基于ESDA―GWR的四川省耕地时空演变特征及成因分析

摘要：以四川省市域为研究单元，计算21个市州2000-2013年耕地丰度指数及耕地变化指数，在借助空间自相关及重心模型基础上研究其耕地时空演变特征，并应用灰色关联模型和地理加权回归（GWR）模型探讨影响耕地变化的驱动力和影响程度。结果表明，四川省耕地资源表现出明显的空间异质性，耕地丰富区主要集中在川东地区和四川盆地，耕地稀疏区集中在川西高原区；耕地重心呈L形移动轨迹。四川省耕地总量在减少；变化剧烈（high-high）区在成都和眉山周边；耕地重心向南偏移。人口增加和经济发展因素是影响耕地变化的主要驱动力，人口因素影响程度最大的是攀西地区，经济发展因素影响最大的是川东北地区。

关键词：耕地变化；空间自相关；重心模型；影响因素；四川省

中图分类号：S151+3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）21-5513-06

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.21.018

Study on Spatial-temporal Characteristics and Driving Forces of Cultivated Land Change in Sichuan Province Based on ESDA-GWR

SHE Xiao-ting， L? Lei， WANG Yu-gui

（Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest of Ministry of Education/College of Geography and Resources Science， Sichuan Normal University， Chengdu 610066，China）

Abstract： In this study，the abundance index and changing index of the cultivated land at 21 cities in Sichuan province were calculated. Based on the spatial autocorrelation and gravity center model， the spatial-temporal characteristics of cultivated land was analyzed，and the driving force of these change and influence degree were also studied by gray correlation analysis method and geographically weighted regression model. The results showed that the cultivated land resources of Sichuan province presented obvious spatial heterogeneity，the rich region of cultivated land mainly concentrated in in east region of Sichuan and Sichuan Basin， the sparse area of cultivated land concentrated in the Western Sichuan Plateau； the moving track of cultivated land center showed the form of "L". The total arable land of Sichuan province is decreasing，the severe（high-high） area of cultivated land change is in the periphery of Meishan and Chengdu， the farmland gravity is shifted to south. The increase of population and the economic development might be the main driving factors that affect the change of cultivated land. The greatest driving factor in Panxi area was population and in the northeast of Sichuan was economic development.

Key words： cultivated land change； spatial autocorrelation； gravity center model； impact factors； Sichuan province

耕地是土地重要生a要素之一，是社会稳定和粮食安全的基本保障，也是生存和发展的基本条件，保护耕地是国家义不容辞的责任[1]。国务院提出1.8亿亩耕地红线不动摇政策，也证明耕地保护的重要性。在当前经济快速发展、人口增长等大背景下，中国建设用地规模扩展，导致耕地日益减少。据统计年鉴显示，中国耕地从改革开放到2011年，耕地净减少0.128亿hm2，平均每年减少耕地40万hm2，其中大部分耕地被建设用地占用，对耕地保护政策构成极大的威胁。因此，对耕地时空变化规律的研究，对有效的耕地保护及区域合理有序发展具有现实意义[2-4]。

四川省作为农业大省及13个粮食主产区之一，处于城镇化和工业化“双加速”时期，在快速发展的同时，其耕地资源总量减少，到2012年人均耕地面积仅为0.049 hm2，低于联合国粮农组织所确定的人均耕地0.053 hm2的警戒线，严重威胁四川省的粮食安全和经济持续发展。基于此，大部分学者着重从耕地数量及土地利用结构角度研究四川省耕地动态变化[5-7]，也有学者利用RS和GIS技术分析四川省耕地时空变化[8-10]。但极少有学者考虑到空间单元之间关联性，未能客观揭示四川省耕地时空分异特征。本研究通过构建耕地丰度及耕地变化指数，引入探索型空间分析（esda）及重心模型，着重研究四川省耕地时空演变规律，探讨耕地变化的影响因素，以期为保护耕地及区域可持续发展提供政策依据。

1 研究区域及方法

1.1 研究区概况

四川简称“川”或“蜀”，省会成都市，自有“天府之国”美誉，是西南、西北和中部地区的重要结合部，地处中国西部长江上游，位于东经92°21′-108°12′和北纬26°03′-34°19′。东连重庆，南邻滇、黔，西接，北界青、甘、陕三省。四川东部为川东平行岭谷和川中丘陵，中部为成都平原，西部为川西高原。四川现辖1个副省级市，17个地级市，3个少数民族自治州。据统计年鉴显示，四川省耕地面积从2000年到2013年共减少352 270 hm2，人均耕地面积从0.052 hm2减少到0.049 hm2。

1.2 研究方法

本研究以四川省21个市州为研究对象，利用耕地丰度指数研究四川省耕地空间格局，其次，运用相对变化率、探索性空间数据分析技术和重心模型分析耕地变化的空间差异。最后，应用灰色关联和空间地理加权回归剖析耕地变化的影响因素。所采用的耕地数据、人口数据均来源《四川省统计年鉴》（2001-2014）。

2 耕地时空演变特征

2.1 耕地时空变化格局分析

四川省地处长江上游，地势复杂。全省耕地部分不均衡，主要分布在盆地丘陵区、盆周山区共占耕地面积的67.03%。其次是成都平原区及川西南山区，占耕地总面积的17%，川西北高原区耕地分布最少，仅占耕地总面积的3.8%。从统计年鉴分析，四川省耕地面积占辖区面积的8.21%，具体各个市州耕地面积分布通过构建耕地丰度指数，反映耕地面积在各个市州内部的分布比例[11]，公式如下：

Ai=

式中，Ai为21个市州中第i个市州的耕地丰度；Si为第i个市州的行政区面积；Fi为第i市州的耕地面积，根据公式计算出2013年四川省21个市州的耕地丰度指数，得到平均耕地丰度指数为17.95%，采用ArcGis的Jenks最佳自然断点分级法对四川省各个市州的耕地丰度作分级图，具体见图1。从空间分布图来看，耕地丰度具有明显的扇形分布特征。四川省耕地丰富区即耕地面积占比高于辖区面积占比的地区主要分布在资阳、遂宁、德阳、内江、自贡5市，这5市的耕地面积之占到占四川省耕地总量的23%，可见这些地区耕地资源丰度大，耕地流失少。耕地稀疏区主要分布在雅安、攀枝花、甘孜州、阿坝州、凉山州5市州，辖区总面积占到四川省总面积65%的5个市州的耕地面积之和仅占耕地总面积的15%，可见土地面积广阔但耕地面积较小，耕地丰度低。其中，尤其是凉山州的耕地面积大，但因为耕地面积占比低于辖区面积，故属于耕地稀疏区。

2.2 耕地时空变化差异分析

2.2.1 耕地变化空间分布 由于自然条件的区域差异及历史原因，再加上人口增速与经济发展速度不同，四川省内各市州2000-2013年耕地变化表现出明显地域差异[12]。对耕地变化的区域差异，采用相对变化率定量分析[13，14]，公式如下：

R=

式中，R为四川省某一市州的耕地相对变化率； Ka、Kb表示各地区耕地研究期初及研究期末的面积；Sa、Sb表示整个研究区耕地研究起初及期末的面积。一般情况R>1，表示该地区耕地变化大于全区域耕地变化，反之，则小于全区耕地变化。根据公式计算得知，四川省各市州的耕地相对变化率（图2）。

1）耕地变化剧烈区。耕地变化剧烈的区域包括雅安、攀枝花、成都市、凉山州，其R>2。其中，雅安的耕地变化率位居全省之首，达到4.35，耕地变化最为剧烈。这主要因为雅安作为“川西咽喉”、“门户”，具有重要的交通地理位置，地貌以西部山地和东部平原交错分布为主，人口较集中分布在平原区。近年来，受经济快速发展影响，耕地面积从86 650 hm2减少到56 093 hm2，耕地变化显得尤为剧烈。其次，成都市作为省会城市，城市化、工业化发展快速，占成都市耕地减少较大比重。攀枝花市位居全省经济第二位，受工业化及地形因素影响，耕地变化较大。

2）耕地变化缓慢区。耕地变化缓慢区主要包括资阳、内江、德阳等10个市州，耕地变化率处于1-2之间，10个市州耕地相对变化率与全省耕地变化水平差异不大，由于本区域主要集中在川东、川中及川西北高原区，经济发展较为均衡，差异不大，因此耕地相对变化率较为缓慢。

3）耕地化稳定区。耕地变化稳定区包含泸州、巴中、广元、达州、自贡、宜宾、甘孜州，其R

2.2.2 耕地变化空间自相关分析 耕地变化受到许多因素综合影响一般包括自然因素和经济社会因素，根据地理学第一定律：事物之间存在相互影响，且近距离事物影响程度大于远距离事物[15]。为了分析不同地理单元之间空间效应的作用与影响，有必要采用空间自相关分析四川省耕地空间变化特征，以明确耕地变化的聚集区域。空间自相关是研究所观察的不同对象的同一属性在空间上的相互关系，分为全局空间自相关和局部空间自相关[16]。

以相同方式计算四川省28个市州2000-2007和2007-2013两个时间段的耕地相对变化率，通过Arcgis软件转化为矢量文件，而后加载到Geoda中创建基于Queen方式的空间权重，对四川省28个市州相对变化率进行全局空间自相关分析，结果如图3所示。从图3可知，在2000-2007年和2007-2013年两个时段内，大部分市州落入了第一、三象限，其Moran's I2000-2007=0.17和Moran's I2007-2013=0.26，表现为空间正相关，说明28个市州的耕地变化率的在空间分布上并非完全随机，而是表现出空间相似值的聚集分布，属于“高-高”和“低-低”聚集类型。采用蒙特卡罗模拟检验散点图的显著性，P值为0.099和0.016通过显著性检验，即在95%的置信水平下耕地变化的全局空间自相关是显著的。

通过对比两个时段耕地变化的LISA聚集图（图4）。2000-2007年耕地减少变化剧烈集聚区出现在成都市和眉山市，主要是因为成都市作为省会城市，经济快速发展，带动城市扩张占用耕地，必然使这时段内耕地变化较为剧烈，辐射周边市形成“高-高”聚集区。同时，这一时段内也出现耕地变化“低-高”集聚区，表现四川省耕地变化具有不均衡性，表明耕地变化低于全省变化速度的甘孜州，其周围市州如雅安市、凉山州、阿坝州的耕地变化速度去高于全省耕地变化水平，产生“低-高”集聚现象。2007-2013年四川省耕地变化“高-高”聚集区转移至凉山州，表明其周围的攀枝花市、雅安市等的耕地变化速度也高于全省平均水平。主要因为这一时期凉山州耕地面积从331 230 hm2增加到355 840 hm2，耕地变化较为剧烈，周围城市的耕地变化速度也较快，相应的耕地变化在空间上也表现出集聚性。同时，在四川盆地南部的自贡市出现“高-低”聚集区，表明四川省耕地变化空间差异性。

2.3 耕地时空变化形态分析

耕地空间分布不均衡，在空间分布上会有一个重心，通过耕地重心变化来分析耕地空间变化态势。引入平均重心计算不同时段四川省耕地分布重心坐标，公式如下[17]：

=MiXi/Mi =MiYi/Mi

式中，Xi为四川省第i个市州的经度；Yi为第i个市州的纬度；Mi为耕地面积。利用Arcgis计算出四川省3个时段耕地重心坐标，输出2000年、2007年和2013年3个时间节点耕地重心坐标变化轨迹散点图（图5）。四川省2000年、2007年、2013年的耕地重心都分布在资阳市内，分别为E104.78 °、N30.31 °，E104.76 °、N30.27 °，E104.77 °、N30.25 °。2000年耕地重心向西南方向偏移4.628 km，2007年向东南方向偏移2.22 km。相比2000年，到2013年四川省耕地重心整体向南偏移，一方面由于成都及周边城市快速发展，城区扩大占用耕地，导致耕地减少，另一方面资阳市及以南几个城市耕地资源丰富，双重作用促使耕地重心向南偏移。

3 耕地时空变化成因分析

影响耕地变化的因素复杂多样，包括自然因素和社会经济因素。一般而言，在短时间内自然因素引起耕地面积变化效果不显著。因而，社会经济因素起主要作用。考虑数据的可获取性和系统性，结合相关文献研究及四川省实际情况[18-20]，从引起耕地变化的人口、经济、社会、农业水平4个方面因素中选择10个指标（表2）。将错综复杂的驱动因素看作成一个灰色系统，将耕地面积作为母序列，10个社会经济指标作为子序列。取分辨系数ρ=0.5，进行灰色关联度计算并排序，得到影响耕地面积变化的主要驱动力。

从表2看出，在2000-2013年时段内，各驱动因子与耕地面积变化关联程度排序为：社会固定资产投资

对于主要影响因素的空间程度的表达，引入空间地理加权回归的方法。选择前3个主要因素人口（X1）、第三产业增加值占比（X2）和粮食单产（X3）作为自变量系数进行gwr回归。得出R2=0.885，Adjusted R2=0.802，AICc值为24.032，说明GWR模型拟合程度较好。①以人口为系数的地理回归是以攀枝花和凉山州为热点敏感区逐渐向东北区域方向递减，说明人口因素对于耕地变化的影响以攀西地区尤为显著。②第三产业增加值占比的地理回归是以广元、巴中和达州为热点区逐渐向西南方向递减，说明对川东北地区的第三产业的发展对耕地面积的变化影响最大。③粮食单产的空间地理回归也是以广元和达州为热点区向西南方向辐射，说明这些地区的粮食单产提高对耕地的变化影响显著。

4 小结与讨论

本文通过构建耕地指数及耕地变化指数，借助探索性空间分析及重心模型，分析2000-2013年四川省耕地分布及变化特征，并对四川省耕地变化的驱动力进行灰色关联分析，通过研究发现。

1）近10年来四川省耕地资源总量减少，其耕地丰度空间呈现距离衰减规律，即以资阳、内江等核心向三面递减，具有明显的扇形空间分布特征。同时，研究表明耕地变化剧烈区，都集中在经济发展水平高的城市，经济发展越快占用耕地面积速度越大，导致耕地资源发生较大变化。

2）对四川省两个时间段空间自相关分析，表明耕地变化在空间上表现聚集性和异质性并存的不均衡现象。2000-2007年耕地资源变化速度快周边均较快（高-高）区域主要集中在成都市和眉山市，而低高聚集区在甘孜州。2007-2013年高化聚集区转移到凉山州，而高低聚集区在自贡。

3）基于重心模型得知，10年来四川省耕地重心都落在资阳市境内，且耕地重心总体向南发生偏移，2000-2007年耕地重心向西南方向移动，2007-2013年耕地重心向东南方向移动，说明川东北经济区与成都经济区的耕地流失比川南严重，这与经济发展的重心呈现空间耦合。

4）灰色关联分析计算关联度并排序发现：人口是其最具活力的因素，其次粮食单产和第三产业增加值占比与耕地面积变化关联度较高。说明控制人口数量与提高农业集约利用度，是保护耕地资源的关键。空间上，第三产业占比和粮食单产因素的影响程度呈现相同的空间态势，从川东北地区向西南扩散，而人口因素的影响程度是由攀西地区向东北方向递减。

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