京津冀地區(qū)耕地利用時空分異與影響機(jī)制分析

王雨楓 王 娟

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 青島 266100; 2.云南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院， 昆明 650228)

0 引言

隨著工業(yè)化不斷發(fā)展，區(qū)域城鎮(zhèn)化正深刻影響著土地利用類型的變革，尤其是在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型過程中，不同土地利用形態(tài)格局呈現(xiàn)出不同的演變關(guān)系[1]。厘清地區(qū)土地利用時空異質(zhì)性，可以優(yōu)化土地政策，有效調(diào)節(jié)土地利用格局及進(jìn)程，緩和土地利用形態(tài)之間的沖突[2]。

土地利用轉(zhuǎn)移起源于林地轉(zhuǎn)型研究，文獻(xiàn)[3]通過研究不同國家的森林面積變化趨勢，提出了林地轉(zhuǎn)型理論。隨后學(xué)者對林地轉(zhuǎn)型的區(qū)域差異化、成因及影響機(jī)制進(jìn)行了多層次探討，土地利用轉(zhuǎn)移研究也進(jìn)一步擴(kuò)張到多種類多要素轉(zhuǎn)移[4-5]。目前國內(nèi)外關(guān)于耕地的研究主要集中在耕地時空演變與驅(qū)動機(jī)制[6]、耕地多功能評價[7]、耕地動態(tài)變化度[8]、耕地糧食安全及耕地保護(hù)措施[9]等方面。隨著城市經(jīng)濟(jì)的影響加深，耕地與其他類型用地的轉(zhuǎn)移、耕地的流失路徑、耕地的多功能協(xié)調(diào)成為了學(xué)術(shù)界研究的重要內(nèi)容。文獻(xiàn)[10]以我國西南山區(qū)耕地為例，發(fā)現(xiàn)地形與地方政策是影響山區(qū)耕地演變的重要因素，文獻(xiàn)[11]研究河南省洛陽市耕地演變，發(fā)現(xiàn)耕地空間自相關(guān)具有很強的聚集性，且海拔和工業(yè)產(chǎn)值對耕地保有量均有顯著影響。文獻(xiàn)[12]以英國城市為對象，分析了耕地梯田邊坡的廢棄程度及其對降雨誘發(fā)淺層滑坡的分布及強度的影響。文獻(xiàn)[13]研究長江中下游糧食主產(chǎn)區(qū)耕地利用，建議從各鄰近市完備生態(tài)農(nóng)業(yè)合作機(jī)制、提升整體耕地利用生態(tài)效率。 現(xiàn)有成果大多從特征、機(jī)制、成因等方面對耕地時空演變及其影響機(jī)制進(jìn)行分析，較少從地區(qū)合作與分工、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、多元影響機(jī)制等區(qū)域異質(zhì)性視角探討。

京津冀地區(qū)主要包括北京、天津、河北等13個城市200個區(qū)縣。截至2020年末，京津冀已經(jīng)利用的土地約占84%，其開發(fā)強度遠(yuǎn)高于全國平均水平，后備土地資源匱乏，潛力有限[14]，因此，以京津冀地區(qū)展開耕地利用研究具有典型的代表性。本文從京津冀地區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展視角，構(gòu)建相關(guān)模型測度其耕地利用時空分異及影響機(jī)制，以期為深入剖析其發(fā)展進(jìn)程提供可視化參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用京津冀地區(qū)1990—2020年土地利用數(shù)據(jù)，采集于1990、2000、2010、2020年夏季LandsatTM/ETM遙感影像，并在GEE地理云平臺上對影像的波段、地面控制點及大地基準(zhǔn)等空間信息進(jìn)行了調(diào)整和校正[15]。參考GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)，將土地利用類型歸為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地共6種類型。對整理后的耕地數(shù)據(jù)與《中國城市統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其總體精度達(dá)到90.34%～96.52%，基本符合本次研究的要求。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于北京市、天津市及河北省的《統(tǒng)計年鑒》、《中國城市統(tǒng)計年鑒》及政府官網(wǎng)。

1.2 研究方法

1.2.1耕地變化動態(tài)度

耕地變化動態(tài)度K反映研究區(qū)域內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，并直觀表現(xiàn)不同研究時間段的演變趨勢。其表達(dá)式為

(1)

式中Ua、Ub——初期和末期耕地的面積

T——研究時間間隔，取10 a

1.2.2核密度估計

耕地地理分布具有空間離散、點多面廣的特點，常規(guī)方法難以識別其時空整體性和地理連續(xù)性。核密度F估算是一種用于估算概率密度函數(shù)的非參數(shù)方法，能以光滑的曲面漸進(jìn)式傳輸中心強度，并隨著距離衰減，有效識別耕地分布的空間差異性和連續(xù)性。核密度表達(dá)式為

(2)

式中h——距離衰減閾值

k——空間權(quán)重函數(shù)

di——位置(x,y)與第i個觀測點的距離

N——觀測點數(shù)量

1.2.3土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

精確量化系統(tǒng)中狀態(tài)與狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，直觀反映各土地利用方式轉(zhuǎn)化流向與數(shù)量，揭示不同土地利用方式面積流轉(zhuǎn)時空演化關(guān)系。其表達(dá)式為

(3)

式中n——土地利用類型數(shù)

1.2.4局部自相關(guān)分析

局部自相關(guān)分析反映某個屬性或地理現(xiàn)象在區(qū)域和鄰近區(qū)的依賴程度，直觀展現(xiàn)耕地流失在空間的相關(guān)性及關(guān)聯(lián)程度。局部莫蘭指數(shù)表達(dá)式為

(4)

式中Eij——縣區(qū)i第j個指標(biāo)的綜合權(quán)重

1.2.5地理探測器模型

地理探測器能結(jié)合GIS空間疊加技術(shù)和集合論，識別多因子之間交互作用[16]。它的工作原理是不同空間位置地理事物具有差異性，若兩者在空間上的變化表現(xiàn)顯著一致性，則判定該因素對地理事物空間分布具有重要意義。本文將運用其探測自然、經(jīng)濟(jì)及政策等多要素對研究區(qū)耕地利用分異影響機(jī)制。地理探測器的影響指數(shù)q的表達(dá)式為

(5)

式中nD,i——層i上的個數(shù)

2 耕地時空演變測度

2.1 耕地變化動態(tài)度分析

根據(jù)京津冀地區(qū)200個區(qū)縣的耕地面積，利用式(1)得到1990—2020年3個時段耕地變化動態(tài)度(圖1)。從時空演化特征分析，1990—2000年間大部分區(qū)縣耕地的K為正值，而北京、天津市大部分區(qū)縣的K為負(fù)值。此階段K的均值為-0.70%，全域耕地面積增加明顯，主要源于改革開放以來，農(nóng)民收入水平不斷提高，耕地意愿和能力得到不斷提升。而北京、天津市大部分區(qū)縣為負(fù)值，表明北京、天津市已經(jīng)率先進(jìn)入工業(yè)化城市建設(shè)中。2000—2010年間大部區(qū)縣耕地的K為弱負(fù)值(K>-0.73%)，而北京、天津市以及河北省保定、石家莊、邢臺及邯鄲市大部分區(qū)縣的K為強負(fù)值(K<-0.72%)。此階段K的均值為-1.12%，大部分區(qū)縣集中在-2.18%～0.39%之間，全域耕地面積呈緩慢減少趨勢。主要源于21世紀(jì)初，河北省步入工業(yè)化發(fā)展階段，全域城鎮(zhèn)建設(shè)速度提高，導(dǎo)致耕地面積轉(zhuǎn)變成城市和工業(yè)用地。北京、天津市仍然是本地區(qū)的城鎮(zhèn)化、工業(yè)化先導(dǎo)，河北省的保定、石家莊市主要源于區(qū)位優(yōu)勢度，城鎮(zhèn)化進(jìn)程較快，而邯鄲市主要因為礦產(chǎn)資源開發(fā)，導(dǎo)致耕地快速減少。2010—2020年間大部分區(qū)縣耕地的K為強負(fù)值(K<-0.70%)，而北京市的K減弱。此階段的均值K為-0.39%，大部分區(qū)縣集中在-3.27%～1.21%之間，全域耕地面積呈快速減少趨勢。主要源于河北省的工業(yè)化進(jìn)程處于加速階段，全域城鎮(zhèn)化建設(shè)速度保持高速增長，導(dǎo)致大量的耕地快速轉(zhuǎn)變成城市和工業(yè)用地。其中石家莊、唐山及保定市耕地流失較快，石家莊市具有省會的資源優(yōu)勢度，近年來大力建設(shè)城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施，唐山市靠近北京、天津市，承接了其轉(zhuǎn)移的部分工業(yè)產(chǎn)業(yè)，保定市擁有國家級雄安新區(qū)，近年來建設(shè)較快。此階段，北京、天津市的城鎮(zhèn)化處于后期，城市建設(shè)已經(jīng)較為完善，耕地流失速度減弱。

圖1 耕地變化動態(tài)度格局Fig.1 Dynamic attitude patterns of cultivated land change

從地理區(qū)位特征分析，北京是京津冀的核心城市，改革開放后，其率先進(jìn)入工業(yè)化城鎮(zhèn)建設(shè)，30年間，其K分別為-1.61%、-2.27%及-0.16%，其絕對值先上升后下降，表明其已經(jīng)完成了城鎮(zhèn)化進(jìn)程，城市建設(shè)已經(jīng)較為完善。天津是京津冀的第二核心城市，其工業(yè)化進(jìn)程慢于北京，但是快于河北。30年間，其K分別為-0.29%、-0.15%及-1.45%，其絕對值先下降后上升，表明其還未完成城鎮(zhèn)化進(jìn)程，城市建設(shè)仍在快速擴(kuò)張。河北是京津冀的資源大后方，仍然以農(nóng)業(yè)為主，近年來開始進(jìn)入工業(yè)化城鎮(zhèn)建設(shè)。30年間，其K分別為-0.18%、-0.42%及-0.33%。其絕對值一直處于較低水平，表明其正在進(jìn)行城鎮(zhèn)化建設(shè)[17]。

2.2 耕地核密度測度

采用式(2)對京津冀地區(qū)耕地分布密度進(jìn)行計算，運用自然斷點法將耕地F劃分為5級：低密度區(qū)、較低密度區(qū)、中密度區(qū)、較高密度區(qū)和高密度區(qū)(圖2)。京津冀地區(qū)F分布空間差異較為明顯，各年份變化范圍在0～10.77 hm2/km2之間波動變化，變化幅度較大。

圖2 耕地核密度空間分布Fig.2 Spatial distributions of cultivated land kernel density

具體而言，1990年耕地F高值和較高值主要位于京津冀南部、中部及東部的河北省衡水、滄州、石家莊(辛集、晉州市等)、邯鄲(陶館、大名縣等)、邢臺(清河、臨西縣等)、保定(安國市、高陽縣等)、廊坊(大城、文安縣等)市以及天津市(武清、寶坻區(qū))、河北省唐山市(豐南區(qū)、灤南縣等)。2000年耕地F高值和較高值地區(qū)開始收縮，天津、石家莊及唐山市最明顯。其中天津市東南部靜海及濱海新區(qū)大面積的耕地轉(zhuǎn)變成城市及工業(yè)用地，石家莊市西南部的橋西、井陘等地區(qū)，唐山市西北部的豐潤、灤州等地區(qū)的耕地也轉(zhuǎn)變成城市用地。2010年耕地F高值和較高值快速收縮，同時部分地區(qū)耕地緩慢恢復(fù)，北京、邯鄲、石家莊及張家口市最明顯。其中北京市東南部的大興、通州區(qū)等，邯鄲市西部的武安市、永年區(qū)等，石家莊市西部的平山、井陘礦區(qū)等地區(qū)的耕地轉(zhuǎn)變成城市及工業(yè)用地。與大部分城市耕地收縮相反的是張家口市西部地區(qū)的尚義、張北等區(qū)縣的耕地正緩慢恢復(fù)。2020年耕地F高值和較高值地區(qū)進(jìn)一步收縮，保定及天津市最明顯。其中保定市主要是雄安新區(qū)的大規(guī)模建設(shè)，使大量耕地快速轉(zhuǎn)變成城市用地，天津市則是因為濱海新區(qū)的進(jìn)一步開發(fā)引起了耕地的減少。

參考2019年《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》、北京及天津《統(tǒng)計年鑒》的農(nóng)耕面積數(shù)據(jù)，其中京津冀東南地區(qū)(保定、石家莊、廊坊、滄州、衡水、邢臺及邯鄲市)的農(nóng)耕面積為566.53萬hm2，占其總面積的62.73%。西北地區(qū)(北京、天津、唐山、秦皇島、承德及張家口市)為236.11萬hm2，占其總面積的18.74%。通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)與本文Landsat監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，可知4個監(jiān)測時點京津冀耕地F分異明顯，集聚分布特征顯著，整體核密度呈現(xiàn)“東南密西北疏”的空間分布格局。主要來源于境內(nèi)西北部及西部太行山脈海拔驟然增高，坡度超出了耕地的適宜度，而南部、中部及東部基本上是平原丘陵，地形及氣候適合耕種。參考已有研究[18]，北京、天津市快速發(fā)展，大量耕地轉(zhuǎn)變成城市及工業(yè)用地，而河北省主要以農(nóng)耕為主。

2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

基于1990、2020年京津冀地區(qū)土地利用空間信息，在GIS中進(jìn)行空間疊置，得到其土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，并分析其土地利用空間變化的規(guī)律(圖3、表1)。從圖3、表1可以看出，京津冀地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)以耕地、林地、草地與建設(shè)用地為主，分別約占總面積的46.35%、21.29%、15.78%及12.62%，水域及未利用地的面積較小，約占總面積的3.96%。1990—2020年間S變化明顯，從各類土地利用類型轉(zhuǎn)換來看，面積凈增長的主要有建設(shè)用地、林地、水域，面積凈減少的主要有耕地、草地及未利用地。建設(shè)用地的面積大幅度增加12 593.50 km2，其中主要由耕地流向建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移面積13 307.55 km2，耕地的面積劇烈縮減了12 355.86 km2。部分耕地轉(zhuǎn)移為草地，水體主要流向耕地和建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移面積百分比分別為5.35%和22.55%。部分林地草地轉(zhuǎn)移為耕地，轉(zhuǎn)移的面積百分比分別是0.94%和1.76%，林地主要流向耕地、草地、建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移的面積為942.41、1 640.37、603.19 km2。

圖3 土地利用時空演變Fig.3 Spatio-temporal evolution of land use

表1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.1 Land use transfer matrix km2

2.4 耕地流失空間自相關(guān)測度

在ArcGIS平臺上以200個區(qū)縣為基礎(chǔ)單位，計算4個周期的I，使用自然斷裂點法對計算結(jié)果分類，完成京津冀地區(qū)耕地流失空間分布圖(圖4)。1990—2000年間，耕地流失的熱點區(qū)形成一南一北的兩個區(qū)域。其中以北京市為中心，形成了耕地流失的熱點核心區(qū)域，周邊的河北省保定、廊坊市及天津市等形成了耕地流失的熱點拓展區(qū)域。同時在東部的河北省滄州市形成了耕地流失次熱點區(qū)域，而北部的河北省張家口、承德、秦皇島及唐山市都處于耕地流失的冷點區(qū)。

圖4 耕地流失空間自相關(guān)分析Fig.4 Spatial autocorrelation of cultivated land loss

2000—2010年間，耕地流失的熱點區(qū)域面積持續(xù)上升，而冷點區(qū)域面積持續(xù)下降。其中環(huán)北京-張家口為中心的耕地流失熱點區(qū)域保持快速擴(kuò)張，而東部的次熱點區(qū)轉(zhuǎn)移到石家莊、邢臺及邯鄲市，且耕地流失的高值區(qū)域比重變大。耕地流失的冷點區(qū)面積持續(xù)下降，其中冷點的低值區(qū)面積百分比由18.23%下降到17.14%，主要分布在唐山、天津、滄州等市。2010—2020年，耕地流失的熱點區(qū)域面積開始下降，而冷點區(qū)域面積逐步上升。其中環(huán)北京為中心的耕地流失熱點區(qū)域面積開始收縮，北京市已經(jīng)全部轉(zhuǎn)冷，熱點轉(zhuǎn)移到天津市，高值區(qū)面積百分比由18.16%下降到16.43%。耕地流失的冷點區(qū)面積上升，主要是承德市、張家口市南部、北京市及保定市等城市及其拓展區(qū)耕地流失減弱，部分地區(qū)轉(zhuǎn)為冷點區(qū)。

耕地的流失與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)密切相關(guān)，其中耕地的流失主要轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘屑肮I(yè)用地，參考1990、2019年京津冀《統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，其中京津冀東部地區(qū)(北京、天津、唐山及滄州市)的市轄區(qū)建成區(qū)面積增加了1 877 km2，西部地區(qū)(石家莊、保定及廊坊市)增加了420 km2，南部地區(qū)(邢臺、邯鄲及衡水市)增加了257 km2，北部地區(qū)(張家口、承德及秦皇島市)增加了165 km2。通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)與本文Landsat監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，可知30年來京津冀地區(qū)耕地流失熱點區(qū)表現(xiàn)出環(huán)北京及環(huán)渤海地區(qū)為中心的聚集式特征，其東部耕地流失的熱度比西部高，南部比北部高。

2.5 耕地利用影響機(jī)制分析

耕地利用時空分異主要受到自然、社會經(jīng)濟(jì)及政策等多因素的綜合影響。本文選取平均坡度(X1)、與主要河道距離(X2)、路網(wǎng)密度(X3)、年降水量(X4)、農(nóng)業(yè)技術(shù)人員數(shù)量(X5)、農(nóng)業(yè)貸款率(X6)、人均GDP(X7)、城鎮(zhèn)化率(X8)等8個影響因子分析耕地利用的時空分異影響機(jī)制。自然因素中的平均坡度越大，耕地的可開發(fā)度越低，年降水量越充沛的地區(qū)，耕地的肥力越高，與主要河道的距離決定了耕地的灌溉能力，而路網(wǎng)密度則影響了耕地的機(jī)械化管理能力。社會經(jīng)濟(jì)及政治因素中農(nóng)業(yè)技術(shù)人員的技術(shù)指導(dǎo)對于耕地的播種及產(chǎn)量具有指導(dǎo)性，農(nóng)業(yè)貸款率提高了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)承受力，人均GDP及城鎮(zhèn)化率對于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的提高具有重要影響[19]。首先在ArcGIS平臺上對8個影響因子進(jìn)行自然斷裂點劃分，再依據(jù)地理探測器的工作原理，測算出每個影響因子的決定力q值，q越大代表因子對耕地利用的決定力越強。

通過式(5)分析的結(jié)果可知，1990—2020年間不同時期影響京津冀地區(qū)耕地利用時空分異的指標(biāo)因素決定力變化相對較顯著，且主要因素未發(fā)生較大變化。總體上看，平均坡度(X1)、與主要河道距離(X2)、路網(wǎng)密度(X3)、年降水量(X4)等自然因子的q從1990年到2020年分別從0.26下降到0.21，0.27下降到0.19，0.18上升到0.23，0.25下降到0.20。其中1990年以來平均坡度、與主要河道距離、年降水量的決定力減弱，而路網(wǎng)密度的決定力小幅增強。農(nóng)業(yè)技術(shù)人員數(shù)量(X5)、農(nóng)業(yè)貸款率(X6)、人均GDP(X7)、城鎮(zhèn)化率(X8)等社會經(jīng)濟(jì)及政策因子的q從1990年到2020年分別從0.51上升到0.57，0.32下降到0.29，0.41上升到0.52，0.50上升到0.58。其中1990年以來農(nóng)業(yè)技術(shù)人員數(shù)量、人均GDP、城鎮(zhèn)化率的決定力小幅增強，而農(nóng)業(yè)貸款率的決定力小幅下降?；谏鲜?個影響因子的定量分析，參考已有研究成果[20]，表明研究期間社會經(jīng)濟(jì)、政策因素對其耕地利用的影響力呈現(xiàn)出上升趨勢，自然因素的影響力呈現(xiàn)下降趨勢。

3 結(jié)論

(1)北京市率先進(jìn)入工業(yè)化城鎮(zhèn)建設(shè)，天津市次之，河北省仍然以農(nóng)業(yè)為主，北京市的K絕對值呈現(xiàn)下降趨勢，天津市先下降后上升，河北省則保持較低水平的穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)耕地核密度空間分異明顯，集聚分布特征顯著，從地區(qū)來看，F(xiàn)整體呈現(xiàn)“東南密西北疏”的空間分布格局。

(3)土地利用結(jié)構(gòu)改變較為明顯，面積凈增長的主要有建設(shè)用地、林地及水域，面積凈減少的主要有耕地、草地及未利用地。

(4)耕地流失主要表現(xiàn)出環(huán)北京及環(huán)渤海為中心的聚集式特征，且東部流失的熱度比西部高，南部比北部高。

(5)社會經(jīng)濟(jì)、政策因素對耕地利用的影響力呈現(xiàn)出上升趨勢，而自然因素的影響力呈下降趨勢。

(6)建議北京市減緩城鎮(zhèn)擴(kuò)張的速度，注重耕地保護(hù)和環(huán)境品質(zhì)的提升，天津市加快城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，合理安排各土地利用類型的比例，加強對耕地和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，而河北省則應(yīng)該加強城鎮(zhèn)化建設(shè)，承接北京、天津市轉(zhuǎn)移的產(chǎn)業(yè)鏈，積極融入京津冀一體化發(fā)展進(jìn)程。