李帥旗，牟鳳云，王 力，劉 曦

(重慶交通大學河海學院，重慶 400074)

商丘市土地利用變化及其對糧食安全的影響分析

李帥旗，牟鳳云，王 力，劉 曦

(重慶交通大學河海學院，重慶 400074)

基于1990年和2004年的TM遙感影像數據，借助遙感圖像處理軟件ERDAS、ENVI和地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS進行分析，得到商丘市兩個時相間的土地利用轉移矩陣;采用了土地利用動態(tài)度、土地利用開發(fā)度、土地利用耗減度、土地利用程度綜合指數等模型對土地利用狀況進行定量分析評價，并通過Markov鏈對商丘市2018年、2032年的土地利用結構進行了預測;研究結果表明，14年間商丘市主城區(qū)土地利用格局發(fā)生了巨大變化，尤以耕地和建設用地變化顯著，期間耕地面積減少了208.38 km2，而建設用地增加了141.89 km2，最后，基于耕地壓力指數分析了耕地數量的變化對于該農業(yè)大市的糧食安全的影響，商丘市的糧食安全問題日益嚴重，迫切需要保護耕地的數量和質量。

土地利用;轉移矩陣;馬爾可夫;糧食安全

土地利用/覆被類型是自然因素與人為因素共同作用結果。對土地利用/覆被變化(Land use/land cover change，LUCC)過程的數量、結構和景觀特性的動態(tài)描述研究日趨成熟，定量化成為主流［1］。將遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術引入LUCC研究領域，可以快速、準確、及時地獲取大面積的土地利用/土地覆蓋方面的實時信息，對土地利用變化進行動態(tài)監(jiān)測，為解決復雜的空間問題提供條件，為可持續(xù)發(fā)展研究提供技術支撐［2］。2012年11月，國務院批復《中原經濟區(qū)規(guī)劃指導意見》將商丘市定位為國家“三化”(新型工業(yè)化、新型城鎮(zhèn)化、新型農業(yè)現代化)協調發(fā)展先行區(qū)、國家現代農業(yè)示范區(qū)、中原經濟區(qū)承接產業(yè)轉移示范市及內陸開放高地［3］。在此政策的引導下，商丘市工業(yè)化和城鎮(zhèn)化步伐必將加快，人口增長與快速城市化過程導致的土地資源減少之間的矛盾將日益突出。商丘市是農業(yè)大市，是國家糧食主產核心示范區(qū)、豫東糧倉，因而對土地利用變化和糧食安全的研究具有很強的現實意義。

1 研究區(qū)概況

商丘市位于河南省最東部，地理坐標為114°49'-116°39'E，33°43'-34°52'N，豫、魯、蘇、皖4省結合處。商丘市總面積10 704 km2，約占河南省總面積的6.4%。截至2011年底全市總人口890萬，城鎮(zhèn)化水平31. 5%。商丘市是農業(yè)大市，是國家糧食主產核心示范區(qū)、豫東糧倉，2011年糧食總產量608.19萬噸，在河南省18個地級市中排名第3位。商丘市轄2個區(qū)、6個縣、1個縣級市。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的逐步推進，商丘市越來越成為土地利用變化最頻繁的熱點區(qū)域之一。論文的研究區(qū)域主要指商丘的兩個市轄區(qū)即梁園區(qū)和睢陽區(qū)，這兩個區(qū)域是商丘市土地利用變化較快的區(qū)域，具有代表意義。

2 數據來源與處理方法

2.1 數據來源

(1)遙感圖像:研究采用的遙感圖像通過國際科學數據服務平臺和中國科學院對地觀測與數字地球科學中心下載獲得，圖幅編號是123-36，成像時間分別是1990年9月2日和2004年7月22日。兩景圖像云量少，質量較好，能滿足應用需求。

(2)非遙感影像數據:主要包括1∶50 000商丘市行政區(qū)劃圖、商丘市地形圖、商丘市土地利用規(guī)劃圖等，以及1990年、2004年和其他相關年份的商丘市人口、耕地面積、糧食產量等統(tǒng)計資料。

2.2 數據處理

基于地形圖，對兩期遙感數據進行了幾何校正和配準，幾何校正的精度控制在1個像元內。結合國家土地利用類型標準和商丘市土地資源實際利用情況，將商丘市土地利用類型劃分為4種，即林地、水體、耕地和建設用地。在遙感圖像處理軟件ERDAS中利用最大似然法(Maximum Likelihood)進行監(jiān)督分類，通過聚類統(tǒng)計、去除分析、分類重編碼方法相結合對監(jiān)督分類后的圖像進行處理，以提高分類的精度，得到兩個時期的遙感分類圖像。

3 土地利用變化狀況分析

3.1 土地利用的數量變化

對土地利用現狀進行分析，可以知道各類土地的特點和土地的利用結構，從而掌握土地的動態(tài)變化及可持續(xù)利用的趨勢，為土地合理開發(fā)利用、整治保護，為國家政策制定提供依據［4］。利用ArcGIS9.3的統(tǒng)計功能，得到商丘市1990年和2004年的土地利用狀況(表1)，進而得到兩個時期各類型土地所占比例。

表1 1990-2004年商丘市土地利用情況 km2

可以看出，商丘市土地利用以耕地為主，但耕地面積變化較大，從1990年到2004年間耕地面積減少了208.38 km2，很大程度上是由于期間商丘市大力推動工業(yè)化和城鎮(zhèn)化建設所引起;其次面積較大的是建設用地，14年間建設用地大幅增加，增幅達73.99%;林地、水體的面積所占比例較小，雖然變化幅度很大，但是面積并沒有太大的增加。

3.2 土地利用轉換分析

土地利用轉移矩陣能夠定量說明類型間的相互轉化情況，揭示他們之間相互轉化的比例和速率等特征。轉移矩陣不僅可以反映研究初、末期土地利用類型結構，而且還可以反映研究期內各土地利用轉移變化情況，便于了解研究初期各土地利用類型的轉出方向和研究末期各土地利用類型的轉入來源與數量特征［5］。在ArcGIS9.3空間疊置分析和Envi4.5中的Change Detection Analysis(變化監(jiān)測分析)功能支持下，統(tǒng)計了兩個時期間4種利用類型的土地相互轉換情況，得到1990-2004年間土地利用轉移矩陣(表2)，從變化數量和類型上反映了土地利用變化的總體特征。

表2 1990-2004年商丘市各土地利用類型面積轉移矩陣 km2

(1)林地轉換分析。從表2中可以看出，林地的變化包括輸入和輸出兩部分。在輸出部分，14年間，共有16.74 km2的林地轉換成其他類型的用地，其中有0.27 km2轉換成水體，9.86 km2轉換成耕地，6.61 km2轉換成建設用地。在輸入部分，14年間共有50.76 km2的其他類型用地轉換成林地，即水體0.27 km2，耕地46.07 km2，建設用地4.42 km2。林地的輸入部分比輸出部分要高34.02 km2，即在14年間林地面積增加34.02 km2，入出顯示出不平衡的態(tài)勢，主要是由耕地轉換而來。

(2)水體轉換分析。表2中顯示，14年間水體的輸入面積明顯高于輸出面積，在此期間有大量的其他用地轉換成水體，這包括0.27 km2的林地，28.22 km2的耕地，7.47 km2的建設用地，共計35.96 km2。而水體轉換成其他類型共計只有3.72 km2，其中轉換成林地0.27 km2，轉換成耕地1.42 km2，轉換成建設用地2.03 km2。在這些增加的面積中，也主要是由耕地面積轉換而來。

(3)耕地轉換分析?？梢钥闯?，14年間，耕地絕大部分用于輸出轉換為其他類型的用地，收支明顯不平衡。具體來說，輸出方面，耕地轉換為林地、水體、建設用地的面積分別為:46.07 km2，28.22 km2，212.75 km2，輸入方面，林地、水體、建設用地分別有9.86 km2，1.42 km2，67.61 km2轉換為耕地。輸出比輸入面積多208.15 km2(輸出面積287.04 km2，輸入面積78.89 km2)，約占1990年耕地面積的13.56%，耕地輸出主要轉換為建設用地。

(4)建設用地轉換分析。14年間共有221.39 km2其他利用類型的土地轉換為建設用地，建設用地轉換成其他土地面積79.5 km2，呈現出明顯的畸形轉換趨勢，建設用地主要轉換成耕地，約占全部輸出面積的85. 04%，其來源也主要是耕地，約占全部轉入的96.10%，但是兩種轉換性質的量明顯不同?？傮w說來，1990-2004年商丘市土地利用類型相互轉化明顯。隨著城市迅速擴張，城市化水平的不斷加快，商丘市區(qū)發(fā)展迅速，城市建設日新月異，各種建設項目占用大量耕地，導致耕地面積銳減，建設用地越來越多。其次，商丘市政府積極調動農民開展平原綠化防沙治沙的積極性，堅持植樹造林，使水土流失得到有效控制，植被覆蓋率不斷提高［6］。

4 土地利用動態(tài)變化分析

土地利用數量變化特征可以用土地利用變化動態(tài)度指數來描述，它對比較土地利用變化的區(qū)域差異和預測未來土地利用變化趨勢都具有積極的作用［7］。

4.1 土地利用動態(tài)度

包括單一類型動態(tài)度和綜合變化動態(tài)度。土地利用變化動態(tài)度方法能夠定量描述土地利用變化的幅度和速度，對預測未來土地利用變化趨勢有積極的作用［8］。單一土地利用變化動態(tài)度反映的是區(qū)域一定時間間隔內某種土地利用類型的數量變化情況，可以通過公式(1)計算:

綜合變化動態(tài)度反映的是一個地區(qū)土地利用數量變化的綜合情況，可用式(2)計算:

式(1)(2)中，Ki和K分別代表某一單一土地利用類型變化的動態(tài)度和區(qū)域綜合土地利用變化的動態(tài)度;Li，T1為研究初期i類型土地利用類型的面積;ΔLi，T1為研究期內i類型土地利用類型未發(fā)生變化的面積;T1，T2分別代表研究初期和末期［9］。將相關數據帶入上述公式，可得到不同土地利用類型的單一動態(tài)度與綜合土地利用動態(tài)度(表3)。

表3 1990-2004年商丘市土地利用動態(tài)變化指數 %

由表3可以看出，1990-2004年間，水體的變化速率最大，耕地變化速率最小，各土地利用類型變化的速度依次為水體＞林地＞建設用地＞耕地。

4.2 土地利用開發(fā)度

土地利用開發(fā)度是指單位時間內某類型土地利用實際新開發(fā)的程度，以單位時間內新開發(fā)的該類型土地面積占初期該類型總面積的百分比來表示［4］:

式(3)中，Dab為從a時刻到b時刻新開發(fā)某類型土地利用的面積，即由其他土地利用類型轉變?yōu)樵擃愋偷拿娣e總和;Ua表示a時刻該土地利用類型的面積;T為研究時長，以年為單位。

根據公式(3)計算出1990-2004年商丘市各種土地利用開發(fā)度，其中林地19．20%，水體23．85%，耕地0．37%，建設用地8．25%。顯然，耕地的開發(fā)度最小，這是因為在此期間耕地面積大量轉換為其他類型的土地，并沒有太多其他類型的土地新開發(fā)為耕地。

4.3 土地利用耗減度

為了測量單位時間內某類型土地利用被實際消耗的程度，以單位時間內已耗減的該類型土地面積占初期該類型總面積的百分比來表示［10］:式(4)中，Cab為從a時刻到b時刻某種土地利用類型被消耗的面積，即該種土地利用類型轉變?yōu)槠渌恋乩妙愋偷拿娣e總和;Ua表示a時刻該土地利用類型的面積;T為研究長，以年為單位。

計算可得，林地、水體、耕地、建設用地4種土地利用類型的耗減度分別為6．33%，2．47%，1．34%，2．96%?？梢钥闯觯?4年間，林地每年轉換為其他類型的用地的速率最快，耗減度最大，這與大量的城市建設密切相關。

4.4 土地利用程度綜合指數和土地利用程度變化

土地利用程度及其變化可以定量表達該地區(qū)土地利用的綜合水平和變化趨勢。將土地利用的理想狀態(tài)定為4種土地利用級，并對4種土地利用級賦予其本身類別的值，則可得到4種土地利用程度的分級指數［11］(表4)。

表4 區(qū)域土地利用程度分級表

表4中的4種土地利用級僅僅是4種理想型，在實際狀態(tài)下，這4種類型都是混合存在于同一區(qū)域，各自占據不同的面積比例，并對當地土地利用程度，按其自身的權重做出自己的貢獻。據此，土地利用程度的綜合量化指標必須在此基礎上進行數學綜合，形成一個在1～4之間連續(xù)分布的綜合指數，其值的大小則綜合反映了某一區(qū)域土地利用程度。

土地利用程度綜合指數為

式中La為土地利用程度綜合指數，Ai為第i級的土地利用程度分級指數，Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比，n為土地利用程度分級數。土地利用程度綜合量化指標是一個從100～400之間連續(xù)變化的指標，綜合指數的大小反映了土地利用程度的高低。

土地利用程度變化指數

若R為正值，則該區(qū)域土地利用處于發(fā)展期，否則處于衰退期。

代入公式(6)計算可得，1990年商丘市土地利用程度綜合指數為309．23;相應地，2004年土地利用程度綜合指數為313．53，顯然R為正值，這表明商丘市土地利用正處于發(fā)展期，且開發(fā)利用強度越來越大。

5 未來土地利用預測

馬爾可夫(Markov)預測法，是一種預測事件發(fā)生概率的方法，它是基于馬爾可夫鏈，根據事件的目前狀況預測其將來各個時刻變動狀況的一種預測方法［12］。馬爾可夫過程是一種無后效性的隨機過程，而馬爾可夫鏈預測是根據變量目前狀態(tài)預測未來如何變化的分析方法，所以它不需要連續(xù)的歷史資料，而僅需要最近或現在的動態(tài)資料，便可預測未來。由于土地利用類型間的轉化滿足馬爾可夫鏈預測理論的特點，故馬爾可夫鏈理論可用于土地利用動態(tài)過程模擬與預測［13］。

5.1 馬爾可夫預測模型

根據馬爾可夫過程的無后效性及Bayes條件概率公式，有P(n)=P(n-1)P0或P(n)=P(0)Pn，P(n)為經過n-1次狀態(tài)轉移到達n次轉移后的狀態(tài)概率向量;P(n-1)為經過n-2次狀態(tài)轉移到達n-1次轉移后的狀態(tài)概率向量;P或Pij為轉移概率矩陣;P(0)為它的初始狀態(tài)概率向量。

5.2 土地利用轉移概率矩陣

根據前述研究結果，帶入公式(7)可得到1990-2004年的土地利用轉移概率矩陣(表5)。

表5 土地利用轉移概率矩陣

5.3 結果預測

借助Matlab7.0進行編程，將1990年各種土地利用類型的面積和轉移概率矩陣作為初始值進行運算，可以得到對2018年和2032年土地利用結構的預測結果(Y2018，Y2032分別代表2018年和2032年土地利用結果預測):

Y2018=［54．1，70．1，1222，410．8］，即2018年林地、水體、耕地、建設用地面積預測值分別為54．1 km2，70．1 km2，1 222 km2，410．8 km2。

Y2032=［53．5，86．9，1170．8，445．7］，即2032年林地、水體、耕地、建設用地面積預測值分別為53．5 km2，86．9 km2，1 170．8 km2，445．7 km2。

預測結果表明，在未來一段時間內耕地數量將進一步減少，但減少幅度將逐漸下降;建設用地進一步增加，增加的速度將放緩。

6 土地利用變化對糧食安全影響分析

近年來，隨著經濟技術的進步，城鎮(zhèn)化步伐的加快，未利用土地大量開發(fā)，耕地面積迅速減少，嚴重威脅到維持人們生存的農業(yè)安全［14］。耕地資源是農民和農業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎條件，耕地數量和質量的變化直接影響糧食產量，從而影響到糧食有效供給和糧食安全水平，所以研究耕地變化對糧食產糧的影響至關緊要［15］。糧食是人類生存的最基本要素，土地是糧食生產的最終源泉。保證一定的耕地和基本的糧食供給，不僅關系個人的生存問題，而且直接關系國家或集體的生存安全。商丘市作為典型的農業(yè)大市，是國家糧食主產核心示范區(qū)、豫東糧倉，對地區(qū)甚至全省、全國的糧食安全都起著舉足輕重的作用。

從耕地總量來看，商丘市耕地數量呈減少趨勢，耕地面積占總面積比例不斷減少。從耕地結構來看，由于近幾年農業(yè)產業(yè)結構的調整，耕地內部結構也發(fā)生了巨大的變化。從人均來看，商丘市人均耕地面積呈快速減少趨勢。

耕地壓力指數可以衡量一個地區(qū)耕地資源的緊張程度，給出耕地保護的閾值，可作為耕地保護的調控基準［13］:

式中，K為耕地壓力指數，Smin為最小人均耕地面積(hm2/人);Sa為實際人均耕地面積(是區(qū)域耕地總面積與人口數量的函數)。K=1是耕地保護的警戒線，此時必須防止耕地流失，在提高耕地的物質投入水平和生產能力的情況下合理引導耕地的用途轉移。當K＜1時，表明耕地資源有所富余，在這種情況下，可以適度轉換耕地用途以保證城市化、工業(yè)化對土地的需求，也可以大力調整農業(yè)種植結構，退耕還林還草以改善生態(tài)環(huán)境，甚至可以讓耕地休閑，以保持耕地的綜合生產能力。當K＞1時，耕地資源承受著巨大的壓力。商丘市隸屬于我國中部地區(qū)，研究表明，我國中部地區(qū)最小耕地面積為0．117 8hm2/人［16］，依據近幾年的統(tǒng)計數據，計算可得近幾年商丘市的耕地壓力指數(圖1)。

由圖1可以看出，自進入2000年以來，商丘市耕地壓力指數一直大于1，且呈現逐年上升的趨勢。這表明耕地資源承受著巨大的壓力，危及糧食安全的資源基礎。此時，不僅要限制耕地資源向非農利用轉移，減少耕地被占用，更要增加物質投入和科技投入來提高土地生產力，以確保地區(qū)耕地資源可持續(xù)利用和糧食安全。

圖1 2002-2008年商丘市耕地壓力指數

7 結論與討論

在RS和GIS技術的支持下，對商丘市1990年和2004年TM影像進行處理和分析，得到其土地利用變化狀況并對2018年和2032年的土地利用結構進行了預測，得出以下結論:

(1)14年間商丘市主城區(qū)土地利用格局發(fā)生了巨大變化，尤以耕地和建設用地變化顯著，期間耕地面積減少了208.38 km2，而建設用地增加了141.89 km2，土地利用強度逐漸增大。

(2)運用馬爾可夫轉移鏈對未來商丘市土地利用結構進行預測，結果表明商丘市耕地面積在未來一定階段仍將繼續(xù)減少，建設用地將占據大量耕地和其他類型的土地。

(3)耕地壓力指數表明，商丘市的糧食安全問題日益嚴重，保護耕地數量和質量任務艱巨，迫在眉睫。

對1990-2004年間商丘市土地利用變化進行了較為透徹的分析，總結出該市近年來土地利用的時空變化特點并對未來的土地利用進行了預測，希望能為該市土地資源合理利用與保護提供理論基礎，為有關管理部門制定土地資源開發(fā)的政策法規(guī)提供較可靠的科學依據。但是，也存在許多不足之處，如論文僅對商丘市土地利用的變化進行分析，沒有涉及與之緊密聯系的驅動力研究，還需進一步開展工作。此外，論文所采用的TM影像的空間分辨率不夠、精度受限，提取的用地類型偏少;解譯遙感圖像采用的是監(jiān)督分類，不能消除誤差，這些都是在今后的學習和科研中更加努力重視和改進的問題。

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Analysis of the Change of Land Exploitation of Shanqiu City and Its Influence on Grain Safety

LI Shuai-qi，MOU Feng-yun，WANG Li，LIU Xi
(School of River and Sea，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Based on TM remote sensing image data in 1990 and in 2004，by the analysis based on remote sensing image processing software ERDAS，ENVI and geographic information system software ArcGIS，the land exploitation transfer matrix of Shanqiu City at two phases is obtained.By using the models such as dynamic degree of land exploitation，developing degree of land exploitation，depletion degree of land exploitation，comprehensive index of land exploitation degree，and so on，quantitative analysis and evaluation are conducted on the status quo of the land exploitation.By using Markov chain，the land exploitation structure of Shanqiu City is predicted in 2018 and in 2032.The results show that the land exploitation pattern of main urban area of Shanqiu City has greatly taken place in the past 14 years，especially the change of arable land and construction land is significant，in this period，arable land area reduced 208.38 km2while construction land increased 141.89 km2.Finally，the influence of the change of the number of arable land on grain safety of this big agricultural city is analyzed based on arable land pressure index and the result demonstrates that the grain problem in Shanqiu City is more and more serious and so the number of arable land and the quality arable land are urgently needing to be protected.

land exploitation;transfer matrix;Markov;grain safety

F301.24

A

1672-058X(2014)01-0074-08

責任編輯:代小紅

校 對:李翠薇

2013-06-23;

2013-10-10.

李帥旗(1988-)，男，河南商丘人，碩士研究生，從事區(qū)域分析與規(guī)劃方面的研究.