南京市耕地時空變化及驅動力分析

歲秀珍，阮仁宗,顏梅春，高雷亭，張道祥

（1. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

耕地資源稀缺、人地關系沖突日益成為中國農業生產和社會經濟發展的障礙[1-4]。國內外學者已在南京地區開展了土地覆蓋、耕地資源研究。陳晶中在借鑒國內外經驗的基礎上，提出耕地管理、質量建設及科學利用等對策[5]；潘杰華預測了南京市2001～2010年的耕地數量警情，并提出實現南京耕地資源可持續利用管理的政策建議[6]；王艷君等分析了南京市土地利用時空變化特征[7]；劉世峰等結合數理統計分析, 揭示了江浦土地利用類型變化的數量特征和空間變化特征, 并對本地區未來幾年的土地利用變化趨勢作出預測[8]。本文在此基礎上，通過對南京地區2000年、2005年和2010年遙感影像的加工處理,提取其耕地信息的動態變化情況,旨在了解南京市近10 a來的城市耕地結構變化,并分析了造成變化的主要驅動力,為今后評價南京市生態環境質量變化提供科學依據。

1 研究區概況與數據

南京市位于東經 118°22'～119 °14'、北緯 31°14'～32°37'，年均溫16 ℃,年降雨1 106.15 mm，無霜期年均239 d。該市地形為寧鎮揚丘陵區,以吊扇緩崗為主,在其土地總面積中,低山占3.50 % ,丘陵占4.30% ,崗地占53.00%,平原、洼地及河流湖泊共占39.20% ,土壤主要有地帶性土壤和耕作土壤。南京市域面積6 597.163 km2,是長江流域四大中心城市和長江三角洲西部樞紐城市之一,同時也是中國重要的農業地區和商品糧基地之一。現代植物資源豐富、植物種類繁多,常見樹種近50種[9,10]。

選用2000、2005、2010年冬季與夏季TM、ETM、HJ/CCD等遙感影像。影像預處理包括數據標定、大氣糾正、地形光譜糾正、波段反射率計算、云標識、正射糾正等步驟。1/5萬DEM和坡度等輔助數據參與數據分析,以提高信息識別精度。

2 南京市耕地遙感監測變化分析方法

2.1 耕地的圖像識別提取

耕地提取采用面向對象的層次分類方法[11-14]，對由像元組成的紋理特征、幾何屬性以及對象與對象之間的空間關系特征進行識別。另外,通過分層的譜系關系,逐步分割、細化類型,以多尺度的對象擬合進行目標識別(分類采用Definiens公司Ecognition圖像處理軟件,影像分割尺度20)。為減少分類誤差, 耕地決策樹采取最短建樹、最大類型劃分的原則，劃分指標選取了植被茂盛期NDVI、植被枯萎期NDVI、坡度、高程等,通過決策樹的分離過程, 不斷去除非耕地信息,達到耕地提純的目標（圖1）。

2.2 耕地的空間結構變化研究方法

2.2.1 耕地的變化速度

耕地動態度可表達區域一定時間內的耕地數量變化情況[15,16],公式為:

式中，Ua、Ub分別為研究期初及期末的耕地數量;T為研究時段長。當T設定為年時,K為研究時段的耕地面積動態度。

2.2.2 耕地利用的相對變化率

引入單一土地利用類型相對變化率來反映土地利用數量變化的區域差異。區域某一特定土地利用類型相對變化率可表示為:

圖1 耕地提取層次分類方法流程圖

式中，Ka、Kb分別為耕地研究期初及期末的面積; Ca、Cb分別代表研究區某特定土地利用類型研究期初及期末的面積。

2.2.3 耕地的空間變化模型

可以用土地利用類型重心變化情況來反映。第t年某種土地利用類型分布重心坐標計算方法為:

式中，Xt、Yt分別表示第t年某種土地利用類型分布重心的坐標; Cti表示第i個小區域該種土地資源的面積;Xi、Yi分別表示第i個小區域幾何中心的坐標;n表示研究區內小區域的總個數。通過比較研究期初和期末各種土地利用類型的分布重心,可以得到研究時段內土地利用類型的空間變化規律。

3 南京耕地空間結構變化分析

3.1 耕地數量變化

遙感監測得到3期不同的南京耕地數據（圖2）。2010年南京市的耕地總面積為3 379 km2，從2000年到2010年耕地總面積減少913 km2,占耕地總面積的27%,平均每年減少91.3 km2。南京市的耕地數量表現為總體減少趨勢，按可比性分析，2005年以后的耕地減少速度小于2005 年以前的速度。人口增長、均居住條件改善、城市化發展以及農業結構調整是南京市耕地數量變化的主要動因。

3.2 南京市耕地的結構變化

2010年水田與旱地的比例為7.1︰1。與2000年相比較，水田減少841 km2，占耕地總面積的24%；旱地減少72 km2，占耕地總面積的2%。相比2000年旱地與水田比例為7.7︰1,2010年旱地的比例略有提高。耕地的減少主要表現為耕地轉化為建設用地，面積達到了740 km2,所占比例為81%；其次是耕地轉化為水庫、坑塘等濕地，面積達到235 km2,所占比例為26%；還有少部分耕地轉化為林地、草地，面積為2.9 km2。由于養殖場的存在，耕地增加表現為濕地轉化為耕地（圖3）。

圖2 南京市2000～2010年耕地面積統計/km2

圖3 耕地變化情況

3.3 耕地變化的空間分布特征

南京地區水田和旱地分布不均勻（圖3b），耕地數量變化存在明顯的區域差異 ,其中耕地的變化以雨花臺區、江寧區為最大，鼓樓區變化最小（圖3c）,高淳的耕地變化也相對比較大，由于養殖場的存在導致耕地和濕地之間的變化比較大。其他區主要是耕地與城鄉居住建設用地之間的變化。南京市在 2000 年～2010年10 a內 ,變化最大的類型主要是耕地轉化成城鄉居住建設用地 ,其次是耕地轉化為林地園地以及濕地。耕地轉化為建設用地集中分布于大中小城市的邊緣區以及原有的農村居民點附近。耕地轉化為林地集中分布于山丘與平原的交錯地帶 ,平原地區則呈離散分布 ,主要表現為耕地向濕地、 園地的轉化；在2000年～2010年這個時間段 ,不僅南京市中心擴張迅速 ,它的邊緣區(內緣區和外緣區) 以及外圍各地區發展也極為迅速 ,城鎮建設用地沿著市中心向外以 “分散集團” 模式擴張 ,占用大量耕地。在 2000年～2010 年時期 ,耕地變化幅度有所減小，減少的耕地地主要分布在城區與周圍城鎮之間 ,使這些分散的 “邊緣集團” 與城區有連成一體的趨勢（圖3 d）。

3.4 耕地的變化速度、相對變化率及空間重心轉移

根據式（1）計算出南京耕地的動態變化度為-2.13，其中雨花臺區和鼓樓區的動態變化度最小，分別為-6.77、-6.63；最大的分別為六合區、溧水縣、浦口區，分別為-1.31、-1.33、 -1.11。由此可見，耕地變化存在著明顯的區域差異，隨著與市區距離的增加，耕地的動態變化度也越來越大。根據式（2）計算出南京地區的耕地相對變化率，鼓樓區和雨花臺區最大，六合區、溧水縣、浦口區最小，耕地動態度和耕地相對變化率呈現負相關關系。圖4中耕地相對變化率大于1的區域類型 ,其耕地變化幅度大于全區耕地的變化,反之則小于全區耕地的變化。上述結果忽略了耕地變化的內在過程,只反映了耕地數量上的變化速度。南京耕地變化的主要方向為城鄉居住建設用地不斷擴張,大量侵占耕地,同時林地與耕地在不同的空間區位上發生轉化 ,即外城蔓延和郊區城市化等2種增長形式。

圖4 耕地的動態變化度和相對變化率

2000年～2005年南京城市的擴展主要以外向型方式進行,以江南和江北為中心呈現向四周非均衡擴張以及沿交通干線發展的特征。這段時期，南京市城鎮用地擴張比較突出，導致耕地大量減少,耕地空間重心向西北方向移動570 m ,表明該時期南京江南城區城鎮用地建筑密度提高明顯,同期南京城區向南部和東南部擴展。2005年～2010年，城市主要沿長江一帶向東南方向擴展,耕地空間重心移動136 m,如圖5。

圖 5 2000～2010年南京耕地重心轉移圖

4 耕地變化的驅動力因素分析

1）人口因素

耕地變化是人地相互作用的結果[17]。人民生活需求對土地利用類型有著特殊的影響,伴隨著人民生活水平的提高,人民對社會便利要求越來越高,如交通。各個城市、鄉村之間便利的交通是以征用耕地為代價的。隨著人口數量的增加,以及人地關系緊張帶來的社會壓力,必然進一步驅動耕地發生劇烈變化。南京市人口增長迅速，由2000年的612.8萬人迅速增長到2010年的800萬人。這期間，迅速增加的人口必然會大量地需求城市建設用地,促使城市邊緣地帶大量的耕地轉變為城市建設用地。、

2）經濟因素

國內外有關城市擴展的驅動力分析表明,人口增加和社會經濟的發展是城市擴建的主要驅動因素。改革開放以來,南京市GDP從2000年的1 020億元,迅速增長到2010年的5 086億。隨著產業結構的調整,工業化步伐加快,城市用地的經濟產出收益遠遠大于耕地,而處于城市邊緣地帶的耕地具有迅速轉換成城市用地的潛力。這些耕地被迅速征為城鎮用地和工業用地,各類需要用地的企事業單位紛紛到城市邊緣搶占地皮。自1990年以來，南京城市迅速擴張,在這個過程中,由于搶占到的地皮到建設完成投人生產需要一定的時間,導致了一部分土地被閑置,影響了土地利用效率。與此同時,農業結構的調整,也使一些農業用地向相對具有更高經濟產出的農業用地轉換，如水稻和菜地會向果園和池塘轉換,導致果園和池塘面積增加,而耕地面積減少。隨著各個地區與市中心距離的增加，耕地減小的幅度會發生一定的變化（如圖6）。

圖6 各區域耕地變化與市中心的距離

3）政策制度因素

政策因素在耕地變化中起著不可低估的作用。通過政策、法律等手段引導社會的經濟生產活動,進而影響到土地利用方式和強度。如國家的“退耕還林”政策,促使一部分耕地轉變為林地；南京一號地鐵線由于施工需要,城區大量耕地被破壞；在政府大力提倡綠色浦口的政策引導下, 星甸和湯泉鎮大力發展苗圃種植業，使本地耕地面積變化受到影響。

4）自然因素

自然因素對耕地的作用主要體現在地形因素、病蟲害以及降水等對綠地及其景觀格局的影響。處于丘陵與山地的耕地,由于開發成本較大,因此避免了被大量破壞，而平緩地區和城鎮內部的耕地,尤其是小面積斑塊,被大量城鎮建設用地占用；南京強大的經濟基礎和有利的區位條件，使得耕地面積發生一定的變化；由于水利條件比較發達，南京高淳發展養殖基地，導致了耕地向水塘的轉變，等等。

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