陶 榮, 孔雪松, 陳翠芳, 劉 茜, 張 俊

(1.湖北省國土資源研究院, 武漢 430071; 2.武漢大學 資源與環(huán)境科學學院, 武漢 430079; 3.宜城市國土資源局, 湖北 宜城 441499)

耕地是糧食生產(chǎn)最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，全球正面臨著耕地數(shù)量持續(xù)減少、耕地質(zhì)量不斷降低的挑戰(zhàn)[1-5]。對于中國而言，快速城鎮(zhèn)化背景下的耕地保護形勢尤其嚴峻，截至2017年，中國人均耕地面積僅為0.097 hm2，遠低于世界人均水平，糧食安全問題將長期是中國這樣一個農(nóng)業(yè)大國的根本性問題。實行最嚴格的耕地保護制度，從數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)上確保耕地總量的動態(tài)平衡，對于中國保障糧食安全和社會穩(wěn)定具有重要的現(xiàn)實意義[6]。

耕地保護是土地資源保護的核心內(nèi)容之一，大量研究從耕地數(shù)量保護著手，分析不同尺度耕地面積動態(tài)變化特征[7-8]，并逐漸從區(qū)域耕地數(shù)量變化延伸到空間上的質(zhì)量變化[9-11]，進而識別耕地變化的驅(qū)動機制[12-13]。隨著中國生態(tài)文明與綠色發(fā)展戰(zhàn)略的實施，耕地的多功能性(生產(chǎn)、生活與生態(tài)功能)被予以關(guān)注，學者們在強調(diào)耕地數(shù)量與質(zhì)量雙保護的同時，開始聚焦耕地生態(tài)功能的挖掘與多功能評價[14-16]?？傮w而言，已有耕地保護研究遵循著定性指導定量、定量檢驗定性的思路，在內(nèi)容上呈現(xiàn)出從數(shù)量向質(zhì)量與生態(tài)轉(zhuǎn)變，在方法上從傳統(tǒng)單一數(shù)量統(tǒng)計向多元回歸分析與空間數(shù)據(jù)挖掘轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)出空間精細化、功能復合化和方法多元化的趨勢。

省級單元是落實國家耕地保護政策與制定地方耕地保護方案的橋梁，是實施最嚴格耕地保護制度的關(guān)鍵行政單元。然而，在省級尺度上，已有研究多基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析耕地變化，難以有效把握省級尺度內(nèi)部單元耕地變化的空間動態(tài)性與分異性，更難有效定量識別耕地變化的驅(qū)動因子。湖北省具有豐富的耕地資源和良好的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，是國家重要的商品糧基地，素有“兩湖熟，天下足”的美譽，是長江流域重要水源涵養(yǎng)地和國家重要生態(tài)屏障，耕地保護與生態(tài)文明建設(shè)任務艱巨。第二次全國土地調(diào)查(簡稱“二調(diào)”)借助新技術(shù)、新方法，在對土地資源詳細調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)構(gòu)建了完整規(guī)范的土地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，為分析土地資源尤其是耕地資源利用狀況提供了詳實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，本文基于湖北省“二調(diào)”以來的土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合耕地糧食安全與生態(tài)安全理念，系統(tǒng)分析2009—2016年湖北省耕地變化及其生態(tài)景觀格局，在此基礎(chǔ)上定量識別驅(qū)動耕地變化的主要因子，為新時期湖北省耕地可持續(xù)利用提供決策思考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于中國中部地區(qū)(圖1)，地處長江中游、洞庭湖以北，地理位置位于東經(jīng)108°21′42″—116°07′50″，北緯29°01′53″—33°16′47″。承東啟西、連南接北，為九省通衢之要地，全省東西長約740 km，南北寬約470 km，面積18.59萬km2，占全國總面積的1.94%。湖北省現(xiàn)有13個地級行政區(qū)劃單位，包括12個省轄市、1個自治州，共計103個縣級行政區(qū)劃單位，包括39個市轄區(qū)、24個縣級市(其中3個直管市)、37個縣、2個自治縣、1個林區(qū)，總?cè)丝? 157萬人。根據(jù)2016年度全國土地變更調(diào)查結(jié)果，湖北省耕地面積524.53萬hm2，占土地總面積的28.22%，主要集中在漢江平原地區(qū)，人均耕地0.085 hm2。近年來，湖北省社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，建設(shè)開發(fā)與優(yōu)質(zhì)耕地保護的矛盾較為突出，耕地保護形勢較為嚴峻，耕地破碎化問題明顯，開展耕地變化的時空特征及其驅(qū)動機制研究，有助于促進耕地多功能利用，實現(xiàn)耕地數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)的“三位一體”保護。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)來源于2009—2016年湖北省土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(1∶10 000比例尺)?；贏rcGIS 10.2工作平臺，對湖北省103個縣域單元進行批量操作，剖析耕地變化特征；湖北省數(shù)字高程數(shù)據(jù)(30 m×30 m)，來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心的地理空間數(shù)據(jù)云平臺。社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于2009年和2016年《中國統(tǒng)計年鑒》、《湖北省統(tǒng)計年鑒》、《湖北省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》以及湖北省各地級市統(tǒng)計年鑒等。

2 研究方法

2.1 景觀格局分析

耕地數(shù)量變化可直接通過耕地圖斑信息統(tǒng)計獲取，但數(shù)量變化并不能完全反映耕地變化的空間性特征，耕地變化前后可能會帶來空間破碎化和形狀復雜化問題，進而影響耕地的生產(chǎn)與生態(tài)功能，其特征可通過景觀格局指數(shù)予以測度[17-18]。本文選取斑塊密度和面積加權(quán)平均分維數(shù)，將2009年、2016年湖北省土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)，運用Fragstats 4.2測度耕地景觀格局變化特征。斑塊密度(PD)表示單位面積上的斑塊數(shù)量，反映耕地破碎化程度，其計算公式如下：

PD=N/A

(1)

式中：N是耕地斑塊數(shù)；A是給定單元大小面積(這里取100 hm2)。

面積加權(quán)平均分維數(shù)是指某類型斑塊的形狀與規(guī)則的歐幾里得幾何體的偏離程度，這里可用來反映人類活動對耕地變化的干擾度，具有重要的生態(tài)學意義，其計算公式如下：

P=kAD/2

(2)

(3)

式中：P是斑塊周長；A是斑塊面積；D是分維數(shù)；k是常數(shù)，這里k=4；一般而言，歐幾里得幾何形狀的分維為1，具有復雜邊界斑塊的分維大于1，但小于2。

2.2 驅(qū)動機制識別

耕地變化是各種驅(qū)動力綜合作用的結(jié)果，自然條件和社會經(jīng)濟發(fā)展是影響耕地變化的主要動因[19-21]。本文從自然、社會和經(jīng)濟因素方面，選取12個因子，分別是地形復雜度(無量綱，x1)、土地利用信息熵(無量綱，x2)、交通運輸用地占比(%，x3)、人口(人，x4)、土地供應量(hm2，x5)、GDP(億元，x6)、人均GDP(億元/人，x7)、地均GDP(億元/hm2，x8)、人口城鎮(zhèn)化率(%，x9)、地方政府財政收入(億元，x10)、第一產(chǎn)業(yè)GDP(億元，x11)、二三產(chǎn)業(yè)GDP(億元，x12)。為排除所選因子的重復作用關(guān)系，對所有因子進行共線性診斷[21]。方差膨脹系數(shù)(variance inflation factor，VIF)是衡量多元線性回歸模型中多重共線性嚴重程度的重要參考[22-23]。當VIF值較大時，表明在自變量之間有可能存在多重共線性問題；一般來說，以VIF=10為臨界值，VIF<10時，各因子間的共線性不明顯。所選擇的驅(qū)動因子VIF值均小于10，通過冗余分析。

在評價因子選擇合理性的基礎(chǔ)上，本研究分別以湖北省103個縣域單元耕地變化及其驅(qū)動因子為因變量和自變量，采用多元線性回歸分析方法，識別耕地變化的關(guān)鍵驅(qū)動因子，其公式如下：

y=b0+b1x1+b2x2+…+bmxm+e

(4)

式中：y表示耕地變化；xm表示m個驅(qū)動因子；bm為回歸系數(shù)；e是誤差項。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地數(shù)量變化與空間特征

2009—2016年，湖北省耕地面積呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，總面積從2009年的532.30萬hm2減少到2016年的524.53萬hm2(圖2)，而全省人口則出現(xiàn)一定的波動性，2016年戶籍人口相對于2009年有小幅增長，人口與耕地的反向增減變化直接導致人均耕地的減少，全省人均耕地面積從2009年的0.087 hm2下降到2016年的0.085 hm2，這種變化趨勢不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性。從其他地類與耕地的轉(zhuǎn)換關(guān)系來看，大量耕地轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點以及交通用地等建設(shè)用地，建設(shè)用地占用耕地面積占耕地減少總面積的比例高達91.02%，其中，超過一半以上是因城鎮(zhèn)用地開發(fā)而導致耕地減少；而耕地增加的來源則更多為農(nóng)用地內(nèi)部的調(diào)整，其中園地、林地和草地是耕地增加的主要來源，占新增耕地總面積的75.59%。值得注意的是，隨著節(jié)約集約用地與城鄉(xiāng)增減掛鉤相關(guān)政策的深入實施，廢棄工礦用地與閑置農(nóng)村居民點逐漸成為新增耕地的主要來源，2009—2016年，約有1/10的新增耕地是通過農(nóng)村居民點整治予以補充。

圖2 2009-2016年湖北省耕地與人口變化

從耕地變化的空間分布來看，除宜昌市與咸寧市耕地面積略有增加外，其他地市耕地面積均出現(xiàn)不同程度的減少，其中，尤以武漢市耕地減少規(guī)模最大，2009—2016年耕地減少面積高達2.32萬hm2，占全省耕地減少總面積的29.82%，這與武漢市城鎮(zhèn)人口與用地的快速擴張直接相關(guān)。江漢平原地區(qū)耕地面積的減少值得關(guān)注，該地區(qū)耕地質(zhì)量優(yōu)良，但作為江漢平原核心地帶的仙桃、潛江與天門等地均出現(xiàn)耕地逐步降低的趨勢；從全省2009—2016年耕地與其他地類轉(zhuǎn)換的空間關(guān)系來看，減少的耕地多為平原區(qū)優(yōu)質(zhì)耕地，增加耕地更多是通過農(nóng)用地內(nèi)部調(diào)整與農(nóng)村建設(shè)用地整治獲得。這在一定程度上反映了耕地增減動態(tài)變化的現(xiàn)實問題，即減少的耕地多為質(zhì)量較好的良田，而增加的耕地則生產(chǎn)條件參差不齊。如何在保障耕地數(shù)量平衡的基礎(chǔ)上，確保耕地質(zhì)量的動態(tài)平衡，仍是當前耕地保護亟需解決的問題。

3.2 耕地景觀格局變化

耕地景觀格局在一定程度上反映了耕地的立地條件與質(zhì)量優(yōu)劣，平原區(qū)耕地往往集中連片，便于規(guī)?；鳂I(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而丘陵山區(qū)的耕地一般較為細碎，其整體生產(chǎn)便捷性與效率性不及平原區(qū)。耕地景觀格局特征分析豐富了耕地變化特征識別的維度，有利于實現(xiàn)耕地數(shù)量與質(zhì)量的雙保護。整體來看，湖北省耕地斑塊密度呈現(xiàn)中部低四周高的格局，這種差異性與耕地自然條件基礎(chǔ)直接相關(guān)，全省耕地主要集中在鄂中江漢平原地區(qū)，該區(qū)域為湖北省糧食主產(chǎn)區(qū)，特別是潛江、天門、荊州和孝感等地，耕地連片度高。鄂西地區(qū)受復雜地形限制，耕地斑塊細碎；鄂東地區(qū)城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟發(fā)展水平相對較高，二三產(chǎn)業(yè)較發(fā)達，耕地所占比例較小。從耕地斑塊密度變化來看(圖3)，2009—2016年，湖北省大部分地區(qū)的耕地斑塊密度都呈現(xiàn)出小幅增長的態(tài)勢，與之相應地，全省縣域單元耕地斑塊平均值不斷降低，從2009年的26.67 hm2減少到20.27 hm2，說明人類活動對耕地干擾度的影響仍在持續(xù)，耕地景觀進一步破碎化。值得注意的是，恩施自治州的各縣級單元耕地斑塊密度均出現(xiàn)不同程度的降低，這與該地區(qū)近年來采取的連片成塊的耕地開墾方式直接相關(guān)。

圖3 湖北省2009年、2016年耕地斑塊密度

耕地空間形態(tài)是表征耕地生產(chǎn)條件的另一個重要維度，形狀規(guī)整度高且連片度較好的耕地斑塊利于推進農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。從湖北省耕地面積加權(quán)平均分維數(shù)來看，整體上呈現(xiàn)出中東部高西部低的態(tài)勢(圖4)，但武漢市主城區(qū)周邊的耕地面積加權(quán)平均分維數(shù)較低，表明形狀規(guī)整度較高，這與城鎮(zhèn)化進程帶來的耕地減少及耕地整理相關(guān)；鄂西南的恩施自治州受到地形因素的限制，耕地形狀較為復雜，這充分說明自然條件與人類活動對耕地景觀格局共同作用的影響。從耕地形狀變化來看，湖北省縣域單元耕地面積加權(quán)平均分維數(shù)平均值由2009年的1.25增加到2016年的1.28，整體有趨于形狀復雜化態(tài)勢。但需要說明的是，期間全省有72個縣域單元(占全省縣域單元總數(shù)的69.90%)的耕地面積加權(quán)平均分維數(shù)出現(xiàn)了不同程度的降低，這與近些年農(nóng)田整治項目的大力實施直接相關(guān)，部分地區(qū)已形成“田成方、路成網(wǎng)”的規(guī)整化格局。同時，全省縣域單元耕地形狀變化有兩極分化的態(tài)勢，部分縣域人類活動對耕地景觀格局的負向影響值得關(guān)注。

圖4 湖北省2 009與2016年耕地面積加權(quán)平均分維數(shù)

3.3 驅(qū)動因子分析

運用SPSS軟件對對湖北省103個縣域單元耕地面積變化的因子進行回歸分析，得到各因子回歸分析結(jié)果(表1)。對耕地變化具有顯著影響的(Sig.<0.01)因子為人口總量、人均GDP、第一產(chǎn)業(yè)GDP和二三產(chǎn)業(yè)GDP，其中人均GDP回歸系數(shù)為正值，表明隨著人均GDP的提高，耕地面積變化量增加，這符合一般性認知，即經(jīng)濟發(fā)展一定程度上加大了耕地變化的波動性，人類活動對耕地資源干擾度加大。與非農(nóng)經(jīng)濟活動相比，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟收入提高的空間有限，人均GDP的增加往往來源于非農(nóng)收入的增加，這直接帶來非農(nóng)經(jīng)濟活動對土地開發(fā)需求量的增加，而耕地是新增非農(nóng)經(jīng)濟活動用地的主要來源，導致耕地變化趨于頻繁。2009—2016年，湖北省人均GDP由2.27萬元增加到5.57萬元，同期耕地總面積則減少了7.77萬hm2，意味著全省每萬元人均GDP增加值直接帶來高達2.35萬hm2的耕地消耗。而這尚未考慮期間耕地增減的動態(tài)變化，即耕地與其他地類增減的動態(tài)關(guān)系，由此可見，實際的經(jīng)濟增長對耕地的消耗遠高于2.35萬hm2/萬元的地耗水平，形成了耕地變化的主要動因。

人口總量、第一產(chǎn)業(yè)GDP及二三產(chǎn)業(yè)GDP變化與耕地變化之間呈現(xiàn)出顯著的負相關(guān)，隨著人口增加耕地變化量反而趨于變小，這可能與當前人口快速城鎮(zhèn)化相關(guān)，即人口總量變化并沒有帶來相應的從事農(nóng)業(yè)人口數(shù)量的增加。2009—2016年，盡管湖北省常住人口增加了165萬人，但鄉(xiāng)村人口反而減少了623萬人，直接從事農(nóng)業(yè)人口的比例逐年減少，傳統(tǒng)農(nóng)戶對于耕地生產(chǎn)性依賴及用地需求也隨之降低，進而可以解釋人口增加與耕地變化的負向關(guān)系。與之類似地，隨著第一產(chǎn)業(yè)GDP的增長，耕地面積變化量降低，這是因為當前第一產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟規(guī)模的增加更多是依靠農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的改進和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提高，其直接原因并不是因為耕地面積的增加；但一定程度上而言，最嚴格的耕地保護制度在政策上有效遏制了違法占用耕地的行為，降低了耕地面積動態(tài)變化的概率。二三產(chǎn)業(yè)GDP與耕地變化的負向關(guān)系似乎與傳統(tǒng)經(jīng)驗不符，一般而言，二三產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要更多的土地資源支撐，會導致耕地面積的減少，這種負向驅(qū)動可能與研究期間各縣域單元二三產(chǎn)業(yè)GDP快速增長有一定關(guān)系，因為期間耕地面積變化速度相對緩慢，且鄂西南、江漢平原等區(qū)域存在縣域單元耕地面積增減不一的現(xiàn)象，區(qū)域分異性明顯。

表1 湖北省2009-2016年耕地變化回歸分析

注：Sig.值小于0.05表示95%以上的置信水平；Sig.值小于0.01表示99%以上的置信水平。

除此之外，對耕地變化具有較顯著影響的(0.01

4 討 論

(1) 社會經(jīng)濟的快速發(fā)展帶來了人們生產(chǎn)生活方式的轉(zhuǎn)型，城鄉(xiāng)居民食物消費結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)生變化，目前中國公眾飲食消費已從保障數(shù)量安全為主轉(zhuǎn)向更加注重營養(yǎng)健康。這種消費需求變化帶來了耕地保護目標的變化，由傳統(tǒng)的耕地數(shù)量保護轉(zhuǎn)向數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)安全的“三位一體”保護。本文從耕地數(shù)量變化分析為切入點，拓展到耕地質(zhì)量和生態(tài)相關(guān)的景觀格局變化分析，并探討耕地變化的主要驅(qū)動因子，體現(xiàn)了省域、縣域與地塊3個尺度的變化特征，一定程度上豐富了耕地保護研究的內(nèi)容和層次。

(2) 耕地景觀格局特征是評價耕地質(zhì)量好壞和識別耕地變化趨勢的重要維度。當前，耕地資源變化具有明顯的空間動態(tài)性，耕地與其他地類之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系復雜而頻繁，單純依賴于統(tǒng)計意義上的耕地數(shù)量或質(zhì)量監(jiān)測，并不能有效反映耕地變化的實際情況。人類活動不可避免會造成耕地破碎化，這既影響區(qū)域農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)，也不利于耕地生態(tài)功能的發(fā)揮。本文從耕地斑塊尺度分析省級層次耕地與其他地類轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及耕地破碎化程度和形態(tài)變化特征，對于制定差異化耕地保護策略有一定的借鑒意義。

(3) 自然條件形成了耕地資源特征的內(nèi)在基礎(chǔ)，具有長期穩(wěn)定性；社會經(jīng)濟發(fā)展條件則形成了耕地資源變化的外在動因，具有短期波動性，這種特征性較為明顯地體現(xiàn)在湖北省耕地資源變化驅(qū)動因子識別中。耕地資源保護策略不能試圖以統(tǒng)一模式和標準進行推廣實施，需要統(tǒng)籌好自然地域分異和社會發(fā)展差異的關(guān)系，以影響耕地變化的主要社會經(jīng)濟因子為著力點，協(xié)調(diào)好耕地資源保護與社會經(jīng)濟發(fā)展的動態(tài)關(guān)系，進而基于區(qū)域自然條件制定差異化的耕地資源保護策略。

5 結(jié) 論

(1) 2009—2016年，湖北省耕地面積呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，建設(shè)用地占用是導致耕地減少的主要原因，耕地資源保護與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾較為突出。同時，隨著近些年土地整治項目的實施，通過農(nóng)村建設(shè)用地整治補充了大量耕地，對于維持全省耕地總量動態(tài)平衡發(fā)揮較大作用。但江漢平原及城鎮(zhèn)周邊的優(yōu)質(zhì)耕地數(shù)量減少問題依然明顯，存在耕地增減數(shù)量大致平衡下的耕地質(zhì)量降低的隱患，需要進一步完善耕地資源保護的獎懲機制。

(2) 從耕地景觀格局變化來看，2009—2016年，湖北省大部分地區(qū)的耕地斑塊密度都呈現(xiàn)出小幅增長的態(tài)勢，耕地斑塊平均規(guī)模有下降趨勢，說明全省耕地破碎化程度趨于嚴重。湖北省縣域單元耕地面積加權(quán)平均分維數(shù)平均值有小幅增加，說明耕地斑塊形狀趨于復雜化，人類社會經(jīng)濟活動對耕地干擾度依然明顯，這種干擾一定程度上影響了耕地的基本生產(chǎn)功能和潛在的生態(tài)功能。

(3) 經(jīng)濟因素是近些年湖北省耕地變化的主要動因，尤以人均GDP的影響最為明顯。盡管湖北省全域自然條件差異顯著，但這種差異性與耕地變化并不存在明顯的關(guān)聯(lián)性。湖北省城鎮(zhèn)發(fā)展需要從用地外延式擴張走向內(nèi)涵式挖潛，盡可能減少城鎮(zhèn)發(fā)展對耕地尤其是優(yōu)質(zhì)良田的侵占，在重視耕地復合功能評價的基礎(chǔ)上，探索建立區(qū)域差異化的耕地生產(chǎn)、生態(tài)和生活功能補償機制。