古麗娜爾·索爾達汗，李曉燕，石振宇，邢梓涵，吳海濤

（1吉林大學地球科學學院，長春 130012；2中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102；3內蒙古自治區(qū)拐子湖氣象站，內蒙古阿拉善盟 735408）

0 引言

黑土是世界上寶貴的土壤資源之一，其土體深厚、腐殖質含量豐富、保水性強、肥力高，是最適宜農耕和最具生產潛力的土壤[1]。東北黑土地區(qū)是中國重要的商品糧生產基地，對于維護國家糧食安全和區(qū)域生態(tài)安全具有舉足輕重的地位。耕地土壤數量和質量的變化不僅影響農作物產量，而且影響中國的糧食安全[2]。城市化是社會經濟進步引領的必然趨勢，被認為是建設用地擴張的過程[3]。中國城市化率從1978年的17.82%提升到了2019年年底的60.6%，提前實現了《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020)》中，到2020年的“常住人口城鎮(zhèn)化率達到60%左右”的目標[4]?？焖俪鞘谢谕苿庸I(yè)化、實現經濟社會轉型發(fā)展等方面做出了突出貢獻，但同時城市化的無序發(fā)展導致建設用地擴張占用大量耕地[5-6]，對耕地數量、質量和結構產生了一定的影響。未來，隨著城市化的進一步推進，建設用地占用耕地的趨勢還將繼續(xù)[7-8]。國內外利用GIS、遙感技術和統計數據對城市化過程對耕地的影響做了大量的研究，主要集中在建設用地與耕地時空變化分析、耕地-建設用地轉型驅動與優(yōu)化配置、建設用地占用耕地的效率研究方面[9-17]。區(qū)域上集中于中東部城市，而對于東北地區(qū)的研究相對較少。

長春市是吉林省經濟發(fā)展和城市擴張的核心區(qū)域，同時，該區(qū)域是黑土資源的典型分布區(qū)，建設用地利用效率的提高與耕地保護的協調對區(qū)域可持續(xù)性發(fā)展具有重要的意義[18]。本研究基于GIS和遙感，利用面向對象-決策樹分類方法提取研究區(qū)2005年和2019年土地利用數據，對長春市區(qū)建設用地及耕地的時空變化、建設用地占用耕地的數量和分布情況以及建設用地對耕地質量和結構的影響進行了分析。研究結果可為長春市區(qū)建設用地擴張規(guī)劃、為實現建設用地與耕地動態(tài)平衡提供數據支撐與決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長春市位于松遼平原腹地，吉林省中北部，位于124°18'—127°02'E 和 43°05'—45°15'N 之間，高程在70～700 m之間，地形以臺地、平原為主，是典型黑土的集中分布區(qū)。該區(qū)域年均氣溫4.8℃，年均降水量560 mm，平均日照時間2688 h。流經長春市的主要河流有松花江、飲馬河等。長春市下轄7區(qū)、3縣（市）、4個國家級開發(fā)區(qū)。本文根據研究需要將長春市轄區(qū)劃分為長春市中心城區(qū)、雙陽區(qū)和九臺區(qū)3個研究單元。研究區(qū)總面積7293 km2，總人口445.08萬人，其中城鎮(zhèn)人口318.84萬人，鄉(xiāng)村人口126.24萬人。自東北老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略實施以來，長春市城市化進程高速推進，建設用地面積的增加對耕地及其生態(tài)環(huán)境產生了顯著的影響。

1.2 數據來源

土地利用數據來源于Landsat TM/OLI影像解譯。分別下載覆蓋研究區(qū)范圍的2005年Landsat TM影像4景，2019年Landsat OLI影像4景(http://www.gscloud.cn/)，經大氣校正、幾何校正、增強、鑲嵌和裁剪，獲得研究區(qū)影像數據。參照《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010—2007)中土地利用分類，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、濕地、建設用地和其他用地類型6類?；趀 Cognition軟件采用面向對象-決策樹分類方法對影像進行分類，并采用隨機生成的188個驗證點，在Google Earth軟件平臺進行精度驗證，兩期解譯數據的Kappa系數均在0.85以上，可用于應用分析。DEM數據(30 m)為ASTER GDEMV2數據，來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)，經過鑲嵌和裁剪，獲得研究區(qū)高程數據。采樣點數據來源于吉林省耕地地力評價數據，每10平方公里在耕地表層(20 cm)采集一個樣點，共采樣338個（圖1）。每個樣點采5個樣混合后經四分法取一部分樣品經自然風干、磨碎、過2 mm篩后依據土壤農化分析方法進行相關測試分析[19]。本次耕地地力評價的測定指標包括土壤容重、陽離子交換量、土壤pH、有機質、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鐵和有效鋅。

圖1 研究區(qū)位置與采樣點分布圖

1.3 研究方法

1.3.1 土地類型轉換研究 土地類型的變化表現為不同土地類型之間的相互轉換[20]，反映各土地類型轉移方向及其轉移面積。研究基于ArcGIS10.6疊加分析并對其屬性進行交叉表查詢構建土地類型轉移矩陣。

1.3.2 耕地質量評價 采用應用廣泛的綜合質量指數法對耕層土壤質量進行了評價，公式如(1)所示。

式中：ωi為確定的指標權重，si為指標因子線性得分值，n為指標個數。已有研究表明，非線性指標構建的綜合質量指數法較線性指標可以更有效地反映土壤的質量情況[21]，研究中對12個有土壤理化指標根據非線性標準化方法進行標準化后獲得指標因子的得分值，指標權重由主成分分析獲得的指標公因子方差所占比例確定[22]。

表1 景觀格局指數

1.3.3 景觀格局指數 景觀格局指數可以定量反映景觀類型結構組成與空間分布的特征和景觀格局的時空變化[23]，結合前人研究成果及長春市土地利用變化特征，本文的景觀指標主要選取了最大斑塊占總面積比例(LPI)、景觀形狀指標(LSI)、斑塊結合度(COHESION)、面積加權平均形狀指標(AWMSI)、分離度(SPLIT)和聚集度(AI)6個指標。

2 結果與分析

2.1 建設用地及耕地時空變化特征

2005—2019年間，研究區(qū)建設用地面積從91149.08 hm2增加到112312.38 hm2，增加面積為21163.30 hm2，增長率為23.22%；耕地面積從463255.58 hm2減少到444243.77 hm2，減少面積為19011.81 hm2，減少率為4.10%（表2），中心城區(qū)土地類型變化最顯著，建設用地增加了13505.89 hm2，占整個研究區(qū)建設用地擴張面積的63.82%；空間上，以原有城區(qū)為主向西南、東南和東北方向擴張（圖2）；耕地面積減少了11621.66 hm2，占研究區(qū)耕地減少總面積的61.13%。雙陽區(qū)和九臺區(qū)的建設用地分別增加了3922.54、3734.87 hm2，占建設用地增加總面積的18.53%和17.65%；耕地減少面積分別為3878.44、3511.72 hm2，占耕地減少總面積的20.40%和18.47%，均顯著小于中心城區(qū)。2005—2019年期間，長春市受“東北地區(qū)振興規(guī)劃”以及“新東北現象”[24]的影響，人口、經濟和工業(yè)的發(fā)展發(fā)生了波動性的變化[25]，大量的政府投資被用于改善東北地區(qū)的基礎設施，使長春市建設用地快速發(fā)展。隨著產業(yè)的轉移和擴散，開發(fā)區(qū)建設及交通設施的完善，中心城區(qū)與周邊城鎮(zhèn)逐步一體化，外延式城市擴張模式導致建設用地擴張進程中占用了周邊大量的耕地。此外，非農業(yè)人口的增長也被認為是建設用地擴展的推動因素之一[26]，盡管人口外流以及低自然增長，長春市城鎮(zhèn)人口仍然緩慢增長。隨著城市化進程，中心城區(qū)周邊的城鎮(zhèn)務農人員流入城市，導致城市人口增多，這必然增加對建設用地的需求。

圖2 2005年(a)、2019年(b)長春市土地利用類型空間分布圖

表2 長春市區(qū)建設用地和耕地面積變化統計

2.2 建設用地擴張對耕地數量的影響

采用ArcGIS10.6空間疊置和空間分析方法，獲得2005—2019年期間長春市土地類型轉換矩陣（表3）。由表3可知，研究區(qū)有18170.84 hm2耕地流入建設用地，占耕地總流失面積的94.20%，建設用地增加面積的85.33%來自于耕地，可知建設用地擴張是導致該區(qū)域耕地資源流失的最主要原因。其中中心城區(qū)有11242.37 hm2耕地轉化成建設用地，占耕地總流出量的96.43%，該區(qū)建設用地增加面積中有83.11%由耕地轉變而來；雙陽區(qū)有3724.35 hm2耕地流向建設用地，占該區(qū)耕地流出總量的94.70%，建設用地流入總量中94.95%來自于耕地；九臺區(qū)有3204.13 hm2耕地被建設用地占用，占該耕地流出總量的86.62%，建設用地流入總量中有83.33%來自于耕地。對比3個區(qū)發(fā)現，中心城區(qū)建設用地占用耕地面積最多，占整個研究區(qū)域的61.87%。

表3 2005—2019年長春市區(qū)土地類型轉移矩陣 hm2

2.3 建設用地擴張對耕地格局的影響

建設用地擴張對耕地的侵占與破壞，使區(qū)域景觀格局發(fā)生了顯著的變化。由表4可知，耕地的景觀優(yōu)勢度變弱，聚集度減小，景觀形狀指數和分離度增大，說明其形狀呈逐漸破碎化，由聚集變分散的趨勢，面積加權平均形狀指數減小，說明利用效率增大；建設用地景觀優(yōu)勢度增強，景觀形狀指數和分離度減小，聚集度和斑塊結合度增大，表明其形狀逐漸變規(guī)整，聚集程度變高。由以上分析可知，研究區(qū)內耕地和建設用地景觀格局變化趨勢較明顯，新增的建設用地與周邊的耕地相間分布，導致耕地景觀格局出現一定程度的破碎化，建設用地則表現出聚集傾向。

表4 2005—2019年長春市黑土區(qū)景觀格局指數

2.4 建設用地擴張對耕地質量的影響

采用綜合質量指數法對研究區(qū)耕地土壤質量進行了評價[27]，得到2005年長春市耕地質量分級圖（圖3）。土壤評價結果分為5級，土壤質量指數越高，土壤質量越好（表5）。由表5可知，Ⅰ級土壤占總面積的14.35%，主要分布在西部臺地平原和東部低山丘陵的交界處；Ⅱ級土壤占總面積的24.58%，集中分布在中心城區(qū)。研究區(qū)面積最大的土壤為Ⅲ級土壤，占總面積的34.26%，分布在中部以及東南部。Ⅳ級土壤占比為17.14%，基本上分布在東北部九臺區(qū)。Ⅴ級土壤占比為9.68%，沿著Ⅳ級土壤向東延伸?？傮w來說，研究區(qū)耕地土壤質量較高，以Ⅰ～Ⅲ級土壤為主，占比為73.19%。從各研究單元平均土壤質量來看，中心城區(qū)土壤質量最高，評價指數平均值為0.49，雙陽區(qū)和九臺區(qū)土壤質量指數平均值分別為0.39、0.44。

圖3 長春市區(qū)耕地質量等級圖(a)及建設用地占用耕地質量分級圖(b)

表5 土壤質量分級標準及長春市區(qū)耕地質量分級統計

從建設用地占用耕地情況來看，建設用地擴張主要占用土壤質量為Ⅰ～Ⅲ級的耕地，其中Ⅱ級土壤面積最多，為6588.45 hm2，占總面積的36.26%。由表6可知，中心城區(qū)建設用地擴張占用的全部為Ⅰ～Ⅳ級的耕地，其中Ⅰ～Ⅲ級耕地占中心城區(qū)建設用地占用耕地面積的總比例高達94.74%；雙陽區(qū)和九臺區(qū)建設用地擴張占用面積最大的耕地級別為Ⅳ級，占比分別為69.15%、39.35%。因為平原地區(qū)地形平坦，土壤肥沃，便于農耕，且有利于交通聯系和節(jié)省建筑投資，是人口集中分布地區(qū)，也是城市發(fā)育的理想環(huán)境[28-29]。長春市位于黑土集中分布區(qū)，耕地質量較高，以蔓延方式擴張的城市化過程中，占用的均為優(yōu)質耕地，對耕地的壓力和糧食安全的影響逐漸增強[30,31]，使城市發(fā)展與黑土地保護矛盾突出。

表6 長春市建設用地占用不同質量耕地面積統計

3 結論

在快速城市化階段，長春市建設用地蔓延式擴張不斷蠶食耕地，對耕地數量、格局及質量產生了一定的影響。實現建設用地擴張需求與耕地保護之間的動態(tài)平衡是自然、經濟與城市持續(xù)發(fā)展的基本保障，深入分析長春市區(qū)建設用地及耕地的變化特征和建設用地擴張對耕地的影響有助于了解土地利用格局發(fā)展趨勢，合理規(guī)劃用地布局。研究結果表明：（1）從數量變化來看，長春市區(qū)建設用地迅速擴張，而耕地面積則大幅減少。長春市建設用地擴張主要集中在中心城區(qū)。從空間分布來看，建設用地呈團塊狀及散點狀分布，其中中心城區(qū)因受集中產業(yè)布局“西南”和“東北”兩翼影響，呈現西南-東北軸向發(fā)展形態(tài)。因受“撤縣改區(qū)”政策、長吉一體化都市區(qū)帶動發(fā)展及中心城區(qū)發(fā)展的影響，九臺區(qū)和雙陽區(qū)建設用地沿主要交通線向主城區(qū)方向擴張，呈片狀及散點狀發(fā)展趨勢；（2）新增的建設用地在已有建設用地周邊開發(fā)，城郊耕地部分被新增建設用地替換，呈現建設用地與耕地交替分布現象，導致耕地的景觀破碎度提高；（3）2005—2019年期間，耕地向建設用地的轉換是長春市區(qū)最顯著的土地類型變化形式，轉換成建設用地的耕地大部分都是優(yōu)質耕地。

4 討論

2000年以來受國家東北老工業(yè)基地振興政策的影響，長春市城市化發(fā)展加速推進，開發(fā)區(qū)建設及城市“多中心分散組團”空間形態(tài)的發(fā)展，交通設施的進步，推動了城市空間擴張。由于蔓延式城市擴張，耕地作為與建設用地鄰接度最高的土地類型，新增的建設用地優(yōu)先占用周圍的耕地，研究中耕地對建設用地擴張的貢獻率達到了85.33%，這與其他地區(qū)相關研究結果是一致的[32-33]。景觀類型和土地覆被結構的改變是造成區(qū)域景觀破碎化的直接原因[34]，其中最顯著的變化是景觀破碎化增加，城郊建設用地擴張是導致耕地景觀破碎化增加的主要因素[35]。耕地破碎化程度越高，農業(yè)生產經營方式越為粗放，生產效率越低[36]。但同時建設用地的增加致使高度城市化區(qū)域的景觀同質化，使市區(qū)景觀破碎化出現減小趨勢[37]。長春市區(qū)土壤質量普遍較高，建設用地擴張主要占用優(yōu)質耕地，對區(qū)域糧食安全產生了重要影響，如何平衡經濟發(fā)展和黑土地保護是區(qū)域發(fā)展過程中面臨的重要問題。研究從數量、景觀格局及質量3個方面對建設用地擴張對耕地的影響進行了探索，該研究對保障建設用地需求，同時增強對黑土區(qū)耕地質量、數量和生態(tài)“三位一體”保護提供數據支撐。