基于GIS的南華縣耕地時空變化特征及其驅(qū)動力研究

許永濤，李鵬艷，李冬梅，李紅英

（1.楚雄師范學(xué)院 資源環(huán)境與化學(xué)學(xué)院，云南 楚雄 675000；2.云南省地礦測繪院，云南 昆明 650500）

土地是在自然界發(fā)展過程中逐漸由最基本生態(tài)環(huán)境要素轉(zhuǎn)化為一種可以為人類利用的物質(zhì)［1］。人地關(guān)系矛盾的加深也就意味著糧食安全遭到了威脅，各個國家對糧食安全問題也投入了大量的精力。耕地的變化和轉(zhuǎn)換方式反映了社會發(fā)展的基本態(tài)勢［2］。中國雖然制定了耕地紅線來保護耕地，但是，我國經(jīng)濟快速發(fā)展階段的耕地非農(nóng)化趨勢尚未發(fā)生逆轉(zhuǎn)。各國學(xué)者、專家紛紛開始關(guān)注土地問題，外國學(xué)者率先對耕地與草地的轉(zhuǎn)化以及城市發(fā)展中失去的農(nóng)田所需要的替代土地類型開展研究。國內(nèi)學(xué)者李秀彬在耕地問題利用變化主題的研究中，旨在解決人類社會發(fā)展中的掣肘［3］。在土地利用的各類研究分支中，耕地面積的變化研究是學(xué)術(shù)研究的重中之重［4］。早期的耕地研究由于受相關(guān)政策的影響，主要集中在耕地的保護與相應(yīng)政策的聯(lián)系方面［5］。在中國經(jīng)濟不斷發(fā)展的時代背景下，耕地供需矛盾越來越尖銳，中國許多學(xué)者把目光投向了驅(qū)動力方面，開始對耕地的驅(qū)動力因子進行了分析。比如廣東省耕地的變化與經(jīng)濟和社會發(fā)展的關(guān)系［6－8］，許月卿等對河北省耕地資源的變化和影響因素進行了研究，并提出了相應(yīng)的保護對策［9－10］。由于城市化進程加快，耕地的數(shù)量和質(zhì)量不斷下降，也引發(fā)了一系列的社會問題，在傳統(tǒng)的耕地利用方式的影響下，南華縣耕地面積越來越少，耕地的利用方式成為研究重點。如徐夢潔等提出了耕地可持續(xù)利用的三大評價體系，并在研究中更加重視生態(tài)指標(biāo)的影響［11］。隨著人地矛盾的加深，關(guān)于耕地的利用方式研究將會越來越重要。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 南華縣概況南華縣地處滇中高原的西部，地勢西北高，東南低，中部和東部起伏較為和緩，地形復(fù)雜?？h域橫距64.6 km，縱距71.7 km，面積2343 km2?？h域輪廓像一彎月亮，東南連楚雄市，北毗祥云縣與姚安縣，是川、滇交通要道，素有“九府通衢”的美譽，是茶馬古道上的商貿(mào)重鎮(zhèn)，歷來商賈云集。南華縣地勢陡峭，可利用耕地較少，由于氣候原因一年只能耕作兩次，對土地的利用率較低，所以耕地的可持續(xù)發(fā)展就顯得尤為重要［12］。南華縣耕地資源隨著城市化進程的加快在逐步減少，人口劇增隨之而來的是耕地數(shù)量和質(zhì)量的大幅度下降。目前，南華縣發(fā)展日益繁榮，城鎮(zhèn)居民數(shù)量不斷增加，對土地的開發(fā)利用需求持續(xù)增大，人地關(guān)系矛盾突出，人口劇增隨之而來的是耕地數(shù)量和質(zhì)量的大幅度下降。大量的耕地被轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，未轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的耕地質(zhì)量不高，對糧食安全造成了一定的影響。

1.2 研究方法收集、整理研究區(qū)近五年來的有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。查閱相關(guān)文獻和資料，掌握耕地動態(tài)變化的研究動向，結(jié)合南華縣耕地變化情況，得出南華縣耕地變化的驅(qū)動因子，提出相應(yīng)的措施。采用RS軟件中的最大似然法解譯南華縣耕地數(shù)據(jù)，再采用GIS軟件中的疊加分析法，分析近五年南華縣的耕地數(shù)據(jù)，獲取2015年、2017年、2019年南華縣土地利用動態(tài)變化數(shù)據(jù)，從而得出2015～2017年、2017～2019年耕地時空變化信息。運用SPSS軟件對南華縣耕地數(shù)據(jù)進行主成分分析，對2015～2019年南華縣耕地面積變化的因子進行分析研究。

本文對耕地的遙感影像解譯采用地理空間數(shù)據(jù)云的數(shù)據(jù)，耕地數(shù)據(jù)核對以及國民經(jīng)濟、人口社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)則來自2015～2019年云南省統(tǒng)計年鑒、南華縣統(tǒng)計公報。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地資源變化時間特征分析首先在地理空間數(shù)據(jù)云下載南華縣的遙感影像，再通過RS軟件解譯2015、2017、2019年的南華縣耕地面積數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)匯總繪制出耕地總面積的變化圖（圖1）。

由圖1可知，從時間序列來看這五年期間，南華縣耕地總面積呈現(xiàn)增加的趨勢。2015年耕地面積為142.93 km2，2017年耕地面積為151.78 km2，2019年耕地面積為168.31 km2，從2015年到2017年增加緩慢，從2017到2019年增加迅速，說明隨著社會的發(fā)展，耕地得到了較好的利用，其他土地利用方式轉(zhuǎn)化為耕地。

圖1 南華縣2017－2019年耕地數(shù)量變化圖Fig.1 Change of cultivated land area in Nanhua County from 2017 to 2019

2.2 耕地資源變化空間特征分析利用得到的南華縣耕地分布圖在ArcGIS軟件中進行相關(guān)分析，疊加后得到2015～2017年、2017～2019年耕地動態(tài)變化圖（圖2、圖3）。

圖2 南華縣2015－2017年耕地動態(tài)變化圖Fig.2 Dynamic change of cultivated land in Nanhua County from 2015 to 2017

在2015～2017年間，南華縣耕地開墾主要集中在水土資源良好的地區(qū)。新增耕地主要集中分布于五街鎮(zhèn)、羅武莊鄉(xiāng)、紅土坡鎮(zhèn)和五頂山鄉(xiāng)等。此外，在雨露白族鄉(xiāng)、馬街鎮(zhèn)和兔街鎮(zhèn)耕地也有零星狀分布。此階段南華縣對這些地區(qū)進行了充分開發(fā)，減少的耕地主要集中在馬街鎮(zhèn)和南華縣城周邊地區(qū)，一街鄉(xiāng)和五街鎮(zhèn)周邊地區(qū)耕地面積也在減少。

由圖3可知，在2017～2019年間耕地增加數(shù)量相比2015～2017年有所增加，紅土坡鎮(zhèn)和五頂山鄉(xiāng)耕地相比于2015～2017年增加幅度減少，除五街鎮(zhèn)和羅武莊鄉(xiāng)，其他地區(qū)都在大幅度增加。由此可知此階段增加的耕地大多是由建設(shè)用地和未利用地土地轉(zhuǎn)化而來，這一階段耕地減少的數(shù)量較2015～2017年明顯減少，主要集中在武定山鄉(xiāng)和羅武莊鄉(xiāng)部分地區(qū)。近年來由于南華縣城市發(fā)展較快，越來越多的耕地變?yōu)榱私ㄔO(shè)用地。但為了保證糧食產(chǎn)量，只能將林地和未利用地轉(zhuǎn)為耕地。

圖3 南華縣2017－2019年耕地變化動態(tài)圖Fig.3 Dynamic change of cultivated land in Nanhua County from 2017 to 2019

3 南華縣耕地面積變化的驅(qū)動因素分析

3.1 指標(biāo)選取根據(jù)南華縣實際情況可知，自然因素的影響并不明顯，所以社會經(jīng)濟因素導(dǎo)致了南華縣耕地面積的變化。在能夠準(zhǔn)確找到數(shù)據(jù)并且保證數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性的情況下，結(jié)合南華縣的實際發(fā)展情況，選取X1為總?cè)丝冢ㄈf人），X2為農(nóng)業(yè)人口（萬人），X3為農(nóng)民人均收入（元），X4為南華縣GDP（萬元），X5為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值（萬元），X6為農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占GDP百分比（%），X7為社會固定資產(chǎn)投資總額（萬元），X8為農(nóng)作物播種面積（hm2），X9為糧食產(chǎn)量（t）9個因子，分別代表人口發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展等影響耕地變化的社會經(jīng)濟因素［13］。（見表1～3）。

表1 南華縣耕地動態(tài)變化主成分分析數(shù)據(jù)Table1 Principal component analysis data dynamic change of cultivated land in Nanhua County

3.2 南華縣耕地變化主成分分析根據(jù)南華縣統(tǒng)計公報，提取相關(guān)數(shù)據(jù)，分析各數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性并判斷是否能進行主成分分析（表2～表4）

表2 驅(qū)動因子相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix of driving factors

表2顯示，在9個因子中，GDP與糧食產(chǎn)量之間具有較大的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到了1.000。農(nóng)民人均收入與GDP、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值之間、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值與糧食產(chǎn)量之間、社會固定資產(chǎn)投資總額與糧食產(chǎn)量之間有很大的相關(guān)性，農(nóng)民人均收入、GDP、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、社會固定資產(chǎn)投資總額、糧食產(chǎn)量之間有著因果關(guān)系，所以可以進行主成分分析。

表3顯示，在選取的9個因子當(dāng)中，前兩個因子的數(shù)值分別達到了7.385和1.335，兩者的方差貢獻率也是最大的，累計達到了96.882%。根據(jù)有關(guān)規(guī)定特征值的累積貢獻率必須大于85%，才可以作為選取的主成分。因此可以選取前兩個作為第一、第二主成分。

表3 特征值及貢獻率Table 3 Characteristic values and contribution rate

從表4可知，第一主成分與農(nóng)民人均收入（0.966）、GDP（0.991）、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值（0.970）、社會固定資產(chǎn)投資總額（0.948）、糧食產(chǎn)量（0.991）有較高聯(lián)系，說明了第一主成分和經(jīng)濟、城市化進程等相關(guān)方面的因子有高度的聯(lián)系，因此第一主成分是這些因子的綜合表述。雖然農(nóng)業(yè)人口和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占GDP百分比與第一主成分也有很大的聯(lián)系，但是抑制了耕地的發(fā)展，所以第一主成分并不能包括這兩個方面。而農(nóng)業(yè)人口（0.568）和農(nóng)作物播種面積（0.597）在第二主成分上有較高載荷，表明這些因子與農(nóng)業(yè)人口、農(nóng)業(yè)技術(shù)、國家政策有直接關(guān)系，因此第二主成分是這些方面的綜合?？?cè)丝谂c第二主成分也有較大聯(lián)系，但起到了抑制作用，所以第二主成分并不包括總?cè)丝?。將第一主成分和第二主成分進行綜合分析可知，產(chǎn)值、投資額、人口和播種數(shù)量是導(dǎo)致南華縣耕地面積變化的原因。

表4 主成分載荷矩陣Table 4 Principal component load matrix

3.3 南華縣耕地變化驅(qū)動力分析

3.3.1 經(jīng)濟因素農(nóng)民人均收入、GDP、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、社會固定資產(chǎn)投資代表了南華縣的社會經(jīng)濟發(fā)展水平。近五年來南華縣經(jīng)濟迅速發(fā)展，2015年至2019年，南華縣GDP由481845萬元增加到了752100萬元。2015～2019年南華縣固定資產(chǎn)投資總額增加了近2倍，所以這五年間耕地總量一直保持增長的趨勢。2015～2019年南華縣農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占GDP的比例由25.6%迅速下降至19.6%。由此可知，雖然近5年來南華縣農(nóng)業(yè)的地位在不斷下降，但由于農(nóng)業(yè)投資的增加南華縣的耕地面積仍在增加。

3.3.2 人口增長因素人口對南華縣耕地變化起著重要作用，人口的增加導(dǎo)致糧食的需求量也在不斷增加。在提高糧食生產(chǎn)水平的同時，也要關(guān)注人口帶來的耕地發(fā)展的契機。從2015年－2019年南華縣的人地矛盾得到了一定的緩解，耕地面積也一直處于增加狀態(tài)。說明人口的增加對耕地面積的增加有一定的促進作用。

3.3.3 農(nóng)業(yè)科技進步因素農(nóng)作物播種面積的增長，說明了耕地資源利用率在不斷提高。雖然南華縣2019年農(nóng)作物播種面積達到了34004公頃，但是獲取農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的方式還不夠先進，投入的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于產(chǎn)值。由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)值亟待提高，先進的科技在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，隨之而來糧食產(chǎn)量也得到了提高。2019年南華縣的糧食產(chǎn)量達到了131257噸，說明農(nóng)業(yè)科技水平的發(fā)展改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕作方式，不僅提升了農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益，還提高了農(nóng)民的積極性，人們可以投入較少的成本收獲較高的利益。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論本文借助GIS空間分析技術(shù)提取南華縣耕地斑塊，對比耕地面積變化趨勢再根據(jù)主成分分析方法提取影響南華縣耕地時空變化的主要因素，得出如下結(jié)論：

第一，2015年以來，南華縣耕地面積一直處于增加的狀態(tài)，由平緩增加變?yōu)榧彼僭黾印?017年到2019年增加的面積比2015年到2017年同比增長的較快。

第二，新增耕地主要是南華縣地市較為平坦的地區(qū)，耕地減少的地區(qū)主要是南華縣縣城周圍及降水較少的地區(qū)。

第三，從社會經(jīng)濟發(fā)展、人口增長和農(nóng)業(yè)科技進步三個方面提取9個影響因素進行主成分分析可知：農(nóng)民人均收入、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、社會固定資產(chǎn)投資總額、糧食產(chǎn)量是影響耕地面積變化的主要驅(qū)動力。

4.2 建議

4.2.1 科學(xué)規(guī)劃土地利用，嚴(yán)格控制城市建設(shè)占用耕地近五年來南華縣耕地增加的速度正日益減緩，主要原因是社會經(jīng)濟在不斷地發(fā)展，對土地的需求也越來越緊迫，南華縣耕地資源與城市建設(shè)之間的矛盾也越來越深。因此相關(guān)部門應(yīng)該科學(xué)地規(guī)劃土地利用，嚴(yán)格控制城市建設(shè)占用耕地，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，以確保耕地的可持續(xù)利用。讓南華縣的經(jīng)濟發(fā)展帶動對耕地的保護，利用經(jīng)濟發(fā)展帶來的資金更好地提高開發(fā)耕地的效率。

4.2.2 調(diào)整土地的利用布局南華縣應(yīng)該減少耕地引發(fā)的沖突，使耕地得到真正的保護，同時更好地進行城市建設(shè)，促進縣城和各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)協(xié)調(diào)發(fā)展。要優(yōu)先保障南華縣城中心的發(fā)展空間，積極劃分生態(tài)保護用地，合理利用脆弱的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。

4.2.3 強化耕地保護，建設(shè)美好生態(tài)近年來各城市的建設(shè)更是肆無忌憚的使用耕地。南華縣雖然只是一個小城市，但近年來發(fā)展較為迅速，糧食安全問題漸漸凸顯。耕地保護不僅關(guān)系著南華縣的社會穩(wěn)定，還對生態(tài)建設(shè)有著重要作用。

4.2.4 利用人口優(yōu)勢，發(fā)展耕地的可持續(xù)利用前幾年南華縣雖然人口相對較多，但發(fā)展較為落后，人們對于耕地也只是采取較為傳統(tǒng)的方法進行利用，導(dǎo)致大部分的耕地資源未被好好利用?，F(xiàn)階段南華縣人民政府應(yīng)積極引導(dǎo)剩余勞動力，對可利用的耕地進行充分的利用，借助人口優(yōu)勢，絕不浪費資源。

4.2.5 引進先進的生產(chǎn)工具，高效利用耕地資源在生產(chǎn)工具較為落后時，投入大量的資本，但耕地資源產(chǎn)生的經(jīng)濟效益較少。提高農(nóng)業(yè)科技，利用先進的生產(chǎn)工具，可以有效提高耕地利用效率，也可以有效保護耕地質(zhì)量。