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，譚秋霞，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，譚秋霞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＜1300m高程范圍內，90.61%的耕地分布于＜15°的宜耕區。（2）在＜1200m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1200～1300m高程范圍內，15°～25°坡度區內斑塊的連通性好；＞1300m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［1，2］，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［3］。地形因子是一個包括高程、坡度等因子在內的多維變量［4，5］，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［6］，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［7］。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［8，9］，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［10～12］，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［13］。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、隰縣和石樓縣三縣的接壤地帶，屬黃河一級支流范圍和典型的黃土丘陵溝壑區第二副區，地理坐標為東經110°38'01"～110°50'02"、北緯36°47'26"～36°57'14"，海拔在1023.0～1415.6m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126km2，其中水土流失面積達113km2，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，黏粒含量較低，濕陷性大。流域多年平均氣溫8.6℃，年均降雨量510.90mm，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（截至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）。

2.2高程與坡度重分級

基于該流域 DEM數據（分辨率10m×10m）和ArcGIS 9.3平臺，借助GIS軟件的Spatial Analyst模塊進行表面分析，得到高程、坡度柵格圖（柵格單元10m×10m）。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布的《土地利用現狀調查技術規程》，進行高程、坡度的重分級（表1），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。

圖1　研究區耕地利用現狀Fig.1　The current of farmland use in study area

表1　高程與坡度重分級標準Table 1　The standard of elevation and slop reclassification

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，又可以更好地描述各地形因子條件下的耕地分布特征。

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；Sie是指e特定地形因子下i耕地類型的面積；Si則是i耕地類型的面積；S是整個區域的耕地總面積；Se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［14］。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10m×10m），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可見相關文獻。

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P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Table 2　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。

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

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P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 classification

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（0.6070km）。

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

4　結論與討論

（1）該流域91.64%的耕地集中于＜1300m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235.87hm2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）

［1］ 崔許鋒. 中低山區耕地數量安全:現狀問題與保護［J］. 上海國土資源，2014，35（1）:32-36. Cui X F. Arable land quantity security in mid-low mountainous areas: present situation， problems， and protection［J］. Shanghai Land & Resources， 2014，35（1）:32-36.

［2］ 周顯芳，盧遠. 基于MODIS EVI的左江流域耕地利用效率評價［J］. 水土保持研究，2010，17（3）:79-86. Zhou X F， Lu Y. Evaluation on cultivated land use efficiency in Zuojiang river basin on MODIS EVI［J］. Research of Soil and Water Conservation， 2010，17（3）:79-86.

［3］ 裴歡，魏勇，王曉妍，等. 耕地景觀生態安全評價方法及其應用［J］.農業工程學報，2014，30（9）:212-219. Pei H， Wei Y， Wang X Y， et al. Method of cultivated land landscape ecological security evaluation and its application［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2014，30（9）:212-219.

［4］ 畢如田，武俊嫻，曹毅，等. 涑水河流域地形因子對植被指數變化的影響［J］. 中國農學通報，2012，28（35）:257-263. Bi R T， Wu J X， Cao Y， et al. The influence of terrain factors on vegetation index in Sushui river basin［J］. Chinese Agriculture Science Bulletin， 2012，28（35）:257-263.

［5］ 涂曉揚. 福建省植被指數與地形要素多尺度空間格局分析［J］. 上海國土資源，2016，37（2）:9-12，20. Tu X Y. Multi-scale features of spatial patterns of the normalised difference vegetation index and topographic factors in Fujian Province［J］. Shanghai Land & Resources， 2016，37（2）:9-12，20.

［6］ 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. Cui B L， Li X Y， Jiang G H， et al. Study on land use/cover in mountain in area based on the DEM: Taking the Qinghai lake basin as an example［J］. Journal of Natural Resources， 2011，26（5）:871-880.

［7］ 谷建立，張海濤，陳家贏，等. 基于DEM的縣域土地利用空間自相關格局分析［J］. 農業工程學報，2012，28（23）:216-224. Gu J L， Zhang H T， Chen J Y， et al. Analysis of land use spatial autocorrelation patterns based on DEM data［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2012，28（23）:216-224.

［8］ 李宗仰，陳靜茹，朱木壽. 多時期衛星影像在耕地面積預測中之研究［J］. 上海國土資源，2016，37（2）:46-50. Lee T Y， Chen C J， Chu M S. Using multi-temporal satellite images to predict the cultivated land area［J］. Shanghai Land & Resources，2016，37（2）:46-50.

［9］ 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. Liang F C， Liu L M. Analysis on distribution characteristics of land use types based on terrain gradient: A case ofLiuyang city in Hunan province［J］. Resources Science， 2010，32（11）:2138-2144.

［10］ 龔文峰，袁力，范文義. 基于地形梯度的哈爾濱市土地利用格局變化分析［J］. 農業工程學報，2013，29（2）:250-259，303. Gong W F， Yuan L， Fan W Y. Analysis on land use pattern changes in Harbin based on terrain gradient［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2013，29（2）:250-259，303.

［11］ 陳丹，周啟剛，何昌華，等. 重慶山地都市區1985～2010年土地利用變化地形特征分異研究［J］. 水土保持研究，2013，20（5）:210-215，220. Chen D， Zhou Q G， He C H， et al. Research on the differentiation of land use terrain feature from 1985 to 2010 in Chongqing mountainous metropolitan area［J］. Research of Soil and Water Conservation， 2013，20（5）:210-215，220.

［12］ 李小迎. 鎮域尺度土地景觀格局變化及影響因素分析［J］. 上海國土資源，2016，37（1）:24-27，43. Li X Y. Analysis of the change of landscape pattern and the factors influencing it at the township scale［J］. Shanghai Land & Resources， 2016，37（1）:24-27，43.

［13］ 李文卓，謝永生，劉濤，等. 黃土高原溝壑區農戶土地利用結構變化與效益分析［J］. 水土保持研究，2009，16（3）:159-163. Li W Z， Xie Y S， Liu T， et al. Analysis of land use characteristic change and economic profit among peasant households in the loess upland gully area［J］. Research of Soil and Water Conservation，2009，16（3）:159-163.

［14］ 鄔建國. 景觀生態學—格局過程尺度與等級（第2版）［M］. 北京:高等教育出版社，2007:13. Wu J G. Landscape ecology: Pattern， process， scale and rank （2nd edition）［M］. Beijing: Higher Education Press， 2007:13.

An analysis of farmland use patterns based on the Digital Elevation Model and ArcGIS

WANG Jun-Qiang1, HU Xiao-Guang1, YUE Ying1, BIE Xue-Yan1, DUAN Yun-Feng1, TAN Qiu-Xia1, GAO Fu-Gang2,3
1. Hebei Prosper Crown Project Management Group Co. Ltd.， Hebei Langfang 065000， China；
2. College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Shanxi Taigu 030801， China；
3. College of Land Management， Nanjing Agriculture University， Jiangsu Nanjing 210095， China）

Based on the Digital Elevation Model （DEM） and GIS platform， we explore the characteristics of farmland use pattern and the production and operation behavior of farmer households under different terrain conditions of small watersheds in the loess plateau by applying landscape ecological fundamentals. In so doing， we aim to lay a foundation for the sustainable development of regional agriculture. The results show several key trends: （1） 91.64% of farmland was located at less than 1300 m， and 90.61% of farmland in the arable area is at less than 15° . （2） At less than 1200 m， and in the arable area less than 15° with rich types ， the highest number of patch， and the most complicated patch group，was formed. This formed a superior connectivity in the range between 1200-1300 m and the slope zone of 15°-25°. The interference between patches was small and the level of landscape fragmentation was also slightly higher above 1300 m and the slope zone greater than 25°. （3） The current fragmented pattern of farmland use has important impacts on the soil and water conservation， planting， and business behaviors of farmer households. This made and operation behaviors of farmer households differ across regions . Therefore， we argue that we need to strengthen the comprehensive rearrangement of land and adjust the agricultural production mode， in an effort to create conditions for the high intensive utilization of farmland resources and agricultural large-scale management.

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

F301.21

A

2095-1329（2016）03-0040-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.010

2015-12-25

2016-03-18

王軍強（1988-），男，碩士，助理工程師，主要從事土地利用規劃與土地經濟研究.

電子郵箱: wjq8885@126.com

聯系電話: 0316-2762102

國土資源部公益性項目行業科研專項（2009HX01）