基于RS和GIS的河南省耕地变化及驱动力分析

2017-06-21张永民程维明郑玉杰

浙江农业科学 2017年5期

关键词：工矿驱动力土地利用

张永民，程维明，郑玉杰

(1.河南财经政法大学资源与环境学院，河南郑州 450046； 2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

基于RS和GIS的河南省耕地变化及驱动力分析

张永民1，程维明2，郑玉杰1

(1.河南财经政法大学资源与环境学院，河南郑州 450046； 2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

根据2000和2013年2期土地利用空间数据及社会经济统计数据，运用GIS技术和回归模型等方法，分析2000—2013年河南省的耕地变化及驱动力。结果表明，2000—2013年河南省耕地减少了3 796.88 km2，降幅为3.53%，除洛阳、鹤壁和济源的耕地面积稍有增加外，其他省辖市的耕地不同程度地减少。耕地向城乡工矿居民用地的大量净转出是导致耕地减少的根本原因。此外，耕地向林地和水域的净转出也造成了耕地的减少，而草地和未利用地向耕地的净转入则起到了补充耕地的作用。耕地向城乡工矿居民用地大量净转出主要是受非农人口迅速增长、非农经济快速发展以及土地政策不完善等驱动的。因此，完善土地政策与制度，明晰农民的耕地权利，细化规范耕地征收征用法定权限和程序，同时积极推进人地挂钩政策的实施是保护耕地的当务之急。

耕地；驱动力；回归分析；河南省

耕地是最为宝贵的资源，保护耕地是保障国家粮食安全的战略需要[1-2]。作为粮食和农业生产大省，河南承担着保障国家粮食安全的重要任务，2000年以来，河南省的粮食产量一直占到全国的约10%。同时，河南还是人口大省和新兴工业大省。近年来，随着我国工业化与城镇化进程加快，耕地流失问题日益突出，学术界对此高度关注。张桂宾等[3]分析了1949—2005年河南省耕地的动态变化及其人文驱动力；李治国等[4]分析了河南省18个省辖市的耕地压力变化规律及成因；刘玉等[5]研究了1990、2000和2010年河南省126个县域的耕地集约利用程度及其时空变化规律。此外，还有不少研究对河南省的耕地变化进行了分析[6-9]。但是，这些研究多是基于统计数据开展的，由于统计数据只有数量信息，而不涉及空间分布以及耕地与其他土地利用类型的转换情况，因而难以精准揭示耕地的流失状况及原因[10-12]。实际上，受社会经济和自然地理等各种因素影响，耕地与其他土地利用类型之间不断进行着转出与转入的转换过程，耕地变化正是多种土地利用转换共同作用的结果[13]。因此，本研究拟基于遥感影像，运用地理信息系统(GIS)技术，从耕地与其他土地利用类型的转换关系着手，分析河南省的耕地变化，并结合社会经济统计数据和文献资料，运用回归模型等方法揭示耕地变化的驱动力，从而为耕地的精准保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 河南省耕地概况

河南省地处我国中东部的中纬度内陆地区，地理位置110°21′～116°39′E，31°23′～36°22′N，气候为北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候[14]，全省土地总面积16.55万km2，划分为18个省辖市。耕地占河南省土地总面积的比重较大，但空间分布不均，75%的耕地集中分布于占全省土地总面积55.6%的东部平原地区，剩余25%分布于占全省土地总面积44.4%的西部山地丘岗地区。灌溉水田主要分布于沿淮地区，水浇地相对集中于豫北平原。《河南省土地利用总体规划(2006—2020年)》确定的粮食生产核心区位于黄淮海平原、南阳盆地和豫北、豫西山前平原的89个县(市、区)，占全省耕地面积的83.5%、基本农田面积的85%。总的来看，河南省人地矛盾尖锐，耕地后备资源不足，开发利用制约因素较多，继续实施更加严格的耕地保护制度是土地利用规划的战略任务。

1.2 数据资料

土地利用空间数据来源于中国科学院资源与环境信息系统国家重点实验室，该数据是根据2000年和2013年的Landsat TM影像通过人机交互解译、野外实地考察验证得出的。本研究根据原数据(coverage格式)把河南省的土地利用划分为耕地、林地、草地、水域(指天然陆地水域和水利设施用地)、城乡工矿居民用地(指城乡居民点及其以外的工矿、交通等用地)和未利用地共6种类型[15]。耕地是指种植农作物的土地，包括熟耕地、新开荒地、休闲地、轮歇地、草田轮作地，以种植农作物为主的农果、农桑、农林用地，以及耕种3 a以上的滩地和滩涂。人口与社会经济数据来源于河南省统计年鉴。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地变化

运用地理信息系统软件(ArcGIS 8.3)通过intersect命令对2000和2013年的2期土地利用数据进行叠加，得到反映2000—2013年各土地利用类型相互转化情况的土地利用变化类型图。根据土地利用变化类型图的属性数据表计算2000—2013年各土地利用类型之间的转换面积，得出土地利用转换矩阵。转换矩阵的数学表达式如下：

式中，Cij表示2000年的i种土地利用类型转变为2013年的j种土地利用类型的面积，i和j取值为1～6分别表示耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地和未利用地。

本研究只关注耕地与其他土地利用类型之间的转换，因此运用下式计算耕地与其他土地利用类型的转换结果：

Ci=C1i-Ci1。

上式中：C1i表示耕地向土地利用类型i的转出面积；Ci1表示土地利用类型i向耕地的转入面积；Ci表示耕地与土地利用类型i的转换结果，正值表示耕地向土地利用类型i的净转出，负值表示土地利用类型i向耕地的净转入；1表示耕地，i取值2～6分别表示林地、草地、水域、城乡工矿居民用地和未利用地。

1.3.2 耕地变化的驱动力

耕地变化的驱动力包括直接驱动力和间接驱动力。直接驱动力可以根据耕地与其他土地利用类型之间的转换结果进行分析，例如，根据耕地与城乡工矿居民用地之间的转换结果即可得出城镇化过程对耕地变化的直接驱动作用；而间接驱动力则是指作用于直接驱动力的人口、经济和政策等因素，它们对耕地变化的驱动作用需要通过回归模型和调研等进行综合分析。

2 结果与分析

2.1 耕地变化

由表1可知，2000—2013年河南省耕地面积减少了3 796.88 km2，降幅为3.53%。就耕地与其他土地利用类型的转换结果来看，耕地向城乡工矿居民用地、林地和水域表现为净转出，尤其是向城乡工矿居民用地的净转出面积最大(4 060.24 km2)，这些净转出是导致耕地减少的直接原因。草地和未利用地向耕地表现为净转入，尤其是草地向耕地的净转入面积最大(1 781.36 km2)，这些净转入在一定程度上起到了补充耕地的作用。

表1 2000—2013年河南省耕地与其他土地利用类型的转换结果 km2

地区城乡工矿居民用地林地草地水域未利用地合计全省406024137312-17813617367-2879379688焦作15468-175-17942334-01115822济源2725-2313-37672139002-1214开封199369221-078-297-68728094漯河11264547012-60800011214洛阳1768710579-390321923-124-8969平顶山1560214935-51691616-03826946新乡21434405-11454-2445-15106430许昌14561356483568900019649郑州54440-2897-13797831534946409商丘457833584-1221-2996-02145129信阳3308620853-878229606445517周口435951141-00963600045363驻马店43519-4878-24506-221800211919安阳21425-1004-13006-405-3166693鹤壁4770-772-9291-480-232-6006濮阳156044888-510598-12020459南阳2269747084-171111022201262904三门峡243232551-29455-1951-2493328

注：前5列数值中，正值表示耕地向其他土地利用类型净转出的面积，负值表示其他土地利用类型向耕地净转入的面积。合计项表示耕地面积的变化结果，正值表示减少，负值表示增加。

具体到各省辖市来看，2000—2013年，除洛阳、鹤壁和济源的耕地面积稍有增加之外，其余15个省辖市的耕地皆不同程度地减少。根据耕地与其他土地利用类型的转换结果，18个省辖市耕地向城乡工矿居民用地皆表现为净转出，其中，鹤壁、三门峡和济源这3个市的净转出面积较小(不足50 km2)，而其余15个市的净转出面积较大(超过100 km2)，尤其是郑州的净转出面积最大(544.40 km2)。耕地与林地的转换方面，南阳、三门峡、信阳、平顶山、洛阳和开封等市耕地向林地出现较大面积的净转出，而驻马店、郑州和济源等市则出现了林地向耕地的少量净转入。耕地与水域的转换方面，主要表现为南阳和郑州耕地向水域的净转出面积较大，而商丘、驻马店和新乡等市则出现水域向耕地的少量净转入。耕地与草地的转换方面，除了许昌、漯河出现耕地向草地的少量净转出之外，其余各市皆表现为草地向耕地的净转入。在耕地与未利用地的转换方面，除了新乡未利用地向耕地出现较大面积的净转入(15.10 km2)外，其余各市耕地的净转入或者净转出面积皆很小。

2.2 耕地变化的驱动力

由2.1节分析可知，2000—2013年河南省耕地减少是耕地与城乡工矿居民用地、林地、水域、草地和未利用地之间相互转换的结果。显然，建设用地扩张、退耕还林、以丹江口水库为主的水源地建设、水文化景观用地增加，以及开垦后备耕地资源是耕地与其他土地利用类型发生转换的直接驱动力。但是，在这些直接驱动力的背后，还存在着人口、经济和政策等间接驱动力的作用。

需要说明的是，耕地向林地和水域的净转出，虽然在一定程度上造成了耕地的减少，但长远来看确实是保护生态与环境以及缓解有关地区水资源短缺的迫切需要。例如，耕地向林地的净转出主要分布于丘陵山区水土流失严重的南阳、三门峡、信阳、平顶山和洛阳等市，以及东部黄河故道上土地沙化严重的开封等市；耕地向水域的净转出主要集中于南水北调中线工程水源地的南阳市。草地和未利用地向耕地的净转入实际上是开垦后备土地资源弥补耕地大量流失的无奈之举。显然，耕地向城乡工矿居民用地的大量净转出才是河南省耕地减少的根本问题，也是“三化”协调发展中用地矛盾的关键所在。因此，以下重点分析耕地向城乡工矿居民用地大量净转出的驱动力。

2.2.1 人口因素

人口因素是引发耕地变化的最基本要素。2000—2013年，河南省总人口增加了1 113万人，增幅为11.70%。但是，由于农业机械化水平显著提高，再加上相对二、三产业，耕地利用的比较经济效益低下，农业从业人员向非农从业人员大量转移。统计数据表明，2000—2013年，河南省第一产业(农业)从业人员减少了1 001.61万人，降幅为28%；第二、三产业(非农)从业人员增加了1 816.50万人，增幅为90%。非农从业人员的快速增长极大地促进了非农产业的发展和非农建设用地的扩张，进而导致耕地面积因城乡工矿居民用地的大量占用而显著减少。

回归分析表明，河南省18个省辖市耕地向城乡工矿居民用地的净转出面积与非农从业人员的增加数量之间呈显著的线性相关(图1)，非农从业人员增加越多，耕地向城乡工矿居民用地的净转出面积越大，非农从业人员增量每增加1万，耕地向城乡工矿居民用地的净转出面积就增加2.18 km2。

图1 耕地向城乡工矿居民用地的净转出面积与非农从业人员增量之间的关系

2.2.2 经济因素

理论上分析，耕地流失与经济增长的关系应当符合库茨涅茨曲线规律：在经济水平较低的发展阶段，经济增长对耕地的非农占用十分有限；但是，随着城市化、工业化进程加速，耕地流失速度随着经济发展水平的不断提高而增加；在经济稳定增长的较高发展阶段，由于耕地保护意识增强以及技术进步和产业结构升级等原因，耕地快速流失的趋势得到遏制并逐步逆转[16-17]。

2000—2013年，河南省GDP由5 052.99亿元增至3 2155.86亿元，增加了5.36倍，尤其是非农经济的增幅更为显著，第二、三产业的生产总值分别增加了6.76和5.44倍。由此可见，伴随着经济发展水平的提高，河南省已经进入了工业化、城镇化加速推进的新阶段，从而导致耕地向城乡工矿居民用地的净转出面积也大幅增加。

回归分析表明，除周口、商丘、驻马店和信阳外，河南省其他省辖市耕地向城乡工矿居民用地的净转出面积和非农GDP增量之间具有显著的线性回归关系，非农GDP增长越多，耕地向城乡工矿居民用地的净转出面积越大，非农GDP增量每增长1亿元，耕地向城乡工矿居民用地的净转出就增加0.091 9 km2(图2)。进一步分析表明，周口、商丘、驻马店和信阳这4个市之所以属于奇异观测值，是因为这些地区为传统农区，2000—2013年间正处于其经济加速发展的初始阶段，因而导致这些地区城乡工矿居民用地对耕地的占用面积较其他市相对偏大。

图2 耕地向城乡工矿居民用地的净转出面积与非农GDP增量之间的关系

2.2.3 政策因素

关于耕地向城乡工矿居民用地的净转出，土地政策与制度的不完善也起到了一定的“助推”作用。一方面耕地的所有权归村集体，农户只有承包权与经营权；另一方面集体所有权在部分地方的实践中演化成耕地权利在政府手中[18-19]。2000—2013年，河南省正处于经济快速发展和迅速推进城镇化与工业化的进程中，个别地方政府、村委会和开发商为了攫取高额利益，打着公共利益的旗号滥用征地权，占用和征收耕地进行房地产开发，由此导致耕地流失的现象时有发生。因此，科学界定公共利益的边界，完善土地政策与制度，明晰农民的耕地权利，细化规范耕地征收征用法定权限和程序，是耕地保护的当务之急。

此外，根据调研，在城市建设用地扩张大量占用耕地的同时，农村宅基地的闲置问题也很突出。若能把闲置的宅基地通过土地整理转变为耕地，将会明显减少耕地向城乡工矿居民用地的净转出面积。因此，进一步落实《国务院关于支持河南省加快建设中原经济区的指导意见》中提出的人地挂钩政策，在严格执行土地利用总体规划和土地整治规划的基础上，探索开展城乡之间、地区之间人地挂钩政策试点，实行城镇建设用地增加规模与吸纳农村人口进入城市定居规模挂钩、城市化地区建设用地增加规模与吸纳外来人口进入城市定居规模挂钩，应当是今后耕地保护的有效举措。

3 小结与讨论

根据2000年和2013年的Landsat TM影像，通过人机交互解译、野外实地考察和数据分析发现，2000—2013年河南省耕地面积减少了3 796.88 km2，除洛阳、鹤壁和济源的耕地面积稍有增加之外，其余省辖市的耕地面积皆出现了不同程度的减少。耕地向城乡工矿居民用地的大量净转出是导致耕地减少的最主要原因。耕地向城乡工矿居民用地大量净转出主要是受非农人口迅速增长、非农经济快速发展以及土地政策不完善导致的城乡工矿居民用地急剧扩张驱动的。因此，完善土地政策与制度，明晰农民的耕地权利，细化规范耕地征收征用法定权限和程序，同时积极推进实施人地挂钩政策是耕地保护的当务之急。

由于数据源、生产过程和测算口径等方面的差异，基于遥感影像获取的耕地数据和统计年鉴提供的耕地数据间通常存在出入[20]，根据统计数据计算，2000—2013年河南省耕地面积有所增加，但本研究根据遥感数据得出的结果有所减少，它们究竟差别在哪些地方，如何生产统一的高精度的土地利用数据，这些问题在耕地保护的实践中亟待解决。

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(责任编辑：高峻)

2017-02-16

河南省政府决策研究招标课题(2015B237)