黃河流域（河南段）耕地多功能時(shí)空格局演變及其權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

牛海鵬，趙曉鳴，肖東洋，安 冉，劉萌萌

黃河流域（河南段）耕地多功能時(shí)空格局演變及其權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

牛海鵬1,2，趙曉鳴1，肖東洋1,2※，安 冉1，劉萌萌1

（1. 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，焦作 454000；2. 河南理工大學(xué)黃河流域耕地保護(hù)與城鄉(xiāng)高質(zhì)量發(fā)展研究中心，焦作 454000）

科學(xué)測度耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系對(duì)于量化和表征耕地隱性形態(tài)具有重要意義，可為構(gòu)建土地利用綠色轉(zhuǎn)型調(diào)控路徑、揭示人地關(guān)系演化過程提供科學(xué)依據(jù)。該研究以黃河流域（河南段）為研究區(qū)域，利用1990－2020年時(shí)間序列社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)，從耕地的生產(chǎn)、社會(huì)、生態(tài)以及文化功能4個(gè)維度系統(tǒng)構(gòu)建耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及土地系統(tǒng)功能權(quán)衡度（Land system Function Trade-off Degree，LFTD）模型，測算黃河流域（河南段）耕地多功能指數(shù)，解析耕地多功能之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系時(shí)序演化特征，以此揭示耕地利用隱性形態(tài)的演變規(guī)律。結(jié)果表明：1）1990－2020年間黃河流域（河南段）耕地的生產(chǎn)、社會(huì)、生態(tài)和文化功能均呈增長態(tài)勢，且生產(chǎn)與文化功能增長較為突出。2）按照功能層次性，將1990－2020年間耕地多功能的變化劃分為6個(gè)階段。在1990－2010年的前四個(gè)階段中以生產(chǎn)與生態(tài)功能為主，在2010－2020年的后兩個(gè)階段中以生產(chǎn)與文化功能為主，并且功能間作用關(guān)系較為復(fù)雜。3）1990－2020年間，耕地生產(chǎn)、社會(huì)、生態(tài)和文化功能間相互作用關(guān)系呈現(xiàn)“權(quán)衡為主導(dǎo)-權(quán)衡協(xié)同持平-權(quán)衡為主導(dǎo)”的演化特征，黃河流域（河南段）耕地功能于2010年后呈現(xiàn)顯著轉(zhuǎn)型特征。4）耕地轉(zhuǎn)型影響因素關(guān)聯(lián)性隨時(shí)間變化而不同。1990－2020年影響因素關(guān)聯(lián)性變化顯示：城鎮(zhèn)化率、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、糧食總產(chǎn)量、第三產(chǎn)業(yè)占比是顯著影響因素。耕地隱性形態(tài)變化可深層次顯化耕地利用轉(zhuǎn)型，為耕地可持續(xù)利用提供參考。

土地利用；耕地多功能；權(quán)衡/協(xié)同；隱性形態(tài)；土地系統(tǒng)功能權(quán)衡度模型；黃河流域（河南段）

0 引 言

土地為人類提供了最根本的生存、繁衍與發(fā)展條件，其中耕地長期以來作為人類賴以生存和發(fā)展的關(guān)鍵生產(chǎn)資料要素，是一項(xiàng)重要的土地利用類型，也是反映農(nóng)耕文明必不可少的物質(zhì)載體[1]。但在中國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化高度發(fā)展的時(shí)代背景下，城鄉(xiāng)空間結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及人口結(jié)構(gòu)等都處在快速轉(zhuǎn)變時(shí)期，建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張和耕地模式非合理利用造成耕地功能粗放化、非農(nóng)化、邊際化以及破碎化等問題，糧食安全和耕地可持續(xù)利用面臨威脅[2]。土地利用轉(zhuǎn)型被視為土地利用/覆被變化綜合研究的新途徑，為耕地可持續(xù)利用研究提供了新視角。

土地利用轉(zhuǎn)型概念最初來源于20世紀(jì)80－90年代英國地理學(xué)家Grainger[3]開展的森林轉(zhuǎn)型研究。此后，國外學(xué)者如Defries和Lambin等[4-5]也陸續(xù)開始了有關(guān)土地利用轉(zhuǎn)型的研究，從而有關(guān)土地利用轉(zhuǎn)型問題的研究逐步進(jìn)入國際學(xué)術(shù)視野。本世紀(jì)初，中國學(xué)者龍花樓先生[6]把“土地利用轉(zhuǎn)型”這一概念引入國內(nèi)。與此同時(shí)，與中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征相適應(yīng)的土地利用轉(zhuǎn)型研究成果應(yīng)運(yùn)而生。就研究內(nèi)容而言，國內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)型主要沿耕地轉(zhuǎn)型[7-8]、農(nóng)村宅基地轉(zhuǎn)型[9-10]以及建設(shè)用地轉(zhuǎn)型[11-13]的脈絡(luò)展開，耕地作為糧食、社會(huì)及生態(tài)安全的重要基礎(chǔ)，是土地類型中人類依賴程度最高的系統(tǒng)，更是土地利用轉(zhuǎn)型研究的熱門。例如，向敬偉等[14]從空間形態(tài)與功能形態(tài)兩方面衡量耕地利用轉(zhuǎn)型現(xiàn)狀。龍花樓等[9]學(xué)者對(duì)中國耕地及農(nóng)村宅基地利用轉(zhuǎn)型展開了時(shí)空耦合特征分析。宋小青等[15]基于耕地利用轉(zhuǎn)型路徑的研究，認(rèn)為耕地利用轉(zhuǎn)型主要包括空間上耕地分布與面積變化的空間形態(tài)轉(zhuǎn)型和耕地功能轉(zhuǎn)變的功能形態(tài)轉(zhuǎn)型，并且宋小青等[16]通過對(duì)中國1949年以來耕地功能的變遷歷程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中國耕地功能整體上從2006年起發(fā)生轉(zhuǎn)變。李全峰[17]基于區(qū)域耕地利用形態(tài)變遷角度，圍繞耕地利用進(jìn)程中的轉(zhuǎn)型特征、發(fā)展階段及影響機(jī)理這一重要議題，就如何優(yōu)化調(diào)控不同類型的轉(zhuǎn)型模式展開論述。縱觀目前耕地利用轉(zhuǎn)型已有研究，大多聚焦在耕地顯性形態(tài)轉(zhuǎn)型方面，鮮有專門基于隱性形態(tài)的耕地轉(zhuǎn)型分析。

顯性形態(tài)包括耕地?cái)?shù)量和空間結(jié)構(gòu)兩方面，顯性形態(tài)轉(zhuǎn)型是一種為可視化的土地利用轉(zhuǎn)型方式，指各土地利用類型數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的變化。隱性形態(tài)具有多種屬性，如質(zhì)量、產(chǎn)權(quán)、經(jīng)營方式、投入、產(chǎn)出和功能等。隱性形態(tài)轉(zhuǎn)型，即在原有土地利用類型不變的前提下，通過合理科學(xué)的管理、土地投入強(qiáng)度等方式來增加土地利用效率和提高土地增加值[18]。多功能是耕地隱性形態(tài)中的重要屬性，將其進(jìn)行優(yōu)化配置可以有效地促進(jìn)耕地資源優(yōu)勢的發(fā)揮，遏制耕地空間蠶食的被動(dòng)局面。國內(nèi)外學(xué)者在闡述耕地多功能內(nèi)涵[19-22]、分類和組成[23]等理論的基礎(chǔ)上，以構(gòu)建指標(biāo)體系測算為手段[24-26]與以耕地多功能評(píng)價(jià)為目的[27-28]，對(duì)耕地多功能時(shí)空演變規(guī)律[29-30]及其影響因素[31]、效應(yīng)[32]、驅(qū)動(dòng)機(jī)制[33-34]及其城鎮(zhèn)化及社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的相互關(guān)系進(jìn)行了諸多研究。例如，針對(duì)耕地多功能的分類存在多種形式，千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估報(bào)告認(rèn)為耕地對(duì)人類福利發(fā)揮著供給、調(diào)節(jié)、支持、文化等功能[35]。Jeanne等[36]開展了耕地功能的識(shí)別和劃分，并進(jìn)行了各項(xiàng)單獨(dú)功能的計(jì)量評(píng)價(jià)研究。陳星宇等[37]結(jié)合珠三角地區(qū)實(shí)際情況，進(jìn)行了耕地多功能空間差異與影響因素分析。唐春云[38]以廣州市為例進(jìn)行了城鄉(xiāng)融合發(fā)展背景下耕地多功能時(shí)空演進(jìn)分析，并利用地理探測器探究其空間演變的影響因素。喻立[39]對(duì)湖北省耕地多功能演化特征及協(xié)同發(fā)展路徑進(jìn)行研究，并提出了協(xié)調(diào)耕地多功能的具體措施與保障政策，研究成果在耕地保護(hù)和治理中起到了至關(guān)重要的作用。隨著新型城鎮(zhèn)化發(fā)展，耕地的文化、景觀娛樂功能得到了關(guān)注，城鄉(xiāng)居民的需求也逐漸多樣化和層次化。例如，許多藝等[40]從生產(chǎn)、生態(tài)、景觀、社會(huì)4個(gè)維度構(gòu)建耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，研究江蘇省2000－2018年耕地各項(xiàng)功能的時(shí)空演變規(guī)律?，F(xiàn)有耕地多功能評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)尺度多立足于省市級(jí)層面，流域?qū)用娴难芯肯鄬?duì)較少。同時(shí)耕地多功能時(shí)空分布的異質(zhì)性，決定了耕地功能需求從單一性逐漸演化為多元化[41]，耕地功能種類多樣且關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，彼此之間此消彼長的權(quán)衡關(guān)系和相互增益的協(xié)同關(guān)系也在慢慢浮現(xiàn)[42]。耕地多功能之間的權(quán)衡和協(xié)同，必然會(huì)誘導(dǎo)耕地在功能層面上發(fā)生改變。

基于此，本文選取耕地隱性形態(tài)視角，以黃河流域（河南段）為研究對(duì)象，開展耕地多功能多層次綜合評(píng)價(jià)，通過1990－2020年耕地外在功能變化和內(nèi)部功能權(quán)衡協(xié)同分析整體刻畫黃河流域（河南段）耕地利用轉(zhuǎn)型情況與耕地多功能之間的權(quán)衡協(xié)同狀況，揭示黃河流域（河南段）耕地利用轉(zhuǎn)型特征及其變化規(guī)律，為推動(dòng)耕地合理利用以及流域保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域（河南段）位于黃河流域的中、下游，省內(nèi)干流河長711 km，主要支流有伊洛河、沁河水系。黃河流域（河南段）流域面積3.62萬km2，占全省總面積的21.7%。黃河自河南靈寶市入境后流經(jīng)三門峽、洛陽、鄭州等8個(gè)省轄市，雨熱條件相對(duì)優(yōu)越，農(nóng)田集中成片，灌溉設(shè)施豐富。然而，在中國高速城鎮(zhèn)化的背景下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了耕地被大量占用，資源利用粗放以及城鎮(zhèn)無序擴(kuò)張，導(dǎo)致耕地資源嚴(yán)重透支，生態(tài)環(huán)境日趨惡化[43]。國務(wù)院辦公廳于2019年11月頒布《切實(shí)加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)提升國家糧食安全保障能力的意見》，2020年5月河南省人民政府辦公廳下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)打造全國重要糧食生產(chǎn)核心區(qū)的實(shí)施意見》，意味著河南省糧食生產(chǎn)核心區(qū)的建設(shè)規(guī)劃提升到國家戰(zhàn)略新高度。根據(jù)《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》及國家統(tǒng)計(jì)總局公布的數(shù)據(jù)，截止到2020年黃河流域（河南段）耕地面積244萬hm2，年末人口3 986萬人，人均耕地0.061 hm2。1990－2020年間，黃河流域（河南段）耕地面積增加共計(jì)33萬hm2。2020年研究區(qū)糧食作物播種面積295萬hm2，占總播種面積的73.92%，比1990年增加了22萬hm2。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

文章選取黃河流域（河南段）所經(jīng)過的三門峽、洛陽、鄭州、焦作、濟(jì)源、開封、新鄉(xiāng)和濮陽8個(gè)城市作為研究區(qū)域進(jìn)行研究。本文社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于1990—2020年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》，單個(gè)城市單個(gè)年份數(shù)據(jù)丟失，根據(jù)鄰近年數(shù)據(jù)，利用移動(dòng)平均對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)。

2 研究方法

2.1 耕地多功能指標(biāo)體系構(gòu)建

耕地的功能在于其為人類福祉和經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造產(chǎn)出的能力，這是解決人類社會(huì)發(fā)展需求和耕地資源短缺的關(guān)鍵。任何時(shí)期土地利用都是為了滿足人類的需求，耕地功能隨人類社會(huì)發(fā)展而變化。在農(nóng)業(yè)社會(huì)，人類主要需求是生存，以度過物質(zhì)資料極為短缺的時(shí)代，生產(chǎn)功能得到重視；隨著工業(yè)社會(huì)發(fā)展，過度追求生產(chǎn)功能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境不斷惡化，人類開始認(rèn)識(shí)和調(diào)整自身與自然的關(guān)系，生態(tài)功能不斷被強(qiáng)化；在物質(zhì)文明得到極大發(fā)展之后，人類需求進(jìn)入更高層次，即追求景觀文化、提高生活質(zhì)量階段，文化功能得以顯化；作為由社會(huì)經(jīng)濟(jì)制度衍生出的社會(huì)功能與國家糧食安全和農(nóng)戶生計(jì)息息相關(guān)。因此，該文將黃河流域（河南段）研究區(qū)的耕地功能分為生產(chǎn)功能、社會(huì)功能、生態(tài)功能和文化功能。并根據(jù)黃河流域（河南段）耕地利用狀況，甄選出16個(gè)能夠衡量各單項(xiàng)功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

注：“+”為正向指標(biāo)，“-”為負(fù)向指標(biāo)。

Note: “+”is a positive indicator and “-”is a negative indicator.

耕地生產(chǎn)功能是指耕地能夠生產(chǎn)糧食、蔬菜、瓜果等多種農(nóng)作物，因此本研究選取糧食作物單產(chǎn)水平來表示糧食作物生產(chǎn)程度，經(jīng)濟(jì)作物中蔬菜、瓜果播種面積較大，故選取此兩類作物作為耕地經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)程度。另外，耕地利用水平及耕地生產(chǎn)配套設(shè)施的完善程度也能起到促進(jìn)耕地生產(chǎn)功能發(fā)揮的作用，因此本文還選用復(fù)種指數(shù)和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)表示耕地利用水平及配套設(shè)施的完善情況，并將其連同糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)水平所組成的農(nóng)作物生產(chǎn)水平一起作為耕地生產(chǎn)功能評(píng)價(jià)的指標(biāo)。

耕地社會(huì)功能體現(xiàn)為勞動(dòng)力提供就業(yè)機(jī)會(huì)、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)保障和維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定。由于河南省內(nèi)農(nóng)民生計(jì)仍大量依附自產(chǎn)食物，因此本文選取人均糧食擁有量和人均耕地面積兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)代替耕地的糧食安全保障能力，可以反映研究區(qū)域糧食的供給水平，選取農(nóng)民人均純收入可以反映耕地對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐力度，代表耕地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)保障能力，所選鄉(xiāng)村從業(yè)人數(shù)能體現(xiàn)耕地社會(huì)就業(yè)承載能力。

耕地生態(tài)功能是指耕地具有保持水土、調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性等功能。本文根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況選取人均耕地生態(tài)承載力、農(nóng)作物播種面積、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性指數(shù)3個(gè)正向指標(biāo)來體現(xiàn)耕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力、調(diào)節(jié)能力與承載能力。人均耕地生態(tài)承載力指標(biāo)，主要是反映一個(gè)區(qū)域耕地生態(tài)系統(tǒng)承載力的大小，其值越大，表明承載力越大，耕地生態(tài)服務(wù)功能越強(qiáng)。人均耕地生態(tài)承載力=人均耕地資源稟賦′耕地產(chǎn)量因子′耕地均衡因子，因本文研究對(duì)象只涉及耕地，因此耕地均衡因子取值為1；耕地產(chǎn)量因子為研究區(qū)當(dāng)年糧食單產(chǎn)水平與全國當(dāng)年糧食單產(chǎn)水平之比。農(nóng)作物播種面積主要是體現(xiàn)耕地維持生物多樣性的能力。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性指數(shù)反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性恢復(fù)能力，值越大，恢復(fù)能力越強(qiáng)，耕地生態(tài)服務(wù)功能越強(qiáng)[44]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性指數(shù)是采用香農(nóng)指數(shù)，選取研究區(qū)域糧食、棉花、油料、煙葉和蔬菜的播種面積來計(jì)算研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性。計(jì)算式如下：

式中H為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性指數(shù)，P為第種作物播種面積與總播種面積的比例，S為某一種作物播種面積（hm2），為農(nóng)作物播種面積（hm2）。農(nóng)作物生產(chǎn)過程中化肥、農(nóng)藥的不合理使用則會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成直接破壞。因此選擇耕地化學(xué)負(fù)荷來體現(xiàn)各種肥料施用量給生態(tài)環(huán)境造成的脅迫，耕地化學(xué)負(fù)荷等于區(qū)域化肥施用量與耕地面積的比值。

耕地文化功能包括觀賞田園風(fēng)光、體驗(yàn)農(nóng)耕生活、科學(xué)研究和教育等，難以準(zhǔn)確定量化表達(dá)，只能通過該功能的外在表現(xiàn)間接反映。根據(jù)已有研究成果和數(shù)據(jù)可得性，選取耕地美學(xué)景觀、文化投資、農(nóng)業(yè)觀光園面積和農(nóng)村居民消費(fèi)水平4個(gè)指標(biāo)。耕地美學(xué)景觀功能是為人們提供審美享受的功能，本研究基于謝高地等[45]已有研究，結(jié)合不同年份農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況，測算耕地美學(xué)景觀價(jià)值[46]。

式中CL為耕地美學(xué)景觀價(jià)值（元），指的是有關(guān)耕地美學(xué)景觀的價(jià)值當(dāng)量因子，指耕地食物生產(chǎn)的單位價(jià)值（元/hm2），為耕地面積（hm2）。隨著中國全面建設(shè)小康社會(huì)和城市化步伐的加快，以及人們生活、消費(fèi)觀念的變化，農(nóng)業(yè)生態(tài)休閑、觀光游有巨大的發(fā)展?jié)摿?，已成為城鄉(xiāng)居民新的消費(fèi)熱點(diǎn)。因此選取農(nóng)村居民消費(fèi)水平來體現(xiàn)農(nóng)村居民的生活休閑水平。

2.2 指標(biāo)權(quán)重及耕地多功能計(jì)算

1）指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)具有正向、負(fù)向兩類指標(biāo)，需要利用極差法將正、負(fù)向指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)作為無量綱數(shù)據(jù)。正、負(fù)向指標(biāo)計(jì)算式如下：

正向指標(biāo)：

負(fù)向指標(biāo)：

式中X為標(biāo)準(zhǔn)化后的標(biāo)準(zhǔn)值；x為原始數(shù)據(jù)；xmax為原始列數(shù)據(jù)最大值；xmin為原始列數(shù)據(jù)最小值。

2）權(quán)重確定方法

權(quán)重確定方法以主客觀賦權(quán)法結(jié)合為主。主觀賦權(quán)法就是依據(jù)專家或決策者憑借其專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)相對(duì)重要性進(jìn)行主觀判斷以確定其權(quán)重?？陀^賦權(quán)法，其中心思想就是依據(jù)熵的數(shù)值來判定各項(xiàng)指標(biāo)影響耕地多功能評(píng)價(jià)的程度。本研究主觀權(quán)重是借助于Yaahp軟件來確定的，客觀權(quán)重是通過熵值法計(jì)算出來的，以主、客觀權(quán)重的均值作為綜合指標(biāo)權(quán)重值?？陀^權(quán)重和綜合權(quán)重計(jì)算式分別為

式中Y為第年的第項(xiàng)指標(biāo)所占比例，X為第年的第項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化后的值；e為指標(biāo)信息熵；d為第項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)；W為第項(xiàng)指標(biāo)客觀權(quán)重，W為第項(xiàng)指標(biāo)主觀權(quán)重，W為第項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重。其中=1/ln，為1990－2020年的年份數(shù)，為指標(biāo)數(shù)。

3）確定指標(biāo)權(quán)重

本文采取層次分析法和熵權(quán)法確定綜合權(quán)重，計(jì)算得到黃河流域（河南段）耕地多功能各指標(biāo)的權(quán)重W，見表2。

表2 黃河流域（河南段）耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

4）耕地多功能指數(shù)計(jì)算

采用多因素評(píng)價(jià)法來計(jì)算黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能、社會(huì)功能、生態(tài)功能以及文化功能值。耕地多功能指數(shù)能夠直接反映出耕地某一功能的水平狀態(tài)，運(yùn)用加權(quán)求和法測算耕地多功能指數(shù)，對(duì)生產(chǎn)功能、社會(huì)功能、生態(tài)功能以及文化功能評(píng)估具有重要參考價(jià)值。計(jì)算式如下：

式中代表耕地的生產(chǎn)功能、社會(huì)功能、生態(tài)功能和文化功能指數(shù)，W為第項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重。

2.3 耕地利用功能權(quán)衡與協(xié)同分析

權(quán)衡和協(xié)同各自代表著不同的涵義，該理論被廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系研究中。其中權(quán)衡代表了不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)于相同時(shí)段內(nèi)呈負(fù)相關(guān)，兩者呈現(xiàn)此起彼落的狀況；而協(xié)同代表了不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間呈現(xiàn)正相關(guān)，出現(xiàn)同增或者同減的情形。作為生態(tài)系統(tǒng)組成部分的耕地，其必然面臨多功能權(quán)衡與協(xié)同的情形。耕地利用的權(quán)衡表示不同的耕地功能之間存在相反的變化趨勢，而協(xié)同表示不同的耕地功能之間存在相同趨勢性變化。文章引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度（ESTD，Ecosystem Services Trade-off Degree）模型，其在數(shù)據(jù)線性擬合的基礎(chǔ)上，反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相互作用的方向和程度，從而構(gòu)建土地系統(tǒng)功能權(quán)衡度模型（LFTD，Land system Function Trade-off Degree）分析耕地利用功能的權(quán)衡協(xié)同情況[47]。

式中LFC、LFC分別為時(shí)刻和時(shí)刻第種土地系統(tǒng)功能值，LFC、LFC分別為時(shí)刻和時(shí)刻第種土地系統(tǒng)功能值，LFTD為正表示第種和第種土地利用功能之間存在協(xié)同關(guān)系，兩種功能為同一變化趨勢；LFTD為負(fù)表示第種和第種土地利用功能之間存在權(quán)衡關(guān)系，兩種功能為反趨勢變化；LFTD絕對(duì)值的大小反映了權(quán)衡/協(xié)同水平。

2.4 耕地多功能影響因素分析

2.4.1 影響因素選擇

耕地利用轉(zhuǎn)型是自然資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等許多因素共同作用下引發(fā)的土地供給和需求互相作用過程。本文從人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展三方面選取社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展能夠使生產(chǎn)要素投入增加以及技術(shù)水平上升，引起市場供需和體制變化，最終改變土地利用結(jié)構(gòu)和效益。選取人均GDP、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、房地產(chǎn)開發(fā)總投資、糧食總產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素。

人類是耕地直接利用者，人口因素主要通過增加居住用地、公共設(shè)施用地等建設(shè)用地面積，減少耕地面積和增加對(duì)糧食等農(nóng)產(chǎn)品需求等促進(jìn)耕地利用轉(zhuǎn)型。選取總?cè)丝诤统擎?zhèn)化率作為人口因素。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是影響耕地變化比較明顯的因素。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化促進(jìn)使用地類型變化，二、三產(chǎn)業(yè)占比增大帶動(dòng)工業(yè)和服務(wù)業(yè)企業(yè)數(shù)量變多，工業(yè)用地、交通用地等面積明顯增多，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整促使耕地利用向集約型和規(guī)模型發(fā)展。選取第一產(chǎn)業(yè)占比、第二產(chǎn)業(yè)占比和第三產(chǎn)業(yè)占比作為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響因素。

2.4.2 影響因素關(guān)聯(lián)性測度

本文選取灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行黃河流域（河南段）耕地多功能影響因素關(guān)聯(lián)性分析。具體計(jì)算步驟為:首先對(duì)參考數(shù)列和比較數(shù)列進(jìn)行均值化處理，計(jì)算得出行為序列的均值像；然后通過求出差序列及兩極最大差和最小差，計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)；最后通過計(jì)算式（13）計(jì)算出灰色關(guān)聯(lián)度：

式中()表示第個(gè)影響因素與功能的灰色關(guān)聯(lián)度；()為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地多功能時(shí)序變化特征

基于功能指數(shù)計(jì)算式，計(jì)算得出1990－2020年黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能、社會(huì)功能、生態(tài)功能以及文化功能指數(shù)，并測度分析黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能、社會(huì)功能、生態(tài)功能以及文化功能的時(shí)序變化。利用回歸分析對(duì)黃河流域（河南段）耕地多功能指數(shù)進(jìn)行擬合，由此得到黃河流域（河南段）研究區(qū)耕地生產(chǎn)功能、社會(huì)功能、生態(tài)功能及文化功能的擬合回歸函數(shù)及其趨勢變化值，耕地功能時(shí)序變化圖見圖2。在研究時(shí)段內(nèi)，黃河流域（河南段）耕地4項(xiàng)功能在研究時(shí)段內(nèi)總體上都呈上升趨勢（4種功能趨勢線斜率值都為正），其中耕地的生產(chǎn)功能、社會(huì)功能和文化功能上升趨勢更為明顯（3種功能2都大于0.8）。從圖2看，黃河流域（河南段）耕地生態(tài)功能1995年前大于耕地生產(chǎn)功能，而從1995年開始生產(chǎn)功能大于耕地生態(tài)功能，2004－2009年耕地生態(tài)功能整體上大于生產(chǎn)功能，2009年以后生產(chǎn)功能大于耕地生態(tài)功能；耕地社會(huì)功能在2010年之前功能指數(shù)都高于耕地的文化功能，2010年之后社會(huì)指數(shù)低于文化功能指數(shù)；耕地的生態(tài)功能指數(shù)2013年之前高于耕地的文化功能，2013年之后低于耕地的文化功能。

圖2 1990－2020年黃河流域（河南段）耕地多功能指數(shù)

3.1.1 耕地生產(chǎn)功能時(shí)序變化

基于耕地生產(chǎn)功能的4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)（圖3）的時(shí)序變化，對(duì)1990－2020年間黃河流域（河南段）耕地社會(huì)功能變化特征進(jìn)行成因分析。通過分析可知，黃河流域（河南段）糧食作物單產(chǎn)水平在研究時(shí)段整體上呈增長的態(tài)勢（斜率=76.430，2=0.907），經(jīng)濟(jì)作物單產(chǎn)水平也是呈現(xiàn)上升趨勢（=769.370，2=0.930），而復(fù)種指數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢（=?0.003，2=0.185），農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力呈明顯增長態(tài)勢（=90.661，2=0.828）。因此黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能在研究時(shí)段內(nèi)的變化總體呈現(xiàn)上升趨勢（=0.007，2=0.902）。黃河流域（河南段）在研究期間，耕地生產(chǎn)功能變化表現(xiàn)為3個(gè)階段：1）1990－1995年黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能先小幅度上升，1993年達(dá)到最大值，而后又呈現(xiàn)小幅度下降趨勢；2）1995－2005年黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能出現(xiàn)和上一階段相似的變化趨勢，先上升后下降；3）2005－2020年黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能變化曲線呈波動(dòng)上升的趨勢。以上變化主要是因?yàn)?990－2020年間黃河流域（河南段）糧食作物單產(chǎn)水平在3個(gè)階段呈現(xiàn)相應(yīng)的變化趨勢。這也表明1990－2020年間黃河流域（河南段）糧食作物單產(chǎn)水平對(duì)耕地生產(chǎn)功能的貢獻(xiàn)率最高，這主要是因?yàn)辄S河流域（河南段）耕地農(nóng)作物種植以小麥、玉米為代表的糧食作物為主。

3.1.2 耕地社會(huì)功能時(shí)序變化

依據(jù)耕地社會(huì)功能的四項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)（圖4）的時(shí)序變化情況來解釋研究時(shí)段內(nèi)黃河流域（河南段）耕地社會(huì)功能變化態(tài)勢的成因。分析結(jié)果表明，在研究時(shí)段內(nèi)黃河流域（河南段）耕地的社會(huì)功能呈小幅度增加的態(tài)勢（=0.003 8，2=0.917 0），社會(huì)功能指數(shù)從1990年的0.050上升到2020年的0.115。本研究對(duì)黃河流域（河南段）社會(huì)功能的刻畫是從承載人口就業(yè)的能力出發(fā)，隨著城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，黃河流域（河南段）農(nóng)民人均純收入大幅度提高（=562.576，2=0.867），鄉(xiāng)村從業(yè)人數(shù)小幅度上升（=10.471，2=0.234），2012年后，耕地對(duì)人口就業(yè)的吸附作用不斷弱化，人均耕地面積也呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢（=?0.000 2，2=0.209）。人均糧食擁有量在1990－2020年間呈現(xiàn)與耕地社會(huì)功能相應(yīng)的變化趨勢，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)農(nóng)民生計(jì)仍大量依附自產(chǎn)食物，耕地社會(huì)功能主要體現(xiàn)在耕地的糧食安全保障方面。

3.1.3 耕地生態(tài)功能時(shí)序變化

基于黃河流域（河南段）耕地生態(tài)功能變化曲線來模擬1990－2020年間黃河流域（河南段）耕地生態(tài)功能變化特征，利用黃河流域（河南段）耕地生態(tài)功能的4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)序變化來分析耕地生態(tài)功能變化規(guī)律（圖5）。分析表明，研究時(shí)段內(nèi)黃河流域（河南段）耕地的生態(tài)功能指數(shù)變化波動(dòng)性較強(qiáng)，其中人均耕地生態(tài)承載力與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性指數(shù)對(duì)耕地生態(tài)功能的貢獻(xiàn)性較大，與耕地生態(tài)功能指數(shù)變化趨勢較為相似。1990－2020年黃河流域（河南段）農(nóng)作物播種面積總體呈上升趨勢，耕地化學(xué)負(fù)荷更是快速增加（=15.611，2=0.886），加劇了黃河流域（河南段）耕地生態(tài)系統(tǒng)所承受的壓力。上述分析結(jié)果表明，在化肥超量施用和人口不斷增長的情況下，黃河流域（河南段）農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正面臨著巨大壓力，開發(fā)農(nóng)田生態(tài)保護(hù)功能已迫在眉睫。

圖3 黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能指標(biāo)時(shí)序變化趨勢

圖4 黃河流域（河南段）耕地社會(huì)功能指標(biāo)時(shí)序變化趨勢

圖5 黃河流域（河南段）耕地生態(tài)功能指標(biāo)時(shí)序變化趨勢

3.1.4 耕地文化功能時(shí)序變化

依據(jù)耕地文化功能的4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)（圖6）的時(shí)序變化情況來解釋研究時(shí)段內(nèi)黃河流域（河南段）耕地文化功能變化趨勢的成因。分析結(jié)果表明，在研究時(shí)段內(nèi)黃河流域（河南段）耕地文化功能呈現(xiàn)顯著增加態(tài)勢（=0.007 7，2=0.873 6），文化功能指數(shù)由1990年0.014的上升到2020年的0.234。文化功能的顯著增長表明了隨著物質(zhì)水平的提高以及生活水平的改善，人民對(duì)耕地的需求由單一的生產(chǎn)利用逐漸向更具觀光旅游性、文化教育性的多元耕地利用轉(zhuǎn)變。文化投資的持續(xù)性增長（=114 370.894，2=0.718）與農(nóng)業(yè)觀光園面積的增加（=1 516.573，2=0.343）極大地推動(dòng)了耕地文化功能發(fā)展。農(nóng)村居民人均消費(fèi)水平的不斷增長（=362.313，2=0.874）為日益增加的耕地文化功能需求奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖6 黃河流域（河南段）耕地文化功能指標(biāo)時(shí)序變化趨勢

3.2 耕地多功能空間變化特征

耕地功能的變化不止體現(xiàn)在時(shí)間序列上，在空間上因?yàn)椴煌貐^(qū)地形地貌等自然方面的差異。以及區(qū)位、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況及發(fā)展政策等人文方面的因素導(dǎo)致了黃河流域（河南段）各地級(jí)市的耕地功能變化存在空間上的差異性。本文參考以往研究并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際狀況，運(yùn)用ArcGIS中的自然斷點(diǎn)法將功能值分為低水平、一般水平、高水平3個(gè)層級(jí)。根據(jù)黃河流域（河南段）耕地多功能空間分布變化情況，分析1990、2000、2010年和2020年空間分異特征。

3.2.1 耕地生產(chǎn)功能空間變化

由圖7可知，1990－2020黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能高水平區(qū)域逐漸增多且穩(wěn)定在濮陽市、新鄉(xiāng)市、開封市和焦作市。這些城市城鎮(zhèn)化速度相對(duì)較慢，對(duì)耕地占用的需求相對(duì)較低，耕地面積相對(duì)較多。同時(shí)，從區(qū)位條件來看，其位于黃河流域（河南段）下游，屬于基本農(nóng)田集中分布區(qū)，土壤肥沃，灌溉保障率高，農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力充足，耕作生產(chǎn)條件好，因此其生產(chǎn)功能屬于高水平。三門峽市受到自然區(qū)位的影響，耕地資源較少且多分布于山林中，耕地質(zhì)量較低導(dǎo)致生產(chǎn)力較差，因此耕地生產(chǎn)功能水平較低。鄭州市和洛陽市城市化進(jìn)程快，人口密度大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)占用耕地需求大，因此耕地面積快速減少。同時(shí)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整使得鄭州市和洛陽市復(fù)種指數(shù)不斷降低，進(jìn)一步導(dǎo)致耕地生產(chǎn)功能弱于其他區(qū)域。

圖7 黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能空間變化

3.2.2 耕地社會(huì)功能空間變化

1990－2020年黃河流域（河南段）耕地社會(huì)功能高水平區(qū)域逐漸增多（圖8）。隨著城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的發(fā)展以及各市農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，黃河流域（河南段）各市農(nóng)民人均純收入大幅度提高，農(nóng)民可獲得穩(wěn)定收入，并且各市鄉(xiāng)村從業(yè)人數(shù)也呈小幅度上升趨勢，生活和就業(yè)可以得到基本保證。各市人均糧食擁有量整體呈增長態(tài)勢，耕地的糧食安全得到了根本保障。因此，黃河流域（河南段）各市社會(huì)功能逐漸增強(qiáng)。

3.2.3 耕地生態(tài)功能空間變化

由圖9可知，1990－2020年黃河流域（河南段）耕地生態(tài)功能高水平區(qū)域減少且穩(wěn)定在新鄉(xiāng)市和開封市，其位于黃河流域（河南段）下游，農(nóng)副產(chǎn)品資源豐富，生態(tài)環(huán)境好，是全國重要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)、優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和糧食核心區(qū)。1990－2020年隨著城市建設(shè)的加快，作為省會(huì)城市的鄭州市耕地非農(nóng)化速度加快，耕地面積銳減，而且破碎化嚴(yán)重，其生態(tài)功能不斷下降。1990－2020年三門峽市由于過度投放農(nóng)藥化肥，耕地化學(xué)負(fù)荷增加，其生態(tài)功能由一般水平下降為低水平。伴隨著生態(tài)功能高水平和一般水平區(qū)域減少，黃河流域（河南段）耕地生態(tài)功能整體呈現(xiàn)逐年減少的態(tài)勢。

圖8 黃河流域（河南段）耕地社會(huì)功能空間變化

圖9 黃河流域（河南段）耕地生態(tài)功能空間變化

3.2.4 耕地文化功能空間變化

1990－2020年黃河流域（河南段）各市耕地文化功能呈現(xiàn)總體增強(qiáng)的趨勢（圖10）。功能高值區(qū)域逐漸擴(kuò)大并占據(jù)整個(gè)研究區(qū)。市域尺度上，1990－2020年，鄭州市和洛陽市的耕地文化功能最強(qiáng)。同時(shí)，鄭州市近年大力發(fā)展都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，倡導(dǎo)多功能農(nóng)業(yè)發(fā)展，為其提供政策支持。在越來越多的耕地景觀文化功能需求和比較利益對(duì)比之下，鄭州市和洛陽市依托現(xiàn)有農(nóng)業(yè)資源、文化底蘊(yùn)以及緊鄰黃河的優(yōu)勢，大力發(fā)展鄉(xiāng)村旅游、民俗旅游；并且城市化快速發(fā)展使得其交通便利，時(shí)間成本小，因此耕地文化功能也得到發(fā)展。

圖10 黃河流域（河南段）耕地文化功能空間變化

3.3 演化階段與權(quán)衡協(xié)同分析

3.3.1 演化階段

本文根據(jù)功能間層次性和主從性將1990－2020年黃河流域（河南段）多功能變化分為6個(gè)階段（表3）。1990－1995年，該階段功能層次關(guān)系為生態(tài)功能>生產(chǎn)功能>社會(huì)功能>文化功能，生態(tài)功能和生產(chǎn)功能處于主導(dǎo)。1995－2000年和2000－2005年兩階段隨生產(chǎn)功能上升和生態(tài)功能下降發(fā)生功能相互作用，其層次關(guān)系變化為生產(chǎn)功能>生態(tài)功能>社會(huì)功能>文化功能。2005－2010年，該階段功能層次關(guān)系為生態(tài)功能>生產(chǎn)功能>社會(huì)功能>文化功能。1990－2010年4個(gè)階段黃河流域（河南段）的主導(dǎo)功能為生態(tài)功能和生產(chǎn)功能。2010－2015年和2015－2020年兩階段隨生產(chǎn)功能、文化功能上升和社會(huì)功能、生態(tài)功能下降發(fā)生復(fù)雜的功能相互作用，生產(chǎn)功能和文化功能處于主導(dǎo)。隨著物質(zhì)水平的提高以及生活水平的改善，人民對(duì)耕地的需求由單一的生產(chǎn)利用逐漸向更具觀光旅游性、文化教育性的多元耕地利用轉(zhuǎn)變，黃河流域（河南段）文化功能逐漸提高。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口的不斷增長給黃河流域（河南段）農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成巨大威脅，黃河流域（河南段）生態(tài)功能在2009年之后急劇下降。

表3 1990－2020年黃河流域（河南段）耕地多功能演化階段

3.3.2 權(quán)衡協(xié)同分析

本文對(duì)6個(gè)階段的多功能權(quán)衡協(xié)同度分別進(jìn)行了測算。1990－1995年間，黃河流域（河南段）生產(chǎn)功能-文化功能與社會(huì)功能-生態(tài)功能之間在波動(dòng)中保持協(xié)同發(fā)展，生產(chǎn)功能-社會(huì)功能、生產(chǎn)功能-生態(tài)功能、文化功能-社會(huì)功能和文化功能-生態(tài)功能之間整體上保持權(quán)衡發(fā)展?fàn)顟B(tài)，且權(quán)衡關(guān)系占到66.67%，這一階段權(quán)衡關(guān)系占主導(dǎo)地位。由圖11可以看出，協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)最強(qiáng)烈的是生產(chǎn)功能-文化功能，耕地的生產(chǎn)功能是文化功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)；權(quán)衡關(guān)系表現(xiàn)最強(qiáng)烈的則是生產(chǎn)功能-社會(huì)功能，黃河流域（河南段）強(qiáng)大的生產(chǎn)功能來自于耕地的集約化、規(guī)模化利用，豐富的耕地資源以及農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的迅速轉(zhuǎn)移為耕地的集約化、規(guī)?；脛?chuàng)造了條件，從而具有強(qiáng)大的生產(chǎn)功能，但是隨著勞動(dòng)人口的大量流出，這一社會(huì)功能也在逐步減弱。其余各功能之間權(quán)衡或者協(xié)同關(guān)系的強(qiáng)度偏弱，現(xiàn)階段整體表現(xiàn)出較強(qiáng)的耕地多功能之間的排斥性。

在1995－2000年間，多功能權(quán)衡協(xié)同度為正相關(guān)的有生產(chǎn)功能-社會(huì)功能、生產(chǎn)功能-生態(tài)功能和社會(huì)功能-生態(tài)功能，為負(fù)相關(guān)的有生產(chǎn)功能-文化功能、文化功能-社會(huì)功能和文化功能-生態(tài)功能，這一階段協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系各占50%。由圖11可以看出，協(xié)同關(guān)系最強(qiáng)烈的是生產(chǎn)-社會(huì)，農(nóng)戶主要依靠耕地種植傳統(tǒng)糧食作物為生，因此生產(chǎn)與社會(huì)功能呈促進(jìn)狀態(tài)；然而多功能間權(quán)衡關(guān)系表現(xiàn)最強(qiáng)烈的是生產(chǎn)功能-文化功能，并且生產(chǎn)功能-文化功能由上一階段的協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)為這一階段的權(quán)衡關(guān)系。

在2000－2005年間，多功能權(quán)衡協(xié)同度處于正狀態(tài)的有社會(huì)功能-生態(tài)功能、文化功能-社會(huì)功能以及文化功能-生態(tài)功能，處于負(fù)狀態(tài)的有生產(chǎn)功能-社會(huì)功能、生產(chǎn)功能-生態(tài)功能以及生產(chǎn)功能-文化功能，這一階段協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系呈持平狀態(tài)。由圖11可知，文化功能-社會(huì)功能協(xié)同關(guān)系最強(qiáng)烈，表明景觀農(nóng)業(yè)和文化農(nóng)業(yè)的開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益已顯現(xiàn)，已能夠拉動(dòng)農(nóng)村家庭收入的增加、就業(yè)保障能力及生活經(jīng)濟(jì)能力的提升；權(quán)衡關(guān)系最強(qiáng)的是生產(chǎn)-社會(huì)，該區(qū)域耕地資源豐富，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移較快，為耕地集約化和規(guī)?；锰峁┝藯l件，因而生產(chǎn)功能較強(qiáng)，但隨著勞動(dòng)人口外流，其社會(huì)功能逐漸弱化。

2005－2010年生產(chǎn)功能-社會(huì)功能、生產(chǎn)功能-文化功能以及文化功能-社會(huì)功能的多功能權(quán)衡協(xié)同度為正值，多功能權(quán)衡協(xié)同度為負(fù)值的是生產(chǎn)功能-生態(tài)功能、社會(huì)功能-生態(tài)功能以及文化功能-生態(tài)功能，該階段協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系各占50%。由圖11可以看出，協(xié)同關(guān)系最強(qiáng)烈的為生產(chǎn)功能-社會(huì)功能，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體進(jìn)入，優(yōu)化了農(nóng)產(chǎn)品種植結(jié)構(gòu)，推動(dòng)農(nóng)戶種植經(jīng)濟(jì)效益更高的花卉、水果等；權(quán)衡關(guān)系最強(qiáng)的是生產(chǎn)-生態(tài)，在發(fā)揮生產(chǎn)功能的同時(shí)，不太注重耕地的生態(tài)利用，化肥農(nóng)藥的使用量增加，農(nóng)業(yè)的面源污染增大，進(jìn)而影響耕地的生態(tài)功能。

2010－2015年生產(chǎn)功能-社會(huì)功能、生產(chǎn)功能-文化功能和文化功能-社會(huì)功能的多功能權(quán)衡協(xié)同度為正值，生產(chǎn)功能-生態(tài)功能、社會(huì)功能-生態(tài)功能和文化功能-生態(tài)功能整體上保持權(quán)衡發(fā)展?fàn)顟B(tài)，權(quán)衡協(xié)同關(guān)系占比情況與上階段相同。由圖11可知，文化功能-社會(huì)功能兩功能間協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)較為強(qiáng)烈；權(quán)衡關(guān)系最強(qiáng)的是文化功能-生態(tài)功能，伴隨著文化功能的提高，農(nóng)村居民收入增加，社會(huì)保障功能相應(yīng)增加，發(fā)展文化的同時(shí)，忽略對(duì)耕地造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面臨巨大壓力。

圖11 黃河流域（河南段）1990－2020年多功能權(quán)衡協(xié)同度

2015－2020年多功能權(quán)衡協(xié)同度為正值的是生產(chǎn)功能-文化功能和社會(huì)功能-生態(tài)功能，為負(fù)值的是生產(chǎn)功能-社會(huì)功能、生產(chǎn)功能-生態(tài)功能、文化功能-社會(huì)功能和文化功能-生態(tài)功能，這一階段主要受權(quán)衡關(guān)系支配。由圖11可以看出，文化功能-社會(huì)功能和文化功能-生態(tài)功能所表現(xiàn)出的權(quán)衡關(guān)系較為突出。這一階段的文化功能-社會(huì)功能經(jīng)歷了從協(xié)同關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)衡關(guān)系，文化功能-生態(tài)功能的權(quán)衡度變大。

3.4 耕地多功能影響因素分析

利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法測度黃河流域（河南段）耕地多功能變化影響因素關(guān)聯(lián)性程度，由表4可知，在耕地功能導(dǎo)向下，黃河流域（河南段）耕地利用轉(zhuǎn)型影響因素關(guān)聯(lián)性程度不盡相同。整體階段變化表明城鎮(zhèn)化率、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、糧食總產(chǎn)量、第三產(chǎn)業(yè)占比是顯著影響因素。城鎮(zhèn)化率關(guān)聯(lián)度均值為0.909、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力關(guān)聯(lián)度均值為0.885、糧食總產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度均值為0.835、第三產(chǎn)業(yè)占比關(guān)聯(lián)度均值0.800。其余影響因素關(guān)聯(lián)度均值均小于0.8。

表4 黃河流域（河南段）1990－2020年耕地多功能影響因素分析

在1990－2000年間，農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、糧食總產(chǎn)量等影響因素關(guān)聯(lián)系數(shù)較大，糧食總產(chǎn)量，第三產(chǎn)業(yè)占比、總?cè)丝?、第一產(chǎn)業(yè)占比等影響因素關(guān)聯(lián)系數(shù)均有較大增長。城鎮(zhèn)化率、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、第二產(chǎn)業(yè)占比、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、人均GDP、房地產(chǎn)開發(fā)總投資等影響因素關(guān)聯(lián)系數(shù)有所減小。全影響因素關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值由1990年的0.721上升到2000年的0.777。在2000－2010年間，人均GDP、第二產(chǎn)業(yè)占比等影響因素關(guān)聯(lián)系數(shù)較大。第二產(chǎn)業(yè)占比、人均GDP、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、房地產(chǎn)開發(fā)總投資等因素關(guān)聯(lián)系數(shù)均有所增大，但糧食總產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、總?cè)丝凇⒌谝划a(chǎn)業(yè)占比等因素關(guān)聯(lián)系數(shù)有所減小。全影響因素關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值由2000年的0.777上升到2010年的0.835。在2010－2020年間，城鎮(zhèn)化率，第三產(chǎn)業(yè)占比等因素關(guān)聯(lián)系數(shù)較大。城鎮(zhèn)化率、糧食總產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、總?cè)丝?、第三產(chǎn)業(yè)占比、第一產(chǎn)業(yè)占比均有所增大，但人均GDP、第二產(chǎn)業(yè)占比、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、房地產(chǎn)開發(fā)總投資等因素關(guān)聯(lián)系數(shù)有所減小。全影響因素關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值由2010年的0.835減小為2020年的0.640。

1990－2020年耕地功能轉(zhuǎn)型期間，黃河流域（河南段）農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力和糧食總產(chǎn)量的不斷增長為日益增加的耕地生產(chǎn)功能奠定了基礎(chǔ)。而與生產(chǎn)功能密切相關(guān)的社會(huì)功能也得到了一定保障。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷升級(jí)導(dǎo)致二、三產(chǎn)業(yè)所占比重加大，新型產(chǎn)業(yè)、工業(yè)企業(yè)等發(fā)展加大土地需求，引發(fā)耕地?cái)?shù)量減少，其嚴(yán)重影響了耕地生態(tài)能力的持續(xù)性和穩(wěn)定性。人均GDP和城鎮(zhèn)居民人均可支配收入的不斷增長為日益增加的耕地文化功能需求奠定了基礎(chǔ)。在耕地轉(zhuǎn)型過程中，影響因素關(guān)聯(lián)性越大，調(diào)控該因素對(duì)轉(zhuǎn)型目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)越強(qiáng)。未來黃河流域（河南段）應(yīng)立足耕地轉(zhuǎn)型中的多功能變化特征，把握人民對(duì)耕地功能需求的方向，保證人均GDP和農(nóng)民以及城鎮(zhèn)居民收入的持續(xù)提高，為人民日益增長的精神需求提供物質(zhì)基礎(chǔ)，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性投資，提高耕地生產(chǎn)能力，健全土地制度管理，緩解因產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化所引起的耕地?cái)?shù)量減少問題。

4 討 論

耕地利用轉(zhuǎn)型關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于揭示社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型中耕地利用形態(tài)變遷。本文在構(gòu)建黃河流域（河南段）耕地多功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上定量測度耕地多功能值，揭示其時(shí)空演化規(guī)律，并以耕地利用功能轉(zhuǎn)型為切入點(diǎn)對(duì)耕地轉(zhuǎn)型問題進(jìn)行研究。與楊雪等[25]基于北京市的耕地多功能演變及其關(guān)聯(lián)性研究相比，突破了單一從時(shí)間維度上研究耕地多功能演變及其關(guān)聯(lián)性的局限性，有利于進(jìn)一步探究和準(zhǔn)確把握耕地多功能的時(shí)空演化規(guī)律。根據(jù)1990－2020年間黃河流域（河南段）耕地多功能變化情況分析得知，2010年左右，黃河流域（河南段）耕地發(fā)生了從耕地生產(chǎn)功能和生態(tài)功能到生產(chǎn)功能和文化功能主導(dǎo)功能層次的改變。

土地功能是土地產(chǎn)出和服務(wù)的關(guān)鍵所在，也是今后耕地利用轉(zhuǎn)型研究中的重點(diǎn)。長時(shí)間序列的耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析對(duì)耕地保護(hù)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文主要借鑒了耕地利用轉(zhuǎn)型的最新研究成果，基于土地系統(tǒng)功能權(quán)衡度（LFTD）模型理論，構(gòu)建了耕地利用功能轉(zhuǎn)型的理論分析框架，探討耕地利用轉(zhuǎn)型進(jìn)程中耕地多功能間的互動(dòng)機(jī)理。從研究分析結(jié)果來看黃河流域（河南段）耕地各項(xiàng)功能之間協(xié)同性比較差，所以有必要對(duì)耕地多功能協(xié)同性降低趨勢細(xì)致分析，探尋耕地功能與價(jià)值，理性對(duì)待耕地各項(xiàng)功能的轉(zhuǎn)變特征與關(guān)系變化。另外，通過灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人民生活水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步引導(dǎo)了耕地功能轉(zhuǎn)型。這與向敬偉、李全峰等[14,17]關(guān)于不同地區(qū)尺度下耕地轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)力研究結(jié)果相似。經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶動(dòng)了人民生活水平提高、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，其直接帶來了投入要素和方向的變化，進(jìn)而影響了耕地?cái)?shù)量、結(jié)構(gòu)、功能等屬性變化。

基于本文的研究結(jié)果，從全流域及各地級(jí)市的耕地多功能現(xiàn)實(shí)情況，提出如下的耕地利用優(yōu)化策略。黃河流域（河南段）地域遼闊，各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、城鎮(zhèn)化進(jìn)程及氣候差異等因素導(dǎo)致耕地利用開發(fā)差異較大，且耕地社會(huì)與生態(tài)功能較弱。在黃河流域（河南段）各地市地理?xiàng)l件難以改變的情況下，需要重點(diǎn)解決耕地利用開發(fā)不平衡問題。構(gòu)建有利于各功能協(xié)同發(fā)展的政策機(jī)制。在政策上可以增加農(nóng)業(yè)投入專項(xiàng)資金，重點(diǎn)改善落后地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本條件，完善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的外部環(huán)境保障條件，穩(wěn)定耕地生產(chǎn)功能，提升生態(tài)功能與社會(huì)功能。同時(shí)，推動(dòng)其農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，提升耕地利用的規(guī)?；б?。黃河流域（河南段）耕地資源較為豐富，但單一種植業(yè)生產(chǎn)對(duì)農(nóng)民增收以及農(nóng)業(yè)發(fā)展推進(jìn)較為緩慢，應(yīng)嚴(yán)格把控耕地利用環(huán)節(jié)，推動(dòng)耕地多元化利用，不同農(nóng)作物交替種植，增強(qiáng)不同地區(qū)的生態(tài)安全水平。另外需要加強(qiáng)黃河流域（河南段）土地利用管理，保障耕地功能協(xié)調(diào)。嚴(yán)格控制建設(shè)用地不占或少占優(yōu)質(zhì)耕地，減少因產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)過度調(diào)整、建設(shè)用地濫占、亂占等原因產(chǎn)生耕地規(guī)模下降情況，政府應(yīng)從宏觀層面規(guī)劃不同片區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力布局，由增產(chǎn)轉(zhuǎn)向提質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)向更高形態(tài)、更高質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)型。保障耕地功能有效發(fā)揮，促進(jìn)耕地生態(tài)功能與生產(chǎn)、生活、文化功能相協(xié)調(diào)。

5 結(jié) 論

立足黃河流域（河南段）耕地資源稟賦，本文以耕地多功能理論為導(dǎo)向，構(gòu)建黃河流域（河南段）耕地多功能解析框架和功能分類評(píng)價(jià)體系，把耕地功能劃分為生產(chǎn)功能、社會(huì)功能、生態(tài)功能以及文化功能并揭示耕地多功能的演變規(guī)律，明確不同轉(zhuǎn)型階段黃河流域（河南段）的耕地主導(dǎo)功能，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用土地系統(tǒng)功能權(quán)衡度（LFTD）模型進(jìn)行權(quán)衡協(xié)同分析，探討耕地轉(zhuǎn)型過程中耕地多功能之間產(chǎn)生的復(fù)雜變化以及相互影響機(jī)制，主要結(jié)論如下：

1）1990－2020年黃河流域（河南段）耕地多功能整體呈現(xiàn)波動(dòng)式上升趨勢。由于糧食作物單產(chǎn)水平和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的提高，黃河流域（河南段）耕地生產(chǎn)功能持續(xù)增強(qiáng)；隨著農(nóng)民人均純收入提高，黃河流域（河南段）耕地社會(huì)功能指數(shù)也呈小幅度增長；同時(shí)化肥使用量的持續(xù)增加致使黃河流域（河南段）耕地生態(tài)功能指數(shù)在2010年之后出現(xiàn)下降趨勢；隨著文化投資以及農(nóng)業(yè)觀光園面積的增加，黃河流域（河南段）耕地文化功能持續(xù)增強(qiáng)。

2）根據(jù)功能層次性將1990－2020年耕地多功能變化分為6個(gè)階段。1990－1995、1995－2000、2000－2005、2005－2010年前4個(gè)階段，生產(chǎn)功能和生態(tài)功能處于主導(dǎo)地位，2010－2015、2015－2020年后兩個(gè)階段功能間發(fā)生復(fù)雜作用，生產(chǎn)功能和文化功能處于主導(dǎo)地位。

3）在不同階段耕地多功能之間的作用關(guān)系存在著“權(quán)衡關(guān)系為主-權(quán)衡協(xié)同關(guān)系相當(dāng)-權(quán)衡關(guān)系為主”的演化特征。生產(chǎn)、社會(huì)、生態(tài)與文化功能之間錯(cuò)綜復(fù)雜的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，以及6個(gè)時(shí)期主導(dǎo)功能的改變，共同佐證了黃河流域（河南段）在2010年前后完成了耕地功能方面的轉(zhuǎn)型。

4）耕地轉(zhuǎn)型影響因素關(guān)聯(lián)性隨時(shí)間變化而不同。1990－2020年影響因素關(guān)聯(lián)性變化顯示：城鎮(zhèn)化率、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、糧食總產(chǎn)量、第三產(chǎn)業(yè)占比是顯著影響因素。

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Spatial-temporal pattern evolution and trade-off relationship of cultivated land multifunction in the Yellow River Basin (Henan Section)

Niu Haipeng1,2, ZhaoXiaoming1, Xiao Dongyang1,2※, AnRan1, LiuMengmeng1

(1.,454000,;2.,,454000,)

Multi-functional trade-off and synergy of cultivated land can be accurately quantified to characterize the hidden form of cultivated land. In this study, the multi-functional analytical framework was constructed to evaluate the functional classification of cultivated land in the Yellow River Basin (Henan section) using the time series social and economic development data from 1990 to 2020. The function of cultivated land was firstly divided into the production, social, ecological, and cultural function. The multi-functional index of cultivated land was then calculated to reveal the multi-functionality evolution of cultivated land. The dominant function was clarified for the cultivated land at different stages of transformation. After that, a land system function trade-off degree (LFTD) model was selected for the trade-off and collaborative analysis. As such, the hidden form of cultivated land use was determined to explore the complex evolution and influence mechanism of cultivated land multi-function in the process of cultivated land transformation. The results showed that: 1) The multi-function of cultivated land showed a fluctuating upward trend from 1990 to 2020. Specifically, the production function of cultivated land continued to increase, due to the ever-increasing yield level of grain crops and the total power of agricultural machinery. The social function index of cultivated land also increased slightly with the increase of per capita net income of farmers. Nevertheless, a downward trend was found in the ecological function index of cultivated land, particularly for the use of chemical fertilizers after 2010. Fortunately, the cultural function of cultivated land increased significantly with the increase of cultural investment and agricultural sightseeing garden area. 2) Six stages were divided for the variation in the multifunctionality of cultivated land from 1990 to 2020, according to the functional hierarchy. The production and ecological functions were dominated in the first four stages of 1990-2010, while the production and cultural functions were in the last two stages of 2010-2020, indicating the more complicated relationship between functions. 3) The interaction among the production, social, ecological, and cultural functions of cultivated land showed the evolution characteristics of “trade-off was dominant-trade-off and synergistic is balanced-trade-off is dominant” from 1990 to 2020. A significant transformation was observed in the cultivated land function after 2010. 4) The correlation coefficients were varied with the time from 1990 to 2020, in term of the influencing factors of cultivated land transformation. Moreover, the significant influencing factors were also determined as the urbanization rate, total power of agricultural machinery, total grain output, and proportion of tertiary industry. The hidden morphological changes of cultivated land were greatly contributed to the transformation of cultivated land use. The finding can provide a strong reference to construct the regulation path of the green transformation and the evolution process of human-land relationship for the sustainable use of cultivated land.

land use; cultivated land multifunction; trade-off/synergy; recessive morphology; function trade-off degree model of land system; Yellow River Basin (Henan Section)

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.024

F301.21

A

1002-6819(2022)-23-0223-14

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Niu Haipeng, Zhao Xiaoming, Xiao Dongyang, et al. Spatial-temporal pattern evolution and trade-off relationship of cultivated land multifunction in the Yellow River Basin (Henan Section)[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(23): 223-236. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.024 http://www.tcsae.org

2022-09-24

2022-11-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42271283；42201297）；河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（22IRTSTHN008）

牛海鵬，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理。Email：niuhaipeng@126.com

肖東洋，博士，講師，研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理。Email：xdyhpu@163.com