中國耕地功能轉型時空分異及形成機理

熊強 鄭亮 江進輝

熊 強，鄭 亮，江進輝. 中國耕地功能轉型時空分異及形成機理［J］. 湖北農業科學，2024，63（2）：94-100，110．

摘要：為了準確刻畫中國耕地功能轉型路徑及形成機理，構建了耕地功能轉型理論框架和評價指標體系，提出了基于博弈論確定指標權重的方法，基于綜合指數模型測度了2000—2020年中國省域耕地功能轉型指數，并分析了中國耕地轉型形成機理。結果表明，2000—2020年中國耕地社會功能先增加后降低，經濟功能則先降低后增加，生態功能基本保持穩定。子功能中糧食安全保障功能和生態功能處于主要地位，欠發達地區耕地經濟貢獻功能較強，東北地區耕地社會功能較強。2000—2020年中國耕地功能變化發生了趨勢性轉折，開始沿城鄉居民需求發展方向演變。從耕地轉型形成機理來看，總體而言城鎮化水平、經濟發展質量、非農產業比重和中東西部地區差異對耕地功能轉型驅動有所降低，地區經濟總量對耕地功能的驅動有所增加，人口密度對耕地功能的影響力總體處于穩定狀態。

關鍵詞：耕地功能轉型； 時空分異； 形成機理； 中國

中圖分類號：F323.21? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）02-0094-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.017 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Spatiotemporal differentiation and formation mechanism of arable land function transformation in China

XIONG Qiang1， ZHENG Liang2，3， JIANG Jin-hui2，3

（1.China Energy Group Dadu River Basin Hydropower Development Co.， Ltd.， Chengdu? 610041， China；2.Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan? 430014， China；3.Key Laboratory of Yangtze River Management and Protection， Ministry of Water Resources， Wuhan 430014，China）

Abstract： In order to accurately describe the path and formation mechanism of farmland function transformation in China， the theoretical framework and evaluation index system of farmland function transformation were established， and the method of determining index weight based on game theory was proposed. Based on the comprehensive index model， the farmland functional transformation index of Chinas provinces from 2000 to 2020 was measured， and the mechanism of farmland transformation in China was analyzed. The results showed that from 2000 to 2020， the social function of cultivated land increased and then decreased， the economic function decreased and then increased， and the ecological function remained stable. Among the sub-functions， the function of food security and ecological function were in the main position， the economic contribution function of cultivated land was stronger in underdeveloped areas， and the social function of cultivated land was stronger in northeast areas. From 2000 to 2020， the change of cultivated land function in China took a turning trend and began to evolve along the development direction of urban and rural residents demand. On the whole， the driving force of the urbanization level， the quality of economic development， the proportion of non-agricultural industry and the difference in the central， eastern and western areas on cultivated land function transformation had reduced， the driving force of regional economic aggregate on cultivated land function had increased， and the influence of population density on cultivated land function had remained stable.

Key words： arable land function transformation； spatio-temporal differentiation； formation mechanism； China

在中國城鄉發展轉型進程中，土地利用轉型及社會經濟轉型起到了不可替代的作用^［1］，耕地利用轉型是土地利用轉型的重要組成部分，中國耕地利用轉型模式研究有利于完善中國耕地利用管理模式，促進城鄉轉型發展進程。耕地作為人類最賴以生存的復合生態系統^［2］，耕地資源在保障食物安全、維持生態多樣性以及社會穩定等方面發揮著重要作用^［3，4］。自20世紀90年代以來，中國的工業化、城市化步伐隨著市場經濟體制逐漸建立和完善明顯加快，支農惠農強農政策陸續實施，市場需求和農民耕地利用意愿對耕地利用轉型的影響逐漸增強^［2］。耕地利用轉型包括空間形態轉型和功能形態轉型，耕地空間形態的轉型導致耕地功能形態的轉型^［5］，如何構建合理的耕地功能變化分析框架與測度模型，探索耕地利用可持續發展及有效管理路徑已成為學術界關注的焦點。

Walker^［6］在分析欠發達國家森林砍伐時首次使用轉型概念，Mather^［7］提出了采用森林轉型模型來解釋人類-環境的關系，基于森林轉型模型，在地理學領域Grainger^［8，9］提出了土地利用轉型的概念。土地利用轉型作為LUCC綜合研究的新途徑被提出，為耕地利用變化研究指引了新的方向。關于耕地利用轉型研究主要集中于耕地利用空間形態轉型和功能形態轉型2個方面，其中耕地利用空間形態包括耕地數量變化^［10］和空間格局變化^［11］研究，耕地功能形態轉型包括耕地功能類型劃分及測度^{［2，12］}、耕地功能轉型路徑及管理^{［5，13］}、糧食產量^［1］、生態功能^［14］以及碳匯能力^［15］等。以往研究對耕地功能形態研究較少，更多在于對耕地利用空間形態的研究。從理論方面來看，宋小青等^{［13，16］}通過構建耕地多功能內涵的綜合解釋框架，探索耕地多功能統籌利用保障機制，2014年構建了耕地轉型調控框架及其層次分析體系，并對中國耕地功能轉型進行定量測度，提出了耕地多功能管理路徑^{［2，5］}。Ge等^［1］構建了農地轉型理論模型，揭示中國農地轉型和糧食轉型之間的內在聯系。王曉瑜等^［17］測度了不同地域尺度耕地資源經濟、社會和生態價值，揭示了團風縣耕地價值空間分布規律。在具體研究內容上，借助于“3S”技術、空間計量分析等方法手段，對耕地功能轉型特征、規律、驅動機制等進行有效的揭示^{［12，18，19］}。在研究尺度上學者們從全國尺度^［2］、省域^［20］、地級市、縣域和鄉鎮^{［12，17］}以及地塊單元^［21］進行研究。從研究方法來看，指標權重的確定大多采用層次分析法、專家打分法等主觀賦權法和主成分分析法、熵值法等客觀賦權法，單一的采用主觀賦權法或客觀賦權法會造成主觀因素或客觀因素摻雜過多，影響評價結果的準確性。

作為一個多元的復雜體系，耕地功能存在許多確定性因素和不確定性因素，為防止落入主觀賦權法主觀因素摻雜過多、客觀賦權法完全基于數據導致脫離真實情況的2種極端，本研究分別采用基于博弈論的組合賦權法確定耕地功能轉型指標權重，采用綜合指標法測度2000—2020年中國耕地功能指標值，采用地理探測器模型對中國耕地功能轉型影響因素進行探測，以期為中國耕地的功能轉型模式和可持續利用研究提供參照。

1 理論框架

土地功能是社會生產、生活和資源環境容納能力效能的綜合反映，為非生物和生物之間信息、物質、能量交流提供重要場所和承載平臺，是土地資源和資產屬性的重要體現^［12］。耕地功能是土地利用功能研究不可或缺的部分，耕地功能的基礎研究是對功能內涵及屬性的研究，耕地功能轉型是社會或個體相關需求發生變化所導致，受市場需求和國家政策主導^［2］，農民對耕地資源的依賴程度與社會經濟發展呈現負相關^［22］，便農惠農政策能增加農民的種地積極性，也能促進耕地功能轉型。隨著學科交叉理念的逐漸深入，耕地功能理論和內涵不斷地豐富和完善，由單純的食物和原材料的供給上升到社會保障、生態服務的高度。參考土地利用功能以及土地多功能研究^［23-26］、鄉村地域多功能研究^{［27，28］}、耕地功能研究^{［2，12，16］}，從耕地資源的屬性和耕地資源的需求角度，從經濟、環境、社會功能3個角度定義“經濟-社會-生態”耕地功能模式。耕地經濟貢獻功能主要體現在國民經濟貢獻功能、農業經濟貢獻功能、家庭經濟貢獻功能^［29］；耕地社會功能主要體現在糧食安全保障功能、就業保障功能、社會安定維護功能；耕地生態安全維護功能指耕地在維持農村土地質量和生態平衡中的作用^{［2，12］}。探索中國耕地轉型形成機理對指導中國耕地轉型方向，促進農村轉型發展和城鎮化進程有重要意義。中國是人口大國，人均土地占有量小導致人地矛盾突出，人類不僅是土地的使用者，也是受益者，在影響耕地功能轉型的因素中，人口因素不容忽視^［30］。耕地功能轉型是土地利用轉型的重要組成部分，對應著不同的經濟社會發展階段，不同的經濟社會發展階段反過來作用于耕地功能轉型^［31］。耕地功能轉型在城市化、工業化、信息化和農業現代化“四化”的引導下，反過來促進“四化”的發展。當前，對中國耕地功能開展研究對保障中國耕地安全、提升農業農村現代化水平和促進鄉村振興發展具有關鍵作用^［32］。

2 指標構建與數據來源

2.1 指標構建

在參照以往研究成果基礎上，圍繞“經濟-社會-生態”耕地功能模式的內涵來構建指標體系^［33-37］，通過對耕地功能的三大子系統進行測度分析來反映中國耕地功能轉型時空分異特點，具體的指標構建見表1。

2.2 數據來源

數據來自于2001—2021年《中國統計年鑒》《中國農村統計年鑒》，結合《國家糧食安全中長期規劃綱要（2008—2020年）》^［38］及相關研究^{［39，40］}，在耕地壓力指數計算中，設定人均糧食需求量為400 kg，糧食自給率為95%；在糧食品質安全保障計算中，單位耕地化肥施用安全標準采用國際化肥施用安全標準上限225 kg/hm^2［41］。研究表明，中國的化肥利用率約為35%，氮肥為30%～35%，磷肥為10%～20%，鉀肥為30%～50%。其中，氮肥利用率、磷肥利用率和鉀肥利用率參照國內研究成果^［41］，分別取其上限值，設定為35%、20%和50%。受到數據限制，本研究區域不包括港、澳、臺地區。

3 研究方法

3.1 耕地功能評價方法

為了消除評價指標量綱的差異性，本研究按照“正向型”“負向型”和“適中型”指標3種類型進行標準化，具體計算方法見式（1）至式（3）。耕地功能是耕地各項子功能組合效益最大化的結果，采用綜合指數法來計算耕地綜合功能，計算方法見式（4）。

正向型指標：

適中型指標：

3.2 基于博弈論的組合賦權法主觀權重和客觀權重

依據AHP和熵值法確定耕地功能指標權重（表2），主觀權重與客觀權重之間有顯著差異，需要對權重進行組合^{［42，43］}。采用預計博弈論的組合賦權方法來計算權重，該方法論假設每個方案都是決策者理性決策的結果，決策過程則是在不同權重之間探尋最優解，達到共同利益最大化的過程^［44］。步驟如下。

假設采用L種方法得到指標權重，權重向量如下所示。

ω_k=（ω_k1，ω_k2，…，ω_kn）? ? ? ?k=（1，2，…，L）? ? （5）

由此得到可能的權重集，見式（6）。

基于表2中主、客觀權重和式（8），得出最優一階線性方程組。

計算得到α₁和α₂后，用式（9）歸一化，最終α^?₁= 0.732 9 ，α^?₂=0.267 1。因此，經過式（10）計算得出基于博弈論的組合權重（表3）。

采用一致性檢驗檢測3種權重的一致性，依次對不同方法得到的權重差異程度進行比較，檢驗公式如下。

當0≤d（ω^（1）×ω^（2））≤1時，d（ω^（1）×ω^（2））越小，兩種賦權結果越接近。經過檢驗，層次分析法及熵值法所賦權重的d（ω^（1）×ω^（2））處于［0，0.013 9］，層次分析法和基于博弈論的組合賦權法的d（ω^（1）×ω^（2））處于［0，0.003 7］，熵值法和基于博弈論的組合賦權法的d（ω^（1）×ω^（2））處于［0，0.010 2］。表明組合權重賦權法是考慮了主觀判斷與客觀情況的主觀權重與客觀權重的集成，使所得結果更加符合實際情況。

3.3 地理探測器

采用地理探測器模型分析中國耕地功能轉型影響因素^［45-47］。具體而言，本研究選取城鎮化率、非農產業比重、人口密度、人均GDP、東中西區域差異，分別探測城鎮化水平、產業結構、經濟社會和區域差異因素對耕地功能轉型空間的影響機制。具體公式如下。

式中，P_D，H為耕地轉型空間分異影響因素探測力指標；N_h為次一級區域樣本單元數；N為整個區域樣本單元數；L為次級區域個數；σ²為整個耕地轉型指數的方差；σ²_h為次一級區域的方差。

4 結果與分析

4.1 耕地功能轉型時序演變特征

根據表1中構建的中國耕地功能轉型指標體系，按照式（4）計算中國耕地功能指數。由圖1、圖2可以看出，2000—2020年，中國耕地利用綜合功能指數處于基本穩定水平，中國耕地社會功能對耕地利用綜合功能貢獻水平最高，其中糧食安全保障功能指數在2004年降低至最低水平0.119 8，隨后呈增長趨勢。社會安全維護功能和就業保障功能指數相對較低，社會安全維護功能指數先增大后減小，到2009年增長至0.072 8；就業保障功能指數在2000—2004年呈增長態勢，其后逐漸減弱，到2015年就業保障功能指數為0.041 3。其次是生態功能，波動中略有下降，2000—2001年耕地生態功能明顯增加，其后2001—2019年略有下降。經濟功能處于最低水平，對耕地綜合功能的貢獻先降低后增加，在2008年達到最低水平0.099 6。耕地國民經濟貢獻功能指數一直處于下降狀態，農業經濟貢獻功能指數一直低于家庭經濟貢獻功能指數，兩者在研究期間都表現出先降低后增加的態勢?？梢钥闯?000—2020年中國耕地功能出現了趨勢性變化，開始沿城鄉居民需求發展方向轉折。中國是農業大國，糧食生產作為農業、農村、農民三農問題重中之重，涉及到中國的繁榮穩定發展，為世界糧食安全作出了十分重大的貢獻，中國糧食安全保障功能指數自2004年以來呈上升趨勢。

4.2 耕地功能轉型空間演變特征

中國耕地利用經濟、社會和生態功能具有明顯的空間分異特征，如圖3、圖4所示。從耕地經濟功能來看，2010年中國耕地經濟功能對耕地綜合功能貢獻最低，其次是2020年。2000年耕地經濟功能對耕地綜合功能貢獻水平最高，其中2015年東北三省及東部地區的江蘇省、浙江省、山東省、福建省和海南省以及四川省的經濟貢獻功能高于2000年。經濟發達地區耕地經濟貢獻功能相對較弱，主要分布在中國東部地區。西部地區和東北地區耕地經濟功能相對較高，主要是由于東部地區經濟發展水平高，非農產業占比高。2000—2020年中國社會功能空間差異相對較小，基本維持在0.25左右。2000—2020年總體而言，新疆維吾爾自治區耕地社會功能處于最高水平，其次是黑龍江省和吉林省，津京冀地區耕地社會功能明顯較低。2000年耕地利用生態功能總體低于2010年和2020年，整體上福建省耕地利用生態功能指數最低，其次是廣東省和貴州省。

4.3 耕地功能轉型驅動因素分析

選擇人口密度（人/km²）、GDP（億元）和人均GDP（元/人）作為經濟社會因子，選擇城鎮化水平（%）代表城鎮化發展水平，選擇非農產業比重（%）代表產業結構因子，中東西部地區代表區位因子，分別測度經濟社會因子、城鎮化水平、產業結構以及區位因子對中國耕地功能轉型的影響。采用地理探測器模型探測2000年、2005年、2010年、2015年和2020年耕地利用轉型結果（圖5）。2000年人均GDP對耕地功能轉型的影響力最明顯，在0.7以上，隨后年份整體呈降低趨勢，到2020年降到0.3以下，說明經濟發展質量是導致耕地功能轉型的主導因素，對于耕地功能轉型作用力較大。經濟總量對耕地功能轉型的作用力相對較弱，總體呈增加趨勢。人口密度對耕地功能轉型影響力相對較為穩定，變化不大，始終保持在0.4以上。2000—2005年城鎮化水平對耕地功能轉型影響力有明顯增加，隨后年份影響力逐漸減弱。城鎮化發展帶動了耕地功能轉型，耕地功能轉型加速了城鎮化的進程。產業結構（非農產業比重）表現出與城鎮化發展水平類似的先增后減的特點。非農產業的發展提高了耕地功能轉型速度，反過來耕地功能轉型依賴于非農產業的發展。隨著西部大開發戰略和中部崛起戰略的實施，中東西部地區的差異縮小，對中國耕地功能轉型的影響力逐漸減弱。

5 小結與討論

本研究嘗試建立了中國耕地功能轉型測度指標體系，通過基于博弈論的組合賦權法，有效避免了主觀賦權法主觀因素涉入過多或客觀賦權完全基于數據而不顧真實情況的問題。采用綜合測度模型，得到2000—2020年全國耕地功能轉型指數，借助地理探測器模型，對2000年、2005年、2010年、2015年和2020年中國耕地功能轉型影響因素進行深入探討。得出主要結論如下。

1）總體來看，2000—2020年中國耕地功能發生了深刻轉型，社會功能對耕地貢獻指數高于生態功能，經濟貢獻功能處于最低水平。中國耕地綜合功能穩定中有所降低，社會功能以2009年為轉折點，先增加后降低，經濟功能以2008年為轉折點先降低后增加，生態功能基本保持穩定。

2）從耕地功能轉型空間格局來看，2000—2020年整體而言，欠發達地區耕地經濟貢獻功能對耕地功能貢獻較為明顯，相反，發達地區耕地經濟貢獻功能較弱，東北地區以及新疆維吾爾族自治區耕地社會功能指數較高，其他區域變化不大，在0.25左右，福建省生態功能指數最低，其次是廣東省和貴州省。

3）2000年人均GDP對耕地功能轉型驅動最為明顯，隨后影響力逐漸降低，與中東西部地區差異對耕地轉型的影響力逐漸減弱類似。城鎮化水平和非農產業比重對耕地功能轉型的影響力在2001—2005年有明顯上升，隨后也逐漸減弱。經濟總量對中國耕地功能轉型的影響力整體有所增加，人口密度的影響力總體處于穩定狀態。

本研究所構建耕地功能轉型理論框架以及定量分析可以有效揭示中國耕地功能轉型的時空特征，能為中國耕地安全、農業現代化和鄉村振興提供決策參考。耕地功能類型和內涵是研究耕地功能轉型的關鍵，也是耕地多功能管理的重要依據，如何準確刻畫耕地功能轉型路徑，探索耕地功能子系統之間的協調發展是未來研究的重要方向。

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收稿日期：2023-09-22

基金項目：國家自然科學基金項目（71804168）；國家公益性行業科研專項（201511004-4）

作者簡介：熊 強（1969-），男，四川廣元人，高級工程師，主要從事水資源和國土利用研究，（電話）15184363399（電子信箱）cjkcwjp1@163.com；通信作者，鄭 亮（1993-），男，湖北武漢人，博士，主要從事農業農村、鄉村振興研究，（電話）18164008400（電子信箱）zl@cug.edu.cn。