中国粮食主产区耕地多功能时空格局及其优化

刘宝涛，陆 鹏，刘 帅，李子奇

（吉林农业大学 经济管理学院，吉林 长春 130118）

一、引 言

耕地是人类赖以生存的基本资源和物质保障，是农耕文明的重要载体，是农村景观的主要基质［1］。耕地多功能是指耕地系统提供满足人类生存与发展所需产品与服务的各种能力，包括提供粮食、蔬菜、油料等生产功能；调节大气、保持土壤等生态功能；保障农民生活和就业、维护国家粮食安全等社会功能和提供耕作风景、开敞空间景观等文化功能［2］。2017 年中央1 号文件提出增强农业的生产环境治理和可持续发展能力，2018 年中央1 号文件提出挖掘乡村多种功能和价值，党的十九大把乡村振兴作为国家战略提上日程。在此背景下，科学构建耕地功能多元化认知、有效实现多层次利用，研究区域耕地多功能时空演进规律并促进各项功能协调发展，对深化耕地可持续利用管理与乡村振兴具有重要意义。

国外学者对于耕地多功能性的关注最初起源于农业多功能的提出，研究认为，农业多功能类型主要包括农业生产、环境保护、农业休闲娱乐及自然灾害防御［3-6］；全球土地计划将土地的多功能性作为自然生态与社会经济耦合研究的基础分析框架，土地多功能利用研究对厘清人类—环境耦合系统变化机理、互馈机制及可持续利用等意义重大［7-10］。21世纪以来，耕地多功能从农业生产逐渐扩展到乡村产业发展及土地利用变化等领域［11］。国内研究主要包括耕地多功能的含义、类型、测度方法、时空特征等。姜广辉等（2011）、宋小青和欧阳竹（2012）通过研究耕地功能层次性提出保护耕地多功能发展的具体路径［12-13］；宋小青等（2014）分析了中国耕地功能变化特征，并结合国外经验提出具体的管理建议［14］；杨雪和谈明洪（2014）研究揭示了北京市耕地功能时空演变特征［15］。但当前研究也存在如下不足：①研究区域多以某一省、市、县级单元为主，关于我国粮食主产区耕地多功能研究鲜有涉及；②当前研究缺乏对区域耕地多功能未来趋势的预测。粮食主产区是中国粮食生产的重要基地，对保障国家粮食安全具有深远意义。鉴于此，本文以中国粮食主产区13 个省份为研究区域，构建耕地多功能评价体系，测算2000—2018 年中国粮食主产区耕地多功能综合指数、分项指数，从时间和空间维度分析耕地多功能时空格局特征，预测耕地多功能未来发展趋势，并进行协调度分区，为指导粮食主产区各省份耕地多功能优化调整与协调发展提供科学依据和必要参考。

二、研究区概况与数据来源

（一）研究区概况

本文的粮食主产区范围是指2013 年财政部《关于改革和完善农业综合开发政策措施的意见》确定的13 个省级行政区，主要有黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、河南、山东、江苏、安徽、江西、湖北、湖南和四川［16］。研究区域总面积约378 万km2，占全国总面积的39.33%，耕地总面积约88.09万km2，占全国耕地面积的65.30%，该地区地貌多为平原或低丘，资源环境优越，气候湿润或半湿润，雨量充沛，光、热资源充足，土质肥沃，聚集大量优质农田。中国粮食生产区地理位置如图1所示。

图1 中国粮食主产区地理位置

（二）数据来源

研究数据主要来源于相应年份的《中国统计年鉴》《中国农村统计年鉴》、各省份统计年鉴、国民经济与社会发展统计公报，部分指标经过相应计算方法测算获得。

三、评价体系构建与研究方法

（一）指标体系构建

耕地功能即耕地系统提供满足人类生存和发展所需产出的能力，是由自然生态子系统、社会子系统和经济子系统耦合而成，包括基础商品粮生产功能、气候调节功能、农业休闲与景观生态功能、农耕文明支撑下的农户就业和社会保障功能以及区域发展的空间储备等承载性功能［17-18］。本研究参考有关学者的研究成果，结合中国粮食主产区实际情况，将耕地多功能界定为粮食安全保障、就业保障、社会安定维护、国民经济贡献、家庭经济贡献和生态维护6 类功能［19-21］，具体见表1所列。

表1 耕地多功能评价指标体系

耕地的粮食保障是其基本功能，反映耕地生产力，以粮食自给率来表示，值越大耕地粮食保障功能发挥越强；就业保障功能反映耕地足够容纳的农村劳动力数量，能为农民提供生计所需的收入，以农业从业人员对农村劳动力占比表示，值越大耕地的就业保障功能越强；社会安定维护功能表示耕地不仅为农户提供劳动收入，并且宜于协调城乡收入差距，缓和城乡居民收入矛盾，以农村与城镇人均可支配收入比值表征，值越大耕地社会安定维护功能发挥越强；国民经济贡献功能是耕地在国民经济收入中的贡献地位，以农业生产总值对地区生产总值占比表征，值越大耕地的国民经济贡献功能越强；家庭经济贡献功能是指农业生产可以为农村居民家庭创造经济来源的多少，通过农民人均第一产业产值对农民人均纯收入占比表征，值越大耕地在农民家庭经济收入中的作用越强；生态维护功能是指保障生态平衡、维持农田生态系统有效调节的能力，采用单位面积耕地化肥施用量、耕地面积占比表示［19-21］。

（二）研究方法

1.极差标准化

对耕地多功能评价指标原始数据进行无量纲化处理，消除指标间度量单位的差异。

其中:Aij为i地区j指标的标准值；Xij为i地区j指标的原始值；Xmax为i地区j指标的原始最大值；Xmin为i地区j指标的原始最小值。

2.熵值赋权法

采用熵值赋权法确定耕地多功能评价指标权重［22］。

（1）计算j指标的熵值。计算公式为:

（2）计算j指标的权重。计算公式为:

3.加权求和法

采用加权求和法计算耕地多功能综合指数和分项指数，计算公式为：

其中：Ab为耕地各功能指数；Aij为各指标标准值；wj为各指标权重；m为耕地功能个数。

其中：A为耕地多功能综合指数；Ab为耕地各功能指数；wb为各功能权重；m为耕地功能个数。

4.R/S分析法

Reseal Range Analysis 为变标度极差分析法，文中简称为R/S 分析法。1965 年，由Hurst 首次提出经Mandelbrot和Wallis等逐步研究完善的一种时间序列分析法，在国内外经济发展与环境变化研究等方面应用极为广泛［23-24］。

（1）对于时间序列｛x（t）｝，t=1，2，…，n，任何正整数m≥1定义均值序列，即

（2）计算累积离差，即

（3）测算极差序列。计算公式为：

（4）计算基准差序列。计算公式为：

（5）当该序列满足统计自相似时，则有R（n）/S（n）=ChH，对方程两边取对数得：log10［R（n）/S（n）］=log10C+Hlog10h。

Hurst即为上式中的H，根据H值判断研究现象未来变化趋势是表现为持续性（peisisttence）特征或反持续性（anti peisisttence）特征。假如H=0.5，说明研究现象未来变化是独立随机的；假如0

5.多功能协调度

借鉴张中秋等（2021）的耦合协调度，推演得到耕地多功能耦合协调度测算模型［25］。

式（11）—（13）中：T为耕地利用多功能指数；CF1、CF2、CF3、CF4、CF5、CF6为耕地多功能各分项指数；C为多功能耦合度；D为多功能协调度。

四、结果与分析

（一）粮食主产区耕地多功能时空特征

（1）基于时间维度的耕地多功能分析。总体来看，2000—2018 年我国粮食主产区耕地多功能综合指数的年均值为0.312 4，主要表现为先持续下降而后波动上升再下降的变化历程，具体如图2所示、表2所列。其中，2000年和2001年的综合指数最高，分别为 0.347 9 和 0.342 5，而 2003 年和2018 年综合指数最低，为0.276 0 和0.264 1。从粮食主产区耕地多功能综合指数的变异系数来看，研究期内的变异系数波动尤为强烈，其中2000—2007 年主要表现为波动下降态势，说明此期间粮食主产区耕地多功能综合指数年际间变动逐渐减小；2007—2014年主要变现为稳定上升态势，说明耕地多功能综合指数年际间变化差异大，发展不稳定；2014—2016年变异系数值相对稳定，表明在此期间粮食主产区耕地多功能综合指数的变化在逐渐减小；2016—2018 年变异系数呈快速上升态势，表明粮食主产区耕地多功能综合指数差异在加大，综合指数在下降，进一步说明粮食主产区耕地多功能利用和协调发展的艰巨性和长期性，未来国家需要继续加强宏观政策引导和农业科技支持。

图2 2000—2018年粮食主产区耕地多功能综合指数演变趋势

表2 2000—2018年中国粮食主产区耕地多功能综合指数演变

续表2

（2）基于空间维度的耕地多功能分析。为了考察粮食主产区13个省份的耕地多功能时空格局演变过程，本文基于ArcGIS10.2软件中的自然断裂点方法将2000—2018年粮食主产区耕地多功能综合指数的平均值分为高、较高、较低、低四个类型，如图3 所示。我国粮食主产区耕地多功能综合指数均值属于高等级的仅有黑龙江，综合指数均值属于较高等级的包括吉林、河南、江苏3个省份，综合指数均值属于较低等级的包括内蒙古、辽宁、河北等6 个省份，综合指数均值属于低等级的包括四川、湖南、江西3个省份。

图3 粮食主产区耕地多功能综合指数均值空间分异

粮食主产区各省份综合指数均值由东部地区向西部地区递减，呈现东高西低的空间特征，其中，东北地区综合指数最高，华北地区居中，西南地区、华中地区的3个省份综合指数最低。综合指数均值最高的黑龙江，2000—2018 年综合指数表现为逐年上升趋势，说明其耕地多功能复杂态势趋好。河南、江苏综合指数均值虽然较高，但其年际间的变动幅度较大，发展趋势较不稳定，其耕地多功能协调发展程度不高。四川、湖南、江西作为得分最低的3 个省份，其均值波动先上升而后下降，波动幅度较大，说明其耕地多功能综合发展程度不高。

（二）R/S分析

本文基于R/S 分析法测算Hurst 值，定量研究揭示粮食主产区耕地多功能时间序列发展演化的持续性特征或反持续性特征。基于2000—2018 年粮食主产区各省份耕地多功能综合指数，分别对各省份耕地多功能综合指数的ln（R/S）与ln（n）进行一元线性回归，测算Hurst 指数，综合绘制粮食主产区耕地多功能综合指数R/S 分析图，如图4 所示。根据R/S 分析法的基本思路，当0.5

图4 粮食主产区耕地多功能Hurst指数

总体上看，粮食主产区耕地多功能综合指数的H值均数大于0.5，呈现出较为显著的Hurst 现象，说明粮食主产区耕地多功能综合指数总体上以延续过去变化趋势为主；从空间分布特征看，黑龙江、辽宁、内蒙古、山东、安徽综合指数的时间序列值远大于0.5，表明这些省份未来的综合指数延续过去变化趋势的可能性最大，综合指数呈现出与当前发展趋势相同的态势；而湖北综合指数的时间序列值为0.54，略大于0.5，说明该序列也具有一定的持续性，但是与其他省份相比，综合指数延续过去趋势的可能性最小。

（三）协调度分区

本文选取2000年、2009年、2018年耕地多功能协调度进行图示，以便于更直观地表征粮食主产区耕地多功能协调发展的空间动态演变状况，如图5所示。

图5 2000年、2009年、2018年粮食主产区耕地多功能协调度分区

测算2000—2018年我国粮食主产区13个省份耕地多功能各子系统的协调度，见表3 所列，运用ArcGIS10.2软件对协调度进行自然断裂点分析，共分为4个级别。

表3 2000—2018年粮食主产区耕地多功能协调度

2000 年粮食主产区耕地多功能各子系统的协调度处于高等级的有吉林、河南、江苏3 个省份，处于较高等级的有黑龙江、内蒙古、河北等7 个省份，处于较低等级的有四川、江西2 个省份，处于低等级的只有辽宁；2009 年粮食主产区耕地多功能各子系统的协调度处于高等级的只有黑龙江，处于较高等级的有吉林、河南2 个省份，处于较低等级的省份居多，包括内蒙古、河北、山东等7 个省份，处于低等级的有辽宁、安徽、四川3 个省份；2018年粮食主产区耕地多功能各子系统的协调度处于高等级的只有黑龙江，处于较高等级的有内蒙古、吉林、河北等5 个省份，处于较低等级的省份有辽宁、山东、安徽等6 个省份，处于低等级仅有江苏。

总体来看，我国粮食主产区耕地多功能协调度发展形势较不理想，研究期内各省份协调度指数偏低，且年际间波动较大，这说明我国粮食主产区耕地多功能各子系统协调发展不容乐观。高协调区应充分发挥优质的耕地资源条件，加快农村一二三产业结构优化融合，推进耕地多功能利用转型升级；较高协调区省份应协调三大产业的生产关系，充分发挥耕地的多功能属性；较低协调区省份应突出区域资源优势，加大对三大产业的科技人才投入；低协调区在保证经济快速发展的同时，也要加大农业科技人才的投入，充分提升现代农业发展水平。

五、结论与启示

（一）结论

本文揭示了粮食主产区耕地利用多功能时空格局演进特征，结合R/S分析法和协调度分区研究分析耕地多功能指数的未来趋势和协调度区域差异，并提出针对性优化建议。主要结论如下：

（1）从时间维度来看，2000—2018 年我国粮食主产区耕地多功能综合指数的年均值为0.312 4，主要表现为先持续下降而后波动上升再下降的变化历程，波动幅度较大；其耕地多功能综合指数的变异系数波动较为频繁，发展形势较不稳定，进一步说明粮食主产区耕地多功能利用和协调发展的艰巨性和长期性，需要持续完善的宏观政策引导和农业科技支持。

（2）从空间维度来看，粮食主产区各省份综合指数均值呈东高西低的空间特征，其中，东北地区综合指数最高，华北地区居中，西南地区、华中地区最低。

（3）粮食主产区耕地多功能各省份综合指数的Hurst 指数均大于0.5，呈现出较为显著的Hurst 现象，说明粮食主产区耕地多功能综合指数总体上以延续历史变化趋势为主，其中，黑龙江、辽宁两省可能性最大，湖北可能性最小。

（4）粮食主产区各省份耕地多功能协调度发展形势较不理想，各省份协调度指数偏低，且年际间波动较大，这说明我国粮食主产区耕地多功能各子系统协调发展不容乐观。

（二）启示

基于以上研究，我国粮食主产区耕地多功能发展形势总体不稳定、年际变化大，各省份综合指数不高，且各子系统间协调度处于发展阶段，需要进一步提升各子系统间的协调性。

（1）提高我国粮食主产区农耕地多功能利用水平。进一步加强我国粮食主产省份的农业基础设施建设，促进基本农田设施及农村环保设施建设，特别是山、水、林、田、湖、草生命共同体统筹建设，各省份财政向农业科技研发投入倾斜；学习借鉴国外关于区域耕地多功能利用与协调发展的技术示范体系；重视现代化农业科技研发、应用的人才支撑体系，培育新型农业经营主体，实现耕地多功能利用水平有序提升。

（2）促进粮食主产区耕地多功能各子系统之间协调性。加强农业结构调整、延长农业产业链，推动粮食主产区农村三次产业调整、优化和融合发展，加强粮食主产省份省际优势资源共享和发展短板互补，注重各省区的资源环境、社会经济、人口承载等之间的协调发展，加强城乡要素互流互通、城乡全域旅游开发、农业先进科学技术推广、农村生产基础设施、公共服务设施等领域合作，促进各子系统之间协调发展，提高粮食主产区耕地多功能利用和协调发展程度。

（3）紧密结合粮食主产区各省份的省情省貌，因地制宜提高区域耕地多功能利用与协调发展水平。从我国粮食主产区耕地多功能综合指数的变异系数来看，2000—2018 年其变异系数波动较为频繁，表明粮食主产区各省区耕地多功能利用的自然环境条件、社会经济条件、农业基础设施条件等存在较大差异。因此，粮食主产区各省份在围绕提高耕地多功能发展水平目标的同时，要制定符合自身发展定位的未来计划，全方位提高耕地多功能发展水平。