長江經(jīng)濟(jì)帶快速城鎮(zhèn)化對耕地保護(hù)的影響

何 亮,李偉峰,*,田淑芳,鄭 華

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國人民武裝警察部隊武警黃金第八支隊,烏魯木齊 830026 3 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083

改革開放以來,我國城鎮(zhèn)化水平快速推進(jìn),城鎮(zhèn)化是過去30多年中國大地上所發(fā)生的最引人矚目的現(xiàn)象之一[1]。2000—2015年,我國人口城鎮(zhèn)化率從36.22%增長到56.1%,年均增長速度遠(yuǎn)高于改革開放的前20年[1- 2]。然而,隨著社會、經(jīng)濟(jì)的加快發(fā)展,我國人口眾多、耕地相對不足的問題顯得越發(fā)突出,據(jù)統(tǒng)計,我國現(xiàn)有耕地1.35億hm2,人均耕地0.09 hm2,只占世界人均耕地的1/4,雖然我國耕地面積位居世界第二,但人均耕地只排在世界67位[3]。

長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶覆蓋了我國陸地面積的25%,但人口約占全國的45%,GDP約占全國的一半[3],是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域,同時也是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū),全國九大糧食產(chǎn)區(qū)中有六個都在其中,例如江漢平原、太湖平原與江淮地區(qū)等[4]。長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶在其快速城鎮(zhèn)化的過程中,也同樣存在對耕地侵占的問題。自2000年以來,糧食生產(chǎn)在全國的主體地位逐漸下降,一方面由于人口增長導(dǎo)致糧食需求量增加,耕地壓力指數(shù)不斷加大[5-6],另一方面地方政府不斷收購耕地來加快城鎮(zhèn)化的發(fā)展,導(dǎo)致以農(nóng)耕為主的村莊在不斷減少。以上兩種情況在未來較長一段時間內(nèi)還會不斷加劇,因此城鎮(zhèn)化與耕地保護(hù)之間的權(quán)衡問題將尤為重要。

目前,以全國或省、市等行政單位為研究區(qū)域的有關(guān)城鎮(zhèn)化對耕地保護(hù)影響的研究較多[7- 9],而針對長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶這種既包括不同自然流域單元又包括不同行政單元的重要區(qū)域,尚缺乏全面系統(tǒng)地有關(guān)城鎮(zhèn)化對耕地資源影響的研究[10-13]?；谏鲜鲅芯勘尘?本文將長江流域與長江經(jīng)濟(jì)帶作為研究范圍,以二者覆蓋的156個地級行政區(qū)作為基本研究單元,基于遙感數(shù)據(jù)直接解譯的土地覆蓋數(shù)據(jù),全面分析了2000—2015年長江流域與不同規(guī)模城市的擴(kuò)張對耕地資源的影響特征,以期為長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶城市發(fā)展優(yōu)化與耕地保護(hù)目標(biāo)的權(quán)衡提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長江流域總體位于24°—35°N之間,90°—122°E之間,橫跨我國東、中和西部三大經(jīng)濟(jì)區(qū)共計19個省、市與自治區(qū),是世界第三大流域,流域總面積180萬km2,占國土面積的的18.8%。區(qū)內(nèi)水系龐大,有支流7000余條,地勢西高東低并呈現(xiàn)三大階梯狀,高原、山地占65.6%,丘陵占24%,平原、低地占10.4%。長江經(jīng)濟(jì)帶作為一個區(qū)域的概念,起源于20世紀(jì)80年代初期“一線一軸”的構(gòu)想,是我國尋找發(fā)展的新引擎和區(qū)域聯(lián)動的探路者,其覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州11個省市,面積約205萬km2,人口和生產(chǎn)總值均超過全國的40%[3]。本次研究是將長江流域與長江經(jīng)濟(jì)帶結(jié)合起來,以二者共同覆蓋的156個地級市為基本研究單元,共計面積290.4萬km2。根據(jù)自然流域的上、中、下游以及地級市行政邊界,本文將研究區(qū)重新劃分為3個流域(圖1),劃分后的長江上游共有地級市52個,中游62個,下游42個。

圖1 研究區(qū)范圍圖Fig.1 Study area map

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶的土地覆蓋數(shù)據(jù)主要基于Landsat- 5 TM(30 m空間分辨率)遙感影像,利用面向?qū)ο蠛突厮菹嘟Y(jié)合的土信息提取方法,獲得了2000、2010與2015年3期的土地覆蓋分類圖,并結(jié)合高分辨率遙感數(shù)據(jù)和野外實地調(diào)查數(shù)據(jù)對遙感解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行修正及驗證,以保證分類精度[14],其中2000、2010年總體分類精確度均超過95%,2010年分類精度為93.65%。根據(jù)本次研究內(nèi)容需要將3期土地覆蓋數(shù)據(jù)分為林地、草地、水體、水田、旱田、人工表面、其他(包括裸巖、戈壁、沙漠、冰川等)共7大類,其中將耕地分為兩類是為了研究城鎮(zhèn)化對不同耕地類型的影響特征。

2.1 土地覆蓋數(shù)量變化分析方法

土地利用變化幅度,即某類土地的數(shù)量在研究時間段內(nèi)的變化值,其表達(dá)式如下[15- 16]：

(1)

式中,Ua表示研究區(qū)起始年某類土地數(shù)量；Ub表示研究區(qū)終止年某類土地數(shù)量；U表示某類土地的變化幅度；T表示研究時間長度,當(dāng)設(shè)定為年時,公式結(jié)果表示某類土地年均變化幅度。

土地利用動態(tài)度,即一段時間內(nèi)某種類型土地數(shù)量的變化情況,其表達(dá)式如下[15- 16]：

(2)

式中,K表示研究時間段內(nèi)某種土地的動態(tài)度；Ua表示研究區(qū)起始年某類土地數(shù)量；Ub表示研究區(qū)終止年某類土地數(shù)量；T表示研究時間長度,當(dāng)設(shè)定為年時,公式結(jié)果表示某類土地年均動態(tài)度。

2.2 土地覆蓋類型變化分析方法

通過土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣可以定量的分析不同土地覆蓋類型的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出特征[17- 18]。土地轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(3)

式中,S代表土地面積；n代表土地利用類型數(shù),本文土地利用類型為七類,即n=7；i代表研究初期土地利用類型；j代表研究末期土地利用類型。本次研究中使用ArcGIS軟件中的柵格計算器或者空間分析模塊來具體計算轉(zhuǎn)移矩陣。

2.3 城市規(guī)模劃分方法

根據(jù)我國2014年《國務(wù)院關(guān)于調(diào)整城市規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)的通知》,以城區(qū)常住人口為統(tǒng)計口徑,將城市劃分為五類。城區(qū)常住人口50萬以下的城市為小城市；城區(qū)常住人口50萬以上100萬以下的城市為中等城市；城區(qū)常住人口100萬以上500萬以下的城市為大城市；城區(qū)常住人口500萬以上1000萬以下的城市為特大城市；城區(qū)常住人口1000萬以上的城市為巨大城市。據(jù)此,長江流域地區(qū)共有巨大城市5個、特大城市89個、大城市52個、中等城市6個、小城市4個。全面分析長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶不同規(guī)模地級市的城鎮(zhèn)化發(fā)展情況,對制定區(qū)域規(guī)劃方案具有重要意義。

2.4 數(shù)據(jù)來源

長江流域2000年、2010年、2015年地級市人口總量來源于《中國城市統(tǒng)計年鑒》、《中國縣域統(tǒng)計年鑒》以及各省、市單獨出版的統(tǒng)計年鑒；土地覆蓋數(shù)據(jù)(30 m分辨率)來源于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所；地級市行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)來源于國家測繪局；各地級市不同土地類型面積通過ArcGIS軟件按照地級市矢量裁剪土地分類數(shù)據(jù)后計算獲得。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.1 長江流域土地覆蓋特征與變化

總體上,長江流域土地覆蓋以林地、草地和耕地為主(圖1),2000—2015年這3種土地覆蓋類型平均占研究區(qū)總面積的85%以上,而水體、人工表面和其他土地利用類型均不超過4.5%,不同流域土地覆蓋類型數(shù)量的差異較大。十五年間變化較大的土地覆蓋類型為人工表面、其他土地、草地和耕地,其中人工表面和草地增加56.8%和18.76%,其他土地和耕地減少49.83%和17.09%。

不同流域的土地覆蓋構(gòu)成明顯不同(表1)。長江下游以耕地、林地和人工表面為主(三者占93%以上),中游以林地和耕地為主(二者占88%以上),上游則以林地、草地為主(占75%以上)。

時間尺度上,2000—2015年長江流域的林地、草地和水體呈現(xiàn)緩慢增加,耕地和其他土地類型快速減少,人工表面急速增加,其中,旱田減少的速度明顯大于水田。不同流域土地覆蓋的變化也存在明顯差異,例如,林地在3個流域的占比都在緩慢增加；草地和水體在中、上游呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢,而在下游表現(xiàn)為逐年減少；3個流域比較一致的是耕地減少和人工表面增加,其中以長江下游變化最為明顯。

3.2 城鎮(zhèn)發(fā)展對耕地的影響特征

3.2.1 人工表面與耕地數(shù)量的變化特征

隨著長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人工表面和耕地的數(shù)量發(fā)生了巨大的變化,總體上,呈現(xiàn)出人工表面快速擴(kuò)張,而耕地持續(xù)減少的趨勢。近年來在耕地保護(hù)政策的影響下,耕地減少的速率得到一定控制,但人工表面依舊快速增加。

表1 長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶各年份土地利用類型面積表

在不同時間段里,人工表面與耕地的變化速度也表現(xiàn)出不同的差異。2000—2010年長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶人工表面增長速度為2733.75 km2/a,而在2010—2015年增長速度提高到2985.87 km2/a,而同時期耕地減少速度從4439.94 km2/a降低到3940.91 km2/a；此外,不同類型的耕地變化差異較明顯,水田的減少速度從2050.09 km2/a降低到495.37 km2/a,而旱田從年均減少2389.85 km2增加到年均減少3445.52 km2,表明長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化的顯著特征依然是以人工表面快速增加的土地資源依賴型,雖然耕地總體減少的速率有所降低,但也存在著耕地類型發(fā)展不均衡的問題,即大量旱田向水田轉(zhuǎn)變。從表2長江中、下游旱田減少速度迅速增加,水田減少速度有所降低,而耕地總體數(shù)量緩慢減少,可以推斷出旱田向水田轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象主要發(fā)生在長江中、下游地區(qū),這里水資源較為豐富,水田糧食產(chǎn)量較高,旱田改水田符合“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效”農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的總體要求。然而大量的旱田改水田會導(dǎo)致小麥和水稻的糧食供給結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,同時加大了耕地用水量,對水資源的壓力增加。

上、中、下3個不同流域內(nèi)人工表面與耕地的變化速率也存在不同的差異,其中,下游人工表面的增加速度明顯趨緩,從每年增加1635.30 km2減小到每年增加1271.80 km2,而中游和上游人工表面增速都呈現(xiàn)上升趨勢,尤其是上游人工表面增加速率提高了2倍之多。上游耕地減少速度從1827.95 km2/a降低到655.93 km2/a,中游耕地減少速度卻從923.97 km2/a增加到1693.87 km2/a,下游耕地減少速度幾乎保持不變。說明隨著土地開發(fā)利用效率的增高,城鎮(zhèn)化對土地資源的依賴程度不斷下降,同時也表明長江中游人工表面增長對耕地的侵占程度較為劇烈。

表2 長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶各年度耕地和人工表面數(shù)量變化表

U：年均土地利用變化幅度,Average annual change in land use；K：年均土地利用動態(tài)度；Average annual dynamics in land use

3.2.2 人工表面對耕地的侵占特征與變化

與我國城鎮(zhèn)化的總體特征一致,長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化的發(fā)展也侵占了大量耕地。分析結(jié)果可知(表3),15年間新增的人工表面為6.25萬km2,其中78.17%來自耕地,11.92%來自林地。耕地轉(zhuǎn)出16.44 km2,其中50.94%轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?29.70%轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯け砻?。無論從新增人工表面的來源方面,還是從耕地的轉(zhuǎn)出方面,都說明長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶在城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中侵占了大量的耕地,而導(dǎo)致耕地減少速率減低的主要因素之一是由于城市發(fā)展受到空間限制,人工表面開始向著遠(yuǎn)離城市的山區(qū)林地發(fā)展,由大量侵占耕地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍终剂值?；其二是隨著現(xiàn)代建筑行業(yè)技術(shù)的革新,人工表面對平坦地勢的要求逐漸降低。

表3 長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶2000—2015年土地轉(zhuǎn)移矩陣/km2

3.2.3 城鎮(zhèn)化對耕地侵占的空間分布特征

2000—2015年長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化發(fā)展對耕地的侵占呈現(xiàn)明顯的地域差異(圖2)。從侵占面積來看,長江下游三角洲地區(qū)以及安徽北部是城鎮(zhèn)化對耕地侵占的密集區(qū)；中游則體現(xiàn)在北部的河南、湖北的中部以及江西-南昌一線；長江上游青海、西藏以及四川西部地區(qū)由于地形的原因,制約了城鎮(zhèn)化的擴(kuò)張方向與空間,對耕地侵占嚴(yán)重的地區(qū)主要集中在四川成都-重慶一帶?？傮w來說,長江流域及經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化對耕地的侵占強(qiáng)度從下游到上游逐漸減小。

從侵占的耕地類型來看,長江下游三角洲地區(qū)被侵占了大量的水田,也從側(cè)面體現(xiàn)出該區(qū)域以種植水稻為主,安徽則以秦嶺-淮河一線為分界線,北部主要侵占類型為旱田,南部主要為水田；長江中游北部陜西、河南的城鎮(zhèn)化以侵占旱田為主,中、南部地區(qū)則以侵占水田為主；長江上游以四川成都的城鎮(zhèn)化侵占水田最為明顯,而其他地區(qū)則以侵占旱田為主?？傮w來說長江流域以秦嶺-淮河為分界線,北部地區(qū)的城鎮(zhèn)化主要以侵占旱田為主,而南部地區(qū)正好相反。

3.3 不同規(guī)模地級市城鎮(zhèn)化發(fā)展對耕地的影響特征

2000—2015年,長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶不同規(guī)模城市的人工表面增加對耕地的影響存在較大差異,而且與自然流域區(qū)位有密切關(guān)系(圖3)。長江上游的兩個巨大型城市發(fā)展最快,15年間人工表面平均增長225.83%,而小城市的人工表面增長最慢,但其耕地減少的最多(3個小城市15年間平均減少43.82%),說明上游地區(qū)城鎮(zhèn)化的發(fā)展模式為巨大型城市帶動周邊城市,小城市損失的耕地一方面是城鎮(zhèn)化對其侵占造成的,另一方面由于退耕還林的政策在持續(xù)發(fā)揮著作用；中游地區(qū)人工表面增加明顯的是中等城市,15年間增加了50.48%,而耕地減少最多的也同樣是中等城市,這表明長江中游地區(qū)近年來注重中等城市的發(fā)展,但在快速發(fā)展的同時也侵占了較多的耕地資源；長江下游城鎮(zhèn)化的速度總體要高于中游和上游,表現(xiàn)最為突出的是中等城市,平均動態(tài)度達(dá)到了385.88%,高于下游其他規(guī)模城市3倍之多,巨大型城市和中等城市耕地減少的最多,這也從側(cè)面反映出下游巨大型城市城鎮(zhèn)化的發(fā)展受到土地限制,發(fā)展重心開始向著中等城市轉(zhuǎn)移。

圖3 長江流域級長江經(jīng)濟(jì)帶2000—2015年不同規(guī)模地級市耕地與人工表面平均變化情況Fig.3 Changes of farmland and artificial surface of different levels of city in the Yangtze River Basin and Economic Zone in 2000—2015

4 結(jié)論與建議

長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶作為我國糧食的重要產(chǎn)地,近年來城鎮(zhèn)化快速發(fā)展侵占了大量耕地資源,加劇了人多地少的矛盾。本文從自然流域單元與行政單元綜合角度,系統(tǒng)分析了2000—2015年人工表面與耕地的時空特征與關(guān)聯(lián)變化,主要結(jié)論如下：(1)2000—2015年長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶人工表面增加了56.79%,新增的人工表面中有78.17%來源于對耕地的侵占,人工表面擴(kuò)張與耕地流失問題最為突出的是長江下游地區(qū)；(2)隨著時間的推移,長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶人工表面增加的速度呈現(xiàn)明顯上升的趨勢,耕地減少的速度得到明顯的控制,一是由于國家政策對耕地的保護(hù),二是因為新增的人工表面開始向山區(qū)林地轉(zhuǎn)移。其次耕地內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)類型變化不均衡的現(xiàn)象,即長江中、下游地區(qū)大量的旱田轉(zhuǎn)變?yōu)樗?導(dǎo)致水資源壓力增加；(3)不同規(guī)模的地級市人工表面增加速度存在地域性差異,上游的巨大型城市發(fā)展速度快,而中、下游的中、大型城市發(fā)展迅速,值得注意的是長江下游中等城市平均發(fā)展速度高于其他城市3倍之多,過快的城鎮(zhèn)化發(fā)展必然會造成人口急劇增加、環(huán)境惡化、資源危機(jī)等問題,這是目前制約我國城鎮(zhèn)化發(fā)展的關(guān)鍵因素。

近年來隨著我國不斷向世界強(qiáng)國之列挺近,越來越多的外來人口以及農(nóng)村人口向著城市遷移,與之伴隨的城鎮(zhèn)化與耕地保護(hù)的矛盾依舊突出。長江流域及長江經(jīng)濟(jì)帶的城鎮(zhèn)化對我國未來可持續(xù)發(fā)展具有重要影響,政府在土地利用規(guī)劃的過程中,需重點關(guān)注長江流域及經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化與耕地保護(hù)之間的關(guān)系,禁止開發(fā)優(yōu)質(zhì)耕地資源,嚴(yán)格落實耕地補(bǔ)償制度,逐步提高城鎮(zhèn)土地的利用效率,合理規(guī)劃城市布局。此外,還要關(guān)注耕地結(jié)構(gòu)問題,根據(jù)不同自然地理條件與水環(huán)境容量特征,優(yōu)化水、旱田的耕作布局。重視長江不同區(qū)域的差異發(fā)展問題,控制中、下游小城市的擴(kuò)張速率,積極治理快速城鎮(zhèn)化過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染,同時加快上游巨大型城市的經(jīng)濟(jì)帶動作用,將優(yōu)勢資源向長江中、西部引進(jìn)。