耕地多功能权衡与协同关系的尺度效应——以武汉城市圈为例

杨凤妍子，胡伟艳，刘 恬，张丝雨

(华中农业大学公 共管理学院，湖北 武汉 430070)

自20世纪70年代以来，单一功能的生产性农业已对全球的土壤质量、粮食安全、生态环境和农村活力造成巨大影响。作为农业经营的最主要元素，耕地多功能现已被视为维持世界各国农业与农村可持续发展的策略。我国用占全球7%的耕地养活了全球22%的人口，但是随着工业化、城镇化、信息化和农业现代化的快速发展，耕地资源大量流失，一些地区污染严重，耕地质量退化。2013年以来，我国政府明确实施生态文明建设、乡村振兴战略和国土空间规划，提出挖掘乡村的多种功能价值，发挥有限耕地资源的多种功能，实现可持续利用。由于耕地功能类型的多样性、空间分布的不均衡性和人类利用的选择性，耕地各功能之间存在着此消彼长的权衡与相互促进或抑制的协同关系。如何用较小的成本权衡与协同耕地多功能，寻求可持续的农业和农村发展，已成为破解我国“三农”问题，让“农业更强、农民更富、农村更美”的策略问题。

权衡与协同不仅包含主体和可逆的权衡与协同，也包含时间和空间的权衡与协同，现有文献主要从空间尺度上围绕行政尺度或栅格尺度开展耕地多功能研究，或从时间尺度上探究权衡与协同关系的时空演变特征。例如，董鹏宇等从栅格尺度分析了上海市青浦区耕地多功能的权衡与协同关系；朱庆莹等利用2000—2013年的数据从县(市、区)尺度分析揭示了湖北省耕地多功能权衡与协同的时空格局与变化规律；Raudsepp-Hearne等以加拿大魁北克为例，研究生态系统服务功能间的关系在3种栅格尺度上的变化规律；Stürck等检验了不同的栅格尺度设计如何影响欧盟景观多功能评估的结果，发现景观多功能性取决于分析的空间尺度。总的来看，当前关于耕地多功能权衡与协同的研究尺度比较单一，且较少涉及多功能权衡与协同关系的尺度效应，尤其是行政管理的尺度效应。

开展行政管理的多尺度研究，可为不同层级政府的协同合作提出差异化政策建议，在一定程度上，有利于具体政策的实施。在我国，中央政府通过建立委托代理机制实现对耕地的管理，省级以下政府通过层层委托、分级代理的半垂直管理体系将权限逐级下放。由于委托代理链较长，不同行为主体保护耕地的意愿、行为、目标存在显著差异，耕地多功能的权衡与协同关系亦可能存在显著的尺度效应。武汉城市圈作为国内许多发展迅速的城市圈的典型代表，选其作为研究对象，既有利于对典型城市圈耕地多功能的解读，也能为引导长江中下游和我国中部典型区域的耕地多功能有序可持续发展提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

武汉城市圈位于我国中部，湖北省东部，以武汉市为核心，覆盖黄石、黄冈、鄂州、孝感、咸宁、潜江、仙桃、天门9个城市，总面积5.78万km。据统计，武汉城市圈2019年常住人口3 192.5万，地区生产总值27 681.5亿元，分别占全省的53.96%和60.40%，是湖北经济发展的核心区域。2007年，武汉城市圈经国务院批准为全国资源节约型和环境友好型社会建设综合配套改革试验区，2016年底，武汉市正式获批国家中心城市建设。随着社会经济的高速发展和新型城镇化的快速推进，武汉城市圈建设用地需求增加，耕地面积自1990年的302.9万hm下降至2015年的277.3万hm。根据《中国耕地质量等级调查与评定(全国卷)》，武汉城市圈耕地质量优良，是我国重要的商品粮棉油生产基地。2017年国务院印发的《全国国土规划纲要(2016—2030年)》将武汉城市圈划分为人居生态与优质耕地维护区。这意味着武汉城市圈在经济发展的过程中，面临耕地保护的巨大压力。耕地具有多功能特性，如何寻求武汉城市圈耕地多功能的协同发展，积极引导国土空间规划，优化城镇空间、农业空间和生态空间，加强耕地数量、质量和生态“三位一体”保护，已成为武汉城市圈发展中面临的重要课题。

1.2 数据来源

各级行政区划数据来源于2015年度国家级土地变更调查数据库。人口和GDP空间分布千米格网数据由中国科学院资源环境数据云平台获取，并通过ArcGIS 10.4软件的空间连接工具和汇总统计数据工具汇总至各级行政单元。社会经济数据来源于2018年湖北省农村统计年鉴，气象数据来源于国家气象科学数据共享服务平台。百度地图POI(兴趣点)数据是利用Python 3.6软件在百度地图开放平台中采用“农业园、休闲农庄、农家乐、采摘”等关键词爬取的武汉城市圈内农家乐的名称、地点和地理坐标(经纬度)，并通过ArcGIS 10.4软件进行空间化。

土地利用数据的处理流程如下：(1)结合野外实测资料和相关地理图件对遥感影像数据进行图像处理，通过人机交互解译获取土地利用数据，并检验数据精度(耕地数据精度不低于85%，非耕地数据精度不低于80%)；(2)结合行政区划矢量数据，利用ArcGIS 10.4软件进行栅格裁剪处理，获得各级行政单元的土地利用数据，对耕地和非耕地进行栅格重分类，将耕地赋值为1，非耕地赋值为0；(3)运用ArcGIS 10.4软件3D分析工具中的栅格计算器获取各级行政单元耕地的基础数据。

1.3 耕地多功能多尺度评价

本文从市(含副省级城市、地级市、省直管市)、县(市、区)、乡(镇、街道)、耕地管理场地4级尺度，以下分别称为市级尺度(=9)、区县尺度(=39)、乡镇尺度(=474)和场地尺度(=52 833)，探讨武汉城市圈耕地多功能权衡与协同的关系。其中，最小尺度对应于正在对耕地进行单独管理的场地或场地尺度，在空间上用1 km×1 km的耕地格网表示。

充分考虑武汉城市圈耕地的特殊性，并结合已有研究成果，本文将耕地功能划分为生产功能、生态功能、社会功能和景观功能4类，分别从4级尺度构建耕地多功能评价指标体系开展研究。将具体的指标释义整理于表1，并将技术路线总结于图1。

1.3.1 生产功能

生产功能是耕地最基本和最核心的功能，主要指人类通过劳动控制耕地上农作物生长发育并取得粮食作物和经济作物的能力。武汉城市圈内经济作物的播种面积占比较大，若仅考虑各类作物的产量数据，可能会造成评价结果失真。为此，分别从作物产量和产值2方面综合选取地均粮食作物产量、地均经济作物产量和地均农业增加值表征耕地的生产功能。在市级尺度、区县尺度和乡镇尺度上，地均粮食作物产量、地均经济作物产量和地均农业增加值分别通过粮食作物总产量、经济作物总产量、农业增加值比土地总面积进行量化。

图1 武汉城市圈耕地多功能权衡与协同研究的技术路线Fig.1 Technical roadmap of trade-offs and synergies of multifunction of cultivated land

表1 耕地多功能评价指标体系

在1 km×1 km的场地尺度上，粮食作物产量、经济作物产量、农业增加值的计算过程如下：

(1)

式(1)中：表示第个县(市、区)内第个耕地管理场地的粮食作物产量、经济作物产量或农业增加值，表示第个县(市、区)相应的粮食作物产量、经济作物产量或农业增加值，表示第个县(市、区)内第个耕地管理场地的耕地总面积，表示第个县(市、区)的耕地总面积。

1.3.2 生态功能

生态功能是指耕地生态系统与林地、草地、水域等共同维持生态系统平衡的能力。在耕地生态系统中，各类作物在生长期间通过呼吸作用与光合作用维持碳氧平衡，并发挥着涵养水源的功能。同时，耕地生态系统中农作物种类的多样性也对生态系统的稳定具有重要作用。然而，农作物生产过程中化肥、农药的不合理使用则会对农业生态环境造成直接破坏。基于此，综合选取地均化肥使用强度、地均固碳释氧量、农耕多样性和水源涵养能力表征耕地的生态功能。其中，固碳释氧量借鉴刘利花等的方法，采用造林成本法和瑞典碳税法估算耕地生态系统固定CO的价值，采用造林成本法和制氧工业法估算耕地生态系统释放O的价值；水源涵养能力的计算过程参考秦嘉励等的研究，采用综合蓄水能力法分别从土壤层蓄水量和农作物冠层降水截留率测算。

1.3.3 社会功能

社会功能是指耕地保障粮食安全和承载农民就业、养老等服务的能力。由于武汉城市圈内农民生计仍大量依附自产食物，因此耕地还具有社会保障的功能。基于此，综合选取人均耕地面积、粮食自给率、农业产值比重共同表征武汉城市圈耕地的社会功能。

1.3.4 景观功能

景观功能是指以景观为基础，耕地为人类提供的美学享受、休闲游憩、文化教育等服务，主要表现为耕地景观自然资源本底质量与获取便捷性2方面。从耕地景观的自身条件出发，综合考虑耕地田块规整程度、集中连片特征，以及研究区域内农业观光园的分布特征，综合选取景观集聚度指数(CONTAG)、耕地田块规整度(PAFRAC)和地均农业观光园个数3项指标共同量化市、区县、乡镇尺度上武汉城市圈耕地的景观功能。在场地尺度上，采用耕地格网到最近农业观光园的距离和到最近县乡级以上道路的距离2项指标来量化耕地的景观功能。

1.4 耕地多功能测度

本研究拟在4个尺度下分别进行耕地的多功能测度。虽然不同尺度下的样本数量不同，但测算思路与计算过程相同。为使行文更加简明，以下以任一尺度为例，对耕地多功能测度的过程进行介绍，各项指标的计算均对应于同一尺度。

1.4.1 指标数据标准化与熵权法确定权重

为克服各评价指标的量纲差异，采用极差标准化法对各评价指标进行无量纲化处理，对于正向指标和负向指标分别按式(1)、(2)进行处理。

=[-min()][max()-min()]；

(1)

=[min()-][max()-min()]。

(2)

式(1)、(2)中：表示第个样本第项评价指标的评价值，max()、min()分别表示第个样本第项评价指标的最大值和最小值，为第个样本第项评价指标标准化后的值。

采用熵权法计算各评价指标的权重，具体计算公式为

(3)

(4)

(5)

1.4.2 耕地单项功能测度方法

采用线性加权模型分别测算耕地生产功能、生态功能、社会功能和景观功能指数，具体公式为

(6)

式(6)中：表示第个样本耕地单项功能分值，取值1～4分别表示耕地的生产功能、生态功能、社会功能、景观功能，为用于耕地单项功能评价的指标数量。

1.4.3 耕地多功能测度方法

耕地多功能的测度方法主要有加权综合指数法、香农多样性指数法和辛普森倒数指数法。其中，综合指数法是将耕地多功能作为整体，考虑各个指标在整体中的相对重要性，主要测度总量上的耕地多功能程度；香农多样性指数法能够较好地衡量类型的多样性，但在反映数量均匀度等结构特征方面存在较大缺陷；辛普森倒数指数法能够较好地刻画耕地多功能数量的均匀度特征。在单项功能评价的基础上，采用加权综合指数法[式(7)]和辛普森倒数指数法[式(8)]分别从总量和结构上测度耕地多功能。

(7)

式(7)中：为第个样本的耕地多功能总分值。

(8)

式(8)中：为第个样本的辛普森倒数指数，反映耕地功能类型的多样性与数量的均匀度，值越大，说明耕地功能类型越多样，数量越均匀。

1.5 耕地多功能权衡与协同分析

相关分析法能让权衡与协同的结果得到更加直观的表达。皮尔逊(Pearson)积差相关系数和斯皮尔曼(Spearman)秩次相关系数已被广泛用于生态系统服务权衡与协同研究。其中，Spearman秩次相关系数是利用两变量的秩次大小做线性相关分析，对原始变量的分布不做要求，属于非参数统计方法，适用范围更广。基于此，采用Spearman相关系数()分析耕地多功能的权衡与协同关系，详细计算过程参考朱庆莹等的研究。若相关关系为正且显著，表明两种耕地功能间存在协同关系；若相关关系为负且显著，表明两种耕地功能间存在权衡关系；若相关性不显著，表明两种耕地功能间存在独立关系。此外，相关系数的绝对值越大，表示两种耕地功能之间的关系越强；相关系数的绝对值越小，表示两种耕地功能之间的关系越弱。

2 结果与分析

2.1 耕地多功能的多尺度空间分布格局

从市、区县、乡镇和场地4个尺度，利用ArcGIS 10.4平台，对武汉城市圈耕地的单项功能和多功能进行综合评价，其空间表达结果如图2所示。总体而言，武汉城市圈耕地多功能在不同尺度上空间差异较大，具有较明显的空间分异特征。对于生产功能、社会功能而言，其空间分布格局在各个尺度上平均变化，而对于生态功能、景观功能而言，在最小尺度(场地尺度)上观察到的空间分布格局在最大尺度(市级尺度)上被部分隐藏。随着研究尺度的缩小，耕地多功能在空间上得以更精准地表达，但在较大尺度上可以更明显地展示功能分布趋势。

生产功能的高值区主要集中在武汉城市圈中西部沿江平原地区，而东北部和南部地区生产功能总体偏低。这主要是因为，西部平原地区地势平坦，土壤质量优良，水资源丰富，是武汉城市圈的粮食主产区；中部武汉市下辖的蔡甸区、汉南区、东西湖区、黄陂区和江夏区均设有重要的蔬菜生产基地，经济作物产量高；而北部的黄冈市、孝感市普遍为山地丘陵地貌，地形和土壤条件都不利于其耕地生产功能的发挥。

生态功能呈现出东西高、中部低的分布规律。其可能的原因是，中部的武汉和南部的咸宁等地耕地资源禀赋有限，耕地图斑破碎，而西部江汉平原地区耕地大量集聚且质量优良。

社会功能的高值区主要集中在武汉城市圈外围，呈现较明显的“外围高、中心低”的空间格局。这可能是因为，武汉城市圈的中心城市武汉市的社会经济发展水平更高，对耕地社会功能的依赖程度相对较低，而外围地区社会经济发展水平相对较低，耕地相对更多地承担了为区域内农户提供社会保障的角色。这一空间分布规律在一定程度上也体现了武汉城市圈的中心辐射作用。

第1行至第4行分别展示耕地的生产功能、生态功能、社会功能、景观功能，第1列至第4列分别展示市、区县、乡镇、场地尺度的结果。Row 1 to row 4 showed the production function， ecological function， social function and landscape function of cultivated land， respectively; while column 1 to column 4 showed city scale， county scale， township scale and site scale， respectively.图2 武汉城市圈耕地单项功能的多尺度空间分布格局Fig.2 Multiscale spatial distribution pattern of single function of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area

景观功能自西南向东北呈现出低高相间的特征，且呈现较明显的“中间高、外围低”的空间格局。这主要是因为，武汉市、鄂州市、黄石市的社会经济发展相对迅速，居民生活水平相对较高，对耕地的景观文化功能需求更强，更加注重耕地的景观休憩功能。

从加权综合指数和辛普森倒数指数(图3)来看，无论是市级尺度还是区县尺度、乡镇尺度、场地尺度，研究区总量上的耕地多功能与结构上的耕地多功能存在相反的空间分布格局。这说明，研究区内仍然侧重于耕地的单项功能，耕地多功能之间的结构协同程度较低。

2.2 单一尺度的耕地多功能权衡与协同

为表征不同尺度下耕地各功能之间的相互作用，借助R语言“Corrgram”包与SPSS 24软件平台，运用Spearman相关分析法实现耕地多功能权衡与协同关系的计算与表达(图4)。在图4中，红色表示正相关，蓝色表示负相关，颜色越深说明2个变量的相关性越大。图4中上三角单元格颜色的含义与下三角单元格相同，相关程度由饼状图中的填充面积表示，相关性越大，则填充的面积越多。若为正相关性，从12点钟处顺时针方向填充饼图；若为负相关性，则逆时针方向填充饼图。

在市级尺度上，6对相关关系中，仅有生态功能与社会功能存在协同作用，相关系数为0.800，其他5对相关关系均未通过显著性检验，不存在明显的相关关系；在区县尺度上，耕地的生产功能与景观功能、生态功能与社会功能存在协同关系，相关系数分别为0.530、0.581，社会功能与景观功能存在权衡关系，相关系数为-0.527；在乡镇尺度上，耕地的生产功能与生态功能、生产功能与社会功能、生态功能与社会功能存在协同关系，相关系数分别为0.502、0.265、0.631，生态功能与景观功能、社会功能与景观功能存在权衡关系，相关系数分别为-0.099、-0.258；在场地尺度上，6对相关关系均表现为协同作用。

上、下行分别展示加权综合指数法和辛普森倒数指数法测度的耕地多功能程度，第1列至第4列分别展示市、区县、乡镇、场地尺度的结果。The upper and lower row showed the multifunctional degree of cultivated land measured by the weighted composite index method and the Simpson reciprocal index method， respectively. Columns 1 to 4 showed the results of the city scale， county scale， township scale and site scale， respectively.图3 武汉城市圈耕地多功能的多尺度空间分布格局Fig.3 Multiscale spatial distribution pattern of multifunction of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area

第1列至第4列分别展示市、区县、乡镇、管理场地尺度的结果。*和**分别表示相关性通过P<0.05和P<0.01水平的显著性检验。Columns 1 to 4 showed the results of the city scale， county scale， township scale and site scale， respectively. *， and ** indicated significant level at P<0.05 and P<0.01， respectively.图4 不同尺度下武汉城市圈耕地多功能的权衡与协同关系Fig.4 Trade-offs and synergies of multifunction of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area at different scales

2.3 耕地多功能权衡与协同关系的尺度效应

对各尺度下的Spearman相关系数做趋势分析，判断2种耕地功能的相关关系在不同尺度间的变化。若趋势线过轴，说明2种耕地功能之间的关系随着研究尺度的变化发生了权衡与协同关系的变化。

总体来看，耕地多功能权衡与协同关系在不同尺度间的变化主要表现为以下4种类型(图5)：(1)耕地功能之间的相关关系以协同为主，且协同作用随尺度的增加而增强。例如：在场地尺度上，耕地的生产功能与景观功能呈相关系数为0.164的协同关系；在区县尺度上，这两种功能间呈相关系数为0.530的协同关系，其协同作用随尺度的增加而增强。(2)耕地功能之间的相关关系以协同为主，且协同作用随尺度的增加而减弱。例如：随着研究尺度的增加，耕地的生产功能和生态功能、生产功能和社会功能的协同关系都逐渐减弱。(3)耕地功能之间的相关关系以协同为主，且协同作用随尺度的增加先减弱后增强。例如：从场地尺度到乡镇尺度、区县尺度，生态功能和社会功能的协同关系逐渐减弱，但在市级尺度上，两功能间的协同关系增强。(4)耕地功能之间的相关关系随尺度的增加由协同变为权衡。例如：在场地尺度上，耕地的生态功能和景观功能、社会功能和景观功能分别呈相关系数为0.075、0.013的协同关系，但随着研究尺度的增加，乡镇尺度上两对功能均呈现权衡关系，且社会功能和景观功能间的权衡关系在区县尺度上进一步增强。

图中仅显示通过显著性检验的结果。Only significant (P<0.05) results were shown in the above figure.图5 武汉城市圈耕地多功能权衡与协同关系的尺度效应Fig.5 Scale effect of trade-offs and synergies of multifunction of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area.

3 讨论

本文以武汉城市圈为例，利用土地利用数据、空间数据与统计年鉴数据，从多尺度视角，将耕地功能分为生产功能、生态功能、社会功能和景观功能，在科学评价耕地多功能的基础上，开展耕地多功能权衡与协同关系研究，揭示不同尺度下耕地多功能权衡与协同关系的变化规律。结果表明：(1)不同尺度下武汉城市圈耕地多功能具有较明显的空间分异特征。耕地生产功能、社会功能的空间分布格局在各个尺度上平均变化；而生态功能、景观功能的空间分布格局存在尺度差异，在最小尺度(场地尺度)上观察到的空间分布格局在最大尺度(市级尺度)上被部分隐藏。(2)耕地多功能的权衡与协同关系存在尺度效应。其中：生产功能和景观功能间的协同关系随尺度增加而增强；生产功能与生态功能、生产功能与社会功能间的协同关系随尺度增加而减弱；生态功能和社会功能间的协同关系随尺度增加先减弱后增强；生态功能与景观功能、社会功能与景观功能间的相关关系随尺度的增加由协同变为权衡。

耕地多功能权衡与协同关系存在尺度效应的可能原因在于：一方面，人类在进行耕地利用的过程中，不同行政层级管理者对耕地各功能的重视程度存在差异，在大尺度上(市级尺度)，由于区域范围内资源更加丰富，资源配置更强，对风险的抵抗能力更强，权衡相对表现较多；而在较小尺度上(管理场地尺度)，由于区域内资源相对单一，对风险的抵御能力弱，管理者在耕地利用过程中风险规避更多，权衡表现较少。另一方面，不同尺度下的自然环境因素(如地形地貌)、社会经济发展状况不同，赋予耕地功能的内涵也不同。进一步的研究显示，山区耕地的生产功能-景观功能、生产功能-社会功能协同度更高，而平原地区耕地的生产功能-生态功能协同度更高。相对而言，经济欠发达区域耕地各项功能的协同度较高，而经济发达区域呈现耕地生产功能-景观功能、社会功能-景观功能间的权衡。今后，可以进一步从自然环境因素和社会经济发展因素出发，开展耕地多功能权衡与协同的尺度作用反馈机理研究。

另外，本研究显示，无论是市级尺度还是区县尺度、乡镇尺度，研究区总量上的耕地多功能与结构上的耕地多功能存在相反的空间分布格局。其中，江汉平原地区总量上的耕地多功能较强，多功能耕地结构需要进一步优化，而东部大别山区，以及武汉、鄂州、黄石等地的耕地多功能水平提高潜力较大。对于武汉城市圈内经济发展领先的城市，如若过度重视生产功能，则会对其区位优势和交通资源造成浪费，因此应依托区域内技术、人才和设施的优势，重点关注耕地的生态功能，发展绿色经济，减少大气污染；对于鄂东南交通相对落后、经济发展相对缓慢的低山丘陵区，农业是当地的重要产业，应加强耕地保护与复垦，提高耕地质量，积极开发耕地后备资源，提高耕地生产功能与社会功能；对于西部江汉平原内耕地各项功能均较强的仙桃、潜江和天门等地，在城市发展与建设过程中应重视对耕地多功能的保护，防止牺牲耕地换取发展。

武汉城市圈作为一个联系紧密的发展共同体，不仅应关注城市圈内的城乡一体化、经济一体化发展，更应关注城市圈内的耕地多功能一体化保护，从全局的角度规划耕地多功能发展，各行政区域在耕地多功能保护与提升的过程中不仅应考虑本区域的特征，更应充分顾及周边区域，减少区域间的权衡，促进共赢发展。

此外，对耕地功能非市场价值的忽略亦是造成耕地流失的重要原因之一。我国现行的耕地补偿标准仅关注耕地的生产功能，忽视了耕地的生态功能、社会功能和景观功能，无法从耕地的其他功能中获取直接收益，导致部分农业从业者忽视耕地保护的重要性。在耕地多功能补偿机制中，应纳入耕地的生态价值、社会价值和景观价值，并针对耕地生态功能、社会功能和景观功能的保护给予补偿，培育和激发社会各界对耕地多功能保护的认识、观念和行为。

最后要说明的是，本文参考大多数文献，采用线性相关分析方法探讨耕地多功能的权衡与协同关系。事实上，在许多情况下，耕地多功能之间可能存在非线性关系。由于研究数据的限制，本文在探究耕地多功能权衡与协同的尺度效应问题时仅考虑了4级尺度，未来可以进一步开展包括地块尺度，如生态农田的空间多尺度及其时间多尺度的耕地多功能权衡与协同关系研究。