洞庭湖生態經濟區農田景觀格局變化及其驅動力

王 丹，葛大兵，唐伊凡，葛奕辰

（湖南農業大學生物科學技術學院／洞庭湖區域農村生態系統健康湖南省重點實驗室，湖南長沙410128）

近年來，景觀生態學受到廣泛關注，景觀生態學與農村、農業發展相結合已成為趨勢［1］。受自然環境和人類活動的雙重影響，農田景觀結構發生了深刻的變化，深入研究驅動力因素對農田景觀格局變化的影響，對于促進農業資源合理利用、保障人類生態和糧食安全具有重要意義［2］。

洞庭湖曾號稱“八百里洞庭”，盛期面積達6 000 km2以上，目前面積僅2 625 km2［3］。20世紀80年代以前，由于生產力低下、人口快速增長等原因，洞庭湖地區是國家重要糧食產區，因而被不斷圍墾以強化其糧食生產功能。不斷圍墾的結果是湖泊生態調蓄功能持續下降，洪澇災害頻發，人們在獲得糧食的同時也付出了巨大代價［4］。20世紀80年代以后，由于科學技術進步、生產力快速增長、控制人口增長等原因，尤其遭遇1998年洪水災害之后，政府積極開展了“退田還湖、平垸行洪和移民建鎮”等工程。規劃平退總面積1 578.7 km2，耕地總面積758.7 km2［5］。研究表明，退田還湖政策對洞庭湖生態功能恢復起到了顯著作用，也導致洞庭湖生態經濟區景觀要素類型發生了明顯變化［6］。本研究探討農田（水田、旱地）景觀格局的演變規律，分析驅動力因素對農田景觀格局的影響，旨在為制定合理、可持續發展的土地利用策略提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

《洞庭湖生態經濟區規劃》范圍包括湖南省岳陽市、常德市、益陽市、長沙市望城區以及湖北省荊州市，共33個縣（市、區），總面積6.05萬km2。本研究中洞庭湖生態經濟區所選的是湖南省 25個縣（市、區）（110°27′～114°13′E，27°58′～30°08′N），總面積 46 661.48 km2，2015年常住戶數498.45萬戶，常住人口1 645.95萬人。

1.2 研究方法

1.2.1 數據獲取方法 數據源于湖南省遙感中心提供的1990、2000、2010、2016年4期的 Landsat－TM遙感影像數據、自然地理信息數據、《湖南省統計年鑒》。

1.2.2 方法 在ArcGIS軟件中創建Coverage格式，并且轉換為 grid柵格數據，以此獲取1990、2000、2010、2016年洞庭湖生態經濟區湖泊、水田、旱地、林地、草地、河流、建設用地、未利用地等衛星假彩色合成影像的空間屬性數據（圖1），對其景觀類型進行特征分析以及面積轉移數據統計。

分析景觀格局指數（landscape pattern index）［7］，結合景觀結構分析軟件Frtagstats計算斑塊個數（NP）、最大斑塊指數（LPI）、周長 －面積分維數（PAFRAC）、邊界密度（ED）等景觀格局指數，采用監督分類和目視修正相結合的方法，根據土地利用現狀分類標準結合區域內實際情況，分析洞庭湖生態經濟區的景觀結構特征及功能。

1.2.2.1 斑塊個數

式中：NP為景觀中某斑塊類型的斑塊總數；N為所有斑塊或某種斑塊數量。斑塊數越大，景觀破碎度越高，反之亦然；改變物種間相互作用和協同共生的穩定性；反映景觀的空間布局以及景觀中斑塊總數。

1.2.2.2 最大斑塊指數（0＜LPI≤100）

式中：Amax為某斑塊類型中的最大斑塊面積；A為景觀總面積。LPI表示景觀中的最大斑塊面積占該種景觀總面積的百分比，有助于確定景觀類型或優勢類型等，反映人為活動趨勢及干擾程度；該值越大，表示景觀破碎度越低，優勢度越強，反之亦然。

1.2.2.3 面積 －周長分維數

式中：PAFRAC反映斑塊組成的景觀形狀和面積之間的關系，以及在一定尺度上景觀類型的復雜程度。人類活動、自然因素、社會經濟對景觀格局的影響數值在1～2之間，數值越接近1，表示斑塊形狀越規則，受人為干擾程度大；數值越接近2，表示斑塊形狀越不規則，受人為干擾程度小。

1.2.2.4 邊界密度

式中：ED是景觀中所有斑塊邊界總長度；A是景觀總面積。ED反映景觀類型被邊界分割的程度，以及景觀斑塊間的邊緣長度和效應。ED值越大，表示景觀類型被邊界割裂程度越高，反之景觀類型連通性和完整性越高。

1.2.2.5 農田面積減少系數 農田面積減少系數 C［8］用于衡量城鎮化過程中農田面積減少是否適度，以及與城鎮發展之間的關系；C＝1表示農田面積的減少幅度與城鎮化水平的增長幅度相協調；C＞1表示農田面積的減少幅度大于城市化水平的增長幅度；反之亦然［9］。

式中：RCL是農田面積減少率，表示研究期間減少的農田面積占原農田面積的比例；RU為城鎮化水平增長率。

2 結果與分析

2.1 農田景觀格局面積變化

通過解譯4期遙感影像和利用ArcGIS軟件的空間分析功能得到洞庭湖生態經濟區農田景觀格局面積變化。由表1可知，1990—2016年水田面積減少204.99 km2，總體持續減少1.37%，年平均減少7.88 km2；其中2000—2010年面積減少最多，達127.50 km2，占2000年水田面積的0.85%，年平均減少12.75 km2，主要是由20世紀90年代末國家實行“退田還湖”政策導致的。1990—2000年旱地面積增加1.49%，2000—2016年旱地面積減少2.19%，呈先增后減的趨勢，總體上減少了0.74%，年平均減少0.75 km2，主要是因為20世紀90年代棉花種植業穩步發展。2002年湖南省棉花播種面積14.9萬hm2，總產量19萬t，主要產棉區集中在常德市、益陽市、岳陽市等地。

表1 1990—2016年洞庭湖生態經濟區農田景觀面積變化

2.2 農田景觀類型面積轉移率

景觀類型面積轉移變化包括轉入和轉出雙向變化，某種景觀類型的面積等于由其他類型轉變為該類型的面積減去因轉變為其他類型而損失的面積［10］。由表2可知，1990—2000年總轉換率43.16%，水田轉入湖泊、河流的面積分別為27354、912.00 km2，向林地轉出最多，為 3 105.96 km2。旱地轉林地面積最多，達1 077.83 km2，其次為旱地轉水田，為75326 km2。在農田面積轉入中，林地占據主要景觀類型，水田達 3 119.57 km2，旱地達 1 155.77 km2。至 2000年，水田面積達 14 976.34 km2，占洞庭湖生態經濟區總面積的3211%，減幅 0.26%；旱地面積達 2 675.60 km2，占洞庭湖生態經濟區總面積的5.73%，增幅1.49%，同時期湖泊、建設用地、未利用地增幅分別為1.55%、10.27%、0.50%。面積轉移與同時期政策變化有一定關聯，1994年國家設立東洞庭湖國家級自然保護區，1997年設立南洞庭湖省級自然保護區，加強了圍垸和墾殖的管理力度［11］，在這期間國家對洞庭湖生態經濟區的開發力度和干擾強度開始變緩，退田還湖政策初見成效。

表2 1990—2000年景觀類型轉移矩陣

2000—2010年洞庭湖生態經濟區總轉換率達1.45%，景觀格局類型轉移矩陣幅度較小。由表3可知，水田轉變為林地23.61 km2；旱地轉變為林地10.42 km2；至2010年，水田面積達14 848.84 km2，占洞庭湖生態經濟區總面積的31.82%，減幅0.85%；旱地面積達 2 663.32 km2，占洞庭湖生態經濟區總面積的5.71%，減幅0.46%。洞庭湖生態經濟區于20世紀90年代開始大興楊樹栽培，一部分基礎農田用地被林業種植所取代，至2008年洞庭湖生態經濟區楊樹種植面積達到40萬hm2，盲目發展楊樹栽培轉化土地類型已占用草地和部分農田，威脅到洞庭湖生態經濟區濕地保護和全面發展。同時期洞庭湖農田面積占37.53%，農田景觀變化開始成為洞庭湖生態經濟區的關注重點。

表3 2000—2010年景觀類型轉移矩陣

由表4可知，2010—2016年洞庭湖生態經濟區水田、旱地分別轉變為建設用地21.48、11.30 km2，但是建設用地轉入水田、旱地的面積分別為10.39、0.56 km2，這6年中建設用地侵占農田，使水田面積減為14 810.00 km2、旱地面積減為2 616.92 km2，分別減少了 0.26%、1.74%，同時期林地、河流、建設用地、未利用地增幅分別為0.15%、2.83%、6.02%、9.23%。隨著洞庭湖生態經濟區經濟的快速發展，傳統農業生產模式逐步向農副工相結合方向轉變，與此同時，鄉鎮建設速度加快，農村住房建設提上日程，導致農田面積進一步減少［12］。

表4 2010—2016年景觀類型轉移矩陣

2.3 區域景觀動態變化特征

研究農田景觀優化布局大致分為水田和旱地，通過選取4個具有代表性的景觀格局指數來分析生態模式尺度下農田景觀的變化規律。由圖2可知，洞庭湖生態經濟區農田斑塊數目最多，維持在2 300個以上。周長－面積分維數在1.0左右，表明景觀斑塊形狀有向更簡單、更規則變化的趨勢，人為干擾景觀格局程度增強。對最大斑塊指數分析表明，林地和水田是主要景觀類型，其中林地景觀比例較大并保持穩定，這與洞庭湖生態經濟區大力開展楊樹種植有很大的關系，且過度種植楊樹隱藏生態風險。LPI值越大，斑塊優勢度越強，景觀破碎度越低；人口增加也相應促使農田用地迅速增加，提高LPI值。邊界密度越大，景觀類型被邊界割裂程度越高，1990—2016年洞庭湖生態經濟區各景觀類型的邊界密度整體表現為水田＞林地＞旱地＞河流＞湖泊＞建設用地＞草地＞未利用地。研究期間，洞庭湖生態經濟區景觀格局受干擾程度增加。

1990—2016年期間水田面積減少1.37%，而斑塊數量呈增加趨勢，表明水田景觀破碎化程度有所增加。周長－面積分維數在1.03左右，受人為干擾程度強。林地是優勢景觀類型，其次是水田，但是水田邊界密度最大，表明水田被邊界割裂程度高，連通性和完整性弱。旱地斑塊數量最多，旱地邊界密度僅次于林地和水田，表明旱地受到干擾程度強，破碎化程度高。

2.4 農田景觀格局變化的社會驅動力分析

2.4.1 人口因素 由圖3可知，2008年以前，洞庭湖生態經濟區人口呈增長趨勢，2008年共1 678.52萬人，2008年后人口小幅下降后維持穩定，但是各地區城鎮化率不斷上升。人口減少導致所需糧食總量下降，相應的農田面積也會減少，但是洞庭湖生態經濟區是重要的商品糧基地和外向型農業基地，同時洞庭湖平原后備土地資源豐富，為滿足更大區域糧食安全的需要，仍須要保持一定程度農田種植面積的增長空間。2004—2015年期間，鄉村從業人口占農村人口的1／2以上，洞庭湖生態經濟區為了滿足人口就業，農田面積應該呈增長趨勢，但是由于工礦、交通、水利等各項建設用地的占用，水田和旱地面積均呈減少趨勢。1990—2016年洞庭洞庭湖生態經濟區水田面積減少了1.37%，旱地面積減少了0.74%（表1）。

隨著洞庭湖生態經濟區社會經濟、生產和生活方式的逐步轉變，傳統農田作物應該向更高效益的經濟作物轉變，以不斷提高洞庭湖生態經濟區農業綜合生產實力，建設高標準農田并轉變生產方式，將洞庭湖生態經濟區打造成保障糧食安全的現代農業基地［13］。

2.4.2 工業化和城鎮化 由圖4可知，洞庭湖生態經濟區的整體經濟指標都趨于上升。2000—2010年地區生產總值從981.39億元增長至3 109.04億元。尤其近年來生產總值高速增長，三大產業逐步增長，2006年結構比例為23.4∶43.2∶33.4，與 世 界 銀 行 提 出 的 標 準 結 構14.0∶35.0∶51.0［18］相比，產業比例分布不夠合理，與經濟發展不相適應［14－15］。

因此《洞庭湖生態經濟區規劃》提出，到2020年實現“五大目標”，其一就是產業轉型發展，重點是加快推進農業現代化、加快推進新型工業化、大力發展現代物流業、積極發展文化旅 游 業［4］。至 2015年 三 大 產 業 結 構 比 例 為13.3∶46.8∶39.9，洞庭湖生態經濟區農業適度規模經營，大力發展農產品精深加工業，推進“農業＋旅游業”深度融合，加快培育新型農業經營主體，促進帶動農業發展方式轉變，成為洞庭湖生態經濟區未來發展的新模式和新方向。

農田面積減少系數是衡量農田面積減少與城鎮化進程是否平衡的重要指標。由表5可知，2000—2016年洞庭湖生態經濟區城鎮化年均增長3.05%，農田面積年均降幅為0.08%，C值小于1，表明農田面積減少幅度小于城鎮化水平增長幅度，洞庭湖生態經濟區城鎮化進程中農田資源得到了合理利用。2000—2010年城鎮率年均增長2.82%，小于2010—2016年的3.44%，但是C值0.028（2000—2010年）＞0.024（2010—2016年），表明2010—2016年城鎮化進程速度增加，農田資源利用較為合理。

表5 2000—2016年洞庭湖生態經濟區農田面積減少系數

3 結論與討論

2.4.3 政府的宏觀調控作用 政府宏觀調控政策包括經濟管理機制和土地管理機制［12］。農田景觀格局衍變受到不同因素的影響，通過土地流轉的形式表現出來［16］。政府擁有土地、信貸、能源等重要稀缺資源的配置權力，為吸引外資、提高就業率，政府為企業提供一系列優惠的土地開發政策，企業發展導致建設用地快速擴張并侵占農業用地，建筑廢棄物污染農田。1978—2004年，湖南省政府購買大量先進的農業機械，對農業產出的平均貢獻率達到46.73%［17］。1989—2008年湖南省農業機械總動力呈直線式增長，年均增長率為6.61%，因此，為進一步促進農業經濟的發展，政府應該增加財政支農支出的規模并提高其使用效率。

2009年湖南省政府將環洞庭湖基本農田建設列入政府報告，到2011年通過中低產田改造，新增優質糧田11.20萬hm2。通過農村土地綜合整治，可以增加農田面積、提高農田質量、改善農業生產條件、提升農業綜合產能［18］。

本研究表明，洞庭湖生態經濟區內水田分布面積呈減少趨勢，而斑塊數量呈增加趨勢，表明水田景觀格局破碎化和異質性程度有所增加。旱地最大斑塊指數只占0.2%以上，但斑塊數量是景觀類型最大值。農田景觀格局受干擾程度強，農田破碎化程度高。農地破碎程度高是限制糧食生產機械化發展的根本原因，農產品機械化生產無法普及的后果是生產過度依賴手工勞動和精耕細作，雖然單產較高，但是勞動力和生產成本高、水源易被污染、生產效率低等。為響應政府“退耕還湖”政策，洞庭湖生態經濟區應充分利用其地理優勢，大力發展精深農產品加工業，進一步減輕農田耕種壓力，促進洞庭湖生態經濟區農業的發展。

洞庭湖生態經濟區人為活動是農田景觀格局變化的主要驅動因素，社會經濟的發展、城鎮總體規劃的實施以及政策變化是農田景觀格局演變的主要動力。洞庭湖生態經濟區總面積 46 661.48 km2，常住人口1 645.95萬人，人口基數大，在推行“退田還湖”政策的同時，生態經濟區應調整農田產業結構，增加政府投資，加強土地管理，合理高效利用農田土地資源，推動生態經濟區可持續化發展。

在今后的研究中，還應將生態安全納入農田區域中，也應充分考慮自身農田生態功能和區域生態安全格局的耦合關系，將優質農田劃分為永久基本農田，最大限度保障該地區糧食生產能力，以確保穩定基本農田面積和國家糧食安全，因此，研究農田面積變化及其驅動力、建立農田面積和質量動態監測體系、合理規劃農田空間格局是洞庭湖生態經濟區今后研究的重要方向。

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