钱凤魁，迟艳茹，徐 欢，逄然然，王思琢，李洪兴，温 礼

（1.沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110161；2. 耕地立体保护与监测重点实验室，辽宁 沈阳 110161；3.辽宁省自然资源事务服务中心，辽宁 沈阳 110011；4.中国国土勘测规划院，北京 100035）

耕地是我国最宝贵的自然资源，是农业生产最基本的物质条件，是粮食有效供给和粮食安全最根本的保障基础[1]。随着生态文明建设等国家战略的不断深入，耕地功能逐渐迎合多元发展目标需求，充分发挥耕地复合价值[2]，提高耕地保护主体积极性，缓解耕地保护乏力局面，实现保数量、保质量、保生态的“三位一体”保护[3]。受不同社会经济发展阶段对耕地功能认知和需求影响，耕地功能呈现层次性发展趋势[4]。国内学者对耕地多功能的研究也从早期内涵释义、功能分类、功能评价到目前更加注重耕地多功能指标体系框架构建、驱动机制以及多功能的权衡协调关系[5]，部分学者对耕地多功能进行了分区评价与格局优化研究，剖析了耕地多功能演化的主要驱动要素，实现了耕地多功能定性到定量研究的转变，应用的方法包括聚类分析[6]、协调度模型[7]、权衡测度模型[8]、空间叠置分析[9]、灰色关联度分析[10]、全排列多边形图示法[11]、冷热点识别[12]及空间自相关分析等[13]，其中，空间自相关分析法不仅具有空间依赖度可视化的特点，还有提供描述功能权衡协同关系的优势。能够有效缓解耕地保护空间与功能冲突不平衡的矛盾，优化耕地保护新的空间格局，在耕地保护研究中应用广泛[14-15]。总之，众多学者对耕地多功能开展了广泛研究，但较少考虑耕地多功能时空演变格局异质性及功能间权衡协同关系，并且在微观网格尺度实现耕地多功能定位化、精准化的研究也较为鲜见。

基于此，本文以沈阳市为研究区域，在耕地生产保障、生态服务、景观美育和社会保障功能四项一级分类体系下，依托提供服务的耕地功能与人类生存发展“需求”间的关系构建耕地多功能评价指标体系，通过ArcGIS软件平台将沈阳市耕地空间划分为10 km×10 km规则格网，利用2006年和2020年遥感影像数据，在归纳耕地多功能空间分布特征基础上，通过空间自相关分析，确定耕地多功能权衡协同关系，以期为耕地多功能协调发展和空间合理布局提供实施路径和理论借鉴。

1 研究区域与数据处理

1.1 研究区概况

沈阳市位于中国东北粮食主产区南部、辽宁省中部，南连辽东半岛，北依长白山麓，位处北纬41°11′51″～43°2′13″、东经122°25′9″～123°48′24″之间。地貌以平原为主，山地、丘陵集中在东南部，辽河、浑河、秀水河等途经境内，地势由东北向西南倾斜，逐渐开阔平坦，平均海拔30～50 m。沈阳市属于温带半湿润大陆性气候，全年降水量600～800 mm，四季分明。耕地资源主要位于康平县、法库县、新民市、辽中区，其分布面积由西北向东南递减。

1.2 数据来源与处理

主要数据来源：（1）农林牧渔业从业人员及化肥、农药、地膜使用量来源于2007年和2021年《沈阳农村统计年鉴》和《沈阳统计年鉴》。（2）2006年和2020年耕地信息分别提取自地理空间数据云平台提供的Landsat 4-5TM和Landsat 8oli遥感影像（http://www.gscloud.cn/）。（3）耕地香农多样性、香农均匀度、破碎度等指数通过ArcGIS的分割工具和Fragstats 4.2软件计算得到。（4）耕地连片度以提取耕地信息为基础，利用ArcGIS中buffer工具建立10 m缓冲区得到[16]。（5）植被覆盖度利用ENVI 5.1提取植被NDVI值得到。

数据处理包括：（1）在波段合成、图像镶嵌、图像裁剪等影像预处理基础上，采用支持向量机（support vector machines, SVM）方法进行影像监督分类，精度检验达85%以上。（2）为避免不同时期地类变化对耕地多功能信息产生影响，通过获得相应时期遥感影像解译数据和采用单位面积耕地功能大小的变化来表达耕地功能变化[17]。（3）建立10 km×10 km空间格网，运用ArcGIS分析工具下的标识工具提取各个格网的数据信息，再利用格网FID进行单个格网数据汇总。

2 研究方法

2.1 耕地多功能内涵解释与分类

耕地功能是耕地系统提供满足人类生存与发展所需产出的能力[18]，是破解人类社会发展需求与耕地资源短缺问题的关键。从系统论角度看，耕地多功能主要受两部分影响，一是耕地本质属性，耕地本身要素结构组成不同致使耕地功能存在差异；二是人类社会发展需求，受人的需求转变，耕地功能表现程度不一。所谓功能是事物本身具有的一种能力[19]，不以人的意志为转移。随着人需求不断增加，耕地某些潜在功能逐渐显化，耕地能满足人需要的多种功用和服务[20]。基于此，将耕地功能分为生产保障、生态服务、景观美育和社会保障功能。

2.2 耕地多功能评价单元划分以及指标体系构建

2.2.1 耕地多功能评价单元划分

耕地功能数据主要包括栅格和矢量数据以及社会经济数据。以行政单元为界线展开，具有涵盖范围大小不一且内部属性均质的特性，致使耕地多功能数据间存在空间单元不匹配、数据结构无法融合的问题[21]。鉴于格网尺度的选择决定了数据计算量大小，当精细化程度要求较高时，不仅涉及到的因子及其相互关系复杂，易造成数据冗余，而且缺少村级以下检验参照数据，而过大格网尺度则无法体现空间单元内部非均质化作用。已有研究结果表明不同尺度的格网适宜不同地貌特征和土地利用类型的分析，其适宜性显示在1 km×1 km到20 km×20 km之间随着高程值增加格网大小相应增加，随着土地利用类型总体变化程度的减弱格网大小也要相应增加[22]。因此考虑研究区地貌特点、耕地类型及分布、各类数据的可获得性以及信息保留度等，运用GIS软件Data Management工具下的Create Fishnet工具创建10 km×10 km格网作为耕地多功能评价单元，以准确反映耕地功能评价指标数据的空间真实分布状况。

2.2.2 耕地多功能评价指标筛选

耕地功能与指标并非简单的一一映射关系。一种功能可由多个指标表达，同时一个指标也能表征多种功能[22]。从供给角度看，耕地功能受耕地系统承载能力制约，但作用于耕地的经营者也使耕地管理活动多样化，从需求角度看，耕地多功能可以视为社会或个体耕地需求变化的结果[23]。因此，本文在供需理论基础上，进一步结合数据的可获得性与主成分分析的指标筛选结果，构建涵盖10项准则层，17项指标层的耕地多功能评价指标体系，具体指标见表1。

表1 沈阳市耕地多功能评价指标体系及权重Tab.1 Evaluation index system and weight of multifunctional cultivated land in Shenyang City

（1）生产保障功能：生产功能是耕地最根本的功能，对保障国家粮食安全具有重要意义。耕地生产功能主要体现在耕地生产潜力和生产活动上。从供给方面考虑，受限于耕地本底条件和人为管理活动，质量优良管理有序的耕地更易于实现生产功能。从需求角度考虑，受人们生理需求向高品质、多样化、生态化需求转变驱动，耕地生产功能既要有数量上保障，也要有质量上保障。因此选择反映土地资源利用程度和结构的土地垦殖率指标、反映人口和耕地面积信息的人均耕地面积指标、反映人口与耕地粮食生产能力的人均粮食保证率指标、反映耕地功能质量的粮食品质安全保障指标[24-26]。

（2）生态服务功能：耕地生态功能不仅承载了人们对环境施加的压力而且还满足了人们对耕地固碳释氧等气候调节和维持生物多样性的需求。本文选取固碳释氧量作为作物吸收CO2和释放O2以及进行大气组分调节的重要测量指标[27]。生物多样性以耕地破碎度指标表达，通过选取耕地斑块数量、斑块密度、斑块边界密度和斑块分离度指数构建耕地破碎度评价指标体系[28]。化肥、农药和地膜施用量是农业主产区保护生态环境的主要壁垒，反映了化学物质投入对生态环境造成的负向压力，其值越大越不利于保障耕地生态功能。

（3）景观美育功能：耕地景观功能主要体现耕地作为景观文化的载体，提供了风景美学、休闲娱乐等服务价值。在耕地连片度、优势度和聚集度等角度反映了耕地与林地、水域等形成的高功能景观组合、高植被覆盖景观更受人青睐，其中地形起伏度是增加耕地景观观赏价值的重要途径，更能体现景观美学价值。本文考虑耕地在视域景观内的耕地连片开阔性、地物错落有致及地形起伏性、作物生长的茂盛性和有助于提高景观美学质量的景观异质性，选取耕地景观连片度、香农多样性指数、香农均度度指数、景观优势度指数和植被覆盖度构建耕地景观美育功能指标[29]。

（4）社会保障功能：耕地社会保障功能主要体现在提供就业载体和生活保障的价值能力。社会保障功能主要受人的需求影响，并与社会发展休戚相关。这里主要考虑社会保障功能的就业保障和经济保障。耕地就业保障主要是维持社会安定和缓解就业压力保障从业人数，社会稳定体现在乡城居民收入水平比，耕地经济保障指标主要体现单位耕地面积产值[30]。

2.2.3 评价指标标准化处理及指标赋值

耕地各功能指标值内涵性质不同，具有不同的量纲。直接进行分析将会削弱数值水平较低的指标值，造成综合分析结果偏差。因此，采用极差标准化法进行指标标准化。

式（1）中：Yij为指标标准化后的指标值；Xij为第i年第j指标的实际值；Xjmax为指标中的最大值；Xjmin为指标中的最小值。

指标标准化后，采用模糊优选模型进行耕地多功能评价[31]，建立目标函数如下：

令F（ui）对ui的导数为0，即可解得耕地格网Ai各项功能的隶属度：

式（2）—式（3）中：ui为隶属度；wj为第j个指标的权重；p为距离参数，取欧氏距离p值为2。其中，指标权重是在指标正向化基础上[32]，通过SPSS 23.0的主成分分析法运算确定。

2.3 耕地多功能权衡与协同分析

耕地功能相关性分析为加强耕地多功能协调发展奠定了基础。由于地理空间数据分布往往具有非线性和非正态特征，因而应用非参数相关性分析[12]。本文采用斯皮尔曼秩次相关系数分析功能间权衡协同关系。权衡表示同一时间段内不同耕地功能产生相反方向变化，即一种功能变化会引起另一种功能朝相反方向变化。协同表示耕地功能同向变化，在同一时间段内相互促进。假设X、Y为两个随机变量，元素个数均为n，两个随机变量取的第i（1≤i≤n）个值分别用Xi、Yi表示。对X、Y同时进行升序或降序排列，得到排行集合x、y，其中xi、yi分别为Xi在X中的排行及Yi在Y中的排行，斯皮尔曼秩次相关系数ρ计算公式如下：

式（4）中：ρ为正，表示功能间存在空间协同；ρ为负，表示功能间存在空间权衡；ρ不显著，则表示功能间存在空间独立。

2.4 耕地多功能空间演变趋势研究

2.4.1 耕地多功能全局自相关

宋小青等学者提到耕地具有空间效应，特定地域必然存在与其相适应的耕地多功能空间结构[23]，因此，为准确分析耕地多功能空间分布特征，本文采用空间自相关分析法，通过全局空间自相关检验，表达研究区整体空间依赖程度，计算公式如下：

式（5）中：xi为格网i的耕地各项功能值；xj为格网j的耕地各项功能值；n为研究区格网个数；为平均值；Wij为空间权重矩阵。空间权重矩阵可以由诸如距离方式、面积方式、可达度方式等方法来确定。基于Threshold Distance创建的权重矩阵往往导致各点之间不均衡的连接结构，因此，选择K-Nearest Neighbor创建空间权重矩阵[33]。

2.4.2 耕地多功能局部自相关

局域Moran’s I方法是将全局Moran’s I方法分解到局域空间上，即针对空间每一个分布对象。反映了空间异质性，能够揭示空间单元与其领域的相似程度，计算公式如下：

2.5 耕地多功能组合类型及协同分区

在耕地生产、生态、景观和社会功能测算及协同权衡关系判定基础上，根据耕地各功能分值、协同和权衡类型和程度，按照高低程度的相关类型关系及排列组合特征划分耕地多功能协同分区，大致可划分为高协同区、低协同区、单功能协同区、双功能协同区和多功能协同区。

3 结果与分析

3.1 耕地多功能演变趋势及空间分布特征

沈阳市耕地各项功能空间分布特征及变化幅度差异明显，从图1中可以看到：（1）生产保障功能总体较强，呈西北向东南递减之势。功能高值区主要分布在康平县、法库县、新民市、辽中区等农业主产区内，区县内耕地自然基础条件优越，基础设施完善，农业产业化、现代化和机械化发展较快，综合生产效率高。随着时间变化，生产保障功能增幅趋势与目前生产水平出现反向变动，即呈东南增长而西北下降趋势，其中最高值分布区由法库县附近向北转移，最低值分布区于苏家屯区和浑南区东部得到一定提升。总体上高值区与低值区空间分布特征差异明显，但差距在逐渐缩小。（2）生态服务功能总体较强，但呈减弱趋势。随着时间变化，由城市周边向中心城区内锐减，而向外高值均匀扩散转为由周边向西部递减，并形成一定范围，同时中心城区仍是生态脆弱区。（3）景观美育功能总体较强，且强化趋势明显。表明植被覆盖度和景观多样性不断提高，景观类型增加且分布逐渐均衡化。空间分布特征由中西部低南北两侧较高转变为沿水系和林地等土地利用类型为主，四周高值均匀分布的空间格局，高功能景观组合逐渐显化，景观美学价值较高。（4）社会保障功能总体偏弱，但呈增强趋势。局部空间分布上表现为沿沈北新区至苏家屯方向弱化，北部及西南部增强。

图1 沈阳市耕地功能空间分布Fig.1 Spatial distribution of multifunctional cultivated land in Shenyang City

3.2 耕地多功能权衡与协同的时空格局及其变化

（1）耕地多功能权衡与协同的时序演变。耕地各项功能间权衡协同作用方向及强度随时间变化呈现出不同程度转变，整体上并无统一趋势。如表2所示：①生产—景观功能由权衡关系转变为协同关系，耕地生产过程中不仅保障了粮食安全，而且为人们提供了耕作风景。随着耕地生产功能增强，耕地保护与粮食安全形势下，耕地规模化实现耕地聚集连片，耕地斑块均质性提高，耕地美学价值不断提升。②生态—景观功能始终维持着权衡关系，且权衡程度不断增强，由2006年的0.463增长到2020年的0.608。通常认为有一定起伏变化的开阔场景更能调动人们的美学意识，缓解视觉景观的疲劳性，同时该场景由于具有一定地形起伏，伴随耕地化肥农药等化学品投入增加，会导致高强度作物种植引发水土流失和污染扩散等生态环境问题。③生态—社会功能由协同关系转变为权衡关系。随着耕地利用的人为干扰程度加大，且耕地生产功能高值区域往往因化肥投入不合理造成区域面源污染，从而削弱了耕地气候调节等其他生态服务效应。④2006年生产—生态与2020年景观—社会功能表现为协同关系，可能是因为2006年耕地利用过程中主要以劳动力投入为主的粗放利用，耕地区位条件和自然条件较好，施用化肥农药等相对较低，耕地固碳释氧能力较强；2020年随着种植结构多样化以及农业产业的发展带动了耕地产值和人均收入增加，也丰富了耕地景观。

表2 沈阳市耕地各项功能间的斯皮尔曼秩次相关系数Tab.2 Spearman correlation coefficients among cultivated land functions in Shenyang City

（2）耕地单功能权衡与协同的空间格局及变化。耕地功能权衡协同空间格局采用Global Moran’s I值和空间上HL或LH权衡关系与HH或LL协同关系加以表明。表3中可以看出，耕地各项功能均在1%统计水平下显著正向相关，表明耕地各功能在空间上具有显著协同关系且集聚性较强，但协同程度存在差异。2006年协同度表现为：生产功能＞社会功能＞景观功能＞生态功能；2020年协同度表现为：生产功能＞社会功能＞生态功能＞景观功能，表明生产和社会保障功能的协同性较强且相对稳定，生态和景观功能协同关系强弱存在一定波动。在全局Global Moran’s I值随时间变化过程中，除社会保障功能值上升，其余均呈不同程度下降趋势，表明生产、生态、景观美育功能空间协同性和集聚性逐渐减弱，社会保障功能协同性和集聚性增强。

表3 沈阳市耕地多功能单变量全局空间自相关指数Tab.3 Univariate Global Moran’s I of multifunctional cultivated land in Shenyang City

为进一步挖掘耕地多功能空间格局，对单项功能进行局部自相关分析，结果如图2所示：整体上，各类耕地功能权衡与协同区数量特征相似，即非显著性区域数量最多，其次为协同区，最少为权衡区。局部上，各功能空间格局及数量存在差异。①耕地生产功能空间集聚性最高，空间格局变动较平稳。协同区呈连片型分布在北部和南部，其中HH协同区逐渐向北转移，LL协同区在东南部逐渐缩减。②耕地生态服务功能空间格局变动较大。HH协同区在东中部显著性消失，在北部边缘呈带状出现。中心城区的LL协同区收缩，周围有少量权衡区零星分布，无明显集聚特征。LL协同区在西部出现较高集聚特征。③耕地景观美育功能空间格局变动较大。权衡区所占比例始终较少，无明显聚集趋势。LL协同区大幅缩减，极少分布。景观功能整体表现为HH协同，多分布在水域和林地附近。④耕地社会保障功能空间格局变动相对平稳。北部LL协同区显著性消失，南部的HH协同区增多，呈向外扩散趋势。

图2 沈阳市耕地多功能单变量局部空间自相关集聚图Fig.2 Univariate Local Moran’s I gradation map of multifunctional cultivated land in Shenyang City

（3）耕地功能间权衡与协同的空间格局及变化。为进一步加强了解耕地多功能权衡协同空间格局，在前文单变量空间自相关基础上开展双变量空间自相关研究。在表4中，2020年生产—生态和生产—社会功能未通过5%统计水平下显著性检验，故只对其余4组功能关系进行分析。从图3中可以看到整体上，耕地功能间空间权衡性和连片性较明显，协同程度呈增强趋势。局部上，功能间权衡协同关系空间格局差异较大，但各组功能间存在重叠区域。①生产—景观功能Global Moran’s I值随时间变化由负变正，表明功能间权衡关系转变为协同关系。HH协同区逐渐在中部聚集；LL协同区数量较少，没有明显空间分布规律；HL权衡区在西部显著性消失；LH权衡区始终零散分布在HH协同区附近。②生态—景观功能维持权衡关系。生态—景观功能权衡协调区与生产—景观权衡协调区在空间上存在重叠，且随着时间变化分别由权衡区空间分布转变为HH协同区和LH权衡区空间分布。③生态—社会功能Global Moran’s I值随时间变化由正变负，功能间协同关系转为权衡关系。HH协同区数量较少，零散分布在LH权衡区附近；北部LL协同区缩减。④景观—社会功能Global Moran’s I值随时间变化由负变正，表明功能间权衡关系转为协同关系。景观—社会功能权衡协同区与生态—社会功能权衡协同区在空间分布上存在重叠。耕地景观—社会功能的HH协同区由零散分布向南部集聚；HL和LH权衡区缩减。

表4 沈阳市耕地多功能双变量全局空间自相关指数Tab.4 Bivariate Global Moran’s I of multifunctional cultivated land in Shenyang City

图3 沈阳市耕地多功能双变量局部空间自相关集聚图Fig.3 Bivariate Local Moran’s I gradation map of multifunctional cultivated land in Shenyang City

3.3 耕地多功能组合分类及协同管控

沈阳市耕地多功能权衡协同区具有明显空间异质性和重叠性，因此，在耕地多功能空间分布特征的基础上，结合耕地多功能时空演变趋势和空间集聚图，依据排列组合特征进行功能分区，实现耕地多功能协调配置，如表5所示。由于区域的自然生态条件以及经济社会发展水平条件的差异性，沈阳市耕地多功能特征及协同权衡关系呈现出明显的空间异质性特征，因此可将沈阳市耕地功能划分为高协同区、低协同区、单功能协同区、双功能协同区和多功能协同区。其中耕地多功能协同区内各项功能均表现为高协同，低权衡。单功能主导区为单一功能高值集聚，同时与其他功能类型具有较强权衡关系。双功能协同区为双功能高值协同，其余功能权衡关系较强。多功能协同区为多个功能高值协同，且与其他功能权衡。

表5 耕地多功能分区标准Tab.5 Zoning standard of multifunctional cultivated land

沈阳市耕地功能组合分类中占比最大是单功能主导区，主要以生产功能主导为主要类型，其次是耕地生产功能与生态或景观或社会双功能协同区，再次为耕地生产—生态—景观协同区。该类型组合突出体现了沈阳市作为了辽宁省粮食主产区的耕地生产优势。在人地关系紧张背景下，沈阳市作为保障城市发展的重要经济载体和粮食安全的生产载体，需要充分重视耕地生产功能，最大可能的提升耕地质量和粮食产能，保障社会的稳定和农业可持续利用，在此基础上发挥好耕地生态服务功能、景观美育功能优势，采取差别化发展模式。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文以沈阳市为研究区，构建耕地生产保障、生态保障、景观保障和社会保障功能四项一级分类体系，在明晰耕地多功能内涵基础上，应用需求理论和权衡协同关系开展10 km×10 km格网尺度的时空动态研究，分析了耕地各功能的时间演变和空间权衡关系，可获得格网尺度耕地功能组合，优化耕地多功能空间配置。

（1）2006—2020年沈阳市耕地功能呈现不同变化趋势。整体上，耕地生产、生态、景观美育功能较强，社会保障功能较弱，高值区与低值区空间分布差异明显。在时间上，耕地生产、生态服务功能呈减弱趋势，景观、社会保障功能呈增强趋势。生产—景观功能由权衡关系转变为协同关系；生态—景观美育功能权衡程度不断加强；生态—社会保障功能由协同关系转变为权衡关系。

（2）耕地单项功能空间显著协同且集聚性较高。时间序列上表现为生产、生态、景观美育功能空间协同性减弱，社会保障功能协同性增强。空间格局上表现为生产、社会保障功能相对稳定，景观、生态服务功能波动较大。总体呈协同区连片聚集分布，权衡区零星分散。

（3）耕地功能间整体呈空间权衡性且连片分布，协同程度呈增强趋势。局部权衡协同空间格局存在重叠区域，生态—景观与生产—景观美育功能权衡协调重叠区呈带状沿水域和林地区扩散；景观—社会与生态—社会保障功能权衡协同重叠区分布在南北两侧。

（4）沈阳市耕地多功能权衡协同区具有明显空间异质性和重叠性，通过空间格网内耕地功能排列组合，可划分为单功能主导区，双功能协同区、多功能协同区、高协同区和低协同区。针对格网内存在的功能短板，通过特定区域模式调整，实现耕地多功能协调发展，科学配置耕地。

4.2 讨论

（1）耕地多功能的研究主要受制于社会经济数据可获取性与统计精度，多以行政区作为评价单元，缺乏空间尺度更为精细研究，难以揭示耕地多功能权衡协同时空一致性特征。本文打破原有行政界线，将沈阳市耕地多功能空间化到10 km×10 km 的地理空间格网，相比于以往的行政区尺度研究结果[34-35]，耕地多功能权衡协调研究结果空间信息表达更为准确，多功能分类组合更为明确以及管控措施更为合理。

（2）耕地系统是一个综合和复杂的多功能系统，耕地功能之间存在偶然和必然的权衡和协同关系，因此耕地多功能评价需要从宏观尺度建立统一、完善、被广泛接受认可的耕地多功能评价体系，从必选指标和参选指标角度开展耕地多功能评价指标体系构建，力求实现耕地多功能结果区域之间的可比性，为完善国土空间三区三线划定提供重要的科学支撑。

（3）耕地多功能合理配置、协调发展是一个不断完善的过程，未来将通过构建空间计量模型进行耕地多功能驱动机制分析，实现与耕地自然资源条件、社会经济条件、农业政策相连接，提高耕地多功能协调发展的实践性，并在目前耕地多功能时空分析的基础上，增加耕地多功能研究的时间点，充分发掘耕地多功能潜力及加强耕地多功能研究的动态性。深化耕地本底条件和社会意愿在耕地功能研究中的作用，提高耕地多功能认知，实现耕地多功能价值最大化，以促进耕地多功能保护。