淮安市耕地時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素

蔣 姣，孫 哲，趙思遠(yuǎn)，陳士亮，金思慧，陳 菁

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽 712100；3.淮安市洪金灌區(qū)管理所，江蘇 淮安 223126)

0 引言

耕地資源是不可替代的自然資源，是糧食生產(chǎn)的重要保障，事關(guān)人類生存和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。近年來，隨著城市化與工業(yè)化的不斷加速，區(qū)域中心向周圍城鎮(zhèn)拓展和蔓延現(xiàn)象嚴(yán)重，建設(shè)用地占用耕地問題凸顯，耕地面積持續(xù)減少[2-3]。當(dāng)前研究全國或區(qū)域的耕地利用變化已受到眾多學(xué)者的重視，主要集中在耕地利用的時(shí)空格局特征、驅(qū)動(dòng)機(jī)制、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及模擬預(yù)測等方面[4-9]。趙曉麗等[10]基于長時(shí)間的土地利用動(dòng)態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)庫，對全國尺度下的1987—2010年的耕地變化過程進(jìn)行分析，揭示了近30年來耕地變化的時(shí)空特征及其主要原因。王鳴雷等[11]研究了1980—2010年中國北方新增耕地的時(shí)空變化情況，并闡述其驅(qū)動(dòng)因素。洪舒蔓等[12]研究了黃淮海平原2000—2008年耕地資源數(shù)量、質(zhì)量時(shí)空變化及其對糧食生產(chǎn)格局變化的影響。劉桂林等[13]分析了南京市1985—2010年5種耕地類型變化趨勢的時(shí)空動(dòng)態(tài)，以此體現(xiàn)耕地?cái)U(kuò)張和遺棄的時(shí)空軌跡。

淮安市作為江蘇省長江以北的重要中心城市，地處黃淮平原和江淮平原，西有洪澤湖，東有高郵湖和白馬湖，是物產(chǎn)富饒的魚米之鄉(xiāng)。近年來，由于經(jīng)濟(jì)快速增長，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)升級換代，建設(shè)用地的需求不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)也發(fā)生顯著變化，引起耕地資源利用矛盾及生態(tài)環(huán)境問題等。研究其耕地利用變化過程及驅(qū)動(dòng)因素，對當(dāng)?shù)馗乩霉芾砼c農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本文以淮安市為研究區(qū)域，基于多年土地利用遙感影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動(dòng)態(tài)度和多元逐步回歸分析等方法對2000—2018年耕地利用時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子研究其驅(qū)動(dòng)力，為土地利用規(guī)劃、區(qū)域耕地的可持續(xù)利用和動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

淮安市地處江蘇省中北部，江淮平原東部，位于北緯32°43′00″～34°06′00″，東經(jīng)118°12′00″～119°36′30″，東西最大直線距離132 km，南北最大直線距離150 km，行政區(qū)劃示意如圖1所示。淮安市為北亞熱帶濕潤季風(fēng)和北溫帶半濕潤季風(fēng)的過渡氣候，年平均氣溫14.1～14.9 ℃，年平均降水量913～1 030 mm。淮安市地勢平坦，地形地貌以平原為主，境內(nèi)河湖交錯(cuò)，水網(wǎng)縱橫，全國5大淡水湖之一的洪澤湖大部分位于市境內(nèi)。2018年，實(shí)現(xiàn)全市地區(qū)生產(chǎn)總值3 601.25億元，年末常住人口492.50萬人。淮安市區(qū)位優(yōu)勢獨(dú)特，是江蘇省的重要交通樞紐，隨著“東融西拓、南聯(lián)北接”等重大戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，建設(shè)用地的需求越來越大，土地供需矛盾日益凸顯，科學(xué)地掌握土地利用變化特征，對協(xié)調(diào)淮安市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地資源保護(hù)，提升建設(shè)質(zhì)量具有重大意義。

圖1 淮安市行政區(qū)劃示意Fig.1 Schematic diagram of Huai′an administrative division

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成。利用ArcGIS平臺(tái)對遙感影像圖進(jìn)行重分類，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將土地分為6類，分別為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用地。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《淮安統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度反映了某個(gè)時(shí)間段內(nèi)各土地利用類型的數(shù)量變化、空間變化和組合方式變化等，并可定量地描述變化速度，對預(yù)測變化趨勢有積極的作用[14]。按照研究對象又可以分為綜合土地利用動(dòng)態(tài)度與單一土地利用動(dòng)態(tài)度。

(1)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度是指研究區(qū)域在一定時(shí)間范圍內(nèi)整個(gè)土地利用類型的變化速度[15]。其表達(dá)式為

(1)

式中LC——綜合土地利用動(dòng)態(tài)度

LUi——研究期初第i類土地利用類型面積

ΔLUi-j——監(jiān)測時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型的面積

T——監(jiān)測時(shí)段長度，當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，LC的值就是該研究區(qū)土地利用年變化率

(2)單一土地利用動(dòng)態(tài)度是指某研究區(qū)在一定研究期內(nèi)某一土地利用類型的變化情況[15]。其表達(dá)式為

(2)

式中K——研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度

Ua——研究期初某一種土地利用類型的數(shù)量

Ub——研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量

t——研究時(shí)段長，當(dāng)t的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K的值就是該研究區(qū)某種土地利用類型年變化率

1.3.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠描述各種土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換情況，全面而具體地分析區(qū)域土地利用變化的特征與不同土地類型動(dòng)態(tài)變化方向。轉(zhuǎn)移矩陣中的變量可以為土地利用類型面積，還可以生成區(qū)域土地利用變化的轉(zhuǎn)移概率矩陣，一定程度上可用來推測區(qū)域土地利用的變化趨勢[16]。其數(shù)學(xué)形式為

(3)

式中S——土地面積

n——土地利用的類型數(shù)

i——研究期初土地利用類型

j——研究期末土地利用類型

2 淮安市土地利用時(shí)空變化特征

2.1 土地利用變化時(shí)空特征

利用ArcGIS對土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到2000、2010和2018年淮安市土地利用類型分布狀況，如圖2所示。統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同類型的土地面積，結(jié)果如表1和圖3所示。

表1 2000—2018年淮安市各土地利用類型變化情況

圖3 不同時(shí)期淮安市各土地利用類型比例Fig.3 Ratio of land use types in Huai′an city during different periods

由表1可知，耕地是最主要的土地類型，所占比例超過56%；其次是城鄉(xiāng)工礦居民用地，占比在15%以上。土地利用在2000—2010年變化較小，在2010—2018年發(fā)生明顯變化，總體變化為耕地面積持續(xù)減小，城鄉(xiāng)工礦居民用地逐漸增大。說明土地利用變化呈現(xiàn)加速趨勢，近些年城市化的推進(jìn)，對于土地利用影響較大。

從時(shí)間角度，耕地面積呈減少趨勢，由2000年的6 047 km2減少到2018年的5 632 km2，其中2000—2010年耕地減少比例0.78%，幅度較小；2010—2018年，減少比例3.36%。從空間格局角度，建設(shè)用地由城市中心向四周擴(kuò)散，耕地減少面積集中在清江浦區(qū)北部，取而代之多為城鄉(xiāng)工礦居民用地。清江浦區(qū)地處淮安市主城區(qū)，它的快速發(fā)展對耕地產(chǎn)生了較大的影響。可見，在城市化發(fā)展的不同水平和階段，耕地資源數(shù)量變化在時(shí)空格局上會(huì)呈現(xiàn)出不同的階段性特征。林地面積在2000—2010無變化，在2010—2018年逐漸減少，分析原因是當(dāng)?shù)氐那捌诔鞘谢l(fā)展水平較低，對林地影響小；后期建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張，沒有完全貫徹落實(shí)林地保護(hù)相關(guān)政策。水域面積變化較平穩(wěn)，草地、未利用地面積較小，變化量也較小。綜上，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，淮安建設(shè)用地的需求在不斷擴(kuò)大，耕地被占用的問題日益凸顯。

2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

計(jì)算不同階段的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度可得：2000—2010年，淮安市綜合土地利用動(dòng)態(tài)度0.48%，土地利用變化速度較平緩；2010—2018年，綜合土地利用動(dòng)態(tài)度達(dá)20.99%，是2000—2010年的43倍。土地利用變化呈加速趨勢，說明社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對土地利用變化的影響逐漸增大。

2000—2010年及2010—2018年各土地類型的單一土地利用動(dòng)態(tài)度如圖4所示。結(jié)果表明，各土地利用類型的變化速度在不同時(shí)間段內(nèi)差異較明顯，尤其是城鄉(xiāng)工礦居民用地和林地。耕地和林地面積不斷減少，且減少速度不斷加快，分別由2000—2010年的0.13%、0%加快到2010—2018年的0.71%、2.35%。水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地的增加速度不斷加快，分別由2000—2010年的0.04%、0.46%增長到2010—2018年的0.11%、2.90%，城鄉(xiāng)工礦居民用地面積的增加呈持續(xù)加速趨勢，變化劇烈。草地面積的變化呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，2000—2010年其減少速度0.23%，2010—2018年其增加速度0.88%。

圖4 2000—2018年淮安市單一土地利用變化速度Fig.4 Speed of change of single land use in Huai′an city from 2000 to 2018

2.3 耕地轉(zhuǎn)移方向

基于ArcGIS平臺(tái)獲得2000—2010年、2010—2018年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表2～3所示。2000—2018年間，各土地利用類型發(fā)生較明顯的相互轉(zhuǎn)化，以耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地的轉(zhuǎn)化為主。

表2 2000—2010年淮安市各土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

2000—2010年，耕地轉(zhuǎn)為其他土地類型的面積為89 km2，其中76.40%的耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地，22.47%、1.13%的耕地分別轉(zhuǎn)化為水域和林地；其他土地類型轉(zhuǎn)化為耕地的面積是11 km2，其來源均為水域面積的轉(zhuǎn)化，土地利用面積的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致耕地面積減少了78 km2。林地、草地、水域、未利用地的轉(zhuǎn)化較少，最終各土地類型的面積變化也不大。城鄉(xiāng)工礦居民用地沒有面積轉(zhuǎn)出，轉(zhuǎn)入面積高達(dá)73 km2，其中93.15%的面積由耕地轉(zhuǎn)化而來，表明隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對耕地面積的占用明顯。

2010—2018年，耕地轉(zhuǎn)為其他土地類型的面積為1 419 km2，其中81.40%的耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地；林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)化為耕地的面積達(dá)1 082 km2，最終耕地面積減少了337 km2。林地、草地、水域、未利用地的轉(zhuǎn)化面積相對較小，最終各土地類型面積的變化量也較小。城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)化為耕地、林地、水域的面積為844 km2，由耕地、林地、草地、水域轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)工礦居民用地的面積高達(dá)1 225 km2，最終城鄉(xiāng)工礦居民用地增加了381 km2。相比2000—2010年階段，2010—2018年期間土地利用類型的轉(zhuǎn)化趨勢更加明顯，尤其是城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)化為其他類型土地的面積大量增加，主要轉(zhuǎn)化為耕地，這與近年來淮安市推進(jìn)耕地占補(bǔ)平衡工作息息相關(guān)，說明淮安市逐漸重視土地整治，嚴(yán)格保護(hù)耕地，提高土地利用效率。

3 耕地變化驅(qū)動(dòng)因素

3.1 指標(biāo)選取

土地利用變化的復(fù)雜演變過程，受到自然和人類活動(dòng)兩大因素的影響，已有研究成果表明，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城鎮(zhèn)化水平的不斷提升，人類活動(dòng)對土地利用變化的影響日益凸顯[17-18]。為分析耕地利用變化的相關(guān)影響因素，綜合淮安市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，選擇評價(jià)指標(biāo)如表4所示。

3.2 土地利用變化影響因素的相關(guān)性

采用Pearson相關(guān)分析法將影響因素和土地類型進(jìn)行相關(guān)分析，探討所選取的10個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與5種土地利用類型是否具有相關(guān)性，從而突出與各土地利用類型變化具有相關(guān)性的因子。Pearson相關(guān)系數(shù)范圍-1～1，>0時(shí)稱為正相關(guān)，<0時(shí)為負(fù)相關(guān)。其絕對值的大小表示相關(guān)程度，絕對值越大，則相關(guān)性越強(qiáng)。利用MATLAB、SPSS軟件計(jì)算得到Pearson相關(guān)系數(shù)及顯著水平如表5所示。由于未利用地總面積接近0或?yàn)?，為保證分析結(jié)果的可靠性，此處不考慮未利用地。

表4 影響淮安市土地利用變化的指標(biāo)

表5 各土地利用類型與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)及顯著水平

分析表5可得：耕地變化與GDP、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)常住居民人均可支配收入、農(nóng)村常住居民人均可支配收入具有顯著相關(guān)性，且均為負(fù)相關(guān)；城鄉(xiāng)工礦居民用地變化與GDP、第三產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)常住居民人均可支配收入、農(nóng)村常住居民人均可支配收入具有顯著相關(guān)性，且均為正相關(guān)；林地、草地、水域變化與10個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不顯著相關(guān)。這說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展和收入水平是淮安市土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力。2000—2018年，淮安市人均GDP增長了11.44倍，第二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值分別增長了12.26倍和18.86倍，城鎮(zhèn)常住居民人均可支配收入、農(nóng)村常住居民人均可支配收入的年均增長率分別為10.32%和9.55%。淮安作為欠發(fā)達(dá)地區(qū)，經(jīng)濟(jì)總量偏小，居民收入水平不高，但淮安市致力推進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，貫徹落實(shí)“精準(zhǔn)扶貧”戰(zhàn)略，努力推動(dòng)收入經(jīng)濟(jì)同步增長，取得了顯著成效。2000年以來，隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，淮安市經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整，基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，導(dǎo)致城鄉(xiāng)工礦居民用地規(guī)模不斷增加，也加大了對耕地的占用。同時(shí)，隨著收入水平的提高，人們對生活和居住環(huán)境有了更高的要求，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與生活條件的改善進(jìn)一步加劇了土地利用類型的轉(zhuǎn)變。

3.3 耕地利用變化驅(qū)動(dòng)因素的影響度

運(yùn)用多元逐步回歸分析可以定量地揭示主要土地利用類型與各自影響因素之間的相互關(guān)系[22]。利用與10個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果，對耕地變化的主要驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。根據(jù)表5相關(guān)性分析的結(jié)果可知：耕地面積(Y1)的變化與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)X1、X3、X4、X7、X8具有顯著相關(guān)性，因此引入該5個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為自變量，以耕地面積作為應(yīng)變量Y1，進(jìn)行逐步回歸分析，得到回歸模型方程為

Y1=-0.214X4+6 082.51(調(diào)整后R2=0.773)

從回歸方程中可以看出，耕地面積變化與第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，在GDP、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)常住居民人均可支配收入、農(nóng)村常住居民人均可支配收入5個(gè)相關(guān)性較大的因素中，第三產(chǎn)業(yè)對耕地的影響度最大。可見，2000年淮安市第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占3大產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的比例為30.18%，2018年所占比例則高達(dá)48.16%，第三產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位日益顯著。近年來，淮安市加快發(fā)展“4+3”服務(wù)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)，進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，促進(jìn)了第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但也導(dǎo)致城鄉(xiāng)工礦居民用地的需求逐漸擴(kuò)大，增加了對耕地的占用。第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展體現(xiàn)了生產(chǎn)力水平的提高和社會(huì)的進(jìn)步，是現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的重要特征之一，推動(dòng)了城市經(jīng)濟(jì)的繁榮，促進(jìn)了城市化發(fā)展。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整促使了土地資源配置的變化，對土地利用變化產(chǎn)生直接的影響。

4 結(jié)論

本文基于淮安市2000—2018年的土地利用數(shù)據(jù)，應(yīng)用土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和多元相關(guān)性分析等方法，重點(diǎn)研究了耕地資源的時(shí)空格局變化，并結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，對其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析。

(1)耕地是淮安市最主要的土地類型，所占比例超過56%。在2000—2018年間，耕地轉(zhuǎn)為其他土地類型的面積為1 419 km2，其中81.40%的耕地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地；林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)化為耕地的面積達(dá)1 082 km2，最終耕地面積減少了337 km2。2000—2010年耕地的土地利用動(dòng)態(tài)度為0.13%，耕地減少的趨勢較為平緩；2010—2018年間耕地的土地利用動(dòng)態(tài)度為2.35%，減少趨勢不斷加快，減少面積主要集中在清江浦區(qū)北部。

(2)通過多元回歸分析發(fā)現(xiàn)，耕地的變化與GDP、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)常住居民人均可支配收入、農(nóng)村常住居民人均可支配收入具有顯著相關(guān)性，均為負(fù)相關(guān)，其中第三產(chǎn)業(yè)對耕地的影響度最大。可見，人為活動(dòng)是驅(qū)動(dòng)耕地變化的重要因素，人口的增長、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化水平的提高等諸多因素，加速了耕地面積的減少，共同驅(qū)動(dòng)著耕地利用過程的不斷演化。

(3)隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，耕地被占用現(xiàn)象明顯。可充分利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)在監(jiān)測土地利用動(dòng)態(tài)變化方面的優(yōu)勢，加強(qiáng)對土地利用的管理，科學(xué)規(guī)劃、合理布局，保護(hù)耕地資源，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與耕地被過度占用的矛盾。淮安市在快速發(fā)展的同時(shí)，需更加重視對耕地資源的保護(hù)，加大土地整治力度，進(jìn)一步提高土地利用效率，優(yōu)化土地資源的利用與配置，確保土地資源可持續(xù)利用。