萬(wàn)年縣耕地景觀破碎度變化及原因分析

饒 磊，郭 熙，葉英聰，許 婷，孫 凱

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西省鄱陽(yáng)湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330045)

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萬(wàn)年縣耕地景觀破碎度變化及原因分析

饒 磊，郭 熙*，葉英聰，許 婷，孫 凱

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西省鄱陽(yáng)湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330045)

基于Arcgis和Mapgis軟件，利用萬(wàn)年縣1992、2007和2013年土地利用數(shù)據(jù)資料，運(yùn)用土地評(píng)價(jià)法和景觀格局指數(shù)分析的方法，選取一些土地評(píng)價(jià)指標(biāo)和景觀格局指數(shù)，對(duì)萬(wàn)年縣耕地景觀格局進(jìn)行分析。研究表明：萬(wàn)年縣耕地多呈帶狀和團(tuán)狀分布，1992～2013年這21年以來(lái)耕地重心向西北方向偏移；斑塊平均面積不斷降低，斑塊密度和景觀形狀指數(shù)不斷上升，說(shuō)明景觀破碎度不斷增加，斑塊形狀不斷復(fù)雜；耕地景觀優(yōu)勢(shì)度上升，多樣性和均勻度下降。萬(wàn)年縣耕地格局在2007～2013年期間變化幅度比1992～2007年期間大，說(shuō)明萬(wàn)年縣變化趨勢(shì)在加快。

耕地；景觀格局；景觀指數(shù)；動(dòng)態(tài)變化

耕地是土地資源中的重中之重，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心之一，更是人類得以繼續(xù)生存發(fā)展的必要條件。人們對(duì)其的研究也逐步由作為單獨(dú)的景觀單元發(fā)展為具有高度耦合的自然-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)系統(tǒng)和景觀格局特征，而隨著景觀生態(tài)學(xué)在我國(guó)不斷興起及其所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使得其不斷運(yùn)用在城市規(guī)劃、土木工程建設(shè)、土地資源管理、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等方面[1-2]。

景觀格局是景觀生態(tài)學(xué)中研究的重要內(nèi)容，它包括景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置，空間斑塊性是景觀格局最普遍的形式[3]。其常見(jiàn)的分析方法有：GIS空間分析法、遙感分析和景觀指數(shù)分析等[4-5]。其中，景觀格局指數(shù)常被用來(lái)描述景觀格局及其動(dòng)態(tài)變化，在土地利用變化分析[6]、土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)[7-8]、土壤侵蝕的景觀格局變化[9-10]等方面的應(yīng)用較多。近年來(lái)，隨著景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者利用該研究方法來(lái)分析景觀格局的變化及其原因。比如：劉淑蘋[11]利用GIS技術(shù)，結(jié)合景觀生態(tài)指數(shù)理論和分形理論對(duì)周寧縣耕地景觀格局特征及影響因素進(jìn)行分析；陳偉[12]以常州市和常州金壇區(qū)為例，從耕地?cái)?shù)量、空間布局、景觀格局以及配套措施等多角度出發(fā)，提出一套兩個(gè)尺度的耕地景觀時(shí)空變化分析指標(biāo)體系對(duì)耕地進(jìn)行分析；格根圖雅[13]基于RS技術(shù)，以翁牛特旗為例，研究在農(nóng)牧交錯(cuò)帶下的土地資源景觀尺度效應(yīng)。但大部分多為利用fragstats軟件進(jìn)行指數(shù)計(jì)算，對(duì)各指數(shù)的影響因素、內(nèi)在聯(lián)系等缺少直觀認(rèn)識(shí)。且單從景觀格局分析方法方面進(jìn)行分析，缺乏比較性或者全面性。因此，本文利用GIS技術(shù)，基于景觀指數(shù)公式計(jì)算方法，并結(jié)合土地評(píng)價(jià)的方法，利用萬(wàn)年縣1992、2007和2013年3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的土地利用數(shù)據(jù)，對(duì)耕地的數(shù)量、結(jié)構(gòu)變化和景觀格局進(jìn)行分析，揭示景觀指數(shù)與景觀格局之間的關(guān)系，并為耕地利用和管理提供一些建議，為其他土地資源利用和管理提供一定借鑒。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

萬(wàn)年縣是江西省上饒市下轄的一個(gè)縣，地處江西省東北部、鄱陽(yáng)湖東南岸(圖1)。地理坐標(biāo)為北緯28°30′15″～28°54′5″，東經(jīng)116°46′48″～117°15′10″。該地屬于丘陵地區(qū)，境內(nèi)地貌類型以崗地、丘陵為主，輔之于濱湖平原，地勢(shì)由東南向西北傾斜，呈階梯狀。轄6鎮(zhèn)6鄉(xiāng)和2個(gè)管委會(huì)。萬(wàn)年縣為亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候濕潤(rùn)溫和，日照充足，素有“魚(yú)米之鄉(xiāng)”之稱。2013年萬(wàn)年縣生產(chǎn)總值達(dá)91.8億元，年均增長(zhǎng)19.1%，戶籍總?cè)丝?05647人，其中非農(nóng)業(yè)人口75618人，占全部人口的18.64%。

據(jù)2013年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)，萬(wàn)年縣土地總面積為114840.48 hm2，其中耕地35606.00 hm2，林地62965.16 hm2，城鎮(zhèn)村6539.96 hm2，水域及水利設(shè)施用地6594.19 hm2，交通用地766.26 hm2，園地579.84 hm2，工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地612.92 hm2，其他用地1176.21 hm2。

圖1　萬(wàn)年縣區(qū)位圖

1.2數(shù)據(jù)的收集與處理

本文選定研究區(qū)和研究目標(biāo)后，便著手收集該區(qū)數(shù)據(jù)資料。從萬(wàn)年縣一調(diào)數(shù)據(jù)庫(kù)中收集到1992年土地利用數(shù)據(jù), 2007年和2013年土地利用數(shù)據(jù)則是來(lái)源于萬(wàn)年縣二調(diào)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)Mapgis將一些數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理和轉(zhuǎn)換為Shapefile數(shù)據(jù)，并在Arcgis中統(tǒng)一投影轉(zhuǎn)換到高斯克里格投影坐標(biāo)系、西安1980年坐標(biāo)系，對(duì)其中的耕地圖層進(jìn)行提取,利用Arcgis的空間分析等功能得出數(shù)據(jù)。

1.3研究方法

1.3.1耕地?cái)?shù)量與結(jié)構(gòu)變化分析土地資源的數(shù)量分析，首先是分析已利用土地和未利用地的數(shù)量及其占區(qū)域土地總面積的比例[13]。其次，掌握各種地貌類型、土壤類型和不同坡度等自然狀況下的土地資源的數(shù)量。對(duì)于土地資源的數(shù)量，既要用絕對(duì)量表示還要用相對(duì)量來(lái)表示。土地利用結(jié)構(gòu)，是指各種土地利用類型在某區(qū)域內(nèi)的比例關(guān)系和組合方式，它反映了土地資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門及部門內(nèi)的分配狀況和比例關(guān)系。對(duì)其的分析，可以從土地類型數(shù)量結(jié)構(gòu)、土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)、土地利用動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和土地利用格局指數(shù)來(lái)進(jìn)行。土地利用空間結(jié)構(gòu)，是指某個(gè)區(qū)域內(nèi)各類土地的空間位置及彼此間組合而成的一定格局，反映一定地域內(nèi)特殊的自然環(huán)境對(duì)人類活動(dòng)的影響，是人們對(duì)當(dāng)?shù)赝恋亟Y(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的積累和對(duì)當(dāng)?shù)赝恋乩酶脑斓慕Y(jié)果。對(duì)土地利用類型在地區(qū)內(nèi)空間分布的分析，可以使人們更好地認(rèn)識(shí)土地利用與自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的相關(guān)性，從而分析土地利用布局的合理性[14-15]。

1.3.2景觀格局變化分析與指標(biāo)選取景觀指數(shù)分析，是指用一些能夠反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間分布的量化指標(biāo)，來(lái)反映景觀事物空間特征的一種分析方法，也是景觀格局分析中最重要的一種方法[16]。據(jù)此本研究選取了以下11個(gè)能明顯反映萬(wàn)年縣耕地景觀的景觀指數(shù)，其具體計(jì)算公式及意義如表1。

2　結(jié)果與分析

2.1耕地?cái)?shù)量及結(jié)構(gòu)變化分析

2.1.1耕地?cái)?shù)量變化分析本文結(jié)合土地評(píng)價(jià)的方法研究了萬(wàn)年縣耕地景觀格局變化，所以首先便關(guān)注于耕地的數(shù)量與結(jié)構(gòu)變化，如表2所示：從1992年到2013年，萬(wàn)年縣耕地總面積下降296.94 hm2，占比下降0.2%，稍有下降。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面：從1992年到2007年，萬(wàn)年縣灌溉水田面積減少403.06 hm2，但占耕地面積比例卻上升1.06%，達(dá)到65.51%，說(shuō)明灌溉水田依然保持著重要位置。而望天田面積減少403.06 hm2，占比下降0.68%，在5種耕地類型中下降最多。水澆地和菜地面積分別下降16.56 hm2和70.75 hm2，但占比或上升0.02%或下降0.07%，處于基本持平狀態(tài)。旱地面積下降246.12 hm2，占比下降0.33%，下降較多。2013年，萬(wàn)年灌溉水田比2007年增加8162.44 hm2，占比上升21.28%，達(dá)到86.79%，在耕地中占有很大比重。旱地增加3348.99 hm2，占比上升2.41%。而水澆地則由695.02 hm2銳減為15.38 hm2，只占耕地面積的0.04%，占耕地比例極小。

表1　景觀指數(shù)選取列表

由于土地調(diào)查分類的原因，把耕地內(nèi)部五大類分為三大類，使得2013年的灌溉水田、旱地、水澆地變化較大。同時(shí)，在改為三大類的時(shí)候，把望天田歸入水田，菜地歸入水澆地。根據(jù)數(shù)值變化可知，萬(wàn)年縣水澆地逐漸改為旱地，使得萬(wàn)年縣耕地內(nèi)部灌溉水田和旱地占了99.96%。隨著萬(wàn)年縣經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，使萬(wàn)年縣對(duì)耕地需求上升，導(dǎo)致該縣的耕地總量有所下降。萬(wàn)年縣盛產(chǎn)貢米，遠(yuǎn)銷各地，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益，便驅(qū)使農(nóng)民把種植蔬菜等大棚作物的水澆地改造為旱地或水田，以期獲得更好的效益。

表2　萬(wàn)年縣耕地?cái)?shù)量及結(jié)構(gòu)

注:因?yàn)榈谝淮稳珖?guó)土地調(diào)查和土地變更調(diào)查采用的是土地八大類分類，而第二次全國(guó)土地調(diào)查則是采用二調(diào)分類，所以有空缺信息欄。

2.1.2耕地利用空間結(jié)構(gòu)分析耕地重心變化是研究耕地利用空間變化的一個(gè)主要方面[17]，將耕地利用布局形態(tài)和耕地重心結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，以此來(lái)反映耕地利用的總體分布情況及其變化動(dòng)態(tài)(圖2～圖5)，圖5中3個(gè)時(shí)期的耕地圖層大部分有重疊，所以1992和2007年只能看到變化的部分。

萬(wàn)年縣耕地布局形態(tài)多呈條帶狀分布于齊埠鄉(xiāng)、汪家鄉(xiāng)和珠田鄉(xiāng)等，呈片狀分布于梓埠鎮(zhèn)、湖云鄉(xiāng)和萬(wàn)年縣城周圍。且根據(jù)萬(wàn)年縣的地形分析可以得出，耕地多集中于地勢(shì)較低的平原、谷地和河邊等地。

根據(jù)Arcgis統(tǒng)計(jì)得1992年耕地重心為(28°41′44″ N，116°58′55″ E)，2007年為(28°41′43″ N， 116°58′53″ E)，2013年為(28°42′07″ N， 116°57′37″ E)。1992年和2007年的耕地重心坐標(biāo)幾乎重合，而到了2013年整個(gè)縣的耕地重心向西北方偏移。這是因?yàn)?992年到2013年期間，雖然西北部樂(lè)安河附近耕地轉(zhuǎn)變?yōu)闉┩浚捎诔掷m(xù)不斷的開(kāi)發(fā)和土地整治等項(xiàng)目的實(shí)施，西北部的梓埠鎮(zhèn)和湖云鄉(xiāng)耕地還是不斷增加。東部由于萬(wàn)年縣城周圍雖有大量耕地但由于縣城范圍不斷擴(kuò)張，占用的耕地不斷增多，使該區(qū)域耕地有所減少。

圖2　1992年萬(wàn)年縣耕地及重心示意圖

圖3　2007年萬(wàn)年縣耕地及重心示意圖

2.2耕地景觀格局指數(shù)變化分析

根據(jù)選取的指標(biāo)，依據(jù)Arcgis中polygon功能可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式計(jì)算景觀格局指數(shù)(表3)。由表3可知，從1992到2013年，萬(wàn)年縣耕地斑塊數(shù)總共增加了2416塊。然而耕地的最大斑塊指數(shù)先是在1992～2007年增加0.0076%，上升幅度極小，后是在2007～2013年增加0.3847%，增加的數(shù)值和幅度增大。斑塊平均面積從減小0.0719 hm2到減小0.3208 hm2，數(shù)值不斷下降，特別是在2007～2013年期間，變化幅度都是突增。斑塊密度在1992～2007年稍微上升，在2007～2013年上升幅度較大。這些結(jié)合起來(lái)，其中雖然有數(shù)據(jù)尺度的因素，但仍然說(shuō)明萬(wàn)年縣耕地斑塊不斷破碎，耕地景觀破碎度不斷加大。萬(wàn)年縣有部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)施了土地整治項(xiàng)目，從最大斑塊指數(shù)就可看出，但在整個(gè)萬(wàn)年縣內(nèi)耕地的破碎程度是加大的。

圖4　2013年萬(wàn)年縣耕地及重心示意圖

1992～2013年間，邊界長(zhǎng)度總體上升了559.36 km。但由表2可知，耕地總面積是有所下降的，所以邊界密度由337.4672 m/hm2增加到355.9912 m/hm2，說(shuō)明斑塊邊界更加復(fù)雜。景觀形狀指數(shù)先是略微下降后又較大上升，總體是上升的，說(shuō)明耕地斑塊形狀越來(lái)越不規(guī)則，恰好驗(yàn)證了前面的斑塊邊界更加復(fù)雜。分維度反映斑塊的幾何形狀復(fù)雜程度，看數(shù)值也是先略微下降，再稍有上升，總體上升，說(shuō)明斑塊形狀也是偏向復(fù)雜的，又驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。

1992～2013年期間，萬(wàn)年縣耕地景觀多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)都是先基本持平后較大幅度的下降，而優(yōu)勢(shì)度指數(shù)先是基本持平后較大幅度上升。即：在21年間，萬(wàn)年縣耕地景觀多樣性降低，主要原因?yàn)槿f(wàn)年縣耕地內(nèi)部5種耕地類型逐漸演變?yōu)楣喔人餅橹鳌⒑档貫檩o的格局。而均勻度的下降說(shuō)明了耕地斑塊分布均勻程度趨于不均勻，即斑塊更加復(fù)雜，驗(yàn)證了前面的觀點(diǎn)。優(yōu)勢(shì)度的上升也意味著景觀內(nèi)一種或少數(shù)幾種斑塊類型占主導(dǎo)地位，體現(xiàn)在萬(wàn)年縣耕地景觀上則為灌溉水田和旱地逐漸成為主要耕地類型。

根據(jù)上述對(duì)比分析的結(jié)論，萬(wàn)年縣耕地破碎度不斷增加，形狀逐漸復(fù)雜。查閱萬(wàn)年縣的歷史年鑒和政府工作報(bào)告，其在這段時(shí)期內(nèi)的國(guó)民生產(chǎn)總值不斷上升，且在近年耕地景觀指數(shù)變化幅度不斷增加，由此可推知，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，萬(wàn)年縣人類活動(dòng)對(duì)耕地景觀的影響也不斷加大。而隨著人口基數(shù)的不斷增加，變化幅度也在不斷加快；在不同時(shí)期的土地政策等，也會(huì)對(duì)耕地格局產(chǎn)生影響；科學(xué)技術(shù)的提升，也使得萬(wàn)年縣對(duì)耕地的改造和開(kāi)發(fā)能力也不斷增強(qiáng)。

3　討論與結(jié)論

本文通過(guò)萬(wàn)年縣3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)耕地利用數(shù)據(jù)，在研究了萬(wàn)年縣耕地利用數(shù)量、結(jié)構(gòu)和耕地重心等的基礎(chǔ)上，選取了11個(gè)景觀格局指數(shù)，采取景觀指數(shù)分析的方法對(duì)萬(wàn)年縣耕地景觀格局動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)21年的耕地利用，萬(wàn)年縣耕地景觀有了很大的變化。

1992年到2013年以來(lái)，萬(wàn)年縣耕地總面積從35902.94 hm2下降到了35606 hm2，耕地結(jié)構(gòu)內(nèi)部由1992年5種耕地類型到2013年逐步變?yōu)橐怨喔人锖秃档貫橹鳎渲泄喔人镎几乇壤秊?6.79%，旱地占耕地的13.17%，兩者占耕地的比重接近100%。

萬(wàn)年縣耕地呈帶狀和團(tuán)狀分布于齊埠鄉(xiāng)、珠田鄉(xiāng)和萬(wàn)年縣城周圍等，且21年以來(lái)耕地重心向西北方向偏移。21年間，萬(wàn)年縣耕地的斑塊數(shù)、邊界長(zhǎng)度、最大斑塊指數(shù)、斑塊密度、邊界密度、景觀形狀指數(shù)和分維度都是上升的，說(shuō)明萬(wàn)年縣景觀破碎度不斷增加，斑塊形狀日漸復(fù)雜。1992～2013年間，萬(wàn)年縣耕地景觀優(yōu)勢(shì)度上升，多樣性和均勻度下降，說(shuō)明其耕地景觀格局在21年間是下降的。萬(wàn)年縣耕地格局在2007～2013年變化幅度比1992～2003年的變化幅度大，說(shuō)明萬(wàn)年縣景觀格局變化趨勢(shì)是在加快的。

由于萬(wàn)年縣生活、生產(chǎn)活動(dòng)的增強(qiáng)和人均耕地的下降造成耕地面積的減少和景觀破碎度、復(fù)雜度的上升。而縣城擴(kuò)張、土地整治的實(shí)施使得耕地重心發(fā)生變化。經(jīng)濟(jì)利益的追求又使萬(wàn)年縣耕地內(nèi)部以灌溉水田和旱地為主，影響到景觀優(yōu)勢(shì)度的上升和多樣性與均勻度的下降。

根據(jù)上述萬(wàn)年縣耕地景觀格局變化與原因，我們可以提出：萬(wàn)年縣可以在全縣范圍內(nèi)推行土地整治項(xiàng)目，使耕地斑塊更為整齊和規(guī)則，這樣也有利于機(jī)械耕作和規(guī)模經(jīng)營(yíng)；同時(shí)，根據(jù)耕地內(nèi)部格局的變化，也可以延伸想到，追求經(jīng)濟(jì)利益固然重要，但應(yīng)合理可持續(xù)地開(kāi)發(fā)土地資源，集約、節(jié)約利用土地，還有盡量保證全縣土地利用類型平衡，以使景觀多樣性得以提升，使整個(gè)縣域內(nèi)景觀格局也得以良性發(fā)展，讓萬(wàn)年縣的生態(tài)、生活環(huán)境變得更加美好。這對(duì)其他各地來(lái)講也提供了一定的借鑒和指導(dǎo)。

由此，我們可以發(fā)現(xiàn)景觀格局指數(shù)分析方法對(duì)于研究人類活動(dòng)和土地利用動(dòng)態(tài)變化之間的關(guān)系是一種很不錯(cuò)的方法。但本文對(duì)景觀格局指數(shù)驅(qū)動(dòng)因子的分析還不夠，有待于以后進(jìn)一步深入。同時(shí)我們也應(yīng)認(rèn)識(shí)到景觀格局可以用景觀指數(shù)來(lái)表示，但它不是表示景觀格局的唯一方法。景觀指數(shù)與景觀格局不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而是多對(duì)多的關(guān)系，在分析問(wèn)題的時(shí)候我們要具體問(wèn)題具體分析，不能陷入指數(shù)一變就一定對(duì)應(yīng)什么結(jié)論的思維定勢(shì)。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

Analysis of Changes and Causes of Farmland Landscape Fragmentation in Wannian County

RAO Lei, GUO Xi*, YE Ying-cong, XU Ting, SUN Kai

(Key Laboratory of Poyang Lake Watershed Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province,Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China)

According to the land use data of Wannian county in the years 1992, 2007 and 2013, based on the software Arcgis and Mapgis, we selected several land evaluation indexes and landscape pattern indexes to analyze the landscape pattern of cultivated land in Wannian county by using the methods of land evaluation and landscape pattern index analysis. The research results indicated that: the farmland of Wannian county was distributed mostly in the shape of strip and group, and the gravity center of the cultivated land had shifted to the northwest in the past 21 years (1992～2013); since 1992, the average patch area was decreasing, while the patch density and landscape shape index was increasing, suggesting that the landscape fragmentation degree was increasing and the shape of patches constantly became complex; in these 21 years, the landscape dominance of cultivated land increased, while the diversity and evenness decreased; the rangeability of cultivated land pattern in Wannian county from 2007 to 2013 was greater than that from 1992 to 2007, which showed that the variation trend of cultivated land pattern in this county was accelerated.

Cultivated land; Landscape pattern; Landscape index; Dynamic change

2016-05-15

江西省贛鄱英才“555”領(lǐng)軍人才項(xiàng)目(201295)。

饒磊(1993─)，男，江西豐城人，碩士研究生，主要從事土地資源管理研究。*通訊作者：郭熙。

P901

A

1001-8581(2016)10-0082-06