洞庭湖區(qū)耕地多功能時空演變及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析

摘要" 為了解洞庭湖區(qū)耕地多功能時空演變特征，及各功能之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，促進(jìn)該地區(qū)糧食增產(chǎn)、生態(tài)安全和社會經(jīng)濟(jì)保障。本研究運用了熵權(quán)法、層次分析法、綜合指數(shù)法及Spearman相關(guān)系數(shù)方法對研究區(qū)2000—2020年耕地的物質(zhì)生產(chǎn)、生態(tài)維持和社會保障功能進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明，2000—2020年研究區(qū)物質(zhì)生產(chǎn)功能呈先下降后上升的趨勢，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)條件相對較好的西部地區(qū)其功能等級在空間上較強；生態(tài)維持功能變化不大，功能等級較強區(qū)域集中在西部，東部相對較弱；社會保障功能總體呈先下降后上升的趨勢，東部功能等級在空間上強于西部。20年間社會保障功能與生態(tài)維持功能存在權(quán)衡關(guān)系，說明社會保障的提升對生態(tài)環(huán)境有一定影響；物質(zhì)生產(chǎn)功能與社會保障功能由權(quán)衡關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同關(guān)系，說明糧食增產(chǎn)在一定程度上可以促進(jìn)居民生活水平的提高；物質(zhì)生產(chǎn)功能與生態(tài)維持功能經(jīng)歷了協(xié)同—權(quán)衡—協(xié)同的變化過程，說明近年來研究區(qū)在穩(wěn)定提高糧食增產(chǎn)的過程中越來越注重對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。對研究區(qū)耕地多功能時空演變及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行分析，為合理制定耕地保護(hù)政策，提高居民生活水平提供參考。

關(guān)鍵詞" 耕地多功能；時空演變；土地利用；物質(zhì)生產(chǎn)；生態(tài)維持

中圖分類號" F326.11"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼" A"""""" 文章編號" 1007-7731（2024）22-0078-06

DOI號" 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.22.017

作者簡介 羅野（2000—），男，湖南婁底人，碩士研究生，從事土地資源與信息技術(shù)研究。

通信作者 周清（1968—），男，湖南永順人，博士，教授，從事農(nóng)業(yè)遙感與信息技術(shù)、水土保持研究。

收稿日期 2024-09-01

Spatio-temporal evolution and trade-off and synergy of arable land in Dongting Lake

LUO Ye""" ZHOU Qing

（College of Resources， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

Abstract" To understand the spatio-temporal evolution of multi-function of cultivated land and the trade-off and synergy among different functions in Dongting Lake， and promote increased grain production， ecological security， and sociol economic security in this area. Entropy weight method， analytic hierarchy process， comprehensive index method， and Spearman rank correlation coefficient method were used to comprehensively evaluate the material production， ecological maintenance， and social security functions of cultivated land in research area from 2000 to 2020. The results indicated that from 2000 to 2020， the function of material production in study area decreased first and then increased， however， the area with stronger functional class mainly concentrated in the west， and the eastern part was relatively weak. The social security function was on the rise in general， and the functional class in the east was spatially stronger than that in the west. There was a trade-off between social security function and ecological maintenance function in 20 years， which showed that the improvement of social security had a impact on ecological environment to a certain extent. The relationship between material production function and social security function changed from trade-off to coordination， which indicated that the increase of grain production could promote the improvement of residents’living level to a certain extent. The function of material production and the function of ecological maintenance experienced the process of synergy—trade-off—synergy， this shown that in recent years， the research area had paid more attention to the protection of the ecological environment in the process of steadily increasing grain production. The analysis of the spatial-temporal evolution and trade-off and synergy of arable land in research area， to provided a reference for the rational formulation of arable land protection policies and the improvement of residents’living standards.

Keywords" cultivated land multi-function; space-temporal evolution; land use; grain production; ecological maintenance

耕地是農(nóng)業(yè)基本的生產(chǎn)資料之一，是一個復(fù)雜的社會生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、景觀休閑及生態(tài)維護(hù)等方面具有重要作用，為人類生存發(fā)展提供基礎(chǔ)的物質(zhì)保障[1]。在新型城鎮(zhèn)化發(fā)展背景下，耕地的需求導(dǎo)向發(fā)生改變，主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)耕地單一功能已不能滿足人們對耕地多樣化的需求，使得耕地由單一功能向多功能協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)變[2]。

耕地是人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的重要載體之一，各項農(nóng)業(yè)活動的發(fā)揮都與耕地有著密不可分的關(guān)系，耕地作為土地資源中的重要成分，對農(nóng)業(yè)活動起著關(guān)鍵作用。農(nóng)業(yè)多功能在發(fā)展過程中逐漸演變產(chǎn)生耕地多功能相關(guān)概念，耕地多功能的研究源于農(nóng)業(yè)多功能[3]。耕地多功能的分類因需求的不同存在較大差異。Coyle等[4]將土地功能劃分為生產(chǎn)功能、水資源凈化功能、碳封存功能、保持生物多樣性功能和循環(huán)養(yǎng)分功能，并認(rèn)為土地功能的各項能力是指其提供支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的一系列功能的能力。宋小青等[5]在經(jīng)濟(jì)學(xué)視角下，認(rèn)為耕地具有生產(chǎn)商業(yè)和非商業(yè)產(chǎn)出的雙重功能，其商業(yè)生產(chǎn)功能主要體現(xiàn)在糧食、油料和蔬菜的生產(chǎn)上，而非商業(yè)生產(chǎn)功能主要包括調(diào)節(jié)氣候、水文保護(hù)和隔離城市建設(shè)空間，提供農(nóng)耕景觀、開敞空間景觀等，同時具有傳承農(nóng)業(yè)文化和其他社會文化功能。從耕地評價方面來看，主要在生產(chǎn)、生態(tài)、社會和景觀4個方面構(gòu)建評價模型進(jìn)行合理評價[6-7]。從耕地評價尺度來看，主要有省、縣和村3種尺度[8-10]。從耕地評價方法來看，主要包括熵權(quán)法、空間自相關(guān)法和冷熱點分析法等[11-12]。本文以洞庭湖區(qū)為研究區(qū)域，探索該地區(qū)耕地狀況，對其耕地多功能時空演變特征及權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進(jìn)行研究分析，具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)基本情況

洞庭湖區(qū)位于長江中游以南，湖南省北部。以洞庭湖為核心，向東、南和西方向過渡為河湖沖積平原、環(huán)湖丘陵崗地和低山，為一碟形盆地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)為研究區(qū)2000、2010和2020年的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括糧食產(chǎn)量、油料產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、人口數(shù)量、農(nóng)藥施用量、化肥施用量和農(nóng)用塑料薄膜使用量等，數(shù)據(jù)來源于2001、2011和2021年《湖南省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》和《湖南省統(tǒng)計年鑒》。柵格數(shù)據(jù)中，土地利用數(shù)據(jù)來自GlobeLand 30土地利用數(shù)據(jù)集（https：//glo-beland30.org），分辨率30 ｍ，用于提取耕地與水田面積。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地多功能評價指標(biāo)體系 依據(jù)系統(tǒng)性、客觀性、典型性和易獲取性等原則[13]，從物質(zhì)生產(chǎn)功能、生態(tài)維持功能和社會保障功能3個方面構(gòu)建耕地多功能評價指標(biāo)體系，共設(shè)置12個評價指標(biāo)，具體指標(biāo)見表１。

耕地的物質(zhì)生產(chǎn)功能是耕地的主要核心功能，從結(jié)果來看表現(xiàn)在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)與供應(yīng)方面，對保障糧食安全具有重大意義。本研究選取單位耕地面積、復(fù)種指數(shù)、有效灌溉面積、糧食作物生產(chǎn)水平和油料作物生產(chǎn)水平4個指標(biāo)進(jìn)行評價。

耕地的生態(tài)維護(hù)功能指耕地資源可以為人類資源提供氣候條件、水源涵養(yǎng)、土壤的形成與保護(hù)以及生物多樣性保護(hù)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。該功能具有一定的自我調(diào)節(jié)和代償作用，但不能超過其生態(tài)閾值。本研究選取景觀破碎度（由Arcgis 10.2軟件先對土地利用影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fragstats軟件進(jìn)行運算得出指標(biāo)結(jié)果）、農(nóng)藥化肥使用強度、農(nóng)用塑料薄膜使用強度和耕地生態(tài)優(yōu)勢度4個指標(biāo)進(jìn)行評價。

耕地的社會保障功能主要體現(xiàn)在耕地與人口、經(jīng)濟(jì)之間關(guān)系等方面，表現(xiàn)為耕地對糧食安全的保障能力以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)能力等方面。本研究選取糧食自給率、農(nóng)民人均收入可支配、耕地地均產(chǎn)值和人均耕地面積4個指標(biāo)來反映耕地的社會保障功能。

1.3.2 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化 耕地多功能各項評價指標(biāo)涉及到經(jīng)濟(jì)、人口和農(nóng)業(yè)等不同方面，其單位性質(zhì)、數(shù)量大小均存在很大差異，因此要對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，其計算公式如式（1）～（2）。

正向指標(biāo)： ="""""" （1）

負(fù)向指標(biāo)： ="""""" （2）

式（1）～（2）中，為第ｉ個評價單元指標(biāo)ｊ經(jīng)處理后的標(biāo)準(zhǔn)值；為原始數(shù)據(jù)；為原始列數(shù)據(jù)最大值；為原始列數(shù)據(jù)最小值。

1.3.3 權(quán)重確定 采用熵權(quán)法確定數(shù)據(jù)指標(biāo)權(quán)重，熵權(quán)法計算得出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高且不受主觀因素的影響，熵值決定權(quán)重，熵值的大小可以反映對結(jié)果的貢獻(xiàn)，權(quán)重越大對結(jié)果的影響也越大。熵權(quán)法的計算公式如式（3）～（7）。

（3）

= -k""""" （4）

（5）

（6）

（7）

式（3）～（7）中，為第ｉ個評價單元的第ｊ項評價指標(biāo)；表示第ｉ個評價單元指標(biāo)ｊ經(jīng)處理后的標(biāo)準(zhǔn)值；為第ｊ個指標(biāo)的信息熵；為信息熵冗余度；為第ｊ個指標(biāo)客觀權(quán)重；為第ｊ個指標(biāo)主觀權(quán)重；為單因子權(quán)重；k=1/lnm，m為評價單元數(shù)，n為指標(biāo)數(shù)。

1.3.4 耕地各項功能值測算 經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和熵權(quán)法得出相應(yīng)結(jié)果后，采用綜合指數(shù)模型計算耕地多功能值。計算公式如式（8）。

（8）

式（8）中，D為耕地多功能指數(shù)；第i項功能第j項指標(biāo)的權(quán)重。

1.3.5 權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系 Spearman相關(guān)系數(shù)的適用范圍較廣，主要用于解決排名數(shù)據(jù)和順序數(shù)據(jù)相關(guān)問題，通過兩變量的秩次大小做線性相關(guān)分析。本研究采用Spearman相關(guān)系數(shù)方法分析耕地各功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為正表示2種耕地功能之間存在協(xié)同關(guān)系，為負(fù)表示存在權(quán)衡關(guān)系。令（Ai，Bi）表示n對獨立同分布的數(shù)據(jù)對，其母體為某二元連續(xù)分布，設(shè)位于序列（Ai）中第k個位置記為Qi；同理，設(shè)位于序列（Bi）中第k個位置記為Ti，則相關(guān)系數(shù)r（Ai，Bi）[14]。計算公式如式（9）。

= 1－ """ （9）

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地綜合功能時空演變

通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及熵權(quán)法求出各功能指數(shù)值，借助ArcGIS 10.2軟件，使用自然斷裂法將耕地多功能劃分為強、較強、一般、較弱和弱5個等級，如圖1所示。2000—2020年，研究區(qū)各區(qū)域耕地綜合功能值呈先下降后上升趨勢，具體表現(xiàn)為2000—2010年功能指數(shù)較強及以上值區(qū)減少、較弱及以下值區(qū)增多；2010—2020年間功能指數(shù)較強及以上值區(qū)增多，較弱及以下值區(qū)增多。從時間變化上來看，2000—2010年間研究區(qū)耕地功能指數(shù)變化差異較大，具體表現(xiàn)為2000年洞庭湖區(qū)共有9個區(qū)域耕地多功能值處于較強及以上水平，分別位于研究區(qū)北部、東南和西南一帶；5個區(qū)域耕地多功能值處于較弱及以下水平；到2010年，洞庭湖區(qū)有7個區(qū)域耕地多功能值處于較強及以上水平，強值區(qū)1個，位于研究區(qū)東北部；功能指數(shù)較弱及以下值區(qū)6個。到2020年，研究區(qū)6個區(qū)域耕地多功能值處于較強及以上水平，強值區(qū)增加到3個，位于研究區(qū)中部。

2.2 耕地多功能時空演變

2.2.1 物質(zhì)生產(chǎn)功能 如圖2所示，2000—2020年研究區(qū)物質(zhì)生產(chǎn)功能呈先下降后上升的趨勢。在空間分布上中部、西部生產(chǎn)功能指數(shù)較高，具體表現(xiàn)為2000—2010年研究區(qū)物質(zhì)生產(chǎn)功能整體呈下降趨勢，原因可能是這段時間內(nèi)研究區(qū)耕地有效灌溉面積變少，用于糧食作物、油料作物生產(chǎn)的耕地面積逐漸減少，以及自然災(zāi)害，導(dǎo)致該時段研究區(qū)物質(zhì)生產(chǎn)能力減弱。2010—2020年，隨著農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施不斷完善，用于糧食作物、油料作物生產(chǎn)的耕地面積增加，研究區(qū)物質(zhì)生產(chǎn)能力逐漸增強。

2.2.2 生態(tài)維持功能 如圖3所示，2000—2020年研究區(qū)生態(tài)維持功能總體呈增強趨勢，在空間上表現(xiàn)為“西高東低”。2000—2010年，生態(tài)維持功能較強區(qū)域主要分布在西部，主要原因可能是減少了農(nóng)藥、化肥和農(nóng)用塑料薄膜的使用量，從而使得生態(tài)環(huán)境得到進(jìn)一步改善，促使生態(tài)維持功能指數(shù)提升。2010—2020年，生態(tài)維持功能弱區(qū)域由6個減少到了4個，可能原因是研究區(qū)大力發(fā)展高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，該農(nóng)田以水田為主，不僅能提高耕地質(zhì)量，而且對田塊破碎度有一定修復(fù)作用。

2.2.3 社會保障功能 如圖4所示，2000—2020年研究區(qū)社會保障功能整體呈先下降后上升趨勢，空間格局變化較大。從區(qū)域數(shù)量來看，2000—2010年，社會保障功能較強及以上區(qū)域由8個降低到了3個，而2010—2020年間社會保障功能較強及以上區(qū)域由3個上升到了9個，產(chǎn)生這種變化的原因可能與糧食產(chǎn)量穩(wěn)定提高、耕地保護(hù)政策實施以及農(nóng)業(yè)支持舉措等有關(guān)。

2.3 耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

在完成研究區(qū)各區(qū)域耕地多功能評價的基礎(chǔ)上，通過SPASS軟件計算2000—2020年研究區(qū)各類功能之間的相關(guān)系數(shù)，分析各類功能之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。根據(jù)Spearman相關(guān)系數(shù)，計算洞庭湖區(qū)2000、2010和2020年耕地各功能之間的相關(guān)系數(shù)如表2所示。由表2可知，2000—2010年耕地的物質(zhì)生產(chǎn)—生態(tài)維持功能由協(xié)同轉(zhuǎn)為權(quán)衡，但相關(guān)性不強，兩者在這一時期暫不存在明顯的權(quán)衡關(guān)系，而2010—2020年耕地的物質(zhì)生產(chǎn)—生態(tài)維持功能由權(quán)衡轉(zhuǎn)為協(xié)同。結(jié)果表明，2000—2010年研究區(qū)糧食作物、油料作物生產(chǎn)面積減少；而2010—2020年研究區(qū)在糧食發(fā)展的過程中注重化肥、農(nóng)藥和塑料薄膜等的合理使用，物質(zhì)生產(chǎn)—生態(tài)維持功能之間存在正相關(guān)性。2000—2020年研究區(qū)的物質(zhì)生產(chǎn)—社會保障功能由權(quán)衡轉(zhuǎn)為協(xié)同，表明隨著科技的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得以改善，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，研究區(qū)糧食作物、油料作物產(chǎn)量大幅度上升，進(jìn)而促使當(dāng)?shù)鼐用袢司杖肷蠞q，推動了社會保障功能的提升，存在一定的協(xié)同關(guān)系。2000—2020年社會保障—生態(tài)維持功能存在權(quán)衡關(guān)系，表明生態(tài)環(huán)境的變化對耕地的生產(chǎn)功能具有一定影響，進(jìn)而促進(jìn)社會保障功能發(fā)展，近年來越來越注重生態(tài)環(huán)境的治理，居民的生活水平得到了進(jìn)一步的改善，耕地的社會保障功能得到提升。

3 結(jié)論與討論

本文以洞庭湖區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)為研究對象，采用了熵權(quán)法、綜合指數(shù)法及Spearman相關(guān)系數(shù)法從物質(zhì)生產(chǎn)、生態(tài)維持和社會保障3項指標(biāo)對該區(qū)2000—2020年耕地多功能進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明，2000—2020年研究區(qū)耕地的物質(zhì)生產(chǎn)功能呈先下降后上升的趨勢，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)條件相對較好的西部地區(qū)其功能等級在空間上較強；生態(tài)維持功能變化不大，功能等級較強的區(qū)域集中在西部，東部相對較弱；社會保障功能總體呈先下降后上升趨勢，東部功能等級在空間上強于西部。

研究結(jié)果為研究區(qū)耕地綜合發(fā)展提供啟示。（1）全面推動糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，對耕地物質(zhì)生產(chǎn)功能較弱的區(qū)域適當(dāng)增強農(nóng)業(yè)科技投入，提高基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)設(shè)施水平，鼓勵當(dāng)?shù)鼐用癜l(fā)展特色農(nóng)業(yè)，同時避免農(nóng)田非糧化、非農(nóng)化，保證基本糧食產(chǎn)出。（2）制定相關(guān)政策保障農(nóng)民人均收入，提高居民生活幸福指數(shù)。（3）強調(diào)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，在發(fā)展耕地生產(chǎn)的同時要注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，對研究區(qū)中部大規(guī)模糧食生產(chǎn)地區(qū)，須嚴(yán)格控制好農(nóng)藥、化肥和農(nóng)用塑料薄膜等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的使用量，保證其在一定的生態(tài)閾值內(nèi)。

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（責(zé)任編輯：李媛）