湖北省耕地数量的时空变化及驱动力分析
2021-01-06陈雨秋尹峰于婧
陈雨秋，尹峰，于婧
(1.湖北大学资源环境学院， 区域开发与环境响应湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430062；2.湖北省国土资源研究院， 湖北 武汉 430071)
0 引言
耕地作为一项最基本的自然资源，是人类依存度最高的复合生态系统[1-2].人类的一切生产生活均离不开耕地，耕地是国民经济发展的重要支撑[3].一定数量与质量的耕地对保证粮食安全、维持地区的可持续发展具有重要意义[4-5].目前，耕地数量日益减少、耕地质量不断下降的问题已成为全球共同面临的巨大挑战[6].分析区域耕地数量变化特征，探究如何加强耕地资源保护是当前众多学者关注探讨的重要研究课题，并围绕这一课题开展了大量的研究工作，研究成果已不可胜数.在研究尺度上，张丽娟等[6]从宏观尺度对全球耕地面积的空间格局及时序变化进行了研究，卫新东等[7]在中观尺度上从省、地理区域、市3个不同层面对陕西省耕地数量及质量的时空变化进行了系统分析，曲胜秋等[8]、张茂茂等[9]在微观尺度上分别从耕地图斑层面、村域层面对耕地数量的区域分布及演变特征展开探讨分析；在研究方法上，孔静静等[10]运用主成分分析法及回归模型对影响乌鲁木齐市建设用地和耕地数量变化的驱动力进行了定量比较与分析，陶荣等[11]采用回归模型对影响湖北省耕地时空变化的驱动因子进行了定量研究，麦尔耶姆·亚森等[12]借助动态度、区位指数等计量模型分析新疆渭库绿洲耕地的时空分布及变化过程，姜楠等[13]应用回归模型探讨北京市耕地变化的驱动机制及影响其变化的深层原因.综上所述，涉及区域耕地数量时空变化的研究成果大多采用主成分分析、回归模型等研究方法，较少有文献采用灰色关联分析.各地区的耕地数量随时间变化不断发生改变，同时耕地数据也不断更新，近段时间的耕地数量时空变化情况更为大众所关注.
湖北省是我国中部地区典型的农业大省，在大力发展城镇化建设的同时，还承担中部地区战略崛起的重要任务，面临发展经济与保护耕地的多重压力，湖北省相对有限的耕地资源日益减少已成为趋势.近年关于湖北省耕地数量时空变化方面的研究成果相对较少，因此研究湖北省耕地数量的时空演变特征及驱动力对于中部地区乃至全国都具有一定的代表性与典型性.本文中以湖北省耕地为研究对象，基于2011—2018年的相关统计数据，选取耕地相对变化率指标分析湖北省耕地的动态变化及空间差异特征，并在此基础上运用灰色关联分析法，对影响湖北省耕地数量变化的驱动因素进行探究，以期为湖北省今后合理利用耕地资源、给有关部门制定科学的耕地保护政策提供参考依据，在保障湖北省农业安全的前提下实现区域的多方面可持续发展.
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况研究区湖北省地处我国长江的中游地区，是中部地区的重要战略性城市.湖北省三面环山，中间地势较为低平，以亚热带季风性气候为主，雨热同期.土地面积广阔，其总面积约占全国土地面积的1.94%，丘陵岗地、平原湖区、山地是湖北省的主要三大地形[14]，境内地势高差大.耕地与林地是湖北省主要的土地利用类型，其中耕地与林地的面积分别占全省土地总面积的28.18%与46.17%.耕地资源主要集中分布在天门、潜江、仙桃等鄂中地区以及黄冈、鄂州等鄂东地区，人均耕地面积0.084 9 hm2.土壤类型多样，适宜发展多种作物种植，全省的油、粮、棉等经济作物产量居全国前列，耕作制度主要为一年两熟制.
1.2 研究方法
1.2.1 耕地相对变化率 由于各地区的土地利用方式、自然资源条件和社会经济发展水平等存在不同[15]，湖北省各地级市州耕地数量的变化表现出一定的区域差异，耕地相对变化率可以反映某一区域与整个湖北省耕地数量变化的相对关系，对区域间的变化差异进行定量分析，计算公式为[16]:
(1)
式中，R为耕地相对变化率；Ka、Kb分别表示子区域研究期初、期末的耕地面积；Ca、Cb分别表示整个湖北省研究期初、期末的耕地面积.
1.2.2 灰色关联分析 灰色关联分析常用于分析系统多因素之间的相互作用关系和密切程度[17-18].通过比较各序列之间的关联度，判断二者之间联系的紧密性，关联度值越大，相互间关系越紧密[19-21].计算步骤如下：
1)确定分析数据序列.
将湖北省耕地数据作为参考序列(Yj={Y1，Y2，……，Ym})；将评价指标作为比较序列(Xi(j)={Xi(1)，Xi(2)，……，Xi(m)}，i=1，2，……，n).
2)采用均值法对变量数据进行无量纲化处理.
3)计算关联系数.
(2)
ρ为分辨系数，通常取值为0.5[22].
4)计算关联度.
(3)
式中，γi表示关联度，γi值越接近1，关联性越强[22].
1.3 数据来源本文中的数据源主要采用湖北省土地利用变更调查数据(2011—2018年)、《湖北省统计年鉴》(2011—2018年)等相关数据；数据处理平台为 ArcGIS10.3软件.
2 湖北省耕地数量的时空变化
图1 2011—2018年湖北省耕地面积与人均耕地面积变化图
2.1 耕地数量的时序变化根据湖北省2011—2018年的耕地数据及人口统计数据，得到耕地面积与人均耕地面积变化图(图1).2011—2018年全省耕地数量呈逐年下降的发展态势，变化特征表现为持续性减少.研究期内全省一共减少66 100 hm2，平均每年减少约8 300 hm2，减少速度时快时慢.其中，2014年与上年相比减少20 114.37 hm2，耕地减少量为研究期所有年份内最多；2018年的耕地减少量为研究期所有年份内最低，与上年相比减少511.93 hm2.
人均耕地面积是反映耕地变化状态的一个重要指标[23].研究期内，湖北全省的人口数量呈波动性变化，时增时减.2018年人口相对于2011年有一定数量的增加，人均耕地面积从2011年的0.086 0 hm2/人下降到2018年的0.084 8 hm2/人.人均耕地占有量的发展态势具体表现为3个阶段：2011—2014年，全省耕地数量逐年减少，人口数量增加，人均耕地占有量持续减少；2015年，耕地数量持续减少，人口数量达到研究期内的最低值，仅有6 138.90万人，人均耕地占有量较上年有所增加；2016—2018年，耕地数量逐年减少，人口数量波动增长，人均耕地占有量呈下降态势.
2.2 耕地数量变化的区域差异根据公式(1)，利用耕地数据计算湖北省2011—2018年的耕地相对变化率.参考相关文献[16,24-27]，并根据实际情况，将湖北省的耕地相对变化率划分为4个等级区，即耕地增加区(R< 0)、耕地缓慢减少区(0
图2 湖北省2011—2018年耕地相对变化率图
由图2可以看出，全省的耕地数量变化具有明显空间差异性.研究期内，咸宁市为湖北省内仅有的一个耕地增加区，平均每年增加耕地220 hm2.该类型区社会经济发展水平较低，人口相对较少，后备耕地资源储备较为丰富.随着地方土地开发、复垦和土地整治工作的有效开展，以及农业用地内部结构的合理调整，区域耕地资源有一定数量的增加.此外，咸宁市耕地数量的增加与国家颁布的一系列惠农政策也有密不可分的关系.
黄冈、天门、仙桃等8个市州为耕地缓慢减少区.天门、仙桃、荆门等地区耕地质量好，农业科学技术水平高，粮食产量高且品质优良，受经济发展、人口压力等因素影响，耕地数量逐渐减少.鄂西的恩施州山地多，森林、矿产等资源丰富，耕地资源较少，近年来因旅游业发展需要，非农建设需求增大，耕地资源有所流失.黄冈、宜昌等地区虽因工业建设、城镇扩张等原因占用了部分数量的耕地，但通过土地整治、开发、复垦等途径使此类区域耕地数量有一定增加[16]，总体来说耕地流失速度较为缓慢.
十堰、黄石、神农架林区等6市为耕地快速减少区.黄石市的矿产品类多且储量丰富，是湖北省主要的矿业城市之一，工矿业基础较好，伴随大量矿产资源的采掘，各类基础设施、工矿建设需求增大，建设用地占用耕地的现象时有发生，耕地资源流失速度快.近年神农架林区旅游业发展较为迅速，景区的娱乐、公共服务设施等非农建设占用一定数量的耕地，退耕还林、植树造林政策的实施更是加速了耕地资源的流失.部分地区片面追求农业经济效益而进行农业结构调整，造成耕地数量的快速减少.
武汉市、鄂州市为耕地急速减少区.受区域发展政策的影响[28]，武汉市在拥有发展社会经济的大好机遇的同时，区域耕地非农化的需求也相应增大；武汉市土地利用结构频繁调整，耕地被逐渐占用且分布趋于分散，研究期内共减少19 100 hm2，平均每年减少约2 400 hm2.鄂州市紧邻武汉市，武汉市的一些非省会城市职能向鄂州市转移，既减轻了省会城市的用地压力，也对带动鄂州市的经济发展起到一定作用.但与此同时，伴随鄂州市的城镇扩张、矿产开采，住宅、工矿等建设用地的比例日益增加，大量耕地资源被占用，耕地数量急速减少.
3 湖北省耕地数量变化的驱动力分析
耕地数量的变化受多方面因素的综合影响，但在较短时间内其变化往往主要受技术、经济、人口等社会因素影响[9]，因此本次研究主要从社会因素方面选择指标，以探究影响湖北省耕地数量变化的主要驱动因子.
参考众多学者的相关研究成果[26,29-30]，综合考虑湖北省耕地数量的实际情况和指标可获取性，运用灰色关联分析法，选择2011—2018 年系列资料作为基础数据，从人口、农业结构调整与技术水平、社会经济三方面,选取10个主要指标(见表1).将研究期内的湖北省耕地数量记为参考序列，10个影响指标设定为比较序列，构建湖北省耕地数量变化的影响因素矩阵.结合公式(2)、公式(3)计算得出湖北省2011—2018年耕地数量与其影响因素指标的关联系数和关联度，并根据其关联度数值大小进行排序(表1).
表1 湖北省2011—2018年耕地数量与其影响因素指标的关联度
从表1的关联度值可以看出，所选指标与耕地数量变化的关联度均为强度关联，关联度均在0.75以上，可见上述的10个主要指标对湖北省耕地数量的变化具有极为显著的影响.
3.1 人口压力人口作为一种持续的外在压力[26]，对耕地数量变化起着极为重要的作用.总人口与耕地数量的关联性属于极强度关联，关联度最高，其值达到0.995 1.2011年湖北省总人口6 164.10万人，到2018年增至6 172.90万人.城镇人口与耕地数量同属极强度关联，关联度为0.910 3.研究期内城镇人口增加了583.63万人.人口数量与耕地面积呈现反向增减的趋势.耕地资源是有限的，在现有技术条件下，耕地的有限性决定其能养活的人口也是有限的，人口增加是影响湖北省耕地数量变化最直接的驱动力.随着人口的快速增长，人们对物质与精神生活的需求不断加大，耕地资源可持续利用压力日渐增大.人口压力对耕地资源的消极影响主要有以下几个方面：
1)基础设施、交通、工矿、住宅等各类用地需求相应增加，建设用地面积的增多必然使其他用地面积减少，在一定程度上加大对耕地资源的占用，尤其是区位条件较好的耕地往往成为重要的社会活动的空间单元.
2)伴随着人口数量增多，粮食需求量亦随之增大.部分地区未形成合理的耕地开发利用模式，仅一味追求满足现时的粮食需求，过度利用耕地资源，使耕地质量下降，耕地景观格局被破坏.
3)为了有更多的耕地以种植人们生活所需的食物，部分地区存在滥伐森林、开垦草地等现象，虽然对提高耕地数量起到一定作用，但此类不合理的社会活动易引发生态环境问题，不利于土地的可持续利用.
4)人们为提升单位耕地面积的粮食产量，除推广优良品种、提高耕作技术外，化肥和农药的施用量不断增大，成为耕地资源污染的重要影响因素.
人口压力对耕地资源的消极影响，在湖北省各地级市州中均有所体现，其中以人口稠密、经济活跃的武汉市、鄂州市、黄石市等地区最为典型.
3.2 农业结构调整及技术水平耕地数量变化与农业发展密切相关,湖北省对于农业产业的布局将会直接影响其耕地数量的变化.农业结构的调整是湖北省耕地数量减少的重要原因之一.近年湖北省制定多项利于促进农民增产增收的政策，并对农业结构进行了部分调整，实行多种经营方式，重视林、果、渔、牧业的发展，部分耕地流转为林地、园地、养殖业用地等，开展多种农业经营活动.研究期内，林牧渔业产值占农林牧渔业总产值的比重由2011年的42.16%增加到2018年的43.94%，园林水果产量由2011年的521.78 × 104t增加到2018年的655.46 × 104t.但农业结构调整的部分措施往往直接破坏土地的耕作层，如挖坑塘、开沟渠等，不但使耕地生产力减弱，而且导致土壤物理性质恶化.部分地区存在土地利用缺乏长远规划、调整措施带盲目性、地域资源优势认识不足等现象，耕地浪费严重，进一步加大耕地可持续利用的压力.另一方面，湖北省农业现代化水平有所改善提升，研究期内农业机械总动力由2011年的3 571.23 × 104kW增加到2018年的4 424.59 × 104kW，灌溉水平、复种指数也均有一定幅度的提高.农业技术水平的提升是粮食产量增加的主要推动力，农业新技术与良种的推广普及，使耕地利用程度提高，耕地产出率不断增长.如今从事农业活动的青壮年劳动力较少，农业机械水平的进步对提高劳动生产率、增强农民农业生产的积极性具有极大的促进作用.由此可以看出，农业科学技术的进步对弥补耕地数量减少给农作物产量带来的损失具有一定积极意义.十堰市、神农架林区等地处鄂西山区，农作物种植条件较鄂东、中部地区差，农业结构的调整在促进农业经济收益提高的同时，也加速了耕地资源的流失.随着农业科技投入力度的加大与技术水平的进步，该区域的粮食产量在一定程度上得到保障.
3.3 经济发展湖北省作为长江沿岸的重要门户，是经济发达、城镇密集、产业集中、人才众多的区域.在湖北省的城镇化与工业化发展建设过程中，城镇规模日渐扩大并向城郊地区扩张发展，同时大量的人口、资金、产业不断向城镇地区汇聚，导致各类住宅用地、交通用地、基础设施用地等非农建设用地需求增大，当非农建设用地难以满足此类用地需求时，耕地资源便受到挤占，出现耕地非农化现象.由表1可知，经济因素的各项指标均与耕地数量同属强度关联，关联度均在0.75以上.其中，第二、第三产业占地区生产总值比重与耕地数量的关联度达0.974 1，关联度极强.伴随着第二、第三产业的迅速发展，各类企业数量大增，促使工矿用地规模不断扩大，这些产业的分布大多较为分散，节约集约用地意识不强，人地矛盾日渐加剧.研究期内，第三产业从业人员增加301.22万人，地区生产总值增加19 550.98亿元.城市极具活力的社会经济吸引众多农村人口进城务工，从事农业生产的人口日益减少，农村地区的耕地大多处于闲置、撂荒状态.另外,部分农村人口选择在繁华的城市落户，由于其农村的宅基地仍旧保留，并未转化为耕地，这也间接加大了对耕地资源的占用.由此可见,城市经济发展与耕地数量变化呈明显的负相关，迅速发展的社会经济推动耕地资源的减少.虽然“占补平衡”政策的实施对于维持耕地数量的平衡有一定作用，但短期内耕地数量减少仍是一个趋势，占用优质耕地、补以劣质耕地的现象仍在较大范围内存在，耕地质量整体下降，对于维持湖北省农业生产安全的稳定极为不利.鄂东、鄂中地区社会经济发展条件较好，地理区位优越，因经济发展而占用耕地的现象明显，其中以武汉市为中心的武汉城市圈尤为显著.
4 结论与讨论
4.1 结论
1)湖北省2011—2018年耕地数量总体上呈现减少的状态，人口数量与耕地面积二者的反向增减导致人均耕地面积占有量逐渐下降. 随着人口增加、经济发展与农业结构调整, 在今后相当长的一段时期内, 湖北省耕地总量仍将持续减少，人地关系日益紧张，耕地资源的可持续利用将面临更多挑战.各地级市州应严格执行国家及湖北省关于加强耕地保护的相关要求，坚持“质与量并存、开发与保护相结合”原则，以控制湖北省耕地数量的减少.
2)从空间维度看，耕地变化最剧烈的地区集中分布在鄂东的社会经济发展快速地区，此类区域经济发展水平较高，城市建设不断占用耕地，因受退耕还湖政策、人口压力等因素的影响，耕地资源流失迅速.耕地快速减少区大多分布于鄂西北地区，因人口增加、农业结构调整和生态退耕等因素的影响，耕地资源流失较快.耕地缓慢减少区主要分布在鄂中及鄂西南地区，此类区域城市经济发展相对平稳，江汉平原作为湖北省的粮食主产区，尤为重视耕地资源保护，农业科技投入大，耕地资源流失较为缓慢.耕地增加区分布于鄂东南地区，该区域通过土地开发、复垦与整理等工作的有效开展，耕地数量有所增加.
3)湖北省耕地数量变化的驱动力可归纳为人口压力、经济发展、农业结构调整与技术进步三大因素.人口增长对耕地数量变化的影响是持续性的，从长远发展的眼光看，湖北省应严格控制人口增长率，以减轻人口增加对耕地造成的压力.目前湖北省城镇发展的用地方式主要以外延式扩张为主，应当积极改变用地方式，向内涵式利用发展，尽可能减少出现因城镇建设造成的耕地占用现象，特别是对于质量优良耕地的占用.此外，今后湖北省应继续重视加大对农业科学技术的投入，改善提升农业现代化水平，树立现代农业经营理念，合理调整并优化区域农业产业结构.
4.2 讨论
1)影响耕地数量变化的因素是多元的，目前在探究耕地数量变化的驱动力的研究领域中运用较为广泛的方法主要有主成分分析法和回归模型法.这些方法虽具有较强的数据处理能力，但仍存在一定不足.如主成分分析法适用于多因子的降维分析与指标体系的筛选，但对影响因子的显著性判断具有局限性；回归模型法可准确计量影响因子的显著性，但由于回归方程式带有一定推测性，对于分析因子的多样性具有一定影响.本文中运用的灰色关联分析法在数据综合处理上具有优越性.灰色关联分析法通过量化的方式可对系统发展变化态势进行有效度量，适用于耕地数量的动态变化过程分析.耕地数量变化的各影响因素作为复杂的参考序列数据，数据类型纷繁多样，灰色关联分析法对于数据集的要求宽松，可有效测算子系统对母系统的影响程度.
2)本文中以耕地数量变化分析为研究切入点，对湖北省耕地数量的时序变化、空间变化差异进行拓展分析.从社会经济角度选取影响因子，综合考虑耕地数量与影响因子的因果关系并明确其指标性质，运用灰色关联分析法探究耕地数量变化的主要驱动力.通过对影响因素的测度及重要性排序,研究结果表明，人口压力、农业结构调整与技术水平、经济发展因素是影响耕地数量变化的主要驱动力.研究结果对今后湖北省耕地资源的保护利用具有一定的参考价值和借鉴意义，对实现区域资源、经济等多方面的永续发展有极大促进作用.但由于研究认知水平及数据获取存在一定局限性，本文中构建的指标体系尚需改进完善，后续的研究还需要从多角度全面分析影响耕地数量变化的驱动机制.
