基于TM圖像的黃岡市耕地非農(nóng)化時空變化特征與驅動力分析

熊念++胡紅兵

摘要：以1990年和2010年2個時段的TM遙感圖像為主要數(shù)據(jù)源，應用最大似然法進行遙感圖像分類，獲得黃岡市1990年和2010年土地利用類型狀況及土地利用變化圖，在此基礎上計算土地利用轉移矩陣，分析黃岡市在這20年間耕地面積變化情況，并對黃岡市耕地非農(nóng)化特征和驅動因素進行分析。結果表明，1990-2010年間黃岡市耕地面積大幅減少，耕地主要向林地、建設用地和園地轉化；在不同的區(qū)域，耕地轉化的方向有所不同。耕地的非農(nóng)化既有自然方面的驅動因素，也有國家政策、經(jīng)濟發(fā)展和人口增長等方面的驅動因素。

關鍵詞：耕地；非農(nóng)化；驅動因素；黃岡市

中圖分類號：F301.24；TP753 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）18-4424-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.011

耕地是重要的自然資源，是一個地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質基礎，合理利用和有效保護耕地資源是一個地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的重要條件，更是土地管理和規(guī)劃部門十分關注的問題[1]。隨著中國社會經(jīng)濟的發(fā)展，尤其是工業(yè)化和城市化的發(fā)展，耕地非農(nóng)化及其影響越來越受到政府部門的重視[2]。耕地非農(nóng)化是指耕地轉變用途，成為居住、交通、工業(yè)、服務業(yè)等城鄉(xiāng)建設用地的過程。據(jù)統(tǒng)計，中國平均每年有17.42萬hm2耕地轉為建設用地[3]。苑韶峰等[3]以STIRPAT模型為基礎，采用地理加權回歸模型（GWR）分析人口數(shù)量、富裕度、產(chǎn)業(yè)結構和城市化水平等社會經(jīng)濟因素對中國31省市的耕地非農(nóng)化的影響。張基凱等[4]利用山東省17個地級市1995-2006年的面板數(shù)據(jù)研究了山東省耕地非農(nóng)化對經(jīng)濟增長貢獻的區(qū)域差異，并從資源配置效率角度提出了各地級市耕地非農(nóng)化的最優(yōu)配置數(shù)量。朱新華等[5]以1988-2004年為樣本期，選取年內(nèi)建設占用耕地新增數(shù)量和基尼系數(shù)兩個指標，運用Granger因果分析方法，探討了我國耕地非農(nóng)化與收入差距兩者間的因果關系。萬勝超等[6]利用空間計量分析方法，選取中國31個?。ㄊ小^(qū)）1999-2008年農(nóng)地非農(nóng)化驅動因素的面板數(shù)據(jù)對我國農(nóng)地非農(nóng)化與其各自影響因素的作用關系進行了研究。本研究以1990年和2010年2個時段的TM遙感圖像為主要數(shù)據(jù)源，獲取黃岡市1990年和2010年土地利用類型狀況及土地利用變化圖，以此為基礎分析黃岡市在這20年間耕地面積變化情況，并對黃岡市耕地非農(nóng)化特征和驅動因素進行分析，對黃岡市合理利用和有效保護耕地資源提供一種新型的研究思路，對正確處理工業(yè)化和城鎮(zhèn)化與耕地非農(nóng)化的關系問題具有重要的理論意義和實際意義。

1 研究區(qū)域概況

黃岡市位于湖北省東北部，大別山脈南麓，長江中游北岸。地理方位為114°24′-116°07′E、29°45′-31°40′N。北面與河南省接壤，東面連接安徽省，南面與九江市、黃石市、鄂州市隔長江相望，西邊與武漢市、孝感市相連。黃岡市國土總面積17 446 km2，占湖北省總面積的9.40%。全市總面積中平原占12.10%，崗地占10.34%，丘陵占43.31%，山地占34.25%。黃岡市東北面的大別山脈的主脊呈西北—東南走向，山脈自北向南逐漸傾斜且與豫皖交界。山脈平均海拔1 000 m以上，最高的天堂寨主峰海拔為1 729 m，是黃岡市海拔最高的地方。中部為丘陵地區(qū)，海拔多在300 m以下，高低起伏，谷寬丘廣，垅畈交錯。南部地區(qū)河港湖泊交織，海拔高度在10～30 m之間，為狹長的平原湖區(qū)。主要有六大水系：華陽河、蘄水、浠水、巴水、倒水和舉水水系，都自北向南流入長江。

黃岡市屬于亞熱帶季風氣候，一年四季光熱條件界限分明。全年太陽輻射總量為106.49～113.31 kcal/cm2，全年平均日照時數(shù)1 913.5～2 161.5 h，東南部日照條件低于西北部，黃岡市日照率在43%～49%之間。全年平均氣溫約為15.7～17.1 ℃。全年無霜期很長，在237～278 d之間。全年平均降雨量大約在1 223～1 493 mm之間，年降水總量222.37億m3，降雨天數(shù)（≥0.1 mm天數(shù)）在115～147 d之間。降水量豐富，光照條件充足，有利于植物生長，但氣象災害也時有發(fā)生。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的數(shù)據(jù)主要包括：

1）遙感圖像：1990年和2010年黃岡市及其鄰近地區(qū)Landsat 5衛(wèi)星TM遙感圖像，每個年份的TM圖像共有4景，行列號分別為122-038、122-039、123-038、123-039，空間分辨率為30 m，成像時間為5～9月，成像時段基本無云。遙感圖像來源于國際科學數(shù)據(jù)服務平臺和馬里蘭大學網(wǎng)站。

2）黃岡市行政邊界矢量圖：來源于國家基礎地理中心網(wǎng)站。

3）黃岡市統(tǒng)計數(shù)據(jù)：來源于黃岡市統(tǒng)計年鑒和國民經(jīng)濟與社會發(fā)展公報及相關的文獻資料。

4）此外利用了2010年黃州部分地區(qū)0.5 m分辨率的航空圖像照片和Google Earth歷史圖像作為選擇訓練區(qū)的參照。

3 研究方法

本研究的技術路線如圖1所示，具體包括：

1）1990年遙感圖像處理（包括122-038、122-039、123-038、123-039這4景）。以其中1景為基準，將另外3景與之進行配準，然后將配準后的4景進行鑲嵌，得到1990年黃岡市及其周邊地區(qū)遙感圖像。

2）2010年遙感圖像處理（包括122-038、122-039、123-038、123-039這4景）。以其中1景為基準，將另外3景與之進行配準，然后將配準后的4景進行鑲嵌，得到2010年黃岡市及其周邊地區(qū)遙感圖像。

3）以1990年黃岡市及其周邊地區(qū)遙感圖像為基準，將2010年黃岡市及其周邊地區(qū)遙感圖像與之進行配準。

4）將黃岡市的行政邊界矢量圖轉換成與遙感圖像相同的地圖投影和坐標系，以此建立感興趣區(qū)（ROI），對配準后兩個時期的鑲嵌圖像進行裁剪，得到黃岡市的遙感圖像。

5）分別對黃岡市兩個時期的遙感圖像進行監(jiān)督分類，計算土地利用轉移矩陣，統(tǒng)計出不同時期的各種土地利用類型，特別是耕地的數(shù)量變化特征和空間分布特征，分析黃岡市在1990-2010年間耕地非農(nóng)化時空變化特征。

4 結果與分析

4.1 分類統(tǒng)計

在遙感圖像處理軟件ENVI中，運用最大似然法對黃岡市1990年和2010年的TM圖像進行監(jiān)督分類（圖2、圖3），分類處理的Kappa系數(shù)分別為0.894和0.897，達到土地利用分類的精度要求。

黃岡市1990年和2010年各種土地利用類型的面積如表1所示。從表1可以看出，1990-2010年間黃岡市土地利用類型變化較大的為耕地、未利用地和建設用地，且變化的空間范圍有一定的特點，局部地區(qū)變化較大，主要為黃岡市西南部和東南部長江沿岸地區(qū)，北部地區(qū)也有很大的變化，其中林地和未利用地變化比較明顯，多半可能由園地面積的擴張所導致。21年間，園地和建設用地面積在擴大，未利用地和耕地的面積在縮小，且耕地面積和未利用地面積的減少比較明顯，建設用地面積增加較多，水域面積的增加量不大。總體來看，1990年和2010年兩期土地利用結構，耕地面積的比重下降了21.8個百分點，建設用地面積比重上升了5.0個百分點，而園地和林地面積比重分別增加7.6和9.5個百分點。可以初步估計，耕地以及未利用地面積的減小主要是由于建設用地的擴大和園地的擴展，這與黃岡地區(qū)社會經(jīng)濟的發(fā)展的良好趨勢基本一致，這也反映出了城市作為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的龍頭，其人口與社會經(jīng)濟的增長會對周邊的自然環(huán)境造成極大的影響，因此處理好經(jīng)濟發(fā)展與自然環(huán)境的關系顯得十分迫切。

4.2 土地利用轉換矩陣

為揭示各土地利用類型相互轉移的特征，利用1990年和2010年黃岡市土地利用分類圖，計算1990-2010年間黃岡市土地利用類型轉移矩陣（表2），通過矩陣對各種土地利用類型進行分析統(tǒng)計。

4.3 耕地非農(nóng)化時空變化特征

在1990-2010年間，黃岡市耕地面積占其國土面積的比重下降了21.8%，耕地面積由6 299.35 km2減少到2 480.55 km2。由表2可知，耕地向各種類型均有不同程度的轉化，其中主要向林地、建設用地和園地轉變，轉化量分別為2 017.23、526.85、1 918.23 km2，分別占用地總量的32.02%、8.36%和30.45%。雖然同期也有62.39、542.64 km2林地和園地轉化成耕地，但總的來說，耕地面積在不斷減少。

在不同的區(qū)域，耕地轉化的方向也不同。在黃岡市東北部的大別山區(qū)，耕地主要向林地轉化，這主要受國家在生態(tài)功能區(qū)和禁限功能區(qū)實行退耕還林政策的影響；在大別山南麓、黃岡市西北部丘陵地帶，耕地主要向園地轉化；而在黃岡沿江地帶、黃州城區(qū)和各縣城及附近地區(qū)，耕地主要向建設用地轉化。

4.4 黃岡市耕地非農(nóng)化驅動因素分析

4.4.1 自然驅動因素 土地的自然特性和環(huán)境條件決定了其適宜的利用方式，利用方式恰當與否影響著土地利用的可持續(xù)性。黃岡市地勢東北高西南低，東北部為西北—東南走向的大別山脈，中部為海拔在300 m以下的丘陵區(qū)。總體而言，崗地占10.34%，丘陵占43.31%，山地占34.25%（圖4）。黃岡市位于亞熱帶季風氣候區(qū)，熱量充足，降水量豐沛，有利于作物生長，但也常有洪澇、高溫干旱等災害發(fā)生。

黃岡市所在的大別山區(qū)是對國家生態(tài)安全具有重要作用的50個重要生態(tài)服務功能區(qū)域之一，是中原地區(qū)、長三角和長江經(jīng)濟帶的重要生態(tài)屏障，被列為中國35個生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)域之一，也是中國亞熱帶和暖溫帶、常綠闊葉林和落葉闊葉林的分界線以及南北水系的分水嶺，是中國生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)和氣候變化敏感區(qū)，在我國的生態(tài)功能區(qū)劃中具有重要的地位。

根據(jù)黃岡市的DEM計算出的黃岡市坡度分級圖如圖5所示。坡度小于6°的平地、坡度在6°～25°之間的緩坡地，坡度大于25°的陡坡地分別占黃岡市國土面積的58%、38%和4%?？紤]到生態(tài)安全的需要，其境內(nèi)已經(jīng)開墾出的25°以上的坡耕地以及處于生態(tài)脆弱區(qū)的耕地，正在陸續(xù)按國家政策規(guī)定有計劃地進行生態(tài)退耕還林，在1990-2010年間共有2 017.23 km2耕地轉換成林地。

黃岡市土質松散，風化嚴重，加上暴雨集中，土地利用率較高，坡耕地較多，水土流失比較嚴重。不合理的耕作制度和粗放的耕作方式，土地投入較低，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重用輕養(yǎng)和城鎮(zhèn)三廢的污染，導致部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，耕地生產(chǎn)力降低，耕地資源質量下降，只能朝園地發(fā)展。在1990-2010年間共有1 918.23 km2耕地轉換成園地。

4.4.2 人為驅動因素

1）社會驅動因素。人口數(shù)量和人口密度的變化是土地利用與土地覆蓋變化的最具活力的驅動力之一。一方面，人口的增加需要更多的耕地種植糧食來滿足人們生存的需要；另一方面，人口的增加以及隨之而來的城市化的發(fā)展導致建設用地規(guī)模不斷增大，建設用地大量占用耕地，造成耕地大面積減少。1990年黃岡市總人口為722.74萬，人口密度為414人/km2，到2010年總人口增加到742.41萬，凈增19.67萬人，人口密度增加到426人/km2，凈增12人/km2。1990-2010年間共有526.85 km2耕地轉換成城市用地及居民點。

2）經(jīng)濟發(fā)展驅動因素。經(jīng)濟發(fā)展是土地利用及其結構演變的最核心動力，一方面第二、三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展增加了用地需求，導致大量耕地被占用；另一方面農(nóng)業(yè)結構的調(diào)整和市場導向下的農(nóng)業(yè)資源的配置也會造成耕地大量減少。1990年黃岡市國內(nèi)生產(chǎn)總值為60.73億元，第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比重為57.7∶21.1∶21.2；到2010年黃岡市國內(nèi)生產(chǎn)總值達到862.30億元，第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比重為28.6∶38.1∶33.3，很明顯在1990-2010年間，黃岡市第二、第三產(chǎn)業(yè)占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比重大幅上升，隨之而來的是用地的增長，并導致耕地被大量占用。

盡管我國正在實施耕地占補平衡和增減掛鉤制度，但是在具體的操作中不利于耕地保護的現(xiàn)象時有發(fā)生。如占用質量優(yōu)良的耕地，卻以質量較次的耕地來補充，造成了優(yōu)質耕地的隱形流失，嚴重影響到耕地的質量。另外，隨著農(nóng)業(yè)結構的調(diào)整，耕地進一步向其他土地利用類型轉化，如在1990-2010年間共有1 918.23 km2耕地轉換成園地。

3）政策驅動因素。國家和地方政府的政策對土地利用方式及其變化起著重要的規(guī)范和引導作用。正確的政策可以引導土地可持續(xù)利用，而錯誤的政策追求短期的經(jīng)濟利益，導致土地利用方式不合理。黃岡市地處武漢城市圈8+1城市體系中，積極參與武漢都市圈的構造，加強與武漢及周邊城市的聯(lián)系與協(xié)作，共同打造武漢都市區(qū)的“東部城市連綿帶”這一定位，極大地促進了耕地向園地、其他農(nóng)用地、居民點及工礦用地和交通用地等土地利用類型轉變，導致耕地總量減少，城市用地增加。如何在城市社會經(jīng)濟發(fā)展與耕地利用保護方面協(xié)調(diào)一致，是一個值得深入探討的課題。

5 小結

本研究基于1990-2010年間黃岡市TM遙感圖像數(shù)據(jù)， 利用ENVI進行處理得到結果，然后通過處理的結果來分析黃岡市耕地資源的非農(nóng)化時空變化特點。結果表明，在1990-2010年間，黃岡市耕地面積占其國土面積的比重下降了21.8%，耕地面積由6 299.35 km2減少到2 480.55 km2。耕地向各種類型均有不同程度的轉化，其中主要向林地、建設用地和園地轉變。在不同的區(qū)域，耕地轉化的方向也不同：在黃岡市東北部的大別山區(qū)，耕地主要向林地轉化；在大別山南麓、黃岡市西北部丘陵地帶，耕地主要向園地轉化；在沿江地帶、黃州城區(qū)和各縣城及附近地區(qū)，耕地主要向建設用地轉化。黃岡市耕地非農(nóng)化的驅動因素主要包括自然因素、社會因素、經(jīng)濟發(fā)展因素和政策因素。下面對未來黃岡市耕地合理利用和有效保護提出以下建議：

1）適應新形勢發(fā)展，創(chuàng)新耕地保護理念，強化耕地保護意識。合理規(guī)劃后備耕地資源，改造低山丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)用地，長期堅持退耕還林政策，對于不適宜耕種的土地如坡度25°以上的農(nóng)田或土壤嚴重退化的貧瘠耕地，實行退耕還草還林，以保持水土，保證耕地質量。

2）耕地面積變化與地區(qū)總人口有明顯正相關關系，只有繼續(xù)堅持計劃生育這一基本國策，才能更好地促進保護耕地、調(diào)控耕地非農(nóng)化速度的政策落實。土地資源承載力是有限的，而人口的增長不但影響到各類土地利用類型數(shù)量和結構上的改變，還影響到土地環(huán)境質量?？刂迫丝谠鲩L有助于緩解日益嚴峻的耕地與建設用地間的矛盾。

3）耕地非農(nóng)化已經(jīng)成為工業(yè)化、城市化進程中的一個普遍現(xiàn)象，建設用地占用或耕地非農(nóng)化成為黃岡市耕地資源減少的一個重要原因。著力加強地方政府對耕地非農(nóng)化的監(jiān)管勢在必行，黃岡市政府應該從大局出發(fā)，考慮長遠利益，充分認識耕地保護的緊迫性、重要性，改變土地財政的觀念。嚴格控制城市建設用地規(guī)模，提高城市建設用地的集約化率。合理開發(fā)利用荒地和廢棄的老建設用地，合理規(guī)劃布局和優(yōu)化配置城鎮(zhèn)建設及居民點用地，減少土地資源特別是耕地資源的浪費。

4）農(nóng)村居民人均純收入與耕地非農(nóng)化存在顯著的負相關關系，因此，必須提高農(nóng)民在耕地非農(nóng)化過程中的利益分配，加強對農(nóng)民的利益保護，提高農(nóng)民收入水平。完善耕地占用經(jīng)濟補償制度和耕地種植補貼制度，激發(fā)農(nóng)民種地的積極性，有效抑制耕地非農(nóng)化，落實耕地保護政策。

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