湖南省耕地資源時空變化及預測分析

摘要：耕地資源對研究區(qū)域糧食安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展有重要的指導意義。根據(jù)湖南省1996-2008年的耕地面積和社會經(jīng)濟等資料，對湖南省1996-2008年的耕地變化過程進行全面分析，揭示了湖南省13年來耕地變化的時空特征，分析了其變化的主要原因，并利用GM（1，1）模型對研究區(qū)域耕地的變化趨勢進行預測分析。結(jié)果表明，1996-2008年湖南省人均耕地面積下降趨勢明顯，由1996年的0.061 5 hm2/人減少到2008年的0.055 4 hm2/人，耕地變化存在較大的空間差異，13年間耕地變化率最大的是湘西自治州，減少了1.096%，利用主成分分析法可知耕地面積變化驅(qū)動力主要在于人口增長、社會發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技進步三個方面。同時根據(jù)研究區(qū)域2011-2020年的耕地面積將繼續(xù)呈下降趨勢的預測，提出了加大耕地保護力度，實現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡的建議。

關鍵詞：耕地變化；主成分分析法；GM（1，1）模型；湖南省

中圖分類號：F327 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）10-2671-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.055

Abstract：The cultivated land have an important guiding significance for the study of food security and regional sustainable development. Based on the 1996-2008 data of cultivated land’s quantity and some other social economic factors， the change process of cultivated land from 1996 to 2008 in Hunan province was analyzed， the spatial-temporal characteristics of cultivated land’s change were revealed， and the main reasons of this change was analyzed. Likewise， the trend of cultivated land’s change in the study area was predicted with GM（1，1）model. The results showed that in 1996-2008， the per capita cultivated land in Hunan province decreased from 0.061 5 hm2 to 0.055 4 hm2， and the cultivated land’s change have obvious spatial difference. The fastest decreased region in 13 years was Xiangxi autonomous continent， decreased 1.096%. With the principal component analysis， the driving forces of change of farmland quantity in Hunan province were identified as the development of economy， the advancement of science and technology， and the increase of population. Meanwhile， according to the predicted result that the cultivated land in the study area would continue to decrease from 2011 to 2020， the proposal of taking effective measures of cultivated land protection， to realize the dynamic balance of total arable land was put forward.

Key words：change of cultivated land； principal component analysis； GM（1，1） model； Hunan province

耕地是人類賴以生存和發(fā)展的基礎，耕地資源是土地資源的精華，是最為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料[1]。穩(wěn)定和擴大耕地面積，保持耕地總量動態(tài)平衡，是穩(wěn)定農(nóng)業(yè)基礎地位和促進國民經(jīng)濟發(fā)展的核心。耕地數(shù)量和質(zhì)量的變化，關系著糧食安全與人類生存大計[2]，是可持續(xù)發(fā)展和土地利用變化研究的重點[3，4]。國內(nèi)對城市或區(qū)域的耕地變化已經(jīng)有了較多的研究成果，有的學者從耕地變化的驅(qū)動力方面進行了研究[5-12]，有的從耕地變化與糧食生產(chǎn)能力的關系上進行了探討[13-15]，還有不少學者關注耕地質(zhì)量的變化[16-17]。這些研究為充分了解耕地變化趨勢、保護耕地提供了參考。湖南省是中國中部地區(qū)乃至全國的重要糧食生產(chǎn)基地，本研究根據(jù)湖南省1996-2008年的耕地面積和社會經(jīng)濟等資料，探討其耕地資源的時空變化規(guī)律，并對研究區(qū)域耕地的變化趨勢進行預測分析，以期為促進區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全生產(chǎn)提供重要參考。也有利于加強土地資源管理，合理利用和保護耕地資源，可為湖南省相關土地保護、土地管理、區(qū)域發(fā)展政策和決策的制定提供參考，進而推進湖南省“兩型社會”和“生態(tài)湖南”的建設。

湖南省位于江南，屬于長江中游地區(qū)，東為桂東縣黃連坪，西至新晃侗族自治縣韭菜塘，南起江華瑤族自治縣姑婆山，北達石門縣壺瓶山。東西寬667 km，南北長774 km，地理坐標為東經(jīng)108°47′-114°15′，北緯24°29′-30°08′。湖南省轄13市和1個自治州，全省土地總面積21.18萬km2，占中國國土面積的2.2%，在各省市區(qū)面積中居第10位。本研究耕地面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于湖南省國土資源廳，社會經(jīng)濟資料來源于同期湖南省統(tǒng)計年鑒。

1 耕地動態(tài)變化分析

1.1 耕地數(shù)量動態(tài)變化時序

從湖南省1996-2008年耕地變化情況（圖1）可以看出，耕地面積從1996年的3 952 960.77 hm2減少到2008年的3 789 374.17 hm2，13年間共減少耕地163 586.61 hm2，其中耕地面積減少最多的是湘西自治州，共減少26 276.24 hm2；減少最少的是益陽市，共減少4 809.81 hm2。隨著耕地總量的不斷減少及人口的大幅增加，人均耕地面積下降趨勢明顯，由1996年的0.061 5 hm2/人減少到2008年的0.055 4 hm2/人，累計減少了0.006 1 hm2。已接近聯(lián)合國警戒線水平（0.053 hm2/人），人口增長已對耕地造成巨大壓力。

1.2 湖南省耕地利用結(jié)構變化

湖南省耕地包括灌溉水田、望天田、水澆地、旱地和菜地5種類型，其中灌溉水田為主要類型，2008年灌溉水田面積為2 454 557.85 hm2，相對于1996年的2 504 817.36 hm2，雖然絕對值減少了50 259.51 hm2，但占耕地比例卻由1996年的63.36%增加到2008年的64.78%，說明灌溉水田在國家政策的保護下占耕地的比例有一定回升。旱地面積減少較多，由920 198.61 hm2減少到826 850.91 hm2水澆地的面積有一定增加，由1 561.39 hm2增加到2 247.17 hm2（表1），說明13年間雖然經(jīng)濟發(fā)展與城市建設占用了大量的耕地，但國家堅持耕地與基本農(nóng)田保護政策，加大了農(nóng)村土地整治力度，從而使大量旱地變成了高標準農(nóng)田。

1.3 耕地數(shù)量空間分布情況

湖南省14市（州）在1996-2008年間耕地變化存在較大的空間差異，其中13年間耕地面積數(shù)量變化最多的是湘西自治州，減少了26 276.24 hm2，其次是邵陽市和岳陽市，分別減少21 490.84 hm2和20 413.55 hm2。13年間耕地變化率最大的也是湘西自治州，減少了1.096%，其次是張家界市和婁底市，分別減少0.637%和0.524%。高于全省平均變化率（0.345%）的地區(qū)還有岳陽市、邵陽市、永州市、郴州市，分別為0.500%、0.430%、0.394%、0.385%。耕地變化比例最小的是衡陽市，為0.111%，其次是益陽市，為0.144%（表2）。

2 耕地變化驅(qū)動力分析

2.1 耕地變化的影響因子確定

為分析湖南省耕地數(shù)量變化的驅(qū)動機制，根據(jù)研究區(qū)域的地域特點，本研究遵循綜合性、主導性、指標可獲取性等原則，并結(jié)合其他學者的研究成果[5-12]，選取了以下13個指標。X1為總?cè)丝冢ㄈf人），X2為農(nóng)業(yè)人口（萬人），X3為地區(qū)生產(chǎn)總值（億元），X4為第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（億元），X5為人均地區(qū)生產(chǎn)總值（元），X6為消費品零售總額（億元），X7為全社會固定資產(chǎn)投資（億元），X8為城市化水平（%），X9為農(nóng)業(yè)產(chǎn)值（億元），X10為水田水澆地比例（%），X11為農(nóng)民人均純收入（元），X12為農(nóng)業(yè)機械總動力（kW），X13為糧食總產(chǎn)（萬t），以對研究區(qū)域耕地的變化情況進行綜合分析。

2.2 相關性分析與主成分分析

由于各項基礎數(shù)據(jù)本身具有不同的量綱和數(shù)量級，為了讓數(shù)據(jù)在平等的情況下進行分析，須進行數(shù)據(jù)的標準化。標準化公式：

X′i=（Xi-X）/S （1）

式中，Xi′為標準化的值，Xi為原始值，X為數(shù)據(jù)均值，S為標準差。

2.2.1 相關性分析 將標準化后的自變量因子先同因變量做相關性分析，從而剔除一部分相關性不大的變量。運算結(jié)果顯示，糧食總產(chǎn)因子的相關系數(shù)為0.081，絕對值均小于0.85，因此先將這個因子剔除，對剩余的12個因子做主成分分析，分析結(jié)果見表3。

2.2.2 主成分提取及載荷矩陣計算 由表4可知，變量相關矩陣有1個最大特征根11.429 9，與其相對應的第一主成分的累計貢獻率達95.248 9%，大于85.00%，說明主成分已提供了原始數(shù)據(jù)的足夠信息，完全符合分析的要求。

主成分荷載是主成分與變量之間的相關系數(shù)，由表3可知，第一主成分與X3、X5、X6、X11和X12之間的相關程度很高，X1、X3、X5、X6、X9、X10和X11分別代表了地區(qū)生產(chǎn)總值、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、消費品零售總額、農(nóng)民人均純收入、農(nóng)業(yè)機械總動力，這5個因素分別代表人口增長、社會經(jīng)濟發(fā)展水平、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力狀況。據(jù)此，湖南省耕地數(shù)量變化在社會經(jīng)濟因素方面有以下12個方面的驅(qū)動因素（表5）。

2.3 耕地面積變化的驅(qū)動力

耕地面積變化的驅(qū)動力主要有人口增長、社會發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技進步3個方面。湖南省1996年總?cè)丝跒? 428.0萬人，2008年增加到6 845.2萬人，增加了6.49%；同期耕地面積從3 952 960.77 hm2減少到3 789 374.17 hm2，減少了4.14%，表明人口增長與耕地的減少成正相關關系。地區(qū)生產(chǎn)總值、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、消費品零售總額是反映湖南省社會經(jīng)濟綜合水平的重要指標。湖南2008年地區(qū)生產(chǎn)總值為11 156.64億元，是1996年（2 540.17億元）的4.39倍，經(jīng)濟發(fā)展造成建設用地占用耕地。與此同時，農(nóng)民人均純收入由1996年的1 792.0元提高到2008年的4 512.5元，增加了151.31%；農(nóng)業(yè)機械總動力由1996年的1 616.29萬kW增加到2008年的4 021.14萬kW，增加了2 404.85萬kW，這說明農(nóng)業(yè)科技進步促使農(nóng)業(yè)內(nèi)部比較效益的作用日益明顯，導致農(nóng)業(yè)結(jié)構調(diào)整活躍，耕地不斷向其他農(nóng)用地轉(zhuǎn)化，導致耕地逐年減少。

3 耕地變化預測分析

3.1 預測方法

耕地面積變化是多因素綜合作用的結(jié)果，灰色系統(tǒng)理論是從宏觀上對系統(tǒng)進行抽象，經(jīng)過抽象后的定量模型基本上能反映系統(tǒng)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，能為多因素綜合結(jié)果的預測提供一個量化的數(shù)學工具，GM（1，1）模型通過建立一階線性微分方程主要用于單因素預測，主要步驟為：

3.2 預測結(jié)果

以1996-2008年湖南省土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎，利用GM（1，1）模型即式（2）、式（3）預測研究區(qū)域2011-2020年耕地面積的變化情況。為了保證預測結(jié)果的精確性，本研究以13年間耕地內(nèi)部三級地類即灌溉水田、望天田、水澆地、旱地、菜地的數(shù)量為基礎，分別預測其2011-2020年的面積變化情況，再將預測出的各類耕地面積相加，從而得到耕地面積的變化情況。

通過計算相對誤差來檢驗預測模型的精度，當相對誤差絕對值小于3%時，說明模型精度是非常高的[18]。由表6可知，不同類型耕地預測模型精確度較高，其中菜地預測模型平均誤差值最大，為1%，灌溉水田預測模型平均誤差最小，僅為0.1%，所有預測模型檢驗結(jié)果都為“優(yōu)”，這表明預測模型可信度高。同時結(jié)合湖南省2011年的實際耕地面積來進一步驗證預測模型的準確性，2011年湖南省耕地面積實際為3 793 380.51 hm2，而根據(jù)表6構建的耕地預測模型可知，2011年湖南省耕地面積將減少到3 769 930.06 hm2，同時根據(jù)構建的耕地內(nèi)部三級地類的預測模型可以得到2011年湖南省灌溉水田、望天田、水澆地、旱地、菜地面積之和為3 741 655.12 hm2，實際值與兩種預測模型值的相對誤差分別為0.6%和1.3%，表明預測模型精度較高。

根據(jù)表6對湖南省2011-2020年耕地內(nèi)部三級地類數(shù)量變化進行預測，預測結(jié)果表明，灌溉水田、望天田、水澆地、旱地面積均出現(xiàn)不同程度下降，變化率分別達到-1.31%、-3.16%、-5.31%、 -10.4%；菜地面積有所增加。耕地面積總體呈下降趨勢（表7）。

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

1）研究期內(nèi)湖南省耕地資源總量呈逐年下降趨勢，人均耕地面積也呈下降趨勢，由1996年的0.061 5 hm2減少到2008年的0.055 4 hm2。

2）主成分分析表明，地區(qū)生產(chǎn)總值、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、消費品零售總額、農(nóng)民人均純收入、農(nóng)業(yè)機械總動力等與研究區(qū)的耕地變化關系密切，可以歸納為人口、經(jīng)濟社會發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技進步三個方面。

3）通過建立的灰色模型預測耕地面積，結(jié)果顯示湖南省耕地面積呈繼續(xù)下降的趨勢。

4.2 討論

針對湖南省的基本情況，提出耕地保護的對策措施如下。

1）加大耕地保護力度，特別是基本農(nóng)田保護。湖南省耕地減少速度快，土地墾殖率高，且后備資源貧乏，單純靠擴大耕地面積是行不通的；而且為減輕湖南省嚴重的洪澇災害的壓力，在湖區(qū)和山區(qū)還會有部分耕地退田還湖，退耕還林。所以，湖南省必須加大耕地的保護力度，積極穩(wěn)妥地推進退耕還林工程，將退耕還林與調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構、發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟、防治水土流失、保護和建設基本農(nóng)田、提高糧食單產(chǎn)、加強農(nóng)村能源建設相結(jié)合?；巨r(nóng)田保護范圍內(nèi)的耕地和生產(chǎn)條件較好、實際糧食產(chǎn)量超過國家退耕還林補助糧食標準并且不會造成水土流失的耕地，不得納入退耕還林規(guī)劃。同時大力提高復種指數(shù)，實現(xiàn)耕地集約利用。

2）加強中低產(chǎn)田改造，提高耕地生產(chǎn)能力。加大改造中低產(chǎn)田力度，不僅可以提高糧食生產(chǎn)能力，而且意味著優(yōu)質(zhì)耕地的增加。針對障礙因子因地制宜地改造中低產(chǎn)田對于保障糧食安全、促進經(jīng)濟社會和諧發(fā)展具有重要意義。比如對于地下水位偏高的地區(qū)要合理布局農(nóng)田灌排設施，實現(xiàn)合理灌排，達到“洪水不進田、冷水排出田、肥水不出田”的目標，從而有效地降低地下水位，以改善土壤的水、肥、氣、熱狀況；對于耕作層淺薄的地區(qū)要改革耕作制度，提高復種指數(shù)，實行水旱輪作和半旱式栽培，特別要實現(xiàn)綠肥混播以增加耕地有機質(zhì)含量和耕作層厚度；對于缺磷少鉀的地區(qū)則應合理施肥，增施磷、鉀肥和補施微肥，加大施用綠肥、堆肥、牛糞、山青等有機肥。

3）加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程，提高耕地利用效益。為促進農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構戰(zhàn)略性調(diào)整，應以農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收為目的，以增強農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭力為方向，以結(jié)構調(diào)整和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營為手段，加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程。依托資源優(yōu)勢，重點發(fā)展優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。通過各地優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的建設推動地方農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程，從而提高耕地利用的經(jīng)濟效益，確保耕地得到長期有效的保護。

參考文獻：

[1] 朱紅波.中國耕地資源安全研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學，2006.

[2] YANG H，LI X B.Cultivated land and food supply in China[J].Land Use Policy，2000，17（2）：73-88.

[3] 李新舉，趙庚星，李憲文.泰安市土地利用可持續(xù)評價[J].中國土地科學，2004，18（3）：27-34.

[4] 王 紅，宮 鵬，劉高煥.黃河三角洲土地利用/土地覆被變化研究現(xiàn)狀與展望[J].自然資源學報，2004，19（1）：110-118.

[5] 趙永華，何興元，胡遠滿，等.岷江上游汶川縣耕地變化及驅(qū)動力研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22（2）：94-98.

[6] 鄭海霞，童菊兒，徐 揚.發(fā)達地區(qū)耕地資源的時空變化及其驅(qū)動力實證研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23（4）：75-78.

[7] 楊萍果，趙建林.河北省耕地資源時空格局演變和驅(qū)動力[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24（8）：95-99.

[8] 段 勇，李延風，張玉珍，等.閩江流域耕地動態(tài)變化及其驅(qū)動力研究[J].地域研究與開發(fā)，2009，28（2）：90-94.

[9] 余 菲，肖 玲，康苗苗，等.貴陽市耕地面積變化的驅(qū)動力研究[J].水土保持通報，2012，32（3）：271-276.

[10] 趙文武.世界主要國家耕地動態(tài)變化及其影響因素[J].生態(tài)學報，2012，32（20）：6452-6462.

[11] 張延軍，劉彥彤，李月芬.吉林省西部耕地動態(tài)變化及驅(qū)動力研究[J].中國農(nóng)學通報，2013，29（5）：92-96.

[12] 杜新波，周 偉，司慧娟，等.青海省2000-2008年間耕地變化及驅(qū)動力研究[J].水土保持研究，2013，20（5）：180-186.

[13] 鄒 健，龍花樓.改革開放以來中國耕地利用與糧食生產(chǎn)安全格局變動研究[J].自然資源學報，2009，24（8）：1366-1377.

[14] 姚 濤，馬衛(wèi)鵬.陜西省耕地面積變化與糧食生產(chǎn)的相關性研究[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2013，34（1）：76-80.

[15] 劉 洛，徐新良，劉紀遠，等.1990-2010年中國耕地變化對糧食生產(chǎn)潛力的影響[J].地理學報，2014，69（12）：1767-1778.

[16] 趙建軍，張洪巖，王野喬，等.基于AHP和GIS的省級耕地質(zhì)量評價研究—以吉林省為例[J].土壤通報，2012，43（1）：70-75.

[17] 姚赫男，李 艷，曹 宇.基于RS和GIS的耕地資源質(zhì)量評價—以浙江省富陽市為例[J].土壤，2013，45（4）：732-738.

[18] 程建權.城市系統(tǒng)工程[M].武漢：武漢大學出版社，1999.