范語思，李月芬，張玉樹，王靈芝

1.吉林大學 地球科學學院，長春 130061;2.福建省農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料研究所，福州 350013

0 引言

土地利用轉(zhuǎn)型是衡量一個國家土地利用形態(tài)是否發(fā)生改變的直觀體現(xiàn)，更是揭示其社會經(jīng)濟發(fā)生轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。耕地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動與保障糧食安全的空間載體，其利用變化是對農(nóng)業(yè)發(fā)展階段的一種反饋，它的利用形態(tài)和發(fā)展模式也與當?shù)氐慕?jīng)濟和社會發(fā)展息息相關(guān)，因此耕地問題一直被廣泛關(guān)注[2-3]。其中，旱地改水田(下文簡稱“旱改水”)作為耕地利用轉(zhuǎn)型的重要部分，在協(xié)調(diào)人地關(guān)系、提高糧食產(chǎn)量和改善人民生活等方面起著積極作用[4]。

旱改水是指通過土地整理工程將旱地改造為水田的過程，是區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整的主要體現(xiàn)[5]。已有研究表明，適當進行旱改水可有效改良土壤、培肥地力、提高農(nóng)民種植效益[6]，同時緩和城鎮(zhèn)化進程中“占水田補旱地”所造成的耕地質(zhì)量下降趨勢[7]。另一方面，旱改水對地形、積溫等自然地理要素與農(nóng)業(yè)水利基礎(chǔ)設(shè)施要求較高，且其不合理的空間配置與建設(shè)時序均可能導(dǎo)致水土資源失衡，產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境負效應(yīng)。因此，精準、科學地布局旱改水項目對于區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)環(huán)境保護至關(guān)重要，而研究旱地-水田的耕地利用結(jié)構(gòu)性特征及其時空演化趨勢將為解決這一科學問題提供必要的理論依據(jù)。

吉林省西部地區(qū)是中國典型的生態(tài)脆弱區(qū)，土地“三化”問題嚴重，鹽堿地分布廣泛。近年來，為改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，一方面將大量鹽堿地直接改良為水田，另一方面則通過土地整理項目進行大量的旱改水改造，導(dǎo)致吉林西部耕地利用結(jié)構(gòu)變化較大，以水田的大量增長為主要變化趨勢。任永星等[8]雖已報道過吉林省西部1990—2015年的總體耕地時空變化特征，指出“旱改水”的趨勢逐漸增加，但對于指導(dǎo)旱改水項目的具體布局優(yōu)化和建設(shè)時序調(diào)整，仍缺乏基于縣域尺度的更為精細的耕地利用結(jié)構(gòu)性特征及其時空演化趨勢研究；此外，在旱改水的研究內(nèi)容設(shè)定上，向長玉[9]從許可最大水田面積入手，利用許可轉(zhuǎn)換度得到研究區(qū)“旱改水”的極限比例；周浩等[10]基于遙感和GIS手段，從“旱改水”角度探討了1990—2013流域耕地變化下水土資源平衡效應(yīng)問題；孫超[11]從分析遂溪縣“旱改水”建設(shè)適宜性和空間穩(wěn)定性入手，提出了基于耦合協(xié)調(diào)度模型和冷熱點分析方法的“旱改水”建設(shè)項目遴選布局方法。前人研究指出了旱改水的主要限制因素和布局優(yōu)化調(diào)控的可能性，但對于旱改水演化背后的驅(qū)動機制仍缺乏有效探討，且多為省市級耕地利用的研究，缺乏縣域尺度耕地轉(zhuǎn)型的探討，無法更精確地為旱改水調(diào)控發(fā)展提供理論依據(jù)。

鑒于此，筆者以吉林西部近年來水田增加趨勢較為明顯的鎮(zhèn)賚縣為例，以耕地利用及其變化特征為主要研究對象，以1980年和2015年吉林西部的土地利用數(shù)據(jù)為依托，借助GIS空間分析技術(shù)采取土地利用轉(zhuǎn)換、空間自相關(guān)驗證對于吉林西部縣域尺度1980—2015年間的旱地-水田耕地利用結(jié)構(gòu)性時空演化特征以及促使旱地向水田轉(zhuǎn)換的主要驅(qū)動因素進行深入分析。研究結(jié)果對于制定吉林西部旱改水方案、優(yōu)化吉林省西部旱改水空間布局和建設(shè)時序具有科學意義。

1 研究區(qū)概況

鎮(zhèn)賚縣位于吉林省西北部、白城市東北部，地理坐標為122°47′～124°04′E， 45°28′～46°18′N(圖1)。縣境東靠嫩江，西連內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁右翼前旗，北與黑龍江省泰來縣、內(nèi)蒙古自治區(qū)扎賚特旗接壤，南和西南分別與大安市、洮南市和洮北區(qū)為鄰。目前，鎮(zhèn)賚縣轄13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，包括到保鎮(zhèn)、鎮(zhèn)賚鎮(zhèn)、五棵樹鎮(zhèn)、東屏鎮(zhèn)、坦途鎮(zhèn)、建平鄉(xiāng)、嘎什根鄉(xiāng)、勝利鄉(xiāng)、大屯鎮(zhèn)、沿江鎮(zhèn)、哈吐氣蒙古族鄉(xiāng)、莫莫格蒙古族鄉(xiāng)、黑魚泡鎮(zhèn)和鎮(zhèn)南羊種場。鎮(zhèn)賚縣地處中緯度內(nèi)陸地區(qū)，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明。年平均氣溫4.9℃，年平均降水量402 mm，年平均無霜期152 d。其西北部地勢較高，海拔160～210 m；中部多為漫崗地，海拔131～170 m；東部與南部有嫩江、洮兒河環(huán)繞，海拔128～150 m。地勢由西北向東南傾斜。鎮(zhèn)賚縣隸屬白城市(GDP為715.4億元，人均GDP為36 278元)，對比吉林省全省人均GDP(5.11萬元)，仍存在較大差距。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

基于地理空間數(shù)據(jù)云[12]下載Landsat TM/ETM遙感影像，30 m空間分辨率，獲取鎮(zhèn)賚縣1980年和2015年遙感影像數(shù)據(jù)和鎮(zhèn)賚縣DEM數(shù)據(jù)；利用ENVI軟件將遙感數(shù)據(jù)進行數(shù)字解譯，解譯結(jié)果分為旱地、水田、林地、草地、城鄉(xiāng)用地、水域及未利用地，本研究僅提取到旱地和水田兩大地類。驅(qū)動力分析主要包括自然影響因素、社會經(jīng)濟影響因素和政策影響因素等，其中自然影響因素包括平均降水量和無雨天數(shù)等氣象數(shù)據(jù)，主要源自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[13]；社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)包括白城市人均GDP和吉林西部三產(chǎn)結(jié)構(gòu)等，主要源自白城市政府官網(wǎng)。

2.2 研究方法

2.2.1 空間自相關(guān)驗證

空間自相關(guān)指空間數(shù)據(jù)潛在的相互依賴性，即空間上鄰接的要素，屬性上表現(xiàn)出一定的一致性。本文引入衡量空間自相關(guān)性的指標—全局莫蘭指數(shù)(Global Moran’s I)，其值介于-1～+1之間，Moran’s I>0，表示屬性的分布呈空間正相關(guān)，即隨空間分布位置聚集，相關(guān)性越顯著，其值越大，空間相關(guān)性越明顯；Moran’s I<0，表示屬性的分布呈空間負相關(guān)，其值越小，空間差異越明顯；Moran’s I=0，則不存在空間相關(guān)性，呈隨機分布。

借助ArcGIS軟件空間統(tǒng)計工具中的空間自相關(guān)分析進行運算，輸出結(jié)果還包括p值(pvalue)和z得分(zscores)兩個輔助判別的指標值。p值指所觀測的空間模式是由某一隨機過程創(chuàng)建而成的概率，p值越小，空間聚集度越高；p值為1，則空間數(shù)據(jù)完全屬于隨機分布；z得分為標準差的倍數(shù)，有正負之分，z得分的絕對值越大，則空間聚集度越高。置信度是空間數(shù)據(jù)非隨機分布的可能性。表1為不同置信度下未經(jīng)校正的臨界p值和臨界z得分。

表1p值、z得分和置信度的關(guān)系

Table 1 Relationship ofp-value,z-score and confidence level

zp置信度/%<-1.65或﹥+1.65﹤0.1090<-1.96或﹥+1.96﹤0.0595<-2.58或﹥+2.58﹤0.0199

2.2.2 GIS空間統(tǒng)計分析

空間統(tǒng)計是GIS空間分析的主要手段，貫穿于空間分析的各個主要環(huán)節(jié)。筆者利用GIS軟件，根據(jù)地類屬性在數(shù)據(jù)屬性表提取鎮(zhèn)賚縣1980年和2015年的旱地和水田地類，應(yīng)用Intersect模塊，將1980年和2015年數(shù)據(jù)進行疊加分析，獲得1980—2015年鎮(zhèn)賚縣耕地“旱改水”數(shù)量統(tǒng)計表(表2)。

表2 鎮(zhèn)賚縣耕地利用轉(zhuǎn)型面積分布表

Table 2 Distribution of cultivated land conversion area in Zhenlai County

鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱“旱轉(zhuǎn)水”/ hm2“水轉(zhuǎn)旱”/ hm2總計/ hm2大屯鎮(zhèn)11 188.00.011 188.0到保鎮(zhèn)29.40.029.4嘎什根鄉(xiāng)17 790.412.817 803.2鎮(zhèn)南羊種場38.50.639.1坦途鎮(zhèn)787.00.0787.0五棵樹鎮(zhèn)4 448.40.04 448.4沿江鎮(zhèn)1 395.40.01 395.4總計35 677.113.435 690.5

2.2.3 景觀指數(shù)

景觀指數(shù)用來研究地類圖斑分布的細碎化程度?；?980年和2015年鎮(zhèn)賚縣土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合Fragstats 4.2軟件，選取斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)和斑塊聚合度指數(shù)(AI)6個指標分析類型尺度上鎮(zhèn)賚縣“旱改水”的時空演變特征(表3)。

3 吉林西部縣域“旱改水”時空演變特征

3.1 研究區(qū)旱改水時空演變特征分析

從表2看出，1980—2015年，鎮(zhèn)賚縣耕地地類轉(zhuǎn)型面積達35 690.5 hm2，“旱改水”主要地區(qū)為大屯鎮(zhèn)(11 188 hm2)、嘎什根鄉(xiāng)(17 790.4 hm2)、五棵樹鎮(zhèn)(4 448.4 hm2)、沿江鎮(zhèn)(1 395.4 hm2)和坦途鎮(zhèn)(787.0 hm2)，“水轉(zhuǎn)旱”主要發(fā)生在嘎什根鄉(xiāng)(12.8 hm2)，其他地區(qū)鮮少分布(表2)。經(jīng)統(tǒng)計，“水轉(zhuǎn)旱”面積共13.4 hm2；“旱轉(zhuǎn)水”總面積35 677.1 hm2，占鎮(zhèn)賚縣耕地變化總面積的99.96%，表明鎮(zhèn)賚縣耕地利用轉(zhuǎn)型在“旱改水”方面的實施力度較大。

1980—2015年， “旱改水”面積增加明顯，主要集中、連片分布在鎮(zhèn)賚縣東北部和西南部，東北部居多。耕地數(shù)量變化方面，水田總面積增加，旱地總面積減少。在鎮(zhèn)賚縣中部，旱地圖斑由之前的小區(qū)域集中逐漸向細碎化、分散態(tài)轉(zhuǎn)變，但西部地區(qū)旱地圖斑面積有所增加且分布較為集中(圖2-4)。

從圖4可以看出，“旱改水”區(qū)域主要成片集中在水田周圍，少數(shù)區(qū)域與旱地相鄰。從作物生產(chǎn)角度考慮，“旱改水”區(qū)域集中、連片的分布，為“旱改水”地類的改造與灌溉提供了便利，這種布局與結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)“旱改水”的有效利用，保證該區(qū)域耕地結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布局和土地利用轉(zhuǎn)型的實施與完善。

3.2 “旱改水”空間分布特征

以1980和2015年吉林西部土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以GIS為平臺，利用Fragstats 4.2軟件，獲取1980年和2015年鎮(zhèn)賚縣“旱改水”的相關(guān)景觀指數(shù)(表3)。

表3 1980—2015年鎮(zhèn)賚縣“旱改水”景觀格局變化

圖2 1980年鎮(zhèn)賚縣耕地地類分布圖Fig.2 Distribution of cultivated land in Zhenlai County in 1980

圖3 2015年鎮(zhèn)賚縣耕地地類分布圖Fig.3 Distribution of cultivated land in Zhenlai County in 2015

圖4 1980—2015年鎮(zhèn)賚縣“旱改水”分布圖Fig.4 Distribution of “dryland into paddy field” in Zhenlai County from 1980 to 2015

1980—2015年，旱地的斑塊形狀不規(guī)則程度加劇，斑塊破碎化程度和斑塊聚集程度也呈現(xiàn)增加趨勢(斑塊密度增加、邊緣密度增加)，優(yōu)勢度有所增加，表明2015年旱地最大斑塊數(shù)量較1980年有所增加，其最大斑塊影響程度進一步加深。

水田相比旱地平均斑塊面積增幅較大，在35年間面積顯著增加，地類的破碎化程度(斑塊密度和邊緣密度增加)加劇，且相較旱地破碎化程度更明顯，趨近于不規(guī)則狀態(tài)；水田斑塊聚合度指數(shù)相比1980年有較大提升，證明水田有著逐漸聚集分布的趨勢。

近年來隨著“旱改水”力度的加大，水田相比旱地面積有大幅度提高，最大斑塊影響程度進一步加深，具體呈現(xiàn)為在水田周邊隨機的、不規(guī)則的轉(zhuǎn)化，且地類斑塊存在聚集程度逐漸加深的趨勢；旱地面積增加幅度較小，斑塊形狀演變越發(fā)復(fù)雜，斑塊破碎化程度加劇，斑塊聚合程度較低，最大斑塊影響程度較小。鎮(zhèn)賚縣旱地正在逐漸以一種破碎化、不規(guī)則化的方式向水田方向轉(zhuǎn)化。

3.3 空間自相關(guān)檢驗分析

空間自相關(guān)性檢驗結(jié)果顯示，1980—2015年土地利用綜合動態(tài)度的Moran’s I 指數(shù)為正，為0.277 3；z得分1.65 29，p值為0.098，三者皆具有統(tǒng)計顯著性。1980—2015年鎮(zhèn)賚縣“旱改水”情況分布呈空間正相關(guān)，空間聚集程度高。由此也驗證了鎮(zhèn)賚縣“旱改水”的空間布局總體上呈顯著的聚集分布(表4)。

表4 1980—2015年空間自相關(guān)檢驗

4 吉林西部“旱改水”驅(qū)動機制分析

4.1 自然因素

影響農(nóng)作物生長的因素包括水量、地形、溫度、濕度、太陽光照、土壤質(zhì)地和土壤有機物等。鎮(zhèn)賚縣屬于中溫帶地區(qū)，地勢較為平坦、土壤肥沃和黑土產(chǎn)量高，有利于植物的根系生長，促進水稻根系的養(yǎng)分吸收；且研究區(qū)相對南方地區(qū)農(nóng)作物生長周期長，日夜溫差較大，能夠為后期作物的發(fā)育提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，使水稻的產(chǎn)量得以提高[14]。

旱地糧食產(chǎn)量易受氣候因素制約和影響，是“旱改水”數(shù)量增多的又一因素。吉林西部年降水量有限(圖5、6)，蒸發(fā)量遠大于降水量，吉林西部地表水及地下水空間分布不均，且地表排水不暢，特別是閉流區(qū)無排水出口。在氣候因素及地貌等因素的作用下，易發(fā)生春旱及夏澇，并存在潛在的沙化及堿化等風險，嚴重影響吉林西部糧食產(chǎn)量[15]。干旱災(zāi)害對于旱地糧食產(chǎn)量的影響，是驅(qū)使旱地向水田轉(zhuǎn)化的重要原因。全球氣候變暖導(dǎo)致了水田種植線逐漸北移[14]，這也是近幾十年東北地區(qū)水田增加幅度較大的原因之一。

圖6 1980—2004年吉林西部年降雨量Fig.6 Annual rainfall in western Jilin during 1980—2004

4.2 社會經(jīng)濟驅(qū)動因素

從社會層面看，1980—2015年，國家正處于高速發(fā)展時期，面對人口壓力、科技和國家發(fā)展等多重問題，中國作為人口大國，糧食產(chǎn)量不僅是國家富強的重要保障，也是解決人民溫飽問題的必備基礎(chǔ)，因此糧食生產(chǎn)備受關(guān)注。吉林省作為國家糧食生產(chǎn)的重要基地，其耕地利用類型在這一時期開始發(fā)生改變[16]。1980—1990年間，家庭聯(lián)產(chǎn)承包責任制也開始廣泛推行，農(nóng)民開始在以旱地為主的耕作區(qū)嘗試水田種植[17]。同時農(nóng)業(yè)方面的科技研究也逐漸深入壯大，其中袁隆平教授培育的雜交水稻正處于這一時期，他培育的水稻相較于普通耕地糧食增產(chǎn)20%，極大地改善了全國的糧食生產(chǎn)問題。水稻的種植引起全國人民的廣泛關(guān)注，以旱地為主的吉林西部也開始了“旱改水”的實踐。

從經(jīng)濟方面看，鎮(zhèn)賚縣城鎮(zhèn)化率水平低于吉林省平均水平，無論是經(jīng)濟發(fā)展水平還是農(nóng)民收入等較吉林省其他地區(qū)都稍顯落后。從收成角度看，旱地作物(莜麥、土豆、玉米、高粱、小麥、谷子、蕎麥、各種蔬菜)一般一年一熟；而水田作物一般一年一熟或兩年三熟，水田相比于旱地每年的糧食產(chǎn)量要高出許多，農(nóng)民的收入也有大幅提高，經(jīng)濟機制驅(qū)動下，“旱改水”規(guī)模不斷擴大。

5 討論

“旱改水”發(fā)展過程中，針對區(qū)域的地理環(huán)境、地質(zhì)、氣候和土壤等特征，結(jié)合具體分布情況和土地承載力綜合評價，科學預(yù)測和動態(tài)模擬，對需要做出地類調(diào)整的旱地及時上報，以保證土地的合理利用，避免出現(xiàn)濫用土地、破壞耕地的行為；加大對其建設(shè)的資金扶持[18]，出臺相關(guān)“旱改水”的優(yōu)惠政策，鼓勵適合種植水稻的農(nóng)田優(yōu)先改造；對一些已經(jīng)種植水稻的田塊，優(yōu)先進行農(nóng)田的基本建設(shè)，幫助水稻種植農(nóng)戶及時解決種植困難、降低水稻種植成本、降低安全隱患[18]。

增加水稻的種植保有量，政府應(yīng)制定相關(guān)水稻種植補貼政策，以滿足水稻的種植狀態(tài)，加快旱改水的推進進程[19]；農(nóng)業(yè)的相關(guān)部門需根據(jù)當?shù)氐耐恋剡m宜性制定最佳水稻生產(chǎn)發(fā)展路線，組織當?shù)剞r(nóng)民學習水稻種植的安全知識和技術(shù)手段，保證農(nóng)民能夠科學的種田，保障水稻的生產(chǎn)質(zhì)量；學習水稻種植的同時，側(cè)重性的研究品種改良，推動農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的發(fā)展建設(shè)，實現(xiàn)在節(jié)水的同時保障水稻的優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)[20]；建立健全的農(nóng)業(yè)服務(wù)體系，對農(nóng)田進行統(tǒng)一管理，幫助農(nóng)戶將種植的損失降低到最小，通過規(guī)?；a(chǎn)、集約化管理，不斷提高水稻種植效益。

旱地改水田的關(guān)鍵包含灌溉和培肥兩個部分，在灌溉方面應(yīng)注重水資源的節(jié)約，加強水利設(shè)施建設(shè)、保證稻田的灌溉；提高水資源的利用率，建立完善的水資源管理模式，加強水稻種植與節(jié)水技術(shù)的研究和實踐，盡量減少水資源在運輸和用水等環(huán)節(jié)上水量的損失，盡可能避免水資源的浪費，從成本上提高水稻的種植效益[21]。在土壤肥力方面，應(yīng)注重“旱改水”過后的施肥，運用物理工程措施、化學改良劑及生物工程修復(fù)等措施改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有機質(zhì)，從根本上提高糧食的生產(chǎn)效益和提高土壤肥力[22]。

6 結(jié)論

(1)鎮(zhèn)賚縣作為吉林西部“旱改水”轉(zhuǎn)化力度最大區(qū)域，在大屯鎮(zhèn)、嘎什根鄉(xiāng)、五棵樹鎮(zhèn)和沿江鎮(zhèn)轉(zhuǎn)型最為顯著；“旱改水”地塊的空間布局總體上呈顯著的聚集分布，其格局演變主要呈現(xiàn)為以現(xiàn)有的集中、連片水田為中心，其周邊破碎化、不規(guī)則化分布的旱地逐漸實現(xiàn)“旱改水”的轉(zhuǎn)變，且水田斑塊聚合程度正不斷增大。

(2)吉林西部的自然條件相對旱地更利于水稻的生長發(fā)育，且種植水田相對于旱地糧食產(chǎn)量、農(nóng)民收入較高，為地區(qū)的發(fā)展及國家的壯大提供基本保障。在自然、經(jīng)濟和社會層面相互協(xié)調(diào)、共同作用下，“旱改水”的規(guī)模不斷擴大。