折曉婷++呂雷++王玉貴

摘要：以四川省市域為研究單元，計算21個市州2000-2013年耕地豐度指數(shù)及耕地變化指數(shù)，在借助空間自相關(guān)及重心模型基礎(chǔ)上研究其耕地時空演變特征，并應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)模型和地理加權(quán)回歸（GWR）模型探討影響耕地變化的驅(qū)動力和影響程度。結(jié)果表明，四川省耕地資源表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，耕地豐富區(qū)主要集中在川東地區(qū)和四川盆地，耕地稀疏區(qū)集中在川西高原區(qū)；耕地重心呈L形移動軌跡。四川省耕地總量在減少；變化劇烈（high-high）區(qū)在成都和眉山周邊；耕地重心向南偏移。人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素是影響耕地變化的主要驅(qū)動力，人口因素影響程度最大的是攀西地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素影響最大的是川東北地區(qū)。

關(guān)鍵詞：耕地變化；空間自相關(guān)；重心模型；影響因素；四川省

中圖分類號：S151+3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）21-5513-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.21.018

Study on Spatial-temporal Characteristics and Driving Forces of Cultivated Land Change in Sichuan Province Based on ESDA-GWR

SHE Xiao-ting， L? Lei， WANG Yu-gui

（Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest of Ministry of Education/College of Geography and Resources Science， Sichuan Normal University， Chengdu 610066，China）

Abstract： In this study，the abundance index and changing index of the cultivated land at 21 cities in Sichuan province were calculated. Based on the spatial autocorrelation and gravity center model， the spatial-temporal characteristics of cultivated land was analyzed，and the driving force of these change and influence degree were also studied by gray correlation analysis method and geographically weighted regression model. The results showed that the cultivated land resources of Sichuan province presented obvious spatial heterogeneity，the rich region of cultivated land mainly concentrated in in east region of Sichuan and Sichuan Basin， the sparse area of cultivated land concentrated in the Western Sichuan Plateau； the moving track of cultivated land center showed the form of "L". The total arable land of Sichuan province is decreasing，the severe（high-high） area of cultivated land change is in the periphery of Meishan and Chengdu， the farmland gravity is shifted to south. The increase of population and the economic development might be the main driving factors that affect the change of cultivated land. The greatest driving factor in Panxi area was population and in the northeast of Sichuan was economic development.

Key words： cultivated land change； spatial autocorrelation； gravity center model； impact factors； Sichuan province

耕地是土地重要生產(chǎn)要素之一，是社會穩(wěn)定和糧食安全的基本保障，也是生存和發(fā)展的基本條件，保護(hù)耕地是國家義不容辭的責(zé)任[1]。國務(wù)院提出1.8億畝耕地紅線不動搖政策，也證明耕地保護(hù)的重要性。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口增長等大背景下，中國建設(shè)用地規(guī)模擴(kuò)展，導(dǎo)致耕地日益減少。據(jù)統(tǒng)計年鑒顯示，中國耕地從改革開放到2011年，耕地凈減少0.128億hm2，平均每年減少耕地40萬hm2，其中大部分耕地被建設(shè)用地占用，對耕地保護(hù)政策構(gòu)成極大的威脅。因此，對耕地時空變化規(guī)律的研究，對有效的耕地保護(hù)及區(qū)域合理有序發(fā)展具有現(xiàn)實意義[2-4]。

四川省作為農(nóng)業(yè)大省及13個糧食主產(chǎn)區(qū)之一，處于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化“雙加速”時期，在快速發(fā)展的同時，其耕地資源總量減少，到2012年人均耕地面積僅為0.049 hm2，低于聯(lián)合國糧農(nóng)組織所確定的人均耕地0.053 hm2的警戒線，嚴(yán)重威脅四川省的糧食安全和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展?；诖?，大部分學(xué)者著重從耕地數(shù)量及土地利用結(jié)構(gòu)角度研究四川省耕地動態(tài)變化[5-7]，也有學(xué)者利用RS和GIS技術(shù)分析四川省耕地時空變化[8-10]。但極少有學(xué)者考慮到空間單元之間關(guān)聯(lián)性，未能客觀揭示四川省耕地時空分異特征。本研究通過構(gòu)建耕地豐度及耕地變化指數(shù)，引入探索型空間分析（ESDA）及重心模型，著重研究四川省耕地時空演變規(guī)律，探討耕地變化的影響因素，以期為保護(hù)耕地及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供政策依據(jù)。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)概況

四川簡稱“川”或“蜀”，省會成都市，自有“天府之國”美譽(yù)，是西南、西北和中部地區(qū)的重要結(jié)合部，地處中國西部長江上游，位于東經(jīng)92°21′-108°12′和北緯26°03′-34°19′。東連重慶，南鄰滇、黔，西接西藏，北界青、甘、陜?nèi)?。四川東部為川東平行嶺谷和川中丘陵，中部為成都平原，西部為川西高原。四川現(xiàn)轄1個副省級市，17個地級市，3個少數(shù)民族自治州。據(jù)統(tǒng)計年鑒顯示，四川省耕地面積從2000年到2013年共減少352 270 hm2，人均耕地面積從0.052 hm2減少到0.049 hm2。

1.2 研究方法

本研究以四川省21個市州為研究對象，利用耕地豐度指數(shù)研究四川省耕地空間格局，其次，運(yùn)用相對變化率、探索性空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)和重心模型分析耕地變化的空間差異。最后，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)和空間地理加權(quán)回歸剖析耕地變化的影響因素。所采用的耕地數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)均來源《四川省統(tǒng)計年鑒》（2001-2014）。

2 耕地時空演變特征

2.1 耕地時空變化格局分析

四川省地處長江上游，地勢復(fù)雜。全省耕地部分不均衡，主要分布在盆地丘陵區(qū)、盆周山區(qū)共占耕地面積的67.03%。其次是成都平原區(qū)及川西南山區(qū)，占耕地總面積的17%，川西北高原區(qū)耕地分布最少，僅占耕地總面積的3.8%。從統(tǒng)計年鑒分析，四川省耕地面積占轄區(qū)面積的8.21%，具體各個市州耕地面積分布通過構(gòu)建耕地豐度指數(shù)，反映耕地面積在各個市州內(nèi)部的分布比例[11]，公式如下：

Ai=

式中，Ai為21個市州中第i個市州的耕地豐度；Si為第i個市州的行政區(qū)面積；Fi為第i市州的耕地面積，根據(jù)公式計算出2013年四川省21個市州的耕地豐度指數(shù)，得到平均耕地豐度指數(shù)為17.95%，采用ArcGis的Jenks最佳自然斷點(diǎn)分級法對四川省各個市州的耕地豐度作分級圖，具體見圖1。從空間分布圖來看，耕地豐度具有明顯的扇形分布特征。四川省耕地豐富區(qū)即耕地面積占比高于轄區(qū)面積占比的地區(qū)主要分布在資陽、遂寧、德陽、內(nèi)江、自貢5市，這5市的耕地面積之占到占四川省耕地總量的23%，可見這些地區(qū)耕地資源豐度大，耕地流失少。耕地稀疏區(qū)主要分布在雅安、攀枝花、甘孜州、阿壩州、涼山州5市州，轄區(qū)總面積占到四川省總面積65%的5個市州的耕地面積之和僅占耕地總面積的15%，可見土地面積廣闊但耕地面積較小，耕地豐度低。其中，尤其是涼山州的耕地面積大，但因為耕地面積占比低于轄區(qū)面積，故屬于耕地稀疏區(qū)。

2.2 耕地時空變化差異分析

2.2.1 耕地變化空間分布 由于自然條件的區(qū)域差異及歷史原因，再加上人口增速與經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不同，四川省內(nèi)各市州2000-2013年耕地變化表現(xiàn)出明顯地域差異[12]。對耕地變化的區(qū)域差異，采用相對變化率定量分析[13，14]，公式如下：

R=

式中，R為四川省某一市州的耕地相對變化率； Ka、Kb表示各地區(qū)耕地研究期初及研究期末的面積；Sa、Sb表示整個研究區(qū)耕地研究起初及期末的面積。一般情況R>1，表示該地區(qū)耕地變化大于全區(qū)域耕地變化，反之，則小于全區(qū)耕地變化。根據(jù)公式計算得知，四川省各市州的耕地相對變化率（圖2）。

1）耕地變化劇烈區(qū)。耕地變化劇烈的區(qū)域包括雅安、攀枝花、成都市、涼山州，其R>2。其中，雅安的耕地變化率位居全省之首，達(dá)到4.35，耕地變化最為劇烈。這主要因為雅安作為“川西咽喉”、“西藏門戶”，具有重要的交通地理位置，地貌以西部山地和東部平原交錯分布為主，人口較集中分布在平原區(qū)。近年來，受經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展影響，耕地面積從86 650 hm2減少到56 093 hm2，耕地變化顯得尤為劇烈。其次，成都市作為省會城市，城市化、工業(yè)化發(fā)展快速，占成都市耕地減少較大比重。攀枝花市位居全省經(jīng)濟(jì)第二位，受工業(yè)化及地形因素影響，耕地變化較大。

2）耕地變化緩慢區(qū)。耕地變化緩慢區(qū)主要包括資陽、內(nèi)江、德陽等10個市州，耕地變化率處于1-2之間，10個市州耕地相對變化率與全省耕地變化水平差異不大，由于本區(qū)域主要集中在川東、川中及川西北高原區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為均衡，差異不大，因此耕地相對變化率較為緩慢。

3）耕地變化穩(wěn)定區(qū)。耕地變化穩(wěn)定區(qū)包含瀘州、巴中、廣元、達(dá)州、自貢、宜賓、甘孜州，其R<1，耕地變化低于四川省耕地變化率。其中，廣元、巴中、甘孜州只要是受地形的影響；宜賓、自貢、南充、瀘州屬于四川內(nèi)部發(fā)展較為平穩(wěn)且發(fā)展較早的地級市，因而耕地變化率相對較低，屬于穩(wěn)定區(qū)。在耕地變化穩(wěn)定區(qū)中，自貢的R值最低，僅為0.113，與位居首位的雅安相差甚遠(yuǎn)。可見，四川省耕地變化率的區(qū)際差異明顯。

2.2.2 耕地變化空間自相關(guān)分析 耕地變化受到許多因素綜合影響一般包括自然因素和經(jīng)濟(jì)社會因素，根據(jù)地理學(xué)第一定律：事物之間存在相互影響，且近距離事物影響程度大于遠(yuǎn)距離事物[15]。為了分析不同地理單元之間空間效應(yīng)的作用與影響，有必要采用空間自相關(guān)分析四川省耕地空間變化特征，以明確耕地變化的聚集區(qū)域。空間自相關(guān)是研究所觀察的不同對象的同一屬性在空間上的相互關(guān)系，分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)[16]。

以相同方式計算四川省28個市州2000-2007和2007-2013兩個時間段的耕地相對變化率，通過Arcgis軟件轉(zhuǎn)化為矢量文件，而后加載到Geoda中創(chuàng)建基于Queen方式的空間權(quán)重，對四川省28個市州相對變化率進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，在2000-2007年和2007-2013年兩個時段內(nèi)，大部分市州落入了第一、三象限，其Moran's I2000-2007=0.17和Moran's I2007-2013=0.26，表現(xiàn)為空間正相關(guān)，說明28個市州的耕地變化率的在空間分布上并非完全隨機(jī)，而是表現(xiàn)出空間相似值的聚集分布，屬于“高-高”和“低-低”聚集類型。采用蒙特卡羅模擬檢驗散點(diǎn)圖的顯著性，P值為0.099和0.016通過顯著性檢驗，即在95%的置信水平下耕地變化的全局空間自相關(guān)是顯著的。

通過對比兩個時段耕地變化的LISA聚集圖（圖4）。2000-2007年耕地減少變化劇烈集聚區(qū)出現(xiàn)在成都市和眉山市，主要是因為成都市作為省會城市，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，帶動城市擴(kuò)張占用耕地，必然使這時段內(nèi)耕地變化較為劇烈，輻射周邊市形成“高-高”聚集區(qū)。同時，這一時段內(nèi)也出現(xiàn)耕地變化“低-高”集聚區(qū)，表現(xiàn)四川省耕地變化具有不均衡性，表明耕地變化低于全省變化速度的甘孜州，其周圍市州如雅安市、涼山州、阿壩州的耕地變化速度去高于全省耕地變化水平，產(chǎn)生“低-高”集聚現(xiàn)象。2007-2013年四川省耕地變化“高-高”聚集區(qū)轉(zhuǎn)移至涼山州，表明其周圍的攀枝花市、雅安市等的耕地變化速度也高于全省平均水平。主要因為這一時期涼山州耕地面積從331 230 hm2增加到355 840 hm2，耕地變化較為劇烈，周圍城市的耕地變化速度也較快，相應(yīng)的耕地變化在空間上也表現(xiàn)出集聚性。同時，在四川盆地南部的自貢市出現(xiàn)“高-低”聚集區(qū)，表明四川省耕地變化空間差異性。

2.3 耕地時空變化形態(tài)分析

耕地空間分布不均衡，在空間分布上會有一個重心，通過耕地重心變化來分析耕地空間變化態(tài)勢。引入平均重心計算不同時段四川省耕地分布重心坐標(biāo)，公式如下[17]：

=MiXi/Mi =MiYi/Mi

式中，Xi為四川省第i個市州的經(jīng)度；Yi為第i個市州的緯度；Mi為耕地面積。利用Arcgis計算出四川省3個時段耕地重心坐標(biāo)，輸出2000年、2007年和2013年3個時間節(jié)點(diǎn)耕地重心坐標(biāo)變化軌跡散點(diǎn)圖（圖5）。四川省2000年、2007年、2013年的耕地重心都分布在資陽市內(nèi)，分別為E104.78 °、N30.31 °，E104.76 °、N30.27 °，E104.77 °、N30.25 °。2000年耕地重心向西南方向偏移4.628 km，2007年向東南方向偏移2.22 km。相比2000年，到2013年四川省耕地重心整體向南偏移，一方面由于成都及周邊城市快速發(fā)展，城區(qū)擴(kuò)大占用耕地，導(dǎo)致耕地減少，另一方面資陽市及以南幾個城市耕地資源豐富，雙重作用促使耕地重心向南偏移。

3 耕地時空變化成因分析

影響耕地變化的因素復(fù)雜多樣，包括自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素。一般而言，在短時間內(nèi)自然因素引起耕地面積變化效果不顯著。因而，社會經(jīng)濟(jì)因素起主要作用?？紤]數(shù)據(jù)的可獲取性和系統(tǒng)性，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究及四川省實際情況[18-20]，從引起耕地變化的人口、經(jīng)濟(jì)、社會、農(nóng)業(yè)水平4個方面因素中選擇10個指標(biāo)（表2）。將錯綜復(fù)雜的驅(qū)動因素看作成一個灰色系統(tǒng)，將耕地面積作為母序列，10個社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為子序列。取分辨系數(shù)ρ=0.5，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度計算并排序，得到影響耕地面積變化的主要驅(qū)動力。

從表2看出，在2000-2013年時段內(nèi)，各驅(qū)動因子與耕地面積變化關(guān)聯(lián)程度排序為：社會固定資產(chǎn)投資<人均GDP<城市人均住房面積<公路通車?yán)锍?lt;城市化率<工業(yè)增加值占比<農(nóng)村人均住房面積<糧食單產(chǎn)<第三產(chǎn)業(yè)增加值占比<總?cè)丝?，除固定資產(chǎn)投資總額外其余所有指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度都高于0.8。其中，總?cè)丝?、第三產(chǎn)業(yè)增加值占比及糧食單產(chǎn)位居前三，與四川省耕地面積變化關(guān)聯(lián)度最高。四川省作為全國人口大省，人口基數(shù)大，從2000年到2013年戶籍人口增加了658萬人，增長率為9%。由于人口增長，一方面糧食需求上漲，需要大量耕地滿足糧食生產(chǎn)，另一方面14年間四川省第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，城市非農(nóng)人口的增加導(dǎo)致城市土地擴(kuò)張的速度加快，對耕地面積的影響較大。同時，隨著農(nóng)業(yè)科技水平的不斷提高，糧食單產(chǎn)的不斷刷新，在滿足人們基本糧食需求的同時，耕地面積卻在此消彼長，對耕地變化影響也比較大。

對于主要影響因素的空間程度的表達(dá)，引入空間地理加權(quán)回歸的方法。選擇前3個主要因素人口（X1）、第三產(chǎn)業(yè)增加值占比（X2）和糧食單產(chǎn)（X3）作為自變量系數(shù)進(jìn)行GWR回歸。得出R2=0.885，Adjusted R2=0.802，AICc值為24.032，說明GWR模型擬合程度較好。①以人口為系數(shù)的地理回歸是以攀枝花和涼山州為熱點(diǎn)敏感區(qū)逐漸向東北區(qū)域方向遞減，說明人口因素對于耕地變化的影響以攀西地區(qū)尤為顯著。②第三產(chǎn)業(yè)增加值占比的地理回歸是以廣元、巴中和達(dá)州為熱點(diǎn)區(qū)逐漸向西南方向遞減，說明對川東北地區(qū)的第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對耕地面積的變化影響最大。③糧食單產(chǎn)的空間地理回歸也是以廣元和達(dá)州為熱點(diǎn)區(qū)向西南方向輻射，說明這些地區(qū)的糧食單產(chǎn)提高對耕地的變化影響顯著。

4 小結(jié)與討論

本文通過構(gòu)建耕地指數(shù)及耕地變化指數(shù)，借助探索性空間分析及重心模型，分析2000-2013年四川省耕地分布及變化特征，并對四川省耕地變化的驅(qū)動力進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，通過研究發(fā)現(xiàn)。

1）近10年來四川省耕地資源總量減少，其耕地豐度空間呈現(xiàn)距離衰減規(guī)律，即以資陽、內(nèi)江等核心向三面遞減，具有明顯的扇形空間分布特征。同時，研究表明耕地變化劇烈區(qū)，都集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高的城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展越快占用耕地面積速度越大，導(dǎo)致耕地資源發(fā)生較大變化。

2）對四川省兩個時間段空間自相關(guān)分析，表明耕地變化在空間上表現(xiàn)聚集性和異質(zhì)性并存的不均衡現(xiàn)象。2000-2007年耕地資源變化速度快周邊均較快（高-高）區(qū)域主要集中在成都市和眉山市，而低高聚集區(qū)在甘孜州。2007-2013年高變化聚集區(qū)轉(zhuǎn)移到?jīng)錾街?，而高低聚集區(qū)在自貢。

3）基于重心模型得知，10年來四川省耕地重心都落在資陽市境內(nèi)，且耕地重心總體向南發(fā)生偏移，2000-2007年耕地重心向西南方向移動，2007-2013年耕地重心向東南方向移動，說明川東北經(jīng)濟(jì)區(qū)與成都經(jīng)濟(jì)區(qū)的耕地流失比川南嚴(yán)重，這與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重心呈現(xiàn)空間耦合。

4）灰色關(guān)聯(lián)分析計算關(guān)聯(lián)度并排序發(fā)現(xiàn)：人口是其最具活力的因素，其次糧食單產(chǎn)和第三產(chǎn)業(yè)增加值占比與耕地面積變化關(guān)聯(lián)度較高。說明控制人口數(shù)量與提高農(nóng)業(yè)集約利用度，是保護(hù)耕地資源的關(guān)鍵?？臻g上，第三產(chǎn)業(yè)占比和糧食單產(chǎn)因素的影響程度呈現(xiàn)相同的空間態(tài)勢，從川東北地區(qū)向西南擴(kuò)散，而人口因素的影響程度是由攀西地區(qū)向東北方向遞減。

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