耕地破碎度評價方法與實證研究
——以浙江省寧波市為例

陳帷勝，馮秀麗，馬仁鋒，洪巧娜（.寧波大學城市科學系，浙江 寧波 35；.寧波土地勘測規劃院，浙江 寧波 35）

耕地破碎度評價方法與實證研究
——以浙江省寧波市為例

陳帷勝1，馮秀麗1，馬仁鋒1，洪巧娜2
（1.寧波大學城市科學系，浙江 寧波 315211；2.寧波土地勘測規劃院，浙江 寧波 315211）

研究目的：借鑒景觀格局研究思路，構建耕地破碎度評價模型，利用1992年、2003年和2014年3期TM影像，對寧波市各縣（市、區）耕地破碎狀況進行綜合評價，以期為區域耕地管理政策的制定和完善提供基礎數據以及耕地破碎度的研究提供理論上的參考。研究方法：景觀指數法，熵權法，自然分級法。研究結果：全市各評價單元耕地破碎度不斷增加，1992—2003年耕地破碎度增加的幅度大于2003—2014年。全市耕地破碎度空間分布情況變化明顯，1992—2003年兩個Ⅰ級區轉化為Ⅱ級區，一個Ⅱ級區轉化為Ⅲ級區，2003—2014年，Ⅲ級區增加兩個，全是由Ⅱ級區轉化而來，Ⅰ級區只剩下一個。研究結論：全市耕地破碎度不斷增加，地形復雜、經濟發達的地區耕地破碎度偏大。

土地評價；TM；耕地；破碎度；熵權法；寧波

1 引言

隨著經濟社會的快速發展，土地供需矛盾日益尖銳。不斷增長的人口數量、日漸減少的耕地、不斷退化的土壤肥力、利用效益低下且破碎的耕地等農業生產中所面臨的問題都對國家的糧食生產安全戰略構成威脅。其中，耕地破碎現象在這些問題中顯得尤為突出，耕地破碎化是土地的地塊大小、距離、分布不協調的綜合反映［1］，一方面造成生產資料浪費，降低農業生產率；另一方面，不利于新技術、新設備的應用，阻礙農業規模化、現代化發展。因此，在耕地資源有限的情況下，加強對耕地破碎化的研究，對提高現有耕地資源產出效益、加強耕地資源集約規模利用、解決耕地破碎化問題具有重要的理論與現實意義。

目前，關于耕地破碎度評價的研究，目的不同，關注點不同，評價方法不同，評價指標的選取也不相同。早期S指數、J指數、I指數［2-4］被用于衡量耕地的綜合破碎程度，近期景觀格局指數、形狀指數和斑塊分形維數［5］被用來分析耕地的變化特征；在選擇合適指標的同時，學界多采用景觀格局指數法和聚類分析法［6］對土地利用的破碎程度進行研究。耕地的破碎化不是瞬間的結果，而是一個長期的動態過程，人類活動對耕地的作用直觀地反映在景觀層面上，耕地破碎度是由景觀破碎指標綜合體現，以往研究多側重于耕地破碎度空間上的定性或定量分析，而對區域耕地破碎度的演變分析較少，對耕地破碎度加劇的變化趨勢重視不夠。因此，本文選擇寧波市各縣（市、區）為研究區域，選擇耕地的分布、結構、形狀三類耕地景觀破碎指標綜合運用熵權法構建耕地破碎度評價模型，在此基礎上綜合運用RS技術和GIS技術，對寧波市耕地破碎度進行評價，分析其變化趨勢，以期引起人們對不斷加劇的耕地破碎的關注，為耕地管理政策的制定和完善提供基礎數據以及耕地破碎度研究提供理論參考。

2 研究區概況

寧波市地處浙江省東部，長江三角洲南翼，是浙江省三大經濟中心之一，為副省級城市。轄六區、兩縣、三個縣級市，土地總面積9365 km2［7］，具有比較優越的農業生產條件。然而，長期不合理的耕種方式，以及經濟發展和城鎮建設對耕地的占用，導致部分地區耕地分布零散、耕地破碎化程度嚴重，不利于機械化生產，農業生產率低。1996—2009年全市人均耕地從480 m2減到393.3 m2，不到全國平均水平的40%，人均耕地占有量小，耕地保護壓力大。

3 研究方法

3.1 數據來源與處理方法

本文所用數據包括研究區1992年8月和2003年7月的TM影像，2014年8月的ETM影像，3個時期的數據具有較好的時相統一，確保遙感解譯結果的可對比性。另外還獲取了研究區2011年土地利用現狀矢量數據，用于遙感分類提取耕地結果的驗證。氣象及社會經濟統計數據來源于2014年《寧波市統計年鑒》及寧波市土地利用二調統計公報。利用ENVI對TM影像進行分類處理，再在GIS中提取出寧波各縣市區的耕地數據，同時為了滿足Fragstats 3.4軟件數據格式的要求，將耕地數據轉換為ArcGrid數據格式（網格分辨率為30 m），然后進行相關破碎指標的計算與分析。

3.2 遙感數據的解譯與精度分析

首先對遙感圖像進行格式轉換、波段合成、圖像增強、校正和圖像裁剪等預處理。根據《土地利用分類》一級分類標準，結合研究區實際情況，將研究區分為耕地、林地、水體、建設用地、未利用地5大類。保存得到分類模板，選用分類疊加的方法［8］，結合研究區土地利用矢量數據建立解譯標志，確保初始分類中地物的真實性、準確性。采用最大似然法對研究區3個時期的影像進行分類，并用Transformed Divergence參數來衡量訓練樣區對于分類的有效性。以研究區土地利用現狀矢量數據為依據對分類精度進行驗證，隨機選取若干樣本區，計算其分類混淆矩陣和Kappa系數，對三期遙感分類結果進行精度檢驗。結果表明：1992年、2003年和2014年的遙感分類Kappa系數分別為0.72、0.74和0.77，均達到最低允許判別精度0.7的要求［9］。

4 耕地破碎度評價模型構建與方法

4.1 耕地破碎度評價指標選取

人類活動對耕地的主要集中在景觀層面上，一定程度上，耕地景觀的變化是耕地破碎度變化的直觀反映。景觀指數也被廣泛應用于景觀破碎化研究［16］。本文借鑒已有成果［10，13］，并結合研究區自身特點，選取平均地塊面積（MPS）、地塊密度（PD）、邊界密度指數（ED）、面積加權形狀指數（AWMSI）、地塊數量破碎化指數（FN）及破碎化指數（FS）6個指標對耕地破碎度進行評價研究。

（1）平均地塊面積（MPS）。地塊面積是最基本的空間特征，耕地地塊面積的大小將直接影響農業生產的機械化水平［11］，可以比較直觀地反映耕地的破碎化程度。

式（1）中，A是耕地總面積，N是耕地地塊數。

（2）地塊密度（PD）。地塊密度是某用地類型單位土地面積上的地塊數量，對生物保護、物質和能量的分布具有重要影響［12］。該指標是土地面積破碎的具體量化，不僅可以用于同類土地，也可以用于不同類型土地破碎化程度的比較，其值越大，表明破碎化程度越高［13］。

式（2）中，n是耕地地塊數量，A是土地總面積。

（3）邊界密度指數（ED）。邊界密度指數是分析地塊形狀的重要指標，揭示地塊被分割的程度，同樣也是耕地破碎化程度的直接反映［14］。邊界密度越大，表示耕地被分割的程度越高。

式（3）中，E為耕地地塊的邊界總長度，A為耕地的總面積。

（4）面積加權形狀指數（AWMSI）。地塊形狀越不規則，形狀越復雜，相對耕作生產成本越高，導致實際種植面積占總面積比重也會越小，但隨著地塊面積增大，由形狀不規則造成的浪費相對減弱，基于這種變化，考慮將加權形狀指數作為衡量耕地破碎程度的指標之一。

式（4）中，n是耕地地塊數量，Pi是地塊周長，ai是地塊面積，A是耕地總面積。

（5）地塊數量破碎化指數（FN）。用于測定地塊的破碎程度，其值介于0到1之間，0代表完全沒有破碎，而1代表完全破碎。

式（5）中，amin是研究單元內地塊最小面積，A是耕地總面積，N是耕地地塊數。

（6）破碎化指數（FS）。用來量化耕地的破碎度，是耕地破碎度的直觀反映，塊的破化狀況是其重要的屬性特征。

式（7）中，MSI代表平均地塊形狀指數，a為每個地塊的面積，P為每個地塊的周長，N為耕地地塊總數目。

4.2 耕地破碎度評價模型構建

耕地破碎度綜合指數是在一定空間、時間界限內耕地破碎化程度的具體量化，能反映耕地的破碎狀況，本文耕地破碎度評價模型由目標層、系統層、指標層三部分構成，從能表現耕地破碎的面積、形狀、分布三方面對耕地破碎度進行評價。根據所選的6個指標分為3類運用熵權法賦權重，建立以下評價模型（表1）。

表1 綜合評價模型Tab.1 Comprehensive evaluation model

4.3 原始數據標準化方法與指標賦權

由于各指標之間含義不同，量綱不同，且正指標和負指標與評價目標的變化方向不一致，各指標之間不具有可比性。為使各指標具有統一可比性，將原始數據進行無量綱化處理，并統一范圍在0—1之內，采用比重法［15］進行數據標準化，此方法適用于所有指標數據。

現假設樣本個數為m，評價指標有n個，分別為xi（i = 1，2，……m），設其矩陣為R = （Cij）m×n（i = 1，…，m；j = 1，2，…，n）。Cij是第i個樣本的第j個指標的統計值。第i個樣本第j個評價指標的標準化值Pij可用式（8）計算。

式（8）中，rij為第i個樣本第j個評價指標的原始值；m為樣本個數。

信息論中信息熵反應系統的有序程度，系統的有序度越高，信息熵越小，反之亦然。通過信息熵計算出各評價指標的權重，為綜合評價提供依據。參評指標的熵值ej［16］及權重計算公式如下：

式（9）—式（10）中，Pij為第i個樣本第j個評價指標的標準化值；ej為第j個指標的熵值；wj為第j個指標的的權重值。

由以上分析可知，該賦權法是一種在綜合考慮各評價指標所提供信息量的基礎上，計算各指標權重的數學方法［17］，可以有效避免權重賦權的主觀性。

經計算，寧波市耕地破碎度評價指標權重如表2所示。

表2 寧波市耕地破碎度評價指標權重Tab.2 Evaluation index weight of cultivated land fragmentation in Ningbo

5 結果與分析

5.1 耕地破碎度總體情況

通過提取出的耕地數據結合指標公式計算得出3個時期的耕地破碎度的相關指標值如表3所示。結果表明研究區耕地破碎情況在不斷加劇，1992年研究區平均地塊面積為31.77 hm2，到2003年下降到22.38 hm2，2014年繼續減小，下降到10.00 hm2。近年來隨著經濟社會的快速發展，人為活動增加，耕地被分割得更加零碎，表示耕地被分割程度的邊界密度指數從1992年的10.35增加到2014年的22.02，耕地地塊形狀也愈加不規則，面積加權形狀指數從1992年的2.71增加到2014年的3.05，耕地地塊在區域內的分布更加趨于零散化，數量破碎化指數也從1992年0.038增大到0.099，耕地的管理難度加大，整體的脆弱性增加。

表3 1992年、2003年和2014年寧波市各評價單元破碎指標值計算結果Tab.3 Calculation results of the broken index values of the evaluation units in Ningbo City in 1992， 2003 and 2014

5.2 寧波市耕地破碎度時空變化分析

據寧波市1992—2014年TM影像提取的耕地數據，計算得1992、2003和2014這3個年份6個評價單元的耕地破碎度表（表4），不同年份各地耕地破碎程度各不相同，總體而言，耕地破碎程度2014年最大，1992年最小。各地耕地破碎度呈逐步遞增趨勢。同一年份，寧波市轄區、慈溪耕地破碎指數普遍大于其他地區，寧海、象山耕地破碎指數較低，耕地破碎地區分異明顯。

表4 1992年、2003年和2014年寧波市各評價單元破碎度Tab.4 Each evaluation unit in Ningbo in 1992， 2003 and 2014

5.3 寧波市耕地破碎度時間變化分析

對比3個時期各評價單元的破碎度變化情況如圖1所示，1992—2014年全市耕地破碎化現象日趨嚴重，其中增幅最大的慈溪市破碎度指數增值達到0.0303，增幅最小的象山縣的破碎度指數增值達到0.0034，全市總體耕地破碎化程度逐漸增加。其中靠近杭州灣的慈溪市、余姚市及寧波市轄區耕地破碎度增幅明顯，1992—2003年慈溪市、余姚市及寧波市轄區增幅分別達到5.96%、6.23%和7.05%，特別是2003—2014近11年耕地破碎度增幅明顯，增幅分別達到11.77%、9.45%和6.64%，這與經濟社會的發展對耕地的需求與影響密不可分。1992—2014年期間全市人口共增加了63.43×104人，而耕地面積減少了560 km2，全市生產總值也從1992年的213.05×108元增加到2014年的7602.51×108元，年平均增長率17.60%。其中，近11年來慈溪、余姚、市轄區經濟增幅均達到270%以上，而耕地面積分別減少21.6 km2、14.12 km2和120.6 km2，與此同時，第一產業在地區生產總值中的比重分別從2003年的7.4%、9.2%和3.5%下降到2014年的4.4%、5.1%和2.1%。人口的增加、經濟的發展導致對耕地的需求量不斷增多，對耕地的開發利用強度加大，同時與耕地相關的第一產業在國民生產總值的比重不斷被縮小，耕地分布趨于零散化、面積小型化、地塊形狀復雜化，整體破碎嚴重化。

1992—2003前11年間，奉化市、寧海縣、象山縣耕地破碎度變化較快，破碎度指數增加分別為0.0107、0.0109和0.0074，究其原因，在全市快速推進工業化的大環境下，部分縣市區耕地短期內被大量開發利用加速了耕地的破碎化。相比于前11年，2003—2014年近11年，奉化市、寧海縣耕地的破碎化程度仍然在增加，破碎度指數增加值分別為0.0135和0.0119，且破碎度增速變大，而象山縣耕地破碎度增幅不明顯，只有0.0034，全縣耕地破碎度處于相對平穩狀態，這與該地區特有的山地地貌、有限的耕地資源有一定的關系，全縣有灘涂、山地、林地、丘陵等多種土地類型，可用于農業生產的耕地面積少、開發利用難度大，使本已破碎的耕地增幅不明顯。

5.4 寧波市耕地破碎度空間變化分析

根據全市3個時期6個評價單元的耕地破碎度值的實際情況，破碎度最小值為0.1466，最大值為0.1946，在Natural Break分級［18-19］的基礎上，根據科學性、統一性、層次性及可區別原則定義合適的斷點，對其進行分級，根據分級結果，將耕地破碎度分為3個級區：Ⅰ級區（0.14—0.16），Ⅱ級區（0.16—0.18），Ⅲ級區（0.18—0.20）。分級結果如圖1所示。由圖1可知，研究區耕地破碎度變化顯著，1992年全市耕地破碎度相對不高，耕地破碎化程度最高的寧波市區的破碎度指數為0.1687，處在Ⅱ級區內，還沒有區縣耕地破碎度等級達到Ⅲ級；在區域分布上，Ⅰ級區主要分布在寧波市南部山地較多地區，Ⅱ級區主要分布在寧波市北部地勢較平坦地區，在全市范圍內Ⅰ、Ⅱ級區內各有3個評價單元，兩級區所包括面積相差不大。

1992—2003年全市耕地破碎化格局變化的主要特征為：Ⅰ級區減少到1個，只有寧海縣的耕地破碎程度還處在Ⅰ級區。Ⅱ級區涵蓋區域增加，除了已有的余姚和慈溪兩個Ⅱ級區單元外，奉化市、象山縣由原來的Ⅰ級區轉化為Ⅱ級區，而寧波市轄區也由原來的Ⅱ級區轉化為代表破碎程度更高的Ⅲ級區，全市范圍內Ⅱ級區占了近三分之二，與1992年相比，Ⅱ級區所占面積變大，呈連片分布。全市耕地破碎度從北向南都有增加，破碎重心仍在北部地區。二十多年來的高速發展，使得經濟結構發生深刻變革，從傳統的一、二、三演變成如今的二、三、一，2014年統計顯示，全市第三產業產值占比已達44.1%，而以農業生產為主的第一產業趨于縮小，農業生產類型趨于多樣化、精尖化，傳統上規模化的農業生產方式逐漸被邊緣化。2003—2014年，Ⅰ級區只有一個評價單元，Ⅱ級區也只有寧海和奉化兩個地區，這與相關耕地保護政策的出臺密不可分，然而，在經濟發展和城鎮化擴張的驅動力下，更多的耕地被分割占用，據統計，全市城鎮化率由1980年的18.2%增大到2014年的69.8%，全市從事二、三等非農產業的就業人口比例從2003年的77.18%增加到2014年的96.2%，其中增幅最大的是慈溪，達到20.83%，這也加劇了區域耕地破碎的演變，北部經濟相對發達區轉化為破碎程度更高的Ⅲ級區，且Ⅲ級區已然占據了全市的50%，耕地破碎化現象變得更加嚴重，人地矛盾更加突出，耕地保護形勢嚴峻。

6 結論與討論

6.1 結論

以遙感影像和統計數據為數據源，從土地景觀角度分析寧波市耕地破碎度，結果顯示：（1）1992—2014年寧波市耕地破碎度總體不斷增加。其中，1992—2003年前11年耕地破碎度增速較快（全市耕地破碎度指數平均增加0.012），而2003—2014年全市耕地破碎度指數平均增加值為0.0093。（2）市域耕地破碎度增速呈顯著的南北分異，2014年北部評價單元慈溪、余姚、寧波市區平均耕地破碎度指數達到0.19，年平均增速為0.0012，南部評價單元奉化、象山、寧海平均耕地破碎度指數為0.169，年平均增速為0.0008。

6.2 討論

從地域發展差異看，北部地區經濟發展水平高于南部，地區經濟結構的演化促使耕地在景觀層面上趨于分散化、零碎化，耕地破碎化的速度加快。城鎮化進程的不斷推進，傳統農業生產模式逐步減少，農業生產經營趨于多樣化、小型化，農村耕地規模化經營難度增加。耕地破碎變化趨勢表明，對耕地破碎的預防和整治措施不足，耕地保護政策的落實執行不夠，對耕地占用補償的監督和評測把關不嚴，有關耕地保護約束機制有待完善。

圖1 寧波市耕地破碎度分級圖Fig.1 Grading map of cultivated land fragmentation in Ningbo City

需要指出的是，寧波市各區縣迥異的地形地貌、差異顯著的人類活動是造成耕地破碎的主要原因；耕地的經營權歸屬問題也是造成耕地破碎的直接原因。因此，耕地破碎是多重因素綜合作用的結果，在今后對耕地破碎度的評價研究中可以考慮結合DEM、氣象統計資料和家庭土地規模及經營方式，基于客觀賦權法結合主觀實際對耕地破碎度進行評價研究，確保耕地破碎度研究的客觀與全面。

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（本文責編：仲濟香）

Method of Cultivated Land Fragmentation Evaluation and Empirical Research: A Case of Ningbo City in Zhejiang Province

CHEN Wei-sheng1， FENG Xiu-li1， MA Ren-feng1， HONG Qiao-na2
（1. Urban Science Department of Ningbo University， Ningbo 315211， China； 2. Ningbo Land Surveying and Planning Institute， Ningbo 315211， China）

The purposes of this paper are firstly to build a cultivated land fragmentation evaluation model so as to serve as an important reference for enacting land management policies， which is referred to the idea of landscape pattern， and secondly to evaluate the cultivated land fragmentation of each county in Ningbo based on the TM images in 1992， 2003，and 2014. Methods of landscape pattern index， entropy-right method and natural break are employed in this paper. The results indicated that the degree of arable land fragment was increasing in all counties and the extent of arable land fragmentation increased more sharply during 1992—2003 than that during 2003—2014. During the period of 1992—2002， two I class areas converted to II class and one II class area converted to III class while from 2003 to 2014， two III class areas were newly added， both of which shifted from II class areas. It resulted in only one I class area being left. It is concluded that cultivated land in Ningbo is becoming more and more fragmental. Cultivated land fragmentation tends tobe more serious in those areas with complex geographic features and highly-developed economy.

land assessment； TM； cultivated land； fragmentation； entropy-right method； Ningbo

10.11994/zgtdkx.20160616.142815

F301.21

A

1001-8158（2016）05-0080-08

2016-01-08；

2016-04-08

國家自然科學基金（41171073，41471004，41301110）；浙江省海洋文化與經濟研究中心2015年度省哲社規劃課題（15JDHY01YB）。

陳帷勝（1989-），男，河南平輿人，碩士。主要研究方向為資源環境保護與利用。E-mail: chenweishengnbu@126.com

馮秀麗（1977-），女，吉林通化人，副教授，博士。主要研究方向為土地利用與遙感應用研究。E-mail: fengxiuli@nbu.edu.cn