基于GIS的南华县耕地时空变化特征及其驱动力研究

许永涛，李鹏艳，李冬梅，李红英

（1.楚雄师范学院 资源环境与化学学院，云南 楚雄 675000；2.云南省地矿测绘院，云南 昆明 650500）

土地是在自然界发展过程中逐渐由最基本生态环境要素转化为一种可以为人类利用的物质［1］。人地关系矛盾的加深也就意味着粮食安全遭到了威胁，各个国家对粮食安全问题也投入了大量的精力。耕地的变化和转换方式反映了社会发展的基本态势［2］。中国虽然制定了耕地红线来保护耕地，但是，我国经济快速发展阶段的耕地非农化趋势尚未发生逆转。各国学者、专家纷纷开始关注土地问题，外国学者率先对耕地与草地的转化以及城市发展中失去的农田所需要的替代土地类型开展研究。国内学者李秀彬在耕地问题利用变化主题的研究中，旨在解决人类社会发展中的掣肘［3］。在土地利用的各类研究分支中，耕地面积的变化研究是学术研究的重中之重［4］。早期的耕地研究由于受相关政策的影响，主要集中在耕地的保护与相应政策的联系方面［5］。在中国经济不断发展的时代背景下，耕地供需矛盾越来越尖锐，中国许多学者把目光投向了驱动力方面，开始对耕地的驱动力因子进行了分析。比如广东省耕地的变化与经济和社会发展的关系［6－8］，许月卿等对河北省耕地资源的变化和影响因素进行了研究，并提出了相应的保护对策［9－10］。由于城市化进程加快，耕地的数量和质量不断下降，也引发了一系列的社会问题，在传统的耕地利用方式的影响下，南华县耕地面积越来越少，耕地的利用方式成为研究重点。如徐梦洁等提出了耕地可持续利用的三大评价体系，并在研究中更加重视生态指标的影响［11］。随着人地矛盾的加深，关于耕地的利用方式研究将会越来越重要。

1 研究区概况及研究方法

1.1 南华县概况南华县地处滇中高原的西部，地势西北高，东南低，中部和东部起伏较为和缓，地形复杂。县域横距64.6 km，纵距71.7 km，面积2343 km2。县域轮廓像一弯月亮，东南连楚雄市，北毗祥云县与姚安县，是川、滇交通要道，素有“九府通衢”的美誉，是茶马古道上的商贸重镇，历来商贾云集。南华县地势陡峭，可利用耕地较少，由于气候原因一年只能耕作两次，对土地的利用率较低，所以耕地的可持续发展就显得尤为重要［12］。南华县耕地资源随着城市化进程的加快在逐步减少，人口剧增随之而来的是耕地数量和质量的大幅度下降。目前，南华县发展日益繁荣，城镇居民数量不断增加，对土地的开发利用需求持续增大，人地关系矛盾突出，人口剧增随之而来的是耕地数量和质量的大幅度下降。大量的耕地被转为建设用地，未转为建设用地的耕地质量不高，对粮食安全造成了一定的影响。

1.2 研究方法收集、整理研究区近五年来的有关统计数据。查阅相关文献和资料，掌握耕地动态变化的研究动向，结合南华县耕地变化情况，得出南华县耕地变化的驱动因子，提出相应的措施。采用RS软件中的最大似然法解译南华县耕地数据，再采用GIS软件中的叠加分析法，分析近五年南华县的耕地数据，获取2015年、2017年、2019年南华县土地利用动态变化数据，从而得出2015～2017年、2017～2019年耕地时空变化信息。运用SPSS软件对南华县耕地数据进行主成分分析，对2015～2019年南华县耕地面积变化的因子进行分析研究。

本文对耕地的遥感影像解译采用地理空间数据云的数据，耕地数据核对以及国民经济、人口社会经济统计数据则来自2015～2019年云南省统计年鉴、南华县统计公报。

2 结果与分析

2.1 耕地资源变化时间特征分析首先在地理空间数据云下载南华县的遥感影像，再通过RS软件解译2015、2017、2019年的南华县耕地面积数据，并进行数据汇总绘制出耕地总面积的变化图（图1）。

由图1可知，从时间序列来看这五年期间，南华县耕地总面积呈现增加的趋势。2015年耕地面积为142.93 km2，2017年耕地面积为151.78 km2，2019年耕地面积为168.31 km2，从2015年到2017年增加缓慢，从2017到2019年增加迅速，说明随着社会的发展，耕地得到了较好的利用，其他土地利用方式转化为耕地。

图1 南华县2017－2019年耕地数量变化图Fig.1 Change of cultivated land area in Nanhua County from 2017 to 2019

2.2 耕地资源变化空间特征分析利用得到的南华县耕地分布图在ArcGIS软件中进行相关分析，叠加后得到2015～2017年、2017～2019年耕地动态变化图（图2、图3）。

图2 南华县2015－2017年耕地动态变化图Fig.2 Dynamic change of cultivated land in Nanhua County from 2015 to 2017

在2015～2017年间，南华县耕地开垦主要集中在水土资源良好的地区。新增耕地主要集中分布于五街镇、罗武庄乡、红土坡镇和五顶山乡等。此外，在雨露白族乡、马街镇和兔街镇耕地也有零星状分布。此阶段南华县对这些地区进行了充分开发，减少的耕地主要集中在马街镇和南华县城周边地区，一街乡和五街镇周边地区耕地面积也在减少。

由图3可知，在2017～2019年间耕地增加数量相比2015～2017年有所增加，红土坡镇和五顶山乡耕地相比于2015～2017年增加幅度减少，除五街镇和罗武庄乡，其他地区都在大幅度增加。由此可知此阶段增加的耕地大多是由建设用地和未利用地土地转化而来，这一阶段耕地减少的数量较2015～2017年明显减少，主要集中在武定山乡和罗武庄乡部分地区。近年来由于南华县城市发展较快，越来越多的耕地变为了建设用地。但为了保证粮食产量，只能将林地和未利用地转为耕地。

图3 南华县2017－2019年耕地变化动态图Fig.3 Dynamic change of cultivated land in Nanhua County from 2017 to 2019

3 南华县耕地面积变化的驱动因素分析

3.1 指标选取根据南华县实际情况可知，自然因素的影响并不明显，所以社会经济因素导致了南华县耕地面积的变化。在能够准确找到数据并且保证数据精准性的情况下，结合南华县的实际发展情况，选取X1为总人口（万人），X2为农业人口（万人），X3为农民人均收入（元），X4为南华县GDP（万元），X5为农业生产总值（万元），X6为农业产值占GDP百分比（%），X7为社会固定资产投资总额（万元），X8为农作物播种面积（hm2），X9为粮食产量（t）9个因子，分别代表人口发展、经济发展等影响耕地变化的社会经济因素［13］。（见表1～3）。

表1 南华县耕地动态变化主成分分析数据Table1 Principal component analysis data dynamic change of cultivated land in Nanhua County

3.2 南华县耕地变化主成分分析根据南华县统计公报，提取相关数据，分析各数据之间的相关性并判断是否能进行主成分分析（表2～表4）

表2 驱动因子相关系数矩阵Table 2 Correlation coefficient matrix of driving factors

表2显示，在9个因子中，GDP与粮食产量之间具有较大的相关性，相关系数达到了1.000。农民人均收入与GDP、农业生产总值之间、农业生产总值与粮食产量之间、社会固定资产投资总额与粮食产量之间有很大的相关性，农民人均收入、GDP、农业生产总值、社会固定资产投资总额、粮食产量之间有着因果关系，所以可以进行主成分分析。

表3显示，在选取的9个因子当中，前两个因子的数值分别达到了7.385和1.335，两者的方差贡献率也是最大的，累计达到了96.882%。根据有关规定特征值的累积贡献率必须大于85%，才可以作为选取的主成分。因此可以选取前两个作为第一、第二主成分。

表3 特征值及贡献率Table 3 Characteristic values and contribution rate

从表4可知，第一主成分与农民人均收入（0.966）、GDP（0.991）、农业生产总值（0.970）、社会固定资产投资总额（0.948）、粮食产量（0.991）有较高联系，说明了第一主成分和经济、城市化进程等相关方面的因子有高度的联系，因此第一主成分是这些因子的综合表述。虽然农业人口和农业产值占GDP百分比与第一主成分也有很大的联系，但是抑制了耕地的发展，所以第一主成分并不能包括这两个方面。而农业人口（0.568）和农作物播种面积（0.597）在第二主成分上有较高载荷，表明这些因子与农业人口、农业技术、国家政策有直接关系，因此第二主成分是这些方面的综合。总人口与第二主成分也有较大联系，但起到了抑制作用，所以第二主成分并不包括总人口。将第一主成分和第二主成分进行综合分析可知，产值、投资额、人口和播种数量是导致南华县耕地面积变化的原因。

表4 主成分载荷矩阵Table 4 Principal component load matrix

3.3 南华县耕地变化驱动力分析

3.3.1 经济因素农民人均收入、GDP、农业生产总值、社会固定资产投资代表了南华县的社会经济发展水平。近五年来南华县经济迅速发展，2015年至2019年，南华县GDP由481845万元增加到了752100万元。2015～2019年南华县固定资产投资总额增加了近2倍，所以这五年间耕地总量一直保持增长的趋势。2015～2019年南华县农业总产值占GDP的比例由25.6%迅速下降至19.6%。由此可知，虽然近5年来南华县农业的地位在不断下降，但由于农业投资的增加南华县的耕地面积仍在增加。

3.3.2 人口增长因素人口对南华县耕地变化起着重要作用，人口的增加导致粮食的需求量也在不断增加。在提高粮食生产水平的同时，也要关注人口带来的耕地发展的契机。从2015年－2019年南华县的人地矛盾得到了一定的缓解，耕地面积也一直处于增加状态。说明人口的增加对耕地面积的增加有一定的促进作用。

3.3.3 农业科技进步因素农作物播种面积的增长，说明了耕地资源利用率在不断提高。虽然南华县2019年农作物播种面积达到了34004公顷，但是获取农业产值的方式还不够先进，投入的成本远远高于产值。由于农业产值亟待提高，先进的科技在农业生产中得到了广泛应用，随之而来粮食产量也得到了提高。2019年南华县的粮食产量达到了131257吨，说明农业科技水平的发展改变了传统的农业耕作方式，不仅提升了农业的经济效益，还提高了农民的积极性，人们可以投入较少的成本收获较高的利益。

4 结论与建议

4.1 结论本文借助GIS空间分析技术提取南华县耕地斑块，对比耕地面积变化趋势再根据主成分分析方法提取影响南华县耕地时空变化的主要因素，得出如下结论：

第一，2015年以来，南华县耕地面积一直处于增加的状态，由平缓增加变为急速增加。2017年到2019年增加的面积比2015年到2017年同比增长的较快。

第二，新增耕地主要是南华县地市较为平坦的地区，耕地减少的地区主要是南华县县城周围及降水较少的地区。

第三，从社会经济发展、人口增长和农业科技进步三个方面提取9个影响因素进行主成分分析可知：农民人均收入、农业生产总值、社会固定资产投资总额、粮食产量是影响耕地面积变化的主要驱动力。

4.2 建议

4.2.1 科学规划土地利用，严格控制城市建设占用耕地近五年来南华县耕地增加的速度正日益减缓，主要原因是社会经济在不断地发展，对土地的需求也越来越紧迫，南华县耕地资源与城市建设之间的矛盾也越来越深。因此相关部门应该科学地规划土地利用，严格控制城市建设占用耕地，调整产业结构，以确保耕地的可持续利用。让南华县的经济发展带动对耕地的保护，利用经济发展带来的资金更好地提高开发耕地的效率。

4.2.2 调整土地的利用布局南华县应该减少耕地引发的冲突，使耕地得到真正的保护，同时更好地进行城市建设，促进县城和各个乡镇协调发展。要优先保障南华县城中心的发展空间，积极划分生态保护用地，合理利用脆弱的农业生产区。

4.2.3 强化耕地保护，建设美好生态近年来各城市的建设更是肆无忌惮的使用耕地。南华县虽然只是一个小城市，但近年来发展较为迅速，粮食安全问题渐渐凸显。耕地保护不仅关系着南华县的社会稳定，还对生态建设有着重要作用。

4.2.4 利用人口优势，发展耕地的可持续利用前几年南华县虽然人口相对较多，但发展较为落后，人们对于耕地也只是采取较为传统的方法进行利用，导致大部分的耕地资源未被好好利用。现阶段南华县人民政府应积极引导剩余劳动力，对可利用的耕地进行充分的利用，借助人口优势，绝不浪费资源。

4.2.5 引进先进的生产工具，高效利用耕地资源在生产工具较为落后时，投入大量的资本，但耕地资源产生的经济效益较少。提高农业科技，利用先进的生产工具，可以有效提高耕地利用效率，也可以有效保护耕地质量。