耕地是人类生存和发展的基础性资源,耕地资源数量不仅关系到粮食生产安全,还关系到生态环境的保护,其数量、质量和空间变化是土地可持续利用研究的重点^[1]。耕地的数量变化特征可以反映一个地区耕地与其他土地利用类型之间的数量结构变化,进而体现人类活动对土地利用的影响^[2]。生态用地是维持区域生态系统健康与安全的重要载体,为人类生存提供必需的生态服务空间^[3]。生态用地与非生态用地供需存在空间结构的博弈^[4],长期以来,具有生态系统服务价值的生态空间单元得不到切实可行的保护,生态环境问题随之而来,因此,生态用地成为城市发展过程中社会经济发展与生态环境保护矛盾的焦点。

为缓解区域耕地利用与生态环境之间的矛盾,自1999年中国开始实施大面积推行生态退耕政策,实施了一系列大型生态恢复工程,如“三北”防护林、沙源治理工程等。生态用地与非生态用地之间的转化,导致了大尺度、转换性的土地利用变化并在地区和国家尺度产生深远的环境影响,受到政府和学界的广泛关注。学界关于生态用地与非生态用地的研究也显著增加,多集中于生态用地的内涵^[5]、分类^[6]、时空演变^[7]、生态系统服务^[8]和安全格局构建^[9]等,研究尺度主要基于城市或城市群。随着研究的深入,增强大区域尺度空间范围的典型生态用地与耕地的变化过程研究,对深入探析生态用地和耕地的演变规律具有重要意义。

东北地区是中国耕地面积最多的区域,农业自然条件优越,工业自然资源丰富,地缘关系与战略地位十分突出。但是由于近代以来,人口不断增加和大规模的以资源过度消耗为代价的经济开发,导致区域生态环境恶化,东北地区成为全球范围具有典型的短时限、高强度作用特征的地区,直接表现在土地利用上^[10]。本文在全国土地利用数据库的支持下,利用地理信息系统空间统计方法,分析东北地区耕地资源总量变化及耕地和生态用地之间的转化关系,并提出基于耕地增减变化的资源环境保护策略,为区域土地资源管理与生态环境保护提供依据。

东北地区一般指辽宁、吉林和黑龙江3省以及内蒙古东部4个盟市,其中辽宁、吉林和黑龙江3省为东北地区的主体部分。研究以辽宁、吉林和黑龙江3省为重点研究区域,其土地总面积为78.73万km²。

耕地数据来源于中国科学院资源环境数据中心的全国土地利用数据库,包含1990、1995、2000、2005、2010、2015年6期数据。该数据集以Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源,通过土地利用变化遥感信息人工交互快速提取的方法完成。通过野外调查资料与外业实地记录,土地利用的二级类型综合评价精度达到94.3%以上,满足1:10万比例尺用户制图精度。为了研究方便,将土地利用数据栅格化,分辨率100 m。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地(表 1 ),根据前人研究成果^[11],生态用地是指非生产性和非建设性用地,并以发挥生态功能、维护区域生态平衡的土地,将林地、草地和水域划分为生态用地,耕地、建设用地和未利用地划分为非生态用地,便于研究耕地与生态用地间的转化特征。

表 1 (Table 1 )

表 1 用地类型的分类 Table 1 Classification of land use types

表 1 用地类型的分类 Table 1 Classification of land use types

耕地动态度和转移矩阵常被用来刻画用地变化及类型划分,耕地动态度可以反映一个区域耕地动态变化的程度,耕地动态度数值越高,说明耕地增减变化越活跃。转移矩阵用于反映研究区内耕地与林地、草地、水域、建设用地和未利用地之间的转换数量关系。

耕地动态度计算公式^[12]：

式中,S为区域耕地利用动态度；S_i为监测开始时耕地的总面积；ΔS_i-j为研究时间段减少耕地面积,即耕地转化为其他土地利用类型的面积总和；ΔS_j-i为研究时间段新增耕地面积,即其他土地利用类型转化为耕地的面积总和；t为时间段,单位为年。

转移矩阵数学模型^[13]为

式中,n为土地利用类型数目；i、j分别为研究初期与研究末期的土地利用类型；S_ij表示从初期到末期i类土地利用类型转化为j土地利用类型的面积。

利用Arcgis10.2提取6期东北三省耕地数据(表 2),结果发现,1990—2015年东北耕地面积呈增加态势,但增速逐渐放缓,87.72%的净增耕地面积集中于1990-2000年。2015年东北地区耕地面积3041.27万hm²,较1990年增加273.24万hm²,1990、1995、2000、2005、2010、2015年每5年净增加面积分别为168.57万、71.13万、12.25万、3.24万、18.05万hm²,增速分别为6.09%、2.42%、0.41%、0.11%、0.60%,整体上增速放缓。1995-2000年耕地面积净增加239.7万hm²,占1990—2015年耕地面积增加全量的87.72%。

表 2(Table 2)

表 2 1990—2015年东北地区耕地面积 Table 2 The areas of cropland in Northeast China from 1990 to 2015

表 2 1990—2015年东北地区耕地面积 Table 2 The areas of cropland in Northeast China from 1990 to 2015

根据耕地动态度计算模型(式(1)),测算发现1990—1995年是东北地区耕地与其他土地利用类型相互转化最为活跃的时期,该时期新增耕地与减少耕地面积之和为332.21万hm²,动态度为2.40%。1995-2010年东北地区耕地动态度一直下降,至2010—2015年稍增加为0.25%(表 3)。可见,在大面积开荒和退耕还林还草之后的阶段耕地变化愈见趋稳。黑龙江省、吉林省和辽宁省的耕地变化速率特征大体与东北总体相同,25年间耕地变化趋稳。

表 3(Table 3)

表 3 1990—2015年东北地区耕地动态度变化 Table 3 Dynamic degree of cropland in Northeast China from 1990 to 2015

表 3 1990—2015年东北地区耕地动态度变化 Table 3 Dynamic degree of cropland in Northeast China from 1990 to 2015

如图 1(a)所示,新增耕地来源以生态用地和未利用地为主。1990—2015年,东北地区生态用地转化为耕地的面积为329.06万hm²,其中林地、草地和水域转化为耕地的面积分别为172.48万、141.35万、15.23万hm²,分别占新增耕地总面积的40.88%、33.50%和3.61%。相比林地和草地,水域开垦为耕地的面积相对较小。除了生态用地外,还有20.90%的新增耕地来源于未利用地。说明在商品粮利益驱使下,东北地区大量生态用地和未利用地被开垦为耕地。从时间变化趋势看,1990—2010年,东北生态用地转化为耕地的面积逐渐缩小,从1990—1995年的203.65万hm²下降到2005—2010年的10.72万hm²,说明生态用地开垦为耕地总量得到了一定控制,但在2010—2015年间面积又逐渐扩大,总体形势仍不容乐观。

图 1

图 1 1900—2015年东北地区新增耕地变化 Fig. 1 Change of newly added cropland in Northeast China from 1990 to 2015

如图 1(b)~图 1(d)所示,生态用地转化为耕地的时间段主要集中在1990—2000年。1990—2015年,黑龙江省、吉林省和辽宁省生态用地转化为耕地的总面积分别为129.67万、58.86万和47.89万hm²,占1990-2015年间生态用地转化为耕地总量的83.58%、86.40%和94.44%,各省主要在大开荒阶段生态用地大面积开发,逐渐把“北大荒”变成“北大仓”,但在大面积开垦生态用地满足粮食生产需要的同时,也导致了大片原始森林逐渐消失、草原逐渐退化、平原水土流失等生态环境问题,制约了东北地区农业的可持续发展。

如图 1(b)~图 1(d)所示,黑龙江省、吉林省和辽宁省新增耕地来源均以生态用地中的林地和草地为主,但变化趋势却存在显著差异。黑龙江省、吉林省和辽宁省林地来源分别占新增耕地总面积的40.91%、24.44%和63.34%；三省草地来源分别占新增耕地总面积的31.21%、48.92%和24.60%。除了生态用地,未利用地占比相对较多,尤其是黑龙江省和吉林省,未利用地开垦为耕地的面积占新增总面积的24.35%和18.73%。从时间变化趋势来看,辽宁省生态用地转化为耕地的面积逐年减少,从1990—1995年的32.25万hm²下降到2010—2015年的0.20万hm²；而黑龙江省在2005年之后生态用地转化为耕地的面积开始回升,吉林省也在2010年之后开始小幅上升。可见,在保障耕地总量的目标背景下,相比辽宁省,黑龙江省和吉林省后备耕地资源不足,有扩大开垦生态用地的趋势。

如图 2(a)所示,1990—1995、1995—2000、2000-2005、2005—2010和2010—2015年6期耕地转化为生态用地的面积分别为62.82万、23.14万、9.33万、8.93万和1.43万hm²,耕地转化为生态用地的面积逐期减少。2010—2015年耕地转化为生态用地面积只占各期累计转化量(105.65万hm²)的2.28%,可见退耕还林、退耕还草和退耕还水政策措施一定程度上恢复了部分生态用地,但是通过减少耕地来恢复生态用地越来越困难。

图 2

图 2 1990—2015年东北地区减少耕地变化 Fig. 2 Change of lost cropland in Northeast China from 1990 to 2015

不同时间段耕地流失的方向差异显著。2000年之前,东北地区耕地主要转化为生态用地中的林地和草地,其中1990—1995年流向林地和草地的比例分别为47.16%和24.94%,1995—2000年流向林地和草地的分别为44.29%和24.78%；退耕还水面积相对较小,各期累计8.60万hm²,只占耕地转化生态用地的8.14%。2000年之后,流向建设用地的比例呈逐渐扩大之势,并在2010—2015年成为减少耕地最主要去向,占全部减少耕地的84.32%。可见,减少耕地去向逐步由以退耕还林还草为主转为以非农建设占用为主。

如图 2(b)~图 2(d)所示,黑龙江省、辽宁省、吉林省耕地转化为生态用地的变化趋势稍有不同,辽宁省呈直线式下降,吉林省先大幅度下降后趋于稳定,黑龙江省在波动中下降。但从耕地减少方向来看,均逐步向建设用地转化,2010—2015年流向建设用地的比例分别达到83.76%、95.05%、77.58%。可见,在城市扩张中,各省均出现建设用地占用耕地越来越多的情况,为生态环境带来更大的压力。

基于1990—2015年的Landsat遥感影像数据源,通过对东北地区耕地总体数量及耕地与其他土地利用类型的转移矩阵分析,得出如下结论。

1)东北地区新增耕地来源以生态用地为主。1990—2015年间,东北地区共新增耕地面积421.91万hm²,其中77.99%来自于生态用地(其中来自于林地和草地的面积分别占40.88%和33.50%)。从时间变化趋势来看,尽管来自于生态用地的新增耕地面积呈减少之势,但各时期新增耕地仍然主要来自于生态用地。

2)东北地区减少耕地去向从以退耕还林还草为主转向以建设用地为主。1990—1995年流向林地和草地的比例分别为47.16%和24.94%,1995—2000年流向林地和草地的分别为44.29%和24.78%；2000年之后,流向建设用地的比例呈逐渐扩大之势,并在2010—2015年成为减少耕地最主要去向,占全部减少耕地的84.32%。

3)东北地区生态用地转化为耕地的面积远大于耕地转化为生态用地的面积。1990—2015年东北地区生态用地转化为耕地的面积为329.06万hm²,而耕地转为生态用地的面积为105.65万hm²,前者为后者的3.11倍,其中吉林省、辽宁省和黑龙江省分别为2.81倍、1.72倍和3.91倍。

4)大量耕地转向建设用地加大了生态环境压力。2000—2005、2005—2010和2010—2015年东北地区建设占用耕地面积分别为3.63万、8.03万和23.93万hm²,为了保持耕地面积占补平衡,不得不继续将部分生态用地开垦为耕地(如2010—2015年东北地区仍然有15.82万hm²的生态用地开垦为耕地)。

生态用地流向耕地和耕地流向建设用地使东北地区生态用地面临巨大的压力,建议：(1)东北地区应严格把控城市建设、招商引资带来的新增建设用地审批,并复垦废弃建设用地,使其转为生态用地,以增强区域的生态抵抗力；(2)严格控制草地开垦,严禁毁林开荒,严禁占用天然湿地,防止生态用地朝其他用地类型转化；(3)东北地区的三北防护林建设区、南部的辽东半岛滨海一线、北部的小兴安岭向松嫩平原过渡地带以及东北部长白山区向平原过渡地带,极易发生生态退化,而坡度和土壤类型等因素属于人为不可控因素,因此该地区可以实行生态农业、生态林业和生态旅游业等生态产业,同时进行经济结构调整,创建生态园区以促进劳动力转移。