黑龍江省近20年耕地變化及社會經濟驅動力分析

董 雋，王 丹，臧淑英

（1.哈爾濱學院地理系，哈爾濱 150086；2.哈爾濱師范大學地理科學學院，哈爾濱 150008）

區域土地利用/土地覆蓋變化已成為全球環境變化研究的核心領域和前沿課題在當前眾多的土地利用/土地覆蓋變化類型中[1]，耕地與城鎮用地的變化無疑是明顯而強烈的[2]。在我國，隨著經濟的快速發展、人口數量的不斷增加和城市化進程的加快，有限耕地資源和城鎮用地擴展之間的矛盾日益突出。因此，對我國耕地變化的研究，受到了眾多研究者的重視。如李秀彬通過統計數據，分析我國20年耕地面積的變化特征、趨勢和驅動因子，提出了土地管理政策的建議[3]；陳佑啟從糧食安全的角度分析了我國耕地變化對糧食生產的播種面積、生產條件等方面的影響[4]；何金書等通過有關統計調查數據對環渤海地區近20年的耕地變化態勢進行研究等[5]。生態環境因子在決定土地利用實際變化的空間分布中起主導作用，而社會經濟因子在決定土地利用變化的數量特征方面為主要驅動力[6]，認識人類活動在全球變化中的作用機制，減小預測的不確定性，開展社會經濟驅動力與土地利用覆蓋變化的研究，必將為當前的全球變化研究注入活力。黑龍江省是我國最大的商品糧生產基地，享有“北大倉”的美譽，耕地面積的變化更值得關注。但是，隨著城市化的快速發展及農業用地結構調整，耕地流失強度也在不斷加大，經濟發展與耕地保護矛盾突出。因此，本文運用RS和GIS技術分析土地利用動態變化的規律，不僅有助于了解引起土地利用變化的人文驅動力機制，為全球變化研究積累區域案例，而且亦為調整人類自身活動，優化配置資源，實現土地可持續利用服務。

1 數據來源

本文所用的遙感數主要為EOS衛星系列產生的MODIS數字影像，來自美國地球資源觀測系統（Earth resources observation system） 數據中心數據庫。圖像空間分辨率為500 m×500 m，時間分辨率為旬月，時間序列為1985年9月、1999年7月、2008年9月。全部的MODIS數據都經過國際通用的MVC（最大值合成）糾正[7]，并已在美國地球資源觀測系統（Earth resources observation system）數據中心制作完成。所用的統計數據來自中國黑龍江省1985～2008年統計年鑒。此外還用到了哈爾濱地圖出版社出版的1：5萬黑龍江省土地利用圖、1：5萬黑龍江省地形圖。

2 黑龍江省耕地變化社會經濟驅動力的定量分析

2.1 黑龍江省耕地利用信息提取

參照Anderson的分類體系和相關輔助資料[8]，對研究區內的土地利用類型進行一級分類，分為林地、灌叢、草地、耕地、居民和建筑用地、水體6類。之后對1985年、1999年、2008年MODIS數據進行降維處理，從中提取相應的MODIS的最大值、平均值、標準方差、變化幅度、變異系數等5個特征值。接著利用這些特征的組合數據，結合輔助資料，利用最大似然法和概率松弛法相結合的方法[9]，完成了區域土地利用/覆蓋分類，提取了黑龍江省1985年、1999年、2008年的地表土地利用/覆蓋信息，整個分類過程全部利用ERDAS圖像處理系統和地理信息系統ARCGIS 9完成。分類結果精度檢驗表明，各期土地利用/覆蓋圖的Kappa系數均大于0.7。最后，在GIS技術的支持下，我們進一步提取了黑龍江省1985年、1999年、2008年耕地利用信息（見圖1）。

圖1 黑龍江省1985～2008年耕地利用分布Fig.1 Cultivated land of Heilongjiang Province from 1985 to 2008

2.2 耕地格局特征分析

對于非連續的土地利用/覆蓋格局的變化，運用景觀指數能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間的基本特征，因此景觀指數已被廣泛應用于土地利用/覆蓋變化空間格局分析中。本文采用應用較廣泛的斑塊密度指數對研究區的耕地進行分析，得到了黑龍江省的耕地格局特征（見表1）[10]。計算公式為：

式（1）中c表示斑塊密度指數，Σni表示研究區內某種景觀斑塊的個數，A表示研究區中某類景觀的總面積。比值越大，破碎化程度越高。

由圖1、表1可知，區域內土地利用/覆蓋變化的位置主要集中在農牧交錯區，農牧交錯區的中部到西部的變化尤其明顯，這說明在近20年的經濟快速發展中，黑龍江省生態功能用地損失明顯，這在一定程度上影響著區域生態系統的調節功能。但在1999年后，黑龍江省生態用地分布有所改觀，表明政府的一系列“退耕還林、還草”等生態環境建設措施開始發揮一定的作用。同時從圖1、表1還可以看出，區域內的耕地斑塊數據量從1985年的657個上升到1999年的785個和2008年的1761個，增長迅速；而同期的斑塊密度指數為0.103479、0.0116289、0.0218391 個·km-2。所以人類活動對區域耕地利用的影響十分明顯，尤其是1999年～2008年，隨著耕地總面積的增加，耕地破碎度達到最高，耕地利用強度在不斷加強。

表1 1985～2008年黑龍江省耕地格局特征Table 1 Landscape features of cultivated land in Heilongjiang Province from 1985 to 2008

2.3 黑龍江省耕地格局社會經濟驅動因子定量分析

2.3.1 研究社會經濟驅動力與土地利用覆蓋變化關系的主要方法

在較短的時間尺度內，人類活動往往對土地利用變化的影響起主導作用[8]。當前人類活動對土地利用/覆蓋影響主要包括對土地產品的需求、對土地的投人、城市化程度、土地利用的集約化程度、土地權屬、土地利用。引入社會經濟驅動因子后研究的步驟通常為：根據社會經濟驅動因子的不同，建立土地覆蓋變化分類體系，從而建立社會經濟形態和土地利用覆蓋變化分類的基礎；在認清土地利用和土地變化的各種人類驅動力的基礎上，建立土地利用/覆蓋模型，模擬并預測土地利用和土地覆蓋的變化，進而分析原因與覆蓋的關系。

一般對于不同尺度的土地利用覆蓋變化與社會經濟要素動態變化的規律分析，宜采用典型相關分析。典型相關分析是一種經典的多元統計分析方法，揭示的是兩組多元隨機變量之間的關系。和其它相關統計方法比較，典型相關分析適合于有多個自變量和多個標準變量，而所分析的標準變量組的各個變量之間本身具有較強的相關性的問題。在土地利用變化研究中，由于不同的土地利用類型之間相互影響、相互制約，所以典型相關分析自然成為土地利用特征同人為驅動因素之間關系的最佳統計工具。

多元線性回歸模型是常用來解釋土地覆蓋變化的一種經驗模型。該模型要求在某一地區、某一段時間內的土地利用覆蓋變化因變量與其驅動因子自變量之間存在線性關系。通過對可能引起土地覆蓋變化的各種驅動因子的多變量分析而建立的一種數學模型，以便更明確鑒別土地覆蓋變化的原因。多元線性回歸分析的基本原理是：設隨機變量Y與m個自變量之間存在線性關系，則其數學模型為：

式（2）中，Y代表土地利用類型，x1～xn為各種社會經濟驅動因子。利用n（i=1，2，…，n）組觀測值（x1i，x2i，…，xni，Y），根據最小二乘法原理求出上式中的待定系數B1，B2，…，Bm。

2.3.2 黑龍江省耕地面積變化的驅動因子分析

根據上述研究方法的思路和要求，以及黑龍江省現有資料情況，選擇1985～2008年序列資料作為基礎數據，從中選取11個影響因子x1-年份,x2-農業生產總值（億元），x3-國民生產總值（億元），x4-農業基礎設施投資完成額（億元），x5-糧食生產總量（萬t），x6-人口自然增長率（%），x7-城市化水平（%），x8-農用化肥、農藥施用量,x9-農業機械總動力（萬kW），x10-房屋建筑面積（萬m2），x11-支援農業財政支出（萬元），y-耕地面積（萬hm2）。應用數據統計分析軟件Spss13.0對樣本進行分析計算，得出散點圖，相關系數矩陣圖（見圖2，表2）。

圖2 黑龍江省耕地資源數量與年份之間相應散點Fig.2 Scatter plot between the quantity of cultivated land resources and year in Heilongjinag Province

由圖2可知，黑龍江省耕地資源數量總的趨勢是增加的，平均每年增加11.68萬hm2，尤其是2003年和2005年，耕地數量增加幅度較大，2003年耕地數量增加17.8萬hm2，尤其是2005年耕地數量增加161.1萬hm2，遠超過年平均水平。

由表2可知，國民生產總值、農業基礎設施投資完成額、農業機械總動力與耕地數量有很大的相關性。這主要是由于自上世紀90年代以來，黑龍江省經濟實力增長較快，1984～2008年國民生產總值平均年遞增8.4%，農業基礎設施投資完成額平均年遞增11.2%，使得黑龍江省耕地面積一直保持穩定；還有就是農業機械化程度的大幅度提高，2008年全省農業機械總動力1 843萬kW，比上年增長4.2%，是1984年的5倍多，科技在農業生產中廣泛應用，使糧食單產增加，從而導致人們開始尋找提高收人的新的土地經營方式，如開荒、園林改耕地等，致使耕地面積進一步增加。但也可以看出造成黑龍江省耕地質量整體下降的原因：人口增長過快，人均占有耕地逐年下降，人口與糧食矛盾尖銳，于是開荒、亂采濫伐等不合理的人類活動導致耕地破碎度增加，耕地質量下降；農用化肥、農藥施用量2000年分別為418.77和13.25 kg·hm-2，2008年分別為563.28和15.39 kg·hm-2，遠遠超過國際公認值關有逐年增加的趨勢，農田大量施用農藥、化肥等化學物質，其殘留有毒物質超過土壤的凈化容量而使土地污染，耕地退化加劇；黑龍江省大部分屬半濕潤季風氣候區，多年平均降水量為632 mm，且降水的時空分布不均勻，75%～85%的降水集中于6～8三個月，受地形影響又形成區域間降水分配不平衡，特殊的氣候條件及不合理的人類活動加劇了水土流失和土地鹽漬化，對耕地的生態環境產生極大壓力。

表2 耕地變化社會經濟驅動力變量相關系數矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix for the change process of cultivated land and its socio-economical driving forces value

2.3.3 耕地變化驅動因子的主成分分析

主成分分析方法中特征值與特征向量及主成分貢獻率與累積貢獻率計算是借助SPSS（Staistical pakage for the social scienes）軟件來完成，計算得特征值及各個主成分貢獻率與累積貢獻率（見表3）。

表3 特征值及主成分貢獻率Table 3 Characterstic value and principal components contribution rate

由表3可知，第一、第二兩個主成分因子，累積貢獻率為91.623%，完全達到分析要求。

2.3.4 耕地變化驅動因子的多元線性回歸模型

通過以上分析得知，所選取的各個驅動因子對耕地面積變化都有一定的相關性。在將耕地和各個社會經濟因子指標進行標準化處理后，通過主成分分析[10]，利用每類因子的第一主成分與耕地面積，進行逐步回歸分析，得到：

R2=0.964，通過了1%的顯著性檢驗。

由式（3）中可以看出，農業生產總值、國民生產總值、農業基礎設施投資完成額、農用化肥、農藥施用量及城市化水平與研究區耕地數量的變化關系密切。表明經濟增長導致對農業投入的增加及農業用地內部結構調整是黑龍江省耕地變化的重要原因。但同時城市化水平和過量的施用化肥農藥使黑龍江省耕地破碎度加大，耕地退化明顯。

2.3.5 耕地變化趨勢預測

通過建立各因子與年份之間的一元線性回歸，得出各自變量預測值代入上述回歸模型，在置信水平0.01下，預測出黑龍江省2010和2015年的耕地數量分別為1 186.2和 1 213.5萬hm2。結果見表4。

表4 黑龍江省2010和2015年的耕地數量預測Table 4 Forecast the number of cultivated land from 2010 to 2015 in Heilongjiang Province （萬 hm2）

3 結 論

利用1985年9月、1999年7月、2001年9月、2008年9月的Modis數據，獲取黑龍江省1980、1990、2000年地表土地覆蓋特征，分析了黑龍江省的耕地景觀格局，并討論了耕地變化的社會經濟驅動因子。基本結論如下：

a.人類活動對區域耕地利用強度和格局影響明顯，尤其在2001年，盡管耕地面積有所增加，但耕地破碎化程度嚴重。

b.農業生產總值、國民生產總值、農業基礎設施投資完成額及城市化水平與研究區耕地的變化關系密切。其中農業生產總值、國民生產總值、農業基礎設施投資完成額與耕地面積呈正相關，城市化水平、農用化肥、農藥施用量與耕地面積和質量變化呈負相關，表明經濟增長導致對農業投入的增加及農業用地內部結構調整是黑龍江省耕地變化的重要原因，同時黑龍江耕地面臨著耕地生態安全的挑戰。

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