīng)濟年鑒》中的數(shù)據(jù)可知，石家莊各區(qū)縣平均農(nóng)村居民人均可支配收入為14 264.88元/人，最高為17 636元/人，最低為6 417元/人；農(nóng)村家庭人均支出10 535.94元/人；農(nóng)村居民與城鎮(zhèn)居民收入比值平均為0.46，最大為0.59，最小為0.26；石家莊平均耕地社會保障功能折算系數(shù)為0.82。

2.5 梯度分析

耕地各項功能價值的梯度效應(yīng)研究可以直觀地反映價值在空間上分布的變化趨勢。為了探討石家莊市耕地功能價值的空間變化特征，引入梯度分析，并設(shè)置如下：

1）以石家莊市城市中心為圓心，半徑每次增加10 km，在西部地區(qū)共設(shè)置10個梯次環(huán)，在東部地區(qū)共設(shè)置8個梯次環(huán)，分別計算每環(huán)內(nèi)部的耕地功能價值。

2）設(shè)置東西（W-E）、南北（S-N）兩條樣帶，樣帶寬5 km，每條樣帶以5 km為步長再縱向劃分矩形樣方，東西方向樣帶上有9個矩形樣方（E6-E1，W1-W3），南北方向上有9個矩形樣方（S4-S1，N1-N5）。采樣框分別由西向東、由南向北依次滑動，每次取出一個矩形樣方，記錄樣方內(nèi)耕地多功能價值。

為了便于比較不同梯次環(huán)內(nèi)耕地功能價值的變化，探究城鄉(xiāng)梯度效應(yīng)對耕地功能的影響，本文采用圈層結(jié)構(gòu)分析方法量化沿城-鄉(xiāng)演替方向耕地各功能值（公式8）

式中D表示第個圈層的耕地功能平均值；D表示第個圈層第個地塊的單位耕地功能價值；S表示圈層內(nèi)耕地總面積；為每個圈層中包含的單元總數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地物質(zhì)生產(chǎn)功能價值城鄉(xiāng)梯度分異

如圖3a所示，耕地的單位面積物質(zhì)生產(chǎn)功能價值從市中心向城市外圍沿著“上升－下降”的倒“U”型趨勢變化，在第四環(huán)價值達(dá)到倒“U”型趨勢的頂點，該功能的價值整體偏低?！吧仙壁厔莅l(fā)生在1～4環(huán)，即距離城市中心10～40 km的范圍，其中1～2環(huán)單位面積物質(zhì)生產(chǎn)功能價值顯著上升，1環(huán)的單位面積物質(zhì)生產(chǎn)功能價值最低，為20 587.25萬元/hm2?！跋陆怠壁厔莅l(fā)生在4～10環(huán)，其中4～5環(huán)價值緩慢下降，6～7環(huán)價值驟降。單位面積物質(zhì)生產(chǎn)功能價值在第4環(huán)達(dá)到峰值，價值總和為46 354.46萬元/hm2。分析這一變化規(guī)律出現(xiàn)的原因，由于1環(huán)、2環(huán)靠近市中心，受城市經(jīng)濟輻射影響，建設(shè)用地占多數(shù)，耕地數(shù)量少，因此低效益的生產(chǎn)功能產(chǎn)生的價值很少。2環(huán)至6環(huán)開始逐漸向城市的外圍延伸，該區(qū)域以平原為主，耕地分布面積廣泛，墾殖率高，土壤質(zhì)量和灌溉保證率較高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件好，耕地產(chǎn)能高。8～10環(huán)由城市外圍延伸至城市邊緣，耕地零散分布在西部的林地中，坡度較大，耕作條件差，導(dǎo)致不適宜耕作或糧食產(chǎn)量少。

3.2 耕地生態(tài)維持功能價值城鄉(xiāng)梯度分異

如圖3b所示，耕地的單位面積生態(tài)維持功能價值從市中心向城市外圍沿著“上升－下降”的倒“U”型趨勢變化，在第三環(huán)價值達(dá)到倒“U”型趨勢的頂點，該功能的價值普遍偏高。“上升”趨勢發(fā)生在1～3環(huán)，“下降”趨勢發(fā)生在5～10環(huán)，其中3環(huán)到達(dá)了峰值，單位面積價值為122 741.3萬元/hm2，10環(huán)達(dá)到了谷值，單位面積價值為28 321.31 萬元/hm2。分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，耕地發(fā)揮生態(tài)維持功能的過程中會受到自然環(huán)境（如區(qū)位因素、土壤質(zhì)量、）和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟環(huán)境（化肥、農(nóng)膜等使用情況）的影響，1環(huán)因耕地區(qū)位條件優(yōu)越導(dǎo)致被建設(shè)用地侵占大多數(shù)，破碎化程度高，產(chǎn)生的生態(tài)價值較低。2～5環(huán)耕地分布面積廣，集聚程度高，耕地破碎化程度低，耕地系統(tǒng)穩(wěn)定性強，能對生態(tài)環(huán)境提供更高的價值。6～10環(huán)的西部有大片山區(qū)，多為林地，耕地提供的生態(tài)維持價值趨近谷值。位于3環(huán)的井陘縣、正定縣、行唐縣、靈壽縣、欒城縣等由于城市化進程相對緩慢，耕地占據(jù)主導(dǎo)地位，耕種條件好，分布范圍廣，由耕地提供的凈化環(huán)境、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)和土壤保持服務(wù)價值顯著高于其他區(qū)域。

3.3 耕地社會保障功能價值城鄉(xiāng)梯度分異

如圖3c所示，單位面積社會保障功能價值從市中心向城市外圍呈波動下降趨勢，該功能的價值整體較高。1環(huán)單位面積社會保障價值最高，為84 722.76萬元/hm2，在位于2～5環(huán)之間的區(qū)域價值持續(xù)下降，6環(huán)價值上升后又持續(xù)下降。受區(qū)位因素影響，1環(huán)的城市化水平高，真正從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的從業(yè)人口數(shù)量極少，由于耕地距城市建成區(qū)距離最近，土地流轉(zhuǎn)的地價也遠(yuǎn)高于其他幾環(huán)的耕地，因此1環(huán)由耕地提供的單位面積社會保障價值最高。2～6環(huán)之間由于耕作條件良好，農(nóng)業(yè)人口人均耕地面積大，糧食產(chǎn)量大，市場環(huán)境有利使農(nóng)村人口能依靠耕地獲得持續(xù)穩(wěn)定的收入，但越向外延伸距城市建成區(qū)越遠(yuǎn)，運費等費用逐環(huán)增加，單位面積價值會逐環(huán)減少。第6梯次環(huán)由于地勢平緩、耕地條件優(yōu)質(zhì)，大量農(nóng)業(yè)從業(yè)人口留在當(dāng)?shù)匾揽扛貪M足生活需要，使得該梯次環(huán)內(nèi)耕地產(chǎn)生的社會保障價值達(dá)到最高水平。7～10環(huán)由于耕地分布面積減少，且西部有大面積不適宜耕種的林地，因此導(dǎo)致耕地的社會保障功能弱化。

3.4 耕地多功能總價值城鄉(xiāng)梯度分異

2018年石家莊市耕地面積為905 367 hm2，總價值為12 977 980.98萬元，其中，物質(zhì)生產(chǎn)功能價值為2 658 709.54萬元，生態(tài)維持功能價值為6 914 148.80萬元，社會保障功能價值為3 405 122.85萬元。

從圖4a可以看出，自城市中心最內(nèi)環(huán)向外，耕地各功能單位面積總價值變化呈“上升－下降”的倒“U”型的趨勢，在第四環(huán)價值達(dá)到倒“U”型趨勢的頂點。其中“上升”趨勢主要發(fā)生在1～4環(huán)，即距離城市中心10～40 km的范圍，2～3環(huán)價值上升幅度尤為顯著；而“下降”趨勢主要發(fā)生在4～10環(huán)，即距離城市中心40～100 km的范圍，4～7環(huán)價值下降幅度尤為顯著。耕地各項功能單位面積的總價值在第4梯次環(huán)達(dá)到最大值，單位面積的價值總和為126 482.42萬元/hm2。分析這一變化規(guī)律出現(xiàn)的原因，城市中心開發(fā)充分，1環(huán)耕地各項功能產(chǎn)生的價值很低。城鎮(zhèn)化的快速推進使市中心成為教育、醫(yī)療、經(jīng)濟的中心，人口逐漸向市中心輻射區(qū)域1～2環(huán)范圍內(nèi)集聚，2環(huán)是近郊區(qū)，有大量優(yōu)質(zhì)耕地，產(chǎn)生的價值遠(yuǎn)高于1環(huán)。隨著距城市中心越來越遠(yuǎn)，分布在石家莊市遠(yuǎn)郊區(qū)的2～6環(huán)地勢相對平坦，糧食作物種植面積廣泛，對生態(tài)環(huán)境的改善有很大作用，耕地功能總值逐漸增加；8～10環(huán)西部區(qū)域地形坡度大，不適宜耕種，耕地少，耕作條件差，農(nóng)業(yè)從業(yè)人口數(shù)少，糧食產(chǎn)量少，導(dǎo)致其總體功能價值有所減少。

由圖4b可知，耕地功能總價值在第4環(huán)左右到達(dá)峰值，1～4環(huán)呈上升趨勢，4～10環(huán)呈下降趨勢。在耕地各功能單位面積總價值構(gòu)成中，耕地的生態(tài)維持功能價值最高，為835 145.33萬元，生態(tài)維持功能對耕地總功能價值的貢獻率最大，超過49%。其次是社會保障功能，價值為519 094.67萬元，在總價值中占比約30%。物質(zhì)生產(chǎn)功能價值最低，為322 757.82萬元，在總價值中貢獻率最小，約19%。說明耕地的非生產(chǎn)性功能產(chǎn)生的價值要遠(yuǎn)高于生產(chǎn)性功能價值。

3.5 基于樣帶的耕地多功能價值變化分析

與基于梯次環(huán)的耕地多功能價值變化規(guī)律相似，南-北向樣帶上物質(zhì)生產(chǎn)功能價值呈現(xiàn)“上升-下降”的變化趨勢。北部N3-N4樣方價值變化較為劇烈，在N3樣方達(dá)到了峰值，該樣方位多集中在正定縣，正定縣地勢平坦，耕地分布廣泛，灌溉條件和土壤條件優(yōu)質(zhì)，是石家莊的糧食高產(chǎn)縣。南部的物質(zhì)生產(chǎn)功能價值變化不大，南部大量農(nóng)業(yè)人口向市區(qū)集聚導(dǎo)致這一現(xiàn)象。生態(tài)維持功能價值呈現(xiàn)出“M”形，從中心向外圍依次為“上升-下降”的趨勢，但北部的高值區(qū)更多，多集中在正定縣，正定縣由于糧食產(chǎn)量高，且氣候和土壤條件都適宜糧食種植，地膜使用量少，因此涵養(yǎng)水源、氣候調(diào)節(jié)等功能發(fā)揮的更好，導(dǎo)致由耕地對環(huán)境產(chǎn)生的生態(tài)維持功能也偏高。南部的高值區(qū)位于欒城縣（S2），這主要與糧食產(chǎn)量有關(guān)。社會保障功能價值變化規(guī)律也呈現(xiàn)出“上升-下降”的趨勢，北部的高值區(qū)位于N2樣方，南部的高值區(qū)位于S1樣方。N2-N4樣方內(nèi)差距不大，該區(qū)域糧食高產(chǎn)，糧食銷售市場好，農(nóng)業(yè)人口依靠耕地獲得的收入偏高。S2-S4樣方內(nèi)大量農(nóng)業(yè)人口放棄以耕地，向城市內(nèi)遷移，因此耕地產(chǎn)生的社會保障價值偏低。

東-西向樣帶上，W1-W3樣方由于逐漸遠(yuǎn)離城市中心且該范圍內(nèi)耕地面積分布廣，糧食產(chǎn)量逐漸升高，生產(chǎn)和生態(tài)功能價值變化趨勢基本一致。E1-E6樣方內(nèi)生產(chǎn)功能和社會保障功能變化趨勢基本一致，趨于平緩，生態(tài)維持功能持續(xù)升高且遠(yuǎn)高于其他功能，究其原因，藁城和晉州打造了農(nóng)業(yè)觀光園，吸引大量的游客，在保證正常的糧食生產(chǎn)的同時，解決了部分當(dāng)?shù)鼐用竦木蜆I(yè)和生活問題，并對生態(tài)環(huán)境有很大的維持和調(diào)節(jié)作用。

4 結(jié)論與討論

本文以耕地提供不同價值的變化規(guī)律為切入點，把耕地的功能分為物質(zhì)生產(chǎn)功能、生態(tài)維持功能和社會保障功能3種功能。采用2018年遙感數(shù)據(jù)，并引入梯度分析方法對石家莊地區(qū)耕地多功能價值變化規(guī)律進行分析，得出以下主要結(jié)論：

1）耕地多功能價值空間分異特征顯著。石家莊地區(qū)耕地功能總價值沿“城-鄉(xiāng)”呈現(xiàn)出“上升-下降”的倒“U”型變化趨勢。其中生態(tài)維持功能價值遠(yuǎn)高于物質(zhì)生產(chǎn)功能和社會保障功能提供的價值。最靠近市中心的一環(huán)和二環(huán)整體價值遠(yuǎn)低于其他梯次環(huán)。

2）基于梯次環(huán)分析，在距離城市中心10～40 km的1～4環(huán)耕地各功能單位面積價值偏高?？拷兄行牡膮^(qū)域耕地各功能價值主要受城市經(jīng)濟輻射影響，大力推進城市建設(shè)，建設(shè)用地增加，耕地分布較少，物質(zhì)生產(chǎn)功能和生態(tài)維持功能都較小；城市化推進使大量農(nóng)村人口涌向城市，農(nóng)村農(nóng)業(yè)從業(yè)人口數(shù)也隨之減少，社會保障價值越來越小。石家莊市邊緣區(qū)域的耕地功能價值低主要受地形、坡度、灌排條件等自然因素的影響。

3）基于條帶分析，在南北向樣帶上耕地各功能價值變化趨勢呈“上升-下降”的趨勢，生態(tài)維持功能價值呈現(xiàn)出對稱的“M”形，兩個峰值的出現(xiàn)主要受到耕作條件和糧食產(chǎn)量的影響；由于農(nóng)業(yè)觀光園對居民就業(yè)和環(huán)境調(diào)節(jié)的帶動，導(dǎo)致東西向樣帶上社會保障功能價值在西部變化顯著，而生態(tài)維持功能價值在東部變化劇烈。

本文基于地塊尺度對耕地功能價值進行較全面的測算，進一步完善了耕地功能價值的研究體系，揭示了典型區(qū)域城鄉(xiāng)梯度空間的耕地功能價值空間變化規(guī)律，有助于歸納一般城市的耕地功能價值分布規(guī)律，為典型快速城市化地區(qū)相關(guān)部門進行耕地資源配置和制定耕地主導(dǎo)功能為導(dǎo)向的政策提供參考。關(guān)于價值量化方法的選擇方面，在計算社會保障價值時未采用常規(guī)的農(nóng)戶調(diào)查法，未考慮除人口和收入外的其他因素，如：政策性因素、土地規(guī)劃因素、歷史文化因素等；計算生態(tài)維持功能價值時，未考慮環(huán)境污染對生態(tài)維持功能價值帶來的損失。后續(xù)研究將考慮將其他因素納入測算社會保障價值的評價體系中，并在測算生態(tài)維持價值時將環(huán)境污染對生態(tài)價值的影響納入計算，進一步完善研究結(jié)果在現(xiàn)實中的參考意義。此外，本文僅探究了價值分異規(guī)律，在后續(xù)研究中計劃結(jié)合多期數(shù)據(jù)探究驅(qū)動因素，并歸納出高值區(qū)發(fā)展的經(jīng)驗用以借鑒。關(guān)于與以行政區(qū)劃作為研究單元的研究相比，本研究結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)一個行政區(qū)域內(nèi)耕地功能價值分布的不均衡性，更加明確耕地多功能價值的分布規(guī)律。耕地除了生產(chǎn)功能外還有非生產(chǎn)功能，但是長期被忽視，導(dǎo)致如撂荒、濫占、非農(nóng)化、污染等問題，因此，有必要針對耕地功能價值的分布規(guī)律實施分類管理、分類核算、分類提升等差異化、精細(xì)化管理措施，突出沿城鄉(xiāng)梯度分布的耕地主導(dǎo)功能，研究實施以主導(dǎo)功能為導(dǎo)向的耕地管理制度，有計劃地推進耕地多功能戰(zhàn)略，從而實現(xiàn)耕地資源要素的優(yōu)化配置，并繼續(xù)完善耕地價值補償體系，提高占用耕地門檻，嚴(yán)守中國耕地保護紅線，保障糧食安全。

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Spatial differentiation characteristics of cultivated land multifunctional value under urban-rural gradient

Gao Xing1, Song Zhaoying1, Li Chenxi2, Zha Lisi3, Liang Siyuan4, Tang Huaizhi5

(1.,050061,; 2.,710311,; 3.,510320,; 4.,,450001,; 5.,,100083,)

A long-term underestimate of cultivated land has posed serious challenges to sustainable development in China. Particularly, the cost of occupying cultivated land is relatively low to threaten the future national food and ecological security in urban expansion, although the government has implemented strict cultivated land protection policies (CLPP). Therefore, the spatial differentiation of multi-functional cultivated land can contribute to improving the CLPP during this time. This study aims to explore the differentiation law of multi-function value in the cultivated land using the remote sensing images and statistics Yearbook of Shijiazhuang City, Hebei Province, China, in 2018. The specific values were also calculated, including the production function in grid-scale farmland, ecological maintenance, and social security function. A gradient analysis was introduced to determine the value differentiation of three functional unit areas. A cascade ring and sampling were also taken to the city center as the origin, where the gradient analysis was conducted on the change of values. The results showed that: 1) There was a trend of "U"-decline in the functional value of cultivated land in the study area in 2018. The peak value was found in the fourth "U" -shaped trend of inverted land under the urban-rural integration. Specifically, the total value of the unit area was 2318 669 300 Yuan. It infers that the rapid urbanization made the urban community to be the center of education, medical care, and economy. The population gradually gathered to the radiation areas of the first and second rings in the city center, where the total value of one ring per unit area was the lowest at 1,0070,764,7 million Yuan. The functional value of 1-4 loop increased, whereas, that of 7-10 loop decreased significantly. Among them, the ecological maintenance function made the largest contribution rate to the total functional value of arable land, with more than 49%. The social security function accounted for about 30% of the total value. The material production function was the lowest value, representing about 19%. The data demonstrated that the non-productive function value in the cultivated land was much higher than that of the production function. 2) Cascade ring analysis found that the highest value appeared in Ring 1-4, namely 10-40km away from the city center. The material production function was found in the fourth ring, while that in the 6th-10 ring decreased significantly, where the unit output value of 463.5446 million yuan, and the peak of 122.413 million Yuan. The largest value of social security function was dominated by location factors, where the first area value of 847 2276 million Yuan. 3) Strip analysis was found that the functional value of cultivated land in the north and south belt presented an inverted U-type trend of "rising and decreasing", and the ecological maintenance function presented a symmetrical "M" -shape. The value of social security function in the east-west section changed significantly in the west, whereas, the value of ecological maintenance function changed dramatically in the eastern part of the study area. Consequently, the findings can provide scientific suggestions for the planned promotion of multi-functional land use and the optimal allocation of cultivated land resources.

land use; cultivated land; multifunctional value; gradient effect; Shijiazhuang

高星，宋昭穎，李晨曦，等. 城鄉(xiāng)梯度下的耕地多功能價值空間分異特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(16)：251-259.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.031 http://www.tcsae.org

Gao Xing, Song Zhaoying, Li Chenxi, et al. Spatial differentiation characteristics of cultivated land multifunctional value under urban-rural gradient[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(16): 251-259. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.031 http://www.tcsae.org

2021-04-16

2021-06-22

國家自然科學(xué)基金（41601210）；國家自然科學(xué)基金青年基金項目（41701201）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究計劃項目（QN2019023）；河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)校級科研項目（2017KYQ05）

高星，博士，副教授。研究方向為土地資源利用與評價。Email：gaoxing_85@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.031

F301.2

A

1002-6819(2021)-16-0251-09