基于韧性的分区规划以实现可持续的耕地管理：整合景观形态与环境适应性

《Journal of Environmental Management》：Resilience-based zoning for sustainable cultivated land management: Integrating landscape morphology and environmental adaptability

本研究结合韧性理论与形态空间分析（MSPA），构建了“形态稳定性-生产活力-适应性韧性”三维评估框架，以成渝经济圈为区域，通过AHP-CRITIC权重法和K-Means聚类划分九类耕地resilience zoning，揭示双核驱动机制、空间异质性和差异化治理路径，为快速城市化地区耕地可持续管理提供科学依据。

　　本文探讨了耕地空间分区在实现差异化管理和可持续发展中的重要性，提出了一种基于韧性理论与形态空间模式分析（MSPA）的综合框架，以优化耕地结构与功能的协同关系。研究以成渝地区（Chengdu-Chongqing Region, CCR）为案例，构建了一个三维耕地韧性（Cultivated Land Resilience, CLR）评估体系，结合“形态稳定性—生产活力—适应韧性”三个核心维度，创新性地引入了空间指标（如连通性、破碎度）以评估耕地的韧性水平和分区情况。通过层次分析法（AHP）与CRITIC权重法进行指标赋权，利用K-Means聚类方法实现耕地的分区管理。研究结果揭示了耕地形态退化的主要驱动机制、耕地空间异质性的特征，以及基于耕地韧性的九种分区类型，为成渝地区的耕地保护和可持续利用提供了科学决策依据。

耕地作为农业生产的核心要素和土地资源的重要组成部分，承担着保障国家粮食安全、维护社会稳定和推动可持续经济社会发展的战略任务。在全球可持续发展议程中，耕地资源的持续管理已成为各国面临的共同挑战，亟需科学有效的解决方案。在面对不确定性和不可预测的未来变化时，耕地系统的韧性在抵抗外部风险和挑战、维持系统稳定性方面发挥着关键作用。耕地利用系统的韧性不仅支持实现稳定的功能和可持续的资源利用，而且在应对系统动态演变中的变化时，其恢复能力对确保粮食安全和生态安全至关重要。

然而，目前关于耕地系统韧性的研究多集中于城市、经济、灾害、公共安全和生态环境等领域，缺乏对耕地形态韧性在系统韧性中的基础支撑作用的深入探讨。随着城市化进程的加快，尤其是在中国、印度等主要发展中国家，城市扩张速度迅猛，伴随复杂的经济转型、产业升级和结构性改革。频繁的社会生产活动对耕地空间格局的影响远超自然因素，成为耕地破碎化的主导驱动力。耕地破碎化表现为耕地形态的空间分割和分布模式的碎片化演变，本质上是一种土地利用疏离现象，与大规模现代农业生产的诉求相冲突。

耕地破碎化不仅直接削弱土地利用效率，增加生产成本，还通过减少耕地的连通性和适应机械化操作的能力，降低生产效率。此外，破碎的耕地格局破坏了生态过程的连续性，加剧了诸如土壤侵蚀等生态风险，而不规则的耕地配置则使基础设施建设变得更加困难，限制了耕地生产潜力的实现。这种耕地形态的退化不仅仅是空间结构的改变，更显著削弱了耕地系统的风险抵抗能力。因此，如何在外部干扰下保持耕地形态的完整性、结构的连通性和功能的稳定性，成为衡量耕地形态韧性的重要指标，也是整体系统韧性的重要组成部分。

当前对耕地破碎化的评估主要依赖于景观生态学指标技术，强调对碎片的数值分析。然而，这种评估方式难以全面反映耕地系统的韧性特征。为了从空间结构维度准确刻画耕地韧性，形态空间模式分析（MSPA）被引入，该方法能够客观识别和绘制景观结构，从微观视角区分耕地利用模式，并提供超越数值指标限制的空间分布信息。MSPA不仅有助于揭示耕地形态的空间异质性，还能识别耕地形态的连通性、破碎度等关键特征，为耕地韧性评估提供更全面的空间视角。

在面对不同的压力冲击时，耕地系统表现出不同的响应模式和程度，从而体现出不同的韧性水平。当前，全球学者对耕地利用与保护进行了广泛而深入的理论与实证研究，探讨了耕地差异化管理与保护的有效性。研究表明，耕地的差异化分区管理是促进耕地合理利用与保护的最有效手段之一。通过结合耕地的形态特征、生产活力和适应韧性，提出针对不同耕地类型的差异化管理与保护措施，能够实现更精准的耕地治理。

本文研究区域涵盖成渝地区的143个县（区），总面积达18.5万平方公里。该区域地理上位于四川盆地，西临横断山脉，东接湘鄂山，北靠秦岭山脉，南邻云贵高原。成渝地区具有亚热带季风气候，年降水量在1000至1300毫米之间。地形上，外围山地占据了主要部分，而平坦地带仅占约20%。有限的优质耕地资源在快速城市化过程中面临严峻挑战：城市扩张不断侵占周边优质耕地，迫使耕地资源向坡地迁移。这一过程导致耕地的连通性降低，耕地破碎化加剧，甚至部分优质耕地被直接转为建设用地。因此，本研究选择成渝地区作为研究对象，基于耕地空间形态的MSPA分析，结合生产活力和适应韧性，探讨耕地在外部干扰（如城市建设用地扩张）下的破碎化特征和韧性水平，利用K-Means聚类方法进行评估和分区。

研究结果表明，成渝地区的耕地空间格局呈现出显著的异质性，不同耕地形态类型的分布具有明显的空间差异。定量分析显示，核心耕地（Core Cultivated Land）占比最大，约占总耕地面积的80.24%，其次是边缘耕地（Margin Cultivated Land，占18.86%），而离散耕地（Discrete Cultivated Land）占比最小（仅0.90%）。空间分布上，耕地形态的演变呈现出从核心平原向外围山地逐渐衰减的趋势。具体量化分析表明，高韧性平原（如Zone 6）在单位面积的粮食产量上达到0.0430，比退化坡地（如Zone 9，产量为0.0259）高出1.66倍；同时，高韧性平原的形态连通性达到0.0315，比退化坡地的0.0055高出近6倍。这表明，耕地的形态稳定性与生产活力密切相关，是衡量耕地韧性的重要指标。

此外，研究还揭示了基于耕地韧性的九种分区类型，这些类型构成了一个完整的治理谱系：冲突区（Development-Protection Balance）、潜力区（Industrial Chain Optimization）、退化区（Ecological Restoration）。这些分区类型反映了耕地在不同发展阶段和环境条件下的管理需求。冲突区通常位于城市扩张与耕地保护之间的交界地带，其管理重点在于协调开发与保护的关系，实现耕地资源的可持续利用。潜力区则主要指具有较高生产潜力和优化空间的区域，其管理策略应注重产业链的优化和资源的高效配置。退化区则是耕地资源受损、形态退化严重的区域，其治理应以生态修复和土地利用调整为核心。

本研究提出的三维耕地韧性评估框架，不仅有助于系统识别耕地空间格局的异质性，还能揭示耕地在不同干扰下的响应机制和韧性水平。通过引入空间指标，如连通性和破碎度，能够更全面地评估耕地的形态稳定性、生产活力和适应韧性。同时，利用AHP-CRITIC权重法和K-Means聚类方法，实现对耕地韧性水平的科学评估和分区管理。这种基于耕地形态的分区管理方法，有助于将传统的同质化管理转变为精准化的空间治理，提高耕地管理的科学性和有效性。

在实际应用中，本研究提出的“基于形态的治理范式”具有重要的现实意义。该范式通过识别耕地的形态特征，将耕地划分为不同的类型，从而实现对不同类型耕地的差异化治理。例如，对于形态稳定性较高的耕地，应加强其保护和利用，避免过度开发和破碎化；而对于形态稳定性较低、破碎化严重的耕地，则应采取针对性的修复措施，提升其适应能力和生产潜力。这种基于形态特征的分区治理方法，不仅有助于提高耕地管理的精准度，还能为实现耕地资源的可持续利用提供科学依据。

本研究还强调了耕地形态韧性在系统韧性中的基础作用。耕地形态的稳定性是维持耕地功能和生产效率的关键因素，而生产活力则是衡量耕地资源利用效率的重要指标。适应韧性则反映了耕地系统在面对外部干扰时的恢复能力，是实现耕地可持续利用的重要保障。因此，耕地形态的稳定性、生产活力和适应韧性三者之间的协同关系，是评估耕地韧性水平的核心内容。通过构建这一三维评估体系，能够更全面地理解耕地系统在不同干扰下的响应机制，为实现耕地资源的可持续管理提供科学支持。

在快速城市化背景下，耕地资源的管理面临诸多挑战。城市扩张不仅侵占了优质耕地，还导致耕地破碎化加剧，降低了耕地的连通性和适应能力。同时，随着交通网络的扩展，耕地的破碎化趋势更加明显，使得耕地的形态退化问题日益严重。在这种情况下，提高耕地系统的韧性成为保障耕地健康和可持续利用的关键措施。然而，当前关于耕地系统韧性的研究仍多集中于单一视角，缺乏对耕地形态韧性在系统韧性中的基础支撑作用的深入探讨。因此，本文的研究具有重要的理论和实践价值，为耕地资源的可持续利用和保护提供了新的思路和方法。

本研究的创新之处在于，将形态空间模式分析（MSPA）与韧性理论相结合，构建了一个三维的耕地韧性评估体系。这一体系不仅能够客观识别和绘制耕地的空间结构，还能区分耕地的利用模式，并提供超越数值指标限制的空间分布信息。通过引入AHP-CRITIC权重法，对多个指标进行综合赋权，提高了评估的科学性和准确性。同时，利用K-Means聚类方法，对耕地进行分区管理，使得评估结果更加直观和实用。

此外，本研究还强调了耕地形态在系统韧性中的基础作用。耕地形态的稳定性是维持耕地功能和生产效率的先决条件，而生产活力则是衡量耕地资源利用效率的重要指标。适应韧性则反映了耕地系统在面对外部干扰时的恢复能力，是实现耕地可持续利用的重要保障。因此，耕地形态的稳定性、生产活力和适应韧性三者之间的协同关系，是评估耕地韧性水平的核心内容。通过构建这一三维评估体系，能够更全面地理解耕地系统在不同干扰下的响应机制，为实现耕地资源的可持续管理提供科学支持。

本研究提出的“基于形态的治理范式”具有重要的现实意义。该范式通过识别耕地的形态特征，将耕地划分为不同的类型，从而实现对不同类型耕地的差异化治理。例如，对于形态稳定性较高的耕地，应加强其保护和利用，避免过度开发和破碎化；而对于形态稳定性较低、破碎化严重的耕地，则应采取针对性的修复措施，提升其适应能力和生产潜力。这种基于形态特征的分区治理方法，不仅有助于提高耕地管理的精准度，还能为实现耕地资源的可持续利用提供科学依据。

在实际应用中，本研究提出的分区管理策略具有较强的可操作性。通过结合不同区域的自然条件和社会经济特征，研究提出了针对不同耕地类型的差异化管理措施，为实现耕地资源的可持续利用提供了科学支持。例如，在城市扩张和交通网络扩展较为严重的区域，应重点加强耕地的保护和修复，避免耕地资源的进一步退化；而在具有较高生产潜力和形态稳定性的区域，应注重优化耕地利用结构，提高生产效率。这种基于形态特征的分区管理方法，能够有效应对不同区域耕地资源的管理需求，为实现耕地资源的可持续利用提供科学决策支持。

此外，本研究还强调了耕地形态韧性在系统韧性中的基础作用。耕地形态的稳定性是维持耕地功能和生产效率的先决条件，而生产活力则是衡量耕地资源利用效率的重要指标。适应韧性则反映了耕地系统在面对外部干扰时的恢复能力，是实现耕地可持续利用的重要保障。因此，耕地形态的稳定性、生产活力和适应韧性三者之间的协同关系，是评估耕地韧性水平的核心内容。通过构建这一三维评估体系，能够更全面地理解耕地系统在不同干扰下的响应机制，为实现耕地资源的可持续管理提供科学支持。

本研究的结论表明，基于耕地形态的分区管理能够有效提升耕地系统的韧性水平，促进耕地资源的可持续利用。通过引入MSPA和K-Means聚类方法，能够更精准地识别耕地的形态特征和韧性水平，为不同类型的耕地制定差异化的管理措施。这种基于形态特征的分区治理方法，不仅有助于提高耕地管理的科学性和精准度，还能为实现耕地资源的可持续利用提供科学依据。同时，本研究提出的“基于形态的治理范式”具有较强的可操作性，能够为不同区域的耕地管理提供具体的政策建议和实践指导。

综上所述，本文通过构建一个三维耕地韧性评估体系，结合形态空间模式分析和K-Means聚类方法，系统揭示了耕地系统在不同干扰下的响应机制和韧性水平。研究结果表明，耕地的形态稳定性、生产活力和适应韧性三者之间存在紧密的协同关系，是评估耕地韧性水平的重要依据。通过引入空间指标，能够更全面地理解耕地空间格局的异质性，为实现耕地资源的可持续利用和保护提供科学支持。此外，研究提出的差异化管理策略具有较强的可操作性，能够有效应对不同区域耕地资源的管理需求，为实现耕地资源的可持续利用提供科学决策依据。