淮安市耕地時空變化特征及其驅動因素

蔣 姣，孫 哲，趙思遠，陳士亮，金思慧，陳 菁

(1.河海大學農業科學與工程學院，江蘇 南京 210098； 2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 咸陽 712100；3.淮安市洪金灌區管理所，江蘇 淮安 223126)

0 引言

耕地資源是不可替代的自然資源，是糧食生產的重要保障，事關人類生存和農業可持續發展[1]。近年來，隨著城市化與工業化的不斷加速，區域中心向周圍城鎮拓展和蔓延現象嚴重，建設用地占用耕地問題凸顯，耕地面積持續減少[2-3]。當前研究全國或區域的耕地利用變化已受到眾多學者的重視，主要集中在耕地利用的時空格局特征、驅動機制、生態環境效應及模擬預測等方面[4-9]。趙曉麗等[10]基于長時間的土地利用動態時空數據庫，對全國尺度下的1987—2010年的耕地變化過程進行分析，揭示了近30年來耕地變化的時空特征及其主要原因。王鳴雷等[11]研究了1980—2010年中國北方新增耕地的時空變化情況，并闡述其驅動因素。洪舒蔓等[12]研究了黃淮海平原2000—2008年耕地資源數量、質量時空變化及其對糧食生產格局變化的影響。劉桂林等[13]分析了南京市1985—2010年5種耕地類型變化趨勢的時空動態，以此體現耕地擴張和遺棄的時空軌跡。

淮安市作為江蘇省長江以北的重要中心城市，地處黃淮平原和江淮平原，西有洪澤湖，東有高郵湖和白馬湖，是物產富饒的魚米之鄉。近年來，由于經濟快速增長，基礎設施建設升級換代，建設用地的需求不斷擴大，導致土地利用結構也發生顯著變化，引起耕地資源利用矛盾及生態環境問題等。研究其耕地利用變化過程及驅動因素，對當地耕地利用管理與農業可持續發展具有重要意義。

本文以淮安市為研究區域，基于多年土地利用遙感影像數據，應用土地利用轉移矩陣、土地利用動態度和多元逐步回歸分析等方法對2000—2018年耕地利用時空變化特征進行分析，并結合社會經濟驅動因子研究其驅動力，為土地利用規劃、區域耕地的可持續利用和動態平衡調控及農業可持續發展提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

淮安市地處江蘇省中北部，江淮平原東部，位于北緯32°43′00″～34°06′00″，東經118°12′00″～119°36′30″，東西最大直線距離132 km，南北最大直線距離150 km，行政區劃示意如圖1所示。淮安市為北亞熱帶濕潤季風和北溫帶半濕潤季風的過渡氣候，年平均氣溫14.1～14.9 ℃，年平均降水量913～1 030 mm。淮安市地勢平坦，地形地貌以平原為主，境內河湖交錯，水網縱橫，全國5大淡水湖之一的洪澤湖大部分位于市境內。2018年，實現全市地區生產總值3 601.25億元，年末常住人口492.50萬人。淮安市區位優勢獨特，是江蘇省的重要交通樞紐，隨著“東融西拓、南聯北接”等重大戰略的逐步推進，建設用地的需求越來越大，土地供需矛盾日益凸顯，科學地掌握土地利用變化特征，對協調淮安市社會經濟發展與土地資源保護，提升建設質量具有重大意義。

圖1 淮安市行政區劃示意Fig.1 Schematic diagram of Huai′an administrative division

1.2 數據來源與處理

土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心，數據生產制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯生成。利用ArcGIS平臺對遙感影像圖進行重分類，結合研究區實際情況，將土地分為6類，分別為耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地和未利用地。社會經濟數據來源于《淮安統計年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用動態度

土地利用動態度反映了某個時間段內各土地利用類型的數量變化、空間變化和組合方式變化等，并可定量地描述變化速度，對預測變化趨勢有積極的作用[14]。按照研究對象又可以分為綜合土地利用動態度與單一土地利用動態度。

(1)綜合土地利用動態度是指研究區域在一定時間范圍內整個土地利用類型的變化速度[15]。其表達式為

(1)

式中LC——綜合土地利用動態度

LUi——研究期初第i類土地利用類型面積

ΔLUi-j——監測時段內第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型的面積

T——監測時段長度，當T的時段設定為年時，LC的值就是該研究區土地利用年變化率

(2)單一土地利用動態度是指某研究區在一定研究期內某一土地利用類型的變化情況[15]。其表達式為

(2)

式中K——研究時段內某一土地利用類型動態度

Ua——研究期初某一種土地利用類型的數量

Ub——研究期末某一種土地利用類型的數量

t——研究時段長，當t的時段設定為年時，K的值就是該研究區某種土地利用類型年變化率

1.3.2土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣能夠描述各種土地利用類型之間的轉換情況，全面而具體地分析區域土地利用變化的特征與不同土地類型動態變化方向。轉移矩陣中的變量可以為土地利用類型面積，還可以生成區域土地利用變化的轉移概率矩陣，一定程度上可用來推測區域土地利用的變化趨勢[16]。其數學形式為

(3)

式中S——土地面積

n——土地利用的類型數

i——研究期初土地利用類型

j——研究期末土地利用類型

2 淮安市土地利用時空變化特征

2.1 土地利用變化時空特征

利用ArcGIS對土地利用數據進行處理，得到2000、2010和2018年淮安市土地利用類型分布狀況，如圖2所示。統計計算不同類型的土地面積，結果如表1和圖3所示。

表1 2000—2018年淮安市各土地利用類型變化情況

圖3 不同時期淮安市各土地利用類型比例Fig.3 Ratio of land use types in Huai′an city during different periods

由表1可知，耕地是最主要的土地類型，所占比例超過56%；其次是城鄉工礦居民用地，占比在15%以上。土地利用在2000—2010年變化較小，在2010—2018年發生明顯變化，總體變化為耕地面積持續減小，城鄉工礦居民用地逐漸增大。說明土地利用變化呈現加速趨勢，近些年城市化的推進，對于土地利用影響較大。

從時間角度，耕地面積呈減少趨勢，由2000年的6 047 km2減少到2018年的5 632 km2，其中2000—2010年耕地減少比例0.78%，幅度較小；2010—2018年，減少比例3.36%。從空間格局角度，建設用地由城市中心向四周擴散，耕地減少面積集中在清江浦區北部，取而代之多為城鄉工礦居民用地。清江浦區地處淮安市主城區，它的快速發展對耕地產生了較大的影響。可見，在城市化發展的不同水平和階段，耕地資源數量變化在時空格局上會呈現出不同的階段性特征。林地面積在2000—2010無變化，在2010—2018年逐漸減少，分析原因是當地的前期城市化發展水平較低，對林地影響小；后期建設用地的不斷擴張，沒有完全貫徹落實林地保護相關政策。水域面積變化較平穩，草地、未利用地面積較小，變化量也較小。綜上，隨著經濟社會的發展，淮安建設用地的需求在不斷擴大，耕地被占用的問題日益凸顯。

2.2 土地利用動態度

計算不同階段的綜合土地利用動態度可得：2000—2010年，淮安市綜合土地利用動態度0.48%，土地利用變化速度較平緩；2010—2018年，綜合土地利用動態度達20.99%，是2000—2010年的43倍。土地利用變化呈加速趨勢，說明社會經濟活動對土地利用變化的影響逐漸增大。

2000—2010年及2010—2018年各土地類型的單一土地利用動態度如圖4所示。結果表明，各土地利用類型的變化速度在不同時間段內差異較明顯，尤其是城鄉工礦居民用地和林地。耕地和林地面積不斷減少，且減少速度不斷加快，分別由2000—2010年的0.13%、0%加快到2010—2018年的0.71%、2.35%。水域、城鄉工礦居民用地的增加速度不斷加快，分別由2000—2010年的0.04%、0.46%增長到2010—2018年的0.11%、2.90%，城鄉工礦居民用地面積的增加呈持續加速趨勢，變化劇烈。草地面積的變化呈現先減少后增加的趨勢，2000—2010年其減少速度0.23%，2010—2018年其增加速度0.88%。

圖4 2000—2018年淮安市單一土地利用變化速度Fig.4 Speed of change of single land use in Huai′an city from 2000 to 2018

2.3 耕地轉移方向

基于ArcGIS平臺獲得2000—2010年、2010—2018年的土地利用轉移矩陣如表2～3所示。2000—2018年間，各土地利用類型發生較明顯的相互轉化，以耕地和城鄉工礦居民用地的轉化為主。

表2 2000—2010年淮安市各土地利用類型轉移矩陣

2000—2010年，耕地轉為其他土地類型的面積為89 km2，其中76.40%的耕地轉化為城鄉工礦居民用地，22.47%、1.13%的耕地分別轉化為水域和林地；其他土地類型轉化為耕地的面積是11 km2，其來源均為水域面積的轉化，土地利用面積的轉化導致耕地面積減少了78 km2。林地、草地、水域、未利用地的轉化較少，最終各土地類型的面積變化也不大。城鄉工礦居民用地沒有面積轉出，轉入面積高達73 km2，其中93.15%的面積由耕地轉化而來，表明隨著社會經濟的發展，建設用地擴張對耕地面積的占用明顯。

2010—2018年，耕地轉為其他土地類型的面積為1 419 km2，其中81.40%的耕地轉化為城鄉工礦居民用地；林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地轉化為耕地的面積達1 082 km2，最終耕地面積減少了337 km2。林地、草地、水域、未利用地的轉化面積相對較小，最終各土地類型面積的變化量也較小。城鄉工礦居民用地轉化為耕地、林地、水域的面積為844 km2，由耕地、林地、草地、水域轉為城鄉工礦居民用地的面積高達1 225 km2，最終城鄉工礦居民用地增加了381 km2。相比2000—2010年階段，2010—2018年期間土地利用類型的轉化趨勢更加明顯，尤其是城鄉工礦居民用地轉化為其他類型土地的面積大量增加，主要轉化為耕地，這與近年來淮安市推進耕地占補平衡工作息息相關，說明淮安市逐漸重視土地整治，嚴格保護耕地，提高土地利用效率。

3 耕地變化驅動因素

3.1 指標選取

土地利用變化的復雜演變過程，受到自然和人類活動兩大因素的影響，已有研究成果表明，隨著社會經濟發展及城鎮化水平的不斷提升，人類活動對土地利用變化的影響日益凸顯[17-18]。為分析耕地利用變化的相關影響因素，綜合淮安市的社會經濟情況，選擇評價指標如表4所示。

3.2 土地利用變化影響因素的相關性

采用Pearson相關分析法將影響因素和土地類型進行相關分析，探討所選取的10個社會經濟指標與5種土地利用類型是否具有相關性，從而突出與各土地利用類型變化具有相關性的因子。Pearson相關系數范圍-1～1，>0時稱為正相關，<0時為負相關。其絕對值的大小表示相關程度，絕對值越大，則相關性越強。利用MATLAB、SPSS軟件計算得到Pearson相關系數及顯著水平如表5所示。由于未利用地總面積接近0或為0，為保證分析結果的可靠性，此處不考慮未利用地。

表4 影響淮安市土地利用變化的指標

表5 各土地利用類型與社會經濟指標的相關系數及顯著水平

分析表5可得：耕地變化與GDP、第二產業、第三產業、城鎮常住居民人均可支配收入、農村常住居民人均可支配收入具有顯著相關性，且均為負相關；城鄉工礦居民用地變化與GDP、第三產業、城鎮常住居民人均可支配收入、農村常住居民人均可支配收入具有顯著相關性，且均為正相關；林地、草地、水域變化與10個社會經濟指標不顯著相關。這說明經濟發展和收入水平是淮安市土地利用變化的主要驅動力。2000—2018年，淮安市人均GDP增長了11.44倍，第二、三產業產值分別增長了12.26倍和18.86倍，城鎮常住居民人均可支配收入、農村常住居民人均可支配收入的年均增長率分別為10.32%和9.55%。淮安作為欠發達地區，經濟總量偏小，居民收入水平不高，但淮安市致力推進經濟高質量發展，貫徹落實“精準扶貧”戰略，努力推動收入經濟同步增長，取得了顯著成效。2000年以來，隨著城鎮化水平的不斷提高，淮安市經濟飛速發展，促進了產業升級和結構調整，基礎設施不斷完善，導致城鄉工礦居民用地規模不斷增加，也加大了對耕地的占用。同時，隨著收入水平的提高，人們對生活和居住環境有了更高的要求，基礎設施建設與生活條件的改善進一步加劇了土地利用類型的轉變。

3.3 耕地利用變化驅動因素的影響度

運用多元逐步回歸分析可以定量地揭示主要土地利用類型與各自影響因素之間的相互關系[22]。利用與10個社會經濟指標的相關性分析結果，對耕地變化的主要驅動力進行分析。根據表5相關性分析的結果可知：耕地面積(Y1)的變化與社會經濟指標X1、X3、X4、X7、X8具有顯著相關性，因此引入該5個社會經濟指標作為自變量，以耕地面積作為應變量Y1，進行逐步回歸分析，得到回歸模型方程為

Y1=-0.214X4+6 082.51(調整后R2=0.773)

從回歸方程中可以看出，耕地面積變化與第三產業產值呈現負相關，在GDP、第二產業、第三產業、城鎮常住居民人均可支配收入、農村常住居民人均可支配收入5個相關性較大的因素中，第三產業對耕地的影響度最大。可見，2000年淮安市第三產業產值占3大產業總產值的比例為30.18%，2018年所占比例則高達48.16%，第三產業的主導地位日益顯著。近年來，淮安市加快發展“4+3”服務業特色產業，進一步推動產業轉型升級，促進了第三產業的發展，但也導致城鄉工礦居民用地的需求逐漸擴大，增加了對耕地的占用。第三產業的發展體現了生產力水平的提高和社會的進步，是現代化經濟的重要特征之一，推動了城市經濟的繁榮，促進了城市化發展。產業結構的調整促使了土地資源配置的變化，對土地利用變化產生直接的影響。

4 結論

本文基于淮安市2000—2018年的土地利用數據，應用土地利用動態度、土地利用轉移矩陣和多元相關性分析等方法，重點研究了耕地資源的時空格局變化，并結合社會經濟情況，對其驅動因素進行分析。

(1)耕地是淮安市最主要的土地類型，所占比例超過56%。在2000—2018年間，耕地轉為其他土地類型的面積為1 419 km2，其中81.40%的耕地轉化為城鄉工礦居民用地；林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地轉化為耕地的面積達1 082 km2，最終耕地面積減少了337 km2。2000—2010年耕地的土地利用動態度為0.13%，耕地減少的趨勢較為平緩；2010—2018年間耕地的土地利用動態度為2.35%，減少趨勢不斷加快，減少面積主要集中在清江浦區北部。

(2)通過多元回歸分析發現，耕地的變化與GDP、第二產業、第三產業、城鎮常住居民人均可支配收入、農村常住居民人均可支配收入具有顯著相關性，均為負相關，其中第三產業對耕地的影響度最大。可見，人為活動是驅動耕地變化的重要因素，人口的增長、經濟的發展和城市化水平的提高等諸多因素，加速了耕地面積的減少，共同驅動著耕地利用過程的不斷演化。

(3)隨著城鎮化進程的加快，建設用地擴張，耕地被占用現象明顯。可充分利用遙感和地理信息系統技術在監測土地利用動態變化方面的優勢，加強對土地利用的管理，科學規劃、合理布局，保護耕地資源，協調經濟發展與耕地被過度占用的矛盾。淮安市在快速發展的同時，需更加重視對耕地資源的保護，加大土地整治力度，進一步提高土地利用效率，優化土地資源的利用與配置，確保土地資源可持續利用。