松嫩平原中部農作物空間格局時空變化分析

劉克寶，陸忠軍，宋 茜

（1.黑龍江省農業(yè)科學院遙感技術中心，哈爾濱150086；2.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081；3.農業(yè)部農業(yè)信息技術重點實驗室，北京100081）

0 引言

農作物空間格局是一個地區(qū)或生產單位作物種植結構、熟制與種植方式的空間表達[1-3]，其時空分布受自然資源條件和市場經濟行為影響，具有空間集聚性和時序動態(tài)性等特征。隨著2014年財政部《關于大豆目標價格補貼的指導意見》，2015年農業(yè)部《農業(yè)部關于“鐮刀彎”地區(qū)玉米結構調整的指導意見》，2016年《全國種植業(yè)結構調整規(guī)劃（2016—2020年）》等一系列種植結構調整政策的實施，黑龍江省成為全國農作物種植結構調整的重要省份之一，及時有效獲取黑龍江農作物種植結構及時空變化信息具有重要的科學和實際意義[4-7]，可為作物產量估測、種植結構調整優(yōu)化提供科學依據(jù)[8-10]。

農作物空間格局及其時空動態(tài)變化研究是目前地理學和生態(tài)學的熱點問題[11]。劉珍環(huán)等[4]利用縣級農業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，綜合運用時序變化趨勢、空間集聚分析等方法，從種植結構類型和種植比例變化趨勢分析了1980年以來中國縣域種植結構的時空特征。夏天等[12]基于CLUE-S土地利用變化模型，提出適用于我國農作物空間格局動態(tài)變化模擬模型（CROPS，Crop Pattern Simulator）架構，實現(xiàn)區(qū)域尺度土地利用變化與農作物空間格局變化的雙層動態(tài)模擬，并在東北三省進行了區(qū)域應用。譚杰揚[13]、劉珍環(huán)[14]等利用作物空間分配模型（SPAM-China）模擬東北三省作物時空分布特征。王紅營[15]等基于時序NDVI數(shù)據(jù)對該地主要作物進行遙感分類，并基于TM/ETM數(shù)據(jù)提取蔬菜、水稻等作物分布，揭示2000—2013年華北平原主要作物種植區(qū)域時空變化及其影響因素。黃青[16]等基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，提取東北地區(qū)主要作物（水稻、玉米、大豆）的種植結構，利用景觀格局指數(shù)方法分析農作物格局動態(tài)變化特征和變化規(guī)律。程良曉[17]等基于HJ數(shù)據(jù)，利用NDVI識別玉米、油菜、大麥和小麥4類農作物，分析2012—2014年主要農作物種植結構變化。上述研究多從數(shù)量、類型、空間、幅度等方面分析農作物種植結構時空變化，土地景觀格局指數(shù)較少應用到分析研究中。景觀格局指某種景觀分類下的空間分布和組合特征[18-20]。景觀指數(shù)是用來描述個別斑塊、某種類別的斑塊，或者整個景觀的空間結構的定量指標，可以量化表征景觀要素的空間組成和結構特征，用于研究不同土地利用類型的組成和結構對生物多樣性和生境的影響等[21]。通過對景觀指數(shù)量化分析可以揭示農業(yè)土地利用格局的結構組成與空間分布等特征，了解和掌握農業(yè)土地利用中存在的問題及人類活動對耕地的干擾程度[18，22-23]。然而，目前景觀格局指數(shù)部分用于耕地細碎化[24]和耕地格局[25]分析，針對耕地內部作物種植結構的變化特征分析研究仍較少，沒有系統(tǒng)的用景觀指數(shù)分析作物時空變化特征。

基于此，該研究以黑龍江松嫩平原的克山縣為研究對象，采取數(shù)理統(tǒng)計和GIS空間分析方法，深入分析耕地內部面積轉換，并綜合利用景觀格局指數(shù)分析2011—2016年黑龍江省西部地區(qū)耕地內作物（水稻、玉米、大豆、其他作物）空間格局時空變化規(guī)律。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

該研究選擇黑龍江省克山縣為研究區(qū)域。克山縣位于松嫩平原的中北部，縣域位于三四積溫帶交界處，處于“鐮刀灣”地區(qū)，是國家進行玉米調減、種植結構和農業(yè)供給側調整的重點地區(qū)，掌握其種植變化，分析人類活動對耕地內部種植結構的干擾程度，對于西部地區(qū)的種植結構調整具有積極的指導意義。克山縣地理坐標為47°50′51″N～48°33′47″N，125°10′57″E～126°8′18″E，地處小興安嶺南麓與松嫩平原的過渡地帶，北部、中部為丘陵漫崗區(qū)，地形起伏變化大，南部是沖積平原，地勢平坦，全縣地勢東北高西南低，丘陵漫崗地占80%，平原區(qū)占14%，洼地占6%[26]，旱田占耕地面積的98%左右，是全國重點商品糧基地縣，大豆和馬鈴薯基地縣[27]。

圖1 克山縣地理位置Fig.1 Geographical position of Keshan Country

行政界線采用2012年全國1∶100萬分縣行政界線；2012年黑龍江省農場界限；2011年黑龍江省水稻、玉米種植面積本底調查，其成果為使用TM5（30m）數(shù)據(jù)，采用人工目視解譯的方式獲得水稻，玉米空間分布，采用計算機自動分類輔助人工的方式提取大豆空間分布；2016年黑龍江省主要農作物“一張圖”，其成果中耕地使用TM8 （15m）數(shù)據(jù)，采用人工目視解譯的方式獲得，水稻、玉米和大豆空間分布使用TM8（30m）數(shù)據(jù)，采用計算機自動分類輔助人工的方式提取。

1.2 分析方法

該文運用數(shù)理統(tǒng)計和GIS空間分析等方法，利用景觀格局指數(shù)分別從規(guī)模、分布狀況、異質性、形狀特征和連接性5個方面分析2011—2016年克山縣農作物（水稻、玉米、大豆及其他作物）種植結構時空變化特征，以及作物之間的相互轉換。

景觀指數(shù)可以從結構組成和空間分布特征方面來有效反映景觀格局的信息。目前，景觀指數(shù)的種類繁多，指數(shù)之間有較強的相關性，但信息重復率較大，因此，為了反映景觀整體特征，避免信息冗余，研究選擇的指數(shù)包括選取的景觀格局指數(shù)如下[16，18，28-29]。

表1 景觀指數(shù)Table 1 Landscape index

（1）作物類型變化幅度（crop type change range）ΔS。表示某種作物在一段時期內的面積變化比例。

式（1）中，S（i，t1）和 S（i，t2）分別為研究初期 t1和末期 t2某一作物類型 i的面積。

（2）作物類型動態(tài)度（crop dynamic degree）K，表示某一類作物的年變化率。

式（2）中，Ua、Ub分別為研究初期及末期某作物類型的面積；T為研究時長（a）。

2 結果與分析

2.1 農作物空間分布數(shù)據(jù)精度評價

根據(jù)2011年和2016年《黑龍江省縣（市）農村經濟社會統(tǒng)計概要》[30-31]，克山縣耕地面積5年間沒有變化，故兩期耕地分布數(shù)據(jù)均使用2016年克山縣純耕地空間分布。統(tǒng)一將作物空間分布和純耕地數(shù)據(jù)轉換為分辨率為30m的柵格數(shù)據(jù)，并進行空間疊加，生成2011和2016年農作物空間分布圖（圖2）。兩期精度驗證均使用全省數(shù)據(jù)精度，其中純耕地提取精度使用BIGMAP（3.3）數(shù)據(jù)進行同區(qū)域比較，面積提取精度為98.41%；作物提取精度使用野外驗證點進行評價，其中2011年水稻、玉米和大豆的制圖精度為98.30%、90.21%、89.59%，2016年水稻、玉米和大豆的定性精度為96.03%，88.14%和82.81%。

圖2 2011、2016年克山縣作物空間分布Fig.2 Spatial distribution of crops in Keshan in 2011 and 2016

2.2 農作物面積與空間格局變化特征

根據(jù)圖3（a）顯示：2011—2016年，克山縣大豆總體呈現(xiàn)減少趨勢，其中西北部克山農場和縣域南部大豆面積略有增加；圖3（b）顯示：玉米總體增加明顯；圖3（c）顯示：水稻總體增加明顯，且呈現(xiàn)區(qū)域性，主要增加區(qū)域為縣域北部訥謨爾河流域和南部的烏裕爾河流域；圖3（d）顯示：其他作物面積變化呈現(xiàn)區(qū)域性，即北部和西部面積增加明顯，西北部和南部減少明顯。

圖3 2011—2016年克山縣作物空間變化：a大豆，b玉米，c水稻，d其他作物Fig.3 Spatial distribution of crops changes in keshan from 2011 to 2016

從表2可以看出，5年間克山縣，作物種植面積總體呈現(xiàn)兩增兩減的趨勢，即玉米、水稻種植面積增加，大豆和其他作物減少。其中，大豆面積增加和減少的面積分別為10 161.87hm2和99 190.83hm2，面積凈減少89 028.96hm2，變化幅度為減少45.71%，動態(tài)度為-9.14%；玉米面積增加和減少的面積分別為105 517.41hm2和4 471.23hm2，面積凈增加101 046.18hm2，變化幅度為增加953.74%，動態(tài)度為190.76%；水稻面積增加和減少的面積分別為2 978.82hm2和440.1hm2，面積凈增加2 538.72hm2，變化幅度為增加110.16%，動態(tài)度為22.03%；其他作物面積增加和減少的面積分別為9 019.92hm2和23 581.59hm2，面積凈減少14 561.67hm2，變化幅度為減少54.30%，動態(tài)度為-10.86%。5年間，作物種植變化區(qū)域面積占縣域耕地面積的54.45%。玉米、水稻增加，大豆和其他作物減少是作物面積變化的主要方向，其中，玉米增加區(qū)域占縣域耕地面積的43.09%，變化區(qū)域的82.64%；水稻增加區(qū)域占縣域耕地面積的1.27%，變化區(qū)域的2.33%；大豆減少區(qū)域占縣域耕地面積的37.97%，變化區(qū)域的77.68%；其他作物減少區(qū)域占縣域耕地面積的10.06%，變化區(qū)域的18.47%。

表2 克山縣2011—2016年農作物變化對比表Table 2 Comparision on crops area variation in keshan from 2011 to 2016

2.3 農作物類型轉移特征

從圖4可以看出，種植類型變化主要表現(xiàn)為以下幾個方面：大豆改種玉米變化區(qū)域主要分布在縣域中部和南部；大豆改種其他作物主要分布在縣域西部和北部；其他作物改種玉米區(qū)域主要分布在縣域西北部克山農場和南部區(qū)域。疊加分析2011和2016年克山縣作物空間分布數(shù)據(jù)，生成耕地內部作物面積轉換矩陣（表3）。通過耕地內部作物面積轉換矩陣，更加直觀地描述2011—2016年克山縣內4類作物的作物面積轉換情況。結果顯示：5年間，克山縣種植作物變化區(qū)域占縣域耕地面積的54.46%，變化區(qū)域中：大豆改種玉米占變化圖斑的70.01%；其他作物改種玉米占12.37%；大豆改種其他作物占6.71%；其他作物改種大豆占4.81%；玉米改種大豆占3.11%；其他作物改種水稻，大豆改種水稻，玉米改種其他作物，水稻改種玉米，玉米改種水稻，水稻改種大豆，水稻改種其他作物合計占2.73%。不變區(qū)域占縣域耕地面積的45.54%，不變區(qū)域中：大豆不變區(qū)域占未變化圖斑的89.49%，其他作物不變區(qū)域占3.03%，水稻不變區(qū)域占1.75%，玉米不變區(qū)域占6.12%。

圖4 2011—2016年作物種植轉換方向Fig.4 Change direction of crops from 2011 to 2016

表3 耕地內部作物面積轉移矩陣Table 3 Crop area transition matrix in arable land（hm2）

2.4 農作物種植格局景觀指數(shù)變化特征

5年間，克山縣縣域總體景觀MPS變大，CI減小，機械化和規(guī)模化程度總體提升，AWMSI降低，斑塊形狀更加規(guī)則。其中大豆斑塊比例（LAND%）降低明顯，由83.06降低到45.10，種植規(guī)模縮減近1半；LPI降低，優(yōu)勢度降低；PD增加，MPS降低，規(guī)模化程度降低；MNN和CI變大，分布逐漸離散，且破碎度增大；AWMSI指數(shù)減小，斑塊形狀更加規(guī)則；IJI指數(shù)降低，與其他類型作物的連接性降低。

圖5 景觀指數(shù)對比Fig.5 Comparison of landscape index

玉米斑塊比例（LAND%）增加明顯，由4.52增加到47.61，種植規(guī)模較2011年擴大近10倍；LPI增大，景觀優(yōu)勢度增加；PD降低，MPS升高，規(guī)模化程度提高；MNN和CI降低，分布逐漸集中，且破碎度降低；AWMSI指數(shù)升高，斑塊形狀更加不規(guī)則；IJI指數(shù)變大，與其他類型作物的連接性升高。

水稻斑塊比例（LAND%）增加明顯，由0.98增加到2.07，種植規(guī)模較2011年擴大2倍多；LPI增大，景觀優(yōu)勢度增加；PD降低，MPS升高，規(guī)模化程度提高；MNN變大，分布逐漸離散，CI降低，破碎度降低；AWMSI指數(shù)減小，斑塊形狀更加規(guī)則；IJI指數(shù)變大，與其他類型作物的連接性升高。

其他作物斑塊比例（LAND%）降低明顯，由5.23降低到11.43，種植規(guī)模縮減1半；LPI降低，優(yōu)勢度降低；PD增加，MPS升高，規(guī)模化程度升高；MNN變大，分布逐漸離散，CI降低，破碎度降低；AWMSI指數(shù)減小，斑塊形狀更加規(guī)則；IJI指數(shù)降低，與其他類型作物的連接性降低。

3 結論

（1）克山縣種植結構的發(fā)展趨勢由相對效益較低的大豆向著相對效益較高的玉米、水稻方向發(fā)展，且玉米以平均每年2倍的動態(tài)度增加，水稻平均每年以20%以上的動態(tài)度增加，大豆和其他作物每年以10%左右的動態(tài)度減少；種植結構由2011年的大豆為主要作物，轉變?yōu)橛衩缀痛蠖篂橹饕N植作物，且2016年玉米種植規(guī)模超過大豆，成為種植規(guī)模最大的作物；水稻受到自然地理條件的制約較大，面積擴張集中在縣域的流域附近。

（2）大豆、玉米和水稻的規(guī)模化、機械化程度和破碎化正逐漸趨于一致，其他作物規(guī)模化和機械化程度明顯低于3種作物，破碎化程度高于3種作物；大豆、水稻和其他作物分布逐漸離散，玉米區(qū)域集中且優(yōu)勢度明顯高于其他3種作物。

（3）利用景觀格局指數(shù)，可以很好地量化反映作物種植格局空間分布變化情況，包括規(guī)模、空間分布、形狀、異質性和相關性情況。

4 討論

研究表明，F(xiàn)ragstats4.2軟件計算景觀指數(shù)基于柵格數(shù)據(jù)，很好地解決了由于分辨率問題，造成的條帶種植（細碎圖斑）的斑塊數(shù)量的統(tǒng)計問題，但是當作物集中連片種植時，MPS值增大，斑塊數(shù)量減小，AWMSI變大，線狀地物（道路、溝渠、林帶等）對AWMSI的作用減小。該研究中由于只是使用4種作物分類，使得IJI指數(shù)與MPS呈現(xiàn)正相關，即平均斑塊面積（MPS）越大，與該類斑塊相接的其他類型作物斑塊越多，對描述斑塊類型間的總體散布與并列狀況產生一定影響。目前缺少評價農作物種植結構的機械化程度、規(guī)模化程度景觀指標體系。例如玉米的平均面積從51.99hm2降低到18.58hm2，不能解釋為機械化和規(guī)模化程度降低了64.26%，只是種植的方式發(fā)生了變化，導致了規(guī)模化程度有所降低。