原阳县黄河背河洼地耕地景观格局演变研究

王秀丽，杨一鸣，陈伟强，李玲，关小克

(1.河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002；2.河南省土地整治与生态重建工程技术研究中心，河南 郑州 450002；3.郑州轻工业大学社会发展研究中心，河南 郑州 450002)

耕地作为重要的农业生产资料和农业景观生态系统中的一部分，合理有效利用耕地对保障粮食与生态安全具有重要作用[1]。随着工业化、城市化进程的加快，有限的耕地资源与建设用地、生态用地扩展之间的矛盾日益尖锐，耕地面积减少、质量下降、后备资源不足、景观破碎化等问题不断出现。因此研究耕地景观时空动态变化，探索其中规律，对于促进耕地可持续发展和利用具有重要意义[2-3]。

随着数字地球技术的迅速发展，遥感与地理信息系统技术广泛应用于景观格局变化的研究中，涉及城市、森林、草原、湿地、海域等领域[4-6]。通过景观格局的研究来探讨不同地区的景观特征，景观特征存在很大的地域性差异，但在一定方面又具有相似性。有学者结合景观指数对景观格局的时空动态进行了定量分析研究[7]，有学者利用景观格局研究河流水质[8]、大气环境[9]、生态系统服务功能[10]等自然生态过程的变化，有学者通过景观格局变化研究了农村居民点[11]、城市建设用地[12]等城乡景观的景观特征。关于景观格局演变的驱动因素，有学者认为宏观上可分为自然因素和人文因素[13],微观上可分为经济水平[14]、社会发展程度[15]、政策措施[16]、气候条件[17]、地质地貌条件[18]、水文水系状况[19]等。

黄河背河洼地是沿黄农业生产与经济发展的核心区，耕地承担着重要的生态保护与粮食生产任务。关于耕地景观格局的研究已有很多，但是对于地理区位优越、自然条件优异的粮食主产区的研究较少。原阳县位于黄河北侧的背河洼地区，自然地理与区位条件特殊，以往的盐碱沼泽地随着引黄放於、种植水稻、排涝治碱工程等改良利用措施的实施，如今已成为高产的粮食主产区，耕地利用方式与景观格局发生巨大变化。因此，以其为例开展耕地景观格局变化演变研究，对沿黄流域生态保护与耕地利用协调发展均具有较强的代表性与借鉴意义。

图1 原阳县耕地分布现状图Fig.1 Present situation of cultivated land distribution in Yuanyang county

1 研究区概况

原阳县地理位置介于113°30′E-114°20′E，34°50′N-35°20′N，地处豫北黄河冲积平原的背河洼地区，属河南省新乡市，地势西南偏高，东北偏低，属暖温带大陆性气候，土地肥沃，灌溉便利，是河南省的粮食主产县。在河南省“十三五”规划中，原阳县作为以郑东新区为核心的“半小时经济圈”的重要组成部分和郑新融合发展的重要支点。截至2015年，全县土地总面积102 200 hm2，其中耕地81 262.73 hm2，占比79.5%。水田、旱地面积为22 882.12和58 380.62 hm2，各占耕地总面积的28.2%、71.8%，在全县均匀分布。由于引黄灌溉，水田集中分布在中部地区，呈带状分布，包括太平镇、葛埠口乡南部、路寨乡南部等地区。旱地则集中分布在原阳县北部及南部地区。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

(1)空间数据。原阳县1980年、1990年、2000年、2010年、2015年土地利用数据，来源于中国科学院，数据的空间分辨率为30 m，结合Landsat影像数据及实地踏勘进行验证对比，测得分类精度达到92.3%。(2)社会经济数据。主要来源于统计年鉴、各乡镇统计站、农业服务中心。(3)耕地客观状况。来自于2019年7—8月在原阳县各村的实地调研。

2.2 研究方法

耕地的景观格局演变特征分析采用转移概率矩阵[20-21]与景观指数分析法[22-23]。其中转移概率矩阵数学表达式为：

(1)

式中：P代表各用地类型的面积/hm2；N代表用地类型的总数；I和J分别代表研究期初和研究期末的用地类型；PIJ为第I种用地类型转化为第J种用地类型的转移概率。

景观指数在Fragstats4.2平台上计算，选择景观类型比例、最大斑块指数、面积加权平均斑块分维数、聚集度指数、周长面积分维数、聚集度和香农多样性指数等指数进行分析计算。耕地景观演变的影响因素分析则采用主成分分析法[24]。

3 结果与分析

3.1 原阳县背河洼地耕地景观时间变化分析

如图2所示，1980—2015年，耕地面积总体呈增加趋势，增加了3 212.92 hm2，较1980年增加了4.1%。其中，水田面积增加了958.61 hm2；旱地面积增加了2 254.31 hm2。耕地增加的主要来源为建设用地的复垦与水域的转化补充。

图2 原阳县5个时段各景观类型转移概率矩阵Fig.2 Each landscape type transition probability in Yuanyang county in 5 periods

分阶段来看，1980—1990年，耕地面积大量减少，共有2 092.24 hm2被闲置、撂荒，而次级转移去向为建设用地，其变化原因与城市化发展、经济建设以及产业结构的调整有关。1990—2000年，由于黄河改道和未利用地的开发，耕地面积增加了6 500.11 hm2。2000—2010年，耕地面积有所增加，建设用地转移是其增加的主要来源，这得益于国家占补平衡制度和严格的耕地保护政策，4 020.87 hm2的建设用地转化为耕地。2010—2015年，耕地面积减少了877.72 hm2，城镇建设占用及部分村庄建新不拆旧是其减少的主要原因。

3.2 原阳县背河洼地耕地景观空间变化分析

由图3可知，近40 a来各乡镇耕地均有所增加，总体上呈南多北少，在空间上主要呈环状增加。一是由于新农村建设和增减挂钩政策的实施，村庄周围闲置、利用率低的宅基地被复垦为耕地；二是南水北调中线土地整治重大项目的实施，将村庄周围的细碎耕地平整、综合为规整的田块，如大宾镇、太平镇区域；三是由于黄河河道南移，导致大量原水域用地转化为耕地，如大宾镇和陡门乡区域。增量耕地的分布较为分散，而减少耕地的分布则较为集中，空间上呈块状减少，主要分布在两个区域：一是中心城区所在城关镇和葛埠口乡，该区域由于城区扩张和生产建设需要导致耕地被成片占用；二是县域南部黄河沿边区域，由于河道的变迁，导致沿岸原有部分耕地成为河床。

图3 1980—2015年原阳县耕地变化分布Fig.3 Distribution change of cultivated land in Yuanyang county from 1980 to 2015

3.3 原阳县背河洼地耕地景观格局变化特征分析

3.3.1 类型水平上景观格局变化特征 如图4所示，景观类型比例指数度量的是景观格局的组分，其值越高说明该类型斑块相对面积越大，1980—2015年，旱地的景观类型比例指数最大，其次为水田，两者指标总和超过70%，说明耕地是原阳县主要的景观类型。最大斑块指数反映了各景观类型最大面积斑块占景观总面积的比例，是优势度的一种度量方式，1980—2015年，旱地和水田的最大斑块指数分列首次，远高于其他景观类型，表明旱地和水田组成的耕地景观是优势景观。面积加权平均斑块分维数反映了斑块的形状复杂性，旱地和水田分维度指数高于其他景观类型，稳定地维持在1.2至1.25的高数值之间，其原因在于长期以来的耕地细碎化。聚集度指数反映景观中不同斑块类型的聚集程度，值越大说明同一景观类型斑块越聚集，水田和旱地的聚集度指数一直维持在99.8以上，其聚集度恒高于其他景观，主要原因是该地区一直是粮食主产区，以传统农业生产为主，对耕地的空间连续性破坏较小。

3.3.2 景观水平上景观格局变化特征 由图5可知，近40 a来，原阳县整个景观中最大斑块指数总体呈现下降趋势，说明耕地的优势地位在下降。周长面积分维数衡量的是各景观类型斑块形状的复杂性，形状越复杂分维数越高。分维数总体呈现增加趋势，受市场需求变化，土地利用类型趋向多样化，特别是临近道路、居民点的地区，设施农业以及瓜果蔬菜种植业的不规则发展，均导致土地形状的复杂化。而聚集度指数基本维持在97.5～97.8，说明各类型景观的空间分布均匀。香农多样性指数是景观丰富度的表征，总体呈减少趋势，景观异质性在减小，这与土地用途管制制度和规划为追求土地利用的综合效益最大化而改变土地原有的自然分布状态有关。此外，建设用地比例的不断增加，也导致景观格局趋于均一，景观异质性和景观多样性同时下降。

图5 1980—2015年各景观类型在景观尺度上的景观指数变化Fig.5 The landscape index change of each landscape type in landscape scale from 1980 to 2015

3.4 原阳县背河洼地耕地景观变化驱动因素分析

3.4.1 主成分分析结果 耕地景观变化的驱动因素包括人为、社会和自然驱动因素，考虑原阳县实地情况，从人口状况、人民生活水平、经济发展水平、农业科技水平和气候因素5个方面选取12个指标进行分析(表1)。

表1 驱动因素指标体系Table 1 The driving factor index system

结果显示，第1主成分解释了总变量的58.96%，第2主成分解释了总变量的22.90%，第3主成分解释了总变量的8.80%，三者方差贡献率超过85%，足以表达研究对象的特征。表2显示了农民人均纯收入、城镇化率、农业产值占比、第二产业值、第三产业值、粮食单位产出量、农机总动力、化肥施用量等指标在第1主成分上的载荷较大，这表明人民生活水平、经济发展与农业科技因素是耕地格局演变的主要影响因素。在当前生产的技术条件下，自然条件以及人口状况对于耕地景观的影响处于次要地位。

表2 主成分载荷矩阵Table 2 Component matrix

3.4.2 影响耕地景观格局演变的主导因素 就人民生活水平因素来说，农民人均纯收入与城镇化率对耕地面积变化的解释率分别为0.79，0.59(图6)，在城市化进程中，因经济、家庭等因素无法离开农村的农民以及种植能手大量承包进城农民闲置的土地，形成农业规模经营。在随机调研走访中发现种植规模达3.33 hm2以上经营主体的样本比例高达42.99%，可见城镇化在该地区驱生了规模经营方式继续管理耕地。同时，由于从事规模经营农民收入不断提高，从而形成了良性驱动，促进农民不断引入新技术进行科学管理，逐步完善农业规模经营。综上，该地区人民生活水平的提高，催生了农业规模经营，并未使耕地退化、荒芜，相比小农经营反而使耕地得到更加科学、有效的利用。

图6 原阳县农民人均纯收入、城镇化率、三大产业、粮食单产、农机总动力和化肥施用量与耕地面积变化关系Fig.6 The relationship between per capita net income of farmers,urbanization rate,three major industries, grain output per unit,total power of agricultural machinery,consumption of Chemical Fertilizers and cultivated land area in Yuanyang County

从经济发展水平方面来看，近40a来以“农”为支撑的三产产业值稳步提高，一、二、三产对耕地变化的解释率分别为0.82，0.73，0.70。就产业结构来说，在全县各处都有成熟的农业种植、销售业；还有以农产品为主的加工业，如黄金晴，将优质稻米加工为高档礼品；此外，原阳县推动农业与旅游业结合，发展立体生态农业以及休闲农业旅游。原阳县作为优质稻米生产基地，其品牌效益显著提高了农业的附加值，特别是近年沿黄立体生态农业的快速发展，极大提高了农业的经济效益，加之当地粮食主产区的定位，其农业主要发展战略就是延伸农业产业链，推动耕地高效利用，提高了耕地产出效益。

从农业科技水平角度出发，粮食单位产出量、农机总动力、化肥施用量普遍被认为是反映农技水平的重要参数，其对耕地面积变化的解释率分别为0.70、0.86、-0.15(图6)。农业机械总动力体现了农机应用水平，随着科学技术进步以及政府政策支持，在原阳农业机械已普及使用，农业生产效率大幅提高。在其他地区粮食产量往往随着化肥施用量的提高而提高，但原阳地处黄河北岸、土地肥沃，无需过度使用化肥就能保持粮食高产。粮食单位产出量直观地反映了农业科技水平，在产出逐年提高成本增幅不大的情况下，农业成为了当地政府和百姓着力发展的产业，因而耕地保护政策在原阳得到了很好的落实。

综上所述，人为驱动力和社会驱动力是影响原阳县耕地景观的主要因素，其中人民生活水平、经济发展水平、农业科技水平起主导作用，而自然驱动力的影响相对较小。具体来说，原阳县作为传统的农业大县，其地理位置优越、土地肥沃，具有较为完整的产业体系，在城市化进程中虽然农村人口减少，但是其余劳动力通过规模经营承包了剩余土地，使耕地得到了很好的保护和利用。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)时空变化上，研究期末耕地面积较初期增加4.1%，增加的主要来源是建设用地复垦，次要来源为水域用地的转化。耕地在全县各处均有增加，南部居多，主要呈环状增加，而减少部分主要分布在西部地区，呈块状减少。近40 a来，原阳县耕地在空间和数量上保护成效显著。

(2)景观变化上，从类型水平看，耕地是该地区的优势景观地类，水田和旱地的最大斑块指数、聚集度指数、景观类型比例一直高于其他景观类型，其中旱地的优势度高于水田。耕地的面积加权平均斑块分维数一直较高，形态复杂。从景观水平看，耕地是最大斑块类型，但其优势度在下降。

(3)影响耕地景观格局变化因素主要为人民生活水平、经济发展与农业科技水平，其因子包括农民人均纯收入、城镇化率、农业产值占比、第二产业值、第三产业值、粮食单位产出量、农机总动力、化肥施用量。

4.2 讨论

本研究通过对黄河背河洼地粮食主产县原阳耕地景观格局动态的分析，揭示了该地区耕地景观面积增长和空间上环状增加、片状减少的变化特征。与其他地区相似，原阳县耕地景观演变的驱动因素也是社会和人为驱动力，但不同的是在该地区对于耕地景观的影响为正，这源于原阳县优越的区位条件、完整的产业体系以及普遍推广的规模经营方式，也说明在经济区位条件优越的传统农业区，通过耕地的规模经营可以很好地实现耕地保护目标。规模经营提升了耕地的单位产出效益，延缓了其他高收益地类侵占耕地的情况。但值得警惕的是，耕地的优势度有所下降，其边缘形状长期处于不规则状态，存在破碎化问题。因此，基于原阳县耕地景观动态及其驱动因素，提出四点耕地管理与保护的建议：

(1)通过土地综合整治尤其是农地整理规整田块、配套设施，改善农业生产条件。耕地形状不规整、破碎化的问题可通过土地整理得以解决。另外，配套农业生产设施，可降低生产成本并提高生产效率，有助于维持并提高耕地收益，保证其在与其他地类的竞争中产生优势。

(2)继续推动农业规模经营，并完善制度体系。政府应积极引导，以农业企业、合作社等新型农业经营主体为基础，鼓励、带动农民积极参与规模化经营。除了数量和规模上的提升，还应注重细部上的规模，如不同主体田块的连通，这不仅可以提高效益，还能使整体耕地景观更加完整和集聚。

(3)原阳作为黄河流域的发展核心区，要充分发挥其临近黄河的区位优势，使自身成为供应郑州、新乡等周边城市蔬菜、粮食的“粮仓”。另外，持续深化农业与二、三产业结合，大力发展农产品加工业以及立体生态农业+休闲旅游，发挥品牌效益，不断提高农业产业利润，从而提高耕地的资源地位。

(4)习近平多次强调黄河流域生态保护和高质量发展，因此当地政府应综合考虑国家宏观政策、生态保护等多种因素，结合当地实际情况，因地制宜地制定出切实有效的耕地利用与保护政策。保护和利用双轨并举，发挥耕地的多功能性，促使耕地利用与生态保护协调发展。