中国主要粮食生产地区耕地多功能性的时空演变轨迹及其动态相互作用

《Frontiers in Environmental Science》：Spatio - temporal evolution trajectories and dynamic interactions of arable land multifunctionality in China’s major grain-producing regions

1.本文基于生产-社会-生态（PSE）评价体系，采用熵权法、核密度估计、马尔可夫链及PVAR模型，系统分析2007-2022年中国13个主粮产区耕地生产、社会及生态功能的时空演变特征与动态交互关系。结果表明：1）三功能整体水平偏低，存在显著空间异质性；2）生产与生态功能呈现协同效应，但均与社会功能存在此消彼长的替代关系；3）功能状态具有强路径依赖性，区域差异呈渐进式动态演变。研究为耕地多功能协同发展提供决策依据。

　　中国的粮食安全始终是国家发展的核心议题之一。在保障粮食供应的同时，如何实现耕地的多功能利用成为了一个亟待解决的重要课题。随着农业现代化进程的推进，传统单一功能的农业发展模式已经难以满足当前社会对农业生态、社会价值和生产效益的多元化需求。因此，研究耕地的多功能利用，尤其是其在主要粮食产区的表现，对于推动农业可持续发展、提升农业综合效益、促进粮食安全具有重要意义。本文通过构建一个包含生产、社会和生态功能的综合评价体系，并结合熵值法、核密度估计、马尔可夫链方法以及面板向量自回归（PVAR）模型，对13个主要粮食生产省份的耕地功能进行系统分析，揭示其在时空演变中的变化规律以及各功能之间的动态关系。

### 耕地多功能利用的必要性与现实挑战

中国拥有14亿人口，粮食需求巨大。尽管近年来粮食产量持续增长，但耕地的过度开发与利用也带来了诸多问题。例如，农业面源污染日益严重，农业生态系统逐渐退化，生态环境承载力接近极限。在这些主要粮食产区，土壤侵蚀、沙漠化、石漠化等问题尤为突出，加之“非农化”和“非粮化”趋势的加剧，导致耕地资源减少、土壤肥力下降，进而影响农业生态系统的结构和功能。这些问题不仅威胁到中国的粮食安全，还对社会稳定产生深远影响，甚至可能加剧全球粮食供应链的不稳定性与价格波动。

此外，随着全球地缘政治冲突频发以及极端天气事件的常态化，中国在提升粮食生产能力、减少对外依赖方面的重要性愈加凸显。因此，如何在确保粮食安全的同时，实现耕地的多功能利用，成为当前农业发展的重要方向。然而，这一目标的实现并非易事，因为耕地的多功能利用涉及复杂的系统互动，包括生产、社会和生态功能之间的协同、权衡与独立关系。在不同区域，这些功能的演变路径和相互作用机制可能大相径庭，因此需要深入研究其动态特征，为政策制定提供科学依据。

### 研究方法与技术路径

本文构建了一个涵盖生产、社会和生态三个维度的多功能评价体系，并通过多种方法对耕地功能的演变和互动关系进行分析。首先，使用熵值法对各功能指标进行权重赋值，然后结合线性加权法对指标进行综合评价。熵值法是一种基于信息熵理论的非参数方法，能够有效反映各指标的不确定性，并为后续分析提供更精确的权重。这种方法在多个领域已得到广泛应用，包括基础公共服务、绿色产业发展和消费升级等，具有较强的适应性和科学性。

其次，核密度估计（KDE）被用于分析耕地功能在不同省份之间的动态分布特征。KDE是一种非参数估计方法，可以拟合观测数据，描绘随机变量的分布位置、形状、扩展性和极化趋势。通过KDE，研究人员能够观察到耕地功能在时间维度上的演变规律，以及其在空间分布上的差异。这种方法具有较强的稳健性，不依赖特定模型，因此被广泛用于研究空间非均衡分布。

第三，马尔可夫链方法被用来构建耕地功能的转移概率矩阵，以分析其内部动态变化趋势。马尔可夫链是一种基于概率的模型，可以描述在给定状态下，系统向其他状态转移的可能性。通过该方法，研究人员可以更深入地理解耕地功能的演变路径，以及其在不同省份之间的相互关系。同时，这种方法还能揭示不同功能之间的状态稳定性和动态演化规律。

最后，PVAR模型被引入以分析耕地多功能之间的动态互动关系。PVAR模型是一种面板数据与时间序列模型的结合体，可以克服传统VAR模型在样本量不足时的局限性，同时有效控制个体和时间效应。通过PVAR模型，研究人员能够模拟不同功能之间的反馈机制，揭示其相互作用的强度和方向，从而为实现耕地多功能协调提供理论支持。

### 耕地功能的时空演变特征

根据研究结果，中国主要粮食生产省份的耕地功能整体处于较低水平，且表现出明显的差异性和空间异质性。生产功能、社会功能和生态功能在不同省份之间的演变路径和空间分布呈现出多样化特征。例如，生产功能在大多数省份表现出波动上升的趋势，而社会功能则呈现出持续下降的态势。这可能与农业生产方式的转变有关，如农业机械化程度的提高、农村劳动力向非农产业转移，以及农村居民对耕地的依赖程度降低。

在生态功能方面，主要粮食生产省份整体呈现出积极的演化趋势，但不同省份之间的差距依然存在。部分省份，如黑龙江、吉林和内蒙古，由于长期投入粮食生产，其生态功能发展受到一定限制。然而，这些省份也在不断推进高标准农田建设、土壤改良和黑土保护政策，以提高耕地的综合管理能力。相比之下，江苏、山东和河南等省份由于工业化和城市化的发展，为农村劳动力提供了更多的就业机会和更高的收入水平，这在一定程度上削弱了耕地的传统生产和社会功能，但同时也促进了生态功能的提升。

### 功能之间的动态关系

通过PVAR模型的分析，研究人员发现耕地的生产、社会和生态功能之间存在复杂的动态关系。首先，生产功能和生态功能之间表现出相互促进的关系，而社会功能则对两者产生抑制作用。这意味着，在推动耕地多功能利用的过程中，需要在生产功能和生态功能之间寻求平衡，同时避免社会功能对其他功能的负面影响。

其次，冲击响应分析进一步揭示了耕地功能之间的相互作用。当生产功能受到正向冲击时，其对生态功能的影响更为显著，且具有一定的滞后性。而社会功能对生产功能和生态功能的影响则呈现出一定的负向效应，尤其是在短期内。这表明，在农业发展中，社会功能的优化可能需要更多的政策引导和制度设计，以避免对其他功能的不利影响。

此外，方差分解分析显示，耕地功能之间的相互作用具有较强的持续性。例如，生产功能对生态功能和社交功能的影响在长期内依然存在，而社会功能对生产功能和生态功能的影响则呈现出阶段性增强的趋势。这表明，耕地多功能利用的实现需要长期规划和系统协调，以确保各功能之间的平衡发展。

### 实证研究的启示与政策建议

本文的实证研究为耕地多功能利用提供了重要的政策参考。首先，各省份应根据自身的功能特征和发展需求，制定差异化的耕地利用策略。例如，黑龙江、吉林和内蒙古等省份应继续加强生产和社会功能，同时通过黑土保护政策提升生态功能。而江苏、山东和河南等省份则应更加注重生态功能的优化，推动绿色农业技术的应用，以实现农业生产的可持续发展。

其次，各省份应加强耕地保护与利用之间的协调，避免过度开发对生态环境的破坏。例如，辽宁、河北、河南、江苏和四川等省份应重点提升耕地的综合生产能力，推动农业与二、三产业的融合发展，延长传统农业产业链，实现农业的集约化、规模化发展。同时，应加强土壤污染治理和生态修复，以改善耕地质量，提高其综合效益。

最后，国家层面应加强对耕地多功能利用的宏观统筹，推动生产、社会和生态功能之间的协同优化和动态平衡。例如，应明确各省份在耕地保护和利用中的责任，强化地方政策执行力度，同时通过资产化耕地资源，吸引社会资本参与高质量农业发展，从而形成多维度的协作机制，共同推动耕地的可持续利用和多功能发展。

### 结论与展望

综上所述，中国主要粮食生产省份的耕地多功能利用仍面临诸多挑战。虽然整体功能水平有所提升，但各功能之间的差异仍然显著，且功能演变路径各不相同。为了实现耕地的多功能协调，需要在宏观层面进行系统规划，在微观层面进行差异化管理。同时，应加强农业绿色发展技术的推广和应用，以提升耕地的生态功能和社会效益，从而构建一个更加稳定和可持续的农业生态系统。

未来的研究可以进一步探索耕地多功能利用的动态机制，特别是在不同经济条件和政策环境下的功能演变路径。此外，可以结合大数据和人工智能技术，对耕地功能进行更精细化的监测和评估，为政策制定提供更加精准的数据支持。通过这些努力，中国有望实现耕地的多功能利用，为全球粮食安全和生态环境保护作出更大贡献。