农户（生产-生活-生态-文化）框架下河南省耕地多功能性的时空演化及驱动因素

《Land》：Spatial-Temporal Evolution and Driving Factors of Cropland Multifunctionality in Henan Province Under the Production-Living-Ecological-Cultural Framework

　　

本研究旨在揭示主要粮食产区耕地多功能性的时空演化规律与驱动机制。以河南省为研究案例，研究人员基于2013—2022年多源数据集，建立了涵盖生产、生活、生态和文化功能的综合评价指标体系。研究采用熵权法（Entropy Weight Method）、空间分析和地理探测器（GeoDetector）模型，系统分析了耕地多功能性的时空分异特征与影响机制。结果显示，2013—2022年河南省耕地多功能性总体水平呈上升趋势，空间格局呈现南高北低特征，豫南地区集聚明显。生产功能呈东高西低且格局稳定；生活、生态和文化功能均呈南高北低分布，区域差异显著。因子探测结果表明，平均坡度、人口密度和年平均气温为核心驱动因素，自然因素整体影响强于社会经济因素。交互探测显示各因素均产生增强效应，主要以非线性增强形式呈现。基于此，研究提出了针对性的耕地差异化管理策略：豫南地区应巩固固有多功能优势，加强生产、生态与文化功能的协调发展；豫北和豫西地区需缓解地形与气候约束，优化农业基础设施，提升耕地综合服务能力；东部平原区应在稳定粮食生产功能的同时兼顾生态保护；中部城市群应协调城市扩张与耕地保护，抑制多功能退化。

研究背景方面，耕地是人类生存与发展的根本支撑，其功能内涵随社会经济发展不断丰富深化。在传统农业社会，耕地核心功能聚焦于粮食供给与生计维系。伴随工业化与城镇化加速推进，城乡居民需求结构持续升级，耕地多功能性日益凸显，除承担粮食生产核心任务外，还兼具生活承载、生态调节与文化传承等多重功能。耕地多功能性的协调发展是保障国家粮食安全、推动农业高质量发展与夯实生态文明建设的重要基础。然而，当前快速城镇化与工业化深刻重塑城乡空间结构、产业结构与人口结构，农村空心化、人口老龄化、耕地粗放利用及非农转化等问题日趋严峻，导致耕地生产、生活、生态和文化功能发展失衡，除生产功能外，生活承载、生态调节与文化传承功能持续弱化甚至消逝，制约耕地综合利用效率提升，威胁耕地可持续利用与国家粮食安全稳定。在此背景下，厘清耕地四大功能的时空演化规律并识别驱动其演变的关键因素成为紧迫的研究课题。

河南省作为中国重点粮食主产区和农业大省，粮食产量长期位居全国前列，承担保障国家粮食安全的重要使命。同时，作为农业人口大省与新型城镇化建设重点区域，河南省正处于深刻的经济社会转型期，耕地多功能性经历明显重构：粮食生产功能随高标准农田建设推进持续强化，而农村劳动力外流、城乡建设用地扩张及农业集约化经营则深刻改变着耕地支撑农民生计、调节生态环境与维系传统农耕文化传承空间的能力。因此，系统考察河南省耕地多功能性的时空演化，成为理解粮食主产区人地关系变化的重要切入点。

现有国内外研究在耕地多功能性内涵界定、功能分类、评价方法及权衡协同关系等方面已积累丰富成果，但仍存明显不足：一是多数研究聚焦生产、生活与生态功能，对文化维度关注不足，缺乏对耕地文化功能内涵的明确界定、系统评价及时空分析；二是现有研究尚难以充分识别耕地四大功能时空演化背后的驱动因素，相关研究多聚焦空间演化与子系统耦合协调，对影响因素关注有限，且多分析单一驱动因素，鲜少探讨自然、社会、经济及政策因素的交互机制，难以揭示耕地多功能演化的核心驱动力与内在逻辑。

鉴于此，本研究以粮食主产区河南省为研究区域，构建耕地多功能性四维评价体系，利用多源时空数据探究各功能时序演化与空间分异特征，识别驱动机制，为差异化耕地管理、多功能协调提升及国家粮食安全治理提供理论依据与实践参考。相较于现有文献，本研究在视角与方法上均有改进：理论层面优化了耕地多功能性评价框架，界定文化功能内涵与量化标准，拓展了耕地功能转型的理论研究；在驱动因素探索中，将夜间灯光强度和道路网密度纳入人类活动代理指标，与自然及社会经济指标共同量化各驱动因子影响程度与方向。

研究区域方面，河南省地处中国中部、黄河中下游，地理坐标介于31°23′N—36°22′N、110°21′E—116°39′E之间，地跨海河、黄河、淮河和长江四大流域，土地总面积约16.7万km²。该省为国家核心粮食生产区和重要农产品产区，也是耕地多功能性表现的典型区域。地形以平原和丘陵为主，平原盆地约占总面积55.7%，为耕地集中连片分布提供良好地形基础。2024年河南省耕地面积约750万公顷，永久基本农田面积661万公顷，年均降水量600—1200 mm，年均气温12—16 ℃，雨热同期，适宜小麦、玉米等主要作物生长，是全国重要的小麦和玉米生产基地，粮食总产量多年稳定在6500万吨以上。近年来河南省多措并举严格保护耕地红线，耕地数量与质量持续增长，但耕地利用仍存在"重生产轻生活、重集约轻生态文化"的突出倾向，四大功能的时空演化特征日益显著，其演化规律与驱动机制尚未得到系统阐明。

研究方法上，研究人员综合运用熵权法、耕地固碳估算、景观格局指数计算、基于等效因子法的耕地美学价值评价及基于地理探测器的驱动因子识别等方法。具体而言，熵权法用于确定评价指标权重并测算综合发展水平，通过引入时间变量实现不同年份和地区间的可比性；作物碳吸收估算采用基于经济产量、经济系数和碳吸收率的区域尺度测算模型；景观格局指数选取香农多样性指数（Shannon's Diversity Index, SHDI）、香农均匀度指数（Shannon's Evenness Index, SHEI）和景观形状指数（Landscape Shape Index, LSI），利用Fragstats 4.2软件计算；耕地美学景观价值采用等效因子法，以粮食供给服务价值为基准，通过标准生态服务当量值逐步转换得到单位面积美学景观价值及人均耕地美学景观价值；地理探测器模型则用于分析空间分异与驱动机制，无需满足线性假设，可有效识别影响地理要素空间分布的主导因素，并量化单因子及交互效应的解释力。驱动因素选取平均海拔、平均坡度、年平均气温、年平均降水量、人均GDP、夜间灯光强度、道路网密度、城镇化率和人口密度等9项关键指标，其中夜间灯光数据来源于地球观测组（Earth Observation Group, EOG）发布的VIIRS年度合成产品，空间分辨率约500 m，道路网密度数据来源于OpenStreetMap官网。

研究数据来源包括：河南省统计局官方网站的统计年鉴数据、全国农产品成本收益资料汇编的粮食价格数据、武汉大学开发的中国30 m年度土地覆盖数据集（CLCD）、中国科学院资源环境科学与数据中心行政边界数据，以及EOG的VIIRS夜间灯光数据和OSM道路网数据等。

研究结果部分，研究人员首先分析了河南省耕地多功能性的演化特征。2013—2022年，河南省耕地多功能性指数持续上升，由0.409升至0.491，年均增长率约2.0%，表明耕地综合服务能力稳步提升。各子功能呈现明显结构差异：生产功能指数维持在0.10—0.11的较高水平，2015年后略有下降但整体波动较小；生活功能指数从0.091升至0.147，增幅超60%，是驱动综合多功能指数上升的主导因素；生态功能指数从0.082缓慢升至0.101，增长幅度有限但改善趋势稳定；文化功能指数2013—2019年从0.124升至0.138，2020年后略降至0.129，是唯一出现明显波动的功能。整体来看，耕地多功能性改善主要由生活功能快速增长驱动，生产功能稳定供给与生态功能稳步提升共同奠定双重支撑基础，文化功能波动则提示需关注耕地景观保护与农耕文化传承。

空间格局方面，河南省耕地多功能性总体呈南高北低特征，区域差距逐渐缩小但南北梯度依然明显。2013—2017年豫南高值集聚区不变，济源、焦作、开封、濮阳等北部城市功能等级下滑；2017—2022年低值区持续收缩，中高水平区域扩展。南阳和信阳为常年高值区，而中部、北部和东部区域以中低功能等级为主，这种空间差异可能源于不同自然禀赋：豫南水热条件优越、林农复合资源丰富，为多维度耕地发展奠定基础；而平原为主的豫北和豫东地区聚焦粮食种植，忽视生态文化价值挖掘。

生产功能演化特征方面，空间格局呈东高西低、局部集聚特征，且研究期内高度稳定。东部豫东平原及豫北部分城市始终处于第一梯度，商丘、新乡、鹤壁等地形平坦、耕地集中连片、规模化生产程度高，形成全省核心粮食产区；豫西山区及周边地带受地形破碎等因素限制，长期处于第四梯度。2013—2017年生产功能第一梯度主要集中于鹤壁和商丘；2017—2022年安阳、新乡和濮阳生产功能等级显著提升，核心集聚范围北扩，而郑州、许昌周边中部城市功能等级温和波动但整体稳定。该演化过程表明河南省耕地生产功能空间格局具有强路径依赖性，核心产区地位突出，外围区域在政策引导下实现功能优化。

生活功能演化特征有别于生产功能的东偏分布，主要集聚于豫南地区。2013—2017年南阳、信阳、驻马店、周口等豫南城市始终保持高值生活功能，空间变异较小；2017—2022年郑州、许昌、平顶山低值区显著扩展，多个中值单元进一步退化为低值，与此同时安阳和新乡的第二梯度面积适度收缩并过渡到第三梯度。受中部低值区扩张驱动，全省生活功能南北梯度分化进一步拉大。南阳、信阳和驻马店等豫南地区凭借丰富的耕地资源和良好的城乡一体化发展，生活功能长期领先；而中部、北部和西部大部分区域因快速城镇化进程中农村人口外流、耕地社会保障功能弱化而处于低值水平。尽管部分中低梯度地区农村基础设施改善提升了生活功能，但区域间资源转移受阻使南部发展优势难以扩散，南北功能鸿沟持续存在。

生态功能演化特征方面，整体呈现南高北低的空间分异格局，豫南集聚明显。南阳、驻马店和信阳等豫南城市始终处于生态功能第一梯度，拥有优越的水热条件、丰富的森林湿地资源和高植被覆盖率，构成全省耕地生态系统服务的核心供给区；而受地形破碎和强烈人类活动影响，豫西三门峡、洛阳及豫北焦作等地长期处于第三、四梯度。研究期间，豫南高值区的核心地位进一步巩固，生态优势依旧突出；同时豫中、豫东部分中低梯度区域逐步升级至更高梯度，反映区域耕地生态环境持续改善、生态服务供给能力稳步提升。

文化功能演化特征区别于上述三功能，呈西高东低的空间分异。2013—2017年三门峡、洛阳、南阳和信阳等豫西、豫南城市始终处于第一梯度，高值集聚空间覆盖范围基本稳定；2017—2022年西部高值集群规模维持，郑州等级温和提升，北部多数城市层级变化不明显，整体空间结构刚性较强。三门峡、洛阳凭借深厚的农耕遗产和成熟的乡村旅游体系，南阳、信阳依托多元化农业产业化发展，共同使当地农田成为农耕文化传承和农旅融合发展的关键载体。相比之下，郑州、开封、周口等中部和东部城市快速城镇扩张占用传统农业用地，文化发展空间收窄，耕地功能趋于单调。得益于乡村振兴和文化保护政策，北部和东部欠发达地区开始发展特色农业和休闲旅游，耕地文化经济收益持续改善。

驱动因素分析方面，地理探测器的因子探测结果显示，平均坡度（x₂）、人口密度（x₉）和年平均气温（x₃）为 leading driving factors（主导驱动因素），解释力分别为0.297、0.263和0.238，表明地形约束与人口压力是塑造耕地多功能性格局的核心力量。年平均降水量（q=0.161）和平均海拔（q=0.138）为重要影响因素；人均GDP、夜间灯光强度、道路网密度和城镇化率属于弱影响因素，解释力均低于0.1，表明在城市尺度上城市发展对耕地是呀多功能性空间分化的直接驱动效应不显著。总体而言，自然地理因素影响强度普遍高于社会经济因素，地形和气候等背景条件为决定耕地多功能性空间格局奠定基础。

交互探测结果表明，所有驱动因素均呈现相互增强效应，不存在非线性减弱或独立交互类型，揭示耕地多功能性的空间分化并非由单一因素线性驱动，而是自然条件与社会经济因素耦合作用的结果。从交互强度看，年平均气温与人口密度交互最强（q=0.804），呈非线性增强类型，表明气候条件与人口压力的协同效应构成塑造耕地多功能性空间格局的核心机制；平均坡度与人口密度（q=0.793）、平均海拔与平均坡度（q=0.736）的交互亦处于高水平且呈非线性增强，表明地形约束与人类活动的耦合是决定耕地功能空间差异的关键因素。自然因素间交互普遍呈现显著增强效应，水热条件协同（q=0.468）共同制约耕地生产潜力与生态功能；地形与气候因子的交互解释力显著高于单因子，说明地形通过影响区域气候条件间接放大其对耕地多功能性格局的影响。社会经济因素与自然因素耦合亦呈现明显非线性增强特征，人均GDP与人口密度（q=0.693）、夜间灯光强度与年平均气温（q=0.494）的交互解释力远高于各自单因子。值得注意的是，道路网密度和城镇化率等社会经济因素单因子解释力较低，但与自然因子交互后解释力大幅提升，说明这些因素并非通过直接线性效应驱动耕地多功能性，而是通过与地形、气候等自然基底线条件的耦合间接发挥作用。总体而言，自然因素间交互强于涉及社会经济因素的交互，自然与社会经济因素的耦合成耕地多功能性空间分化的主导机制。

基于上述因子探测与交互探测结果，结合河南省耕地利用实际特征与区域发展特点，研究人员将影响耕地多功能性时空演化的驱动因素归类为自然条件约束、社会经济驱动和人地耦合调控三类，共同形成多层次影响机制。自然地理条件奠定耕地多功能性形成与时空演化的基础，直接决定耕地产能、生态稳态与利用方式，是空间分化的核心控制因素；平均坡度和平均海拔为关键限制性因素，豫西和豫北丘陵山地区地形梯度大、耕地耕作适宜性低、生产功能受限但生态保育等功能突出，豫中豫东平原区地形平坦、优质耕地集中、生产功能占主导。水热条件影响种植制度、水分状况与生态过程，共同塑造耕地多功能性总体格局；东西部降水量差异导致生产稳定性与生态风险分化，水热耦合显著强化单因子影响强度。社会经济发展大幅影响耕地多功能性时空演化，改变耕地利用强度、模式与功能需求，且影响在不同区域差异明显：人口密度为仅次于自然因素的关键人为驱动因素（q=0.263），人口集中增加粮食需求、促进豫东平原耕地集约利用并强化生产功能，豫西丘陵区人口外流降低耕地利用强度并逐步恢复生态功能；人均GDP和道路网密度等因子对耕地多功能性直接影响较弱，但与自然因素交互后解释力显著上升，经济发展推动农业产业结构调整和高值经济作物种植比例提升，城镇化率和道路网密度上升加速城乡要素流动、促进耕地利用模式分化。交互探测结果揭示了河南省耕地多功能性时空演化的人地耦合驱动机制：所有因素均呈相互增强效应，无非线性减弱或独立作用，非线性增强占主导，双因素增强次之；自然因素间及自然与社会经济因素间耦合显著放大单因子影响强度，地形-气候-人口密度协同效应最为突出，耕地多功能性空间分化并非由单一独立因素驱动，而是自然条件主导、社会经济条件调节、人地耦合强化的综合效应结果。

综上所述，该研究发表于国际期刊《Land》，系统评估了粮食主产区河南省耕地生产、生活、生态和文化四维功能，揭示了其时空演化规律与驱动机制，为理解粮食主产区耕地功能分化提供了新证据。研究发现耕地多功能性呈南高北低的稳定格局，各功能维度空间分化明显；自然条件是空间分化的决定性因素，地形与气候构成基础约束，坡度解释力最强，人口密度为关键人为驱动因素。交互探测证实所有因素呈增强效应，以非线性增强为主，温度-人口密度和地形-人口密度组合解释力最高。基于这些空间格局与驱动机制发现，研究提出了区域协调提升的差异化耕地治理策略：南部地区协调粮食生产、生态保护与农耕文化发展，配合梯田种植和水土保持补贴；东部粮食主产区巩固口粮产出、推进大规模土地整治、通过农田托管和规模农业降低农业化学污染；西部和北部丘陵区开展土地整治和基础设施升级，农业创业支持帮助留住农村劳动力以应对稀疏人口约束；中部城市群严格执行刚性耕地边界管理以防止无序城市扩张导致功能退化。省级层面应依据地形、气候和人口分布制定分区规则，因地热条件定制种植布局，构建多功能监测系统以动态调整土地利用并缓解过度人为压力。