陜西渭北旱塬區(qū)耕地時(shí)空格局變化分析

夏利恒，劉 京，尉 芳，徐仲偉，龍小翠，張 鈺

·土地保障與生態(tài)安全·

陜西渭北旱塬區(qū)耕地時(shí)空格局變化分析

夏利恒，劉 京※，尉 芳，徐仲偉，龍小翠，張 鈺

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100；2. 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

渭北旱塬區(qū)人地矛盾突出，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)該區(qū)耕地時(shí)空格局演變規(guī)律，有利于為耕地資源合理利用，糧食及生態(tài)安全保障提供決策依據(jù)。該研究基于1995—2020年耕地空間分布信息，采用重心模型、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、空間自相關(guān)和地學(xué)信息圖譜等方法，從耕地總量變化特征、耕地空間變化特征和耕地LISA頻率圖譜特征3個(gè)方面開展，揭示陜西渭北旱塬區(qū)耕地空間分布特征與變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：1）與1995年相比，2020年渭北旱塬區(qū)耕地面積減少5.58%，耕地凈流失區(qū)域不斷擴(kuò)大。25 a間，研究區(qū)耕地變化動(dòng)態(tài)度始終維持在中等水平，全區(qū)耕地資源穩(wěn)定性減弱，位于北部高原區(qū)的耕地資源穩(wěn)定性較差。2）耕地重心總體在東北方向發(fā)生偏移。耕地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓空間分布格局同研究區(qū)分布方向一致，向東北方向偏移，橢圓面積增加1 904.93 km2，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓面積主要經(jīng)歷“增加-減少”的變化過程，耕地空間分布趨于分散，且分散速率減小。3）1995—2020年研究區(qū)耕地面積比例局部空間自相關(guān)異質(zhì)性較為顯著，大多區(qū)域面積比值呈現(xiàn)高值或低值聚集狀態(tài)。LISA頻率圖譜中，穩(wěn)定不變與低頻區(qū)域占比高達(dá)89.58%，耕地空間格局呈相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。中高頻區(qū)轉(zhuǎn)變方式主要以“低-低”聚集、“低-高”聚集轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著，研究區(qū)耕地衰減較為明顯。

土地利用；耕地；重心；時(shí)空格局；渭北旱塬區(qū)

0 引 言

耕地是土地資源的精華，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)得以開展的基本條件和前提[1]。改革開放以來(lái)，中國(guó)在快速工業(yè)化、城市化進(jìn)程中，大面積占用優(yōu)質(zhì)耕地，導(dǎo)致連片耕地日趨破碎化，其生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，嚴(yán)重制約著耕地資源的可持續(xù)發(fā)展[2]。近些年，耕地資源逐漸減少，如，福建省耕地面積在1990—2015年間持續(xù)減少7.12%，且呈現(xiàn)“占大補(bǔ)小”“占優(yōu)補(bǔ)劣”的趨勢(shì)[3]；湖北省鄂中地區(qū)尤其是武漢市周邊隨著人口增多及對(duì)耕地產(chǎn)出需求的提高，耕地壓力逐年增大[4]；僅在貴州喀斯特山區(qū)，2000—2018年耕地流向林地、草地和建設(shè)用地面積達(dá)12.19 萬(wàn)hm2[5]。伴隨城市規(guī)模外延式擴(kuò)張，城市周邊耕地不斷被蠶食、切割，耕地破碎化程度不斷加深，如，北京大興區(qū)耕地斑塊的景觀破碎度指數(shù)由2000年的2.82增加到2008年的6.53[6]；相類似，北京順義區(qū)由1992年?yáng)|部的局部破碎格局轉(zhuǎn)變至2009年全區(qū)的大面積破碎化格局[7]。近年來(lái)，耕地變化致使生態(tài)呈現(xiàn)退化態(tài)勢(shì)成為中國(guó)面臨的突出問題[8-11]。2009—2015年，中國(guó)耕地利用生態(tài)赤字從2.04×107hm2增加至4.29×107hm2[12]；1992—2015年，由于耕地變化導(dǎo)致全球生態(tài)服務(wù)價(jià)值損失1668.2億美元[13]。因此，清晰掌握區(qū)域耕地資源現(xiàn)狀是保障國(guó)家糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定的重要前提，研究耕地及其時(shí)空變化具有十分必要的現(xiàn)實(shí)意義。陜西渭北旱塬地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)南部，關(guān)中平原北部，是西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要基地[14]。由于長(zhǎng)期追求經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)耕地資源的利用不盡合理，導(dǎo)致質(zhì)量整體下降。因此，揭示其耕地資源動(dòng)態(tài)變化規(guī)律以及空間演變趨勢(shì)，對(duì)資源的保護(hù)及其可持續(xù)利用具有重要理論依據(jù)。

耕地資源的時(shí)空變異及其驅(qū)動(dòng)力成為近年來(lái)國(guó)土資源領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，主要集中于耕地空間分布[15]、耕地空間格局優(yōu)化[16]、耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)與保護(hù)[17-18]、耕地變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制[19-20]及預(yù)測(cè)[21]等方面。陜西渭北旱塬區(qū)由于光熱資源豐富，學(xué)者們將研究重點(diǎn)放在林果業(yè)的利用與評(píng)價(jià)上[22-23]，而對(duì)其耕地分布格局的時(shí)空變化特征關(guān)注甚少。因此，本文以陜西渭北旱塬為研究對(duì)象，基于圖斑尺度，通過引入耕地重心模型，將空間聚集與時(shí)間尺度進(jìn)行匹配，構(gòu)建LISA頻率圖譜，定量分析了1995—2020年研究區(qū)耕地空間格局特征及演變規(guī)律，以期為區(qū)域耕地保護(hù)和空間布局優(yōu)化提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西渭北旱塬區(qū)位于34°22'～36°14'N，106°29'～110°36'E，其中包括寶雞市、咸陽(yáng)市、渭南市、延安市以及銅川市等5個(gè)地市25個(gè)區(qū)縣（圖1），總土地面積約3.96萬(wàn)km2，總耕地（包括園地）面積約1.25萬(wàn)km2。渭北旱塬區(qū)海拔331～2 452 m，地貌特征以高原溝壑為主，溝壑面積約占總面積55%以上。該區(qū)年均氣溫在8.6～13.5 ℃之間，年降雨量520～650 mm，降水量多集中在7—9月。渭北旱塬農(nóng)業(yè)主要依賴自然降水，旱地約占總耕地面積的75%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文使用數(shù)據(jù)資料包括研究區(qū)1995、2000、2005、2010、2015年和2020年6期耕地現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、渭北旱塬區(qū)DEM數(shù)據(jù)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。耕地?cái)?shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)解譯獲得，包括1995、2000、2005、2010年的Landsat-5 TM影像及2015年和2020年的Landsat-8 OLI影像，DEM數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。借助ArcGIS 10.6進(jìn)行重心模型和標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析，GeoDa 1.14用于局部空間自相關(guān)分析。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地凈變化率

耕地凈變化率通常用來(lái)反映一定時(shí)期內(nèi)耕地流入或流出的程度，一般用研究期間內(nèi)耕地凈變化量占研究期初耕地總量的比例表示。計(jì)算公式為

式中為耕地凈變化率；為研究區(qū)期初耕地總面積，km2；U、U分別為研究期間內(nèi)耕地增加與減少的面積，km2[3]。

1.3.2 耕地變化動(dòng)態(tài)度

耕地變化動(dòng)態(tài)度是指一定時(shí)期內(nèi)耕地的變化情況，用來(lái)反映耕地資源穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)度越高，耕地資源的穩(wěn)定性越差。計(jì)算公式[24]為

式中為耕地變化動(dòng)態(tài)度；ΔU為研究期內(nèi)耕地面積的變化量，km2；為研究期間隔時(shí)長(zhǎng)，a。

1.3.3 重心模型及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

重心模型多用來(lái)研究某地理要素在區(qū)域發(fā)展過程中空間位置的變化過程，該模型通過重心遷移的方向、距離和速度反映空間要素的變化趨勢(shì)。本文利用重心模型揭示耕地的空間聚集特征和變化趨勢(shì)。計(jì)算公式為

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓能夠直觀地反映耕地的聚集狀態(tài)及偏移趨勢(shì)，主要由轉(zhuǎn)角、沿主軸（長(zhǎng)軸）的標(biāo)準(zhǔn)差和沿輔軸（短軸）的標(biāo)準(zhǔn)差構(gòu)成[26]。橢圓的長(zhǎng)半軸表示耕地分布的方向，短半軸表示耕地分布的范圍。本文在重心模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)差橢圓反映耕地的空間格局。

1.3.4 局部空間自相關(guān)

局部空間自相關(guān)可有效地分析不同空間單元與鄰近區(qū)域空間差異程度及其顯著水平，并通過局部空間自相關(guān)（LISA）類型圖來(lái)體現(xiàn)局部Moran’s的空間自相關(guān)水平，分為高-高區(qū)域（第1象限）、高-低區(qū)域（第2象限）、低-低區(qū)域（第3象限）和低-高區(qū)域（第4象限）。第1、3象限表示局部空間正相關(guān)，第2、4象限則表示局部空間負(fù)相關(guān)[27]。計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地總量變化特點(diǎn)分析

2.1.1 耕地整體數(shù)量變化特征

由圖2可知，1995—2020年研究區(qū)耕地面積呈減少趨勢(shì)，與1995年相比，2020年研究區(qū)耕地面積減少730.47 km2(5.58%)。其中，2000—2005年和2015—2020年2個(gè)時(shí)期耕地流失情況較為嚴(yán)重，耕地面積分別減少294.74、293.96 km2。

2.1.2 耕地凈變化率特征

由圖3可以看出，1995—2000年與2005—2010年研究區(qū)耕地流入與流出基本持平，呈現(xiàn)出東增西減的特點(diǎn)；其余時(shí)間段研究區(qū)大部分地區(qū)處于耕地凈流失狀態(tài)，其中2000—2005年與2015—2020年流失情況較為嚴(yán)重，大多數(shù)地區(qū)耕地凈流失率超過2%，主要集中在研究區(qū)北部。總體來(lái)看，25 a來(lái)研究區(qū)耕地凈流失面積不斷擴(kuò)大，北部高原區(qū)的耕地流失問題較為嚴(yán)重。

2.1.3 耕地變化動(dòng)態(tài)度特征

從圖4可以看出，從1995年開始，除研究區(qū)南部外，大部分地區(qū)耕地變化動(dòng)態(tài)度超過6%，研究區(qū)耕地變化較為活躍，僅2010—2015年耕地變化動(dòng)態(tài)度較低，大部分地區(qū)保持在2%以內(nèi)。1995—2020年研究區(qū)耕地變化動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)北高南低的特點(diǎn)，北部大部分地區(qū)動(dòng)態(tài)度大于8%，耕地變化非常活躍。總體來(lái)看，1995—2020年研究區(qū)耕地變化動(dòng)態(tài)度始終維持在中等水平，全區(qū)耕地資源穩(wěn)定性減弱，位于北部高原區(qū)的耕地資源穩(wěn)定性較差，這與耕地凈變化率特征保持一致。

2.2 耕地空間變化特征分析

2.2.1 耕地重心遷移

采用耕地重心模型分別獲取各時(shí)期的耕地面積比例重心遷移方向、距離與速度，結(jié)果如表1與圖5，可知研究區(qū)耕地變化主要分為以下2個(gè)階段：

1995—2000年，耕地重心在瑤曲鎮(zhèn)金園村發(fā)生變化，耕地重心整體以165.34m/a的速度向東北方向移動(dòng)。20世紀(jì)90年代中期受到水資源、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和耕作技術(shù)等因素限制，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度低，城市擴(kuò)張緩慢，因此耕地重心移動(dòng)較小，移動(dòng)速度較緩。

2000—2020年，由于政府加大農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化投入，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善與更新，農(nóng)業(yè)新技術(shù)普及率提高，使得北部山區(qū)農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，加之南部城鎮(zhèn)擴(kuò)張占用耕地現(xiàn)象嚴(yán)重，使耕地重心整體向東北方向高原溝壑區(qū)偏移。2000—2015年耕地偏移距離和速度有所增加，其中2015—2020年間偏移距離最大，偏移了6 518.88 m，說(shuō)明該時(shí)期耕地南減北增比較大，原因可能在于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)的不斷擴(kuò)張，南部耕地減少較多，而北部延安市治溝造地等耕地保護(hù)項(xiàng)目的實(shí)施，耕地有所增加，南北雙重作用下，致使偏移距離較大。

表1 1995—2020年研究區(qū)耕地重心遷移

綜上可知，25 a以來(lái)，研究區(qū)耕地重心總體向東北方向發(fā)生偏移，移動(dòng)距離為17 160.84 m，偏移速率整體呈增加趨勢(shì)。25 a間研究區(qū)耕地重心偏移速率由最初的165.34增至1 303.78 m/a，耕地變動(dòng)速度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

2.2.2 耕地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓

由圖5可以看出，研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓變化具有一定的方向性，這與耕地重心的轉(zhuǎn)移存在一定的相關(guān)性。1995—2000年轉(zhuǎn)角由62.26°縮小至61.76°，并且標(biāo)準(zhǔn)差橢圓逐漸向東北方向偏移。2000—2020年轉(zhuǎn)角變化范圍不大，遞增并具有向東北方向偏移的趨勢(shì)，東北方向的空間分布不斷增強(qiáng)。

表2 1995—2020年耕地標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)變化

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓空間分布格局同研究區(qū)耕地分布方向較為一致，且基本覆蓋了耕地密集區(qū)，由西向東分別為寶雞市中部、咸陽(yáng)市中部以及渭南市富平縣與蒲城縣。從標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的變化面積來(lái)看，面積增加了1 904.93 km2，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓面積主要呈現(xiàn)“增加-減少”變化規(guī)律，表明研究區(qū)耕地空間分布逐步趨于分散，且分散速率呈減小趨勢(shì)。

2.3 耕地LISA頻率圖譜分析

2.3.1 局部空間自相關(guān)分析

從圖6可以看出，研究區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積比例的局部Moran’s指數(shù)均呈顯著性差異，在0.273～0.529之間，4個(gè)象限均有分布。大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)位于1、3象限內(nèi)，分別屬于“高-高”、“低-低”類型，即區(qū)域面積比值呈現(xiàn)高值或低值聚集狀態(tài)。位于2、4象限的“高-低”、“低-高”類型區(qū)域數(shù)量較少，即周圍高值或周圍低值的空間單元較少。研究區(qū)耕地大多數(shù)呈聚集分布。

為了更加清晰地體現(xiàn)耕地面積比例在空間的聚集狀態(tài)及其變化特征，本文利用GeoDa1.14軟件繪制LISA集聚圖（圖7），根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，結(jié)合其空間分布狀態(tài)，可將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分為以下4種類型：

1）“高-高類型區(qū)域”：該區(qū)域表示其鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積比例較高，伴隨其周圍鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積比例均較高。該類型區(qū)域耕地分布最為集中，主要分布在研究區(qū)東南部的渭南市以及西部寶雞市鳳翔縣境內(nèi)，都屬于地勢(shì)相對(duì)平坦的平原地區(qū)，農(nóng)業(yè)發(fā)展水平較高，耕地面積比例均較高。隨著時(shí)間的推移，“高-高”類型區(qū)域耕地集中分布在研究區(qū)東南部。

2）“低-低類型區(qū)域”：該區(qū)域表示其鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積比例較低，伴隨其周圍鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積比例均較低。該類型區(qū)域耕地分布較為集中，主要分布在研究區(qū)北部與西部高海拔山區(qū)，由于山區(qū)地形起伏大，水資源短缺，耕作環(huán)境條件較差，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕種，耕地分布較少。

3）“低-高類型區(qū)域”：此類區(qū)域表示鄉(xiāng)鎮(zhèn)本身耕地面積比例低，但其周圍鄰近區(qū)域鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積比例較高。該類型地區(qū)較為分散，主要分布在研究區(qū)高原溝壑區(qū)與平原區(qū)交界處。該區(qū)主要特征是地勢(shì)復(fù)雜、灌溉能力差別大，耕作能力較弱。

4）“高-低類型區(qū)域”：此類區(qū)域表示鄉(xiāng)鎮(zhèn)本身耕地面積比例高，但其周圍鄰近區(qū)域鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積比例較低。其主要分布在研究區(qū)西部，并且伴隨在“低-低類型區(qū)域”中。主要是由于西部部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)位于山間小盆地，耕地較集中，其相鄰鄉(xiāng)鎮(zhèn)地形復(fù)雜，耕地分散。

2.3.2 LISA頻率圖譜分析

以LISA集聚圖為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計(jì)空間單元的變化頻率構(gòu)建LISA頻率圖譜（表3、圖8），直觀地反映空間自相關(guān)變化的連續(xù)性與差異性。

表3 1995—2020年研究區(qū)耕地LISA頻率圖譜特征

穩(wěn)定不變區(qū)：該類型表現(xiàn)為25 a穩(wěn)定不變的空間單元，占研究區(qū)總面積的68.39%。該區(qū)域主要由“高-高類型區(qū)域”“低-低類型區(qū)域”以及不顯著區(qū)域組成，即耕地面積比例高值或低值的鄉(xiāng)鎮(zhèn)空間呈現(xiàn)集聚分布態(tài)勢(shì)。主要分布在研究區(qū)南部平原、北部高原溝壑區(qū)以及中部區(qū)域。低頻區(qū)：該區(qū)域由空間聚集轉(zhuǎn)化1～2次的區(qū)域組成，占研究區(qū)面積的21.19%。主要分布在研究區(qū)高-高聚集區(qū)與低-低聚集區(qū)交匯處，多表現(xiàn)為低-低與不顯著的相互轉(zhuǎn)化。穩(wěn)定不變區(qū)與低頻區(qū)域占比達(dá)89.58%。中頻區(qū)：該區(qū)域分布較為分散，占研究區(qū)面積的8.96%。主要表現(xiàn)為“低-低”聚集和“低-高”聚集向不顯著轉(zhuǎn)變，分布在低頻區(qū)的交界處。高頻區(qū)：高頻區(qū)圖譜僅占研究區(qū)面積的1.46%，分布最為分散。該區(qū)域轉(zhuǎn)變次數(shù)為4次，最為活躍。主要由“低-高”聚集區(qū)轉(zhuǎn)向不顯著，分布在研究區(qū)鳳翔縣橫水鎮(zhèn)、麟游縣招賢鎮(zhèn)、印臺(tái)區(qū)金鎖關(guān)鎮(zhèn)、宜君縣哭泉鄉(xiāng)以及黃龍縣紅石崖鄉(xiāng)。

3 討 論

本研究引入地學(xué)信息圖譜構(gòu)建LISA頻率圖譜，結(jié)合耕地總量特征、重心模型以及局部空間自相關(guān)分析對(duì)耕地空間格局演變特征展開分析，較為全面地、動(dòng)態(tài)地揭示了1995—2020年陜西渭北旱塬區(qū)耕地空間格局演變特征，主要分為3個(gè)階段：1）1995—2000年，耕地變化較為緩慢，耕地面積基本保持不變。研究區(qū)位于典型的黃土高原溝壑區(qū)，地形破碎復(fù)雜多樣，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件相對(duì)較差[28]。加之水分是渭北旱塬區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要制約因素，并且受到灌溉設(shè)施以及耕作技術(shù)的限制，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為緩慢[29]，因此耕地?cái)?shù)量變化不大，重心移動(dòng)較小，移動(dòng)速度比較緩慢。2）2000—2015年，耕地面積開始縮減，耕地重心向東北方向偏移，這與前人的研究結(jié)果一致[30]。造成耕地縮減的原因主要有兩個(gè)方面，一是隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展，研究區(qū)南部區(qū)域城市和村鎮(zhèn)的擴(kuò)張，其周邊耕作條件好的優(yōu)質(zhì)耕地被大量占用或置換[31-32]；二是2000年后，國(guó)家關(guān)于退耕還林還草政策的實(shí)施，研究區(qū)北部的高原溝壑區(qū)大量坡耕地退耕，2000年至2005年耕地面積不斷下降。2005年底國(guó)家出臺(tái)了取消農(nóng)業(yè)稅并提高了農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼的相關(guān)政策，大大減輕了農(nóng)民負(fù)擔(dān)，提高了農(nóng)民耕種的積極性。致使2005年至2010年耕地面積在城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)上，保持耕地面積不變或耕地面積減少不顯著的特征。2011年開始延安提出實(shí)施治溝造地工程，截止到2015年，通過此工程共增加耕地43.33 km2，占該區(qū)耕地總面積的比例不到1%，對(duì)耕地減少趨勢(shì)的抑制作用不明顯。但經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的城鄉(xiāng)建設(shè)擴(kuò)張及退耕還林政策的持續(xù)實(shí)施，研究區(qū)耕地?cái)?shù)量持續(xù)減少。通過耕地重心向東北偏移可以得知，由于各地政府加大了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化投入、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的逐漸完善與更新，農(nóng)業(yè)新技術(shù)普及與提高，延安地區(qū)的治溝造地工程的實(shí)施，東北部高原區(qū)與南部平原區(qū)相比，耕地面積比例有增加趨勢(shì)[33]。3）2015—2020年，研究區(qū)耕地流失嚴(yán)重期，空間分布更加分散，僅5 a時(shí)間耕地面積減少293.96 km2。本研究將研究區(qū)耕地面積與建設(shè)用地面積進(jìn)行相關(guān)性分析表明，研究區(qū)耕地面積與建設(shè)用地面積呈現(xiàn)顯著的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。近5年來(lái)，由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展期，城鎮(zhèn)建設(shè)、開發(fā)區(qū)建設(shè)等占用耕地，提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，國(guó)家退耕還林還草工程持續(xù)實(shí)施導(dǎo)致耕地面積減少，地方性的工程性措施所補(bǔ)充的耕地?cái)?shù)量有限，截止2020年5月，延安地區(qū)的治溝造地工程僅僅補(bǔ)充了78.67 km2，也就是近5年補(bǔ)充了35.34 km2，仍然不能阻止耕地的快速流失[34]。

耕地面積的增減可以在一定程度上反映對(duì)區(qū)域耕地保護(hù)利用情況，但是無(wú)法很好地顯示人類活動(dòng)對(duì)耕地變化過程的引導(dǎo)[35]，研究耕地與其他土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換情況有助于更好地掌握耕地時(shí)空分布變化過程[36]。本研究以2000—2010年和2010—2020年2個(gè)十年期為例，通過構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，得到耕地的轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入量，能夠有效掌握耕地與其他土地利用方式相互轉(zhuǎn)化規(guī)律和特征，從而探析耕地變化的根本原因。由表4可知，2個(gè)時(shí)期耕地均主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)出面積分別為461.97 km2（占耕地轉(zhuǎn)出量的43.65%）和555.29 km2（占轉(zhuǎn)出量的42.64%），其次轉(zhuǎn)化為林地和草地。2個(gè)時(shí)期耕地量的轉(zhuǎn)入主要來(lái)自林地和草地。

通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的結(jié)果可知，耕地與林地、草地之間相互轉(zhuǎn)化的原因可能是人口增長(zhǎng)的壓力下，使得部分荒草地和林地被開墾為耕地。同時(shí)，國(guó)家政策的施行，對(duì)土地利用方式和程度起著一定的積極作用，例如2000后全面啟動(dòng)的退耕還林還草工程，使研究區(qū)的耕地向林地和草地轉(zhuǎn)化，能夠減少水土流失，有效保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，屬于正向演變[37]。耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化面積較大，可能是由于經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，居民生活水平提高及部分工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，導(dǎo)致耕地被占用。建設(shè)用地在一定程度上轉(zhuǎn)化為耕地，可能是由于：一是國(guó)家頒發(fā)的《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡的意見》和《關(guān)于全面實(shí)行永久基本農(nóng)田特殊保護(hù)的通知》等管控文件的嚴(yán)格執(zhí)行，對(duì)耕地起到了保護(hù)作用；二是通過廢棄農(nóng)村居民地及工業(yè)用地的土地復(fù)墾等國(guó)土整治工程，對(duì)工礦建設(shè)用地等進(jìn)行再生利用和系統(tǒng)恢復(fù)，在一定程度上使耕地得到一定的補(bǔ)充。國(guó)家水土保持工程的措施的實(shí)施，主要是防止水土流失，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境治理，建設(shè)淤地壩，補(bǔ)充了耕地?cái)?shù)量，對(duì)耕地的快速減少起到一定的緩沖作用。但整體來(lái)講，耕地面積仍然呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

綜上，通過構(gòu)建LISA頻率圖譜，借助重心模型，動(dòng)態(tài)地揭示了1995－2020年渭北旱塬區(qū)耕地空間格局的變化規(guī)律，分析了耕地重心具有向東北方向移動(dòng)的趨勢(shì)，直觀反映出區(qū)域的耕地變化規(guī)律，這與前人的研究成果基本一致[14]。研究結(jié)果表明，在全國(guó)耕地減少的大背景下，渭北旱塬區(qū)的耕地保護(hù)工作仍需加強(qiáng)。近年來(lái)土地復(fù)墾、治溝造地等項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)耕地的快速衰減具有一定的緩解作用。另外，要協(xié)調(diào)好城市發(fā)展與耕地保護(hù)的關(guān)系，大力開展高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)工作，切實(shí)保護(hù)優(yōu)質(zhì)耕地，開發(fā)新型耕地迫在眉睫。由于耕地驅(qū)動(dòng)因素的復(fù)雜化與差異性，今后還需要深入開展耕地變化的驅(qū)動(dòng)力定量分析及其變化趨勢(shì)的模擬預(yù)測(cè)，從而更好的為耕地保護(hù)服務(wù)。

表4 2000—2020年研究區(qū)耕地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出量

4 結(jié) 論

本研究基于1995—2020年的6期耕地?cái)?shù)據(jù)，綜合運(yùn)用重心模型、標(biāo)準(zhǔn)橢圓差模型以及空間自相關(guān)和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法，構(gòu)建LISA頻率圖譜，對(duì)陜西省渭北旱塬區(qū)的空間格局演變趨勢(shì)進(jìn)行定量研究和探討，主要結(jié)論如下：

1）1995－2020年，研究區(qū)耕地面積持續(xù)下降，較1995年減少5.58%。耕地凈流失區(qū)域不斷增加，全區(qū)耕地資源穩(wěn)定性減弱，北部高原溝壑區(qū)耕地流失問題始終較為突出且耕地資源穩(wěn)定性較差。

2）1995—2020年研究區(qū)耕地重心與標(biāo)準(zhǔn)橢圓偏移方向一致，主要向東北方向偏移，耕地重心遷移速度經(jīng)歷“緩慢-加速”過程，橢圓面積增長(zhǎng)，耕地空間分布趨于分散。

3）研究區(qū)大多數(shù)區(qū)域的耕地面積比例呈現(xiàn)高值或低值聚集狀態(tài)。LISA頻率圖譜中穩(wěn)定不變與低頻區(qū)域占比合計(jì)達(dá)89.58%，耕地空間格局相對(duì)穩(wěn)定。中高頻區(qū)轉(zhuǎn)變方式主要以“低-低”聚集、“低-高”聚集轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著，部分耕地衰減較為明顯。

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Spatiotemporal pattern change of cultivated land in Weibei Dryland of Shaanxi Province

Xia Liheng, Liu Jing※, Wei Fang, Xu Zhongwei, Long Xiaocui, Zhang Yu

(1.,,712100,;2.,,712100,)

Cultivated land is an irreplaceable natural resource for food security and social stability, even human survival. However, a drastic change in the spatial distribution of occupied cultivated land has caused tremendous pressure on agricultural production and the ecological environment. It is necessary to carry out long-term dynamic monitoring for the spatial distribution of cultivated land on a regional scale in the sustainable development of the natural resource. Taking the Weibei Dryland in Shaanxi Province of China as research area, this study aims to investigate the spatial distribution and change trends of farmland since 1995. Digital elevation model (DEM) data was selected at the township-level administrative divisions in six years (1995, 2000, 2005, 2010, 2015, and 2020). ArcGIS 10.6 platform was used for the net change rate of arable land and the dynamics degree, as well as the shift of gravity center and standard deviational ellipses of cultivated land. GeoDa 1.14 software was selected for the plot of local spatial autocorrelation and laser interferometer space antenna (LISA) in the areal proportion. The results showed that: 1) The total area of cultivated land in the Weibei arid highland decreased by 5.58% in 2020, compared with 1995. Specifically, the area of cultivated land decreased by 730.47 km2, while the net loss area of cultivated land continued to expand over the past 25 years. The dynamic degree of cultivated land change maintained at a medium level, where the stability of cultivated land resources weakened in the whole region, particularly relatively low in the northern high plain. 2) The gravity center of cultivated land shifted generally in the northeast direction. Specifically, the moving distance was 17 160.84 m, while the migration rate increased from 165.34 m/a to 1 303.78 m/a. There was a “slow (1995-2000) and accelerating (2000-2020)” variation in the migration speed for the gravity center of cultivated land.The spatial pattern of the standard deviational ellipse shifted also to the northeast in the cultivated land, where the ellipse area increased by 1 904.93 km2. Nevertheless, there was a decreasing trend of cultivated land area only from 2015 to 2020, while the spatial distribution of cultivated land tended to be scattered. The scattering rate of cultivated land was stable, due mainly to the implementation of the ditch reclamation project in Yan'an City. 3) There was a significant difference in the local spatial autocorrelation heterogeneity of area ratio in the cultivated land from 1995 to 2020, ranging from 0.273 to 0.529. Most regions showed an aggregation state of high-high value (HH) or low-low value (LL). The high-high-type areas were concentrated in the southeast of the study area. In the LISA frequency geo-spectrum, the proportion of stable and low-frequency regions were 89.58% in total, indicating a relatively stable pattern of cultivated land. The transition mode was mainly from “l(fā)ow-low” and “l(fā)ow-high” aggregation to stable in the regions with the medium and high frequency. The spatial pattern attenuated more obviously in some cultivated land. Therefore, a combination of the LISA frequency map, the barycenter model, standard deviation ellipse, and spatial autocorrelation can be expected to systematically explore the variation trend of regional spatial patterns in real time. The finding can provide a scientific basis for the optimization of spatial layout in farmland protection.

land use;cultivated land; center of gravity;spatio-temporal pattern; Weibei Dryland

夏利恒，劉京，尉芳，等. 陜西渭北旱塬區(qū)耕地時(shí)空格局變化分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：256-264.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.030 http://www.tcsae.org

Xia Liheng, Liu Jing, Wei Fang, et al. Spatiotemporal pattern change of cultivated land in Weibei Dryland of Shaanxi Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 256-264. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.030 http://www.tcsae.org

2020-12-12

2021-01-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42071240）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（2452018143）

夏利恒，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源利用。Email：lhxia@nwafu.edu.cn

劉京，副教授，主要研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)在資源環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用。Email：jingliu@nwafu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.030

F301.2

A

1002-6819(2021)-05-0256-09