黃河流域（河南段）耕地多功能時空格局演變及其權衡協同關系

牛海鵬，趙曉鳴，肖東洋，安 冉，劉萌萌

黃河流域（河南段）耕地多功能時空格局演變及其權衡協同關系

牛海鵬1,2，趙曉鳴1，肖東洋1,2※，安 冉1，劉萌萌1

（1. 河南理工大學測繪與國土信息工程學院，焦作 454000；2. 河南理工大學黃河流域耕地保護與城鄉高質量發展研究中心，焦作 454000）

科學測度耕地多功能權衡與協同關系對于量化和表征耕地隱性形態具有重要意義，可為構建土地利用綠色轉型調控路徑、揭示人地關系演化過程提供科學依據。該研究以黃河流域（河南段）為研究區域，利用1990－2020年時間序列社會經濟發展數據，從耕地的生產、社會、生態以及文化功能4個維度系統構建耕地多功能評價指標體系及土地系統功能權衡度（Land system Function Trade-off Degree，LFTD）模型，測算黃河流域（河南段）耕地多功能指數，解析耕地多功能之間權衡與協同關系時序演化特征，以此揭示耕地利用隱性形態的演變規律。結果表明：1）1990－2020年間黃河流域（河南段）耕地的生產、社會、生態和文化功能均呈增長態勢，且生產與文化功能增長較為突出。2）按照功能層次性，將1990－2020年間耕地多功能的變化劃分為6個階段。在1990－2010年的前四個階段中以生產與生態功能為主，在2010－2020年的后兩個階段中以生產與文化功能為主，并且功能間作用關系較為復雜。3）1990－2020年間，耕地生產、社會、生態和文化功能間相互作用關系呈現“權衡為主導-權衡協同持平-權衡為主導”的演化特征，黃河流域（河南段）耕地功能于2010年后呈現顯著轉型特征。4）耕地轉型影響因素關聯性隨時間變化而不同。1990－2020年影響因素關聯性變化顯示：城鎮化率、農業機械總動力、糧食總產量、第三產業占比是顯著影響因素。耕地隱性形態變化可深層次顯化耕地利用轉型，為耕地可持續利用提供參考。

土地利用；耕地多功能；權衡/協同；隱性形態；土地系統功能權衡度模型；黃河流域（河南段）

0 引 言

土地為人類提供了最根本的生存、繁衍與發展條件，其中耕地長期以來作為人類賴以生存和發展的關鍵生產資料要素，是一項重要的土地利用類型，也是反映農耕文明必不可少的物質載體[1]。但在中國城鎮化、工業化高度發展的時代背景下，城鄉空間結構、產業結構以及人口結構等都處在快速轉變時期，建設用地無序擴張和耕地模式非合理利用造成耕地功能粗放化、非農化、邊際化以及破碎化等問題，糧食安全和耕地可持續利用面臨威脅[2]。土地利用轉型被視為土地利用/覆被變化綜合研究的新途徑，為耕地可持續利用研究提供了新視角。

土地利用轉型概念最初來源于20世紀80－90年代英國地理學家Grainger[3]開展的森林轉型研究。此后，國外學者如Defries和Lambin等[4-5]也陸續開始了有關土地利用轉型的研究，從而有關土地利用轉型問題的研究逐步進入國際學術視野。本世紀初，中國學者龍花樓先生[6]把“土地利用轉型”這一概念引入國內。與此同時，與中國社會經濟特征相適應的土地利用轉型研究成果應運而生。就研究內容而言，國內土地利用轉型主要沿耕地轉型[7-8]、農村宅基地轉型[9-10]以及建設用地轉型[11-13]的脈絡展開，耕地作為糧食、社會及生態安全的重要基礎，是土地類型中人類依賴程度最高的系統，更是土地利用轉型研究的熱門。例如，向敬偉等[14]從空間形態與功能形態兩方面衡量耕地利用轉型現狀。龍花樓等[9]學者對中國耕地及農村宅基地利用轉型展開了時空耦合特征分析。宋小青等[15]基于耕地利用轉型路徑的研究，認為耕地利用轉型主要包括空間上耕地分布與面積變化的空間形態轉型和耕地功能轉變的功能形態轉型，并且宋小青等[16]通過對中國1949年以來耕地功能的變遷歷程進行分析，發現中國耕地功能整體上從2006年起發生轉變。李全峰[17]基于區域耕地利用形態變遷角度，圍繞耕地利用進程中的轉型特征、發展階段及影響機理這一重要議題，就如何優化調控不同類型的轉型模式展開論述。縱觀目前耕地利用轉型已有研究，大多聚焦在耕地顯性形態轉型方面，鮮有專門基于隱性形態的耕地轉型分析。

顯性形態包括耕地數量和空間結構兩方面，顯性形態轉型是一種為可視化的土地利用轉型方式，指各土地利用類型數量結構和空間結構的變化。隱性形態具有多種屬性，如質量、產權、經營方式、投入、產出和功能等。隱性形態轉型，即在原有土地利用類型不變的前提下，通過合理科學的管理、土地投入強度等方式來增加土地利用效率和提高土地增加值[18]。多功能是耕地隱性形態中的重要屬性，將其進行優化配置可以有效地促進耕地資源優勢的發揮，遏制耕地空間蠶食的被動局面。國內外學者在闡述耕地多功能內涵[19-22]、分類和組成[23]等理論的基礎上，以構建指標體系測算為手段[24-26]與以耕地多功能評價為目的[27-28]，對耕地多功能時空演變規律[29-30]及其影響因素[31]、效應[32]、驅動機制[33-34]及其城鎮化及社會經濟之間的相互關系進行了諸多研究。例如，針對耕地多功能的分類存在多種形式，千年生態系統評估報告認為耕地對人類福利發揮著供給、調節、支持、文化等功能[35]。Jeanne等[36]開展了耕地功能的識別和劃分，并進行了各項單獨功能的計量評價研究。陳星宇等[37]結合珠三角地區實際情況，進行了耕地多功能空間差異與影響因素分析。唐春云[38]以廣州市為例進行了城鄉融合發展背景下耕地多功能時空演進分析，并利用地理探測器探究其空間演變的影響因素。喻立[39]對湖北省耕地多功能演化特征及協同發展路徑進行研究，并提出了協調耕地多功能的具體措施與保障政策，研究成果在耕地保護和治理中起到了至關重要的作用。隨著新型城鎮化發展，耕地的文化、景觀娛樂功能得到了關注，城鄉居民的需求也逐漸多樣化和層次化。例如，許多藝等[40]從生產、生態、景觀、社會4個維度構建耕地多功能評價指標體系，研究江蘇省2000－2018年耕地各項功能的時空演變規律。現有耕地多功能評價的評價尺度多立足于省市級層面，流域層面的研究相對較少。同時耕地多功能時空分布的異質性，決定了耕地功能需求從單一性逐漸演化為多元化[41]，耕地功能種類多樣且關系錯綜復雜，彼此之間此消彼長的權衡關系和相互增益的協同關系也在慢慢浮現[42]。耕地多功能之間的權衡和協同，必然會誘導耕地在功能層面上發生改變。

基于此，本文選取耕地隱性形態視角，以黃河流域（河南段）為研究對象，開展耕地多功能多層次綜合評價，通過1990－2020年耕地外在功能變化和內部功能權衡協同分析整體刻畫黃河流域（河南段）耕地利用轉型情況與耕地多功能之間的權衡協同狀況，揭示黃河流域（河南段）耕地利用轉型特征及其變化規律，為推動耕地合理利用以及流域保護提供科學依據和決策參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

黃河流域（河南段）位于黃河流域的中、下游，省內干流河長711 km，主要支流有伊洛河、沁河水系。黃河流域（河南段）流域面積3.62萬km2，占全省總面積的21.7%。黃河自河南靈寶市入境后流經三門峽、洛陽、鄭州等8個省轄市，雨熱條件相對優越，農田集中成片，灌溉設施豐富。然而，在中國高速城鎮化的背景下，經濟發展造成了耕地被大量占用，資源利用粗放以及城鎮無序擴張，導致耕地資源嚴重透支，生態環境日趨惡化[43]。國務院辦公廳于2019年11月頒布《切實加強高標準農田建設提升國家糧食安全保障能力的意見》，2020年5月河南省人民政府辦公廳下發了《關于加強高標準農田建設打造全國重要糧食生產核心區的實施意見》，意味著河南省糧食生產核心區的建設規劃提升到國家戰略新高度。根據《河南統計年鑒》及國家統計總局公布的數據，截止到2020年黃河流域（河南段）耕地面積244萬hm2，年末人口3 986萬人，人均耕地0.061 hm2。1990－2020年間，黃河流域（河南段）耕地面積增加共計33萬hm2。2020年研究區糧食作物播種面積295萬hm2，占總播種面積的73.92%，比1990年增加了22萬hm2。

圖1 研究區位置示意圖

1.2 數據來源

文章選取黃河流域（河南段）所經過的三門峽、洛陽、鄭州、焦作、濟源、開封、新鄉和濮陽8個城市作為研究區域進行研究。本文社會經濟數據來源于1990—2020年《中國統計年鑒》《河南統計年鑒》，單個城市單個年份數據丟失，根據鄰近年數據，利用移動平均對數據進行重構。

2 研究方法

2.1 耕地多功能指標體系構建

耕地的功能在于其為人類福祉和經濟發展創造產出的能力，這是解決人類社會發展需求和耕地資源短缺的關鍵。任何時期土地利用都是為了滿足人類的需求，耕地功能隨人類社會發展而變化。在農業社會，人類主要需求是生存，以度過物質資料極為短缺的時代，生產功能得到重視；隨著工業社會發展，過度追求生產功能導致生態環境不斷惡化，人類開始認識和調整自身與自然的關系，生態功能不斷被強化；在物質文明得到極大發展之后，人類需求進入更高層次，即追求景觀文化、提高生活質量階段，文化功能得以顯化；作為由社會經濟制度衍生出的社會功能與國家糧食安全和農戶生計息息相關。因此，該文將黃河流域（河南段）研究區的耕地功能分為生產功能、社會功能、生態功能和文化功能。并根據黃河流域（河南段）耕地利用狀況，甄選出16個能夠衡量各單項功能的評價指標構建耕地多功能評價指標體系，如表1所示。

表1 耕地多功能評價指標體系

注：“+”為正向指標，“-”為負向指標。

Note: “+”is a positive indicator and “-”is a negative indicator.

耕地生產功能是指耕地能夠生產糧食、蔬菜、瓜果等多種農作物，因此本研究選取糧食作物單產水平來表示糧食作物生產程度，經濟作物中蔬菜、瓜果播種面積較大，故選取此兩類作物作為耕地經濟作物生產程度。另外，耕地利用水平及耕地生產配套設施的完善程度也能起到促進耕地生產功能發揮的作用，因此本文還選用復種指數和農業機械總動力這兩個評價指標表示耕地利用水平及配套設施的完善情況，并將其連同糧食作物、經濟作物的生產水平所組成的農作物生產水平一起作為耕地生產功能評價的指標。

耕地社會功能體現為勞動力提供就業機會、創造經濟保障和維護社會穩定。由于河南省內農民生計仍大量依附自產食物，因此本文選取人均糧食擁有量和人均耕地面積兩項評價指標代替耕地的糧食安全保障能力，可以反映研究區域糧食的供給水平，選取農民人均純收入可以反映耕地對農村經濟發展的支撐力度，代表耕地的社會經濟保障能力，所選鄉村從業人數能體現耕地社會就業承載能力。

耕地生態功能是指耕地具有保持水土、調節氣候、維持生物多樣性等功能。本文根據研究區實際情況選取人均耕地生態承載力、農作物播種面積、農田生態系統多樣性指數3個正向指標來體現耕地生態系統的恢復能力、調節能力與承載能力。人均耕地生態承載力指標，主要是反映一個區域耕地生態系統承載力的大小，其值越大，表明承載力越大，耕地生態服務功能越強。人均耕地生態承載力=人均耕地資源稟賦′耕地產量因子′耕地均衡因子，因本文研究對象只涉及耕地，因此耕地均衡因子取值為1；耕地產量因子為研究區當年糧食單產水平與全國當年糧食單產水平之比。農作物播種面積主要是體現耕地維持生物多樣性的能力。農田生態系統多樣性指數反映農田生態系統多樣性恢復能力，值越大，恢復能力越強，耕地生態服務功能越強[44]。農田生態系統多樣性指數是采用香農指數，選取研究區域糧食、棉花、油料、煙葉和蔬菜的播種面積來計算研究區農田生態系統多樣性。計算式如下：

式中H為農田生態系統多樣性指數，P為第種作物播種面積與總播種面積的比例，S為某一種作物播種面積（hm2），為農作物播種面積（hm2）。農作物生產過程中化肥、農藥的不合理使用則會對農業生態環境造成直接破壞。因此選擇耕地化學負荷來體現各種肥料施用量給生態環境造成的脅迫，耕地化學負荷等于區域化肥施用量與耕地面積的比值。

耕地文化功能包括觀賞田園風光、體驗農耕生活、科學研究和教育等，難以準確定量化表達，只能通過該功能的外在表現間接反映。根據已有研究成果和數據可得性，選取耕地美學景觀、文化投資、農業觀光園面積和農村居民消費水平4個指標。耕地美學景觀功能是為人們提供審美享受的功能，本研究基于謝高地等[45]已有研究，結合不同年份農業發展的實際情況，測算耕地美學景觀價值[46]。

式中CL為耕地美學景觀價值（元），指的是有關耕地美學景觀的價值當量因子，指耕地食物生產的單位價值（元/hm2），為耕地面積（hm2）。隨著中國全面建設小康社會和城市化步伐的加快，以及人們生活、消費觀念的變化，農業生態休閑、觀光游有巨大的發展潛力，已成為城鄉居民新的消費熱點。因此選取農村居民消費水平來體現農村居民的生活休閑水平。

2.2 指標權重及耕地多功能計算

1）指標標準化

由于評價指標具有正向、負向兩類指標，需要利用極差法將正、負向指標數據標準化，將標準化數據作為無量綱數據。正、負向指標計算式如下：

正向指標：

負向指標：

式中X為標準化后的標準值；x為原始數據；xmax為原始列數據最大值；xmin為原始列數據最小值。

2）權重確定方法

權重確定方法以主客觀賦權法結合為主。主觀賦權法就是依據專家或決策者憑借其專業知識與經驗對指標相對重要性進行主觀判斷以確定其權重。客觀賦權法，其中心思想就是依據熵的數值來判定各項指標影響耕地多功能評價的程度。本研究主觀權重是借助于Yaahp軟件來確定的，客觀權重是通過熵值法計算出來的，以主、客觀權重的均值作為綜合指標權重值。客觀權重和綜合權重計算式分別為

式中Y為第年的第項指標所占比例，X為第年的第項標準化后的值；e為指標信息熵；d為第項指標的差異系數；W為第項指標客觀權重，W為第項指標主觀權重，W為第項指標的綜合權重。其中=1/ln，為1990－2020年的年份數，為指標數。

3）確定指標權重

本文采取層次分析法和熵權法確定綜合權重，計算得到黃河流域（河南段）耕地多功能各指標的權重W，見表2。

表2 黃河流域（河南段）耕地多功能評價指標權重值

4）耕地多功能指數計算

采用多因素評價法來計算黃河流域（河南段）耕地生產功能、社會功能、生態功能以及文化功能值。耕地多功能指數能夠直接反映出耕地某一功能的水平狀態，運用加權求和法測算耕地多功能指數，對生產功能、社會功能、生態功能以及文化功能評估具有重要參考價值。計算式如下：

式中代表耕地的生產功能、社會功能、生態功能和文化功能指數，W為第項指標的綜合權重。

2.3 耕地利用功能權衡與協同分析

權衡和協同各自代表著不同的涵義，該理論被廣泛應用于生態系統服務關系研究中。其中權衡代表了不同的生態系統服務于相同時段內呈負相關，兩者呈現此起彼落的狀況；而協同代表了不同的生態系統服務之間呈現正相關，出現同增或者同減的情形。作為生態系統組成部分的耕地，其必然面臨多功能權衡與協同的情形。耕地利用的權衡表示不同的耕地功能之間存在相反的變化趨勢，而協同表示不同的耕地功能之間存在相同趨勢性變化。文章引入生態系統服務權衡度（ESTD，Ecosystem Services Trade-off Degree）模型，其在數據線性擬合的基礎上，反映生態系統服務間的相互作用的方向和程度，從而構建土地系統功能權衡度模型（LFTD，Land system Function Trade-off Degree）分析耕地利用功能的權衡協同情況[47]。

式中LFC、LFC分別為時刻和時刻第種土地系統功能值，LFC、LFC分別為時刻和時刻第種土地系統功能值，LFTD為正表示第種和第種土地利用功能之間存在協同關系，兩種功能為同一變化趨勢；LFTD為負表示第種和第種土地利用功能之間存在權衡關系，兩種功能為反趨勢變化；LFTD絕對值的大小反映了權衡/協同水平。

2.4 耕地多功能影響因素分析

2.4.1 影響因素選擇

耕地利用轉型是自然資源、社會經濟等許多因素共同作用下引發的土地供給和需求互相作用過程。本文從人口、產業結構和經濟發展三方面選取社會經濟影響因素。

經濟發展能夠使生產要素投入增加以及技術水平上升，引起市場供需和體制變化，最終改變土地利用結構和效益。選取人均GDP、城鎮居民人均可支配收入、房地產開發總投資、糧食總產量和農業機械總動力作為經濟發展因素。

人類是耕地直接利用者，人口因素主要通過增加居住用地、公共設施用地等建設用地面積，減少耕地面積和增加對糧食等農產品需求等促進耕地利用轉型。選取總人口和城鎮化率作為人口因素。

產業結構是影響耕地變化比較明顯的因素。產業結構變化促進使用地類型變化，二、三產業占比增大帶動工業和服務業企業數量變多，工業用地、交通用地等面積明顯增多，產業結構調整促使耕地利用向集約型和規模型發展。選取第一產業占比、第二產業占比和第三產業占比作為產業結構影響因素。

2.4.2 影響因素關聯性測度

本文選取灰色關聯度分析法進行黃河流域（河南段）耕地多功能影響因素關聯性分析。具體計算步驟為:首先對參考數列和比較數列進行均值化處理，計算得出行為序列的均值像；然后通過求出差序列及兩極最大差和最小差，計算關聯系數；最后通過計算式（13）計算出灰色關聯度：

式中()表示第個影響因素與功能的灰色關聯度；()為灰色關聯系數。

3 結果與分析

3.1 耕地多功能時序變化特征

基于功能指數計算式，計算得出1990－2020年黃河流域（河南段）耕地生產功能、社會功能、生態功能以及文化功能指數，并測度分析黃河流域（河南段）耕地生產功能、社會功能、生態功能以及文化功能的時序變化。利用回歸分析對黃河流域（河南段）耕地多功能指數進行擬合，由此得到黃河流域（河南段）研究區耕地生產功能、社會功能、生態功能及文化功能的擬合回歸函數及其趨勢變化值，耕地功能時序變化圖見圖2。在研究時段內，黃河流域（河南段）耕地4項功能在研究時段內總體上都呈上升趨勢（4種功能趨勢線斜率值都為正），其中耕地的生產功能、社會功能和文化功能上升趨勢更為明顯（3種功能2都大于0.8）。從圖2看，黃河流域（河南段）耕地生態功能1995年前大于耕地生產功能，而從1995年開始生產功能大于耕地生態功能，2004－2009年耕地生態功能整體上大于生產功能，2009年以后生產功能大于耕地生態功能；耕地社會功能在2010年之前功能指數都高于耕地的文化功能，2010年之后社會指數低于文化功能指數；耕地的生態功能指數2013年之前高于耕地的文化功能，2013年之后低于耕地的文化功能。

圖2 1990－2020年黃河流域（河南段）耕地多功能指數

3.1.1 耕地生產功能時序變化

基于耕地生產功能的4項評價指標（圖3）的時序變化，對1990－2020年間黃河流域（河南段）耕地社會功能變化特征進行成因分析。通過分析可知，黃河流域（河南段）糧食作物單產水平在研究時段整體上呈增長的態勢（斜率=76.430，2=0.907），經濟作物單產水平也是呈現上升趨勢（=769.370，2=0.930），而復種指數總體呈現下降趨勢（=?0.003，2=0.185），農業機械總動力呈明顯增長態勢（=90.661，2=0.828）。因此黃河流域（河南段）耕地生產功能在研究時段內的變化總體呈現上升趨勢（=0.007，2=0.902）。黃河流域（河南段）在研究期間，耕地生產功能變化表現為3個階段：1）1990－1995年黃河流域（河南段）耕地生產功能先小幅度上升，1993年達到最大值，而后又呈現小幅度下降趨勢；2）1995－2005年黃河流域（河南段）耕地生產功能出現和上一階段相似的變化趨勢，先上升后下降；3）2005－2020年黃河流域（河南段）耕地生產功能變化曲線呈波動上升的趨勢。以上變化主要是因為1990－2020年間黃河流域（河南段）糧食作物單產水平在3個階段呈現相應的變化趨勢。這也表明1990－2020年間黃河流域（河南段）糧食作物單產水平對耕地生產功能的貢獻率最高，這主要是因為黃河流域（河南段）耕地農作物種植以小麥、玉米為代表的糧食作物為主。

3.1.2 耕地社會功能時序變化

依據耕地社會功能的四項評價指標（圖4）的時序變化情況來解釋研究時段內黃河流域（河南段）耕地社會功能變化態勢的成因。分析結果表明，在研究時段內黃河流域（河南段）耕地的社會功能呈小幅度增加的態勢（=0.003 8，2=0.917 0），社會功能指數從1990年的0.050上升到2020年的0.115。本研究對黃河流域（河南段）社會功能的刻畫是從承載人口就業的能力出發，隨著城鎮化與工業化的發展以及農業機械化水平的提高，黃河流域（河南段）農民人均純收入大幅度提高（=562.576，2=0.867），鄉村從業人數小幅度上升（=10.471，2=0.234），2012年后，耕地對人口就業的吸附作用不斷弱化，人均耕地面積也呈現持續下降的趨勢（=?0.000 2，2=0.209）。人均糧食擁有量在1990－2020年間呈現與耕地社會功能相應的變化趨勢，這是因為研究區內農民生計仍大量依附自產食物，耕地社會功能主要體現在耕地的糧食安全保障方面。

3.1.3 耕地生態功能時序變化

基于黃河流域（河南段）耕地生態功能變化曲線來模擬1990－2020年間黃河流域（河南段）耕地生態功能變化特征，利用黃河流域（河南段）耕地生態功能的4項評價指標時序變化來分析耕地生態功能變化規律（圖5）。分析表明，研究時段內黃河流域（河南段）耕地的生態功能指數變化波動性較強，其中人均耕地生態承載力與農田生態系統多樣性指數對耕地生態功能的貢獻性較大，與耕地生態功能指數變化趨勢較為相似。1990－2020年黃河流域（河南段）農作物播種面積總體呈上升趨勢，耕地化學負荷更是快速增加（=15.611，2=0.886），加劇了黃河流域（河南段）耕地生態系統所承受的壓力。上述分析結果表明，在化肥超量施用和人口不斷增長的情況下，黃河流域（河南段）農田生態系統正面臨著巨大壓力，開發農田生態保護功能已迫在眉睫。

圖3 黃河流域（河南段）耕地生產功能指標時序變化趨勢

圖4 黃河流域（河南段）耕地社會功能指標時序變化趨勢

圖5 黃河流域（河南段）耕地生態功能指標時序變化趨勢

3.1.4 耕地文化功能時序變化

依據耕地文化功能的4項評價指標（圖6）的時序變化情況來解釋研究時段內黃河流域（河南段）耕地文化功能變化趨勢的成因。分析結果表明，在研究時段內黃河流域（河南段）耕地文化功能呈現顯著增加態勢（=0.007 7，2=0.873 6），文化功能指數由1990年0.014的上升到2020年的0.234。文化功能的顯著增長表明了隨著物質水平的提高以及生活水平的改善，人民對耕地的需求由單一的生產利用逐漸向更具觀光旅游性、文化教育性的多元耕地利用轉變。文化投資的持續性增長（=114 370.894，2=0.718）與農業觀光園面積的增加（=1 516.573，2=0.343）極大地推動了耕地文化功能發展。農村居民人均消費水平的不斷增長（=362.313，2=0.874）為日益增加的耕地文化功能需求奠定了物質基礎。

圖6 黃河流域（河南段）耕地文化功能指標時序變化趨勢

3.2 耕地多功能空間變化特征

耕地功能的變化不止體現在時間序列上，在空間上因為不同地區地形地貌等自然方面的差異。以及區位、社會經濟狀況及發展政策等人文方面的因素導致了黃河流域（河南段）各地級市的耕地功能變化存在空間上的差異性。本文參考以往研究并結合研究區實際狀況，運用ArcGIS中的自然斷點法將功能值分為低水平、一般水平、高水平3個層級。根據黃河流域（河南段）耕地多功能空間分布變化情況，分析1990、2000、2010年和2020年空間分異特征。

3.2.1 耕地生產功能空間變化

由圖7可知，1990－2020黃河流域（河南段）耕地生產功能高水平區域逐漸增多且穩定在濮陽市、新鄉市、開封市和焦作市。這些城市城鎮化速度相對較慢，對耕地占用的需求相對較低，耕地面積相對較多。同時，從區位條件來看，其位于黃河流域（河南段）下游，屬于基本農田集中分布區，土壤肥沃，灌溉保障率高，農業機械動力充足，耕作生產條件好，因此其生產功能屬于高水平。三門峽市受到自然區位的影響，耕地資源較少且多分布于山林中，耕地質量較低導致生產力較差，因此耕地生產功能水平較低。鄭州市和洛陽市城市化進程快，人口密度大，社會經濟快速發展對占用耕地需求大，因此耕地面積快速減少。同時，農業產業結構調整使得鄭州市和洛陽市復種指數不斷降低，進一步導致耕地生產功能弱于其他區域。

圖7 黃河流域（河南段）耕地生產功能空間變化

3.2.2 耕地社會功能空間變化

1990－2020年黃河流域（河南段）耕地社會功能高水平區域逐漸增多（圖8）。隨著城鎮化與工業化的發展以及各市農業機械化水平的提高，黃河流域（河南段）各市農民人均純收入大幅度提高，農民可獲得穩定收入，并且各市鄉村從業人數也呈小幅度上升趨勢，生活和就業可以得到基本保證。各市人均糧食擁有量整體呈增長態勢，耕地的糧食安全得到了根本保障。因此，黃河流域（河南段）各市社會功能逐漸增強。

3.2.3 耕地生態功能空間變化

由圖9可知，1990－2020年黃河流域（河南段）耕地生態功能高水平區域減少且穩定在新鄉市和開封市，其位于黃河流域（河南段）下游，農副產品資源豐富，生態環境好，是全國重要的農業種植區、優質農產品主產區和糧食核心區。1990－2020年隨著城市建設的加快，作為省會城市的鄭州市耕地非農化速度加快，耕地面積銳減，而且破碎化嚴重，其生態功能不斷下降。1990－2020年三門峽市由于過度投放農藥化肥，耕地化學負荷增加，其生態功能由一般水平下降為低水平。伴隨著生態功能高水平和一般水平區域減少，黃河流域（河南段）耕地生態功能整體呈現逐年減少的態勢。

圖8 黃河流域（河南段）耕地社會功能空間變化

圖9 黃河流域（河南段）耕地生態功能空間變化

3.2.4 耕地文化功能空間變化

1990－2020年黃河流域（河南段）各市耕地文化功能呈現總體增強的趨勢（圖10）。功能高值區域逐漸擴大并占據整個研究區。市域尺度上，1990－2020年，鄭州市和洛陽市的耕地文化功能最強。同時，鄭州市近年大力發展都市型現代農業發展規劃，倡導多功能農業發展，為其提供政策支持。在越來越多的耕地景觀文化功能需求和比較利益對比之下，鄭州市和洛陽市依托現有農業資源、文化底蘊以及緊鄰黃河的優勢，大力發展鄉村旅游、民俗旅游；并且城市化快速發展使得其交通便利，時間成本小，因此耕地文化功能也得到發展。

圖10 黃河流域（河南段）耕地文化功能空間變化

3.3 演化階段與權衡協同分析

3.3.1 演化階段

本文根據功能間層次性和主從性將1990－2020年黃河流域（河南段）多功能變化分為6個階段（表3）。1990－1995年，該階段功能層次關系為生態功能>生產功能>社會功能>文化功能，生態功能和生產功能處于主導。1995－2000年和2000－2005年兩階段隨生產功能上升和生態功能下降發生功能相互作用，其層次關系變化為生產功能>生態功能>社會功能>文化功能。2005－2010年，該階段功能層次關系為生態功能>生產功能>社會功能>文化功能。1990－2010年4個階段黃河流域（河南段）的主導功能為生態功能和生產功能。2010－2015年和2015－2020年兩階段隨生產功能、文化功能上升和社會功能、生態功能下降發生復雜的功能相互作用，生產功能和文化功能處于主導。隨著物質水平的提高以及生活水平的改善，人民對耕地的需求由單一的生產利用逐漸向更具觀光旅游性、文化教育性的多元耕地利用轉變，黃河流域（河南段）文化功能逐漸提高。同時，經濟的快速發展以及人口的不斷增長給黃河流域（河南段）農田生態系統造成巨大威脅，黃河流域（河南段）生態功能在2009年之后急劇下降。

表3 1990－2020年黃河流域（河南段）耕地多功能演化階段

3.3.2 權衡協同分析

本文對6個階段的多功能權衡協同度分別進行了測算。1990－1995年間，黃河流域（河南段）生產功能-文化功能與社會功能-生態功能之間在波動中保持協同發展，生產功能-社會功能、生產功能-生態功能、文化功能-社會功能和文化功能-生態功能之間整體上保持權衡發展狀態，且權衡關系占到66.67%，這一階段權衡關系占主導地位。由圖11可以看出，協同關系表現最強烈的是生產功能-文化功能，耕地的生產功能是文化功能得以實現的基礎；權衡關系表現最強烈的則是生產功能-社會功能，黃河流域（河南段）強大的生產功能來自于耕地的集約化、規模化利用，豐富的耕地資源以及農業勞動力的迅速轉移為耕地的集約化、規模化利用創造了條件，從而具有強大的生產功能，但是隨著勞動人口的大量流出，這一社會功能也在逐步減弱。其余各功能之間權衡或者協同關系的強度偏弱，現階段整體表現出較強的耕地多功能之間的排斥性。

在1995－2000年間，多功能權衡協同度為正相關的有生產功能-社會功能、生產功能-生態功能和社會功能-生態功能，為負相關的有生產功能-文化功能、文化功能-社會功能和文化功能-生態功能，這一階段協同與權衡關系各占50%。由圖11可以看出，協同關系最強烈的是生產-社會，農戶主要依靠耕地種植傳統糧食作物為生，因此生產與社會功能呈促進狀態；然而多功能間權衡關系表現最強烈的是生產功能-文化功能，并且生產功能-文化功能由上一階段的協同關系轉為這一階段的權衡關系。

在2000－2005年間，多功能權衡協同度處于正狀態的有社會功能-生態功能、文化功能-社會功能以及文化功能-生態功能，處于負狀態的有生產功能-社會功能、生產功能-生態功能以及生產功能-文化功能，這一階段協同與權衡關系呈持平狀態。由圖11可知，文化功能-社會功能協同關系最強烈，表明景觀農業和文化農業的開發經濟效益已顯現，已能夠拉動農村家庭收入的增加、就業保障能力及生活經濟能力的提升；權衡關系最強的是生產-社會，該區域耕地資源豐富，農業勞動力轉移較快，為耕地集約化和規模化利用提供了條件，因而生產功能較強，但隨著勞動人口外流，其社會功能逐漸弱化。

2005－2010年生產功能-社會功能、生產功能-文化功能以及文化功能-社會功能的多功能權衡協同度為正值，多功能權衡協同度為負值的是生產功能-生態功能、社會功能-生態功能以及文化功能-生態功能，該階段協同與權衡關系各占50%。由圖11可以看出，協同關系最強烈的為生產功能-社會功能，現代農業的發展和新型農業經營主體進入，優化了農產品種植結構，推動農戶種植經濟效益更高的花卉、水果等；權衡關系最強的是生產-生態，在發揮生產功能的同時，不太注重耕地的生態利用，化肥農藥的使用量增加，農業的面源污染增大，進而影響耕地的生態功能。

2010－2015年生產功能-社會功能、生產功能-文化功能和文化功能-社會功能的多功能權衡協同度為正值，生產功能-生態功能、社會功能-生態功能和文化功能-生態功能整體上保持權衡發展狀態，權衡協同關系占比情況與上階段相同。由圖11可知，文化功能-社會功能兩功能間協同關系表現較為強烈；權衡關系最強的是文化功能-生態功能，伴隨著文化功能的提高，農村居民收入增加，社會保障功能相應增加，發展文化的同時，忽略對耕地造成的生態風險，農田生態系統面臨巨大壓力。

圖11 黃河流域（河南段）1990－2020年多功能權衡協同度

2015－2020年多功能權衡協同度為正值的是生產功能-文化功能和社會功能-生態功能，為負值的是生產功能-社會功能、生產功能-生態功能、文化功能-社會功能和文化功能-生態功能，這一階段主要受權衡關系支配。由圖11可以看出，文化功能-社會功能和文化功能-生態功能所表現出的權衡關系較為突出。這一階段的文化功能-社會功能經歷了從協同關系轉變為權衡關系，文化功能-生態功能的權衡度變大。

3.4 耕地多功能影響因素分析

利用灰色關聯度分析法測度黃河流域（河南段）耕地多功能變化影響因素關聯性程度，由表4可知，在耕地功能導向下，黃河流域（河南段）耕地利用轉型影響因素關聯性程度不盡相同。整體階段變化表明城鎮化率、農業機械總動力、糧食總產量、第三產業占比是顯著影響因素。城鎮化率關聯度均值為0.909、農業機械總動力關聯度均值為0.885、糧食總產量關聯度均值為0.835、第三產業占比關聯度均值0.800。其余影響因素關聯度均值均小于0.8。

表4 黃河流域（河南段）1990－2020年耕地多功能影響因素分析

在1990－2000年間，農業機械總動力、糧食總產量等影響因素關聯系數較大，糧食總產量，第三產業占比、總人口、第一產業占比等影響因素關聯系數均有較大增長。城鎮化率、農業機械總動力、第二產業占比、城鎮居民人均可支配收入、人均GDP、房地產開發總投資等影響因素關聯系數有所減小。全影響因素關聯系數平均值由1990年的0.721上升到2000年的0.777。在2000－2010年間，人均GDP、第二產業占比等影響因素關聯系數較大。第二產業占比、人均GDP、城鎮居民人均可支配收入、房地產開發總投資等因素關聯系數均有所增大，但糧食總產量、農業機械總動力、總人口、第一產業占比等因素關聯系數有所減小。全影響因素關聯系數平均值由2000年的0.777上升到2010年的0.835。在2010－2020年間，城鎮化率，第三產業占比等因素關聯系數較大。城鎮化率、糧食總產量、農業機械總動力、總人口、第三產業占比、第一產業占比均有所增大，但人均GDP、第二產業占比、城鎮居民人均可支配收入、房地產開發總投資等因素關聯系數有所減小。全影響因素關聯系數平均值由2010年的0.835減小為2020年的0.640。

1990－2020年耕地功能轉型期間，黃河流域（河南段）農業機械總動力和糧食總產量的不斷增長為日益增加的耕地生產功能奠定了基礎。而與生產功能密切相關的社會功能也得到了一定保障。在經濟發展背景下，產業結構不斷升級導致二、三產業所占比重加大，新型產業、工業企業等發展加大土地需求，引發耕地數量減少，其嚴重影響了耕地生態能力的持續性和穩定性。人均GDP和城鎮居民人均可支配收入的不斷增長為日益增加的耕地文化功能需求奠定了基礎。在耕地轉型過程中，影響因素關聯性越大，調控該因素對轉型目標的驅動越強。未來黃河流域（河南段）應立足耕地轉型中的多功能變化特征，把握人民對耕地功能需求的方向，保證人均GDP和農民以及城鎮居民收入的持續提高，為人民日益增長的精神需求提供物質基礎，增加農業生產性投資，提高耕地生產能力，健全土地制度管理，緩解因產業結構變化所引起的耕地數量減少問題。

4 討 論

耕地利用轉型關鍵環節在于揭示社會經濟轉型中耕地利用形態變遷。本文在構建黃河流域（河南段）耕地多功能評價指標體系的基礎上定量測度耕地多功能值，揭示其時空演化規律，并以耕地利用功能轉型為切入點對耕地轉型問題進行研究。與楊雪等[25]基于北京市的耕地多功能演變及其關聯性研究相比，突破了單一從時間維度上研究耕地多功能演變及其關聯性的局限性，有利于進一步探究和準確把握耕地多功能的時空演化規律。根據1990－2020年間黃河流域（河南段）耕地多功能變化情況分析得知，2010年左右，黃河流域（河南段）耕地發生了從耕地生產功能和生態功能到生產功能和文化功能主導功能層次的改變。

土地功能是土地產出和服務的關鍵所在，也是今后耕地利用轉型研究中的重點。長時間序列的耕地多功能權衡與協同關系分析對耕地保護和區域可持續發展具有重要意義。本文主要借鑒了耕地利用轉型的最新研究成果，基于土地系統功能權衡度（LFTD）模型理論，構建了耕地利用功能轉型的理論分析框架，探討耕地利用轉型進程中耕地多功能間的互動機理。從研究分析結果來看黃河流域（河南段）耕地各項功能之間協同性比較差，所以有必要對耕地多功能協同性降低趨勢細致分析，探尋耕地功能與價值，理性對待耕地各項功能的轉變特征與關系變化。另外，通過灰色關聯分析發現經濟發展水平、人民生活水平、產業結構變化、科學技術進步引導了耕地功能轉型。這與向敬偉、李全峰等[14,17]關于不同地區尺度下耕地轉型驅動力研究結果相似。經濟快速發展帶動了人民生活水平提高、產業結構升級和科學技術進步，其直接帶來了投入要素和方向的變化，進而影響了耕地數量、結構、功能等屬性變化。

基于本文的研究結果，從全流域及各地級市的耕地多功能現實情況，提出如下的耕地利用優化策略。黃河流域（河南段）地域遼闊，各地區經濟發展水平、城鎮化進程及氣候差異等因素導致耕地利用開發差異較大，且耕地社會與生態功能較弱。在黃河流域（河南段）各地市地理條件難以改變的情況下，需要重點解決耕地利用開發不平衡問題。構建有利于各功能協同發展的政策機制。在政策上可以增加農業投入專項資金，重點改善落后地區農業生產基本條件，完善農業生產的外部環境保障條件，穩定耕地生產功能，提升生態功能與社會功能。同時，推動其農業現代化進程，提升耕地利用的規模化效益。黃河流域（河南段）耕地資源較為豐富，但單一種植業生產對農民增收以及農業發展推進較為緩慢，應嚴格把控耕地利用環節，推動耕地多元化利用，不同農作物交替種植，增強不同地區的生態安全水平。另外需要加強黃河流域（河南段）土地利用管理，保障耕地功能協調。嚴格控制建設用地不占或少占優質耕地，減少因產業結構過度調整、建設用地濫占、亂占等原因產生耕地規模下降情況，政府應從宏觀層面規劃不同片區的農業生產力布局，由增產轉向提質，促進農業經濟貢獻向更高形態、更高質量的可持續發展方向轉型。保障耕地功能有效發揮，促進耕地生態功能與生產、生活、文化功能相協調。

5 結 論

立足黃河流域（河南段）耕地資源稟賦，本文以耕地多功能理論為導向，構建黃河流域（河南段）耕地多功能解析框架和功能分類評價體系，把耕地功能劃分為生產功能、社會功能、生態功能以及文化功能并揭示耕地多功能的演變規律，明確不同轉型階段黃河流域（河南段）的耕地主導功能，在此基礎上運用土地系統功能權衡度（LFTD）模型進行權衡協同分析，探討耕地轉型過程中耕地多功能之間產生的復雜變化以及相互影響機制，主要結論如下：

1）1990－2020年黃河流域（河南段）耕地多功能整體呈現波動式上升趨勢。由于糧食作物單產水平和農業機械總動力的提高，黃河流域（河南段）耕地生產功能持續增強；隨著農民人均純收入提高，黃河流域（河南段）耕地社會功能指數也呈小幅度增長；同時化肥使用量的持續增加致使黃河流域（河南段）耕地生態功能指數在2010年之后出現下降趨勢；隨著文化投資以及農業觀光園面積的增加，黃河流域（河南段）耕地文化功能持續增強。

2）根據功能層次性將1990－2020年耕地多功能變化分為6個階段。1990－1995、1995－2000、2000－2005、2005－2010年前4個階段，生產功能和生態功能處于主導地位，2010－2015、2015－2020年后兩個階段功能間發生復雜作用，生產功能和文化功能處于主導地位。

3）在不同階段耕地多功能之間的作用關系存在著“權衡關系為主-權衡協同關系相當-權衡關系為主”的演化特征。生產、社會、生態與文化功能之間錯綜復雜的權衡協同關系，以及6個時期主導功能的改變，共同佐證了黃河流域（河南段）在2010年前后完成了耕地功能方面的轉型。

4）耕地轉型影響因素關聯性隨時間變化而不同。1990－2020年影響因素關聯性變化顯示：城鎮化率、農業機械總動力、糧食總產量、第三產業占比是顯著影響因素。

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Spatial-temporal pattern evolution and trade-off relationship of cultivated land multifunction in the Yellow River Basin (Henan Section)

Niu Haipeng1,2, ZhaoXiaoming1, Xiao Dongyang1,2※, AnRan1, LiuMengmeng1

(1.,454000,;2.,,454000,)

Multi-functional trade-off and synergy of cultivated land can be accurately quantified to characterize the hidden form of cultivated land. In this study, the multi-functional analytical framework was constructed to evaluate the functional classification of cultivated land in the Yellow River Basin (Henan section) using the time series social and economic development data from 1990 to 2020. The function of cultivated land was firstly divided into the production, social, ecological, and cultural function. The multi-functional index of cultivated land was then calculated to reveal the multi-functionality evolution of cultivated land. The dominant function was clarified for the cultivated land at different stages of transformation. After that, a land system function trade-off degree (LFTD) model was selected for the trade-off and collaborative analysis. As such, the hidden form of cultivated land use was determined to explore the complex evolution and influence mechanism of cultivated land multi-function in the process of cultivated land transformation. The results showed that: 1) The multi-function of cultivated land showed a fluctuating upward trend from 1990 to 2020. Specifically, the production function of cultivated land continued to increase, due to the ever-increasing yield level of grain crops and the total power of agricultural machinery. The social function index of cultivated land also increased slightly with the increase of per capita net income of farmers. Nevertheless, a downward trend was found in the ecological function index of cultivated land, particularly for the use of chemical fertilizers after 2010. Fortunately, the cultural function of cultivated land increased significantly with the increase of cultural investment and agricultural sightseeing garden area. 2) Six stages were divided for the variation in the multifunctionality of cultivated land from 1990 to 2020, according to the functional hierarchy. The production and ecological functions were dominated in the first four stages of 1990-2010, while the production and cultural functions were in the last two stages of 2010-2020, indicating the more complicated relationship between functions. 3) The interaction among the production, social, ecological, and cultural functions of cultivated land showed the evolution characteristics of “trade-off was dominant-trade-off and synergistic is balanced-trade-off is dominant” from 1990 to 2020. A significant transformation was observed in the cultivated land function after 2010. 4) The correlation coefficients were varied with the time from 1990 to 2020, in term of the influencing factors of cultivated land transformation. Moreover, the significant influencing factors were also determined as the urbanization rate, total power of agricultural machinery, total grain output, and proportion of tertiary industry. The hidden morphological changes of cultivated land were greatly contributed to the transformation of cultivated land use. The finding can provide a strong reference to construct the regulation path of the green transformation and the evolution process of human-land relationship for the sustainable use of cultivated land.

land use; cultivated land multifunction; trade-off/synergy; recessive morphology; function trade-off degree model of land system; Yellow River Basin (Henan Section)

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.024

F301.21

A

1002-6819(2022)-23-0223-14

牛海鵬，趙曉鳴，肖東洋，等. 黃河流域（河南段）耕地多功能時空格局演變及其權衡協同關系[J]. 農業工程學報，2022，38(23)：223-236.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.024 http://www.tcsae.org

Niu Haipeng, Zhao Xiaoming, Xiao Dongyang, et al. Spatial-temporal pattern evolution and trade-off relationship of cultivated land multifunction in the Yellow River Basin (Henan Section)[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(23): 223-236. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.024 http://www.tcsae.org

2022-09-24

2022-11-07

國家自然科學基金項目（42271283；42201297）；河南省高校科技創新團隊支持計劃（22IRTSTHN008）

牛海鵬，博士，教授，博士生導師，研究方向為土地資源管理。Email：niuhaipeng@126.com

肖東洋，博士，講師，研究方向為土地資源管理。Email：xdyhpu@163.com