潛江市耕地格局與景觀破碎化研究

許利洋 買爾哈巴·玉蘇甫

摘要： 基于2000年和2010年兩期GlobeLand 30土地覆蓋數據，以湖北省潛江市為研究區，分析潛江市土耕地時空變化特征，并計算該市19個鄉鎮的耕地斑塊面積與破碎度指數，建立耕地面積和破碎度耦合的9種耕地變化模式，分析各鄉鎮耕地面積、耕地破碎度變化以及兩者相聯系形成的耕地變化特征。結果表明，2000—2010年，潛江市耕地總面積基本保持穩定，但潛江市內部各鄉鎮耕地面積變化幅度差異顯著，耕地破碎化加劇;潛江市“耕地面積減少伴隨著破碎度增加”的耕地變化模式占主導地位，位于城市化發展較快的東北地區，而“耕地面積增加伴隨破碎度減少”的鄉鎮主要分布在農業比較發達的西南地區。潛江市城市建設用地逐漸占用耕地，導致城市邊緣耕地面積驟減，耕地內部破碎化趨勢嚴重。

關鍵詞：耕地變化; 破碎化; 景觀格局; 潛江市

中圖分類號：P96;P901? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0030-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.005 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on the land cover data of GlobeLand 30 in 2000 and 2010， taking Qianjiang in Hubei province as the research area，the soil spatial and temporal variation characteristics of cultivated land in Qianjiang is analyzed. And the arable land patch area and the fragmentation index of 19 towns in the city are calculated. The cultivated land area and the fragmentation coupling mode of 9 kinds of cultivated land change are established. The changes in cultivated land， cultivated land fragmentation country towns and the characteristics of both associated with formation of the farmland change are analyzed. The results show that the total cultivated land area of Qianjiang remained stable from 2000 to 2010， but the variation range of the cultivated land area of each town and town within Qianjiang was significant， and the cultivated land fragmentation was intensified. The cultivated land change pattern of “the reduction of cultivated land area with the increase of fragmentation” is dominant in Qianjiang， and it is located in the northeast region where urbanization is developing rapidly. The townships with the pattern of “increase in cultivated land area with reduced fragmentation” are mainly distributed in the southwestern regions where agriculture is relatively developed. The urban construction land gradually occupied the cultivated land in Qianjiang， resulting in a sharp decrease in the area of cultivated land at the edge of the city， and the internal fragmentation trend of the cultivated land is serious.

Key words： cultivated land change; fragmentation; landscape pattern; Qianjiang city

耕地作為最重要的土地利用方式之一，是人類生存與發展的重要物質基礎，是人類十分寶貴的資源與財富[1]。全球范圍的快速城市化所帶來的無秩序的城市擴張、優質耕地被占用、人口密度過大、土地供需矛盾尖銳等問題使得糧食安全問題成為嚴重威脅[2]。

近年來，許多研究學者對無秩序的城市擴張導致的耕地景觀破碎化問題、城市用地占用優質耕地導致的耕地面積及耕地質量的下降和農業生態的可持續發展問題等[3]進行了大量的研究。Su等[4]以深圳市為例，研究城市化進程中耕地保護制度，提出了耕地轉型的制度和體系;Dadashpoor等[5]和Deng等[6]都對城市化導致的土地景觀格局變化進行了研究;Chao等[7]以山東省為例，計算山東省的陸地植被凈初級生產力和耕地壓力指數，對其凈初級生產力和耕地變化進行了評價;Gong等[8]對廣州市耕地和建設用地的分化進行了研究;李鵬山等[9]對京津冀地區耕地空間分布特征以及破碎化程度進行分析;陳迪等[10]采用2000年和2010年兩期全球30 m地表覆蓋遙感數據產品（GlobeLand 30）及FAOSTAT統計數據，建立耕地面積數量和耕地利用格局指標群，在國家、地理分區和縣級等3個尺度上綜合分析亞洲耕地的數量、復種指數[11，12]及耕地破碎度變化特征;傅澤強等[13]分析了中國耕地數量與質量的變化對糧食生產所產生的影響，提出必須高度重視耕地的數量保持和質量改善的建議。上述研究主要關注了耕地面積變化特征或者耕地景觀變化特征，所得出的結論主要偏向于注重耕地總面積的保障，而對小尺度區域耕地內部的變化特征關注較少。宏觀角度上注重并保持耕地總量固然很重要，但耕地內部景觀變化特征會帶來更多的生態經濟影響與效應。耕地面積與耕地景觀的耦合分析，即對耕地數量與耕地內部破碎化程度進行同步分析，對優化和調整耕地內部景觀格局有實際意義，更有利于實現土地集約化與土地資源可持續化。因此，有必要將耕地面積與耕地破碎度結合起來深入研究耕地景觀問題。

本研究以湖北省潛江市為研究對象，分析該區域耕地面積、耕地破碎度以及兩者的耦合模式的時空變化特征。潛江市位于江漢平原腹地，2000年以來城市化進程不斷加快，導致該地區耕地景觀發生很大變化，再加上“南水北調、引江濟漢”以及高速客運鐵路建設等重大工程的實施，多種國家政策的頒布使潛江土地利用結構更加復雜。對潛江市耕地進行耕地面積與破碎度的耦合分析，有利于全面揭示江漢平原耕地利用現狀以及變化規律，為未來該區域農業生產管理、農業種植結構調整和優化提供重要信息支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

潛江市位于湖北省中部，江漢平原腹地，交通發達，地勢低平，位于112°29′E—113°01′E，30°04′N—30°39′N。潛江市是武漢城市圈和長江中游城市群重要成員，境內有全國十大油田之一的江漢油田[14]，轄3個省級經濟開發區、6個國營農場，素有“曹禺故里、江漢油城、龍蝦之鄉”的美譽。近年來潛江市充分發揮江漢平原豐富的水資源優勢，積極探索現代農業，走出了一條獨具特色的水產產業化發展之路，使潛江市小龍蝦的養殖規模、加工能力、出口創匯連續7年位居全國第一，被譽為“中國小龍蝦之鄉”“中國小龍蝦加工出口第一市”[15]（圖1）。

1.2 數據來源

所采用的2000年與2010年的兩期土地利用數據均源自GlobeLand 30[16]（http：//www.globallandcover.com），覆蓋潛江市區域的圖幅編號為N49_30。

GlobeLand 30數據是中國首個30 m分辨率的全球土地覆蓋數據集[17]，陳軍等[18]對該產品在全球范圍進行了精度評價，其總體精度在80%以上。該數據集將全球土地覆被分為10類，分別為耕地、林地、草地、灌木地、苔原、濕地、水體、冰川和永久積雪、裸地與人造地表。本研究所指的耕地包括水田、灌溉旱地、雨養旱地、菜地、耕地牧草種植地、大棚用地、以種植農作物為主間有果樹及其他經濟喬木的土地，茶園、咖啡園等灌木類經濟作物種植地。

1.3 研究方法

首先，將2000年與2010年的兩期GlobeLand 30數據與潛江市行政區劃數據導入Arcgis 10.5軟件中，掩膜提取潛江市的兩期土地利用數據，得出潛江市土地利用空間分布圖。對潛江市的兩期土地利用數據進行疊加分析，并得到2000—2010年潛江市土地利用轉移矩陣。

其次，計算潛江市各個鄉鎮的耕地景觀指數。將潛江市內每個鄉鎮的土地利用數據分別導出為TIF格式數據，使用Fragstats 4.2 軟件計算潛江市2000、2010年各鄉鎮耕地斑塊面積和破碎度指數。

本研究通過選取耕地斑塊面積和破碎度指數構建耕地變化耦合模型，這兩個指標分別表述耕地數量變化和耕地景觀內部變化。耕地斑塊面積（TA）是指某一區域內所有耕地斑塊的面積總和，以此表征潛江市耕地景觀的面積;破碎度指數（SPLIT）（式1）表征景觀被分割的破碎程度，在一定程度上反映人類對景觀的干擾程度，進而反映出人類對自然生態系統的影響，破碎度指數數值越大，其代表的耕地景觀破碎化越嚴重。本研究耦合耕地斑塊面積和破碎度指數表征潛江市不同類型的耕地變化，對于每個指標分別指定了3個間隔，分別為減少、穩定和增加，計算每個鄉鎮的耕地斑塊面積與破碎度指數百分比變化（式2），基于此參照Freedman - Diaconis規則公式，即耕地斑塊面積變化率置信區間為±2%，破碎度指數變化率置信區間為±5%，兩者相結合建立了9種耕地斑塊面積與破碎度指數耦合模式（圖2）。

式中，A表示潛江市總的景觀面積;aij表示第j個樣方i種類型的斑塊面積;n為斑塊的樣方個數。

式中，R表示TA或SPLIT的變化率，n表示變量TA或SPLIT。

式中，H表示分級閾值，IQR表示數據的四分位距區間，N表示樣本數。分別基于耕地斑塊面積和破碎度指數的百分比變化。

2 耕地動態變化

2.1 土地利用時空變化分析

2000—2010年，潛江市土地利用結構整體變化幅度較大，其中，耕地、水體和草地面積呈減少趨勢，人造地表、林地和濕地面積呈增加趨勢，人造地表、水體及草地等地類變化幅度顯著。人造地表面積的增加顯著，從146 km2增加到245 km2，增幅為40.48%，水體的面積減少最為顯著，2000年潛江市水體面積為144.29 km2，2010年為87.26 km2，降幅為39.52%。如圖3所示，人造地表面積增加幾乎遍布潛江市整個轄區，東北地區最為顯著，西部偏南地區也有所增加，但幅度較小。潛江市東北地區靠近長江，水陸交通便利，又接江漢油田，第二產業發達，城市化速度快，城市范圍不斷擴大，由于城市擴張占用大量耕地和湖泊水體，導致耕地和水體面積大量減少。

2.2 耕地面積變化分析

耕地是潛江市的主要土地利用類型，占潛江市總國土面積（2 004 km2）的83%，因此耕地的增減變化對于當地社會經濟以及生態發展有重要意義。總體上來看，2000—2010年，潛江市耕地面積變化基本保持穩定，2000年耕地總面積為1 690 km2，2010年為1 648 km2，總減少面積為42 km2，占總耕地面積的2.5%，減少幅度不大，但潛江市耕地空間變化明顯，各鄉鎮耕地增減變化明顯，總體呈南增北減的趨勢。

2000—2010年，耕地面積增加集中在潛江市中部偏西南地區，主要以占用水域為主，西南地區國營農場集中，湖泊水域較多且破碎（圖4），無秩序圍湖造田、拓荒開墾等行為大量占用水域，導致水體面積減少。大面積的耕地減少多在潛江市東北地區，2005年潛江市原澤口經濟開發區由國家發改委批為潛江經濟開發區，列為湖北省重點省級開發區，經濟發展速度加快，對竹根灘、王場和周磯等鎮有帶動作用，引領經濟發展，城市化進程加快。此外，潛江市中部、西南部和西部的部分地區耕地減少。耕地面積增加的地區集中在中部偏西南地區，而耕地面積減少則零散分布在潛江市大部分地區。

2.3 耕地與其他地類的轉換

土地利用轉移矩陣是根據同一地區不同時相的土地覆蓋現狀的轉化關系求得的一個二維矩陣。通過對該矩陣進行分析，可以得到兩個時相不同的地類之間相互轉化關系，這表示不同的土地利用類型在一個時間段發生的土地轉入與轉出以及變化[19]。

按照GlobeLand 30數據的地類劃分標準，潛江市的土地類型包括耕地、林地、草地、濕地、水體和人造地表等6種地類。潛江市土地利用轉移矩陣如表1所示。潛江市耕地轉為人造地表的面積較大，為103.63 km2，占潛江市總國土面積的5.17%。2000—2010年是中國經濟快速發展的10年，也是潛江市城鎮化速度最快的10年，由于城市擴張，需要滿足城市化進程中城市住宅、公園、工廠、公共設施和商業等用地的擴張。潛江市的東北部如潛江經濟開發區、園林、竹根灘、王場和廣華等地，城市的快速發展加劇了耕地向人造地表的轉換速度。

潛江市水體轉為耕地與耕地轉為水體面積分別為76.70、21.15 km2，分別占潛江市國土面積的3.83%和1.06%。潛江市的水產業和漁業發展迅速，潛江市有“中國小龍蝦之鄉”的稱號，在湖泊水體豐富的地區大力發展連片的蝦稻田，在種植水稻的同時又養殖小龍蝦，在符合綠色發展理念的同時又增加了商品的附加值，也加劇了水體和耕地之間的轉化。

3 耕地景觀破碎化程度變化分析

潛江市河渠縱橫交錯，湖泊星羅棋布，其耕地面積的變化必然導致其耕地內部景觀格局的變化。由圖5可以看出，2000—2010年，潛江市整體破碎度指數增加占主導地位，63%的鄉鎮破碎度指數增加。位于潛江市北部地區的王場鎮與潛江經濟開發區至2010年破碎度指數分別為4.17與4.45，增長幅度較大，分別為159.95%和166.59%，如表2所示。潛江經濟開發區和王場鎮連帶周邊園林、竹根灘和廣華等鄉鎮快速城市化，這3個鄉鎮2010年破碎度指數分別為3.17、4.25與3.73，增長幅度分別為50.98%、40.58%、24.58%，城鎮用地無序擴張，首先占用城區周邊耕地，使較完整的耕地愈加破碎。積玉口、老新、楊市、漁陽與總口破碎度指數增加幅度較小，增幅分別為0.80%、8.51%、5.81%、0.33%、8.21%。位于潛江市西南地區的后湖、龍灣、浩口、張金以及西大垸等鄉鎮破碎度指數呈減少趨勢，前身均是國營農場后湖和龍灣鎮SPLIT減少幅度劇烈，分別為48.37%和26.30%。在潛江市城市化發展迅速占用耕地的同時，前身為國營農場的后湖和龍灣等鄉鎮的耕地破碎度減小，耕地更加集約化，提高糧食產量，從而保持總體糧食產量，確保潛江市的糧食安全問題。

4 潛江市耕地斑塊面積與破碎度指數耦合分析

2000—2010年，潛江市耕地破碎度指數增加的鄉鎮占主導地位，占潛江市總鄉鎮的63%，27%的鄉鎮保持穩定，10%的鄉鎮呈減少趨勢，如圖6a所示。破碎度指數整體分布與耕地面積變化的分布恰好相反，王場鎮與潛江經濟開發區增加幅度最大，因城市發展用地增加較多，占用耕地面積增加，因此農業發展越來越精細化，耕地破碎度增大。破碎度指數減少的鄉鎮呈帶狀分布于中部偏南地區，后湖、龍灣和西大垸農業發展地區，耕地發展更加集約化。

2000—2010年，潛江市各鄉鎮耕地斑塊面積減少占主導地位，70%的鄉鎮耕地面積減少，17%的鄉鎮保持穩定，13%的鄉鎮耕地面積增加，如圖6b所示。其中，耕地斑塊面積減少幅度較大的鄉鎮有潛江經濟開發區、王場、園林和竹根灘，減少幅度分別為22.19%、14.27%、10.94%、10.32%，主要分布在東北地區;耕地斑塊面積減少幅度較小的鄉鎮有高石碑、廣華、熊口、總口、老新、運糧湖、周磯和楊市，減少幅度分別為5.82%、5.40%、4.88%、4.17%、3.83%、3.14%、2.79%、3.06%，由西北向東南方向呈帶狀分布;位于潛江市西部的積玉口、浩口、張金以及東南角的漁洋鎮耕地斑塊面積基本保持穩定;而前身均為國營農場并作為江漢平原重要的優質糧大鎮、優質棉重鎮、水產品強鎮的龍灣、后湖和西大垸耕地斑塊面積表現為大幅增加，由腹地向南呈條狀分布在湖泊較集中的地區。

如圖7所示，2000—2010年，潛江市耕地變化整體表現為耕地斑塊面積減少伴隨破碎度增加的模式。該模式主要分布在潛江市北部的廣華、高石碑、王場等鎮以及東部的竹根灘、潛江經濟開發區、園林、楊市、總口、熊口、老新等鄉鎮。耕地斑塊面積增加伴隨破碎度減少模式與耕地斑塊面積穩定和破碎度穩定模式主要發生在潛江市西南地區，該地區湖泊眾多，多是國營農場。大力集中發展現代化農業需要的是機械化的生產和連片集中的種植，龍灣、后湖和西大垸等鎮具有得天獨厚的發展農業的區位優勢，位于江漢平原中部，地處湖北省農業的核心地區，交通條件便利，優越的區位條件給了這些鄉鎮集約發展農業的良好環境。

5 小結與討論

基于2000年和2010年兩期GlobeLand 30土地覆蓋數據，計算潛江市各鄉鎮的耕地斑塊面積與破碎度指數，建立耕地面積和破碎度耦合的9種耕地變化模式，分析各鄉鎮耕地面積、耕地破碎度變化以及兩者聯動關系形成的耕地變化特征，得到如下結論。

1）潛江市耕地面積總量基本保持穩定，主要受耕地保護政策等影響。耕地面積變化更多是發生在潛江市的內部，大量耕地轉換為人造地表，大部分水體、草地轉為耕地來補償損失的耕地。面對糧食安全問題，潛江市政府發布的《潛江市土地利用總體規劃（2006—2020年）》要求其他地類按比例補償同等數量和同等質量的耕地。因此，潛江市土地形成人造地表占用耕地、耕地又占用其他地類來補充損失耕地的循環模式，使得潛江市土地利用結構更加復雜化。

2）潛江市耕地變化模式主要表現為耕地面積減少伴隨耕地破碎度增加。2000—2010年潛江市耕地破碎化加劇，這與當地的蝦稻共作模式的新興并快速發展以及城市化進程加快有著密不可分的關系。近年來，潛江市各鄉鎮出現大規模稻田挖溝蝦稻連作田，建立了以積玉口、龍灣、浩口、熊口、漁洋等鎮為重點的蝦稻連作養殖基地。蝦稻田面積的增加使得潛江市的耕地面積增加，卻也加劇了耕地的破碎化程度。

3）實施耕地保護政策的同時更應該注重耕地景觀格局變化特征。潛江市東北部的潛江經濟開發區、園林等城鎮城市化速度較快。客觀上來說，城市建設與保護耕地間存在一定的矛盾，城市的擴大必然要占用城區周邊土地，城市占用耕地又會導致糧食短缺的問題，但是城市的發展也不能停滯不前。因此，建議潛江市應該調整好城市發展與耕地保護之間的平衡關系，在策劃耕地保護策略的同時考慮耕地時空變化與耕地內部景觀格局的變化，進而保障土地利用結構能夠保持相對平衡。

參考文獻：

[1] 劉紀遠，匡文慧，張增祥，等. 20世紀80年代末以來中國土地利用變化的基本特征與空間格局[J]. 地理學報，2014，69（1）：3-14.

[2] 劉 洛，徐新良，劉紀遠，等. 1990—2010年中國耕地變化對糧食生產潛力的影響[J]. 地理學報，2014，69（12）：1767-1778.

[3] 劉 濤，史秋潔，王 雨，等. 中國城鄉建設占用耕地的時空格局及形成機制[J]. 地理研究，2018，37（8）：1609-1623.

[4] SU M，GUO R Z，HONG W Y. Institutional transition and implementation path for cultivated land protection in highly urbanized regions： A case study of Shenzhen， China[J]. Land use policy，2019，81：493-501.

[5] DADASHPOOR H，AZIZI P，MOGHADASI M. Land use change， urbanization， and change in landscape pattern in a metropolitan area[J]. Science of the total environment，2019，655：707-719.

[6] DENG X Z，GIBSON J. Improving eco-efficiency for the sustainable agricultural production：A case study in Shandong， China[J]. Technological forecasting & social change，2019，144：394-400.

[7] CHAO Z H，ZHANG P D，WANG X F. Impacts of urbanization on the net primary productivity and cultivated land change in Shandong province， China[J]. Journal of the Indian society of remote sensing，2018，46：809-819.

[8] GONG J Z，JIANG C，CEHN W L，et al. Spatiotemporal dynamics in the cultivated and built-up land of Guangzhou：Insights from zoning[J]. Habitat International，2018，82：104-112.

[9] 李鵬山，呂雅慧，張 超，等. 基于核密度估計的京津冀地區耕地破碎化分析[J]. 農業機械學報，2016，47（5）：281-287.

[10] 陳 迪，吳文斌，周清波，等. 亞洲耕地利用格局十年變化特征研究[J]. 中國農業科學，2018，51（6）：1106-1120.

[11] 李 卓，劉淑亮，孫然好，等. 黃淮海地區耕地復種指數的時空格局演變[J]. 生態學報，2018，38（12）：4454-4460.

[12] 蔣 敏，李秀彬，辛良杰，等. 南方水稻復種指數變化對國家糧食產能的影響及其政策啟示[J]. 地理學報，2019，74（1）：32-43.

[13] 傅澤強，蔡運龍，楊友孝，等. 中國糧食安全與耕地資源變化的相關分析[J]. 自然資源學報，2001，16（4）：313-319.

[14] 許倍慎，周 勇，徐 理，等. 湖北省潛江市生態系統服務功能價值空間特征[J]. 生態學報，2011，31（24）：7379-7387.

[15] 陳 坤，曾 君，黃國海，等. 潛江市發展小龍蝦產業的探索與啟示[J]. 湖北農業科學，2016，55（11）：2955-2959.

[16] 陳 軍，陳 晉，宮 鵬，等. 全球地表覆蓋高分辨率遙感制圖[J]. 地理信息世界，2011，9（2）：12-14.

[17] YU Q Y，HU Q，VAN VLIET J，et al. GlobeLand 30 shows little cropland area loss but greater fragmentation in China[J]. International journal of applied earth observation and geoinformation，2018，66：37-45.

[18] 陳 軍，陳 晉. GlobeLand 30遙感制圖創新與大數據分析[J]. 中國科學：地球科學，2018，48（10）：1391-1392.

[19] 張建國，李晶晶，殷寶庫，等. 基于轉移矩陣的準格爾旗土地利用變化分析[J]. 水土保持通報，2018，38（1）：131-134.