基于TM图像的黄冈市耕地非农化时空变化特征与驱动力分析

熊念++胡红兵

摘要：以1990年和2010年2个时段的TM遥感图像为主要数据源，应用最大似然法进行遥感图像分类，获得黄冈市1990年和2010年土地利用类型状况及土地利用变化图，在此基础上计算土地利用转移矩阵，分析黄冈市在这20年间耕地面积变化情况，并对黄冈市耕地非农化特征和驱动因素进行分析。结果表明，1990-2010年间黄冈市耕地面积大幅减少，耕地主要向林地、建设用地和园地转化；在不同的区域，耕地转化的方向有所不同。耕地的非农化既有自然方面的驱动因素，也有国家政策、经济发展和人口增长等方面的驱动因素。

关键词：耕地；非农化；驱动因素；黄冈市

中图分类号：F301.24；TP753 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）18-4424-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.18.011

耕地是重要的自然资源，是一个地区农业生产的物质基础，合理利用和有效保护耕地资源是一个地区社会经济发展的重要条件，更是土地管理和规划部门十分关注的问题[1]。随着中国社会经济的发展，尤其是工业化和城市化的发展，耕地非农化及其影响越来越受到政府部门的重视[2]。耕地非农化是指耕地转变用途，成为居住、交通、工业、服务业等城乡建设用地的过程。据统计，中国平均每年有17.42万hm2耕地转为建设用地[3]。苑韶峰等[3]以STIRPAT模型为基础，采用地理加权回归模型（GWR）分析人口数量、富裕度、产业结构和城市化水平等社会经济因素对中国31省市的耕地非农化的影响。张基凯等[4]利用山东省17个地级市1995-2006年的面板数据研究了山东省耕地非农化对经济增长贡献的区域差异，并从资源配置效率角度提出了各地级市耕地非农化的最优配置数量。朱新华等[5]以1988-2004年为样本期，选取年内建设占用耕地新增数量和基尼系数两个指标，运用Granger因果分析方法，探讨了我国耕地非农化与收入差距两者间的因果关系。万胜超等[6]利用空间计量分析方法，选取中国31个省（市、区）1999-2008年农地非农化驱动因素的面板数据对我国农地非农化与其各自影响因素的作用关系进行了研究。本研究以1990年和2010年2个时段的TM遥感图像为主要数据源，获取黄冈市1990年和2010年土地利用类型状况及土地利用变化图，以此为基础分析黄冈市在这20年间耕地面积变化情况，并对黄冈市耕地非农化特征和驱动因素进行分析，对黄冈市合理利用和有效保护耕地资源提供一种新型的研究思路，对正确处理工业化和城镇化与耕地非农化的关系问题具有重要的理论意义和实际意义。

1 研究区域概况

黄冈市位于湖北省东北部，大别山脉南麓，长江中游北岸。地理方位为114°24′-116°07′E、29°45′-31°40′N。北面与河南省接壤，东面连接安徽省，南面与九江市、黄石市、鄂州市隔长江相望，西边与武汉市、孝感市相连。黄冈市国土总面积17 446 km2，占湖北省总面积的9.40%。全市总面积中平原占12.10%，岗地占10.34%，丘陵占43.31%，山地占34.25%。黄冈市东北面的大别山脉的主脊呈西北—东南走向，山脉自北向南逐渐倾斜且与豫皖交界。山脉平均海拔1 000 m以上，最高的天堂寨主峰海拔为1 729 m，是黄冈市海拔最高的地方。中部为丘陵地区，海拔多在300 m以下，高低起伏，谷宽丘广，垅畈交错。南部地区河港湖泊交织，海拔高度在10～30 m之间，为狭长的平原湖区。主要有六大水系：华阳河、蕲水、浠水、巴水、倒水和举水水系，都自北向南流入长江。

黄冈市属于亚热带季风气候，一年四季光热条件界限分明。全年太阳辐射总量为106.49～113.31 kcal/cm2，全年平均日照时数1 913.5～2 161.5 h，东南部日照条件低于西北部，黄冈市日照率在43%～49%之间。全年平均气温约为15.7～17.1 ℃。全年无霜期很长，在237～278 d之间。全年平均降雨量大约在1 223～1 493 mm之间，年降水总量222.37亿m3，降雨天数（≥0.1 mm天数）在115～147 d之间。降水量丰富，光照条件充足，有利于植物生长，但气象灾害也时有发生。

2 数据来源

本研究所用的数据主要包括：

1）遥感图像：1990年和2010年黄冈市及其邻近地区Landsat 5卫星TM遥感图像，每个年份的TM图像共有4景，行列号分别为122-038、122-039、123-038、123-039，空间分辨率为30 m，成像时间为5～9月，成像时段基本无云。遥感图像来源于国际科学数据服务平台和马里兰大学网站。

2）黄冈市行政边界矢量图：来源于国家基础地理中心网站。

3）黄冈市统计数据：来源于黄冈市统计年鉴和国民经济与社会发展公报及相关的文献资料。

4）此外利用了2010年黄州部分地区0.5 m分辨率的航空图像照片和Google Earth历史图像作为选择训练区的参照。

3 研究方法

本研究的技术路线如图1所示，具体包括：

1）1990年遥感图像处理（包括122-038、122-039、123-038、123-039这4景）。以其中1景为基准，将另外3景与之进行配准，然后将配准后的4景进行镶嵌，得到1990年黄冈市及其周边地区遥感图像。

2）2010年遥感图像处理（包括122-038、122-039、123-038、123-039这4景）。以其中1景为基准，将另外3景与之进行配准，然后将配准后的4景进行镶嵌，得到2010年黄冈市及其周边地区遥感图像。

3）以1990年黄冈市及其周边地区遥感图像为基准，将2010年黄冈市及其周边地区遥感图像与之进行配准。

4）将黄冈市的行政边界矢量图转换成与遥感图像相同的地图投影和坐标系，以此建立感兴趣区（ROI），对配准后两个时期的镶嵌图像进行裁剪，得到黄冈市的遥感图像。

5）分别对黄冈市两个时期的遥感图像进行监督分类，计算土地利用转移矩阵，统计出不同时期的各种土地利用类型，特别是耕地的数量变化特征和空间分布特征，分析黄冈市在1990-2010年间耕地非农化时空变化特征。

4 结果与分析

4.1 分类统计

在遥感图像处理软件ENVI中，运用最大似然法对黄冈市1990年和2010年的TM图像进行监督分类（图2、图3），分类处理的Kappa系数分别为0.894和0.897，达到土地利用分类的精度要求。

黄冈市1990年和2010年各种土地利用类型的面积如表1所示。从表1可以看出，1990-2010年间黄冈市土地利用类型变化较大的为耕地、未利用地和建设用地，且变化的空间范围有一定的特点，局部地区变化较大，主要为黄冈市西南部和东南部长江沿岸地区，北部地区也有很大的变化，其中林地和未利用地变化比较明显，多半可能由园地面积的扩张所导致。21年间，园地和建设用地面积在扩大，未利用地和耕地的面积在缩小，且耕地面积和未利用地面积的减少比较明显，建设用地面积增加较多，水域面积的增加量不大。总体来看，1990年和2010年两期土地利用结构，耕地面积的比重下降了21.8个百分点，建设用地面积比重上升了5.0个百分点，而园地和林地面积比重分别增加7.6和9.5个百分点。可以初步估计，耕地以及未利用地面积的减小主要是由于建设用地的扩大和园地的扩展，这与黄冈地区社会经济的发展的良好趋势基本一致，这也反映出了城市作为地区经济发展的龙头，其人口与社会经济的增长会对周边的自然环境造成极大的影响，因此处理好经济发展与自然环境的关系显得十分迫切。

4.2 土地利用转换矩阵

为揭示各土地利用类型相互转移的特征，利用1990年和2010年黄冈市土地利用分类图，计算1990-2010年间黄冈市土地利用类型转移矩阵（表2），通过矩阵对各种土地利用类型进行分析统计。

4.3 耕地非农化时空变化特征

在1990-2010年间，黄冈市耕地面积占其国土面积的比重下降了21.8%，耕地面积由6 299.35 km2减少到2 480.55 km2。由表2可知，耕地向各种类型均有不同程度的转化，其中主要向林地、建设用地和园地转变，转化量分别为2 017.23、526.85、1 918.23 km2，分别占用地总量的32.02%、8.36%和30.45%。虽然同期也有62.39、542.64 km2林地和园地转化成耕地，但总的来说，耕地面积在不断减少。

在不同的区域，耕地转化的方向也不同。在黄冈市东北部的大别山区，耕地主要向林地转化，这主要受国家在生态功能区和禁限功能区实行退耕还林政策的影响；在大别山南麓、黄冈市西北部丘陵地带，耕地主要向园地转化；而在黄冈沿江地带、黄州城区和各县城及附近地区，耕地主要向建设用地转化。

4.4 黄冈市耕地非农化驱动因素分析

4.4.1 自然驱动因素 土地的自然特性和环境条件决定了其适宜的利用方式，利用方式恰当与否影响着土地利用的可持续性。黄冈市地势东北高西南低，东北部为西北—东南走向的大别山脉，中部为海拔在300 m以下的丘陵区。总体而言，岗地占10.34%，丘陵占43.31%，山地占34.25%（图4）。黄冈市位于亚热带季风气候区，热量充足，降水量丰沛，有利于作物生长，但也常有洪涝、高温干旱等灾害发生。

黄冈市所在的大别山区是对国家生态安全具有重要作用的50个重要生态服务功能区域之一，是中原地区、长三角和长江经济带的重要生态屏障，被列为中国35个生物多样性保护优先区域之一，也是中国亚热带和暖温带、常绿阔叶林和落叶阔叶林的分界线以及南北水系的分水岭，是中国生态环境脆弱地区和气候变化敏感区，在我国的生态功能区划中具有重要的地位。

根据黄冈市的DEM计算出的黄冈市坡度分级图如图5所示。坡度小于6°的平地、坡度在6°～25°之间的缓坡地，坡度大于25°的陡坡地分别占黄冈市国土面积的58%、38%和4%。考虑到生态安全的需要，其境内已经开垦出的25°以上的坡耕地以及处于生态脆弱区的耕地，正在陆续按国家政策规定有计划地进行生态退耕还林，在1990-2010年间共有2 017.23 km2耕地转换成林地。

黄冈市土质松散，风化严重，加上暴雨集中，土地利用率较高，坡耕地较多，水土流失比较严重。不合理的耕作制度和粗放的耕作方式，土地投入较低，农业生产中的重用轻养和城镇三废的污染，导致部分地区生态环境恶化，耕地生产力降低，耕地资源质量下降，只能朝园地发展。在1990-2010年间共有1 918.23 km2耕地转换成园地。

4.4.2 人为驱动因素

1）社会驱动因素。人口数量和人口密度的变化是土地利用与土地覆盖变化的最具活力的驱动力之一。一方面，人口的增加需要更多的耕地种植粮食来满足人们生存的需要；另一方面，人口的增加以及随之而来的城市化的发展导致建设用地规模不断增大，建设用地大量占用耕地，造成耕地大面积减少。1990年黄冈市总人口为722.74万，人口密度为414人/km2，到2010年总人口增加到742.41万，净增19.67万人，人口密度增加到426人/km2，净增12人/km2。1990-2010年间共有526.85 km2耕地转换成城市用地及居民点。

2）经济发展驱动因素。经济发展是土地利用及其结构演变的最核心动力，一方面第二、三产业的发展增加了用地需求，导致大量耕地被占用；另一方面农业结构的调整和市场导向下的农业资源的配置也会造成耕地大量减少。1990年黄冈市国内生产总值为60.73亿元，第一、第二、第三产业占国内生产总值的比重为57.7∶21.1∶21.2；到2010年黄冈市国内生产总值达到862.30亿元，第一、第二、第三产业占国内生产总值的比重为28.6∶38.1∶33.3，很明显在1990-2010年间，黄冈市第二、第三产业占国内生产总值的比重大幅上升，随之而来的是用地的增长，并导致耕地被大量占用。

尽管我国正在实施耕地占补平衡和增减挂钩制度，但是在具体的操作中不利于耕地保护的现象时有发生。如占用质量优良的耕地，却以质量较次的耕地来补充，造成了优质耕地的隐形流失，严重影响到耕地的质量。另外，随着农业结构的调整，耕地进一步向其他土地利用类型转化，如在1990-2010年间共有1 918.23 km2耕地转换成园地。

3）政策驱动因素。国家和地方政府的政策对土地利用方式及其变化起着重要的规范和引导作用。正确的政策可以引导土地可持续利用，而错误的政策追求短期的经济利益，导致土地利用方式不合理。黄冈市地处武汉城市圈8+1城市体系中，积极参与武汉都市圈的构造，加强与武汉及周边城市的联系与协作，共同打造武汉都市区的“东部城市连绵带”这一定位，极大地促进了耕地向园地、其他农用地、居民点及工矿用地和交通用地等土地利用类型转变，导致耕地总量减少，城市用地增加。如何在城市社会经济发展与耕地利用保护方面协调一致，是一个值得深入探讨的课题。

5 小结

本研究基于1990-2010年间黄冈市TM遥感图像数据， 利用ENVI进行处理得到结果，然后通过处理的结果来分析黄冈市耕地资源的非农化时空变化特点。结果表明，在1990-2010年间，黄冈市耕地面积占其国土面积的比重下降了21.8%，耕地面积由6 299.35 km2减少到2 480.55 km2。耕地向各种类型均有不同程度的转化，其中主要向林地、建设用地和园地转变。在不同的区域，耕地转化的方向也不同：在黄冈市东北部的大别山区，耕地主要向林地转化；在大别山南麓、黄冈市西北部丘陵地带，耕地主要向园地转化；在沿江地带、黄州城区和各县城及附近地区，耕地主要向建设用地转化。黄冈市耕地非农化的驱动因素主要包括自然因素、社会因素、经济发展因素和政策因素。下面对未来黄冈市耕地合理利用和有效保护提出以下建议：

1）适应新形势发展，创新耕地保护理念，强化耕地保护意识。合理规划后备耕地资源，改造低山丘陵区农业用地，长期坚持退耕还林政策，对于不适宜耕种的土地如坡度25°以上的农田或土壤严重退化的贫瘠耕地，实行退耕还草还林，以保持水土，保证耕地质量。

2）耕地面积变化与地区总人口有明显正相关关系，只有继续坚持计划生育这一基本国策，才能更好地促进保护耕地、调控耕地非农化速度的政策落实。土地资源承载力是有限的，而人口的增长不但影响到各类土地利用类型数量和结构上的改变，还影响到土地环境质量。控制人口增长有助于缓解日益严峻的耕地与建设用地间的矛盾。

3）耕地非农化已经成为工业化、城市化进程中的一个普遍现象，建设用地占用或耕地非农化成为黄冈市耕地资源减少的一个重要原因。着力加强地方政府对耕地非农化的监管势在必行，黄冈市政府应该从大局出发，考虑长远利益，充分认识耕地保护的紧迫性、重要性，改变土地财政的观念。严格控制城市建设用地规模，提高城市建设用地的集约化率。合理开发利用荒地和废弃的老建设用地，合理规划布局和优化配置城镇建设及居民点用地，减少土地资源特别是耕地资源的浪费。

4）农村居民人均纯收入与耕地非农化存在显著的负相关关系，因此，必须提高农民在耕地非农化过程中的利益分配，加强对农民的利益保护，提高农民收入水平。完善耕地占用经济补偿制度和耕地种植补贴制度，激发农民种地的积极性，有效抑制耕地非农化，落实耕地保护政策。

参考文献：

[1] 洪鸿加，彭晓春，陈志良，等.长沙市耕地时空动态变化及驱动力研究[J].水土保持通报，2010，30（3）：224-229.

[2] 王 磊，刘逢媛，李双成，等.耕地非农化格局的演变及其影响因子分析——以京津冀都市圈为例[J].中国土地科学，2008， 22（1）：32-38.

[3] 苑韶峰，杨丽霞，杨桂山，等.耕地非农化的社会经济驱动因素异质性研究——基于STIRPAT和GWR模型的实证分析[J].经济地理，2013，33（5）：137-143.

[4] 张基凯，吴 群，黄秀欣.耕地非农化对经济增长贡献的区域差异研究——基于山东省17个地级市面板数据的分析[J].资源科学，2010，32（5）：959-969.

[5] 朱新华，陈利根，王 铮.耕地非农化与收入差距关系的实证研究[J].地域研究与开发，2008，27（3）：113-116.

[6] 万胜超，王良健，刘 敏.基于空间的省际农地非农化驱动因素研究[J].经济地理，2012，32（7）：123-128.