南京市耕地時空變化及驅(qū)動力分析

歲秀珍，阮仁宗,顏梅春，高雷亭，張道祥

（1. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

耕地資源稀缺、人地關(guān)系沖突日益成為中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展的障礙[1-4]。國內(nèi)外學者已在南京地區(qū)開展了土地覆蓋、耕地資源研究。陳晶中在借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出耕地管理、質(zhì)量建設(shè)及科學利用等對策[5]；潘杰華預測了南京市2001～2010年的耕地數(shù)量警情，并提出實現(xiàn)南京耕地資源可持續(xù)利用管理的政策建議[6]；王艷君等分析了南京市土地利用時空變化特征[7]；劉世峰等結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計分析, 揭示了江浦土地利用類型變化的數(shù)量特征和空間變化特征, 并對本地區(qū)未來幾年的土地利用變化趨勢作出預測[8]。本文在此基礎(chǔ)上，通過對南京地區(qū)2000年、2005年和2010年遙感影像的加工處理,提取其耕地信息的動態(tài)變化情況,旨在了解南京市近10 a來的城市耕地結(jié)構(gòu)變化,并分析了造成變化的主要驅(qū)動力,為今后評價南京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

南京市位于東經(jīng) 118°22'～119 °14'、北緯 31°14'～32°37'，年均溫16 ℃,年降雨1 106.15 mm，無霜期年均239 d。該市地形為寧鎮(zhèn)揚丘陵區(qū),以吊扇緩崗為主,在其土地總面積中,低山占3.50 % ,丘陵占4.30% ,崗地占53.00%,平原、洼地及河流湖泊共占39.20% ,土壤主要有地帶性土壤和耕作土壤。南京市域面積6 597.163 km2,是長江流域四大中心城市和長江三角洲西部樞紐城市之一,同時也是中國重要的農(nóng)業(yè)地區(qū)和商品糧基地之一?，F(xiàn)代植物資源豐富、植物種類繁多,常見樹種近50種[9,10]。

選用2000、2005、2010年冬季與夏季TM、ETM、HJ/CCD等遙感影像。影像預處理包括數(shù)據(jù)標定、大氣糾正、地形光譜糾正、波段反射率計算、云標識、正射糾正等步驟。1/5萬DEM和坡度等輔助數(shù)據(jù)參與數(shù)據(jù)分析,以提高信息識別精度。

2 南京市耕地遙感監(jiān)測變化分析方法

2.1 耕地的圖像識別提取

耕地提取采用面向?qū)ο蟮膶哟畏诸惙椒╗11-14]，對由像元組成的紋理特征、幾何屬性以及對象與對象之間的空間關(guān)系特征進行識別。另外,通過分層的譜系關(guān)系,逐步分割、細化類型,以多尺度的對象擬合進行目標識別(分類采用Definiens公司Ecognition圖像處理軟件,影像分割尺度20)。為減少分類誤差, 耕地決策樹采取最短建樹、最大類型劃分的原則，劃分指標選取了植被茂盛期NDVI、植被枯萎期NDVI、坡度、高程等,通過決策樹的分離過程, 不斷去除非耕地信息,達到耕地提純的目標（圖1）。

2.2 耕地的空間結(jié)構(gòu)變化研究方法

2.2.1 耕地的變化速度

耕地動態(tài)度可表達區(qū)域一定時間內(nèi)的耕地數(shù)量變化情況[15,16],公式為:

式中，Ua、Ub分別為研究期初及期末的耕地數(shù)量;T為研究時段長。當T設(shè)定為年時,K為研究時段的耕地面積動態(tài)度。

2.2.2 耕地利用的相對變化率

引入單一土地利用類型相對變化率來反映土地利用數(shù)量變化的區(qū)域差異。區(qū)域某一特定土地利用類型相對變化率可表示為:

圖1 耕地提取層次分類方法流程圖

式中，Ka、Kb分別為耕地研究期初及期末的面積; Ca、Cb分別代表研究區(qū)某特定土地利用類型研究期初及期末的面積。

2.2.3 耕地的空間變化模型

可以用土地利用類型重心變化情況來反映。第t年某種土地利用類型分布重心坐標計算方法為:

式中，Xt、Yt分別表示第t年某種土地利用類型分布重心的坐標; Cti表示第i個小區(qū)域該種土地資源的面積;Xi、Yi分別表示第i個小區(qū)域幾何中心的坐標;n表示研究區(qū)內(nèi)小區(qū)域的總個數(shù)。通過比較研究期初和期末各種土地利用類型的分布重心,可以得到研究時段內(nèi)土地利用類型的空間變化規(guī)律。

3 南京耕地空間結(jié)構(gòu)變化分析

3.1 耕地數(shù)量變化

遙感監(jiān)測得到3期不同的南京耕地數(shù)據(jù)（圖2）。2010年南京市的耕地總面積為3 379 km2，從2000年到2010年耕地總面積減少913 km2,占耕地總面積的27%,平均每年減少91.3 km2。南京市的耕地數(shù)量表現(xiàn)為總體減少趨勢，按可比性分析，2005年以后的耕地減少速度小于2005 年以前的速度。人口增長、均居住條件改善、城市化發(fā)展以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是南京市耕地數(shù)量變化的主要動因。

3.2 南京市耕地的結(jié)構(gòu)變化

2010年水田與旱地的比例為7.1︰1。與2000年相比較，水田減少841 km2，占耕地總面積的24%；旱地減少72 km2，占耕地總面積的2%。相比2000年旱地與水田比例為7.7︰1,2010年旱地的比例略有提高。耕地的減少主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，面積達到了740 km2,所占比例為81%；其次是耕地轉(zhuǎn)化為水庫、坑塘等濕地，面積達到235 km2,所占比例為26%；還有少部分耕地轉(zhuǎn)化為林地、草地，面積為2.9 km2。由于養(yǎng)殖場的存在，耕地增加表現(xiàn)為濕地轉(zhuǎn)化為耕地（圖3）。

圖2 南京市2000～2010年耕地面積統(tǒng)計/km2

圖3 耕地變化情況

3.3 耕地變化的空間分布特征

南京地區(qū)水田和旱地分布不均勻（圖3b），耕地數(shù)量變化存在明顯的區(qū)域差異 ,其中耕地的變化以雨花臺區(qū)、江寧區(qū)為最大，鼓樓區(qū)變化最?。▓D3c）,高淳的耕地變化也相對比較大，由于養(yǎng)殖場的存在導致耕地和濕地之間的變化比較大。其他區(qū)主要是耕地與城鄉(xiāng)居住建設(shè)用地之間的變化。南京市在 2000 年～2010年10 a內(nèi) ,變化最大的類型主要是耕地轉(zhuǎn)化成城鄉(xiāng)居住建設(shè)用地 ,其次是耕地轉(zhuǎn)化為林地園地以及濕地。耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地集中分布于大中小城市的邊緣區(qū)以及原有的農(nóng)村居民點附近。耕地轉(zhuǎn)化為林地集中分布于山丘與平原的交錯地帶 ,平原地區(qū)則呈離散分布 ,主要表現(xiàn)為耕地向濕地、 園地的轉(zhuǎn)化；在2000年～2010年這個時間段 ,不僅南京市中心擴張迅速 ,它的邊緣區(qū)(內(nèi)緣區(qū)和外緣區(qū)) 以及外圍各地區(qū)發(fā)展也極為迅速 ,城鎮(zhèn)建設(shè)用地沿著市中心向外以 “分散集團” 模式擴張 ,占用大量耕地。在 2000年～2010 年時期 ,耕地變化幅度有所減小，減少的耕地地主要分布在城區(qū)與周圍城鎮(zhèn)之間 ,使這些分散的 “邊緣集團” 與城區(qū)有連成一體的趨勢（圖3 d）。

3.4 耕地的變化速度、相對變化率及空間重心轉(zhuǎn)移

根據(jù)式（1）計算出南京耕地的動態(tài)變化度為-2.13，其中雨花臺區(qū)和鼓樓區(qū)的動態(tài)變化度最小，分別為-6.77、-6.63；最大的分別為六合區(qū)、溧水縣、浦口區(qū)，分別為-1.31、-1.33、 -1.11。由此可見，耕地變化存在著明顯的區(qū)域差異，隨著與市區(qū)距離的增加，耕地的動態(tài)變化度也越來越大。根據(jù)式（2）計算出南京地區(qū)的耕地相對變化率，鼓樓區(qū)和雨花臺區(qū)最大，六合區(qū)、溧水縣、浦口區(qū)最小，耕地動態(tài)度和耕地相對變化率呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。圖4中耕地相對變化率大于1的區(qū)域類型 ,其耕地變化幅度大于全區(qū)耕地的變化,反之則小于全區(qū)耕地的變化。上述結(jié)果忽略了耕地變化的內(nèi)在過程,只反映了耕地數(shù)量上的變化速度。南京耕地變化的主要方向為城鄉(xiāng)居住建設(shè)用地不斷擴張,大量侵占耕地,同時林地與耕地在不同的空間區(qū)位上發(fā)生轉(zhuǎn)化 ,即外城蔓延和郊區(qū)城市化等2種增長形式。

圖4 耕地的動態(tài)變化度和相對變化率

2000年～2005年南京城市的擴展主要以外向型方式進行,以江南和江北為中心呈現(xiàn)向四周非均衡擴張以及沿交通干線發(fā)展的特征。這段時期，南京市城鎮(zhèn)用地擴張比較突出，導致耕地大量減少,耕地空間重心向西北方向移動570 m ,表明該時期南京江南城區(qū)城鎮(zhèn)用地建筑密度提高明顯,同期南京城區(qū)向南部和東南部擴展。2005年～2010年，城市主要沿長江一帶向東南方向擴展,耕地空間重心移動136 m,如圖5。

圖 5 2000～2010年南京耕地重心轉(zhuǎn)移圖

4 耕地變化的驅(qū)動力因素分析

1）人口因素

耕地變化是人地相互作用的結(jié)果[17]。人民生活需求對土地利用類型有著特殊的影響,伴隨著人民生活水平的提高,人民對社會便利要求越來越高,如交通。各個城市、鄉(xiāng)村之間便利的交通是以征用耕地為代價的。隨著人口數(shù)量的增加,以及人地關(guān)系緊張帶來的社會壓力,必然進一步驅(qū)動耕地發(fā)生劇烈變化。南京市人口增長迅速，由2000年的612.8萬人迅速增長到2010年的800萬人。這期間，迅速增加的人口必然會大量地需求城市建設(shè)用地,促使城市邊緣地帶大量的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地。、

2）經(jīng)濟因素

國內(nèi)外有關(guān)城市擴展的驅(qū)動力分析表明,人口增加和社會經(jīng)濟的發(fā)展是城市擴建的主要驅(qū)動因素。改革開放以來,南京市GDP從2000年的1 020億元,迅速增長到2010年的5 086億。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,工業(yè)化步伐加快,城市用地的經(jīng)濟產(chǎn)出收益遠遠大于耕地,而處于城市邊緣地帶的耕地具有迅速轉(zhuǎn)換成城市用地的潛力。這些耕地被迅速征為城鎮(zhèn)用地和工業(yè)用地,各類需要用地的企事業(yè)單位紛紛到城市邊緣搶占地皮。自1990年以來，南京城市迅速擴張,在這個過程中,由于搶占到的地皮到建設(shè)完成投人生產(chǎn)需要一定的時間,導致了一部分土地被閑置,影響了土地利用效率。與此同時,農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,也使一些農(nóng)業(yè)用地向相對具有更高經(jīng)濟產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換，如水稻和菜地會向果園和池塘轉(zhuǎn)換,導致果園和池塘面積增加,而耕地面積減少。隨著各個地區(qū)與市中心距離的增加，耕地減小的幅度會發(fā)生一定的變化（如圖6）。

圖6 各區(qū)域耕地變化與市中心的距離

3）政策制度因素

政策因素在耕地變化中起著不可低估的作用。通過政策、法律等手段引導社會的經(jīng)濟生產(chǎn)活動,進而影響到土地利用方式和強度。如國家的“退耕還林”政策,促使一部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?；南京一號地鐵線由于施工需要,城區(qū)大量耕地被破壞；在政府大力提倡綠色浦口的政策引導下, 星甸和湯泉鎮(zhèn)大力發(fā)展苗圃種植業(yè)，使本地耕地面積變化受到影響。

4）自然因素

自然因素對耕地的作用主要體現(xiàn)在地形因素、病蟲害以及降水等對綠地及其景觀格局的影響。處于丘陵與山地的耕地,由于開發(fā)成本較大,因此避免了被大量破壞，而平緩地區(qū)和城鎮(zhèn)內(nèi)部的耕地,尤其是小面積斑塊,被大量城鎮(zhèn)建設(shè)用地占用；南京強大的經(jīng)濟基礎(chǔ)和有利的區(qū)位條件，使得耕地面積發(fā)生一定的變化；由于水利條件比較發(fā)達，南京高淳發(fā)展養(yǎng)殖基地，導致了耕地向水塘的轉(zhuǎn)變，等等。

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