山東省耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度時空格局分析

路 昌 耿 昊 劉 蕊 呂永強(qiáng)

(1.山東建筑大學(xué)管理工程學(xué)院，濟(jì)南 250101； 2.山東建筑大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，濟(jì)南 250101)

0 引言

耕地是人類食物以及基礎(chǔ)資源的來源，耕地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能(提供農(nóng)副產(chǎn)品以滿足基本物質(zhì)需求)一直受到學(xué)術(shù)界重點(diǎn)關(guān)注[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和知識體系的豐富，耕地社會保障功能(提供就業(yè)崗位及經(jīng)濟(jì)來源以保障農(nóng)民基本生活)、生態(tài)環(huán)境功能(調(diào)節(jié)大氣組分與豐富生物多樣性)和景觀格局功能(提供規(guī)整耕作風(fēng)景)等其他功能逐漸顯現(xiàn)[2-3]。受自然資源條件、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向、耕地資源數(shù)量等多因素的影響，傳統(tǒng)耕地資源發(fā)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(fā)展不均衡，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化升級[5]，傳統(tǒng)耕地資源發(fā)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(xié)調(diào)發(fā)展模式有利于緩解耕地需求無序競爭、促進(jìn)耕地多功能統(tǒng)籌利用，為耕地資源保護(hù)提供了全新思路。

20世紀(jì)90年代初，聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會提出“農(nóng)業(yè)多功能性”的概念[5]，耕地多功能受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。國外學(xué)者多以耕地多功能指標(biāo)體系構(gòu)建[6]、理論框架分析[7]為研究重點(diǎn)；國內(nèi)學(xué)者的研究主要集中于耕地多功能內(nèi)涵及保護(hù)[4]、單功能及多功能評價與空間特征分析[8-9]、多功能權(quán)衡與協(xié)同分析[3,10]等方面。在指標(biāo)體系構(gòu)建方面，大多數(shù)學(xué)者以“三生”體系為基礎(chǔ)，重點(diǎn)關(guān)注生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能[11-12]，也有少數(shù)學(xué)者將生產(chǎn)或生態(tài)功能進(jìn)行細(xì)分，重點(diǎn)關(guān)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(qū)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(guān)模型[10]、耦合協(xié)調(diào)度模型[18-19]等，但以耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度為基礎(chǔ)進(jìn)行空間格局分析的研究鮮見報道。

山東省是我國糧食主產(chǎn)區(qū)和農(nóng)業(yè)大省，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展及糧食需求的不斷增長，耕地資源短缺、生態(tài)系統(tǒng)承載力下降、退耦化等問題日益突顯，阻礙了耕地功能協(xié)調(diào)發(fā)展。2019年《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興的指導(dǎo)意見》明確提出，要踐行綠水青山就是金山銀山理念，嚴(yán)守耕地和生態(tài)保護(hù)紅線，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)村生產(chǎn)、生活、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。2020年國務(wù)院先后發(fā)布了關(guān)于防止耕地“非農(nóng)化”、“非糧化”，穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的意見。在此背景下，探討耕地各功能之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，對促進(jìn)耕地多功能協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。本文以山東省為研究區(qū)，構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系，揭示耕地多功能性，運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度及空間自相關(guān)模型對耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度時空關(guān)聯(lián)格局進(jìn)行分析，揭示耕地各功能協(xié)調(diào)發(fā)展的空間分布規(guī)律，為耕地區(qū)域差異化治理、提升耕地綜合功能提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山東省位于我國東部沿海地區(qū)，地理坐標(biāo)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(tài)勢，屬溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，光照充足，適合農(nóng)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(qū)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(chǎn)量與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的占比分別為7.60%和8.60%，是我國的糧食主產(chǎn)區(qū)和農(nóng)業(yè)大省。另一方面，山東省農(nóng)藥化肥使用量近十年僅次于河南省，農(nóng)藥化肥的過度使用使土壤污染嚴(yán)重，耕地生態(tài)環(huán)境惡化，生產(chǎn)力降低，制約耕地多功能均衡發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所使用的土地利用變化遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心構(gòu)建的“全國陸地區(qū)域多時相土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫”(http:∥www.resdc.cn)，空間分辨率為30 m×30 m(2005、2010、2015年)，社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來源于2006、2011、2016年《中國縣域統(tǒng)計年鑒》、《山東省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》及各地市統(tǒng)計年鑒。因部分縣區(qū)指標(biāo)數(shù)據(jù)不全，本文將數(shù)據(jù)空缺較多的縣區(qū)(如長島縣、歷下區(qū)、李滄區(qū)等)刪除，最終選取研究區(qū)內(nèi)132個縣區(qū)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(biāo)體系構(gòu)建

耕地功能是耕地為人類生存發(fā)展提供各類必要資源的能力，主要包括生產(chǎn)、生活、生態(tài)及各項(xiàng)衍生功能，多功能是耕地的重要特征。借鑒相關(guān)耕地功能分類研究成果并結(jié)合研究區(qū)耕地情況，本文將耕地功能劃分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、景觀格局、社會保障和生態(tài)環(huán)境功能4類[20-23]，并根據(jù)系統(tǒng)性、代表性、客觀性和可操作性原則[8,15]選取15個評價指標(biāo)構(gòu)建耕地多功能評價指標(biāo)體系(表1)。①農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能表現(xiàn)為物質(zhì)產(chǎn)出能力，是耕地的基本功能。糧食作物及經(jīng)濟(jì)作物是耕地的主要產(chǎn)物，因此選取二者的單產(chǎn)反映耕地生產(chǎn)力，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能呈正相關(guān)；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(qū)域耕地面積占該區(qū)域土地面積的比重，反映區(qū)域土地資源開發(fā)利用的程度。②社會保障功能主要表現(xiàn)為耕地為農(nóng)村居民帶來經(jīng)濟(jì)收益及就業(yè)機(jī)會的能力。農(nóng)業(yè)從業(yè)人員占從業(yè)人員比重可以直接反映農(nóng)民對耕地的依賴程度；農(nóng)村人均農(nóng)業(yè)收入側(cè)重于反映耕地對農(nóng)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(jīng)濟(jì)效益；農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平可以反映出地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對勞動力的吸納能力，以農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力與農(nóng)業(yè)從業(yè)人員比值來表示，機(jī)械化水平越高，耕地對勞動力的吸納能力越低，耕地的就業(yè)保障能力越差，與社會保障功能呈負(fù)相關(guān)[22]。③景觀格局功能反映了耕地的景觀效果及美學(xué)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(qiáng)[8]；田塊規(guī)整度反映了耕地受人為影響的程度，田塊規(guī)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(guī)整，耕地更具有美觀價值[24]；道路通達(dá)度是耕地一定范圍內(nèi)村莊數(shù)量，反映了耕地各個斑塊之間道路的聯(lián)系程度，交通便利能夠促進(jìn)景觀格局功能的提高。④生態(tài)環(huán)境功能反映了耕地生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境造成的影響。農(nóng)用塑料薄膜強(qiáng)度、農(nóng)藥化肥施用強(qiáng)度直觀反映了耕地生產(chǎn)的必要投入，二者強(qiáng)度越大則對生態(tài)環(huán)境的破壞越嚴(yán)重；農(nóng)田生態(tài)多樣性指數(shù)反映了農(nóng)作物種類，指數(shù)越大耕地生態(tài)恢復(fù)力越高，生態(tài)環(huán)境功能越強(qiáng)[23]；固碳釋氧量反映了耕地農(nóng)作物對生態(tài)環(huán)境的改善程度[8]。耕地各個功能之間相互聯(lián)系，相互作用形成了耕地多功能。

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

2.2.2耕地功能值的計算

(1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于各指標(biāo)數(shù)據(jù)的單位不一致，且存在正向指標(biāo)與負(fù)向指標(biāo)，本研究采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，計算公式為

(1)

(2)

式中X′θij——標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值

Xθij——第θ年縣區(qū)i的第j個指標(biāo)值

Xθijmin——第θ年縣區(qū)i的第j個指標(biāo)最小值

Xθijmax——第θ年縣區(qū)i的第j個指標(biāo)最大值

(2)確定指標(biāo)權(quán)重

為進(jìn)一步確定各指標(biāo)對耕地功能的影響程度，參照文獻(xiàn)[25]對指標(biāo)體系構(gòu)建的結(jié)果采用熵值法初步確定客觀權(quán)重；參照文獻(xiàn)[26]利用Yaahp軟件確定主觀權(quán)重；最后結(jié)合主客觀權(quán)重，得到綜合權(quán)重Wj，計算公式為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中Wsj——第j個指標(biāo)的主觀權(quán)重

m——縣區(qū)總數(shù)與年數(shù)乘積

ej——第i個指標(biāo)的信息熵

Yij——縣區(qū)i的第j個指標(biāo)值比重

Yθij——第θ年縣區(qū)i和j個指標(biāo)值比重

Woj——第j個指標(biāo)的客觀權(quán)重

θ——研究時長，a

(3)功能值計算

參照文獻(xiàn)[18]，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會保障、景觀格局、生態(tài)環(huán)境功能指數(shù)進(jìn)行測算，計算公式為

(7)

(8)

(9)

(10)

式中Fagri——耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指數(shù)

Fsoci——耕地社會保障指數(shù)

Fland——耕地景觀格局指數(shù)

Fecol——耕地生態(tài)環(huán)境指數(shù)

w(agri)i——耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能評價的第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重

w(soci)i——耕地社會保障功能評價的第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重

w(land)i——耕地景觀格局功能評價的第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重

w(ecol)i——耕地生態(tài)環(huán)境功能評價的第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重

X′(agri)i——耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能第i項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值

X′(soci)i——耕地社會保障功能第i項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值

X′(land)i——耕地景觀格局功能第i項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值

X′(ecol)i——耕地生態(tài)環(huán)境功能第i項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值

2.2.3耦合協(xié)調(diào)度計算

耕地各功能之間并不獨(dú)立存在，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會保障、景觀格局、生態(tài)環(huán)境功能之間存在著相互促進(jìn)、相互制約的影響。本研究通過耦合協(xié)調(diào)度模型來表達(dá)耕地各功能之間的相互關(guān)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(xié)調(diào)度

T——耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會保障、景觀格局、生態(tài)環(huán)境功能的綜合評價指數(shù)

α、β、γ、η——待定系數(shù)

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(guān)分析

(1)全局自相關(guān)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(guān)分析模型對耕地權(quán)衡與協(xié)同的空間布局的變化進(jìn)行探究[24-25]。全局自相關(guān)分析通過Global Moran’sI指數(shù)(GMI)表示，取值范圍為[-1，1]，當(dāng)GMI<0，耕地各功能之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；GMI>0，呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；GIM=0，則不存在相關(guān)關(guān)系，計算公式為

(14)

式中Xi、Xj——區(qū)域i、j的指標(biāo)值

n——研究區(qū)總個數(shù)

Eij——區(qū)域i、j的鄰近關(guān)系，當(dāng)Eij=1則耕地i、j相鄰，當(dāng)Eij=0則耕地i、j不相鄰

(2)局部自相關(guān)分析-熱點(diǎn)分析

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

(15)

Wij——縣區(qū)i第j個指標(biāo)的綜合權(quán)重

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地多功能時空差異分析

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

3.1.1農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能

2005—2015年間，山東省耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能整體呈現(xiàn)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(qū)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(zhuǎn)變?yōu)檫B片分布，主要集中在魯西平原和魯北平原地區(qū)，該區(qū)域高程和坡度較低、水資源豐富、耕地面積和質(zhì)量均處于較高水平。研究期間中值水平區(qū)域不斷擴(kuò)張，縣級單元數(shù)量由60個增長到68個，廣泛分布于研究區(qū)范圍內(nèi)。較低值水平區(qū)域縣級單元數(shù)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(qū)，該區(qū)域地形起伏較大、耕地細(xì)碎化嚴(yán)重、不適宜農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能較弱。低值水平區(qū)域縣級單元數(shù)量較少，研究末期僅有淄川區(qū)處于低值水平。研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能總體呈現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(qū)為中值水平；2005—2010年，研究區(qū)社會保障功能增長明顯，28個縣區(qū)功能值水平提高；2010—2015年全省社會保障功能進(jìn)一步加強(qiáng)，54個縣區(qū)達(dá)到中值及以上水平，其中16個縣區(qū)位于膠東半島地區(qū)，該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植經(jīng)濟(jì)作物為主，耕地單位年收益較高，社會保障功能發(fā)展較快。研究末期，棲霞市為唯一高值水平地區(qū)，當(dāng)?shù)匾?guī)模化的水果種植產(chǎn)業(yè)推動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，提供大量就業(yè)崗位的同時顯著增加農(nóng)戶人均農(nóng)業(yè)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(xiàn)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(wěn)定。2005—2010年，研究區(qū)132個縣級單元中僅8個發(fā)生變化，其中萊城區(qū)、平原縣和寧陽縣功能增長，廣饒縣、即墨市、濟(jì)南市中區(qū)、棗莊市中區(qū)和淄川區(qū)功能降低。2010—2015年，7個縣區(qū)景觀格局功能降低，125個縣級單元功能保持穩(wěn)定。研究期間，低值與較低值水平主要分布在濟(jì)南、青島、煙臺、淄博和棗莊等地區(qū)，濟(jì)南、青島和煙臺近年來社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市規(guī)?？焖贁U(kuò)張過程中占用大量優(yōu)質(zhì)耕地導(dǎo)致當(dāng)?shù)馗胤寝r(nóng)化、細(xì)碎化現(xiàn)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(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，耕地資源豐富且連片度高，具有一定規(guī)模的農(nóng)田景觀生態(tài)系統(tǒng)(圖3)。

3.1.4生態(tài)環(huán)境功能

2005—2015年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境功能呈現(xiàn)小幅降低趨勢，整體以中值和較高值水平為主，二者數(shù)量之和占比大于97%；不同級別規(guī)模小幅變化，主要表現(xiàn)為中值與較高值水平的相互轉(zhuǎn)變，其中16個縣級單元由中值轉(zhuǎn)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(tài)環(huán)境功能總體呈現(xiàn)一定的空間聚集分布，中值水平縣區(qū)分布于魯北平原及膠東半島等社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快、人為活動干預(yù)較多的地區(qū)。較高值水平縣區(qū)集中分布在魯西平原和魯中南山地丘陵地區(qū)，魯西平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性豐富，固碳釋氧量較高，生態(tài)環(huán)境優(yōu)異；魯中南山地丘陵地區(qū)地形起伏較大，不適宜規(guī)?；N，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低，耕地生態(tài)環(huán)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)提高、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人們生活需求增加等不同因素影響下，2005—2015年研究區(qū)耕地綜合功能呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，28個縣區(qū)綜合功能等級上升，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會保障、景觀格局和生態(tài)環(huán)境功能增長數(shù)量分別為26、28、3、14個。結(jié)果表明，研究期間山東省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會保障功能對耕地綜合功能增長有較強(qiáng)推動作用，景觀格局和生態(tài)環(huán)境功能影響相對較小。2015年，研究區(qū)132個縣區(qū)中108個為中值水平，21個縣區(qū)為較低值水平，僅有濟(jì)陽縣、茌平縣和壽光市3個縣區(qū)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會保障和景觀格局功能值均為全省最高，該市耕地質(zhì)量優(yōu)越，面積廣闊，以蔬菜種植為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；?jīng)營、區(qū)域化布局和產(chǎn)業(yè)化管理，帶動當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入提高，耕地功能提升顯著；最低值為青島市城陽區(qū)，功能值僅為0.27，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會保障和景觀格局功能均為低值水平，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)占用耕地、水土流失等問題影響下，區(qū)域耕地面積不斷減少，農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)薄弱，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員少，經(jīng)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(xié)調(diào)度分析

耕地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會保障、景觀格局、生態(tài)環(huán)境功能之間存在一定相互聯(lián)系、相互影響的關(guān)系，四者形成了一個開放、復(fù)雜的系統(tǒng)。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(fā)展都會導(dǎo)致系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度的下降。隨著社會的發(fā)展，土地作為城鎮(zhèn)與工業(yè)發(fā)展的空間載體，人類對建設(shè)用地的需求不斷提高，耕地“非農(nóng)化”問題不斷出現(xiàn)，嚴(yán)重影響耕地綜合功能。與此同時，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，農(nóng)藥化肥、農(nóng)業(yè)機(jī)械、塑料薄膜等廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，耕地物質(zhì)產(chǎn)出、經(jīng)濟(jì)效益及生產(chǎn)效率大幅提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能增強(qiáng)；但是，農(nóng)藥化肥的過量使用會對耕地造成負(fù)向反饋，影響生態(tài)環(huán)境功能；農(nóng)用機(jī)械的大量投入會減少單位耕地可提供就業(yè)崗位，降低社會保障功能。因此，耕地不同功能之間耦合協(xié)調(diào)程度對耕地綜合功能影響明顯，對耕地不同功能耦合協(xié)調(diào)情況進(jìn)行分析，可為提升耕地綜合功能提供一定的科學(xué)依據(jù)。

參照文獻(xiàn)[28]，將研究區(qū)耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度劃分為4個等級：低水平耦合階段(耦合協(xié)調(diào)度為0～0.4)、拮抗階段(耦合協(xié)調(diào)度為0.4～0.6)、磨合階段(耦合協(xié)調(diào)度為0.6～0.8)、成熟階段(耦合協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)度整體呈顯著上升趨勢，主要表現(xiàn)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(qū)由36個減少到17個，磨合階段的縣區(qū)由95個增長到115個；研究期末沒有縣區(qū)處于低水平耦合階段和成熟階段。研究區(qū)耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度地域差異較為明顯，魯西平原地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度一直處于相對較高水平，由以輕度磨合協(xié)調(diào)階段為主過渡到以高度磨合協(xié)調(diào)階段為主，耕地各單項(xiàng)功能水平較高；膠東半島地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度增長迅速，研究期末9個縣區(qū)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(xù)增長，區(qū)域耕地各功能發(fā)展趨于平衡；魯中南山地丘陵地區(qū)由拮抗階段發(fā)展到磨合階段，受地形限制，大部分耕地不適合規(guī)模化集約化經(jīng)營，耕地生態(tài)環(huán)境功能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、景觀格局功能差異較大，耦合協(xié)調(diào)度較低。濟(jì)南市和青島市作為山東省經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心城市，耕地資源以實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和社會保障功能為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和景觀格局功能較低，各單項(xiàng)功能間發(fā)展不均衡，耦合協(xié)調(diào)度處于低值(圖6)。

表2 耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度等級劃分Tab.2 Coordination level division of farmland function

3.3 耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度空間自相關(guān)分析

利用全局空間自相關(guān)模型對研究區(qū)耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度分析并做出Moran散點(diǎn)圖(圖7)，山東省耕地功能耦合協(xié)調(diào)度Global Moran’sI指數(shù)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(yàn)，表現(xiàn)為顯著空間相關(guān)性，表明研究期間山東省耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度的空間分布具有一定規(guī)律且空間相關(guān)性逐漸降低。散點(diǎn)圖中點(diǎn)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(shù)量較少，說明研究區(qū)耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度空間正相關(guān)性較強(qiáng)，具有較高的空間聚集性。

利用局部空間自相關(guān)分析模型將山東省耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度劃分為5個等級：顯著H-H區(qū)、顯著H-L區(qū)、非顯著區(qū)、顯著L-H區(qū)和顯著L-L區(qū)，得到耕地功能局部空間關(guān)聯(lián)圖(表3和圖8)。研究期間，不同類型區(qū)空間分布變化明顯。顯著H-H區(qū)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(qū)，該區(qū)域耕地各功能發(fā)展均衡，耦合協(xié)調(diào)度較高，縣級單元之間存在高協(xié)調(diào)輻射；2005年顯著L-L區(qū)主要分布于魯中南山地丘陵地區(qū)，2015年逐漸集中于膠東半島地區(qū)，由10個減少到8個縣區(qū)，該區(qū)域耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能和景觀格局功能較低，耕地各功能耦合協(xié)調(diào)度較低，縣區(qū)之間存在低協(xié)調(diào)輻射；顯著L-H區(qū)和顯著H-L區(qū)占比較少，變化不明顯，其中顯著L-H區(qū)為高耦合協(xié)調(diào)縣區(qū)周圍與低耦合協(xié)調(diào)縣區(qū)相鄰，分布于魯中南山地丘陵地區(qū)南部；顯著L-H區(qū)為低耦合協(xié)調(diào)縣區(qū)周圍與高耦合協(xié)調(diào)縣區(qū)相鄰，呈現(xiàn)零星分布。根據(jù)分析結(jié)果可將研究區(qū)劃分為不同區(qū)域，顯著H-H區(qū)耦合協(xié)調(diào)度為高度磨合協(xié)調(diào)，空間分布高度集中，耕地功能發(fā)展較好，可劃為“優(yōu)勢協(xié)調(diào)區(qū)”；顯著L-L區(qū)耦合協(xié)調(diào)度表現(xiàn)為拮抗協(xié)調(diào)，可劃為“全面改良區(qū)”；顯著H-L區(qū)中心縣區(qū)為高度磨合協(xié)調(diào)，周邊縣區(qū)為拮抗協(xié)調(diào)，受周邊縣區(qū)影響易轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著L-L區(qū)，可劃為“適度保護(hù)區(qū)”；顯著L-H區(qū)情況與顯著H-L區(qū)相反，可劃為“重要改良區(qū)”；針對不同區(qū)域?qū)嵭胁町惢芾砗驼{(diào)控，充分發(fā)揮各區(qū)域優(yōu)勢，進(jìn)一步提高顯著H-H區(qū)(魯西平原地區(qū))耕地耦合協(xié)調(diào)度，帶動周邊地區(qū)多功能協(xié)調(diào)發(fā)展。

表3 2005—2015年耦合協(xié)調(diào)度空間自相關(guān)類型的縣區(qū)個數(shù)及占比Tab.3 Number and proportion of counties with spatial autocorrelation type from 2005 to 2015

結(jié)合耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度空間分布圖(圖6)分析可知，顯著H-H區(qū)對應(yīng)的主要是高度磨合協(xié)調(diào)區(qū)，其中2005年由于協(xié)調(diào)度普遍較低，顯著H-H區(qū)與輕度磨合協(xié)調(diào)對應(yīng)；顯著H-L區(qū)主要對應(yīng)的是輕度和高度磨合協(xié)調(diào)區(qū)；非顯著區(qū)主要對應(yīng)輕度磨合協(xié)調(diào)區(qū)；顯著L-H區(qū)主要對應(yīng)輕度拮抗協(xié)調(diào)區(qū)域；顯著L-L區(qū)主要對應(yīng)輕度不協(xié)調(diào)和高度拮抗協(xié)調(diào)區(qū)域?？梢?，基于局部空間自相關(guān)分析得到的耦合協(xié)調(diào)度的空間關(guān)聯(lián)圖與其空間分布的實(shí)際情況基本相符。

3.4 討論

運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度及空間自相關(guān)模型對山東省耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度時空關(guān)聯(lián)格局進(jìn)行分析。結(jié)果表明以耦合協(xié)調(diào)度為基礎(chǔ)分析時空格局更準(zhǔn)確反映了耕地各功能協(xié)調(diào)發(fā)展的空間分布規(guī)律。但由于耕地功能分類尚未統(tǒng)一以及數(shù)據(jù)的可獲取性，指標(biāo)體系還需進(jìn)一步完善和優(yōu)化。例如：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能作為耕地最基本功能，本文共選取4個指標(biāo)，后期可以增加人均糧食保證率，進(jìn)一步完善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能評價體系；社會保障功能相關(guān)指標(biāo)可進(jìn)一步劃分為就業(yè)保障與經(jīng)濟(jì)保障，使各個指標(biāo)更準(zhǔn)確反映與功能之間的關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)2005—2015年，耕地各單項(xiàng)功能時空格局變化差異明顯。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能整體呈顯著增長趨勢，魯西平原地區(qū)作為糧食主產(chǎn)區(qū)增長較為明顯，魯中南山地丘陵地區(qū)功能較弱；社會保障功能整體呈現(xiàn)上升趨勢，較高水平集中分布在膠東半島地區(qū)；景觀格局功能基本保持穩(wěn)定，低值與較低值水平主要分布在濟(jì)南、青島等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，中值與較高值水平主要分布在濰坊市和菏澤市；生態(tài)環(huán)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(qū)，較高值水平集中分布在魯西平原和魯中南山地丘陵地區(qū)。研究期間，山東省耕地綜合功能持續(xù)增長，以中值水平為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會保障功能對耕地綜合功能增長有較強(qiáng)的推動作用，景觀格局和生態(tài)環(huán)境功能影響相對較小。

(2)山東省耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度由拮抗階段向磨合階段逐步提高，研究期末沒有縣區(qū)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(nóng)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)地區(qū)耦合協(xié)調(diào)度水平高于經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點(diǎn)區(qū)域：耦合協(xié)調(diào)度增長區(qū)主要分布在以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展為主的魯西平原地區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)提升該區(qū)耕地景觀格局和生態(tài)環(huán)境功能，加快由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步提高耦合協(xié)調(diào)度；濟(jì)南、青島作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點(diǎn)地區(qū)，城鎮(zhèn)化及工業(yè)化進(jìn)程加快，耦合協(xié)調(diào)度處于拮抗階段，應(yīng)重點(diǎn)提升該區(qū)耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和景觀格局功能，提高土地集約利用水平，強(qiáng)化土地用途管制，切實(shí)保護(hù)耕地，增強(qiáng)耕地各功能間的聯(lián)系，促進(jìn)各功能均衡協(xié)調(diào)發(fā)展。

(3)山東省耕地多功能耦合協(xié)調(diào)度具有較高的空間聚集性，空間相關(guān)性逐漸降低，不同類型區(qū)空間分布變化明顯。顯著H-H區(qū)與顯著L-L區(qū)空間聚集性較強(qiáng)，顯著H-H區(qū)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(qū)由魯中南山地丘陵地區(qū)向膠東半島地區(qū)轉(zhuǎn)移，數(shù)量不斷減少，尤其青島市區(qū)最為集聚；顯著L-H區(qū)與顯著H-L區(qū)數(shù)量較少，空間分布零散。