长春市建设用地扩张对耕地资源的影响

古丽娜尔·索尔达汗，李晓燕，石振宇，邢梓涵，吴海涛

（1吉林大学地球科学学院，长春 130012；2中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130102；3内蒙古自治区拐子湖气象站，内蒙古阿拉善盟 735408）

0 引言

黑土是世界上宝贵的土壤资源之一，其土体深厚、腐殖质含量丰富、保水性强、肥力高，是最适宜农耕和最具生产潜力的土壤[1]。东北黑土地区是中国重要的商品粮生产基地，对于维护国家粮食安全和区域生态安全具有举足轻重的地位。耕地土壤数量和质量的变化不仅影响农作物产量，而且影响中国的粮食安全[2]。城市化是社会经济进步引领的必然趋势，被认为是建设用地扩张的过程[3]。中国城市化率从1978年的17.82%提升到了2019年年底的60.6%，提前实现了《国家新型城镇化规划(2014—2020)》中，到2020年的“常住人口城镇化率达到60%左右”的目标[4]。快速城市化在推动工业化、实现经济社会转型发展等方面做出了突出贡献，但同时城市化的无序发展导致建设用地扩张占用大量耕地[5-6]，对耕地数量、质量和结构产生了一定的影响。未来，随着城市化的进一步推进，建设用地占用耕地的趋势还将继续[7-8]。国内外利用GIS、遥感技术和统计数据对城市化过程对耕地的影响做了大量的研究，主要集中在建设用地与耕地时空变化分析、耕地-建设用地转型驱动与优化配置、建设用地占用耕地的效率研究方面[9-17]。区域上集中于中东部城市，而对于东北地区的研究相对较少。

长春市是吉林省经济发展和城市扩张的核心区域，同时，该区域是黑土资源的典型分布区，建设用地利用效率的提高与耕地保护的协调对区域可持续性发展具有重要的意义[18]。本研究基于GIS和遥感，利用面向对象-决策树分类方法提取研究区2005年和2019年土地利用数据，对长春市区建设用地及耕地的时空变化、建设用地占用耕地的数量和分布情况以及建设用地对耕地质量和结构的影响进行了分析。研究结果可为长春市区建设用地扩张规划、为实现建设用地与耕地动态平衡提供数据支撑与决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

长春市位于松辽平原腹地，吉林省中北部，位于124°18'—127°02'E 和 43°05'—45°15'N 之间，高程在70～700 m之间，地形以台地、平原为主，是典型黑土的集中分布区。该区域年均气温4.8℃，年均降水量560 mm，平均日照时间2688 h。流经长春市的主要河流有松花江、饮马河等。长春市下辖7区、3县（市）、4个国家级开发区。本文根据研究需要将长春市辖区划分为长春市中心城区、双阳区和九台区3个研究单元。研究区总面积7293 km2，总人口445.08万人，其中城镇人口318.84万人，乡村人口126.24万人。自东北老工业基地振兴战略实施以来，长春市城市化进程高速推进，建设用地面积的增加对耕地及其生态环境产生了显著的影响。

1.2 数据来源

土地利用数据来源于Landsat TM/OLI影像解译。分别下载覆盖研究区范围的2005年Landsat TM影像4景，2019年Landsat OLI影像4景(http://www.gscloud.cn/)，经大气校正、几何校正、增强、镶嵌和裁剪，获得研究区影像数据。参照《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010—2007)中土地利用分类，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、湿地、建设用地和其他用地类型6类。基于e Cognition软件采用面向对象-决策树分类方法对影像进行分类，并采用随机生成的188个验证点，在Google Earth软件平台进行精度验证，两期解译数据的Kappa系数均在0.85以上，可用于应用分析。DEM数据(30 m)为ASTER GDEMV2数据，来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，经过镶嵌和裁剪，获得研究区高程数据。采样点数据来源于吉林省耕地地力评价数据，每10平方公里在耕地表层(20 cm)采集一个样点，共采样338个（图1）。每个样点采5个样混合后经四分法取一部分样品经自然风干、磨碎、过2 mm筛后依据土壤农化分析方法进行相关测试分析[19]。本次耕地地力评价的测定指标包括土壤容重、阳离子交换量、土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、速效钾、有效铜、有效铁和有效锌。

图1 研究区位置与采样点分布图

1.3 研究方法

1.3.1 土地类型转换研究 土地类型的变化表现为不同土地类型之间的相互转换[20]，反映各土地类型转移方向及其转移面积。研究基于ArcGIS10.6叠加分析并对其属性进行交叉表查询构建土地类型转移矩阵。

1.3.2 耕地质量评价 采用应用广泛的综合质量指数法对耕层土壤质量进行了评价，公式如(1)所示。

式中：ωi为确定的指标权重，si为指标因子线性得分值，n为指标个数。已有研究表明，非线性指标构建的综合质量指数法较线性指标可以更有效地反映土壤的质量情况[21]，研究中对12个有土壤理化指标根据非线性标准化方法进行标准化后获得指标因子的得分值，指标权重由主成分分析获得的指标公因子方差所占比例确定[22]。

表1 景观格局指数

1.3.3 景观格局指数 景观格局指数可以定量反映景观类型结构组成与空间分布的特征和景观格局的时空变化[23]，结合前人研究成果及长春市土地利用变化特征，本文的景观指标主要选取了最大斑块占总面积比例(LPI)、景观形状指标(LSI)、斑块结合度(COHESION)、面积加权平均形状指标(AWMSI)、分离度(SPLIT)和聚集度(AI)6个指标。

2 结果与分析

2.1 建设用地及耕地时空变化特征

2005—2019年间，研究区建设用地面积从91149.08 hm2增加到112312.38 hm2，增加面积为21163.30 hm2，增长率为23.22%；耕地面积从463255.58 hm2减少到444243.77 hm2，减少面积为19011.81 hm2，减少率为4.10%（表2），中心城区土地类型变化最显著，建设用地增加了13505.89 hm2，占整个研究区建设用地扩张面积的63.82%；空间上，以原有城区为主向西南、东南和东北方向扩张（图2）；耕地面积减少了11621.66 hm2，占研究区耕地减少总面积的61.13%。双阳区和九台区的建设用地分别增加了3922.54、3734.87 hm2，占建设用地增加总面积的18.53%和17.65%；耕地减少面积分别为3878.44、3511.72 hm2，占耕地减少总面积的20.40%和18.47%，均显著小于中心城区。2005—2019年期间，长春市受“东北地区振兴规划”以及“新东北现象”[24]的影响，人口、经济和工业的发展发生了波动性的变化[25]，大量的政府投资被用于改善东北地区的基础设施，使长春市建设用地快速发展。随着产业的转移和扩散，开发区建设及交通设施的完善，中心城区与周边城镇逐步一体化，外延式城市扩张模式导致建设用地扩张进程中占用了周边大量的耕地。此外，非农业人口的增长也被认为是建设用地扩展的推动因素之一[26]，尽管人口外流以及低自然增长，长春市城镇人口仍然缓慢增长。随着城市化进程，中心城区周边的城镇务农人员流入城市，导致城市人口增多，这必然增加对建设用地的需求。

图2 2005年(a)、2019年(b)长春市土地利用类型空间分布图

表2 长春市区建设用地和耕地面积变化统计

2.2 建设用地扩张对耕地数量的影响

采用ArcGIS10.6空间叠置和空间分析方法，获得2005—2019年期间长春市土地类型转换矩阵（表3）。由表3可知，研究区有18170.84 hm2耕地流入建设用地，占耕地总流失面积的94.20%，建设用地增加面积的85.33%来自于耕地，可知建设用地扩张是导致该区域耕地资源流失的最主要原因。其中中心城区有11242.37 hm2耕地转化成建设用地，占耕地总流出量的96.43%，该区建设用地增加面积中有83.11%由耕地转变而来；双阳区有3724.35 hm2耕地流向建设用地，占该区耕地流出总量的94.70%，建设用地流入总量中94.95%来自于耕地；九台区有3204.13 hm2耕地被建设用地占用，占该耕地流出总量的86.62%，建设用地流入总量中有83.33%来自于耕地。对比3个区发现，中心城区建设用地占用耕地面积最多，占整个研究区域的61.87%。

表3 2005—2019年长春市区土地类型转移矩阵 hm2

2.3 建设用地扩张对耕地格局的影响

建设用地扩张对耕地的侵占与破坏，使区域景观格局发生了显著的变化。由表4可知，耕地的景观优势度变弱，聚集度减小，景观形状指数和分离度增大，说明其形状呈逐渐破碎化，由聚集变分散的趋势，面积加权平均形状指数减小，说明利用效率增大；建设用地景观优势度增强，景观形状指数和分离度减小，聚集度和斑块结合度增大，表明其形状逐渐变规整，聚集程度变高。由以上分析可知，研究区内耕地和建设用地景观格局变化趋势较明显，新增的建设用地与周边的耕地相间分布，导致耕地景观格局出现一定程度的破碎化，建设用地则表现出聚集倾向。

表4 2005—2019年长春市黑土区景观格局指数

2.4 建设用地扩张对耕地质量的影响

采用综合质量指数法对研究区耕地土壤质量进行了评价[27]，得到2005年长春市耕地质量分级图（图3）。土壤评价结果分为5级，土壤质量指数越高，土壤质量越好（表5）。由表5可知，Ⅰ级土壤占总面积的14.35%，主要分布在西部台地平原和东部低山丘陵的交界处；Ⅱ级土壤占总面积的24.58%，集中分布在中心城区。研究区面积最大的土壤为Ⅲ级土壤，占总面积的34.26%，分布在中部以及东南部。Ⅳ级土壤占比为17.14%，基本上分布在东北部九台区。Ⅴ级土壤占比为9.68%，沿着Ⅳ级土壤向东延伸。总体来说，研究区耕地土壤质量较高，以Ⅰ～Ⅲ级土壤为主，占比为73.19%。从各研究单元平均土壤质量来看，中心城区土壤质量最高，评价指数平均值为0.49，双阳区和九台区土壤质量指数平均值分别为0.39、0.44。

图3 长春市区耕地质量等级图(a)及建设用地占用耕地质量分级图(b)

表5 土壤质量分级标准及长春市区耕地质量分级统计

从建设用地占用耕地情况来看，建设用地扩张主要占用土壤质量为Ⅰ～Ⅲ级的耕地，其中Ⅱ级土壤面积最多，为6588.45 hm2，占总面积的36.26%。由表6可知，中心城区建设用地扩张占用的全部为Ⅰ～Ⅳ级的耕地，其中Ⅰ～Ⅲ级耕地占中心城区建设用地占用耕地面积的总比例高达94.74%；双阳区和九台区建设用地扩张占用面积最大的耕地级别为Ⅳ级，占比分别为69.15%、39.35%。因为平原地区地形平坦，土壤肥沃，便于农耕，且有利于交通联系和节省建筑投资，是人口集中分布地区，也是城市发育的理想环境[28-29]。长春市位于黑土集中分布区，耕地质量较高，以蔓延方式扩张的城市化过程中，占用的均为优质耕地，对耕地的压力和粮食安全的影响逐渐增强[30,31]，使城市发展与黑土地保护矛盾突出。

表6 长春市建设用地占用不同质量耕地面积统计

3 结论

在快速城市化阶段，长春市建设用地蔓延式扩张不断蚕食耕地，对耕地数量、格局及质量产生了一定的影响。实现建设用地扩张需求与耕地保护之间的动态平衡是自然、经济与城市持续发展的基本保障，深入分析长春市区建设用地及耕地的变化特征和建设用地扩张对耕地的影响有助于了解土地利用格局发展趋势，合理规划用地布局。研究结果表明：（1）从数量变化来看，长春市区建设用地迅速扩张，而耕地面积则大幅减少。长春市建设用地扩张主要集中在中心城区。从空间分布来看，建设用地呈团块状及散点状分布，其中中心城区因受集中产业布局“西南”和“东北”两翼影响，呈现西南-东北轴向发展形态。因受“撤县改区”政策、长吉一体化都市区带动发展及中心城区发展的影响，九台区和双阳区建设用地沿主要交通线向主城区方向扩张，呈片状及散点状发展趋势；（2）新增的建设用地在已有建设用地周边开发，城郊耕地部分被新增建设用地替换，呈现建设用地与耕地交替分布现象，导致耕地的景观破碎度提高；（3）2005—2019年期间，耕地向建设用地的转换是长春市区最显著的土地类型变化形式，转换成建设用地的耕地大部分都是优质耕地。

4 讨论

2000年以来受国家东北老工业基地振兴政策的影响，长春市城市化发展加速推进，开发区建设及城市“多中心分散组团”空间形态的发展，交通设施的进步，推动了城市空间扩张。由于蔓延式城市扩张，耕地作为与建设用地邻接度最高的土地类型，新增的建设用地优先占用周围的耕地，研究中耕地对建设用地扩张的贡献率达到了85.33%，这与其他地区相关研究结果是一致的[32-33]。景观类型和土地覆被结构的改变是造成区域景观破碎化的直接原因[34]，其中最显著的变化是景观破碎化增加，城郊建设用地扩张是导致耕地景观破碎化增加的主要因素[35]。耕地破碎化程度越高，农业生产经营方式越为粗放，生产效率越低[36]。但同时建设用地的增加致使高度城市化区域的景观同质化，使市区景观破碎化出现减小趋势[37]。长春市区土壤质量普遍较高，建设用地扩张主要占用优质耕地，对区域粮食安全产生了重要影响，如何平衡经济发展和黑土地保护是区域发展过程中面临的重要问题。研究从数量、景观格局及质量3个方面对建设用地扩张对耕地的影响进行了探索，该研究对保障建设用地需求，同时增强对黑土区耕地质量、数量和生态“三位一体”保护提供数据支撑。