南方丘陵區耕地質量與景觀格局指數相關性分析

韓逸 郭熙 江葉楓 饒磊 孫凱 余慧敏

摘要：研究耕地質量與耕地景觀格局的相關性，可為耕地質量保護與提升工作提供景觀生態學依據。在ArcGIS 10.2與Fragstats 4.2軟件的支持下，選取斑塊面積、斑塊所占景觀面積的比例、斑塊密度、邊界密度、平均斑塊大小、景觀形狀指數、蔓延度指數、景觀分離度、香農多樣性指數共9個景觀格局指數進行研究，同時將耕地國家自然質量等級指數、耕地國家利用質量等級指數和耕地國家經濟質量等級指數分別與耕地景觀格局指數進行相關性分析。結果表明：耕地國家自然質量等級指數與邊界密度、平均斑塊大小顯著相關，相關系數分別為-0.361（P<0.01）和0.344（P<0.05）;耕地國家利用質量等級指數與景觀形狀指數、景觀分離度、香農多樣性指數顯著相關，相關系數分別為0.271（P<0.05），0.323（P<0.05）和0.290（P<0.05）;耕地國家經濟質量等級指數與邊界密度顯著相關，相關系數為-0.283（P<0.05）。耕地質量與部分耕地景觀格局指數存在顯著相關性，區域耕地景觀格局可以在一定程度上反映區域耕地質量。

關鍵詞：景觀生態學;耕地質量;景觀格局指數;相關性分析

中圖分類號：F301.24

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-4440（2018） 05-1057-09

耕地作為土地資源的重要組成部分，是人類賴以生存與發展的基礎和保障。耕地的存在與發展提供了人類社會必需的生存資料，從而極大地推動了社會生產力乃至整個社會的發展。耕地質量是由耕地土壤肥力和耕地位置所決定的耕地綜合屬性，是耕地生產能力高低，耕地環境狀況優劣以及耕地產品質量好壞的反映。耕地質量優劣關系到國家農業綜合生產能力的高低，影響到國家糧食安全。隨著人口的不斷增長和社會經濟的快速發展，在建設大量占用優質耕地以及耕地退化的雙重影響下，中國耕地數量與耕地質量持續下降，相對于耕地數量的有形減少，耕地質量的下降是隱性的，且是較為穩定的，短期內難以恢復的，其負面影響不弱于、甚至更甚于耕地數量的減少。為保證國家糧食安全、耕地生態安全以及耕地的可持續發展，在新時期、新形勢下的耕地保護工作當中，除了要注重耕地數量的控制，更為迫切的是基于耕地生態安全的耕地質量的保護和提升。

耕地景觀格局是耕地生態系統的空間表象，直接影響著耕地生態系統的穩定性、脆弱性和農業生產功能。景觀生態學是生態學、地理科學和環境科學之間的研究宏觀尺度上景觀類型的空間格局和生態過程的相互作用及其動態變化特征的一門綜合交叉學科，而景觀格局是指景觀的空間結構特征，是景觀組成單元的類型、數目及空間分布與配置，是景觀異質性在空間上的綜合表現，景觀格局分析是景觀生態學研究的核心內容和熱點問題之一。目前國內學者在耕地景觀格局方面做了不少的探索，如杜國明等對水田化進程中的耕地景觀格局演化規律進行研究，發現耕地景觀格局指數變化可以有效地描述耕地結構與功能的時空變化。王千等從耕地景觀格局角度分析耕地對外部干擾的抵抗能力，抵御風險能力，以及自身的恢復能力，對江蘇沿海地區耕地景觀生態安全做了有益探索，為區域耕地保護提供了有力支持與決策依據。李洪義等基于景觀格局視角研究了土地整治對農地細碎化的影響，認為合理的景觀格局設計可以在一定程度上改善農地細碎化狀況和提高土地整治景觀生態效益。可見基于耕地生態角度的景觀格局分析可以反映耕地的空間異質性、空間相關性以及空間規律性等景觀生態學特征。然而，目前大部分學者的耕地景觀格局研究只是基于耕地的外部特征，關于耕地內在條件如不同質量耕地景觀格局特征的研究尚不多見，耕地質量保護與提升工作缺乏生態學基礎。因此，本研究選取了適宜的景觀格局指數對吉安縣不同質量耕地的景觀格局進行分析，并研究耕地質量與耕地景觀格局指數的相關性，以期為保護優勢耕地資源，優化耕地空間布局以及實現耕地數量、質量、生態“三位一體”保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

1.1.1 研究區自然、社會經濟條件吉安縣隸屬于江西省吉安市，古稱廬陵，地處江西省中部，位于吉泰盆地中心，界于114°27'～ 115°30'E，26°38'～ 27°37'N，全縣國土面積2.14xl05hm2。吉安縣屬贛中丘陵區，地貌類型主要包括山地、丘陵和河谷平原，山地與丘陵總面積達到1.54x105hm2，占全縣總面積的72%。東南、西南和北面三面邊境山峰連綿，山嶺起伏，地勢由四周向中部傾斜。吉安縣屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和，日照豐富，四季分明，冬夏長，春秋短，雨量充沛，無霜期較長。2015年末，吉安縣戶籍總人口5.1x105人，其中城鎮人口2.Ox105人，鄉村人口3.lx105人，地區生產總值1.43×1010元，全縣財政總收入2.5×l09元，農業、工業、服務業三大產業結構為18.6∶54.5∶26.9。

1.1.2 研究區耕地質量概況2014年，吉安縣耕地總面積為4.82x l04hm2，其中水田4.16×104hm2，占耕地總面積的86.31%，旱地0.66x104hm2，占耕地總面積的13.69%。2014年耕地質量年度更新成果顯示，吉安縣耕地國家自然質量等級分布在9—l4等，面積加權平均自然質量等級為9.13等，國家利用質量等級分布在3—l3等，面積加權平均利用質量等級為6.96等，國家經濟質量等級分布在2—11等，面積加權平均經濟質量等級為7.40等。如圖l所示，吉安縣耕地質量等級較高的耕地主要分布于中部的梅塘鄉、涅田鄉、登龍鄉，東部的永和鎮以及中北部的大沖鄉和萬福鎮。

1.2 數據來源

數據來源于吉安縣2013年度1： 50000耕地質量更新數據，其中包含了吉安縣耕地圖斑矢量數據以及耕地國家質量等級數據。運用ArcGIS 10.2軟件，分別以國家自然質量等級、國家利用質量等級和國家經濟質量等級字段為依據，將耕地圖斑矢量數據轉換為像元大小為Sm的柵格數據。

1.3 耕地景觀格局指數計算方法

景觀格局指數是景觀格局信息的高度概況，是反映景觀結構組成、空間配置特征的量化指標，是景觀格局研究的重要指標之一。不同質量耕地景觀格局分析，是運用景觀格局指數法對不同質量的耕地的空間異質性、空間相關性和空間規律性進行定量化的研究。

本研究在前人研究的基礎上，從斑塊類型與景觀鑲嵌體層次選取了部分有代表性的斑塊類型水平指數與景觀水平指數。其中斑塊面積（CA）、斑塊所占景觀面積的比例（PLAND）主要用于描述不同質量等級耕地的統計學特征：斑塊密度（PD）、邊界密度（ED）、平均斑塊大小（MPS）、景觀形狀指數（LSI）主要用于描述耕地的景觀破碎度;蔓延度指數（CONTAG）、景觀分離度（DIVISION）主要用于描述不同質量等級耕地的交錯及聚集程度;香農多樣性指數（SHDI）主要用于描述耕地質量景觀結構組成的復雜性。運用Fragstats4.2計算區域內整個景觀鑲嵌體的景觀格局指數，在此基礎上對景觀格局指數進行分析，從而獲得不同區域耕地景觀格局定量化的差異及其產生的規律。

1.4 相關性分析方法

相關性分析是指對2個或多個具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量2個變量因素的相關密切程度的過程。耕地質量和耕地景觀格局是耕地所表現出來的2種特征，李竹青的研究結果表明，二者之間在一定程度上存在著一種耦合關系，但它們之間的具體聯系并不明晰。因此，本研究基于吉安縣2013年度耕地更新數據，運用IBM SPSS Statis-tics 22.0 （IBM SPSS，Somers，NY，USA）分析軟件，分別對一定區域的耕地自然質量等級指數、耕地利用質量等級指數和耕地經濟質量等級指數與景觀格局指數進行Pearson相關性分析，以便更加具體地探究耕地質量與耕地景觀格局之間的聯系與變化規律。

2 結果與分析

2.1 不同耕地質量下的耕地景觀格局指數分析

耕地國家自然質量等級、耕地國家利用質量等級和耕地國家經濟質量等級是對耕地自然質量、耕地利用質量和耕地經濟質量的標準化量化，無論是耕地國家自然質量等級、耕地國家利用質量等級或耕地國家經濟質量等級，作為耕地的一種屬性，在空間分布上均存在高度的空間異質性。為研究不同質量耕地空間分布的空間相關性及空間規律性，本研究分別以耕地國家自然質量等級、耕地國家利用質量等級和耕地國家經濟質量等級為依據，將吉安縣全部耕地劃分成若干質量等級不同的斑塊類型，在此基礎上進行景觀格局分析。

2.1.1 不同耕地質量下的耕地斑塊類型水平景觀格局指數分析經Fragstats 4.2軟件分析，得出吉安縣不同質量等級耕地的斑塊類型水平景觀格局指數如表1。其中斑塊面積、斑塊所占景觀面積的比例是在斑塊類型層次上選取的斑塊類型水平指數，它們所反映的是不同質量等級耕地在統計學上的特征，可以在一定程度上反映吉安縣耕地的整體質量狀況。吉安縣耕地國家自然質量等級主要分布于8等、9等、10等，面積加權平均自然質量等級為9.13等，耕地國家利用質量等級主要分布于5等、6等、7等、8等，面積加權平均利用質量等級為6.96等，耕地國家經濟質量等級主要分布于5等、6等、7等、8等，面積加權平均經濟質量等級為7.40等。由于耕地國家質量等級數值越大，耕地質量越低，因此從3種耕地質量等級分布狀況可以發現，吉安縣耕地利用質量最優，經濟質量，自然質量相對較差，但整體而言，相比于全國耕地平均質量等級（9.80等），吉安縣耕地質量處于較好的水平。表明在經濟社會影響和人類投入資本與勞動對耕地本身及耕地環境進行生產性改造的情況下耕地自然質量的缺陷可以在一定程度上得到彌補，從而使吉安縣耕地耕作條件和耕作經濟效益在一定程度上突破耕地自然條件的限制。斑塊密度、邊界密度、平均斑塊大小、景觀形狀指數這4個景觀格局指數在一定程度上可以反映耕地景觀的破碎度。斑塊密度、邊界密度、景觀形狀指數3個景觀格局指數數值越大，平均斑塊大小數值越小，則證明研究區的耕地圖斑愈加破碎，形狀越不規則。如圖2所示，隨著耕地質量等級下降，斑塊密度、邊界密度，景觀形狀指數波動增大，平均斑塊大小波動減小。這反映出在耕地圖斑破碎的情況下，由于耕作不便，灌溉和排水條件較差以及土壤養分不易積累和貯存，耕地可能會受耕地破碎的影響而呈現出質量較差的情況。從橫向來看，耕地破碎度對耕地國家利用質量等級與國家經濟質量等級的下降更加敏感，趨勢更加明顯：而隨著耕地國家自然質量等級的下降，耕地破碎度雖有增大但趨勢并不明顯，表明人類活動越強，耕地生態過程越活躍，景觀破碎程度越高。

2.1.2 不同耕地質量下的耕地水平景觀格局指數分析蔓延度指數、景觀分離度主要用于描述不同斑塊的聚集及交錯程度。蔓延度指數描述的是相同質量等級耕地的團聚程度或延展趨勢，從理論上來講，蔓延度指數越趨于0表明相同質量耕地分布分散且存在較多獨立斑塊，越趨于100%時表明有較大面積的某一質量等級耕地聚集。景觀分離度是度量某一質量等級耕地圖斑分布離散程度的指標，景觀分離度越趨于0時表明某一耕地圖斑相鄰耕地為相同質量等級耕地的概率越大，越趨于100%時表明某一耕地圖斑相鄰耕地為不同質量等級的概率越大。

從表2可以看出，研究區范圍內耕地自然質量、利用質量、經濟質量存在較大差異，使得具有相同質量等級的耕地空間分布較為分散、凌亂，表現為蔓延度指數處于較低的水平，而景觀分離度處于一個極高的水平。然而，盡管不同質量耕地圖斑的景觀分離度均處于極高的水平，但在蔓延度指數上，由于耕地利用質量和經濟質量受人類活動的影響極大，而耕地自然質量主要由其自身自然條件決定，使得自然質量相同耕地的聚集性要強于利用質量和經濟質量。

香農多樣性指數描述的是耕地質量景觀結構組成的復雜性。當所有耕地質量等級相同時香農多樣性指數為0，當耕地質量等級增加或各質量等級耕地面積趨于相似時，香農多樣性指數越大。由于吉安縣耕地國家自然質量等級共5等，國家利用質量等級和國家經濟質量等級均有10等，且國家經濟質量各等級耕地的面積較為均勻，反映到耕地景觀格局上，吉安縣國家自然質量等級、國家利用質量等級、國家經濟質量等級耕地的香農多樣性指數（SH-D/）分別為1.09、1.70和1.87（表2），表明自然質量等級相同耕地的景觀復雜程度要大于利用質量等級相同耕地和經濟質量等級相同耕地。

2.2 耕地質量與耕地景觀格局指數的相關性

盡管上述不同質量等級耕地的景觀格局分析可以初步反映耕地質量與耕地景觀格局指數之間的聯系，但是它們之間的關系依然無法定量描述。為此，本研究通過對面積加權平均耕地國家自然質量等級指數、面積加權平均耕地國家利用質量等級指數和面積加權平均國家經濟質量等級指數與景觀格局指數進行相關性分析，以定量揭示吉安縣耕地質量與耕地景觀格局指數之間的關系。

從統計學意義上來講，相關性分析需要一定的樣本數（樣本數N>18）才能保證其結果在統計學上具有一定意義。如果單純地以耕地質量等級為依據劃分評價單元，耕地自然質量景觀格局分析的樣本數僅有5個，利用質量、經濟質量景觀格局分析的樣本也僅有10個，因此無法保證直接以耕地質量等級為依據劃分評價單元進行相關性分析結果在統計學上的意義。為此，本研究以8kmx8km的網格將吉安縣耕地分割為54個評價單元（圖3），運用Fragstats 4.2軟件分析，得出分別以耕地國家自然質量等級、國家利用質量等級和國家經濟質量等級為分類依據的54個評價單元（表3）。在此基礎上將景觀格局指數分別與耕地面積加權國家自然質量等級指數、耕地面積加權國家利用質量等級指數和耕地面積加權國家經濟質量等級指數在SPSS軟件中進行相關性分析。

如表3所示，在反映耕地景觀破碎度的斑塊密度、邊界密度、景觀形狀指數、平均斑塊大小上，評價單元國家自然質量等級的景觀格局指數平均數除景觀形狀指數、平均斑塊大小外，其它指數略小于國家利用質量等級和國家經濟質量等級：在反映各質量等級耕地分布的聚集及交錯程度的蔓延度指數、景觀分離度上，雖然各質量等級耕地景觀分離度相似，但國家自然質量等級相同耕地的蔓延度指數大于國家利用質量等級相同耕地和國家經濟質量等級相同耕地;在香農多樣性指數上，相同國家自然質量等級耕地的香農多樣性指數小于國家利用質量等級相同耕地和國家經濟質量等級相同耕地。這一特征與上述不同質量等級耕地的景觀格局分析結果相似，表明本次相關性分析所采用的評價單元劃分方法可以較好地反映研究區耕地質量與景觀格局特征。

相關性分析結果（表4）顯示：耕地國家自然質量等級指數與邊界密度、平均斑塊大小顯著相關，相關系數分別為-0.361（P<0.01）和0.344（P<0.05），具體來說耕地自然質量隨著耕地圖斑邊界的增多而呈下降趨勢，隨著耕地圖斑平均斑塊大小的增大而表現出上升趨勢。耕地國家利用質量等級指數與景觀形狀指數、景觀分離度、香農多樣性指數顯著相關，相關系數分別為0.271（P<0.05），0.323（P<0.05）和0.290（P<0.05），即耕地利用質量隨著耕地圖斑的破碎度、分散度的增大而提高。耕地國家經濟質量等指數與邊界密度顯著相關，相關系數為-0.283（P<0.05），耕地經濟質量隨著耕地圖斑邊界的增多而下降。

3 討論

3.1耕地國家自然質量等級指數與耕地景觀格局指數的關系

耕地國家自然質量等級指數與邊界密度、平均斑塊大小顯著相關。由于邊界密度、平均斑塊大小能較好地反映景觀的破碎度，因此可以認為耕地自然質量隨著耕地景觀破碎度的增大而下降，這與前人研究結果一致。由于耕地景觀破碎度較高值常出現于丘陵山地.丘陵山地地形下耕地較為小而零碎的同時，隨著海拔升高，地形坡度增大，淋溶作用越強，保留在土壤中的速效養分和有機質越少，耕層厚度小，耕地自然質量較差。而地勢相對平緩的平原地區耕地面積大而連片，耕地破碎度較小，易于積水積肥，耕層厚度大，土壤養分含量高，耕地自然質量較好。由于各評價單元耕地自然條件空間差異性較大，耕地國家自然質量等級指數與景觀形狀指數、蔓延度指數、景觀分離度、香農多樣性指數并無顯著相關性。因此，在耕地質量保護與提升工作當中，可以適當地平整耕地，歸并零散地塊，擴大耕地平均面積，進而在一定程度上提高耕地自然質量。

3.2 耕地國家利用質量等級指數與耕地景觀格局指數的關系

耕地國家利用質量等級指數與耕地景觀格局指數中的景觀形狀指數、景觀分離度、香農多樣性指數顯著正相關，即耕地利用質量隨著耕地圖斑的破碎度、分散度的增大而顯著提高。李竹青的研究結果表明，離河流、溝渠、道路、居民點越近的耕地斑塊受人類活動的影響越大，被割裂的程度越高，斑塊破碎化程度越高。而由于離河流、溝渠近的耕地灌溉排水條件相對較好，離道路、居民點較近的耕地交通便利，農民耕作便捷，使得耕地利用程度更高，利用方式更加多樣化，耕地利用質量更好。研究結果在前人的基礎上進一步揭示了人類活動對耕地景觀的影響特征，表明盡管人類活動使耕地更加破碎，但同時也促進了耕地利用質量的提升。因此，在耕地利用過程中有必要適當地規劃建設排灌溝渠與交通道路，以改善耕地排灌及交通條件，進而提升耕地利用效率，促進耕地利用方式多樣化，提高耕地利用質量。

3.3 耕地國家經濟質量等級指數與耕地景觀格局指數的關系

耕地國家經濟質量等級指數與邊界密度顯著相關。耕地經濟質量隨著耕地圖斑邊界密度的增大而表現出下降趨勢，表明單位面積邊界較長，形狀較為復雜的耕地不利于機械化耕作，且需要投入更多的資本和勞動力用于耕地的基礎改造以及生產活動，使這些耕地生產成本大于邊界密度小、集中連片，便于生產與管理的耕地，邊際效益較低。因此.對形狀復雜的耕地進行土地整治，歸并零散地塊，規整耕地，可以提高耕地集中連片程度，使得田塊形狀趨于規則，從而進一步推進耕地利用規模化、機械化，實現耕地利用內部規模經濟，最終提高耕地利用的經濟效益。本研究發現，吉安縣耕地質量與部分景觀格局指數相關性顯著，耕地景觀格局可以在一定程度上反映耕地質量特征，某一區域耕地景觀破碎度越大，在一定程度上證明該區域耕地自然質量、經濟質量偏差;某一區域耕地景觀分散度越大在一定程度上證明該區域耕地利用質量可能較好。由此可見，研究耕地景觀格局可以為耕地質量提升，保護優勢耕地資源，優化耕地空間布局提供一定的景觀生態學依據。