高标准粮田区耕地动态变化及其驱动力

田洁玫++任彧++陈杰

摘要：利用RS和GIS手段，在对河南省鹤壁市耕地动态变化进行多角度分析的基础上，运用SPSS软件，采用主成分分析法与多元回归模型方法，分析影响研究区耕地变化的主要驱动因素。结果表明，鹤壁市过去20年耕地面积出现小幅减少，更趋向于集中连片，其中浚县在前10年增幅最大且贡献度最高；耕地变化主要受农业发展、经济发展、耕地质量这3个主成分的影响，且这种影响在逐年加强，其中农业发展因素驱动作用远大于经济发展因素。因此，今后应继续加大农业科技及农业资金的投入，引导农民减少撂荒行为，调整种植结构，切实保护耕地，同时，应发挥浚县耕地优势，加强高标准粮田建设，实现粮食增产增收。

关键词：高标准粮田区；鹤壁市；耕地；动态变化；驱动力

中图分类号： F301.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）12-0428-04

收稿日期：2016-03-18

基金项目：国家自然科学基金（编号：40971128）；农村领域国家科技计划（编号：2012BAD05B02-7）。

作者简介：田洁玫（1988—），女，河南焦作人，博士研究生，主要从事土地可持续利用与信息化管理研究。E-mail：tjm6688@163.com。

通信作者：陈杰，教授，博士生导师，主要从事土地可持续利用与信息化管理研究。E-mail：jchen@zzu.edu.cn。

中国政府十分重视粮食安全问题，而河南省作为重要的粮食生产区，肩负着实现耕地保护与农业现代化的重担，在2008年公布的《国家粮食战略工程河南核心区建设规划纲要》中，占鹤壁市总面积约70%的浚县、淇县2县位列在内，2012年出台的《河南省人民政府关于建设高标准粮田的指导意见》也将鹤壁市区划入其中[1]，使鹤壁市耕地受到保护。为提升河南省的工业化、城镇化水平，2011年《国务院关于支持河南省加快建设中原经济区的指导意见》出台，并于2012年正式批复，鹤壁市作为中原经济区“一核、四轴、两带”中“沿京广发展轴”上的重要一环，承担着北接京津、沟通南北产业和城镇密集带的重要作用[2]。中原经济区的建设必然会扩张建设用地，这会对耕地造成影响。

作为高标准粮田区代表的鹤壁市，在过去20年间受到工业化、城镇化与农业现代化的影响，耕地存在明显的动态变化，而从自然与社会经济2个层面对驱动力进行分析，可更好地揭示耕地的变化规律。本研究在对1993—2013年鹤壁市耕地动态变化系统分析的基础上，揭示耕地变化存在的主要驱动因素，并指出过去高标准粮田区耕地利用存在的问题，为今后以耕地保护为主题的耕地动态变化研究提供参考依据。

1研究区概况及数据来源

1.1研究区概况

鹤壁市位于河南省北部（113°59′～114°44′E、35°26′～36°3′N），处于太行山东麓向华北平原过渡地带，地势整体上呈西高东低趋势，属暖温带半湿润性季风气候，适宜农作物种植，历史上是粮食盛产地，粮食播种面积居河南省第1位，粮食产量和复种指数也高于一般城市，是河南省高标准粮田建设的试点市。近年来，鹤壁市城镇人口增加迅猛，目前城镇化率已高达52.84%。2013年，鹤壁地方财政收入为396 400万元，全市社会固定资产投资5 234 242万元，经济发展态势良好。鹤壁市下辖淇县、浚县2县及淇滨区、山城区、鹤山区3区。

1.2数据来源

鹤壁市耕地动态变化数据主要来源于1993、2003、2013年的Landsat5TM、Landsat7 ETM+及Landsat8 OLI-TIRS这3期的卫星遥感影像，使用ENVI软件分类解译，使用ArcGIS软件对5种土地利用类型建立土地利用空间数据库；驱动力分析数据来源于1994年的鹤壁年鉴、2004年与2014年的鹤壁统计年鉴，另有鹤壁市土地利用变更年报作为补充，主要选取各县的统计数据。由于1993年的鹤壁市统计数据存在市区划分较为混乱的问题，因此，1993年仅使用淇县、浚县2县为研究对象。

2研究方法

2.1耕地动态变化分析

2.1.1動态变化分析指标及耕地类型、景观指数以耕地变化速度和动态度为指标，对耕地变化速度进行研究，可以有效反映不同阶段耕地的年均变化量及变化速度，耕地变化速度v、耕地变化动态度K计算公式分别为：

[JZ]v=（Uj-Ui）/T；

[JZ]K=（Uj-Ui）/（Ui×T）×100%。

式中：U为某区域的耕地面积；i为初期；j为末期；T为时间间隔。耕地贡献度可以表征各区域对耕地变化的贡献程度[3]，耕地贡献度D计算公式为：

[JZ]D=（Uj-Ui）/（Bj-Bi）。

式中：B为某区域耕地总面积。耕地类型指数有斑块数量（NP，用来表征空间格局）、聚集度指数（AI，反映类型的聚集程度）、斑块所占景观面积的比例（PLAND，反映斑块类型的丰富度）、最大斑块所占景观面积的比例（LPI，用于确定优势类型）。耕地景观指数有平均斑块分维数（FRAC_MN，值越趋近1，表明景观受人为干扰越大）、蔓延度指数（CONTAG，值趋于100，景观中有优势斑块类型存在）、香农多样性指数（SHDI，反映景观的复杂性和变异性）、香农均匀度指数（SHEI，反映分布的均匀程度）[4]。

2.1.2耕地动态变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，降维计算是其核心内容。PCA是一种分析各种驱动因子之间关系的数学变换方法，通过变换若干组新的综合指标来代替原始变量[5]，这些新的综合指标即为主成分，其优点主要在于简化数据指标、减少数据存在的交叉，且若干主成分能够充分反映原来的指标内容，结果客观合理[6]。

2.1.3耕地动态变化多元线性回归方法通过回归分析可揭示自变量对因变量的影响大小[7]。分析耕地变化的驱动力可选择多元线性回归模型方法，具体步骤为：建立线性回归模型，求解回归模型中的参数，对回归模型进行检验[8]。标准化系数的多元线性回归方程模型为：

[JZ]Y=m1X1+m2X2+…+mnXn。

2.2耕地变化驱动因素分析

2.2.1耕地变化驱动变量的提取使用ArcGIS软件处理1993、2003、2013年这3期的遥感影像解译分类图，可以得到鹤壁市2县3区1993、2003、2013年这3个年份的耕地变化信息，即为鹤壁市耕地变化驱动分析中的因变量Y1。基于耕地动态变化驱动机理，将驱动力大致分为社会经济驱动力与自然驱动力2个方面[9]，本研究选取12项自然及社会经济驱动因子进行分析，这12项因子分别为：X1，总人口数量，万人；X2，粮食总产量，t；X3，固定资产投资额，万元；X4，非农业人口，人；X5，农业总产值，万元；X6，工业总产值，万元；X7，农用机械总动力，万kW；X8，农民人均纯收入，元；X9，农业化肥施用量，t；X10，粮食作物播种面积，×103 hm2；X11，经济作物播种面积，×103 hm2；X12，耕地质量。

2.2.2耕地变化驱动因素主成分法分析将SPSS软件中未旋转的因子载荷矩阵用因子载荷矩阵中的数值除以对应特征值平方根，可得到旋转后的因子载荷矩阵，其数值越大，表明主成分与原始变量之间的相关性越强。第1主成分中X1、X2、X5、X7、X9、X10、X11的因子载荷矩阵值均大于0.3、小于 0.4，被概括为农业发展水平；第2主成分中X3、X6、X8因子载荷矩阵值均大于0.4，被概括为经济发展水平；第3主成分中的X12高达0.713，而X4为-0.553，被概括为耕地质量水平。使用旋转后的因子载荷矩阵数值作为系数，与经过标准化的原始变量对应相乘求和，可得到3个主成分得分；以3个特征值与其总和相除的数值作为主成分得分系数，与3个主成分的得分相乘求和，可得到驱动力综合得分，计算公式为：

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

[JZ]F=P1×F1+P2×F2+P3×F3。

式中：M为旋转因子载荷数值；X为经标准化的原始变量数值；P为主成分得分系数。选取累计贡献率为83%～95%之间、特征根大于1的成分作为主成分[10]。

2.2.3耕地变化驱动因素多元线性回归分析以农业发展、经济发展、耕地质量这3个主成分得分作为自变量，以对应的耕地数量为因变量进行多元线性回归分析，拟合优势度检验R2值为0.984，这说明鹤壁市耕地变化受各项驱动因子的影响较为明显；d值为2.258，接近2，说明参数间没有自相关性；显著性检验F值为159.226，P值为0.000，说明模型具有显著性；方差膨胀因子（VIF）值为1.000，小于10，这说明模型不存在多重共线性[11]。回归分析方法具体操作为：运行SPSS软件，选择Stepwise作为Method选项；使用逐步线性回归方法筛选自变量[12]，剔除自变量F3，得到相应回归方程。

3结果与分析

3.1耕地动态变化分析

3.1.1耕地质量评价由表1可见，在1993—2013年这20年间，鹤壁市耕地总量有明显变化，全市耕地总面积呈先增后减趋势；浚县总面积增加5.92 km2，而淇滨区耕地减少 23.45 km2，这说明浚县依据农地保护政策，加强了高标准粮田的建设保护，而淇滨区重在城市组团发展，更多耕地用于非农建设。

3.1.2耕地变化速度分析由表2可见，在1993—2013年这20年间，鹤壁市除浚县、山城区外，其他3个县（区）耕地的变化出现负值，说明这3个县（区）在20年间耕地面积减少。在2003—2013年后10年间，鹤壁各县（区）耕地均减少，全市范围共减少3.200 km2/年，这说明鹤壁市耕地近10年被侵占情况严重。1993—2013年这20年间，淇滨区耕地动态度是全市平均水平的12倍；浚县动态度（绝对值）相对最低，仅约全市水平的一半。在1993—2003年前10年，浚县耕地增加速度相对最高；在2003—2013年后10年，其动态度也相对最小，这说明前期浚县耕地面积增加幅度较大，后期加强耕地保护，保持减少非农耕地的使用，这也是其能作为高标准粮田试点的物质基础。

3.1.3耕地贡献度分析由表3可见，在1993—2003年前10年，浚县贡献相对最多，而淇滨区则对耕地的增加起反作用；在2003—2013年后10年，淇滨区对耕地的增加仍起着最大的反作用，而之前起最大正向作用的浚县，在这10年变为耕地减少的第二大贡献县（区），这可以看出浚县耕地的可持续利用存在潜在威胁。

3.1.4耕地类型指数分析由表4可见，与其他县（区）相比，浚县斑块少且聚集度高，说明该区域耕地集中连片；浚县PLAND、LPI这2个指标值均相对最高，表现这些耕地是该区域的优势地类。

3.1.5耕地景观指数分析由表5可见，在1993—2013年这20年间，SHDI、SHEI这2个指标均呈逐年递减趋势，而CONTAG值呈逐年增加趋势，这说明鹤壁市的耕地在这20年间变得越来越集中连片、越来越均质、越来越能凸显其优势地位；FRAC_MN虽然在2003年有小幅上升，但最终是下降趋势，说明耕地受人为干扰变大，形状区域规则。鹤壁市作为粮食核心区，在近20年间的耕地利用变得集约高效。

3.2耕地变化驱动分析

3.2.1耕地变化驱动因素主成分分析经SPSS软件分析，农业发展、经济发展、耕地质量这3项主成分的特征值为1187，累计贡献率为91.034%，可以显著地表现原始变量。

3.2.2耕地变化驱动因素多元线性回归分析经多元线性回归，得方程为：Y1=0.968×F1-0.202×F2。其中，F1与鹤壁市耕地动态变化为正相关关系，F2与耕地动态变化呈负相关关系，这说明鹤壁市耕地动态变化受到农业发展水平正向的驱动作用，受到经济发展水平负向的驱动作用，且农业发展水平对鶴壁市耕地的驱动作用远大于经济发展水平。

3.2.3耕地变化驱动因素分析

3.2.3.1农业技术进步农业技术进步因素包括农用机械总动力（X7）与农业化肥施用量（X9）2项指标。农业现代化强调规模经营与机械化操作[13]，在农业现代化背景下，随着农业科技的进步，化肥施用量会加大，机械总动力会得以提高。鹤壁市单位面积的耕地生产力水平呈现增长趋势，技术进步将有效减少人工费用，使农业生产达到更高的经济效益。

3.2.3.2农业种植结构农业种植结构因素包含粮食作物播种面积（X10）、经济作物播种面积（X11）2项指标，X10与X11的总和即为农业播种面积，指标之间呈此消彼长的关系，耕地增减与农业播种面积总体上呈同向变化趋势。在1993—2013年这20年中，浚县的粮食播种面积整体增加，而经济作物播种面积大幅减少，这是农业现代化发展过程中对农业种植结构调整的必然趋势[14]。作为高标准粮田建设示范区的浚县，通过增加粮食播种面积可以有效保证粮食安全需求，且播种面积的增加可以产生集聚效应，使浚县地区耕地数量与质量得到同步提升。

3.2.3.3农业生产水平农业生产水平受总人口数量（X1）、粮食总产量（X2）及农业总产值（X5）的影响。人口是财富的创造者，也是农业生产劳动的主体，在不考虑其他因素前提下，人口的增长会带动对耕地与粮食的需求，从而促使耕地数量与质量提升。X2与X5是体现耕地产生农业效益水平的2个重要指标，也是体现农业现代化实施效果的重要指标，粮食总产量与农业总产值增加，一方面说明耕地数量的增加，另一方面也说明单位面积耕地质量的提升。

3.2.3.4经济水平情况经济水平情况包含固定资产投资额（X3）、工业总产值（X6）2项指标。不可否认的是，固定资产投资增加会带动农业发展，从而促进耕地数量与质量的提升。但是，鹤壁市固定资产投资中超过90%的资金用于二三产业，X3与X6更多的是反映工业化与城镇化的建设水平，而城镇化与工业化的推进通常是以耕地减少或对耕地质量的减损为代价的[15]，例如淇滨区中的高新产业园区建设就不可避免地占用大量耕地。

3.2.3.5农民自身情况受到工业化与城镇化的影响，包括非农业人口（X4）与农村居民人均纯收入（X8）在内的农民自身情况对耕地变化具有一定的驱动作用。随着工业化与城市化发展，二三产业的经济效益明显高于农业生产，受利益驱动，更多的农民离开农地进入城市变成市民，导致非农人口增加，而农业生产离不开农业人口，农业人口的减少导致撂荒行为的出现，进一步使耕地质量受到破坏，以鹤壁市淇滨区为例，非农人口的增加对耕地动态变化产生了负影响。一般而言，农村居民人均纯收入的提高必然会使农业投入加大，但是，农村居民人均纯收入中存在非农收入，且非农收入所占比率相对较高，这使得高标准粮田区非农建设或非农行为会增加，必然导致耕地数量与质量水平降低，须引起重视。

4结论

鹤壁市高标准粮田区的耕地在1993—2013年这20年间总体呈先增后减趋势，总数量上小幅减少。在1993—2003年前10年中，浚县耕地增加速度与贡献度相对最大，这是其成为高标准粮田试点的物质基础；在2003—2013年后10年中，其耕地减少，这表明浚县对耕地的可持续利用存在潜在威胁。结合景观指数来看，浚县斑块少而聚集度高，耕地优势度相对最高，这说明浚县耕地集中连片，耕地优势明显。总体来看，鹤壁市作为高标准粮田区，在近20年间的耕地利用变得集约高效；鹤壁市高标准粮田区20年间的耕地变化主要受正相关的农业发展水平，负相关的经济发展水平、耕地质量水平这3个主成分的驱动影响，而鹤壁市2县3区的综合驱动力得分逐年增加，这说明3个主成分对鹤壁市耕地变化的驱动作用在不断增强。

通过逐步回归分析，鹤壁市的耕地变化受农业发展因素的驱动作用远大于经济发展因素，所以应继续加大以机械与化肥施用为主的农业技术进步的投入；农业种植结构调整应以粮食保护为主，控制经济作物播种面积；应增加耕地产量与产值，在推动工业化与城镇化的基础上，注重固定投资向农业领域的倾斜；应对农民加以引导，在非农人口迁移过程中，保证农业从业人口的基本要求，并且加大對撂荒行为的约束。

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