基于ArcGIS和DEM模型的耕地利用格局分析*

王軍強，胡曉光，岳穎，別雪艷，段云峰，高富崗

（1.河北盛世圓福項目管理集團有限公司，河北 廊坊 065000；2.山西農業大學 資源環境學院，山西 太谷 030801；3.南京農業大學 土地管理學院，江蘇 南京 210095）

基于ArcGIS和DEM模型的耕地利用格局分析*

王軍強1*，胡曉光1，岳穎1，別雪艷1，段云峰1，高富崗2，3

（1.河北盛世圓福項目管理集團有限公司，河北 廊坊 065000；2.山西農業大學 資源環境學院，山西 太谷 030801；3.南京農業大學 土地管理學院，江蘇 南京 210095）

基于DEM模型和GIS平臺，運用景觀生態學基本原理，探究黃土高原小流域不同地形條件下的耕地利用格局以及農戶經營行為特征，為促進區域農業的可持續發展奠定基礎。結果表明：（1）流域內91.64%的耕地集中于＜1300 m高程范圍內，90.61 %的耕地分布于＜15°的宜耕區；（2）在＜1200 m高程范圍內，＜15°的宜耕區內，耕地類型多樣，斑塊數最多，內部的斑塊組合最復雜；在1200～1300 m高程范圍內，15～25°坡度區內斑塊的連通性好；>1300 m高程范圍內，>25°坡度地帶內，斑塊間的干擾性小，景觀的破碎化程度也略高；（3）耕地利用的破碎化現狀，深刻影響著農戶水保行為、種植行為及兼業行為，使得農戶經營行為差異化、區域化明顯。因此，流域應加強土地綜合整治力度，調整農業經營模式，為耕地資源的高效集約利用及農業規模化經營創造條件。

耕地利用格局；農戶經營行為；DEM模型；地形分布指數

耕地受到人類活動的強烈影響 ，是土地利用動態變化中非常活躍的要素之一［1］，也是農業生產的先決條件和物質基礎，其數量、質量及利用格局對于保障國家糧食安全和維護社會經濟穩定持續發展具有重要意義［2］。地形因子是一個包括高程、坡度等因子在內的多維變量［3］，每一維對區域內部的水、熱、養分起到再分配的作用 ，直接影響著地表物質的遷移與能量的轉換［4］，是決定區域耕地利用格局的關鍵因素之一，也嚴重影響著農戶的經營方向與方式［5］。DEM模型為探討地形與耕地利用格局的關系提供了基礎平臺［6］，先前研究多從大尺度揭示地形因子與多種土地利用類型分布格局的關系［6，7，8］，但在小尺度區域基于DEM模型和GIS平臺，從地形和景觀雙視角單獨對耕地利用格局進行深入探究尚不多見。黃土高原溝壑區水土流失嚴重，生態脆弱，經濟發展相對落后，人地矛盾突出，土地利用問題研究顯得尤為重要［9］。研究區選擇黃土高原典型的小流域，地形多種多樣，破碎化現象顯著，生態環境極其脆弱，農業生產力低下，是其典型特征。耕地資源是當地農戶經濟來源最依賴的物質基礎，因此有必要分析在復雜地形條件下的耕地利用格局，這將有助于揭示其潛在規律，為當地耕地資源的高效利用及農戶生活水平的改善提供理論參考。

1 研究區概況

研究區位于山西省西南部永和縣、隰縣和石樓縣3縣的接壤地帶，屬黃河1級支流范圍和典型的黃土丘陵溝壑區第2副區，地理坐標為東經110°38'01"～110°50' 02"，北緯36°47' 26"～36°57' 14"，海拔在1023.0～1415.6 m之間，流域內溝壑縱橫、梁峁起伏，地形復雜多樣。該流域總面積為126 km2，其中水土流失面積達113 km2，林地、草地、耕地是流域內最主要的景觀單元。土壤以地帶性褐土、草甸土為主，土壤結構疏松，粘粒含量較低，濕陷性大。流域多年年均溫為8.6℃，年均降雨量為510.90 mm，溫帶大陸性季風氣候明顯。轄區涉及永和縣4個行政村，隰縣4個自然村和石樓縣1個自然村，總人口為2559人（截止2013年統計），地廣人稀。

2 研究方法

2.1 數據預處理

基礎數據利用研究區的二調影像和Quick bird影像，經實地調查與室內地圖數字解譯，得到1∶10000的流域土地利用現狀圖，并利用ArcGIS 9.3提取耕地現狀數據，依據流域自然特征，將耕地劃分為坡耕地、梯田、溝壩地和溝川地4種類型（圖1）。

圖1 研究區土地耕地利用現狀Fig.1 Cultivated land use status quo in the study area

2.2 高程、坡度重分級

基于該流域 DEM數據（分辨率10 m×10 m）和ArcGIS 9.3平臺，借助GIS軟件的SpatialAnalyst模塊進行表面分析，得到高程、坡度柵格圖（柵格單元10 m×10 m）。同時依據流域的土地利用現狀，并結合中國農業區劃委員會頒發《土地利用現狀調查技術規程》，進行高程、坡度的重分級，這樣既反映了研究區的地形特征，又符合經濟規律和國家規范（表1）。

表1 高程、坡度重分級標準Table1 The standard of elevation and slop reclassifcation

2.3 地形分布指數

地形分布指數，是一個標準化、無量綱指標，既可以消除面積差異量綱的影響，又可以更好的描述各地形因子條件下的耕地分布特征［4］。

式中 P代表地形分布指數； e代表地形因子，包括高程、坡度等； ieS是指 特定地形因子下 i耕地類型的面積； iS則是 i耕地類型的面積； S是整個區域的耕地總面積； eS代表 e特定地形因子下的耕地總面積，由此可得到高程、坡度因子下的各耕地類型的分布指數。它代表的指示意義：P>1，表示第 i種耕地類型在第 e級地形上分布屬于優勢分布，P值愈大，分布的優勢地位愈高。

2.4 景觀指數提取

景觀指數通常用于描述景觀格局，來揭示景觀元素組成及其空間配置，為區域景觀格局的調整和生態保護決策提供依據［10］。本文利用ARCVIEW 3.3將高程、坡度分級下的耕地矢量圖，轉換為柵格圖（柵格單元10 m×10 m），并通過FRAGSTATS 4.0，在景觀水平上針對數量/密度、形狀、鄰近度、連通性和多樣性等5大層面，提取了斑塊數（NP）、斑塊密度（PD）、形狀指數（LSI）、平均鄰近距離（EMN_ MN）、斑塊結合度（COHESION）、香農多樣性指數（SHDI）6個指數進行耕地景觀格局分析，各指數的計算及生態學意義見相關文獻［13］。

3 結果與分析

3.1 高程梯度下的耕地分布特征

從表2得知，溝壩地主要分布在第2梯度，面積分布比例達74.65%，分布指數也達到最大（2.23），說明此高程梯度是其海拔優勢區。溝川地總面積較少，多沿河流呈條帶狀分布，60%以上的地塊集中于第1梯度，且在此海拔分布的優勢地位顯著（6.98）。坡耕地、梯田是該流域最主要的耕地類型，主要分布在地勢較高的第3梯度，面積分布比例分別為58.71%和64.24%，分布指數 也均大于1，表明此梯度是兩者分布的海拔適宜區；在第4梯度區僅有少量的坡耕地、梯田分布，坡耕地多依賴于原始坡面地形，分布的隨意性較強，在此梯度的分布優勢仍較強，而梯田多受技術和成本條件所限，其在此梯度分布的優勢性減弱。

表2 高程梯度下的耕地利用類型地形分布特征Table2 Topographical distribution characteristics of farmland use types in elevation gradient

依據表3的斑塊數和斑塊密度得知，在第2梯度NP和PD值都最大，表明此梯度細小田塊多，團聚性差，破碎化程度也遠大于其他梯度的區域；從形狀指數上得知，在第2梯度的LSI遠大于其他梯度，反映了此梯度的田塊形狀不規則，內部類型組合的復雜性強、邊界嵌合度高；從斑塊的平均鄰近距離上看，在第4、1梯度的ENN_MN遠大于其他梯度，說明此梯度的田塊間平均距離大，田塊間的不相連使得發生相互干擾的概率降低；斑塊結合度在第3梯度達到最大（96.55%），在此梯度斑塊形成了良好的連通性、香農多樣性指數在第1、2梯度均大于1，表明這兩個區域的耕地類型分布均勻，破碎化程度也略高。

3.2 坡度分級下的耕地分布特征

溝壩地和溝川地的分布特征基本一致，都集中于平地和緩平地坡度地帶，分布指數 在緩平地均大于2，表明此坡度區是兩類型的優勢分布區（表4）。從面積和分布指數上得知，坡耕地在各坡度區都有分布，其中74.75 %的坡耕地集中于＜15°的宜耕區（平地、緩平地、緩地），近年來雖開展了大規模的“坡改梯”、“退耕還林”等項目，但由于缺乏足夠資金以及農戶追求短期經濟利益等因素，使得流域內的坡耕地整治尚不徹底，也存在一些隨意開墾的行為，因此仍有25.25%的坡耕地分布于非宜耕區（>15°）。該流域的梯田多沿等高線采取“大灣就勢、小灣取直”的方式人工修成，且多是坡耕地改造后形成的“水平梯田”類型，是平地區最主要的耕地類型。

表3 高程梯度下的耕地景觀指數Table 3 Farmland landscape indexes in elevation gradient

表4 坡度分級下的耕地利用類型分布特征Table 4 Topographical distribution characteristics of farmland use types in slop classifcation

表5 坡度分級下的耕地景觀指數Table 5 Farmland landscape indexes in slop classifcation

根據表5可得，斑塊個數和香農多樣性指數的最大值均在緩平地，表明此坡度地帶的耕地類型多樣，分布較均勻，空間的異質性也較強，由表4可知在緩地、緩陡坡、陡坡3個區域只有坡耕地1種類型分布，因此這3個坡度區的SHDI為0；斑塊密度與斑塊個數的分布特征并不一致，在陡坡的NP最少（32塊），但它的PD卻最大（310.98塊/km2），反映了此坡度地帶的景觀破碎化程度高；從形狀指數上講，平地和緩平地的LSI略大于其他坡度區，揭示出平地、緩平地內部的斑塊組合復雜，各類型的邊界嵌合程度高；從斑塊結合度和斑塊的平均鄰近距離上看，在陡坡的COHESION值最小（88.12 %），斑塊的分散性強，斑塊間的距離也相應被拉大，在此坡度區的ENN_MN也最大（0.6070 km）。

4 結論與討論

（1）該流域91.64 %的耕地集中于＜1300 m的區域，其中溝壩地和溝川地主要分布于地勢較低的第1、2梯度，而坡耕地、梯田由于存在“坡地→梯田”的轉換關系，在高程梯度下的分布特征基本一致，第3、4梯度是其分布的優勢區。景觀上講，第1梯度的耕地類型最為多樣；第2梯度的斑塊個數、斑塊密度及形狀指數最大，景觀的破碎化程度最高，內部斑塊組合最復雜，景觀異質性強；第3梯度的斑塊結合度最好，形成了良好的連通性；第4梯度的斑塊的平均鄰近距離最大，減輕了斑塊間的干擾性。

（2）該流域90.61 %的耕地分布于＜15°的宜耕區（平地、緩平地、緩地），而在緩陡坡、陡坡（>15°的非宜耕區）仍有235.87 hm2的坡耕地，是潛在水土流失的風險源，因此也是未來需要整治的區域。緩平地（2～6°）內的斑塊個數、形狀指數及香農多樣性指數均最大，景觀類型最為多樣，內部斑塊的組合復雜，各類型的邊界嵌合程度高；緩陡（15～25°）內的斑塊形成良好的連通性；陡坡（>25°）的景觀破碎化程度最大、斑塊間的干擾性也較小。

（3）當前流域耕地的破碎化現狀造成農業生產效率低、農機化水平低、糧食產量低等諸多問題，影響著農戶水保行為、種植行為、兼業行為，使得農戶具體經營行為差異化、區域化明顯，也制約了區域農業的可持續發展。

因此，流域未來應立足于“農田生態系統平衡”的前提下，繼續加強“田、水、路、林、村”土地綜合整治，充分挖掘耕地生產潛力，為促進耕地資源的高效集約利用貢獻力量。受地形因素的影響，在當前階段單憑土地整治，并不能徹底解決黃土丘陵區的耕地破碎化問題，還急需農戶經營模式的調整，打破“家家小而全，戶戶糧油棉”個體的小農經營格局，為農業規模化經營創造條件。農戶應在政府帶領下嘗試實施“農戶+新型農業合作社”經營方式，進行不同種植園區的規劃布局，并保持與銷售企業、深加工企業密切聯系，構建“種—產—銷”一條龍的協同合作經營格局，這種模式既可以呈現種植園區的交錯分布狀態，達到景觀格局的優化，又可以為農戶提供更多的兼業機會，增加收入，提高家庭生活水平，實現流域生態和經濟效益的雙贏。

/References

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［4］崔步禮，李小雁，姜廣輝，等.基于DEM的山地丘陵區土地利用/覆被研究——以青海湖流域為例［J］.自然資源學報，2011，26（5）:871-880.

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［6］梁發超，劉黎明.基于地形梯度的土地利用類型分布特征分析——以湖南省瀏陽市為例［J］.資源科學，2010，32（11）:2138-2144.

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［10］鄔建國.景觀生態學—格局、過程、尺度與等級（第二版）［M］.北京:高等教育出版社，2007，13.

The Analysis on Farmland Use Pattern Basing on the Way of Digital Elevation Model and ArcGIS

Wang Junqiang1，Hu Xiaoguang1，Yue Ying1，Bie Xueyan1，Duan Yunfeng1，Gao Fugang2，3
（1.Hebei Prosper Crown Project Management Group Co.Ltd，Langfang Hebei 065000；2.College of Resources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu Shanxi 030801；3.College of Land Management，Nanjing Agriculture University，Nanjing Jiangsu 210095）

Based on DEM model and GIS platform，we explored the characteristics of farmland use pattern and farmer households'production and operation behaviors under different terrain conditions of small watershed of in the Loess Plateau by applying landscape ecological fundamentals，which will lay a foundation for the sustainable development of regional agriculture in the future.The results show that∶（1）There were 91.64 percent of farmland concentrating in the elevation range less than 1300m； there were 90.61 percent of farmland distributing in the arable area less than 15°；（2）In the elevation range less than 1200m and the arable area less than 15° which had rich types，the most number of patch，and the most complicated patch group；it formed a superior connectivity in the range between1200～1300 m and the slope zone of 15～25°； the interference between patches was small and the level of landscape fragmentation was also slightly higher within the range more than 1300 m and the slope zone more than 25°；（3）The current fragmentation situation of farmland use pattern had profound impacts on farmer households' soil and water conservation behavior，planting behavior，concurrent business behavior，which made farmer households'production and operation behaviors different and regional obviously.Therefore，we need to strengthen comprehensive rearrangement of land and adjust the agricultural production mode，which will create conditions for the high intensitive utilization of farmland resource and agricultural large-scale management .

farmland use pattern； farmer households' production and operation behaviors； digital elevation model； opographic distribution index

F301.21；F304.5

A

1672-5603（2016）02-079-5

*本文受國土資源部公益性項目行業可科研專項經費課題（2009HX01）資助。

*第一作者簡介 王軍強，男，1988年生，現主要從事土地利用與規劃、土地經濟政策研究等工作。Email:wjq8885@126.com

2016-4-21；改回日期：2016-5-10。