基于GIS和景觀空間格局的區域耕地適宜度評價
——以衡陽市松柏鎮為例

鄧美容，周 芬，李紅偉

（衡陽師范學院 資源環境與旅游管理系，湖南 衡陽 421002）

0 引 言

隨著現代工業經濟的飛速發展，城市的不合理擴張，大量耕地甚至是國家保護的基本農田被占用，面對國家嚴格要求保護耕地紅線18億畝的政策，一些地區為了保證耕地指標平衡，盲目擴充耕地，以次充好，耕地整體生產能力和空間布局發生明顯變化。而且我國山地丘陵地區面積廣大，占到2／3以上，耕地資源有限，如果生產能力不斷下降的話勢必會打破平衡，為國家未來的發展埋下嚴重的隱患。耕地適宜度評價是指對影響耕地各種適宜因素的綜合評估，景觀是由相互作用的生態系統空間鑲嵌組成的異質區域，景觀生態學是研究景觀空間結構與形態特征對生物活動與人類活動影響的科學［1］。

近年來國外在耕地質量評價方面已取得很大進展，但多集中在中尺度乃至大尺度區域上，耕地質量評價已經從傳統查田定產、土壤性質、基礎地力等單純對土地自然狀態的研究，發展到綜合考慮自然、經濟、社會的“人地一體化的資源價值管理評價”。歐美地區注重耕地質量及其生態環境變化對糧食生產的影響，Gerowitt B等研究了在保障農業生態環境下的耕地使用需求，提出耕地的合理使用必須建立在對耕地質量及其生態環境不產生不良影響的前提下［2］；Münier B等提出了耕地使用的生態—經濟模型，充分保障耕地質量及其生態環境影響［3］。

我國學者近年來將景觀生態學、基于生態足跡等新研究思路逐漸引入到土地適宜性評價中（戴金華，2010；張海林，2008）［4－5］，引入土地斑塊的概念，從自然、經濟、社會等因素綜合考慮，利用GIS實現耕地多目標適宜性評價。李謝輝等（2012）［6］將景觀生態學中景觀空間格局分析指數引入土地利用評價體系，將土地利用中的各土地利用類型作為景觀生態中的一個個景觀綴塊，分析無序土地利用景觀中的潛在規律。在耕地資源評價方面，國內注重土地適宜性的評價研究，部分學者利用GIS和RS進行分析，通過將數據柵格化，利用柵格屬性疊加分析的方法實現耕地適宜性分級。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

松柏鎮始建于1955年，北依湘江，東臨舂陵河，北邊距衡陽市區27km，南邊距常寧市區30km。松柏鎮位于常寧市東北角，總面積78.6km2，耕地面積23km2。目前有人口7.6萬，非農業人口5.1萬，農業人口2.5萬。歷年來，松柏鎮憑借得天獨厚的地下礦產資源和人民辛勤勞動，先后進入全國村鎮建設先進鎮、全國百強鄉鎮行列，并贏得了“湘南第一鎮”的美譽。松柏鎮位置見圖1。

圖1 松柏鎮位置Fig.1 Location of Songbai town

1.2 數據來源與處理

本項目主要采用：（1）全國第二次土地調查數據：成果數據為 MapGIS格式，經過格式轉換成ArcGIS軟件中的.shp格式，得到地形數據、交通數據以及水源數據。（2）在中國科學院對地觀測與數字地球科學中心 （ http：／／ids.ceode.ac.cn／query.html）和地理空間數據云 （http：／／www.gscloud.cn／）下載的 Landsat8 遙感影像數據，利用ENVI遙感圖像處理軟件，采用最大似然比法，經過輻射校正、幾何校正、圖像融合、研究區影像裁剪等一系列圖像預處理步驟得到研究區遙感影像。

2 基于景觀空間格局的耕地總體評價

景觀格局一般是指景觀的空間格局，是指大小、形狀和屬性不一的景觀空間單元在空間上的分布于組合規律，是景觀異質性的具體表現，也是各種生態過程在不同尺度上作用的結果［7］。景觀格局主要包括組成景觀的單元的類型、數目以及空間分布和配置，體現景觀空間的結構，同是也是景觀功能變化的重要因素［8］。隨著對各種問題的研究不斷深入，人們逐漸意識到景觀格局的研究對合理利用土地，改善生態環境有著至關重要的作用。不同類型的地物構成不同格局的景觀斑塊，景觀格局分析的目的就是從這些景觀斑塊中提取專題信息［9］。

2.1 評價指標

（1）斑塊面積：斑塊面積值的大小是制約以類型斑塊作為聚居地的物種豐度、數量、食物鏈及其次生種的繁殖等的因素。不同類型面積的大小能夠反映出其間物種、養分和能量等信息流的差異。

（2）斑塊個數：斑塊個數是指某一類型斑塊的總個數。斑塊個數反映了景觀的空間格局，可以很好的反應整個景觀的異質性，其值的大小與景觀的破碎度也有很好的正相關性，一般規律是其值大，破碎度高；其值小，破碎度低。

（3）斑塊密度：是斑塊個數與景觀總面積比值，即每公頃的斑塊數。斑塊密度值的大小與景觀破碎化程度和空間異質性成正比。它反映了景觀要素的破碎程度和景觀空間結構的復雜性。

（4）平均斑塊形狀指數：通過計算某一斑塊形狀與相同面積的圓或正方形之間的偏離程度來測量斑塊形狀復雜程度［10］。

（5）聚集度指數：景觀聚集度反映景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集度。

（6）平均斑塊分維數：分維或分維數可以直觀地理解為不規則幾何形狀的非證書維數。對于單個斑塊而言，其形狀的復雜程度可以用分維數來量度。

根據實際情況和數據處理結果，本項目將景觀類型分為了耕地、林地、草地、水源、建筑用地及其他6項，利用Fragstats軟件對各景觀要素的斑塊個數、斑塊面積、平均斑塊形狀指數、斑塊密度、平均斑塊分維數和聚集度指數進行統計和分析，結果見表1。

表1 景觀單元特征與景觀格局指數結果Tab.1Landscape unit characteristics and landscape pattern index results

2.2 評價結果分析

由表1可以看出，松柏鎮林地斑塊面積最大，同時斑塊個數少，密度很小，說明分布比較集中且形狀均勻，能發揮更好的效益。耕地面積為2 385.18 hm2，斑塊數量最少，斑塊密度也很小，平均斑塊形狀指數1.60，平均斑塊分維數1.08，耕地形狀相對比較規則，與林地具有類似的分布。耕地和林地總面積為5 860.23hm2，占全鎮面積的70%，可見松柏鎮農業依然占主導地位。水源條件斑塊面積小，但是個數多，密度相對較大，因此分布相對分散，便于農業區取水的分散性。

從平均斑塊形狀指數可以看出，平均斑塊形狀指數較大的是耕地和林地，表明這兩種類型的斑塊形狀差異很大，不規則。其他景觀類型的平均斑塊形狀指數相比較小而且差異不顯著。

從平均斑塊分維數來看，值都較小且接近1，說明在研究區土地斑塊形狀主要取決于自然地貌和環境條件，各類型斑塊形狀都比較簡單。其中，耕地斑塊分維數1.08為最大，反映它的形狀是最復雜的。

由景觀聚集度指數可以看出，耕地和林地聚集度指數較高，表明是由少數團聚的大斑塊組成，草地、水源、建筑用地及其他用地相對聚集程度不高，分布比較分散。

綜合上述指數，得出松柏鎮各地類布局比較合理，耕地和林地面積最大，分布相對比較集中，形狀較為均勻；其他地類相對分散，形成了分散包圍主要用地的格局，因此為耕地提供了必須的條件。

3 基于地理環境的耕地空間適宜性格局分析

本部分主要利用ArcGIS的空間分析功能，對各評價指標進行空間處理，并利用層次分析法得到指標權重，最終得到基于地理環境的結果。

3.1 評級指標

（1）地形坡度：土地坡度與水土流失成正相關，所以坡度越大，水土流失越嚴重，這就直接影響到耕地的土壤、水分和養料等，成為影響耕地適宜性的一個重要要素。本文的坡度是通過研究區的DEM，利用Slope操作得到坡度數據。

（2）水源條件：肥沃的耕地都曾經過海洋或河流的沉積物累積。水資源是影響耕地作物的一個重要因素，根據耕地的水利條件，可將耕地分為水田和旱地。

（3）耕地交通：交通是聯系耕地與外界物質的橋梁，交通的便捷性與耕地能否得到充足物質供給緊密相關。

（4）空間布局：空間布局包括與居民地距離和與礦區距離，與居民地距離直接影響到耕地的利用度高低。研究區礦產資源豐富，礦產開發比較廣泛，大量的污水和廢渣引起土地質量的下降，對耕地造成污染，因此，耕地距離礦區越遠適宜性越高。

3.2 評價過程

首先處理矢量數據，即對各指標的矢量圖層進行預處理。例如：刪除獨立的、極小的不合理線、面狀地物，將間斷的線狀地物連接起來等，建立多級緩沖區。利用ArcGIS中的分析工具，對基礎指標建立緩沖區，緩沖距離依據國家基本農田劃定原則，確立出多級緩沖區大小見表2（單位：Meters）。

表2 地理環境各指標緩沖級別值Tab.2 Geographical level value of each index buffer

根據表2建立的各緩沖區見圖2－7。將所有分層信息合并，利用ArcGIS的空間疊加功能，用賦值等級字段計算，利用權重系數得出綜合結果值。權重利用AHP得到，得到各因子權重系數如下：坡度因素（0.24）、自然水源（0.15）、人工水源（0.11）、主要道路（0.09）、農用道路（0.10）、與居民地距離（0.06）和與礦區距離（0.25）。

圖2 自然水源緩沖區Fig.2Natural water buffers

圖3 人工水源緩沖區Fig.3Artificial water buffers

圖4 農用道路緩沖區Fig.4Farm road buffers

圖5 主要道路緩沖區Fig.5Main road buffers

圖6 居民地緩沖區Fig.6Residents in the buffers

圖7 礦區緩沖區Fig.7Mine buffers

最后對綜合值分級，根據小于1.5、1.5—2.5、2.5—3.5、4.5以上分為最適宜，中等適宜，一般適宜，不適宜四個等級。

3.3 評價結果

利用ArcGIS軟件根據以上步驟進行疊加，得出松柏鎮耕地適宜性評價結果圖見圖8。

圖8 松柏鎮耕地適宜性評價結果Fig.8Plough suitability evaluation results of Songbai Town

利用ArcGIS分級功能，將松柏鎮所有耕地地塊適宜性值分為四個等級，小于1.5為不適宜、1.5—2.5為一般適宜、2.5—3.5為中等適宜、4.5以上為最適宜。導出屬性表并統計出每一級對應的面積及占全鎮總面積比例見表3。

表3 松柏鎮耕地適宜性評價結果Tab.3Arable land suitability evaluation results

由最終結果圖層進行融合操作，以村名和等級為字段統計面積總和，最終得出各行政村耕地四個等級耕地面積見表4。

表4 松柏鎮各村耕地適宜度等級Tab.4Plough’s suitability grade in every village

3.4 結果分析

（1）松柏鎮耕地適宜性結果分為4個等級：最適宜、中等適宜、一般適宜和不適宜。經過評價方法和分析，最適宜的耕地有838.02hm2，占總耕地面積的39.22%；中等適宜的耕地有890.33hm2，占耕地總面積的34.98%，是占比例最大的部分；一般適宜的耕地有544.05hm2，占耕地總面積的21.37%；不適宜的耕地112.79hm2，占耕地總面積的4.43%。最適宜和中等適宜共占74.2%，說明松柏鎮大部分耕地與景觀空間格局、地理環境相融合。這部分耕地應繼續完善保護制度。不適宜耕地所占比例雖小，但也說明研究區耕地與景觀格局、地理環境相違背，應采取措施，積極應對，促進整體生態環境健康發展。

（2）本研究區共有26個行政村落，從表可以得出，面積前十位的村落中，新華村最適宜、中等適宜、一般適宜、不適宜耕地分別占3.28%、29.29%、64.65%、2.79%，最適宜和不適宜耕地所占比例不大，反映新華村耕地整體適宜性一般或者較差，優質耕地并不多。朱陂村不適宜耕地占0%，最適宜、中等適宜、一般適宜分別占 24.30%、71.61%、4.09%，這種情況反映該村無論從景觀格局還是地理環境方面分析都充分占優勢，地勢平坦，遠離礦區，交通便捷，水源充足。不適宜耕地較多的村落主要有新華村、雙泉村、水口山金屬有限公司、南陽村、獨石村和燕形村，不適宜的主要原因在于一是靠近礦區很近，如水口山金屬有限公司，本來耕種區域就在礦區范圍，廢渣、廢水、廢氣影響很嚴重；二是部分耕地位于坡地上，灌溉、交通均不方便，這些地方在未來的耕地發展中需重新考慮用地類型。

綜上所述，地理環境及人類的空間活動，對耕地適宜性有很大影響，各個要素共同影響，對耕地的適宜性進行評價。

4 結 論

本項目采用景觀空間格局評價方法，首先從總體上對常寧市松柏鎮耕地分布進行評價，從斑塊個數、斑塊面積、斑塊密度、平均斑塊形狀指數、平均斑塊分維數和聚集度指數研究耕地的整體空間格局，結果表明耕地景觀空間格局較為合理。其次，從地理環境角度選取地形、水源、交通、空間布局4個方面的因素構建指標體系；對評價因子進行分級量化，采用AHP方法確定權重，得出每個因子的分值；通過加權指數和法求出所有指標的綜合評價分值，根據綜合評價分值進行分級，得出耕地適宜性評價結果。

（1）將景觀空間格局的特征指標和地理環境指標引入耕地適宜性評價的體系中，能更完善地表征研究區耕地特點，更深入分析適宜性，避免了片面結論帶來的不足，引導區域更健康的經濟發展。

（2）分別運用ArcGIS軟件和Fragstats軟件來處理和獲取評價指標值，可提高耕地適宜性綜合評價體系的可操作性和實用性。

（3）適宜性評價結果可以為政府部門在進行土地利用規劃的編制提供決策支持。在土地利用規劃調整中，最適宜等級的耕地作為保護耕地，可作為國家劃定永久基本農田的依據，一般不對其進行調整。對一少部分低適宜性等級的耕地，可采取相應措施達到土地最優利用，如退耕還林，這樣既提高了土地利用效率，也為研究區經濟建設發展提供了良好的生態環境。

［1］朱德舉.土地評價（修訂版）［M］.北京：中國大地出版社，2002：106－125.

［2］Gerowitt B，Isselstein J，Marggraf R.Rewards for ecological goods：requirements and perspectives for agricultural land use［J］.Agriculture Ecosystems ＆ Environment，2003，98：541－547.

［3］Münier B，Birr Pedersen K，Schou J S.Combined ecological and economic modelling in agricultural land use scenarios［J］.Ecological Modelling ，2004，174（1）：5－18.

［4］戴金華，趙筱青.基于GIS的土地利用景觀格局空間分析研究：以云南省瀘西縣白水鎮為例［J］.云南地理環境研究，2010（4）：59－65.

［5］張海林.基于GIS的龍口市耕地景觀空間格局變化研究［J］.山東科學，2008，21（1）：48－50.

［6］李謝輝，王磊.河南省土地利用／覆蓋景觀格局變化分析［J］.水土保持研究，2012，19（5）：83－89.

［7］肖燁.大熊貓生態環境適宜性評價和景觀格局分析［D］.南京：南京林業大學，2012.

［8］Forman RTT，Gordon M.Landscape Ecology［M］.New York，USA：John Wiley and Sons，1986：215－232.

［9］王慧.南京市土地利用景觀格局變化及預測［D］.南京：南京農業大學，2010.

［10］賈寶全，慈龍駿.綠洲景觀生態研究［M］.北京：科學出版社，2003：212－225.

［11］張曉峰.大熊貓棲息地環境質量評價生態模型研究［D］.成都：成都理工大學，2001.

［12］徐昌瑜.基于Fragstats的區域土地生態質量綜合評價研究：以江蘇省宜興市為例［J］.土壤，2013，45（2）：355－360.