水田化進程下撓力河流域耕地時空變化特征

李 娜,雷國平,張 慧,周 浩

(1.東北農業大學 資源與環境學院,哈爾濱 150030; 2.東北大學 土地管理研究所,沈陽 110004)

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水田化進程下撓力河流域耕地時空變化特征

李 娜1,雷國平1,張 慧1,周 浩2

(1.東北農業大學 資源與環境學院,哈爾濱 150030; 2.東北大學 土地管理研究所,沈陽 110004)

以三江平原腹地撓力河流域為研究區，基于1990年、2002年、2013年3期遙感數據分析了該地區水田化進程中耕地時空變化特征，為耕地資源的利用與開發提供依據。結果表明：20多年間流域耕地呈現不穩定增長態勢，旱地和水田的變化趨勢與耕地綜合變化趨勢不完全一致；1990—2002年旱地變化幅度小，水田變化幅度大，2002—2013年旱地面積比例由44.57%下降至42.24%，水田繼續保持增長趨勢，但增長速度明顯放緩；耕地轉入上，流域耕地子類型的內部轉換發生明顯。旱地主要轉入用地類型為未利用地、水田和林地，水田主要轉入用地類型為旱地。耕地轉出上，1990—2002年流域的旱地水田流出以耕地內部轉換為主，2002—2013年旱地和水田的轉出與1990—2002年轉換趨勢基本保持一致。

土地利用; 遙感; 撓力河流域; LUCC; 耕地

耕地作為農業生產中不可替代的物質資料，其數量、質量及空間分布體現了區域糧食安全程度，是維系經濟發展的重要資源[1]。我國人均耕地少、耕地質量總體偏低，近年來經濟的快速發展導致出現一系列耕地不合理使用問題，使得耕地在數量和質量上壓力日益加劇。

流域作為比較完整和獨立的土地利用系統，其土地利用變化具有自身內在的特點，但目前相關研究多從行政單元出發、研究尺度較大，且多側重于土地利用或土地覆蓋分類方面[2-4]，對流域墾殖變化過程及機制研究較少。三江平原是全球變化最為敏感的區域之一[5]，位于其腹地的撓力河流域作為該平原土地開發歷史最早的流域，是新中國成立以來最重要的墾區之一[6]，建國以來該地區農業開發活動非常活躍，經歷了大規模的土地開發，尤其是1980年國家進入經濟迅速發展時期后，地區由于過度追求糧食產量導致土地利用結構變化劇烈，生態環境持續惡化[7]。20世紀90年代初期以來當地農業結構的調整促使大量易澇旱地轉變為水田，造成流域水田面積驟增，作物結構單一，并由此引起一系列生態環境問題[8]，開展該地區墾殖過程研究具有重要的現實意義。

為深入了解該地區耕地資源現狀及變化趨勢，本文以20世紀90年代初當地農業結構的調整作為時間切入點，基于遙感和地理信息系統技術，結合馬爾科夫轉移矩陣、空間分析模型分析流域1990—2013年墾殖變化情況，并深入了解該流域耕地動態變化規律，為指導地區的農業經濟發展提供依據。

1　研究區概況

撓力河流域位于黑龍江省三江平原境內，地理位置為131°31′—134°10′E，45°43′—47°45′N，東南以完達山為界，東與烏蘇里江相接，流域面積約為2.49萬km2，其中耕地面積1.55萬km2(2013年)，多分布于富錦市、饒河縣和寶清縣境內。目前該區已建成6個縣、7個現代化農場，總人口達到125萬人，其中農業人口占65.4%。流域地處半干旱地帶，為中溫帶大陸性季風氣候區，夏季高溫多雨，冬季寒冷漫長，多年平均降水量518 mm，降水分布不均勻，主要集中于6—9月份，春季干旱頻繁，秋季又多洪澇災害。流域地形上呈現西南高、東北低的態勢，水系自西南流向東北。地貌類型主要由山地與平原兩部分組成，山地占流域面積的38.3%，主要分布于流域西南部和南部，平原占61.7%，主要分布于流域北部和中部的內、外七星河及撓力河中游地區[7]。

2　數據來源與研究方法

2.1數據來源與處理

研究中涉及的遙感影像共3期，分別為1990年、2002年、2013年，為美國陸地資源衛星Landsat TM/OLI多光譜遙感影像，數據源來自美國地質勘探局USGS，研究區屬中溫帶大陸季風氣候區且范圍大，選用不同衛星數字產品：1990年、2002年影像數據均采用Landsat TM四景遙感影像，空間分辨率30 m，考慮到部分影像在6—10月期間云量過高且清晰度不夠，研究將時間約束前后各推1年，以便在不影響最終判定結果的基礎上獲得較為清晰的影像數據；2013年影像數據采用Landsat 8 OLI四景影像，云量均維持在1%以下。經幾何糾正及RGB假彩色的合成，參照全國土地利用分類體系，確定該地區土地利用類型為耕地(包括旱地和水田)、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6大類。根據不同土地利用類型的影像色調、紋理等特征建立解譯標志，參照流域地形圖、各種歷史資料配合進行人工目視解譯，將所得數據查錯、修改和拼接，并采用Google Earth軟件進行精度驗證(Kappa=0.874)，最終得到流域3期土地利用數據，之后對流域耕地分布信息進行提取，結果如圖1所示。

圖1　撓力河流域3期耕地分布

2.2研究方法

時間單元上，本文研究時間段為1990—2013年，為了解當地水田化進程中耕地在不同時間段內變化情況，研究采用3期土地利用數據，將研究期共劃分為兩個時間段：第一階段1990—2002年；第二階段2002—2013年，研究流域在整個研究期和各個時間段的動態變化情況。

在自然和人為因素影響下，區域時間段、空間位置存在差異，其耕地變化幅度和速度是不同的，變化幅度為研究時段初、末的面積差值，變化速度可以用動態度模型進行定量描述，而相對變化率常用來反映土地利用變化的區域差異[2]，二者計算公式如下：

(1)

式中：K為耕地動態變化度；Ua和Ub為研究時段初、末的面積(km2)；T為研究時段長度(a)。

為分析各土地利用類型變化對旱地和水田的轉化影響程度，研究借鑒經濟學中的貢獻率指標概念對轉化影響程度進行衡量，公式如下[4]：

(2)

式中：Km-n為土地利用類型m轉化為n的貢獻率(%)；Im-n為土地利用類型m轉化為n的面積(km2)；ΔIn為轉入土地利用類型n的面積之和(km2)。

3　結果與分析

3.1耕地數量總體變化特征

研究利用ArcGIS 9.3軟件平臺，對撓力河流域耕地面積信息進行匯總統計(表1)，結果顯示，23年間該流域耕地變化極其劇烈。受自然條件、政策因素等影響，研究期內流域耕地面積呈現不穩定增長態勢。1990年流域耕地面積為12 398 km2，至2002年，面積增加了3 019 km2，達到15 417 km2，其對應墾殖率(即區域耕地面積占土地總面積的比例)增加了12.75個百分點，由52.35%上升到65.10%，耕地年變化率達到1.06%，增長幅度非常明顯；但隨著未利用地和灘涂用地的逐漸開發殆盡，耕地后備資源逐年減少，2002—2013年流域耕地增長幅度相對較小，11年間耕地僅增加108 km2，耕地年增加量約10 km2，墾殖率僅上升了0.45個百分點，達到2013年的65.55%。

耕地子類型上，研究期不同時間段內的旱地和水田變化趨勢與耕地綜合變化趨勢不完全吻合。1990—2002年，旱地變化幅度非常小，12年間僅增加123 km2，對應年變化率為0.04%，其相對面積比例僅由1990年的44.05%上升至2002年的44.57%。與之對應的是該時間段內水田變化幅度非常大，1990年，水田面積僅為1 965 km2，2002年其面積達到4 862 km2，年變化量為242 km2，相對面積比例由1990年的8.30%上升至2002年的20.53%，增加了12.23個百分點，該時間段內水田年變化比例最大，達到1.02%；與1990—2002年時間段不同的是，2002—2013年耕地子類型間呈現相反的變化趨勢，其中旱地下降了551 km2，相對面積比例也由44.57%下降為2013年的42.24%，水田繼續保持增長趨勢，但增長速度明顯放緩，11年間其面積增加了659 km2，相對面積比例上升了2.78%，年變化量降至60 km2。20世紀90年代初期以來，撓力河流域大規模推廣“旱改水”的“以稻治澇”種植模式，大量的旱田被墾殖為水田，水田增長幅度非常明顯，并給當地帶來了大量經濟效益，但水田面積的過度擴張導致的農業灌溉用水供應不足、土壤鹽漬化嚴重等負面因素會抑制水田的擴張，由此導致兩個時間段內耕地子類型變化態勢差異較大。

土地利用變化動態度能從另一角度上反映土地利用類型的變化趨勢。對研究期內1990—2002年、2002—2013年、1990—2013年3個時間段的耕地變化動態度(包括耕地及其子類型)進行計算(圖2)。結果顯示，流域不同時間段內耕地變化動態度差異大。1990—2002年，耕地子類型中旱地動態度僅0.10%，2002—2013年變為-5.22%，水田在不同時間段內均呈現較為明顯的上漲態勢，在1990—2002年，其動態度在各時間段的耕地子類型中達到最高的12.29%，反映了20多年間流域水田化現象十分明顯。與耕地子類型變化動態度的變化幅度不同的是，耕地的綜合動態度變化相對較為平緩，1990—2002年為2.03%，2002—2013年降為0.06%。23年間，水田整體變化動態度達到7.87%，而旱地呈現輕微的下降趨勢，動態度為-0.18%，但耕地綜合面積整體上升，其對應動態度為1.10%。

圖2　1990-2013年撓力河流域耕地變化動態度情況

3.2耕地轉換特征

3.2.1耕地轉入途徑分析為直觀反映流域耕地內外部轉換情況，研究利用ArcGIS的疊加分析功能將相鄰時間序列的土地利用數據進行疊加，通過對疊加結果的耕地信息提取獲得對應時間段耕地(包括旱地和水田)的轉換信息。

1990—2002年，撓力河流域耕地在空間和數量上變化非常明顯(附圖1)，流域耕地轉入途徑中共有11個轉換子類型，期間耕地最主要的變化子類型為旱地→水田、水田→旱地、未利用地→旱地和林地→旱地，其中旱地→水田主要發生在撓力河下游北岸地區、內外七星河流域和撓力河干流中游東岸部分地區，變化極其劇烈，該地區海拔低且排水不暢，澇害嚴重，“以稻治澇”農業結構調整政策的大量推行導致該地區旱水田化發生明顯。水田→旱地多零星分布于撓力河上游東部沿岸地區和內外七星河流域的北部地區。由于20世紀90年代該流域未利用地多集中于外七星河北岸和流域中部地區，未利用地→旱地耕地轉化子類型基本集中于該區域。林地→旱地大部分發生在下游北部的山區，轉換較為集中。其余的如林地→水田、草地→旱地、建設用地→旱地等轉換子類型發生不明顯。

與1990—2002年不同的是，2002—2013年耕地轉換發生相對較為平緩，由于未利用地資源的逐漸開發殆盡，該時間段內基本沒有未利用地→旱地和未利用地→水田轉換類型，絕大部分為水田→旱地和旱地→水田，其中水田→旱地多成片集中于流域中部偏南地區、撓力河中游南部沿岸和外七星河上游地區。而旱地→水田轉換發生明顯偏北，主要分布于外七星河下游北岸地區。

對各轉換子類型面積統計可知(表2)，1990—2002年其他用地類型向旱地轉入面積大小依次為未利用地>水田>林地>水域用地>建設用地>草地。新增旱地主要來源于未利用地、水田和林地，其面積依次為1 155.77，941.70，862.51 km2，其轉換貢獻率依次達到33.93%，27.65%和25.32%，水域用地轉換貢獻率為12.25%。流域內由于草地面積極少，基本不存在草地轉化為旱地的現象，建設用地多以居住和工礦用途為主，二者貢獻率相對很小，均不足1%；旱地是水田增加的來源用地，12年間共有3 118.49 km2的旱地轉為水田，對該時間段內水田面積增加貢獻率為81.09%，其次是未利用地，貢獻率達到12.28%，水域→水田轉換子類型面積為199.59 km2，林地、草地和建設用地轉換貢獻率非常小。以上分析表明1990—2002年，撓力河流域由于耕地后備資源相對充裕(如未利用地)、農業結構調整政策等原因，流域耕地子類型的內部轉換(旱地→水田和水田→旱地)和外部轉換(未利用地→旱地、林地→旱地和未利用地→水田)均非常明顯。

相對1990—2002年，2002—2013年時間段內旱地和水田的轉入更為集中。其中水田→旱地轉換類型面積達到772.87 km2，其對旱地增加的貢獻率達到82%，其次為水域用地，當地居民對河流周邊灘涂用地的大量開發，11年間共有79.72 km2的水域用地轉換為旱地，林地轉換為旱地的速度明顯放緩，該時間段內共有60.35 km2的林地→旱地發生，不足1990—2002年的1/14，共有23.62 km2的草地向旱地發生了轉換，其轉換貢獻率為2.52%，未利用地的急劇減少導致當地政府對該用地類型的控制和保護力度逐漸加大，該時間段內基本不存在未利用地轉換為旱地的現象；2002—2013年，水田增加的來源用地中絕大部分為旱地，轉換面積為1 432.04 km2，其轉換貢獻率達到98.06%，其余用地類型轉換面積均非常小。以上分析表明，該時間段內旱地和水田的來源用地較為單一，多圍繞耕地內部進行轉換。

表2　撓力河流域耕地與其他土地利用類型轉變

3.2.2耕地轉出途徑分析作為典型的商品糧輸出基地，撓力河流域產業以農業種植和加工為主，耕地是其主要的經濟來源用地，相對于耕地轉入來說，耕地轉出的發生幾率更低。由附圖2可以看出，1990—2002年、2002—2013年流域耕地的轉出途徑類型基本表現為耕地的內外部轉換為主。1990—2002年，耕地最主要的轉出類型為旱地→水田，流域中部和北部地區均分布有大量該耕地轉出子類型，其次為水田→旱地轉換子類型，主要零星分布于撓力河中部的東岸、內七星河上游和流域北部地區。其余的如旱地→林地、旱地→水域、水田→林地等轉換發生較為困難，流域內該耕地轉出類型分布非常少；2002—2013年，最主要的耕地轉出途徑類型為旱地→水田和水田→旱地，與1990—2002年不同的是，旱地→水田發生較為集中，主要分布于流域北部地區，水田→旱地成斑塊狀零星分布于流域內，其余水田轉出途徑類型同樣發生不明顯，11年間轉為除旱地之外的其他用地類型非常少。

統計結果表明(表3)，1990—2002年，撓力河流域旱地主要流向水田，其轉出面積達到3 118.49 km2，對應轉出貢獻率達到94.98%，其次為林地，約有1.84%的旱地轉為林地，其余的如旱地→水域和旱地→建設用地轉出貢獻率比例分別達到1.63%和1.48%，由于國家政策和農戶的自我意識等原因，土地撂荒現象基本不存在，僅有2.50 km2的旱地轉為未利用土地，草地由于流域內面積很小，基本不存在旱地→草地的耕地轉出類型；在水田的轉出上，撓力河流域絕大部分水田轉出流向為旱地，面積達到941.70 km2，轉出貢獻率比例為99.30%。由以上分析可知，在該時間段內流域的旱地水田流出以耕地的內部轉變為主。

2002—2013年，在旱地的轉出上，約有1 432.04 km2的旱地轉換為水田，其轉出貢獻率比例達97.42%，由于經濟建設的需要，流域存在一定的侵占農田的現象，期間有26.83 km2的旱地轉換為建設用地，其余轉出類型面積均非常小；水田的轉出上，共有772.87 km2的水田轉換為旱地，與1990—2002年不同的是，其轉出貢獻率比例下降了2.91個百分點，變為96.39%。其次為水域用地，約13.73 km2的水田轉換為灘涂等水域用地。

表3　撓力河流域耕地與其他土地利用類型轉變

由流域耕地轉換特征分析結果可知，耕地的轉入與轉出在土地利用類型種類及貢獻率比例上存在較大的差異：耕地的轉入途徑較廣，未利用地、林地、水域用地和耕地內部本身均有部分貢獻率比例的轉換發生；由于地區經濟結構特點、不同土地利用類型的自然屬性差異特征等原因，耕地的轉出途徑較為單一，水田化進程的不同時間段內耕地的轉換都大部分集中在耕地內部本身的轉換上，其他地類相對比例非常小。

4　結 論

(1)20多年間撓力河流域耕地數量呈現不穩定增長態勢，1990年流域耕地面積12 398 km2，2002年達到15 417 km2，至2013年面積僅增加108 km2，為155.25 km2。耕地子類型中，旱地和水田的變化趨勢與耕地綜合變化趨勢不完全吻合。1990—2002年旱地變化幅度小，期間僅增加123 km2，而水田變化幅度大，相對面積比例由1990年的8.30%上升至2002年的20.53%；2002—2013年，旱地面積比例由44.57%下降為2013年的42.24%，水田繼續保持增長趨勢，但增長速度明顯放緩，面積比例上升2.78個百分點。動態度上，旱地動態度由1990—2002年的0.10%變為2002—2013年的-5.22%，水田則由12.29%下降至1.23%。

(2)耕地轉入上，流域耕地子類型的內部轉換(旱地→水田和水田→旱地)和外部轉換(未利用地→旱地、林地→旱地和未利用地→水田)均非常明顯。1990—2002年新增旱地主要來源于未利用地、水田和林地，其轉換貢獻率依次達到33.93%，27.65%和25.32%。旱地是水田增加的來源用地，12年間對水田面積增加貢獻率為81.09%；2002—2013年旱地和水田的來源用地結構較為單一，多圍繞耕地內部進行轉換，水田→旱地的轉換貢獻率82%，基本不存在未利用地轉為旱地現象，水田增加的來源用地中絕大部分為旱地，轉換貢獻率98.06%。

(3)耕地轉出上，1990—2002年流域的旱地水田流出以耕地內部轉換為主，該時間段內有3 118.49 km2的旱地流向水田，轉出貢獻率94.98%，有99.30%水田流向為旱地；2002—2013年旱地和水田的轉出與1990—2002年轉換趨勢基本保持一致，11年間約有1 432.04 km2的旱地轉換為水田，772.87 km2的水田轉換為旱地。

撓力河流域地處三江平原腹地，是該地區主要的商品糧輸出地，耕地的開發與利用是當地農業經濟的主要來源。自20世紀90年代初期以來，“以稻治澇”農業結構調整政策的大量推行造成該流域旱地水田化現象非常明顯，而近年來，黑龍江省東部“兩江一湖工程”、“高標準基本農田建設工程”等多項土地整治工程陸續實施，對該地區耕地數量及水田化進程造成了強烈的影響[9-12]。開展該地區墾殖過程研究有助于流域土地資源開發與保護，為農業經濟的可持續發展提供參考依據。

[1]曹銀貴,袁春,周偉,等.中國耕地變化的驅動因子及其省域差異分析[J].中國土地科學,2008,22(2):17-22.

[2]宋開山,劉殿偉,王宗明,等.1954年以來三江平原土地利用變化及驅動力[J].地理學報,2008,63(1):93-104.

[3]劉吉平,趙丹丹,田學智,等.1954—2010年三江平原土地利用景觀格局動態變化及驅動力[J].生態學報,2014,34(12):3234-3244.

[4]楊春艷,沈渭壽,王濤.近30年西藏耕地面積時空變化特征[J].農業工程學報,2015,31(1):264-271.

[5]王宗明,宋開山,劉殿偉,等.1954—2005年三江平原沼澤濕地農田化過程研究[J].濕地科學,2009,7(3):208-217.

[6]欒兆擎,胡金明,鄧偉,等.人類活動對撓力河流域徑流情勢的影響[J].資源科學,2007,29(2):46-51.

[7]周浩,雷國平,張博,等.1990—2013年撓力河流域耕地變化下水土資源平衡效應分析[J].農業工程學報,2015,31(1):272-280.

[8]劉紅玉,張世奎,呂憲國.20世紀80年代以來撓力河流域濕地景觀變化過程研究[J].自然資源學報,2002,17(6):698-705.

[9]杜國明,李昀,于風榮,等.基于遙感的2000—2009年三江平原北部耕地變化特征分析[J].農業工程學報,2012,28(1):225-229.

[10]杜國明,潘濤,尹哲睿,等.水田化進程中的富錦市耕地景觀格局演化規律[J].應用生態學報,2015,26(1):207-214.

[11]宋戈,梁海鷗,林佳,等.黑龍江省墾區耕地利用綜合效益評價及驅動力分析[J].經濟地理,2010,30(5):835-840.

[12]王帥,曲長祥,馮翔迪,等.黑龍江省耕地集約利用的區域差異及影響因素分析[J]東北農業大學學報,2012,43(5):142-146.

Spatial-Temporal Characteristics of Farmland due to the Paddy Field Expansion in Naolihe River Basin

LI Na1,LEI Guoping1,ZHANG Hui1,ZHOU Hao2

(1.College of Resources and Environment,Northeast Agricultural University,Harbin 150030, China; 2.Land Management Institute,Northeastern University,Shenyang 110004,China)

Based on the remote sensing data in 1990， 2000， 2013,spatial and temporal change characteristics of the arable lands during the period of becoming paddy fields in the Naolihe River Basin of Sanjiang Plain are analyzed,aiming to provide the basis for the utilization and exploitation of the arable land resources.The results showed that it was unstable for the growth of the arable lands in the Naolihe River Basin during the 20 years,and change trend of the dry lands and paddy fields was not completely according with the comprehensive change trend of the arable lands; during the period from 1990 to 2002,change trend of the dry lands was small while paddy field was big,and during the period from 2002 to 2013,the dry land area declined from 44.57% to 42.24%,while the paddy fields kept to grow with obvious slowed speeds; on arable lands transfer in,the internal conversion among subtypes in the Naolihe River Basin was obvious.The newly increased dry lands were mainly the unutilized lands,paddy fields and forestlands,while dry lands were the resources of the increased paddy fields.On arable lands transfer out,during the period from 1990 to 2002,the transferred out dry lands and paddy fields in the Naolihe River Basin were mainly the internal conversion,and the transfer trend of the transferred out dry lands and paddy fields during the period from 2002 to 2013 were basically according with the situation during the period from 1990 to 2002.

land use; remote sensing; Naolihe River Basin; LUCC; farmland

2015-08-28

2015-10-14

黑國土科研“兩大平原現代農業綜合配套改革試驗區土地管理制度創新研究”(201411)

李娜(1989—),女,黑龍江哈爾濱人,碩士研究生,研究方向為土地利用規劃與管理。E-mail:271494300@qq.com

雷國平(1963—),男,黑龍江青岡人,教授,博士生導師,主要從事土地利用規劃與管理研究。E-mail:guopinglei@126.com

F301.2; TP79

A

1005-3409(2016)05-0063-05