基于RS和GIS的河南省耕地變化及驅動力分析

張永民，程維明，鄭玉杰

(1.河南財經政法大學 資源與環境學院，河南 鄭州 450046； 2.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京 100101)

基于RS和GIS的河南省耕地變化及驅動力分析

張永民1，程維明2，鄭玉杰1

(1.河南財經政法大學 資源與環境學院，河南 鄭州 450046； 2.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京 100101)

根據2000和2013年2期土地利用空間數據及社會經濟統計數據，運用GIS技術和回歸模型等方法，分析2000—2013年河南省的耕地變化及驅動力。結果表明，2000—2013年河南省耕地減少了3 796.88 km2，降幅為3.53%，除洛陽、鶴壁和濟源的耕地面積稍有增加外，其他省轄市的耕地不同程度地減少。耕地向城鄉工礦居民用地的大量凈轉出是導致耕地減少的根本原因。此外，耕地向林地和水域的凈轉出也造成了耕地的減少，而草地和未利用地向耕地的凈轉入則起到了補充耕地的作用。耕地向城鄉工礦居民用地大量凈轉出主要是受非農人口迅速增長、非農經濟快速發展以及土地政策不完善等驅動的。因此，完善土地政策與制度，明晰農民的耕地權利，細化規范耕地征收征用法定權限和程序，同時積極推進人地掛鉤政策的實施是保護耕地的當務之急。

耕地； 驅動力； 回歸分析； 河南省

耕地是最為寶貴的資源，保護耕地是保障國家糧食安全的戰略需要[1-2]。作為糧食和農業生產大省，河南承擔著保障國家糧食安全的重要任務，2000年以來，河南省的糧食產量一直占到全國的約10%。同時，河南還是人口大省和新興工業大省。近年來，隨著我國工業化與城鎮化進程加快，耕地流失問題日益突出，學術界對此高度關注。張桂賓等[3]分析了1949—2005年河南省耕地的動態變化及其人文驅動力；李治國等[4]分析了河南省18個省轄市的耕地壓力變化規律及成因；劉玉等[5]研究了1990、2000和2010年河南省126個縣域的耕地集約利用程度及其時空變化規律。此外，還有不少研究對河南省的耕地變化進行了分析[6-9]。但是，這些研究多是基于統計數據開展的，由于統計數據只有數量信息，而不涉及空間分布以及耕地與其他土地利用類型的轉換情況，因而難以精準揭示耕地的流失狀況及原因[10-12]。實際上，受社會經濟和自然地理等各種因素影響，耕地與其他土地利用類型之間不斷進行著轉出與轉入的轉換過程，耕地變化正是多種土地利用轉換共同作用的結果[13]。因此，本研究擬基于遙感影像，運用地理信息系統(GIS)技術，從耕地與其他土地利用類型的轉換關系著手，分析河南省的耕地變化，并結合社會經濟統計數據和文獻資料，運用回歸模型等方法揭示耕地變化的驅動力，從而為耕地的精準保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 河南省耕地概況

河南省地處我國中東部的中緯度內陸地區，地理位置110°21′～116°39′E，31°23′～36°22′N，氣候為北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候[14]，全省土地總面積16.55萬km2，劃分為18個省轄市。耕地占河南省土地總面積的比重較大，但空間分布不均，75%的耕地集中分布于占全省土地總面積55.6%的東部平原地區，剩余25%分布于占全省土地總面積44.4%的西部山地丘崗地區。灌溉水田主要分布于沿淮地區，水澆地相對集中于豫北平原。《河南省土地利用總體規劃(2006—2020年)》確定的糧食生產核心區位于黃淮海平原、南陽盆地和豫北、豫西山前平原的89個縣(市、區)，占全省耕地面積的83.5%、基本農田面積的85%。總的來看，河南省人地矛盾尖銳，耕地后備資源不足，開發利用制約因素較多，繼續實施更加嚴格的耕地保護制度是土地利用規劃的戰略任務。

1.2 數據資料

土地利用空間數據來源于中國科學院資源與環境信息系統國家重點實驗室，該數據是根據2000年和2013年的Landsat TM影像通過人機交互解譯、野外實地考察驗證得出的。本研究根據原數據(coverage格式)把河南省的土地利用劃分為耕地、林地、草地、水域(指天然陸地水域和水利設施用地)、城鄉工礦居民用地(指城鄉居民點及其以外的工礦、交通等用地)和未利用地共6種類型[15]。耕地是指種植農作物的土地，包括熟耕地、新開荒地、休閑地、輪歇地、草田輪作地，以種植農作物為主的農果、農桑、農林用地，以及耕種3 a以上的灘地和灘涂。人口與社會經濟數據來源于河南省統計年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地變化

運用地理信息系統軟件(ArcGIS 8.3)通過intersect命令對2000和2013年的2期土地利用數據進行疊加，得到反映2000—2013年各土地利用類型相互轉化情況的土地利用變化類型圖。根據土地利用變化類型圖的屬性數據表計算2000—2013年各土地利用類型之間的轉換面積，得出土地利用轉換矩陣。轉換矩陣的數學表達式如下：

式中，Cij表示2000年的i種土地利用類型轉變為2013年的j種土地利用類型的面積，i和j取值為1～6分別表示耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地和未利用地。

本研究只關注耕地與其他土地利用類型之間的轉換，因此運用下式計算耕地與其他土地利用類型的轉換結果：

Ci=C1i-Ci1。

上式中：C1i表示耕地向土地利用類型i的轉出面積；Ci1表示土地利用類型i向耕地的轉入面積；Ci表示耕地與土地利用類型i的轉換結果，正值表示耕地向土地利用類型i的凈轉出，負值表示土地利用類型i向耕地的凈轉入；1表示耕地，i取值2～6分別表示林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地和未利用地。

1.3.2 耕地變化的驅動力

耕地變化的驅動力包括直接驅動力和間接驅動力。直接驅動力可以根據耕地與其他土地利用類型之間的轉換結果進行分析，例如，根據耕地與城鄉工礦居民用地之間的轉換結果即可得出城鎮化過程對耕地變化的直接驅動作用；而間接驅動力則是指作用于直接驅動力的人口、經濟和政策等因素，它們對耕地變化的驅動作用需要通過回歸模型和調研等進行綜合分析。

2 結果與分析

2.1 耕地變化

由表1可知，2000—2013年河南省耕地面積減少了3 796.88 km2，降幅為3.53%。就耕地與其他土地利用類型的轉換結果來看，耕地向城鄉工礦居民用地、林地和水域表現為凈轉出，尤其是向城鄉工礦居民用地的凈轉出面積最大(4 060.24 km2)，這些凈轉出是導致耕地減少的直接原因。草地和未利用地向耕地表現為凈轉入，尤其是草地向耕地的凈轉入面積最大(1 781.36 km2)，這些凈轉入在一定程度上起到了補充耕地的作用。

表1 2000—2013年河南省耕地與其他土地利用類型的轉換結果 km2

地區城鄉工礦居民用地林地草地水域未利用地合計全省406024137312-17813617367-2879379688焦作15468-175-17942334-01115822濟源2725-2313-37672139002-1214開封199369221-078-297-68728094漯河11264547012-60800011214洛陽1768710579-390321923-124-8969平頂山1560214935-51691616-03826946新鄉21434405-11454-2445-15106430許昌14561356483568900019649鄭州54440-2897-13797831534946409商丘457833584-1221-2996-02145129信陽3308620853-878229606445517周口435951141-00963600045363駐馬店43519-4878-24506-221800211919安陽21425-1004-13006-405-3166693鶴壁4770-772-9291-480-232-6006濮陽156044888-510598-12020459南陽2269747084-171111022201262904三門峽243232551-29455-1951-2493328

注：前5列數值中，正值表示耕地向其他土地利用類型凈轉出的面積，負值表示其他土地利用類型向耕地凈轉入的面積。合計項表示耕地面積的變化結果，正值表示減少，負值表示增加。

具體到各省轄市來看，2000—2013年，除洛陽、鶴壁和濟源的耕地面積稍有增加之外，其余15個省轄市的耕地皆不同程度地減少。根據耕地與其他土地利用類型的轉換結果，18個省轄市耕地向城鄉工礦居民用地皆表現為凈轉出，其中，鶴壁、三門峽和濟源這3個市的凈轉出面積較小(不足50 km2)，而其余15個市的凈轉出面積較大(超過100 km2)，尤其是鄭州的凈轉出面積最大(544.40 km2)。耕地與林地的轉換方面，南陽、三門峽、信陽、平頂山、洛陽和開封等市耕地向林地出現較大面積的凈轉出，而駐馬店、鄭州和濟源等市則出現了林地向耕地的少量凈轉入。耕地與水域的轉換方面，主要表現為南陽和鄭州耕地向水域的凈轉出面積較大，而商丘、駐馬店和新鄉等市則出現水域向耕地的少量凈轉入。耕地與草地的轉換方面，除了許昌、漯河出現耕地向草地的少量凈轉出之外，其余各市皆表現為草地向耕地的凈轉入。在耕地與未利用地的轉換方面，除了新鄉未利用地向耕地出現較大面積的凈轉入(15.10 km2)外，其余各市耕地的凈轉入或者凈轉出面積皆很小。

2.2 耕地變化的驅動力

由2.1節分析可知，2000—2013年河南省耕地減少是耕地與城鄉工礦居民用地、林地、水域、草地和未利用地之間相互轉換的結果。顯然，建設用地擴張、退耕還林、以丹江口水庫為主的水源地建設、水文化景觀用地增加，以及開墾后備耕地資源是耕地與其他土地利用類型發生轉換的直接驅動力。但是，在這些直接驅動力的背后，還存在著人口、經濟和政策等間接驅動力的作用。

需要說明的是，耕地向林地和水域的凈轉出，雖然在一定程度上造成了耕地的減少，但長遠來看確實是保護生態與環境以及緩解有關地區水資源短缺的迫切需要。例如，耕地向林地的凈轉出主要分布于丘陵山區水土流失嚴重的南陽、三門峽、信陽、平頂山和洛陽等市，以及東部黃河故道上土地沙化嚴重的開封等市；耕地向水域的凈轉出主要集中于南水北調中線工程水源地的南陽市。草地和未利用地向耕地的凈轉入實際上是開墾后備土地資源彌補耕地大量流失的無奈之舉。顯然，耕地向城鄉工礦居民用地的大量凈轉出才是河南省耕地減少的根本問題，也是“三化”協調發展中用地矛盾的關鍵所在。因此，以下重點分析耕地向城鄉工礦居民用地大量凈轉出的驅動力。

2.2.1 人口因素

人口因素是引發耕地變化的最基本要素。2000—2013年，河南省總人口增加了1 113萬人，增幅為11.70%。但是，由于農業機械化水平顯著提高，再加上相對二、三產業，耕地利用的比較經濟效益低下，農業從業人員向非農從業人員大量轉移。統計數據表明，2000—2013年，河南省第一產業(農業)從業人員減少了1 001.61萬人，降幅為28%；第二、三產業(非農)從業人員增加了1 816.50萬人，增幅為90%。非農從業人員的快速增長極大地促進了非農產業的發展和非農建設用地的擴張，進而導致耕地面積因城鄉工礦居民用地的大量占用而顯著減少。

回歸分析表明，河南省18個省轄市耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出面積與非農從業人員的增加數量之間呈顯著的線性相關(圖1)，非農從業人員增加越多，耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出面積越大，非農從業人員增量每增加1萬，耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出面積就增加2.18 km2。

圖1 耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出面積與非農從業人員增量之間的關系

2.2.2 經濟因素

理論上分析，耕地流失與經濟增長的關系應當符合庫茨涅茨曲線規律：在經濟水平較低的發展階段，經濟增長對耕地的非農占用十分有限；但是，隨著城市化、工業化進程加速，耕地流失速度隨著經濟發展水平的不斷提高而增加；在經濟穩定增長的較高發展階段，由于耕地保護意識增強以及技術進步和產業結構升級等原因，耕地快速流失的趨勢得到遏制并逐步逆轉[16-17]。

2000—2013年，河南省GDP由5 052.99億元增至3 2155.86億元，增加了5.36倍，尤其是非農經濟的增幅更為顯著，第二、三產業的生產總值分別增加了6.76和5.44倍。由此可見，伴隨著經濟發展水平的提高，河南省已經進入了工業化、城鎮化加速推進的新階段，從而導致耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出面積也大幅增加。

回歸分析表明，除周口、商丘、駐馬店和信陽外，河南省其他省轄市耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出面積和非農GDP增量之間具有顯著的線性回歸關系，非農GDP增長越多，耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出面積越大，非農GDP增量每增長1億元，耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出就增加0.091 9 km2(圖2)。進一步分析表明，周口、商丘、駐馬店和信陽這4個市之所以屬于奇異觀測值，是因為這些地區為傳統農區，2000—2013年間正處于其經濟加速發展的初始階段，因而導致這些地區城鄉工礦居民用地對耕地的占用面積較其他市相對偏大。

圖2 耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出面積與非農GDP增量之間的關系

2.2.3 政策因素

關于耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出，土地政策與制度的不完善也起到了一定的“助推”作用。一方面耕地的所有權歸村集體，農戶只有承包權與經營權；另一方面集體所有權在部分地方的實踐中演化成耕地權利在政府手中[18-19]。2000—2013年，河南省正處于經濟快速發展和迅速推進城鎮化與工業化的進程中，個別地方政府、村委會和開發商為了攫取高額利益，打著公共利益的旗號濫用征地權，占用和征收耕地進行房地產開發，由此導致耕地流失的現象時有發生。因此，科學界定公共利益的邊界，完善土地政策與制度，明晰農民的耕地權利，細化規范耕地征收征用法定權限和程序，是耕地保護的當務之急。

此外，根據調研，在城市建設用地擴張大量占用耕地的同時，農村宅基地的閑置問題也很突出。若能把閑置的宅基地通過土地整理轉變為耕地，將會明顯減少耕地向城鄉工礦居民用地的凈轉出面積。因此，進一步落實《國務院關于支持河南省加快建設中原經濟區的指導意見》中提出的人地掛鉤政策，在嚴格執行土地利用總體規劃和土地整治規劃的基礎上，探索開展城鄉之間、地區之間人地掛鉤政策試點，實行城鎮建設用地增加規模與吸納農村人口進入城市定居規模掛鉤、城市化地區建設用地增加規模與吸納外來人口進入城市定居規模掛鉤，應當是今后耕地保護的有效舉措。

3 小結與討論

根據2000年和2013年的Landsat TM影像，通過人機交互解譯、野外實地考察和數據分析發現，2000—2013年河南省耕地面積減少了3 796.88 km2，除洛陽、鶴壁和濟源的耕地面積稍有增加之外，其余省轄市的耕地面積皆出現了不同程度的減少。耕地向城鄉工礦居民用地的大量凈轉出是導致耕地減少的最主要原因。耕地向城鄉工礦居民用地大量凈轉出主要是受非農人口迅速增長、非農經濟快速發展以及土地政策不完善導致的城鄉工礦居民用地急劇擴張驅動的。因此，完善土地政策與制度，明晰農民的耕地權利，細化規范耕地征收征用法定權限和程序，同時積極推進實施人地掛鉤政策是耕地保護的當務之急。

由于數據源、生產過程和測算口徑等方面的差異，基于遙感影像獲取的耕地數據和統計年鑒提供的耕地數據間通常存在出入[20]，根據統計數據計算，2000—2013年河南省耕地面積有所增加，但本研究根據遙感數據得出的結果有所減少，它們究竟差別在哪些地方，如何生產統一的高精度的土地利用數據，這些問題在耕地保護的實踐中亟待解決。

[1] 王萬茂, 余慶年, 趙登輝. 耕地總量動態平衡的實施途徑構想[J]. 中國人口·資源與環境, 2001, 11(3):62-67.

[2] 鄭海霞, 封志明. 中國耕地總量動態平衡的數量和質量分析[J]. 資源科學, 2003, 25(5):33-39.

[3] 張桂賓, 王安周, 耿秀麗. 河南省耕地變化及其人文驅動力研究[J]. 水土保持研究, 2007, 14(4):65-68.

[4] 李治國, 張竟竟, 郭志富. 基于耕地壓力指數的河南省糧食安全狀況研究[J]. 地域研究與開發, 2014, 33(2):141-145.

[5] 劉玉, 郝星耀, 潘瑜春, 等. 河南省耕地集約利用時空分異及分區研究[J]. 地理科學, 2014, 34(10):1218-1225.

[6] 張本昀, 申懷飛, 鄭敬剛, 等. 河南省土地利用景觀格局分析[J]. 資源科學, 2009, 31(2):317-323.

[7] 李謝輝, 王磊. 河南省土地利用/覆蓋景觀格局變化分析[J]. 水土保持研究, 2012, 19(5):87-93.

[8] 申懷飛, 鄭敬剛, 楊雙喜. 河南省土地利用變化空間分布特征研究[J]. 河南科學, 2012, 30(8):1163-1166.

[9] 張永民, 王睿博. 2005—2010年河南省土地利用結構的數量變化及空間差異[J]. 河南科技學院學報, 2014(1):1-5.

[10] 劉盛和, 何書金. 土地利用動態變化的空間分析測算模型[J]. 自然資源學報, 2002, 17(5):533-540.

[11] RGJR P, SHUSAS E, MCEACHERN M. Detecting important categorical land changes while accounting for persistence[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2004, 101(2):251-268.

[12] 冉建波, 陳興偉. 土地利用空間格局的置換變化與代換變化分析[J]. 地球信息科學學報, 2015, 17(6):661-667.

[13] 張永民, 趙士洞. 生態保護背景下奈曼旗土地利用與景觀格局變化[J]. 資源科學, 2003, 25(6):43-51.

[14] 李永文, 馬建華, 王國清. 河南地理[M]. 開封: 河南大學出版社, 1999.

[15] 劉紀遠. 中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 1996.

[16] 蔡銀鶯, 張安錄. 耕地資源流失與經濟發展的關系分析[J]. 中國人口·資源與環境, 2005, 15(5):52-57.

[17] 吳群, 郭貫成, 萬麗平. 經濟增長與耕地資源數量變化:國際比較及其啟示[J]. 資源科學, 2006, 28(4):45-51.

[18] 蔡運龍. 中國經濟高速發展中的耕地問題[J]. 資源科學, 2000, 22(3):24-28.

[19] 蔡運龍, 俞奉慶. 中國耕地問題的癥結與治本之策[J]. 中國土地科學, 2004, 18(3):38-40.

[20] 嚴巖, 趙景柱, 王延春, 等. 中國耕地資源損失驅動力分析[J]. 生態學雜志, 2005, 24(7):817-822.

(責任編輯：高 峻)

2017-02-16

河南省政府決策研究招標課題(2015B237)

張永民(1973—)，男，河南延津人，副教授，博士，從事土地利用變化研究工作，E-mail:zym0810@aliyun.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170547

F301.21

A

0528-9017(2017)05-0873-04

文獻著錄格式：張永民，程維明，鄭玉杰. 基于RS和GIS的河南省耕地變化及驅動力分析[J].浙江農業科學，2017，58(5)：873-877.