阜平县北流河流域耕地多功能评价及分区研究

韦世岩，孙茂凯，刘琳洁，赵东阳，陈亚恒

(1河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000；2河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000)

在人类生存与社会发展过程中，耕地一直扮演着举足轻重的角色。然而由于对耕地功能认识的不全面，导致在耕地资源利用时不能充分发挥其潜力价值，造成资源的严重浪费。同时由于过度强调耕地的经济产出功能，使耕地资源利用时功能过于单一，造成耕地地力下降、理化性质恶化，因此若要充分利用耕地，就要科学全面的认识耕地具有多功能性，转变单一功能利用模式，发挥耕地多功能利用潜力，维持耕地可持续发展。

自20世纪70年代以来，耕地主要发挥单一的生产功能，我国仅用全球7%的耕地养活了全球22%的人口，长期单一生产功能的持续利用，对耕地土壤质量、生态环境和农村发展造成一定的影响和限制[1]。另外一方面，随着城镇化、工业化的发展，城镇空间快速扩建和工业占地的粗放发展模式导致农村耕地面临数量逐渐减少、质量不断下降、后备资源严重不足等问题[2-3]。这一系列的现实问题表明，开展耕地多功能利用模式刻不容缓。

耕地作为复杂的自然经济综合体，其本身的属性决定其具有多功能性，在人类的利用过程中，耕地各种功能得以显现[4-5]。因此耕地的多功能性逐渐受到各国的重视，尤其是在农业农村发展中更多注重耕地多功能的开发利用，成为耕地未来发展的主要方向[6-7]。

耕地多功能起源于农业多功能，自此有关多功能在各个领域不断探究，其中研究最多的领域为生态、农业、景观、耕地等[4]。土地多功能和生态系统服务领域的研究方向、理论体系的构建和关注的焦点促进了耕地多功能的发展[8]。基于不同的研究目的，学者们对耕地多功能的内涵与类型划分各不相同，Fleskens L 等人将耕地功能分为经济、社会、生产、生态和文化功能5大功能[9]。Groot 等人将耕地划分为人类提供的物质和服务两大类，又具体指气体调节功能、为生物提供栖息功能、粮食生产功能和信息传递功能4大类[10-11]。Rudol 等人认为耕地具有调节、生产、生态和信息传递功能，并提出了二级分类[12]。赵华甫等人认为耕地具有生产、生态和社会等功能[13]；宋小青等人认为耕地具有生产、生态、社会文化等功能[14]；杨雪等人认为耕地具有生产、生态服务、社会服务等功能[15]。虽然不同学者对耕地分类体系不同，但大多数将耕地功能划分为生产、生态和社会功能3大类，强调的是耕地在利用后的结果，是耕地利用多功能的综合表现。然而正如前文所说，耕地作为客观存在的，其自身功能与人类活动无关，其所具有的功能也是耕地系统本身所固有的，是取决于内在属性，土壤、水文、植被、气候、地质等要素共同构成耕地系统，耕地的多功能性则是各要素之间不同组合相互作用的结果，侧重于耕地自身功能的描述，由此影响着人类对耕地的不同利用方式。

为进一步审视和利用耕地，本研究将对耕地功能进行评价，耕地的多功能评价也是耕地利用优化的前提，将全方位、多角度的展示耕地的多重效用[16-17]。同时耕地功能作为抽象概念，难以测定，因此通过其外在表现进行耕地功能评价，耕地所具有的基本功能为生产功能，也是作为耕地多功能评价的主要方面之一，主要表现为粮食、蔬菜、油料等生产能力；生态功能主要体现在具有保持生态平衡和维持生命系统的能力，主要表现为气体调节功能、水源涵养功能和水土保持功能的评价；景观功能是一种人为感受的景象，通过农作物与地形地貌、水文、土壤等因素组合而带来的视觉享受，主要通过距河流距离、地形起伏度和集中连片度对耕地功能进行评价；文化功能是耕地通过自然景观及人类活动而创造出来的人文景观，使人们在享受自然风光的同时开展农事体验，感受传统农耕文明，通过对当地文化资源的收集，从农耕遗迹、传统农具和民事风俗活动对耕地文化功能进行评价。

本研究以阜平县北流河流域耕地为研究对象，从耕地自身属性出发，结合耕地的组成要素气候、水文、土壤、地质等方面，选取合适指标构建耕地多功能评价体系，对耕地4种主要功能进行评价，探索山区耕地功能空间分布差异规律，找出各功能主导区，充分发挥耕地主导功能，使耕地资源创造最大效益，同时实现耕地资源的可持续发展，也为后续耕地多功能利用规划提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阜平县位于河北省保定市最西部，两省四市九县交汇处，处于太行山东麓，全境山峰叠峦，沟谷纵横，为典型的山区县。研究区位于阜平县西部北流河流域，北流河发源于河北与山西两省的长城岭东侧，由西流入阜平县横贯龙泉关镇，进入天生桥镇不老树村由南向北流去，由砂窝乡百亩台村汇入大沙河，全长45.6 km，研究区内耕地1 372.23 hm2。整体为温暖带大陆性季风气候，年均气温5.6～13.1 ℃，年均降水量510～710 mm，年累计日照时数2 800 h，无霜期191 d。最低海拔为364 m，最高海拔2 286.2 m，岩石以片麻岩为主，少量石灰岩。耕地土壤类型以褐土为主，主要分布在中、低丘陵区和河谷两岸。

1.2 数据来源

本研究部分数据来源于阜平县自然资源局、农业局等政府部门，气象数据来自于自建的10个不同海拔梯度的气象监测站；地形数据来源于阜平县DEM，下载于地理空间数据云；土地利用数据、NPP等相关数据来自于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)。土壤数据来自野外实地取样，室内进行化验。其他数据参考阜平县县志和采用问卷调查的方法，对研究区乡村旅游和文化产业发展状况进行调查，获取了一些定性资料。

1.3 研究方法

1.3.1 生产功能等级测定 生产功能作为耕地基本功能，主要为人类提供粮食生产及其他农产品，考虑到自然条件是耕地资源的背景条件，是主要影响耕地功能的因素，将从农作物生长适宜性角度出发，根据研究区主要农作物生长环境，从气候条件、立地条件、土壤条件3个方面，选取≥10℃积温、降雨量、海拔、坡度、坡向、土层厚度、有机质含量、土壤质地8个指标评价耕地生产功能[18]。

根据阜平县农用地分等规程，对评价指标进行等级划分，采用“等级叠加法”确定耕地生产功能等级。将气候条件下影响因子进行等级划分，之后再叠加立地条件影响因子等级和土壤条件影响因子等级，采用限制因子法对等级划分结果进行调整，最终将耕地生产功能划分4个等级。

1.3.2 生态功能等级测定 水源涵养是土地生态系统服务中主要功能之一，因为水体作为重要的地貌类型之一，不仅可以为动植物提供水源，还能净化生态环境质量。本研究考虑降雨量、蒸散发量及土壤质地等因子进行水源涵养量的等级划分[19]。

水源涵养量(TQ)=(P-R-ET)·A

(1)

地表径流量(R)=P·α

(2)

式中：P为年降雨量(mm)；R为年地表径流量(mm)；ET为年蒸散发量(mm)；A为耕地面积(km2)；α为平均地表径流系数。

土壤保持功能是指森林、农田等通过地表植被和农作物对降雨造成的土壤侵蚀具有防护作用，具有防治土壤流失和对泥沙的拦截作用，对土壤保护起到重要的作用[20-21]。本研究中采用国际通用的土壤流失方程(RUSLE)进行计算土壤保持量，其基本原理是基于土地利用类型计算潜在土壤侵蚀量(RKLS)和实际土壤侵蚀量(USLE)，二者的差值为土壤保持量[22]。

RKLSx=Rx·Kx·LSx

(3)

USLEx=Rx·Kx·LSx·Cx·Px

(4)

Ax=RKLSx-USLEx

(5)

式中：RKLS、USLE和A分别为栅格x的潜在土壤侵蚀量、实际土壤侵蚀量和土壤保护；Rx为栅格x的降雨侵蚀力因子；Kx为栅格x的土壤可蚀性因子；LSx为栅格x的坡度坡长因子；Cx为栅格x的植被管理因子；Px为栅格x的水土壤保持措施因子。

调节气体功能主要选择的是氧气的释放量，作物在生长发育过程中会吸收CO2释放O2，对调节大气组分，缓解温室效应有一定的作用。本研究中将基于植被净初级生产力(NPP)测算释氧量，进而评估研究区内耕地调节气体能力。通过植物光合作用可以知道，植物每生产1 kg干物质，会吸收1.63 kg的CO2和释放1.2 kg的O2[23]。其模型如下[24]：

V_O2=NPP×1.2

(6)

式中：其中V_O2为释氧量；NPP为净初级生产力。

同理，对评价指标进行等级划分，采用“等级叠加法”确定耕地生态功能等级，耕地生态功能划分4个等级。

1.3.3 景观功能等级测定 耕地农作物种植与地形起伏度相结合对提高耕地景观效果有一定的效果，本研究参考封志明等人提出的关于地形起伏度的定义，基于研究区DEM数据进行计算[25-26]：

RDLS={[Max(H)-Min(H)]×[1-P(A)/A]}/500

(7)

式中：RDLS为地形起伏度；Max(H)和Min(H)分别代表区域内最高海拔和最低海拔(m)；P(A)表示区域内平地的面积；A表示区域总面积。

水资源作为地貌类型之一，在农作物种植时可充分利用水资源打造景观类型。本研究采用欧式距离法划分距河流距离。耕地连片度有利于农作物集中种植，进行规模化景观打造，本研究采用构建缓冲区划分连片度。同理对评价指标进行叠加分析，划分景观功能等级。

1.3.4 文化功能等级测定 文化功能的测定主要从人文角度，通过以村为单位收集研究区内相关文化资源，包括村中农耕遗迹、传统农具和农事风俗活动等方面，以文化资源数量、是否具有文化教育传承和科学价值等角度对耕地文化功能进行等级划分。

2 结果与分析

2.1 耕地多功能结果分析

2.1.1 耕地生产功能结果分析 通过以上不同指标的叠加计算分析，对研究区内耕地生产功能进行合理划分，得到耕地生产功能空间分布图及评价结果表，如图1、表1所示。

图1 耕地生产功能等级空间分布

表1 耕地生产功能评价结果

根据评价结果可知，耕地生产功能一级所在区耕地生产功能较高，面积大约404.92 hm2，占研究区耕地总面积的29.51%，主要分布在研究区中部及东部地区，该区域温度较高适宜农作物生长，降雨量适中，土层较厚，土壤中有机质含量丰富，所处位置整体海拔较低，坡度较缓，不易发生泥石流或山体滑坡等地质灾害，有利于农作物充分生长。二级区所在耕地生产功能一般，面积大约有591.93 hm2，占研究区耕地总面积的43.14%，主要分布在研究区中西部地区，该区域温度适宜，降水较多，但海拔有所上升，坡度>5°的耕地较多，易发生土壤侵蚀与流失，需加强水土保持措施。三级区所在耕地生产功能较低，面积约为375.38 hm2，约占研究区耕地总面积的27.35%，该区域≥10 ℃积温较低，降雨量较多，海拔较高，土层厚度大部分<30 cm，且耕地所处坡度较大，极易发生水土流失或土壤侵蚀，需加强水土保持措施，不宜发展生产功能，可适当提高耕地的其他功能。

2.1.2 耕地生态功能结果分析 通过以上不同指标的叠加计算分析，对研究区内耕地生态功能进行合理划分，得到耕地生态功能空间分布图及评价结果表，如图2、表2所示。

图2 耕地生态功能等级空间分布

表2 耕地生态功能评价结果

根据评价结果可知，一级区内耕地生态功能较高，面积约有294.90 hm2，约占研究区耕地总面积的21.49%，具有良好的水源涵养能力，土壤保持量较好，植被覆盖率较高，具有较强的气体调节能力；二级区内耕地生态功能有所降低，面积约有459.44 hm2，约占研究区内耕地总面积的33.48%，该区域内水源涵养功能较高，但土壤保持与气体调节功能较差，可加强工程措施，或种植适合农作物以加强土壤保持能力；三级区内耕地生态功能相对较低，面积约有617.89 hm2，约占研究区耕地总面积的45.03%，该区域植被覆盖率相对降低，气体调节功能有所下降，海拔下降，温度相对升高，地表蒸散量上升，水源涵养功能下降，因此该区域整体生态功能较低。

2.1.3 耕地景观功能结果分析 通过以上不同指标的叠加计算分析，对研究区内耕地景观功能进行合理划分，得到耕地景观功能空间分布图及评价结果表，如图3、表3所示。

图3 耕地景观功能等级空间分布

表3 耕地景观功能评价结果

根据评价结果可知，一级区内耕地景观功能较高，面积约为417.48 hm2，约占研究区耕地总面积的30.42%，该区域内耕地连片度较高，主要为大片面积耕地，距河流距离较近，且地形起伏度变化较小，可充分结合水资源进行景观打造，大片耕地可进行大面积农作物景观打造；二级区内耕地景观功能一般，面积约为572.57 hm2，约占研究区耕地总面积的41.73%，该区域内耕地连片度有所下降，多为零碎地块；三级区内耕地景观功能较低，面积约为382.18 hm2，约占研究区耕地总面积的27.85%，该区域内耕地距离河流较远，多为偏远山间，耕地多为零碎地块，连片度低，可打造景观度低。

2.1.4 耕地文化功能结果分析 通过以上不同指标的叠加计算分析，对研究区内耕地文化功能进行合理划分，得到耕地文化功能空间分布图及评价结果表，如图4、表4所示。

图4 耕地文化功能等级空间分布

表4 耕地文化功能评价结果

根据评价结果可知，一级区内文化功能较高，主要分布在黑崖沟村、西刘庄村、西下关村、南栗园铺村等，面积约有251.55 hm2，占研究区耕地总面积的18.33%，该区域内文化资源较为丰富，农耕遗迹较多，并且村中保留了大量的传统农具，如犁、箩、石磨、石碾、水车等，可进行农事体验活动。具有丰富的农事风俗活动，在各大重要节日都会有传统节目表演。二级区内文化功能一般，主要分布在北刘庄村、八里庄村、龙泉关村、不老树村等，面积约有805.41 hm2，约占研究区耕地总面积的58.69%，该区域内有较少的文化资源，农耕遗迹分布较少，现存少量传统耕作工具，可进行展示，以进行农事的知识教育宣传。三级区内文化功能较低，文化资源分布极少，主要分布在大教厂、塔沟村、大车沟村等，面积约为315.27 hm2，约占研究区耕地总面积的22.98%，该区域内现存文化资源极少，主要是因为该区域内大部分人易地搬迁进入新民居或旧村改造，大部分农耕遗迹被破坏而传统农具也没有保存，使得部分区域耕地的文化功能较低。

2.2 耕地多功能分区

通过上述研究，将研究区内耕地进行了单项功能评价，遵守可持续发展原则、主导功能优先原则、区域性原则，进一步采用空间聚类分组分析方法，对比区域内耕地功能水平高低，划分不同功能主导区，分别为农业生产主导区、生态农业主导区、文化教育主导区和景观农业主导区。如图5所示。

图5 主导功能空间分布

2.2.1 耕地农业生产功能主导区 农业生产主导区主要分布在研究区东部及中部地区，面积约有536.61 hm2，约占研究区耕地总面积的39.10%，涉及村庄有全庄村、南栗元铺村、红草河村、天生桥村、平石头村等，在农业生产主导区内，温度适宜大部分农作物生长，土层深厚且有机质含量丰富，耕地连片度高，地势相对平坦，适合开展农业种植。

2.2.2 耕地生态农业功能主导区 生态农业主导区主要分布在研究区西部，面积约有223.24 hm2，约占研究区耕地总面积的16.27%，涉及主要村庄有黑崖沟村、西刘庄村等，此区域内海拔相对较高，温度有所下降，适宜农作物种类有所减少，且耕地地形起伏变化较大，分布较为零散，不适合农业的规模化生产，部分耕地远离村镇，受人为干扰较小，耕地的生态系统逐渐趋于稳定，生态供应能力较强，可开展生态农业种植，提供高质量生态农产品。

2.2.3 耕地景观农业功能主导区 景观农业主导区主要分布在研究区中东部地区，面积约有331.51 hm2，约占研究区耕地总面积的24.16%，涉及主要村庄有龙王庙村、北栗元铺村、大教厂村、朱家营村等，该区域内耕地距离水源较近，紧挨河流，水资源丰富，可结合水环境进行景观打造，耕地连片度较好，在部分地区可进行农作物的景观打造，该区域紧邻天生桥景区，在通往景区主要道路经过朱家营村，因此在道路两旁进行耕地农作物景观打造具有很好的现实意义，提升特色旅游产业。

2.2.4 耕地文化教育功能主导区 文化教育主导区主要分布在研究区中西部地区，面积约有280.87 hm2，约占研究区耕地总面积的20.47%，涉及主要村庄有龙泉关村，顾家台村、罗家庄村等，该部分地区村庄大多保存完整，村内大多保留先辈耕作遗迹，以及传统的农业工具，有助于游客学习农作知识，亲身体验农事耕作，讲授农业知识，进行传承教育。文化主导区紧邻红色教育基地顾家台村和骆驼湾村，从这里习近平总书记提出了脱贫攻坚的动员令，是优秀的红色文化教育宣传基地。

3 讨论与结论

3.1 讨论

耕地的多功能性促使人们更加合理利用耕地资源，通过对耕地的多功能性进行科学而有效的划分，使人们能更加针对性的利用耕地，发挥耕地多功能性特点推动农业发展。同时通过对阜平县北流河流域耕地多功能性进行综合评价，确定耕地功能主导区，可以为后续耕地多功能利用、针对主要功能优先规划种植相应农作物提供理论依据，并兼顾其他功能共同发挥作用具有深远意义。另外对耕地多功能性的研究有利于实现耕地保护，从单纯的数量保护转变为数量、质量、生态、文化等“多位一体”的功能保护。

因此，基于耕地多功能利用的产业布局可以在既不破坏土地自身的情况下，还能提高耕地综合效益。可为乡村振兴大背景下政府部门制定耕地利用对策和耕地保护政策、为实现耕地可持续发展提供理论参考，创新阜平耕地多功能利用模式，真正使耕地产出农产品、生态产品、人文产品、旅游产品等，实现乡村振兴。

3.2 结论

分析研究区耕地情况及自然状况下，从耕地自身属性出发，对研究区内耕地从生产功能、生态功能、景观功能和文化功能进行综合评价，利用ArcGIS软件对确定各功能空间分布情况，通过空间聚类分组分析进一步找出各功能主导区。主要结论有：

(1)针对研究区内耕地，本研究从气候、水文、土壤、立地条件、文化资源等方面构建耕地多功能评价体系。结果表明，研究区内整体生产功能中等水平，面积最大的二级区占耕地总面积的43.14%；整体上耕地生态功能偏低，面积最大的二级区占耕地总面积的45.03%；整体上耕地景观功能和文化功能为中等水平，面积最大的二级区分别占耕地总面积的41.73%和58.69%。

(2)从空间分布上来看，生产功能较高区域分布以低海拔为主，分布范围较广；生态功能较高区域分布以较高海拔为主，因此在利用时要预防地质灾害的发生；景观功能和文化功能分布主要在研究区中部及部分西部地区，整体水平偏低，需进一步开发与挖掘自然和文化资源。

(3)根据单一功能评价结果，划分主导功能区，在主导区内以一种功能为主，其他功能为辅综合利用耕地资源。其中生产主导区内耕地面积较多，气候条件适宜农作物生长，应继续加强耕地基础设施建设，扩大农业生产优势；生态农业主导区内环境质量较好，生态供应能力较强；景观农业主导区具有独特的自然景观，要合理开发和利用自然景观资源；文化教育主导区具有丰富的文化资源，要注重开发与保护。