長春市建設(shè)用地擴(kuò)張對耕地資源的影響

古麗娜爾·索爾達(dá)汗，李曉燕，石振宇，邢梓涵，吳海濤

（1吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春 130012；2中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102；3內(nèi)蒙古自治區(qū)拐子湖氣象站，內(nèi)蒙古阿拉善盟 735408）

0 引言

黑土是世界上寶貴的土壤資源之一，其土體深厚、腐殖質(zhì)含量豐富、保水性強(qiáng)、肥力高，是最適宜農(nóng)耕和最具生產(chǎn)潛力的土壤[1]。東北黑土地區(qū)是中國重要的商品糧生產(chǎn)基地，對于維護(hù)國家糧食安全和區(qū)域生態(tài)安全具有舉足輕重的地位。耕地土壤數(shù)量和質(zhì)量的變化不僅影響農(nóng)作物產(chǎn)量，而且影響中國的糧食安全[2]。城市化是社會經(jīng)濟(jì)進(jìn)步引領(lǐng)的必然趨勢，被認(rèn)為是建設(shè)用地擴(kuò)張的過程[3]。中國城市化率從1978年的17.82%提升到了2019年年底的60.6%，提前實現(xiàn)了《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020)》中，到2020年的“常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá)到60%左右”的目標(biāo)[4]。快速城市化在推動工業(yè)化、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會轉(zhuǎn)型發(fā)展等方面做出了突出貢獻(xiàn)，但同時城市化的無序發(fā)展導(dǎo)致建設(shè)用地擴(kuò)張占用大量耕地[5-6]，對耕地數(shù)量、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響。未來，隨著城市化的進(jìn)一步推進(jìn)，建設(shè)用地占用耕地的趨勢還將繼續(xù)[7-8]。國內(nèi)外利用GIS、遙感技術(shù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)對城市化過程對耕地的影響做了大量的研究，主要集中在建設(shè)用地與耕地時空變化分析、耕地-建設(shè)用地轉(zhuǎn)型驅(qū)動與優(yōu)化配置、建設(shè)用地占用耕地的效率研究方面[9-17]。區(qū)域上集中于中東部城市，而對于東北地區(qū)的研究相對較少。

長春市是吉林省經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市擴(kuò)張的核心區(qū)域，同時，該區(qū)域是黑土資源的典型分布區(qū)，建設(shè)用地利用效率的提高與耕地保護(hù)的協(xié)調(diào)對區(qū)域可持續(xù)性發(fā)展具有重要的意義[18]。本研究基于GIS和遙感，利用面向?qū)ο?決策樹分類方法提取研究區(qū)2005年和2019年土地利用數(shù)據(jù)，對長春市區(qū)建設(shè)用地及耕地的時空變化、建設(shè)用地占用耕地的數(shù)量和分布情況以及建設(shè)用地對耕地質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了分析。研究結(jié)果可為長春市區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張規(guī)劃、為實現(xiàn)建設(shè)用地與耕地動態(tài)平衡提供數(shù)據(jù)支撐與決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長春市位于松遼平原腹地，吉林省中北部，位于124°18'—127°02'E 和 43°05'—45°15'N 之間，高程在70～700 m之間，地形以臺地、平原為主，是典型黑土的集中分布區(qū)。該區(qū)域年均氣溫4.8℃，年均降水量560 mm，平均日照時間2688 h。流經(jīng)長春市的主要河流有松花江、飲馬河等。長春市下轄7區(qū)、3縣（市）、4個國家級開發(fā)區(qū)。本文根據(jù)研究需要將長春市轄區(qū)劃分為長春市中心城區(qū)、雙陽區(qū)和九臺區(qū)3個研究單元。研究區(qū)總面積7293 km2，總?cè)丝?45.08萬人，其中城鎮(zhèn)人口318.84萬人，鄉(xiāng)村人口126.24萬人。自東北老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略實施以來，長春市城市化進(jìn)程高速推進(jìn)，建設(shè)用地面積的增加對耕地及其生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了顯著的影響。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于Landsat TM/OLI影像解譯。分別下載覆蓋研究區(qū)范圍的2005年Landsat TM影像4景，2019年Landsat OLI影像4景(http://www.gscloud.cn/)，經(jīng)大氣校正、幾何校正、增強(qiáng)、鑲嵌和裁剪，獲得研究區(qū)影像數(shù)據(jù)。參照《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010—2007)中土地利用分類，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、濕地、建設(shè)用地和其他用地類型6類?；趀 Cognition軟件采用面向?qū)ο?決策樹分類方法對影像進(jìn)行分類，并采用隨機(jī)生成的188個驗證點，在Google Earth軟件平臺進(jìn)行精度驗證，兩期解譯數(shù)據(jù)的Kappa系數(shù)均在0.85以上，可用于應(yīng)用分析。DEM數(shù)據(jù)(30 m)為ASTER GDEMV2數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，經(jīng)過鑲嵌和裁剪，獲得研究區(qū)高程數(shù)據(jù)。采樣點數(shù)據(jù)來源于吉林省耕地地力評價數(shù)據(jù)，每10平方公里在耕地表層(20 cm)采集一個樣點，共采樣338個（圖1）。每個樣點采5個樣混合后經(jīng)四分法取一部分樣品經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎、過2 mm篩后依據(jù)土壤農(nóng)化分析方法進(jìn)行相關(guān)測試分析[19]。本次耕地地力評價的測定指標(biāo)包括土壤容重、陽離子交換量、土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鐵和有效鋅。

圖1 研究區(qū)位置與采樣點分布圖

1.3 研究方法

1.3.1 土地類型轉(zhuǎn)換研究 土地類型的變化表現(xiàn)為不同土地類型之間的相互轉(zhuǎn)換[20]，反映各土地類型轉(zhuǎn)移方向及其轉(zhuǎn)移面積。研究基于ArcGIS10.6疊加分析并對其屬性進(jìn)行交叉表查詢構(gòu)建土地類型轉(zhuǎn)移矩陣。

1.3.2 耕地質(zhì)量評價 采用應(yīng)用廣泛的綜合質(zhì)量指數(shù)法對耕層土壤質(zhì)量進(jìn)行了評價，公式如(1)所示。

式中：ωi為確定的指標(biāo)權(quán)重，si為指標(biāo)因子線性得分值，n為指標(biāo)個數(shù)。已有研究表明，非線性指標(biāo)構(gòu)建的綜合質(zhì)量指數(shù)法較線性指標(biāo)可以更有效地反映土壤的質(zhì)量情況[21]，研究中對12個有土壤理化指標(biāo)根據(jù)非線性標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后獲得指標(biāo)因子的得分值，指標(biāo)權(quán)重由主成分分析獲得的指標(biāo)公因子方差所占比例確定[22]。

表1 景觀格局指數(shù)

1.3.3 景觀格局指數(shù) 景觀格局指數(shù)可以定量反映景觀類型結(jié)構(gòu)組成與空間分布的特征和景觀格局的時空變化[23]，結(jié)合前人研究成果及長春市土地利用變化特征，本文的景觀指標(biāo)主要選取了最大斑塊占總面積比例(LPI)、景觀形狀指標(biāo)(LSI)、斑塊結(jié)合度(COHESION)、面積加權(quán)平均形狀指標(biāo)(AWMSI)、分離度(SPLIT)和聚集度(AI)6個指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 建設(shè)用地及耕地時空變化特征

2005—2019年間，研究區(qū)建設(shè)用地面積從91149.08 hm2增加到112312.38 hm2，增加面積為21163.30 hm2，增長率為23.22%；耕地面積從463255.58 hm2減少到444243.77 hm2，減少面積為19011.81 hm2，減少率為4.10%（表2），中心城區(qū)土地類型變化最顯著，建設(shè)用地增加了13505.89 hm2，占整個研究區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張面積的63.82%；空間上，以原有城區(qū)為主向西南、東南和東北方向擴(kuò)張（圖2）；耕地面積減少了11621.66 hm2，占研究區(qū)耕地減少總面積的61.13%。雙陽區(qū)和九臺區(qū)的建設(shè)用地分別增加了3922.54、3734.87 hm2，占建設(shè)用地增加總面積的18.53%和17.65%；耕地減少面積分別為3878.44、3511.72 hm2，占耕地減少總面積的20.40%和18.47%，均顯著小于中心城區(qū)。2005—2019年期間，長春市受“東北地區(qū)振興規(guī)劃”以及“新東北現(xiàn)象”[24]的影響，人口、經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的發(fā)展發(fā)生了波動性的變化[25]，大量的政府投資被用于改善東北地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，使長春市建設(shè)用地快速發(fā)展。隨著產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，開發(fā)區(qū)建設(shè)及交通設(shè)施的完善，中心城區(qū)與周邊城鎮(zhèn)逐步一體化，外延式城市擴(kuò)張模式導(dǎo)致建設(shè)用地擴(kuò)張進(jìn)程中占用了周邊大量的耕地。此外，非農(nóng)業(yè)人口的增長也被認(rèn)為是建設(shè)用地擴(kuò)展的推動因素之一[26]，盡管人口外流以及低自然增長，長春市城鎮(zhèn)人口仍然緩慢增長。隨著城市化進(jìn)程，中心城區(qū)周邊的城鎮(zhèn)務(wù)農(nóng)人員流入城市，導(dǎo)致城市人口增多，這必然增加對建設(shè)用地的需求。

圖2 2005年(a)、2019年(b)長春市土地利用類型空間分布圖

表2 長春市區(qū)建設(shè)用地和耕地面積變化統(tǒng)計

2.2 建設(shè)用地擴(kuò)張對耕地數(shù)量的影響

采用ArcGIS10.6空間疊置和空間分析方法，獲得2005—2019年期間長春市土地類型轉(zhuǎn)換矩陣（表3）。由表3可知，研究區(qū)有18170.84 hm2耕地流入建設(shè)用地，占耕地總流失面積的94.20%，建設(shè)用地增加面積的85.33%來自于耕地，可知建設(shè)用地擴(kuò)張是導(dǎo)致該區(qū)域耕地資源流失的最主要原因。其中中心城區(qū)有11242.37 hm2耕地轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地，占耕地總流出量的96.43%，該區(qū)建設(shè)用地增加面積中有83.11%由耕地轉(zhuǎn)變而來；雙陽區(qū)有3724.35 hm2耕地流向建設(shè)用地，占該區(qū)耕地流出總量的94.70%，建設(shè)用地流入總量中94.95%來自于耕地；九臺區(qū)有3204.13 hm2耕地被建設(shè)用地占用，占該耕地流出總量的86.62%，建設(shè)用地流入總量中有83.33%來自于耕地。對比3個區(qū)發(fā)現(xiàn)，中心城區(qū)建設(shè)用地占用耕地面積最多，占整個研究區(qū)域的61.87%。

表3 2005—2019年長春市區(qū)土地類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

2.3 建設(shè)用地擴(kuò)張對耕地格局的影響

建設(shè)用地擴(kuò)張對耕地的侵占與破壞，使區(qū)域景觀格局發(fā)生了顯著的變化。由表4可知，耕地的景觀優(yōu)勢度變?nèi)酰奂葴p小，景觀形狀指數(shù)和分離度增大，說明其形狀呈逐漸破碎化，由聚集變分散的趨勢，面積加權(quán)平均形狀指數(shù)減小，說明利用效率增大；建設(shè)用地景觀優(yōu)勢度增強(qiáng)，景觀形狀指數(shù)和分離度減小，聚集度和斑塊結(jié)合度增大，表明其形狀逐漸變規(guī)整，聚集程度變高。由以上分析可知，研究區(qū)內(nèi)耕地和建設(shè)用地景觀格局變化趨勢較明顯，新增的建設(shè)用地與周邊的耕地相間分布，導(dǎo)致耕地景觀格局出現(xiàn)一定程度的破碎化，建設(shè)用地則表現(xiàn)出聚集傾向。

表4 2005—2019年長春市黑土區(qū)景觀格局指數(shù)

2.4 建設(shè)用地擴(kuò)張對耕地質(zhì)量的影響

采用綜合質(zhì)量指數(shù)法對研究區(qū)耕地土壤質(zhì)量進(jìn)行了評價[27]，得到2005年長春市耕地質(zhì)量分級圖（圖3）。土壤評價結(jié)果分為5級，土壤質(zhì)量指數(shù)越高，土壤質(zhì)量越好（表5）。由表5可知，Ⅰ級土壤占總面積的14.35%，主要分布在西部臺地平原和東部低山丘陵的交界處；Ⅱ級土壤占總面積的24.58%，集中分布在中心城區(qū)。研究區(qū)面積最大的土壤為Ⅲ級土壤，占總面積的34.26%，分布在中部以及東南部。Ⅳ級土壤占比為17.14%，基本上分布在東北部九臺區(qū)。Ⅴ級土壤占比為9.68%，沿著Ⅳ級土壤向東延伸?？傮w來說，研究區(qū)耕地土壤質(zhì)量較高，以Ⅰ～Ⅲ級土壤為主，占比為73.19%。從各研究單元平均土壤質(zhì)量來看，中心城區(qū)土壤質(zhì)量最高，評價指數(shù)平均值為0.49，雙陽區(qū)和九臺區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)平均值分別為0.39、0.44。

圖3 長春市區(qū)耕地質(zhì)量等級圖(a)及建設(shè)用地占用耕地質(zhì)量分級圖(b)

表5 土壤質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)及長春市區(qū)耕地質(zhì)量分級統(tǒng)計

從建設(shè)用地占用耕地情況來看，建設(shè)用地擴(kuò)張主要占用土壤質(zhì)量為Ⅰ～Ⅲ級的耕地，其中Ⅱ級土壤面積最多，為6588.45 hm2，占總面積的36.26%。由表6可知，中心城區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張占用的全部為Ⅰ～Ⅳ級的耕地，其中Ⅰ～Ⅲ級耕地占中心城區(qū)建設(shè)用地占用耕地面積的總比例高達(dá)94.74%；雙陽區(qū)和九臺區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張占用面積最大的耕地級別為Ⅳ級，占比分別為69.15%、39.35%。因為平原地區(qū)地形平坦，土壤肥沃，便于農(nóng)耕，且有利于交通聯(lián)系和節(jié)省建筑投資，是人口集中分布地區(qū)，也是城市發(fā)育的理想環(huán)境[28-29]。長春市位于黑土集中分布區(qū)，耕地質(zhì)量較高，以蔓延方式擴(kuò)張的城市化過程中，占用的均為優(yōu)質(zhì)耕地，對耕地的壓力和糧食安全的影響逐漸增強(qiáng)[30,31]，使城市發(fā)展與黑土地保護(hù)矛盾突出。

表6 長春市建設(shè)用地占用不同質(zhì)量耕地面積統(tǒng)計

3 結(jié)論

在快速城市化階段，長春市建設(shè)用地蔓延式擴(kuò)張不斷蠶食耕地，對耕地數(shù)量、格局及質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響。實現(xiàn)建設(shè)用地擴(kuò)張需求與耕地保護(hù)之間的動態(tài)平衡是自然、經(jīng)濟(jì)與城市持續(xù)發(fā)展的基本保障，深入分析長春市區(qū)建設(shè)用地及耕地的變化特征和建設(shè)用地擴(kuò)張對耕地的影響有助于了解土地利用格局發(fā)展趨勢，合理規(guī)劃用地布局。研究結(jié)果表明：（1）從數(shù)量變化來看，長春市區(qū)建設(shè)用地迅速擴(kuò)張，而耕地面積則大幅減少。長春市建設(shè)用地擴(kuò)張主要集中在中心城區(qū)。從空間分布來看，建設(shè)用地呈團(tuán)塊狀及散點狀分布，其中中心城區(qū)因受集中產(chǎn)業(yè)布局“西南”和“東北”兩翼影響，呈現(xiàn)西南-東北軸向發(fā)展形態(tài)。因受“撤縣改區(qū)”政策、長吉一體化都市區(qū)帶動發(fā)展及中心城區(qū)發(fā)展的影響，九臺區(qū)和雙陽區(qū)建設(shè)用地沿主要交通線向主城區(qū)方向擴(kuò)張，呈片狀及散點狀發(fā)展趨勢；（2）新增的建設(shè)用地在已有建設(shè)用地周邊開發(fā)，城郊耕地部分被新增建設(shè)用地替換，呈現(xiàn)建設(shè)用地與耕地交替分布現(xiàn)象，導(dǎo)致耕地的景觀破碎度提高；（3）2005—2019年期間，耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換是長春市區(qū)最顯著的土地類型變化形式，轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地的耕地大部分都是優(yōu)質(zhì)耕地。

4 討論

2000年以來受國家東北老工業(yè)基地振興政策的影響，長春市城市化發(fā)展加速推進(jìn)，開發(fā)區(qū)建設(shè)及城市“多中心分散組團(tuán)”空間形態(tài)的發(fā)展，交通設(shè)施的進(jìn)步，推動了城市空間擴(kuò)張。由于蔓延式城市擴(kuò)張，耕地作為與建設(shè)用地鄰接度最高的土地類型，新增的建設(shè)用地優(yōu)先占用周圍的耕地，研究中耕地對建設(shè)用地擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率達(dá)到了85.33%，這與其他地區(qū)相關(guān)研究結(jié)果是一致的[32-33]。景觀類型和土地覆被結(jié)構(gòu)的改變是造成區(qū)域景觀破碎化的直接原因[34]，其中最顯著的變化是景觀破碎化增加，城郊建設(shè)用地擴(kuò)張是導(dǎo)致耕地景觀破碎化增加的主要因素[35]。耕地破碎化程度越高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營方式越為粗放，生產(chǎn)效率越低[36]。但同時建設(shè)用地的增加致使高度城市化區(qū)域的景觀同質(zhì)化，使市區(qū)景觀破碎化出現(xiàn)減小趨勢[37]。長春市區(qū)土壤質(zhì)量普遍較高，建設(shè)用地擴(kuò)張主要占用優(yōu)質(zhì)耕地，對區(qū)域糧食安全產(chǎn)生了重要影響，如何平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展和黑土地保護(hù)是區(qū)域發(fā)展過程中面臨的重要問題。研究從數(shù)量、景觀格局及質(zhì)量3個方面對建設(shè)用地擴(kuò)張對耕地的影響進(jìn)行了探索，該研究對保障建設(shè)用地需求，同時增強(qiáng)對黑土區(qū)耕地質(zhì)量、數(shù)量和生態(tài)“三位一體”保護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。