楊鳳妍子，胡偉艷，劉 恬，張絲雨

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公 共管理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

自20世紀(jì)70年代以來，單一功能的生產(chǎn)性農(nóng)業(yè)已對全球的土壤質(zhì)量、糧食安全、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)村活力造成巨大影響。作為農(nóng)業(yè)經(jīng)營的最主要元素，耕地多功能現(xiàn)已被視為維持世界各國農(nóng)業(yè)與農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展的策略。我國用占全球7%的耕地養(yǎng)活了全球22%的人口，但是隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，耕地資源大量流失，一些地區(qū)污染嚴(yán)重，耕地質(zhì)量退化。2013年以來，我國政府明確實(shí)施生態(tài)文明建設(shè)、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和國土空間規(guī)劃，提出挖掘鄉(xiāng)村的多種功能價(jià)值，發(fā)揮有限耕地資源的多種功能，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用。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，耕地各功能之間存在著此消彼長的權(quán)衡與相互促進(jìn)或抑制的協(xié)同關(guān)系。如何用較小的成本權(quán)衡與協(xié)同耕地多功能，尋求可持續(xù)的農(nóng)業(yè)和農(nóng)村發(fā)展，已成為破解我國“三農(nóng)”問題，讓“農(nóng)業(yè)更強(qiáng)、農(nóng)民更富、農(nóng)村更美”的策略問題。

權(quán)衡與協(xié)同不僅包含主體和可逆的權(quán)衡與協(xié)同，也包含時(shí)間和空間的權(quán)衡與協(xié)同，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要從空間尺度上圍繞行政尺度或柵格尺度開展耕地多功能研究，或從時(shí)間尺度上探究權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時(shí)空演變特征。例如，董鵬宇等從柵格尺度分析了上海市青浦區(qū)耕地多功能的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系；朱慶瑩等利用2000—2013年的數(shù)據(jù)從縣(市、區(qū))尺度分析揭示了湖北省耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同的時(shí)空格局與變化規(guī)律；Raudsepp-Hearne等以加拿大魁北克為例，研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間的關(guān)系在3種柵格尺度上的變化規(guī)律；Stürck等檢驗(yàn)了不同的柵格尺度設(shè)計(jì)如何影響歐盟景觀多功能評估的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)景觀多功能性取決于分析的空間尺度?？偟膩砜?，當(dāng)前關(guān)于耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同的研究尺度比較單一，且較少涉及多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的尺度效應(yīng)，尤其是行政管理的尺度效應(yīng)。

開展行政管理的多尺度研究，可為不同層級政府的協(xié)同合作提出差異化政策建議，在一定程度上，有利于具體政策的實(shí)施。在我國，中央政府通過建立委托代理機(jī)制實(shí)現(xiàn)對耕地的管理，省級以下政府通過層層委托、分級代理的半垂直管理體系將權(quán)限逐級下放。由于委托代理鏈較長，不同行為主體保護(hù)耕地的意愿、行為、目標(biāo)存在顯著差異，耕地多功能的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系亦可能存在顯著的尺度效應(yīng)。武漢城市圈作為國內(nèi)許多發(fā)展迅速的城市圈的典型代表，選其作為研究對象，既有利于對典型城市圈耕地多功能的解讀，也能為引導(dǎo)長江中下游和我國中部典型區(qū)域的耕地多功能有序可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

武漢城市圈位于我國中部，湖北省東部，以武漢市為核心，覆蓋黃石、黃岡、鄂州、孝感、咸寧、潛江、仙桃、天門9個(gè)城市，總面積5.78萬km。據(jù)統(tǒng)計(jì)，武漢城市圈2019年常住人口3 192.5萬，地區(qū)生產(chǎn)總值27 681.5億元，分別占全省的53.96%和60.40%，是湖北經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域。2007年，武漢城市圈經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)為全國資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，2016年底，武漢市正式獲批國家中心城市建設(shè)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，武漢城市圈建設(shè)用地需求增加，耕地面積自1990年的302.9萬hm下降至2015年的277.3萬hm。根據(jù)《中國耕地質(zhì)量等級調(diào)查與評定(全國卷)》，武漢城市圈耕地質(zhì)量優(yōu)良，是我國重要的商品糧棉油生產(chǎn)基地。2017年國務(wù)院印發(fā)的《全國國土規(guī)劃綱要(2016—2030年)》將武漢城市圈劃分為人居生態(tài)與優(yōu)質(zhì)耕地維護(hù)區(qū)。這意味著武漢城市圈在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，面臨耕地保護(hù)的巨大壓力。耕地具有多功能特性，如何尋求武漢城市圈耕地多功能的協(xié)同發(fā)展，積極引導(dǎo)國土空間規(guī)劃，優(yōu)化城鎮(zhèn)空間、農(nóng)業(yè)空間和生態(tài)空間，加強(qiáng)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)“三位一體”保護(hù)，已成為武漢城市圈發(fā)展中面臨的重要課題。

1.2 數(shù)據(jù)來源

各級行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于2015年度國家級土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫。人口和GDP空間分布千米格網(wǎng)數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺獲取，并通過ArcGIS 10.4軟件的空間連接工具和匯總統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)工具匯總至各級行政單元。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2018年湖北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒，氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺。百度地圖POI(興趣點(diǎn))數(shù)據(jù)是利用Python 3.6軟件在百度地圖開放平臺中采用“農(nóng)業(yè)園、休閑農(nóng)莊、農(nóng)家樂、采摘”等關(guān)鍵詞爬取的武漢城市圈內(nèi)農(nóng)家樂的名稱、地點(diǎn)和地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度)，并通過ArcGIS 10.4軟件進(jìn)行空間化。

土地利用數(shù)據(jù)的處理流程如下：(1)結(jié)合野外實(shí)測資料和相關(guān)地理圖件對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理，通過人機(jī)交互解譯獲取土地利用數(shù)據(jù)，并檢驗(yàn)數(shù)據(jù)精度(耕地?cái)?shù)據(jù)精度不低于85%，非耕地?cái)?shù)據(jù)精度不低于80%)；(2)結(jié)合行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.4軟件進(jìn)行柵格裁剪處理，獲得各級行政單元的土地利用數(shù)據(jù)，對耕地和非耕地進(jìn)行柵格重分類，將耕地賦值為1，非耕地賦值為0；(3)運(yùn)用ArcGIS 10.4軟件3D分析工具中的柵格計(jì)算器獲取各級行政單元耕地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3 耕地多功能多尺度評價(jià)

本文從市(含副省級城市、地級市、省直管市)、縣(市、區(qū))、鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)、耕地管理場地4級尺度，以下分別稱為市級尺度(=9)、區(qū)縣尺度(=39)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度(=474)和場地尺度(=52 833)，探討武漢城市圈耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同的關(guān)系。其中，最小尺度對應(yīng)于正在對耕地進(jìn)行單獨(dú)管理的場地或場地尺度，在空間上用1 km×1 km的耕地格網(wǎng)表示。

充分考慮武漢城市圈耕地的特殊性，并結(jié)合已有研究成果，本文將耕地功能劃分為生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、社會功能和景觀功能4類，分別從4級尺度構(gòu)建耕地多功能評價(jià)指標(biāo)體系開展研究。將具體的指標(biāo)釋義整理于表1，并將技術(shù)路線總結(jié)于圖1。

1.3.1 生產(chǎn)功能

生產(chǎn)功能是耕地最基本和最核心的功能，主要指人類通過勞動控制耕地上農(nóng)作物生長發(fā)育并取得糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的能力。武漢城市圈內(nèi)經(jīng)濟(jì)作物的播種面積占比較大，若僅考慮各類作物的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，可能會造成評價(jià)結(jié)果失真。為此，分別從作物產(chǎn)量和產(chǎn)值2方面綜合選取地均糧食作物產(chǎn)量、地均經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量和地均農(nóng)業(yè)增加值表征耕地的生產(chǎn)功能。在市級尺度、區(qū)縣尺度和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上，地均糧食作物產(chǎn)量、地均經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量和地均農(nóng)業(yè)增加值分別通過糧食作物總產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)作物總產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)增加值比土地總面積進(jìn)行量化。

圖1 武漢城市圈耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同研究的技術(shù)路線Fig.1 Technical roadmap of trade-offs and synergies of multifunction of cultivated land

表1 耕地多功能評價(jià)指標(biāo)體系

在1 km×1 km的場地尺度上，糧食作物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)增加值的計(jì)算過程如下：

(1)

式(1)中：表示第個(gè)縣(市、區(qū))內(nèi)第個(gè)耕地管理場地的糧食作物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量或農(nóng)業(yè)增加值，表示第個(gè)縣(市、區(qū))相應(yīng)的糧食作物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量或農(nóng)業(yè)增加值，表示第個(gè)縣(市、區(qū))內(nèi)第個(gè)耕地管理場地的耕地總面積，表示第個(gè)縣(市、區(qū))的耕地總面積。

1.3.2 生態(tài)功能

生態(tài)功能是指耕地生態(tài)系統(tǒng)與林地、草地、水域等共同維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的能力。在耕地生態(tài)系統(tǒng)中，各類作物在生長期間通過呼吸作用與光合作用維持碳氧平衡，并發(fā)揮著涵養(yǎng)水源的功能。同時(shí)，耕地生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)作物種類的多樣性也對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用。然而，農(nóng)作物生產(chǎn)過程中化肥、農(nóng)藥的不合理使用則會對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成直接破壞?；诖?，綜合選取地均化肥使用強(qiáng)度、地均固碳釋氧量、農(nóng)耕多樣性和水源涵養(yǎng)能力表征耕地的生態(tài)功能。其中，固碳釋氧量借鑒劉利花等的方法，采用造林成本法和瑞典碳稅法估算耕地生態(tài)系統(tǒng)固定CO的價(jià)值，采用造林成本法和制氧工業(yè)法估算耕地生態(tài)系統(tǒng)釋放O的價(jià)值；水源涵養(yǎng)能力的計(jì)算過程參考秦嘉勵等的研究，采用綜合蓄水能力法分別從土壤層蓄水量和農(nóng)作物冠層降水截留率測算。

1.3.3 社會功能

社會功能是指耕地保障糧食安全和承載農(nóng)民就業(yè)、養(yǎng)老等服務(wù)的能力。由于武漢城市圈內(nèi)農(nóng)民生計(jì)仍大量依附自產(chǎn)食物，因此耕地還具有社會保障的功能?；诖?，綜合選取人均耕地面積、糧食自給率、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比重共同表征武漢城市圈耕地的社會功能。

1.3.4 景觀功能

景觀功能是指以景觀為基礎(chǔ)，耕地為人類提供的美學(xué)享受、休閑游憩、文化教育等服務(wù)，主要表現(xiàn)為耕地景觀自然資源本底質(zhì)量與獲取便捷性2方面。從耕地景觀的自身?xiàng)l件出發(fā)，綜合考慮耕地田塊規(guī)整程度、集中連片特征，以及研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)觀光園的分布特征，綜合選取景觀集聚度指數(shù)(CONTAG)、耕地田塊規(guī)整度(PAFRAC)和地均農(nóng)業(yè)觀光園個(gè)數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)共同量化市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上武漢城市圈耕地的景觀功能。在場地尺度上，采用耕地格網(wǎng)到最近農(nóng)業(yè)觀光園的距離和到最近縣鄉(xiāng)級以上道路的距離2項(xiàng)指標(biāo)來量化耕地的景觀功能。

1.4 耕地多功能測度

本研究擬在4個(gè)尺度下分別進(jìn)行耕地的多功能測度。雖然不同尺度下的樣本數(shù)量不同，但測算思路與計(jì)算過程相同。為使行文更加簡明，以下以任一尺度為例，對耕地多功能測度的過程進(jìn)行介紹，各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算均對應(yīng)于同一尺度。

1.4.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與熵權(quán)法確定權(quán)重

為克服各評價(jià)指標(biāo)的量綱差異，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，對于正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)分別按式(1)、(2)進(jìn)行處理。

=[-min()][max()-min()]；

(1)

=[min()-][max()-min()]。

(2)

式(1)、(2)中：表示第個(gè)樣本第項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)值，max()、min()分別表示第個(gè)樣本第項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的最大值和最小值，為第個(gè)樣本第項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

采用熵權(quán)法計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，具體計(jì)算公式為

(3)

(4)

(5)

1.4.2 耕地單項(xiàng)功能測度方法

采用線性加權(quán)模型分別測算耕地生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、社會功能和景觀功能指數(shù)，具體公式為

(6)

式(6)中：表示第個(gè)樣本耕地單項(xiàng)功能分值，取值1～4分別表示耕地的生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、社會功能、景觀功能，為用于耕地單項(xiàng)功能評價(jià)的指標(biāo)數(shù)量。

1.4.3 耕地多功能測度方法

耕地多功能的測度方法主要有加權(quán)綜合指數(shù)法、香農(nóng)多樣性指數(shù)法和辛普森倒數(shù)指數(shù)法。其中，綜合指數(shù)法是將耕地多功能作為整體，考慮各個(gè)指標(biāo)在整體中的相對重要性，主要測度總量上的耕地多功能程度；香農(nóng)多樣性指數(shù)法能夠較好地衡量類型的多樣性，但在反映數(shù)量均勻度等結(jié)構(gòu)特征方面存在較大缺陷；辛普森倒數(shù)指數(shù)法能夠較好地刻畫耕地多功能數(shù)量的均勻度特征。在單項(xiàng)功能評價(jià)的基礎(chǔ)上，采用加權(quán)綜合指數(shù)法[式(7)]和辛普森倒數(shù)指數(shù)法[式(8)]分別從總量和結(jié)構(gòu)上測度耕地多功能。

(7)

式(7)中：為第個(gè)樣本的耕地多功能總分值。

(8)

式(8)中：為第個(gè)樣本的辛普森倒數(shù)指數(shù)，反映耕地功能類型的多樣性與數(shù)量的均勻度，值越大，說明耕地功能類型越多樣，數(shù)量越均勻。

1.5 耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同分析

相關(guān)分析法能讓權(quán)衡與協(xié)同的結(jié)果得到更加直觀的表達(dá)。皮爾遜(Pearson)積差相關(guān)系數(shù)和斯皮爾曼(Spearman)秩次相關(guān)系數(shù)已被廣泛用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同研究。其中，Spearman秩次相關(guān)系數(shù)是利用兩變量的秩次大小做線性相關(guān)分析，對原始變量的分布不做要求，屬于非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，適用范圍更廣?；诖?，采用Spearman相關(guān)系數(shù)()分析耕地多功能的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，詳細(xì)計(jì)算過程參考朱慶瑩等的研究。若相關(guān)關(guān)系為正且顯著，表明兩種耕地功能間存在協(xié)同關(guān)系；若相關(guān)關(guān)系為負(fù)且顯著，表明兩種耕地功能間存在權(quán)衡關(guān)系；若相關(guān)性不顯著，表明兩種耕地功能間存在獨(dú)立關(guān)系。此外，相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，表示兩種耕地功能之間的關(guān)系越強(qiáng)；相關(guān)系數(shù)的絕對值越小，表示兩種耕地功能之間的關(guān)系越弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地多功能的多尺度空間分布格局

從市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和場地4個(gè)尺度，利用ArcGIS 10.4平臺，對武漢城市圈耕地的單項(xiàng)功能和多功能進(jìn)行綜合評價(jià)，其空間表達(dá)結(jié)果如圖2所示?？傮w而言，武漢城市圈耕地多功能在不同尺度上空間差異較大，具有較明顯的空間分異特征。對于生產(chǎn)功能、社會功能而言，其空間分布格局在各個(gè)尺度上平均變化，而對于生態(tài)功能、景觀功能而言，在最小尺度(場地尺度)上觀察到的空間分布格局在最大尺度(市級尺度)上被部分隱藏。隨著研究尺度的縮小，耕地多功能在空間上得以更精準(zhǔn)地表達(dá)，但在較大尺度上可以更明顯地展示功能分布趨勢。

生產(chǎn)功能的高值區(qū)主要集中在武漢城市圈中西部沿江平原地區(qū)，而東北部和南部地區(qū)生產(chǎn)功能總體偏低。這主要是因?yàn)?，西部平原地區(qū)地勢平坦，土壤質(zhì)量優(yōu)良，水資源豐富，是武漢城市圈的糧食主產(chǎn)區(qū)；中部武漢市下轄的蔡甸區(qū)、漢南區(qū)、東西湖區(qū)、黃陂區(qū)和江夏區(qū)均設(shè)有重要的蔬菜生產(chǎn)基地，經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量高；而北部的黃岡市、孝感市普遍為山地丘陵地貌，地形和土壤條件都不利于其耕地生產(chǎn)功能的發(fā)揮。

生態(tài)功能呈現(xiàn)出東西高、中部低的分布規(guī)律。其可能的原因是，中部的武漢和南部的咸寧等地耕地資源稟賦有限，耕地圖斑破碎，而西部江漢平原地區(qū)耕地大量集聚且質(zhì)量優(yōu)良。

社會功能的高值區(qū)主要集中在武漢城市圈外圍，呈現(xiàn)較明顯的“外圍高、中心低”的空間格局。這可能是因?yàn)椋錆h城市圈的中心城市武漢市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平更高，對耕地社會功能的依賴程度相對較低，而外圍地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對較低，耕地相對更多地承擔(dān)了為區(qū)域內(nèi)農(nóng)戶提供社會保障的角色。這一空間分布規(guī)律在一定程度上也體現(xiàn)了武漢城市圈的中心輻射作用。

第1行至第4行分別展示耕地的生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、社會功能、景觀功能，第1列至第4列分別展示市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、場地尺度的結(jié)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.圖2 武漢城市圈耕地單項(xiàng)功能的多尺度空間分布格局Fig.2 Multiscale spatial distribution pattern of single function of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area

景觀功能自西南向東北呈現(xiàn)出低高相間的特征，且呈現(xiàn)較明顯的“中間高、外圍低”的空間格局。這主要是因?yàn)?，武漢市、鄂州市、黃石市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對迅速，居民生活水平相對較高，對耕地的景觀文化功能需求更強(qiáng)，更加注重耕地的景觀休憩功能。

從加權(quán)綜合指數(shù)和辛普森倒數(shù)指數(shù)(圖3)來看，無論是市級尺度還是區(qū)縣尺度、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度、場地尺度，研究區(qū)總量上的耕地多功能與結(jié)構(gòu)上的耕地多功能存在相反的空間分布格局。這說明，研究區(qū)內(nèi)仍然側(cè)重于耕地的單項(xiàng)功能，耕地多功能之間的結(jié)構(gòu)協(xié)同程度較低。

2.2 單一尺度的耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同

為表征不同尺度下耕地各功能之間的相互作用，借助R語言“Corrgram”包與SPSS 24軟件平臺，運(yùn)用Spearman相關(guān)分析法實(shí)現(xiàn)耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的計(jì)算與表達(dá)(圖4)。在圖4中，紅色表示正相關(guān)，藍(lán)色表示負(fù)相關(guān)，顏色越深說明2個(gè)變量的相關(guān)性越大。圖4中上三角單元格顏色的含義與下三角單元格相同，相關(guān)程度由餅狀圖中的填充面積表示，相關(guān)性越大，則填充的面積越多。若為正相關(guān)性，從12點(diǎn)鐘處順時(shí)針方向填充餅圖；若為負(fù)相關(guān)性，則逆時(shí)針方向填充餅圖。

在市級尺度上，6對相關(guān)關(guān)系中，僅有生態(tài)功能與社會功能存在協(xié)同作用，相關(guān)系數(shù)為0.800，其他5對相關(guān)關(guān)系均未通過顯著性檢驗(yàn)，不存在明顯的相關(guān)關(guān)系；在區(qū)縣尺度上，耕地的生產(chǎn)功能與景觀功能、生態(tài)功能與社會功能存在協(xié)同關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.530、0.581，社會功能與景觀功能存在權(quán)衡關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.527；在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上，耕地的生產(chǎn)功能與生態(tài)功能、生產(chǎn)功能與社會功能、生態(tài)功能與社會功能存在協(xié)同關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.502、0.265、0.631，生態(tài)功能與景觀功能、社會功能與景觀功能存在權(quán)衡關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.099、-0.258；在場地尺度上，6對相關(guān)關(guān)系均表現(xiàn)為協(xié)同作用。

上、下行分別展示加權(quán)綜合指數(shù)法和辛普森倒數(shù)指數(shù)法測度的耕地多功能程度，第1列至第4列分別展示市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、場地尺度的結(jié)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.圖3 武漢城市圈耕地多功能的多尺度空間分布格局Fig.3 Multiscale spatial distribution pattern of multifunction of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area

第1列至第4列分別展示市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、管理場地尺度的結(jié)果。*和**分別表示相關(guān)性通過P<0.05和P<0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。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.圖4 不同尺度下武漢城市圈耕地多功能的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系Fig.4 Trade-offs and synergies of multifunction of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area at different scales

2.3 耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的尺度效應(yīng)

對各尺度下的Spearman相關(guān)系數(shù)做趨勢分析，判斷2種耕地功能的相關(guān)關(guān)系在不同尺度間的變化。若趨勢線過軸，說明2種耕地功能之間的關(guān)系隨著研究尺度的變化發(fā)生了權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的變化。

總體來看，耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系在不同尺度間的變化主要表現(xiàn)為以下4種類型(圖5)：(1)耕地功能之間的相關(guān)關(guān)系以協(xié)同為主，且協(xié)同作用隨尺度的增加而增強(qiáng)。例如：在場地尺度上，耕地的生產(chǎn)功能與景觀功能呈相關(guān)系數(shù)為0.164的協(xié)同關(guān)系；在區(qū)縣尺度上，這兩種功能間呈相關(guān)系數(shù)為0.530的協(xié)同關(guān)系，其協(xié)同作用隨尺度的增加而增強(qiáng)。(2)耕地功能之間的相關(guān)關(guān)系以協(xié)同為主，且協(xié)同作用隨尺度的增加而減弱。例如：隨著研究尺度的增加，耕地的生產(chǎn)功能和生態(tài)功能、生產(chǎn)功能和社會功能的協(xié)同關(guān)系都逐漸減弱。(3)耕地功能之間的相關(guān)關(guān)系以協(xié)同為主，且協(xié)同作用隨尺度的增加先減弱后增強(qiáng)。例如：從場地尺度到鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度、區(qū)縣尺度，生態(tài)功能和社會功能的協(xié)同關(guān)系逐漸減弱，但在市級尺度上，兩功能間的協(xié)同關(guān)系增強(qiáng)。(4)耕地功能之間的相關(guān)關(guān)系隨尺度的增加由協(xié)同變?yōu)闄?quán)衡。例如：在場地尺度上，耕地的生態(tài)功能和景觀功能、社會功能和景觀功能分別呈相關(guān)系數(shù)為0.075、0.013的協(xié)同關(guān)系，但隨著研究尺度的增加，鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上兩對功能均呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系，且社會功能和景觀功能間的權(quán)衡關(guān)系在區(qū)縣尺度上進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖中僅顯示通過顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果。Only significant (P<0.05) results were shown in the above figure.圖5 武漢城市圈耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的尺度效應(yīng)Fig.5 Scale effect of trade-offs and synergies of multifunction of cultivated land in Wuhan Metropolitan Area.

3 討論

本文以武漢城市圈為例，利用土地利用數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，從多尺度視角，將耕地功能分為生產(chǎn)功能、生態(tài)功能、社會功能和景觀功能，在科學(xué)評價(jià)耕地多功能的基礎(chǔ)上，開展耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究，揭示不同尺度下耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的變化規(guī)律。結(jié)果表明：(1)不同尺度下武漢城市圈耕地多功能具有較明顯的空間分異特征。耕地生產(chǎn)功能、社會功能的空間分布格局在各個(gè)尺度上平均變化；而生態(tài)功能、景觀功能的空間分布格局存在尺度差異，在最小尺度(場地尺度)上觀察到的空間分布格局在最大尺度(市級尺度)上被部分隱藏。(2)耕地多功能的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系存在尺度效應(yīng)。其中：生產(chǎn)功能和景觀功能間的協(xié)同關(guān)系隨尺度增加而增強(qiáng)；生產(chǎn)功能與生態(tài)功能、生產(chǎn)功能與社會功能間的協(xié)同關(guān)系隨尺度增加而減弱；生態(tài)功能和社會功能間的協(xié)同關(guān)系隨尺度增加先減弱后增強(qiáng)；生態(tài)功能與景觀功能、社會功能與景觀功能間的相關(guān)關(guān)系隨尺度的增加由協(xié)同變?yōu)闄?quán)衡。

耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系存在尺度效應(yīng)的可能原因在于：一方面，人類在進(jìn)行耕地利用的過程中，不同行政層級管理者對耕地各功能的重視程度存在差異，在大尺度上(市級尺度)，由于區(qū)域范圍內(nèi)資源更加豐富，資源配置更強(qiáng)，對風(fēng)險(xiǎn)的抵抗能力更強(qiáng)，權(quán)衡相對表現(xiàn)較多；而在較小尺度上(管理場地尺度)，由于區(qū)域內(nèi)資源相對單一，對風(fēng)險(xiǎn)的抵御能力弱，管理者在耕地利用過程中風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避更多，權(quán)衡表現(xiàn)較少。另一方面，不同尺度下的自然環(huán)境因素(如地形地貌)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r不同，賦予耕地功能的內(nèi)涵也不同。進(jìn)一步的研究顯示，山區(qū)耕地的生產(chǎn)功能-景觀功能、生產(chǎn)功能-社會功能協(xié)同度更高，而平原地區(qū)耕地的生產(chǎn)功能-生態(tài)功能協(xié)同度更高。相對而言，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)區(qū)域耕地各項(xiàng)功能的協(xié)同度較高，而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域呈現(xiàn)耕地生產(chǎn)功能-景觀功能、社會功能-景觀功能間的權(quán)衡。今后，可以進(jìn)一步從自然環(huán)境因素和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素出發(fā)，開展耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同的尺度作用反饋機(jī)理研究。

另外，本研究顯示，無論是市級尺度還是區(qū)縣尺度、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度，研究區(qū)總量上的耕地多功能與結(jié)構(gòu)上的耕地多功能存在相反的空間分布格局。其中，江漢平原地區(qū)總量上的耕地多功能較強(qiáng)，多功能耕地結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，而東部大別山區(qū)，以及武漢、鄂州、黃石等地的耕地多功能水平提高潛力較大。對于武漢城市圈內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)先的城市，如若過度重視生產(chǎn)功能，則會對其區(qū)位優(yōu)勢和交通資源造成浪費(fèi)，因此應(yīng)依托區(qū)域內(nèi)技術(shù)、人才和設(shè)施的優(yōu)勢，重點(diǎn)關(guān)注耕地的生態(tài)功能，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，減少大氣污染；對于鄂東南交通相對落后、經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對緩慢的低山丘陵區(qū)，農(nóng)業(yè)是當(dāng)?shù)氐闹匾a(chǎn)業(yè)，應(yīng)加強(qiáng)耕地保護(hù)與復(fù)墾，提高耕地質(zhì)量，積極開發(fā)耕地后備資源，提高耕地生產(chǎn)功能與社會功能；對于西部江漢平原內(nèi)耕地各項(xiàng)功能均較強(qiáng)的仙桃、潛江和天門等地，在城市發(fā)展與建設(shè)過程中應(yīng)重視對耕地多功能的保護(hù)，防止?fàn)奚負(fù)Q取發(fā)展。

武漢城市圈作為一個(gè)聯(lián)系緊密的發(fā)展共同體，不僅應(yīng)關(guān)注城市圈內(nèi)的城鄉(xiāng)一體化、經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展，更應(yīng)關(guān)注城市圈內(nèi)的耕地多功能一體化保護(hù)，從全局的角度規(guī)劃耕地多功能發(fā)展，各行政區(qū)域在耕地多功能保護(hù)與提升的過程中不僅應(yīng)考慮本區(qū)域的特征，更應(yīng)充分顧及周邊區(qū)域，減少區(qū)域間的權(quán)衡，促進(jìn)共贏發(fā)展。

此外，對耕地功能非市場價(jià)值的忽略亦是造成耕地流失的重要原因之一。我國現(xiàn)行的耕地補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)僅關(guān)注耕地的生產(chǎn)功能，忽視了耕地的生態(tài)功能、社會功能和景觀功能，無法從耕地的其他功能中獲取直接收益，導(dǎo)致部分農(nóng)業(yè)從業(yè)者忽視耕地保護(hù)的重要性。在耕地多功能補(bǔ)償機(jī)制中，應(yīng)納入耕地的生態(tài)價(jià)值、社會價(jià)值和景觀價(jià)值，并針對耕地生態(tài)功能、社會功能和景觀功能的保護(hù)給予補(bǔ)償，培育和激發(fā)社會各界對耕地多功能保護(hù)的認(rèn)識、觀念和行為。

最后要說明的是，本文參考大多數(shù)文獻(xiàn)，采用線性相關(guān)分析方法探討耕地多功能的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。事實(shí)上，在許多情況下，耕地多功能之間可能存在非線性關(guān)系。由于研究數(shù)據(jù)的限制，本文在探究耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同的尺度效應(yīng)問題時(shí)僅考慮了4級尺度，未來可以進(jìn)一步開展包括地塊尺度，如生態(tài)農(nóng)田的空間多尺度及其時(shí)間多尺度的耕地多功能權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系研究。