董 雋，王 丹，臧淑英

（1.哈爾濱學(xué)院地理系，哈爾濱 150086；2.哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150008）

區(qū)域土地利用/土地覆蓋變化已成為全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域和前沿課題在當(dāng)前眾多的土地利用/土地覆蓋變化類型中[1]，耕地與城鎮(zhèn)用地的變化無疑是明顯而強(qiáng)烈的[2]。在我國，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口數(shù)量的不斷增加和城市化進(jìn)程的加快，有限耕地資源和城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展之間的矛盾日益突出。因此，對我國耕地變化的研究，受到了眾多研究者的重視。如李秀彬通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析我國20年耕地面積的變化特征、趨勢和驅(qū)動因子，提出了土地管理政策的建議[3]；陳佑啟從糧食安全的角度分析了我國耕地變化對糧食生產(chǎn)的播種面積、生產(chǎn)條件等方面的影響[4]；何金書等通過有關(guān)統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)對環(huán)渤海地區(qū)近20年的耕地變化態(tài)勢進(jìn)行研究等[5]。生態(tài)環(huán)境因子在決定土地利用實(shí)際變化的空間分布中起主導(dǎo)作用，而社會經(jīng)濟(jì)因子在決定土地利用變化的數(shù)量特征方面為主要驅(qū)動力[6]，認(rèn)識人類活動在全球變化中的作用機(jī)制，減小預(yù)測的不確定性，開展社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力與土地利用覆蓋變化的研究，必將為當(dāng)前的全球變化研究注入活力。黑龍江省是我國最大的商品糧生產(chǎn)基地，享有“北大倉”的美譽(yù)，耕地面積的變化更值得關(guān)注。但是，隨著城市化的快速發(fā)展及農(nóng)業(yè)用地結(jié)構(gòu)調(diào)整，耕地流失強(qiáng)度也在不斷加大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與耕地保護(hù)矛盾突出。因此，本文運(yùn)用RS和GIS技術(shù)分析土地利用動態(tài)變化的規(guī)律，不僅有助于了解引起土地利用變化的人文驅(qū)動力機(jī)制，為全球變化研究積累區(qū)域案例，而且亦為調(diào)整人類自身活動，優(yōu)化配置資源，實(shí)現(xiàn)土地可持續(xù)利用服務(wù)。

1 數(shù)據(jù)來源

本文所用的遙感數(shù)主要為EOS衛(wèi)星系列產(chǎn)生的MODIS數(shù)字影像，來自美國地球資源觀測系統(tǒng)（Earth resources observation system） 數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫。圖像空間分辨率為500 m×500 m，時間分辨率為旬月，時間序列為1985年9月、1999年7月、2008年9月。全部的MODIS數(shù)據(jù)都經(jīng)過國際通用的MVC（最大值合成）糾正[7]，并已在美國地球資源觀測系統(tǒng)（Earth resources observation system）數(shù)據(jù)中心制作完成。所用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自中國黑龍江省1985～2008年統(tǒng)計(jì)年鑒。此外還用到了哈爾濱地圖出版社出版的1：5萬黑龍江省土地利用圖、1：5萬黑龍江省地形圖。

2 黑龍江省耕地變化社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力的定量分析

2.1 黑龍江省耕地利用信息提取

參照Anderson的分類體系和相關(guān)輔助資料[8]，對研究區(qū)內(nèi)的土地利用類型進(jìn)行一級分類，分為林地、灌叢、草地、耕地、居民和建筑用地、水體6類。之后對1985年、1999年、2008年MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，從中提取相應(yīng)的MODIS的最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)方差、變化幅度、變異系數(shù)等5個特征值。接著利用這些特征的組合數(shù)據(jù)，結(jié)合輔助資料，利用最大似然法和概率松弛法相結(jié)合的方法[9]，完成了區(qū)域土地利用/覆蓋分類，提取了黑龍江省1985年、1999年、2008年的地表土地利用/覆蓋信息，整個分類過程全部利用ERDAS圖像處理系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)ARCGIS 9完成。分類結(jié)果精度檢驗(yàn)表明，各期土地利用/覆蓋圖的Kappa系數(shù)均大于0.7。最后，在GIS技術(shù)的支持下，我們進(jìn)一步提取了黑龍江省1985年、1999年、2008年耕地利用信息（見圖1）。

圖1 黑龍江省1985～2008年耕地利用分布Fig.1 Cultivated land of Heilongjiang Province from 1985 to 2008

2.2 耕地格局特征分析

對于非連續(xù)的土地利用/覆蓋格局的變化，運(yùn)用景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間的基本特征，因此景觀指數(shù)已被廣泛應(yīng)用于土地利用/覆蓋變化空間格局分析中。本文采用應(yīng)用較廣泛的斑塊密度指數(shù)對研究區(qū)的耕地進(jìn)行分析，得到了黑龍江省的耕地格局特征（見表1）[10]。計(jì)算公式為：

式（1）中c表示斑塊密度指數(shù)，Σni表示研究區(qū)內(nèi)某種景觀斑塊的個數(shù)，A表示研究區(qū)中某類景觀的總面積。比值越大，破碎化程度越高。

由圖1、表1可知，區(qū)域內(nèi)土地利用/覆蓋變化的位置主要集中在農(nóng)牧交錯區(qū)，農(nóng)牧交錯區(qū)的中部到西部的變化尤其明顯，這說明在近20年的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中，黑龍江省生態(tài)功能用地?fù)p失明顯，這在一定程度上影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能。但在1999年后，黑龍江省生態(tài)用地分布有所改觀，表明政府的一系列“退耕還林、還草”等生態(tài)環(huán)境建設(shè)措施開始發(fā)揮一定的作用。同時從圖1、表1還可以看出，區(qū)域內(nèi)的耕地斑塊數(shù)據(jù)量從1985年的657個上升到1999年的785個和2008年的1761個，增長迅速；而同期的斑塊密度指數(shù)為0.103479、0.0116289、0.0218391 個·km-2。所以人類活動對區(qū)域耕地利用的影響十分明顯，尤其是1999年～2008年，隨著耕地總面積的增加，耕地破碎度達(dá)到最高，耕地利用強(qiáng)度在不斷加強(qiáng)。

表1 1985～2008年黑龍江省耕地格局特征Table 1 Landscape features of cultivated land in Heilongjiang Province from 1985 to 2008

2.3 黑龍江省耕地格局社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因子定量分析

2.3.1 研究社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力與土地利用覆蓋變化關(guān)系的主要方法

在較短的時間尺度內(nèi)，人類活動往往對土地利用變化的影響起主導(dǎo)作用[8]。當(dāng)前人類活動對土地利用/覆蓋影響主要包括對土地產(chǎn)品的需求、對土地的投人、城市化程度、土地利用的集約化程度、土地權(quán)屬、土地利用。引入社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因子后研究的步驟通常為：根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因子的不同，建立土地覆蓋變化分類體系，從而建立社會經(jīng)濟(jì)形態(tài)和土地利用覆蓋變化分類的基礎(chǔ)；在認(rèn)清土地利用和土地變化的各種人類驅(qū)動力的基礎(chǔ)上，建立土地利用/覆蓋模型，模擬并預(yù)測土地利用和土地覆蓋的變化，進(jìn)而分析原因與覆蓋的關(guān)系。

一般對于不同尺度的土地利用覆蓋變化與社會經(jīng)濟(jì)要素動態(tài)變化的規(guī)律分析，宜采用典型相關(guān)分析。典型相關(guān)分析是一種經(jīng)典的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，揭示的是兩組多元隨機(jī)變量之間的關(guān)系。和其它相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法比較，典型相關(guān)分析適合于有多個自變量和多個標(biāo)準(zhǔn)變量，而所分析的標(biāo)準(zhǔn)變量組的各個變量之間本身具有較強(qiáng)的相關(guān)性的問題。在土地利用變化研究中，由于不同的土地利用類型之間相互影響、相互制約，所以典型相關(guān)分析自然成為土地利用特征同人為驅(qū)動因素之間關(guān)系的最佳統(tǒng)計(jì)工具。

多元線性回歸模型是常用來解釋土地覆蓋變化的一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ撃Ｐ鸵笤谀骋坏貐^(qū)、某一段時間內(nèi)的土地利用覆蓋變化因變量與其驅(qū)動因子自變量之間存在線性關(guān)系。通過對可能引起土地覆蓋變化的各種驅(qū)動因子的多變量分析而建立的一種數(shù)學(xué)模型，以便更明確鑒別土地覆蓋變化的原因。多元線性回歸分析的基本原理是：設(shè)隨機(jī)變量Y與m個自變量之間存在線性關(guān)系，則其數(shù)學(xué)模型為：

式（2）中，Y代表土地利用類型，x1～xn為各種社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因子。利用n（i=1，2，…，n）組觀測值（x1i，x2i，…，xni，Y），根據(jù)最小二乘法原理求出上式中的待定系數(shù)B1，B2，…，Bm。

2.3.2 黑龍江省耕地面積變化的驅(qū)動因子分析

根據(jù)上述研究方法的思路和要求，以及黑龍江省現(xiàn)有資料情況，選擇1985～2008年序列資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從中選取11個影響因子x1-年份,x2-農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值（億元），x3-國民生產(chǎn)總值（億元），x4-農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資完成額（億元），x5-糧食生產(chǎn)總量（萬t），x6-人口自然增長率（%），x7-城市化水平（%），x8-農(nóng)用化肥、農(nóng)藥施用量,x9-農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力（萬kW），x10-房屋建筑面積（萬m2），x11-支援農(nóng)業(yè)財(cái)政支出（萬元），y-耕地面積（萬hm2）。應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件Spss13.0對樣本進(jìn)行分析計(jì)算，得出散點(diǎn)圖，相關(guān)系數(shù)矩陣圖（見圖2，表2）。

圖2 黑龍江省耕地資源數(shù)量與年份之間相應(yīng)散點(diǎn)Fig.2 Scatter plot between the quantity of cultivated land resources and year in Heilongjinag Province

由圖2可知，黑龍江省耕地資源數(shù)量總的趨勢是增加的，平均每年增加11.68萬hm2，尤其是2003年和2005年，耕地?cái)?shù)量增加幅度較大，2003年耕地?cái)?shù)量增加17.8萬hm2，尤其是2005年耕地?cái)?shù)量增加161.1萬hm2，遠(yuǎn)超過年平均水平。

由表2可知，國民生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資完成額、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力與耕地?cái)?shù)量有很大的相關(guān)性。這主要是由于自上世紀(jì)90年代以來，黑龍江省經(jīng)濟(jì)實(shí)力增長較快，1984～2008年國民生產(chǎn)總值平均年遞增8.4%，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資完成額平均年遞增11.2%，使得黑龍江省耕地面積一直保持穩(wěn)定；還有就是農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的大幅度提高，2008年全省農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力1 843萬kW，比上年增長4.2%，是1984年的5倍多，科技在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，使糧食單產(chǎn)增加，從而導(dǎo)致人們開始尋找提高收人的新的土地經(jīng)營方式，如開荒、園林改耕地等，致使耕地面積進(jìn)一步增加。但也可以看出造成黑龍江省耕地質(zhì)量整體下降的原因：人口增長過快，人均占有耕地逐年下降，人口與糧食矛盾尖銳，于是開荒、亂采濫伐等不合理的人類活動導(dǎo)致耕地破碎度增加，耕地質(zhì)量下降；農(nóng)用化肥、農(nóng)藥施用量2000年分別為418.77和13.25 kg·hm-2，2008年分別為563.28和15.39 kg·hm-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國際公認(rèn)值關(guān)有逐年增加的趨勢，農(nóng)田大量施用農(nóng)藥、化肥等化學(xué)物質(zhì)，其殘留有毒物質(zhì)超過土壤的凈化容量而使土地污染，耕地退化加??；黑龍江省大部分屬半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為632 mm，且降水的時空分布不均勻，75%～85%的降水集中于6～8三個月，受地形影響又形成區(qū)域間降水分配不平衡，特殊的氣候條件及不合理的人類活動加劇了水土流失和土地鹽漬化，對耕地的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大壓力。

表2 耕地變化社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力變量相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix for the change process of cultivated land and its socio-economical driving forces value

2.3.3 耕地變化驅(qū)動因子的主成分分析

主成分分析方法中特征值與特征向量及主成分貢獻(xiàn)率與累積貢獻(xiàn)率計(jì)算是借助SPSS（Staistical pakage for the social scienes）軟件來完成，計(jì)算得特征值及各個主成分貢獻(xiàn)率與累積貢獻(xiàn)率（見表3）。

表3 特征值及主成分貢獻(xiàn)率Table 3 Characterstic value and principal components contribution rate

由表3可知，第一、第二兩個主成分因子，累積貢獻(xiàn)率為91.623%，完全達(dá)到分析要求。

2.3.4 耕地變化驅(qū)動因子的多元線性回歸模型

通過以上分析得知，所選取的各個驅(qū)動因子對耕地面積變化都有一定的相關(guān)性。在將耕地和各個社會經(jīng)濟(jì)因子指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，通過主成分分析[10]，利用每類因子的第一主成分與耕地面積，進(jìn)行逐步回歸分析，得到：

R2=0.964，通過了1%的顯著性檢驗(yàn)。

由式（3）中可以看出，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、國民生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資完成額、農(nóng)用化肥、農(nóng)藥施用量及城市化水平與研究區(qū)耕地?cái)?shù)量的變化關(guān)系密切。表明經(jīng)濟(jì)增長導(dǎo)致對農(nóng)業(yè)投入的增加及農(nóng)業(yè)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整是黑龍江省耕地變化的重要原因。但同時城市化水平和過量的施用化肥農(nóng)藥使黑龍江省耕地破碎度加大，耕地退化明顯。

2.3.5 耕地變化趨勢預(yù)測

通過建立各因子與年份之間的一元線性回歸，得出各自變量預(yù)測值代入上述回歸模型，在置信水平0.01下，預(yù)測出黑龍江省2010和2015年的耕地?cái)?shù)量分別為1 186.2和 1 213.5萬hm2。結(jié)果見表4。

表4 黑龍江省2010和2015年的耕地?cái)?shù)量預(yù)測Table 4 Forecast the number of cultivated land from 2010 to 2015 in Heilongjiang Province （萬 hm2）

3 結(jié) 論

利用1985年9月、1999年7月、2001年9月、2008年9月的Modis數(shù)據(jù)，獲取黑龍江省1980、1990、2000年地表土地覆蓋特征，分析了黑龍江省的耕地景觀格局，并討論了耕地變化的社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因子。基本結(jié)論如下：

a.人類活動對區(qū)域耕地利用強(qiáng)度和格局影響明顯，尤其在2001年，盡管耕地面積有所增加，但耕地破碎化程度嚴(yán)重。

b.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、國民生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資完成額及城市化水平與研究區(qū)耕地的變化關(guān)系密切。其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、國民生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資完成額與耕地面積呈正相關(guān)，城市化水平、農(nóng)用化肥、農(nóng)藥施用量與耕地面積和質(zhì)量變化呈負(fù)相關(guān)，表明經(jīng)濟(jì)增長導(dǎo)致對農(nóng)業(yè)投入的增加及農(nóng)業(yè)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整是黑龍江省耕地變化的重要原因，同時黑龍江耕地面臨著耕地生態(tài)安全的挑戰(zhàn)。

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