2013—2015年京津冀新增耕地時空特征與來源分析

楊建宇　張婷婷　陳　正　張　超　趙冬玲　林尚緯

(1.中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.國土資源部農用地質量與監(jiān)控重點實驗室， 北京 100035；3.國土資源部土地整治中心， 北京 100035)

0　引言

近年來，我國經濟飛速發(fā)展，城市化與工業(yè)化進程不斷加快[1]，我國耕地每年減少上百萬公頃，耕地資源短缺問題進一步凸顯[2]。土地整治是新增耕地的主要來源方式。土地整治是對低效利用、不合理利用和未利用土地的綜合整治，是對生產建設破壞和自然災害損毀土地的恢復利用，是土地整理、開發(fā)、復墾的統(tǒng)稱[3]。我國土地整治工程技術不斷發(fā)展，土地管理政策要求逐步提高，這也促使了土地整治項目的有序開展，從而增加耕地面積，補充平衡土地供給和社會需求[4-5]。因此，對新增耕地進行時空分布規(guī)律及其來源分析，對于科學制定土地整治政策和保障京津冀區(qū)域糧食安全、可持續(xù)發(fā)展具有重要指導意義。

現階段，從研究內容看，針對新增耕地時空分布規(guī)律的研究較少，缺乏對新增耕地來源的分析。大部分集中于土地整治方法[6-7]、土地整治項目資金效益[8-10]、土地整治質量評價[11-12]以及潛力測算[13-15]等方面的研究。從研究對象上看主要以土地整治項目為研究目標[16-17]，針對新增耕地時空變化規(guī)律研究較少。從研究尺度來看，宏觀上，多集中于對全國或省域的研究；微觀上，多以縣域為研究單元[18-22]；研究尺度較為單一。受研究方法和數據資料等的限制，缺乏對區(qū)域新增耕地圖斑的研究；并且，基于不同研究單元，研究會產生不同的結論[23]。為綜合分析研究區(qū)域的特征，以新增耕地圖斑為研究對象，采用縣域和區(qū)域兩種研究單元相結合的方法，可以避免單一尺度造成的不均衡現象，更充分、全面地分析新增耕地現狀，提出更加合理的整治建議。

京津冀是我國重要的糧食主產區(qū)，隨著京津冀協(xié)同發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，京津冀地區(qū)人口不斷增加，建設用地和生態(tài)用地面積增加，耕地面積逐漸減少，使得土地整治工程成為推動京津冀社會發(fā)展的重要組成部分，但現階段，缺乏對京津冀新增耕地現狀的研究。并且我國提出了建設雄安新區(qū)的千年大計，雄安新區(qū)的建設不僅對京津冀地區(qū)的經濟發(fā)展有著重大意義，也會對京津冀地區(qū)的土地利用狀況和生態(tài)環(huán)境產生重要影響。因此本文以2013—2015年京津冀土地整治項目新增耕地數據為基礎，基于縣域和區(qū)域兩種尺度，采用重心模型、區(qū)位基尼系數、地理集中度及統(tǒng)計分析等方法分析現階段京津冀地區(qū)新增耕地時空特征及來源特征的變化規(guī)律，為京津冀耕地保護工作提供數據參考和相關建議。

1　研究區(qū)概況與數據來源

1.1　研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)包含北京市、天津市、河北省，地處華北平原，位于東北亞中國地區(qū)環(huán)渤海心臟地帶，北接內蒙古高原，西鄰黃土高原，東臨渤海，與遼寧省、內蒙古自治區(qū)、山西省、河南省接壤，地理坐標為113°04′～119°53′E、36°01′～42°37′N，總面積2.17×107hm2，見圖1。

圖1　京津冀位置圖Fig.1　Geographical position of Beijing-Tianjin-Hebei region

該區(qū)屬于典型的溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，四季分明。地勢西北高，東南低。地貌豐富，西北部以山地、丘陵和高原為主，其間分布有盆地和谷地；東南部為廣闊的平原。整個京津冀按照地形因素可以分為后山壩上高原區(qū)、遼吉西蒙東南冀北山地區(qū)、燕山太行山山前平原區(qū)以及冀魯豫低洼平原區(qū)。雄安新區(qū)位于北京、天津、保定腹地，區(qū)位優(yōu)勢明顯、資源環(huán)境承載能力較強。根據第二次全國土地資源調查結果顯示，京津冀耕地面積共7.24×106hm2，占整個京津冀土地面積的1/3，占全國總耕地面積5.35%；其中北京市2.27×105hm2，天津市4.47×105hm2，河北省6.56×106hm2。京津冀地區(qū)耕地主要分布在燕山太行山山前平原區(qū)以及冀魯豫低洼平原區(qū)。灌溉水田集中分布在灤河下游沿海各縣，水澆地和旱地分布廣泛，在整個區(qū)域的平原和盆地地區(qū)集中連片，在山地地區(qū)沿河谷延伸。多年平均水資源總量1.61×1010m3，人均地表水量僅為全國平均水平的10%，水資源缺乏是制約河北省土地資源利用和經濟社會發(fā)展的重要因素之一[24-27]。

1.2　數據來源

數據包括：2013—2015年土地變更調查新增耕地管理信息核查數據，包括新增耕地圖斑面積、地類編碼、變更前地類代碼、來源結構等信息。2013—2015年京津冀分縣行政區(qū)劃數據；2013—2015年土地整治項目區(qū)數據。

2　數據分析與研究方法

為綜合反映新增耕地的時空分布狀況，本文集合了重心模型、區(qū)位基尼系數和地理集中度3種方法。運用重心模型找到整個研究區(qū)域新增耕地的均衡點，通過重心的偏移衡量不同方位新增耕地貢獻率的差異。運用區(qū)位基尼系數，衡量各縣級行政單元新增耕地的聚集程度。為避免區(qū)位基尼系數受行政單元個數的影響，引入地理集中度的概念。地理集中度可以彌補區(qū)位基尼系數定性反映的不足，定量地反映縣域新增耕地的空間差異。

2.1　分析流程

利用京津冀行政區(qū)劃數據與新增耕地圖斑數據疊加，提取京津冀分縣新增耕地圖斑數據；再利用重心模型計算新增耕地重心分布，運用區(qū)位基尼系數和地理集中度，分析京津冀新增耕地整體聚集狀況以及二級地類聚集狀況；按新增耕地屬性信息進行統(tǒng)計，得到京津冀新增耕地地類來源；利用京津冀新增耕地圖斑數據與項目區(qū)數據疊加，得到京津冀新增耕地來源結構。最后整理分析京津冀新增耕地一級地類特征、二級地類特征及新增耕地來源狀況，如圖2所示。

圖2　方法流程圖Fig.2　Flow chart of method

2.2　重心模型

重心的概念來源于牛頓力學，原指區(qū)域空間上存在某一點，在該點前后左右各個方向的力量對比保持相對平衡[28]。計算京津冀新增耕地重心時，將新增耕地圖斑的面積作為權重，圖斑的幾何中心為該圖斑重心，通過對各圖斑重心坐標賦予權重，標示出京津冀新增耕地的均值平衡點，與基準點做對比，衡量京津冀不同區(qū)域新增耕地面積貢獻率的差異?；鶞庶c即以京津冀分縣行政區(qū)劃為均質區(qū)域，找出其幾何中心，作為衡量的基準。

據此，建立計算京津冀土地整治新增耕地面積的重心模型[29]。

(1)

(2)

式中i——年份j——圖斑的編號

n——圖斑總個數

Sij——第i年、第j個圖斑的面積

Xi——第i年京津冀新增耕地的重心橫坐標

Yi——第i年京津冀新增耕地的重心縱坐標

Xij——第i年、第j個圖斑的重心橫坐標

Yij——第i年、第j個圖斑的重心縱坐標

2.3　區(qū)位基尼系數

區(qū)位基尼系數是新經濟地理學創(chuàng)始人克魯格曼首次提出的，最初被用于產業(yè)聚集測度的研究[30]，通過不同年份的對比，能夠定性的反映研究目標的時空特征和變化趨勢。通過3年間不同類別新增耕地(新增水田、新增水澆地、新增旱地)及其整體的區(qū)位基尼系數，衡量京津冀土地利用狀況的時空特征。其計算公式為

(3)

式中G——京津冀縣域區(qū)位基尼系數

k——當年京津冀縣域個數

Sa、Sb——縣域a、b新增耕地的面積

G的取值在0～1之間，取值越小聚集程度越低；反之，聚集程度越高。區(qū)位基尼系數大于0.5，即視為高度聚集，系數越大說明聚集程度越高。

2.4　地理集中度

地理集中度是衡量新增耕地空間差異的有效指標。選取新增耕地面積最大的前p個縣域計算地理集中度，公式為[31]

(4)

式中Cp——研究區(qū)新增耕地地理集中度

Sq——第q個縣域的新增耕地面積

S——整個研究區(qū)新增耕地面積之和

Cp的取值是0～1,值越大說明地理集中度越高，根據不同的地類選擇適合的p值，探究其新增耕地的集中區(qū)。

3　結果與分析

3.1　京津冀新增耕地時空特征

為對京津冀新增耕地進行深入、多元化的分析，并且占補平衡嚴禁占優(yōu)補劣、占水田補旱地，說明一級地類和二級地類的分布對于土地整治新增耕地等工作的開展有著同等重要的作用，因此分別從區(qū)域和縣域兩個角度分別對2013—2015年京津冀新增耕地一級地類和二級地類分布情況進行分析，以便提出服務區(qū)域和縣域的不同管理建議。

3.1.1京津冀新增耕地一級地類特征

3.1.1.1京津冀新增耕地一級地類時序特征

匯總2013—2015年3年京津冀新增耕地總面積，新增耕地主要集中在中東部平原區(qū)、西部山區(qū)和北部高原區(qū)3大區(qū)域。東部山前平原區(qū)是高產農業(yè)區(qū)，逐漸成為京津冀的重要糧食產區(qū)；北部和西部的高原區(qū)和山區(qū)是京津冀生態(tài)保護的重點區(qū)域，后備資源薄弱，在進行土地整治的同時需注意生態(tài)建設和保護。

從不同年份分析，2013—2015年新增耕地數量呈波動態(tài)勢。2013—2015年新增耕地面積分別為1.76×104、1.08×104、1.20×104hm2。借助ArcGIS自然段點法，將京津冀縣域新增耕地面積分為5級，如圖3。2013年面積較大的縣域多集中在中東部偏北的遼吉西蒙東南冀北山地區(qū)和燕山太行山山前平原區(qū)；至2014年，面積較大的新增耕地縣域數量下降，京津冀南部的冀魯豫低洼平原區(qū)新增耕地面積明顯減少；2015年南部平原地區(qū)縣域新增耕地面積均較高，北部地區(qū)縣域新增耕地面積都維持在較低水平。

究其原因，首先，近幾年耕地的重心開始向質量方向轉移，對新增耕地數量的要求有所降低。其次，北部地區(qū)多為高原、山地，受區(qū)位因素影響，可開發(fā)、復墾的面積有限；從占補平衡政策推出以來，北部地區(qū)可開發(fā)面積逐年遞減，因此，補充新增耕地的任務逐漸落到南部地區(qū)。

圖3　2013—2015年京津冀新增耕地分布圖Fig.3　Distribution maps of newly increased cultivated land in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2013 to 2015

3.1.1.2京津冀新增耕地一級地類空間特征

2013—2015年新增耕地重心不斷向西南方向遷移，詳見圖4，西部和南部新增耕地貢獻率上升。2013年新增耕地重心位于京津冀中東部偏北的地區(qū)，說明京津冀北部地區(qū)新增耕地貢獻率大于南部地區(qū)，東部地區(qū)大于西部地區(qū)；2014年、2015年西部和南部地區(qū)新增耕地貢獻率比重不斷增加，新增耕地重心南移。這與新增耕地面積分布變化趨勢一致。

圖4　2013—2015年新增耕地重心遷移圖Fig.4　Changing map of gravity center of newly increased cultivated land from 2013 to 2015

區(qū)位基尼系數和地理集中度能夠綜合分析新增耕地的時空變化趨勢。選取p=30，計算京津冀新增耕地地理集中度，結果如圖5所示。2013—2015年京津冀土地整治新增耕地的區(qū)位基尼系數和地理集中度平穩(wěn)上升，并沒有太大程度的變化。表明京津冀新增耕地高度聚集，并且聚集程度逐年增加，但整體狀況穩(wěn)定。結合新增耕地分布圖分析，2013年有新增耕地面積較大的縣域集中在中東部地區(qū)；2014年無新增耕地縣域逐漸集中，有新增耕地縣域逐漸向京津冀周圍擴散；至2015年，無新增耕地縣域主要集中在東北西南軸線上，有新增耕地的縣域呈環(huán)形，集中分布在京津冀周圍；使得3年新增耕地區(qū)位基尼系數逐漸增加。通過計算地理集中度發(fā)現，整個京津冀地區(qū)新增耕地大量集中于行唐縣、靜海縣、張北縣、威縣、圍場滿族蒙古族自治縣、盧龍縣、平山縣、寶坻區(qū)、密云縣、順平縣等縣域。

圖5　2013—2015年京津冀新增耕地地理集中度與區(qū)位基尼系數Fig.5　Gini-coefficient and geographic concentration of newly increased cultivated land in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2013 to 2015

3.1.2京津冀新增耕地二級地類特征

新增耕地二級地類包括新增水田、新增水澆地、新增旱地3種類型。京津冀是水資源利用限制區(qū)域，水田面積不大，水澆地和旱地占很高的比例。從2013—2015年新增耕地二級地類整體狀況看，除新增水澆地面積在2015年有所增長以外，新增水田和新增旱地均減少。

新增水田、新增水澆地和新增旱地高度聚集且具有明顯的區(qū)域差異。新增水田僅分布在寶坻區(qū)、唐?？h、樂亭縣、灤南縣、寧河縣等幾個縣域，其地理集中度接近于1，3年中并無太大變化，因此不在圖6中進行標示。根據新增水澆地和新增旱地的區(qū)位基尼系數，分別選取p=30、p=20，計算地理集中度。3年中，新增水澆地的面積最大，也呈現高度聚集狀態(tài)，但是分布比新增水田和新增旱地均勻，主要分布于行唐縣、順平縣、晉州市、圍場滿族蒙古族自治縣、張北縣、密云縣、雄縣、寶坻區(qū)等縣域。新增旱地的面積和聚集程度介于新增水田和新增水澆地之間，主要集中在靜?？h、盧龍縣、撫寧縣、大城縣、豐寧滿族自治縣、威縣、隆化縣等縣域。

圖6　2013—2015年京津冀新增耕地二級地類區(qū)位基尼系數和地理集中度Fig.6　Gini-coefficient and geographic concentration of three types of newly increased cultivated land in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2013 to 2015

平原區(qū)是各類新增耕地的主要分布區(qū)，但不同類別新增耕地分布有較大差異，如圖7所示。新增水田主要集中在燕山太行山山前平原區(qū)，2013年和2015年在冀魯豫低洼平原區(qū)也有分布，但數量較少。因地形限制，新增水田在遼吉西蒙東南冀北山區(qū)和后山壩上高原區(qū)分布極少。新增水澆地是京津冀地區(qū)新增耕地的主要地類，因平原區(qū)的地勢、交通、水資源等的優(yōu)勢，新增水澆地主要分布在冀魯豫低洼平原區(qū)和燕山太行山山前平原區(qū)；2013年遼吉西蒙東南冀北山區(qū)有一定數量的新增水澆地分布；但隨著中北部山區(qū)的開發(fā)、整理，新增耕地潛力逐漸降低，2014年和2015年遼吉西蒙東南冀北山區(qū)新增水澆地面積逐漸減少，新增水澆地主要來源于西南部平原區(qū)。除平原區(qū)外，新增旱地在遼吉西蒙東南冀北山地區(qū)有一定比例的分布，但在2014年和2015年所占比例逐漸下降。山區(qū)和高原區(qū)耕地雖然集中，但是自然條件和基礎設施薄弱，分布零散[32]，不利于大型機械的普及，生產能力較差，因此不作為土地整治的重點發(fā)展區(qū)域。

圖7　2013—2015年京津冀新增耕地二級地類分布情況圖Fig.7　Distribution maps of three types’ newly increased cultivated land in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2013—2015

3.2　京津冀新增耕地來源分析

為了解2013—2015年京津冀土地整治新增耕地的成效及其對京津冀生態(tài)環(huán)境的影響，分別從新增耕地來源結構和變更來源兩方面進行分析，提出針對未來土地整治的建議。

3.2.1京津冀新增耕地來源結構

新增耕地共分為6類，各類別及含義如表1所示。

表1　新增耕地分類及含義Tab.1　Different kinds and implication of newly increased cultivated land

表中ZZB為在農村土地整治監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)備案的本年驗收土地整治項目本年變更新增耕地；ZZWB為驗收本年變更新增耕地；ZZBJ為在建未驗收項目本年變更新增耕地，其他均為類別首字母的縮寫。為進一步統(tǒng)一土地整治項目管理與土地變更，2014年起不再允許項目未驗收即開展地類變更，取消了ZZBJ。

2008年以后，取消了土地整理、土地復墾、土地開發(fā)3類土地整治分類，在開展土地變更調查新增耕地時，將新增耕地細分為6類。如圖8所示，分析不同來源地類的變化情況，為后續(xù)發(fā)展提供參考。土地整治項目開展以來取得了豐碩的成果，其新增耕地一直是全國補充耕地的主要來源，為保障國家糧食安全發(fā)揮了極為重要的作用。農業(yè)結構調整新增耕地占比逐年上升，說明通過政策引導，京津冀農用地結構整理取得顯著成效，農用地結構逐漸合理；城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤新增耕地占比較少，且主要分布在平原區(qū)，說明京津冀平原區(qū)地區(qū)仍具備增減掛鉤補充耕地整治潛力，但在進行補充時不僅要注重數量的平衡，也要注意耕地質量的補充平衡，嚴防占優(yōu)補劣。工礦廢棄地復墾新增耕地面積不大，但是在山區(qū)有一定的比例，可以通過整治改善山區(qū)生態(tài)環(huán)境。

圖8　2013—2015年新增耕地來源結構分布狀況Fig.8　Distributions of different areas’ newly increased cultivated land source structure in 2013—2015

圖9　2013—2015年京津冀新增耕地來源Fig.9　Source of newly increased cultivated land in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2013—2015

3.2.2京津冀新增耕地變更來源

為了進一步分析新增耕地的變更情況，清楚地掌握近年來新增耕地的來源，利用2013—2015年度京津冀新增耕地數據進行地理分析以及統(tǒng)計分析，如圖9所示，得出以下結論：

(1)3年間新增耕地主要來源于草地、水域及水利設施用地、其他土地、園地、林地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地及混合地類。其中，草地、水域及水利設施用地、其他土地是新增耕地最重要的3大來源。特別是草地中的其他草地、水域及水利設施用地中的內陸灘涂、其他土地中的鹽堿地以及園地中的果園，在每年新增耕地來源中都占很大比例。

(2)新增水田、新增水澆地、新增旱地的來源不同。新增旱地和新增水澆地主要來源于草地中的其他草地；新增水田是二級地類中質量較高的類型，由于水田對水資源的要求較高，因此新增水田的來源和新增旱地、新增水澆地差異較大，從3年間新增水田的來源情況分析，新增水田主要來源于水域及水利設施用地中的溝渠。

(3)不同年份，新增耕地來源略有差異。2014年、2015年新增耕地中溝渠占比較低，而2013年溝渠占比達到8.23%，這也是2013年新增水田面積較大的原因之一。從二級地類的角度分析，新增旱地在2013—2015年主要來源地類分別是草地、水域及水利設施用地和林地。2013年及2015年新增水田主要來源為水域及水利設施用地，2014年新增水田的主要來源為其他土地。

4　討論與建議

保證數量是落實藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略，優(yōu)化用地結構布局、落實節(jié)約優(yōu)先戰(zhàn)略，推動山水林田湖綜合整治、筑牢生態(tài)安全屏障等一系列工作的基礎。綜合上述現狀分析，提出推進京津冀地區(qū)土地整治工作的建議：

(1)從新增耕地分布來看，京津冀平原區(qū)整治開發(fā)潛力較大。根據第二次全國土地調查結果顯示，平原區(qū)自然潛力好，耕地質量較高，并且有利于配套基礎設施與附屬設施，發(fā)展大型機械化農業(yè)。山區(qū)和后山壩上高原區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、整治難度大，投入大量資金但是難以獲得較高的收益。應著力推進平原區(qū)農用地整理、農村建設用地及工礦廢棄地復墾。

(2)大力發(fā)展設施農業(yè)等現代化農業(yè)，在水資源利用受限的條件下，必須考慮高效農業(yè)，節(jié)約水資源、提高農業(yè)附加值。

(3)加大力度實施城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤，調整區(qū)域利用形態(tài)，提高土地利用效率，促進城鄉(xiāng)一體化發(fā)展，通過改變城鄉(xiāng)建設用地布局，進一步拓展空間減少建設占用新增耕地，從根本上解決耕地保護的難題。

(4)在補充耕地的同時也要注重京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護。從京津冀一體化發(fā)展的區(qū)域整體功能定位尤其是雄安新區(qū)建設角度綜合考慮，新增耕地不是本區(qū)域主要需求。在京津冀未來發(fā)展和雄安新區(qū)規(guī)劃中，要進一步注重生態(tài)與環(huán)境安全，合理地實施土地整治項目來補充耕地，宜耕則耕、宜林則林、宜草則草，通過土地整治提高土地利用效率，保證整個京津冀地區(qū)的生態(tài)安全。

不斷推進土地整治工作進程、嚴守耕地保護紅線才能保證耕地數量、質量、生態(tài)“三位一體”建設有序開展。

5　結論

(1)從整體看，2013—2015年京津冀新增耕地主要位于中東部平原區(qū)、西部山區(qū)和北部高原區(qū)；從不同年份看，西部和南部縣域新增耕地貢獻率逐漸增加，新增耕地的聚集程度也逐漸增加。

(2)2013—2015年京津冀地區(qū)新增耕地中占比最大的是新增水澆地，其次為新增旱地。水澆地對水資源要求較高，而京津冀是水資源限制區(qū)，近幾年區(qū)域內地下水下降嚴重；旱地質量不高，不能作為發(fā)展重點。因此，要控制農業(yè)生產用水區(qū)域，加大節(jié)水力度，提高水資源利用率。

(3)2013—2015年京津冀地區(qū)新增耕地90%來源于土地整治新增耕地，尤其是農村土地整治新增耕地。2013年農村土地整治新增耕地占新增耕地的比例為87.73%，到2014年，下降為68.58%，2015年為67.20%，近3年來占比雖有所下降，但仍是新增耕地的主要組成部分。

(4)3年中，草地是新增耕地變更來源的重要組成部分，新增旱地和新增水澆地都主要來源于草地，不利于京津冀地區(qū)生態(tài)平衡。從目標達成度分析，京津冀地區(qū)環(huán)境承載能力已達上限，要更加注重生態(tài)環(huán)境和人類活動的和諧穩(wěn)定。

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