全 文 ：　 　 倡 黑土生态黑龙江省重点实验室和中国科学院知识创新工程项目（I NF１０５唱SDB唱１唱２８）资助
　 　 倡倡 通讯作者
收稿日期 ：２００５唱０８唱０６ 　 改回日期 ：２００５唱０９唱２８
土地利用变化对粮食产量与环境效应的影响 倡
———以黑龙江省双城市为例
张久明１ ，４ 　谷思玉１ 倡倡 赵 　军２ 　孟 　凯３
（１畅东北农业大学 　 哈尔滨 　 １５００３０ ；２畅中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土生态黑龙江省重点实验室
哈尔滨 　 １５００８１ ； ３畅 黑龙江大学 　 哈尔滨 　 １５００８０ ；４畅 黑龙江省农业科学院土壤肥料研究所 　 哈尔滨 　 １５００８６）
摘 　 要 　 以 １９８６ 年和 ２０００ 年 １∶１０ 万陆地卫星解译数据为基础 ，结合统计数据 ，利用地理信息系统的空间分析功
能 ，分析了 １４ 年来双城市土地利用变化情况及其对粮食产量和环境效应的影响 。 结果表明 ：双城市旱田面积 、草
地面积和水域面积在逐年减少 ，分别减少 １８４１畅１５hm２ 、３０３０畅２５hm２ 和 ７０畅８６hm２ ；城镇用地 、居民用地 、林地和水田
面积呈增加趋势 ，分别增加 ５８１畅７８hm２ 、３６３畅９１hm２ 、１１０３畅５hm２ 和 ２９３４畅７７hm２ ；双城市粮食产量趋于一种起伏的上
升状态 ，由 １９８２ 年 ３７畅３万 t上升到 ２００１ 年 １３５畅３ 万 t ，最高年份 １９９８年粮食产量为 １６５畅１ 万 t ；从双城市 １９５７ ～
２０００年的年均气温和降水分析得出 ，年均气温上升 ，年均降水量减少 。
关键词 　 土地利用 　 生态效应 　 粮食产量 　 地理信息系统
Effects of land use changes on grain yield and environment — A case study from Shuangcheng City ，Heilongjiang
Province ． ZHANG Jiu唱Ming１ ，４ ，GU Si唱Yu１ ， ZHAO Jun２ ， MENG Kai３ （１畅Northeast Agricultural Universit y ， Harbin
１５００３０ ，China ； ２畅The Key Lab of Black Soil Ecology of Heilongjiang Province ， Northeast Institute of Geography and
Agricultural Ecology ， Chinese Academy of Sciences ，Harbin １５００８１ ，China ；３畅Heilongjiang University ，Harbin １５００８０ ，
China；４畅Soil and Fertilizer Institute ，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences ，Harbin １５００８６ ，China） ，CJEA ，
２００７ ，１５（２） ：１７８ ～ １８０
Abstract 　 The land use changes of Shuangcheng Cit y and their impacts on grain yield and environment were discussed by
using the spatial analysis function of GIS on the basis of Landsat data in the years of １９８６ and ２０００ combined w ith the
statistic data ． The results show that the areas of cropland ，meadow and water decrease annually ， they were １８４１畅１５hm２ ，
３０３０畅２５hm２ and ７０畅８６hm２ less in ２０００ than those in １９８６ ， while the areas of town ，count ryside ， woodland and paddy
increased by ５８１畅７８hm２ ，３６３畅９１hm２ ，１１０３畅５hm２ and ２９３４畅７７hm２ in ２０００ ， respectively ． The grain yield presented an
undulated increasing tendency ， which was ３７３ thousand ton in １９８２ ， and １３５３ thousand ton in ２００１ ， with the highest
yield ，１６５１ thousand ton in １９９８ ． The annual average temperature was rising and the mean precipitation was decreasing
from １９５７ to ２００１ ．
Key words 　 Land use ， Ecological effect ，Grain yield ，GIS
（Received Aug ．６ ，２００５ ； revised Sept ．２８ ， ２００５）
1 　 研究区域概况与研究方法
双城市位于黑龙江省西南部 ，地处北纬 ４５°０８′ ～ ４５°４３′ ，东经 １２５°４１′ ～ １２６°４２′ ，属松嫩平原 ，境内无山 ，
三面环水 ，中温带大陆性季风气候 ，年均气温 ３畅５ ～ ４畅５ ℃ ，年降雨量 ４００ ～ ６００mm ，６ ～ ８ 月份降雨量占年降
雨量的６０ ％ ～ ７０ ％ ，年无霜期 １３５ ～ １４５d 。 本研究数据来源为 １９８６ 年和 ２０００ 年 １∶１０ 万陆地卫星解译数
据 ，统计数据来源于１９８１ ～ ２００２ 年黑龙江统计年鉴和 １９９５ ～ ２００１ 年双城市国民经济统计年鉴 。 土地利用
分类根据中国枟土地利用现状调查技术规程枠 ，以土地用途 、利用方式 、覆盖特点和生态类型为分类依据 。 将
２ 期解译数据按照 Albert 双标准等积圆锥投影方式作坐标投影转换 。 利用 SU PERMAP的 GIS 分析平台 ，
对数据进行叠置量算和统计分析 ，从而建立马尔柯夫模型分析双城市土地利用的变化过程 。
马尔柯夫模型是生态研究中非常有用的随机模型 。 在模型中 ，其基本形式是表示在特殊的时间间隔从一
第 １５卷第 ２ 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 　 No ．２
２ ０ ０ ７ 年 ３ 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture March ，　 ２００７
空间到另一空间转移的概率矩阵 ，性质是根据事件的目前状况来预测其将来各个时刻（或时期）变动状况的一
种预测方法 ，且系统未来时刻的情况只与现在有关 ，与过去的历史无直接关系 。 利用马尔柯夫模型可以定量说
明土地利用的变化 ，揭示不同地类之间相互转化的状况［１ ～ ４］ 。 马尔柯夫转移矩阵模型表达如下 ：
Ai j ＝
A１１ A１２ A１３ … A１ n
A２１ A２２ A２３ … A２ n
A３１ A３２ A３３ … A３ n
… … … … …
An１ An２ An３ … Ann
（１）
式中 ，Ai j为研究时段内土地利用类型 i在研究时段内转化为土地利用类型 j 的面积 ，转移矩阵 i 行表示起始
状态的 i土地利用类型转换为终止状态其他类型的面积 ，j 列表示起始状态的其他类型转换为终止状态 j 土
地利用类型的面积 。 ∑
n
i ＝ １ Ai j ＝ Ai 即 i行元素之和为土地利用类型 i在研究时段内的初始面积 ，∑
n
j ＝ l A i j ＝ Aj
即 j 列元素之和为土地利用类型 j 在研究时段末的面积 ，Aii即为第 i 类土地利用类型在研究时段内没有发
生类型变化的面积数 。 该时段转移概率矩阵中的元素 Pij用土地利用类型 i 在研究时段内转化为土地利用
类型 j 的面积占起始状态土地利用类型 i的面积百分比来表示 ，即 ：
Pij ＝ Ai j／ Ai （２）
式中 ，Pij为研究时段内土地利用类型 i转化为土地利用类型 j 的转移概率 ，Ai j为土地利用类型 i 转化为 j 的
面积 ，Ai 为土地利用类型 i 在研究时段内的初始面积 。 同理该转移概率矩阵有每行元素之和等于 １ 的性
质 。 在分析土地利用的同时 ，根据双城市各种统计年鉴的相关数据 ，讨论了土地利用变化对粮食产量和生
态环境的影响 。 本研究得出的马尔柯夫转置矩阵见表 １ ，概率矩阵见表 ２ ，土地利用结构变化见表 ３ 。
表 1 　 双城市 1986 ～ 2000 年土地利用类型之间转换矩阵
Tab ．１ 　 Land use conversion matrix in Shuangcheng City f rom １９８６ to ２０００
土地利用类型 ／hm ２ 旱田 ／hm ２ 水田／h m２ 林地 ／hm ２ 城镇用地／h m２ 农村居民点／hm ２ 水域 ／hm ２ 牧草地 ／hm ２ 沼泽地／hm ２
Land use t ypes Farmland Paddy Forest To wn Residential a rea Wate r G rassland Wetland
旱 　 田 ２３１９５９畅９４ ２７１０畅７２ ７２２畅５１ ５５０畅８５ ３６３畅９１ ０ １７４畅３２ ０
水 　 田 ０ ４８３２畅２ ０ ０ ０ ０ ０ ０
林 　 地 ０ ０ ４６５２４畅５ ０ ０ ４１畅７１ ０ ０
城镇用地 ０ ０ ０ １６４４畅７０ ０ ０ ０ ０
农村居民点 ０ ０ ０ ０ １６９２９畅７０ ０ ０ ０
水 　 域 １０１畅６７ １０畅９０ ０ ０ ０ １６０２畅８１ ０ ０
牧草地 ２５７９畅５０ ２１３畅１５ ３８０畅９９ ３０畅９３ ０ ０ ８３４５畅０３ ０
沼泽地 ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ２６６１畅９９
合 　 计 ２３４６４１畅１１ ７７６６畅９７ ４７６２８ ２２２６畅４８ １７２９３畅６１ １６４４畅５２ ８５１９畅３５ ２６６１畅９９
表 2 　 双城市 1986 ～ 2000 年土地利用类型之间转移概率矩阵
Tab ．２ 　 Land use conversion probabilit y mat rix in Shuangcheng City from １９８６ to ２０００
土地利用类型 旱田／ ％ 水田 ／ ％ 林地／ ％ 城镇用地／ ％ 农村居民点／ ％ 水域 ／ ％ 牧草地／ ％ 沼泽地／ ％
Land use t ypes Farmland Paddy Forest To wn Resident ial area Wat er Grassland We tland
旱 　 田 ９８畅０８ １畅１５ ０畅３１ ０畅２３ ０畅１５ ０畅００ ０畅０７ ０畅００
水 　 田 ０畅００ １００ ０畅００ ０畅００ ０畅００ ０畅００ ０畅００ ０畅００
林 　 地 ０畅００ ０畅００ ９９畅９１ ０畅００ ０畅００ ０畅０９ ０畅００ ０畅００
城镇用地 ０畅００ ０畅００ ０畅００ １００ ０畅００ ０畅００ ０畅００ ０畅００
农村居民点 ０畅００ ０畅００ ０畅００ ０畅００ １００ ０畅００ ０畅００ ０畅００
水 　 域 ５畅９２ ０畅６４ ０畅００ ０畅００ ０畅００ ９３畅４４ ０畅００ ０畅００
牧草地 ２２畅３３ １畅８５ ３畅２９ ０畅２７ ０畅００ ０畅００ ７２畅２５ ０畅００
沼泽地 ０畅００ ０畅００ ０畅００ ０畅００ ０畅００ ０畅００ ０畅００ １００
2 　 结果与分析
2畅1 　 双城市土地利用结构变化
双城市旱田面积是由其他
地类转入和转出到其他地类两
部分组成 。 转出大于转入 ，因此
该市旱田面积是减少的 。 由表 １
和表 ２ 可知 ，旱田面积的增加是
由 １０１畅６７hm２ 水域和 ２５７９畅５０hm２
牧草地转入而来 ，而旱田面积的
表 3 　 双城市 1986 ～ 2000年土地利用结构变化
Tab ．３ 　 The amount of land use conversion in Shuangcheng City f rom １９８６ to ２０００
土地利用类型 １９８６ 年面积 ／hm ２ ２０００ 年面积 ／hm ２ 变化量／hm ２ 百分比 ／ ％
Land use t ypes Area in １９８６ Area in ２０００ Chang ing Percent
旱 　 田 ２３６４８２畅２６ ２３４６４１畅１１ － １８４１畅１５ － ０畅７８
水 　 田 ４８３２畅２０ ７７６６畅９７ ２９３４畅７７ ６０畅７３
林 　 地 ４６５２４畅５０ ４７６２８畅００ １１０３畅５０ ２畅３７
城镇用地 １６４４畅７０ ２２２６畅４８ ５８１畅７８ ３５畅３７
农村居民点 １６９２９畅７０ １７２９３畅６１ ３６３畅９１ ２畅１５
水 　 域 １７１５畅３８ １６４４畅５２ － ７０畅８６ － ４畅１３
牧草地 １１５４９畅６０ ８５１９畅３６ － ３０３０畅２４ － ２６畅２４
沼泽地 ２６６１畅９９ ２６６１畅９９ ０ ０
第 ２期 张久明等 ：土地利用变化对粮食产量与环境效应的影响 １７９　
减少主要转为水田 、林地 、城镇用地 、农村居民点和牧草地 ，分别占 １畅１５ ％ 、０畅３１ ％ 、０畅２３ ％ 、０畅１５ ％ 和
０畅０７ ％ ；水田面积的增加主要来自旱田 、水域和牧草地 ，分别为 ２７１０畅７２hm２ 、１０畅９０hm２ 和 ２１３畅１５hm２ ；林地
面积呈增加趋势 ，增加的面积主要来自 ０畅３１ ％ 旱田和 ３畅２９ ％ 的牧草地 ；城镇用地面积的增加主要来自旱田
和牧草地 ，分别为 ５５０畅８５hm２ 和 ３０畅９３hm２ ；农村居民点面积的增加全部来自于旱田 ，面积为 ３６３畅９１hm２ ，占
原旱田面积的 ０畅１５ ％ 。 牧草地面积呈减少趋势 ，减少的部分主要有 ２２畅３３ ％ 转为旱田 ，１畅８５ ％ 转为水田 ，
３畅２９ ％ 转为林地和 ０畅２７ ％ 转为城镇用地 。
由表 ３ 可知 ，１９８６ 年到 ２０００ 年双城市旱田面积下降 ０畅７８ ％ ，水田面积上升 ６０畅７３ ％ ，林地面积上升
２畅３７ ％ ，城镇用地面积上升 ３５畅３７ ％ ，农村居民点面积上升 ２畅１５ ％ ，水域面积下降 ４畅１３ ％ ，牧草地面积减幅
最大 ，下降 ２６畅２４ ％ ，沼泽地面积基本未发生变化 。
2畅2 　 土地利用变化对粮食产量的影响
双城市粮食产量趋于一种起伏的上升状态 ，由 １９８２ 年的 ３７畅３ 万 t 上升到 ２００１ 年 １３５畅３ 万 t ，最高
年份 １９９８ 年粮食产量达到 １６５畅１ 万 t 。 １９８６ ～ ２０００ 年间双城市旱田面积不断减少 ，但粮食产量却呈增
加趋势 ，这可能与种植结构 、粮食单产提高有很大关系 。 双城市水资源由地表水和地下水两部分组成 。 地
表水资源一部分为境内地面径流量 ，另一部分为过境的江河水 。 该市地下水资源比较丰富 ，全市可开采的
地下水资源总量为 １畅８３ 亿 m３ ，年开采量为 ０畅３ 亿 m３ ，占可开采量的 １６畅４ ％ ，丰富的水资源可为作物生长提
供充足的水分 。 化肥的施用和农业机械的利用等也是影响粮食产量的重要因素 。 双城市化肥施用总量
１９９５ 年达到了最大值 ５畅８ 万 t ，随后又有下降的趋势 ，到 ２００１ 年为 ４畅１ 万 t 。 这表明当地政府认识到生态农
业的重要性 ，粮食增产应结合有机农业 、精耕细作等措施并加强对土地的合理利用来实现 。 双城市为雀巢
咖啡的原材料生产基地 ，对化肥和农药的施入标准有严格的限制 ，这也促进了化肥施入量的合理性 。 通过
调查发现双城市农用机械由以往的集体保有转向个人保有 ，这就导致大中型农业机械转向小型机械 。 １９８４
年双城市拥有小型拖拉机 １４１６ 台而 ２００１ 年则达到 １０５１９ 台 ，为 １９８４ 年的 ７畅４ 倍 。
2畅3 　 土地利用变化对环境效应的影响
１９８６ ～ ２０００ 年双城市水域面积因被旱田和水田占用而呈减少趋势 ，其减少会给生态环境带来很大的负
面影响 。 自 １９８６ ～ ２０００ 年近 １４ 年中双城市防护林面积增加近 １１０３畅５hm２ ，这种绿色屏障对防风固土 、蓄水
保墒 、抗旱防涝起了重要作用 。 农村居民点和城镇用地面积增加 ，而旱田面积和牧草地面积减少 ，农村居民
点和城镇面积增加的直接原因是由人口增加所致 ，人口的增加会带来一系列生态环境的负面影响 。 根据
１９５７ ～ ２０００ 年双城市年均气温的回归分析表明 ，该市气温上升了 ０畅８ ℃ ，而年均降水量呈下降趋势（图略） 。
这种变化既与大环境的影响有关 ，也和区域生态环境变化有关 。
3 　 小 　 结
１９８６ ～ ２０００ 年双城市旱田面积 、草地面积和水域面积逐年减少 ，城镇用地 、居民用地 、林地和水田面积
呈增加趋势 。 水域和牧草地面积的减少会对区域生态环境带来一定的负面影响 ，自 １９５７ ～ ２０００ 年双城市年
均气温呈上升趋势而年降水量呈下降趋势 。 粮食产量呈上升趋势但尚不稳定 ，受自然环境的影响较大 。 利
用 GIS 分析 １４ 年来双城市土地利用变化 ，对双城市生态环境效应和农业的发展会有一个比较清晰的定量
化的认识 ，从而会为双城市在调整景观尺度上的土地利用方式 ，加强生态环境建设提供科学依据［５］ 。
参 　 考 　 文 　 献
１ 　 于兴修 ，杨桂山 ，李恒鹏 ．典型流域土地利用覆被变化及其景观生态效应 ——— 以浙江省西苕溪流域为例 ．自然资源学报 ，２００３ ，１８（１） ：１３
２ 　 王思远 ，刘纪元 ，张增祥 ，等 ．近 １０ 年中国土地利用格局及其演变 ．地理学报 ，２００２ ，５７（５） ：５２３ ～ ５３０
３ 　 徐 　 岚 ，赵 　 羿 ．利用马尔柯夫过程预测东陵区土地利用格局的变化 ．应用生态学报 ，１９９３ ，４（３） ：２７２ ～ ２７７
４ 　 刘海燕 ． GIS 在景观生态学研究中的应用 ．地理学报 ，１９９５ ，５０（增刊） ：１０５ ～ １１１
５ 　 罗为检 ，王克林 ，刘 　 明 ．土地利用及其格局变化的环境生态效应研究进展 ．中国生态农业学报 ，２００３ ，１１（２） ：１５０ ～ １５２
１８０　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷