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淮北平原农业区耕地面积时空格局演变与驱动力分析

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南方农业学报Journal of Southern Agriculture 2017,48(1):174—180 http://www.nfnyxb.tom ISSN 2095—1 191;CODEN NNXAAB DOI:10.3969/j:issn.2095—1191.2017.叭.174 淮北平原农业区耕地面积时空格局 演变与驱动力分析 钟博星 ,何太蓉 ,张( 重庆师范大学地理与旅游学院,重庆酷 ,邬玉琴 401331; 三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室,重庆401331) 摘要:【目的】探索安徽淮北平原农业区耕地面积的时空格局演变及其驱动力,为保障区域耕地资源可持续利用 与管理提供科学依据。【方法】根据2000 ̄2013年相关统计资料,采用耕地动态度、耕地指数及耕地重心模型对淮北平 原农业区的耕地面积时空格局演变进行研究,并运用主成分分析法对其耕地面积时空格局演变的驱动力进行分析。 【结果】(1)2000~2013年淮北平原农业区总耕地面积及其大部分县(区)耕地面积小幅减少,其余部分市辖区耕地面积 有一定增加;(2)淮北平原农业区的耕地在空间上呈西多东少的分布格局,2000 ̄2013年耕地重心总体上从西北向东 南方向转移,但迁移幅度不明显,并未影响研究区西多东少的分布格局;(3)主成分分析结果表明淮北平原农业区耕 地面积时空格局演变的主要驱动力为社会经济与城镇化、农业生产能力和灾变。【建议】加强现有耕地资源的保护力 度,合理开发后备土地资源;依靠科技提升农业生产能力,完善土地管理,保障农户切身利益;控制人口数量,树 立耕地资源危机意识。 关键词:耕地面积;时空格局;驱动力;主成分分析;淮北平原农业区 中图分类号:F323.211 文献标志码:A 文章编号:2095—1191(2017)01—0174—07 Spatial-temporal pattern evolution of cultivated land area and its driving forces of agricultural areas in Huaibei plain ZHONG Bo—xing ,HE Tai—rong , ,ZHANG Zhe ,WU Yu-qin (1SchoolofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing 401331,China; KeyLaboratoryofSurface ProcessandEnvironmentRemoteSensingintheThreeGorgesReservoirArea,Chongqing 401331,China) Abstract:【Objective】The present study explored spatial-temporal pattern evolution and its driving forces of agricul— tufa1 areas in Huaibei plain.in order to provide scientiifc basis for sustainable utilization and management of cultivated land resources.【Method】Based on the relevant statistical data from 2000 to 2013,this paper analyzed spatial—temporal pattern evolution of cultivated land acreage of agricultural areas in Huaibei plain.Anhui province.The main indexes in. cluded dynamic degree of cultivated land.cultivate land index and gravity center model of cuhivated land.Then the driving forces in the spatial—temporal pattern evolution of cuhivated land area were studied by principal component analysis.【Re— suh】(1)Total cultivated land area in Huaibei plain and most counties(distirct)decreased to a smal1 extent during 2000—2013,but cuhivated land area in the rest parts increased.(2)he Tspace distirbution pattern of cultiqated land area in the west was more than that in the east.The gravity center of cultivated land shifted from no ̄hwest to southeast during study period.But for the whole study area.the migration range was not large.And it did not affect the whole distribution pattern.(3)Principal component analysis showed that main driving forces were social economy and urbanization.capability of agricultural production and natural disasters.【suggestion】F0ll0wing suggestions are proposed:strengthening the protection or exifsting cultivated land resources,rational development of reserve land resources;relying on science and technology to improve agricultural production capacity,improving land management policies to ensure the vital interests of farmers;con— trolling population and establishing the consciousness of cultivated land resources crisis. Key words:cultivated land area;spatial—temporal pattern evolution;driving force;principal component analysis;a— gricuhural areas in Huaibei plain 收稿日期:2016—08—07 基金项目:国家自然科学基金项目(415011041 作者简介: 为通讯作者,何太蓉(1973一),博士,教授,主要从事自然资源与环境研究工作,E-mail:125806808@qq.con。钟博星(1991一), 研究方向为生态灾害与环境保护,E—mail:6515908O5@qq.eom 1期 钟博星等:淮北平原农业区耕地面积时空格局演变与驱动力分析 ・175・ 0 引言 【研究意义】耕地是人类赖以生存的物质基础,是 国家粮食安全和社会稳定的重要支撑和保障(王文刚 等,2012)。自改革开放以来,我国处于城镇化和工业化 快速发展阶段,国家经济建设占用了一定数量的耕地 (陈红等,2010),且由于人口数量大,我国人均耕地面积 远低于世界平均水平。因此,分析耕地的时空格局演变 及其驱动力,对合理利用耕地资源,实现区域耕地动态 平衡和耕地资源的可持续利用(曹银贵等,2007),以及 协调好耕地保护与经济发展、生态环境间的关系有着 重要意义(梁海鸥,2012)。【前人研究进展】国外学者对 耕地面积时空变化的研究主要依托对土地利用土地覆 年耕地面积时空变化特征进行研究。总之,这些相 关研究分别从全国(王国刚等,2014;张荣天和焦华 富,2015)或区域(邓楚雄等,2013;杨春艳等,2015)等不 同时空尺度对耕地的时空格局演变及其驱动力进行了 有益探讨,为今后的耕地保护提供了参考依据。【本研 究切人点】淮北平原农业区是安徽省最大的粮、棉、油产 区,也是我国重要的农业商品粮基地和农业开发治理 的重点区域之一,对保障地区粮食安全和社会经济发 展起着关键作用(洪舒蔓等,2014)。近年来,该区社会经 济陕速发展,人口激增,对土地的需求日益增多,人地矛 盾突出,但目前有关该区域耕地面积时空演变及其驱 动因素的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以淮北 平原农业区各县(区)为研究样本区域,揭示其2000~ 20 1 3年耕地面积的时空格局演变过程及其特征,并对该 被变化(LuCC)的研究,如Barbier等(2010)以越南森林 转型为例,指出影响土地利用变化的驱动因素主要包 括内生社会生态系统和外生社会经济系统两个方面, 内生社会生态系统是稳定森林覆盖率的主导因素,外 生社会经济系统是土地转型的根本动力;Lambin等 (2010)探讨了土地利用与森林覆被转型的关系,认为 区域耕地面积动态变化的驱动力加以研究,为其耕地资 源可持续利用及社会经济可持续发展提供科学依据。 1研究区概况与研究方法 1.1研究区概况 二者是不可分割的总体模式;Ferreira等(2015)基于航 空相片和农业人口普查数据探索巴西大西洋甘蔗用地 的动态变化,认为强制性因素在所有影响土地变 化的因素中最显著。国内学者则运用不同方法对一些 淮北平原农业区位于安徽省淮河干流以北至沙颍 河以南的广大地区,东、北部与苏、鲁接壤,西、西北部与 豫毗邻,南临淮河。该区地处暖温带的南缘,年平均气 温14~l5℃,昼夜温差大,日照充足,雨热同季,无霜期 地区进行了相应研究,如邓楚雄等(2013)结合GIS分 析了长株潭城市群地区耕地数量的时空差异,并对研 究区耕地数量变化的驱动因子进行定量分析;王国刚 等(2014)基于耕地集约利用模型分析了1996~2008年 中国省域的耕地集约利用时空变化及其影响因素;杨 春艳等(2015)以四期遥感资料为数据源,对1980~2010 200~220 d,地下水资源丰富,全区以砂姜黑土和潮土为 主,属冲积、洪积平原,地势平坦,微地形起伏,非常适于 农业的综合开发与利用。该区总面积约4 ̄10 km ;2013 年末总常住人口3 152.48万人,其行政区有淮北、毫州、 宿州、蚌埠、阜阳和淮南6市,为研究方便,每个地级市所 辖区合并为一个单元,即6个市辖区(图1 o _ A肌CUlnlraI areaS ln H衄lbel pJam i ~ 。_ ::盐... 图1研究区域示意图 Fig.1 Sketch map of study region ・176・ 南方农业学报 48卷 1.2数据来源及研究方法 第j县(区)的耕地面积,X和y提第i县(区)所在 地的经纬坐标。 本研究数据来自《安徽省统计年鉴(2001-2014)》 和研究区各市的统计信息网。选用的指标包括耕地动 态度、耕地指数和耕地重心模型。运用Arcgis 9.3呈现 耕地的空间差异及耕地重心的空间移动轨迹,应用 SPSS 17.0进行主成分分析。 2淮北平原农业区耕地面积时空格局 演变 2.1耕地面积时间格局演变 2.1.1耕地总面积时间格局演变 由图2可看出, 1.2.1耕地动态度其表达式为: 耕地动态度用于表达研究区一 定时段内耕地的数量变化睛况(王秀兰和包玉海,1999)。 2000-2013年淮北平原农业区的耕地总面积呈阶段性 递减趋势,耕地总面积从2000年的210.98万ha减少到 K ×{×1o0 (1) 2013年的209.65万ha,减少了13296.00 ha。淮北平原农 业区耕地总面积变化大致可分为3个阶段。第一阶段: 2000~2003年,此阶段耕地总面积呈急剧减少态势,由 2000年的210.98万ha减少N2003年的207.79万ha,净减 式中,K为耕地动态度,LA( ,t1)和L^(j, )分别 为研究期初和期末时耕地的数量,功时间。K的绝对 值越大,说明变化幅度越大;当K>0,表明耕地数量增 加,反之,耕地数量减少。 1.2.2耕地指数耕地指数是一种反映耕地利用空 间格局的有效方法。其表达式为: R (%)=(E/S)×1O0 (2) 少了31953.00 ha,其中2002年末耕地总面积变化幅度 呈近似垂直减少趋势,其原因是2000年之后随着皖北 经济的快速发展,基建项目增多,造成耕地面积大幅 减少。第二阶段:2003~2008年,此阶段耕地总面积呈 明显的波动状态,一是2004年安徽省行政区划调整把 原本不在该行政区的属于合肥丰县的孔店乡、三 式中,R 为耕地指数,E为第j县(区)的耕地面积, SJ为第堪(区)的行政区面积。 1.2.3耕地重心模型重心模型能够可视化地表达 出某要素的空间集聚或偏移程度。重心模型的坐标一 般用经纬度表示,原始的重心坐标通常选取省、市 (区、县)所在地的经纬度。本研究使用的耕地重 心模型表达式为: X尸 (G,xXi)l C,t YF ( )/ Gf (3) (4) 和乡、曹庵镇、史院乡、孤堆乡、杨公镇和孙庙乡等7个 乡(镇)划入淮南市管辖,因此2004年该行政区耕地面 积显示增加;二是相对于2004年,2005年耕地面积减 少较多的原因是建设用地的大增;三是2005-2007年 耕地面积递增,其原因可能是此间推出土地复垦 和措施的影响;四是耕地面积在2008年又迅速减 少,其原因是安徽省实施“861”工程,兴建交通水利设 施占用了一定量耕地。第三阶段:2o08 ̄20l3年,此阶 段为相对稳定阶段,每年维持约209.00万ha的耕地保 有量,主要原因是生态保护愈来愈被普遍关注,生态 退耕得以有效贯彻实施。 0O80式中,X和 分别代表f年耕地重心坐标, 是 日o耕地总面积Total cultivated land area 212.O0 211.OO 21O.OO 209.00 蓁 208.00 2O7.O0 206.00 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 年份Year 图2 2000-2013年淮北平原农业区耕地总面积及人均耕地面积变化 Fig.2 Total cultivated land area and per capita cultivated land area ofagricultural areas in Huaibei plain during 2000—2013 2.1.2各县(区)耕地面积时间格局演变用耕地动 差异。整个淮北平原农业区总耕地动态度为一0.05%, 态度分析淮北平原农业区各县(区)在2000~2013年耕 地变化情况。根据公式(1)得到研究区23个县(区)l4 年间的耕地动态度。由图3可知,2000年以来,淮北平 原农业区各县(区)耕地面积及其变化速度存在较大 大部分县(区)与其相似,说明整个农业区及其大部分 县(区)的耕地面积小幅减少;砀山、阜南、濉溪、固镇、 五河和怀远等6县的耕地动态度负值较大,说明其耕 地面积减少幅度较大;蚌埠、淮北和淮南3个市辖区为 1期 I) 一 一世抬蒋簧蒸 5 4 3 2 1 0 1 2 钟博星等:淮北平原农业区耕地面积时空格局演变与驱动力分析 ・I77・ |J 葛Alll暑 J0 0譬 }J lJl§蛊 0 0 O 0 0 O 0 O O 0 0 0 0 O 0 O 0 ’/八\.入/\.…..……….~. .-_— 一 ’ / ’’’、、/’ 拉 ’ \/ 。凶 凶 讹 1 凶 撼 讹 . n 讹 凶 芒 们 犀 讹 错 凶\ 悄 j 谁 删 目 县(区)County(district) 图3淮北平原农业区各县(区)耕地动态度 Dynamic degree ofcultivated land in each county(district)ofagricultural areas in Huaibei plain 偏大正值,说明其耕地面积增加,其原因可能是行政 区划调整,尤其是周边农村调整到市辖区。 2.2耕地面积空间格局演变 形态变化(王晓文等,2014 o根据公式(3)和(4)可计 算得到淮北平原农业区2000~2013年各年的耕地坐 标。由图5可看出,2000~2013年淮北平原农业区的耕 本研究采用耕地 地重心总体上向东南移动,从2000年起,耕地重心经 2.2.1耕地面积的空间分布格局指数来表达耕地的空间分布格局。根据公式(2)计算 出淮北平原农业区各县(区)的耕地指数;运用Arcgis 向移动0.0082。E,即0.913 km,纬向移动0.0144。N,即 1.603 km,14年间向东南方向总共移动1.778 km,但各 年份耕地重心移动距离长短不一,移动方向不尽相 同。其中,2003~2004年耕地重心迁移幅度最明显,向 的自然断裂法将该区域耕地空间分布格局划分为3个 部分,即稀疏区R ∈[0,0.5],一般区R ∈(0.5,0.6j,密 集区R (0.6,0.7];最后生成淮北平原农业区2000和 2013年的耕地面积空间格局(图4)。由图4可知,淮北 平原农业区的耕地密集区主要集中在西部,其中太 和、临泉及涡阳3县分布着可观的耕地资源,而东部的 耕地资源显然不如西部,除濉溪、灵璧、固镇和怀远4 县分布有足量的耕地资源外,其余的淮北、宿州、蚌埠 和淮南4个市辖区及凤台、五河、泗县、萧县和砀山5县 均为耕地稀疏区。因此,淮北平原农业区耕地面积总 体上呈西多东少的空间格局。 2.2.2耕地重心变化耕地重心代表了区域耕地分 布在空间上的集中性,能够较好地反映出耕地的空间 东南移动1.425 km,其主要原因为行政区划的调整增 加了研究区的耕地面积;2004~2007年耕地重心出现 回调现象,总体向西北方向迁移,即经向从116.5452。E 到1 16.5419oE,回调了0.0033。,其原因主要是该时期研 究区耕地总面积处于明显波动的阶段,导致耕地重心 出现回调现象。值得注意的是,研究区在14年期间的 耕地重心虽有一定幅度的迁移,但总体上迁移幅度较 小,对耕地面积西多东少的分布格局影响不明显,且 耕地重心的移动现象与耕地总面积时间格局的演变 阶段基本吻合。 B __l_ SpaRe 稀疏 Z.J 般区 _area /General alga 密集区 Dense area 0 l5 30 60 90 I20 图4淮北平原农业区2000和2013年耕地面积空间格局 Fig.4 Spatial pa ̄em of cultivated land acreage of agricultural areas in Huaibei plain in 2000 and 20 1 3 :178・ 南方农业学报 48卷 。 暑 一N0v世好 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 2 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 葛 罱 导 荨 导 H H H H H -一 经度(。E)Longitude 图5 2000-2013年淮北平原农业区耕地重心迁移轨迹 Fig.5 Moving track of cultivated land gravity centers of agri— cultural areas in Huaibei plain during 2000—2013 3淮北平原农业区耕地面积时空格局 演变驱动力分析 3.1指标选取与分析方法 影响耕地面积时空格局演变的因子较多,本研究 根据主成分分析(徐秋艳,201 1)的基本要求和淮北平 原农业区各县(区)现有资料,依据科学性、系统性、代 表性和可获取性等原则,选取了12个指标,分别为 地区生产总值(亿元)、 城镇化率(%)、 房屋竣工建 筑面积(ha)、 公路里程(km)、X受灾面积(千ha)、 复种指数(%)、X7农业化肥施用强度(kg/ha)、 固定 资产投资(亿元)、 云次产业比重(%)、X。农业总产值 (亿元)、Xl 农业机械总动力(万kW)、 :农村用电量 (万kW),其中,城镇化率采用人口指标计算。 利用主成分分析法对2000-2013年淮北平原农业 区耕地面积时空格局演变的驱动力进行研究。首先得 出前3个主成分因子的累计贡献率,其累计贡献率达 98.065;然后采用方差最大旋转法得出3个主成分因子 载荷矩阵,将X、 、 、 、 和 归为第一主成分, 、X7、 和X。归为第二主成分, 归为第三主成分, 同时,亦将这三大类分别纳入社会经济与城镇化因 素、农业生产能力和灾变因素。 3.2驱动力分析 3.2.1社会经济与城镇化因素经济发展是土地利 用结构及其演变最根本的动力(陈朝,2007)。淮北平 原农业区因其突出的农业地位,决定着农业生产是其 社会经济发展的前提和基础,也是影响其耕地面积时 空变化的决定性因素。社会经济对耕地面积时空变化 的驱动主要表现在农业结构调整和经济结构优化两 个方面(表1,图6)。由表1可知,淮北平原农业区种植 业占大农业的比重从2000年的63.3%下降 ̄U2013年的 56.6%,而同期牧业产值比重从24.7%增长N30.7%,农 林牧渔服务业产值比重也略有上升,说明该区域农产 品市场正趋于多样化,以种植业为主的小农业比重逐 渐减小。 表1 淮北平原农业区农业总产值结构变化(%) Table 1 Structural changes of agriculture gross output value of agricultural areas in Huaibei plain(%) 根据国家农村统计报表制度规定,从2003年起,在农林牧渔业总产值 中增加农林牧渔服务业 According to the national rural statistical report system,gross output  ̄)alue of agriculture,forestry,animal husbandry and fishery included services for agriculture,forestry,animal husbandry and fishery since 2003 优化经济结构是淮北平原农业区实现农业现代 化的有效途径。在农业产值得以保障的前提下,各县 (区)大力发展第二、三产业,实现地区经济的快速发 展。如图6所示,淮北平原农业区的地区总产值从2000 年的923.24亿元增长 ̄J2013年的5398.81亿元,14年来 增长了近5倍。由图6可看出,第一产业在国民经济中 的比重逐年减少,第三产业发展较平缓,而第二产业 发展较快,由2000年的34%f ̄长g1]2013年的5l%。李艳 (2010)研究表明,此阶段工矿用地规模和塌陷区面积 快速增加,致使耕地面积大量流失;2000~2013年该地 区固定资产投资额占地区生产总值比率始终小于全 国,说明该区资金短缺、招商引资力度不足,投资 对耕地面积时空演变的驱动作用较弱,与其他大城市 有所不同(郇红艳和孙君,2012)。 城镇化是耕地面积时空演变的关键驱动因素。 2000 ̄2013年该地区房屋竣工建筑面积从612.97 ha增 长 ̄2406.53 ha,增长了近3倍;公路里程由2000年的 24247 km增 ̄nN2013年53251 km,增加了29004 km。 城镇化加速城市扩张、旧城改造、公路交通设施建设 等,推动城市房地产业的快速发展,同时大量农村劳 动力脱离农耕生产,部分农村人口在城市安家落户导 致农村耕地闲置,而农村宅基地尚未转化为农用地, 出现城市农村“两头”占的局面,必然带来耕地的占用 问题。 3.2.2农业生产能力因素复种指数、农业化肥施 用强度、农业机械总动力和农村用电量是构成农业生 产能力的主要因素。复种指数能有效反映耕地的利用 口。一 。 2 一 一刺 1期 钟博星等:淮北平原农业区耕地面积时空格局演变与驱动力分析 ・179・ 舳 0 ∞ O 加 0 加 0 0 O +第一产业比重Proportion ofprimary industry +第二产业比重proportion ofse ̄ondary industries +第三产业比重Proportion oftertiary industries 十全国比重National prol ̄)ortion ——o一淮北平原农业区比重Proportion ofagricultural 0 H n寸In 。o 0 'tq n 昌昌昌昌g g昌昌昌昌苫 t"-I N N 苫苫 N 年份Year 图6 2000-2013年淮北平原农业区各产业比重与固定资产 投资比重的变化 Fig.6 Changes ofproportion ofvafious industries and fixed as— set investment proportion of agriculture areas in Huaibei plain during 2000-2013 程度和集约化水平。据统计,2000~2013年淮北平原农 业区复种指数从192%提高到210%,说明耕作方式不 断向集约化方向转变;农业化肥施用强度、农业机械 总动力和农村用电量分别由555 ks/ha、1514.86和 172014万kW增加到758 kg/ha、3265.90和486848万 kW,分别增长37%、116%和183%;粮食总产量由 1234.29万t增加到187032万t,增加了636.03万t。因此, 农业化肥施用强度加大、农业机械总动力提高、农村 用电量增加均在一定程度上提高粮食单产,实现以较 少的耕地面积确保等量甚至增量的粮食总产量,确保 了粮食安全(刘彦彤等,201 1)。这也是该区耕地非农 化的前提。 3。2.3 灾变因素淮北平原农业区地处我国秦淮线 上,特殊的地理位置使其气候具有明显不稳定性,是 我国气候变化的敏感区之一。夏季旱涝灾害频繁,冬 季低温、寒潮灾害多发,给当地的农业生产带来严重 挑战。同时,因全球变暖病虫害增多,农药施用量增 加,导致农业面源污染不断恶化,灾变与经济因素间 相互作用对耕地数量产生影响,使农民对农业生产的 积极性大大降低,减少对耕地的耕作需求,出现耕地 撂荒弃耕,可能引起耕地面积的减少。 4建议 (1)加强现有耕地资源的保护力度,合理开发后 备土地资源(赵永华等,2103)。农业生产、保障粮食安 全是淮北平原农业区的工作重心,提升农业生产能 力、提高农业产量是耕地非农化的前提,因此,建立健 全耕地保护机制,依法管理耕地,减少耕地保护与未 来建设的冲突。(2)依靠科技,提升农业生产能力;完 善,保证农户切身利益。一是要加强科学技术应 用,建立“3s”耕地资源动态监测和灾害预警体系;二 是不断增加农业科技投入,开发先进的农业生产技术 和设备,研究并推广耕地灾害防治技术;三是完善耕 地保护,依法管理土地,保障农产品价格;提高农 民收入。(3)控制人口数量,树立耕地资源危机意识。 人口快速增长带来耕地压力的增大,淮北平原农业区 除煤炭资源及部分非金属资源外,大多数资源人均占 有量相对较少,因此,亟需增强淮北平原农业区耕地 保护意识。 参考文献: 曹银贵,王静,程烨,刘爱霞,刘庆,吴剑.2007.三峡库区开县 30年耕地变化分析[JJ.中国土地科学,21(1):43—47. 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