張冰玢++焦利民

摘要：通過遙感影像解譯，得到江漢平原1994、2001、2010共3期土地利用分類圖。運(yùn)用景觀格局指數(shù)以及Logistic回歸模型等方法，對(duì)江漢平原耕地的數(shù)量、空間結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移情況及其變化機(jī)制進(jìn)行分析。分析得出：①1994-2010年，江漢平原耕地面積減少5.88%。其中1994-2001年，耕地面積年變化率為-0.42%；2001-2010年，耕地年變化率為-0.33%。江漢平原耕地面積減少趨于緩慢，同時(shí)耕地空間聚集度降低，且耕地斑塊趨于破碎化。②耕地主要轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地、林地與坑塘水面，新增耕地的主要來源為坑塘水面、林地與建設(shè)用地，且與1994-2001年相比，2001-2010年林地轉(zhuǎn)移為耕地的比例大幅度增加，不利于該區(qū)域的水土保持。③城鎮(zhèn)化水平的提高與人均GDP的增長(zhǎng)是耕地減少的主要人文經(jīng)濟(jì)影響因素。④耕地占用主要發(fā)生在道路附近以及城市周邊，新增耕地多分布在遠(yuǎn)離城市且坡度相對(duì)較高的區(qū)域。

關(guān)鍵詞：耕地變化；Logistic回歸模型；景觀格局指數(shù)；江漢平原

中圖分類號(hào)：F301.24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）18-4468-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.020

中國(guó)是一個(gè)耕地資源相對(duì)短缺的國(guó)家，改革開放以來，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，中國(guó)耕地面積經(jīng)歷了一個(gè)大幅度減少的過程，這種狀況在全國(guó)范圍內(nèi)普遍存在[1，2]。城鎮(zhèn)化進(jìn)程勢(shì)必會(huì)引起各用地類型間的相互轉(zhuǎn)化[3]，這將難以避免地造成耕地變化。相關(guān)研究表明，耕地面積與糧食產(chǎn)量之間存在正相關(guān)性[4-6]，保持一定數(shù)量的優(yōu)質(zhì)耕地是保障中國(guó)糧食安全的前提。江漢平原土地肥沃，地域遼闊，歷來是湖北乃至全國(guó)重要的糧食、棉花、油料生產(chǎn)基地。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與城市化水平的提高，江漢平原人地矛盾日益突出，這不利于該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，將對(duì)中國(guó)的糧食安全構(gòu)成隱患[7]。因此，進(jìn)行江漢平原耕地變化分析具有現(xiàn)實(shí)意義。

中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)耕地資源變化監(jiān)測(cè)及其變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制領(lǐng)域已經(jīng)做了廣泛深入的研究[8-12]。研究?jī)?nèi)容主要涉及全國(guó)或區(qū)域的耕地面積變化描述及驅(qū)動(dòng)力分析[13，14]、耕地供需規(guī)律[15]、耕地利用效益及變化趨勢(shì)[16，17]、耕地流轉(zhuǎn)[18]以及耕地變化與糧食安全的關(guān)系[19，20]。這些研究大多是建立在對(duì)耕地?cái)?shù)量變化的基礎(chǔ)上，缺少對(duì)耕地空間格局及其景觀結(jié)構(gòu)變化的研究。耕地資源動(dòng)態(tài)變化的空間格局直接反映的是城市擴(kuò)張、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及國(guó)土資源開發(fā)等決策對(duì)耕地利用與覆蓋的影響。因此，探討耕地資源的動(dòng)態(tài)變化及空間特征，能夠更深入地挖掘研究區(qū)耕地變化與覆蓋情況，為耕地保護(hù)政策的提出提供有效依據(jù)，對(duì)于研究區(qū)域糧食安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展均有重要的指導(dǎo)意義。

本研究以江漢平原1994、2001、2010年3期遙感影像為基礎(chǔ)，選取江漢平原的核心地區(qū)作為研究區(qū)域，包括荊州區(qū)（荊州市區(qū)、沙市區(qū)、江陵縣）、公安縣、石首市、監(jiān)利縣、洪湖市、潛江市、仙桃市、天門市、漢川市（圖1）。研究分析不同時(shí)間段內(nèi)江漢平原耕地?cái)?shù)量與空間結(jié)構(gòu)的變化情況，在此基礎(chǔ)上對(duì)江漢平原耕地的變化特征及其變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行研究，多方面地分析研究區(qū)耕地變化情況，以期為江漢平原耕地保護(hù)提供借鑒依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)獲取

本研究運(yùn)用江漢平原1994、2001、2010年3期共9景遙感影像，借助ENVI 4.5平臺(tái)，經(jīng)過幾何校正、影像裁剪、影像鑲嵌等處理，對(duì)影像進(jìn)行基于最大似然法的監(jiān)督分類，并參照全國(guó)土地分類方法，結(jié)合江漢平原區(qū)土地利用的實(shí)際情況，將江漢平原土地利用類型劃分為6大類：建設(shè)用地（包括城市、建制鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)、獨(dú)立工礦用地、交通用地）、林地、河流湖泊、坑塘水面、耕地以及未利用地，分類結(jié)果見圖2。其中1994年的遙感影像總體分類精度為83.53%，Kappa系數(shù)為0.84；2001年的遙感影像總體分類精度為85.54%，Kappa系數(shù)為0.86；2010年的遙感影像總體分類精度為85.42%，Kappa系數(shù)為0.86。

2 研究方法

2.1 景觀格局指數(shù)

在景觀生態(tài)學(xué)中，多運(yùn)用景觀格局指數(shù)進(jìn)行景觀格局的結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化定量分析[21]。該方法也被廣泛應(yīng)用于土地利用/覆蓋空間格局變化情況分析中。Guneroglu等[22]選取最大斑塊指數(shù)、面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)等對(duì)土耳其東南部黑海沿岸景觀破碎度進(jìn)行分析。Su等[23]選取斑塊密度指數(shù)、景觀分裂指數(shù)、聚集度指數(shù)等對(duì)經(jīng)濟(jì)作物的種植與景觀破碎之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

對(duì)于耕地景觀選取景觀破碎度、空間連通性以及景觀形狀刻畫其空間格局變化情況。因此，基于指標(biāo)間冗余度的考慮，選取景觀類型水平上的斑塊數(shù)量（Number of patches，NP）、斑塊密度（Patch density，PD）、景觀形狀指數(shù)（Landscape shape index，LSI）、平均斑塊形狀指數(shù)（Mean shape index，MSI）以及聚合度指數(shù)（Aggregation index，AI）進(jìn)行耕地景觀格局變化分析。其中，NP表示各景觀類型的斑塊個(gè)數(shù)，PD表示每公頃面積的斑塊數(shù)，均用來描述景觀格局的異質(zhì)性及破碎度情況。值越大，表明景觀破碎度越高。LSI與MSI均反映了景觀的形狀變化，取值越大，表明該類型景觀的形狀就越不規(guī)則，越復(fù)雜。區(qū)別在于LSI主要表征的是景觀的整體形狀，MSI則描述了景觀個(gè)體的斑塊情況。AI考察了每一種景觀類型斑塊間的連通性。取值越小，表明該類景觀處于一種分散的空間分布狀態(tài)，彼此間連接不緊密；取值越大，表明該類景觀在空間分布上聚集度越高。

2.2 多元線性回歸模型

多元線性回歸是多元統(tǒng)計(jì)中的一個(gè)重要的方法，也是解釋土地覆被變化常用的一種系統(tǒng)分析模型[24]。該模型要求在某一地區(qū)、某一時(shí)段內(nèi)的土地利用/覆被變化與其驅(qū)動(dòng)因子之間存在線性關(guān)系，通過對(duì)可能引起土地利用/覆被變化的各種驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行多變量分析而建立一種數(shù)學(xué)模型，以便確定土地利用/覆被變化的原因。其數(shù)學(xué)模型為：

Y=A+B1x1+B2x2+…+Bmxm （m=1，2，…，n）（1）

利用n組觀測(cè)數(shù)據(jù)值（x1 i，x2 i，…，xm i；Yi）（i=1，2，…，n），根據(jù)最小二乘法原理求出上式中的待定系數(shù)B1、B2、…Bm。本研究用多元線性回歸模型所得的結(jié)論，解釋人文經(jīng)濟(jì)因素對(duì)江漢平原耕地變化的影響。

2.3 Logistic回歸模型

Logistic回歸模型屬于一種非線性回歸統(tǒng)計(jì)方法，能夠?qū)Χ诸愐蜃兞窟M(jìn)行回歸分析，確定自變量在預(yù)測(cè)分類變量發(fā)生概率的作用和強(qiáng)度，最終以事件發(fā)生概率的形式來提供結(jié)果，已被廣泛應(yīng)用于土地利用變化分析中[25]。如果x為自變量，P為事件的發(fā)生概率，則相應(yīng)的Logistic回歸模型為：

P=■ （2）

式中P為事件的發(fā)生概率；xi為一系列的自變量；？琢為截距；？茁i為各變量的回歸系數(shù)，其值的大小體現(xiàn)了各因子對(duì)事件發(fā)生概率的影響大小。土地利用/覆蓋時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)力分析，涉及到土地利用/覆蓋類型變化在空間上的發(fā)生與否，屬于二分類變量。因此，本研究選用Logistic回歸模型，探討影響研究區(qū)耕地空間格局變化的驅(qū)動(dòng)因素。

3 江漢平原耕地變化特征分析

3.1 耕地?cái)?shù)量與斑塊結(jié)構(gòu)變化分析

1994-2010年，江漢平原耕地面積減少5.88%。其中，1994-2001年，耕地面積年變化率為-0.42%；2001-2010年，耕地年變化率為-0.33%。說明江漢平原耕地面積減少趨于緩慢。仙桃市、洪湖市與天門市為耕地面積減少量較大的區(qū)域。其中，仙桃市與天門市均屬于武漢經(jīng)濟(jì)圈范圍，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)較快，對(duì)耕地影響較大。耕地?cái)?shù)量發(fā)生變化的同時(shí)，其景觀格局也發(fā)生了顯著變化（表1）。

NP與PD先增加后減少，耕地景觀是由破碎到連接的發(fā)展過程，且耕地景觀整體呈現(xiàn)破碎趨勢(shì)。LSI先增加后減少，江漢平原耕地總體形狀由不規(guī)則形狀向規(guī)則形狀演變。就耕地斑塊而言，MSI先減少后增加。耕地斑塊由規(guī)則形狀向不規(guī)則形狀演變。但1994-2013年整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，無論是耕地景觀個(gè)體還是整體耕地景觀，其形狀均趨于不規(guī)則化。AI先減少后增加，說明耕地的空間連通性先降低后增加，且整體連通性降低。耕地破碎化、耕地斑塊形狀不規(guī)則化以及耕地空間連接度的降低均反映了人類活動(dòng)對(duì)其空間格局的影響。由于城市化的快速發(fā)展以及城市基礎(chǔ)設(shè)施、道路交通的發(fā)展，使得原本大量連片的耕地被破壞，這勢(shì)必會(huì)在一定程度上影響耕地的利用。

3.2 耕地轉(zhuǎn)移情況分析

在耕地資源去向中，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地占耕地減少的11.1%，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值卣几孛娣e減少的34.7%，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榭犹了娴恼几販p少的47.6%，且耕地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地與林地的比例增加，轉(zhuǎn)移為坑塘水面的比例減小。因此，生態(tài)退耕還林、建設(shè)用地占用是耕地較少的主導(dǎo)因素，且建設(shè)用地占用耕地的影響力增強(qiáng)。新增耕地的主要來源為坑塘水面與林地，2001-2010年與1994-2001年相比，林地轉(zhuǎn)移為耕地的比例大幅度增加（圖3），如此大規(guī)模的毀林開荒，雖然有利于增加耕地面積和糧食產(chǎn)量，帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，但勢(shì)必會(huì)對(duì)該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境造成不利影響，不利于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

從空間分布上看，江漢平原轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地的耕地，多處于原建設(shè)用地附近的區(qū)域，且交通設(shè)施建設(shè)占用耕地特征明顯；轉(zhuǎn)移為坑塘水面的耕地，多處于河流湖泊地附近的區(qū)域（圖4）。城市外延式擴(kuò)張與交通運(yùn)輸建設(shè)在不斷占用耕地，且占用的多為地勢(shì)平坦、水土條件優(yōu)越，便于集約化經(jīng)營(yíng)的優(yōu)質(zhì)耕地。另外，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展所產(chǎn)生的比較利益，漁業(yè)等帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于糧食種植，使得大量河流湖泊周圍的耕地被開墾為坑塘水面。

4 江漢平原耕地變化影響因素分析

引起耕地變化的因素主要包括兩方面：自然因素與人類活動(dòng)（社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素）。其中，自然因素主要包括氣候、水文、坡度、坡向、地形地貌等，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素主要包括人口因素、城市化因素、GDP總值以及固定資產(chǎn)投資等方面。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，自然因素對(duì)耕地變化具有重要的影響，但在短時(shí)期內(nèi)其作用較為穩(wěn)定，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)耕地變化的影響作用更為顯著。因此，本研究從社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素入手，將其分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和區(qū)位因素兩方面，進(jìn)行研究區(qū)耕地變化的主要驅(qū)動(dòng)力分析。

4.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素分析

以耕地減少量為因變量，以人均GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素為自變量，建立多元線性回歸模型，解釋社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)江漢平原耕地變化的影響。選取的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素為建設(shè)用地增加量（X1）、城鎮(zhèn)人口增加量（X2）、GDP增加量（X3）、第二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加量（X4）、城鎮(zhèn)化水平增加量（X5）、人均GDP增加量（X6），因變量為耕地減少量（Y）。對(duì)自變量進(jìn)行逐步向后回歸，回歸結(jié)果見表2。

所有的自變量中，X1、X2、X4被剔除。保留的自變量中，X3的偏回歸系數(shù)為負(fù)，X5、X6的偏回歸系數(shù)為正。即耕地的減少量與GDP增加量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與城鎮(zhèn)化水平增加量、人均GDP增加量呈正相關(guān)關(guān)系。該結(jié)果表明，1994-2010年，城鎮(zhèn)化水平的加快以及人均GDP的增長(zhǎng)，是江漢平原耕地減少的主要影響因素，驅(qū)使著耕地向其他地類的轉(zhuǎn)移。

4.2 耕地轉(zhuǎn)移影響因素分析

到某特殊地物的距離代表了地塊的區(qū)位與通達(dá)度，影響著該地塊的使用成本，并在很大程度上影響了土地利用決策的制定[26]。已有大量文獻(xiàn)證實(shí)，到公路與鐵路的距離以及到城市或城市中心的距離影響了城市發(fā)展方向[27-31]。而這種影響力同時(shí)也使耕地的空間布局產(chǎn)生變化。除此之外，地形因素也是土地利用/覆蓋變化的重要原因[30，31]，它決定了該區(qū)域土地利用方式的適宜性。因此，本研究選取的耕地變化區(qū)位驅(qū)動(dòng)因子為距城市中心距離（X7）、距道路距離（X8）、距火車站距離（X9）、距高速公路出入口距離（X10）、DEM（X11）、坡度（X12）。本研究分耕地轉(zhuǎn)出與耕地轉(zhuǎn)入兩種情況，探討影響研究區(qū)耕地格局變化的驅(qū)動(dòng)因素，對(duì)各因子與因變量進(jìn)行Logistic回歸，得到的結(jié)果如表3所示。

耕地轉(zhuǎn)出的解釋變量為距城市中心的距離、距公路距離、距高速公路出入口距離以及DEM。模型回歸系數(shù)為負(fù)，說明耕地轉(zhuǎn)化為其他地類的概率隨距離的增加而減小，系數(shù)值越大，耕地轉(zhuǎn)出概率也越大。因此，到公路的距離與到城市中心的距離是耕地轉(zhuǎn)出的主要驅(qū)動(dòng)因子。即1994-2010年，江漢平原區(qū)耕地的占用主要發(fā)生在道路附近以及城市周邊，受城市發(fā)展的影響，距離道路越近的耕地越容易被轉(zhuǎn)用為其他用地。其他地類轉(zhuǎn)化為耕地的解釋變量為距城市中心的距離、距高速公路出入口距離、DEM以及坡度。模型回歸系數(shù)為正，說明其他地類轉(zhuǎn)化為耕地的概率隨著距離的增加而增大。因此除DEM外，距高速公路路口距離的回歸系數(shù)為負(fù)，距城市中心的距離與坡度的回歸系數(shù)為正，說明1994-2010年，江漢平原區(qū)新增耕地多分布在遠(yuǎn)離城市中心、且坡度相對(duì)較大的區(qū)域。對(duì)于高速公路出入口而言，其位置多處于城市外圍，且本研究中研究區(qū)多為縣級(jí)市，因此地塊距離高速公路出入口距離越近，越容易轉(zhuǎn)入為耕地。對(duì)于DEM而言，耕地轉(zhuǎn)化的回歸系數(shù)均為負(fù)，說明江漢平原耕地變化主要發(fā)生在地勢(shì)較平坦的區(qū)域。

上述驅(qū)動(dòng)分析結(jié)果反映了兩點(diǎn)：一是城市擴(kuò)張與交通建設(shè)對(duì)耕地?cái)?shù)量以及耕地格局的變化起著重要的推動(dòng)作用。二是社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展所產(chǎn)生的比較利益導(dǎo)致耕地轉(zhuǎn)化為其他用地，而將遠(yuǎn)離城市、坡度相對(duì)較大的地域開墾為耕地，坡度越大越易出現(xiàn)水土流失與土壤侵蝕現(xiàn)象，因此開墾的耕地質(zhì)量會(huì)有所降低，進(jìn)而對(duì)江漢平原區(qū)總體耕地質(zhì)量造成不利影響。

5 小結(jié)

本研究通過遙感影像解譯，得到江漢平原1994、2001、2010共3期土地利用分類圖。在此基礎(chǔ)上分析得出：①1994-2010年，江漢平原耕地面積減少5.88%。其中，1994-2001年，耕地面積年變化率為-0.42%；2001-2010年，耕地年變化率為-0.33%。說明江漢平原耕地面積處于逐年遞減的變化過程，遞減趨勢(shì)趨于緩慢。②運(yùn)用景觀格局指數(shù)對(duì)江漢平原耕地空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得出：1994-2010年，江漢平原耕地連通度降低，趨于破碎化，且耕地形狀趨于不規(guī)則。③對(duì)耕地轉(zhuǎn)移情況分析得出：江漢平原的耕地主要轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地、林地與坑塘水面；新增耕地的主要來源為坑塘水面、林地與建設(shè)用地。且從耕地轉(zhuǎn)移的空間分布來看，轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地的耕地主要分布在城市周邊，轉(zhuǎn)移為坑塘水面的耕地多靠近河流湖泊。④運(yùn)用多元線性回歸對(duì)引起耕地變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素進(jìn)行分析得出：城鎮(zhèn)化水平的提高與人均GDP的增長(zhǎng)是耕地減少的主要影響因素。運(yùn)用Logistic模型對(duì)引起耕地變化的位置驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析得出：1994-2010年交通和城市擴(kuò)張是耕地占用的主要驅(qū)動(dòng)力，其新增耕地主要分布在遠(yuǎn)離城市、且坡度相對(duì)較高的區(qū)域。

綜合上述結(jié)論，對(duì)江漢平原耕地而言，耕地年平均凈減少量在降低，耕地保護(hù)取得了一定的成效。但是，新增耕地的數(shù)量仍低于減少的耕地?cái)?shù)量，這將不利于江漢平原耕地資源的持續(xù)發(fā)展。因此，結(jié)合耕地轉(zhuǎn)移的分布情況與引起耕地變化的各影響因素，本研究認(rèn)為對(duì)于糧食主產(chǎn)區(qū)而言，選擇與耕地資源條件相適應(yīng)的城市化發(fā)展方式和速度，以及科學(xué)合理的用地規(guī)劃布局對(duì)耕地保護(hù)尤為重要。城市發(fā)展以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整均應(yīng)兼顧耕地保護(hù)，切實(shí)處理好城鎮(zhèn)化進(jìn)程與糧食生產(chǎn)間的矛盾。城鎮(zhèn)化與耕地不僅僅是簡(jiǎn)單的占用與被占用的關(guān)系，應(yīng)充分發(fā)揮城市化集約用地的優(yōu)勢(shì)，使其盡可能少地占用耕地，特別是高質(zhì)量的耕地，保障中國(guó)糧食安全。

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