基于GIS和空间计量的耕地利用转型时空格局及其驱动机制研究

史洋洋，吕 晓，郭贯成，巩 晨

（1.南京农业大学公共管理学院，江苏 南京 210095；2.曲阜师范大学地理与旅游学院，山东 日照276826；3.自然资源部海岸带开发与保护重点实验室，江苏 南京 210024；4.东北大学文法学院，辽宁

沈阳 110169；5.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨陵 712100）

1 引言

随着国际土地变化研究视角从土地利用/覆被变化（LUCC）到全球陆地计划（GLP），再到近年来在两者基础上发展而来的土地变化科学（LCS）[1]，土地利用转型研究于20世纪90年代以来逐渐兴起并发展成为当前土地变化科学研究的前沿热点[2]。土地利用转型概念最早由英国利兹大学地理学家GRAINGER在研究森林转型[3]基础上提出，是指经济社会发展过程中一国或区域土地利用形态的变化。这里的形态是指某一时点一国或区域主要土地利用类型和自然植被组成的总体格局，主要反映的是土地利用在空间形态上的转型[4]。中国学者将这一理念引入国内后，结合中国实际的土地利用转型理论及相关实证研究大量涌现，而国内学者更加关注的是土地利用形态的趋势性变化[5-7]。鉴于中国特殊的人地关系，从形态视角研究耕地利用转型在国内学术界逐渐受到较高重视，并取得一定进展[8-9]。当前，中国正在全面实施乡村振兴战略，其本质上是实现人口、土地和产业要素在城乡间优化配置、城乡互动和融合发展过程[10-11]。而中国自改革开放以来，经济高速发展、城镇化与工业化快速推进，各种地理要素的流动导致社会经济不断转型，土地利用也呈现出剧烈的转型趋势[12-13]。耕地资源是乡村区域最主要和可变性最强的土地利用类型，耕地利用转型研究将有助于推动土地利用转型向人与自然复合的地域系统等复杂领域拓展[14]。

已有研究中耕地利用变化的定量分析对于耕地转型规律的空间表达不足[15-16]。耕地利用变化即一定区域内耕地在时间序列上表现出的数量、质量、集约利用程度、经营方式与规模化等方面的变化[17]，可见耕地利用变化的内涵不涉及与其他土地利用类型用途转换（属于土地利用变化的范畴），耕地利用转型则基于耕地利用形态的视角探究其趋势性变化，这种趋势性的内涵具有外延性[6]，空间形态表现为耕地数量（面积）及其扩张和缩减的空间发展趋势，功能形态表现为耕地多功能转型发展的趋势[14]。因此，本文界定的耕地利用转型概念是指耕地利用形态（空间和功能形态）在长时间序列上表现出来的与本区域社会经济发展阶段相适应的趋势性变化或转折，其中空间形态包括数量（面积和份额）、空间格局（景观和经营格局、过程与轨迹演化）等的趋势变化，而功能形态主要从耕地作物生产、生态安全保护和生活保障功能三大方面进行测度。耕地作为单一土地利用类型，耕地利用变化与耕地利用转型的区别在研究内容、研究尺度（时间尺度和空间尺度）、价值主体、驱动因素和轨迹变化以及结果与效应方面存在显著差异[8]。基于此，本文选择既是中国沿海经济发达省份又是粮食主产区的山东省作为研究区域，在地学信息图谱理论及方法的支持下[18]，以耕地空间形态视角为切入点，分析山东省耕地利用转型时空过程及其驱动机制，为科学评估区域耕地保护政策实施绩效、推动耕地可持续利用提供科学依据和决策参考。

2 理论框架与机制分析

土地利用转型是特定区域内自然环境条件、社会经济、法律政策、工程技术等要素相互作用、共同约束的结果[19]。在全球化与全球环境变化条件下，深层驱动因素通过作用于表层驱动因素进而影响土地利用，包括人口、经济、技术、制度、文化和区位因素等[8]。耕地作为承载人类食物主要来源的重要资源基础，耕地利用转型受到人口、社会经济转型的综合影响最为显著[20]。基于此，耕地利用转型的驱动因子选取应该包括影响耕地与人口分布的自然因素，也要涵盖影响耕地利用方式以及人口空间流动的交通区位因素、社会经济因素、土地管理因素（图1）。

自然驱动因素是耕地利用转型的基础。空间上，地形地貌以及水文要素的差异会导致耕地资源、人口和产业结构的分布不均，因而对社会经济转型也较为敏感[21]。气候因子对于大尺度或中等尺度研究区域影响显著，山东省东西跨度大且海陆兼备，气候因子对耕地利用转型的影响不容忽视。另外，影响耕地利用转型的自然灾害通常是由于人类盲目开垦土地、围湖造田等导致的耕地退化、洪涝和水土流失等[22]，本文主要通过结合具体转型过程进行定性分析。据此，本文选取地形（海拔和坡度）、水文（距主要河流的距离）和气候（多年平均降水量）3类因子组成自然驱动因素的解释变量。

社会经济因素是耕地利用转型的核心驱动力。土地利用转型通常与一定的经济和社会发展阶段相对应，社会经济的发展与土地利用形态相互作用、互相影响促成了土地利用转型[23]。山东省位于黄淮海平原农区的东部沿海发达地区，人口城乡地域流动以及新型城镇化对耕地的影响也更大，主要表现为耕地非农化、农村空心化以及建设占用耕地的无序化等。另外，灌溉因素作为区域农业科技发展水平的重要标志，也是耕地利用转型的重要驱动因子[24]。据此，本文选用总人口、人均GDP、城镇化率、财政支农支出、第一产业增加值、灌溉比率和农机总动力作为衡量社会经济因素的解释变量。

交通区位因素是驱动耕地利用转型的重要空间因子。区位的空间异质性是决定地理要素空间格局演变的关键因素。耕地作为粮食生产的重要基础资源，耕地的区位分布除了受自然基底条件影响之外，还受到社会经济活动、市场需求与交易以及货物运输条件等影响。社会经济越发达，人口越密集，对于粮食的需求也越大；距离人类聚居地区越远，货物运输成本越高，农民粮食生产的积极性和耕种意愿会下降，严重制约耕地的高效利用[25]。交通便利与否，距离社会经济活动中心的远近将对区域耕地利用转型产生重要影响。据此，本文选择与社会经济活动中心（地级、县级行政中心）距离表征区位因素，选择与粮食运输及人口跨区流动的重要交通方式（公路、铁路）距离表征交通因素。

土地管理因素是驱使耕地利用转型的直接动力。在区域人地系统演化过程中，自然灾害的发生、社会经济的发展转变等会引发土地资源衰竭（耕地面积减少与质量下降）和土地环境退化（土地污染与盐碱化），这些问题的出现会逐渐引起社会公众关注以及政府响应。基于生态效益和耕地可持续集约利用发展要求[26]，土地行政主管部门通过出台相应的法律法规和政策制度（征收耕地占用税、实施耕地占补平衡、土地用途管制、退耕还林还草等）来引导或约束土地利用主体行为，通过土地工程与技术（土地开发、整理和复垦等）使土地资源管理的政策制度得以落地实施，最终直接或间接地实现对区域土地利用转型有效管控[27]。研究表明，土地整治逐渐成为土地利用转型的重要驱动力[28]。

综合以上分析来看，耕地利用转型的动力机制以自然地理因素为先决基础条件，体现了区域耕地利用转型的内生性动力问题；社会经济因素既是耕地利用转型的重要外部驱动力，在长时间序列来看社会经济发展阶段又与耕地利用转型阶段相适应，体现了区域要素流动的整体性与协调性；交通区位因素对耕地利用转型的制约效应充分体现在以新古典区位理论向现代区位理论过渡发展过程中的要素集聚及其外部性影响方面，即在规模经济、外部性扩散、地价变化等视角下引致的区域耕地扩张或缩减的空间形态转型发展趋势；基于政府意志而出台相应的土地制度与政策引导约束土地利用主体行为（土地使用者和政府），而土地综合整治则是政府对土地进行有效管控的直接方式，两者相互影响、互为补充，最终体现了土地管理因素中政府的“文武”两种手段对耕地利用转型的调控，比如煤炭塌陷地整治，既有煤矿开采也有政府整治，最终复垦为耕地或养鱼取决于土地工程与技术支持。可见，耕地利用转型的动力机制是以区域自然地理条件、社会经济发展水平、交通区位与土地管理因素共同组成的有机整体，需要从管理学、地理学、法学、经济学等多学科视角分析做出综合的评判。

图1 耕地利用转型的动力机制概念框架Fig.1 Conceptual framework of dynamic mechanism of cultivated land use transition

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源与驱动因子参数化

本文选用的土地利用数据来源于中国科学院资源环境数据云平台（http: //www.resdc.cn），选择1990年、2000年、2010年和2015年共4期30 m栅格分辨率的山东省遥感影像解译数据。该数据以Landsat TM影像作为基础数据源，数据具有较高精度及可信度[29]。根据需要，将山东省土地分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地，并在ArcGIS 10.2中对每期数据的土地利用类型进行重编码，分别赋值CLT1～6。社会经济数据主要来源于《山东省统计年鉴》（1990—2015年）以及各地市人口普查资料；交通区位因素来源于国家基础地理信息中心（http: //www.ngcc.cn）1∶400万数据集；气象数据来源于国家气象信息中心（http: //data.cma.cn）。

自然地理因素中的海拔、坡度由90 m分辨率的山东省DEM数据计算得到，气候数据为各气象站点多年平均降水量通过ArcGIS的Create Thiessen Polygons工具转化而来，水文要素与交通区位因素通过Euclidean Distance工具计算所得。对各地市1990—2000年、2000—2010年和2010—2015年三个阶段的社会经济数据通过Join功能加入行政区矢量图层。具体要素数据的空间化与定量化的过程及步骤可参考刘永强等的研究[7，20，31]，本文不再赘述。在实现数据的定量化与空间化基础上，通过ArcGIS的Raster Analysis工具对所有变量数据进行极值标准化以消除量纲，使所有自变量的值均处于0～1之间。

3.2 研究方法

3.2.1 地学信息图谱

以山东省4期土地利用数据为基础，在ArcGIS 10.2软件中进行栅格数据的地图代数叠加运算，实现土地利用类型的空间信息融合。将三个时间阶段的耕地利用转型过程“图”（图2）和空间分离度以及数量变化的“谱”（表1）共同表征山东省耕地利用空间形态转型特征，其中图2中代码含义：1为耕地；2为林地；3为草地；4为水域；5为建设用地；6为未利用地。变化比率与空间分离度指标公式如下[11]：

图2 1990—2015年山东省耕地利用转型过程的时空格局Fig.2 Temporal-spatial patterns of cultivated land transition during 1990-2015 in Shandong Province

式（1）—式（2）中：Rab、Dab为变化比率和分离度；Pab、Lab为初期（t）第a种土地类型转为末期（t+Δt）的b种土地类型的面积和图谱单元数；n为个数；Rab为转型后的土地类型占所有已转型土地类型的比率；Dab为空间上的离散程度，值越大空间上越离散。

表1 山东省1990—2015年耕地利用转型图谱单元排序表Tab.1 Geo-spectrum unit order of cultivated land use transitions during 1990-2015 in Shandong Province

3.2.2 空间计量模型

本文选用的空间计量模型主要包括两种类型，即空间滞后和空间误差模型。其中，空间滞后模型（Spatial Lag Model，SLM）主要适用于对存在空间相关性的各因素变量的空间扩散性进行表达，显化因变量受自变量在相邻空间单元上的影响程度，其数学表达式为：

式（3）中：y是因变量；Wy是空间权重矩阵W的空间滞后自变量；X是解释变量的观测值的矩阵；ρ是Wy的参数，反映值之间的空间相关性程度；β是X的回归系数，反映自变量对因变量的影响；ε是误差项向量。

空间误差模型（Spatial Error Model，SEM）通过随机扰动误差项之中的相互依赖关系体现变量之间的空间扰动相关和空间总体相关，其公式为：

式（4）—式（5）中：ε是误差项向量；β是回归残差向量；λ是自回归系数，其衡量了变量中的空间依赖性，反映了样本观察值影响相邻地区样本观察值的方向和程度；Wε是空间扰动项权重矩阵；μ是正态分布的误差向量。

4 结果分析

4.1 耕地利用转型过程的时空格局

山东省耕地利用转型区域空间差异十分显著。1990—2000年，转型过程以耕地向建设用地转型最为明显，表现为济南市、聊城市等全省范围内主城区周围形成的“环状”转型带，反映了这一时期城镇化进程对周边耕地的侵占；聊城、泰安等地呈现面状无序扩张，表明耕地占用现象较为普遍。耕地与水域相互转型过程的空间分布也十分明显。2000—2010年，耕地向建设用地转型的“环状”转型带在空间上扩张趋势更加显著，形成了以聊城市到潍坊市再到青岛市的东西向点轴转型带，透视出山东省的城镇化进程开始从小城镇、小城市的模式向城市连绵区方向发展。2010—2015年，耕地向建设用地转型的“环状”转型带在空间上依然显著，空间上以菏泽市主城区和济宁市梁山县最集聚。耕地向水域转型过程较为分散，耕地向林地和草地转型主要分布在滨州市中部。本阶段滨州市耕地利用转型种类最为丰富。

山东省1990—2015年，耕地向建设用地转型的空间分离度在每个阶段都处于最低水平，这表明耕地向建设用地转型在空间上的集聚程度最高（表1）。1990—2000年，耕地向未利用地转型过程在空间上的离散程度最大，而未利用地向耕地的转型在空间上的集聚程度较高。2000—2010年，耕地向草地转型空间离散程度最大（104.12）。2010—2015年，林地向耕地转型的空间分离度值最大（78.25），而耕地向林地转型过程的空间离散程度较低，仅次于耕地向建设用地和耕地向水域转型。总体上，1990—2000年总体分离度值最大（268.04），表明本阶段耕地利用转型相较其他阶段更活跃。

4.2 耕地利用转型阶段与趋势

诊断耕地利用转型要基于耕地利用形态的视角，包括耕地空间形态（数量、格局演变）或功能形态（外部性、政策）视角两方面[12]。其中，耕地空间形态的数量面积变化最能直接表现耕地利用转型阶段与趋势，因此本文基于耕地利用空间形态视角的耕地数量（面积）变化进行综合诊断。从中国实行最严格耕地保护制度的国情出发，耕地数量（面积）会出现由持续快速减少向缓慢减少甚至出现停滞转型再向稳定增长方向的3种状态转型趋势（图3）。

图3 耕地面积变化转折[12]Fig.3 The transition of cultivated land areas

从耕地利用转型过程来看（表1），1990—2000年耕地面积净减少1 257.91 km2；2000—2010年耕地面积净减少1 885.52 km2，较上一阶段减少趋势进一步加剧；2010—2015年耕地面积减少711.90 km2，由于时间跨度小，本阶段耕地利用转型的图谱单元数和面积比前两个阶段少，但变化比率所占比重逐年上升，并在本阶段累计变化比率达到90.18%，反映出山东省耕地利用缩减转型发展的趋势显著。从中得出，山东省土地利用形态格局依然存在冲突，耕地利用转型处于从持续快速减少向缓慢减少的过渡阶段，还没有达到转型停滞的转折点。

4.3 耕地利用转型的影响因素

本文基于Geoda软件对山东省1990—2000年、2000—2010年和2010—2015年3个时间段主要耕地利用转型过程进行驱动因子的空间计量回归分析，首先在ArcGIS 10.2软件中调用Feature Class模块，通过Create Fishnet生成10 km的网格，统计格网内各驱动因子空间数据值和单一耕地利用转型类型的面积并求取平均值，据此生成相应时间阶段的空间权重矩阵；然后将自变量与因变量的数据底图在Regression模块中打开，指定空间权重文件和所要执行的回归类型并输出结果，据此反映各驱动因子对耕地利用转型的作用强度和方向。具体操作过程参考ANSELINL[30-31]等的研究，在空间相关性检验基础上选择合适的空间计量模型。另外对于模型拟合效果检验指标主要有拟合系数R2、自然对数似然函数值（LogLikelihood）、赤池信息准则（AIC）和施瓦茨准则（SC）等[7，31]（表2）。

（1）1990—2000年，耕地向建设用地转型（CLT15）距离市级和县级行政区的距离在1%置信水平上呈负相关，与距离主要公路与河流的距离、总人口和高程在5%置信水平上呈负相关，与坡度和城镇化率在10%置信水平上负相关，与多年平均降水量在10%置信水平上呈正相关。表明其主要发生在行政中心周边及交通区位条件优越、地势较低、坡度平缓、降水量充足、距离河流较近以及人口密集的城镇化水平较高的地区。耕地向水域转型（CLT14）主要发生于距离市级行政中心较远、降水量较多、地势较低的距离河流较近的地区。水域向耕地转型（CLT41）主要在距离河流较近、机械化水平较高的地区。河滩地的开垦极易造成水土流失与农作物损失，因此河流附近的耕地利用转型问题需要加强管控；另外，农业机械总动力反映了社会经济与农业科技水平对耕地利用转型的影响，农业机械总动力越大，农民对于耕地需求越大。未利用地向耕地转型（CLT61）主要发生在地势较低、距离河流较近的地区。

（2）2000—2010年，耕地向建设用地转型（CLT15）中距离主要铁路的距离成为重要驱动力，空间上显著体现在以“郊济线”为中轴形成的东西向的耕地向建表注>设用地转型带。交通的发展特别是当前以高铁、轻轨列车等为代表的新型的交通方式不断完善，在未来将会对区域城镇化、耕地利用转型与社会经济发展产生显著影响。草地向耕地转型（CLT31）主要发生在地势较低、距离河流较近地区。未利用地向耕地转型（CLT61）表明农户在转型生计过程中会根据耕地资源开发难易，优先开发坡度较小易于耕种的未利用地。两种转型过程显著分布于黄河三角洲地区，2009年国务院通过了《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》将黄河三角洲开发建设上升为国家战略[7]，可见，政策对于荒草地和未利用地向耕地转型具有重大推动作用[23]，而土地整理、盐碱地修复等土地工程为区域土地综合治理提供了技术支持。需要注意的是，政府要加强这一地区生态风险监测管控，真正实现耕地可持续集约利用[24]。耕地向水域转型（CLT14）与第一产业增加值与财政支农支出的相关性显著，这是由于水产养殖等渔业发展提升了区域农业经济和政府财政收入，政府因此鼓励扩大水产养殖规模所致。

（3）2010—2015年，虽时间跨度较小，但耕地向建设用地转型（CLT15）动力机制依然稳定。政府应当严格遵守土地利用总体规划，统筹城乡发展，加快探索制定自上而下的国土空间规划体系；落实“耕地占补平衡”和土地用途管制，完善土地利用督察监管机制，尤其要加强管控县级以及乡镇行政中心周边的耕地向建设用地转型过程。耕地向水域转型（CLT14）中人均GDP也显示出较高的相关性，这表明以提高农业经济收益为目的成为耕地向水域转型的重要推动力。耕地向林地和草地转型（CLT12、13）主要与距离河流的距离有关，耕种距离河流较近的土地很容易造成水土流失，反映出政府对于“退耕还林还草”政策落实以及保护生态用地等方面的工作成效明显，但数量和规模上还需要进一步加强引导工作。另外，从山东省实际调研情况来看，农民外出打工收入高于种地收入，除种粮大户和农业企业外，小农户种地意愿普遍偏低[25]，农民更愿意弃耕育林，这也是造成耕地向林地转型主要原因之一，其显著表现为黄淮海平原地区普遍存在的“杨上粮下”现象[32]。

表2 1990—2015 年山东省耕地利用转型与驱动因子空间回归分析结果Tab.2 The spatial regression analysis results of CLT and the driving factors in Shandong Province during 1990-2015

5 结论与讨论

本文对山东省耕地利用转型时空格局与驱动机制进行了分析，主要结论如下：（1）1990—2000年，空间格局上以耕地向建设用地以及耕地向水域的转型过程最为显著；2000—2010年，耕地向建设用地转型在空间上形成了明显的东西向点轴转型带；2010—2015年，耕地利用转型过程在滨州市分布种类最为丰富。（2）总体上，1990—2000年耕地利用转型相较于其他阶段更活跃。山东省土地利用形态格局依然存在冲突，耕地利用转型处于从持续快速减少向缓慢减少的过渡阶段。（3）山东省耕地利用转型是在自然条件、社会经济、交通区位、国家宏观政策与土地工程以及农户土地利用主体行为和耕种意愿等因素综合影响下的结果，不同因素在各时间阶段对不同耕地利用转型驱动机制存在差异。耕地向建设用地转型主要与交通区位和社会经济因素有关，自然地理因素对耕地向建设用地转型的影响相对较弱。距离主要河流的距离对耕地利用转型影响在每个时间阶段都较为显著。

本文通过借助GIS和空间计量方法综合分析区域耕地利用转型时空格局演化、发展趋势及其驱动机制，对丰富和发展土地利用转型理论和方法具有一定的实证研究价值。土地政策与制度是土地利用转型实现的基础，土地工程是土地管理的有效实施手段，社会经济发展与科技水平又一定程度上制约了当地土地工程与技术的发展，因而对土地资源管理成效也具有重要的影响；经济利益驱动下的市场机制产生的生态效益等“外部性”显著性低，在比较利益驱动下耕地具有较强的非农化趋势，尤其是当前耕地细碎化、村庄空心化、宅基地空废化等问题暴露出的经营方式与农地产权制度不完善的弊端正在日益显现。因此，在区域耕地利用空间形态转型时空格局及其动力机制研究基础上，基于技术条件、产权制度、供需结构、经营方式与生态效益等耕地多功能形态因素对区域耕地利用转型的影响及其与社会经济发展之间的耦合响应机理研究应当是今后重点关注的方向。研究尺度上应当进一步丰富，特别是应当在土地利用转型剧烈、耕地利用保护形势严峻的半城镇化地区开展耕地利用转型样带案例研究。政府在制定相关政策和国土空间规划时应统筹考虑耕地利用转型的驱动因子及区域差异规律，在保证“耕地占补平衡”、土地用途管制的基础上，合理优化布局，保障生态空间，协调用地结构与规模，对建设占用耕地加强规划管控，强化耕地保护政策实施绩效评价，以期促进耕地利用转型与经济社会发展协同适应，切实提升土地资源管理效率，实现耕地可持续集约利用与区域协调发展。