基于GIS和空間計量的耕地利用轉型時空格局及其驅動機制研究

史洋洋，呂 曉，郭貫成，鞏 晨

（1.南京農業大學公共管理學院，江蘇 南京 210095；2.曲阜師范大學地理與旅游學院，山東 日照276826；3.自然資源部海岸帶開發與保護重點實驗室，江蘇 南京 210024；4.東北大學文法學院，遼寧

沈陽 110169；5.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊陵 712100）

1 引言

隨著國際土地變化研究視角從土地利用/覆被變化（LUCC）到全球陸地計劃（GLP），再到近年來在兩者基礎上發展而來的土地變化科學（LCS）[1]，土地利用轉型研究于20世紀90年代以來逐漸興起并發展成為當前土地變化科學研究的前沿熱點[2]。土地利用轉型概念最早由英國利茲大學地理學家GRAINGER在研究森林轉型[3]基礎上提出，是指經濟社會發展過程中一國或區域土地利用形態的變化。這里的形態是指某一時點一國或區域主要土地利用類型和自然植被組成的總體格局，主要反映的是土地利用在空間形態上的轉型[4]。中國學者將這一理念引入國內后，結合中國實際的土地利用轉型理論及相關實證研究大量涌現，而國內學者更加關注的是土地利用形態的趨勢性變化[5-7]。鑒于中國特殊的人地關系，從形態視角研究耕地利用轉型在國內學術界逐漸受到較高重視，并取得一定進展[8-9]。當前，中國正在全面實施鄉村振興戰略，其本質上是實現人口、土地和產業要素在城鄉間優化配置、城鄉互動和融合發展過程[10-11]。而中國自改革開放以來，經濟高速發展、城鎮化與工業化快速推進，各種地理要素的流動導致社會經濟不斷轉型，土地利用也呈現出劇烈的轉型趨勢[12-13]。耕地資源是鄉村區域最主要和可變性最強的土地利用類型，耕地利用轉型研究將有助于推動土地利用轉型向人與自然復合的地域系統等復雜領域拓展[14]。

已有研究中耕地利用變化的定量分析對于耕地轉型規律的空間表達不足[15-16]。耕地利用變化即一定區域內耕地在時間序列上表現出的數量、質量、集約利用程度、經營方式與規模化等方面的變化[17]，可見耕地利用變化的內涵不涉及與其他土地利用類型用途轉換（屬于土地利用變化的范疇），耕地利用轉型則基于耕地利用形態的視角探究其趨勢性變化，這種趨勢性的內涵具有外延性[6]，空間形態表現為耕地數量（面積）及其擴張和縮減的空間發展趨勢，功能形態表現為耕地多功能轉型發展的趨勢[14]。因此，本文界定的耕地利用轉型概念是指耕地利用形態（空間和功能形態）在長時間序列上表現出來的與本區域社會經濟發展階段相適應的趨勢性變化或轉折，其中空間形態包括數量（面積和份額）、空間格局（景觀和經營格局、過程與軌跡演化）等的趨勢變化，而功能形態主要從耕地作物生產、生態安全保護和生活保障功能三大方面進行測度。耕地作為單一土地利用類型，耕地利用變化與耕地利用轉型的區別在研究內容、研究尺度（時間尺度和空間尺度）、價值主體、驅動因素和軌跡變化以及結果與效應方面存在顯著差異[8]。基于此，本文選擇既是中國沿海經濟發達省份又是糧食主產區的山東省作為研究區域，在地學信息圖譜理論及方法的支持下[18]，以耕地空間形態視角為切入點，分析山東省耕地利用轉型時空過程及其驅動機制，為科學評估區域耕地保護政策實施績效、推動耕地可持續利用提供科學依據和決策參考。

2 理論框架與機制分析

土地利用轉型是特定區域內自然環境條件、社會經濟、法律政策、工程技術等要素相互作用、共同約束的結果[19]。在全球化與全球環境變化條件下，深層驅動因素通過作用于表層驅動因素進而影響土地利用，包括人口、經濟、技術、制度、文化和區位因素等[8]。耕地作為承載人類食物主要來源的重要資源基礎，耕地利用轉型受到人口、社會經濟轉型的綜合影響最為顯著[20]?；诖?，耕地利用轉型的驅動因子選取應該包括影響耕地與人口分布的自然因素，也要涵蓋影響耕地利用方式以及人口空間流動的交通區位因素、社會經濟因素、土地管理因素（圖1）。

自然驅動因素是耕地利用轉型的基礎。空間上，地形地貌以及水文要素的差異會導致耕地資源、人口和產業結構的分布不均，因而對社會經濟轉型也較為敏感[21]。氣候因子對于大尺度或中等尺度研究區域影響顯著，山東省東西跨度大且海陸兼備，氣候因子對耕地利用轉型的影響不容忽視。另外，影響耕地利用轉型的自然災害通常是由于人類盲目開墾土地、圍湖造田等導致的耕地退化、洪澇和水土流失等[22]，本文主要通過結合具體轉型過程進行定性分析。據此，本文選取地形（海拔和坡度）、水文（距主要河流的距離）和氣候（多年平均降水量）3類因子組成自然驅動因素的解釋變量。

社會經濟因素是耕地利用轉型的核心驅動力。土地利用轉型通常與一定的經濟和社會發展階段相對應，社會經濟的發展與土地利用形態相互作用、互相影響促成了土地利用轉型[23]。山東省位于黃淮海平原農區的東部沿海發達地區，人口城鄉地域流動以及新型城鎮化對耕地的影響也更大，主要表現為耕地非農化、農村空心化以及建設占用耕地的無序化等。另外，灌溉因素作為區域農業科技發展水平的重要標志，也是耕地利用轉型的重要驅動因子[24]。據此，本文選用總人口、人均GDP、城鎮化率、財政支農支出、第一產業增加值、灌溉比率和農機總動力作為衡量社會經濟因素的解釋變量。

交通區位因素是驅動耕地利用轉型的重要空間因子。區位的空間異質性是決定地理要素空間格局演變的關鍵因素。耕地作為糧食生產的重要基礎資源，耕地的區位分布除了受自然基底條件影響之外，還受到社會經濟活動、市場需求與交易以及貨物運輸條件等影響。社會經濟越發達，人口越密集，對于糧食的需求也越大；距離人類聚居地區越遠，貨物運輸成本越高，農民糧食生產的積極性和耕種意愿會下降，嚴重制約耕地的高效利用[25]。交通便利與否，距離社會經濟活動中心的遠近將對區域耕地利用轉型產生重要影響。據此，本文選擇與社會經濟活動中心（地級、縣級行政中心）距離表征區位因素，選擇與糧食運輸及人口跨區流動的重要交通方式（公路、鐵路）距離表征交通因素。

土地管理因素是驅使耕地利用轉型的直接動力。在區域人地系統演化過程中，自然災害的發生、社會經濟的發展轉變等會引發土地資源衰竭（耕地面積減少與質量下降）和土地環境退化（土地污染與鹽堿化），這些問題的出現會逐漸引起社會公眾關注以及政府響應?；谏鷳B效益和耕地可持續集約利用發展要求[26]，土地行政主管部門通過出臺相應的法律法規和政策制度（征收耕地占用稅、實施耕地占補平衡、土地用途管制、退耕還林還草等）來引導或約束土地利用主體行為，通過土地工程與技術（土地開發、整理和復墾等）使土地資源管理的政策制度得以落地實施，最終直接或間接地實現對區域土地利用轉型有效管控[27]。研究表明，土地整治逐漸成為土地利用轉型的重要驅動力[28]。

綜合以上分析來看，耕地利用轉型的動力機制以自然地理因素為先決基礎條件，體現了區域耕地利用轉型的內生性動力問題；社會經濟因素既是耕地利用轉型的重要外部驅動力，在長時間序列來看社會經濟發展階段又與耕地利用轉型階段相適應，體現了區域要素流動的整體性與協調性；交通區位因素對耕地利用轉型的制約效應充分體現在以新古典區位理論向現代區位理論過渡發展過程中的要素集聚及其外部性影響方面，即在規模經濟、外部性擴散、地價變化等視角下引致的區域耕地擴張或縮減的空間形態轉型發展趨勢；基于政府意志而出臺相應的土地制度與政策引導約束土地利用主體行為（土地使用者和政府），而土地綜合整治則是政府對土地進行有效管控的直接方式，兩者相互影響、互為補充，最終體現了土地管理因素中政府的“文武”兩種手段對耕地利用轉型的調控，比如煤炭塌陷地整治，既有煤礦開采也有政府整治，最終復墾為耕地或養魚取決于土地工程與技術支持?？梢?，耕地利用轉型的動力機制是以區域自然地理條件、社會經濟發展水平、交通區位與土地管理因素共同組成的有機整體，需要從管理學、地理學、法學、經濟學等多學科視角分析做出綜合的評判。

圖1 耕地利用轉型的動力機制概念框架Fig.1 Conceptual framework of dynamic mechanism of cultivated land use transition

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源與驅動因子參數化

本文選用的土地利用數據來源于中國科學院資源環境數據云平臺（http: //www.resdc.cn），選擇1990年、2000年、2010年和2015年共4期30 m柵格分辨率的山東省遙感影像解譯數據。該數據以Landsat TM影像作為基礎數據源，數據具有較高精度及可信度[29]。根據需要，將山東省土地分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地，并在ArcGIS 10.2中對每期數據的土地利用類型進行重編碼，分別賦值CLT1～6。社會經濟數據主要來源于《山東省統計年鑒》（1990—2015年）以及各地市人口普查資料；交通區位因素來源于國家基礎地理信息中心（http: //www.ngcc.cn）1∶400萬數據集；氣象數據來源于國家氣象信息中心（http: //data.cma.cn）。

自然地理因素中的海拔、坡度由90 m分辨率的山東省DEM數據計算得到，氣候數據為各氣象站點多年平均降水量通過ArcGIS的Create Thiessen Polygons工具轉化而來，水文要素與交通區位因素通過Euclidean Distance工具計算所得。對各地市1990—2000年、2000—2010年和2010—2015年三個階段的社會經濟數據通過Join功能加入行政區矢量圖層。具體要素數據的空間化與定量化的過程及步驟可參考劉永強等的研究[7，20，31]，本文不再贅述。在實現數據的定量化與空間化基礎上，通過ArcGIS的Raster Analysis工具對所有變量數據進行極值標準化以消除量綱，使所有自變量的值均處于0～1之間。

3.2 研究方法

3.2.1 地學信息圖譜

以山東省4期土地利用數據為基礎，在ArcGIS 10.2軟件中進行柵格數據的地圖代數疊加運算，實現土地利用類型的空間信息融合。將三個時間階段的耕地利用轉型過程“圖”（圖2）和空間分離度以及數量變化的“譜”（表1）共同表征山東省耕地利用空間形態轉型特征，其中圖2中代碼含義：1為耕地；2為林地；3為草地；4為水域；5為建設用地；6為未利用地。變化比率與空間分離度指標公式如下[11]：

圖2 1990—2015年山東省耕地利用轉型過程的時空格局Fig.2 Temporal-spatial patterns of cultivated land transition during 1990-2015 in Shandong Province

式（1）—式（2）中：Rab、Dab為變化比率和分離度；Pab、Lab為初期（t）第a種土地類型轉為末期（t+Δt）的b種土地類型的面積和圖譜單元數；n為個數；Rab為轉型后的土地類型占所有已轉型土地類型的比率；Dab為空間上的離散程度，值越大空間上越離散。

表1 山東省1990—2015年耕地利用轉型圖譜單元排序表Tab.1 Geo-spectrum unit order of cultivated land use transitions during 1990-2015 in Shandong Province

3.2.2 空間計量模型

本文選用的空間計量模型主要包括兩種類型，即空間滯后和空間誤差模型。其中，空間滯后模型（Spatial Lag Model，SLM）主要適用于對存在空間相關性的各因素變量的空間擴散性進行表達，顯化因變量受自變量在相鄰空間單元上的影響程度，其數學表達式為：

式（3）中：y是因變量；Wy是空間權重矩陣W的空間滯后自變量；X是解釋變量的觀測值的矩陣；ρ是Wy的參數，反映值之間的空間相關性程度；β是X的回歸系數，反映自變量對因變量的影響；ε是誤差項向量。

空間誤差模型（Spatial Error Model，SEM）通過隨機擾動誤差項之中的相互依賴關系體現變量之間的空間擾動相關和空間總體相關，其公式為：

式（4）—式（5）中：ε是誤差項向量；β是回歸殘差向量；λ是自回歸系數，其衡量了變量中的空間依賴性，反映了樣本觀察值影響相鄰地區樣本觀察值的方向和程度；Wε是空間擾動項權重矩陣；μ是正態分布的誤差向量。

4 結果分析

4.1 耕地利用轉型過程的時空格局

山東省耕地利用轉型區域空間差異十分顯著。1990—2000年，轉型過程以耕地向建設用地轉型最為明顯，表現為濟南市、聊城市等全省范圍內主城區周圍形成的“環狀”轉型帶，反映了這一時期城鎮化進程對周邊耕地的侵占；聊城、泰安等地呈現面狀無序擴張，表明耕地占用現象較為普遍。耕地與水域相互轉型過程的空間分布也十分明顯。2000—2010年，耕地向建設用地轉型的“環狀”轉型帶在空間上擴張趨勢更加顯著，形成了以聊城市到濰坊市再到青島市的東西向點軸轉型帶，透視出山東省的城鎮化進程開始從小城鎮、小城市的模式向城市連綿區方向發展。2010—2015年，耕地向建設用地轉型的“環狀”轉型帶在空間上依然顯著，空間上以菏澤市主城區和濟寧市梁山縣最集聚。耕地向水域轉型過程較為分散，耕地向林地和草地轉型主要分布在濱州市中部。本階段濱州市耕地利用轉型種類最為豐富。

山東省1990—2015年，耕地向建設用地轉型的空間分離度在每個階段都處于最低水平，這表明耕地向建設用地轉型在空間上的集聚程度最高（表1）。1990—2000年，耕地向未利用地轉型過程在空間上的離散程度最大，而未利用地向耕地的轉型在空間上的集聚程度較高。2000—2010年，耕地向草地轉型空間離散程度最大（104.12）。2010—2015年，林地向耕地轉型的空間分離度值最大（78.25），而耕地向林地轉型過程的空間離散程度較低，僅次于耕地向建設用地和耕地向水域轉型?？傮w上，1990—2000年總體分離度值最大（268.04），表明本階段耕地利用轉型相較其他階段更活躍。

4.2 耕地利用轉型階段與趨勢

診斷耕地利用轉型要基于耕地利用形態的視角，包括耕地空間形態（數量、格局演變）或功能形態（外部性、政策）視角兩方面[12]。其中，耕地空間形態的數量面積變化最能直接表現耕地利用轉型階段與趨勢，因此本文基于耕地利用空間形態視角的耕地數量（面積）變化進行綜合診斷。從中國實行最嚴格耕地保護制度的國情出發，耕地數量（面積）會出現由持續快速減少向緩慢減少甚至出現停滯轉型再向穩定增長方向的3種狀態轉型趨勢（圖3）。

圖3 耕地面積變化轉折[12]Fig.3 The transition of cultivated land areas

從耕地利用轉型過程來看（表1），1990—2000年耕地面積凈減少1 257.91 km2；2000—2010年耕地面積凈減少1 885.52 km2，較上一階段減少趨勢進一步加??；2010—2015年耕地面積減少711.90 km2，由于時間跨度小，本階段耕地利用轉型的圖譜單元數和面積比前兩個階段少，但變化比率所占比重逐年上升，并在本階段累計變化比率達到90.18%，反映出山東省耕地利用縮減轉型發展的趨勢顯著。從中得出，山東省土地利用形態格局依然存在沖突，耕地利用轉型處于從持續快速減少向緩慢減少的過渡階段，還沒有達到轉型停滯的轉折點。

4.3 耕地利用轉型的影響因素

本文基于Geoda軟件對山東省1990—2000年、2000—2010年和2010—2015年3個時間段主要耕地利用轉型過程進行驅動因子的空間計量回歸分析，首先在ArcGIS 10.2軟件中調用Feature Class模塊，通過Create Fishnet生成10 km的網格，統計格網內各驅動因子空間數據值和單一耕地利用轉型類型的面積并求取平均值，據此生成相應時間階段的空間權重矩陣；然后將自變量與因變量的數據底圖在Regression模塊中打開，指定空間權重文件和所要執行的回歸類型并輸出結果，據此反映各驅動因子對耕地利用轉型的作用強度和方向。具體操作過程參考ANSELINL[30-31]等的研究，在空間相關性檢驗基礎上選擇合適的空間計量模型。另外對于模型擬合效果檢驗指標主要有擬合系數R2、自然對數似然函數值（LogLikelihood）、赤池信息準則（AIC）和施瓦茨準則（SC）等[7，31]（表2）。

（1）1990—2000年，耕地向建設用地轉型（CLT15）距離市級和縣級行政區的距離在1%置信水平上呈負相關，與距離主要公路與河流的距離、總人口和高程在5%置信水平上呈負相關，與坡度和城鎮化率在10%置信水平上負相關，與多年平均降水量在10%置信水平上呈正相關。表明其主要發生在行政中心周邊及交通區位條件優越、地勢較低、坡度平緩、降水量充足、距離河流較近以及人口密集的城鎮化水平較高的地區。耕地向水域轉型（CLT14）主要發生于距離市級行政中心較遠、降水量較多、地勢較低的距離河流較近的地區。水域向耕地轉型（CLT41）主要在距離河流較近、機械化水平較高的地區。河灘地的開墾極易造成水土流失與農作物損失，因此河流附近的耕地利用轉型問題需要加強管控；另外，農業機械總動力反映了社會經濟與農業科技水平對耕地利用轉型的影響，農業機械總動力越大，農民對于耕地需求越大。未利用地向耕地轉型（CLT61）主要發生在地勢較低、距離河流較近的地區。

（2）2000—2010年，耕地向建設用地轉型（CLT15）中距離主要鐵路的距離成為重要驅動力，空間上顯著體現在以“郊濟線”為中軸形成的東西向的耕地向建表注>設用地轉型帶。交通的發展特別是當前以高鐵、輕軌列車等為代表的新型的交通方式不斷完善，在未來將會對區域城鎮化、耕地利用轉型與社會經濟發展產生顯著影響。草地向耕地轉型（CLT31）主要發生在地勢較低、距離河流較近地區。未利用地向耕地轉型（CLT61）表明農戶在轉型生計過程中會根據耕地資源開發難易，優先開發坡度較小易于耕種的未利用地。兩種轉型過程顯著分布于黃河三角洲地區，2009年國務院通過了《黃河三角洲高效生態經濟區發展規劃》將黃河三角洲開發建設上升為國家戰略[7]，可見，政策對于荒草地和未利用地向耕地轉型具有重大推動作用[23]，而土地整理、鹽堿地修復等土地工程為區域土地綜合治理提供了技術支持。需要注意的是，政府要加強這一地區生態風險監測管控，真正實現耕地可持續集約利用[24]。耕地向水域轉型（CLT14）與第一產業增加值與財政支農支出的相關性顯著，這是由于水產養殖等漁業發展提升了區域農業經濟和政府財政收入，政府因此鼓勵擴大水產養殖規模所致。

（3）2010—2015年，雖時間跨度較小，但耕地向建設用地轉型（CLT15）動力機制依然穩定。政府應當嚴格遵守土地利用總體規劃，統籌城鄉發展，加快探索制定自上而下的國土空間規劃體系；落實“耕地占補平衡”和土地用途管制，完善土地利用督察監管機制，尤其要加強管控縣級以及鄉鎮行政中心周邊的耕地向建設用地轉型過程。耕地向水域轉型（CLT14）中人均GDP也顯示出較高的相關性，這表明以提高農業經濟收益為目的成為耕地向水域轉型的重要推動力。耕地向林地和草地轉型（CLT12、13）主要與距離河流的距離有關，耕種距離河流較近的土地很容易造成水土流失，反映出政府對于“退耕還林還草”政策落實以及保護生態用地等方面的工作成效明顯，但數量和規模上還需要進一步加強引導工作。另外，從山東省實際調研情況來看，農民外出打工收入高于種地收入，除種糧大戶和農業企業外，小農戶種地意愿普遍偏低[25]，農民更愿意棄耕育林，這也是造成耕地向林地轉型主要原因之一，其顯著表現為黃淮海平原地區普遍存在的“楊上糧下”現象[32]。

表2 1990—2015 年山東省耕地利用轉型與驅動因子空間回歸分析結果Tab.2 The spatial regression analysis results of CLT and the driving factors in Shandong Province during 1990-2015

5 結論與討論

本文對山東省耕地利用轉型時空格局與驅動機制進行了分析，主要結論如下：（1）1990—2000年，空間格局上以耕地向建設用地以及耕地向水域的轉型過程最為顯著；2000—2010年，耕地向建設用地轉型在空間上形成了明顯的東西向點軸轉型帶；2010—2015年，耕地利用轉型過程在濱州市分布種類最為豐富。（2）總體上，1990—2000年耕地利用轉型相較于其他階段更活躍。山東省土地利用形態格局依然存在沖突，耕地利用轉型處于從持續快速減少向緩慢減少的過渡階段。（3）山東省耕地利用轉型是在自然條件、社會經濟、交通區位、國家宏觀政策與土地工程以及農戶土地利用主體行為和耕種意愿等因素綜合影響下的結果，不同因素在各時間階段對不同耕地利用轉型驅動機制存在差異。耕地向建設用地轉型主要與交通區位和社會經濟因素有關，自然地理因素對耕地向建設用地轉型的影響相對較弱。距離主要河流的距離對耕地利用轉型影響在每個時間階段都較為顯著。

本文通過借助GIS和空間計量方法綜合分析區域耕地利用轉型時空格局演化、發展趨勢及其驅動機制，對豐富和發展土地利用轉型理論和方法具有一定的實證研究價值。土地政策與制度是土地利用轉型實現的基礎，土地工程是土地管理的有效實施手段，社會經濟發展與科技水平又一定程度上制約了當地土地工程與技術的發展，因而對土地資源管理成效也具有重要的影響；經濟利益驅動下的市場機制產生的生態效益等“外部性”顯著性低，在比較利益驅動下耕地具有較強的非農化趨勢，尤其是當前耕地細碎化、村莊空心化、宅基地空廢化等問題暴露出的經營方式與農地產權制度不完善的弊端正在日益顯現。因此，在區域耕地利用空間形態轉型時空格局及其動力機制研究基礎上，基于技術條件、產權制度、供需結構、經營方式與生態效益等耕地多功能形態因素對區域耕地利用轉型的影響及其與社會經濟發展之間的耦合響應機理研究應當是今后重點關注的方向。研究尺度上應當進一步豐富，特別是應當在土地利用轉型劇烈、耕地利用保護形勢嚴峻的半城鎮化地區開展耕地利用轉型樣帶案例研究。政府在制定相關政策和國土空間規劃時應統籌考慮耕地利用轉型的驅動因子及區域差異規律，在保證“耕地占補平衡”、土地用途管制的基礎上，合理優化布局，保障生態空間，協調用地結構與規模，對建設占用耕地加強規劃管控，強化耕地保護政策實施績效評價，以期促進耕地利用轉型與經濟社會發展協同適應，切實提升土地資源管理效率，實現耕地可持續集約利用與區域協調發展。