洞庭湖区耕地多功能时空演变及权衡与协同关系分析

摘要" 为了解洞庭湖区耕地多功能时空演变特征，及各功能之间的权衡与协同关系，促进该地区粮食增产、生态安全和社会经济保障。本研究运用了熵权法、层次分析法、综合指数法及Spearman相关系数方法对研究区2000—2020年耕地的物质生产、生态维持和社会保障功能进行综合评价。结果表明，2000—2020年研究区物质生产功能呈先下降后上升的趋势，农业基础条件相对较好的西部地区其功能等级在空间上较强；生态维持功能变化不大，功能等级较强区域集中在西部，东部相对较弱；社会保障功能总体呈先下降后上升的趋势，东部功能等级在空间上强于西部。20年间社会保障功能与生态维持功能存在权衡关系，说明社会保障的提升对生态环境有一定影响；物质生产功能与社会保障功能由权衡关系转变为协同关系，说明粮食增产在一定程度上可以促进居民生活水平的提高；物质生产功能与生态维持功能经历了协同—权衡—协同的变化过程，说明近年来研究区在稳定提高粮食增产的过程中越来越注重对生态环境的保护。对研究区耕地多功能时空演变及权衡与协同关系进行分析，为合理制定耕地保护政策，提高居民生活水平提供参考。

关键词" 耕地多功能；时空演变；土地利用；物质生产；生态维持

中图分类号" F326.11"""""" 文献标识码" A"""""" 文章编号" 1007-7731（2024）22-0078-06

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

作者简介 罗野（2000—），男，湖南娄底人，硕士研究生，从事土地资源与信息技术研究。

通信作者 周清（1968—），男，湖南永顺人，博士，教授，从事农业遥感与信息技术、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

耕地是农业基本的生产资料之一，是一个复杂的社会生态复合系统，在农业生产、景观休闲及生态维护等方面具有重要作用，为人类生存发展提供基础的物质保障[1]。在新型城镇化发展背景下，耕地的需求导向发生改变，主要表现在传统耕地单一功能已不能满足人们对耕地多样化的需求，使得耕地由单一功能向多功能协调发展转变[2]。

耕地是人类农业生产活动的重要载体之一，各项农业活动的发挥都与耕地有着密不可分的关系，耕地作为土地资源中的重要成分，对农业活动起着关键作用。农业多功能在发展过程中逐渐演变产生耕地多功能相关概念，耕地多功能的研究源于农业多功能[3]。耕地多功能的分类因需求的不同存在较大差异。Coyle等[4]将土地功能划分为生产功能、水资源净化功能、碳封存功能、保持生物多样性功能和循环养分功能，并认为土地功能的各项能力是指其提供支持农业生产和环境保护的一系列功能的能力。宋小青等[5]在经济学视角下，认为耕地具有生产商业和非商业产出的双重功能，其商业生产功能主要体现在粮食、油料和蔬菜的生产上，而非商业生产功能主要包括调节气候、水文保护和隔离城市建设空间，提供农耕景观、开敞空间景观等，同时具有传承农业文化和其他社会文化功能。从耕地评价方面来看，主要在生产、生态、社会和景观4个方面构建评价模型进行合理评价[6-7]。从耕地评价尺度来看，主要有省、县和村3种尺度[8-10]。从耕地评价方法来看，主要包括熵权法、空间自相关法和冷热点分析法等[11-12]。本文以洞庭湖区为研究区域，探索该地区耕地状况，对其耕地多功能时空演变特征及权衡与协同关系进行研究分析，具有一定的理论和现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区基本情况

洞庭湖区位于长江中游以南，湖南省北部。以洞庭湖为核心，向东、南和西方向过渡为河湖冲积平原、环湖丘陵岗地和低山，为一碟形盆地。

1.2 数据来源

本研究数据为研究区2000、2010和2020年的社会经济数据、统计数据和栅格数据。社会经济数据和统计数据包括粮食产量、油料产量和农业产值、人口数量、农药施用量、化肥施用量和农用塑料薄膜使用量等，数据来源于2001、2011和2021年《湖南省农村统计年鉴》和《湖南省统计年鉴》。栅格数据中，土地利用数据来自GlobeLand 30土地利用数据集（https：//glo-beland30.org），分辨率30 ｍ，用于提取耕地与水田面积。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地多功能评价指标体系 依据系统性、客观性、典型性和易获取性等原则[13]，从物质生产功能、生态维持功能和社会保障功能3个方面构建耕地多功能评价指标体系，共设置12个评价指标，具体指标见表１。

耕地的物质生产功能是耕地的主要核心功能，从结果来看表现在农产品生产与供应方面，对保障粮食安全具有重大意义。本研究选取单位耕地面积、复种指数、有效灌溉面积、粮食作物生产水平和油料作物生产水平4个指标进行评价。

耕地的生态维护功能指耕地资源可以为人类资源提供气候条件、水源涵养、土壤的形成与保护以及生物多样性保护等生态系统服务。该功能具有一定的自我调节和代偿作用，但不能超过其生态阈值。本研究选取景观破碎度（由Arcgis 10.2软件先对土地利用影像数据进行处理，随后将数据导入Fragstats软件进行运算得出指标结果）、农药化肥使用强度、农用塑料薄膜使用强度和耕地生态优势度4个指标进行评价。

耕地的社会保障功能主要体现在耕地与人口、经济之间关系等方面，表现为耕地对粮食安全的保障能力以及农业经济能力等方面。本研究选取粮食自给率、农民人均收入可支配、耕地地均产值和人均耕地面积4个指标来反映耕地的社会保障功能。

1.3.2 指标标准化 耕地多功能各项评价指标涉及到经济、人口和农业等不同方面，其单位性质、数量大小均存在很大差异，因此要对数据进行无量纲化处理，其计算公式如式（1）～（2）。

正向指标： ="""""" （1）

负向指标： ="""""" （2）

式（1）～（2）中，为第ｉ个评价单元指标ｊ经处理后的标准值；为原始数据；为原始列数据最大值；为原始列数据最小值。

1.3.3 权重确定 采用熵权法确定数据指标权重，熵权法计算得出的数据准确性较高且不受主观因素的影响，熵值决定权重，熵值的大小可以反映对结果的贡献，权重越大对结果的影响也越大。熵权法的计算公式如式（3）～（7）。

（3）

= -k""""" （4）

（5）

（6）

（7）

式（3）～（7）中，为第ｉ个评价单元的第ｊ项评价指标；表示第ｉ个评价单元指标ｊ经处理后的标准值；为第ｊ个指标的信息熵；为信息熵冗余度；为第ｊ个指标客观权重；为第ｊ个指标主观权重；为单因子权重；k=1/lnm，m为评价单元数，n为指标数。

1.3.4 耕地各项功能值测算 经过数据标准化和熵权法得出相应结果后，采用综合指数模型计算耕地多功能值。计算公式如式（8）。

（8）

式（8）中，D为耕地多功能指数；第i项功能第j项指标的权重。

1.3.5 权衡与协同关系 Spearman相关系数的适用范围较广，主要用于解决排名数据和顺序数据相关问题，通过两变量的秩次大小做线性相关分析。本研究采用Spearman相关系数方法分析耕地各功能权衡与协同关系，相关系数为正表示2种耕地功能之间存在协同关系，为负表示存在权衡关系。令（Ai，Bi）表示n对独立同分布的数据对，其母体为某二元连续分布，设位于序列（Ai）中第k个位置记为Qi；同理，设位于序列（Bi）中第k个位置记为Ti，则相关系数r（Ai，Bi）[14]。计算公式如式（9）。

= 1－ """ （9）

2 结果与分析

2.1 耕地综合功能时空演变

通过数据标准化及熵权法求出各功能指数值，借助ArcGIS 10.2软件，使用自然断裂法将耕地多功能划分为强、较强、一般、较弱和弱5个等级，如图1所示。2000—2020年，研究区各区域耕地综合功能值呈先下降后上升趋势，具体表现为2000—2010年功能指数较强及以上值区减少、较弱及以下值区增多；2010—2020年间功能指数较强及以上值区增多，较弱及以下值区增多。从时间变化上来看，2000—2010年间研究区耕地功能指数变化差异较大，具体表现为2000年洞庭湖区共有9个区域耕地多功能值处于较强及以上水平，分别位于研究区北部、东南和西南一带；5个区域耕地多功能值处于较弱及以下水平；到2010年，洞庭湖区有7个区域耕地多功能值处于较强及以上水平，强值区1个，位于研究区东北部；功能指数较弱及以下值区6个。到2020年，研究区6个区域耕地多功能值处于较强及以上水平，强值区增加到3个，位于研究区中部。

2.2 耕地多功能时空演变

2.2.1 物质生产功能 如图2所示，2000—2020年研究区物质生产功能呈先下降后上升的趋势。在空间分布上中部、西部生产功能指数较高，具体表现为2000—2010年研究区物质生产功能整体呈下降趋势，原因可能是这段时间内研究区耕地有效灌溉面积变少，用于粮食作物、油料作物生产的耕地面积逐渐减少，以及自然灾害，导致该时段研究区物质生产能力减弱。2010—2020年，随着农业灌溉设施不断完善，用于粮食作物、油料作物生产的耕地面积增加，研究区物质生产能力逐渐增强。

2.2.2 生态维持功能 如图3所示，2000—2020年研究区生态维持功能总体呈增强趋势，在空间上表现为“西高东低”。2000—2010年，生态维持功能较强区域主要分布在西部，主要原因可能是减少了农药、化肥和农用塑料薄膜的使用量，从而使得生态环境得到进一步改善，促使生态维持功能指数提升。2010—2020年，生态维持功能弱区域由6个减少到了4个，可能原因是研究区大力发展高标准农田建设，该农田以水田为主，不仅能提高耕地质量，而且对田块破碎度有一定修复作用。

2.2.3 社会保障功能 如图4所示，2000—2020年研究区社会保障功能整体呈先下降后上升趋势，空间格局变化较大。从区域数量来看，2000—2010年，社会保障功能较强及以上区域由8个降低到了3个，而2010—2020年间社会保障功能较强及以上区域由3个上升到了9个，产生这种变化的原因可能与粮食产量稳定提高、耕地保护政策实施以及农业支持举措等有关。

2.3 耕地多功能权衡与协同关系

在完成研究区各区域耕地多功能评价的基础上，通过SPASS软件计算2000—2020年研究区各类功能之间的相关系数，分析各类功能之间权衡与协同关系。根据Spearman相关系数，计算洞庭湖区2000、2010和2020年耕地各功能之间的相关系数如表2所示。由表2可知，2000—2010年耕地的物质生产—生态维持功能由协同转为权衡，但相关性不强，两者在这一时期暂不存在明显的权衡关系，而2010—2020年耕地的物质生产—生态维持功能由权衡转为协同。结果表明，2000—2010年研究区粮食作物、油料作物生产面积减少；而2010—2020年研究区在粮食发展的过程中注重化肥、农药和塑料薄膜等的合理使用，物质生产—生态维持功能之间存在正相关性。2000—2020年研究区的物质生产—社会保障功能由权衡转为协同，表明随着科技的进步，农业生产条件得以改善，农业产业种植结构调整，研究区粮食作物、油料作物产量大幅度上升，进而促使当地居民人均收入上涨，推动了社会保障功能的提升，存在一定的协同关系。2000—2020年社会保障—生态维持功能存在权衡关系，表明生态环境的变化对耕地的生产功能具有一定影响，进而促进社会保障功能发展，近年来越来越注重生态环境的治理，居民的生活水平得到了进一步的改善，耕地的社会保障功能得到提升。

3 结论与讨论

本文以洞庭湖区农业生产区为研究对象，采用了熵权法、综合指数法及Spearman相关系数法从物质生产、生态维持和社会保障3项指标对该区2000—2020年耕地多功能进行综合评价。结果表明，2000—2020年研究区耕地的物质生产功能呈先下降后上升的趋势，农业基础条件相对较好的西部地区其功能等级在空间上较强；生态维持功能变化不大，功能等级较强的区域集中在西部，东部相对较弱；社会保障功能总体呈先下降后上升趋势，东部功能等级在空间上强于西部。

研究结果为研究区耕地综合发展提供启示。（1）全面推动粮食稳产增产，对耕地物质生产功能较弱的区域适当增强农业科技投入，提高基础农业设施水平，鼓励当地居民发展特色农业，同时避免农田非粮化、非农化，保证基本粮食产出。（2）制定相关政策保障农民人均收入，提高居民生活幸福指数。（3）强调生态环境保护与经济发展的关系，在发展耕地生产的同时要注重生态环境的保护，对研究区中部大规模粮食生产地区，须严格控制好农药、化肥和农用塑料薄膜等农业生产资料的使用量，保证其在一定的生态阈值内。

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（责任编辑：李媛）