基于多功能评价与权衡-协同关系的福建省耕地区划管控

罗莎莎，赖庆标，王旭东，王永萍，赵一夫

（1.福建省农业科学院农业经济与科技信息研究所，福州 350003；2.福建省地质测绘院，福州 350005；3.中国农业科学院农业经济与发展研究所，北京 100081）

0 引言

耕地的多功能性是耕地多功能的客观、内在属性[1]。中国耕地功能从2006 年开始转型发展，表现为从食物生产功能转向生态服务、景观文化和社会保障功能[2]。作为人类依存度最高的复合生态系统，耕地已成为保障粮食安全、解决“三农”问题、保障区域生态安全和改善人居环境的重要基础资源[2-3]。科学评价耕地多功能的时空变化，探讨耕地生态系统中因自然供给与人类社会需求间的相互作用而导致各项功能出现此消彼长或相互增益关系的变化，对于协调耕地各功能以达到最佳利用效益具有重要意义。

国外学者对农用地多功能的研究包括内涵、评价和转型等方面[4-6]，对中国耕地多功能的研究提供了思路和方向。国内目前关于耕地多功能评价的研究，评价指标体系多围绕“生产-生活-生态”[7-8]“生产-生态-社会”[9-11]和“生产-生态-社会-景观”[12-14]这3 种耕地功能分类方式选取，但部分研究存在指标考虑不全的现象，例如仅用1 个指标表征耕地单项功能[12,15-17]；多数研究内容止步于时空演变特征[9,11,14,18-19]和驱动机制[11,13,18-19]，仅少数研究将耕地多功能评价结果应用到指导耕地功能差异化管理层面[9,16,20]，缺乏实践指导意义。

耕地多功能在空间上存在异质性，从而造成权衡-协同关系也存在一定差异[16]。耕地多功能权衡-协同关系的研究引自于生态系统服务之间相互作用的研究，将权衡-协同关系引入耕地多功能评价，有利于识别耕地各维度功能间此消彼长和相互增益的作用模式，便于提出针对性的协调管理策略，提升耕地资源的综合竞争力[15]。已有关于耕地多功能权衡-协同关系研究仅分析不同功能间相关性系数[16,21]，多数研究结果缺乏空间性的表达，不利于识别区域内各分区的空间关联。

结合耕地多功能评价和权衡-协同关系进行耕地的功能优化分区，可实现对耕地资源的科学保护与合理利用[14]。综合来看，现有涉及耕地多功能评价和权衡-协同关系的耕地空间管控研究，一方面更多强调主导功能对分区的决定性影响[7,12,20]，忽视了耕地各维度功能之间相互关系，未将各功能的纵向组合和横向的权衡-协同关系有效结合；另一方面，虽根据权衡-协同关系进行分区，但未提出针对性协调发展建议[13-14,18]，对于协调耕地功能以实现最佳的资源利用效率和经济效益考虑较少。

当前，农业面源污染、土壤退化以及耕地“非农化”和“非粮化”等用地矛盾问题突出，对耕地保护造成严重威胁，从耕地多功能的角度开展耕地管理已成为保障区域可持续发展的重要手段[3]。分析耕地各功能权衡-协同关系，提出针对性建议，以达到降低权衡增加协同的目的，是实现耕地多功能利用效益最大化的有效途径[22]。福建省位于中国东南沿海，经济较为发达，耕地资源稀缺。工业化发展和城镇开发边界扩张对耕地的挤占和生态环境的破坏，导致耕地数量和质量不断下降。充分发挥耕地多功能，实现耕地多功能协同发展，对于保障粮食安全和区域生态安全，具有重要的现实意义。但目前福建省耕地保护和利用的研究主要集中在耕地质量评价[23-24]、耕地生态安全评价[25]和耕地承压评价及分区[26]等，关于福建省的耕地功能研究仅涉及生产功能方面[27]，未见有耕地多功能评价及权衡-协同关系的耕地差异化管理有关研究。此外，地理区位和经济发展阶段相似地区的研究[12-13,21]未针对性提出耕地区划管控和差异化管理等方面内容，缺乏对东南沿海省份耕地功能协调发展的实践指导意义。

鉴于此，本文以经济较为发达的福建省为例，从生产功能、生态功能、社会功能和景观功能4 个维度构建耕地多功能评价体系，以各县域为评价单元，运用综合分析法和Pearson 积矩相关系数法对福建省2005—2020年耕地多功能进行评价，揭示其时空分异特征，分析各维度功能权衡-协同关系并进行空间性表达，从各功能的纵向组合和横向的权衡-协同关系两个角度入手，探讨耕地功能区划方案，提出相应的差异化管控建议，以期为制订耕地保护政策和国土空间规划提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况与数据来源

1.1.1 研究区概况

福建省位于中国东南沿海，辖福州、厦门、漳州、泉州、三明、莆田、南平、龙岩、宁德9 个设区市和平潭综合试验区，下设12 个县级市、29 个市辖区和44 个县（含金门县），陆域总面积12.4 万km2，地势总体上西北高东南低（图1）。目前福建省全省土地呈现“三多、三少”的特点：一是山地多、平地少。全省山地丘陵约占土地总面积的80%以上，素有“八山一水一分田”之称。二是林地多、耕地少。2021 年，全省林地面积约880 万hm2，森林覆盖率66.8%；耕地面积约93.20 万hm2，较1999 年下降了35%，人均耕地约226.67 m2，远低于全国人均水平。三是中低产田多、高产田少，2021 年福建省自然资源省情资料显示，全省耕地质量等别主要为6～10 等，占85.3%，而1～5 等耕地仅占5%，且无1～2 等耕地。2021 年，福建省生产总值4.88 万亿元，居全国第7 位，人均GDP 居全国第4 位，综合实力不断提级进位。经济的不断发展，引致城镇建设用地不断扩张，稀缺的耕地资源面临着被侵占的风险，补划的耕地也存在质量低下的现象，耕地的保护和合理利用面临严峻的挑战。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

1.1.2 数据来源及处理

数据来源：1）行政区划数据来源于国家级土地变更调查数据库；2）各年份耕地数据从中国科学院资源环境数据云平台获取的福建省土地利用遥感监测30 m×30 m栅格数据中提取；3）DEM 数字高程数据来源于地理空间数据云，DEM 选择ASTER GDEM 30 m 分辨率数字高程数据；4）各区县经济社会统计数据和农业有关统计数据来源于《福建省统计年鉴》和《福建省农村统计年鉴》；5）各区（县）公路矢量数据来源于地理国情普查数据。

数据处理：生产功能、生态功能、社会功能和景观功能各指标数据利用Arcmap10.2 连接并创建数据库，通过栅格叠加分析，落到各县域30 m×30 m 耕地图斑上，县级行政区划以2020 年为准，并将各市的市辖区合并；耕地集中连片程度根据《农用地质量分等规程》（GBT28407-2012）中划分标准进行划分。

1.2 研究方法

1.2.1 耕地多功能评价

1）指标体系及权重

根据前人研究[10,17,19]，结合福建省自然地理条件和经济社会发展实际情况，福建省耕地具有粮食生产、生态调节、社会保障和景观文化功能[25-28]。耕地的生产功能反映耕地资源的农作物产出能力，为保障粮食稳定供给做出重大贡献，是最基本和最核心的功能。据此生产功能选取单位耕地面积粮食产量、单位耕地面积农业总产值和复种指数3 项指标，以反映耕地的相应的要素投入下的产出水平。生态功能反映耕地生态系统维持或改变环境的能力，合理利用耕地生态功能，可使其生态系统承载能力保持在合理范围，发挥调节气候、水源涵养和水土保持等作用，保障区域生态安全。据此生态功能选取农田生态系统多样性指数、耕地类型生态优势度、耕地化学品负荷和净固碳功能4 项指标。其中，多样性指数和水田面积比例均反映了耕地的本底生态优势度，指标值越高，耕地生态功能维持能力越高；耕地化学品负荷表示耕地受到人类增产行为对其造成的生态破坏程度；净固碳功能表示耕地在自然和人为调控因素下的固碳能力。社会功能以提高生活保障能力为目标。对国家和各级政府来说，耕地具有保障粮食安全、维持社会持续稳定的重要作用，人类和社会的可持续发展需要加强对耕地的保护和利用；对农民来说，耕地作为其赖以生存的生产要素，能够为农民生活和就业提供支撑保障作用。据此社会功能选取农业机械化水平、收入公平指数、人均耕地资源和农村劳动力承载量4 项指标。其中，农业机械化水平越高则耕作效率越高，有利于提高农作物产出；城乡居民收入比可反映出农业对农民的经济收益保障程度；人均耕地面积和农业从业人数分别从耕地资源和劳动力两个方面反映出农业对农民的生活就业保障程度。景观功能体现在耕地作为乡村自然景观的重要组成部分供城乡居民欣赏，除此之外，将其作为体验农事和学习传统农耕文化的载体，以满足人们休闲娱乐的需求，成为耕地功能的转型发展方向。据此景观功能选取斑块集聚度、交通可达性和城镇化水平3 项指标。其中，斑块的集聚度代表斑块的观赏性；耕地的交通可达性体现耕地景观获取的便捷性。而福建省随着经济社会发展，城乡居民对休闲农业与乡村旅游的需求不断增强。

综上，本研究综合文献分析和耕地多功能内涵，从生产功能、生态功能、社会功能和景观功能4 个方面构建耕地多功能评价指标体系，用熵值法确定各指标权重，综合分析法度量耕地多功能综合水平（表1）。

表1 福建省耕地多功能评价指标体系及2005—2020 年指标权重Table 1 Cropland multi-functional evaluation indexes and weight (2005-2020) in Fujian Provinces

2）部分指标计算说明

耕地的固碳功能是其生态功能的重要组成部分，应从自然和人为调控因素驱动下的净固碳功能来认识，主要取决于生长周期内农作物的碳吸收量与碳排放量[30]。净固碳功能Fc计算式如下：

式中A为自然固碳能力，即碳固定量（t）；E为农业生产碳排放总量（t）。S为耕地面积（hm2）。

其中A计算式如下：

式中Ai为农作物i的碳吸收量（t）；Cpi为i的含碳率Yi为i的产量（t）；Wi为i的水分系数；Hi为i的经济系数；Ri为i的根冠比；m为研究单元主要农作物类型数量，m=4。碳固量各计算参数参考文献[30-32]。

碳排放量包括3 个方面：1）农用物资投入造成的碳排放；2）农作物根系生长过程中对土壤表层破坏导致的N2O 释放；3）水稻生长过程中在浸泡环境下CH4排放[17]。由于农资投入产生的碳排放中化肥的比例最大[33-34]，因此本文选取氮肥、磷肥和钾肥代替化肥计算其投入产生的碳排放量，参考田云等[32]的碳排放量E计算式：

式中Ei为各类碳源的碳排放量，Ti为各碳源量，δi为各碳源碳排放系数。

在农作物种植过程中，对土壤表层的破坏易导致大量温室气体流失到大气中，其中又以N2O 最为突出[32]。根据王智平等[35-37]提出的不同农作物土壤N2O 排放系数（kg/hm2），结合农作物播种面积进行计算。由于中国不同地区水热条件存在较大差异，导致水稻在同一地区的不同生长时期和不同地区的同一生长时期排放的CH4不尽相同，因此参考王明星等[38]提出的福建省早、中、晚季稻生长周期内CH4排放系数（g/m2）进行计算。

因时间跨度大，数据获取困难，故农田生态系统多样性指数中涉及的主要种植品种作物播种面积选择稻谷、薯类、豆类、油料、蔬菜5 种；净固碳功能中涉及到的主要农作物产量选择稻谷、薯类、油料、蔬菜4 种。

3）耕地多功能评价模型

本文采用极值法对指标数据进行标准化处理，并运用综合分析法开展耕地多功能评价。耕地功能值F计算式如下：

式中Fn为单功能n评价值，n=1,2,3,4；k为样本个数；wp为第p个指标的权重；xpq为第q个样本第p个指标值。

1.2.2 耕地多功能权衡/协同分析

本文以福建省2005—2020 年耕地生态、生产、景观和社会功能评价结果作为数据基础，运用Pearson 积矩相关系数法[39]，分别计算两个不同维度功能之间相关系数，根据相关系数的正负和绝对值大小衡量耕地多功能系统中不同维度功能的权衡和协同关系。

2 结果与分析

2.1 耕地多功能水平时空分异特征

基于不同维度指标评价耕地多功能水平，用自然断点法将多功能和各维度功能评价结果分为5 级，耕地功能各等级栅格占比见表2。耕地多功能方面，2005—2020 年福建省大部分地区耕地多功能水平呈微幅下降趋势。其中，高值区（较高及以上）栅格数量变化呈波动下降，降幅8.0%，集中分布于闽东中部和闽西；中等区栅格数量下降态势明显，降幅29.7%，集中分布于闽东和闽南；低值区（较低及以下）栅格数量变化呈倒“U”型，增幅63.6%，集中分布于闽东北部和闽南（图2、表2）。

表2 福建省耕地功能各等级栅格占比Table 2 Proportion of grid quantity of each grade of cropland function in Fujian Province %

图2 2005—2020 年福建省耕地多功能水平时空分异Fig.2 Spatio-temporal variation of multi-functional level of cropland in Fujian Province during 2005-2020

研究期内，各维度功能集聚在较高、中等和较低等级的栅格数量占比在75～95%之间，仅有少数区域耕地功能处在极端好坏的水平（表2）。生产功能水平变化整体呈倒“U”型，微幅上升。高值区栅格数量涨幅为33.2%，主要分布于闽西南和闽东中部；生态功能水平波动下降。高值区栅格数量降幅25.4%，但其仍以41.3%的占比略优于其他功能。中等区栅格数量变化呈波动上升趋势，涨幅39.1%。空间分布上除东西两端外均处于较低水平；社会功能水平总体为波动上升趋势，闽西优于闽东，由西向东逐渐减弱，高值区栅格数量涨幅44.4%；景观功能水平变化较为稳定，闽东优于闽西，由东往西呈阶梯式下降变化，高值区栅格数量涨幅44.6%（图3、表2）。

图3 2005—2020 年福建省耕地各功能水平时空分异Fig.3 Spatio-temporal variation of functions level of cropland in Fujian Province during 2005-2020

整体来看，耕地生产条件和生态条件优越，且对农民生活和就业保障能力较高的地区，更加凸显耕地多功能作用，符合常规认知。尽管闽东、闽南地区的宁德、漳州和泉州市耕地面积占比达30.5%，但受限于耕地产出能力和社会保障能力的约束，导致耕地多功能水平较低。

2.2 耕地多功能权衡与协同

将2005、2010、2015 和2020 年各单项功能值两两计算相关系数，空间分布如图4 所示。生产-生态功能绝大多数区域呈现协同关系。表现协同关系的栅格数量占比88.9%，仅闽东和闽南部分地区呈现出权衡关系。这与福建省作为中国南方地区重要的生态屏障，生态基础良好的现实符合。福建大部分地区耕地生态系统服务功能的良好维持与耕地生产能力和产品质量有相互增益的影响，耕地产出能力的提高也保证了耕地生态功能的发挥。生产-社会功能绝大多数区域呈现权衡关系，表现权衡关系的栅格数量占比92.2%。从不同地域来看，沿海地区经济发展水平较高，产业以非农为主，耕地可利用资源较少，农民生存与发展对耕地的依赖性不强，因此生产功能对社会功能表现为负面影响；内陆山区造成生产功能与社会功能相互制约的原因可能是农业机械化程度不高和城乡居民收入差异大。生产-景观功能半数以上区域呈现协同关系，表现协同关系的栅格数量占比53.9%，主要分布在闽西和闽东北的低海拔地区。这些地区耕地生产功能和景观功能是相互增益关系，合理的农业生产结构与较高产出能力，增强了耕地的景观性，反之耕地景观的集中连片程度较高、交通可达性强也有效提高了耕地生产效率。生态-社会功能绝大多数区域呈现权衡关系，表现权衡关系的栅格数量占比95.7%。丘陵山区小型耕作机械普及率不高、水田面积优势不足，从而影响耕作效率和生产结构，很大程度上造成城乡居民收入比失衡，降低了耕地社会保障功能。生态-景观功能半数以上区域呈现权衡关系，表现权衡关系的区县数量占比54.8%，主要分布在内陆高海拔地区以及东部沿海地区。从不同地域来看，沿海地区城镇化水平相对较高，但部分区域耕地污染造成生态功能下降；内陆山区部分区域耕地生态系统服务功能优势明显，但受限于交通可达性弱、耕地集聚度不高，发挥不出景观功能。社会-景观功能半数以上区域呈现权衡关系，表现权衡关系的区县数量占比64.6%，主要分布在内陆地区，特别是高海拔地区。相较于沿海经济较发达的地市，内陆山区城镇化水平较低，居民对于休闲农业需求不够旺盛，耕地景观功能不突出。高海拔地区耕地破碎化不利于规模化机械化种植，影响耕地经济效益，制约着耕地发挥保障农民生活与社会稳定作用。

图4 2005—2020 年福建省耕地多功能权衡与协同关系Fig.4 Synergistic and trade-off relationship of multi-functional cropland in Fujian Province during 2005-2020

2.3 耕地功能区划与差异化管控建议

耕地功能区划依据《福建省耕地质量保护与提升实施方案》和《福建省国土空间规划（2021—2035）》，主要通过叠加2020 年耕地各维度功能水平和权衡-协同关系实现，同时根据福建省主要土壤类型、耕地质量现状和农业生产适宜性评价结果，结合各地区农业生产特点进行调整，包括4 类区域（图5）。

图5 福建省耕地功能区划Fig.5 Functional zoning of cropland in Fujian Province

优势保护区（38.52%）的主要特征为各维度功能均高于平均值，或呈现协同关系的功能组合不少于1/2，符合条件的区域为闽东的宁德和福州，闽西的三明和龙岩大部分地区。管控建议：要重点关注耕地“非粮化”和“非农化”的情况，严格耕地用途管制，确保耕地数量和质量，集约化利用耕地，提高耕地利用效率。做到保障粮食供给，保护生态环境，增加农民收入，强化耕地多功能协同作用。

严格管控区（36.71%）的主要特征为生产功能处于劣势，并与其余维度功能出现2 对以上权衡关系，涵盖闽北的南平大部分区域，以及闽东和闽南个别市辖区区域。管控建议：要坚持最严格的耕地保护制度和节约用地制度，提高耕作技术和耕作机械化水平，推进蔬菜大棚轮作水稻、果茶园间作套种马铃薯等作物、低效茶果园退茶退果还粮。健全种粮农民收益保障机制，将耕地经济效益与农民利益挂钩，实现较高耕地经济效益和种粮农民收益；非农产业为主导的经济较发达地区要协调土地开发与耕地保护的关系，确保耕地“进出平衡”。地形较为复杂的闽北山区要采取因地制宜的耕地利用方式，明确耕地利用优先顺序；降低耕地污染的同时，为耕作提供生态优良的环境。

整治修复区（6.98%）的主要特征为生态功能与景观功能劣势，且与其余维度功能出现2 对以上权衡关系，涵盖闽南的漳州区域。管控建议：要加强土壤污染防治，完善耕地质量监测网络，提高受污染耕地安全利用水平，充分发挥耕地水土保持和水源涵养等生态系统功能；挖掘农田景观资源，加强农田景观的改造，进行耕地集中连片整治，提升耕地观赏价值并改善耕作条件，开发农田生态休闲旅游，传播农耕文化。经济发达地区在以农田景观旅游为导向的农业发展战略基础上，要兼顾耕地生产功能和社会功能的提高。

转型退出区（17.79%）的主要特征为有3 项单功能处于中等以下水平，且各功能间权衡关系不少于4 对，零散分布于各地市。管控建议：制定适宜性耕作方案，采取更换种植农作物品种、休养生息和轮作休耕等土地利用方式对耕地施以保护；确实不具备改善耕作条件的地块，无法保证耕地质量的应划定生态退耕范围，实行退耕还林等方式，恢复生态。

3 讨论与结论

3.1 讨论

通过耕地多功能评价及权衡-协同关系两个维度，探讨耕地功能区划及管控建议，进一步完善了耕地多功能研究体系，有助于提高耕地保护和管理策略制订的科学性和有效性，为自然资源部门和地方政府提供决策参考依据。本研究耕地多功能评价结果显示，耕地生产功能高值区主要分布在闽西和闽东南地区，社会功能高值区主要分布在东西两侧。这与熊昌盛等[8]对于中国耕地生产功能和生活功能评价的结果基本一致，但生态功能评价结果有所不同，主要原因是相较于中国农业规模耕种的主要区域黑龙江省、内蒙古自治区东北部和人口密度较低的四川省西北部、青海省、西藏自治区而言，福建省经济发展水平较高、耕地破碎化严重，因此在全国范围内福建省耕地的生态功能不明显。本研究将耕地功能区划分为4 类区域，包括优势保护区、严格管控区、整治修复区和转型退出区。这与熊昌盛等[8]研究结果有异，一方面是由于该研究基于全国范围市域研究尺度较大，无法识别区域内的差异性；另一方面是由于区划的方案仅基于单一功能的空间集聚性或同一地区不同功能之间协调度，无法兼顾空间视角和结构视角。本研究在一定程度上，考虑了纵向的单项功能组合和横向的不同功能之间相互作用，为耕地功能区划方案的制订提供了新的思路。

本研究也存在几点不足，在耕地多功能评价指标体系方面，一是未能获取更多耕地本底自然条件有关数据，如：耕地质量等别和土壤有机物含量等。二是未能获取环境污染和耕地景观有关数据。后续研究将反映耕地基础、污染程度和景观条件相关指标纳入耕地多功能评价中，以提高研究成果的现实意义。另外，研究尺度可随着实际需要缩小范围，在县域尺度内，针对不同乡镇或村庄，开展耕地多功能评价，制定更加具有实操性的管理措施，满足保障粮食安全和实现农业现代化的要求。

3.2 结论

1）耕地功能水平时空分异明显。2005—2020 年福建省耕地多功能水平表现出微幅下降的变化趋势，呈现“沿海和内陆山区高、中端低”的空间分布特征。具体看，生产功能高值区的栅格数量比例有所提高，分布涉及布于闽西南和闽东中部；生态功能虽有所下降，但仍略优于其余维度功能，空间分布与多功能水平相似；景观功能空间分布上呈现“东高西低”的空间分布特征；社会功能呈现“西高东低”的空间分布特征。

2）耕地各维度功能间呈现权衡关系的栅格数量超过2/3。权衡关系比例由高到低分别为生态-社会功能、生产-社会功能、社会-景观功能与生态-景观功能。生态-社会功能和生产-社会功能权衡关系大部分集中在福建东部沿海地区；社会-景观功能权衡关系集中于高海拔地区；生态-景观功能权衡关系集中于高海拔地区及沿海地区。

3）耕地功能区划分为4 类区域，包括优势保护区（38.52%）、严格管控区（36.71%）、整治修复区（6.98%）和转型退出区（17.79%）。其中，优势保护区主要分布在闽东和闽西地区；严格管控区主要分布在闽北和闽南沿海地区；整治修复区主要分布在闽南的漳州；转型退出区零散分布在各地市。