田潔玫++任彧++陳杰

摘要：利用RS和GIS手段，在對河南省鶴壁市耕地動態(tài)變化進行多角度分析的基礎(chǔ)上，運用SPSS軟件，采用主成分分析法與多元回歸模型方法，分析影響研究區(qū)耕地變化的主要驅(qū)動因素。結(jié)果表明，鶴壁市過去20年耕地面積出現(xiàn)小幅減少，更趨向于集中連片，其中浚縣在前10年增幅最大且貢獻度最高；耕地變化主要受農(nóng)業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展、耕地質(zhì)量這3個主成分的影響，且這種影響在逐年加強，其中農(nóng)業(yè)發(fā)展因素驅(qū)動作用遠大于經(jīng)濟發(fā)展因素。因此，今后應(yīng)繼續(xù)加大農(nóng)業(yè)科技及農(nóng)業(yè)資金的投入，引導(dǎo)農(nóng)民減少撂荒行為，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，切實保護耕地，同時，應(yīng)發(fā)揮浚縣耕地優(yōu)勢，加強高標準糧田建設(shè)，實現(xiàn)糧食增產(chǎn)增收。

關(guān)鍵詞：高標準糧田區(qū)；鶴壁市；耕地；動態(tài)變化；驅(qū)動力

中圖分類號： F301.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0428-04

收稿日期：2016-03-18

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：40971128）；農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃（編號：2012BAD05B02-7）。

作者簡介：田潔玫（1988—），女，河南焦作人，博士研究生，主要從事土地可持續(xù)利用與信息化管理研究。E-mail：tjm6688@163.com。

通信作者：陳杰，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土地可持續(xù)利用與信息化管理研究。E-mail：jchen@zzu.edu.cn。

中國政府十分重視糧食安全問題，而河南省作為重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，肩負著實現(xiàn)耕地保護與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重擔(dān)，在2008年公布的《國家糧食戰(zhàn)略工程河南核心區(qū)建設(shè)規(guī)劃綱要》中，占鶴壁市總面積約70%的?？h、淇縣2縣位列在內(nèi)，2012年出臺的《河南省人民政府關(guān)于建設(shè)高標準糧田的指導(dǎo)意見》也將鶴壁市區(qū)劃入其中[1]，使鶴壁市耕地受到保護。為提升河南省的工業(yè)化、城鎮(zhèn)化水平，2011年《國務(wù)院關(guān)于支持河南省加快建設(shè)中原經(jīng)濟區(qū)的指導(dǎo)意見》出臺，并于2012年正式批復(fù)，鶴壁市作為中原經(jīng)濟區(qū)“一核、四軸、兩帶”中“沿京廣發(fā)展軸”上的重要一環(huán)，承擔(dān)著北接京津、溝通南北產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)密集帶的重要作用[2]。中原經(jīng)濟區(qū)的建設(shè)必然會擴張建設(shè)用地，這會對耕地造成影響。

作為高標準糧田區(qū)代表的鶴壁市，在過去20年間受到工業(yè)化、城鎮(zhèn)化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的影響，耕地存在明顯的動態(tài)變化，而從自然與社會經(jīng)濟2個層面對驅(qū)動力進行分析，可更好地揭示耕地的變化規(guī)律。本研究在對1993—2013年鶴壁市耕地動態(tài)變化系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，揭示耕地變化存在的主要驅(qū)動因素，并指出過去高標準糧田區(qū)耕地利用存在的問題，為今后以耕地保護為主題的耕地動態(tài)變化研究提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

鶴壁市位于河南省北部（113°59′～114°44′E、35°26′～36°3′N），處于太行山東麓向華北平原過渡地帶，地勢整體上呈西高東低趨勢，屬暖溫帶半濕潤性季風(fēng)氣候，適宜農(nóng)作物種植，歷史上是糧食盛產(chǎn)地，糧食播種面積居河南省第1位，糧食產(chǎn)量和復(fù)種指數(shù)也高于一般城市，是河南省高標準糧田建設(shè)的試點市。近年來，鶴壁市城鎮(zhèn)人口增加迅猛，目前城鎮(zhèn)化率已高達52.84%。2013年，鶴壁地方財政收入為396 400萬元，全市社會固定資產(chǎn)投資5 234 242萬元，經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢良好。鶴壁市下轄淇縣、?？h2縣及淇濱區(qū)、山城區(qū)、鶴山區(qū)3區(qū)。

1.2數(shù)據(jù)來源

鶴壁市耕地動態(tài)變化數(shù)據(jù)主要來源于1993、2003、2013年的Landsat5TM、Landsat7 ETM+及Landsat8 OLI-TIRS這3期的衛(wèi)星遙感影像，使用ENVI軟件分類解譯，使用ArcGIS軟件對5種土地利用類型建立土地利用空間數(shù)據(jù)庫；驅(qū)動力分析數(shù)據(jù)來源于1994年的鶴壁年鑒、2004年與2014年的鶴壁統(tǒng)計年鑒，另有鶴壁市土地利用變更年報作為補充，主要選取各縣的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由于1993年的鶴壁市統(tǒng)計數(shù)據(jù)存在市區(qū)劃分較為混亂的問題，因此，1993年僅使用淇縣、?？h2縣為研究對象。

2研究方法

2.1耕地動態(tài)變化分析

2.1.1動態(tài)變化分析指標及耕地類型、景觀指數(shù)以耕地變化速度和動態(tài)度為指標，對耕地變化速度進行研究，可以有效反映不同階段耕地的年均變化量及變化速度，耕地變化速度v、耕地變化動態(tài)度K計算公式分別為：

[JZ]v=（Uj-Ui）/T；

[JZ]K=（Uj-Ui）/（Ui×T）×100%。

式中：U為某區(qū)域的耕地面積；i為初期；j為末期；T為時間間隔。耕地貢獻度可以表征各區(qū)域?qū)Ω刈兓呢暙I程度[3]，耕地貢獻度D計算公式為：

[JZ]D=（Uj-Ui）/（Bj-Bi）。

式中：B為某區(qū)域耕地總面積。耕地類型指數(shù)有斑塊數(shù)量（NP，用來表征空間格局）、聚集度指數(shù)（AI，反映類型的聚集程度）、斑塊所占景觀面積的比例（PLAND，反映斑塊類型的豐富度）、最大斑塊所占景觀面積的比例（LPI，用于確定優(yōu)勢類型）。耕地景觀指數(shù)有平均斑塊分維數(shù)（FRAC_MN，值越趨近1，表明景觀受人為干擾越大）、蔓延度指數(shù)（CONTAG，值趨于100，景觀中有優(yōu)勢斑塊類型存在）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI，反映景觀的復(fù)雜性和變異性）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI，反映分布的均勻程度）[4]。

2.1.2耕地動態(tài)變化主成分分析方法主成分分析方法（principal component analysis，PCA）由Hotelling于1993年提出，降維計算是其核心內(nèi)容。PCA是一種分析各種驅(qū)動因子之間關(guān)系的數(shù)學(xué)變換方法，通過變換若干組新的綜合指標來代替原始變量[5]，這些新的綜合指標即為主成分，其優(yōu)點主要在于簡化數(shù)據(jù)指標、減少數(shù)據(jù)存在的交叉，且若干主成分能夠充分反映原來的指標內(nèi)容，結(jié)果客觀合理[6]。

2.1.3耕地動態(tài)變化多元線性回歸方法通過回歸分析可揭示自變量對因變量的影響大小[7]。分析耕地變化的驅(qū)動力可選擇多元線性回歸模型方法，具體步驟為：建立線性回歸模型，求解回歸模型中的參數(shù)，對回歸模型進行檢驗[8]。標準化系數(shù)的多元線性回歸方程模型為：

[JZ]Y=m1X1+m2X2+…+mnXn。

2.2耕地變化驅(qū)動因素分析

2.2.1耕地變化驅(qū)動變量的提取使用ArcGIS軟件處理1993、2003、2013年這3期的遙感影像解譯分類圖，可以得到鶴壁市2縣3區(qū)1993、2003、2013年這3個年份的耕地變化信息，即為鶴壁市耕地變化驅(qū)動分析中的因變量Y1?；诟貏討B(tài)變化驅(qū)動機理，將驅(qū)動力大致分為社會經(jīng)濟驅(qū)動力與自然驅(qū)動力2個方面[9]，本研究選取12項自然及社會經(jīng)濟驅(qū)動因子進行分析，這12項因子分別為：X1，總?cè)丝跀?shù)量，萬人；X2，糧食總產(chǎn)量，t；X3，固定資產(chǎn)投資額，萬元；X4，非農(nóng)業(yè)人口，人；X5，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值，萬元；X6，工業(yè)總產(chǎn)值，萬元；X7，農(nóng)用機械總動力，萬kW；X8，農(nóng)民人均純收入，元；X9，農(nóng)業(yè)化肥施用量，t；X10，糧食作物播種面積，×103 hm2；X11，經(jīng)濟作物播種面積，×103 hm2；X12，耕地質(zhì)量。

2.2.2耕地變化驅(qū)動因素主成分法分析將SPSS軟件中未旋轉(zhuǎn)的因子載荷矩陣用因子載荷矩陣中的數(shù)值除以對應(yīng)特征值平方根，可得到旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣，其數(shù)值越大，表明主成分與原始變量之間的相關(guān)性越強。第1主成分中X1、X2、X5、X7、X9、X10、X11的因子載荷矩陣值均大于0.3、小于 0.4，被概括為農(nóng)業(yè)發(fā)展水平；第2主成分中X3、X6、X8因子載荷矩陣值均大于0.4，被概括為經(jīng)濟發(fā)展水平；第3主成分中的X12高達0.713，而X4為-0.553，被概括為耕地質(zhì)量水平。使用旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣數(shù)值作為系數(shù)，與經(jīng)過標準化的原始變量對應(yīng)相乘求和，可得到3個主成分得分；以3個特征值與其總和相除的數(shù)值作為主成分得分系數(shù)，與3個主成分的得分相乘求和，可得到驅(qū)動力綜合得分，計算公式為：

[JZ]Fi=Mi1×X1+Mi2×X2+…+Mi12×X12（i=1，2，3）；

[JZ]F=P1×F1+P2×F2+P3×F3。

式中：M為旋轉(zhuǎn)因子載荷數(shù)值；X為經(jīng)標準化的原始變量數(shù)值；P為主成分得分系數(shù)。選取累計貢獻率為83%～95%之間、特征根大于1的成分作為主成分[10]。

2.2.3耕地變化驅(qū)動因素多元線性回歸分析以農(nóng)業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展、耕地質(zhì)量這3個主成分得分作為自變量，以對應(yīng)的耕地數(shù)量為因變量進行多元線性回歸分析，擬合優(yōu)勢度檢驗R2值為0.984，這說明鶴壁市耕地變化受各項驅(qū)動因子的影響較為明顯；d值為2.258，接近2，說明參數(shù)間沒有自相關(guān)性；顯著性檢驗F值為159.226，P值為0.000，說明模型具有顯著性；方差膨脹因子（VIF）值為1.000，小于10，這說明模型不存在多重共線性[11]?；貧w分析方法具體操作為：運行SPSS軟件，選擇Stepwise作為Method選項；使用逐步線性回歸方法篩選自變量[12]，剔除自變量F3，得到相應(yīng)回歸方程。

3結(jié)果與分析

3.1耕地動態(tài)變化分析

3.1.1耕地質(zhì)量評價由表1可見，在1993—2013年這20年間，鶴壁市耕地總量有明顯變化，全市耕地總面積呈先增后減趨勢；浚縣總面積增加5.92 km2，而淇濱區(qū)耕地減少 23.45 km2，這說明?？h依據(jù)農(nóng)地保護政策，加強了高標準糧田的建設(shè)保護，而淇濱區(qū)重在城市組團發(fā)展，更多耕地用于非農(nóng)建設(shè)。

3.1.2耕地變化速度分析由表2可見，在1993—2013年這20年間，鶴壁市除?？h、山城區(qū)外，其他3個縣（區(qū)）耕地的變化出現(xiàn)負值，說明這3個縣（區(qū)）在20年間耕地面積減少。在2003—2013年后10年間，鶴壁各縣（區(qū)）耕地均減少，全市范圍共減少3.200 km2/年，這說明鶴壁市耕地近10年被侵占情況嚴重。1993—2013年這20年間，淇濱區(qū)耕地動態(tài)度是全市平均水平的12倍；浚縣動態(tài)度（絕對值）相對最低，僅約全市水平的一半。在1993—2003年前10年，浚縣耕地增加速度相對最高；在2003—2013年后10年，其動態(tài)度也相對最小，這說明前期浚縣耕地面積增加幅度較大，后期加強耕地保護，保持減少非農(nóng)耕地的使用，這也是其能作為高標準糧田試點的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.1.3耕地貢獻度分析由表3可見，在1993—2003年前10年，?？h貢獻相對最多，而淇濱區(qū)則對耕地的增加起反作用；在2003—2013年后10年，淇濱區(qū)對耕地的增加仍起著最大的反作用，而之前起最大正向作用的浚縣，在這10年變?yōu)楦販p少的第二大貢獻縣（區(qū)），這可以看出?？h耕地的可持續(xù)利用存在潛在威脅。

3.1.4耕地類型指數(shù)分析由表4可見，與其他縣（區(qū)）相比，?？h斑塊少且聚集度高，說明該區(qū)域耕地集中連片；浚縣PLAND、LPI這2個指標值均相對最高，表現(xiàn)這些耕地是該區(qū)域的優(yōu)勢地類。

3.1.5耕地景觀指數(shù)分析由表5可見，在1993—2013年這20年間，SHDI、SHEI這2個指標均呈逐年遞減趨勢，而CONTAG值呈逐年增加趨勢，這說明鶴壁市的耕地在這20年間變得越來越集中連片、越來越均質(zhì)、越來越能凸顯其優(yōu)勢地位；FRAC_MN雖然在2003年有小幅上升，但最終是下降趨勢，說明耕地受人為干擾變大，形狀區(qū)域規(guī)則。鶴壁市作為糧食核心區(qū)，在近20年間的耕地利用變得集約高效。

3.2耕地變化驅(qū)動分析

3.2.1耕地變化驅(qū)動因素主成分分析經(jīng)SPSS軟件分析，農(nóng)業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展、耕地質(zhì)量這3項主成分的特征值為1187，累計貢獻率為91.034%，可以顯著地表現(xiàn)原始變量。

3.2.2耕地變化驅(qū)動因素多元線性回歸分析經(jīng)多元線性回歸，得方程為：Y1=0.968×F1-0.202×F2。其中，F(xiàn)1與鶴壁市耕地動態(tài)變化為正相關(guān)關(guān)系，F(xiàn)2與耕地動態(tài)變化呈負相關(guān)關(guān)系，這說明鶴壁市耕地動態(tài)變化受到農(nóng)業(yè)發(fā)展水平正向的驅(qū)動作用，受到經(jīng)濟發(fā)展水平負向的驅(qū)動作用，且農(nóng)業(yè)發(fā)展水平對鶴壁市耕地的驅(qū)動作用遠大于經(jīng)濟發(fā)展水平。

3.2.3耕地變化驅(qū)動因素分析

3.2.3.1農(nóng)業(yè)技術(shù)進步農(nóng)業(yè)技術(shù)進步因素包括農(nóng)用機械總動力（X7）與農(nóng)業(yè)化肥施用量（X9）2項指標。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化強調(diào)規(guī)模經(jīng)營與機械化操作[13]，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化背景下，隨著農(nóng)業(yè)科技的進步，化肥施用量會加大，機械總動力會得以提高。鶴壁市單位面積的耕地生產(chǎn)力水平呈現(xiàn)增長趨勢，技術(shù)進步將有效減少人工費用，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達到更高的經(jīng)濟效益。

3.2.3.2農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)因素包含糧食作物播種面積（X10）、經(jīng)濟作物播種面積（X11）2項指標，X10與X11的總和即為農(nóng)業(yè)播種面積，指標之間呈此消彼長的關(guān)系，耕地增減與農(nóng)業(yè)播種面積總體上呈同向變化趨勢。在1993—2013年這20年中，浚縣的糧食播種面積整體增加，而經(jīng)濟作物播種面積大幅減少，這是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過程中對農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的必然趨勢[14]。作為高標準糧田建設(shè)示范區(qū)的?？h，通過增加糧食播種面積可以有效保證糧食安全需求，且播種面積的增加可以產(chǎn)生集聚效應(yīng)，使?？h地區(qū)耕地數(shù)量與質(zhì)量得到同步提升。

3.2.3.3農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平受總?cè)丝跀?shù)量（X1）、糧食總產(chǎn)量（X2）及農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值（X5）的影響。人口是財富的創(chuàng)造者，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動的主體，在不考慮其他因素前提下，人口的增長會帶動對耕地與糧食的需求，從而促使耕地數(shù)量與質(zhì)量提升。X2與X5是體現(xiàn)耕地產(chǎn)生農(nóng)業(yè)效益水平的2個重要指標，也是體現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化實施效果的重要指標，糧食總產(chǎn)量與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值增加，一方面說明耕地數(shù)量的增加，另一方面也說明單位面積耕地質(zhì)量的提升。

3.2.3.4經(jīng)濟水平情況經(jīng)濟水平情況包含固定資產(chǎn)投資額（X3）、工業(yè)總產(chǎn)值（X6）2項指標。不可否認的是，固定資產(chǎn)投資增加會帶動農(nóng)業(yè)發(fā)展，從而促進耕地數(shù)量與質(zhì)量的提升。但是，鶴壁市固定資產(chǎn)投資中超過90%的資金用于二三產(chǎn)業(yè)，X3與X6更多的是反映工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的建設(shè)水平，而城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的推進通常是以耕地減少或?qū)Ω刭|(zhì)量的減損為代價的[15]，例如淇濱區(qū)中的高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)就不可避免地占用大量耕地。

3.2.3.5農(nóng)民自身情況受到工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的影響，包括非農(nóng)業(yè)人口（X4）與農(nóng)村居民人均純收入（X8）在內(nèi)的農(nóng)民自身情況對耕地變化具有一定的驅(qū)動作用。隨著工業(yè)化與城市化發(fā)展，二三產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益明顯高于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，受利益驅(qū)動，更多的農(nóng)民離開農(nóng)地進入城市變成市民，導(dǎo)致非農(nóng)人口增加，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開農(nóng)業(yè)人口，農(nóng)業(yè)人口的減少導(dǎo)致撂荒行為的出現(xiàn)，進一步使耕地質(zhì)量受到破壞，以鶴壁市淇濱區(qū)為例，非農(nóng)人口的增加對耕地動態(tài)變化產(chǎn)生了負影響。一般而言，農(nóng)村居民人均純收入的提高必然會使農(nóng)業(yè)投入加大，但是，農(nóng)村居民人均純收入中存在非農(nóng)收入，且非農(nóng)收入所占比率相對較高，這使得高標準糧田區(qū)非農(nóng)建設(shè)或非農(nóng)行為會增加，必然導(dǎo)致耕地數(shù)量與質(zhì)量水平降低，須引起重視。

4結(jié)論

鶴壁市高標準糧田區(qū)的耕地在1993—2013年這20年間總體呈先增后減趨勢，總數(shù)量上小幅減少。在1993—2003年前10年中，浚縣耕地增加速度與貢獻度相對最大，這是其成為高標準糧田試點的物質(zhì)基礎(chǔ)；在2003—2013年后10年中，其耕地減少，這表明?？h對耕地的可持續(xù)利用存在潛在威脅。結(jié)合景觀指數(shù)來看，?？h斑塊少而聚集度高，耕地優(yōu)勢度相對最高，這說明?？h耕地集中連片，耕地優(yōu)勢明顯。總體來看，鶴壁市作為高標準糧田區(qū)，在近20年間的耕地利用變得集約高效；鶴壁市高標準糧田區(qū)20年間的耕地變化主要受正相關(guān)的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，負相關(guān)的經(jīng)濟發(fā)展水平、耕地質(zhì)量水平這3個主成分的驅(qū)動影響，而鶴壁市2縣3區(qū)的綜合驅(qū)動力得分逐年增加，這說明3個主成分對鶴壁市耕地變化的驅(qū)動作用在不斷增強。

通過逐步回歸分析，鶴壁市的耕地變化受農(nóng)業(yè)發(fā)展因素的驅(qū)動作用遠大于經(jīng)濟發(fā)展因素，所以應(yīng)繼續(xù)加大以機械與化肥施用為主的農(nóng)業(yè)技術(shù)進步的投入；農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整應(yīng)以糧食保護為主，控制經(jīng)濟作物播種面積；應(yīng)增加耕地產(chǎn)量與產(chǎn)值，在推動工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的基礎(chǔ)上，注重固定投資向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的傾斜；應(yīng)對農(nóng)民加以引導(dǎo)，在非農(nóng)人口遷移過程中，保證農(nóng)業(yè)從業(yè)人口的基本要求，并且加大對撂荒行為的約束。

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