吉林西部县域“旱改水”时空演变特征及驱动机制分析

2020-07-20范语思李月芬张玉树王灵芝

世界地质 2020年2期

范语思，李月芬，张玉树，王灵芝

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061;2.福建省农业科学院土壤肥料研究所，福州 350013

0 引言

土地利用转型是衡量一个国家土地利用形态是否发生改变的直观体现，更是揭示其社会经济发生转型的关键环节[1]。耕地作为农业生产活动与保障粮食安全的空间载体，其利用变化是对农业发展阶段的一种反馈，它的利用形态和发展模式也与当地的经济和社会发展息息相关，因此耕地问题一直被广泛关注[2-3]。其中，旱地改水田(下文简称“旱改水”)作为耕地利用转型的重要部分，在协调人地关系、提高粮食产量和改善人民生活等方面起着积极作用[4]。

旱改水是指通过土地整理工程将旱地改造为水田的过程，是区域农业结构性调整的主要体现[5]。已有研究表明，适当进行旱改水可有效改良土壤、培肥地力、提高农民种植效益[6]，同时缓和城镇化进程中“占水田补旱地”所造成的耕地质量下降趋势[7]。另一方面，旱改水对地形、积温等自然地理要素与农业水利基础设施要求较高，且其不合理的空间配置与建设时序均可能导致水土资源失衡，产生生态环境负效应。因此，精准、科学地布局旱改水项目对于区域农业结构调整和生态环境保护至关重要，而研究旱地-水田的耕地利用结构性特征及其时空演化趋势将为解决这一科学问题提供必要的理论依据。

吉林省西部地区是中国典型的生态脆弱区，土地“三化”问题严重，盐碱地分布广泛。近年来，为改善当地生态环境，优化农业生产结构，一方面将大量盐碱地直接改良为水田，另一方面则通过土地整理项目进行大量的旱改水改造，导致吉林西部耕地利用结构变化较大，以水田的大量增长为主要变化趋势。任永星等[8]虽已报道过吉林省西部1990—2015年的总体耕地时空变化特征，指出“旱改水”的趋势逐渐增加，但对于指导旱改水项目的具体布局优化和建设时序调整，仍缺乏基于县域尺度的更为精细的耕地利用结构性特征及其时空演化趋势研究；此外，在旱改水的研究内容设定上，向长玉[9]从许可最大水田面积入手，利用许可转换度得到研究区“旱改水”的极限比例；周浩等[10]基于遥感和GIS手段，从“旱改水”角度探讨了1990—2013流域耕地变化下水土资源平衡效应问题；孙超[11]从分析遂溪县“旱改水”建设适宜性和空间稳定性入手，提出了基于耦合协调度模型和冷热点分析方法的“旱改水”建设项目遴选布局方法。前人研究指出了旱改水的主要限制因素和布局优化调控的可能性，但对于旱改水演化背后的驱动机制仍缺乏有效探讨，且多为省市级耕地利用的研究，缺乏县域尺度耕地转型的探讨，无法更精确地为旱改水调控发展提供理论依据。

鉴于此，笔者以吉林西部近年来水田增加趋势较为明显的镇赉县为例，以耕地利用及其变化特征为主要研究对象，以1980年和2015年吉林西部的土地利用数据为依托，借助GIS空间分析技术采取土地利用转换、空间自相关验证对于吉林西部县域尺度1980—2015年间的旱地-水田耕地利用结构性时空演化特征以及促使旱地向水田转换的主要驱动因素进行深入分析。研究结果对于制定吉林西部旱改水方案、优化吉林省西部旱改水空间布局和建设时序具有科学意义。

1 研究区概况

镇赉县位于吉林省西北部、白城市东北部，地理坐标为122°47′～124°04′E， 45°28′～46°18′N(图1)。县境东靠嫩江，西连内蒙古自治区科尔沁右翼前旗，北与黑龙江省泰来县、内蒙古自治区扎赉特旗接壤，南和西南分别与大安市、洮南市和洮北区为邻。目前，镇赉县辖13个乡镇，包括到保镇、镇赉镇、五棵树镇、东屏镇、坦途镇、建平乡、嘎什根乡、胜利乡、大屯镇、沿江镇、哈吐气蒙古族乡、莫莫格蒙古族乡、黑鱼泡镇和镇南羊种场。镇赉县地处中纬度内陆地区，属温带大陆性季风气候，四季分明。年平均气温4.9℃，年平均降水量402 mm，年平均无霜期152 d。其西北部地势较高，海拔160～210 m；中部多为漫岗地，海拔131～170 m；东部与南部有嫩江、洮儿河环绕，海拔128～150 m。地势由西北向东南倾斜。镇赉县隶属白城市(GDP为715.4亿元，人均GDP为36 278元)，对比吉林省全省人均GDP(5.11万元)，仍存在较大差距。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

基于地理空间数据云[12]下载Landsat TM/ETM遥感影像，30 m空间分辨率，获取镇赉县1980年和2015年遥感影像数据和镇赉县DEM数据；利用ENVI软件将遥感数据进行数字解译，解译结果分为旱地、水田、林地、草地、城乡用地、水域及未利用地，本研究仅提取到旱地和水田两大地类。驱动力分析主要包括自然影响因素、社会经济影响因素和政策影响因素等，其中自然影响因素包括平均降水量和无雨天数等气象数据，主要源自中国气象数据网[13]；社会经济数据包括白城市人均GDP和吉林西部三产结构等，主要源自白城市政府官网。

2.2 研究方法

2.2.1 空间自相关验证

空间自相关指空间数据潜在的相互依赖性，即空间上邻接的要素，属性上表现出一定的一致性。本文引入衡量空间自相关性的指标—全局莫兰指数(Global Moran’s I)，其值介于-1～+1之间，Moran’s I>0，表示属性的分布呈空间正相关，即随空间分布位置聚集，相关性越显著，其值越大，空间相关性越明显；Moran’s I<0，表示属性的分布呈空间负相关，其值越小，空间差异越明显；Moran’s I=0，则不存在空间相关性，呈随机分布。

借助ArcGIS软件空间统计工具中的空间自相关分析进行运算，输出结果还包括p值(pvalue)和z得分(zscores)两个辅助判别的指标值。p值指所观测的空间模式是由某一随机过程创建而成的概率，p值越小，空间聚集度越高；p值为1，则空间数据完全属于随机分布；z得分为标准差的倍数，有正负之分，z得分的绝对值越大，则空间聚集度越高。置信度是空间数据非随机分布的可能性。表1为不同置信度下未经校正的临界p值和临界z得分。

表1p值、z得分和置信度的关系

Table 1 Relationship ofp-value,z-score and confidence level

zp置信度/%<-1.65或﹥+1.65﹤0.1090<-1.96或﹥+1.96﹤0.0595<-2.58或﹥+2.58﹤0.0199

2.2.2 GIS空间统计分析

空间统计是GIS空间分析的主要手段，贯穿于空间分析的各个主要环节。笔者利用GIS软件，根据地类属性在数据属性表提取镇赉县1980年和2015年的旱地和水田地类，应用Intersect模块，将1980年和2015年数据进行叠加分析，获得1980—2015年镇赉县耕地“旱改水”数量统计表(表2)。

表2 镇赉县耕地利用转型面积分布表

Table 2 Distribution of cultivated land conversion area in Zhenlai County

乡镇名称“旱转水”/ hm2“水转旱”/ hm2总计/ hm2大屯镇11 188.00.011 188.0到保镇29.40.029.4嘎什根乡17 790.412.817 803.2镇南羊种场38.50.639.1坦途镇787.00.0787.0五棵树镇4 448.40.04 448.4沿江镇1 395.40.01 395.4总计35 677.113.435 690.5

2.2.3 景观指数

景观指数用来研究地类图斑分布的细碎化程度。基于1980年和2015年镇赉县土地利用数据，结合Fragstats 4.2软件，选取斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、平均斑块面积(AREA_MN)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)和斑块聚合度指数(AI)6个指标分析类型尺度上镇赉县“旱改水”的时空演变特征(表3)。

3 吉林西部县域“旱改水”时空演变特征

3.1 研究区旱改水时空演变特征分析

从表2看出，1980—2015年，镇赉县耕地地类转型面积达35 690.5 hm2，“旱改水”主要地区为大屯镇(11 188 hm2)、嘎什根乡(17 790.4 hm2)、五棵树镇(4 448.4 hm2)、沿江镇(1 395.4 hm2)和坦途镇(787.0 hm2)，“水转旱”主要发生在嘎什根乡(12.8 hm2)，其他地区鲜少分布(表2)。经统计，“水转旱”面积共13.4 hm2；“旱转水”总面积35 677.1 hm2，占镇赉县耕地变化总面积的99.96%，表明镇赉县耕地利用转型在“旱改水”方面的实施力度较大。

1980—2015年， “旱改水”面积增加明显，主要集中、连片分布在镇赉县东北部和西南部，东北部居多。耕地数量变化方面，水田总面积增加，旱地总面积减少。在镇赉县中部，旱地图斑由之前的小区域集中逐渐向细碎化、分散态转变，但西部地区旱地图斑面积有所增加且分布较为集中(图2-4)。

从图4可以看出，“旱改水”区域主要成片集中在水田周围，少数区域与旱地相邻。从作物生产角度考虑，“旱改水”区域集中、连片的分布，为“旱改水”地类的改造与灌溉提供了便利，这种布局与结构能够实现“旱改水”的有效利用，保证该区域耕地结构的优化布局和土地利用转型的实施与完善。

3.2 “旱改水”空间分布特征

以1980和2015年吉林西部土地利用数据为基础，以GIS为平台，利用Fragstats 4.2软件，获取1980年和2015年镇赉县“旱改水”的相关景观指数(表3)。

表3 1980—2015年镇赉县“旱改水”景观格局变化

图2 1980年镇赉县耕地地类分布图Fig.2 Distribution of cultivated land in Zhenlai County in 1980

图3 2015年镇赉县耕地地类分布图Fig.3 Distribution of cultivated land in Zhenlai County in 2015

图4 1980—2015年镇赉县“旱改水”分布图Fig.4 Distribution of “dryland into paddy field” in Zhenlai County from 1980 to 2015

1980—2015年，旱地的斑块形状不规则程度加剧，斑块破碎化程度和斑块聚集程度也呈现增加趋势(斑块密度增加、边缘密度增加)，优势度有所增加，表明2015年旱地最大斑块数量较1980年有所增加，其最大斑块影响程度进一步加深。

水田相比旱地平均斑块面积增幅较大，在35年间面积显著增加，地类的破碎化程度(斑块密度和边缘密度增加)加剧，且相较旱地破碎化程度更明显，趋近于不规则状态；水田斑块聚合度指数相比1980年有较大提升，证明水田有着逐渐聚集分布的趋势。

近年来随着“旱改水”力度的加大，水田相比旱地面积有大幅度提高，最大斑块影响程度进一步加深，具体呈现为在水田周边随机的、不规则的转化，且地类斑块存在聚集程度逐渐加深的趋势；旱地面积增加幅度较小，斑块形状演变越发复杂，斑块破碎化程度加剧，斑块聚合程度较低，最大斑块影响程度较小。镇赉县旱地正在逐渐以一种破碎化、不规则化的方式向水田方向转化。

3.3 空间自相关检验分析

空间自相关性检验结果显示，1980—2015年土地利用综合动态度的Moran’s I 指数为正，为0.277 3；z得分1.65 29，p值为0.098，三者皆具有统计显著性。1980—2015年镇赉县“旱改水”情况分布呈空间正相关，空间聚集程度高。由此也验证了镇赉县“旱改水”的空间布局总体上呈显著的聚集分布(表4)。

表4 1980—2015年空间自相关检验

4 吉林西部“旱改水”驱动机制分析

4.1 自然因素

影响农作物生长的因素包括水量、地形、温度、湿度、太阳光照、土壤质地和土壤有机物等。镇赉县属于中温带地区，地势较为平坦、土壤肥沃和黑土产量高，有利于植物的根系生长，促进水稻根系的养分吸收；且研究区相对南方地区农作物生长周期长，日夜温差较大，能够为后期作物的发育提供良好的物质基础，使水稻的产量得以提高[14]。

旱地粮食产量易受气候因素制约和影响，是“旱改水”数量增多的又一因素。吉林西部年降水量有限(图5、6)，蒸发量远大于降水量，吉林西部地表水及地下水空间分布不均，且地表排水不畅，特别是闭流区无排水出口。在气候因素及地貌等因素的作用下，易发生春旱及夏涝，并存在潜在的沙化及碱化等风险，严重影响吉林西部粮食产量[15]。干旱灾害对于旱地粮食产量的影响，是驱使旱地向水田转化的重要原因。全球气候变暖导致了水田种植线逐渐北移[14]，这也是近几十年东北地区水田增加幅度较大的原因之一。

图6 1980—2004年吉林西部年降雨量Fig.6 Annual rainfall in western Jilin during 1980—2004

4.2 社会经济驱动因素

从社会层面看，1980—2015年，国家正处于高速发展时期，面对人口压力、科技和国家发展等多重问题，中国作为人口大国，粮食产量不仅是国家富强的重要保障，也是解决人民温饱问题的必备基础，因此粮食生产备受关注。吉林省作为国家粮食生产的重要基地，其耕地利用类型在这一时期开始发生改变[16]。1980—1990年间，家庭联产承包责任制也开始广泛推行，农民开始在以旱地为主的耕作区尝试水田种植[17]。同时农业方面的科技研究也逐渐深入壮大，其中袁隆平教授培育的杂交水稻正处于这一时期，他培育的水稻相较于普通耕地粮食增产20%，极大地改善了全国的粮食生产问题。水稻的种植引起全国人民的广泛关注，以旱地为主的吉林西部也开始了“旱改水”的实践。

从经济方面看，镇赉县城镇化率水平低于吉林省平均水平，无论是经济发展水平还是农民收入等较吉林省其他地区都稍显落后。从收成角度看，旱地作物(莜麦、土豆、玉米、高粱、小麦、谷子、荞麦、各种蔬菜)一般一年一熟；而水田作物一般一年一熟或两年三熟，水田相比于旱地每年的粮食产量要高出许多，农民的收入也有大幅提高，经济机制驱动下，“旱改水”规模不断扩大。

5 讨论

“旱改水”发展过程中，针对区域的地理环境、地质、气候和土壤等特征，结合具体分布情况和土地承载力综合评价，科学预测和动态模拟，对需要做出地类调整的旱地及时上报，以保证土地的合理利用，避免出现滥用土地、破坏耕地的行为；加大对其建设的资金扶持[18]，出台相关“旱改水”的优惠政策，鼓励适合种植水稻的农田优先改造；对一些已经种植水稻的田块，优先进行农田的基本建设，帮助水稻种植农户及时解决种植困难、降低水稻种植成本、降低安全隐患[18]。

增加水稻的种植保有量，政府应制定相关水稻种植补贴政策，以满足水稻的种植状态，加快旱改水的推进进程[19]；农业的相关部门需根据当地的土地适宜性制定最佳水稻生产发展路线，组织当地农民学习水稻种植的安全知识和技术手段，保证农民能够科学的种田，保障水稻的生产质量；学习水稻种植的同时，侧重性的研究品种改良，推动农业节水技术的发展建设，实现在节水的同时保障水稻的优质和高产[20]；建立健全的农业服务体系，对农田进行统一管理，帮助农户将种植的损失降低到最小，通过规模化生产、集约化管理，不断提高水稻种植效益。

旱地改水田的关键包含灌溉和培肥两个部分，在灌溉方面应注重水资源的节约，加强水利设施建设、保证稻田的灌溉；提高水资源的利用率，建立完善的水资源管理模式，加强水稻种植与节水技术的研究和实践，尽量减少水资源在运输和用水等环节上水量的损失，尽可能避免水资源的浪费，从成本上提高水稻的种植效益[21]。在土壤肥力方面，应注重“旱改水”过后的施肥，运用物理工程措施、化学改良剂及生物工程修复等措施改善土壤结构、增加土壤有机质，从根本上提高粮食的生产效益和提高土壤肥力[22]。