耕地多功能權衡與協(xié)同關系的尺度效應
——以武漢城市圈為例

楊鳳妍子，胡偉艷，劉 恬，張絲雨

(華中農(nóng)業(yè)大學公 共管理學院，湖北 武漢 430070)

自20世紀70年代以來，單一功能的生產(chǎn)性農(nóng)業(yè)已對全球的土壤質量、糧食安全、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)村活力造成巨大影響。作為農(nóng)業(yè)經(jīng)營的最主要元素，耕地多功能現(xiàn)已被視為維持世界各國農(nóng)業(yè)與農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展的策略。我國用占全球7%的耕地養(yǎng)活了全球22%的人口，但是隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，耕地資源大量流失，一些地區(qū)污染嚴重，耕地質量退化。2013年以來，我國政府明確實施生態(tài)文明建設、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和國土空間規(guī)劃，提出挖掘鄉(xiāng)村的多種功能價值，發(fā)揮有限耕地資源的多種功能，實現(xiàn)可持續(xù)利用。由于耕地功能類型的多樣性、空間分布的不均衡性和人類利用的選擇性，耕地各功能之間存在著此消彼長的權衡與相互促進或抑制的協(xié)同關系。如何用較小的成本權衡與協(xié)同耕地多功能，尋求可持續(xù)的農(nóng)業(yè)和農(nóng)村發(fā)展，已成為破解我國“三農(nóng)”問題，讓“農(nóng)業(yè)更強、農(nóng)民更富、農(nóng)村更美”的策略問題。

權衡與協(xié)同不僅包含主體和可逆的權衡與協(xié)同，也包含時間和空間的權衡與協(xié)同，現(xiàn)有文獻主要從空間尺度上圍繞行政尺度或柵格尺度開展耕地多功能研究，或從時間尺度上探究權衡與協(xié)同關系的時空演變特征。例如，董鵬宇等從柵格尺度分析了上海市青浦區(qū)耕地多功能的權衡與協(xié)同關系；朱慶瑩等利用2000—2013年的數(shù)據(jù)從縣(市、區(qū))尺度分析揭示了湖北省耕地多功能權衡與協(xié)同的時空格局與變化規(guī)律；Raudsepp-Hearne等以加拿大魁北克為例，研究生態(tài)系統(tǒng)服務功能間的關系在3種柵格尺度上的變化規(guī)律；Stürck等檢驗了不同的柵格尺度設計如何影響歐盟景觀多功能評估的結果，發(fā)現(xiàn)景觀多功能性取決于分析的空間尺度。總的來看，當前關于耕地多功能權衡與協(xié)同的研究尺度比較單一，且較少涉及多功能權衡與協(xié)同關系的尺度效應，尤其是行政管理的尺度效應。

開展行政管理的多尺度研究，可為不同層級政府的協(xié)同合作提出差異化政策建議，在一定程度上，有利于具體政策的實施。在我國，中央政府通過建立委托代理機制實現(xiàn)對耕地的管理，省級以下政府通過層層委托、分級代理的半垂直管理體系將權限逐級下放。由于委托代理鏈較長，不同行為主體保護耕地的意愿、行為、目標存在顯著差異，耕地多功能的權衡與協(xié)同關系亦可能存在顯著的尺度效應。武漢城市圈作為國內許多發(fā)展迅速的城市圈的典型代表，選其作為研究對象，既有利于對典型城市圈耕地多功能的解讀，也能為引導長江中下游和我國中部典型區(qū)域的耕地多功能有序可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

武漢城市圈位于我國中部，湖北省東部，以武漢市為核心，覆蓋黃石、黃岡、鄂州、孝感、咸寧、潛江、仙桃、天門9個城市，總面積5.78萬km。據(jù)統(tǒng)計，武漢城市圈2019年常住人口3 192.5萬，地區(qū)生產(chǎn)總值27 681.5億元，分別占全省的53.96%和60.40%，是湖北經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域。2007年，武漢城市圈經(jīng)國務院批準為全國資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會建設綜合配套改革試驗區(qū)，2016年底，武漢市正式獲批國家中心城市建設。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化的快速推進，武漢城市圈建設用地需求增加，耕地面積自1990年的302.9萬hm下降至2015年的277.3萬hm。根據(jù)《中國耕地質量等級調查與評定(全國卷)》，武漢城市圈耕地質量優(yōu)良，是我國重要的商品糧棉油生產(chǎn)基地。2017年國務院印發(fā)的《全國國土規(guī)劃綱要(2016—2030年)》將武漢城市圈劃分為人居生態(tài)與優(yōu)質耕地維護區(qū)。這意味著武漢城市圈在經(jīng)濟發(fā)展的過程中，面臨耕地保護的巨大壓力。耕地具有多功能特性，如何尋求武漢城市圈耕地多功能的協(xié)同發(fā)展，積極引導國土空間規(guī)劃，優(yōu)化城鎮(zhèn)空間、農(nóng)業(yè)空間和生態(tài)空間，加強耕地數(shù)量、質量和生態(tài)“三位一體”保護，已成為武漢城市圈發(fā)展中面臨的重要課題。

1.2 數(shù)據(jù)來源

各級行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于2015年度國家級土地變更調查數(shù)據(jù)庫。人口和GDP空間分布千米格網(wǎng)數(shù)據(jù)由中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺獲取，并通過ArcGIS 10.4軟件的空間連接工具和匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)工具匯總至各級行政單元。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2018年湖北省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒，氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)共享服務平臺。百度地圖POI(興趣點)數(shù)據(jù)是利用Python 3.6軟件在百度地圖開放平臺中采用“農(nóng)業(yè)園、休閑農(nóng)莊、農(nóng)家樂、采摘”等關鍵詞爬取的武漢城市圈內農(nóng)家樂的名稱、地點和地理坐標(經(jīng)緯度)，并通過ArcGIS 10.4軟件進行空間化。

土地利用數(shù)據(jù)的處理流程如下：(1)結合野外實測資料和相關地理圖件對遙感影像數(shù)據(jù)進行圖像處理，通過人機交互解譯獲取土地利用數(shù)據(jù)，并檢驗數(shù)據(jù)精度(耕地數(shù)據(jù)精度不低于85%，非耕地數(shù)據(jù)精度不低于80%)；(2)結合行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.4軟件進行柵格裁剪處理，獲得各級行政單元的土地利用數(shù)據(jù)，對耕地和非耕地進行柵格重分類，將耕地賦值為1，非耕地賦值為0；(3)運用ArcGIS 10.4軟件3D分析工具中的柵格計算器獲取各級行政單元耕地的基礎數(shù)據(jù)。

1.3 耕地多功能多尺度評價

本文從市(含副省級城市、地級市、省直管市)、縣(市、區(qū))、鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)、耕地管理場地4級尺度，以下分別稱為市級尺度(=9)、區(qū)縣尺度(=39)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度(=474)和場地尺度(=52 833)，探討武漢城市圈耕地多功能權衡與協(xié)同的關系。其中，最小尺度對應于正在對耕地進行單獨管理的場地或場地尺度，在空間上用1 km×1 km的耕地格網(wǎng)表示。

充分考慮武漢城市圈耕地的特殊性，并結合已有研究成果，本文將耕地功能劃分為生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、社會功能和景觀功能4類，分別從4級尺度構建耕地多功能評價指標體系開展研究。將具體的指標釋義整理于表1，并將技術路線總結于圖1。

1.3.1 生產(chǎn)功能

生產(chǎn)功能是耕地最基本和最核心的功能，主要指人類通過勞動控制耕地上農(nóng)作物生長發(fā)育并取得糧食作物和經(jīng)濟作物的能力。武漢城市圈內經(jīng)濟作物的播種面積占比較大，若僅考慮各類作物的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，可能會造成評價結果失真。為此，分別從作物產(chǎn)量和產(chǎn)值2方面綜合選取地均糧食作物產(chǎn)量、地均經(jīng)濟作物產(chǎn)量和地均農(nóng)業(yè)增加值表征耕地的生產(chǎn)功能。在市級尺度、區(qū)縣尺度和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上，地均糧食作物產(chǎn)量、地均經(jīng)濟作物產(chǎn)量和地均農(nóng)業(yè)增加值分別通過糧食作物總產(chǎn)量、經(jīng)濟作物總產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)增加值比土地總面積進行量化。

圖1 武漢城市圈耕地多功能權衡與協(xié)同研究的技術路線Fig.1 Technical roadmap of trade-offs and synergies of multifunction of cultivated land

表1 耕地多功能評價指標體系

在1 km×1 km的場地尺度上，糧食作物產(chǎn)量、經(jīng)濟作物產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)增加值的計算過程如下：

(1)

式(1)中：表示第個縣(市、區(qū))內第個耕地管理場地的糧食作物產(chǎn)量、經(jīng)濟作物產(chǎn)量或農(nóng)業(yè)增加值，表示第個縣(市、區(qū))相應的糧食作物產(chǎn)量、經(jīng)濟作物產(chǎn)量或農(nóng)業(yè)增加值，表示第個縣(市、區(qū))內第個耕地管理場地的耕地總面積，表示第個縣(市、區(qū))的耕地總面積。

1.3.2 生態(tài)功能

生態(tài)功能是指耕地生態(tài)系統(tǒng)與林地、草地、水域等共同維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的能力。在耕地生態(tài)系統(tǒng)中，各類作物在生長期間通過呼吸作用與光合作用維持碳氧平衡，并發(fā)揮著涵養(yǎng)水源的功能。同時，耕地生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)作物種類的多樣性也對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用。然而，農(nóng)作物生產(chǎn)過程中化肥、農(nóng)藥的不合理使用則會對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成直接破壞?；诖耍C合選取地均化肥使用強度、地均固碳釋氧量、農(nóng)耕多樣性和水源涵養(yǎng)能力表征耕地的生態(tài)功能。其中，固碳釋氧量借鑒劉利花等的方法，采用造林成本法和瑞典碳稅法估算耕地生態(tài)系統(tǒng)固定CO的價值，采用造林成本法和制氧工業(yè)法估算耕地生態(tài)系統(tǒng)釋放O的價值；水源涵養(yǎng)能力的計算過程參考秦嘉勵等的研究，采用綜合蓄水能力法分別從土壤層蓄水量和農(nóng)作物冠層降水截留率測算。

1.3.3 社會功能

社會功能是指耕地保障糧食安全和承載農(nóng)民就業(yè)、養(yǎng)老等服務的能力。由于武漢城市圈內農(nóng)民生計仍大量依附自產(chǎn)食物，因此耕地還具有社會保障的功能。基于此，綜合選取人均耕地面積、糧食自給率、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比重共同表征武漢城市圈耕地的社會功能。

1.3.4 景觀功能

景觀功能是指以景觀為基礎，耕地為人類提供的美學享受、休閑游憩、文化教育等服務，主要表現(xiàn)為耕地景觀自然資源本底質量與獲取便捷性2方面。從耕地景觀的自身條件出發(fā)，綜合考慮耕地田塊規(guī)整程度、集中連片特征，以及研究區(qū)域內農(nóng)業(yè)觀光園的分布特征，綜合選取景觀集聚度指數(shù)(CONTAG)、耕地田塊規(guī)整度(PAFRAC)和地均農(nóng)業(yè)觀光園個數(shù)3項指標共同量化市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上武漢城市圈耕地的景觀功能。在場地尺度上，采用耕地格網(wǎng)到最近農(nóng)業(yè)觀光園的距離和到最近縣鄉(xiāng)級以上道路的距離2項指標來量化耕地的景觀功能。

1.4 耕地多功能測度

本研究擬在4個尺度下分別進行耕地的多功能測度。雖然不同尺度下的樣本數(shù)量不同，但測算思路與計算過程相同。為使行文更加簡明，以下以任一尺度為例，對耕地多功能測度的過程進行介紹，各項指標的計算均對應于同一尺度。

1.4.1 指標數(shù)據(jù)標準化與熵權法確定權重

為克服各評價指標的量綱差異，采用極差標準化法對各評價指標進行無量綱化處理，對于正向指標和負向指標分別按式(1)、(2)進行處理。

=[-min()][max()-min()]；

(1)

=[min()-][max()-min()]。

(2)

式(1)、(2)中：表示第個樣本第項評價指標的評價值，max()、min()分別表示第個樣本第項評價指標的最大值和最小值，為第個樣本第項評價指標標準化后的值。

采用熵權法計算各評價指標的權重，具體計算公式為

(3)

(4)

(5)

1.4.2 耕地單項功能測度方法

采用線性加權模型分別測算耕地生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、社會功能和景觀功能指數(shù)，具體公式為

(6)

式(6)中：表示第個樣本耕地單項功能分值，取值1～4分別表示耕地的生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、社會功能、景觀功能，為用于耕地單項功能評價的指標數(shù)量。

1.4.3 耕地多功能測度方法

耕地多功能的測度方法主要有加權綜合指數(shù)法、香農(nóng)多樣性指數(shù)法和辛普森倒數(shù)指數(shù)法。其中，綜合指數(shù)法是將耕地多功能作為整體，考慮各個指標在整體中的相對重要性，主要測度總量上的耕地多功能程度；香農(nóng)多樣性指數(shù)法能夠較好地衡量類型的多樣性，但在反映數(shù)量均勻度等結構特征方面存在較大缺陷；辛普森倒數(shù)指數(shù)法能夠較好地刻畫耕地多功能數(shù)量的均勻度特征。在單項功能評價的基礎上，采用加權綜合指數(shù)法[式(7)]和辛普森倒數(shù)指數(shù)法[式(8)]分別從總量和結構上測度耕地多功能。

(7)

式(7)中：為第個樣本的耕地多功能總分值。

(8)

式(8)中：為第個樣本的辛普森倒數(shù)指數(shù)，反映耕地功能類型的多樣性與數(shù)量的均勻度，值越大，說明耕地功能類型越多樣，數(shù)量越均勻。

1.5 耕地多功能權衡與協(xié)同分析

相關分析法能讓權衡與協(xié)同的結果得到更加直觀的表達。皮爾遜(Pearson)積差相關系數(shù)和斯皮爾曼(Spearman)秩次相關系數(shù)已被廣泛用于生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同研究。其中，Spearman秩次相關系數(shù)是利用兩變量的秩次大小做線性相關分析，對原始變量的分布不做要求，屬于非參數(shù)統(tǒng)計方法，適用范圍更廣?；诖耍捎肧pearman相關系數(shù)()分析耕地多功能的權衡與協(xié)同關系，詳細計算過程參考朱慶瑩等的研究。若相關關系為正且顯著，表明兩種耕地功能間存在協(xié)同關系；若相關關系為負且顯著，表明兩種耕地功能間存在權衡關系；若相關性不顯著，表明兩種耕地功能間存在獨立關系。此外，相關系數(shù)的絕對值越大，表示兩種耕地功能之間的關系越強；相關系數(shù)的絕對值越小，表示兩種耕地功能之間的關系越弱。

2 結果與分析

2.1 耕地多功能的多尺度空間分布格局

從市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和場地4個尺度，利用ArcGIS 10.4平臺，對武漢城市圈耕地的單項功能和多功能進行綜合評價，其空間表達結果如圖2所示?？傮w而言，武漢城市圈耕地多功能在不同尺度上空間差異較大，具有較明顯的空間分異特征。對于生產(chǎn)功能、社會功能而言，其空間分布格局在各個尺度上平均變化，而對于生態(tài)功能、景觀功能而言，在最小尺度(場地尺度)上觀察到的空間分布格局在最大尺度(市級尺度)上被部分隱藏。隨著研究尺度的縮小，耕地多功能在空間上得以更精準地表達，但在較大尺度上可以更明顯地展示功能分布趨勢。

生產(chǎn)功能的高值區(qū)主要集中在武漢城市圈中西部沿江平原地區(qū)，而東北部和南部地區(qū)生產(chǎn)功能總體偏低。這主要是因為，西部平原地區(qū)地勢平坦，土壤質量優(yōu)良，水資源豐富，是武漢城市圈的糧食主產(chǎn)區(qū)；中部武漢市下轄的蔡甸區(qū)、漢南區(qū)、東西湖區(qū)、黃陂區(qū)和江夏區(qū)均設有重要的蔬菜生產(chǎn)基地，經(jīng)濟作物產(chǎn)量高；而北部的黃岡市、孝感市普遍為山地丘陵地貌，地形和土壤條件都不利于其耕地生產(chǎn)功能的發(fā)揮。

生態(tài)功能呈現(xiàn)出東西高、中部低的分布規(guī)律。其可能的原因是，中部的武漢和南部的咸寧等地耕地資源稟賦有限，耕地圖斑破碎，而西部江漢平原地區(qū)耕地大量集聚且質量優(yōu)良。

社會功能的高值區(qū)主要集中在武漢城市圈外圍，呈現(xiàn)較明顯的“外圍高、中心低”的空間格局。這可能是因為，武漢城市圈的中心城市武漢市的社會經(jīng)濟發(fā)展水平更高，對耕地社會功能的依賴程度相對較低，而外圍地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展水平相對較低，耕地相對更多地承擔了為區(qū)域內農(nóng)戶提供社會保障的角色。這一空間分布規(guī)律在一定程度上也體現(xiàn)了武漢城市圈的中心輻射作用。

第1行至第4行分別展示耕地的生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、社會功能、景觀功能，第1列至第4列分別展示市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、場地尺度的結果。Row 1 to row 4 showed the production function， ecological function， social function and landscape function of cultivated land， respectively; while column 1 to column 4 showed city scale， county scale， township scale and site scale， respectively.圖2 武漢城市圈耕地單項功能的多尺度空間分布格局Fig.2 Multiscale spatial distribution pattern of single function of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area

景觀功能自西南向東北呈現(xiàn)出低高相間的特征，且呈現(xiàn)較明顯的“中間高、外圍低”的空間格局。這主要是因為，武漢市、鄂州市、黃石市的社會經(jīng)濟發(fā)展相對迅速，居民生活水平相對較高，對耕地的景觀文化功能需求更強，更加注重耕地的景觀休憩功能。

從加權綜合指數(shù)和辛普森倒數(shù)指數(shù)(圖3)來看，無論是市級尺度還是區(qū)縣尺度、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度、場地尺度，研究區(qū)總量上的耕地多功能與結構上的耕地多功能存在相反的空間分布格局。這說明，研究區(qū)內仍然側重于耕地的單項功能，耕地多功能之間的結構協(xié)同程度較低。

2.2 單一尺度的耕地多功能權衡與協(xié)同

為表征不同尺度下耕地各功能之間的相互作用，借助R語言“Corrgram”包與SPSS 24軟件平臺，運用Spearman相關分析法實現(xiàn)耕地多功能權衡與協(xié)同關系的計算與表達(圖4)。在圖4中，紅色表示正相關，藍色表示負相關，顏色越深說明2個變量的相關性越大。圖4中上三角單元格顏色的含義與下三角單元格相同，相關程度由餅狀圖中的填充面積表示，相關性越大，則填充的面積越多。若為正相關性，從12點鐘處順時針方向填充餅圖；若為負相關性，則逆時針方向填充餅圖。

在市級尺度上，6對相關關系中，僅有生態(tài)功能與社會功能存在協(xié)同作用，相關系數(shù)為0.800，其他5對相關關系均未通過顯著性檢驗，不存在明顯的相關關系；在區(qū)縣尺度上，耕地的生產(chǎn)功能與景觀功能、生態(tài)功能與社會功能存在協(xié)同關系，相關系數(shù)分別為0.530、0.581，社會功能與景觀功能存在權衡關系，相關系數(shù)為-0.527；在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上，耕地的生產(chǎn)功能與生態(tài)功能、生產(chǎn)功能與社會功能、生態(tài)功能與社會功能存在協(xié)同關系，相關系數(shù)分別為0.502、0.265、0.631，生態(tài)功能與景觀功能、社會功能與景觀功能存在權衡關系，相關系數(shù)分別為-0.099、-0.258；在場地尺度上，6對相關關系均表現(xiàn)為協(xié)同作用。

上、下行分別展示加權綜合指數(shù)法和辛普森倒數(shù)指數(shù)法測度的耕地多功能程度，第1列至第4列分別展示市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、場地尺度的結果。The upper and lower row showed the multifunctional degree of cultivated land measured by the weighted composite index method and the Simpson reciprocal index method， respectively. Columns 1 to 4 showed the results of the city scale， county scale， township scale and site scale， respectively.圖3 武漢城市圈耕地多功能的多尺度空間分布格局Fig.3 Multiscale spatial distribution pattern of multifunction of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area

第1列至第4列分別展示市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、管理場地尺度的結果。*和**分別表示相關性通過P<0.05和P<0.01水平的顯著性檢驗。Columns 1 to 4 showed the results of the city scale， county scale， township scale and site scale， respectively. *， and ** indicated significant level at P<0.05 and P<0.01， respectively.圖4 不同尺度下武漢城市圈耕地多功能的權衡與協(xié)同關系Fig.4 Trade-offs and synergies of multifunction of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area at different scales

2.3 耕地多功能權衡與協(xié)同關系的尺度效應

對各尺度下的Spearman相關系數(shù)做趨勢分析，判斷2種耕地功能的相關關系在不同尺度間的變化。若趨勢線過軸，說明2種耕地功能之間的關系隨著研究尺度的變化發(fā)生了權衡與協(xié)同關系的變化。

總體來看，耕地多功能權衡與協(xié)同關系在不同尺度間的變化主要表現(xiàn)為以下4種類型(圖5)：(1)耕地功能之間的相關關系以協(xié)同為主，且協(xié)同作用隨尺度的增加而增強。例如：在場地尺度上，耕地的生產(chǎn)功能與景觀功能呈相關系數(shù)為0.164的協(xié)同關系；在區(qū)縣尺度上，這兩種功能間呈相關系數(shù)為0.530的協(xié)同關系，其協(xié)同作用隨尺度的增加而增強。(2)耕地功能之間的相關關系以協(xié)同為主，且協(xié)同作用隨尺度的增加而減弱。例如：隨著研究尺度的增加，耕地的生產(chǎn)功能和生態(tài)功能、生產(chǎn)功能和社會功能的協(xié)同關系都逐漸減弱。(3)耕地功能之間的相關關系以協(xié)同為主，且協(xié)同作用隨尺度的增加先減弱后增強。例如：從場地尺度到鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度、區(qū)縣尺度，生態(tài)功能和社會功能的協(xié)同關系逐漸減弱，但在市級尺度上，兩功能間的協(xié)同關系增強。(4)耕地功能之間的相關關系隨尺度的增加由協(xié)同變?yōu)闄嗪狻＠纾涸趫龅爻叨壬?，耕地的生態(tài)功能和景觀功能、社會功能和景觀功能分別呈相關系數(shù)為0.075、0.013的協(xié)同關系，但隨著研究尺度的增加，鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上兩對功能均呈現(xiàn)權衡關系，且社會功能和景觀功能間的權衡關系在區(qū)縣尺度上進一步增強。

圖中僅顯示通過顯著性檢驗的結果。Only significant (P<0.05) results were shown in the above figure.圖5 武漢城市圈耕地多功能權衡與協(xié)同關系的尺度效應Fig.5 Scale effect of trade-offs and synergies of multifunction of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area.

3 討論

本文以武漢城市圈為例，利用土地利用數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)與統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，從多尺度視角，將耕地功能分為生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、社會功能和景觀功能，在科學評價耕地多功能的基礎上，開展耕地多功能權衡與協(xié)同關系研究，揭示不同尺度下耕地多功能權衡與協(xié)同關系的變化規(guī)律。結果表明：(1)不同尺度下武漢城市圈耕地多功能具有較明顯的空間分異特征。耕地生產(chǎn)功能、社會功能的空間分布格局在各個尺度上平均變化；而生態(tài)功能、景觀功能的空間分布格局存在尺度差異，在最小尺度(場地尺度)上觀察到的空間分布格局在最大尺度(市級尺度)上被部分隱藏。(2)耕地多功能的權衡與協(xié)同關系存在尺度效應。其中：生產(chǎn)功能和景觀功能間的協(xié)同關系隨尺度增加而增強；生產(chǎn)功能與生態(tài)功能、生產(chǎn)功能與社會功能間的協(xié)同關系隨尺度增加而減弱；生態(tài)功能和社會功能間的協(xié)同關系隨尺度增加先減弱后增強；生態(tài)功能與景觀功能、社會功能與景觀功能間的相關關系隨尺度的增加由協(xié)同變?yōu)闄嗪狻?/p>

耕地多功能權衡與協(xié)同關系存在尺度效應的可能原因在于：一方面，人類在進行耕地利用的過程中，不同行政層級管理者對耕地各功能的重視程度存在差異，在大尺度上(市級尺度)，由于區(qū)域范圍內資源更加豐富，資源配置更強，對風險的抵抗能力更強，權衡相對表現(xiàn)較多；而在較小尺度上(管理場地尺度)，由于區(qū)域內資源相對單一，對風險的抵御能力弱，管理者在耕地利用過程中風險規(guī)避更多，權衡表現(xiàn)較少。另一方面，不同尺度下的自然環(huán)境因素(如地形地貌)、社會經(jīng)濟發(fā)展狀況不同，賦予耕地功能的內涵也不同。進一步的研究顯示，山區(qū)耕地的生產(chǎn)功能-景觀功能、生產(chǎn)功能-社會功能協(xié)同度更高，而平原地區(qū)耕地的生產(chǎn)功能-生態(tài)功能協(xié)同度更高。相對而言，經(jīng)濟欠發(fā)達區(qū)域耕地各項功能的協(xié)同度較高，而經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域呈現(xiàn)耕地生產(chǎn)功能-景觀功能、社會功能-景觀功能間的權衡。今后，可以進一步從自然環(huán)境因素和社會經(jīng)濟發(fā)展因素出發(fā)，開展耕地多功能權衡與協(xié)同的尺度作用反饋機理研究。

另外，本研究顯示，無論是市級尺度還是區(qū)縣尺度、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度，研究區(qū)總量上的耕地多功能與結構上的耕地多功能存在相反的空間分布格局。其中，江漢平原地區(qū)總量上的耕地多功能較強，多功能耕地結構需要進一步優(yōu)化，而東部大別山區(qū)，以及武漢、鄂州、黃石等地的耕地多功能水平提高潛力較大。對于武漢城市圈內經(jīng)濟發(fā)展領先的城市，如若過度重視生產(chǎn)功能，則會對其區(qū)位優(yōu)勢和交通資源造成浪費，因此應依托區(qū)域內技術、人才和設施的優(yōu)勢，重點關注耕地的生態(tài)功能，發(fā)展綠色經(jīng)濟，減少大氣污染；對于鄂東南交通相對落后、經(jīng)濟發(fā)展相對緩慢的低山丘陵區(qū)，農(nóng)業(yè)是當?shù)氐闹匾a(chǎn)業(yè)，應加強耕地保護與復墾，提高耕地質量，積極開發(fā)耕地后備資源，提高耕地生產(chǎn)功能與社會功能；對于西部江漢平原內耕地各項功能均較強的仙桃、潛江和天門等地，在城市發(fā)展與建設過程中應重視對耕地多功能的保護，防止犧牲耕地換取發(fā)展。

武漢城市圈作為一個聯(lián)系緊密的發(fā)展共同體，不僅應關注城市圈內的城鄉(xiāng)一體化、經(jīng)濟一體化發(fā)展，更應關注城市圈內的耕地多功能一體化保護，從全局的角度規(guī)劃耕地多功能發(fā)展，各行政區(qū)域在耕地多功能保護與提升的過程中不僅應考慮本區(qū)域的特征，更應充分顧及周邊區(qū)域，減少區(qū)域間的權衡，促進共贏發(fā)展。

此外，對耕地功能非市場價值的忽略亦是造成耕地流失的重要原因之一。我國現(xiàn)行的耕地補償標準僅關注耕地的生產(chǎn)功能，忽視了耕地的生態(tài)功能、社會功能和景觀功能，無法從耕地的其他功能中獲取直接收益，導致部分農(nóng)業(yè)從業(yè)者忽視耕地保護的重要性。在耕地多功能補償機制中，應納入耕地的生態(tài)價值、社會價值和景觀價值，并針對耕地生態(tài)功能、社會功能和景觀功能的保護給予補償，培育和激發(fā)社會各界對耕地多功能保護的認識、觀念和行為。

最后要說明的是，本文參考大多數(shù)文獻，采用線性相關分析方法探討耕地多功能的權衡與協(xié)同關系。事實上，在許多情況下，耕地多功能之間可能存在非線性關系。由于研究數(shù)據(jù)的限制，本文在探究耕地多功能權衡與協(xié)同的尺度效應問題時僅考慮了4級尺度，未來可以進一步開展包括地塊尺度，如生態(tài)農(nóng)田的空間多尺度及其時間多尺度的耕地多功能權衡與協(xié)同關系研究。