基于土地利用數(shù)據(jù)的多維度耕地演變分析

童秋英，遲 彬，汪如民

（1.武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢 430014）

基于土地利用數(shù)據(jù)的多維度耕地演變分析

童秋英1，遲 彬1，汪如民1

（1.武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢 430014）

采用GIS的空間分析和空間統(tǒng)計方法，從耕地變化的幅度、結(jié)構(gòu)、空間布局和質(zhì)量特征等多維度，對武漢市蔡甸區(qū)2009～2014年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫中的耕地變化進行分析，揭示其變化規(guī)律和分布特征，為新型城鎮(zhèn)化發(fā)展背景下制定耕地保護制度和科學利用耕地資源提供科學依據(jù)。

土地利用數(shù)據(jù)；耕地；多維度分析；空間分析

耕地是土地資源中的精華[1-3]，是人類獲取農(nóng)產(chǎn)品的最基本的物質(zhì)條件，也是農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展的根本。耕地保護已成為保障我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要支撐，同時也是區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展中的“兩難”問題。耕地保護不夠會危及糧食安全，過度的耕地保護又會影響建設(shè)用地的供應(yīng)，進而影響到經(jīng)濟社會的發(fā)展[4,5]。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，建設(shè)用地需求不斷增大，導致耕地、林地和草地等農(nóng)業(yè)用地被大量侵占，其中尤以耕地流失最為嚴重。在新型城鎮(zhèn)化下，如何規(guī)避耕地的流失和保護耕地資源，有必要科學認識和把握耕地變化的規(guī)律和趨勢，為區(qū)域耕地保護提供依據(jù)。

1 研究區(qū)數(shù)據(jù)

蔡甸區(qū)位于武漢市西南部，長江和漢江交匯的三角地帶，江漢平原末端，京港澳高速、瀘蓉高速和318國道交匯于此，形成全國唯一的“金十字”經(jīng)濟地理中心。下轄蔡甸、侏儒、大集、張灣、奓山、永安、軍山、沌口8個街道辦事處，索河、玉賢2個鎮(zhèn)，消泗鄉(xiāng)，桐湖辦事處和洪北管委會，沌口和軍山由武漢經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)托管。截至2014年，蔡甸區(qū)（含武漢經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)托管區(qū)域）轄區(qū)土地面積109 316.66 hm2，其中耕地占土地面積的37.33%，水田占耕地的37.77%、水澆地占耕地的61.17%、旱地占耕地的1.06%，全區(qū)耕地主要以水田和水澆地為主，并主要分布于轄區(qū)西南平原崗地上。

按照第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程和土地利用現(xiàn)狀分類（GB/T 20010-2007）標準，蔡甸區(qū)建立了2009年全區(qū)1：10 000土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫，并按照國土資源部年度土地變更調(diào)查與遙感監(jiān)測工作要求，建立了2010～2014年年度土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫。根據(jù)數(shù)據(jù)獲取尺度一致性、連續(xù)性和權(quán)威性原則，利用2009～2014年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫，提取研究區(qū)該時段內(nèi)每年耕地現(xiàn)狀圖斑數(shù)據(jù)，并收集研究區(qū)2010年耕地質(zhì)量等級補充完善成果數(shù)據(jù)以及轄區(qū)坡度數(shù)據(jù)庫，同時收集研究區(qū)土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫（2010～2020年）和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，為多維度耕地演變分析提供依據(jù)。

2 耕地演變分析

采用GIS的空間分析和統(tǒng)計分析方法，從耕地變化動態(tài)度、變化去向、變化趨勢和質(zhì)量情況等方面對研究區(qū)耕地時空演變進行多維度分析，以此探索區(qū)域耕地演變趨勢和規(guī)律。

2.1 耕地變化動態(tài)度分析

耕地變化動態(tài)度是指某研究區(qū)在一段時期內(nèi)耕地數(shù)量的變化情況[6]。利用研究區(qū)2009年和2014年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫中的耕地圖斑計算耕地變化幅度：

利用研究區(qū)2009～2014年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫中每年的耕地圖斑，計算年度耕地變化動態(tài)度：

式中，D表示耕地變化率[7]；K表示耕地的動態(tài)度；Ua和Ub分別表示耕地在研究初期和末期的數(shù)量；T為初期到末期的時長[6]。K＞0時，表示某時期內(nèi)耕地數(shù)量增加；K＜0時，表示耕地數(shù)量減少。

由式（1）、式（2）計算發(fā)現(xiàn)研究區(qū)6 a內(nèi)耕地總體變化率為-5.36%，表明研究區(qū)耕地總體減少。由圖 1可知，研究區(qū)每年耕地變化動態(tài)度在-0.68%～-1.77%之間，年均耕地變化動態(tài)度為-1.1%，表明研究區(qū)耕地每年都在減少，且每年減少的幅度不同。

2.2 耕地變化結(jié)構(gòu)分析

利用GIS空間分析工具，對研究區(qū)2009～2014年耕地變化進行分析，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)近6 a內(nèi)研究區(qū)耕地增加與減少的數(shù)量比為1：101，說明耕地減少量遠遠大于耕地增加量。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析年度耕地的流向，利用土地利用變化圖譜和耕地轉(zhuǎn)移空間可視化技術(shù)，對減少耕地的結(jié)構(gòu)進行空間分析，研究各種土地利用類型變化的空間分布情況，發(fā)現(xiàn)耕地大量流向了建設(shè)用地（如圖2所示），而建設(shè)用地主要分布在研究區(qū)規(guī)劃劃定的交通干線沿線及建設(shè)用地預留區(qū)。增加的耕地主要來源于城鎮(zhèn)村及工礦用地和林地等地類，其空間主要分布在研究區(qū)西部離現(xiàn)狀交通干線較遠區(qū)域（如圖3所示）。

2.3 耕地變化趨勢分析

圖1 研究區(qū)耕地變化動態(tài)度

圖2 研究區(qū)耕地流向圖

圖3 研究區(qū)耕地變化信息圖譜

在耕地變化動態(tài)度分析結(jié)果和耕地變化結(jié)構(gòu)特征分析的基礎(chǔ)上，進一步分析研究區(qū)減少耕地的空間分布特征和地貌分布特征，從耕地保護的視角，解析耕地變化趨勢。

2.3.1 耕地變化空間分布模式

基于空間關(guān)聯(lián)的視角，利用ArcGIS熱點分析工具分析耕地變化的空間分布模式（離散、隨機還是聚合）。ArcGIS熱點分析工具可對數(shù)據(jù)集中每個要素進行Getis-Ord Gi*統(tǒng)計計算（見式（3）～（5）），得到z得分和p值。Gi*統(tǒng)計的結(jié)果是z得分，z得分的絕對值越大，說明要素周圍聚集的程度越高，即形成熱點區(qū)域；z得分越接近0，則表示要素沒有聚集情況，呈隨機分布。p值表示變化要素的空間模式是由某一隨機過程造成的概率，用于確認Gi*統(tǒng)計是否顯著，p值和z得分都呈正態(tài)分布，在出現(xiàn)極高或極低（負值）z得分時，這些得分與非常小的p值關(guān)聯(lián)。一般當z得分≥2.58或≤-2.58 時，p值小于0.01，表示置信度為99%以上[8,9]。

式中，xj是要素j的屬性值；wi,j是要素i和j之間的空間權(quán)重；n為要素總數(shù)，且

按照上述模型，將研究區(qū)2009～2014年年度減少耕地圖斑，轉(zhuǎn)換為200 m×200 m尺度的矢量規(guī)則網(wǎng)格，基于歷年耕地是否發(fā)生變化對網(wǎng)格進行0、1賦值（1表示發(fā)生耕地變化，0表示未發(fā)生耕地變化），對賦值后的網(wǎng)格進行熱點分析（見圖4）。計算出的z得分均大于-0.63，說明蔡甸區(qū)內(nèi)只存在耕地變化次數(shù)高值的熱點地區(qū)，不存在耕地變化次數(shù)低值的熱點地區(qū)。從圖4可知，無論置信度為90%、95%還是99%，耕地變化次數(shù)的高值聚集區(qū)域主要分布在研究區(qū)的東北部，京港澳高速沿線和武漢市都市發(fā)展區(qū)內(nèi)的街鎮(zhèn)范圍內(nèi)。表明上述耕地變化頻率較高的地區(qū)呈現(xiàn)出一定的聚集性，在空間分布模式上呈現(xiàn)出連片式和擴展式。

圖4 耕地減少的熱點分布圖

2.3.2 耕地變化區(qū)域地貌特征

根據(jù)第二次全國土地調(diào)查的耕地坡度分級，耕地分5個坡度級（上含下不含），坡度級1代表坡度在0°～2°；坡度級2代表坡度在2°～6°；坡度級3代表坡度在6°～15°；坡度級4代表坡度在15°～25°；大于25°為坡度等級5。對研究區(qū)減少耕地進行坡度賦值分析發(fā)現(xiàn)，減少耕地的46.53%發(fā)生在坡度0°～2°地區(qū)；49.01%發(fā)生在坡度2°～6°地區(qū)；4.44%發(fā)生在坡度6°～15°地區(qū)；0.02%發(fā)生在15°～25°地區(qū)（見圖5）。由此可見，研究區(qū)95.54%的減少耕地處于坡度低于6°的平坦地區(qū)，說明耕地在地勢較平緩地方容易被占用。

2.4 變化耕地質(zhì)量分析

耕地質(zhì)量是各種自然因素、利用因素、經(jīng)濟因素綜合作用的結(jié)果[10]，全國耕地質(zhì)量分為15個等別，1 等最好，15等最差。根據(jù)2010年度湖北省武漢市蔡甸區(qū)耕地質(zhì)量等級成果補充完善成果分析，研究區(qū)耕地自然等別為2～4等、利用等別為4～7等、經(jīng)濟等別為4～7等，說明研究區(qū)耕地質(zhì)量普遍較好。

依據(jù)2010年度湖北省蔡甸區(qū)耕地質(zhì)量等級成果補充完善數(shù)據(jù)庫成果和評價體系，對研究區(qū)2009～2010年減少的耕地，采用因素法，進行自然質(zhì)量、利用系數(shù)和經(jīng)濟系數(shù)修正，得到耕地的地方自然質(zhì)量等別指數(shù)、利用等別指數(shù)和經(jīng)濟等別指數(shù)，并按照《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》中湖北省等指數(shù)與國家等指數(shù)的轉(zhuǎn)換公式（見式（6）～（8））進行省等指數(shù)轉(zhuǎn)換，按照單元指數(shù)所在等別范圍劃分變化耕地的國家自然質(zhì)量等別、利用等別和經(jīng)濟等別[10]。同時提取研究區(qū)2011～2014年減少耕地圖斑，通過空間賦值將2010年研究區(qū)耕地質(zhì)量等級成果補充完善數(shù)據(jù)庫中的國家自然質(zhì)量等別、利用等別和經(jīng)濟等別轉(zhuǎn)賦到減少耕地圖斑上，綜合兩 個時段變化耕地的質(zhì)量信息，統(tǒng)計得出研究區(qū)近6 a減少耕地的質(zhì)量情況（見圖6）。國家級自然等指數(shù)=省級自然等指數(shù)×1.971-2 732.528 (6)國家級利用等指數(shù)=省級利用等指數(shù)×1.144 4-1 151.18 (7)

圖5 減少耕地的坡度級別分布

圖6 2009～2014年減少耕地的質(zhì)量等別占比情況

國家級經(jīng)濟等指數(shù)=省級經(jīng)濟等指數(shù)×1.431 4-1 233.68 (8)

由圖6可知，減少耕地中99.58%的耕地國家自然等為2等或3等；86.71%的耕地國家利用等為4～6等；89.16%的耕地國家經(jīng)濟等為4～6等。綜合分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)近6 a被占用耕地的自然質(zhì)量較好，且耕地減少普遍發(fā)生在耕地質(zhì)量較好地區(qū)。

3 結(jié) 語

本文采用定量與定性相結(jié)合的思路，從耕地變化的幅度、結(jié)構(gòu)、布局、地貌形態(tài)和質(zhì)量特征等多維度對研究區(qū)域耕地演變進行了分析，客觀地揭示了耕地減少趨勢和變化規(guī)律。研究表明：耕地變化呈減少趨勢時，其幅度和動態(tài)度正相關(guān)；耕地減少的數(shù)量遠大于耕地增加的數(shù)量，且主要流向了城鎮(zhèn)建設(shè)用地；耕地減少主要發(fā)生在交通干線及城鎮(zhèn)村用地周邊，且地勢平緩、質(zhì)量較好的耕地占用比例較高。鑒于耕地演變特征和規(guī)律，結(jié)合耕地占補平衡制度落實表明在新型城鎮(zhèn)化進程中，地區(qū)耕地保護壓力巨大。因此，建議一方面加大技術(shù)、資金和政策供給，提升耕地質(zhì)量和產(chǎn)能；另一方面，必須加強建設(shè)用地集約節(jié)約利用考核，強化控增量、挖存量，確保合理高效用地，把節(jié)約集約用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟發(fā)展的新動力。

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P208

B

1672-4623（2016）03-0085-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.027

童秋英，正高職高級工程師，主要從事國土規(guī)劃信息化及信息咨詢工作。

2015-12-04。

項目來源：國家科技支撐計劃資助項目（2012BAJ23B00）。