“二調”以來湖北省耕地變化的時空特征及其驅動因子識別

陶 榮, 孔雪松, 陳翠芳, 劉 茜, 張 俊

(1.湖北省國土資源研究院, 武漢 430071; 2.武漢大學 資源與環境科學學院, 武漢 430079; 3.宜城市國土資源局, 湖北 宜城 441499)

耕地是糧食生產最重要的物質基礎，全球正面臨著耕地數量持續減少、耕地質量不斷降低的挑戰[1-5]。對于中國而言，快速城鎮化背景下的耕地保護形勢尤其嚴峻，截至2017年，中國人均耕地面積僅為0.097 hm2，遠低于世界人均水平，糧食安全問題將長期是中國這樣一個農業大國的根本性問題。實行最嚴格的耕地保護制度，從數量、質量與生態上確保耕地總量的動態平衡，對于中國保障糧食安全和社會穩定具有重要的現實意義[6]。

耕地保護是土地資源保護的核心內容之一，大量研究從耕地數量保護著手，分析不同尺度耕地面積動態變化特征[7-8]，并逐漸從區域耕地數量變化延伸到空間上的質量變化[9-11]，進而識別耕地變化的驅動機制[12-13]。隨著中國生態文明與綠色發展戰略的實施，耕地的多功能性(生產、生活與生態功能)被予以關注，學者們在強調耕地數量與質量雙保護的同時，開始聚焦耕地生態功能的挖掘與多功能評價[14-16]。總體而言，已有耕地保護研究遵循著定性指導定量、定量檢驗定性的思路，在內容上呈現出從數量向質量與生態轉變，在方法上從傳統單一數量統計向多元回歸分析與空間數據挖掘轉變，呈現出空間精細化、功能復合化和方法多元化的趨勢。

省級單元是落實國家耕地保護政策與制定地方耕地保護方案的橋梁，是實施最嚴格耕地保護制度的關鍵行政單元。然而，在省級尺度上，已有研究多基于統計數據分析耕地變化，難以有效把握省級尺度內部單元耕地變化的空間動態性與分異性，更難有效定量識別耕地變化的驅動因子。湖北省具有豐富的耕地資源和良好的農業生態環境，是國家重要的商品糧基地，素有“兩湖熟，天下足”的美譽，是長江流域重要水源涵養地和國家重要生態屏障，耕地保護與生態文明建設任務艱巨。第二次全國土地調查(簡稱“二調”)借助新技術、新方法，在對土地資源詳細調查分析的基礎上，系統構建了完整規范的土地基礎數據庫，為分析土地資源尤其是耕地資源利用狀況提供了詳實的數據基礎。因此，本文基于湖北省“二調”以來的土地利用數據，結合耕地糧食安全與生態安全理念，系統分析2009—2016年湖北省耕地變化及其生態景觀格局，在此基礎上定量識別驅動耕地變化的主要因子，為新時期湖北省耕地可持續利用提供決策思考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

湖北省位于中國中部地區(圖1)，地處長江中游、洞庭湖以北，地理位置位于東經108°21′42″—116°07′50″，北緯29°01′53″—33°16′47″。承東啟西、連南接北，為九省通衢之要地，全省東西長約740 km，南北寬約470 km，面積18.59萬km2，占全國總面積的1.94%。湖北省現有13個地級行政區劃單位，包括12個省轄市、1個自治州，共計103個縣級行政區劃單位，包括39個市轄區、24個縣級市(其中3個直管市)、37個縣、2個自治縣、1個林區，總人口6 157萬人。根據2016年度全國土地變更調查結果，湖北省耕地面積524.53萬hm2，占土地總面積的28.22%，主要集中在漢江平原地區，人均耕地0.085 hm2。近年來，湖北省社會經濟發展迅速，建設開發與優質耕地保護的矛盾較為突出，耕地保護形勢較為嚴峻，耕地破碎化問題明顯，開展耕地變化的時空特征及其驅動機制研究，有助于促進耕地多功能利用，實現耕地數量、質量與生態的“三位一體”保護。

1.2 數據來源

本研究基礎空間數據來源于2009—2016年湖北省土地利用變更調查數據庫(1∶10 000比例尺)。基于ArcGIS 10.2工作平臺，對湖北省103個縣域單元進行批量操作，剖析耕地變化特征；湖北省數字高程數據(30 m×30 m)，來源于中國科學院計算機網絡信息中心的地理空間數據云平臺。社會經濟統計數據主要來源于2009年和2016年《中國統計年鑒》、《湖北省統計年鑒》、《湖北省農村統計年鑒》以及湖北省各地級市統計年鑒等。

2 研究方法

2.1 景觀格局分析

耕地數量變化可直接通過耕地圖斑信息統計獲取，但數量變化并不能完全反映耕地變化的空間性特征，耕地變化前后可能會帶來空間破碎化和形狀復雜化問題，進而影響耕地的生產與生態功能，其特征可通過景觀格局指數予以測度[17-18]。本文選取斑塊密度和面積加權平均分維數，將2009年、2016年湖北省土地利用數據統一轉換為30 m×30 m的柵格數據，運用Fragstats 4.2測度耕地景觀格局變化特征。斑塊密度(PD)表示單位面積上的斑塊數量，反映耕地破碎化程度，其計算公式如下：

PD=N/A

(1)

式中：N是耕地斑塊數；A是給定單元大小面積(這里取100 hm2)。

面積加權平均分維數是指某類型斑塊的形狀與規則的歐幾里得幾何體的偏離程度，這里可用來反映人類活動對耕地變化的干擾度，具有重要的生態學意義，其計算公式如下：

P=kAD/2

(2)

(3)

式中：P是斑塊周長；A是斑塊面積；D是分維數；k是常數，這里k=4；一般而言，歐幾里得幾何形狀的分維為1，具有復雜邊界斑塊的分維大于1，但小于2。

2.2 驅動機制識別

耕地變化是各種驅動力綜合作用的結果，自然條件和社會經濟發展是影響耕地變化的主要動因[19-21]。本文從自然、社會和經濟因素方面，選取12個因子，分別是地形復雜度(無量綱，x1)、土地利用信息熵(無量綱，x2)、交通運輸用地占比(%，x3)、人口(人，x4)、土地供應量(hm2，x5)、GDP(億元，x6)、人均GDP(億元/人，x7)、地均GDP(億元/hm2，x8)、人口城鎮化率(%，x9)、地方政府財政收入(億元，x10)、第一產業GDP(億元，x11)、二三產業GDP(億元，x12)。為排除所選因子的重復作用關系，對所有因子進行共線性診斷[21]。方差膨脹系數(variance inflation factor，VIF)是衡量多元線性回歸模型中多重共線性嚴重程度的重要參考[22-23]。當VIF值較大時，表明在自變量之間有可能存在多重共線性問題；一般來說，以VIF=10為臨界值，VIF<10時，各因子間的共線性不明顯。所選擇的驅動因子VIF值均小于10，通過冗余分析。

在評價因子選擇合理性的基礎上，本研究分別以湖北省103個縣域單元耕地變化及其驅動因子為因變量和自變量，采用多元線性回歸分析方法，識別耕地變化的關鍵驅動因子，其公式如下：

y=b0+b1x1+b2x2+…+bmxm+e

(4)

式中：y表示耕地變化；xm表示m個驅動因子；bm為回歸系數；e是誤差項。

3 結果與分析

3.1 耕地數量變化與空間特征

2009—2016年，湖北省耕地面積呈現出不斷下降的趨勢，總面積從2009年的532.30萬hm2減少到2016年的524.53萬hm2(圖2)，而全省人口則出現一定的波動性，2016年戶籍人口相對于2009年有小幅增長，人口與耕地的反向增減變化直接導致人均耕地的減少，全省人均耕地面積從2009年的0.087 hm2下降到2016年的0.085 hm2，這種變化趨勢不利于農業生產的穩定性。從其他地類與耕地的轉換關系來看，大量耕地轉換為城鎮用地、農村居民點以及交通用地等建設用地，建設用地占用耕地面積占耕地減少總面積的比例高達91.02%，其中，超過一半以上是因城鎮用地開發而導致耕地減少；而耕地增加的來源則更多為農用地內部的調整，其中園地、林地和草地是耕地增加的主要來源，占新增耕地總面積的75.59%。值得注意的是，隨著節約集約用地與城鄉增減掛鉤相關政策的深入實施，廢棄工礦用地與閑置農村居民點逐漸成為新增耕地的主要來源，2009—2016年，約有1/10的新增耕地是通過農村居民點整治予以補充。

圖2 2009-2016年湖北省耕地與人口變化

從耕地變化的空間分布來看，除宜昌市與咸寧市耕地面積略有增加外，其他地市耕地面積均出現不同程度的減少，其中，尤以武漢市耕地減少規模最大，2009—2016年耕地減少面積高達2.32萬hm2，占全省耕地減少總面積的29.82%，這與武漢市城鎮人口與用地的快速擴張直接相關。江漢平原地區耕地面積的減少值得關注，該地區耕地質量優良，但作為江漢平原核心地帶的仙桃、潛江與天門等地均出現耕地逐步降低的趨勢；從全省2009—2016年耕地與其他地類轉換的空間關系來看，減少的耕地多為平原區優質耕地，增加耕地更多是通過農用地內部調整與農村建設用地整治獲得。這在一定程度上反映了耕地增減動態變化的現實問題，即減少的耕地多為質量較好的良田，而增加的耕地則生產條件參差不齊。如何在保障耕地數量平衡的基礎上，確保耕地質量的動態平衡，仍是當前耕地保護亟需解決的問題。

3.2 耕地景觀格局變化

耕地景觀格局在一定程度上反映了耕地的立地條件與質量優劣，平原區耕地往往集中連片，便于規模化作業與農業生產，而丘陵山區的耕地一般較為細碎，其整體生產便捷性與效率性不及平原區。耕地景觀格局特征分析豐富了耕地變化特征識別的維度，有利于實現耕地數量與質量的雙保護。整體來看，湖北省耕地斑塊密度呈現中部低四周高的格局，這種差異性與耕地自然條件基礎直接相關，全省耕地主要集中在鄂中江漢平原地區，該區域為湖北省糧食主產區，特別是潛江、天門、荊州和孝感等地，耕地連片度高。鄂西地區受復雜地形限制，耕地斑塊細碎；鄂東地區城鎮化與經濟發展水平相對較高，二三產業較發達，耕地所占比例較小。從耕地斑塊密度變化來看(圖3)，2009—2016年，湖北省大部分地區的耕地斑塊密度都呈現出小幅增長的態勢，與之相應地，全省縣域單元耕地斑塊平均值不斷降低，從2009年的26.67 hm2減少到20.27 hm2，說明人類活動對耕地干擾度的影響仍在持續，耕地景觀進一步破碎化。值得注意的是，恩施自治州的各縣級單元耕地斑塊密度均出現不同程度的降低，這與該地區近年來采取的連片成塊的耕地開墾方式直接相關。

圖3 湖北省2009年、2016年耕地斑塊密度

耕地空間形態是表征耕地生產條件的另一個重要維度，形狀規整度高且連片度較好的耕地斑塊利于推進農業規模化生產。從湖北省耕地面積加權平均分維數來看，整體上呈現出中東部高西部低的態勢(圖4)，但武漢市主城區周邊的耕地面積加權平均分維數較低，表明形狀規整度較高，這與城鎮化進程帶來的耕地減少及耕地整理相關；鄂西南的恩施自治州受到地形因素的限制，耕地形狀較為復雜，這充分說明自然條件與人類活動對耕地景觀格局共同作用的影響。從耕地形狀變化來看，湖北省縣域單元耕地面積加權平均分維數平均值由2009年的1.25增加到2016年的1.28，整體有趨于形狀復雜化態勢。但需要說明的是，期間全省有72個縣域單元(占全省縣域單元總數的69.90%)的耕地面積加權平均分維數出現了不同程度的降低，這與近些年農田整治項目的大力實施直接相關，部分地區已形成“田成方、路成網”的規整化格局。同時，全省縣域單元耕地形狀變化有兩極分化的態勢，部分縣域人類活動對耕地景觀格局的負向影響值得關注。

圖4 湖北省2 009與2016年耕地面積加權平均分維數

3.3 驅動因子分析

運用SPSS軟件對對湖北省103個縣域單元耕地面積變化的因子進行回歸分析，得到各因子回歸分析結果(表1)。對耕地變化具有顯著影響的(Sig.<0.01)因子為人口總量、人均GDP、第一產業GDP和二三產業GDP，其中人均GDP回歸系數為正值，表明隨著人均GDP的提高，耕地面積變化量增加，這符合一般性認知，即經濟發展一定程度上加大了耕地變化的波動性，人類活動對耕地資源干擾度加大。與非農經濟活動相比，傳統農業生產所帶來的經濟收入提高的空間有限，人均GDP的增加往往來源于非農收入的增加，這直接帶來非農經濟活動對土地開發需求量的增加，而耕地是新增非農經濟活動用地的主要來源，導致耕地變化趨于頻繁。2009—2016年，湖北省人均GDP由2.27萬元增加到5.57萬元，同期耕地總面積則減少了7.77萬hm2，意味著全省每萬元人均GDP增加值直接帶來高達2.35萬hm2的耕地消耗。而這尚未考慮期間耕地增減的動態變化，即耕地與其他地類增減的動態關系，由此可見，實際的經濟增長對耕地的消耗遠高于2.35萬hm2/萬元的地耗水平，形成了耕地變化的主要動因。

人口總量、第一產業GDP及二三產業GDP變化與耕地變化之間呈現出顯著的負相關，隨著人口增加耕地變化量反而趨于變小，這可能與當前人口快速城鎮化相關，即人口總量變化并沒有帶來相應的從事農業人口數量的增加。2009—2016年，盡管湖北省常住人口增加了165萬人，但鄉村人口反而減少了623萬人，直接從事農業人口的比例逐年減少，傳統農戶對于耕地生產性依賴及用地需求也隨之降低，進而可以解釋人口增加與耕地變化的負向關系。與之類似地，隨著第一產業GDP的增長，耕地面積變化量降低，這是因為當前第一產業經濟規模的增加更多是依靠農業種植技術的改進和農業生產效率的提高，其直接原因并不是因為耕地面積的增加；但一定程度上而言，最嚴格的耕地保護制度在政策上有效遏制了違法占用耕地的行為，降低了耕地面積動態變化的概率。二三產業GDP與耕地變化的負向關系似乎與傳統經驗不符，一般而言，二三產業發展需要更多的土地資源支撐，會導致耕地面積的減少，這種負向驅動可能與研究期間各縣域單元二三產業GDP快速增長有一定關系，因為期間耕地面積變化速度相對緩慢，且鄂西南、江漢平原等區域存在縣域單元耕地面積增減不一的現象，區域分異性明顯。

表1 湖北省2009-2016年耕地變化回歸分析

注：Sig.值小于0.05表示95%以上的置信水平；Sig.值小于0.01表示99%以上的置信水平。

除此之外，對耕地變化具有較顯著影響的(0.01

4 討 論

(1) 社會經濟的快速發展帶來了人們生產生活方式的轉型，城鄉居民食物消費結構也逐漸發生變化，目前中國公眾飲食消費已從保障數量安全為主轉向更加注重營養健康。這種消費需求變化帶來了耕地保護目標的變化，由傳統的耕地數量保護轉向數量、質量和生態安全的“三位一體”保護。本文從耕地數量變化分析為切入點，拓展到耕地質量和生態相關的景觀格局變化分析，并探討耕地變化的主要驅動因子，體現了省域、縣域與地塊3個尺度的變化特征，一定程度上豐富了耕地保護研究的內容和層次。

(2) 耕地景觀格局特征是評價耕地質量好壞和識別耕地變化趨勢的重要維度。當前，耕地資源變化具有明顯的空間動態性，耕地與其他地類之間的轉換關系復雜而頻繁，單純依賴于統計意義上的耕地數量或質量監測，并不能有效反映耕地變化的實際情況。人類活動不可避免會造成耕地破碎化，這既影響區域農業規模化生產，也不利于耕地生態功能的發揮。本文從耕地斑塊尺度分析省級層次耕地與其他地類轉換關系，以及耕地破碎化程度和形態變化特征，對于制定差異化耕地保護策略有一定的借鑒意義。

(3) 自然條件形成了耕地資源特征的內在基礎，具有長期穩定性；社會經濟發展條件則形成了耕地資源變化的外在動因，具有短期波動性，這種特征性較為明顯地體現在湖北省耕地資源變化驅動因子識別中。耕地資源保護策略不能試圖以統一模式和標準進行推廣實施，需要統籌好自然地域分異和社會發展差異的關系，以影響耕地變化的主要社會經濟因子為著力點，協調好耕地資源保護與社會經濟發展的動態關系，進而基于區域自然條件制定差異化的耕地資源保護策略。

5 結 論

(1) 2009—2016年，湖北省耕地面積呈現出不斷下降的趨勢，建設用地占用是導致耕地減少的主要原因，耕地資源保護與社會經濟發展的矛盾較為突出。同時，隨著近些年土地整治項目的實施，通過農村建設用地整治補充了大量耕地，對于維持全省耕地總量動態平衡發揮較大作用。但江漢平原及城鎮周邊的優質耕地數量減少問題依然明顯，存在耕地增減數量大致平衡下的耕地質量降低的隱患，需要進一步完善耕地資源保護的獎懲機制。

(2) 從耕地景觀格局變化來看，2009—2016年，湖北省大部分地區的耕地斑塊密度都呈現出小幅增長的態勢，耕地斑塊平均規模有下降趨勢，說明全省耕地破碎化程度趨于嚴重。湖北省縣域單元耕地面積加權平均分維數平均值有小幅增加，說明耕地斑塊形狀趨于復雜化，人類社會經濟活動對耕地干擾度依然明顯，這種干擾一定程度上影響了耕地的基本生產功能和潛在的生態功能。

(3) 經濟因素是近些年湖北省耕地變化的主要動因，尤以人均GDP的影響最為明顯。盡管湖北省全域自然條件差異顯著，但這種差異性與耕地變化并不存在明顯的關聯性。湖北省城鎮發展需要從用地外延式擴張走向內涵式挖潛，盡可能減少城鎮發展對耕地尤其是優質良田的侵占，在重視耕地復合功能評價的基礎上，探索建立區域差異化的耕地生產、生態和生活功能補償機制。