長瀏平丘陵區(qū)耕地形態(tài)分異研究

張 霞，段建南，李 萍

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128)

隨著統(tǒng)籌“山水林田湖草”生命共同體系統(tǒng)治理以及耕地數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)的“三位一體”保護等目標的提出，耕地的重要性愈發(fā)凸顯[1]。在耕地空間形態(tài)變化研究方面，主要研究方法包括耕地分布重心轉(zhuǎn)移、信息熵、景觀指數(shù)法等，耕地空間分布重心與景觀格局指數(shù)法成為如今最常見的方式[2]。

國內(nèi)在耕地空間分布格局研究方面采用最多的是景觀格局分析法，將景觀空間格局定量分析方法與GIS相結(jié)合，用以描述耕地資源的空間形態(tài)及其演變[2]。耕地資源是不可替代的寶貴資源，因為長瀏平丘陵區(qū)地理條件的復(fù)雜性和耕地空間形態(tài)發(fā)展的多樣性，因此從景觀空間分異分析耕地形態(tài)空間特征，將耕地形態(tài)與耕地空間分布格局聯(lián)系起來，可為耕地利用與保護提供理論依據(jù)，同時為類似區(qū)域的耕地形態(tài)研究提供借鑒與參考。

1 研究區(qū)耕地概況

以長瀏平丘陵區(qū)耕地為研究對象，耕地類型包括水田和旱地，其中水田是指主要用來種植水稻、蓮藕等水生農(nóng)作物的耕地，其中包括實行水稻和旱地作物輪流耕作的耕地，主要包括平原水田、丘陵水田和山地水田；旱地主要依靠自然降水或水源和澆水設(shè)施種植作物，以種菜為主，屬于正常輪作的休閑地和輪歇地，主要組成包括平原旱地、丘陵旱地和山地旱地。從耕地分布情況來看(圖1)，研究區(qū)耕地主要集中在中部地區(qū)，主要包括長沙市中心城區(qū)外圍部分、望城北部寧鄉(xiāng)東部地區(qū)、長沙縣以及瀏陽市東北部地區(qū)，空間分布在中心城區(qū)以及城鎮(zhèn)等建成區(qū)的周邊；東部分布廣，西部少；在平原分布密集，在山地分布稀疏，且多分布在水源充足地區(qū)。

圖1 研究區(qū)2015年土地利用現(xiàn)狀圖

2 研究方法

用GIS的信息技術(shù)能夠比較直觀方便地總結(jié)不同的耕地形態(tài)模式類型，建立耕地形態(tài)圖式語言，提高對耕地形態(tài)景觀的研究與認識的科學(xué)性，可以為定量分析耕地形態(tài)景觀格局提供技術(shù)支持。

土地形態(tài)圖式語言研究通過室內(nèi)對遙感影像的目視判讀和圖式提取[4]，確定具有代表性、典型性的區(qū)域：不同地域空間類別、不同文化景觀區(qū)域、不同農(nóng)業(yè)耕作方法以及不同地理特征下的平面形態(tài)各異的耕地。

用景觀格局指數(shù)分析法可以合理選取耕地景觀格局指數(shù)指標，對長瀏平丘陵區(qū)的耕地形態(tài)景觀指數(shù)進行計算，并對研究區(qū)的耕地景觀格局特征空間分布規(guī)律進行總結(jié)歸納分析[5]。

3 耕地形態(tài)模式的確定

耕地形態(tài)是由耕地實體呈現(xiàn)出來的具體且有形的物質(zhì)形態(tài)，是自然和人文過程相統(tǒng)一的文化現(xiàn)象；耕地形態(tài)也是在長期演變過程中，通過人地相互作用所形成的特有的形態(tài)。耕地的空間形態(tài)通過數(shù)量變化和格局變化來表達[6]。耕地利用形態(tài)通過耕地結(jié)構(gòu)、數(shù)量及空間布局在長時間序列下的變化呈現(xiàn)出來[7]。

耕地格局的發(fā)展趨勢應(yīng)由細碎、分散化狀態(tài)向集中、連片、規(guī)整的方向變化，若耕地格局變化出現(xiàn)趨勢性轉(zhuǎn)折，耕地空間形態(tài)則會發(fā)生轉(zhuǎn)型[8]。依據(jù)景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)理論，耕地空間形態(tài)是“構(gòu)成耕地發(fā)展變化的空間形式特征，是耕地‘有機體’內(nèi)外矛盾的結(jié)果”[9]。耕地形態(tài)可以看做是“由形狀(耕地外在形態(tài))、結(jié)構(gòu)(斑塊地理位置)和相互作用(單元間聯(lián)系與共同組成)建立的一個空間系統(tǒng)”[10]。

廊道一般是耕地被丘陵軸線及走向、河流水系、道路所隔斷的分界線，通常分實體與非實體分界線，不同主體之間的分隔邊界，可以是事實存在的，或者是意識中存在的非事實存在的邊界[11]。基底就是從耕地形態(tài)內(nèi)部展開，其形態(tài)反映出由自然因素與人為因素共同作用下，在一定空間范圍內(nèi)對耕地利用方式以及人類活動的空間載體。長瀏平丘陵區(qū)耕地形態(tài)模式的選取標準為：第一，需要體現(xiàn)不同區(qū)域的不同特色，生態(tài)性景觀空間應(yīng)有典型特色；第二，生態(tài)性指標要素豐富，自然生態(tài)環(huán)境具多樣性；第三，研究區(qū)域平面形態(tài)豐富、典型；第四，研究區(qū)域的歷史文化背景深厚，具有穩(wěn)定存在的生產(chǎn)線景觀空間，且能充分體現(xiàn)人類活動對自然環(huán)境的影響[12]。

長瀏平地區(qū)地貌以丘陵為主，地表水系發(fā)育，支流眾多，為了確保最終歸納總結(jié)的耕地形態(tài)圖式語言系統(tǒng)相對完善，調(diào)查樣線設(shè)置應(yīng)盡可能多地覆蓋更多更全面的景觀類型[13]，依據(jù)長瀏平地區(qū)的地形情況和河流水系分布特點，選擇設(shè)置東西和南北走向兩條樣線，為樣線1和樣線2(圖2)，長度分別為233.57 km和136.46 km。

在進行長瀏平耕地形態(tài)圖式語言提取時，沿樣線選取確定耕地形態(tài)樣點。先通過室內(nèi)對遙感影像的目視判讀，結(jié)合現(xiàn)有的遙感影像，確定耕地平面形態(tài)特征性較明顯且具有代表性的區(qū)域，針對不同文化景觀區(qū)域、不同地域空間類別、不同農(nóng)業(yè)耕作方式以及不同地貌特征下的平面形態(tài)各不相同的耕地，具有生態(tài)系統(tǒng)特征的穩(wěn)定性和有機性。通過對長瀏平丘陵區(qū)耕地發(fā)展的相關(guān)文獻和案例的研究，以空間組合圖式[14]為表達形式，從空間平面的角度，結(jié)合現(xiàn)有的長瀏平丘陵區(qū)耕地遙感影像圖進行信息提取，對耕地平面幾何形態(tài)進行判讀和圖式提取[15]，并歸納總結(jié)為四大類模式(圖3)：(1)均勻類：放射狀耕地模式、網(wǎng)格狀耕地模式、指狀耕地模式；(2)聚集類：環(huán)繞狀耕地模式、樹枝狀耕地模式、條帶狀耕地模式；(3)隨機類：散點耕地模式；(4)組合類：坑塘耕地組合耕地模式。雖然總結(jié)的模式并不能涵蓋全部形式的耕地用地形態(tài)，但它們基本能表示出長瀏平丘陵區(qū)的最明顯的耕地空間形態(tài)發(fā)展趨勢，基本存在“模式”指導(dǎo)的意義。

4 景觀格局指數(shù)分析

通過軟件Fragstats 4.0，選取所需要的指標進行定量測算。總結(jié)長瀏平丘陵區(qū)耕地空間結(jié)構(gòu)組成與耕地空間形態(tài)模式，結(jié)合實際情況選取斑塊總面積(TA)、斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊界密度(ED)、平均面積(AREA_MN)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、平均分維數(shù)(FRAC_MN)共9個景觀格局指數(shù)，對長瀏平丘陵區(qū)不同耕地空間形態(tài)進行景觀特征分析。

(1)斑塊總面積(TA)：斑塊類型面積是最基本的空間特征，是具基礎(chǔ)性的景觀格局指數(shù)指標[16]，是單位面積的景觀組成和多樣性的重要影響因素[17]。斑塊總面積(TA)的表達式為：

TA=A×1/10000

(1)

式(1)中：A為整個景觀的總面積，除以10000后計量單位轉(zhuǎn)化為hm2。

(2)斑塊數(shù)(NP)：是景觀中不同類型景觀斑塊的總和。若斑塊數(shù)增加，則景觀的破碎化指數(shù)增加[18]。斑塊數(shù)(NP)的表達式為：

NP=N

(2)

式(2)中：N為景觀中的斑塊總數(shù)。

(3)斑塊密度(PD)：指單位面積的某種斑塊類型的斑塊數(shù)量，等于景觀斑塊總數(shù)與總景觀面積之比[19]。其數(shù)值越大，斑塊分布越復(fù)雜，景觀破碎度越高。斑塊密度(PD)的表達式為：

PD=N/A

(3)

式(3)中：N為景觀中的斑塊總數(shù)；A為景觀總面積。

(4)景觀形狀指數(shù)(LSI)：將景觀斑塊看做一個整體，用來研究整體景觀水平的指數(shù)， LSI數(shù)值越大，說明邊界長度長且形狀不規(guī)則，斑塊景觀破碎化程度越高。景觀形狀指數(shù)(LSI)的表達式為：

LSI=E/minE

(4)

式(4)中：E指景觀的邊緣總長度，包括所有景觀邊界線和背景邊緣；minE是E的最小可能值。

(5)最大斑塊指數(shù)(LPI )：表示整個景觀或某種景觀類型中最大斑塊占總體斑塊面積的比例，表征集中度和優(yōu)勢度斑塊類型，指數(shù)的范圍介于0～100之間[20]。最大斑塊指數(shù)(LPI)的表達式為：

LPI=maxaij/A×100

(5)

式(5)中：aij代表斑塊ij的面積。

(6)邊界密度(ED)：描述斑塊邊界與形狀的關(guān)系，用來衡量整個景觀斑塊被邊界割裂的程度。ED值為0說明整個景觀無邊界，景觀邊界以單元斑塊邊界來表示。邊界密度(ED)表達式為：

ED=E/A×106

(6)

式(6)中：E指景觀的邊緣總長度；A為景觀總面積。

(7)斑塊平均面積(AREA_MN)：指斑塊類型的總面積除以斑塊類型的斑塊數(shù)，通常用來說明景觀破碎化程度和景觀粒度。斑塊平均面積(AREA_MN)的表達式為：

(7)

式(7)中：aij是斑塊ij的面積，ni是類型i的斑塊數(shù)量。

(8)斑塊平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)：反映了斑塊形狀相對于同等面積正方形的復(fù)雜程度，是斑塊形狀變化指標，取值大于等于1，且數(shù)值越小，景觀斑塊形狀越簡單。

斑塊平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)的表達式為：

(8)

式(8)中：aij是斑塊ij的面積；pij是斑塊ij的周長。

(9)平均斑塊分維數(shù)(FRAC_MN)：表示不規(guī)則程度和破碎化程度，取值范圍在1～2之間，值越大，斑塊邊界形狀越復(fù)雜。

平均斑塊分維數(shù)(FRAC_MN)的表達式為：

(9)

式(9)中：aij是斑塊ij的面積；pij是斑塊ij的周長。

5 耕地形態(tài)空間分異分析

5.1 耕地形態(tài)類型特征分析

耕地形態(tài)類型特征分析選取斑塊總面積(TA)、斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、平均面積(AREA_MN)4個景觀格局指數(shù)(表1)。

據(jù)此可分析，放射狀和網(wǎng)格狀、指狀耕地形態(tài)模式的斑塊面積較大，存在優(yōu)質(zhì)斑塊且優(yōu)勢度較大，而破碎化程度較小，適宜于農(nóng)業(yè)耕作生產(chǎn)。樹枝狀、環(huán)繞狀、條帶狀耕地形態(tài)斑塊最大斑塊面積的數(shù)值相對較小一些，優(yōu)勢度也相對較小一些。坑塘耕地組合狀耕地形態(tài)模式的破碎化程度一般，優(yōu)勢度也一般。而散點狀耕地形態(tài)的斑塊分散，聚集度不高且破碎化程度高。

5.2 耕地形態(tài)景觀特征分析

耕地形態(tài)景觀特征分析選取邊界密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)這3個景觀格局指數(shù)(表2)。

由表2可知，放射狀耕地形態(tài)的邊界密度值較大，但另外兩項形狀指數(shù)的值偏小，說明其耕地景觀的形狀規(guī)則，復(fù)雜程度較低，但分割程度較高。網(wǎng)格狀耕地形態(tài)的耕地形狀規(guī)整有序，且整體均勻簡單，但邊界密度的數(shù)值較大一些，景觀邊界具有一定的破碎度，會受到人類社會經(jīng)濟活動的影響，具備進行規(guī)模化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的條件。指狀耕地形態(tài)不規(guī)則，耕地斑塊無邊界。

樹枝狀耕地形態(tài)的邊界密度數(shù)值相對較小，景觀整體的破碎化程度較低，較為集中且聯(lián)系度高，而其景觀形狀指數(shù)較高，說明該模式下景觀形狀的整體規(guī)則程度較低，邊界長度較長，破碎化程度相對較高。環(huán)繞狀耕地形態(tài)的景觀破碎化程度一般，但邊界形狀相對較復(fù)雜，較難進行農(nóng)業(yè)的規(guī)模化生產(chǎn)和機械化作業(yè)。條帶狀耕地形態(tài)的這幾項指標相對較適中，但其邊界形狀較復(fù)雜，規(guī)則程度較低，因此條帶耕地的利用程度較低，利用效率相對不高。

坑塘耕地組合狀耕地形態(tài)的各項指標適中，說明該模式下的景觀破碎化程度一般，景觀形狀較規(guī)則，邊界復(fù)雜程度較低，景觀格局的生態(tài)價值較高，具有一定的穩(wěn)定性和適宜性。散點狀耕地形態(tài)的景觀破碎化程度較高，形狀不規(guī)則，聚集度低，形狀邊界較復(fù)雜。

5.3 耕地形態(tài)景觀優(yōu)勢度分析

耕地形態(tài)景觀優(yōu)勢度分析選取斑塊密度(PD)、平均分維數(shù)(FRAC_MN)這兩個景觀格局指數(shù)(表3)。

放射狀耕地形態(tài)的斑塊密度值與平均分維數(shù)值較小，說明景觀破碎化程度低，斑塊形狀規(guī)則集中，且LPI值較高，具有較高的優(yōu)勢度。網(wǎng)格狀耕地形態(tài)的斑塊密度數(shù)值較小且平均分維數(shù)接近于1，說明其斑塊的形狀規(guī)則簡單，破碎化程度低，而LPI值較高，體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢度。指狀耕地形態(tài)斑塊分布平均分維數(shù)接近于1，優(yōu)勢度較明顯。

樹枝狀耕地形態(tài)的斑塊密度及平均分維數(shù)的值較低，說明其聚集度較高，斑塊形狀規(guī)則，破碎化程度較低，且LPI值較高，優(yōu)勢度較明顯。環(huán)繞狀耕地形態(tài)的兩項指標數(shù)值較低，景觀聚集度一般，且LPI值較高，整體的優(yōu)勢度較明顯。條帶狀耕地形態(tài)的斑塊密度相對大一些，說明其景觀斑塊的破碎度相對較大，而平均分維數(shù)相對較大，斑塊邊界形狀復(fù)雜一些，LPI值一般，優(yōu)勢度相對較小。

坑塘耕地組合模式的斑塊密度值及平均分維數(shù)較小，說明其景觀破碎化程度一般、景觀形狀較規(guī)則，優(yōu)勢度一般。

散點狀耕地形態(tài)斑塊破碎化程度較高，分散度較高，形狀較復(fù)雜，優(yōu)勢度較低。

6 結(jié)果與討論

6.1 結(jié)果

通過對長瀏平丘陵區(qū)的耕地形態(tài)以及景觀格局的研究，對長瀏平丘陵區(qū)進行耕地形態(tài)歸納提取，總結(jié)出4類耕地空間關(guān)系模式：

(1)均勻類：放射形態(tài)耕地模式、網(wǎng)格形態(tài)耕地模式、指狀形態(tài)耕地模式。放射形態(tài)耕地模式分布相對較為均勻，耕地斑塊由中心向四周放射延伸，地形平坦，多出現(xiàn)于平原地帶，耕地分布呈放射狀分布；網(wǎng)格形態(tài)耕地模式耕地分布非常均勻，耕地斑塊形狀規(guī)則，相互連接并含有許多網(wǎng)格道路，位于平原地區(qū)，地勢平坦，田面較寬廣，耕地集中連片，形成多個大面積的分布區(qū)，呈現(xiàn)規(guī)則式均勻聚集格局，距離基本一致；在指狀形態(tài)耕地模式中，占優(yōu)勢的兩類耕地斑塊，彼此犬牙交錯，相互交織，共享一個邊界，如果地理位置臨近則相鄰相互作用強烈，將會影響景觀要素的相對面積，形成“半島形”組分的方向性和豐富度，長寬則會影響景觀過程。

(2)聚集類：環(huán)繞形態(tài)耕地模式、樹枝形態(tài)耕地模式、條帶狀形態(tài)耕地模式。環(huán)繞形態(tài)耕地模式受到地形、河流隔斷等自然環(huán)境的約束，再加上人類規(guī)劃等原因的影響，被山地、丘陵、河流和森林等分隔為相對獨立的多個帶狀或團狀用地形式，有一個中心，連接著很多分散的耕地團，沒有明顯的主次之分，形成若干較大面積的分布區(qū)，再散步在整個景觀中，構(gòu)成分散發(fā)展的組團型耕地形態(tài)；樹枝形態(tài)耕地模式多沿河道分布，布局密集且緊湊，交通成本相比于指狀耕地模式及環(huán)繞狀耕地模式要低，一般以河流干流為中心，通過中心枝干向兩側(cè)分別延伸出不同的鏈接情況，其中兩側(cè)延伸出的耕地分支可能還會進一步延伸出二級、三級分支等等，整體呈現(xiàn)出“綠帶串聯(lián)、枝狀穿插”；條帶狀形態(tài)耕地模式多呈線性、條形狀分布，在地勢平坦或者地形有起伏的地區(qū)都有可能出現(xiàn)，或在河流沿岸植物帶、公路、鐵路、山脊線平行分布。

(3)隨機類：散點形態(tài)耕地模式。散點形態(tài)耕地模式由點綴在基質(zhì)里的點狀地物構(gòu)成，多分布在山地丘陵地區(qū)，一般有溪流經(jīng)過，呈現(xiàn)不規(guī)則、無規(guī)律、隨機分布模式，破碎化程度高，交通成本高。

(4)組合類：坑塘耕地組合形態(tài)耕地模式。坑塘耕地組合耕地模式屬于特定組合或空間連接，是耕地與坑塘相關(guān)聯(lián)的格局，一般分布在地勢低洼地帶，水源坑塘密布呈現(xiàn)出散點狀，與耕地呈拼接式組合。

耕地形態(tài)斑塊類型特征分析：均勻類耕地形態(tài)模式斑塊面積相對都較大，景觀斑塊規(guī)模較大，存在優(yōu)質(zhì)斑塊，適宜于農(nóng)業(yè)耕作生產(chǎn)； 環(huán)繞狀、樹枝狀、條帶狀最大斑塊面積相對較小，優(yōu)勢度較前三類低；坑塘耕地組合耕地形態(tài)與散點狀耕地形態(tài)最大斑塊面積值較小，聚集度不高，耕地形態(tài)景觀規(guī)模小。

耕地形態(tài)的斑塊形狀分析：放射形態(tài)、網(wǎng)格形態(tài)、樹枝形態(tài)形狀規(guī)則；指狀形態(tài)、環(huán)繞形態(tài)、條帶狀形態(tài)、散點形態(tài)耕地斑塊形狀不規(guī)則；坑塘耕地組合形態(tài)的形狀一般規(guī)整。

耕地形態(tài)景觀斑塊優(yōu)勢度分析：放射形態(tài)、網(wǎng)格形態(tài)、指狀形態(tài)、環(huán)繞形態(tài)、樹枝形態(tài)優(yōu)勢度明顯；條帶狀形態(tài)、散點狀形態(tài)、坑塘耕地組合形態(tài)優(yōu)勢度不明顯。

耕地形態(tài)景觀斑塊異質(zhì)性分析：均衡分布最明顯的是指狀耕地形態(tài)、散點狀耕地形態(tài)。

長瀏平丘陵區(qū)耕地分布總體情況：高密度區(qū)集中分布在中部地區(qū)，西部和東部相對較為稀疏，耕地分布以中部區(qū)域為主。在地形平坦、起伏度小的平原地區(qū)，值越大，耕地分布密度越高；在地勢較高、地形起伏度較高的丘陵地區(qū)，值越小，耕地分布密度越低；在城市中心發(fā)展區(qū)域以及遠離城區(qū)的地區(qū)，密度值小，而在發(fā)展區(qū)外圍靠近發(fā)展區(qū)，密度值高。

6.2 討論

任何空間格局都是過程演變的瞬時狀態(tài)，不同的耕地形態(tài)景觀格局決定形態(tài)景觀的不同過程，人們對于耕地形態(tài)空間規(guī)劃管理的目的，是調(diào)整優(yōu)化耕地形態(tài)空間要素面積、輪廓、類型和配置等，提高耕地斑塊的連通性；耕地斑塊破碎度修復(fù)是生產(chǎn)過程和諧、有序進行的首要前提。

(1)均勻類：優(yōu)勢度較高，一般在地勢較為平坦、水資源豐富的地區(qū)，針對集中分布、集中連片、成規(guī)模的耕地，可以通過建立大型斑塊剛性控制線保持耕地斑塊的完整，或者建立斑塊剛性保護區(qū)，如基本農(nóng)田保護區(qū)，用以保證農(nóng)業(yè)的科學(xué)發(fā)展。

(2)聚集類：優(yōu)勢度良好，次于均勻類耕地模式，也可以通過建立小型斑塊剛性控制線，在控制線內(nèi)，可以通過恢復(fù)生態(tài)節(jié)點，使破碎化的耕地斑塊間得以連通；針對耕地斑塊形狀不規(guī)則情況，通過增強邊緣效應(yīng)可以增強相鄰耕地斑塊間的連通程度。

(3)隨機類：往往出現(xiàn)在海拔較高的地區(qū)，耕地斑塊破碎度明顯，連通性差，斑塊分布較為分散，應(yīng)以保護生態(tài)環(huán)境為主，保護物種多樣性，有利于物種的擴散與遷移。

(4)組合類：水源分布多，一般可發(fā)展多種副業(yè)，可以發(fā)展?jié)O產(chǎn)養(yǎng)殖類農(nóng)產(chǎn)品，即保留水域自然斑塊與自然廊道，以集中與分散相結(jié)合混合的原則，實現(xiàn)最理想的耕地格局模式。