下遼河平原典型地域耕地系統(tǒng)彈性時(shí)空分異特征

劉婉瑩 ，宋 戈 ,2※，高 佳 ,2，隋虹均 ，王全喜

（1. 東北大學(xué)文法學(xué)院土地資源管理系,沈陽 110169；2. 遼寧省自然資源廳土地保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110169）

0 引言

耕地系統(tǒng)彈性反映耕地在受到外部擾動(dòng)時(shí)自身的適應(yīng)能力和響應(yīng)[1]，其強(qiáng)弱表征耕地對(duì)農(nóng)業(yè)災(zāi)害的緩沖以及適時(shí)釋放外部壓力的能力，是充分掌握耕地系統(tǒng)可持續(xù)性和健康水平的有效途徑[2]。自21 世紀(jì)以來，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)與氣候變化增加了農(nóng)業(yè)災(zāi)害發(fā)生的頻次與概率，嚴(yán)重威脅著區(qū)域與國(guó)家的糧食安全，同時(shí)也體現(xiàn)了耕地系統(tǒng)在面對(duì)外界環(huán)境脅迫時(shí)所表現(xiàn)出的敏感性和脆弱性。此外，隨著新型冠狀肺炎疫情在全球范圍內(nèi)的肆虐，糧食安全再次遭遇挑戰(zhàn)，世界糧食計(jì)劃署的相關(guān)數(shù)據(jù)表明2020 年底將增加1.3 億人遭受嚴(yán)重的饑餓[3]。探明區(qū)域耕地系統(tǒng)彈性的時(shí)空分異特征及影響因素是制定差別化耕地治理策略以提升耕地抗逆能力，實(shí)現(xiàn)耕地可持續(xù)利用的重要科學(xué)命題。

當(dāng)前針對(duì)耕地系統(tǒng)彈性內(nèi)涵尚無明確統(tǒng)一的定論，多數(shù)研究將耕地系統(tǒng)彈性理解為過程變量而非響應(yīng)狀態(tài)，忽略了二者之間存在的動(dòng)態(tài)反饋與差異。社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)彈性思維表明，彈性是抵抗力、適應(yīng)力和轉(zhuǎn)型力共同作用的結(jié)果[4-5]，為本文界定耕地系統(tǒng)彈性內(nèi)涵和構(gòu)建耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度框架提供理論依據(jù)。在彈性測(cè)度方法方面，學(xué)界主要采用突變級(jí)數(shù)法[6]和多因素加權(quán)求和法[7]，為實(shí)現(xiàn)耕地系統(tǒng)彈性的空間量化提供了依據(jù)，但也存在一定欠缺。主要在于：第一，各指標(biāo)的權(quán)重確定受人為主觀意識(shí)控制，無法反映出各指標(biāo)對(duì)彈性影響的客觀狀態(tài)；第二，指標(biāo)間的作用關(guān)系仍是線性累加，難以表征耕地系統(tǒng)彈性的非線性復(fù)雜作用關(guān)系。在彈性測(cè)度階段劃分依據(jù)方面，既有研究主要以短期調(diào)研數(shù)據(jù)和大尺度的年鑒數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)探討省域[2]和市域[6]宏觀尺度以及縣域[7]中觀尺度的耕地系統(tǒng)彈性，針對(duì)微觀田塊尺度的研究尚顯不足，難以滿足新時(shí)期差別化治理耕地的需求。目前以耕地系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行彈性時(shí)空分析的研究較少，主要對(duì)耕地系統(tǒng)的質(zhì)量[8]、安全[9]、健康[10-11]進(jìn)行探討；學(xué)界對(duì)于彈性的研究則聚焦于鄉(xiāng)村[12]、森林[13]、濕地[14]、漁場(chǎng)[15]等系統(tǒng)，已有成果對(duì)本文具有重要借鑒意義。

因此，本文在重構(gòu)耕地系統(tǒng)彈性內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，以下遼河平原典型地域沈陽市為研究區(qū)，采用土地利用、遙感等多源數(shù)據(jù)，基于社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)彈性思維，從耕地系統(tǒng)抵抗力-適應(yīng)力-轉(zhuǎn)型力的視角出發(fā)，運(yùn)用t檢驗(yàn)序貫格局轉(zhuǎn)換、三維歐氏距離、探索性空間分析等方法，構(gòu)建耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度框架，識(shí)別2009—2018 年研究區(qū)耕地生產(chǎn)力突變點(diǎn)，分階段測(cè)度耕地系統(tǒng)彈性，明確其在微觀尺度下的空間變化特征、集聚趨勢(shì)及時(shí)空分異原因，旨在為差別化制定下遼河平原耕地保護(hù)適應(yīng)性治理方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 耕地系統(tǒng)彈性內(nèi)涵的界定

耕地系統(tǒng)彈性（arable land system resilience，ALSR）反映耕地適應(yīng)擾動(dòng)的響應(yīng)，增強(qiáng)耕地系統(tǒng)彈性是避免耕地結(jié)構(gòu)混亂甚至功能瓦解的重要途徑[16]。已有研究多從耕地系統(tǒng)內(nèi)部和外部角度出發(fā)解構(gòu)耕地系統(tǒng)彈性[17-18]，較少考慮耕地系統(tǒng)彈性的動(dòng)態(tài)性，耕地系統(tǒng)彈性表現(xiàn)耕地的社會(huì)子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)經(jīng)歷擾動(dòng)后在一定階段內(nèi)耦合協(xié)調(diào)的響應(yīng)狀態(tài)。社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)彈性思維將彈性視為系統(tǒng)抵抗力（resistivity,RE）、適應(yīng)力（adaptability,AD）和轉(zhuǎn)型力（transformability,TR）的互動(dòng)結(jié)果（簡(jiǎn)稱“三力”），突出了系統(tǒng)在一定階段內(nèi)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性，破解了靜態(tài)探討的局限性，為準(zhǔn)確理解和掌握耕地系統(tǒng)彈性的理論內(nèi)涵提供了重要的參考。

本文基于此解構(gòu)耕地系統(tǒng)彈性，耕地系統(tǒng)在社會(huì)子系統(tǒng)與生態(tài)子系統(tǒng)交互過程中不僅形成了保障耕地產(chǎn)出的本底條件和有效管理耕地資源的治理能力，即抵抗力和適應(yīng)力，分別是維持耕地系統(tǒng)彈性的基礎(chǔ)源和治理耕地系統(tǒng)彈性的支撐與驅(qū)動(dòng)，還形成了與外部資源系統(tǒng)跨尺度交流的能力，即轉(zhuǎn)型力，是優(yōu)化耕地系統(tǒng)彈性的保障。耕地系統(tǒng)的抵抗力是耕地減少其結(jié)構(gòu)混亂和功能退化的本底條件[19]，通過耕地面積、耕地生產(chǎn)力、水土保持力和生物多樣性維護(hù)力等特質(zhì)來反映，分別代表耕地?cái)?shù)量穩(wěn)定能力、生產(chǎn)功能和生態(tài)保育功能的恢復(fù)程度，抵抗力越強(qiáng)，耕地在遭受擾動(dòng)后的結(jié)構(gòu)與功能變化幅度越小[5]。耕地系統(tǒng)的適應(yīng)力是通過增加人力、資金、管理等治理措施以增強(qiáng)耕地適應(yīng)擾動(dòng)的能力，通過集體行動(dòng)能力和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值多樣性[20]來反映，可采用灌溉基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)力、糧食產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)產(chǎn)值（包括糧食作物產(chǎn)值和經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)值）的比例來表征[21]。耕地系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型力是外源耕地系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)和創(chuàng)新促使耕地系統(tǒng)發(fā)生積極轉(zhuǎn)變的能力，源于外源耕地系統(tǒng)的更新能力、學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力和跨尺度連結(jié)能力的綜合作用[22]，可采用不穩(wěn)定耕地面積轉(zhuǎn)出強(qiáng)度、農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社影響力和道路連通度來表征（圖1），其中不穩(wěn)定耕地充分考慮影響耕地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)和生態(tài)穩(wěn)定情況[23]，用耕作便利性[24]表征社會(huì)經(jīng)濟(jì)不穩(wěn)定型耕地。

圖1 耕地系統(tǒng)彈性內(nèi)涵解構(gòu)Fig.1 Deconstruction of arable land system resilience

基于此，綜合考慮耕地系統(tǒng)的社會(huì)子系統(tǒng)和生態(tài)子系統(tǒng)交互過程中的穩(wěn)定性需求，兼顧耕地系統(tǒng)脆弱性，從耕地系統(tǒng)抵抗力-適應(yīng)力-轉(zhuǎn)型力的視角出發(fā)，本文所指的耕地系統(tǒng)彈性是耕地系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)外界壓力沖擊或經(jīng)歷變化的過程中，通過自我調(diào)節(jié)以維持現(xiàn)狀（抵抗力）、施加干預(yù)以治理彈性（適應(yīng)力），淘汰脆弱性以優(yōu)化彈性（轉(zhuǎn)型力）的方式，維持內(nèi)在功能結(jié)構(gòu)和外在空間形態(tài)穩(wěn)定，保障糧食安全的綜合能力。

結(jié)合耕地系統(tǒng)彈性內(nèi)涵，引入三維歐氏距離（Euclidean distance）原理，以期更直觀地解析和量化耕地系統(tǒng)彈性。本文把耕地系統(tǒng)的抵抗力、適應(yīng)力和轉(zhuǎn)型力映射至空間直角坐標(biāo)軸，將空間中耕地系統(tǒng)彈性最弱的狀態(tài)點(diǎn)與耕地系統(tǒng)彈性狀態(tài)點(diǎn)之間的距離表征為耕地系統(tǒng)彈性。三維歐氏距離越大，表征耕地系統(tǒng)彈性越強(qiáng)[25]（圖1）。

2 數(shù)據(jù)來源與理論方法

2.1 研究區(qū)概況

沈陽市（122°25′～123°48′E，41°12′～43°03′N）位于遼寧省中北部，現(xiàn)轄13 個(gè)縣（市）區(qū)，是下遼河平原國(guó)土開發(fā)強(qiáng)度最大的區(qū)域。該市屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫6.2～9.7 ℃，年均降水量600～800 mm。全市國(guó)土總面積12 860 km2，2018 年全市耕地面積7 918 km2，約占全市國(guó)土面積的61%，居全省耕地資源總量首位。遼河、渾河、蒲河、北沙河、繞陽河、柳河、養(yǎng)息牧河和秀水河8 條大中型河流途徑市內(nèi)。2009—2018 年研究區(qū)在快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中衍生的土地利用方式調(diào)整和環(huán)境問題消耗了耕地的生態(tài)價(jià)值，同時(shí)，氣溫與地溫呈上升趨勢(shì)，降水量創(chuàng)1952 年以來新高，疊加夏旱、春夏連旱等，農(nóng)業(yè)災(zāi)害呈現(xiàn)“旱澇并發(fā)、旱澇急轉(zhuǎn)”的特征，短期內(nèi)造成嚴(yán)重的農(nóng)作物歉收及財(cái)產(chǎn)損失，該市耕地緩沖高強(qiáng)度人類活動(dòng)與農(nóng)業(yè)災(zāi)害沖擊的能力備受關(guān)注。沈陽市耕地資源集中分布于渾南區(qū)、蘇家屯區(qū)、于洪區(qū)、沈北新區(qū)、康平縣、法庫(kù)縣、新民市、遼中區(qū)8 個(gè)縣（市）區(qū)，是下遼河平原優(yōu)質(zhì)稻米和玉米生產(chǎn)基地。本文將8個(gè)縣（市）區(qū)的耕地資源作為研究對(duì)象，空間上覆蓋該市東南部和東北部低山丘陵區(qū)、以遼河為核心的區(qū)域及臨近科爾沁沙地南緣的西北部地區(qū)。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文使用的經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)來源于2010、2014 和2019 年沈陽市統(tǒng)計(jì)年鑒、統(tǒng)計(jì)公報(bào)；土地利用數(shù)據(jù)來源于2009、2013 和2018 年沈陽市土地利用變更數(shù)據(jù)庫(kù)；2009—2018 年逐年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（net primary productivity,NPP）來源于500 m 空間分辨率MODIS 產(chǎn)品MOD17A3H，土地覆被數(shù)據(jù)來源于500 m 空間分辨率MODIS 產(chǎn) 品MCD12Q1（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/），耕地NPP 是利用耕地覆被數(shù)據(jù)從植被凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)中提??；氣象數(shù)據(jù)來源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心1 km 空間分辨率2000—2020 年中國(guó)氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)集（http://www.geodata.cn/）；土壤數(shù)據(jù)來源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.tpdc.ac.cn/）；農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于天眼查網(wǎng)站（https://www.tianyancha.com/）；30 m 分辨率數(shù)字高程模型（Digtal Elevation Model,DEM）來源于地理空間數(shù)據(jù)云；路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于Open Street Map（https://www.openstreetmap.org/）。基于ArcGIS 重采樣函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，使其空間分辨率與測(cè)度單元相匹配。

2.3 耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度框架的構(gòu)建

2.3.1 耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度階段的劃分

采用t檢驗(yàn)序貫格局轉(zhuǎn)換（sequentialt-test analysis of regime shifts，STARS）方法探測(cè)2009—2018 年研究區(qū)耕地生產(chǎn)力（選取耕地NPP 來表征[26]）發(fā)生突變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，為定量劃分耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度階段提供科學(xué)支撐。STARS 算法的原理是：計(jì)算觀測(cè)值在各時(shí)間節(jié)點(diǎn)前后的樣本均值階段差異，在給定顯著性水平下，得到的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變指數(shù)（regime shifts index，RSI）可反映觀測(cè)值發(fā)生突變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。該算法有利于彌補(bǔ)一元線性回歸法無法充分反映短期內(nèi)耕地NPP 的變化及劇烈程度的不足，并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度的提升[27]。

2.3.2 耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度單元的確定

結(jié)合景觀形狀指數(shù)（landscape shape index，LSI）修正研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度單元的大小。LSI 是通過計(jì)算區(qū)域內(nèi)某斑塊形狀與相同面積的正方形之間的偏離程度來測(cè)量形狀的復(fù)雜程度的景觀指數(shù)[28]?？紤]到研究區(qū)耕地圖斑破碎化程度高，形狀不規(guī)則，因此，利用研究區(qū)逐年位置未發(fā)生變化的耕地面積確定測(cè)度單元的平均面積，并采用LSI 根據(jù)耕地形狀復(fù)雜程度進(jìn)行修正，最終計(jì)算得到本文的測(cè)度單元。計(jì)算式如下：

式中As為 評(píng)價(jià)單元邊長(zhǎng)，m；Aper為位置不變的耕地平均邊長(zhǎng)，m；MLSI為景觀形狀指數(shù)均值；E為圖斑周長(zhǎng)，m；A為圖斑總面積，m2。最后計(jì)算確定本文的測(cè)度單元為80 m 地理網(wǎng)格。

2.3.3 耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度指標(biāo)體系的構(gòu)建

依據(jù)耕地系統(tǒng)彈性內(nèi)涵，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，從耕地系統(tǒng)的抵抗力-適應(yīng)力-轉(zhuǎn)型力維度構(gòu)建耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度指標(biāo)體系，共選取9 個(gè)指標(biāo)。以信息熵與特征權(quán)重的均值作為指標(biāo)層權(quán)重（表1），2009—2013 年各指標(biāo)權(quán)重排序：抵抗力p2＞p1＞e2＞e1，適應(yīng)力s＞r，轉(zhuǎn)型力t＞c＞l；2013—2018 年各指標(biāo)權(quán)重排序：抵抗力p2＞p1＞e1＞e2，適應(yīng)力s＞r，轉(zhuǎn)型力l＞t＞c。

表1 研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度指標(biāo)體系Table 1 Measuring indicator system of arable land system resilience (ALSR) in study area

2.3.4 指標(biāo)格網(wǎng)化法

利用指標(biāo)格網(wǎng)化法[30]，根據(jù)表征空間權(quán)重的修正指標(biāo)，將以區(qū)縣為單元的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值來源多樣性和灌溉基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)程度指標(biāo)的觀測(cè)值展布至80 m 測(cè)度單元，以增強(qiáng)測(cè)度結(jié)果空間異質(zhì)性。基于數(shù)據(jù)獲取情況及研究實(shí)際，采用耕地NPP 作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)值來源多樣性的修正指標(biāo)；采用耕地到“水庫(kù)水面、坑塘水面、溝渠與水工建筑用地”的最短距離作為灌溉基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)程度的修正指標(biāo)。計(jì)算式如下：

式中Bij是空間化后的網(wǎng)格單元值；B為該網(wǎng)格所在區(qū)縣的指標(biāo)觀測(cè)值；以農(nóng)業(yè)產(chǎn)值來源多樣性計(jì)算為例，Dij為該網(wǎng)格單元的耕地NPP 值，g/m2；SD為該網(wǎng)格單元所在縣級(jí)行政區(qū)的耕地NPP 總量，g/m2。

2.3.5 耕地系統(tǒng)彈性強(qiáng)弱的測(cè)度

基于耕地系統(tǒng)彈性內(nèi)涵解構(gòu)，采用三維歐氏距離表征耕地系統(tǒng)彈性強(qiáng)弱。三維歐氏距離是多變量分析中常用的三維空間距離測(cè)度，要求觀測(cè)值轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化的三維坐標(biāo)點(diǎn)，本文采用極值標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理。耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度模型如下：

式中VALSR表示耕地系統(tǒng)彈性值。VRE、VTR、VAD分別抵抗力、轉(zhuǎn)型力、適應(yīng)力值。

2.4 耕地系統(tǒng)彈性空間分異格局的識(shí)別

采用探索性空間數(shù)據(jù)分析[31]（Exploratory spatial data analysis,ESDA）的全局空間自相關(guān)指數(shù)（G lobalMoran’sI，I）和局部空間自相關(guān)指數(shù)（LocalMoran’sI，Ii）分別檢驗(yàn)研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性總體空間模式及內(nèi)部空間單元與鄰近單元屬性值的相似性和相異性。

式中zi和zj分別表示評(píng)價(jià)單元i和j的屬性值與各自平均值的偏差，wi,j為評(píng)價(jià)單元i和j之間的空間權(quán)重，n為空間單元數(shù)；ZI為全局自相關(guān)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量；E[I]為網(wǎng)格i的期望值；V[I]為方差。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性總體水平分析

基于R 軟件運(yùn)行STARS 算法，2013 年RSI 指數(shù)為0.54，表明2013 年前后研究區(qū)耕地NPP 均值發(fā)生突變，與2009—2012 年相比，2013 年后研究區(qū)耕地NPP 均值呈明顯下降趨勢(shì)，從422.31 g/m2下降至388.71 g/m2。因此，本文將2013 年作為劃分2009—2018 年研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度階段的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分階段測(cè)度耕地系統(tǒng)彈性。

2009—2018 年研究區(qū)耕地系統(tǒng)的抵抗力、適應(yīng)力、轉(zhuǎn)型力和彈性變化具有階段性（表2）。從數(shù)值來看，2009—2018 年耕地系統(tǒng)三力強(qiáng)度從大到小依次為：抵抗力（0.67～0.69）、轉(zhuǎn)型力（0.43～0.47）、適應(yīng)力（0.21～0.28），表明研究區(qū)耕地資源本底的生產(chǎn)和生態(tài)功能較高，抵抗力較強(qiáng)，但不穩(wěn)定耕地的轉(zhuǎn)出力度、農(nóng)業(yè)合作社影響力和道路連通度影響力較低，尤其缺乏集體行動(dòng)力和產(chǎn)業(yè)多樣性以適應(yīng)外界擾動(dòng)，轉(zhuǎn)型力和適應(yīng)力較弱。從階段變化來看，三力均呈減弱趨勢(shì)，減弱幅度從大到小依次為適應(yīng)力（-0.07）、轉(zhuǎn)型力（-0.04）、抵抗力（-0.02）。相應(yīng)地，耕地系統(tǒng)彈性高值區(qū)（0.96～1.29）的測(cè)度單元數(shù)占總數(shù)的比例從16.86%減少至13.81%，耕地系統(tǒng)適應(yīng)力的減弱是耕地系統(tǒng)彈性總體減弱的主要因素，其次為轉(zhuǎn)型力和抵抗力?；赟PSS26 軟件平臺(tái)，對(duì)2009—2013 年和2013—2018 年耕地系統(tǒng)彈性進(jìn)行成對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，兩個(gè)階段的耕地系統(tǒng)彈性存在顯著差異，2013—2018 年較2009—2013 年總體減弱了0.06（P＜0.01）。按測(cè)度單元統(tǒng)計(jì)，耕地系統(tǒng)彈性顯著增強(qiáng)（0.11～0.41）、輕微增強(qiáng)（0.01～0.10）、輕微減弱（-0.16～0）和顯著減弱（-0.63～-0.15）的單元數(shù)占總數(shù)的比例分別為5.34%、32.66%、51.44%和10.55%，研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性變化以輕微增強(qiáng)和輕微減弱為主。

表2 2009-2018 年研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度結(jié)果Table 2 Calculation results of arable land system resilience in study area from 2009 to 2018

3.2 研究區(qū)縣域耕地系統(tǒng)彈性水平分析

通過比較分析研究區(qū)各區(qū)縣的耕地系統(tǒng)抵抗力、適應(yīng)力、轉(zhuǎn)型力和耕地系統(tǒng)彈性的變化情況（表3），掌握研究區(qū)各區(qū)縣耕地系統(tǒng)彈性水平及其變化特征。

表3 2009-2018 年研究區(qū)各區(qū)縣耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度結(jié)果Table 3 Calculation results of arable land system resilience in the districts and counties of the study area from 2009 to 2018

從總體來看，與其他區(qū)縣相比，于洪區(qū)耕地系統(tǒng)彈性在2009—2018 年始終最強(qiáng)，適應(yīng)力始終最強(qiáng)。研究期內(nèi)該區(qū)將農(nóng)業(yè)與蒲河生態(tài)結(jié)合并優(yōu)先開展以“農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)聯(lián)動(dòng)”集群式發(fā)展為主要功能導(dǎo)向的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，重點(diǎn)發(fā)展農(nóng)產(chǎn)品加工、生態(tài)型休閑農(nóng)業(yè)和智慧數(shù)字農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)代化和多樣化的高效提升增強(qiáng)了耕地適應(yīng)外界擾動(dòng)的能力。新民市耕地系統(tǒng)轉(zhuǎn)型力在研究期內(nèi)始終最強(qiáng)，康平縣則始終最弱。新民市毗鄰沈陽主城區(qū)，是“沈陽阜新城際連接帶”重要節(jié)點(diǎn)，承接進(jìn)軍沈陽的國(guó)內(nèi)外資本和產(chǎn)業(yè)，且耕地面積居全市首位，形成了以“新民新城遼寧最大的農(nóng)產(chǎn)品專業(yè)批發(fā)中心”為重點(diǎn)的產(chǎn)業(yè)布局，為該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供外界資源，加深先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)和知識(shí)的交流，為推進(jìn)農(nóng)業(yè)規(guī)模利用提供基礎(chǔ)條件。而康平縣區(qū)位極具特殊性，一方面是阻止科爾沁沙地南移的生態(tài)屏障，沙漠化嚴(yán)重，導(dǎo)致該區(qū)耕地系統(tǒng)抵抗力不強(qiáng)，另一方面也是研究區(qū)經(jīng)濟(jì)腹地向北延伸的重要節(jié)點(diǎn)，受經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展的影響，公服設(shè)施不足、生態(tài)環(huán)境惡化等問題影響該縣實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型。

從變化趨勢(shì)來看，研究區(qū)各區(qū)縣耕地系統(tǒng)彈性整體減弱，其中，新民市耕地系統(tǒng)彈性最穩(wěn)定、轉(zhuǎn)型力變化幅度最小，蘇家屯區(qū)耕地系統(tǒng)彈性波動(dòng)最大、適應(yīng)力變化幅度最大。除康平縣耕地系統(tǒng)抵抗力增加0.01 外，研究區(qū)各區(qū)縣耕地系統(tǒng)三力普遍減弱，遼中區(qū)耕地系統(tǒng)抵抗力減弱幅度最大，渾南區(qū)耕地系統(tǒng)轉(zhuǎn)型力減幅最大。康平縣作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大縣，通過推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，承擔(dān)國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全示范縣和國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品出口示范區(qū)的政治責(zé)任，耕地本底條件維持水平較高。2009—2018 年研究區(qū)在已有資源環(huán)境和生產(chǎn)力發(fā)展約束下，耕地特別是基本農(nóng)田保護(hù)形勢(shì)十分嚴(yán)峻，優(yōu)質(zhì)耕地集中分布區(qū)與城鎮(zhèn)化核心區(qū)產(chǎn)生空間沖突、耕地占沙化土地面積的比例增加，糧食生產(chǎn)波動(dòng)大、生態(tài)敏感區(qū)及適宜建設(shè)區(qū)與現(xiàn)狀耕地重疊等，表征著該地區(qū)耕地應(yīng)對(duì)外界擾動(dòng)的能力削弱，尤其是靠近城市中心的耕地，耕地保護(hù)壓力增大。

3.3 研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性時(shí)空分異規(guī)律

3.3.1 耕地系統(tǒng)彈性時(shí)空變化特征

從總體來看，2009—2018 年研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性呈現(xiàn)中部強(qiáng)，西北部弱的特征（圖2a）。耕地系統(tǒng)彈性高值區(qū)（值大于0.95）集中分布于研究區(qū)中部的新民市、于洪區(qū)以及遼中區(qū)的遼河、渾河間沖積平原地區(qū)，耕地系統(tǒng)彈性低值區(qū)（值不大于0.95）集中分布于研究區(qū)西北部的康平縣北部沙區(qū)和法庫(kù)縣西北部剝蝕丘陵地區(qū)。

圖2 耕地系統(tǒng)彈性的時(shí)空分異Fig.2 Spatiotemporal differentiation of arable land system resilience

從變化趨勢(shì)來看，10 a 間研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性變化呈現(xiàn)明顯的空間分異特征，增強(qiáng)區(qū)西移北擴(kuò)，減弱區(qū)南移東擴(kuò)（圖2b）。與2009—2013 年相比，2013—2018年研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性顯著增強(qiáng)區(qū)和輕微增強(qiáng)區(qū)向西北部的生態(tài)屏障、西部的秀水河、養(yǎng)息牧河、柳河和繞陽河生態(tài)廊道移動(dòng)，表明位于研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性較弱的西北部，在經(jīng)過生態(tài)環(huán)境治理后，耕地系統(tǒng)彈性呈增強(qiáng)趨勢(shì)。耕地系統(tǒng)彈性顯著減弱區(qū)和輕微減弱區(qū)往東南部低山丘陵和遼河、渾河、北沙河下游移動(dòng)，說明耕地系統(tǒng)彈性較強(qiáng)的中南部區(qū)域，其耕地系統(tǒng)彈性呈不同程度的減弱趨勢(shì)。

3.3.2 耕地系統(tǒng)彈性的空間自相關(guān)分析

利用GeoDa 軟件分別對(duì)2009—2013 年和2013—2018 年研究區(qū)的耕地系統(tǒng)彈性進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析可得，耕地系統(tǒng)彈性Moran’s I 均大于0.70，經(jīng)過999 次置換運(yùn)算，在0.1%顯著性水平下，Z值均大于1 000，表明至少有99.9%的概率說明兩個(gè)階段的研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性均存在高度全局空間正相關(guān)性。

運(yùn)用局部空間自相關(guān)分析研究區(qū)內(nèi)部空間單元間的相關(guān)性。10 a 間，研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性呈現(xiàn)明顯的地域集聚性特征，均以HH（高高）型和LL（低低）型為主，NS（不顯著）型次之、HL（高低）型和LH（低高）型最少。2009—2013 年研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性HH 型以組團(tuán)狀和條帶狀分布在研究區(qū)東南部和河流附近（圖3a），2013—2018 年則多以集中于研究區(qū)中部的團(tuán)塊狀呈現(xiàn)（圖3b）。與2009—2013 年比較，2013—2018 年研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性HH 型聚集面積占總面積比例減少的區(qū)域分布在東南部低山丘陵區(qū)、遼河沖積平原的南部、遼河生態(tài)景觀發(fā)展帶的東部。研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性LL 型集聚從集中分布于西北部轉(zhuǎn)變?yōu)槟喜?，呈現(xiàn)南擴(kuò)的特征。

圖3 2009-2018 年研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性局部空間關(guān)聯(lián)集聚Fig.3 Local spatial autocorrelation of arable land system resilience in study area from 2009 to 2018

3.3.3 耕地系統(tǒng)彈性時(shí)空分異原因分析

就耕地系統(tǒng)彈性強(qiáng)弱空間分異而言，2009—2018 年研究區(qū)中南部受土地整治重點(diǎn)工程等農(nóng)業(yè)建設(shè)活動(dòng)影響較大，西北部受自然條件變化和生態(tài)治理項(xiàng)目影響較大。耕地系統(tǒng)彈性高值區(qū)集中于研究區(qū)中部，該區(qū)域積極開展土地整治工程，基本農(nóng)田集中連片、農(nóng)業(yè)設(shè)施完善，水土資源協(xié)調(diào)，受氣候變化影響較小，適應(yīng)力較強(qiáng)，是重要的商品糧基地和優(yōu)質(zhì)稻米生產(chǎn)基地。耕地系統(tǒng)彈性低值區(qū)集中于研究區(qū)西北部，該區(qū)域受自然約束較大，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱，沙漠化嚴(yán)峻，耕地資源受干旱、水土流失和風(fēng)蝕影響大，產(chǎn)能較低，抵抗力和轉(zhuǎn)型力較弱。

就耕地系統(tǒng)彈性變化的時(shí)空分異而言，研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性變化受自然稟賦和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件共同影響。耕地系統(tǒng)彈性增強(qiáng)區(qū)靠近半干旱半濕潤(rùn)區(qū)過渡帶，氣候動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，表明氣候變化較強(qiáng)烈的區(qū)域更能適應(yīng)旱澇災(zāi)害，具有更強(qiáng)的耕地系統(tǒng)彈性，這與MIHUNOV 等[32]結(jié)論一致。此外，2013 年以來，該區(qū)域開展擴(kuò)林增綠行動(dòng)、建立農(nóng)田防護(hù)林體系和實(shí)施生態(tài)經(jīng)濟(jì)等荒漠生態(tài)治理措施，增強(qiáng)了防風(fēng)固沙和耕地應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的多樣性能力。耕地系統(tǒng)彈性減弱集中于研究區(qū)中南部的主要原因在于：1）河流上游經(jīng)過沈陽市主城區(qū)，污水處理率較低，致使下游區(qū)域水污染問題始終突出；2）經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)D占生態(tài)、環(huán)境用水，導(dǎo)致河流下游泄水量減少；3）受氣溫升高的影響，蒸發(fā)力度加強(qiáng)，鹽漬化形勢(shì)嚴(yán)峻；4）單一水稻種植結(jié)構(gòu)致使農(nóng)業(yè)收入來源單一化，進(jìn)而給該區(qū)域耕地系統(tǒng)彈性帶來負(fù)外部效應(yīng)。

就農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平空間自相關(guān)的影響機(jī)制而言，空間集聚特征取決于農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)特性[33]。耕地系統(tǒng)彈性HH 型從條塊狀為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詧F(tuán)塊狀集中于研究區(qū)中部，表明在HH 型在人為干預(yù)下逐漸形成規(guī)模效應(yīng)，得益于中部區(qū)域集中開展優(yōu)質(zhì)基本農(nóng)田建設(shè)工程和農(nóng)用地整理工程。耕地系統(tǒng)彈性LL 型南擴(kuò)，這與該區(qū)域耕地細(xì)碎化嚴(yán)重，影響耕作規(guī)?；娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)代化有關(guān)，此外，遼河以南區(qū)域溫度上升，降水年際變化率增大，地勢(shì)低平疊加人類不合理耕作活動(dòng)，受暴雨洪澇等自然災(zāi)害影響較大，與耕地系統(tǒng)彈性減弱區(qū)空間分布吻合。

4 結(jié)論

本研究以下遼河平原典型地域沈陽市為研究區(qū)，從耕地系統(tǒng)的抵抗力-適應(yīng)力-轉(zhuǎn)型力視角出發(fā)，采用t檢驗(yàn)序貫格局轉(zhuǎn)換、三維歐氏距離和探索性空間分析等方法，測(cè)度2009—2018 年研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性強(qiáng)弱，刻畫耕地系統(tǒng)彈性時(shí)空分異格局，并分析其原因。主要研究結(jié)論如下：

1）耕地系統(tǒng)彈性是由耕地系統(tǒng)的抵抗力、適應(yīng)力和轉(zhuǎn)型力共同作用的結(jié)果。2013 年為研究區(qū)耕地生產(chǎn)力發(fā)生突變的年份，突變后期耕地系統(tǒng)彈性顯著降低。耕地系統(tǒng)彈性高值區(qū)（0.96～1.29）的測(cè)算單元數(shù)占總數(shù)的比例從16.86%減少至13.81%。突變前期（2009—2013 年）研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性為0.89，突變后期（2013—2018 年）為0.83，突變前后耕地系統(tǒng)彈性顯著減弱了0.06（P＜0.01），耕地系統(tǒng)適應(yīng)力的減弱是耕地系統(tǒng)彈性總體減弱的主要因素，其次為轉(zhuǎn)型力和抵抗力。

2）10 a 間研究區(qū)各區(qū)縣的耕地系統(tǒng)抵抗力、適應(yīng)力、轉(zhuǎn)型力及彈性均呈減弱趨勢(shì)。除康平縣耕地系統(tǒng)抵抗力增加0.01 外，各區(qū)縣耕地系統(tǒng)三力普遍減弱，遼中區(qū)耕地系統(tǒng)抵抗力減弱幅度最大，渾南區(qū)耕地系統(tǒng)轉(zhuǎn)型力減幅最大，這與中南部受城鎮(zhèn)化和洪澇災(zāi)害的影響有關(guān)。新民市耕地系統(tǒng)轉(zhuǎn)型力始終最強(qiáng)，康平縣耕地系統(tǒng)轉(zhuǎn)型力始終最弱，這與區(qū)位條件和基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)。于洪區(qū)耕地系統(tǒng)彈性在2009—2018 年維持最強(qiáng)水平，新民市耕地系統(tǒng)彈性最穩(wěn)定，蘇家屯區(qū)耕地系統(tǒng)彈性波動(dòng)最大。

3）2009—2018 年耕地系統(tǒng)彈性空間分異特征顯著，基本呈中部強(qiáng)，西北部弱的分布態(tài)勢(shì)。與2009—2013 年相比，2013—2018 年研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性高值區(qū)呈西移北擴(kuò)的特征，彈性低值區(qū)呈南移東拓的特征。研究期間研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性呈明顯的地域集聚性特征。研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性高高型以組團(tuán)狀和條帶狀集聚在中部與南部轉(zhuǎn)變?yōu)橐詧F(tuán)塊狀集聚在西部與北部，南部低低型集聚逐漸凸顯，其他相關(guān)類型較少且零星分散。

4）研究區(qū)不同區(qū)域的耕地系統(tǒng)彈性強(qiáng)弱受不同主導(dǎo)因素影響，中南部受農(nóng)業(yè)建設(shè)活動(dòng)影響較大，西北部、北部受自然條件和生態(tài)治理項(xiàng)目影響較大。研究區(qū)耕地系統(tǒng)彈性變化受自然稟賦和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件共同影響。耕地系統(tǒng)彈性高高型在人為干預(yù)下逐漸形成規(guī)模效應(yīng)，氣候變化和洪澇災(zāi)害是低低型南擴(kuò)的主要原因。

下遼河平原作為全國(guó)優(yōu)質(zhì)稻米和玉米的生產(chǎn)基地，糧食安全備受關(guān)注，但農(nóng)業(yè)災(zāi)害和城鎮(zhèn)化快速演進(jìn)使得單純追求耕地資源在預(yù)期穩(wěn)態(tài)下最大產(chǎn)量的傳統(tǒng)思路已無法適應(yīng)新時(shí)代要求，深入探究耕地系統(tǒng)彈性時(shí)空分異特征有助于明晰耕地系統(tǒng)適應(yīng)氣候變化和人類擾動(dòng)交互影響的能力及其發(fā)展趨勢(shì)。本文將社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)彈性思維和三維歐氏距離引入至耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度研究中，將耕地系統(tǒng)彈性看作由耕地系統(tǒng)的抵抗力、適應(yīng)力和轉(zhuǎn)型力共同作用的結(jié)果，基于此構(gòu)建的耕地系統(tǒng)彈性測(cè)度理論框架拓寬了耕地保護(hù)研究的視野，為耕地系統(tǒng)彈性時(shí)空分異特征分析提供方法論和思路，突破了傳統(tǒng)定性研究的局限。然而，耕地系統(tǒng)彈性與社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)有緊密聯(lián)系，尤其在量化社會(huì)經(jīng)濟(jì)層面指標(biāo)和對(duì)其進(jìn)行空間展布的方法等方面仍有待進(jìn)一步討論完善。人類可以通過社會(huì)治理增強(qiáng)耕地系統(tǒng)彈性，研究區(qū)通過開展山水林田湖生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程、遼河流域綜合治理工程和發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)等適應(yīng)性治理策略促進(jìn)了農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)代化、增加了農(nóng)民收入來源多樣性，從而提高了研究區(qū)西部和北部的耕地系統(tǒng)彈性，因此，基于適應(yīng)性治理理論對(duì)耕地系統(tǒng)彈性進(jìn)行有效治理是下一步研究的方向。