基于ESDA—GWR的四川省耕地時空演變特征及成因分析

摘要：以四川省市域為研究單元，計算21個市州2000-2013年耕地豐度指數及耕地變化指數，在借助空間自相關及重心模型基礎上研究其耕地時空演變特征，并應用灰色關聯模型和地理加權回歸（GWR）模型探討影響耕地變化的驅動力和影響程度。結果表明，四川省耕地資源表現出明顯的空間異質性，耕地豐富區主要集中在川東地區和四川盆地，耕地稀疏區集中在川西高原區；耕地重心呈L形移動軌跡。四川省耕地總量在減少；變化劇烈（high-high）區在成都和眉山周邊；耕地重心向南偏移。人口增加和經濟發展因素是影響耕地變化的主要驅動力，人口因素影響程度最大的是攀西地區，經濟發展因素影響最大的是川東北地區。

關鍵詞：耕地變化；空間自相關；重心模型；影響因素；四川省

中圖分類號：S151+3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5513-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.018

Study on Spatial-temporal Characteristics and Driving Forces of Cultivated Land Change in Sichuan Province Based on ESDA-GWR

SHE Xiao-ting， Lü Lei， WANG Yu-gui

（Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest of Ministry of Education/College of Geography and Resources Science， Sichuan Normal University， Chengdu 610066，China）

Abstract： In this study，the abundance index and changing index of the cultivated land at 21 cities in Sichuan province were calculated. Based on the spatial autocorrelation and gravity center model， the spatial-temporal characteristics of cultivated land was analyzed，and the driving force of these change and influence degree were also studied by gray correlation analysis method and geographically weighted regression model. The results showed that the cultivated land resources of Sichuan province presented obvious spatial heterogeneity，the rich region of cultivated land mainly concentrated in in east region of Sichuan and Sichuan Basin， the sparse area of cultivated land concentrated in the Western Sichuan Plateau； the moving track of cultivated land center showed the form of \"L\". The total arable land of Sichuan province is decreasing，the severe（high-high） area of cultivated land change is in the periphery of Meishan and Chengdu， the farmland gravity is shifted to south. The increase of population and the economic development might be the main driving factors that affect the change of cultivated land. The greatest driving factor in Panxi area was population and in the northeast of Sichuan was economic development.

Key words： cultivated land change； spatial autocorrelation； gravity center model； impact factors； Sichuan province

耕地是土地重要生產要素之一，是社會穩定和糧食安全的基本保障，也是生存和發展的基本條件，保護耕地是國家義不容辭的責任[1]。國務院提出1.8億畝耕地紅線不動搖政策，也證明耕地保護的重要性。在當前經濟快速發展、人口增長等大背景下，中國建設用地規模擴展，導致耕地日益減少。據統計年鑒顯示，中國耕地從改革開放到2011年，耕地凈減少0.128億hm2，平均每年減少耕地40萬hm2，其中大部分耕地被建設用地占用，對耕地保護政策構成極大的威脅。因此，對耕地時空變化規律的研究，對有效的耕地保護及區域合理有序發展具有現實意義[2-4]。

四川省作為農業大省及13個糧食主產區之一，處于城鎮化和工業化“雙加速”時期，在快速發展的同時，其耕地資源總量減少，到2012年人均耕地面積僅為0.049 hm2，低于聯合國糧農組織所確定的人均耕地0.053 hm2的警戒線，嚴重威脅四川省的糧食安全和經濟持續發展?；诖耍蟛糠謱W者著重從耕地數量及土地利用結構角度研究四川省耕地動態變化[5-7]，也有學者利用RS和GIS技術分析四川省耕地時空變化[8-10]。但極少有學者考慮到空間單元之間關聯性，未能客觀揭示四川省耕地時空分異特征。本研究通過構建耕地豐度及耕地變化指數，引入探索型空間分析（ESDA）及重心模型，著重研究四川省耕地時空演變規律，探討耕地變化的影響因素，以期為保護耕地及區域可持續發展提供政策依據。

1 研究區域及方法

1.1 研究區概況

四川簡稱“川”或“蜀”，省會成都市，自有“天府之國”美譽，是西南、西北和中部地區的重要結合部，地處中國西部長江上游，位于東經92°21′-108°12′和北緯26°03′-34°19′。東連重慶，南鄰滇、黔，西接西藏，北界青、甘、陜三省。四川東部為川東平行嶺谷和川中丘陵，中部為成都平原，西部為川西高原。四川現轄1個副省級市，17個地級市，3個少數民族自治州。據統計年鑒顯示，四川省耕地面積從2000年到2013年共減少352 270 hm2，人均耕地面積從0.052 hm2減少到0.049 hm2。

1.2 研究方法

本研究以四川省21個市州為研究對象，利用耕地豐度指數研究四川省耕地空間格局，其次，運用相對變化率、探索性空間數據分析技術和重心模型分析耕地變化的空間差異。最后，應用灰色關聯和空間地理加權回歸剖析耕地變化的影響因素。所采用的耕地數據、人口數據均來源《四川省統計年鑒》（2001-2014）。

2 耕地時空演變特征

2.1 耕地時空變化格局分析

四川省地處長江上游，地勢復雜。全省耕地部分不均衡，主要分布在盆地丘陵區、盆周山區共占耕地面積的67.03%。其次是成都平原區及川西南山區，占耕地總面積的17%，川西北高原區耕地分布最少，僅占耕地總面積的3.8%。從統計年鑒分析，四川省耕地面積占轄區面積的8.21%，具體各個市州耕地面積分布通過構建耕地豐度指數，反映耕地面積在各個市州內部的分布比例[11]，公式如下：

Ai=

式中，Ai為21個市州中第i個市州的耕地豐度；Si為第i個市州的行政區面積；Fi為第i市州的耕地面積，根據公式計算出2013年四川省21個市州的耕地豐度指數，得到平均耕地豐度指數為17.95%，采用ArcGis的Jenks最佳自然斷點分級法對四川省各個市州的耕地豐度作分級圖，具體見圖1。從空間分布圖來看，耕地豐度具有明顯的扇形分布特征。四川省耕地豐富區即耕地面積占比高于轄區面積占比的地區主要分布在資陽、遂寧、德陽、內江、自貢5市，這5市的耕地面積之占到占四川省耕地總量的23%，可見這些地區耕地資源豐度大，耕地流失少。耕地稀疏區主要分布在雅安、攀枝花、甘孜州、阿壩州、涼山州5市州，轄區總面積占到四川省總面積65%的5個市州的耕地面積之和僅占耕地總面積的15%，可見土地面積廣闊但耕地面積較小，耕地豐度低。其中，尤其是涼山州的耕地面積大，但因為耕地面積占比低于轄區面積，故屬于耕地稀疏區。

2.2 耕地時空變化差異分析

2.2.1 耕地變化空間分布 由于自然條件的區域差異及歷史原因，再加上人口增速與經濟發展速度不同，四川省內各市州2000-2013年耕地變化表現出明顯地域差異[12]。對耕地變化的區域差異，采用相對變化率定量分析[13，14]，公式如下：

R=

式中，R為四川省某一市州的耕地相對變化率； Ka、Kb表示各地區耕地研究期初及研究期末的面積；Sa、Sb表示整個研究區耕地研究起初及期末的面積。一般情況R>1，表示該地區耕地變化大于全區域耕地變化，反之，則小于全區耕地變化。根據公式計算得知，四川省各市州的耕地相對變化率（圖2）。

1）耕地變化劇烈區。耕地變化劇烈的區域包括雅安、攀枝花、成都市、涼山州，其R>2。其中，雅安的耕地變化率位居全省之首，達到4.35，耕地變化最為劇烈。這主要因為雅安作為“川西咽喉”、“西藏門戶”，具有重要的交通地理位置，地貌以西部山地和東部平原交錯分布為主，人口較集中分布在平原區。近年來，受經濟快速發展影響，耕地面積從86 650 hm2減少到56 093 hm2，耕地變化顯得尤為劇烈。其次，成都市作為省會城市，城市化、工業化發展快速，占成都市耕地減少較大比重。攀枝花市位居全省經濟第二位，受工業化及地形因素影響，耕地變化較大。

2）耕地變化緩慢區。耕地變化緩慢區主要包括資陽、內江、德陽等10個市州，耕地變化率處于1-2之間，10個市州耕地相對變化率與全省耕地變化水平差異不大，由于本區域主要集中在川東、川中及川西北高原區，經濟發展較為均衡，差異不大，因此耕地相對變化率較為緩慢。

3）耕地變化穩定區。耕地變化穩定區包含瀘州、巴中、廣元、達州、自貢、宜賓、甘孜州，其R<1，耕地變化低于四川省耕地變化率。其中，廣元、巴中、甘孜州只要是受地形的影響；宜賓、自貢、南充、瀘州屬于四川內部發展較為平穩且發展較早的地級市，因而耕地變化率相對較低，屬于穩定區。在耕地變化穩定區中，自貢的R值最低，僅為0.113，與位居首位的雅安相差甚遠。可見，四川省耕地變化率的區際差異明顯。

2.2.2 耕地變化空間自相關分析 耕地變化受到許多因素綜合影響一般包括自然因素和經濟社會因素，根據地理學第一定律：事物之間存在相互影響，且近距離事物影響程度大于遠距離事物[15]。為了分析不同地理單元之間空間效應的作用與影響，有必要采用空間自相關分析四川省耕地空間變化特征，以明確耕地變化的聚集區域?？臻g自相關是研究所觀察的不同對象的同一屬性在空間上的相互關系，分為全局空間自相關和局部空間自相關[16]。

以相同方式計算四川省28個市州2000-2007和2007-2013兩個時間段的耕地相對變化率，通過Arcgis軟件轉化為矢量文件，而后加載到Geoda中創建基于Queen方式的空間權重，對四川省28個市州相對變化率進行全局空間自相關分析，結果如圖3所示。從圖3可知，在2000-2007年和2007-2013年兩個時段內，大部分市州落入了第一、三象限，其Moran's I2000-2007=0.17和Moran's I2007-2013=0.26，表現為空間正相關，說明28個市州的耕地變化率的在空間分布上并非完全隨機，而是表現出空間相似值的聚集分布，屬于“高-高”和“低-低”聚集類型。采用蒙特卡羅模擬檢驗散點圖的顯著性，P值為0.099和0.016通過顯著性檢驗，即在95%的置信水平下耕地變化的全局空間自相關是顯著的。

通過對比兩個時段耕地變化的LISA聚集圖（圖4）。2000-2007年耕地減少變化劇烈集聚區出現在成都市和眉山市，主要是因為成都市作為省會城市，經濟快速發展，帶動城市擴張占用耕地，必然使這時段內耕地變化較為劇烈，輻射周邊市形成“高-高”聚集區。同時，這一時段內也出現耕地變化“低-高”集聚區，表現四川省耕地變化具有不均衡性，表明耕地變化低于全省變化速度的甘孜州，其周圍市州如雅安市、涼山州、阿壩州的耕地變化速度去高于全省耕地變化水平，產生“低-高”集聚現象。2007-2013年四川省耕地變化“高-高”聚集區轉移至涼山州，表明其周圍的攀枝花市、雅安市等的耕地變化速度也高于全省平均水平。主要因為這一時期涼山州耕地面積從331 230 hm2增加到355 840 hm2，耕地變化較為劇烈，周圍城市的耕地變化速度也較快，相應的耕地變化在空間上也表現出集聚性。同時，在四川盆地南部的自貢市出現“高-低”聚集區，表明四川省耕地變化空間差異性。

2.3 耕地時空變化形態分析

耕地空間分布不均衡，在空間分布上會有一個重心，通過耕地重心變化來分析耕地空間變化態勢。引入平均重心計算不同時段四川省耕地分布重心坐標，公式如下[17]：

=MiXi/Mi =MiYi/Mi

式中，Xi為四川省第i個市州的經度；Yi為第i個市州的緯度；Mi為耕地面積。利用Arcgis計算出四川省3個時段耕地重心坐標，輸出2000年、2007年和2013年3個時間節點耕地重心坐標變化軌跡散點圖（圖5）。四川省2000年、2007年、2013年的耕地重心都分布在資陽市內，分別為E104.78 °、N30.31 °，E104.76 °、N30.27 °，E104.77 °、N30.25 °。2000年耕地重心向西南方向偏移4.628 km，2007年向東南方向偏移2.22 km。相比2000年，到2013年四川省耕地重心整體向南偏移，一方面由于成都及周邊城市快速發展，城區擴大占用耕地，導致耕地減少，另一方面資陽市及以南幾個城市耕地資源豐富，雙重作用促使耕地重心向南偏移。

3 耕地時空變化成因分析

影響耕地變化的因素復雜多樣，包括自然因素和社會經濟因素。一般而言，在短時間內自然因素引起耕地面積變化效果不顯著。因而，社會經濟因素起主要作用?？紤]數據的可獲取性和系統性，結合相關文獻研究及四川省實際情況[18-20]，從引起耕地變化的人口、經濟、社會、農業水平4個方面因素中選擇10個指標（表2）。將錯綜復雜的驅動因素看作成一個灰色系統，將耕地面積作為母序列，10個社會經濟指標作為子序列。取分辨系數ρ=0.5，進行灰色關聯度計算并排序，得到影響耕地面積變化的主要驅動力。

從表2看出，在2000-2013年時段內，各驅動因子與耕地面積變化關聯程度排序為：社會固定資產投資<人均GDP<城市人均住房面積<公路通車里程<城市化率<工業增加值占比<農村人均住房面積<糧食單產<第三產業增加值占比<總人口，除固定資產投資總額外其余所有指標灰色關聯度都高于0.8。其中，總人口、第三產業增加值占比及糧食單產位居前三，與四川省耕地面積變化關聯度最高。四川省作為全國人口大省，人口基數大，從2000年到2013年戶籍人口增加了658萬人，增長率為9%。由于人口增長，一方面糧食需求上漲，需要大量耕地滿足糧食生產，另一方面14年間四川省第三產業的發展，城市非農人口的增加導致城市土地擴張的速度加快，對耕地面積的影響較大。同時，隨著農業科技水平的不斷提高，糧食單產的不斷刷新，在滿足人們基本糧食需求的同時，耕地面積卻在此消彼長，對耕地變化影響也比較大。

對于主要影響因素的空間程度的表達，引入空間地理加權回歸的方法。選擇前3個主要因素人口（X1）、第三產業增加值占比（X2）和糧食單產（X3）作為自變量系數進行GWR回歸。得出R2=0.885，Adjusted R2=0.802，AICc值為24.032，說明GWR模型擬合程度較好。①以人口為系數的地理回歸是以攀枝花和涼山州為熱點敏感區逐漸向東北區域方向遞減，說明人口因素對于耕地變化的影響以攀西地區尤為顯著。②第三產業增加值占比的地理回歸是以廣元、巴中和達州為熱點區逐漸向西南方向遞減，說明對川東北地區的第三產業的發展對耕地面積的變化影響最大。③糧食單產的空間地理回歸也是以廣元和達州為熱點區向西南方向輻射，說明這些地區的糧食單產提高對耕地的變化影響顯著。

4 小結與討論

本文通過構建耕地指數及耕地變化指數，借助探索性空間分析及重心模型，分析2000-2013年四川省耕地分布及變化特征，并對四川省耕地變化的驅動力進行灰色關聯分析，通過研究發現。

1）近10年來四川省耕地資源總量減少，其耕地豐度空間呈現距離衰減規律，即以資陽、內江等核心向三面遞減，具有明顯的扇形空間分布特征。同時，研究表明耕地變化劇烈區，都集中在經濟發展水平高的城市，經濟發展越快占用耕地面積速度越大，導致耕地資源發生較大變化。

2）對四川省兩個時間段空間自相關分析，表明耕地變化在空間上表現聚集性和異質性并存的不均衡現象。2000-2007年耕地資源變化速度快周邊均較快（高-高）區域主要集中在成都市和眉山市，而低高聚集區在甘孜州。2007-2013年高變化聚集區轉移到涼山州，而高低聚集區在自貢。

3）基于重心模型得知，10年來四川省耕地重心都落在資陽市境內，且耕地重心總體向南發生偏移，2000-2007年耕地重心向西南方向移動，2007-2013年耕地重心向東南方向移動，說明川東北經濟區與成都經濟區的耕地流失比川南嚴重，這與經濟發展的重心呈現空間耦合。

4）灰色關聯分析計算關聯度并排序發現：人口是其最具活力的因素，其次糧食單產和第三產業增加值占比與耕地面積變化關聯度較高。說明控制人口數量與提高農業集約利用度，是保護耕地資源的關鍵。空間上，第三產業占比和糧食單產因素的影響程度呈現相同的空間態勢，從川東北地區向西南擴散，而人口因素的影響程度是由攀西地區向東北方向遞減。

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