湘江流域耕地斑塊時(shí)空變化及影響因素分析

周雅金 胡欣婕

摘 要：耕地是變化最為頻繁、最為重要的土地利用類型，具有特殊的社會(huì)意義。以湘江流域湖南段為研究區(qū)域，基于1980—2018年8期遙感影像解譯的土地利用數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)耕地流出與流入斑塊進(jìn)行流域時(shí)空分布的對(duì)比分析，并采用GWR模型進(jìn)一步分析耕地流出與流入的影響因素。結(jié)果表明：1980—2018年，耕地面積不斷減少，近期面積驟減，城鄉(xiāng)耕地凈變化率差距日益顯著。在流域空間分布上，耕地流出與流入斑塊面積加權(quán)平均中心和標(biāo)準(zhǔn)差橢圓經(jīng)歷了“擬合-錯(cuò)開-擬合”的變化。高程、坡度和城鎮(zhèn)在不同區(qū)域?qū)Ω亓鞒鲎饔梅较蚝痛笮【哂忻黠@差別，距離穩(wěn)定耕地越遠(yuǎn)，耕地流出概率越大。耕地流入與穩(wěn)定耕地呈顯著正相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：耕地變化;空間格局;耕地圖斑;湘江流域

中圖分類號(hào) F323.211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）05-0141-06

耕地具有生態(tài)、農(nóng)業(yè)、景觀、土地利用等多種功能，隨著社會(huì)生產(chǎn)力水平的快速提高，耕地利用比較優(yōu)勢逐漸低迷，耕地向建設(shè)用地、林地、草地等地類轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生[1]。我國歷來高度重視耕地保護(hù)，1998年耕地占補(bǔ)平衡政策正式入冊(cè)《中華人民共和國土地管理法》，2012年原國土資源部發(fā)布的《關(guān)于提升耕地保護(hù)水平全面加強(qiáng)耕地質(zhì)量建設(shè)與管理的通知》標(biāo)志著我國耕地保護(hù)正式進(jìn)入數(shù)量管控、質(zhì)量管理和生態(tài)管護(hù)“三位一體”階段[2]。一連串耕地保護(hù)政策的實(shí)施，有效地遏制了耕地資源加速流失的勢頭。

2005年，土地利用/覆被變化成為人類活動(dòng)對(duì)全球變化影響研究的核心內(nèi)容，土地利用/覆被變化監(jiān)測和模擬的研究熱度逐漸白熱化。耕地是我國最為重要的土地利用類型和土地利用變化最為敏感的土地利用類型[3]，國內(nèi)學(xué)者歷來關(guān)注耕地利用變化研究，學(xué)者們從耕地質(zhì)量和產(chǎn)能、耕地集約利用與規(guī)模經(jīng)營[4-6]、耕地空間格局、耕地變化趨勢及驅(qū)動(dòng)因素研究[7-8]、耕地變化模擬、耕地利用轉(zhuǎn)型[9]、生態(tài)響應(yīng)[10]、耕地保護(hù)政策制度與管理方法等多方面進(jìn)行了大量研究，成果頗豐。耕地時(shí)空格局研究通常以遙感解譯的多年土地利用柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以數(shù)量、質(zhì)量、景觀格局指標(biāo)[11]等描述耕地利用空間形態(tài)，同時(shí)，結(jié)合地圖法、緩沖區(qū)分析、圖譜法[12]等對(duì)耕地利用的空間分布特征進(jìn)行可視化[13]。目前，耕地空間格局研究尚存在如下不足：（1）已有成果多是以特殊自然區(qū)域、重要糧食產(chǎn)區(qū)的單一尺度研究為依托，流域內(nèi)多尺度耕地變化空間特征研究尚不充分。然而隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)和山水林田湖草生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施，優(yōu)化流域內(nèi)耕地空間布局將成為必然需求;（2）現(xiàn)有研究多將研究區(qū)域內(nèi)全部耕地作為研究對(duì)象，未能精細(xì)把握研究區(qū)耕地變化方向。

因此，研究對(duì)比分析湘江流域耕地流入與流出斑塊在流域內(nèi)的空間分布差異，以1km×1km漁網(wǎng)創(chuàng)建樣本單元，統(tǒng)計(jì)各單元耕地變化量、變動(dòng)耕地的高程、坡度、水源距離、城鄉(xiāng)距離、成片率等屬性形成面板數(shù)據(jù)，探討影響耕地變化的主導(dǎo)因素。以期精準(zhǔn)掌握湘江流域耕地變化方向，為湘江流域耕地保護(hù)與流域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究的湘江流域與《湘江流域科學(xué)發(fā)展總體規(guī)劃》規(guī)劃范圍一致，涉及湖南境內(nèi)的長沙、湘潭、株洲、衡陽、郴州等9市70個(gè)縣市區(qū)。2018年，湘江流域耕地面積占全省耕地的51.18%，糧食產(chǎn)量占全省的55.56%，人口占全省的58.87%，GDP占全省的69.44%。湘江流域是湖南省人口密度最大、城市化水平最高、土地利用變化最頻繁的區(qū)域，也是湖南省新型城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的集中區(qū)和引領(lǐng)區(qū)。在此背景下，深入湘江流域耕地分布變化研究，精準(zhǔn)把握耕地分布的變化方向，對(duì)湘江流域耕地保護(hù)與流域生態(tài)穩(wěn)定意義重大。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源 本研究所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有：（1）湘江流域1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2018年八期土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，精度均為30m×30m，土地利用數(shù)據(jù)以土地覆被特征作為識(shí)別土地利用類型的主要依據(jù)。（2）2017年行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/）。

2.2 研究方法

2.2.1 耕地凈變化率 耕地凈變化率指研究時(shí)段內(nèi)耕地凈變化量占研究期初耕地總量的比例，這項(xiàng)指標(biāo)可以直觀反映耕地凈流入或凈流失的幅度。計(jì)算公式為：

式中：[V]表示耕地凈變化動(dòng)態(tài)度，[Sb]表示研究時(shí)段內(nèi)耕地流入面積，[Sa]表示研究時(shí)段內(nèi)耕地流出面積，[S]表示研究期初耕地總面積，[T]為研究時(shí)段年數(shù)。

2.2.2 面積加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓 標(biāo)準(zhǔn)差橢圓是度量一組要素中心趨勢、分布方向和離散程度的重要手段。面積加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓（AWSDE）以面積權(quán)重作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的重要參數(shù)，其計(jì)算方法如下：

2.2.3 面積加權(quán)平均中心 面積加權(quán)平均中心（AWAC）延伸自平均中心，在其基礎(chǔ)上乘以各斑塊面積權(quán)重獲得結(jié)果，可以用于識(shí)別一組要素的地理中心。面積加權(quán)平均中心計(jì)算方法如下：

2.2.4 地理加權(quán)回歸模型 考慮到地理要素的空間異質(zhì)性，各區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件不同，地理要素對(duì)某一事物的作用效果也不一樣，地理加權(quán)回歸模型（GWR）將地理要素空間位置參數(shù)納入傳統(tǒng)回歸模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地流出與流入面積的變化情況 1980—2018年湘江流域耕地面積持續(xù)減少，耕地流出面積與耕地流入面積波動(dòng)增長，耕地凈變化率近期大幅減少。2015—2018年耕地流出面積、耕地流入面積、耕地凈減少面積達(dá)到研究時(shí)段內(nèi)最高值。由于東江湖水庫和歐陽海水庫面積擴(kuò)大占用大量耕地，1980—1990年和1990—1995年耕地流出面積遠(yuǎn)大于1995—2000年。2005—2010年耕地流出面積較少，無耕地流入情況。

如圖1所示，1980—2018年耕地流出面積不斷增加，2015—2018是湘江流域耕地流出與流入量最多的時(shí)段。絕大多數(shù)區(qū)縣在2015—2018年耕地流出面積達(dá)到1980年來的峰值，但由于東江湖水庫、歐陽海水庫擴(kuò)容和退垸還湖，資興縣、桂陽縣和湘陰縣在1980—1990年和1990—1995年耕地減少面積達(dá)到其峰值。

3.2 耕地流入與流出時(shí)空分布特征

3.2.1 耕地凈變化率 如圖2所示，1980年湘江流域中部區(qū)縣還能保持耕地面積不減少或小幅度凈流入，自1990年始，湘江流域中部經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的區(qū)縣便很少能實(shí)現(xiàn)耕地面積不減少，且耕地凈流出幅度逐漸增加。自2000年始湘江流域全面進(jìn)入各區(qū)縣耕地凈流出的局面。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)用地需求劇增的壓力下，長沙都市圈及其他地級(jí)市市區(qū)耕地面積從2010年開始大幅減少，且本行政區(qū)耕地后備資源逐漸難以實(shí)現(xiàn)耕地占補(bǔ)平衡，進(jìn)而將本行政補(bǔ)充耕地壓力轉(zhuǎn)移到周邊行政區(qū)，2010—2018年城鄉(xiāng)耕地凈變化率差距逐漸明顯。

3.2.2 面積加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓 從圖3可以看出，1980—2018年2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓歷經(jīng)了逐漸錯(cuò)開再到逐漸擬合的過程，說明湘江流域耕地流出與流入分布自1990—1995年始逐步失調(diào)，近期逐漸協(xié)調(diào)，2010—2018年“占補(bǔ)平衡”耕地保護(hù)成效逐漸顯現(xiàn)。具體來看，耕地流出標(biāo)準(zhǔn)差橢圓東西、南北向跨度且位置變化不大。耕地流入標(biāo)準(zhǔn)差橢圓東西、南北跨度且位置變化較大，東西跨度始終大于耕地流出。說明湘江流域耕地流入斑塊分布不穩(wěn)定，且更傾向于分布在湘江東西兩頭產(chǎn)流區(qū)，而耕地流出斑塊則更傾向集中于湘江及其支流的匯流區(qū)。

3.2.3 耕地面積加權(quán)平均中心 由圖3可知相較于1980年，2018年耕地流出與流入面積加權(quán)平均中心的總體變化均呈現(xiàn)出往西北方向移動(dòng)，1980—2018年兩平均中心經(jīng)歷逐漸分離再逐步靠攏的過程，2015—2018年耕地流出與流入平均中心距離達(dá)到1990年以來最小。具體來說，耕地流出平均中心經(jīng)歷了向南向北再向南移動(dòng)的過程;耕地流入平均中心則經(jīng)歷了向南再向北的變化過程。

3.3 耕地變動(dòng)影響因素 耕地流入和流出是社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與自然環(huán)境權(quán)衡的結(jié)果。從自然環(huán)境來看，坡度、高程、土壤等是影響耕地質(zhì)量和產(chǎn)出的重要因子，因此坡度、高程是新增耕地和退出耕地選址的重要影響因子。從區(qū)位因素來看，建設(shè)占用、撂荒棄耕是耕地流出的主要原因，距離城鎮(zhèn)距離越近，耕地被占用的可能性更大;距離城鎮(zhèn)距離太遠(yuǎn)，耕地則很大可能被撂荒。與水源距離則影響耕地能否得到灌溉。耕地成片能更好地發(fā)揮規(guī)模效益，在已有耕地旁邊新增耕地也能共享已有農(nóng)用設(shè)施，減少投入成本。

因此，創(chuàng)建10km×10km漁網(wǎng)，從自然和區(qū)位因素等方面出發(fā)，選取如表3的因素進(jìn)行分析。首先采用OLS進(jìn)行全局回歸，用Koenker（BP）測試因變量和自變量的關(guān)系在全域是否一致。進(jìn)而確定是否構(gòu)建地理加權(quán)回歸模型，分析以下因素對(duì)各區(qū)域耕地流出與流入的作用方向和影響程度大小。

3.3.1 最小二乘法回歸（OLS）采用極值法進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，運(yùn)用最小二乘法（OLS）進(jìn)行綜合因子分析，采用方差膨脹因子法對(duì)變量進(jìn)行共線性診斷，各變量VIF均小于7.5，表示變量之間不存在嚴(yán)重共線性問題。由表4可知：耕地流出與坡度、城鎮(zhèn)距離具有顯著負(fù)相關(guān)，與穩(wěn)定耕地距離具有顯著正相關(guān)，且Koenker（BP）小于0.05，說明耕地流出OLS模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著不穩(wěn)定性，適合進(jìn)一步地理加權(quán)回歸分析。耕地流入與穩(wěn)定耕地距離具有顯著正相關(guān)，且Koenker（BP）不顯著。

3.3.2 地理加權(quán)回歸分析（GWR）由于耕地流出OLS模型具有顯著異方差性，因此對(duì)耕地流出進(jìn)一步進(jìn)行地理加權(quán)回歸分析。擬合優(yōu)度指標(biāo)AICc顯示GWR模型擬合效果優(yōu)于OLS模型，且同一自變量的擬合系數(shù)在各區(qū)域是不同的，具體見表5和圖4。耕地流出GWR模型顯示在不同區(qū)域，高程、坡度、水源、城鎮(zhèn)對(duì)耕地流出的影響方向與影響大小具有明顯差距。穩(wěn)定耕地對(duì)耕地流出的影響方向主要為正向。其中，與穩(wěn)定耕地距離對(duì)耕地流出的影響最大，距離越遠(yuǎn)，流出概率越大。在長株潭地區(qū)，高程和坡度越小，耕地流出面積越大，而在山區(qū)，高程和坡度越小耕地流出面積越大。對(duì)于水源因素來說，在長株潭和興建水庫區(qū)域，距離水源越近，耕地流出面積越大。在流域中部區(qū)域，距離城鎮(zhèn)越近，耕地流出面積越大，距離越遠(yuǎn)，在長株潭和流域東西南三面則是距離越遠(yuǎn)，流出面積越大。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論 本研究以湘江流域變動(dòng)耕地為對(duì)象，分析了研究區(qū)域耕地流出與流入的時(shí)空分布特征，并探討了高程、坡度、水源、城鎮(zhèn)、穩(wěn)定耕地對(duì)耕地流出與流入的影響，得出如下結(jié)論：

（1）1980—2018年，湘江流域耕地減速加快，2015—2018年是耕地流出與流入面積最多的時(shí)段，補(bǔ)充耕地壓力不斷增大，耕地凈變化率城鄉(xiāng)差距逐漸明顯。在整個(gè)流域空間分布上，耕地流出較流入南北分布特征更明顯，耕地流出與流入空間分布和重心經(jīng)歷了“擬合-錯(cuò)開-擬合”的變化。

（2）高程、坡度、水源、城鎮(zhèn)、穩(wěn)定耕地對(duì)耕地流出的影響方向與大小具有顯著空間異質(zhì)性。穩(wěn)定耕地的作用方向主要為正向，即距離穩(wěn)定耕地越遠(yuǎn)的耕地流出概率越大。高程、坡度、水源、城鎮(zhèn)、穩(wěn)定耕地對(duì)耕地流入的影響不具有顯著空間異質(zhì)性，距穩(wěn)定耕地距離與耕地流入具有顯著正向相關(guān)性。

4.2 討論 為優(yōu)化湘江流域耕地空間分布格局，保障流域生態(tài)安全，協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)建設(shè)和耕地保護(hù)之間的關(guān)系，基于本文的研究提出以下幾點(diǎn)建議：（1）湘江流域耕地保護(hù)工作成效顯現(xiàn)，仍需保持，盡量縮小補(bǔ)充和占用耕地在源頭產(chǎn)流區(qū)和匯流區(qū)的分布差異。（2）注意海拔低、坡度小自然條件優(yōu)良耕地的保護(hù)，逐步退出高海拔、大坡度的耕地;修建小型水利，保障遠(yuǎn)水源補(bǔ)充耕地的灌溉設(shè)施和灌溉用水;加強(qiáng)土地整治補(bǔ)充耕地，在穩(wěn)定耕地旁邊補(bǔ)充耕地，形成耕地連片，發(fā)揮規(guī)模效益和提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化率。

另外，本研究仍然存在一定程度的局限性，這也是進(jìn)一步研究的方向。一是本文對(duì)變動(dòng)耕地分布格局的成因缺少經(jīng)濟(jì)和政策方面的思考;二是對(duì)耕地流入與流出空間分布不平衡的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響未進(jìn)行深入的探討。

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（責(zé)編：張宏民）