湖南省耕地多功能时空分异特征及融合模式探讨

侯兰金，刘 庆，朱吉贝，李佳玲，陈伊莎

(湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128)

耕地是人类生存和发展的基本资源和物质保障[1]，亦是粮食生产中的重要资源。在经济社会发展、社会群体生活方式改变和居民消费结构升级等因素驱动下，耕地功能日益丰富，耕地多功能性逐步显现[2-3]。耕地不仅在粮食生产、社会保障和生态维护等方面发挥着重要的效用，同时娱乐休闲景观等功能也日益受到人们重视。但由于耕地功能类型的多样性、空间分布的不均衡性和人类利用的选择性，不同地域耕地功能存在显著的差异[4-5]。因此，探索不同地域耕地多功能演变规律并构建耕地多功能空间融合模式可以为新时期耕地差异化利用、耕地综合整治及国土空间规划制定提供科学依据与参考，也对有效实施农业空间管控、差异化推进耕地保护具有重要理论与实践意义。

自1980年农业多功能提出以来，“多功能”概念被各个学科领域广泛引用，而耕地多功能的研究主要涉及概念与内涵[4,6]、分类与评价[7-8]、价值核算[9-10]、权衡与协同关系[11-14]等方面，总体上呈现出由功能结构到功能强度以及由静态的功能分异特征到动态的功能演化规律等方面的转变。但是现有研究更多地侧重于耕地多功能本身的强弱分析[15-17]，存在严重的同质化现象，而对于不同功能间相互补偿的多功能均衡发展及空间融合模式需进一步加强研究。基于此，本文以湖南省为研究区域，以114个县市区为研究地域单元，深入探索了湖南省20世纪90年代以来耕地多功能强度与均衡度演化特征，识别了耕地多功能强度与均衡度典型融合模式，厘清了湖南省耕地多功能典型融合模式的空间分布变化趋势，旨在为湖南省农业空间管控和耕地保护差异化管理决策的制定提供更直观的参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

湖南省位于中国中部，长江中游地区，是传统的粮食大省，也是13个粮食主产区之一，素有“湖广熟，天下足”的美誉。2017年，湖南省耕地面积415.1×104hm2，粮食产量为3073.6×104t，其以全国3.1%的耕地贡献了4.65%的粮食，耕地作为农业土地的重要类型，已成为湖南省转型发展的关键资源环境要素。另外，湖南省地貌类型复杂多样，可划分为湘西北山原山地区、湘西山地区、湘南丘山区、湘东山丘区、湘中丘陵区、湘北平原区六大块，不同地貌类型区中耕地功能分异特征较为显著，也为耕地功能多元化发挥提供了前提条件。因此，研究该区域耕地功能的时空演化特征与典型融合模式及演进趋势，提出耕地利用的合理方向有较明显的典型性和代表性。

1.2 数据来源

本研究数据为湖南省1996、2006和2017年的社会统计数据。年末耕地面积、农业从业人员数量、乡村实有从业人数、各种农作物播种面积、化肥施用量、农药施用量、农业机械总动力、粮食作物总产量、农业总产值等数据均来自1997、2007、2018年《湖南省农村统计年鉴》，地区土地面积、地区生产总值、地区总人口、农业人口等来源于1997、2007、2018年《湖南省统计年鉴》和《湖南年鉴》，其他部分数据由湖南省各县域统计年鉴和统计公报获得。个别区县个别年份数据缺失，以相邻年份数据平均或趋势外推的方法进行数据重建；由于1996年株洲市、衡阳市、邵阳市市区分区数据难以获取，遂将市区合并为市辖区。最终确定湖南省各区县耕地多功能评价单元共114个。

2 研究方法

2.1 耕地多功能评价指标体系

耕地多功能评价的关键在于功能分类，国内外学者对此进行了大量研究，但尚未有统一的标准。本研究本着系统性、代表性、科学性和易获取性等原则，结合研究区耕地利用特征，参考已有研究成果[18-19，3]，从耕地经济贡献、社会保障和生态安全维护三方面构建了耕地多功能评价指标体系(表1)。为消除量纲影响，运用极值法对评价指标原始数据进行标准化处理；同时为提高权重结果的合理性，参照杜国明土地利用多功能性评价，采用主观与客观结合方法确定权重[20]，目标层与因素层运用德尔菲法，指标层采用熵权法确定权重；最后采用函数模型法构建耕地多功能评价模型。

表1 耕地多功能评价指标体系

2.2 耕地多功能指数测算

以湖南省114个县(区)作为研究单元，基于耕地经济贡献、社会保障和生态安全维护功能值测算耕地多功能强度指数与耕地多功能均衡度指数。

2.2.1 耕地多功能强度指数测算 基于标准化的数据，为减小统计波动，采用算术平均法和几何平均法相结合的方式计算耕地多功能强度指数，公式如下：

(1)

公式(1)中：f(x)、g(y)、h(z)分别表示耕地经济贡献、社会保障、生态安全维护功能值。

2.2.2 耕地多功能均衡度指数测算 本文引入“均衡度指数”概念分析耕地多功能的协调程度。均衡度指数根源于经济学的一般均衡理论，多用于衡量土地供给能力和土地利用开发强度的协调性，以实现土地利用效益最大化[21]。将其运用于耕地功能研究中要求耕地在利用开发中保持耕地多种功能协同发展。具体公式为：

(2)

公式(2)中，G代表耕地多功能均衡度指数，α、β、λ为权重，k为调节系数，当k=1/3时，为f(x)、g(y)和h(z)的几何平均值相对于算术平均值的均衡度。通过权衡耕地经济、社会与生态功能的重要性，依据专家打分确定α=0.4、β=0.3、λ=0.3。为使计算结果具有较好的层次性，采用k作为调节系数,一般取2～5，这里取k=4。在归一化的区间，G=[0,1]。当G=0时，表示根本不均衡；G=1，表示最佳均衡状态；G越大则越均衡。

2.3 热点分析

Getis-Ord Gi*空间热点分析是探索局部空间聚类分布特征的方法，通过ArcGIS软件识别在给定的距离范围内目标位置和周围位置之间是否存在高值或低值的聚集。本文以此方法来探究湖南省耕地多功能强度的局部分布特征，探测其热点和冷点区域。

2.4 耕地多功能融合模式聚类

在耕地各功能测度、强度测度和均衡度测度的基础上，将耕地各功能值、强度指数值和均衡度指数值划分为高中低三级并依次排列组合，应用系统聚类分析法对评价结果进行聚类，分类识别湖南省耕地多功能空间融合发展模式。

3 结果与分析

3.1 县域耕地子功能演变的时空格局

3.1.1 县域耕地经济贡献功能演变时空格局 在1996～2006年(图1a)，耕地经济贡献功能增加区域主要分布于环长株潭城市群，包括长株潭、衡阳、岳阳、益阳、常德、娄底等城市；经济贡献功能下降区域主要分布在张家界、湘西州等湘西地区和郴州、永州等湘南地区的部分区县。

在2006～2017年(图1b)，65%的区县经济贡献功能急剧增大且分布更为集中，增长幅度大于0.2的区县主要在张家界、怀化、邵阳、娄底、郴州，下降的区县多分布于长株潭城市群地区。

整体来看(图1c)，湖南省耕地经济贡献功能变化呈持续增长的态势，部分区县增长率极高，洞庭湖平原及湘中南地区经济贡献功能明显增强；长株潭城市群受工业化和城镇化影响较大，耕地经济贡献功能后期下降幅度大于前期增长；而湘南地区和湘西地区受地形、海拔和水源等自然因素限制，农业现代化产业化滞后，耕地农业生产能力较差。

3.1.2 县域耕地社会保障功能演变的时空格局 在1996～2006年(图1d)，仅16%的区县耕地社会功能有所增强，主要分布在洞庭湖周边和娄底、邵阳等湘中南地区。共82个区县耕地社会保障功能呈下降的态势，集聚于包括怀化-张家界的以西地区以及衡阳、永州、郴州等地区的大部分区县。

图1 1996～2016年湖南省耕地多功能变化率的空间格局

在2006～2017年(图1e)，耕地社会保障功能增长区域明显增多，约占全省的77%，洞庭湖地区和湘中南依旧保持着较强的增长态势；下降区域则分布较为分散，主要在湖南省西部和南部的边缘地区，主要包括永定区、溆浦县、临武县、宜章县等区县。

整体来看(图1f)，湖南省耕地社会保障功能变化呈先减后增的态势，洞庭湖地区和湘中南地区持续增加，部分区县增长幅度极大，该地区为湖南省重要粮食主产区和传统农业区，农业产值比重大，农业从业人口较多，农村人口对耕地的依赖程度依旧很高。湘西和湘南地区由于耕地较为破碎，农业生产效率低，就业结构和农民收入中农业所占的比例缩小，耕地社会保障功能持续弱化。

3.1.3 县域耕地生态安全维护功能演变的时空格局 在1996～2006年(图1g)，30%的区县耕地生态安全维护功能下降，环洞庭湖地区尤为明显；增加区域主要分布在经济稍微欠发达的湘西州、怀化、张家界等湘西地区和永州、郴州等湘南地区。

在2006～2017年(图1h)，耕地生态安全维护功能下降的区域大幅度增加，占全省的92%，下降幅度大于0.2的主要分布于怀化、湘西州、永州和郴州部分区县以及洞庭湖及湘江沿岸地区；增长区县仅有9个，零星分布于湖南中部地区。

近20年(图1i)，湖南省耕地生态安全维护功能演变呈先增后减态势，不同时间段差异明显。与研究初期相比，2017年89%的区县生态安全维护功能下降。湖南省作为粮食主产区，过度投入农药、化肥，严重影响了耕地的生态环境安全，使得耕地的生态安全维护功能降低，探索农业生态文明之路迫在眉睫。

3.2 耕地多功能综合强度的演化特征

根据湖南省114个县市区耕地子功能值，运用公式(1)，计算各研究单元耕地多功能强度指数，并利用ArcGIS热点分析工具对耕地多功能综合强度进行计算，根据计算结果中高值、低值局部聚类情况共划分为 5个级别：冷点区(低低)、次冷点区(低中)、无显著性、次热点区(中高)和热点区(高高)，红色区域代表高值聚集区域，蓝色区域代表低值聚集区域，如图2所示。

图2 湖南省耕地多功能综合强度的分布格局

从耕地多功能综合强度Moran’s I值来看，1996、2006、2017年耕地多功能的Moran’s I值分别为0.6487、0.6930、0.6737，表明其在空间上存在显著的集聚分布特征。其中热点区主要位于洞庭湖平原地区，呈明显的集中分布态势，且分布较稳定，该类区县地势平坦，水热条件较好，耕地资源集中分布，是中国重要的商品粮基地。次热点区部分位于热点区的周围，此外邵阳、永州、衡阳等部分区县相交的湘中南地区也有分布，分布态势由“长条形”逐渐向团状集聚。湘中南地区以低山丘陵为主，耕地主要分布在河流谷底或平原。次冷点区分布较为分散，湘北、湘中、湘南均有分布，其中湘南地区分布最为广泛。近20年湖南次冷地区分布范围呈现出不断扩展的趋势。湘南地区坐拥丰富的有色金属和非金属矿，工业基础雄厚，优质耕地资源较少，并且受地形的影响，耕地资源破碎，多山丘瘠薄旱地，农业生产条件较差。冷点区范围较小，集中分布于长株潭主要城市群，受经济发展的影响，城乡建设用地占用耕地的情况较多，抑制了该区耕地多功能的充分发挥。总体而言，湖南耕地多功能综合强度高值区主要集中于洞庭湖平原地区和湘中南传统农业区，低值区主要在长株潭主城市群和湘南地区，其分布特征与《湖南省主体功能区划》农业战略格局基本相适应。

3.3 耕地多功能均衡度的时空特征

将数据标准化后，利用指数模型计算出1996、2006、2017年湖南省耕地多功能均衡度指数值。本文将耕地多功能均衡度指数(G)设定为4种类型：高度均衡(0.9

3.3.1 耕地多功能均衡度时序特征分析 耕地多功能均衡度总体呈持续上升趋势。从全省层面看，1996、2006和2017年耕地多功能均衡度指数的全省平均值分别为0.82、0.84和0.88，处于中度均衡状态，且在不断的上升。从区县层面看(图3)，阶段性特征以上升为主，1996～2017年全省不同等级耕地多功能均衡度的数量变化情况是：高度均衡的区县数量在上升，由41个增加到62个；中度均衡、一般均衡和低度均衡的区县数量均在减少，分别从55个减到44个、从14个减到6个和从4个减到2个。总体而言，耕地多功能均衡度在持续上升，高度均衡和中度均衡的区县由96个上升到106个，占比92.9%，说明湖南省大部分区县耕地经济贡献功能、社会保障功能和生态安全维护功能发展基本协调。

图3 1996～2017年耕地多功能均衡类型分布统计

3.3.2 耕地多功能均衡度空间特征分析

3.3.2.1 耕地多功能均衡度空间分布不平衡 图4显示，从全省地理分区来看，1996年高度均衡与中度均衡区分布较为分散，两者相互交错分布，主要分布在湖南省中部往东地势较为平坦的地带；一般均衡区与低度均衡区主要分布在湖南省西部与南部地势较高地带，如武陵山脉、雪峰山脉以及南岭与罗霄山交汇地带。2006年湖南省耕地多功能均衡度的空间格局与1996年相比有较大的差异，具体表现在：高度均衡区面积扩大，且向中部与北部集聚；中度均衡区分布范围缩小，环高度均衡区分布；一般均衡区与低度均衡区分布范围向湘西地区移动。2017年耕地多功能均衡度的空间分布格局较2006年发生了显著变化，分别是：耕地多功能高度均衡区由东往西扩张，取代中度均衡区在湘西南和湘中南的部分区域，而在湘东、湘南及湘北地区分布较为零散；中度均衡区域在全省范围分布优势增强，特别是在湘西北部地区；一般均衡区和低度均衡区分布范围锐减，低度均衡区仅剩衡山县。

图4 湖南省耕地多功能均衡度的空间分布格局

3.3.2.2 耕地多功能均衡度空间演变经历由分散到“局部集中”的过程 由图4可知，1996年和2017年高度均衡区和中度均衡区占据主体。其中，1996年不同等级耕地多功能均衡度的空间分布较为分散，高度均衡区与中度均衡区相互交错，呈西南—东北分布，两种类型区的面积占据湖南省的大部分区县；而一般均衡区和低度均衡区面积较小，集聚在2～3个地级市。而在研究末期，高度均衡区与中度均衡区整体上呈“东南—西北”分布。其中，耕地多功能高度均衡区面积增多，往湖南省西部扩张，在湘中偏西地区呈团状分布，在湘东和湘北地区分布较为分散；中度均衡区面积稍有减少，除在湘西北地区小面积集聚外，大部分内嵌在高度均衡区；一般均衡区和低度均衡区面积急剧减少，分散于各个区域。对比两个时期的分布特点与方向，1996～2017年湖南省耕地多功能均衡度空间分布演变具有分散到“局部集中”的特点。

3.4 耕地多功能空间融合模式识别

本文利用ArcGIS空间叠加分析与提取功能，根据不同地区三大功能的发展水平的组合，结合耕地多功能的综合强度与均衡度并进行聚类分析，分类识别了湖南省耕地多功能空间融合发展模式，并总结其演进趋势(表2)。

表2 湖南省耕地多功能空间融合模式

不同时期湖南省各个区县的自然条件、环境特征、经济社会发展实力等因素具有显著的差异，导致不同地域在不同时间段耕地多功能结构存在明显的差异性，从而形成了多样化的耕地多功能空间融合模式，并具有明显的时间差异性和地域差异性(图5)。具体表现为:多功能强均衡模式面积不断扩大且越发紧凑，由零散分布慢慢积聚成两大组团，主要集中于环洞庭湖地区和湘中南区；多功能弱均衡模式由湘中向湘南地区转移，最后形成湘南大面积集聚，其他地区小范围集聚的格局；经济-社会均衡模式面积持续减少，逐渐向其他功能区转变，主要分布在强均衡模式周围；经济-生态均衡模式仅有1996年的隆回县和华容县，2006和2017年均无该类发展模式；社会-生态均衡模式1996～2017年间持续缩小，分布较为分散，湘东、湘南和湘西地区均有分布，但主要分布区域在湖南西部地区；经济贡献主导模式面积很小且逐渐减少；社会保障主导模式优势明显地区较少，其分布由湘南地区转向湘东的平江县、岳阳县、醴陵市等县区；生态优先发展模式的优势明显地区较多且分布集中，主要分布在湘西北部地区。总体上来看，优势功能区明显减少特别是经济贡献主导模式和社会保障主导模式，多功能均衡模式明显增多且各类均衡融合模式分布日益集中。

图5 湖南省耕地多功能空间融合模式分布图

湖南省作为长江流域粮食主产区的一部分，地处东部沿海地区和中西部地区过渡带，耕地生产有着得天独厚的条件，近年来更是充分发挥其地域优势和粮食主产区的优势，耕地多功能融合模式的分类日益鲜明，具体表现为由湘东至湘中、湘西，耕地多功能融合模式逐渐由社会保障主导模式和多功能弱均衡模式转向经济-社会均衡模式和多功能强均衡模式，最终转变成生态优先发展模式和社会-生态均衡模式。该研究结果与湖南省“一圈一区两带”为主体的农业战略格局相符合：湘东地区经济发达，特别是长株潭主城区，城市功能拓展迅速，耕地多功能综合强度较弱但单项功能间协同性较强，其周围地区由于交通便利，农业技艺先进，都市农业发展迅速，耕地经济贡献和社会保障能力略强；湘北和湘中部分区域均为湖南省主要农产品的集聚地区，现代化农业的发展使得耕地各项功能间的差距小，耕地综合强度高；湘西地区地处大湘西生态文化旅游圈，森林、旅游资源丰富，生态维护是该区域的主要功能，而其农业基础脆弱，农业综合生产能力低，各项功能间相对失衡。

4 结论与讨论

本研究通过对耕地多功能进行综合测算，并引入耕地多功能综合强度和均衡度模型，客观真实地反映了湖南省耕地多功能的演变规律和空间分异特征。研究结果显示：1996～2017年间，湖南省耕地经济贡献、社会保障和生态维护功能在时空分布上有着明显的差异，经济贡献功能持续增强，特别是洞庭湖及湘中南地区增长幅度超过0.2，但在湘东、湘西及湘南均有部分区县减弱；58%的县域单元耕地社会保障功能增加，下降区域主要分布在湘西和湘南地区；生态维护功能的演变呈现先增后减的态势，与初期相比，研究末期89%的区县耕地安全维护功能下降。耕地综合强度变化较为稳定，但地域单元间差距依旧较大，耕地多功能综合强度高值区主要集中于洞庭湖平原地区和湘中南传统农业区，低值区主要在长株潭主城市群和湘南地区；而耕地多功能均衡度则有着很大的差异性，耕地多功能均衡度总体处于较高水平，在一定范围内波动，阶段性变化以上升为主要特征，在空间变化上经历了由分散向“局部集中”的过程，空间差异变化较大，均衡度较高区域不断向湘西转移，而湘东地区均衡度日渐下降。这一结果进一步表明将综合强度与均衡度相结合才能更加全面综合地反映耕地多功能演变的时空特征。

受自然和社会经济因素的影响，湖南省各个区域的耕地单项功能、耕地多功能综合强度以及均衡度都存在显著差异，采用“均衡度+强度+单项功能”的方式可将研究区划分为8类耕地多功能融合模式。在空间格局变化上看由湘东至湘中、湘西，大部分地域单元转向多功能融合模式，除了生态优先发展模式，其它单一功能主导型的地域单元逐渐减少。该研究结果与湖南省“一圈一区两带”为主体的农业战略格局相符合，为不同区域耕地差异化管理奠定了基础。

从耕地单项功能、耕地多功能综合强度和耕地多功能均衡度3个角度分析了湖南省耕地多功能的时空演变，基于此识别了耕地多功能典型融合模式并归纳了演进趋势，其结果为促进湖南省耕地多功能全面协调发展提供了重要理论依据，为推进耕地差异化管理打下了坚实基础。然而，耕地多功能协调发展是一个长期而复杂的过程，不同融合模式的特点也各不相同，仅有耕地利用宏观上导向性的调控建议是远远不够的，未来研究将在不同模式的基础上，定量研究耕地多功能演变的影响因素，并依据影响因素的变化，针对不同模式探讨有利于实施的微观具体的耕地多功能管理措施与对策。