王秀麗，楊一鳴，陳偉強，李玲，關(guān)小克

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南省土地整治與生態(tài)重建工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002；3.鄭州輕工業(yè)大學(xué)社會發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450002)

耕地作為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料和農(nóng)業(yè)景觀生態(tài)系統(tǒng)中的一部分，合理有效利用耕地對保障糧食與生態(tài)安全具有重要作用[1]。隨著工業(yè)化、城市化進程的加快，有限的耕地資源與建設(shè)用地、生態(tài)用地擴展之間的矛盾日益尖銳，耕地面積減少、質(zhì)量下降、后備資源不足、景觀破碎化等問題不斷出現(xiàn)。因此研究耕地景觀時空動態(tài)變化，探索其中規(guī)律，對于促進耕地可持續(xù)發(fā)展和利用具有重要意義[2-3]。

隨著數(shù)字地球技術(shù)的迅速發(fā)展，遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于景觀格局變化的研究中，涉及城市、森林、草原、濕地、海域等領(lǐng)域[4-6]。通過景觀格局的研究來探討不同地區(qū)的景觀特征，景觀特征存在很大的地域性差異，但在一定方面又具有相似性。有學(xué)者結(jié)合景觀指數(shù)對景觀格局的時空動態(tài)進行了定量分析研究[7]，有學(xué)者利用景觀格局研究河流水質(zhì)[8]、大氣環(huán)境[9]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[10]等自然生態(tài)過程的變化，有學(xué)者通過景觀格局變化研究了農(nóng)村居民點[11]、城市建設(shè)用地[12]等城鄉(xiāng)景觀的景觀特征。關(guān)于景觀格局演變的驅(qū)動因素，有學(xué)者認為宏觀上可分為自然因素和人文因素[13],微觀上可分為經(jīng)濟水平[14]、社會發(fā)展程度[15]、政策措施[16]、氣候條件[17]、地質(zhì)地貌條件[18]、水文水系狀況[19]等。

黃河背河洼地是沿黃農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)，耕地承擔著重要的生態(tài)保護與糧食生產(chǎn)任務(wù)。關(guān)于耕地景觀格局的研究已有很多，但是對于地理區(qū)位優(yōu)越、自然條件優(yōu)異的糧食主產(chǎn)區(qū)的研究較少。原陽縣位于黃河北側(cè)的背河洼地區(qū)，自然地理與區(qū)位條件特殊，以往的鹽堿沼澤地隨著引黃放於、種植水稻、排澇治堿工程等改良利用措施的實施，如今已成為高產(chǎn)的糧食主產(chǎn)區(qū)，耕地利用方式與景觀格局發(fā)生巨大變化。因此，以其為例開展耕地景觀格局變化演變研究，對沿黃流域生態(tài)保護與耕地利用協(xié)調(diào)發(fā)展均具有較強的代表性與借鑒意義。

圖1 原陽縣耕地分布現(xiàn)狀圖Fig.1 Present situation of cultivated land distribution in Yuanyang county

1 研究區(qū)概況

原陽縣地理位置介于113°30′E-114°20′E，34°50′N-35°20′N，地處豫北黃河沖積平原的背河洼地區(qū)，屬河南省新鄉(xiāng)市，地勢西南偏高，東北偏低，屬暖溫帶大陸性氣候，土地肥沃，灌溉便利，是河南省的糧食主產(chǎn)縣。在河南省“十三五”規(guī)劃中，原陽縣作為以鄭東新區(qū)為核心的“半小時經(jīng)濟圈”的重要組成部分和鄭新融合發(fā)展的重要支點。截至2015年，全縣土地總面積102 200 hm2，其中耕地81 262.73 hm2，占比79.5%。水田、旱地面積為22 882.12和58 380.62 hm2，各占耕地總面積的28.2%、71.8%，在全縣均勻分布。由于引黃灌溉，水田集中分布在中部地區(qū)，呈帶狀分布，包括太平鎮(zhèn)、葛埠口鄉(xiāng)南部、路寨鄉(xiāng)南部等地區(qū)。旱地則集中分布在原陽縣北部及南部地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

(1)空間數(shù)據(jù)。原陽縣1980年、1990年、2000年、2010年、2015年土地利用數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院，數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，結(jié)合Landsat影像數(shù)據(jù)及實地踏勘進行驗證對比，測得分類精度達到92.3%。(2)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。主要來源于統(tǒng)計年鑒、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計站、農(nóng)業(yè)服務(wù)中心。(3)耕地客觀狀況。來自于2019年7—8月在原陽縣各村的實地調(diào)研。

2.2 研究方法

耕地的景觀格局演變特征分析采用轉(zhuǎn)移概率矩陣[20-21]與景觀指數(shù)分析法[22-23]。其中轉(zhuǎn)移概率矩陣數(shù)學(xué)表達式為：

(1)

式中：P代表各用地類型的面積/hm2；N代表用地類型的總數(shù)；I和J分別代表研究期初和研究期末的用地類型；PIJ為第I種用地類型轉(zhuǎn)化為第J種用地類型的轉(zhuǎn)移概率。

景觀指數(shù)在Fragstats4.2平臺上計算，選擇景觀類型比例、最大斑塊指數(shù)、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)、聚集度指數(shù)、周長面積分維數(shù)、聚集度和香農(nóng)多樣性指數(shù)等指數(shù)進行分析計算。耕地景觀演變的影響因素分析則采用主成分分析法[24]。

3 結(jié)果與分析

3.1 原陽縣背河洼地耕地景觀時間變化分析

如圖2所示，1980—2015年，耕地面積總體呈增加趨勢，增加了3 212.92 hm2，較1980年增加了4.1%。其中，水田面積增加了958.61 hm2；旱地面積增加了2 254.31 hm2。耕地增加的主要來源為建設(shè)用地的復(fù)墾與水域的轉(zhuǎn)化補充。

圖2 原陽縣5個時段各景觀類型轉(zhuǎn)移概率矩陣Fig.2 Each landscape type transition probability in Yuanyang county in 5 periods

分階段來看，1980—1990年，耕地面積大量減少，共有2 092.24 hm2被閑置、撂荒，而次級轉(zhuǎn)移去向為建設(shè)用地，其變化原因與城市化發(fā)展、經(jīng)濟建設(shè)以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整有關(guān)。1990—2000年，由于黃河改道和未利用地的開發(fā)，耕地面積增加了6 500.11 hm2。2000—2010年，耕地面積有所增加，建設(shè)用地轉(zhuǎn)移是其增加的主要來源，這得益于國家占補平衡制度和嚴格的耕地保護政策，4 020.87 hm2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為耕地。2010—2015年，耕地面積減少了877.72 hm2，城鎮(zhèn)建設(shè)占用及部分村莊建新不拆舊是其減少的主要原因。

3.2 原陽縣背河洼地耕地景觀空間變化分析

由圖3可知，近40 a來各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地均有所增加，總體上呈南多北少，在空間上主要呈環(huán)狀增加。一是由于新農(nóng)村建設(shè)和增減掛鉤政策的實施，村莊周圍閑置、利用率低的宅基地被復(fù)墾為耕地；二是南水北調(diào)中線土地整治重大項目的實施，將村莊周圍的細碎耕地平整、綜合為規(guī)整的田塊，如大賓鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)區(qū)域；三是由于黃河河道南移，導(dǎo)致大量原水域用地轉(zhuǎn)化為耕地，如大賓鎮(zhèn)和陡門鄉(xiāng)區(qū)域。增量耕地的分布較為分散，而減少耕地的分布則較為集中，空間上呈塊狀減少，主要分布在兩個區(qū)域：一是中心城區(qū)所在城關(guān)鎮(zhèn)和葛埠口鄉(xiāng)，該區(qū)域由于城區(qū)擴張和生產(chǎn)建設(shè)需要導(dǎo)致耕地被成片占用；二是縣域南部黃河沿邊區(qū)域，由于河道的變遷，導(dǎo)致沿岸原有部分耕地成為河床。

圖3 1980—2015年原陽縣耕地變化分布Fig.3 Distribution change of cultivated land in Yuanyang county from 1980 to 2015

3.3 原陽縣背河洼地耕地景觀格局變化特征分析

3.3.1 類型水平上景觀格局變化特征 如圖4所示，景觀類型比例指數(shù)度量的是景觀格局的組分，其值越高說明該類型斑塊相對面積越大，1980—2015年，旱地的景觀類型比例指數(shù)最大，其次為水田，兩者指標總和超過70%，說明耕地是原陽縣主要的景觀類型。最大斑塊指數(shù)反映了各景觀類型最大面積斑塊占景觀總面積的比例，是優(yōu)勢度的一種度量方式，1980—2015年，旱地和水田的最大斑塊指數(shù)分列首次，遠高于其他景觀類型，表明旱地和水田組成的耕地景觀是優(yōu)勢景觀。面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)反映了斑塊的形狀復(fù)雜性，旱地和水田分維度指數(shù)高于其他景觀類型，穩(wěn)定地維持在1.2至1.25的高數(shù)值之間，其原因在于長期以來的耕地細碎化。聚集度指數(shù)反映景觀中不同斑塊類型的聚集程度，值越大說明同一景觀類型斑塊越聚集，水田和旱地的聚集度指數(shù)一直維持在99.8以上，其聚集度恒高于其他景觀，主要原因是該地區(qū)一直是糧食主產(chǎn)區(qū)，以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，對耕地的空間連續(xù)性破壞較小。

3.3.2 景觀水平上景觀格局變化特征 由圖5可知，近40 a來，原陽縣整個景觀中最大斑塊指數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢，說明耕地的優(yōu)勢地位在下降。周長面積分維數(shù)衡量的是各景觀類型斑塊形狀的復(fù)雜性，形狀越復(fù)雜分維數(shù)越高。分維數(shù)總體呈現(xiàn)增加趨勢，受市場需求變化，土地利用類型趨向多樣化，特別是臨近道路、居民點的地區(qū)，設(shè)施農(nóng)業(yè)以及瓜果蔬菜種植業(yè)的不規(guī)則發(fā)展，均導(dǎo)致土地形狀的復(fù)雜化。而聚集度指數(shù)基本維持在97.5～97.8，說明各類型景觀的空間分布均勻。香農(nóng)多樣性指數(shù)是景觀豐富度的表征，總體呈減少趨勢，景觀異質(zhì)性在減小，這與土地用途管制制度和規(guī)劃為追求土地利用的綜合效益最大化而改變土地原有的自然分布狀態(tài)有關(guān)。此外，建設(shè)用地比例的不斷增加，也導(dǎo)致景觀格局趨于均一，景觀異質(zhì)性和景觀多樣性同時下降。

圖5 1980—2015年各景觀類型在景觀尺度上的景觀指數(shù)變化Fig.5 The landscape index change of each landscape type in landscape scale from 1980 to 2015

3.4 原陽縣背河洼地耕地景觀變化驅(qū)動因素分析

3.4.1 主成分分析結(jié)果 耕地景觀變化的驅(qū)動因素包括人為、社會和自然驅(qū)動因素，考慮原陽縣實地情況，從人口狀況、人民生活水平、經(jīng)濟發(fā)展水平、農(nóng)業(yè)科技水平和氣候因素5個方面選取12個指標進行分析(表1)。

表1 驅(qū)動因素指標體系Table 1 The driving factor index system

結(jié)果顯示，第1主成分解釋了總變量的58.96%，第2主成分解釋了總變量的22.90%，第3主成分解釋了總變量的8.80%，三者方差貢獻率超過85%，足以表達研究對象的特征。表2顯示了農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)化率、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比、第二產(chǎn)業(yè)值、第三產(chǎn)業(yè)值、糧食單位產(chǎn)出量、農(nóng)機總動力、化肥施用量等指標在第1主成分上的載荷較大，這表明人民生活水平、經(jīng)濟發(fā)展與農(nóng)業(yè)科技因素是耕地格局演變的主要影響因素。在當前生產(chǎn)的技術(shù)條件下，自然條件以及人口狀況對于耕地景觀的影響處于次要地位。

表2 主成分載荷矩陣Table 2 Component matrix

3.4.2 影響耕地景觀格局演變的主導(dǎo)因素 就人民生活水平因素來說，農(nóng)民人均純收入與城鎮(zhèn)化率對耕地面積變化的解釋率分別為0.79，0.59(圖6)，在城市化進程中，因經(jīng)濟、家庭等因素無法離開農(nóng)村的農(nóng)民以及種植能手大量承包進城農(nóng)民閑置的土地，形成農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營。在隨機調(diào)研走訪中發(fā)現(xiàn)種植規(guī)模達3.33 hm2以上經(jīng)營主體的樣本比例高達42.99%，可見城鎮(zhèn)化在該地區(qū)驅(qū)生了規(guī)模經(jīng)營方式繼續(xù)管理耕地。同時，由于從事規(guī)模經(jīng)營農(nóng)民收入不斷提高，從而形成了良性驅(qū)動，促進農(nóng)民不斷引入新技術(shù)進行科學(xué)管理，逐步完善農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營。綜上，該地區(qū)人民生活水平的提高，催生了農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營，并未使耕地退化、荒蕪，相比小農(nóng)經(jīng)營反而使耕地得到更加科學(xué)、有效的利用。

圖6 原陽縣農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)化率、三大產(chǎn)業(yè)、糧食單產(chǎn)、農(nóng)機總動力和化肥施用量與耕地面積變化關(guān)系Fig.6 The relationship between per capita net income of farmers,urbanization rate,three major industries, grain output per unit,total power of agricultural machinery,consumption of Chemical Fertilizers and cultivated land area in Yuanyang County

從經(jīng)濟發(fā)展水平方面來看，近40a來以“農(nóng)”為支撐的三產(chǎn)產(chǎn)業(yè)值穩(wěn)步提高，一、二、三產(chǎn)對耕地變化的解釋率分別為0.82，0.73，0.70。就產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來說，在全縣各處都有成熟的農(nóng)業(yè)種植、銷售業(yè)；還有以農(nóng)產(chǎn)品為主的加工業(yè)，如黃金晴，將優(yōu)質(zhì)稻米加工為高檔禮品；此外，原陽縣推動農(nóng)業(yè)與旅游業(yè)結(jié)合，發(fā)展立體生態(tài)農(nóng)業(yè)以及休閑農(nóng)業(yè)旅游。原陽縣作為優(yōu)質(zhì)稻米生產(chǎn)基地，其品牌效益顯著提高了農(nóng)業(yè)的附加值，特別是近年沿黃立體生態(tài)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，極大提高了農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益，加之當?shù)丶Z食主產(chǎn)區(qū)的定位，其農(nóng)業(yè)主要發(fā)展戰(zhàn)略就是延伸農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，推動耕地高效利用，提高了耕地產(chǎn)出效益。

從農(nóng)業(yè)科技水平角度出發(fā)，糧食單位產(chǎn)出量、農(nóng)機總動力、化肥施用量普遍被認為是反映農(nóng)技水平的重要參數(shù)，其對耕地面積變化的解釋率分別為0.70、0.86、-0.15(圖6)。農(nóng)業(yè)機械總動力體現(xiàn)了農(nóng)機應(yīng)用水平，隨著科學(xué)技術(shù)進步以及政府政策支持，在原陽農(nóng)業(yè)機械已普及使用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率大幅提高。在其他地區(qū)糧食產(chǎn)量往往隨著化肥施用量的提高而提高，但原陽地處黃河北岸、土地肥沃，無需過度使用化肥就能保持糧食高產(chǎn)。糧食單位產(chǎn)出量直觀地反映了農(nóng)業(yè)科技水平，在產(chǎn)出逐年提高成本增幅不大的情況下，農(nóng)業(yè)成為了當?shù)卣桶傩罩Πl(fā)展的產(chǎn)業(yè)，因而耕地保護政策在原陽得到了很好的落實。

綜上所述，人為驅(qū)動力和社會驅(qū)動力是影響原陽縣耕地景觀的主要因素，其中人民生活水平、經(jīng)濟發(fā)展水平、農(nóng)業(yè)科技水平起主導(dǎo)作用，而自然驅(qū)動力的影響相對較小。具體來說，原陽縣作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大縣，其地理位置優(yōu)越、土地肥沃，具有較為完整的產(chǎn)業(yè)體系，在城市化進程中雖然農(nóng)村人口減少，但是其余勞動力通過規(guī)模經(jīng)營承包了剩余土地，使耕地得到了很好的保護和利用。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)時空變化上，研究期末耕地面積較初期增加4.1%，增加的主要來源是建設(shè)用地復(fù)墾，次要來源為水域用地的轉(zhuǎn)化。耕地在全縣各處均有增加，南部居多，主要呈環(huán)狀增加，而減少部分主要分布在西部地區(qū)，呈塊狀減少。近40 a來，原陽縣耕地在空間和數(shù)量上保護成效顯著。

(2)景觀變化上，從類型水平看，耕地是該地區(qū)的優(yōu)勢景觀地類，水田和旱地的最大斑塊指數(shù)、聚集度指數(shù)、景觀類型比例一直高于其他景觀類型，其中旱地的優(yōu)勢度高于水田。耕地的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)一直較高，形態(tài)復(fù)雜。從景觀水平看，耕地是最大斑塊類型，但其優(yōu)勢度在下降。

(3)影響耕地景觀格局變化因素主要為人民生活水平、經(jīng)濟發(fā)展與農(nóng)業(yè)科技水平，其因子包括農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)化率、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比、第二產(chǎn)業(yè)值、第三產(chǎn)業(yè)值、糧食單位產(chǎn)出量、農(nóng)機總動力、化肥施用量。

4.2 討論

本研究通過對黃河背河洼地糧食主產(chǎn)縣原陽耕地景觀格局動態(tài)的分析，揭示了該地區(qū)耕地景觀面積增長和空間上環(huán)狀增加、片狀減少的變化特征。與其他地區(qū)相似，原陽縣耕地景觀演變的驅(qū)動因素也是社會和人為驅(qū)動力，但不同的是在該地區(qū)對于耕地景觀的影響為正，這源于原陽縣優(yōu)越的區(qū)位條件、完整的產(chǎn)業(yè)體系以及普遍推廣的規(guī)模經(jīng)營方式，也說明在經(jīng)濟區(qū)位條件優(yōu)越的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)，通過耕地的規(guī)模經(jīng)營可以很好地實現(xiàn)耕地保護目標。規(guī)模經(jīng)營提升了耕地的單位產(chǎn)出效益，延緩了其他高收益地類侵占耕地的情況。但值得警惕的是，耕地的優(yōu)勢度有所下降，其邊緣形狀長期處于不規(guī)則狀態(tài)，存在破碎化問題。因此，基于原陽縣耕地景觀動態(tài)及其驅(qū)動因素，提出四點耕地管理與保護的建議：

(1)通過土地綜合整治尤其是農(nóng)地整理規(guī)整田塊、配套設(shè)施，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。耕地形狀不規(guī)整、破碎化的問題可通過土地整理得以解決。另外，配套農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，可降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率，有助于維持并提高耕地收益，保證其在與其他地類的競爭中產(chǎn)生優(yōu)勢。

(2)繼續(xù)推動農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營，并完善制度體系。政府應(yīng)積極引導(dǎo)，以農(nóng)業(yè)企業(yè)、合作社等新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體為基礎(chǔ)，鼓勵、帶動農(nóng)民積極參與規(guī)?；?jīng)營。除了數(shù)量和規(guī)模上的提升，還應(yīng)注重細部上的規(guī)模，如不同主體田塊的連通，這不僅可以提高效益，還能使整體耕地景觀更加完整和集聚。

(3)原陽作為黃河流域的發(fā)展核心區(qū)，要充分發(fā)揮其臨近黃河的區(qū)位優(yōu)勢，使自身成為供應(yīng)鄭州、新鄉(xiāng)等周邊城市蔬菜、糧食的“糧倉”。另外，持續(xù)深化農(nóng)業(yè)與二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)合，大力發(fā)展農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)以及立體生態(tài)農(nóng)業(yè)+休閑旅游，發(fā)揮品牌效益，不斷提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)利潤，從而提高耕地的資源地位。

(4)習近平多次強調(diào)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展，因此當?shù)卣畱?yīng)綜合考慮國家宏觀政策、生態(tài)保護等多種因素，結(jié)合當?shù)貙嶋H情況，因地制宜地制定出切實有效的耕地利用與保護政策。保護和利用雙軌并舉，發(fā)揮耕地的多功能性，促使耕地利用與生態(tài)保護協(xié)調(diào)發(fā)展。