湖南省耕地多功能時空分異特征及融合模式探討

侯蘭金，劉 慶，朱吉貝，李佳玲，陳伊莎

(湖南農業大學 資源環境學院，湖南 長沙 410128)

耕地是人類生存和發展的基本資源和物質保障[1]，亦是糧食生產中的重要資源。在經濟社會發展、社會群體生活方式改變和居民消費結構升級等因素驅動下，耕地功能日益豐富，耕地多功能性逐步顯現[2-3]。耕地不僅在糧食生產、社會保障和生態維護等方面發揮著重要的效用，同時娛樂休閑景觀等功能也日益受到人們重視。但由于耕地功能類型的多樣性、空間分布的不均衡性和人類利用的選擇性，不同地域耕地功能存在顯著的差異[4-5]。因此，探索不同地域耕地多功能演變規律并構建耕地多功能空間融合模式可以為新時期耕地差異化利用、耕地綜合整治及國土空間規劃制定提供科學依據與參考，也對有效實施農業空間管控、差異化推進耕地保護具有重要理論與實踐意義。

自1980年農業多功能提出以來，“多功能”概念被各個學科領域廣泛引用，而耕地多功能的研究主要涉及概念與內涵[4,6]、分類與評價[7-8]、價值核算[9-10]、權衡與協同關系[11-14]等方面，總體上呈現出由功能結構到功能強度以及由靜態的功能分異特征到動態的功能演化規律等方面的轉變。但是現有研究更多地側重于耕地多功能本身的強弱分析[15-17]，存在嚴重的同質化現象，而對于不同功能間相互補償的多功能均衡發展及空間融合模式需進一步加強研究。基于此，本文以湖南省為研究區域，以114個縣市區為研究地域單元，深入探索了湖南省20世紀90年代以來耕地多功能強度與均衡度演化特征，識別了耕地多功能強度與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間分布變化趨勢，旨在為湖南省農業空間管控和耕地保護差異化管理決策的制定提供更直觀的參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

湖南省位于中國中部，長江中游地區，是傳統的糧食大省，也是13個糧食主產區之一，素有“湖廣熟，天下足”的美譽。2017年，湖南省耕地面積415.1×104hm2，糧食產量為3073.6×104t，其以全國3.1%的耕地貢獻了4.65%的糧食，耕地作為農業土地的重要類型，已成為湖南省轉型發展的關鍵資源環境要素。另外，湖南省地貌類型復雜多樣，可劃分為湘西北山原山地區、湘西山地區、湘南丘山區、湘東山丘區、湘中丘陵區、湘北平原區六大塊，不同地貌類型區中耕地功能分異特征較為顯著，也為耕地功能多元化發揮提供了前提條件。因此，研究該區域耕地功能的時空演化特征與典型融合模式及演進趨勢，提出耕地利用的合理方向有較明顯的典型性和代表性。

1.2 數據來源

本研究數據為湖南省1996、2006和2017年的社會統計數據。年末耕地面積、農業從業人員數量、鄉村實有從業人數、各種農作物播種面積、化肥施用量、農藥施用量、農業機械總動力、糧食作物總產量、農業總產值等數據均來自1997、2007、2018年《湖南省農村統計年鑒》，地區土地面積、地區生產總值、地區總人口、農業人口等來源于1997、2007、2018年《湖南省統計年鑒》和《湖南年鑒》，其他部分數據由湖南省各縣域統計年鑒和統計公報獲得。個別區縣個別年份數據缺失，以相鄰年份數據平均或趨勢外推的方法進行數據重建；由于1996年株洲市、衡陽市、邵陽市市區分區數據難以獲取，遂將市區合并為市轄區。最終確定湖南省各區縣耕地多功能評價單元共114個。

2 研究方法

2.1 耕地多功能評價指標體系

耕地多功能評價的關鍵在于功能分類，國內外學者對此進行了大量研究，但尚未有統一的標準。本研究本著系統性、代表性、科學性和易獲取性等原則，結合研究區耕地利用特征，參考已有研究成果[18-19，3]，從耕地經濟貢獻、社會保障和生態安全維護三方面構建了耕地多功能評價指標體系(表1)。為消除量綱影響，運用極值法對評價指標原始數據進行標準化處理；同時為提高權重結果的合理性，參照杜國明土地利用多功能性評價，采用主觀與客觀結合方法確定權重[20]，目標層與因素層運用德爾菲法，指標層采用熵權法確定權重；最后采用函數模型法構建耕地多功能評價模型。

表1 耕地多功能評價指標體系

2.2 耕地多功能指數測算

以湖南省114個縣(區)作為研究單元，基于耕地經濟貢獻、社會保障和生態安全維護功能值測算耕地多功能強度指數與耕地多功能均衡度指數。

2.2.1 耕地多功能強度指數測算 基于標準化的數據，為減小統計波動，采用算術平均法和幾何平均法相結合的方式計算耕地多功能強度指數，公式如下：

(1)

公式(1)中：f(x)、g(y)、h(z)分別表示耕地經濟貢獻、社會保障、生態安全維護功能值。

2.2.2 耕地多功能均衡度指數測算 本文引入“均衡度指數”概念分析耕地多功能的協調程度。均衡度指數根源于經濟學的一般均衡理論，多用于衡量土地供給能力和土地利用開發強度的協調性，以實現土地利用效益最大化[21]。將其運用于耕地功能研究中要求耕地在利用開發中保持耕地多種功能協同發展。具體公式為：

(2)

公式(2)中，G代表耕地多功能均衡度指數，α、β、λ為權重，k為調節系數，當k=1/3時，為f(x)、g(y)和h(z)的幾何平均值相對于算術平均值的均衡度。通過權衡耕地經濟、社會與生態功能的重要性，依據專家打分確定α=0.4、β=0.3、λ=0.3。為使計算結果具有較好的層次性，采用k作為調節系數,一般取2～5，這里取k=4。在歸一化的區間，G=[0,1]。當G=0時，表示根本不均衡；G=1，表示最佳均衡狀態；G越大則越均衡。

2.3 熱點分析

Getis-Ord Gi*空間熱點分析是探索局部空間聚類分布特征的方法，通過ArcGIS軟件識別在給定的距離范圍內目標位置和周圍位置之間是否存在高值或低值的聚集。本文以此方法來探究湖南省耕地多功能強度的局部分布特征，探測其熱點和冷點區域。

2.4 耕地多功能融合模式聚類

在耕地各功能測度、強度測度和均衡度測度的基礎上，將耕地各功能值、強度指數值和均衡度指數值劃分為高中低三級并依次排列組合，應用系統聚類分析法對評價結果進行聚類，分類識別湖南省耕地多功能空間融合發展模式。

3 結果與分析

3.1 縣域耕地子功能演變的時空格局

3.1.1 縣域耕地經濟貢獻功能演變時空格局 在1996～2006年(圖1a)，耕地經濟貢獻功能增加區域主要分布于環長株潭城市群，包括長株潭、衡陽、岳陽、益陽、常德、婁底等城市；經濟貢獻功能下降區域主要分布在張家界、湘西州等湘西地區和郴州、永州等湘南地區的部分區縣。

在2006～2017年(圖1b)，65%的區縣經濟貢獻功能急劇增大且分布更為集中，增長幅度大于0.2的區縣主要在張家界、懷化、邵陽、婁底、郴州，下降的區縣多分布于長株潭城市群地區。

整體來看(圖1c)，湖南省耕地經濟貢獻功能變化呈持續增長的態勢，部分區縣增長率極高，洞庭湖平原及湘中南地區經濟貢獻功能明顯增強；長株潭城市群受工業化和城鎮化影響較大，耕地經濟貢獻功能后期下降幅度大于前期增長；而湘南地區和湘西地區受地形、海拔和水源等自然因素限制，農業現代化產業化滯后，耕地農業生產能力較差。

3.1.2 縣域耕地社會保障功能演變的時空格局 在1996～2006年(圖1d)，僅16%的區縣耕地社會功能有所增強，主要分布在洞庭湖周邊和婁底、邵陽等湘中南地區。共82個區縣耕地社會保障功能呈下降的態勢，集聚于包括懷化-張家界的以西地區以及衡陽、永州、郴州等地區的大部分區縣。

圖1 1996～2016年湖南省耕地多功能變化率的空間格局

在2006～2017年(圖1e)，耕地社會保障功能增長區域明顯增多，約占全省的77%，洞庭湖地區和湘中南依舊保持著較強的增長態勢；下降區域則分布較為分散，主要在湖南省西部和南部的邊緣地區，主要包括永定區、溆浦縣、臨武縣、宜章縣等區縣。

整體來看(圖1f)，湖南省耕地社會保障功能變化呈先減后增的態勢，洞庭湖地區和湘中南地區持續增加，部分區縣增長幅度極大，該地區為湖南省重要糧食主產區和傳統農業區，農業產值比重大，農業從業人口較多，農村人口對耕地的依賴程度依舊很高。湘西和湘南地區由于耕地較為破碎，農業生產效率低，就業結構和農民收入中農業所占的比例縮小，耕地社會保障功能持續弱化。

3.1.3 縣域耕地生態安全維護功能演變的時空格局 在1996～2006年(圖1g)，30%的區縣耕地生態安全維護功能下降，環洞庭湖地區尤為明顯；增加區域主要分布在經濟稍微欠發達的湘西州、懷化、張家界等湘西地區和永州、郴州等湘南地區。

在2006～2017年(圖1h)，耕地生態安全維護功能下降的區域大幅度增加，占全省的92%，下降幅度大于0.2的主要分布于懷化、湘西州、永州和郴州部分區縣以及洞庭湖及湘江沿岸地區；增長區縣僅有9個，零星分布于湖南中部地區。

近20年(圖1i)，湖南省耕地生態安全維護功能演變呈先增后減態勢，不同時間段差異明顯。與研究初期相比，2017年89%的區縣生態安全維護功能下降。湖南省作為糧食主產區，過度投入農藥、化肥，嚴重影響了耕地的生態環境安全，使得耕地的生態安全維護功能降低，探索農業生態文明之路迫在眉睫。

3.2 耕地多功能綜合強度的演化特征

根據湖南省114個縣市區耕地子功能值，運用公式(1)，計算各研究單元耕地多功能強度指數，并利用ArcGIS熱點分析工具對耕地多功能綜合強度進行計算，根據計算結果中高值、低值局部聚類情況共劃分為 5個級別：冷點區(低低)、次冷點區(低中)、無顯著性、次熱點區(中高)和熱點區(高高)，紅色區域代表高值聚集區域，藍色區域代表低值聚集區域，如圖2所示。

圖2 湖南省耕地多功能綜合強度的分布格局

從耕地多功能綜合強度Moran’s I值來看，1996、2006、2017年耕地多功能的Moran’s I值分別為0.6487、0.6930、0.6737，表明其在空間上存在顯著的集聚分布特征。其中熱點區主要位于洞庭湖平原地區，呈明顯的集中分布態勢，且分布較穩定，該類區縣地勢平坦，水熱條件較好，耕地資源集中分布，是中國重要的商品糧基地。次熱點區部分位于熱點區的周圍，此外邵陽、永州、衡陽等部分區縣相交的湘中南地區也有分布，分布態勢由“長條形”逐漸向團狀集聚。湘中南地區以低山丘陵為主，耕地主要分布在河流谷底或平原。次冷點區分布較為分散，湘北、湘中、湘南均有分布，其中湘南地區分布最為廣泛。近20年湖南次冷地區分布范圍呈現出不斷擴展的趨勢。湘南地區坐擁豐富的有色金屬和非金屬礦，工業基礎雄厚，優質耕地資源較少，并且受地形的影響，耕地資源破碎，多山丘瘠薄旱地，農業生產條件較差。冷點區范圍較小，集中分布于長株潭主要城市群，受經濟發展的影響，城鄉建設用地占用耕地的情況較多，抑制了該區耕地多功能的充分發揮。總體而言，湖南耕地多功能綜合強度高值區主要集中于洞庭湖平原地區和湘中南傳統農業區，低值區主要在長株潭主城市群和湘南地區，其分布特征與《湖南省主體功能區劃》農業戰略格局基本相適應。

3.3 耕地多功能均衡度的時空特征

將數據標準化后，利用指數模型計算出1996、2006、2017年湖南省耕地多功能均衡度指數值。本文將耕地多功能均衡度指數(G)設定為4種類型：高度均衡(0.9

3.3.1 耕地多功能均衡度時序特征分析 耕地多功能均衡度總體呈持續上升趨勢。從全省層面看，1996、2006和2017年耕地多功能均衡度指數的全省平均值分別為0.82、0.84和0.88，處于中度均衡狀態，且在不斷的上升。從區縣層面看(圖3)，階段性特征以上升為主，1996～2017年全省不同等級耕地多功能均衡度的數量變化情況是：高度均衡的區縣數量在上升，由41個增加到62個；中度均衡、一般均衡和低度均衡的區縣數量均在減少，分別從55個減到44個、從14個減到6個和從4個減到2個。總體而言，耕地多功能均衡度在持續上升，高度均衡和中度均衡的區縣由96個上升到106個，占比92.9%，說明湖南省大部分區縣耕地經濟貢獻功能、社會保障功能和生態安全維護功能發展基本協調。

圖3 1996～2017年耕地多功能均衡類型分布統計

3.3.2 耕地多功能均衡度空間特征分析

3.3.2.1 耕地多功能均衡度空間分布不平衡 圖4顯示，從全省地理分區來看，1996年高度均衡與中度均衡區分布較為分散，兩者相互交錯分布，主要分布在湖南省中部往東地勢較為平坦的地帶；一般均衡區與低度均衡區主要分布在湖南省西部與南部地勢較高地帶，如武陵山脈、雪峰山脈以及南嶺與羅霄山交匯地帶。2006年湖南省耕地多功能均衡度的空間格局與1996年相比有較大的差異，具體表現在：高度均衡區面積擴大，且向中部與北部集聚；中度均衡區分布范圍縮小，環高度均衡區分布；一般均衡區與低度均衡區分布范圍向湘西地區移動。2017年耕地多功能均衡度的空間分布格局較2006年發生了顯著變化，分別是：耕地多功能高度均衡區由東往西擴張，取代中度均衡區在湘西南和湘中南的部分區域，而在湘東、湘南及湘北地區分布較為零散；中度均衡區域在全省范圍分布優勢增強，特別是在湘西北部地區；一般均衡區和低度均衡區分布范圍銳減，低度均衡區僅剩衡山縣。

圖4 湖南省耕地多功能均衡度的空間分布格局

3.3.2.2 耕地多功能均衡度空間演變經歷由分散到“局部集中”的過程 由圖4可知，1996年和2017年高度均衡區和中度均衡區占據主體。其中，1996年不同等級耕地多功能均衡度的空間分布較為分散，高度均衡區與中度均衡區相互交錯，呈西南—東北分布，兩種類型區的面積占據湖南省的大部分區縣；而一般均衡區和低度均衡區面積較小，集聚在2～3個地級市。而在研究末期，高度均衡區與中度均衡區整體上呈“東南—西北”分布。其中，耕地多功能高度均衡區面積增多，往湖南省西部擴張，在湘中偏西地區呈團狀分布，在湘東和湘北地區分布較為分散；中度均衡區面積稍有減少，除在湘西北地區小面積集聚外，大部分內嵌在高度均衡區；一般均衡區和低度均衡區面積急劇減少，分散于各個區域。對比兩個時期的分布特點與方向，1996～2017年湖南省耕地多功能均衡度空間分布演變具有分散到“局部集中”的特點。

3.4 耕地多功能空間融合模式識別

本文利用ArcGIS空間疊加分析與提取功能，根據不同地區三大功能的發展水平的組合，結合耕地多功能的綜合強度與均衡度并進行聚類分析，分類識別了湖南省耕地多功能空間融合發展模式，并總結其演進趨勢(表2)。

表2 湖南省耕地多功能空間融合模式

不同時期湖南省各個區縣的自然條件、環境特征、經濟社會發展實力等因素具有顯著的差異，導致不同地域在不同時間段耕地多功能結構存在明顯的差異性，從而形成了多樣化的耕地多功能空間融合模式，并具有明顯的時間差異性和地域差異性(圖5)。具體表現為:多功能強均衡模式面積不斷擴大且越發緊湊，由零散分布慢慢積聚成兩大組團，主要集中于環洞庭湖地區和湘中南區；多功能弱均衡模式由湘中向湘南地區轉移，最后形成湘南大面積集聚，其他地區小范圍集聚的格局；經濟-社會均衡模式面積持續減少，逐漸向其他功能區轉變，主要分布在強均衡模式周圍；經濟-生態均衡模式僅有1996年的隆回縣和華容縣，2006和2017年均無該類發展模式；社會-生態均衡模式1996～2017年間持續縮小，分布較為分散，湘東、湘南和湘西地區均有分布，但主要分布區域在湖南西部地區；經濟貢獻主導模式面積很小且逐漸減少；社會保障主導模式優勢明顯地區較少，其分布由湘南地區轉向湘東的平江縣、岳陽縣、醴陵市等縣區；生態優先發展模式的優勢明顯地區較多且分布集中，主要分布在湘西北部地區。總體上來看，優勢功能區明顯減少特別是經濟貢獻主導模式和社會保障主導模式，多功能均衡模式明顯增多且各類均衡融合模式分布日益集中。

圖5 湖南省耕地多功能空間融合模式分布圖

湖南省作為長江流域糧食主產區的一部分，地處東部沿海地區和中西部地區過渡帶，耕地生產有著得天獨厚的條件，近年來更是充分發揮其地域優勢和糧食主產區的優勢，耕地多功能融合模式的分類日益鮮明，具體表現為由湘東至湘中、湘西，耕地多功能融合模式逐漸由社會保障主導模式和多功能弱均衡模式轉向經濟-社會均衡模式和多功能強均衡模式，最終轉變成生態優先發展模式和社會-生態均衡模式。該研究結果與湖南省“一圈一區兩帶”為主體的農業戰略格局相符合：湘東地區經濟發達，特別是長株潭主城區，城市功能拓展迅速，耕地多功能綜合強度較弱但單項功能間協同性較強，其周圍地區由于交通便利，農業技藝先進，都市農業發展迅速，耕地經濟貢獻和社會保障能力略強；湘北和湘中部分區域均為湖南省主要農產品的集聚地區，現代化農業的發展使得耕地各項功能間的差距小，耕地綜合強度高；湘西地區地處大湘西生態文化旅游圈，森林、旅游資源豐富，生態維護是該區域的主要功能，而其農業基礎脆弱，農業綜合生產能力低，各項功能間相對失衡。

4 結論與討論

本研究通過對耕地多功能進行綜合測算，并引入耕地多功能綜合強度和均衡度模型，客觀真實地反映了湖南省耕地多功能的演變規律和空間分異特征。研究結果顯示：1996～2017年間，湖南省耕地經濟貢獻、社會保障和生態維護功能在時空分布上有著明顯的差異，經濟貢獻功能持續增強，特別是洞庭湖及湘中南地區增長幅度超過0.2，但在湘東、湘西及湘南均有部分區縣減弱；58%的縣域單元耕地社會保障功能增加，下降區域主要分布在湘西和湘南地區；生態維護功能的演變呈現先增后減的態勢，與初期相比，研究末期89%的區縣耕地安全維護功能下降。耕地綜合強度變化較為穩定，但地域單元間差距依舊較大，耕地多功能綜合強度高值區主要集中于洞庭湖平原地區和湘中南傳統農業區，低值區主要在長株潭主城市群和湘南地區；而耕地多功能均衡度則有著很大的差異性，耕地多功能均衡度總體處于較高水平，在一定范圍內波動，階段性變化以上升為主要特征，在空間變化上經歷了由分散向“局部集中”的過程，空間差異變化較大，均衡度較高區域不斷向湘西轉移，而湘東地區均衡度日漸下降。這一結果進一步表明將綜合強度與均衡度相結合才能更加全面綜合地反映耕地多功能演變的時空特征。

受自然和社會經濟因素的影響，湖南省各個區域的耕地單項功能、耕地多功能綜合強度以及均衡度都存在顯著差異，采用“均衡度+強度+單項功能”的方式可將研究區劃分為8類耕地多功能融合模式。在空間格局變化上看由湘東至湘中、湘西，大部分地域單元轉向多功能融合模式，除了生態優先發展模式，其它單一功能主導型的地域單元逐漸減少。該研究結果與湖南省“一圈一區兩帶”為主體的農業戰略格局相符合，為不同區域耕地差異化管理奠定了基礎。

從耕地單項功能、耕地多功能綜合強度和耕地多功能均衡度3個角度分析了湖南省耕地多功能的時空演變，基于此識別了耕地多功能典型融合模式并歸納了演進趨勢，其結果為促進湖南省耕地多功能全面協調發展提供了重要理論依據，為推進耕地差異化管理打下了堅實基礎。然而，耕地多功能協調發展是一個長期而復雜的過程，不同融合模式的特點也各不相同，僅有耕地利用宏觀上導向性的調控建議是遠遠不夠的，未來研究將在不同模式的基礎上，定量研究耕地多功能演變的影響因素，并依據影響因素的變化，針對不同模式探討有利于實施的微觀具體的耕地多功能管理措施與對策。