三江平原典型地区水田分布格局变化特征

2017-11-01 08:41杨雪昕
中国土地科学 2017年8期
关键词:旱地水田标准差

宋 戈,杨雪昕,高 佳

(东北大学土地管理研究所,辽宁 沈阳 110169)

三江平原典型地区水田分布格局变化特征

宋 戈,杨雪昕,高 佳

(东北大学土地管理研究所,辽宁 沈阳 110169)

研究目的:以三江平原最具代表性的七星河地区为研究区,基于1990年、2002年和2014年遥感影像数据,揭示自20世纪90年代农业结构调整以来水田分布格局变化规律。研究方法:GIS空间分析和标准差椭圆分析法。研究结果:(1)七星河地区呈现阶段性的水田化特点。1990年水田占耕地总面积的12.56%,处于水田化初始阶段,2002年和2014年水田面积占比分别是31.85%和37.06%,均处于水田化中期阶段。(2)七星河地区水田基本呈东北—西南的分布态势,空间分布阶段性极化,整体水田分布逐渐收缩,且呈现北移东扩的特征。(3)七星河地区前期以旱地和未利用地的水田化为主,其中旱地水田化规律性弱,方向性不明显,后期则基本为旱地水田化,综合极化特征突出,未来七星河地区水田化进程将会进一步放缓。研究结论:七星河地区水田分布格局的演化规律将对区域耕地资源合理利用与高效管理提供重要的理论依据。

土地利用;三江平原;水田化;分布格局;标准差椭圆统计分析方法

1 引言

耕地格局可以反映区域粮食生产的数量及结构状况,是农业生态系统的空间表现,其变化特征影响农业生态系统的稳定性和农业生产功能[1]。抽象化和简约化各种模型对于解释耕地格局变化特征具有不可替代的作用[2]。全球平均地表温度升高和降水时空异质性的增大,对中国北方旱区农业生产和农业生态系统造成了深刻的影响[3-5]。三江平原是中国重要的商品粮生产基地,其地处中高纬度和欧亚大陆东端,增温幅度高于全球同期水平,年降水量呈略减少趋势[6],特别是自20世纪90年代中期以来,逐渐进入降水减少和干旱多发阶段[7]。三江平原应对全球气候变化的适应性对策之一,就是调整耕地以及耕地内部结构(旱地和水田),导致耕地垦殖由南向北、由西向东不断推进[8],其中水稻种植区北界由1980年代前期的47°N移至51°N附近[9],湿地基质逐渐变为农田基质,林地退缩,草地几乎被耕地所替代[10],该地区在国家粮食安全中的战略地位逐渐提升。水田是三江平原地区最主要的耕地景观类型以及中国粮食安全的重要保障,运用模型定量化研究该地区水田演化规律将对区域耕地资源利用与管理的策略制定以及保障国家粮食供应具有重要的意义。目前学者针对该地区水田的数量及格局特征方面的研究较为匮乏,仅有少部分研究采用景观指数法分析水田分布规律、用转移矩阵研究水田与旱地转化特征[1]和水田数量变化特征[11]等,研究深度不够,尤其是针对水田的来源用地规律研究更为匮乏。自20世纪90年代中国进入经济迅速发展时期后,大量易涝旱地转变为水田,水田扩张尤其剧烈[12],七星河地区是三江平原水田化的典型区域。因此,本文以七星河地区为研究区,基于1990年、2002年和2014年遥感影像数据,运用中心形态学中的标准差椭圆分析方法,深入分析20世纪90年代以来七星河地区水田分布格局及水田扩张的阶段性特征,不同阶段水田化的规律差异,明确水田化的发生范围、扩张方向和极化特征等问题,该研究成果为三江平原及同类地区耕地资源利用与保护提供重要的参考。值得强调的是标准差椭圆分析方法能够直观准确地计量空间格局的多方面特征,通过椭圆之间的相似性和差异性特征分别建立空间格局的顺序和鉴别各种状态[13],运用该椭圆将能够清晰反映出研究对象的空间分布整体轮廓和方向性特征,直观形象地揭示水田的空间演化规律。

2 研究区概况

七星河地区位于三江平原腹地,地处131°9′10″—133°18′23″E、46°11′45″—47°21′51″N之间,面积约1.04×104km2,属半干旱地带,为中温带大陆性季风气候区,夏季高温多雨,冬季寒冷漫长,该地区多年平均降水量518 mm,降水分布不均匀,主要集中于6—9月份,春季干旱频繁,秋季又多洪涝灾害。七星河地区呈现西南高、东北低的态势,水系自西南流向东北,主要包括内七星河和外七星河。该地区的地貌类型主要是山地和平原,其中山地主要分布在该地区的西南部和南部,平原主要位于北部和中部的内、外七星河地区。目前该区已建成4县(富锦县、友谊县、集贤县和宝清县)3区(宝山区、尖山区和四方台区),是三江平原主要粮食生产基地和国家重要商品粮基地。七星河地区农业开发活动非常活跃,建国以来经历多次大规模土地开发,其中1990—2002年是第4次垦荒高潮,当地政府采取资金补贴等相关政策,推行“以稻治涝”种植模式,大量低洼旱地改造为水田,土地利用格局变化剧烈,至2002年,农业结构调整政策基本推行完毕[1,13],因此,本文研究时点确定为1990、2002和2014年,以揭示该地区土地利用格局变化及空间分异特征。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

本文选取美国陆地资源卫星1990年、2002年和2014年Landsat TM/OLI的四景(条带号:114和115,行编号:027和028)云量符合标准的耕作期(6—8月)影像为主要数据源。参照全国土地利用分类体系并结合土地利用现状和研究目标,确定该研究区土地利用类型为耕地(包括旱地和水田)、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6大类。为保证人工目视解译精度,以境内的各县(区)全国第二次土地利用调查数据(2009年)为底图,根据经几何纠正及RGB假彩色合成后的影像色调、纹理等特征,并配合野外地物调查结果,进行地物类型斑块的修改和图层的拼接,并利用Google Earth软件进行精度验证后得到3期土地利用现状数据。

3.2 研究方法

3.2.1 水田化数量特征 “水田化”,即为非耕地类及旱地向水田转化的进程。本文采用水田占总耕地面积的比例η来反映水田化数量特征,其数学表达式如下:

式(1)中,ai为水田面积,单位为km2;A为耕地总面积,单位为km2。旱地水田化是该地区近十几年来最主要的景观变化特征[1],为分析各土地利用类型变化对水田的转化影响程度,借鉴经济学中的贡献率指标概念度量转化影响程度,以表征水田化来源用地的结构比例情况,具体公式如下:

式(2)中,Km-n为土地利用类型m转化为水田n的贡献率;Im-n为土地利用类型m转化为水田n的面积,单位为km2;ΔIn为转化为水田n的面积之和。

3.2.2 水田化地理分布特征 空间依赖性是空间数据的基本特征,独立性假设不成立,对空间数据的直接统计推理可能导致误导性的结论。中心形态学忽略空间数据的依赖性特征,未触及独立性假设以及一般统计方法的可靠性问题,以重心为中心的标准差椭圆能够描述节点在各个方向的离散状况,其形态在一定程度上可以反映节点空间组织的总体轮廓和主导分布方向。一般来说,标准差椭圆常用来度量一组点的数据空间分布特征,考虑不同大小的水田斑块对应不同面积的水田,可以将各斑块的面积赋值到对应斑块的几何中心点上以实现标准差椭圆分析的目的,其中心,即节点分布重心的迁移情况则反映总体格局位移特征,公式为:

式(3)中,M( X , Y )表示水田空间分布重心,n为分析单元数目,wi为分析单元的属性值,作为i对应分析单元的空间权重,(xi,yi)表示第i个子单元的中心坐标。

标准差椭圆主要由3个基本要素构成:转角θ、沿主轴(长轴)的标准差和沿辅轴(短轴)的标准差,转角θ为由正北方向顺时针旋转到主轴所形成的夹角,公式为:式(4)—式(5)中,x'i和y'i为各点距离平均中心的相对坐标,根据tanθ可以得到分布格局的转角,δx和δy分别为沿x轴和y轴的标准差。标准差椭圆的形状指数反映椭圆方向的明确性和向心力程度,可用来衡量水田总体分布格局及水田化规律的综合极化特征,值越大形状越接近于圆,分布的随机性越大,极化特征越不突出,反之越接近于线性,方向性特征越突出,极化特征越明显。

4 结果与分析

4.1 水田变化特征分析

4.1.1 水田数量变化特征 根据水田化进程的差异性,依据水田占耕地的面积比例,定量划分水田化分为三个阶段(表1):初始阶段(0%—30%)、中期阶段(30%—70%)和末期阶段(70%—100%),分析水田数量变化特征。

表1 1990—2014年七星河地区耕地变化数量Tab.1 The change amounts of farmland in Qixing River area from 1990 to 2014

统计结果显示,七星河地区水田扩张呈现明显的阶段性:1990年,七星河地区水田面积826.20 km2,仅占耕地总面积的12.56%,即水田化初始阶段。随着当地政府“以稻治涝”农业结构调整政策的推行,大量低洼旱地被改造为水田,同时七星河地区的中部及北部大量开发条件优越的未利用地资源被垦殖为水田,水田急剧扩张,至2002年当地水田面积约扩张2倍,已升至2670.14 km2,占耕地总面积的31.85%,进入水田化中期阶段,该时点农业结构调整政策基本推行完毕,随着当地未利用地等耕地后备资源逐渐开发殆尽,且经济建设及农业设施用地有较高占用耕地的需求,七星河地区耕地不增反减,由2002年的8383.29 km2轻微降至2014年的8368.44 km2,而水田面积缓慢上升,增至3101.22 km2,面积比例约上升了5.21%,变为37.06%,仍处于水田化的中期阶段。

4.1.2 水田空间变化特征 为进一步刻画七星河地区水田扩张空间特征,借助ArcGIS 10.2空间格局统计工具,运用中心形态学中的标准差椭圆分析法研究七星河地区1990、2002和2014年水田空间分布格局特征(表2)。

表2 1990—2014年七星河地区水田的标准差椭圆参数Tab.2 The parameters of standard deviation ellipse for the paddy fi eld in Qixing River area from 1990 to 2014

3个时点上,七星河地区水田的标准差椭圆(图1)的主轴均基本呈东北—西南走向,且短轴一致为西北—东南,表明1990、2002和2014年七星河地区水田分布趋向都为东北—西南轴,3个年份水田在东北—西南走向较西北—东南更为密集。体现为:1990—2002年,主轴沿顺时针旋转,转角θ由41.16°上升至48.12°,尽管七星河西部的宝清县境内出现大量的水田,其对标准差椭圆旋转起逆时针推动作用,但中部及东部的友谊县及其周边地带水田扩张更为明显,促使主轴持续顺时针转动。由于水田的需水量远大于旱地需水量,随着七星河地区水田的持续大量扩张,导致当地水资源供应不足,开始出现水田转化为旱地的情形,即“逆水田化”,特别是在七星河的南部地区,大量水田重新调整为旱地,导致2014年主轴轻微沿逆时针旋转,转角θ降至47.46°。

图1 1990—2014年七星河地区水田分布及标准差椭圆Fig.1 Paddy fi eld distribution and its standard deviation ellipse in Qixing River area from 1990 to 2014

1990—2014年间,七星河地区水田标准差椭圆形状指数先升后降,由1990年的0.30迅速上升至2002年的0.60,2014年则降至0.46,反映该地区水田空间分布极化呈现阶段性的特征。其中,1990年极化极其明显,主轴标准差达到68.55 km,方向性非常明显,但其辅轴标准差仅20.69 km,水田分布呈现的向心力强。2002年,主轴标准差急剧收缩至45.97 km,辅轴标准差则上升至27.76 km,水田方向性特征趋弱,离散程度增加,表征该时期七星河地区的水田扩张较为随机,境内各方向上均存在一定的水田化现象。随着七星河北部地区水田大量扩张,2014年标准差椭圆极化现象增强,主轴标准差增加至51.93 km,辅轴降至23.77 km。

尽管七星河地区3个时点的水田呈“凹”形的极化变化特征,但其水田分布实质是收缩的,本文在标准差椭圆分析中,将标准差级数设置为1级,即可将约68%的水田包含在椭圆内,并对1990、2002和2014年水田标准差椭圆面积进行统计。1990年,七星河地区水田标准差椭圆覆盖面积为4454.17 km2,后续水田扩张主要集中于七星河地区的内、外七星河沿岸,即七星河地区的中部地带,尽管在2014年七星河地区的北部地带出现大量的水田,但与之对应的是东部水田缓慢退缩,因此,七星河地区整体上水田仍呈收缩态势,变为3877.50 km2。重心对应水田的整体位置分布特征,1990年,七星河地区的水田重心位置为(132.19°E,46.82°N),2002年向西北方向移动4.2 km,变为(132.17°E,46.86°N),2014年则变为(132.31°E,46.95°N),往东北移动14.57 km。总体而言,该地区水田整体呈现“北移东扩”的扩张特征,恰好与三江平原水田的整体扩张方向相呼应。

4.2 水田化变化特征分析

4.2.1 水田化数量统计分析 为进一步分析七星河地区水田化进程,本文利用ArcGIS 10.2的叠加分析功能,依次对1990、2002和2014年相邻年份的土地利用数据进行叠加,统计水田化过程中各子发生类型(旱地→水田、林地→水田、草地→水田、水域→水田、建设用地→水田、未利用地→水田)的面积数量情况(表3)。

自20世纪90年代以来,七星河地区水田化进程中,前期主要以旱地和未利用地的水田化为主,后期则基本为旱地的水田化,即耕地的内部转换。具体表现为:1990—2002年间,七星河地区整体水田化进程非常强烈,6类非水田用地类型均发生了流向水田的过程,总面积达到2240.53 km2。在七星河地区大量低洼旱地改造为水田的政策背景下,当地旱地的水田化的发生面积为1846.78 km2,贡献率达到82.43%;其次为未利用地的水田化进程,七星河地区未利用地主要以沼泽为主,多分布于水资源丰富的内、外七星河的下游低洼地带,该地区具有良好的水田发展条件,约有343.13 km2的未利用地转换为水田,其水田化贡献率达到15.31%;其他4类用地类型水田化面积之和仅为50.62 km2,共占到2.26%,其中水域38.81 km2,主要为河滩湿地,水田化贡献率1.17%。

表3 1990—2014年七星河地区水田化的数量特征Tab.3 The amounts of paddy cropland in Qixing River area from 1990 to 2014

相较于1990—2002年间水田化特征,2002—2014年间,七星河地区水田化发生类型更加单一化,发生的面积显著减少。12年间,共约886.02 km2面积的非水田类用地流向了水田,而其中绝大部分为旱地,发生面积达到869.98 km2,贡献率98.19%,而其他5种用地类型水田化发生面积非常小,面积之和仅为16.04 km2。自20世纪90年代初期以来,七星河地区水田过度开发,造成土壤盐渍化形势严峻、农田可用水资源匮乏、地下水位大幅下降和生态环境破坏等问题,并逐渐引起了当地政府关注,水田扩张的主观意识逐渐淡化,当地政府逐渐引导科学合理的开发和利用水田;同时七星河地区水田化的初衷在于“以稻治涝”和经济利益驱动,进入21世纪以来,随着“两江一湖”改造和“高标准基本农田建设”等农田工程措施的陆续实施,涝害的潜在发生风险大量降低,同时水田耕作投资额度和管理投入显著高于旱地,随着基本农业要素成本的提高,水田和旱地之间的利益剪刀差逐渐弱化,农户进行水田改造的利益需求大大降低,导致农户水田化意愿大大降低,水田扩张逐渐放缓,2002年和2014年均处于水田化中期阶段(水田占耕地总面积的比例分别为31.85%和37.06%)。可以预见未来七星河地区水田占耕地总面积的比例将以非常缓慢的速度增加,甚至出现下降情形,水田化现象非常弱。

4.2.2 水田化空间统计分析 利用ArcGIS 10.2绘制1990—2002年和2002—2014年2个时间区段水田化空间分布图。考虑上文分析中前一时间段以旱地水田化和未利用地水田化为主,而后一时间段则绝大部分为旱地水田化过程,本文同时采用标准差椭圆分析法研究2个时间区段主要水田化发生类型的空间格局分布特征(图2),即1990—2002年的旱地水田化与未利用地水田化的标准差椭圆分析和2002—2014年的旱地水田化标准差椭圆分析(表4)。研究发现,1990—2002年间,七星河地区水田化的发生区域主要集中于中部及其周边地区,即友谊县中部和北部的大部分地区、宝清县西部部分地区和富锦市南部部分地区,该地区地势低洼,水资源供给保证度高,水田改造条件优越,为七星河地区土地利用变化的核心区域。标准差椭圆分析结果显示,1990—2002年旱地水田化的标准差椭圆沿主轴的标准差达到45.74 km,辅轴标准差也达到30.53 km,离散程度大,形状指数较高,为0.67,椭圆覆盖面积非常大,达到4387.52 km2,表明期间内旱地水田化规律性一般,方向性相对不突出,主要原因在于该时间段七星河地区“以稻治涝”的旱改水农业结构调整政策基本呈“多点开花”推广态势,极化现象弱;与之对应的是2002—2014年时间段,旱地水田化重心由(132.12°E,46.84°N)向东北迁移至(132.12°E,46.84°N),该时间段旱地水田化主要集中于七星河地区的北部,其标准差椭圆形状指数仅为0.32,综合极化特征非常突出,且旱地水田化基本沿转角53.06°的方向分布,其沿主轴标准差达到52.10 km,辅轴为16.62 km,二者差距非常大,方向性非常明显,规律性突出;1990—2002年,未利用地水田化主要发生在七星河地区中部的部分地区,其标准差椭圆覆盖范围较小,约为1069.84 km,该类型水田化分布较为集中,同时其主轴基本沿77.77°方向分布,主、辅轴标准差分别仅为24.63 km和13.82 km,形状指数0.56,极化程度一般。

图2 1990—2014年七星河地区水田化空间分布特征及标准差椭圆Fig.2 The distribution of Paddy cropland reclamation and its standard deviation ellipse in Qixing River area from 1990 to 2014

表4 1990—2014年七星河地区主要水田化类型标准差椭圆参数Tab.4 The parameters of standard deviation ellipse for the main paddy cropland reclamation types in Qixing River area from 1990 to 2014

5 结论与讨论

5.1 结论

本文以三江平原的七星河地区为研究区,基于1990、2002、2014年3期遥感影像数据,采用中心形态学中的标准差椭圆分析方法,研究该地区水田分布格局及水田化规律。主要结论如下:

(1)七星河地区呈现阶段性的水田化特征。1990年,水田面积为826.20 km2,处于水田化初始阶段,2002年水田面积急剧升至2670.14 km2,水田占耕地总面积的比例为31.85%,进入水田化中期阶段,随后水田缓慢增加,水田化发生类型更加单一化,至2014年变为3101.22 km2,仍处于水田化中期阶段。

(2)1990、2002和2014年,七星河地区水田的标准差椭圆的主轴转角θ依次为41.16°、48.12°和47.46°,基本呈东北—西南的分布态势;同时水田的空间分布极化呈现阶段性特征,由1990年的0.30迅速上升至2002年的0.60,水田扩张的随机性概率提高,形状指数降至0.46,极化现象增强;七星河地区水田分布逐渐收缩,同时水田的扩张整体呈现“北移东扩”的特征。

(3)七星河地区水田化进程中,1990—2002年间主要以旱地和未利用地的水田化为主,贡献率依次为82.43%和15.31%,2002—2014年间则基本为旱地的水田化,贡献率为98.19%,即耕地的内部转换;同时通过标准差椭圆分析研究发现,前期七星河地区水田化的发生区域主要集中于中部及其周边地区,期间内旱地水田化规律性一般,方向性相对不突出,而后期旱地水田化则主要集中于七星河地区的北部地区,综合极化特征突出,方向性非常明显。未利用地水田化上,其标椭圆覆盖范围较小,主要集中于七星河地区中部地区,极化特点不突出。

5.2 讨论

水田是三江平原地区最主要的耕地景观类型以及中国粮食安全的重要保障,本文采用中心形态学中的标准差椭圆法研究三江平原最具代表性的七星河地区水田分布格局及水田化规律,能够清晰地从整体上反映出该地区水田及水田化空间分布的整体轮廓和方向性特征。本文丰富了三江平原地区水田研究成果,研究视角及方法能够为相关学者提供思路借鉴。鉴于水田化对当地生态环境、耕地质量状况、水土资源平衡会造成强烈影响,强化水田化后续影响效应研究是未来研究的重点和方向。

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Study on the Distribution Patterns and Characteristics of Paddy Cropland in the Typical Area of Sanjiang Plain

SONG Ge, YANG Xue-xin, GAO Jia
(Land Management Institute, Northeastern University, Shenyang 110169, China)

The purpose of this study is to reveal the evolution of paddy field distribution patterns since the agricultural structure adjustment in Qixing river area of Sanjiang Plain. GIS analysis and the standard deviation ellipse analysis are used to study the paddy fields distribution patterns at the three time points in 1990, 2002 and 2014. The results are as follows:1)in Qixing river area, the diverse characteristics of paddy field distribution occurred on the different stages. In 1990,the ratio of paddy field area to the total cultivated land area was 12.56% in the initial stage of paddy field reclamation.In 2002 and 2014, the ratio was 31.85% and 37.06%, respectively in the the middle stage of paddy field reclamation. 2)The distribution pattern of paddy field in the Qixing river area showed the northeast-southwest distribution trend with the spatial distribution polarization characteristics. 3)In the early stage of the Qixing river area, there mainly existed the dry land and the unused land converted to the paddy field. The regularity of dry land conversion was weak and its later stage showed not prominent direction. In the later stage, dry land converted to paddy field was the main phenomenon with the significant comprehensive characteristics, while in the Qixing river area, the paddy field reclamation will further slowdown in the future. In conclusion, the evolution of paddy field distribution patterns of Qixing river area would provide an important theoretical basis for rational utilization and efficient management of regional cultivated land resources.

land use; Sanjiang Plain; paddy cropland reclamation; distribution pattern; standard deviation ellipse

F301.24

A

1001-8158(2017)08-0061-08

10.11994/zgtdkx.20170913.154755

2017-04-15;

2017-08-03

国家自然科学基金项目(41571165);中央高校基本科研业务费资助项目(N152410002-8)。

宋戈(1969-),女,黑龙江庆安人,教授,博士生导师。主要研究方向为土地利用。E-mail: songgelaoshi@163.com

(本文责编:王庆日)

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