耕地具有多种功能，耕地功能变化是当前土地变化科学研究的前沿学术难题，受到国内外学者的广泛关注。研究耕地多功能演变及其驱动力有助于推动土地变化科学深化发展，对于促进我国耕地保护向耕地多功能管理转型具有重要意义。

国外学者对耕地功能的研究主要集中在耕地功能的概念及其指标体系的构建方面，如Ferrari等^[1]将各种功能概念应用于农业方面，Arovuori等^[2]认为在芬兰的各种耕地功能中生产功能最重要，Hubert等^[3]在社会经济需求的基础上构建了土地利用多功能指标体系。

国内学者对耕地多功能的研究较少，主要集中在耕地多功能的涵义及价值量化方面^[4-8]，如宋小青等^[4]对耕地多功能的内涵和特征进行了分析，赵华甫等^[7]对北京市不同发展阶段的耕地功能进行了分析，并指出不同发展阶段应重点保护的耕地功能不同，杨雪等^[8]分析了北京市耕地功能的空间差异及其演变过程。

综上所述，国内外学者对耕地多功能研究主要集中在耕地多功能理论研究方面，鲜有对耕地多功能演变及其驱动力进行研究。由于不同职能类型城市耕地功能演变存在一定差异，而且人的需求具有层次性，在人的需求的不同发展阶段，耕地的主次功能各异^[9]。鉴于此，笔者选取长沙、株洲和张家界分别代表政治经济中心、工业中心和旅游中心3种不同职能类型城市，分析其耕地功能演变及驱动力，为不同职能城市耕地保护与耕地多功能管理提供决策依据。

1 研究区概况

1) 长沙市。长沙市总面积1万1 816 km²，其中, 农用地9 844.2 km², 占土地总面积83.3%；农用地中, 耕地2 701.6 km², 占土地总面积22.86%。2016年底，总人口764.52万人，地区生产总值为9 356.91亿元，人均GDP达12.41万元。

2) 株洲市。株洲市总面积1万1 262 km²，其中, 农用地9 527.6 km², 占土地总面积84.6%；农用地中, 耕地2 092.8 km², 占土地总面积18.58%。2016年底，总人口401.6万人，地区生产总值2 512.5亿元，人均GDP达6.27万元。

3) 张家界市。张家界市总面积9 653 km²，其中, 农用地8 202 km², 占土地总面积84.97%；农用地中, 耕地990.5 km², 占土地总面积10.26%。2016年底，张家界市总人口170.87万人，地区生产总值497.6亿元，人均GDP 3.26万元。

2 研究方法与数据来源 2.1 耕地功能评价指标体系的构建

耕地功能是指耕地能满足人类多种需求的效用。为定量化研究耕地的各种功能，本文将耕地功能分为生产、社会、生态和文化4大功能。根据科学性、典型性、综合性和可操作性原则选择能表达耕地各种功能内涵的典型指标，来构建耕地多功能评价指标体系(表 1)。

1) 生产功能指标。耕地生产功能指耕地能生产粮食、蔬菜、油料和青饲绿肥等多种农作物以满足人们对食物和原材料的需求。近7年来研究区域粮食、蔬菜、油料和青饲绿肥的播种面积之和占农作物播种面积的95%左右，故选此4类作物的单产来衡量耕地生产功能大小。

2) 社会功能指标。耕地社会功能主要指耕地给农民提供的就业保障、经济收入保障、养老保障以及给国家提供的粮食安全保障。笔者选取种植业从业人员比例来表征耕地就业保障功能、养老保障价值来表征其养老保障功能^[10]、人均农业纯收入比例表征耕地对农民的经济收入保障、人均粮食安全保障率来反映耕地的粮食安全保障功能。

3) 文化功能指标。耕地文化功能指耕地景观及耕地活动带给我们美的享受和劳作体验，包括观赏乡村风光、体验农业生活等。这些都难以准确量化，但可通过这一功能的外在表现来间接体现。因此选取单位面积耕地农业观光园数、观光园个均接待人次、农业观光园占地面积比、乡村旅游收入比作为耕地文化功能指标。

4) 生态功能指标。耕地生态功能主要指由耕地构成的生态系统具有改变大气组成成分、调节气候、保护生物多样性的作用。耕地上的绿色植物通过光合作用固碳释氧，从而改变大气组成成分进而起到调节气候的作用^[11]。土地垦殖率的高低一方面反映了人们对区域土地资源利用程度的高低，同时也会对生物多样性造成一定影响。农业生产过程中大量使用农药化肥和地膜会对农产品和土壤造成污染；土壤中重金属含量的多少会对土壤与粮食安全及人们的健康造成一定影响；而对耕地进行轮作和休耕可以在一定程度上起到保持甚至提高耕地地力的作用。因此可通过固碳释氧量、土地垦殖率、农药化肥农膜的使用强度、土壤中重金属含量、轮作休耕比例来表征耕地的生态功能^[12]。

2.2 数据来源

文中数据来源于《湖南省统计年鉴》(2008—2017)，《湖南省农村统计年鉴》(2008—2017)，《长沙市统计年鉴》(2008—2017)，长沙、株洲、张家界3市2007—2016年的国民经济和社会发展统计公报，湖南省环境厅调查数据以及湖南省土地详查数据。

2.3 数据处理

1) 指标权重的确定。笔者选用熵值法^[13]计算耕地功能各指标的权重。该方法首先对数据进行标准化处理和平移，然后计算各指标的熵值和差异系数，最后计算得出各指标的权重。计算公式如下：

${P_{ij}} = \frac{{X\prime {_{ij}}}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{X_{ij}}} }}; $

(1)

$ {e_j} = - \frac{1}{{{\rm{ln}}\left( n \right)}}\sum\limits_{i = 1}^n {{P_{ij}}} {\rm{ln}}({P_{ij}}); $

(2)

$ {g_j} = 1 - {e_j}; $

(3)

$ {W_j} = \frac{{{g_j}}}{{\sum\limits_{{\rm{ }}j = 1}^m {{g_j}} }}。$

(4)

式中：X_ij为i功能j指标的原始值；X′_ij为i功能j指标量纲归一化值；P_ij为第i功能j项指标占所有功能该指标总和的比例；e_j为第j项指标的熵值；n为耕地功能数；g_j为第j项指标的差异系数；W_j为第j项指标的权重；m为指标数。

2) 综合评价模型。

$ {S_i} = \sum\limits_{j = 1}^m {{W_j}X\prime {_{ij}}} . $

(5)

式中S_i为某功能的综合值。

3) 数据处理。对3个不同职能城市耕地功能各评价指标的原始数据经过标准化处理及计算后，得到3个城市2007—2016年耕地各个子系统功能得分及耕地功能总分，结果见表 2(由于篇幅所限，表中只给出3个城市的耕地功能总分)。

2.4 分析方法—灰色关联法

灰色关联法，是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度即“灰色关联度”，作为衡量因素间关联程度的一种方法，其操作步骤如下:

1) 确定参考数列和比较数列。参考数列记作

$ {X_0}, {X_0} = {x_0^{(k)}} = \{ {x_0^{(1)}}, {x_0^{(2)}}, {x_0^{(3)}}, \cdots , {x_0^{(k)}}\} 。$

(6)

比较数列记作

$ \begin{array}{c} {X_i}, {X_i} = x_i^{(k)} = \{ {x_i^{(1)}}, {x_i^{(2)}}, {x_i^{(3)}}, \cdots , {x_i^{(k)}}\} , \\ \left( {i = 1, 2, 3, \cdots , n} \right)。\end{array} $

(7)

式中k为指标数。

2) 对原始数据进行量纲归一化处理。因原始数据量纲不同，需对其进行量纲归一化处理，本文使用区间值法来进行处理。

3) 求参考数列与比较数列的灰色关联系数

$ \begin{array}{c} {\delta _{0i}}\left( k \right) = \frac{{\mathop {{\rm{min}}}\limits_i \mathop {{\rm{min}}}\limits_k {\mathit{\Delta }_{0i}}\left( k \right) + \mu \mathop {{\rm{max}}}\limits_i \mathop {{\rm{max}}}\limits_k {\mathit{\Delta }_{0i}}\left( k \right)}}{{{\mathit{\Delta }_{0i}}\left( k \right) + \mu \mathop {{\rm{max}}}\limits_i \mathop {{\rm{max}}}\limits_k {{\mathit{\Delta }}_{0i}}\left( k \right)}}\\ \left( {k = 1, 2, 3, \cdots , m} \right)。\end{array} $

(8)

式中μ为分辩系数，μ∈(0，1), 这里令μ=0.5。

4) 求关联度γ_i并进行排序。

$ {\gamma _i} = \frac{1}{q}\sum\limits_{k = 1}^q {{\delta _{0i}}\left( k \right)} 。$

(9)

式中q为比较数列的长度，即数据数，最后依关联度大小进行排序。

3 结果与分析 3.1 耕地功能演变

1) 长沙市。根据2.3中3)数据处理结果中长沙市2007—2016年耕地功能评价得分，得出长沙市耕地功能变化图(图 1)。

由图 1可以看出, 长沙市2007—2016年耕地生产功能先降后升。2007—2012年下降，主要是因为这几年城镇化速度加快，大量农村人口转化为城市人口，从而影响到耕地生产功能。2012—2016年耕地生产功能又上升，主要是因为政府加强了对耕地资源的适时管理，鼓励农户加大对耕地的投入强度，所以耕地生产功能出现回升。

长沙市耕地社会功能2007—2010年下降，2011—2016年基本保持稳定。2007—2010年主要是由于种植业从业人员占所有农业人口的比例减少，人均农业纯收入占总收入的比例降低，这2方面原因共同导致了社会保障功能的弱化。

2007—2016年，长沙市耕地文化功能呈上升趋势。随着社会经济发展，农村旅游业资源开发增多，到农村进行旅游观光和劳作体验的人数逐渐增多，农业旅游收入日益增多，因而耕地文化功能逐年上升。

2007—2016年，长沙市耕地生态功能上升。主要是由于老百姓开始注重食用绿色食品，国家也有相关政策出台，农药、化肥在耕地中的使用得到有效控制，重金属污染的防治，加上耕地轮作休耕的实施，因而对生态环境的意义也随之增长。

2) 株洲市。根据2.3中3)数据处理结果中株洲市2007—2016年耕地功能评价得分值，得出株洲市耕地功能变化(图 2)：

由图 2可以看出, 株洲市2007—2012年耕地生产功能一直处于平稳状态，到2013年，因为粮食作物和蔬菜单产下降的原因，生产功能下降，之后又上升。

株洲市2007—2016年耕地社会功能下降，主要是由于随着城市化和工业化进程的推进，从事种植业的人数减少，另外由于非农收入增多使得人均农业纯收入比例降低，这2方面原因共同导致了耕地社会功能降低。

株洲市2007—2016年耕地文化功能整体上升，只在2008年出现下降，主要是由于2008年受金融危机的影响。

株洲市2007—2013年耕地生态功能一直持续上升，主要是由于单位耕地面积的化肥农药和地膜使用量下降。2013年之后耕地的生态功能持续下降，主要是因为土地的垦殖率变大且一直较高。

3) 张家界市。根据2.3中3)数据处理结果中张家界市2007—2016年耕地功能评价得分值，得出张家界市耕地功能变化(图 3)：

由图 3可看出，张家界耕地生产功能波动起伏，2007—2009年下降较多，主要是因粮食单产较大幅度下滑。2009—2016年，耕地生产功能处于波动中上升，主要是由于蔬菜、油料作物的栽种技术水平提高，管理优良以及气候适宜等原因使得单产有较大增幅。

张家界市耕地生态功能于2008—2011年出现下降，主要是由于在此时间段内土地垦殖率增长较快，地膜使用量增多。2011—2016年处于上升阶段，主要是因化肥农药和地膜的使用量得到有效控制，且土地的垦殖率有所降低使得生态环境有所改善。

张家界市耕地文化功能上升，主要源于这些年农村休闲旅游业开发的兴起，使得农家乐、观光园的数量出现较大幅度增长，年均接待旅游观光人次上升，旅游收入持续上涨。

张家界市耕地社会功能于2007—2009年出现下滑，主要原因是人均粮食保证率及人均农业纯收入比例减少；2010—2016年社会功能较为稳定。

3.2 3个城市同类耕地功能变化

1) 耕地生产功能的变化。根据2.3中3)数据处理结果中3个城市2007—2016年耕地生产功能评价得分值，得出3种不同职能城市耕地生产功能变化如图 4所示。

由图 4可看出，2007—2016年，作为湖南省经济政治中心的长沙生产功能起伏波动最大，作为旅游中心的张家界次之，工业中心城市株洲波动幅度最小。在2008—2010年间，3个不同职能城市耕地的生产功能都出现下降，与该时期的自然灾害频发有关。2013—2015年，3个城市耕地的生产功能都出现增长，长沙增长幅度最大，株洲增长较为缓和。因此，受外部因素如气候、政策等影响，耕地生产功能遭受冲击最严重的是经济政治中心的职能城市长沙，其次是以旅游中心为职能的张家界，影响最小的是以工业为中心的株洲。

2) 耕地社会功能的变化。根据2.3中3)数据处理结果中3个城市2007—2016年耕地社会功能评价得分值，得出3种不同职能城市耕地社会功能变化如图 5所示。

由图 5可以看出，3个不同职能城市耕地社会功能都处于下降趋势，其中以株洲下降的幅度最大，主要是由于随着工业化和城市化的推进，耕地面积减少，从事农业生产的人数比例大幅下降；外出务工人数比例增加使得工资性收入和储蓄收入提高，农业收入占农民收入的比例变小，多方面原因使得耕地社会功能减弱。

3) 耕地文化功能的变化。根据2.3中3)数据处理结果中3个城市2007—2016年耕地文化功能评价得分值，得出3种不同职能城市耕地文化功能变化如图 6。

由图 6可以看出，3个城市文化功能值都处于上升趋势。2008年以后，随着美丽乡村建设的推进，对农村旅游市场的开拓与扶持力度的加大，使得农业观光园、休闲山庄等农村旅游进入快速发展状态，因而其文化功能逐步提高，其中长沙市耕地文化功能整体高于其他2个城市。

4) 耕地生态功能的变化。根据2.3中3)数据处理结果中3个城市2007—2016年耕地生态功能评价得分值，得出3种不同职能城市耕地生态功能变化如图 7所示。

由图 7可以得出，3个城市耕地的生态功能得分基本处于0.05~0.20之间，其中株洲市的起伏变化最大，长沙次之，张家界相对稳定。主要是由于株洲市单位耕地面积化肥、农药和地膜的使用量增加，加上土地垦殖率上升，工业化发展的加快，重金属污染增加所致。

5) 耕地整体功能变化。根据表 2，得出3种不同职能城市耕地整体功能变化如图 8所示。

从长沙、株洲、张家界的耕地功能综合评价的得分变化(图 8)来看：2007—2016年，长沙、张家界经历先降后增，株洲整体上较为稳定。

综上所述，长沙市耕地生产功能先降后增，社会功能下降趋势明显，文化功能逐渐凸显，生态功能整体稳定；株洲市耕地生产功能先降后增，但波动幅度较小，社会功能下降最快，文化功能匀速增加，生态功能先增后减；张家界生产功能波动起伏，但波动幅度不大，社会功能先下降后稳定，文化功能上升趋势明显，生态功能基本稳定。

3.3 不同职能城市耕地功能演变驱动力

1) 长沙市耕地功能变化驱动因子。根据灰色关联法的思路和要求以及长沙市实际情况，从影响耕地功能演变的社会经济科技影响因子中选取人口、城镇化率、全社会固定资产投资额、第二第三产业增加值占国内生产总值的比例、有效灌溉面积、国内生产总值(GDP)、旅游业总收入这7个分析因子，分别代表人口的变化、农业结构的调整、社会经济的发展、国家政策等对耕地功能演变的影响因素。

选取2007—2016年的统计数据作为原始数据，将数据先进行无量纲化处理，再根据式(8)和(9)进行计算得出耕地功能演变和驱动力因子的灰色关联系数及最终关联度如表 3所示。

基于灰色关联法，关联度越接近于1, 关联程度越高。一般认为：0.8≤γ_i≤1时，关联程度极高；0.6≤γ_i＜0.8时，关联程度较高；0.4≤γ_i＜0.6时，关联度中等；0≤γ_i＜0.4时，关联程度较弱。由表 3可以看出，与长沙市耕地功能演变关联度极高的是人口因素；较高的是城镇化率、全社会固定资产投资额、旅游业总收入、有效灌溉面积；与耕地功能演变关联程度中等的是GDP、第二第三产业增加值占国内生产总值的比例。

2) 株洲市耕地功能变化驱动因子。由表 3可以看出，与株洲市耕地功能演变关联度极高的是有效灌溉面积；较高的是规模以上工业个数、城镇化率、人口；与耕地功能演变关联程度中等的是旅游业总收入、GDP、第二第三产业增加值占国内生产总值的比例、工业生产总值、全社会固定资产投资额。

3) 张家界市耕地功能变化驱动因子。由表 3可以看出，与张家界耕地功能演变关联较高的有：城镇化率、旅游业总收入、旅游接待人数、人口、有效灌溉面积、GDP；与耕地功能演变关联程度中等的是全社会固定资产投资额和第二第三产业增加值占国内生产总值的比例。

4) 驱动力结果分析。从3种不同职能城市耕地功能演变的驱动力分析中可以看出，不同职能城市影响耕地功能变化的驱动力存在一定差异；但城镇化率是引起耕地功能演变的较为重要的共同因子。

作为政治经济中心的长沙市，对其耕地功能演变的最大驱动力为人口，其次为城镇化率、全社会固定资产投资额、旅游业总收入、有效灌溉面积。因此，我们要确保耕地生产满足人口增长带来的食物需求，当下之急应严格控制耕地的数量，努力提高耕地质量。

对工业中心城市株洲，影响耕地功能演变的最大驱动力为有效灌溉面积，其次是规模以上工业个数、城镇化率、人口。由于农业技术是制约灌溉、影响耕地生产功能发挥的重要因素，因此政府应加大对农业生产的投入力度，引进先进的农业技术加快推进农业现代化。

旅游中心城市张家界，耕地功能演变的最大驱动力为城镇化率，其次为旅游业总收入、旅游接待人数、人口、有效灌溉面积、GDP。由于城镇化率的快速提高，从事农业生产人员比例迅速下降，因城市扩张而被占用的耕地数量增多。因此，政府首先可通过一系列措施比如改善农村基础设施、加大农村扶贫力度等来留住农村人口，其次应将先进的农业技术引入农村，提高农业生产产量，改善农村生活水平，使得城市化持续平稳推进。

4 结论

笔者从生产、社会、文化、生态4方面选择代表性指标构建耕地功能评价指标体系，运用极差标准化法处理数据，采用熵值法确定指标权重，并以具有不同职能的3种类型城市长沙、株洲、张家界为例，分析不同职能城市的耕地功能差异及演变规律；然后采用灰色关联分析法对3种不同职能城市耕地功能演变的驱动力因子进行分析，得出如下结论：

1) 2007—2016年，经济政治职能城市长沙的耕地整体功能波动较大，旅游职能城市张家界波动幅度次之，工业职能城市株洲波动较小；3种不同职能类型城市耕地生产功能先降后升，社会功能下降，文化功能上升，生态功能变化各异。

2) 不同职能类型城市影响耕地功能变化的驱动力存在一定差异。经济政治职能城市长沙耕地功能演变的主要驱动因子为：人口、城镇化率、全社会固定资产投资额；工业职能城市株洲耕地功能演变的主要驱动因子为：有效灌溉面积、规模以上工业数、城镇化率；旅游职能城市张家界市耕地功能演变的主要驱动力为：城镇化率、旅游业总收入、旅游接待人数。其中，城镇化率是共同因子。