南京市耕地时空变化及驱动力分析

岁秀珍，阮仁宗,颜梅春，高雷亭，张道祥

（1. 河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098）

耕地资源稀缺、人地关系冲突日益成为中国农业生产和社会经济发展的障碍[1-4]。国内外学者已在南京地区开展了土地覆盖、耕地资源研究。陈晶中在借鉴国内外经验的基础上，提出耕地管理、质量建设及科学利用等对策[5]；潘杰华预测了南京市2001～2010年的耕地数量警情，并提出实现南京耕地资源可持续利用管理的政策建议[6]；王艳君等分析了南京市土地利用时空变化特征[7]；刘世峰等结合数理统计分析, 揭示了江浦土地利用类型变化的数量特征和空间变化特征, 并对本地区未来几年的土地利用变化趋势作出预测[8]。本文在此基础上，通过对南京地区2000年、2005年和2010年遥感影像的加工处理,提取其耕地信息的动态变化情况,旨在了解南京市近10 a来的城市耕地结构变化,并分析了造成变化的主要驱动力,为今后评价南京市生态环境质量变化提供科学依据。

1 研究区概况与数据

南京市位于东经 118°22'～119 °14'、北纬 31°14'～32°37'，年均温16 ℃,年降雨1 106.15 mm，无霜期年均239 d。该市地形为宁镇扬丘陵区,以吊扇缓岗为主,在其土地总面积中,低山占3.50 % ,丘陵占4.30% ,岗地占53.00%,平原、洼地及河流湖泊共占39.20% ,土壤主要有地带性土壤和耕作土壤。南京市域面积6 597.163 km2,是长江流域四大中心城市和长江三角洲西部枢纽城市之一,同时也是中国重要的农业地区和商品粮基地之一。现代植物资源丰富、植物种类繁多,常见树种近50种[9,10]。

选用2000、2005、2010年冬季与夏季TM、ETM、HJ/CCD等遥感影像。影像预处理包括数据标定、大气纠正、地形光谱纠正、波段反射率计算、云标识、正射纠正等步骤。1/5万DEM和坡度等辅助数据参与数据分析,以提高信息识别精度。

2 南京市耕地遥感监测变化分析方法

2.1 耕地的图像识别提取

耕地提取采用面向对象的层次分类方法[11-14]，对由像元组成的纹理特征、几何属性以及对象与对象之间的空间关系特征进行识别。另外,通过分层的谱系关系,逐步分割、细化类型,以多尺度的对象拟合进行目标识别(分类采用Definiens公司Ecognition图像处理软件,影像分割尺度20)。为减少分类误差, 耕地决策树采取最短建树、最大类型划分的原则，划分指标选取了植被茂盛期NDVI、植被枯萎期NDVI、坡度、高程等,通过决策树的分离过程, 不断去除非耕地信息,达到耕地提纯的目标（图1）。

2.2 耕地的空间结构变化研究方法

2.2.1 耕地的变化速度

耕地动态度可表达区域一定时间内的耕地数量变化情况[15,16],公式为:

式中，Ua、Ub分别为研究期初及期末的耕地数量;T为研究时段长。当T设定为年时,K为研究时段的耕地面积动态度。

2.2.2 耕地利用的相对变化率

引入单一土地利用类型相对变化率来反映土地利用数量变化的区域差异。区域某一特定土地利用类型相对变化率可表示为:

图1 耕地提取层次分类方法流程图

式中，Ka、Kb分别为耕地研究期初及期末的面积; Ca、Cb分别代表研究区某特定土地利用类型研究期初及期末的面积。

2.2.3 耕地的空间变化模型

可以用土地利用类型重心变化情况来反映。第t年某种土地利用类型分布重心坐标计算方法为:

式中，Xt、Yt分别表示第t年某种土地利用类型分布重心的坐标; Cti表示第i个小区域该种土地资源的面积;Xi、Yi分别表示第i个小区域几何中心的坐标;n表示研究区内小区域的总个数。通过比较研究期初和期末各种土地利用类型的分布重心,可以得到研究时段内土地利用类型的空间变化规律。

3 南京耕地空间结构变化分析

3.1 耕地数量变化

遥感监测得到3期不同的南京耕地数据（图2）。2010年南京市的耕地总面积为3 379 km2，从2000年到2010年耕地总面积减少913 km2,占耕地总面积的27%,平均每年减少91.3 km2。南京市的耕地数量表现为总体减少趋势，按可比性分析，2005年以后的耕地减少速度小于2005 年以前的速度。人口增长、均居住条件改善、城市化发展以及农业结构调整是南京市耕地数量变化的主要动因。

3.2 南京市耕地的结构变化

2010年水田与旱地的比例为7.1︰1。与2000年相比较，水田减少841 km2，占耕地总面积的24%；旱地减少72 km2，占耕地总面积的2%。相比2000年旱地与水田比例为7.7︰1,2010年旱地的比例略有提高。耕地的减少主要表现为耕地转化为建设用地，面积达到了740 km2,所占比例为81%；其次是耕地转化为水库、坑塘等湿地，面积达到235 km2,所占比例为26%；还有少部分耕地转化为林地、草地，面积为2.9 km2。由于养殖场的存在，耕地增加表现为湿地转化为耕地（图3）。

图2 南京市2000～2010年耕地面积统计/km2

图3 耕地变化情况

3.3 耕地变化的空间分布特征

南京地区水田和旱地分布不均匀（图3b），耕地数量变化存在明显的区域差异 ,其中耕地的变化以雨花台区、江宁区为最大，鼓楼区变化最小（图3c）,高淳的耕地变化也相对比较大，由于养殖场的存在导致耕地和湿地之间的变化比较大。其他区主要是耕地与城乡居住建设用地之间的变化。南京市在 2000 年～2010年10 a内 ,变化最大的类型主要是耕地转化成城乡居住建设用地 ,其次是耕地转化为林地园地以及湿地。耕地转化为建设用地集中分布于大中小城市的边缘区以及原有的农村居民点附近。耕地转化为林地集中分布于山丘与平原的交错地带 ,平原地区则呈离散分布 ,主要表现为耕地向湿地、 园地的转化；在2000年～2010年这个时间段 ,不仅南京市中心扩张迅速 ,它的边缘区(内缘区和外缘区) 以及外围各地区发展也极为迅速 ,城镇建设用地沿着市中心向外以 “分散集团” 模式扩张 ,占用大量耕地。在 2000年～2010 年时期 ,耕地变化幅度有所减小，减少的耕地地主要分布在城区与周围城镇之间 ,使这些分散的 “边缘集团” 与城区有连成一体的趋势（图3 d）。

3.4 耕地的变化速度、相对变化率及空间重心转移

根据式（1）计算出南京耕地的动态变化度为-2.13，其中雨花台区和鼓楼区的动态变化度最小，分别为-6.77、-6.63；最大的分别为六合区、溧水县、浦口区，分别为-1.31、-1.33、 -1.11。由此可见，耕地变化存在着明显的区域差异，随着与市区距离的增加，耕地的动态变化度也越来越大。根据式（2）计算出南京地区的耕地相对变化率，鼓楼区和雨花台区最大，六合区、溧水县、浦口区最小，耕地动态度和耕地相对变化率呈现负相关关系。图4中耕地相对变化率大于1的区域类型 ,其耕地变化幅度大于全区耕地的变化,反之则小于全区耕地的变化。上述结果忽略了耕地变化的内在过程,只反映了耕地数量上的变化速度。南京耕地变化的主要方向为城乡居住建设用地不断扩张,大量侵占耕地,同时林地与耕地在不同的空间区位上发生转化 ,即外城蔓延和郊区城市化等2种增长形式。

图4 耕地的动态变化度和相对变化率

2000年～2005年南京城市的扩展主要以外向型方式进行,以江南和江北为中心呈现向四周非均衡扩张以及沿交通干线发展的特征。这段时期，南京市城镇用地扩张比较突出，导致耕地大量减少,耕地空间重心向西北方向移动570 m ,表明该时期南京江南城区城镇用地建筑密度提高明显,同期南京城区向南部和东南部扩展。2005年～2010年，城市主要沿长江一带向东南方向扩展,耕地空间重心移动136 m,如图5。

图 5 2000～2010年南京耕地重心转移图

4 耕地变化的驱动力因素分析

1）人口因素

耕地变化是人地相互作用的结果[17]。人民生活需求对土地利用类型有着特殊的影响,伴随着人民生活水平的提高,人民对社会便利要求越来越高,如交通。各个城市、乡村之间便利的交通是以征用耕地为代价的。随着人口数量的增加,以及人地关系紧张带来的社会压力,必然进一步驱动耕地发生剧烈变化。南京市人口增长迅速，由2000年的612.8万人迅速增长到2010年的800万人。这期间，迅速增加的人口必然会大量地需求城市建设用地,促使城市边缘地带大量的耕地转变为城市建设用地。、

2）经济因素

国内外有关城市扩展的驱动力分析表明,人口增加和社会经济的发展是城市扩建的主要驱动因素。改革开放以来,南京市GDP从2000年的1 020亿元,迅速增长到2010年的5 086亿。随着产业结构的调整,工业化步伐加快,城市用地的经济产出收益远远大于耕地,而处于城市边缘地带的耕地具有迅速转换成城市用地的潜力。这些耕地被迅速征为城镇用地和工业用地,各类需要用地的企事业单位纷纷到城市边缘抢占地皮。自1990年以来，南京城市迅速扩张,在这个过程中,由于抢占到的地皮到建设完成投人生产需要一定的时间,导致了一部分土地被闲置,影响了土地利用效率。与此同时,农业结构的调整,也使一些农业用地向相对具有更高经济产出的农业用地转换，如水稻和菜地会向果园和池塘转换,导致果园和池塘面积增加,而耕地面积减少。随着各个地区与市中心距离的增加，耕地减小的幅度会发生一定的变化（如图6）。

图6 各区域耕地变化与市中心的距离

3）政策制度因素

政策因素在耕地变化中起着不可低估的作用。通过政策、法律等手段引导社会的经济生产活动,进而影响到土地利用方式和强度。如国家的“退耕还林”政策,促使一部分耕地转变为林地；南京一号地铁线由于施工需要,城区大量耕地被破坏；在政府大力提倡绿色浦口的政策引导下, 星甸和汤泉镇大力发展苗圃种植业，使本地耕地面积变化受到影响。

4）自然因素

自然因素对耕地的作用主要体现在地形因素、病虫害以及降水等对绿地及其景观格局的影响。处于丘陵与山地的耕地,由于开发成本较大,因此避免了被大量破坏，而平缓地区和城镇内部的耕地,尤其是小面积斑块,被大量城镇建设用地占用；南京强大的经济基础和有利的区位条件，使得耕地面积发生一定的变化；由于水利条件比较发达，南京高淳发展养殖基地，导致了耕地向水塘的转变，等等。

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