浙江省耕地利用转型时空演变特征分析

苗 苗，迮寒露，吴永华

(浙江省农业科学院 农村发展研究所，浙江 杭州 310021)

土地利用转型是土地利用/覆被变化(LUCC)研究的新关切，于1995年由国际地圈生物圈计划(IGBP)和国际全球环境变化人文因素计划(IHDP)联合提出，旨在通过分析影响土地利用和土地管理的驱动因子，从而建立区域土地利用变化的经验模型和作用机制。2005年，IGBP和IHDP联合发布全球土地计划(GLP)，通过观测全球土地利用问题与趋势，旨在深化学界对地球系统演化背景下人类-陆地环境系统的理解，从而识别区域土地资源可持续利用的路径[1]。

有国外学者从显性地类结构变化出发，发现耕地、城乡建设用地、生态用地的利用结构失衡对城乡生态服务功能具有显著的负效应，当生态用地比例下降时，城乡污染物处理和水源涵养功能随之下降[2-3]；也有国外学者针对土地利用转型的隐性生态价值展开相关研究，通过测算土地利用转型前后的碳排放量变化，从而揭示土地利用转型与生态环境保护之间的动态平衡关系[4-5]。目前，国内学者已引入土地利用转型相关研究，并对其内涵机理进行了丰富与完善[6-12]，普遍认为土地利用转型既包括显性的时空格局和模式特征变化，也包括隐性的生产、生活、生态效应变化。

耕地是农村社会-经济-自然系统协调发展的空间载体。伴随着城市规模的迅速扩张，耕地“非农化”“占优补劣”等现象频发[13]。同时，世界范围内粮食能源化和金融化趋势“抬头”，我国粮食安全的外部不确定性增强。为此，学界围绕耕地利用与转型展开了广泛的研究[14-17]。早在2000年，国内学者就引入了地学信息图谱的研究方法[18]，揭示区域土地利用格局和时空分异特征[19]。在遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术的支持下，学者们分析了长江中游经济带土地利用的图谱转移特征，发现林地、耕地和水域的相互转化是该区域LUCC的主要类型，并揭示了不同时间尺度下土地利用的过程特征[20]。

长期以来，浙江耕地利用饱受“七山一水两分田”的地理格局约束。随着长三角一体化发展战略的深入实施，浙江经济社会发展对土地资源的依赖加剧，耕地挤占、占优补劣等现象偶有发生。作为全国第二大粮食主销区，在粮食自给率不足40%的现实困境下，厘清浙江近20 a来耕地利用转型的时空格局和模式特征，对于当前保护耕地资源、推动耕地占补平衡具有重要的现实意义。为此，本文选取城市化水平较高、耕地利用问题较为严峻的浙江省作为研究区域，探索耕地利用转型的时空分异特征，以期为区域土地利用格局优化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

浙江省位于我国东南沿海地区(27°02′～31°11′N，118°01′～123°10′E)，下辖杭州、宁波、温州、嘉兴、湖州、绍兴、金华、衢州、舟山、台州、丽水11个地级市的90个县(市、区)，地形自西南向东北呈阶梯状倾斜(图1)，陆地总面积1.055×105km2，其中，耕地面积为208.17万hm2。浙江省总人口为5 850万，农村人口1 755万，城镇化率70%。2020年，浙江省粮食总产量为606万t，占全国粮食总产量的0.91%。

底图来源于标准地图服务系统下载的审图号为GS(2019)3333的标准地图。下同。This map was made from the standard map No. GS(2019)3333 downloaded from the standard map service system. The same as below.图1 研究区域高程图Fig.1 Elevation map of study area

1.2 数据来源

本文数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)，选取2000、2010、2020年共3期30 m栅格分辨率的浙江省土地利用遥感影像解译数据，以各期Landsat TM影像为主要信息源，以保证较高的精度与可信度。按照LUCC分类体系，将土地利用现状分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地。为便于构建地理信息图谱和进行空间分析，对3期土地利用转型的数据进行重新编码：1代表耕地，2代表林地，3代表草地，4代表水域，5代表建设用地，6代表未利用地。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地利用转型图谱的合成

选取30 m×30 m的图谱空间单元，通过图谱空间内栅格点集的变换和运算，实现地理信息的图形符号可视化与空间分析。利用ArcGIS 10.6软件，选取2000、2010、2020年3期土地利用数据进行地图代数运算。研究图谱的时间序列单元分别为2000—2010、2010—2020年，按照公式M=10A+B进行土地利用类型编码。其中，M表示研究期土地利用变化类型编码，A表示前一研究期土地利用类型编码，B表示后一研究期土地利用类型编码。为进一步描述浙江省耕地利用转型的时空变化，构建耕地利用转型模式的分类图示，包括前期变化型、反复变化型、后期变化型、全期变化型、全期稳定型[21-23]。各类型的具体含义与示例如下：Ⅰ型，前期变化型，指仅在2000—2010年间发生变化的，如3期土地利用类型为耕地→林地→林地；Ⅱ型，反复变化型，指在2000—2010、2010—2020年间均发生变化，且2000年与2020年的土地利用类型相同的，如3期土地利用类型为耕地→林地→耕地；Ⅲ型，后期变化型，指仅在2010—2020年间发生变化的，如3期土地利用类型为耕地→耕地→林地；Ⅳ型，全期变化型，指2000—2010、2010—2020年间均发生变化，且各期类型均不同的，如3期土地利用类型为耕地→林地→草地；Ⅴ型，全期稳定型，指2000—2020年间始终未发生变化的，如3期土地利用类型为耕地→耕地→耕地。

1.3.2 耕地利用转型图谱的时空特征分析

利用ArcGIS 10.6软件中的空间统计工具，对浙江省3期土地利用的栅格数据进行地图代数叠加运算，形成2个时间序列(2000—2010、2010—2020)的耕地利用转型过程，即“图”的特征，以及耕地利用转型空间分离度，即“谱”的特征[24]。具体计算公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，Rab表示耕地利用转型的变化率；Dab表示耕地利用转型的分离度，值越大说明土地转型在空间上的离散程度越大；Pab、Lab分别表示土地利用类型的图谱单元数和面积；a、b分别表示研究初期与研究末期的土地利用类型编码；n表示土地利用类型的种类数。

2 结果与分析

2.1 浙江省耕地利用转型的特征图谱分析

2000—2010年，浙江省耕地利用转型图谱共有10种变化类型，空间分异特征明显(图2)。在耕地占用方面，以耕地→林地、耕地→建设用地的转换为主，其中耕地被林地占用的情况最多，呈大幅扩张态势；耕地被建设用地占用的情况也较为明显，主要集中在嘉兴市全域、宁波市辖区、慈溪市、余姚市等浙东北平原区，以及温州市辖区、苍南县等浙东南沿海区。在耕地补充方面，以林地→耕地、建设用地→耕地的转换为主，林地向耕地的转换在浙江省全域大幅度扩张，建设用地→耕地转换的图谱单元主要集中在台州市、温州市的滨海县(市、区)，以及金华、衢州市辖区。这一时期，浙江省耕地利用转型频繁发生在杭嘉湖、杭绍甬地区，以及甬温沿海经济带，基本涵盖浙东北平原的杭州市辖区、嘉兴市辖区、海宁市、平湖市、嘉善县、海盐县、桐乡市、湖州市辖区、德清县、宁波市辖区、慈溪市、余姚市、绍兴市辖区、上虞市，以及浙东南沿海的奉化市、象山县、宁海县、三门县、临海市、台州市辖区、温岭市、玉环县、温州市辖区、乐清市、瑞安市、平阳县、苍南县，总体呈现出“谁占谁补”的空间特征，以嘉兴下辖县(市、区)耕地→建设用地转换的空间集聚效应最为明显。总体而言，伴随着以杭州、宁波、温州为中心的都市圈的形成与发展，城乡土地利用扩张成为常态，耕地与林地、建设用地的相互转换成为这一时期地类转化的重点。此外，城镇化进程对人口老龄化压力、资源环境压力、返乡人员就业压力较大的地区提出了地类结构转型、土地利用效率提升的要求，耕地利用转型态势和城镇化水平呈现正相关性。

图2 2000—2010年浙江省耕地利用转型特征图谱Fig.2 Geo-informatic tupu of cultivated land use transition during 2000-2010 in Zhejiang

2010—2020年，浙江省耕地利用转型的变化范围较上一研究周期更加广泛，合成的图谱单元也更加丰富(图3)。在耕地占用方面，以耕地→林地、耕地→建设用地、耕地→水域的转型为主；在耕地补充方面，以林地→耕地、建设用地→耕地、水域→耕地的转换为主。从空间分布上来看，耕地和林地的相互转换由全域广泛分布向浙东南方向迁移，在浙东北平原区以外的区域集聚；耕地和建设用地的相互转换由浙东北平原区、浙东南沿海区向浙中盆地丘陵区呈“C”型集聚；耕地和水域的相互转换主要发生在杭州市东北部和湖州市东南部县(区)。总体而言，耕地和林地向建设用地的转换是这一时期地类转换的重点。以金华为核心的浙中都市圈逐渐兴起，位于浙中盆地丘陵的金华市辖区、兰溪市、东阳市、义乌市、永康市、武义县、浦江县、衢州市辖区、江山市、常山县、龙游县、诸暨市、嵊州市、新昌县、天台县、仙居县，耕地利用转型活动开始活跃，但该区域整体城镇化水平低于浙东北平原区和浙东南沿海区，因此这一时期耕地和建设用地之间的转换呈现“东占西补”的特征。

图3 2010—2020年浙江省耕地利用转型特征图谱Fig.3 Geo-information tupu of cultivated land use transition during 2010-2020 in Zhejiang

2.2 浙江省耕地利用转型的时空特征分析

2000—2010年，浙江省耕地占补总面积达到16 901.03 km2(表1)，整体空间分离度为164.05。其中，耕地和林地、建设用地之间的土地利用转换最为活跃，变化率分别达到51.57%(25.12%+26.45%)、19.11%(14.47%+4.64%)。就耕地占用角度而言，耕地被林地、建设用地占用的图谱单元空间分离度最低，分别为1.02、1.20，说明这一时期耕地向林地和建设用地转出的情形十分活跃，在空间上集聚特征明显；就耕地补充的角度而言，林地和建设用地向耕地转换的空间分离度最低，分别为1.19、3.50。这一时期，耕地占用总面积达到9 759.02 km2，耕地补充总面积为7 151.01 km2，占补缺口为2 608.01 km2，总体而言“占大于补”。

2010—2020年，浙江省耕地占补总面积达到19 228.47 km2，整体空间分离度为198.36。其中，耕地与林地、建设用地之间的转换最活跃，变化率分别为46.82%(23.74%+23.08%)、21.48%(14.23%+7.25%)。就耕地占用的角度而言，耕地被林地、建设用地占用的图谱单元的空间分离度最低，分别为1.16、1.34；就耕地补充的角度而言，林地、建设用地向耕地转换的活动最为活跃，空间分离度最低，分别为1.08、2.25。耕地占用总面积达到10 567.98 km2，耕地补充总面积为8 660.49 km2，占补缺口为1907.49 km2，较上一阶段有显著改善。在这一时期，浙江始终落实最严格的耕地保护制度，先后实施了“365”节约集约用地行动计划、“152”耕地生态建设保护工程、全域土地综合整治与生态修复工程、山海协作“飞地”等土地政策和行动计划，有效推动了耕地保护，改进了耕地的占补平衡。

表1 2000—2020年浙江省耕地利用转型图谱单元分析

2.3 2000—2020年浙江省耕地利用转型模式的图谱分析

将2000、2010、2020年的土地利用数据叠加，参照1.3.1节列出的5种分类标准，得出2000—2020年浙江耕地利用转型模式图谱的空间分布(图4)与图谱数据(表2)。2000—2020年，浙江共产生81类耕地利用转型图谱，图谱总面积为39 818.84 km2，以全期稳定型为主，后期变化型次之。

图4 2000—2020年浙江省耕地利用转型模式图谱Fig.4 Geo-information tupu of cultivated land use transition types during 2000-2020 in Zhejiang

(1)前期变化型图谱总面积为7 977.08 km2，贡献率为20.03%，以耕地向林地(1→2→2)、耕地向建设用地(1→5→5)、林地向耕地(2→1→1)的转换为主，空间分布集中在杭绍甬和杭嘉湖地区，包括杭州市辖区、宁波市辖区、余姚市、嘉兴市、桐乡市等。

表2 2000—2020年浙江省耕地利用转型模式图谱特征值

(2)反复变化型图谱总面积为6 968.13 km2，贡献率为17.50%，以林地向耕地再向林地转换(2→1→2)、耕地向林地再向耕地转换(1→2→1)、耕地向建设用地再向耕地转换(1→5→1)为主，在全省空间范围内呈点状分布。

(3)后期变化型图谱总面积为10 531.70 km2，贡献率为26.45%，以林地转出(2→2→1)、耕地转出(1→1→5、1→1→2)为主，空间分布较为分散，但在杭州市辖区、绍兴市辖区呈现空间集聚特征。

(4)全期变化型图谱总面积为2 634.18 km2，贡献率为6.62%，以耕地、林地、建设用地的相互转换为主，主要集中在杭州市辖区。

(5)全期稳定型图谱总面积为11 707.75 km2，贡献率为29.40%，多为杭嘉湖平原、宁绍平原、金衢盆地的永久基本农田。

总体而言，2000—2010年浙江省耕地利用转型以耕地补充林地、建设用地占用耕地为主，2010—2020年耕地利用转型以林地补充耕地、建设用地占用耕地为主。20世纪80年代中期以后，随着造林绿化行动、退耕还林、高标准平原绿化等林业生态工程的深入实施，浙江省内耕地向林地转换的情形较为普遍；但近年来，浙江省全面落实最严格的耕地保护制度和节约用地制度，实施“补改结合”、占补平衡，耕地资源得到一定的补充。然而，建设用地占用耕地的问题始终较为突出。

3 讨论

本文基于2000、2010、2020年共3期30 m栅格分辨率的浙江省土地利用遥感影像解译数据，利用ArcGIS 10.6 软件和地学信息图谱构建模型，对2000—2020年浙江耕地利用转型的时空格局与分异特征进行分析，得出以下结论。

(1)浙江省耕地利用转型以林地占补和向建设用地转出为主，空间上呈“C”型向浙中盆地丘陵区扩张，“东占西补”特征明显。耕地和林地的相互转换从2000—2010年的全域广泛分布变为2010—2020年的向浙东南方向迁移，在浙东北平原区以外的区域集聚，耕地和建设用地的相互转换由杭嘉湖平原、杭绍甬地区，以及甬温沿海经济带向浙中盆地丘陵区呈“C”型集聚，反映出耕地利用转型活动与区域经济社会发展水平的内生关联。

(2)2000—2020年浙江省耕地利用转型数量和空间分离度增加，耕地面积“占大于补”，但占补缺口正在缩小。具体地，2000—2020年浙江省耕地利用转型面积从16 901.03 km2增加到19 228.47 km2，整体空间分离度从164.05增加到198.36，耕地占补缺口从2 608.01 km2下降到1 907.49 km2，耕地占补体量逐渐增大，转型活动越来越分散，占补缺口不断缩小。

(3)除全期稳定型外，浙江省耕地利用转型以后期变化型为主，贡献率为26.45%，说明2010—2020年浙江耕地利用转型活动最为频繁。林地是浙江省耕地补充的主要来源，但同时建设用地占用耕地的问题严峻。2000—2010年，浙江省耕地补充林地、建设用地占用耕地的现象较为突出；2010—2020年，浙江省林地补充耕地、建设用地占用耕地的现象较为突出。这些变化反映出，近10 a来浙江“补改结合”的耕地保护制度成效初显，耕地资源得到一定补充，但建设用地占用耕地的问题仍然突出。

总的来看：一方面，浙江省耕地利用转型表现出“占补失衡”和“区域失衡”的特征，占补缺口、占补不公依然存续，土地资源管理水平和土地产权制度限制了耕地资源利用的公平与正义；另一方面，浙江耕地利用转型整体发展趋势向好，耕地转型体量上升但缺口正在缩小，建设用地占用耕地扩面提升，但活跃性正在下降，表明通过调优供需结构、放活经营机制、加大监管力度等措施，浙江进一步夯实了耕地资源保护的根基。未来，浙江作为长三角生态绿色一体化发展示范区建设的战略节点，应从盘活存量、带动增量、应对变量着手优化耕地保护格局。“盘活存量”，即坚持“亩产论英雄”，全面提升节地水平和耕地利用效率；“带动增量”，即加大力度开展未利用地垦造耕地和耕地“非农化”整治；“应对变量”，即充分把握“农田转建设用地审批权下放”试点省份建设的“机”与“危”，从源头上控制新增建设用地占用耕地特别是永久基本农田的问题，引导农村建设用地减量化、集约化。通过推动山水林田湖草系统治理逻辑下的耕地资源优化配置和土地利用空间正义，实现耕地补偿和建设用地保障的“双向平衡”，生态保护、粮食安全、发展空间“三位一体”。