2006—2020年沈陽市耕地多功能權(quán)衡協(xié)同關(guān)系演變分析

錢鳳魁，遲艷茹，徐 歡，逄然然，王思琢，李洪興，溫 禮

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110161；2. 耕地立體保護(hù)與監(jiān)測重點(diǎn)實驗室，遼寧 沈陽 110161；3.遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110011；4.中國國土勘測規(guī)劃院，北京 100035）

耕地是我國最寶貴的自然資源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的物質(zhì)條件，是糧食有效供給和糧食安全最根本的保障基礎(chǔ)[1]。隨著生態(tài)文明建設(shè)等國家戰(zhàn)略的不斷深入，耕地功能逐漸迎合多元發(fā)展目標(biāo)需求，充分發(fā)揮耕地復(fù)合價值[2]，提高耕地保護(hù)主體積極性，緩解耕地保護(hù)乏力局面，實現(xiàn)保數(shù)量、保質(zhì)量、保生態(tài)的“三位一體”保護(hù)[3]。受不同社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段對耕地功能認(rèn)知和需求影響，耕地功能呈現(xiàn)層次性發(fā)展趨勢[4]。國內(nèi)學(xué)者對耕地多功能的研究也從早期內(nèi)涵釋義、功能分類、功能評價到目前更加注重耕地多功能指標(biāo)體系框架構(gòu)建、驅(qū)動機(jī)制以及多功能的權(quán)衡協(xié)調(diào)關(guān)系[5]，部分學(xué)者對耕地多功能進(jìn)行了分區(qū)評價與格局優(yōu)化研究，剖析了耕地多功能演化的主要驅(qū)動要素，實現(xiàn)了耕地多功能定性到定量研究的轉(zhuǎn)變，應(yīng)用的方法包括聚類分析[6]、協(xié)調(diào)度模型[7]、權(quán)衡測度模型[8]、空間疊置分析[9]、灰色關(guān)聯(lián)度分析[10]、全排列多邊形圖示法[11]、冷熱點(diǎn)識別[12]及空間自相關(guān)分析等[13]，其中，空間自相關(guān)分析法不僅具有空間依賴度可視化的特點(diǎn)，還有提供描述功能權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的優(yōu)勢。能夠有效緩解耕地保護(hù)空間與功能沖突不平衡的矛盾，優(yōu)化耕地保護(hù)新的空間格局，在耕地保護(hù)研究中應(yīng)用廣泛[14-15]?？傊姸鄬W(xué)者對耕地多功能開展了廣泛研究，但較少考慮耕地多功能時空演變格局異質(zhì)性及功能間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，并且在微觀網(wǎng)格尺度實現(xiàn)耕地多功能定位化、精準(zhǔn)化的研究也較為鮮見。

基于此，本文以沈陽市為研究區(qū)域，在耕地生產(chǎn)保障、生態(tài)服務(wù)、景觀美育和社會保障功能四項一級分類體系下，依托提供服務(wù)的耕地功能與人類生存發(fā)展“需求”間的關(guān)系構(gòu)建耕地多功能評價指標(biāo)體系，通過ArcGIS軟件平臺將沈陽市耕地空間劃分為10 km×10 km規(guī)則格網(wǎng)，利用2006年和2020年遙感影像數(shù)據(jù)，在歸納耕地多功能空間分布特征基礎(chǔ)上，通過空間自相關(guān)分析，確定耕地多功能權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，以期為耕地多功能協(xié)調(diào)發(fā)展和空間合理布局提供實施路徑和理論借鑒。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

沈陽市位于中國東北糧食主產(chǎn)區(qū)南部、遼寧省中部，南連遼東半島，北依長白山麓，位處北緯41°11′51″～43°2′13″、東經(jīng)122°25′9″～123°48′24″之間。地貌以平原為主，山地、丘陵集中在東南部，遼河、渾河、秀水河等途經(jīng)境內(nèi)，地勢由東北向西南傾斜，逐漸開闊平坦，平均海拔30～50 m。沈陽市屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，全年降水量600～800 mm，四季分明。耕地資源主要位于康平縣、法庫縣、新民市、遼中區(qū)，其分布面積由西北向東南遞減。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

主要數(shù)據(jù)來源：（1）農(nóng)林牧漁業(yè)從業(yè)人員及化肥、農(nóng)藥、地膜使用量來源于2007年和2021年《沈陽農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》和《沈陽統(tǒng)計年鑒》。（2）2006年和2020年耕地信息分別提取自地理空間數(shù)據(jù)云平臺提供的Landsat 4-5TM和Landsat 8oli遙感影像（http://www.gscloud.cn/）。（3）耕地香農(nóng)多樣性、香農(nóng)均勻度、破碎度等指數(shù)通過ArcGIS的分割工具和Fragstats 4.2軟件計算得到。（4）耕地連片度以提取耕地信息為基礎(chǔ)，利用ArcGIS中buffer工具建立10 m緩沖區(qū)得到[16]。（5）植被覆蓋度利用ENVI 5.1提取植被NDVI值得到。

數(shù)據(jù)處理包括：（1）在波段合成、圖像鑲嵌、圖像裁剪等影像預(yù)處理基礎(chǔ)上，采用支持向量機(jī)（support vector machines, SVM）方法進(jìn)行影像監(jiān)督分類，精度檢驗達(dá)85%以上。（2）為避免不同時期地類變化對耕地多功能信息產(chǎn)生影響，通過獲得相應(yīng)時期遙感影像解譯數(shù)據(jù)和采用單位面積耕地功能大小的變化來表達(dá)耕地功能變化[17]。（3）建立10 km×10 km空間格網(wǎng)，運(yùn)用ArcGIS分析工具下的標(biāo)識工具提取各個格網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息，再利用格網(wǎng)FID進(jìn)行單個格網(wǎng)數(shù)據(jù)匯總。

2 研究方法

2.1 耕地多功能內(nèi)涵解釋與分類

耕地功能是耕地系統(tǒng)提供滿足人類生存與發(fā)展所需產(chǎn)出的能力[18]，是破解人類社會發(fā)展需求與耕地資源短缺問題的關(guān)鍵。從系統(tǒng)論角度看，耕地多功能主要受兩部分影響，一是耕地本質(zhì)屬性，耕地本身要素結(jié)構(gòu)組成不同致使耕地功能存在差異；二是人類社會發(fā)展需求，受人的需求轉(zhuǎn)變，耕地功能表現(xiàn)程度不一。所謂功能是事物本身具有的一種能力[19]，不以人的意志為轉(zhuǎn)移。隨著人需求不斷增加，耕地某些潛在功能逐漸顯化，耕地能滿足人需要的多種功用和服務(wù)[20]?；诖耍瑢⒏毓δ芊譃樯a(chǎn)保障、生態(tài)服務(wù)、景觀美育和社會保障功能。

2.2 耕地多功能評價單元劃分以及指標(biāo)體系構(gòu)建

2.2.1 耕地多功能評價單元劃分

耕地功能數(shù)據(jù)主要包括柵格和矢量數(shù)據(jù)以及社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。以行政單元為界線展開，具有涵蓋范圍大小不一且內(nèi)部屬性均質(zhì)的特性，致使耕地多功能數(shù)據(jù)間存在空間單元不匹配、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無法融合的問題[21]。鑒于格網(wǎng)尺度的選擇決定了數(shù)據(jù)計算量大小，當(dāng)精細(xì)化程度要求較高時，不僅涉及到的因子及其相互關(guān)系復(fù)雜，易造成數(shù)據(jù)冗余，而且缺少村級以下檢驗參照數(shù)據(jù)，而過大格網(wǎng)尺度則無法體現(xiàn)空間單元內(nèi)部非均質(zhì)化作用。已有研究結(jié)果表明不同尺度的格網(wǎng)適宜不同地貌特征和土地利用類型的分析，其適宜性顯示在1 km×1 km到20 km×20 km之間隨著高程值增加格網(wǎng)大小相應(yīng)增加，隨著土地利用類型總體變化程度的減弱格網(wǎng)大小也要相應(yīng)增加[22]。因此考慮研究區(qū)地貌特點(diǎn)、耕地類型及分布、各類數(shù)據(jù)的可獲得性以及信息保留度等，運(yùn)用GIS軟件Data Management工具下的Create Fishnet工具創(chuàng)建10 km×10 km格網(wǎng)作為耕地多功能評價單元，以準(zhǔn)確反映耕地功能評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的空間真實分布狀況。

2.2.2 耕地多功能評價指標(biāo)篩選

耕地功能與指標(biāo)并非簡單的一一映射關(guān)系。一種功能可由多個指標(biāo)表達(dá)，同時一個指標(biāo)也能表征多種功能[22]。從供給角度看，耕地功能受耕地系統(tǒng)承載能力制約，但作用于耕地的經(jīng)營者也使耕地管理活動多樣化，從需求角度看，耕地多功能可以視為社會或個體耕地需求變化的結(jié)果[23]。因此，本文在供需理論基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲得性與主成分分析的指標(biāo)篩選結(jié)果，構(gòu)建涵蓋10項準(zhǔn)則層，17項指標(biāo)層的耕地多功能評價指標(biāo)體系，具體指標(biāo)見表1。

表1 沈陽市耕地多功能評價指標(biāo)體系及權(quán)重Tab.1 Evaluation index system and weight of multifunctional cultivated land in Shenyang City

（1）生產(chǎn)保障功能：生產(chǎn)功能是耕地最根本的功能，對保障國家糧食安全具有重要意義。耕地生產(chǎn)功能主要體現(xiàn)在耕地生產(chǎn)潛力和生產(chǎn)活動上。從供給方面考慮，受限于耕地本底條件和人為管理活動，質(zhì)量優(yōu)良管理有序的耕地更易于實現(xiàn)生產(chǎn)功能。從需求角度考慮，受人們生理需求向高品質(zhì)、多樣化、生態(tài)化需求轉(zhuǎn)變驅(qū)動，耕地生產(chǎn)功能既要有數(shù)量上保障，也要有質(zhì)量上保障。因此選擇反映土地資源利用程度和結(jié)構(gòu)的土地墾殖率指標(biāo)、反映人口和耕地面積信息的人均耕地面積指標(biāo)、反映人口與耕地糧食生產(chǎn)能力的人均糧食保證率指標(biāo)、反映耕地功能質(zhì)量的糧食品質(zhì)安全保障指標(biāo)[24-26]。

（2）生態(tài)服務(wù)功能：耕地生態(tài)功能不僅承載了人們對環(huán)境施加的壓力而且還滿足了人們對耕地固碳釋氧等氣候調(diào)節(jié)和維持生物多樣性的需求。本文選取固碳釋氧量作為作物吸收CO2和釋放O2以及進(jìn)行大氣組分調(diào)節(jié)的重要測量指標(biāo)[27]。生物多樣性以耕地破碎度指標(biāo)表達(dá)，通過選取耕地斑塊數(shù)量、斑塊密度、斑塊邊界密度和斑塊分離度指數(shù)構(gòu)建耕地破碎度評價指標(biāo)體系[28]?；?、農(nóng)藥和地膜施用量是農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的主要壁壘，反映了化學(xué)物質(zhì)投入對生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)向壓力，其值越大越不利于保障耕地生態(tài)功能。

（3）景觀美育功能：耕地景觀功能主要體現(xiàn)耕地作為景觀文化的載體，提供了風(fēng)景美學(xué)、休閑娛樂等服務(wù)價值。在耕地連片度、優(yōu)勢度和聚集度等角度反映了耕地與林地、水域等形成的高功能景觀組合、高植被覆蓋景觀更受人青睞，其中地形起伏度是增加耕地景觀觀賞價值的重要途徑，更能體現(xiàn)景觀美學(xué)價值。本文考慮耕地在視域景觀內(nèi)的耕地連片開闊性、地物錯落有致及地形起伏性、作物生長的茂盛性和有助于提高景觀美學(xué)質(zhì)量的景觀異質(zhì)性，選取耕地景觀連片度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均度度指數(shù)、景觀優(yōu)勢度指數(shù)和植被覆蓋度構(gòu)建耕地景觀美育功能指標(biāo)[29]。

（4）社會保障功能：耕地社會保障功能主要體現(xiàn)在提供就業(yè)載體和生活保障的價值能力。社會保障功能主要受人的需求影響，并與社會發(fā)展休戚相關(guān)。這里主要考慮社會保障功能的就業(yè)保障和經(jīng)濟(jì)保障。耕地就業(yè)保障主要是維持社會安定和緩解就業(yè)壓力保障從業(yè)人數(shù)，社會穩(wěn)定體現(xiàn)在鄉(xiāng)城居民收入水平比，耕地經(jīng)濟(jì)保障指標(biāo)主要體現(xiàn)單位耕地面積產(chǎn)值[30]。

2.2.3 評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理及指標(biāo)賦值

耕地各功能指標(biāo)值內(nèi)涵性質(zhì)不同，具有不同的量綱。直接進(jìn)行分析將會削弱數(shù)值水平較低的指標(biāo)值，造成綜合分析結(jié)果偏差。因此，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法進(jìn)行指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。

式（1）中：Yij為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值；Xij為第i年第j指標(biāo)的實際值；Xjmax為指標(biāo)中的最大值；Xjmin為指標(biāo)中的最小值。

指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后，采用模糊優(yōu)選模型進(jìn)行耕地多功能評價[31]，建立目標(biāo)函數(shù)如下：

令F（ui）對ui的導(dǎo)數(shù)為0，即可解得耕地格網(wǎng)Ai各項功能的隸屬度：

式（2）—式（3）中：ui為隸屬度；wj為第j個指標(biāo)的權(quán)重；p為距離參數(shù)，取歐氏距離p值為2。其中，指標(biāo)權(quán)重是在指標(biāo)正向化基礎(chǔ)上[32]，通過SPSS 23.0的主成分分析法運(yùn)算確定。

2.3 耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同分析

耕地功能相關(guān)性分析為加強(qiáng)耕地多功能協(xié)調(diào)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。由于地理空間數(shù)據(jù)分布往往具有非線性和非正態(tài)特征，因而應(yīng)用非參數(shù)相關(guān)性分析[12]。本文采用斯皮爾曼秩次相關(guān)系數(shù)分析功能間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。權(quán)衡表示同一時間段內(nèi)不同耕地功能產(chǎn)生相反方向變化，即一種功能變化會引起另一種功能朝相反方向變化。協(xié)同表示耕地功能同向變化，在同一時間段內(nèi)相互促進(jìn)。假設(shè)X、Y為兩個隨機(jī)變量，元素個數(shù)均為n，兩個隨機(jī)變量取的第i（1≤i≤n）個值分別用Xi、Yi表示。對X、Y同時進(jìn)行升序或降序排列，得到排行集合x、y，其中xi、yi分別為Xi在X中的排行及Yi在Y中的排行，斯皮爾曼秩次相關(guān)系數(shù)ρ計算公式如下：

式（4）中：ρ為正，表示功能間存在空間協(xié)同；ρ為負(fù)，表示功能間存在空間權(quán)衡；ρ不顯著，則表示功能間存在空間獨(dú)立。

2.4 耕地多功能空間演變趨勢研究

2.4.1 耕地多功能全局自相關(guān)

宋小青等學(xué)者提到耕地具有空間效應(yīng)，特定地域必然存在與其相適應(yīng)的耕地多功能空間結(jié)構(gòu)[23]，因此，為準(zhǔn)確分析耕地多功能空間分布特征，本文采用空間自相關(guān)分析法，通過全局空間自相關(guān)檢驗，表達(dá)研究區(qū)整體空間依賴程度，計算公式如下：

式（5）中：xi為格網(wǎng)i的耕地各項功能值；xj為格網(wǎng)j的耕地各項功能值；n為研究區(qū)格網(wǎng)個數(shù)；為平均值；Wij為空間權(quán)重矩陣?？臻g權(quán)重矩陣可以由諸如距離方式、面積方式、可達(dá)度方式等方法來確定?；赥hreshold Distance創(chuàng)建的權(quán)重矩陣往往導(dǎo)致各點(diǎn)之間不均衡的連接結(jié)構(gòu)，因此，選擇K-Nearest Neighbor創(chuàng)建空間權(quán)重矩陣[33]。

2.4.2 耕地多功能局部自相關(guān)

局域Moran’s I方法是將全局Moran’s I方法分解到局域空間上，即針對空間每一個分布對象。反映了空間異質(zhì)性，能夠揭示空間單元與其領(lǐng)域的相似程度，計算公式如下：

2.5 耕地多功能組合類型及協(xié)同分區(qū)

在耕地生產(chǎn)、生態(tài)、景觀和社會功能測算及協(xié)同權(quán)衡關(guān)系判定基礎(chǔ)上，根據(jù)耕地各功能分值、協(xié)同和權(quán)衡類型和程度，按照高低程度的相關(guān)類型關(guān)系及排列組合特征劃分耕地多功能協(xié)同分區(qū)，大致可劃分為高協(xié)同區(qū)、低協(xié)同區(qū)、單功能協(xié)同區(qū)、雙功能協(xié)同區(qū)和多功能協(xié)同區(qū)。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地多功能演變趨勢及空間分布特征

沈陽市耕地各項功能空間分布特征及變化幅度差異明顯，從圖1中可以看到：（1）生產(chǎn)保障功能總體較強(qiáng)，呈西北向東南遞減之勢。功能高值區(qū)主要分布在康平縣、法庫縣、新民市、遼中區(qū)等農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)內(nèi)，區(qū)縣內(nèi)耕地自然基礎(chǔ)條件優(yōu)越，基礎(chǔ)設(shè)施完善，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化和機(jī)械化發(fā)展較快，綜合生產(chǎn)效率高。隨著時間變化，生產(chǎn)保障功能增幅趨勢與目前生產(chǎn)水平出現(xiàn)反向變動，即呈東南增長而西北下降趨勢，其中最高值分布區(qū)由法庫縣附近向北轉(zhuǎn)移，最低值分布區(qū)于蘇家屯區(qū)和渾南區(qū)東部得到一定提升。總體上高值區(qū)與低值區(qū)空間分布特征差異明顯，但差距在逐漸縮小。（2）生態(tài)服務(wù)功能總體較強(qiáng)，但呈減弱趨勢。隨著時間變化，由城市周邊向中心城區(qū)內(nèi)銳減，而向外高值均勻擴(kuò)散轉(zhuǎn)為由周邊向西部遞減，并形成一定范圍，同時中心城區(qū)仍是生態(tài)脆弱區(qū)。（3）景觀美育功能總體較強(qiáng)，且強(qiáng)化趨勢明顯。表明植被覆蓋度和景觀多樣性不斷提高，景觀類型增加且分布逐漸均衡化?？臻g分布特征由中西部低南北兩側(cè)較高轉(zhuǎn)變?yōu)檠厮岛土值氐韧恋乩妙愋蜑橹?，四周高值均勻分布的空間格局，高功能景觀組合逐漸顯化，景觀美學(xué)價值較高。（4）社會保障功能總體偏弱，但呈增強(qiáng)趨勢。局部空間分布上表現(xiàn)為沿沈北新區(qū)至蘇家屯方向弱化，北部及西南部增強(qiáng)。

圖1 沈陽市耕地功能空間分布Fig.1 Spatial distribution of multifunctional cultivated land in Shenyang City

3.2 耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同的時空格局及其變化

（1）耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同的時序演變。耕地各項功能間權(quán)衡協(xié)同作用方向及強(qiáng)度隨時間變化呈現(xiàn)出不同程度轉(zhuǎn)變，整體上并無統(tǒng)一趨勢。如表2所示：①生產(chǎn)—景觀功能由權(quán)衡關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同關(guān)系，耕地生產(chǎn)過程中不僅保障了糧食安全，而且為人們提供了耕作風(fēng)景。隨著耕地生產(chǎn)功能增強(qiáng)，耕地保護(hù)與糧食安全形勢下，耕地規(guī)?；瘜崿F(xiàn)耕地聚集連片，耕地斑塊均質(zhì)性提高，耕地美學(xué)價值不斷提升。②生態(tài)—景觀功能始終維持著權(quán)衡關(guān)系，且權(quán)衡程度不斷增強(qiáng)，由2006年的0.463增長到2020年的0.608。通常認(rèn)為有一定起伏變化的開闊場景更能調(diào)動人們的美學(xué)意識，緩解視覺景觀的疲勞性，同時該場景由于具有一定地形起伏，伴隨耕地化肥農(nóng)藥等化學(xué)品投入增加，會導(dǎo)致高強(qiáng)度作物種植引發(fā)水土流失和污染擴(kuò)散等生態(tài)環(huán)境問題。③生態(tài)—社會功能由協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)衡關(guān)系。隨著耕地利用的人為干擾程度加大，且耕地生產(chǎn)功能高值區(qū)域往往因化肥投入不合理造成區(qū)域面源污染，從而削弱了耕地氣候調(diào)節(jié)等其他生態(tài)服務(wù)效應(yīng)。④2006年生產(chǎn)—生態(tài)與2020年景觀—社會功能表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，可能是因為2006年耕地利用過程中主要以勞動力投入為主的粗放利用，耕地區(qū)位條件和自然條件較好，施用化肥農(nóng)藥等相對較低，耕地固碳釋氧能力較強(qiáng)；2020年隨著種植結(jié)構(gòu)多樣化以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動了耕地產(chǎn)值和人均收入增加，也豐富了耕地景觀。

表2 沈陽市耕地各項功能間的斯皮爾曼秩次相關(guān)系數(shù)Tab.2 Spearman correlation coefficients among cultivated land functions in Shenyang City

（2）耕地單功能權(quán)衡與協(xié)同的空間格局及變化。耕地功能權(quán)衡協(xié)同空間格局采用Global Moran’s I值和空間上HL或LH權(quán)衡關(guān)系與HH或LL協(xié)同關(guān)系加以表明。表3中可以看出，耕地各項功能均在1%統(tǒng)計水平下顯著正向相關(guān)，表明耕地各功能在空間上具有顯著協(xié)同關(guān)系且集聚性較強(qiáng)，但協(xié)同程度存在差異。2006年協(xié)同度表現(xiàn)為：生產(chǎn)功能＞社會功能＞景觀功能＞生態(tài)功能；2020年協(xié)同度表現(xiàn)為：生產(chǎn)功能＞社會功能＞生態(tài)功能＞景觀功能，表明生產(chǎn)和社會保障功能的協(xié)同性較強(qiáng)且相對穩(wěn)定，生態(tài)和景觀功能協(xié)同關(guān)系強(qiáng)弱存在一定波動。在全局Global Moran’s I值隨時間變化過程中，除社會保障功能值上升，其余均呈不同程度下降趨勢，表明生產(chǎn)、生態(tài)、景觀美育功能空間協(xié)同性和集聚性逐漸減弱，社會保障功能協(xié)同性和集聚性增強(qiáng)。

表3 沈陽市耕地多功能單變量全局空間自相關(guān)指數(shù)Tab.3 Univariate Global Moran’s I of multifunctional cultivated land in Shenyang City

為進(jìn)一步挖掘耕地多功能空間格局，對單項功能進(jìn)行局部自相關(guān)分析，結(jié)果如圖2所示：整體上，各類耕地功能權(quán)衡與協(xié)同區(qū)數(shù)量特征相似，即非顯著性區(qū)域數(shù)量最多，其次為協(xié)同區(qū)，最少為權(quán)衡區(qū)。局部上，各功能空間格局及數(shù)量存在差異。①耕地生產(chǎn)功能空間集聚性最高，空間格局變動較平穩(wěn)。協(xié)同區(qū)呈連片型分布在北部和南部，其中HH協(xié)同區(qū)逐漸向北轉(zhuǎn)移，LL協(xié)同區(qū)在東南部逐漸縮減。②耕地生態(tài)服務(wù)功能空間格局變動較大。HH協(xié)同區(qū)在東中部顯著性消失，在北部邊緣呈帶狀出現(xiàn)。中心城區(qū)的LL協(xié)同區(qū)收縮，周圍有少量權(quán)衡區(qū)零星分布，無明顯集聚特征。LL協(xié)同區(qū)在西部出現(xiàn)較高集聚特征。③耕地景觀美育功能空間格局變動較大。權(quán)衡區(qū)所占比例始終較少，無明顯聚集趨勢。LL協(xié)同區(qū)大幅縮減，極少分布。景觀功能整體表現(xiàn)為HH協(xié)同，多分布在水域和林地附近。④耕地社會保障功能空間格局變動相對平穩(wěn)。北部LL協(xié)同區(qū)顯著性消失，南部的HH協(xié)同區(qū)增多，呈向外擴(kuò)散趨勢。

圖2 沈陽市耕地多功能單變量局部空間自相關(guān)集聚圖Fig.2 Univariate Local Moran’s I gradation map of multifunctional cultivated land in Shenyang City

（3）耕地功能間權(quán)衡與協(xié)同的空間格局及變化。為進(jìn)一步加強(qiáng)了解耕地多功能權(quán)衡協(xié)同空間格局，在前文單變量空間自相關(guān)基礎(chǔ)上開展雙變量空間自相關(guān)研究。在表4中，2020年生產(chǎn)—生態(tài)和生產(chǎn)—社會功能未通過5%統(tǒng)計水平下顯著性檢驗，故只對其余4組功能關(guān)系進(jìn)行分析。從圖3中可以看到整體上，耕地功能間空間權(quán)衡性和連片性較明顯，協(xié)同程度呈增強(qiáng)趨勢。局部上，功能間權(quán)衡協(xié)同關(guān)系空間格局差異較大，但各組功能間存在重疊區(qū)域。①生產(chǎn)—景觀功能Global Moran’s I值隨時間變化由負(fù)變正，表明功能間權(quán)衡關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同關(guān)系。HH協(xié)同區(qū)逐漸在中部聚集；LL協(xié)同區(qū)數(shù)量較少，沒有明顯空間分布規(guī)律；HL權(quán)衡區(qū)在西部顯著性消失；LH權(quán)衡區(qū)始終零散分布在HH協(xié)同區(qū)附近。②生態(tài)—景觀功能維持權(quán)衡關(guān)系。生態(tài)—景觀功能權(quán)衡協(xié)調(diào)區(qū)與生產(chǎn)—景觀權(quán)衡協(xié)調(diào)區(qū)在空間上存在重疊，且隨著時間變化分別由權(quán)衡區(qū)空間分布轉(zhuǎn)變?yōu)镠H協(xié)同區(qū)和LH權(quán)衡區(qū)空間分布。③生態(tài)—社會功能Global Moran’s I值隨時間變化由正變負(fù)，功能間協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)為權(quán)衡關(guān)系。HH協(xié)同區(qū)數(shù)量較少，零散分布在LH權(quán)衡區(qū)附近；北部LL協(xié)同區(qū)縮減。④景觀—社會功能Global Moran’s I值隨時間變化由負(fù)變正，表明功能間權(quán)衡關(guān)系轉(zhuǎn)為協(xié)同關(guān)系。景觀—社會功能權(quán)衡協(xié)同區(qū)與生態(tài)—社會功能權(quán)衡協(xié)同區(qū)在空間分布上存在重疊。耕地景觀—社會功能的HH協(xié)同區(qū)由零散分布向南部集聚；HL和LH權(quán)衡區(qū)縮減。

表4 沈陽市耕地多功能雙變量全局空間自相關(guān)指數(shù)Tab.4 Bivariate Global Moran’s I of multifunctional cultivated land in Shenyang City

圖3 沈陽市耕地多功能雙變量局部空間自相關(guān)集聚圖Fig.3 Bivariate Local Moran’s I gradation map of multifunctional cultivated land in Shenyang City

3.3 耕地多功能組合分類及協(xié)同管控

沈陽市耕地多功能權(quán)衡協(xié)同區(qū)具有明顯空間異質(zhì)性和重疊性，因此，在耕地多功能空間分布特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合耕地多功能時空演變趨勢和空間集聚圖，依據(jù)排列組合特征進(jìn)行功能分區(qū)，實現(xiàn)耕地多功能協(xié)調(diào)配置，如表5所示。由于區(qū)域的自然生態(tài)條件以及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平條件的差異性，沈陽市耕地多功能特征及協(xié)同權(quán)衡關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性特征，因此可將沈陽市耕地功能劃分為高協(xié)同區(qū)、低協(xié)同區(qū)、單功能協(xié)同區(qū)、雙功能協(xié)同區(qū)和多功能協(xié)同區(qū)。其中耕地多功能協(xié)同區(qū)內(nèi)各項功能均表現(xiàn)為高協(xié)同，低權(quán)衡。單功能主導(dǎo)區(qū)為單一功能高值集聚，同時與其他功能類型具有較強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系。雙功能協(xié)同區(qū)為雙功能高值協(xié)同，其余功能權(quán)衡關(guān)系較強(qiáng)。多功能協(xié)同區(qū)為多個功能高值協(xié)同，且與其他功能權(quán)衡。

表5 耕地多功能分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Zoning standard of multifunctional cultivated land

沈陽市耕地功能組合分類中占比最大是單功能主導(dǎo)區(qū)，主要以生產(chǎn)功能主導(dǎo)為主要類型，其次是耕地生產(chǎn)功能與生態(tài)或景觀或社會雙功能協(xié)同區(qū)，再次為耕地生產(chǎn)—生態(tài)—景觀協(xié)同區(qū)。該類型組合突出體現(xiàn)了沈陽市作為了遼寧省糧食主產(chǎn)區(qū)的耕地生產(chǎn)優(yōu)勢。在人地關(guān)系緊張背景下，沈陽市作為保障城市發(fā)展的重要經(jīng)濟(jì)載體和糧食安全的生產(chǎn)載體，需要充分重視耕地生產(chǎn)功能，最大可能的提升耕地質(zhì)量和糧食產(chǎn)能，保障社會的穩(wěn)定和農(nóng)業(yè)可持續(xù)利用，在此基礎(chǔ)上發(fā)揮好耕地生態(tài)服務(wù)功能、景觀美育功能優(yōu)勢，采取差別化發(fā)展模式。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文以沈陽市為研究區(qū)，構(gòu)建耕地生產(chǎn)保障、生態(tài)保障、景觀保障和社會保障功能四項一級分類體系，在明晰耕地多功能內(nèi)涵基礎(chǔ)上，應(yīng)用需求理論和權(quán)衡協(xié)同關(guān)系開展10 km×10 km格網(wǎng)尺度的時空動態(tài)研究，分析了耕地各功能的時間演變和空間權(quán)衡關(guān)系，可獲得格網(wǎng)尺度耕地功能組合，優(yōu)化耕地多功能空間配置。

（1）2006—2020年沈陽市耕地功能呈現(xiàn)不同變化趨勢。整體上，耕地生產(chǎn)、生態(tài)、景觀美育功能較強(qiáng)，社會保障功能較弱，高值區(qū)與低值區(qū)空間分布差異明顯。在時間上，耕地生產(chǎn)、生態(tài)服務(wù)功能呈減弱趨勢，景觀、社會保障功能呈增強(qiáng)趨勢。生產(chǎn)—景觀功能由權(quán)衡關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同關(guān)系；生態(tài)—景觀美育功能權(quán)衡程度不斷加強(qiáng)；生態(tài)—社會保障功能由協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)衡關(guān)系。

（2）耕地單項功能空間顯著協(xié)同且集聚性較高。時間序列上表現(xiàn)為生產(chǎn)、生態(tài)、景觀美育功能空間協(xié)同性減弱，社會保障功能協(xié)同性增強(qiáng)?？臻g格局上表現(xiàn)為生產(chǎn)、社會保障功能相對穩(wěn)定，景觀、生態(tài)服務(wù)功能波動較大?？傮w呈協(xié)同區(qū)連片聚集分布，權(quán)衡區(qū)零星分散。

（3）耕地功能間整體呈空間權(quán)衡性且連片分布，協(xié)同程度呈增強(qiáng)趨勢。局部權(quán)衡協(xié)同空間格局存在重疊區(qū)域，生態(tài)—景觀與生產(chǎn)—景觀美育功能權(quán)衡協(xié)調(diào)重疊區(qū)呈帶狀沿水域和林地區(qū)擴(kuò)散；景觀—社會與生態(tài)—社會保障功能權(quán)衡協(xié)同重疊區(qū)分布在南北兩側(cè)。

（4）沈陽市耕地多功能權(quán)衡協(xié)同區(qū)具有明顯空間異質(zhì)性和重疊性，通過空間格網(wǎng)內(nèi)耕地功能排列組合，可劃分為單功能主導(dǎo)區(qū)，雙功能協(xié)同區(qū)、多功能協(xié)同區(qū)、高協(xié)同區(qū)和低協(xié)同區(qū)。針對格網(wǎng)內(nèi)存在的功能短板，通過特定區(qū)域模式調(diào)整，實現(xiàn)耕地多功能協(xié)調(diào)發(fā)展，科學(xué)配置耕地。

4.2 討論

（1）耕地多功能的研究主要受制于社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)可獲取性與統(tǒng)計精度，多以行政區(qū)作為評價單元，缺乏空間尺度更為精細(xì)研究，難以揭示耕地多功能權(quán)衡協(xié)同時空一致性特征。本文打破原有行政界線，將沈陽市耕地多功能空間化到10 km×10 km 的地理空間格網(wǎng)，相比于以往的行政區(qū)尺度研究結(jié)果[34-35]，耕地多功能權(quán)衡協(xié)調(diào)研究結(jié)果空間信息表達(dá)更為準(zhǔn)確，多功能分類組合更為明確以及管控措施更為合理。

（2）耕地系統(tǒng)是一個綜合和復(fù)雜的多功能系統(tǒng)，耕地功能之間存在偶然和必然的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系，因此耕地多功能評價需要從宏觀尺度建立統(tǒng)一、完善、被廣泛接受認(rèn)可的耕地多功能評價體系，從必選指標(biāo)和參選指標(biāo)角度開展耕地多功能評價指標(biāo)體系構(gòu)建，力求實現(xiàn)耕地多功能結(jié)果區(qū)域之間的可比性，為完善國土空間三區(qū)三線劃定提供重要的科學(xué)支撐。

（3）耕地多功能合理配置、協(xié)調(diào)發(fā)展是一個不斷完善的過程，未來將通過構(gòu)建空間計量模型進(jìn)行耕地多功能驅(qū)動機(jī)制分析，實現(xiàn)與耕地自然資源條件、社會經(jīng)濟(jì)條件、農(nóng)業(yè)政策相連接，提高耕地多功能協(xié)調(diào)發(fā)展的實踐性，并在目前耕地多功能時空分析的基礎(chǔ)上，增加耕地多功能研究的時間點(diǎn)，充分發(fā)掘耕地多功能潛力及加強(qiáng)耕地多功能研究的動態(tài)性。深化耕地本底條件和社會意愿在耕地功能研究中的作用，提高耕地多功能認(rèn)知，實現(xiàn)耕地多功能價值最大化，以促進(jìn)耕地多功能保護(hù)。