破解供需失衡问题，探究中国耕地多功能性的影响机制：迈向精准的空间治理

《Journal of Cleaner Production》：Deciphering supply-demand mismatch and influencing mechanisms of cropland multifunction in China: Toward targeted spatial governance

耕地多功能供需匹配机制与空间治理策略研究

　　本研究聚焦于耕地多功能供需失衡这一全球性问题，尤其是在高人口密度地区，耕地的可持续利用面临严峻挑战。耕地不仅是粮食生产的基础，还承担着生态保护、社会稳定和文化景观等多重功能。然而，当前的研究多集中于供给端的机制分析，缺乏对供需匹配的空间关系及其影响因素的系统性探讨，从而限制了对耕地多功能失衡的决策支持。为此，本研究构建了一个集成的分析框架，即“供需匹配—过程响应—分区管理”，结合了极端梯度提升（XGBoost）和Shapley加法解释（SHAP）方法，以揭示中国耕地多功能供需关系的空间异质性及其影响因素。通过自组织映射（SOM）方法进行空间聚类，提出了适应性治理策略，包括跨区域资源协调、生态补偿和城乡文化融合等。

研究结果表明，耕地多功能供需呈现出显著的空间失衡。大多数地区存在供给过剩，其中47.9%、54.9%和75.9%的区域在生产、生态和景观文化功能方面超过了需求，而52.4%的区域在社会保障功能方面存在供给不足。这一发现凸显了耕地多功能供需失衡的复杂性，特别是在城市集聚区，生态和文化景观功能的供给往往难以满足日益增长的需求。此外，不同耕地功能的供需匹配受到多种因素的影响，其中人口规模和经济发展在21%至39%的范围内表现出显著的非线性效应。这表明，影响耕地多功能供需的因素不仅具有多样性，而且在不同区域和阶段中呈现不同的响应模式，因此需要更精细的分析和针对性的管理策略。

研究还识别出八个耕地功能聚类区域，这些区域在空间分布上具有相似的供需特征和强度，支持了特定的治理措施。例如，对于供给过剩的区域，可以考虑优化资源配置，避免过度开发；而对于供给不足的区域，则需要加强生态保护和文化景观建设，以提升其功能供给能力。通过这种分类，可以更清晰地识别出耕地多功能供需失衡的结构特征和潜在风险类型，为制定科学的管理策略提供依据。

本研究强调了在制定空间政策时，必须充分考虑供需匹配的空间关系和影响因素。耕地多功能供需失衡不仅影响了区域的可持续发展，还导致了土壤质量下降、生态系统服务减弱以及耕地边缘化和非农业化等问题。因此，如何在保障粮食安全的同时，兼顾生态、社会和文化等多方面的功能需求，成为当前研究的重要课题。通过构建集成框架，结合机器学习方法，本研究不仅提高了模型的解释能力，还为政策制定提供了更坚实的理论支持和实践指导。

耕地多功能的供需关系受到多种自然和社会经济因素的影响，这些因素在不同地区和功能类型中表现出不同的响应模式。例如，人口增长和经济发展对耕地多功能供需关系的影响在某些区域可能表现为非线性特征，即当某些指标达到临界值时，耕地功能的供给可能迅速下降。因此，传统的线性分析方法在处理这些复杂关系时显得不足，而机器学习方法如XGBoost则能够更有效地捕捉这些非线性特征和交互作用。然而，XGBoost模型本身存在一定的解释性限制，往往被视为“黑箱”模型。为了解决这一问题，本研究引入了SHAP方法，通过量化特征贡献，揭示了不同因素对耕地多功能供需关系的正负影响以及非线性效应。这种结合不仅提升了模型的透明度，还为政策制定者提供了更清晰的决策依据。

在空间管理方面，本研究提出了基于供需失衡类型和功能聚类的差异化治理策略。这些策略包括跨区域资源协调、生态补偿以及城乡文化融合等。通过SOM方法进行空间聚类，可以将具有相似供需模式的区域归为一类，从而实现对耕地多功能供需失衡的精准识别和分类。这一过程不仅有助于简化复杂的供需关系，还能够为不同区域制定针对性的管理措施提供支持。例如，在生产功能供给过剩的区域，可以通过优化农业结构和资源配置，减少对耕地的过度依赖；而在生态和文化景观功能供给不足的区域，则需要加强生态修复和文化保护，以提升其功能供给能力。

研究还发现，中国耕地多功能供需失衡的形成与快速的城市化进程密切相关。过去二十年，中国城市化率增长了26.1%，导致建设用地迅速扩张，从而改变了耕地多功能的供需格局。耕地资源在中国属于稀缺型，人均耕地面积仅为0.091公顷，这一现状使得耕地多功能供需失衡成为全球性问题。因此，如何在保障粮食安全的同时，提升耕地的多功能供给能力，成为当前政策制定和管理的重要方向。

本研究通过多源数据整合，绘制了中国耕地多功能供需的空间分布图。该图不仅揭示了不同区域的供需特征，还为政策制定者提供了直观的参考。通过XGBoost-SHAP模型，研究进一步分析了耕地多功能供需关系的非线性影响机制，揭示了不同因素如何在不同区域和阶段中作用于耕地功能的供给和需求。这种分析方法不仅提高了模型的解释能力，还为政策制定提供了更科学的依据。

在政策建议方面，本研究提出了基于功能聚类的分区管理策略。这些策略包括针对不同区域的差异化治理措施，如加强生态保护、优化资源配置和促进城乡文化融合。通过SOM方法进行空间聚类，可以将具有相似供需特征的区域归为一类，从而实现对耕地多功能供需失衡的精准识别和分类。这种分类不仅有助于简化复杂的供需关系，还能够为不同区域制定针对性的管理措施提供支持。例如，在生产功能供给过剩的区域，可以通过优化农业结构和资源配置，减少对耕地的过度依赖；而在生态和文化景观功能供给不足的区域，则需要加强生态修复和文化保护，以提升其功能供给能力。

此外，本研究还强调了在制定空间政策时，必须充分考虑耕地多功能供需的空间异质性。由于不同区域的自然条件和社会经济背景不同，耕地多功能供需失衡的形成机制和影响因素也存在差异。因此，政策制定需要因地制宜，根据不同区域的供需特征和影响因素，制定相应的管理措施。这种精细化的管理方式不仅能够提高耕地多功能供给的效率，还能够促进区域的可持续发展。

研究还指出，耕地多功能供需失衡的解决需要多方面的努力，包括政策调整、技术创新和资源优化配置。例如，通过加强生态补偿机制，可以激励地方政府和农民保护耕地生态功能；通过优化农业结构，可以提高耕地的生产效率；通过促进城乡文化融合，可以提升耕地的文化景观价值。这些措施的实施不仅能够缓解耕地多功能供需失衡的问题，还能够为区域的可持续发展提供支持。

最后，本研究通过构建集成框架，为耕地多功能供需失衡的分析和管理提供了新的思路。该框架不仅涵盖了供需匹配、过程响应和分区管理三个核心环节，还结合了机器学习和空间聚类等先进方法，提高了分析的准确性和科学性。通过这一框架，研究者能够更全面地理解耕地多功能供需关系的形成机制和影响因素，为政策制定者提供更可靠的决策支持。这种研究方法不仅适用于中国，也具有推广价值，可以为其他国家和地区在耕地多功能管理方面提供参考。