長江經濟帶快速城鎮化對耕地保護的影響

何 亮,李偉峰,*,田淑芳,鄭 華

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國人民武裝警察部隊武警黃金第八支隊,烏魯木齊 830026 3 中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京 100083

改革開放以來,我國城鎮化水平快速推進,城鎮化是過去30多年中國大地上所發生的最引人矚目的現象之一[1]。2000—2015年,我國人口城鎮化率從36.22%增長到56.1%,年均增長速度遠高于改革開放的前20年[1- 2]。然而,隨著社會、經濟的加快發展,我國人口眾多、耕地相對不足的問題顯得越發突出,據統計,我國現有耕地1.35億hm2,人均耕地0.09 hm2,只占世界人均耕地的1/4,雖然我國耕地面積位居世界第二,但人均耕地只排在世界67位[3]。

長江流域及長江經濟帶覆蓋了我國陸地面積的25%,但人口約占全國的45%,GDP約占全國的一半[3],是國家經濟發展的核心區域,同時也是我國重要的糧食產區,全國九大糧食產區中有六個都在其中,例如江漢平原、太湖平原與江淮地區等[4]。長江流域及長江經濟帶在其快速城鎮化的過程中,也同樣存在對耕地侵占的問題。自2000年以來,糧食生產在全國的主體地位逐漸下降,一方面由于人口增長導致糧食需求量增加,耕地壓力指數不斷加大[5-6],另一方面地方政府不斷收購耕地來加快城鎮化的發展,導致以農耕為主的村莊在不斷減少。以上兩種情況在未來較長一段時間內還會不斷加劇,因此城鎮化與耕地保護之間的權衡問題將尤為重要。

目前,以全國或省、市等行政單位為研究區域的有關城鎮化對耕地保護影響的研究較多[7- 9],而針對長江流域及長江經濟帶這種既包括不同自然流域單元又包括不同行政單元的重要區域,尚缺乏全面系統地有關城鎮化對耕地資源影響的研究[10-13]?；谏鲜鲅芯勘尘?本文將長江流域與長江經濟帶作為研究范圍,以二者覆蓋的156個地級行政區作為基本研究單元,基于遙感數據直接解譯的土地覆蓋數據,全面分析了2000—2015年長江流域與不同規模城市的擴張對耕地資源的影響特征,以期為長江流域及長江經濟帶城市發展優化與耕地保護目標的權衡提供科學依據。

1 研究區概況

長江流域總體位于24°—35°N之間,90°—122°E之間,橫跨我國東、中和西部三大經濟區共計19個省、市與自治區,是世界第三大流域,流域總面積180萬km2,占國土面積的的18.8%。區內水系龐大,有支流7000余條,地勢西高東低并呈現三大階梯狀,高原、山地占65.6%,丘陵占24%,平原、低地占10.4%。長江經濟帶作為一個區域的概念,起源于20世紀80年代初期“一線一軸”的構想,是我國尋找發展的新引擎和區域聯動的探路者,其覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州11個省市,面積約205萬km2,人口和生產總值均超過全國的40%[3]。本次研究是將長江流域與長江經濟帶結合起來,以二者共同覆蓋的156個地級市為基本研究單元,共計面積290.4萬km2。根據自然流域的上、中、下游以及地級市行政邊界,本文將研究區重新劃分為3個流域(圖1),劃分后的長江上游共有地級市52個,中游62個,下游42個。

圖1 研究區范圍圖Fig.1 Study area map

2 研究方法及數據來源

長江流域及長江經濟帶的土地覆蓋數據主要基于Landsat- 5 TM(30 m空間分辨率)遙感影像,利用面向對象和回溯相結合的土信息提取方法,獲得了2000、2010與2015年3期的土地覆蓋分類圖,并結合高分辨率遙感數據和野外實地調查數據對遙感解譯數據進行修正及驗證,以保證分類精度[14],其中2000、2010年總體分類精確度均超過95%,2010年分類精度為93.65%。根據本次研究內容需要將3期土地覆蓋數據分為林地、草地、水體、水田、旱田、人工表面、其他(包括裸巖、戈壁、沙漠、冰川等)共7大類,其中將耕地分為兩類是為了研究城鎮化對不同耕地類型的影響特征。

2.1 土地覆蓋數量變化分析方法

土地利用變化幅度,即某類土地的數量在研究時間段內的變化值,其表達式如下[15- 16]：

(1)

式中,Ua表示研究區起始年某類土地數量；Ub表示研究區終止年某類土地數量；U表示某類土地的變化幅度；T表示研究時間長度,當設定為年時,公式結果表示某類土地年均變化幅度。

土地利用動態度,即一段時間內某種類型土地數量的變化情況,其表達式如下[15- 16]：

(2)

式中,K表示研究時間段內某種土地的動態度；Ua表示研究區起始年某類土地數量；Ub表示研究區終止年某類土地數量；T表示研究時間長度,當設定為年時,公式結果表示某類土地年均動態度。

2.2 土地覆蓋類型變化分析方法

通過土地利用類型的轉移矩陣可以定量的分析不同土地覆蓋類型的轉入與轉出特征[17- 18]。土地轉移矩陣的數學表達式如下：

(3)

式中,S代表土地面積；n代表土地利用類型數,本文土地利用類型為七類,即n=7；i代表研究初期土地利用類型；j代表研究末期土地利用類型。本次研究中使用ArcGIS軟件中的柵格計算器或者空間分析模塊來具體計算轉移矩陣。

2.3 城市規模劃分方法

根據我國2014年《國務院關于調整城市規模劃分標準的通知》,以城區常住人口為統計口徑,將城市劃分為五類。城區常住人口50萬以下的城市為小城市；城區常住人口50萬以上100萬以下的城市為中等城市；城區常住人口100萬以上500萬以下的城市為大城市；城區常住人口500萬以上1000萬以下的城市為特大城市；城區常住人口1000萬以上的城市為巨大城市。據此,長江流域地區共有巨大城市5個、特大城市89個、大城市52個、中等城市6個、小城市4個。全面分析長江流域及長江經濟帶不同規模地級市的城鎮化發展情況,對制定區域規劃方案具有重要意義。

2.4 數據來源

長江流域2000年、2010年、2015年地級市人口總量來源于《中國城市統計年鑒》、《中國縣域統計年鑒》以及各省、市單獨出版的統計年鑒；土地覆蓋數據(30 m分辨率)來源于中國科學院遙感與數字地球研究所；地級市行政區劃矢量數據來源于國家測繪局；各地級市不同土地類型面積通過ArcGIS軟件按照地級市矢量裁剪土地分類數據后計算獲得。

3 數據結果分析

3.1 長江流域土地覆蓋特征與變化

總體上,長江流域土地覆蓋以林地、草地和耕地為主(圖1),2000—2015年這3種土地覆蓋類型平均占研究區總面積的85%以上,而水體、人工表面和其他土地利用類型均不超過4.5%,不同流域土地覆蓋類型數量的差異較大。十五年間變化較大的土地覆蓋類型為人工表面、其他土地、草地和耕地,其中人工表面和草地增加56.8%和18.76%,其他土地和耕地減少49.83%和17.09%。

不同流域的土地覆蓋構成明顯不同(表1)。長江下游以耕地、林地和人工表面為主(三者占93%以上),中游以林地和耕地為主(二者占88%以上),上游則以林地、草地為主(占75%以上)。

時間尺度上,2000—2015年長江流域的林地、草地和水體呈現緩慢增加,耕地和其他土地類型快速減少,人工表面急速增加,其中,旱田減少的速度明顯大于水田。不同流域土地覆蓋的變化也存在明顯差異,例如,林地在3個流域的占比都在緩慢增加；草地和水體在中、上游呈現緩慢增加的趨勢,而在下游表現為逐年減少；3個流域比較一致的是耕地減少和人工表面增加,其中以長江下游變化最為明顯。

3.2 城鎮發展對耕地的影響特征

3.2.1 人工表面與耕地數量的變化特征

隨著長江流域及長江經濟帶社會、經濟的快速發展,人工表面和耕地的數量發生了巨大的變化,總體上,呈現出人工表面快速擴張,而耕地持續減少的趨勢。近年來在耕地保護政策的影響下,耕地減少的速率得到一定控制,但人工表面依舊快速增加。

表1 長江流域及長江經濟帶各年份土地利用類型面積表

在不同時間段里,人工表面與耕地的變化速度也表現出不同的差異。2000—2010年長江流域及長江經濟帶人工表面增長速度為2733.75 km2/a,而在2010—2015年增長速度提高到2985.87 km2/a,而同時期耕地減少速度從4439.94 km2/a降低到3940.91 km2/a；此外,不同類型的耕地變化差異較明顯,水田的減少速度從2050.09 km2/a降低到495.37 km2/a,而旱田從年均減少2389.85 km2增加到年均減少3445.52 km2,表明長江流域及長江經濟帶城鎮化的顯著特征依然是以人工表面快速增加的土地資源依賴型,雖然耕地總體減少的速率有所降低,但也存在著耕地類型發展不均衡的問題,即大量旱田向水田轉變。從表2長江中、下游旱田減少速度迅速增加,水田減少速度有所降低,而耕地總體數量緩慢減少,可以推斷出旱田向水田轉變的現象主要發生在長江中、下游地區,這里水資源較為豐富,水田糧食產量較高,旱田改水田符合“高產、優質、高效”農業生產的總體要求。然而大量的旱田改水田會導致小麥和水稻的糧食供給結構發生變化,同時加大了耕地用水量,對水資源的壓力增加。

上、中、下3個不同流域內人工表面與耕地的變化速率也存在不同的差異,其中,下游人工表面的增加速度明顯趨緩,從每年增加1635.30 km2減小到每年增加1271.80 km2,而中游和上游人工表面增速都呈現上升趨勢,尤其是上游人工表面增加速率提高了2倍之多。上游耕地減少速度從1827.95 km2/a降低到655.93 km2/a,中游耕地減少速度卻從923.97 km2/a增加到1693.87 km2/a,下游耕地減少速度幾乎保持不變。說明隨著土地開發利用效率的增高,城鎮化對土地資源的依賴程度不斷下降,同時也表明長江中游人工表面增長對耕地的侵占程度較為劇烈。

表2 長江流域及長江經濟帶各年度耕地和人工表面數量變化表

U：年均土地利用變化幅度,Average annual change in land use；K：年均土地利用動態度；Average annual dynamics in land use

3.2.2 人工表面對耕地的侵占特征與變化

與我國城鎮化的總體特征一致,長江流域及長江經濟帶城鎮化的發展也侵占了大量耕地。分析結果可知(表3),15年間新增的人工表面為6.25萬km2,其中78.17%來自耕地,11.92%來自林地。耕地轉出16.44 km2,其中50.94%轉變為林地,29.70%轉變為人工表面。無論從新增人工表面的來源方面,還是從耕地的轉出方面,都說明長江流域及長江經濟帶在城鎮化的進程中侵占了大量的耕地,而導致耕地減少速率減低的主要因素之一是由于城市發展受到空間限制,人工表面開始向著遠離城市的山區林地發展,由大量侵占耕地逐漸轉變為侵占林地；其二是隨著現代建筑行業技術的革新,人工表面對平坦地勢的要求逐漸降低。

表3 長江流域及長江經濟帶2000—2015年土地轉移矩陣/km2

3.2.3 城鎮化對耕地侵占的空間分布特征

2000—2015年長江流域及長江經濟帶城鎮化發展對耕地的侵占呈現明顯的地域差異(圖2)。從侵占面積來看,長江下游三角洲地區以及安徽北部是城鎮化對耕地侵占的密集區；中游則體現在北部的河南、湖北的中部以及江西-南昌一線；長江上游青海、西藏以及四川西部地區由于地形的原因,制約了城鎮化的擴張方向與空間,對耕地侵占嚴重的地區主要集中在四川成都-重慶一帶?？傮w來說,長江流域及經濟帶城鎮化對耕地的侵占強度從下游到上游逐漸減小。

從侵占的耕地類型來看,長江下游三角洲地區被侵占了大量的水田,也從側面體現出該區域以種植水稻為主,安徽則以秦嶺-淮河一線為分界線,北部主要侵占類型為旱田,南部主要為水田；長江中游北部陜西、河南的城鎮化以侵占旱田為主,中、南部地區則以侵占水田為主；長江上游以四川成都的城鎮化侵占水田最為明顯,而其他地區則以侵占旱田為主。總體來說長江流域以秦嶺-淮河為分界線,北部地區的城鎮化主要以侵占旱田為主,而南部地區正好相反。

3.3 不同規模地級市城鎮化發展對耕地的影響特征

2000—2015年,長江流域及長江經濟帶不同規模城市的人工表面增加對耕地的影響存在較大差異,而且與自然流域區位有密切關系(圖3)。長江上游的兩個巨大型城市發展最快,15年間人工表面平均增長225.83%,而小城市的人工表面增長最慢,但其耕地減少的最多(3個小城市15年間平均減少43.82%),說明上游地區城鎮化的發展模式為巨大型城市帶動周邊城市,小城市損失的耕地一方面是城鎮化對其侵占造成的,另一方面由于退耕還林的政策在持續發揮著作用；中游地區人工表面增加明顯的是中等城市,15年間增加了50.48%,而耕地減少最多的也同樣是中等城市,這表明長江中游地區近年來注重中等城市的發展,但在快速發展的同時也侵占了較多的耕地資源；長江下游城鎮化的速度總體要高于中游和上游,表現最為突出的是中等城市,平均動態度達到了385.88%,高于下游其他規模城市3倍之多,巨大型城市和中等城市耕地減少的最多,這也從側面反映出下游巨大型城市城鎮化的發展受到土地限制,發展重心開始向著中等城市轉移。

圖3 長江流域級長江經濟帶2000—2015年不同規模地級市耕地與人工表面平均變化情況Fig.3 Changes of farmland and artificial surface of different levels of city in the Yangtze River Basin and Economic Zone in 2000—2015

4 結論與建議

長江流域及長江經濟帶作為我國糧食的重要產地,近年來城鎮化快速發展侵占了大量耕地資源,加劇了人多地少的矛盾。本文從自然流域單元與行政單元綜合角度,系統分析了2000—2015年人工表面與耕地的時空特征與關聯變化,主要結論如下：(1)2000—2015年長江流域及長江經濟帶人工表面增加了56.79%,新增的人工表面中有78.17%來源于對耕地的侵占,人工表面擴張與耕地流失問題最為突出的是長江下游地區；(2)隨著時間的推移,長江流域及長江經濟帶人工表面增加的速度呈現明顯上升的趨勢,耕地減少的速度得到明顯的控制,一是由于國家政策對耕地的保護,二是因為新增的人工表面開始向山區林地轉移。其次耕地內部出現結構類型變化不均衡的現象,即長江中、下游地區大量的旱田轉變為水田,導致水資源壓力增加；(3)不同規模的地級市人工表面增加速度存在地域性差異,上游的巨大型城市發展速度快,而中、下游的中、大型城市發展迅速,值得注意的是長江下游中等城市平均發展速度高于其他城市3倍之多,過快的城鎮化發展必然會造成人口急劇增加、環境惡化、資源危機等問題,這是目前制約我國城鎮化發展的關鍵因素。

近年來隨著我國不斷向世界強國之列挺近,越來越多的外來人口以及農村人口向著城市遷移,與之伴隨的城鎮化與耕地保護的矛盾依舊突出。長江流域及長江經濟帶的城鎮化對我國未來可持續發展具有重要影響,政府在土地利用規劃的過程中,需重點關注長江流域及經濟帶城鎮化與耕地保護之間的關系,禁止開發優質耕地資源,嚴格落實耕地補償制度,逐步提高城鎮土地的利用效率,合理規劃城市布局。此外,還要關注耕地結構問題,根據不同自然地理條件與水環境容量特征,優化水、旱田的耕作布局。重視長江不同區域的差異發展問題,控制中、下游小城市的擴張速率,積極治理快速城鎮化過程中產生的環境污染,同時加快上游巨大型城市的經濟帶動作用,將優勢資源向長江中、西部引進。