鄂豫地區耕地資源變化時空特征及其影響因素

韋宇嬋, 張麗琴,2,3

〔1.中國地質大學(武漢)公共管理學院, 湖北 武漢 430074; 2.加拿大渥太華大學地理系, 渥太華; 3.中國土地勘測規劃院 國土資源部土地利用重點實驗室, 北京 100035〕

耕地資源不僅是人類生存不可替代的重要自然生產資料，同時也是穩定社會秩序、保障糧食和生態安全、促進城鄉協調發展的重要物質條件[1]，因此，協調和統一保護耕地與經濟發展，實現國家經濟社會的可持續發展，具有重要意義。改革開放以來，我國經濟發展取得了巨大成就，城鎮化進程呈現不斷加快的態勢[2]，對于土地資源需求的這種壓力長期存在，同時人口不斷增長，耕地用途的轉變日益增加，耕地資源不斷減少。目前國內學者研究主要集中在以下幾方面，從研究角度看，主要從耕地利用變化與經濟發展關系角度[3-6]進行探索研究；從研究方法看，運用主成分分析法、多元回歸分析、灰色關聯分析[7-11]等方法對耕地利用變化進行研究分析；從省域層面看，研究成果較多集中在東部經濟發達地區和沿海地市耕地資源變化[12-14]，很少有文獻對中西部地區及不同尺度進行研究，同時，運用相對變化動態與地理信息系統空間統計,從時間和空間跨度研究區域范圍耕地資源影響因素的成果不多。湖北與河南省作為國家糧食生產大省，同時在快速城鎮化發展中還承擔著中部6省崛起的核心任務，面臨耕地保護與經濟建設雙重壓力，對其耕地資源變化時空演變進行研究具有重要的現實意義。鑒于此，本文以鄂豫兩省35個地市的社會經濟發展統計數據為基礎，分析耕地資源相對變化動態及區域差異，通過空間自相關分析和地理加權回歸模型，以時間和空間雙維度對鄂豫兩省區域耕地利用格局差異進行分析，探究快速城鎮化發展對耕地利用變化的區域差異，旨在為解決鄂豫耕地保護、經濟社會發展以及土地資源可持續利用提供管理參考。

1 研究區概況

湖北和河南省地處我國內陸腹地，位于北緯29°05′—36°22′、東經108°21′—116°39′，具有承接東西、連通南北的地理優勢。鄂豫是中部地區崛起重要戰略的支點，總面積3.53×105km2，占中部6省總面積的2/5。2016年鄂豫地區生產總值達到72 458億元，占中部六省生產總值的45.54%；人均GDP 達到97 554元，高出6省平均值54 491元。近年來，鄂豫社會經濟發展主要表現為經濟發展方式的轉變及產業結構的轉型升級。

2000—2015年湖北省耕地資源從3.28×106hm2增加到3.44×106hm2，大致分為兩個階段：2000—2007年為下降期，湖北省耕地資源年均減少了7 000 hm2，年均減少1%；2008—2015年為增長期，2008年耕地資源從3.29×106hm2，增加到2015年3.44×106hm2，這期間增加了1.28×105hm2，年均增加1.84%。2000—2015年河南省耕地資源從6.88×106hm2增加到8.16×106hm2，大致分為兩個階段：2000—2008年為增長期，河南省耕地資源穩定增加，2008年耕地資源增加到7.20×106hm2，年均增加3.63×104hm2，增長率為1.01%；2009—2015年為平衡期，河南省耕地資源保持較高水平，處于平衡發展階段，約為在8.10×106hm2。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文主要從社會經濟發展角度，根據科學性、全面性、針對性和可操作性原則建立指標體系，參考相關文獻[7-9]研究選取的因素，從人口增長、社會經濟發展水平、經濟產業結構狀況、科技水平以及居民生活水平等5個方面選取總人口X1，地區生產總值X2，固定資產投資額X3，城市化X4，糧食總產量X5，化肥用量X6，農林牧漁總產值X7，人均生產總值X8，地方財政支出X9，農業機械水平X10，二三產業增加值X11，有效灌溉面積X12，農民年均純收入X13，社會消費品零售總額X14等14項指標。該系列數據來源于2001—2016年的《湖北省統計年鑒》《河南省統計年鑒》、鄂豫兩省各地市社會經濟發展統計公報和政府工作報告等資料，空間矢量數據來源于國家1∶400萬基礎地形圖。

2.2 研究方法

2.2.1 耕地相對變化動態模型 鄂豫兩省各地市由于在自然條件、社會經濟發展水平和區域發展戰略方面存在著一定差異，因此耕地資源變化也明顯地存在區域差異[15]。為在空間上反映耕地資源變化差異，本文采用耕地相對變化率，計算公式為：

(1)

式中：Ka——各地市研究期初的耕地資源面積；Kb——各地市研究期末的耕地資源面積；Ca——全省研究期初的耕地資源面積；Cb——全省研究期末的耕地資源面積。

2.2.2 空間自相關分析 運用GWR模型分析的前提條件是先進行因變量的空間自相關性檢驗，分析因變量是否在空間上表現出分布的積聚性和空間差異等特征[16]，本文采用 Moran’sI指數進行檢驗分析，計算公式為：

(2)

2.2.3 地理加權回歸模型 地理加權回歸模型是一種對傳統空間線性回歸模型的改進，其主要優勢在于引入空間權重矩陣，拓展了傳統線性回歸模型，并展示了空間結構分異，是最有發展潛力的空間統計模型之一[17]。

(3)

式中：yi——觀測值； (ui,vi)——樣點i的坐標；βk(ui,vi)——i點上的第k個回歸參數；p——獨立變量個數；xik——獨立變量xk在i點的值；εi——隨機誤差。

3 結果與分析

3.1 耕地資源空間變化分布特征

2000—2015年的這15 a間，研究區30個地市的耕地資源呈現增長趨勢，其中信陽、南陽和駐馬店三市耕地資源增加最快，新增耕地資源1.00×105hm2以上，其中信陽市增加了3.24×105hm2。耕地資源減少的5個市州、林區中，武漢市和恩施州降低幅度最大，分別減少了2.14×104hm2，2.02×104hm2。根據公式(1)計算結果與研究區相對變化率數值分布的均衡性，將研究區耕地資源變化情況劃分為3個區(圖1)，即耕地資源減少區(R<0)、耕地資源平衡區(0≤R<2)、耕地資源增加區(R≥2)。

(1) 耕地資源減少區主要分布在東部和西南部區域，包括武漢、十堰、恩施、仙桃和神農架等5個市州、林區，該區域研究期間耕地面積顯著減少。武漢市作為我國中部崛起的戰略支點，近年來，城市國民經濟建設占用耕地規模擴大、土地利用結構調整頻繁、退耕還湖等原因導致耕地資源減少較多、較快。隨著經濟不斷發展，仙桃市工礦水利建設和城市基礎設施發展，耕地非農用轉變導致大量耕地資源被占用。由于國家政策、農業政策及土地政策對十堰和神農架林區的影響較大，同時受自然災害影響導致大量水土流失和生態破壞，耕地損失嚴重。恩施州地處鄂西山區，旅游資源豐富且經濟投入發展，占用耕地資源明顯，自然災害及人為因素導致耕地流失嚴重。

(2) 耕地資源平衡區主要分布在中北部區域，包括湖北省的宜昌市、荊門市、隨州市、荊州市、孝感市、天門市和潛江市，以及河南省除信陽市外的所有地市，該區域研究期間耕地面積相對變化率小于等于2%。這些城市經濟發展較為平穩，耕地資源的流失變化趨勢穩定。同時，各城市因農業結構調整、生態退耕、自然災害損毀和非農建設占用等因素而減少耕地，通過土地開發、整理和復墾等途徑提高有效耕地資源，因此，其耕地資源的變化較為平穩。

(3) 耕地資源增加區大部分分布在東南部區域，包括咸寧、鄂州、黃石、黃岡、襄陽和信陽六市，該區域研究期間耕地面積相對變化率大于2%。隨著國家對農業保護和扶持力度不斷加大，實施了農村稅費改革、取消農業稅、種糧補貼、農資補貼、農機補貼、養殖業等一系列惠農政策，有利于提高農業生產能力、促進農村經濟發展以及增加農民收入。隨著社會的發展，農業經濟不斷提高，從事農業人口增加，促使農業生產得以恢復，使得一部分閑置地和荒廢地重新恢復成為耕地。此外，湖北和河南兩省大力推進農村土地整治，通過加快農村土地的大規模整理復墾來增加耕地面積，提高耕地質量建設，因此生產效益提高、農民增收和社會經濟發展成果顯著。

3.2 耕地資源的影響因素分析

根據鄂豫兩省耕地資源變化的階段特征，分別選取2000年、2008年和2015年3個時段進行耕地資源變化影響因素的空間特征研究。

3.2.1 模型構建及檢驗 利用Moran’sI對2000，2008和2015年因變量空間自相關測度進行分析，統計量值分別為0.231，0.249和0.257，Moran’sI系數逐漸增大，充分說明耕地資源分布在空間上呈現積聚狀態，且空間自相關程度正日益加強，但耕地資源但仍然表現出一定差異性，這為模型的構建奠定了基礎。基于鄂豫地區耕地資源具有空間相關性，運用ArcGIS 10.2采用探索性回歸(exploratory regression)進行自變量組合，在通過檢驗R2較高的模型中確定X1(總人口)、X2(地區生產總值)、X3(固定資產投資)、X10(農業機械水平)4個指標作為自變量。對模型殘差進行空間自相關分析，顯示為大概率的空間集聚，故進一步采用GWR進行回歸。通過模型計算和應用CV確定帶寬的方法對GWR模型帶寬的計算，得到2000，2008和2015年鄂豫各地市時空演變特征各自變量模型結果(表1)。

表1 GWR模型參數估計及檢驗結果

注：Bandwidth為帶寬； Sigma為求和； AICc為最小信息準則帶寬；R2為擬合優度；R2Adjusted為調整擬合優度。

由模型結果可知R2Adjusted達到90%以上，雖然模型擬合優度逐漸下降，即空間相關性逐漸下降，但GWR模型整體能較好地模擬各因素對鄂豫地區耕地資源的影響。通過計算每個影響因素相對應的回歸系數，分別統計2000，2008和2015年調整型空間核的回歸系數的最小數、上四分位數、中位數、下四分位數、最大數和平均數(表2)，統計檢驗回歸系數的p值為0.000，其結果表明自變量呈現顯著的空間非平穩性。從橫向看，各個因子的回歸系數正負分明，同時回歸系數隨空間的變化而變化；從縱向看，各個自變量隨時間的推移而差異顯著。由于每個獨立變量回歸系數的中位數與平均值數值相近，因此說明各個影響因素在空間范圍的影響性質是趨同。

表2 GWR模型回歸系數五分位表

3.2.2 結果分析

(1) 人口因素與耕地資源系數呈正相關(圖2)。2000年西北區域回歸系數較高，向東南回歸系數逐漸下降，說明了該區域耕地資源對人口因素敏感度高于東南區域，回歸系數主要在0.480～1.069。西北區域地處鄂豫兩省的山地丘陵地區，地勢起伏較大，從事農業的人口多且耕地資源少，該區域受人口因素影響較大。

圖2 研究區2000-2015年GWR模型回歸系數空間分布

2000—2008年回歸系數整體由北向南逐漸減小，回歸系數最高點北移到了豫北平原地區，該區域地處豫北平原地區，農業發展歷史悠久，同時由于國家不斷加強對農業的扶持力度，對農村實行的惠農政策減輕農民負擔，從事農業生產的人口增多，人口因素對耕地數量影響在北部區域較大。2008—2015年回歸系數最高點出現在了鄂東南，向北回歸系數值逐漸減小。該時期武漢城市圈成為湖北省經濟增長的支撐點，城市化快速發展，社會經濟不斷發展，人口增長對耕地面積影響程度較大。這3 a回歸系數逐年下降，高值區由西北向東南移動，人口因素對耕地資源影響呈減小趨勢。

(2) GDP對耕地資源具有負向作用(圖2)。從空間分布上來看，2000年回歸系數值總體呈現東北高西南低，該地區是豫東、豫南耕地資源豐富，并且屬于三省相鄰的沿邊區域，經濟發展占用耕地現象明顯，GDP對耕地資源影響程度在該地區較高。2000—2008年GDP對耕地資源影響程度從東南向西北逐漸增大，豫北區域經濟快速發展加速了耕地數量的變化，耕地資源受GDP影響在該地區較敏感，而在東南地區經濟增長對耕地數量影響不大。2008—2015年回歸系數由西北向東南逐漸增大，回歸系數最高點南移。由于該地區城市化水平較高，這時期隨著社會經濟不斷發展，GDP增長較快，城市經濟快速發展，農村人口向城市流動較快，城市居住用地的壓力增大，耕地數量受GDP影響高于其他地區。從這3 a回歸系數空間變化上看，GDP對耕地資源的影響范圍有減弱趨勢。

(3) 固定資產投資回歸系數大部分是正值，固定資產投資與耕地資源呈現正相關關系(圖2)。從回歸系數空間變化看，2000年固定資產投資回歸系數大部分為正值，對耕地資源為正影響，回歸系數空間分布呈現從西南、東南向東北逐步遞減。由于城市化加速發展，工業用地比重增加，隨著對房屋、建筑物、機器等固定資產投資額的增加，西南和東南地區耕地數量受固定資產投資影響高于其他地區。2000—2008年固定資產投資回歸系數大部分區域為正值，僅西北部區域出現負值。該時期武漢及周圍地市，隨著城市化加劇，出現了買房熱，農村出現了建房熱等現象，較多資金投資于房地產，這使得固定資產投資對該地區耕地數量影響較大。2008—2015年固定資產投資回歸系數大部分都是負值，對耕地資源呈負相關，回歸系數空間分布呈東南區域向西、北部區域逐漸增大。由于鄂西和豫西北地處山地地區，受自然條件限制，固定資產投資成為經濟持續發展的重要動力，該地區固定資產投資對耕地數量更敏感。從這3 a回歸系數的變化可以看出，回歸系數絕對值由南向北逐漸減小，固定資產投資對耕地資源影響呈減小趨勢。

(4) 農業機械水平回歸系數大部分是正值，對耕地資源有著正面的影響(圖2)。2000年在回歸系數空間分布上，東南區域回歸系數較高，向西北區域系數逐漸減小，說明了農業機械水平對鄂東南地區耕地數量影響較大，對豫西北區域影響較小。由于武漢城市圈社會經濟快速發展，科學技術水平較高，農業科技的投入對耕地經營方式的轉變，農業機械水平對耕地數量影響較大。2000—2008年回歸系數由南向北逐漸減小。鄂西南山地丘陵耕地資源較少，發展旅游導致耕地出現一定程度的流失，農業科技的投入以確保耕地糧食產量；鄂南平原地區隨著農業技術水平的提高，單位耕地面積的農業總產值逐漸增加，耕地資源受農業機械水平影響較大。2008—2015年回歸系數最高點北移，回歸系數最高點出現在豫北地區，農業機械水平回歸系數由西北向東南逐漸減小，西北地區農業機械水平對耕地數量變化貢獻高于其他地區。豫北地勢平坦，耕地資源豐富且質量較高，同時是重要農業產區，河南省不斷加大農業科技投入，農業機械水平對該地區耕地數量影響高于其他地區。3 a中GWR模型回歸系數逐漸減小，且最大值逐漸向北偏移。

3.2.3 殘差的空間變異特征分析 根據上述分析，GWR模型適用于研究區，在這一前提下，存在耕地資源實際觀察值與GWR模型擬合值的不一致。2000年殘差最高值出現在駐馬店地區(圖3)，由于其經濟平穩增長，大力推進現代農業和農村經濟發展，耕地資源擴展潛力較大，使其實際值大于GWR模型擬合值；低值區包括黃岡、孝感、十堰、周口、平頂山、洛陽和焦作七市，由于焦作市和平頂山市礦產資源開發，黃岡、孝感、十堰、周口和洛陽五個城市近年來大力開發旅游產業，農業人口流失，耕地資源減少，因此耕地資源實際值小于GWR模型擬合值。2000—2008年殘差在宜昌市、鄂州市、南陽市和信陽市分布較高，這期間鄂州市經濟平穩發展，城市建設占用耕地相對較少，雖然宜昌市、南陽市和信陽市地處山區，但由于制定嚴格的耕地保護政策、糧食補貼等惠農政策，積極調動農民生產，耕地保護成效顯著，使其實際耕地資源大于模型擬合值；低值區包括荊門市、商丘市、開封市、焦作市和新鄉市，開封市和商丘市是旅游資源豐富的城市，耕地資源減少主要是旅游資源開發占用，新鄉市作為中原地區重要的工業城市，工業發展和擴張占用耕地資源顯著，因此耕地資源實際觀察值小于模型擬合值。2008—2015年殘差高值區分布在荊門市、襄陽市、信陽市和駐馬店市，荊門市和襄陽市雖然經濟發展較快，但由于實施耕地保護、優化用地布局等措施，從數量上、質量上落實了耕地占補平衡制度，有力推動城市經濟發展，同時其耕地后備資源豐富，耕地資源實際值高于GWR模型擬合值；孝感、黃岡和周口三市為殘差分布較低的地區，這些城市由于其他產業開發占用耕地資源，使之實際值低于GWR回歸模型擬合值。從3 a的殘差空間分布可以看出，殘差高值區大部分出現在耕地資源的平衡區和增加區，殘差低值區分布在耕地資源的減少區和平衡區中相對變化較小的地區。

圖3 研究區2000，2008和2015年GWR模型殘差空間分布

4 討論與結論

(1) 2000—2015年，從時間角度看，鄂豫兩省耕地資源總量呈增加趨勢。究其原因,一方面土地開發、整理和復墾等途徑增加耕地資源，另一方面,國家出臺一系列惠農政策，對農業保護和扶持力度的不斷加大，部分閑置地和荒廢地重新恢復成為耕地。從空間維度看，耕地資源變化減少區主要分布在東部和西南部區域，該區域城市經濟不斷發展，工礦建筑、水利設施及城市建設占用耕地，導致耕地資源大量流失。耕地資源變化平衡區集中分布在中北部區域，該區域城市經濟發展較為平穩，基礎建設占用導致的耕地流失的變化趨勢較為平緩。耕地資源變化增加區大部分分布在東南部區域，該區域通過加快農村土地的大規模整理復墾來增加耕地面積，提高耕地質量建設。

(2) 基于GWR模型的耕地資源變化原因剖析，在一定程度上揭示了快速城鎮化進程中對耕地資源有著較為直接的影響。其中人口、固定資產投資與農業機械水平在空間上與耕地資源呈正相關，地區生產總值在空間上與耕地資源呈負相關，且具有空間分布差異性。人口回歸系數高值區向東南轉移；GDP、固定資產投資和農業機械水平回歸系數高值區逐漸西北移動；各因素對耕地資源的影響逐步減小。回歸系數及殘差的空間分異表明，社會經濟因素對鄂豫各地市耕地資源的影響程度存在差異，通過GWR模型對影響鄂豫兩省耕地資源的因素進行時空演變分析，揭示了湖北和河南省的耕地資源變化的影響因素呈現很強的地域特征，因此各地市在保護耕地時應從實際出發，要因時因地制宜。

(3) 由于統計年鑒數據與全國第二次土地調查數據、國土資源公報統計口徑不同造成誤差，河南省這三類數據統計的耕地資源面積保持了一致性，湖北省耕地資源面積二調及公報數據較高于統計年鑒數據，這三類數據雖存在差異，但耕地資源面積變化趨勢一致。地市級尺度上的耕地資源統計數據與二調數據的空間分布也保持相對一致性[19]，例如武漢、宜昌、平頂山等地區耕地資源有不同程度的減少，南陽、信陽、駐馬店等地區耕地資源面積增加，因此本文耕地資源面積來源于統計年鑒數據其研究結果具有應用性。

(4) 運用GWR 模型分析鄂豫兩省耕地資源變化的影響因素具有空間分異性，但從模型的擬合度和殘差來看，本文從社會經濟角度所歸納的影響因子雖在一定程度上揭示了快速城鎮化進程中對耕地資源有著較為直接的影響，但仍具有一定的局限性，還需要從自然因素、政策因素、科技發展因素、生態環境因素等影響角度考慮分析，更全面深入地分析耕地資源變化的驅動機制是今后進一步的研究方向。