三江平原典型地區水田分布格局變化特征

宋 戈，楊雪昕，高 佳

（東北大學土地管理研究所，遼寧 沈陽 110169）

三江平原典型地區水田分布格局變化特征

宋 戈，楊雪昕，高 佳

（東北大學土地管理研究所，遼寧 沈陽 110169）

研究目的：以三江平原最具代表性的七星河地區為研究區，基于1990年、2002年和2014年遙感影像數據，揭示自20世紀90年代農業結構調整以來水田分布格局變化規律。研究方法：GIS空間分析和標準差橢圓分析法。研究結果：（1）七星河地區呈現階段性的水田化特點。1990年水田占耕地總面積的12.56%，處于水田化初始階段，2002年和2014年水田面積占比分別是31.85%和37.06%，均處于水田化中期階段。（2）七星河地區水田基本呈東北—西南的分布態勢，空間分布階段性極化，整體水田分布逐漸收縮，且呈現北移東擴的特征。（3）七星河地區前期以旱地和未利用地的水田化為主，其中旱地水田化規律性弱，方向性不明顯，后期則基本為旱地水田化，綜合極化特征突出，未來七星河地區水田化進程將會進一步放緩。研究結論：七星河地區水田分布格局的演化規律將對區域耕地資源合理利用與高效管理提供重要的理論依據。

土地利用；三江平原；水田化；分布格局；標準差橢圓統計分析方法

1 引言

耕地格局可以反映區域糧食生產的數量及結構狀況，是農業生態系統的空間表現，其變化特征影響農業生態系統的穩定性和農業生產功能[1]。抽象化和簡約化各種模型對于解釋耕地格局變化特征具有不可替代的作用[2]。全球平均地表溫度升高和降水時空異質性的增大，對中國北方旱區農業生產和農業生態系統造成了深刻的影響[3-5]。三江平原是中國重要的商品糧生產基地，其地處中高緯度和歐亞大陸東端，增溫幅度高于全球同期水平，年降水量呈略減少趨勢[6]，特別是自20世紀90年代中期以來，逐漸進入降水減少和干旱多發階段[7]。三江平原應對全球氣候變化的適應性對策之一，就是調整耕地以及耕地內部結構（旱地和水田），導致耕地墾殖由南向北、由西向東不斷推進[8]，其中水稻種植區北界由1980年代前期的47°N移至51°N附近[9]，濕地基質逐漸變為農田基質，林地退縮，草地幾乎被耕地所替代[10]，該地區在國家糧食安全中的戰略地位逐漸提升。水田是三江平原地區最主要的耕地景觀類型以及中國糧食安全的重要保障，運用模型定量化研究該地區水田演化規律將對區域耕地資源利用與管理的策略制定以及保障國家糧食供應具有重要的意義。目前學者針對該地區水田的數量及格局特征方面的研究較為匱乏，僅有少部分研究采用景觀指數法分析水田分布規律、用轉移矩陣研究水田與旱地轉化特征[1]和水田數量變化特征[11]等，研究深度不夠，尤其是針對水田的來源用地規律研究更為匱乏。自20世紀90年代中國進入經濟迅速發展時期后，大量易澇旱地轉變為水田，水田擴張尤其劇烈[12]，七星河地區是三江平原水田化的典型區域。因此，本文以七星河地區為研究區，基于1990年、2002年和2014年遙感影像數據，運用中心形態學中的標準差橢圓分析方法，深入分析20世紀90年代以來七星河地區水田分布格局及水田擴張的階段性特征，不同階段水田化的規律差異，明確水田化的發生范圍、擴張方向和極化特征等問題，該研究成果為三江平原及同類地區耕地資源利用與保護提供重要的參考。值得強調的是標準差橢圓分析方法能夠直觀準確地計量空間格局的多方面特征，通過橢圓之間的相似性和差異性特征分別建立空間格局的順序和鑒別各種狀態[13]，運用該橢圓將能夠清晰反映出研究對象的空間分布整體輪廓和方向性特征，直觀形象地揭示水田的空間演化規律。

2 研究區概況

七星河地區位于三江平原腹地，地處131°9′10″—133°18′23″E、46°11′45″—47°21′51″N之間，面積約1.04×104km2，屬半干旱地帶，為中溫帶大陸性季風氣候區，夏季高溫多雨，冬季寒冷漫長，該地區多年平均降水量518 mm，降水分布不均勻，主要集中于6—9月份，春季干旱頻繁，秋季又多洪澇災害。七星河地區呈現西南高、東北低的態勢，水系自西南流向東北，主要包括內七星河和外七星河。該地區的地貌類型主要是山地和平原，其中山地主要分布在該地區的西南部和南部，平原主要位于北部和中部的內、外七星河地區。目前該區已建成4縣（富錦縣、友誼縣、集賢縣和寶清縣）3區（寶山區、尖山區和四方臺區），是三江平原主要糧食生產基地和國家重要商品糧基地。七星河地區農業開發活動非?；钴S，建國以來經歷多次大規模土地開發，其中1990—2002年是第4次墾荒高潮，當地政府采取資金補貼等相關政策，推行“以稻治澇”種植模式，大量低洼旱地改造為水田，土地利用格局變化劇烈，至2002年，農業結構調整政策基本推行完畢[1，13]，因此，本文研究時點確定為1990、2002和2014年，以揭示該地區土地利用格局變化及空間分異特征。

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源

本文選取美國陸地資源衛星1990年、2002年和2014年Landsat TM/OLI的四景（條帶號：114和115，行編號：027和028）云量符合標準的耕作期（6—8月）影像為主要數據源。參照全國土地利用分類體系并結合土地利用現狀和研究目標，確定該研究區土地利用類型為耕地（包括旱地和水田）、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6大類。為保證人工目視解譯精度，以境內的各縣（區）全國第二次土地利用調查數據（2009年）為底圖，根據經幾何糾正及RGB假彩色合成后的影像色調、紋理等特征，并配合野外地物調查結果，進行地物類型斑塊的修改和圖層的拼接，并利用Google Earth軟件進行精度驗證后得到3期土地利用現狀數據。

3.2 研究方法

3.2.1 水田化數量特征 “水田化”，即為非耕地類及旱地向水田轉化的進程。本文采用水田占總耕地面積的比例η來反映水田化數量特征，其數學表達式如下：

式（1）中，ai為水田面積，單位為km2；A為耕地總面積，單位為km2。旱地水田化是該地區近十幾年來最主要的景觀變化特征[1]，為分析各土地利用類型變化對水田的轉化影響程度，借鑒經濟學中的貢獻率指標概念度量轉化影響程度，以表征水田化來源用地的結構比例情況，具體公式如下：

式（2）中，Km-n為土地利用類型m轉化為水田n的貢獻率；Im-n為土地利用類型m轉化為水田n的面積，單位為km2；ΔIn為轉化為水田n的面積之和。

3.2.2 水田化地理分布特征 空間依賴性是空間數據的基本特征，獨立性假設不成立，對空間數據的直接統計推理可能導致誤導性的結論。中心形態學忽略空間數據的依賴性特征，未觸及獨立性假設以及一般統計方法的可靠性問題，以重心為中心的標準差橢圓能夠描述節點在各個方向的離散狀況，其形態在一定程度上可以反映節點空間組織的總體輪廓和主導分布方向。一般來說，標準差橢圓常用來度量一組點的數據空間分布特征，考慮不同大小的水田斑塊對應不同面積的水田，可以將各斑塊的面積賦值到對應斑塊的幾何中心點上以實現標準差橢圓分析的目的，其中心，即節點分布重心的遷移情況則反映總體格局位移特征，公式為：

式（3）中，M( X , Y )表示水田空間分布重心，n為分析單元數目，wi為分析單元的屬性值，作為i對應分析單元的空間權重，（xi，yi）表示第i個子單元的中心坐標。

標準差橢圓主要由3個基本要素構成：轉角θ、沿主軸（長軸）的標準差和沿輔軸（短軸）的標準差，轉角θ為由正北方向順時針旋轉到主軸所形成的夾角，公式為：式（4）—式（5）中，x'i和y'i為各點距離平均中心的相對坐標，根據tanθ可以得到分布格局的轉角，δx和δy分別為沿x軸和y軸的標準差。標準差橢圓的形狀指數反映橢圓方向的明確性和向心力程度，可用來衡量水田總體分布格局及水田化規律的綜合極化特征，值越大形狀越接近于圓，分布的隨機性越大，極化特征越不突出，反之越接近于線性，方向性特征越突出，極化特征越明顯。

4 結果與分析

4.1 水田變化特征分析

4.1.1 水田數量變化特征 根據水田化進程的差異性，依據水田占耕地的面積比例，定量劃分水田化分為三個階段（表1）：初始階段（0%—30%）、中期階段（30%—70%）和末期階段（70%—100%），分析水田數量變化特征。

表1 1990—2014年七星河地區耕地變化數量Tab.1 The change amounts of farmland in Qixing River area from 1990 to 2014

統計結果顯示，七星河地區水田擴張呈現明顯的階段性：1990年，七星河地區水田面積826.20 km2，僅占耕地總面積的12.56%，即水田化初始階段。隨著當地政府“以稻治澇”農業結構調整政策的推行，大量低洼旱地被改造為水田，同時七星河地區的中部及北部大量開發條件優越的未利用地資源被墾殖為水田，水田急劇擴張，至2002年當地水田面積約擴張2倍，已升至2670.14 km2，占耕地總面積的31.85%，進入水田化中期階段，該時點農業結構調整政策基本推行完畢，隨著當地未利用地等耕地后備資源逐漸開發殆盡，且經濟建設及農業設施用地有較高占用耕地的需求，七星河地區耕地不增反減，由2002年的8383.29 km2輕微降至2014年的8368.44 km2，而水田面積緩慢上升，增至3101.22 km2，面積比例約上升了5.21%，變為37.06%，仍處于水田化的中期階段。

4.1.2 水田空間變化特征 為進一步刻畫七星河地區水田擴張空間特征，借助ArcGIS 10.2空間格局統計工具，運用中心形態學中的標準差橢圓分析法研究七星河地區1990、2002和2014年水田空間分布格局特征（表2）。

表2 1990—2014年七星河地區水田的標準差橢圓參數Tab.2 The parameters of standard deviation ellipse for the paddy fi eld in Qixing River area from 1990 to 2014

3個時點上，七星河地區水田的標準差橢圓（圖1）的主軸均基本呈東北—西南走向，且短軸一致為西北—東南，表明1990、2002和2014年七星河地區水田分布趨向都為東北—西南軸，3個年份水田在東北—西南走向較西北—東南更為密集。體現為：1990—2002年，主軸沿順時針旋轉，轉角θ由41.16°上升至48.12°，盡管七星河西部的寶清縣境內出現大量的水田，其對標準差橢圓旋轉起逆時針推動作用，但中部及東部的友誼縣及其周邊地帶水田擴張更為明顯，促使主軸持續順時針轉動。由于水田的需水量遠大于旱地需水量，隨著七星河地區水田的持續大量擴張，導致當地水資源供應不足，開始出現水田轉化為旱地的情形，即“逆水田化”，特別是在七星河的南部地區，大量水田重新調整為旱地，導致2014年主軸輕微沿逆時針旋轉，轉角θ降至47.46°。

圖1 1990—2014年七星河地區水田分布及標準差橢圓Fig.1 Paddy fi eld distribution and its standard deviation ellipse in Qixing River area from 1990 to 2014

1990—2014年間，七星河地區水田標準差橢圓形狀指數先升后降，由1990年的0.30迅速上升至2002年的0.60，2014年則降至0.46，反映該地區水田空間分布極化呈現階段性的特征。其中，1990年極化極其明顯，主軸標準差達到68.55 km，方向性非常明顯，但其輔軸標準差僅20.69 km，水田分布呈現的向心力強。2002年，主軸標準差急劇收縮至45.97 km，輔軸標準差則上升至27.76 km，水田方向性特征趨弱，離散程度增加，表征該時期七星河地區的水田擴張較為隨機，境內各方向上均存在一定的水田化現象。隨著七星河北部地區水田大量擴張，2014年標準差橢圓極化現象增強，主軸標準差增加至51.93 km，輔軸降至23.77 km。

盡管七星河地區3個時點的水田呈“凹”形的極化變化特征，但其水田分布實質是收縮的，本文在標準差橢圓分析中，將標準差級數設置為1級，即可將約68%的水田包含在橢圓內，并對1990、2002和2014年水田標準差橢圓面積進行統計。1990年，七星河地區水田標準差橢圓覆蓋面積為4454.17 km2，后續水田擴張主要集中于七星河地區的內、外七星河沿岸，即七星河地區的中部地帶，盡管在2014年七星河地區的北部地帶出現大量的水田，但與之對應的是東部水田緩慢退縮，因此，七星河地區整體上水田仍呈收縮態勢，變為3877.50 km2。重心對應水田的整體位置分布特征，1990年，七星河地區的水田重心位置為（132.19°E，46.82°N），2002年向西北方向移動4.2 km，變為（132.17°E，46.86°N），2014年則變為（132.31°E，46.95°N），往東北移動14.57 km?？傮w而言，該地區水田整體呈現“北移東擴”的擴張特征，恰好與三江平原水田的整體擴張方向相呼應。

4.2 水田化變化特征分析

4.2.1 水田化數量統計分析 為進一步分析七星河地區水田化進程，本文利用ArcGIS 10.2的疊加分析功能，依次對1990、2002和2014年相鄰年份的土地利用數據進行疊加，統計水田化過程中各子發生類型（旱地→水田、林地→水田、草地→水田、水域→水田、建設用地→水田、未利用地→水田）的面積數量情況（表3）。

自20世紀90年代以來，七星河地區水田化進程中，前期主要以旱地和未利用地的水田化為主，后期則基本為旱地的水田化，即耕地的內部轉換。具體表現為：1990—2002年間，七星河地區整體水田化進程非常強烈，6類非水田用地類型均發生了流向水田的過程，總面積達到2240.53 km2。在七星河地區大量低洼旱地改造為水田的政策背景下，當地旱地的水田化的發生面積為1846.78 km2，貢獻率達到82.43%；其次為未利用地的水田化進程，七星河地區未利用地主要以沼澤為主，多分布于水資源豐富的內、外七星河的下游低洼地帶，該地區具有良好的水田發展條件，約有343.13 km2的未利用地轉換為水田，其水田化貢獻率達到15.31%；其他4類用地類型水田化面積之和僅為50.62 km2，共占到2.26%，其中水域38.81 km2，主要為河灘濕地，水田化貢獻率1.17%。

表3 1990—2014年七星河地區水田化的數量特征Tab.3 The amounts of paddy cropland in Qixing River area from 1990 to 2014

相較于1990—2002年間水田化特征，2002—2014年間，七星河地區水田化發生類型更加單一化，發生的面積顯著減少。12年間，共約886.02 km2面積的非水田類用地流向了水田，而其中絕大部分為旱地，發生面積達到869.98 km2，貢獻率98.19%，而其他5種用地類型水田化發生面積非常小，面積之和僅為16.04 km2。自20世紀90年代初期以來，七星河地區水田過度開發，造成土壤鹽漬化形勢嚴峻、農田可用水資源匱乏、地下水位大幅下降和生態環境破壞等問題，并逐漸引起了當地政府關注，水田擴張的主觀意識逐漸淡化，當地政府逐漸引導科學合理的開發和利用水田；同時七星河地區水田化的初衷在于“以稻治澇”和經濟利益驅動，進入21世紀以來，隨著“兩江一湖”改造和“高標準基本農田建設”等農田工程措施的陸續實施，澇害的潛在發生風險大量降低，同時水田耕作投資額度和管理投入顯著高于旱地，隨著基本農業要素成本的提高，水田和旱地之間的利益剪刀差逐漸弱化，農戶進行水田改造的利益需求大大降低，導致農戶水田化意愿大大降低，水田擴張逐漸放緩，2002年和2014年均處于水田化中期階段（水田占耕地總面積的比例分別為31.85%和37.06%）?？梢灶A見未來七星河地區水田占耕地總面積的比例將以非常緩慢的速度增加，甚至出現下降情形，水田化現象非常弱。

4.2.2 水田化空間統計分析 利用ArcGIS 10.2繪制1990—2002年和2002—2014年2個時間區段水田化空間分布圖?？紤]上文分析中前一時間段以旱地水田化和未利用地水田化為主，而后一時間段則絕大部分為旱地水田化過程，本文同時采用標準差橢圓分析法研究2個時間區段主要水田化發生類型的空間格局分布特征（圖2），即1990—2002年的旱地水田化與未利用地水田化的標準差橢圓分析和2002—2014年的旱地水田化標準差橢圓分析（表4）。研究發現，1990—2002年間，七星河地區水田化的發生區域主要集中于中部及其周邊地區，即友誼縣中部和北部的大部分地區、寶清縣西部部分地區和富錦市南部部分地區，該地區地勢低洼，水資源供給保證度高，水田改造條件優越，為七星河地區土地利用變化的核心區域。標準差橢圓分析結果顯示，1990—2002年旱地水田化的標準差橢圓沿主軸的標準差達到45.74 km，輔軸標準差也達到30.53 km，離散程度大，形狀指數較高，為0.67，橢圓覆蓋面積非常大，達到4387.52 km2，表明期間內旱地水田化規律性一般，方向性相對不突出，主要原因在于該時間段七星河地區“以稻治澇”的旱改水農業結構調整政策基本呈“多點開花”推廣態勢，極化現象弱；與之對應的是2002—2014年時間段，旱地水田化重心由（132.12°E，46.84°N）向東北遷移至（132.12°E，46.84°N），該時間段旱地水田化主要集中于七星河地區的北部，其標準差橢圓形狀指數僅為0.32，綜合極化特征非常突出，且旱地水田化基本沿轉角53.06°的方向分布，其沿主軸標準差達到52.10 km，輔軸為16.62 km，二者差距非常大，方向性非常明顯，規律性突出；1990—2002年，未利用地水田化主要發生在七星河地區中部的部分地區，其標準差橢圓覆蓋范圍較小，約為1069.84 km，該類型水田化分布較為集中，同時其主軸基本沿77.77°方向分布，主、輔軸標準差分別僅為24.63 km和13.82 km，形狀指數0.56，極化程度一般。

圖2 1990—2014年七星河地區水田化空間分布特征及標準差橢圓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年七星河地區主要水田化類型標準差橢圓參數Tab.4 The parameters of standard deviation ellipse for the main paddy cropland reclamation types in Qixing River area from 1990 to 2014

5 結論與討論

5.1 結論

本文以三江平原的七星河地區為研究區，基于1990、2002、2014年3期遙感影像數據，采用中心形態學中的標準差橢圓分析方法，研究該地區水田分布格局及水田化規律。主要結論如下：

（1）七星河地區呈現階段性的水田化特征。1990年，水田面積為826.20 km2，處于水田化初始階段，2002年水田面積急劇升至2670.14 km2，水田占耕地總面積的比例為31.85%，進入水田化中期階段，隨后水田緩慢增加，水田化發生類型更加單一化，至2014年變為3101.22 km2，仍處于水田化中期階段。

（2）1990、2002和2014年，七星河地區水田的標準差橢圓的主軸轉角θ依次為41.16°、48.12°和47.46°，基本呈東北—西南的分布態勢；同時水田的空間分布極化呈現階段性特征，由1990年的0.30迅速上升至2002年的0.60，水田擴張的隨機性概率提高，形狀指數降至0.46，極化現象增強；七星河地區水田分布逐漸收縮，同時水田的擴張整體呈現“北移東擴”的特征。

（3）七星河地區水田化進程中，1990—2002年間主要以旱地和未利用地的水田化為主，貢獻率依次為82.43%和15.31%，2002—2014年間則基本為旱地的水田化，貢獻率為98.19%，即耕地的內部轉換；同時通過標準差橢圓分析研究發現，前期七星河地區水田化的發生區域主要集中于中部及其周邊地區，期間內旱地水田化規律性一般，方向性相對不突出，而后期旱地水田化則主要集中于七星河地區的北部地區，綜合極化特征突出，方向性非常明顯。未利用地水田化上，其標橢圓覆蓋范圍較小，主要集中于七星河地區中部地區，極化特點不突出。

5.2 討論

水田是三江平原地區最主要的耕地景觀類型以及中國糧食安全的重要保障，本文采用中心形態學中的標準差橢圓法研究三江平原最具代表性的七星河地區水田分布格局及水田化規律，能夠清晰地從整體上反映出該地區水田及水田化空間分布的整體輪廓和方向性特征。本文豐富了三江平原地區水田研究成果，研究視角及方法能夠為相關學者提供思路借鑒。鑒于水田化對當地生態環境、耕地質量狀況、水土資源平衡會造成強烈影響，強化水田化后續影響效應研究是未來研究的重點和方向。

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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

國家自然科學基金項目（41571165）；中央高?；究蒲袠I務費資助項目（N152410002-8）。

宋戈（1969-），女，黑龍江慶安人，教授，博士生導師。主要研究方向為土地利用。E-mail: songgelaoshi@163.com

（本文責編：王慶日）