王全喜，宋 戈

·土地保障與生態(tài)安全·

下遼河平原典型區(qū)耕地格局變化及其空間要素驅(qū)動

王全喜，宋 戈※

（1. 東北大學(xué)文法學(xué)院土地資源管理系，沈陽 110169; 2. 遼寧省自然資源廳土地保護(hù)與利用重點實驗室，沈陽 110169）

為明確糧食主產(chǎn)區(qū)耕地格局動態(tài)變化特征及其空間驅(qū)動因素。該研究以下遼河平原典型區(qū)沈陽市為研究區(qū)，運用變化軌跡分析法、重心遷移模型和景觀格局指數(shù)，揭示1980—2000年和2000—2018年耕地格局變化特征，并從空間要素角度出發(fā)，運用隨機(jī)森林算法識別不同區(qū)域尺度耕地格局變化空間驅(qū)動因素。結(jié)果表明：1）1980—2000年耕地格局相對穩(wěn)定，耕地重心向西南方向遷移；2000—2018年耕地流失嚴(yán)重，耕地重心向西北方向遷移，遷移速度加快。2）2 個研究時段內(nèi)耕地變化均具有轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出雙向特征，1980—2000年耕地轉(zhuǎn)入與耕地轉(zhuǎn)出速度緩慢，2000—2018年耕地轉(zhuǎn)出面積遠(yuǎn)高于耕地轉(zhuǎn)入面積，耕地轉(zhuǎn)出區(qū)域以城區(qū)周邊為主。3）不同區(qū)域尺度空間驅(qū)動因素重要性大小存在差異，空間距離要素、地理空間要素和政策因素對耕地格局變化起主要驅(qū)動作用，高程和坡度對耕地格局變化的影響較小。研究證實了隨機(jī)森林算法能夠有效量化耕地格局變化空間驅(qū)動因素，研究結(jié)果可為構(gòu)建耕地保護(hù)長效機(jī)制提供借鑒與參考。

土地利用；耕地；空間格局；驅(qū)動因素；隨機(jī)森林算法；下遼河平原

0 引 言

耕地是國家糧食安全和社會穩(wěn)定的“壓艙石”“穩(wěn)定器”，是重要且不可替代的自然資源[1]。耕地保護(hù)關(guān)系國計民生，中國實行的最嚴(yán)格的土地用途管制制度在耕地保護(hù)中發(fā)揮了重要作用[2]，中國耕地保護(hù)已從單獨側(cè)重數(shù)量到數(shù)量和質(zhì)量并重進(jìn)入到數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)“三位一體”保護(hù)與治理相結(jié)合的新階段[3]。盡管中國通過一系列的法規(guī)、政策手段守住了耕地數(shù)量紅線，通過土地復(fù)墾、占補(bǔ)平衡和國土整治等方式補(bǔ)充耕地，但城市擴(kuò)張、退耕還林還草等導(dǎo)致耕地持續(xù)減少。當(dāng)前，耕地空間格局發(fā)生了顯著重構(gòu)[1]，一定程度上影響耕地系統(tǒng)安全[4]，威脅國家糧食安全生產(chǎn)[5]。耕地格局是由耕地或耕地轉(zhuǎn)換類型數(shù)量、形狀、大小和空間分布組成的功能和結(jié)構(gòu)有機(jī)體[6-7]，是城鄉(xiāng)發(fā)展空間與生態(tài)保護(hù)空間聯(lián)系的關(guān)鍵紐帶，是發(fā)展與保護(hù)矛盾協(xié)調(diào)的直觀體現(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與人口急劇增加，耕地生產(chǎn)空間與城鄉(xiāng)發(fā)展空間矛盾日益加劇，耕地格局變化的驅(qū)動歸因一直是耕地可持續(xù)利用關(guān)注的熱點問題。在“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略背景下，深入認(rèn)識耕地格局演化過程并揭示其空間要素驅(qū)動機(jī)制，對協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與耕地保護(hù)的關(guān)系具有重要的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對耕地格局變化及其影響因素開展了大量探索，研究從耕地變化區(qū)域特征[8]、空間格局[9]、耕地景觀格局[10-11]、耕地格局變化動態(tài)過程[12]等方面揭示了耕地空間格局變化的客觀規(guī)律，探討其對糧食生產(chǎn)[13]、耕地適宜性[14]等方面的影響，研究得出耕地格局變化導(dǎo)致耕地生產(chǎn)力和適宜性下降。耕地格局變化受自然因素和人文因素的干擾[15-17]，尤其是氣候、綠洲人工灌排技術(shù)發(fā)展等因素的影響[18-20]，滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)的空間分布決定耕地分布格局，為進(jìn)一步掌握耕地格局變化的驅(qū)動因素提供了重要基礎(chǔ)。耕地是糧食主產(chǎn)區(qū)主要的土地利用類型，已有研究揭示了三江平原典型區(qū)水田分布格局特征[21]?？傮w上，針對耕地格局變化驅(qū)動因素定量化的研究相對較少，尤其是與基于遙感數(shù)據(jù)的耕地格局變化分析相比，驅(qū)動因素分析數(shù)據(jù)和量化空間表達(dá)仍待進(jìn)一步豐富和完善。例如，研究耕地分布格局變化驅(qū)動力至關(guān)重要的雨養(yǎng)、灌溉等數(shù)據(jù)的較難確切、詳細(xì)掌握，社會經(jīng)濟(jì)、政策、技術(shù)等數(shù)據(jù)大部分是基于行政單元的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，空間量化表達(dá)上有一定局限性[20]，與耕地格局變化分析數(shù)據(jù)在范圍、空間分辨率等方面較難匹配，一定程度上限制著對耕地格局變化驅(qū)動機(jī)制的深入理解。近年來，興趣點（Point of Interest，POI）作為聯(lián)系土地利用狀況的重要空間關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，描述了地理實體的空間位置和屬性信息，能在一定程度上映出城市的各類活動，體現(xiàn)公共服務(wù)業(yè)發(fā)展水平、工業(yè)規(guī)模和商業(yè)發(fā)展，在城市蔓延測度[22]、城市空間要素分布模式識別[23]等方面發(fā)揮了重要作用，已成功應(yīng)用于耕地數(shù)量變化影響因素分析中[24]，為開展耕地格局變化的驅(qū)動因素量化空間表達(dá)研究奠定了基礎(chǔ)。POI數(shù)據(jù)樣本量大、涵蓋信息豐富，與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合將更能發(fā)揮在空間要素驅(qū)動研究中的重要作用[25]。隨機(jī)森林算法作為常用的集成學(xué)習(xí)機(jī)器算法，無需考慮傳統(tǒng)回歸分析時的多重共線性問題，可評估耕地數(shù)量變化的影響因素重要性[26]，鮮見結(jié)合隨機(jī)森林算法和POI數(shù)據(jù)開展糧食主產(chǎn)區(qū)耕地格局變化驅(qū)動因素的研究。

鑒于此，本研究以東北三省開發(fā)強(qiáng)度最大的下遼河平原典型區(qū)域沈陽市為研究區(qū)，采用變化軌跡分析法、重心遷移模型和景觀格局指數(shù)等方法，分析1980—2018年耕地格局變化特征，從空間要素角度出發(fā)，引入隨機(jī)森林算法識別耕地格局變化驅(qū)動因素重要性，旨在對遼河平原耕地保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

沈陽市位于遼寧省中部（圖1），介于122°25′～123°48′E，41°11′～43°02′N，是遼寧省乃至全國重要的商品糧基地之一，同時也是遼中南城市群核心城市。該區(qū)域地勢較為平坦，以平原為主，山地丘陵集中在東北、東南部，遼河、渾河、秀水河等途經(jīng)境內(nèi)。2019年沈陽市水資源總量為30.49億m3，多年平均水資源總量23.56 億m3。作為老工業(yè)城市，是東北地區(qū)規(guī)模最大的區(qū)域一體化經(jīng)濟(jì)區(qū)，現(xiàn)轄10個市轄區(qū)，1個縣級市，2個縣。2019年沈陽市常住人口832.2萬，其中城鎮(zhèn)人口674.1萬，農(nóng)村人口158.1 萬，城鎮(zhèn)化率為81%，是下遼河平原國土開發(fā)強(qiáng)度最大的區(qū)域。該區(qū)域耕地資源分布相對集中，但總體分布不均衡，且隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市土地利用空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，耕地面積持續(xù)減少，在地理位置、耕地總面積、耕地質(zhì)量和糧食產(chǎn)量等方面都體現(xiàn)出下遼河平原的典型性。本研究將沈陽市全域范圍作為研究區(qū)，同時考慮不同空間要素的驅(qū)動作用的空間異質(zhì)性，從市域、城區(qū)（10個市轄區(qū)）、縣區(qū)（1個縣級市，2個縣）三個空間尺度揭示耕地空間格局演化驅(qū)動因素。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用的1980、1990、2000、2010和2018年土地利用柵格數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn），分辨率均為30 m×30 m。該數(shù)據(jù)以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成，包括6個一級類型和25個二級類型，且土地利用一級和二級分類精度均大于90%[27]，可以滿足研究精度要求。高程和坡度數(shù)據(jù)提取自地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）下載的數(shù)字高程模型（DEM），分辨率為30 m×30 m。POI數(shù)據(jù)來源于高德地圖，按照自身屬性和研究所需歸類為公共管理服務(wù)類、交通設(shè)施空間類、生活服務(wù)空間類等?？臻g距離要素來源于沈陽市第三次國土調(diào)查數(shù)據(jù)，受該數(shù)據(jù)保密限制，經(jīng)嚴(yán)格處理后最終形成到農(nóng)村宅基地距離、到農(nóng)村道路距離等驅(qū)動因素的可視化表達(dá)，不展示計算結(jié)果。永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)來自于沈陽市永久基本農(nóng)田劃定成果。

2 研究方法

2.1 耕地格局變化分析方法

2.1.1 耕地變化軌跡分析法

變化軌跡分析法是分析不同時段內(nèi)土地利用動態(tài)變化的方法，可有效提供連續(xù)現(xiàn)象與非連續(xù)現(xiàn)象動態(tài)變化軌跡代碼[28]，如12（耕地→林地），表達(dá)對應(yīng)地點各個時間點上土地利用類型變化，公式為

式中CT為研究時段內(nèi)土地利用變化軌跡代碼；為研究時段內(nèi)時間節(jié)點數(shù)；P為第個時間節(jié)點的土地利用柵格數(shù)據(jù)。

2.1.2 耕地重心遷移模型

借助重心遷移模型分別獲取不同時期耕地重心遷移方向、距離與速度[21]，其重心空間遷移反映耕地分布格局位移特征，公式為

重心偏移距離的計算公式為

式中D1,t2為1和2年份間重心偏移距離，km；（x1，y1）和（x1，y1）分別為1和2年份的重心坐標(biāo)；為常數(shù)，取111.111。

2.1.3 耕地景觀格局指數(shù)

對于非連續(xù)的耕地格局變化，景觀格局指數(shù)高度濃縮空間格局信息，基于土地利用數(shù)據(jù)的景觀格局指數(shù)分析更是景觀空間格局研究的重要手段[10]。在Fragstats 4.3軟件支持下，從景觀類型水平指數(shù)中選取斑塊密度、最大斑塊指數(shù)和聚集度指數(shù)分析耕地格局變化特征（表1）。

表1 景觀格局指數(shù)及計算公式

2.2 耕地格局變化的空間要素驅(qū)動模型

2.2.1 空間要素的選取

土地利用格局變化是特定區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境條件、社會經(jīng)濟(jì)、法律政策、工程技術(shù)等要素相互作用、共同約束的結(jié)果[29]。耕地格局受自然和社會經(jīng)濟(jì)多種因素交互影響，社會經(jīng)濟(jì)對其起到主要驅(qū)動作用[24,30]，尤其二三產(chǎn)業(yè)發(fā)展的驅(qū)動作用顯著[31]。本研究從自然條件、空間距離要素、地理空間要素和政策因素4個方面揭示空間要素對耕地格局變化的作用大小、強(qiáng)度等。

自然因素（坡度、土壤等）作為自然環(huán)境本底條件，是影響耕地分布格局的固有因素，考慮研究尺度大小，選取高程和坡度?？臻g距離要素反映出農(nóng)村發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對耕地變化的影響，同時也體現(xiàn)耕地灌溉便利性對耕地變化的影響，選取到農(nóng)村宅基地距離、到農(nóng)村道路距離、到公路用地距離、到鐵路用地距離、到河流水面距離和到坑塘水面距離。地理空間要素由POI數(shù)據(jù)經(jīng)核密度空間化后獲取，可精細(xì)化地表征區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)活動及功能復(fù)合利用狀況的空間分布，反映不同行業(yè)用地需求中建設(shè)占用耕地分布點位狀況，將該數(shù)據(jù)按研究需要和自身屬性進(jìn)行歸并，具體為：公共管理服務(wù)類（政府機(jī)構(gòu)及社會團(tuán)體等）反映行政辦公用地對耕地的影響；交通設(shè)施空間類（交通設(shè)施服務(wù)等）體現(xiàn)交通空間建設(shè)對耕地的影響；生活服務(wù)空間類（餐飲、購物、住宿服務(wù)等）體現(xiàn)日常生活服務(wù)需求用地對耕地的影響；商業(yè)服務(wù)空間類（公司企業(yè)、商務(wù)住宅等）主要從商業(yè)盈利用地驅(qū)動角度考慮對耕地影響；娛樂休閑空間類（休閑場所、娛樂場所等）作為城市空間重要類型，一定程度上也影響了耕地動態(tài)變化；綠地生態(tài)空間類（公園廣場、風(fēng)景名勝等）從人居環(huán)境傾向生態(tài)良好角度考慮對耕地影響。政策因素從國家保護(hù)耕地的行政手段出發(fā)，其對耕地保護(hù)產(chǎn)生直接影響，選取永久基本農(nóng)田區(qū)和非永久基本農(nóng)田區(qū)作為影響耕地變化的表征指標(biāo)。依據(jù)數(shù)據(jù)的可獲取性與科學(xué)性，結(jié)合沈陽市耕地變化區(qū)域差異性，確定的16個空間驅(qū)動要素及獲取方法詳見表2。

表2 空間要素驅(qū)動因子選取及空間化方法

2.2.2 隨機(jī)森林算法

耕地轉(zhuǎn)換的空間格局具有多分類特征，多元Logistic回歸模型因考慮了耕地轉(zhuǎn)化過程的空間變異性常被用來揭示耕地變化的影響因素[24]，但該模型僅能處理線性回歸問題。耕地格局動態(tài)變化過程極其復(fù)雜，與驅(qū)動因素之間多為非線性關(guān)系[30]。隨機(jī)森林算法具有處理非線性問題的能力，且考慮了各特征變量間的相互作用，能夠很好地避免特征變量之間多重共線性的影響，同時可通過計算袋外數(shù)據(jù)錯誤率來得到驅(qū)動因素重要性評分[32]。各類空間距離要素和地理空間要素等空間驅(qū)動因素具有連續(xù)特征，隨機(jī)森林分類模型能夠滿足這種現(xiàn)實需求的表達(dá)。因此，本研究運用語言建立基于隨機(jī)森林算法的耕地格局變化空間驅(qū)動因素模型，以驅(qū)動因素的重要性得分判斷某一因素對耕地格局變化過程影響程度，得分越高說明該因素對耕地格局變化的作用越大。

微觀像元是研究耕地格局變化空間驅(qū)動機(jī)制的基本單元，能夠較為客觀地反映耕地格局與驅(qū)動因素的空間對應(yīng)關(guān)系。耕地格局及其空間驅(qū)動要素均具有空間依賴性的特點，對模型結(jié)果產(chǎn)生干擾[30]。選取具有代表性的樣本點集，能夠提高模型的運行效率，消減空間自相關(guān)性對模型估計結(jié)果的干擾。采樣點與空間指標(biāo)遴選基于1980—2018年研究區(qū)耕地格局變化圖，隨機(jī)布局樣本點，結(jié)合耕地變化類型的景觀格局指數(shù)（斑塊大小、斑塊密度等），抽樣點兩兩之間距離大于500m較為適宜，可最大程度保數(shù)據(jù)樣本的統(tǒng)計獨立性。將軌跡代碼11（耕地→耕地）的樣本點標(biāo)記為0，軌跡代碼為12（耕地→林地）、13（耕地→草地）、14（耕地→水域）、15（耕地→建設(shè)用地）和16（耕地→未利用地）分別標(biāo)記為1、2、3、4和5，作為因變量，將16個空間驅(qū)動要素屬性值賦值給樣本點，共692 3個樣本點數(shù)，隨機(jī)選擇80%空間驅(qū)動要素數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集，20%為測試數(shù)據(jù)。具體處理過程見圖2。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地格局變化特征分析

3.1.1 耕地數(shù)量變化特征

1980—2018年沈陽市耕地面積總體呈減少趨勢，由1980年的0.936 5萬km2減少到2018年的0.813 1萬km2，年均減少0.003 2萬km2，年均減幅為0.346 8%（圖3a）。其中，1980—2000年沈陽市耕地面積相對穩(wěn)定，2000—2018年耕地流失較為嚴(yán)重。

耕地重心變化具有顯著的階段性特征，不同年份間存在差異（圖3b）。1980—2018年耕地重心先向西南方向遷移，后向西北方向遷移，2000—2018年期間遷移加速。1980年耕地重心（123.14°E，42.10°N）和2018年耕地重心（123.12°E，42.11°N）均位于新民市境內(nèi)，1980 —2000年耕地重心以0.070 9 km/a移動速度向西南方向遷移1.418 km，該時期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求小、耕作技術(shù)限制，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度低，城市用地擴(kuò)展緩慢，以開發(fā)耕地資源為主，新增耕地面積整體分布在遼中區(qū)和新民市，耕地重心移動較小，移動速度較緩。2000—2018年耕地重心向西北方向遷移2.325 km，年均遷移0.116 2 km，該時期主要受社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市空間擴(kuò)展占用耕地的影響，特別是沈陽市主城區(qū)中部和東南部區(qū)域城市建設(shè)占用耕地極為明顯，與此同時，沈陽市西北部的新民市、法庫縣和康平縣不斷增加土地整治和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)工程等耕地保護(hù)項目的實施，一定程度上有效補(bǔ)充了沈陽市耕地面積，改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，在雙重作用下，耕地重心遷移距離、速度相比1980—2000年較為明顯。

耕地重心變化是耕地資源空間分布格局演變的重要體現(xiàn)，遷移速度過快說明沈陽市耕地資源分布向特定方向高強(qiáng)度的集聚。新民市和遼中區(qū)受遼河和渾河的影響，水域分布廣闊，耕地資源豐富，土壤肥沃，水土條件更有利于開展農(nóng)業(yè)活動，2000年以前這些區(qū)域多為耕地的開發(fā)利用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷占用河灘地、濕地、低山丘陵和林地，耕地資源與宏觀自然地理空間的更適應(yīng)，耕地利用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自然條件更匹配。2000年以后耕地格局呈現(xiàn)以主城區(qū)為核心的由內(nèi)向外的圈層式變化，大量耕地被占用。該區(qū)域大部分地勢起伏較少，以平原為主，海拔處于41～45 m之間，尤其是耕地質(zhì)量較高，而且沈陽市西北部土地沙漠化形勢愈加嚴(yán)峻，加上東北部低山丘陵水土流失的影響，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可利用自然資源要素，但該階段耕地重心卻向西北遷移，說明耕地資源與自然地理格局的適應(yīng)程度有所降低，促進(jìn)耕地資源與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自然要素空間匹配度，對提升耕地整體適宜性，遏制耕地在空間上的大幅度變動具有重要意義。

3.1.2 耕地空間變化特征

2個研究時間段內(nèi)耕地轉(zhuǎn)化均具有轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出雙向特征，耕地轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入過程的劇烈程度差異較大。1980—2000年耕地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出過程都較為劇烈（圖4a），耕地轉(zhuǎn)入主要發(fā)生在遼中區(qū)、新民市西部和法庫縣、康平縣西北部等區(qū)域，以草地和未利用地轉(zhuǎn)入類型為主，沿原有耕地邊界小范圍向外擴(kuò)張。耕地轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在研究區(qū)西北部的法庫縣、康平縣以及城區(qū)和縣城中心等區(qū)域。2000—2018年耕地以單向轉(zhuǎn)化為主，轉(zhuǎn)出的面積遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)入的面積（圖4b），耕地轉(zhuǎn)出主要受沈陽市城區(qū)“邊緣型”擴(kuò)張的影響，耕地轉(zhuǎn)入主要分布于林地和河流等的周邊，該時期社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市和城鎮(zhèn)的不斷擴(kuò)張，侵占了大量的耕地，加之退耕還林、防護(hù)林工程等建設(shè)的影響，致使耕地轉(zhuǎn)出的面積遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)入的面積。

進(jìn)一步運用景觀格局指數(shù)分析2個研究時段耕地變化類型的特征（表3），以便為全面揭示耕地格局變化的空間驅(qū)動因素提供指導(dǎo)。結(jié)果顯示，與1980—2000年相比，2000—2018年各耕地變化類型的斑塊密度均在增加，表明該時期隨著土地利用的劇烈變化，景觀斑塊的異質(zhì)性在增加，各耕地變化的景觀地類呈現(xiàn)破碎化的趨勢。較為突出的耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地的斑塊密度由1980—2000年的0.16個/km2增加到2000—2018年的0.71個/km2，說明該時期建設(shè)占用大量的耕地，且在空間上并未連片，導(dǎo)致破碎化程度增加。2000—2018年耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地的最大斑塊指數(shù)顯著增加，由1980—2000年的0.02%增加到2000—2018年的0.72%，說明耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地增加的斑塊面積相比1980—2000年的較大，且與原有的斑塊出現(xiàn)聚合的趨勢。

表3 1980—2018年耕地變化類型的景觀格局指數(shù)

3.2 耕地格局變化的空間要素驅(qū)動分析

考慮到前文分析得出的沈陽市耕地格局變化區(qū)域差異特征，從市域、市區(qū)和其他三個空間尺度出發(fā)，揭示1980—2018年耕地空間格局變化的空間要素作用大?。▓D5）。結(jié)果表明，各空間要素均在沈陽市耕地格局變化過程中扮演著重要的驅(qū)動作用，不同區(qū)域尺度空間驅(qū)動因素重要性大小存在明顯差異。市域尺度上，到農(nóng)村宅基地距離（DisResid）、到農(nóng)村道路距離（DisRoad）、生活服務(wù)空間類（PoiLPS）和公共管理服務(wù)類（PoiPMS）等驅(qū)動因素的重要性較大，分別為58.25%、55.64%、47.15%和37.88%。到河流水面距離（DisRiver）、高程（Elevation）和到坑塘水面距離（DisPond）等驅(qū)動因素的重要性較小，分別為24.22%、22.32%和19.53%。城區(qū)尺度上，到農(nóng)村宅基地距離（DisResid）、到農(nóng)村道路距離（DisRoad）、公共管理服務(wù)類（PoiPMS）、娛樂休閑空間類（PoiELS）等驅(qū)動因素的重要性較大，分別為53.54%、53.49%、38.41%和36.35%。高程（Elevation）、永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)（NonPBFR）、到河流水面距離（DisRiver）和到坑塘水面距離（DisPond）等驅(qū)動因素的重要性較小，分別為18.02%、14.83%、13.46%和11.02%。縣區(qū)尺度上，到農(nóng)村宅基地距離（DisResid）、到農(nóng)村道路距離（DisRoad）、非永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)（PBFR）、交通設(shè)施空間類（PoiTFS）等驅(qū)動因素的重要性較大，分別為48.25%、34.87%、29.09%和28.34%。到河流水面距離（DisRiver）、高程（Elevation）和到坑塘水面距離（DisPond）等驅(qū)動因素的重要性較小，分別為18.73%、16.09%和13.17%。

自然地理要素對區(qū)域耕地利用的光、水、熱等條件可再分配，一定程度上限制人類對土地的開發(fā)利用，約束耕地空間配置，高程和坡度較小的區(qū)域，耕地格局發(fā)生變化的概率越大，隨著高程和坡度的增加，人類活動對土地的干擾程度減弱。沈陽市位于下遼河平原區(qū)域，以平原為主，區(qū)域內(nèi)高程和坡度差異較小，西北部和東南部低山丘陵區(qū)耕地分布格局受此影響更多，對其他區(qū)域耕地格局變化驅(qū)動作用較弱，這與研究結(jié)果相符合。空間距離在塑造耕地格局中起主導(dǎo)控制作用，其對耕地格局變化的驅(qū)動作用十分顯著，距農(nóng)村宅基地、農(nóng)村道路較近的區(qū)域，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動相對頻繁，這些區(qū)域周邊人類活動的增加直接導(dǎo)致耕地發(fā)生變化的概率增大。沈陽市城區(qū)空間距離驅(qū)動耕地格局變化的作用逐漸增強(qiáng)，這反映出研究期間建設(shè)用地的發(fā)展逐漸向主城區(qū)聚集，如今沈陽市已發(fā)展到10個區(qū)，而縣區(qū)尺度上空間距離雖然也是主要驅(qū)動力，但驅(qū)動因素重要性相對較小，這體現(xiàn)出空間上越靠近城區(qū)的耕地像元，它們發(fā)生變化的概率越大。地理空間要素是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的間接體現(xiàn)，研究期內(nèi)沈陽市城區(qū)集聚發(fā)展能力加強(qiáng)，城市邊緣區(qū)耕地更容易被城市功能用地開發(fā)建設(shè)侵占，正好解釋了POI地理空間要素的驅(qū)動作用較強(qiáng)的原因。政策因素直接限制耕地格局的變化，隨著沈陽市耕地數(shù)量持續(xù)減少，政府對耕地保護(hù)的力度加大，永久基本農(nóng)田保護(hù)制度發(fā)揮著重要作用，非永久基本農(nóng)田區(qū)的耕地發(fā)生變化的概率遠(yuǎn)大于永久基本農(nóng)田區(qū)。

4 結(jié)論與討論

本研究以下遼河平原典型區(qū)沈陽市為研究區(qū)，基于GIS技術(shù)和語言編程，采用變化軌跡分析法、重心遷移模型和景觀格局指數(shù)，揭示1980—2018年耕地格局變化特征，運用隨機(jī)森林分類算法，從空間要素角度探討了不同區(qū)域尺度的耕地格局變化空間驅(qū)動因素，主要得出以下結(jié)論：

1）1980—2018年沈陽市耕地面積總體呈減少趨勢，2000年以前耕地格局相對穩(wěn)定，2000年以后耕地流失較為嚴(yán)重；不同階段遷移速度存在明顯的差異，1980—2000年沈陽市耕地重心向西南方向遷移1.418 km，2000—2018年耕地重心向西北方向遷移2.325 km。

2）1980—2000年和2000—2018年間，沈陽市耕地轉(zhuǎn)化均具有轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出雙向特征，耕地轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入規(guī)模差異較大。在空間變化上，1980—2000年耕地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出過程都較為劇烈，耕地轉(zhuǎn)入主要發(fā)生在遼中區(qū)、新民市西部和法庫縣、康平縣西北部等區(qū)域，耕地轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在沈陽市西北部的法庫縣、康平縣以及城區(qū)等區(qū)域。2000—2018年耕地轉(zhuǎn)出面積遠(yuǎn)高于耕地轉(zhuǎn)入面積，耕地轉(zhuǎn)出主要受沈陽市城市“邊緣型”擴(kuò)張的影響。在景觀格局方面，與1980—2000年相比，2000—2018年各耕地變化類型的斑塊密度均在增加，研究期內(nèi)沈陽市各耕地變化景觀地類呈現(xiàn)破碎化。

3）各空間驅(qū)動要素對不同區(qū)域尺度耕地格局變化作用大小存在差異。市域尺度上，耕地格局變化主要空間驅(qū)動因子為：到農(nóng)村宅基地距離（58.25%）>到農(nóng)村道路距離（55.64%）>生活服務(wù)空間類（47.15%）>公共管理服務(wù)類（37.88%）；城區(qū)尺度上，耕地格局變化主要空間驅(qū)動因子為：到農(nóng)村宅基地距離（53.54%）>到農(nóng)村道路距離（53.49%）>公共管理服務(wù)類（38.41%）>娛樂休閑空間類（36.35%）；縣區(qū)尺度上，耕地格局變化主要空間驅(qū)動因子為：到農(nóng)村宅基地距離（48.25%）>到農(nóng)村道路距離（34.87%）>非永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)（29.09%）>交通設(shè)施空間類（28.34%）。

本研究對沈陽市耕地格局動態(tài)變化特征及其空間驅(qū)動因素進(jìn)行了研究。沈陽市處于東北三省國土開發(fā)強(qiáng)度最大的下遼河平原，不僅是國家糧食主產(chǎn)區(qū)，同時也是國家生態(tài)文明建設(shè)示范區(qū)，為遼寧中部平原生態(tài)環(huán)境維護(hù)重要節(jié)點城市，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)對該區(qū)域耕地空間格局演化影響顯著。面對保障糧食安全、保護(hù)生態(tài)安全和保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展穩(wěn)定等核心目標(biāo)，在生態(tài)、生產(chǎn)和生活三者矛盾下，重點生態(tài)保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和城鎮(zhèn)生活用地之間如何協(xié)調(diào)是沈陽市需要重點解決的。國土空間規(guī)劃背景下，劃定“三線三區(qū)”，以規(guī)劃形式確定下來，以國土空間用途管制為重要抓手，遏制耕地在空間上大幅變動，提高耕地整體適宜性，讓耕地生產(chǎn)空間布局更合理。同時，差異化實施耕地保護(hù)政策，遼河、渾河周圍分布的耕地資源因水資源、土壤等資源本底條件好，應(yīng)優(yōu)先保護(hù)，實行數(shù)量和空間上的剛性保護(hù)政策，同時也要強(qiáng)化耕地生態(tài)保護(hù)。對城市發(fā)展必須占用耕地的區(qū)域，特別是優(yōu)質(zhì)農(nóng)田，要協(xié)調(diào)好永久基本農(nóng)田與城市開發(fā)邊界的關(guān)系。對沈陽市西北部土地沙化和東南部低山丘陵水土流失嚴(yán)重的耕地區(qū)域，可實施耕地“休養(yǎng)生息”戰(zhàn)略，通過實施休耕提升現(xiàn)有耕地生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)水平，逐漸有序退出部分有嚴(yán)重生態(tài)問題的耕地，發(fā)揮新形勢下的自然資源生態(tài)修復(fù)體系作用，促進(jìn)關(guān)鍵生態(tài)資源與地理空間的匹配，全面筑牢城市生態(tài)安全屏障、構(gòu)建宜居城鄉(xiāng)環(huán)境。

耕地格局變化是自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素綜合交互耦合的體現(xiàn)，引入POI點位數(shù)據(jù)豐富了耕地格局變化驅(qū)動因素識別體系，結(jié)合隨機(jī)森林算法有效識別出了各空間驅(qū)動要素對耕地格局變化的重要性大小，充實了耕地格局變化影響因素研究方法，但由于耕地系統(tǒng)變化的復(fù)雜性，相關(guān)研究仍有待細(xì)化、深入，未來應(yīng)進(jìn)一步對耕地格局變化的驅(qū)動因素進(jìn)行系統(tǒng)性和綜合性探索。同時，空間距離要素對耕地格局既有單獨直接影響，又有交互作用影響，且理論上空間要素存在邊際效應(yīng)臨界值[23]，掌握其存在的規(guī)律性和邊界性，對區(qū)域耕地保護(hù)與建設(shè)用地擴(kuò)張空間協(xié)同優(yōu)化可提供科學(xué)依據(jù)，尤其對永久基本農(nóng)田布局優(yōu)化具有實踐參考價值，這是后續(xù)研究需加強(qiáng)和深入的重要方向。

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Changes of cultivated land pattern and its spatial driving factors in the typical regions of Lower Liaohe Plain

Wang Quanxi, Song Ge※

(1.,,,110169,;2.,,110169,)

Cultivated land has always been one of the most important fundamentals to maintain food security. This study aims to clarify the dynamic change of the cultivated land pattern and the spatial driving factors in the main grain producing areas in China. The study area was also taken as the Shenyang city, a typical area in the Lower Liaohe Plain. The GIS technology and R programming were utilized to collect the data sources from 1980 to 2000 and 2000 to 2018, such as land use, point of interest (POI), and the delimitation of permanent basic farmland. The cultivated land pattern was then obtained using the change trajectory analysis, the center of gravity migration, and the landscape pattern index. The representative driving factors of cultivated land pattern were extracted from the natural conditions, spatial distance, geographic space, and policy elements. A random forest was used to identify the degree of significance of the spatial driving factors during the variation in the cultivated land pattern at the spatial scale of city, urban and county areas. The results showed that: 1) The pattern of cultivated land was relatively stable from 1980 to 2000, where the center of gravity of cultivated land moved to the southwest by 1.418 0 km. There was a serious loss of cultivated land from 2000 to 2018, where the center of gravity of cultivated land moved 2.32 0 km to the northwest, indicating an accelerated migration speed. 2) The changes of cultivated land from 1980 to 2000 and from 2000 to 2018 both presented the characteristics of transfer-in and transfer-out, indicating a quite different sharpness. Specifically, there was a slow transfer of cultivated land into and out of cultivated land from 1980 to 2000. The transfer-out area of cultivated land was much higher than that of transfer-in from 2000 to 2018, where the transfer-out area of cultivated land was mainly distributed around the urban area. 3) There were some differences in the significance of spatial driving factors at different regional scales. On the whole, the spatial distance, geospatial and policy factors greatly contributed to the change of cultivated land pattern, especially the distance from rural homesteads, the distance from rural roads, and the space of transportation facilities. The natural conditions (elevation, slope) determined the distribution pattern of cultivated land,but indicatied a relatively little influence on the change of cultivated land pattern. Consequently, the random forest can be expected to effectively quantify the spatial driving factors of cultivated land pattern. The finding can provide a strong reference to construct a long-term plan for the protection and sustainable development of cultivated land resources.

land use; cultivated land; spatial pattern; driving factors; random forest algorithm; Lower Liaohe Plain

2021-08-12

2021-09-21

國家自然科學(xué)基金項目（41971247，41571165，41071346）；國家社科基金重大項目（19ZDA096）；遼寧省自然資源科技創(chuàng)新項目（19LNZRZY28）

王全喜，博士生，主要研究方向為土地利用與管理。Email：2480115068@qq.com

宋戈，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為土地利用與管理。Email：songgelaoshi@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.031

F301.21

A

1002-6819(2021)-24-0275-09

王全喜，宋戈. 下遼河平原典型區(qū)耕地格局變化及其空間要素驅(qū)動[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(24)：275-283. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.031 http://www.tcsae.org

Wang Quanxi, Song Ge. Changes of cultivated land pattern and its spatial driving factors in the typical regions of Lower Liaohe Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 275-283. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.031 http://www.tcsae.org