洞庭湖生态经济区农田景观格局变化及其驱动力

2018-05-18葛大兵唐伊凡葛奕辰

江苏农业科学 2018年8期

王丹，葛大兵，唐伊凡，葛奕辰

（湖南农业大学生物科学技术学院／洞庭湖区域农村生态系统健康湖南省重点实验室，湖南长沙410128）

近年来，景观生态学受到广泛关注，景观生态学与农村、农业发展相结合已成为趋势［1］。受自然环境和人类活动的双重影响，农田景观结构发生了深刻的变化，深入研究驱动力因素对农田景观格局变化的影响，对于促进农业资源合理利用、保障人类生态和粮食安全具有重要意义［2］。

洞庭湖曾号称“八百里洞庭”，盛期面积达6 000 km2以上，目前面积仅2 625 km2［3］。20世纪80年代以前，由于生产力低下、人口快速增长等原因，洞庭湖地区是国家重要粮食产区，因而被不断围垦以强化其粮食生产功能。不断围垦的结果是湖泊生态调蓄功能持续下降，洪涝灾害频发，人们在获得粮食的同时也付出了巨大代价［4］。20世纪80年代以后，由于科学技术进步、生产力快速增长、控制人口增长等原因，尤其遭遇1998年洪水灾害之后，政府积极开展了“退田还湖、平垸行洪和移民建镇”等工程。规划平退总面积1 578.7 km2，耕地总面积758.7 km2［5］。研究表明，退田还湖政策对洞庭湖生态功能恢复起到了显著作用，也导致洞庭湖生态经济区景观要素类型发生了明显变化［6］。本研究探讨农田（水田、旱地）景观格局的演变规律，分析驱动力因素对农田景观格局的影响，旨在为制定合理、可持续发展的土地利用策略提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

《洞庭湖生态经济区规划》范围包括湖南省岳阳市、常德市、益阳市、长沙市望城区以及湖北省荆州市，共33个县（市、区），总面积6.05万km2。本研究中洞庭湖生态经济区所选的是湖南省 25个县（市、区）（110°27′～114°13′E，27°58′～30°08′N），总面积 46 661.48 km2，2015年常住户数498.45万户，常住人口1 645.95万人。

1.2 研究方法

1.2.1 数据获取方法数据源于湖南省遥感中心提供的1990、2000、2010、2016年4期的 Landsat－TM遥感影像数据、自然地理信息数据、《湖南省统计年鉴》。

1.2.2 方法在ArcGIS软件中创建Coverage格式，并且转换为 grid栅格数据，以此获取1990、2000、2010、2016年洞庭湖生态经济区湖泊、水田、旱地、林地、草地、河流、建设用地、未利用地等卫星假彩色合成影像的空间属性数据（图1），对其景观类型进行特征分析以及面积转移数据统计。

分析景观格局指数（landscape pattern index）［7］，结合景观结构分析软件Frtagstats计算斑块个数（NP）、最大斑块指数（LPI）、周长－面积分维数（PAFRAC）、边界密度（ED）等景观格局指数，采用监督分类和目视修正相结合的方法，根据土地利用现状分类标准结合区域内实际情况，分析洞庭湖生态经济区的景观结构特征及功能。

1.2.2.1 斑块个数

式中：NP为景观中某斑块类型的斑块总数；N为所有斑块或某种斑块数量。斑块数越大，景观破碎度越高，反之亦然；改变物种间相互作用和协同共生的稳定性；反映景观的空间布局以及景观中斑块总数。

1.2.2.2 最大斑块指数（0＜LPI≤100）

式中：Amax为某斑块类型中的最大斑块面积；A为景观总面积。LPI表示景观中的最大斑块面积占该种景观总面积的百分比，有助于确定景观类型或优势类型等，反映人为活动趋势及干扰程度；该值越大，表示景观破碎度越低，优势度越强，反之亦然。

1.2.2.3 面积－周长分维数

式中：PAFRAC反映斑块组成的景观形状和面积之间的关系，以及在一定尺度上景观类型的复杂程度。人类活动、自然因素、社会经济对景观格局的影响数值在1～2之间，数值越接近1，表示斑块形状越规则，受人为干扰程度大；数值越接近2，表示斑块形状越不规则，受人为干扰程度小。

1.2.2.4 边界密度

式中：ED是景观中所有斑块边界总长度；A是景观总面积。ED反映景观类型被边界分割的程度，以及景观斑块间的边缘长度和效应。ED值越大，表示景观类型被边界割裂程度越高，反之景观类型连通性和完整性越高。

1.2.2.5 农田面积减少系数农田面积减少系数 C［8］用于衡量城镇化过程中农田面积减少是否适度，以及与城镇发展之间的关系；C＝1表示农田面积的减少幅度与城镇化水平的增长幅度相协调；C＞1表示农田面积的减少幅度大于城市化水平的增长幅度；反之亦然［9］。

式中：RCL是农田面积减少率，表示研究期间减少的农田面积占原农田面积的比例；RU为城镇化水平增长率。

2 结果与分析

2.1 农田景观格局面积变化

通过解译4期遥感影像和利用ArcGIS软件的空间分析功能得到洞庭湖生态经济区农田景观格局面积变化。由表1可知，1990—2016年水田面积减少204.99 km2，总体持续减少1.37%，年平均减少7.88 km2；其中2000—2010年面积减少最多，达127.50 km2，占2000年水田面积的0.85%，年平均减少12.75 km2，主要是由20世纪90年代末国家实行“退田还湖”政策导致的。1990—2000年旱地面积增加1.49%，2000—2016年旱地面积减少2.19%，呈先增后减的趋势，总体上减少了0.74%，年平均减少0.75 km2，主要是因为20世纪90年代棉花种植业稳步发展。2002年湖南省棉花播种面积14.9万hm2，总产量19万t，主要产棉区集中在常德市、益阳市、岳阳市等地。

表1 1990—2016年洞庭湖生态经济区农田景观面积变化

2.2 农田景观类型面积转移率

景观类型面积转移变化包括转入和转出双向变化，某种景观类型的面积等于由其他类型转变为该类型的面积减去因转变为其他类型而损失的面积［10］。由表2可知，1990—2000年总转换率43.16%，水田转入湖泊、河流的面积分别为27354、912.00 km2，向林地转出最多，为 3 105.96 km2。旱地转林地面积最多，达1 077.83 km2，其次为旱地转水田，为75326 km2。在农田面积转入中，林地占据主要景观类型，水田达 3 119.57 km2，旱地达 1 155.77 km2。至 2000年，水田面积达 14 976.34 km2，占洞庭湖生态经济区总面积的3211%，减幅 0.26%；旱地面积达 2 675.60 km2，占洞庭湖生态经济区总面积的5.73%，增幅1.49%，同时期湖泊、建设用地、未利用地增幅分别为1.55%、10.27%、0.50%。面积转移与同时期政策变化有一定关联，1994年国家设立东洞庭湖国家级自然保护区，1997年设立南洞庭湖省级自然保护区，加强了围垸和垦殖的管理力度［11］，在这期间国家对洞庭湖生态经济区的开发力度和干扰强度开始变缓，退田还湖政策初见成效。

表2 1990—2000年景观类型转移矩阵

2000—2010年洞庭湖生态经济区总转换率达1.45%，景观格局类型转移矩阵幅度较小。由表3可知，水田转变为林地23.61 km2；旱地转变为林地10.42 km2；至2010年，水田面积达14 848.84 km2，占洞庭湖生态经济区总面积的31.82%，减幅0.85%；旱地面积达 2 663.32 km2，占洞庭湖生态经济区总面积的5.71%，减幅0.46%。洞庭湖生态经济区于20世纪90年代开始大兴杨树栽培，一部分基础农田用地被林业种植所取代，至2008年洞庭湖生态经济区杨树种植面积达到40万hm2，盲目发展杨树栽培转化土地类型已占用草地和部分农田，威胁到洞庭湖生态经济区湿地保护和全面发展。同时期洞庭湖农田面积占37.53%，农田景观变化开始成为洞庭湖生态经济区的关注重点。

表3 2000—2010年景观类型转移矩阵

由表4可知，2010—2016年洞庭湖生态经济区水田、旱地分别转变为建设用地21.48、11.30 km2，但是建设用地转入水田、旱地的面积分别为10.39、0.56 km2，这6年中建设用地侵占农田，使水田面积减为14 810.00 km2、旱地面积减为2 616.92 km2，分别减少了 0.26%、1.74%，同时期林地、河流、建设用地、未利用地增幅分别为0.15%、2.83%、6.02%、9.23%。随着洞庭湖生态经济区经济的快速发展，传统农业生产模式逐步向农副工相结合方向转变，与此同时，乡镇建设速度加快，农村住房建设提上日程，导致农田面积进一步减少［12］。

表4 2010—2016年景观类型转移矩阵

2.3 区域景观动态变化特征

研究农田景观优化布局大致分为水田和旱地，通过选取4个具有代表性的景观格局指数来分析生态模式尺度下农田景观的变化规律。由图2可知，洞庭湖生态经济区农田斑块数目最多，维持在2 300个以上。周长－面积分维数在1.0左右，表明景观斑块形状有向更简单、更规则变化的趋势，人为干扰景观格局程度增强。对最大斑块指数分析表明，林地和水田是主要景观类型，其中林地景观比例较大并保持稳定，这与洞庭湖生态经济区大力开展杨树种植有很大的关系，且过度种植杨树隐藏生态风险。LPI值越大，斑块优势度越强，景观破碎度越低；人口增加也相应促使农田用地迅速增加，提高LPI值。边界密度越大，景观类型被边界割裂程度越高，1990—2016年洞庭湖生态经济区各景观类型的边界密度整体表现为水田＞林地＞旱地＞河流＞湖泊＞建设用地＞草地＞未利用地。研究期间，洞庭湖生态经济区景观格局受干扰程度增加。

1990—2016年期间水田面积减少1.37%，而斑块数量呈增加趋势，表明水田景观破碎化程度有所增加。周长－面积分维数在1.03左右，受人为干扰程度强。林地是优势景观类型，其次是水田，但是水田边界密度最大，表明水田被边界割裂程度高，连通性和完整性弱。旱地斑块数量最多，旱地边界密度仅次于林地和水田，表明旱地受到干扰程度强，破碎化程度高。

2.4 农田景观格局变化的社会驱动力分析

2.4.1 人口因素由图3可知，2008年以前，洞庭湖生态经济区人口呈增长趋势，2008年共1 678.52万人，2008年后人口小幅下降后维持稳定，但是各地区城镇化率不断上升。人口减少导致所需粮食总量下降，相应的农田面积也会减少，但是洞庭湖生态经济区是重要的商品粮基地和外向型农业基地，同时洞庭湖平原后备土地资源丰富，为满足更大区域粮食安全的需要，仍须要保持一定程度农田种植面积的增长空间。2004—2015年期间，乡村从业人口占农村人口的1／2以上，洞庭湖生态经济区为了满足人口就业，农田面积应该呈增长趋势，但是由于工矿、交通、水利等各项建设用地的占用，水田和旱地面积均呈减少趋势。1990—2016年洞庭洞庭湖生态经济区水田面积减少了1.37%，旱地面积减少了0.74%（表1）。

随着洞庭湖生态经济区社会经济、生产和生活方式的逐步转变，传统农田作物应该向更高效益的经济作物转变，以不断提高洞庭湖生态经济区农业综合生产实力，建设高标准农田并转变生产方式，将洞庭湖生态经济区打造成保障粮食安全的现代农业基地［13］。

2.4.2 工业化和城镇化由图4可知，洞庭湖生态经济区的整体经济指标都趋于上升。2000—2010年地区生产总值从981.39亿元增长至3 109.04亿元。尤其近年来生产总值高速增长，三大产业逐步增长，2006年结构比例为23.4∶43.2∶33.4，与世界银行提出的标准结构14.0∶35.0∶51.0［18］相比，产业比例分布不够合理，与经济发展不相适应［14－15］。

因此《洞庭湖生态经济区规划》提出，到2020年实现“五大目标”，其一就是产业转型发展，重点是加快推进农业现代化、加快推进新型工业化、大力发展现代物流业、积极发展文化旅游业［4］。至 2015年三大产业结构比例为13.3∶46.8∶39.9，洞庭湖生态经济区农业适度规模经营，大力发展农产品精深加工业，推进“农业＋旅游业”深度融合，加快培育新型农业经营主体，促进带动农业发展方式转变，成为洞庭湖生态经济区未来发展的新模式和新方向。

农田面积减少系数是衡量农田面积减少与城镇化进程是否平衡的重要指标。由表5可知，2000—2016年洞庭湖生态经济区城镇化年均增长3.05%，农田面积年均降幅为0.08%，C值小于1，表明农田面积减少幅度小于城镇化水平增长幅度，洞庭湖生态经济区城镇化进程中农田资源得到了合理利用。2000—2010年城镇率年均增长2.82%，小于2010—2016年的3.44%，但是C值0.028（2000—2010年）＞0.024（2010—2016年），表明2010—2016年城镇化进程速度增加，农田资源利用较为合理。

表5 2000—2016年洞庭湖生态经济区农田面积减少系数

3 结论与讨论

2.4.3 政府的宏观调控作用政府宏观调控政策包括经济管理机制和土地管理机制［12］。农田景观格局衍变受到不同因素的影响，通过土地流转的形式表现出来［16］。政府拥有土地、信贷、能源等重要稀缺资源的配置权力，为吸引外资、提高就业率，政府为企业提供一系列优惠的土地开发政策，企业发展导致建设用地快速扩张并侵占农业用地，建筑废弃物污染农田。1978—2004年，湖南省政府购买大量先进的农业机械，对农业产出的平均贡献率达到46.73%［17］。1989—2008年湖南省农业机械总动力呈直线式增长，年均增长率为6.61%，因此，为进一步促进农业经济的发展，政府应该增加财政支农支出的规模并提高其使用效率。

2009年湖南省政府将环洞庭湖基本农田建设列入政府报告，到2011年通过中低产田改造，新增优质粮田11.20万hm2。通过农村土地综合整治，可以增加农田面积、提高农田质量、改善农业生产条件、提升农业综合产能［18］。

本研究表明，洞庭湖生态经济区内水田分布面积呈减少趋势，而斑块数量呈增加趋势，表明水田景观格局破碎化和异质性程度有所增加。旱地最大斑块指数只占0.2%以上，但斑块数量是景观类型最大值。农田景观格局受干扰程度强，农田破碎化程度高。农地破碎程度高是限制粮食生产机械化发展的根本原因，农产品机械化生产无法普及的后果是生产过度依赖手工劳动和精耕细作，虽然单产较高，但是劳动力和生产成本高、水源易被污染、生产效率低等。为响应政府“退耕还湖”政策，洞庭湖生态经济区应充分利用其地理优势，大力发展精深农产品加工业，进一步减轻农田耕种压力，促进洞庭湖生态经济区农业的发展。

洞庭湖生态经济区人为活动是农田景观格局变化的主要驱动因素，社会经济的发展、城镇总体规划的实施以及政策变化是农田景观格局演变的主要动力。洞庭湖生态经济区总面积 46 661.48 km2，常住人口1 645.95万人，人口基数大，在推行“退田还湖”政策的同时，生态经济区应调整农田产业结构，增加政府投资，加强土地管理，合理高效利用农田土地资源，推动生态经济区可持续化发展。

在今后的研究中，还应将生态安全纳入农田区域中，也应充分考虑自身农田生态功能和区域生态安全格局的耦合关系，将优质农田划分为永久基本农田，最大限度保障该地区粮食生产能力，以确保稳定基本农田面积和国家粮食安全，因此，研究农田面积变化及其驱动力、建立农田面积和质量动态监测体系、合理规划农田空间格局是洞庭湖生态经济区今后研究的重要方向。

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