蘇銳清，曹銀貴，2※

(1.中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京 100083； 2.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

0 引言

20世紀90年代以來，土地利用/覆被變化(LUCC)受到越來越多的關注，成為全球變化研究的核心領域之一[1]。耕地作為土地利用結構中最重要的主要組成部分之一，具有自然和經濟雙重屬性，其變化受經濟發(fā)展的巨大影響，同時耕地的變化和流向也反映著目前社會經濟發(fā)展的基本態(tài)勢[2-3]。耕地的時空變化研究已經成為土地利用覆被研究的重要內容[4]。耕地資源是保障農業(yè)可持續(xù)發(fā)展、維護國家糧食安全的根本所在[5]。耕地利用變化的研究關系到不同尺度區(qū)域的糧食安全，而加強耕地利用變化驅動和模擬的方法研究，找到適合不同尺度、不同區(qū)域的研究方法，更高效、快捷地解決有關耕地利用的問題，預測未來耕地利用的發(fā)展變化趨勢，對合理利用自然資源，促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，有著重要意義[6]。

中國是一個耕地資源相對短缺的國家，中國在人口持續(xù)增長、經濟高速發(fā)展、工業(yè)化城市化不斷推進的過程中耕地流失十分嚴重，人均耕地面積不足1 000m2，面臨的耕地問題十分嚴峻[7]。為了中國的1.2億hm2(18億畝)耕地紅線不被突破，人民群眾的糧食供給得到保障，必須保護和合理利用耕地。國內外學者對耕地利用驅動機制[8-9]、耕地數(shù)量變化趨勢[10-11]、耕地利用方式的變化[12-13]、耕地利用模擬[14-16]等都進行了深入的研究，研究方法眾多，但至今未形成系統(tǒng)的耕地利用驅動與模擬的方法體系。近年來，國家對耕地利用問題愈加重視，不少學者在耕地利用變化特征的基礎上，對驅動和模擬進行研究。鑒于此，文章對耕地利用變化驅動和模擬方法在空間尺度上的進行了比較研究，目的在于為初步進行耕地利用變化驅動和模擬研究的學者提供不同空間尺度不同區(qū)域上的研究方法參考。對文獻進行整理分析后發(fā)現(xiàn)，我國對于耕地方面的研究成果頗為豐富，但對于耕地利用變化驅動和模擬預測的研究大多都基于省級、城市群、地級市和縣級尺度的相應地區(qū)，對于國家和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度地區(qū)開展的研究較少，而且基于文獻分析對耕地利用變化驅動和模擬方法進行比較的研究成果較少。掌握耕地利用變化規(guī)律，對有效利用耕地資源具有重要意義[17]。該文主要通過文獻分析法和分類統(tǒng)計法對2000—2018年學者在有關耕地利用變化驅動和模擬的文獻內所使用的研究方法進行對比，以期對不同尺度的耕地利用變化驅動和模擬所采用的方法進行深度剖析，有利于學者對不同方法的優(yōu)勢與不足進行把握，為后來有關耕地利用變化的研究提供方法參考。

1 數(shù)據(jù)來源

由于中國學者在國際期刊上發(fā)表文獻的主題與國內文獻主題類似，因此該文以中國期刊全文數(shù)據(jù)庫(CNKI)為研究載體[18]，“耕地利用變化”為主題詞、篇名、關鍵詞等分別進行檢索分析(表1)，對初步檢索后的文獻進行整理、分類和統(tǒng)計，對不同尺度上研究耕地利用變化驅動和模擬所采用的方法進行統(tǒng)計和比較。經過初步檢索分析可知，以“耕地利用變化”為主題詞進行檢索篩選出的文獻數(shù)量最多，因此在進行初步篩選時，以“耕地利用變化”為主題詞進行檢索。

表1 耕地利用變化相關文獻數(shù)量

對2000—2018年期間以“耕地利用變化”作為主題詞的文獻進行初步檢索共有744篇，其中學術期刊發(fā)表314篇，博碩士學位論文393篇，發(fā)表在國內會議上的有關論文31篇。由于學術期刊發(fā)表的文章更具有普遍性和層次性，因此該文主要對學術期刊上發(fā)表的主題詞為“耕地利用變化”的文獻進行詳細的統(tǒng)計和分析。

2 結果與分析

2.1 研究區(qū)域尺度劃分

耕地利用變化是很復雜的過程，為了減少研究過程中的片面性，必須進行綜合的、有層次的研究。土地變化中的格局、過程、驅動力、效應與管理都具有尺度依賴性[19]，耕地利用變化作為土地變化中的重要部分，其驅動和模擬的研究也具有尺度依賴性。只有多尺度的綜合才能反映土地變化的實質，并預測土地變化的未來情景[20-24]。

該文研究區(qū)域主要以空間尺度進行劃分，對篩選后的文獻進行仔細整理、分類和統(tǒng)計后，對耕地利用變化驅動和模擬的研究方法分析分別劃分了各自的空間尺度。對于耕地利用變化驅動的研究方法分析，大致將尺度劃分為省級尺度、城市群尺度、地級市尺度、縣級尺度； 對于耕地利用變化模擬的研究方法分析，大致將尺度劃分為國家尺度、省級尺度、城市群尺度、地級市尺度、縣級尺度、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度。其中流域跨越多個地市的歸為城市群尺度，流域在某市境內的歸為地級市尺度。

2.2 耕地利用變化驅動研究方法分析

土地利用變化驅動力的研究可以揭示土地利用變化的內在機制，預測未來的變化方向，因而成為土地利用變化的核心內容[25]。影響耕地利用變化的驅動因子既有自然因子，也有社會經濟因子。在短時間內，自然因子相對穩(wěn)定，對耕地變化影響較??； 社會經濟因子因其發(fā)展變化較快，因而耕地變化受到其強烈的影響[26]。因此進行耕地利用變化驅動研究的文獻，主要研究的驅動因子都是社會經濟因子。以“耕地變化驅動”為主題詞進行篩選，得到143篇相關文獻，篩選后得到的文獻主要以省[7-34]、城市群[5-38]、地級市[9-44]、縣[5-53]等作為研究對象，原因是土地變化的驅動因子復雜多樣，并且具有動態(tài)性、綜合性、多層次性、反饋作用和非線性特征，任一驅動因子對土地變化的影響必須放在大的區(qū)域背景下和相互作用的動態(tài)過程中考慮[19]。

表2 耕地利用變化驅動有關文獻的方法分析

續(xù)表2

經過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，主成分分析法以及與該方法相結合的研究方法使用頻率最高，原因是主成分分析法主要的研究對象是人文因子，而人文因子是耕地利用變化的主要驅動因子，與此同時該方法也可以使復雜系統(tǒng)簡單化，與主成分分析法相疊加的方法既可以彌補主成分分析法的不足又可以展現(xiàn)出新方法的優(yōu)勢，同時此方法適用于任何尺度，但依然存在著偽回歸現(xiàn)象； 運用單純的數(shù)理統(tǒng)計法進行耕地利用變化驅動因素分析時，由于初始驅動因素是主觀決定的，因此該方法受研究者主觀因素影響較大； 單純的相關分析法可能會造成一定的誤差冗余，因此一般與其他方法結合使用； 灰色關聯(lián)度分析法能夠非?？陀^地分析出影響因素間的主次關系，但是過于依賴數(shù)學定量分析，忽視了指標的實際影響。

2.3 耕地利用變化模擬研究方法分析

耕地變化是土地利用變化的核心類型[54]，對耕地利用變化的研究方法進行分析，可以合理預測各類用地的規(guī)模，為土地利用規(guī)劃提供依據(jù)[55]，因此研究耕地利用變化模擬可以更好地預測未來耕地利用變化的趨勢。以“耕地變化模擬/預測”為主題詞進行篩選，得到的文獻主要以國家[56]、省[55，57-58]、城市群[59]、地級市[39，59-60]、縣[51，61]、鄉(xiāng)鎮(zhèn)[62]為區(qū)域進行研究。

表3 耕地利用變化模擬文獻與方法分析

續(xù)表3

續(xù)表3

經過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，BP神經網絡模型主要適用于省級以上尺度地區(qū)的耕地利用模擬變化研究，該方法預測能力非常強但是精度一般； 灰色動態(tài)模型GM(1，1)、Markov模型以及這兩種模型結合形成的新模型所需數(shù)據(jù)量小，在中小尺度上的預測效果更加精確，在選用Markov模型時要根據(jù)要求確定選擇中階或高階的模型； 土地利用變化動態(tài)模型比較完美的對連續(xù)性因素進行了模擬，但是對非連續(xù)性因素的突然導入還不能進行有效的模擬； 系統(tǒng)動力學模型可以解決非線性的復雜系統(tǒng)的問題，但是預測得出的只是一種可能性； CLUE-S模型已經比較成熟，更加適合中小尺度上耕地利用變化模擬； 與CLUE-S模型相比，CLUE模型更加側重于城市土地利用變化預測，CLUE模型集成了“自上而下”和“自下而上”的土地系統(tǒng)模擬方法，此外還增加了土地利用連續(xù)變化的動態(tài)過程模擬機制[83]。

3 研究方法發(fā)展趨勢分析

目前，中國耕地利用變化驅動和模擬方法研究已經取得了豐碩成果，但是依然存在研究結構單一，研究人員比較分散； 研究區(qū)域尺度比較單一，在國家和鄉(xiāng)村尺度上的研究較少； 研究時間比較短，很少有基于長時間序列進行的研究等問題。通過綜合分析，未來耕地利用變化驅動與模擬研究方法的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面：(1)耕地利用變化驅動與模擬的研究方法總體上會由單向、靜態(tài)的轉變?yōu)殡p向、動態(tài)的方法。在現(xiàn)有方法的基礎上，結合技術進步、現(xiàn)實生活、生產力提高和對生態(tài)環(huán)境的新要求，對不同研究區(qū)域，不同研究尺度上適用的研究方法予以進一步細化及外延拓展，注重多種方法組合應用，取長補短。(2)耕地利用變化驅動的研究方法會朝著定性和定量相結合的方向逐步發(fā)展，逐漸向全定量的方向發(fā)展。目前多數(shù)有關耕地利用變化驅動的研究通過主成分分析、因子分析或相關性分析得到驅動因子后建立耕地變化線性回歸模型，但驅動力與土地利用變化之間普遍存在非線性反饋關系[25]，據(jù)計量經濟學有關的理論可知，當前研究中采用數(shù)學方法都暗含其變量都是平穩(wěn)時間序列的假定，但大多數(shù)變量都是非平穩(wěn)的，運用這樣的數(shù)據(jù)進行分析可能會導致偽回歸現(xiàn)象出現(xiàn)[92]。因此，利用線性回歸的方法進行耕地利用變化驅動研究結果的真實性還值得商榷。(3)耕地利用變化模擬的研究會運用更多的綜合模型，單一尺度單個模型不能解決跨尺度因素對耕地變化的影響。雙向耦合土地變化模型與其他地球系統(tǒng)模型以解釋人地系統(tǒng)機制是土地變化模型的重要發(fā)展方向之一[93]。耕地利用變化模擬模型大多是預測耕地變化過程，模擬模型通過人類價值判斷進行優(yōu)化后，有助于為區(qū)域管理和政策制定提供支持[94]。從成因的角度對耕地利用變化進行預測，涉及耕地利用變化原因的研究方法應是以后重點考慮的模擬方法。未來綜合模型跨尺度融合將成為耕地利用變化模擬研究方法的發(fā)展方向。

4 結論與討論

該文在系統(tǒng)總結已有耕地利用變化驅動與模擬研究方法的基礎上，對各種方法在研究中存在的優(yōu)勢和不足以及其空間尺度適宜性進行了分析，明確了研究方法未來的發(fā)展方向與趨勢。主要結論如下。

耕地利用變化驅動與模擬的研究方法眾多，但使用時相對單一且方法適用尺度的局限性較大。耕地利用變化驅動研究中學者們更傾向于使用定性與定量相結合的研究方法，主成分分析法及與該方法相結合的研究方法使用頻率最高，基本適用于所有尺度，但依然存在著偽回歸現(xiàn)象，未來耕地利用變化驅動的研究方法將逐漸朝著全定量的方向發(fā)展。耕地利用變化模擬研究中學者們更傾向于單一模型的使用，CLUE-S模型或灰色動態(tài)模型GM(1，1)與Markov模型的復合模型在中微觀尺度上已經比較成熟，但宏觀尺度上的模擬研究方法還需要進一步探索。未來綜合模型跨尺度融合將成為耕地利用變化模擬研究方法的發(fā)展方向。總體來看，未來耕地利用變化驅動與模擬研究方法將朝著雙向、動態(tài)的復合型研究方法方向發(fā)展。

該文重點在于從不同空間尺度上綜述耕地利用變化驅動與模擬研究方法的適宜性以及方法本身的優(yōu)劣勢，故并未基于時間尺度對相關研究方法進行分析，對耕地利用變化驅動與模擬研究方法在時間軌跡上的變化未做深入分析。后續(xù)研究將考慮基于時間尺度對耕地利用變化驅動與模擬研究方法進行縱向比較，探索研究方法在不同時間尺度上的適宜性。