近20 年河南省耕地非糧化時空分異及驅(qū)動力分析

摘 要：耕地是育種成糧的基礎(chǔ)條件，研究耕地非糧化的時空演變格局及驅(qū)動因素，對于嚴(yán)格保護耕地、保障國家糧食安全具有重要意義。基于河南省2000—2020 年土地利用數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型、熱點分析、地理探測器等方法對河南省耕地非糧化水平進行了時空演變分析和驅(qū)動因子探測。研究結(jié)果表明：（1）2000—2020 年間河南省耕地非糧化面積達到3 007.10km2，占現(xiàn)狀研究區(qū)耕地總面積的2.90%，尤以2015—2020 年最多；其中信陽市的耕地非糧化面積最多，達到754.14 km2，占耕地非糧化總面積的25.08%。（2）2000—2020 年間耕地非糧化熱點區(qū)域集中在研究區(qū)的西部和南部，耕地非糧化重心主要分布在平頂山市，重心整體向南遷移。（3）河南省耕地非糧化受農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟和社會因素的共同影響，農(nóng)業(yè)因素對研究區(qū)的耕地非糧化影響力較大，任一影響因子與其他因子交互作用表現(xiàn)出雙因子增強和非線性增強效果。河南省耕地非糧化呈現(xiàn)出明顯的時空分異特征。

關(guān)鍵詞：土地資源；耕地保護；糧食安全；耕地非糧化；時空分異；驅(qū)動因素

中圖分類號：F301.2 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）01-0072-07

隨著中國經(jīng)濟高速增長和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，耕地非糧化的的現(xiàn)象日趨嚴(yán)峻，這在一定程度上制約了我國糧食生產(chǎn)能力并給國家糧食安全帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。糧食安全是國之大者，中國人要牢牢端穩(wěn)中國糧。嚴(yán)守耕地保護紅線、藏糧于地是保障糧食安全的首要條件，研究耕地非糧化的空間分異特征及其驅(qū)動因子對于保護耕地資源和保障國家糧食安全具有重要意義。

目前對于耕地非糧化的定義尚存爭議，部分學(xué)者認(rèn)為除種植稻谷、小麥、玉米之外的耕地流轉(zhuǎn)形式都是耕地非糧化的行為[1]。據(jù)三調(diào)數(shù)據(jù)顯示，2009—2019 年間，我國耕地凈流向林地1.12 億畝（約7.47 萬km2），凈流向園地0.63 億畝（合4.2 萬km2），這給糧食生產(chǎn)安全帶來了不小的挑戰(zhàn)。且已有學(xué)者依照耕地流轉(zhuǎn)為苗圃種植、家禽飼養(yǎng)和農(nóng)業(yè)旅游等其他農(nóng)用地類型的概念進行研究[2-3]。結(jié)合國家土地管理法實施條例（2021 年修訂）中提出嚴(yán)格控制耕地轉(zhuǎn)為林地、草地、園地等其他農(nóng)用地等相關(guān)內(nèi)容，筆者認(rèn)為耕地流向園地、林地及其他農(nóng)用地的現(xiàn)實情況理應(yīng)考慮在耕地非糧化的范圍之內(nèi)，因此本研究將耕地非糧化行為定義為耕地轉(zhuǎn)林地、園地、草地和其他農(nóng)用地。

“耕地非糧化”已經(jīng)成為土地科學(xué)研究的熱點問題，已有研究主要集中在耕地非糧化時空演變格局[4]、驅(qū)動因子及調(diào)控機制[5]、對社會經(jīng)濟和生態(tài)效益的影響[6-7] 等方面。從研究區(qū)域來看，學(xué)者們分別從各省域、縣域、糧食產(chǎn)銷區(qū)等不同空間尺度[8-9] 探明耕地非糧化發(fā)展歷程。從研究方法上看，主要利用地理信息處理工具[10] 以及空間特征分析和空間計量模型[11] 對耕地非糧化的空間格局進行定量分析。在耕地非糧化驅(qū)動因素及調(diào)控機制方面，多采用主成分分析法、地理探測器模型和政策分析等方法[12，4]進行研究。從研究內(nèi)容上來看，有從耕地非糧化現(xiàn)象本身的描述和以耕地非糧化為介質(zhì)對社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益的分析，認(rèn)為耕地非糧化不僅為地方的經(jīng)濟發(fā)展提供了增長空間，也導(dǎo)致了耕地質(zhì)量下降和土壤受損污染等一系列問題，進一步激化了發(fā)展與保護之間的矛盾。

河南作為全國重要的糧食生產(chǎn)大省，擔(dān)負(fù)著保護耕地的重大政治責(zé)任和歷史使命，為保障國家糧食安全發(fā)揮了“壓艙石”作用。研究河南省耕地非糧化的空間分異演變過程及驅(qū)動因素，對于合理規(guī)劃城市發(fā)展空間、維護耕地保有量、保障國家糧食安全提供理論依據(jù)。本研究利用熱點分析、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型等方法研究耕地非糧化時空分布格局，并從農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、社會三個維度選取耕地非糧化驅(qū)動因子，利用地理探測器進行驅(qū)動因子探測。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于黃河中下游（110°21′～116°39′E、31°23′～36°22′N），全省面積約16.7 萬km2（ 圖1）。河南省2020 年國內(nèi)生產(chǎn)總值為54 997.07 億元，常住人口為9 941 萬人。河南屬大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同期，降雨普遍集中在6～8 月之間，無霜期為285 天，對于農(nóng)作物的生長具有得天獨厚的優(yōu)勢。作為中國的糧食主產(chǎn)地之一，2020 年，河南省糧食總產(chǎn)量連續(xù)六年達到650 億kg，約占全國的1/10，居全國第二，為穩(wěn)固全國的糧食安全格局做出了巨大貢獻。

1.2 數(shù)據(jù)來源

（1）遙感影像數(shù)據(jù)

文章所選取的2000、2005、2010、2015 和2020 年的五期土地利用覆被數(shù)據(jù)、行政邊界矢量數(shù)據(jù)等均來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）。

（2）驅(qū)動因子數(shù)據(jù)

考慮各因素與耕地非糧化的的相關(guān)性，結(jié)合區(qū)域現(xiàn)狀特點并綜合考慮數(shù)據(jù)的可得性，從農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟與社會三個維度，選取9 個指標(biāo)構(gòu)建耕地非糧化驅(qū)動因子指標(biāo)體系。其中平均年降雨量來自于歐盟及歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）；其他指標(biāo)數(shù)據(jù)源自于2000、2005、2010、2015 和2020 年的《中國統(tǒng)計年鑒》和《河南省統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型

標(biāo)準(zhǔn)差橢圓模型是分析研究區(qū)某一地理要素在空間上的分異輪廓和主導(dǎo)方向，是研究地理要素時空演變格局的重要方法之一。它通過重心、長半軸、短半軸、方位角等要素描述地理要素在空間上的分布格局及變化趨勢。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的重心代表地要素在空間上的位置分布；長短半軸可以描述其在空間上的主要分布趨勢，長半軸的長度與地理要素的離散程度呈正相關(guān)，長短軸之比與其方向性強度成正相關(guān)；方位角能夠表示出地理要素在空間上的主要分布方向，其表達式為[15]：

2.2 熱點分析

熱點分析是通過對每一個地理要素計算Cetis-Ord *i G統(tǒng)計，描述研究區(qū)耕地非糧化在空間上的高低聚類現(xiàn)象[15]，最終的可視化結(jié)果展現(xiàn)出地理要素在空間上的冷點和熱點分布狀況。具體計算方法如下：

式中： i x 、j x 代表要素i 與j 的值； ij a 為要素i 與j 的空間權(quán)重； n 為樣本個數(shù)。x 為指標(biāo)得分均值； S 為指標(biāo)得分標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 空間地理探測器

地理探測器是一種用于分析地理要素空間分異，并探索驅(qū)動因素及其之間關(guān)系的統(tǒng)計學(xué)方法，其中因子探測和交互探測是地理探測器的重要組成部分[16]。因子探測可以探測所選指標(biāo)是否為地理要素的驅(qū)動因子，并指明了各種因子對于地理要素的影響大小；交互探測描述不同因子之間的交互作用對于地理要素的驅(qū)動力大小的影響。

（1）因子探測：

因子探測用Q [0，1] 統(tǒng)計量來度量，其大小與X（驅(qū)動因子）對因變量Y 的解釋程度呈正比。計算公式如下：

式中： i 表示自變量的分區(qū)序號； N 和i N 分別表示總體和第i 區(qū)的樣本數(shù)；σ 2 和 2i σ分別表示整個全域和第i 區(qū)的方差。

（2）交互探測。

首先分別計算兩個影響因子X1 和X2 對Y 的Q 值Q（X1）、Q （X2）， 再計算X1 和X2 相互作用的Q 值Q（X1 ∩ X2），最后對Q （X1）、Q （X2） 和Q （X1 ∩ X2） 進行比較，交互作用判斷依據(jù)和結(jié)果可分為5 種類型[12]（表1）。

3 結(jié)果分析

3.1 耕地時空分布

第三次全國國土調(diào)查探明河南省耕地面積為7 5141km2，占全國耕地面積的5.88%，居全國第三位。南陽市、駐馬店市、信陽市耕地面積較大，均達到10 000 km2 以上（圖2、表2）。在時間維度上看，河南省耕地面積在研究期內(nèi)持續(xù)減少，凈減少量達到4 792.29 km2，占現(xiàn)狀耕地面積的4.63%，其中以2015—2020 年間減少最多，達到了1 605.16 km2，占研究時段內(nèi)耕地面積減少量的1/3 以上。在空間維度上看，信陽市、鄭州市、南陽市和洛陽市耕地面積減少較多，均在總減少面積的10% 以上。其中鄭州市耕地面積減少最多，達到785.65 km2，這是因為鄭州市作為省會是支撐全省高速發(fā)展的動力源，建設(shè)用地指標(biāo)向省會傾斜。

3.2 耕地非糧化時空分布格局

（1）耕地非糧化時空分異

根據(jù)土地利用覆被圖疊加得出河南省近20 年耕地非糧化的數(shù)量變化及空間分布（表3）。

從時間緯度看，20 年間，河南省耕地非糧化面積達到3 007.10 km2，其中2015—2020 年間最多。在此期間經(jīng)過退林還耕、退草還耕、廢棄的城鄉(xiāng)工礦居民用地的整理和復(fù)墾等方式亦有大量林地、草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀恋乩梅绞降霓D(zhuǎn)變導(dǎo)致了耕地非糧化空間的進一步加大。

從空間格局來看，河南省耕地非糧化主要發(fā)生在信陽市和南陽市，各地區(qū)整體呈現(xiàn)出持續(xù)上升的變化態(tài)勢。研究期之初，耕地非糧化只零星出現(xiàn)在研究區(qū)的各市區(qū)，隨著“十一五”規(guī)劃的實施和中部崛起發(fā)展戰(zhàn)略的布局，河南省的交通運輸體系、制造業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)等都有了質(zhì)的飛躍，河南省各地區(qū)的耕地非糧化均出現(xiàn)大幅增加；隨著《關(guān)于強化管控落實最嚴(yán)格耕地保護制度的通知》（國土資發(fā)〔2014〕18 號）和《關(guān)于進一步落實最嚴(yán)格耕地保護制度的若干意見》（豫政〔2015〕71 號）兩項耕地保護制度的提出，河南省耕地非糧化現(xiàn)象趨于平緩。

利用GIS 的自然斷點法對河南省各時期的耕地非糧化水平劃分等級（圖3），研究區(qū)耕地非糧化的高值區(qū)主要集中在西南部的南陽市和信陽市，整體呈現(xiàn)出北低南高的分布態(tài)勢。2000—2005 年，鄭州市、洛陽市、南陽市、信陽市處于高值區(qū)。2005—2010 年，除信陽市（圖3 中2005-2010 年圖）外其他城市的耕地非糧化水平處于弱勢發(fā)展的狀態(tài)。2010—2020 年間，依舊呈現(xiàn)出西南部耕地非糧化水平高于東北部地區(qū)的發(fā)展態(tài)勢。

（2）耕地非糧化熱點分析

運用地理分析工具得到研究區(qū)耕地非糧化熱點分布情況，由圖4 可知，耕地非糧化熱點區(qū)域較多出現(xiàn)在研究區(qū)的西部地區(qū)以及省會鄭州市周邊，整個研究時期耕地非糧化熱點呈現(xiàn)出先增多再減少的情況。研究期初，耕地非糧化熱點區(qū)域較為分散，置信水平99% 的熱點區(qū)域主要集中在南陽市、鄭州市北部以及洛陽市北部，熱點區(qū)域相對集中且輻射面積較小。2005—2010 年間，熱點區(qū)域集中且明顯，置信程度95% 的熱點區(qū)域都集中在信陽市的南部地區(qū)。2010—2015 年，熱點區(qū)域明顯增多，大量出現(xiàn)在河南省的西部地區(qū)。2015—2020 年間，熱點值較高的區(qū)域依舊是西部地區(qū)，但熱點范圍明顯低于上一研究時段。

（3）耕地非糧化遷移路徑

運用ArcGIS 繪制出耕地非糧化的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓，并確定耕地非糧化重心遷移路徑（表4、圖5）。

由圖5 可以看出，耕地非糧化重心主要集中在平頂山市，2005—2010 年間耕地非糧化的重心分布在駐馬店市，在此期間，省域南端出現(xiàn)大范圍的耕地非糧化現(xiàn)象影響該地理要素的標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的分布以及重心的大幅南移。遷移路徑為“中部—東南—西北—西南”，體現(xiàn)了耕地非糧化向南遷移的態(tài)勢，反映了河南省近20 年的經(jīng)濟發(fā)展出現(xiàn)向南遷的過程。四個時期的長短半軸之比分別為1.17、1.96、0.75、0.77，表明研究區(qū)域近20 年耕地非糧化的整體方向性較強，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)差橢圓可知研究區(qū)耕地非糧化呈現(xiàn)西南方向分布。轉(zhuǎn)動角度分別為143.60°、140.98°、125.15°、123.32°，研究時期內(nèi)轉(zhuǎn)動角度均為逆時針。

3.3 耕地非糧化的驅(qū)動力分析

為研究河南省耕地非糧化驅(qū)動因素及其影響力大小，從農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟與社會3 個維度選取農(nóng)作物播種面積、國民生產(chǎn)總值、常住人口等9 項指標(biāo)構(gòu)建耕地非糧化驅(qū)動因子體系（ 表5）。

（1）單因子探測分析

地理探測器的因子探測可以有效探測各影響因素對于耕地非糧化的影響強度，由表5 可知，2000—2005 年，經(jīng)濟因素中，財政支出的影響因子達到了0.7400，國民生產(chǎn)總值的影響因子達到了0.7363，農(nóng)業(yè)和社會因素中，農(nóng)作物播種面積和城鎮(zhèn)化率對耕地非糧化的解釋力較低。2005—2010 年，經(jīng)濟和社會因素對于耕地非糧化水平的影響依舊大于農(nóng)業(yè)因素。2010—2015 年，農(nóng)用農(nóng)機械總動力影響因子達到了0.4802，其他因子對于耕地非糧化的驅(qū)動作用較弱。2015—2020 年，城鎮(zhèn)化率的因子驅(qū)動力明顯高于期初，平均年降雨量、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、國民生產(chǎn)總值對于耕地非糧化的影響力處于低水平狀態(tài)，農(nóng)用農(nóng)機械總動力、常住人口解釋力處于高水平狀態(tài)。

（2）因子交互探測分析

地理探測器的因子交互探測結(jié)果（圖6）可知，各因子之間存在雙因子增強和非線性增強的關(guān)系，表明河南省耕地非糧化現(xiàn)象是農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟和社會等因素協(xié)同作用下出現(xiàn)并發(fā)展的，特別是城鎮(zhèn)化率（X7）在因子交互時表現(xiàn)出對耕地非糧化的解釋力大幅增強。2000—2005 年，農(nóng)作物播種面積（X1）、常住人口（X8）、城鎮(zhèn)化率（X7）與其他因子的交互作用較單因子的解釋力大幅增加，表明人口和耕地資源是耕地非糧化的基礎(chǔ)條件。2005—2010 年，年平均降水量（X2）、農(nóng)用農(nóng)機械總動力（X3）與其他因子之間相互后對研究區(qū)耕地非糧化的作用力增幅較大。2015—2020 年，年平均降水量（X2）和城鎮(zhèn)化率（X7）與其他因子之間相互后對研究區(qū)耕地非糧化的解釋作用增幅較大。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

（1）耕地非糧化時空演變

近20 年河南省耕地面積持續(xù)減少，這與河南省在此期間的快速城鎮(zhèn)化進程緊密相關(guān)。與西南糧食主產(chǎn)地成都平原相比[1]，兩地耕地非糧化均呈現(xiàn)出隨時序變化同步增加，對耕地非糧化率而言，河南省（34.85%）遠(yuǎn)低于成都平原（52.28%）。與經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的浙江省相比[17]，河南省的耕地非糧化更多的出現(xiàn)在原有耕地面積較多的城市，其次是出現(xiàn)在省域的政治經(jīng)濟中心，而浙江省的耕地非糧化呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，非糧化率較高的地方位于中心城市群。西方發(fā)達國家在發(fā)展過程中也經(jīng)歷了耕地被城市建設(shè)占用以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整侵占的情況，在美國在大都市地區(qū)，建設(shè)用地的增長速度遠(yuǎn)超人口增長。在加拿大，城市的持續(xù)擴張和基礎(chǔ)設(shè)施完善也在占用優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)用地。

（2）耕地非糧化驅(qū)動因子

在粵北山區(qū)耕地非糧化演進的影響因素相關(guān)研究表明，自然資源稟賦始終是影響區(qū)域非糧化空間分異的主要因素[5]。在對珠三角耕地非糧化影響因素效益研究時發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟因素是該地區(qū)非糧化的主要推動力[3]。與珠三角地區(qū)不同，本研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)因素對于耕地非糧化的解釋力一直處于較高水平，經(jīng)濟因素對耕地非糧化的解釋力隨著時序的增加而減弱，社會因素的解釋力逐漸超過經(jīng)濟因素。對于耕地非糧化的驅(qū)動因子測度，各學(xué)者對于不同研究區(qū)及驅(qū)動因子選擇會出現(xiàn)不同的結(jié)果。

（3）耕地非糧流轉(zhuǎn)的管控

針對耕地非糧化問題，我國采取強有力措施落實最嚴(yán)格的耕地保護制度，2020 年11 月國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于防止耕地“非糧化”穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的意見》（國辦發(fā)〔2020〕44 號）提出要明確耕地的利用順序，嚴(yán)格控制耕地轉(zhuǎn)為林地、園地等其他類型農(nóng)用地。美國地方政府在計劃和法規(guī)中也明確了農(nóng)地維持農(nóng)用并規(guī)定城市發(fā)展邊界，用以保護耕地保有量，部分州政府對農(nóng)業(yè)區(qū)域進行了劃分，并給予基本農(nóng)用地優(yōu)惠措施，以維護農(nóng)民的糧食耕作熱情。日本以立法的形式，要求農(nóng)業(yè)用地不能隨意占用、任意轉(zhuǎn)賣或轉(zhuǎn)換成其他類型的農(nóng)業(yè)用地。在耕地非糧化問題上，我們要秉持城市發(fā)展與耕地保護并存的思想理念，通過法規(guī)政策規(guī)制耕地非糧化行為以及進行農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方式保障耕地面積存續(xù)，還要開源節(jié)流，通過土地復(fù)墾、農(nóng)村居民點整理等方式增加耕地面積，并適度實施大都市區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略，走集中型的城市化道路，實現(xiàn)土地集約利用。

以河南省為研究對象運用GIS 和地理探測器探究了耕地非糧化時空演變趨勢及驅(qū)動因素，以期促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和保護國家糧食安全的協(xié)調(diào)發(fā)展。本研究所選取的驅(qū)動因子指標(biāo)是結(jié)合以往的研究和探討，充分考慮數(shù)據(jù)的可獲得性及研究區(qū)實際情況下，在合理的范疇內(nèi)去推斷驅(qū)動因子如何對耕地非糧化產(chǎn)生作用，在后續(xù)的研究中會繼續(xù)進一步深入探討耕地非糧化驅(qū)動因素的科學(xué)作用機制。在未來的研究中對耕地非糧化適宜程度合理測算，在保障國家糧食安全的前提下合理調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，以期獲得更高的效益。

4.2 結(jié)論

本文基于土地利用覆被數(shù)據(jù)提取耕地非糧化數(shù)據(jù)，利用土地利用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、熱點分析理探測器對耕地非糧化進行了時空演變研究和驅(qū)動因子探測。主要研究結(jié)論如下：

（1）河南省耕地面積在20 年間持續(xù)減少，凈減少量達到4 792.29 km2，占現(xiàn)狀耕地面積的4.63%；耕地非糧化面積達到3007.10 km2，占現(xiàn)狀研究區(qū)耕地總面積的2.90%，尤以2015—2020 年最多，研究區(qū)耕地非糧化表現(xiàn)出明顯的時空分異特征，耕地非糧化區(qū)域主要分布在南陽市和信陽市，各地區(qū)耕地非糧化面積整體呈現(xiàn)出持續(xù)增長的變化態(tài)勢。

（2）研究區(qū)耕地非糧化熱點區(qū)域集中在西部和南部地區(qū)；耕地非糧化標(biāo)準(zhǔn)差橢圓重心分布在平頂山市和駐馬店市，整體呈現(xiàn)出向南遷移的態(tài)勢，遷移路徑為“中部—東南—西北—西南”。

（3）農(nóng)業(yè)因素對于耕地非糧化驅(qū)動作用力較大，經(jīng)濟因素對耕地非糧化的解釋力隨著時序的增加而減弱，社會因素的解釋力逐漸超過經(jīng)濟因素。任一因子與其他因子交互作用均表現(xiàn)出雙因子增強和非線性增強效果，尤其是城鎮(zhèn)化率與其他因子交互作用后影響力明顯加強，河南省耕地非糧化現(xiàn)象是農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟和社會等因素協(xié)同作用下出現(xiàn)并發(fā)展的。

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基金項目：國家鄉(xiāng)村振興局委托項目（80026091881）; 云南省教育廳科學(xué)研究基金項目（2024J0634）; 云南財經(jīng)大學(xué)引進人才項目（2022D13）; 云南財經(jīng)大學(xué)科學(xué)研究基金項目（2019B01）