湘江流域耕地斑塊時空變化及影響因素分析

周雅金 胡欣婕

摘 要：耕地是變化最為頻繁、最為重要的土地利用類型，具有特殊的社會意義。以湘江流域湖南段為研究區域，基于1980—2018年8期遙感影像解譯的土地利用數據，對研究區耕地流出與流入斑塊進行流域時空分布的對比分析，并采用GWR模型進一步分析耕地流出與流入的影響因素。結果表明：1980—2018年，耕地面積不斷減少，近期面積驟減，城鄉耕地凈變化率差距日益顯著。在流域空間分布上，耕地流出與流入斑塊面積加權平均中心和標準差橢圓經歷了“擬合-錯開-擬合”的變化。高程、坡度和城鎮在不同區域對耕地流出作用方向和大小具有明顯差別，距離穩定耕地越遠，耕地流出概率越大。耕地流入與穩定耕地呈顯著正相關性。

關鍵詞：耕地變化;空間格局;耕地圖斑;湘江流域

中圖分類號 F323.211 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）05-0141-06

耕地具有生態、農業、景觀、土地利用等多種功能，隨著社會生產力水平的快速提高，耕地利用比較優勢逐漸低迷，耕地向建設用地、林地、草地等地類轉換的現象持續發生[1]。我國歷來高度重視耕地保護，1998年耕地占補平衡政策正式入冊《中華人民共和國土地管理法》，2012年原國土資源部發布的《關于提升耕地保護水平全面加強耕地質量建設與管理的通知》標志著我國耕地保護正式進入數量管控、質量管理和生態管護“三位一體”階段[2]。一連串耕地保護政策的實施，有效地遏制了耕地資源加速流失的勢頭。

2005年，土地利用/覆被變化成為人類活動對全球變化影響研究的核心內容，土地利用/覆被變化監測和模擬的研究熱度逐漸白熱化。耕地是我國最為重要的土地利用類型和土地利用變化最為敏感的土地利用類型[3]，國內學者歷來關注耕地利用變化研究，學者們從耕地質量和產能、耕地集約利用與規模經營[4-6]、耕地空間格局、耕地變化趨勢及驅動因素研究[7-8]、耕地變化模擬、耕地利用轉型[9]、生態響應[10]、耕地保護政策制度與管理方法等多方面進行了大量研究，成果頗豐。耕地時空格局研究通常以遙感解譯的多年土地利用柵格數據為基礎數據，以數量、質量、景觀格局指標[11]等描述耕地利用空間形態，同時，結合地圖法、緩沖區分析、圖譜法[12]等對耕地利用的空間分布特征進行可視化[13]。目前，耕地空間格局研究尚存在如下不足：（1）已有成果多是以特殊自然區域、重要糧食產區的單一尺度研究為依托，流域內多尺度耕地變化空間特征研究尚不充分。然而隨著生態文明建設的推進和山水林田湖草生態修復工程的實施，優化流域內耕地空間布局將成為必然需求;（2）現有研究多將研究區域內全部耕地作為研究對象，未能精細把握研究區耕地變化方向。

因此，研究對比分析湘江流域耕地流入與流出斑塊在流域內的空間分布差異，以1km×1km漁網創建樣本單元，統計各單元耕地變化量、變動耕地的高程、坡度、水源距離、城鄉距離、成片率等屬性形成面板數據，探討影響耕地變化的主導因素。以期精準掌握湘江流域耕地變化方向，為湘江流域耕地保護與流域可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

本研究的湘江流域與《湘江流域科學發展總體規劃》規劃范圍一致，涉及湖南境內的長沙、湘潭、株洲、衡陽、郴州等9市70個縣市區。2018年，湘江流域耕地面積占全省耕地的51.18%，糧食產量占全省的55.56%，人口占全省的58.87%，GDP占全省的69.44%。湘江流域是湖南省人口密度最大、城市化水平最高、土地利用變化最頻繁的區域，也是湖南省新型城鎮化、農業現代化的集中區和引領區。在此背景下，深入湘江流域耕地分布變化研究，精準把握耕地分布的變化方向，對湘江流域耕地保護與流域生態穩定意義重大。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源 本研究所采用的基礎數據有：（1）湘江流域1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2018年八期土地利用數據和DEM數據，精度均為30m×30m，土地利用數據以土地覆被特征作為識別土地利用類型的主要依據。（2）2017年行政區劃矢量數據。以上數據均來源于中國科學院資源環境科學與數據中心（https：//www.resdc.cn/）。

2.2 研究方法

2.2.1 耕地凈變化率 耕地凈變化率指研究時段內耕地凈變化量占研究期初耕地總量的比例，這項指標可以直觀反映耕地凈流入或凈流失的幅度。計算公式為：

式中：[V]表示耕地凈變化動態度，[Sb]表示研究時段內耕地流入面積，[Sa]表示研究時段內耕地流出面積，[S]表示研究期初耕地總面積，[T]為研究時段年數。

2.2.2 面積加權標準差橢圓 標準差橢圓是度量一組要素中心趨勢、分布方向和離散程度的重要手段。面積加權標準差橢圓（AWSDE）以面積權重作為計算標準差橢圓的重要參數，其計算方法如下：

2.2.3 面積加權平均中心 面積加權平均中心（AWAC）延伸自平均中心，在其基礎上乘以各斑塊面積權重獲得結果，可以用于識別一組要素的地理中心。面積加權平均中心計算方法如下：

2.2.4 地理加權回歸模型 考慮到地理要素的空間異質性，各區域的社會經濟條件不同，地理要素對某一事物的作用效果也不一樣，地理加權回歸模型（GWR）將地理要素空間位置參數納入傳統回歸模型。

3 結果與分析

3.1 耕地流出與流入面積的變化情況 1980—2018年湘江流域耕地面積持續減少，耕地流出面積與耕地流入面積波動增長，耕地凈變化率近期大幅減少。2015—2018年耕地流出面積、耕地流入面積、耕地凈減少面積達到研究時段內最高值。由于東江湖水庫和歐陽海水庫面積擴大占用大量耕地，1980—1990年和1990—1995年耕地流出面積遠大于1995—2000年。2005—2010年耕地流出面積較少，無耕地流入情況。

如圖1所示，1980—2018年耕地流出面積不斷增加，2015—2018是湘江流域耕地流出與流入量最多的時段。絕大多數區縣在2015—2018年耕地流出面積達到1980年來的峰值，但由于東江湖水庫、歐陽海水庫擴容和退垸還湖，資興縣、桂陽縣和湘陰縣在1980—1990年和1990—1995年耕地減少面積達到其峰值。

3.2 耕地流入與流出時空分布特征

3.2.1 耕地凈變化率 如圖2所示，1980年湘江流域中部區縣還能保持耕地面積不減少或小幅度凈流入，自1990年始，湘江流域中部經濟發展較好的區縣便很少能實現耕地面積不減少，且耕地凈流出幅度逐漸增加。自2000年始湘江流域全面進入各區縣耕地凈流出的局面。在經濟發展建設用地需求劇增的壓力下，長沙都市圈及其他地級市市區耕地面積從2010年開始大幅減少，且本行政區耕地后備資源逐漸難以實現耕地占補平衡，進而將本行政補充耕地壓力轉移到周邊行政區，2010—2018年城鄉耕地凈變化率差距逐漸明顯。

3.2.2 面積加權標準差橢圓 從圖3可以看出，1980—2018年2個標準差橢圓歷經了逐漸錯開再到逐漸擬合的過程，說明湘江流域耕地流出與流入分布自1990—1995年始逐步失調，近期逐漸協調，2010—2018年“占補平衡”耕地保護成效逐漸顯現。具體來看，耕地流出標準差橢圓東西、南北向跨度且位置變化不大。耕地流入標準差橢圓東西、南北跨度且位置變化較大，東西跨度始終大于耕地流出。說明湘江流域耕地流入斑塊分布不穩定，且更傾向于分布在湘江東西兩頭產流區，而耕地流出斑塊則更傾向集中于湘江及其支流的匯流區。

3.2.3 耕地面積加權平均中心 由圖3可知相較于1980年，2018年耕地流出與流入面積加權平均中心的總體變化均呈現出往西北方向移動，1980—2018年兩平均中心經歷逐漸分離再逐步靠攏的過程，2015—2018年耕地流出與流入平均中心距離達到1990年以來最小。具體來說，耕地流出平均中心經歷了向南向北再向南移動的過程;耕地流入平均中心則經歷了向南再向北的變化過程。

3.3 耕地變動影響因素 耕地流入和流出是社會經濟活動與自然環境權衡的結果。從自然環境來看，坡度、高程、土壤等是影響耕地質量和產出的重要因子，因此坡度、高程是新增耕地和退出耕地選址的重要影響因子。從區位因素來看，建設占用、撂荒棄耕是耕地流出的主要原因，距離城鎮距離越近，耕地被占用的可能性更大;距離城鎮距離太遠，耕地則很大可能被撂荒。與水源距離則影響耕地能否得到灌溉。耕地成片能更好地發揮規模效益，在已有耕地旁邊新增耕地也能共享已有農用設施，減少投入成本。

因此，創建10km×10km漁網，從自然和區位因素等方面出發，選取如表3的因素進行分析。首先采用OLS進行全局回歸，用Koenker（BP）測試因變量和自變量的關系在全域是否一致。進而確定是否構建地理加權回歸模型，分析以下因素對各區域耕地流出與流入的作用方向和影響程度大小。

3.3.1 最小二乘法回歸（OLS）采用極值法進行數據標準化，運用最小二乘法（OLS）進行綜合因子分析，采用方差膨脹因子法對變量進行共線性診斷，各變量VIF均小于7.5，表示變量之間不存在嚴重共線性問題。由表4可知：耕地流出與坡度、城鎮距離具有顯著負相關，與穩定耕地距離具有顯著正相關，且Koenker（BP）小于0.05，說明耕地流出OLS模型具有統計學上的顯著不穩定性，適合進一步地理加權回歸分析。耕地流入與穩定耕地距離具有顯著正相關，且Koenker（BP）不顯著。

3.3.2 地理加權回歸分析（GWR）由于耕地流出OLS模型具有顯著異方差性，因此對耕地流出進一步進行地理加權回歸分析。擬合優度指標AICc顯示GWR模型擬合效果優于OLS模型，且同一自變量的擬合系數在各區域是不同的，具體見表5和圖4。耕地流出GWR模型顯示在不同區域，高程、坡度、水源、城鎮對耕地流出的影響方向與影響大小具有明顯差距。穩定耕地對耕地流出的影響方向主要為正向。其中，與穩定耕地距離對耕地流出的影響最大，距離越遠，流出概率越大。在長株潭地區，高程和坡度越小，耕地流出面積越大，而在山區，高程和坡度越小耕地流出面積越大。對于水源因素來說，在長株潭和興建水庫區域，距離水源越近，耕地流出面積越大。在流域中部區域，距離城鎮越近，耕地流出面積越大，距離越遠，在長株潭和流域東西南三面則是距離越遠，流出面積越大。

4 結論與討論

4.1 結論 本研究以湘江流域變動耕地為對象，分析了研究區域耕地流出與流入的時空分布特征，并探討了高程、坡度、水源、城鎮、穩定耕地對耕地流出與流入的影響，得出如下結論：

（1）1980—2018年，湘江流域耕地減速加快，2015—2018年是耕地流出與流入面積最多的時段，補充耕地壓力不斷增大，耕地凈變化率城鄉差距逐漸明顯。在整個流域空間分布上，耕地流出較流入南北分布特征更明顯，耕地流出與流入空間分布和重心經歷了“擬合-錯開-擬合”的變化。

（2）高程、坡度、水源、城鎮、穩定耕地對耕地流出的影響方向與大小具有顯著空間異質性。穩定耕地的作用方向主要為正向，即距離穩定耕地越遠的耕地流出概率越大。高程、坡度、水源、城鎮、穩定耕地對耕地流入的影響不具有顯著空間異質性，距穩定耕地距離與耕地流入具有顯著正向相關性。

4.2 討論 為優化湘江流域耕地空間分布格局，保障流域生態安全，協調好經濟建設和耕地保護之間的關系，基于本文的研究提出以下幾點建議：（1）湘江流域耕地保護工作成效顯現，仍需保持，盡量縮小補充和占用耕地在源頭產流區和匯流區的分布差異。（2）注意海拔低、坡度小自然條件優良耕地的保護，逐步退出高海拔、大坡度的耕地;修建小型水利，保障遠水源補充耕地的灌溉設施和灌溉用水;加強土地整治補充耕地，在穩定耕地旁邊補充耕地，形成耕地連片，發揮規模效益和提升農業機械化率。

另外，本研究仍然存在一定程度的局限性，這也是進一步研究的方向。一是本文對變動耕地分布格局的成因缺少經濟和政策方面的思考;二是對耕地流入與流出空間分布不平衡的社會經濟影響未進行深入的探討。

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（責編：張宏民）