2011-2019年江蘇省水稻主產(chǎn)區(qū)規(guī)模連片水稻時空動態(tài)分析

孫玲 邱琳 單捷 王晶晶

摘要：?選擇農(nóng)田防護(hù)林作為界定田塊是否連片的標(biāo)準(zhǔn)，分析了水稻規(guī)模連片種植的時空格局及變化特征。結(jié)果表明，①2011-2019年， 研究區(qū)內(nèi)0.67×103 hm2以上規(guī)模連片水稻種植面積逐年減少。其中， 6.67×103 hm2以上連片水稻種植面積平均減少7.38%， 3.34×103～6.67×103 hm2連片水稻種植面積平均減少2.40%，0.67×103～3.33×103 hm2連片水稻種植面積平均減少0.76%。②位于洪澤縣，東海縣、灌云縣、連云港城區(qū)交界處，東海縣的大于6.67×103 hm2連片水稻種植面積持續(xù)保持穩(wěn)定;位于淮安市楚州區(qū)，濱海縣、射陽縣、阜寧縣交界處，鹽城市鹽都區(qū)的大于6.67×103 hm2水稻連片區(qū)從大到小或從有到無，變化幅度較大。③隨著水稻規(guī)模連片區(qū)的縮小，連片區(qū)內(nèi)水稻種植逐步單一化、水稻田塊空間分布緊密度提高。本研究提出的用田塊間間距來界定田塊是否連片的方法，能夠有效解決區(qū)域性農(nóng)作物規(guī)模連片種植的量化問題。

關(guān)鍵詞：?遙感;水稻;規(guī)模連片種植;空間分布;動態(tài)變化

中圖分類號：?S127??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A??文章編號：?1000-4440（2021）02-0355-07

Abstract：?The farmland shelterbelts were chosen as the criterion for determining whether the fields were contiguous or not to analyze the spatiotemporal pattern and variation characteristics of rice planted on a large scale contiguously.?The results showed that， firstly， from 2011 to 2019， the area of the contiguously planted rice with a scale above 0.67×103 hm2 in the study area decreased year by year.?Among them， the area of the contiguously planted rice with a scale above 6.67×103 hm2 decreased by 7.38% in average and the area of the contiguously planted rice with a scale between 3.34×103 hm2 and 6.67×103 hm2 decreased by 2.40% in average， while the area of the contiguously planted rice with a scale between 0.67×103 hm2 and 3.33×103 hm2 decreased by 0.76% in average.?Secondly， the area of the contiguously planted rice with a scale above 6.67×103 hm2 in Hongze County， the junction of Donghai County， Guanyun County and Lianyungang urban areas as well as Donghai County continued to remain stable.?Area of the contiguously planted rice with a scale above 6.67×103 hm2 in the junction of Chuzhou District of Huaian City， Binhai County， Sheyang County and Funing County as well as Yandu District of Yancheng City varied greatly from large to small or from presence to absence.?Thirdly， as the scale of rice contiguous planting areas shrinked， rice planted in the contiguous areas became monolithic gradually and the spatial distribution compactness of paddy fields increased.?The method proposed in this research of using the spacing between fields to define whether the fields are contiguous or not can effectively solve the quantitative problem in regional contiguous planting of crops on a large scale.

Key words：?remote sensing;rice;contiguous planting on a large scale;spatial distribution;dynamic change

在成片集中的土地上形成規(guī)模化連片的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物規(guī)模化生產(chǎn)的必備條件[1]。遙感技術(shù)憑借其精準(zhǔn)、及時、宏觀等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)現(xiàn)、監(jiān)測農(nóng)作物空間分布方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。國內(nèi)外學(xué)者利用多源遙感衛(wèi)星影像針對不同的影像分辨率開展了農(nóng)作物種植空間分布的研究[2-4]以及區(qū)域性農(nóng)作物種植空間分布的動態(tài)變化研究。曹丹等[5]利用2000-2015年的中分辨率成像光譜儀（MODIS）數(shù)據(jù)，分析了近15年東北三省水稻種植面積的年際變化、波動趨勢及空間變化特征;王學(xué)等[6]基于MODIS EVI時間序列數(shù)據(jù)和兩景TM影像，重建了華北平原2001-2011年冬小麥播種面積時空變化過程;王紅營等[7]基于2000-2013年的MODIS NDVI數(shù)據(jù)和TM/ETM遙感數(shù)據(jù)分析了華北平原主要作物近年來的時空變化特征。同時，諸多學(xué)者將耕地的規(guī)模化利用轉(zhuǎn)為耕地的破碎化研究[8]。湯慶新等[9]利用1986年和2000年的9-10月TM遙感圖像，運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的數(shù)量分析方法，得出嘉陵江中下游地區(qū)耕地的離散度加大、斑塊形狀更加不規(guī)則、復(fù)雜性增大的結(jié)果;胡金龍等[10]基于1973-2013年Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，借助3S和景觀格局指數(shù)得出漓江流域農(nóng)田不斷減少、破碎化加劇、趨向分散經(jīng)營的景觀格局演化特征;臺曉麗等[11]基于GF-1遙感影像數(shù)據(jù)，以景觀格局為視角，用主成分分析方法，分析了巢湖流域14個縣（區(qū)）的耕地細(xì)碎化程度。站在經(jīng)營者角度開展規(guī)模化種植研究的學(xué)者則把關(guān)注的重點(diǎn)放在如何提高經(jīng)營者的生產(chǎn)效率上。王桂民[12]分析了2010-2014年水稻產(chǎn)區(qū)耕地經(jīng)營規(guī)模小于0.67 hm2、0.67～2.00 hm2、2.01～3.33 hm2、3.34～6.67 hm2和6.68～13.33 hm2農(nóng)戶數(shù)的動態(tài)變化;譚淑豪等[13]基于1 300余戶農(nóng)戶數(shù)據(jù)，認(rèn)為土地細(xì)碎化是目前進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和減輕農(nóng)村貧困的主要瓶頸之一;蔣和平[14]從經(jīng)營主體角度闡明農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑。綜上所述，目前討論規(guī)模連片種植空間分布的研究尚不多見，且現(xiàn)有關(guān)于農(nóng)作物空間分布的文獻(xiàn)均沒有涉及農(nóng)作物規(guī)模連片的量化問題。

農(nóng)作物規(guī)模連片集中栽培，生產(chǎn)要素集聚，便于發(fā)揮農(nóng)機(jī)化的作用，降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率[15]，更重要的是能夠帶動產(chǎn)前、產(chǎn)后和產(chǎn)中其他重要環(huán)節(jié)的規(guī)模化經(jīng)營。針對農(nóng)作物規(guī)模連片種植的精準(zhǔn)量化需求，本研究用田塊間間距界定田塊是否連片的方法，借助遙感技術(shù)首次開展江蘇省水稻主產(chǎn)區(qū)2011-2019年水稻規(guī)模連片種植的時空格局以及變化特征研究，以期為評價江蘇省水稻的規(guī)模化生產(chǎn)以及穩(wěn)步提升江蘇省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平提供技術(shù)支撐。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)概況

水稻是江蘇省兩大主要糧食作物之一[16-19]。2015 年江蘇省水稻播種面積占全省糧食作物播種面積 42.24%，占中國水稻播種面積 7.58%，位列中國第4。研究區(qū)為江蘇省內(nèi)的50個1∶50 000比例尺標(biāo)準(zhǔn)地形圖圖幅單元（圖1），區(qū)域內(nèi)面積為21 383.6 km2，位于江蘇省徐淮農(nóng)區(qū)、里下河農(nóng)區(qū)和沿海農(nóng)區(qū)，蘇北灌溉總渠從西南向東北方向橫穿研究區(qū)。區(qū)內(nèi)包括部分連云港市（市區(qū)、東海縣、灌云縣和灌南縣）、鹽城市（響水縣、濱海縣、阜寧縣、建湖縣、射陽縣和鹽都區(qū)）、淮安市（漣水縣、淮陰區(qū)、楚州區(qū)、洪澤縣、金湖縣和市區(qū)）、宿遷市（沭陽縣、泗陽縣和宿豫區(qū)）和揚(yáng)州市（寶應(yīng)縣和高郵市）。水稻是研究區(qū)內(nèi)最主要的秋糧作物，2012年區(qū)內(nèi)耕地面積為1 197.5 km2，水稻種植面積占比70.7%。區(qū)內(nèi)常年水稻種植面積占全省水稻種植面積的37%左右。

1.2?數(shù)據(jù)獲取

本研究2011-2019年的水稻地塊空間分布信息來源于江蘇省2012年RapidEye 5 m分辨率影像的耕地遙感數(shù)據(jù)庫[20]。購買或下載2011（Landset-TM）、2012（Rapideye、Hj1b-ccd2、Spot4）、2013（Landset-8 OLI、Spot5）、2014（Landset-8 OLI、Spot5）、2015（Landset-8 OLI、GF-1）、2016（GF-1）、2017（Landset-8 OLI、GF-1）、2018（Landset-8 OLI、GF-1、Sentinel2）、2019（Landset-8 OLI、Sentinel2、GF-1）年水稻生長期內(nèi)適宜的多源衛(wèi)星影像，以當(dāng)年衛(wèi)星影像為底圖，分別從耕地?cái)?shù)據(jù)庫中提取水稻地塊，生成當(dāng)年的水稻空間分布圖[21]。

1.3?水稻連片種植的定義

相隔距離小于等于d的多個分離的田塊聚集的地域空間稱為片。距離d可以是田埂、機(jī)耕路、排水渠、塹溝、農(nóng)田防護(hù)林或道路等的寬度。

1.4?規(guī)模連片片區(qū)和片區(qū)內(nèi)水稻地塊提取

利用地理信息系統(tǒng)軟件，提取規(guī)模連片種植水稻面積（A）的步驟如下：①建立研究區(qū)內(nèi)水稻地塊空間分布圖層1;②建立片區(qū)圖層：對水稻地塊空間分布圖層1中分離的水稻地塊建立距離d且融合的片區(qū)，生成具有多個獨(dú)立的、大小不一的片區(qū)圖層2;③生成規(guī)模化過渡片區(qū)圖層：選擇片區(qū)圖層2中面積大于A的片區(qū)，形成新的片區(qū)圖層3，在新的片區(qū)圖層3中增加新的屬性字段，對其中的各片區(qū)逐一編號;④提取連片水稻面積：對水稻地塊空間分布圖層1和新的片區(qū)圖層3進(jìn)行交集操作，生成圖層4，即圖層4中僅包含了規(guī)模化過渡片區(qū)內(nèi)的水稻地塊;⑤生成規(guī)模連片水稻圖層：統(tǒng)計(jì)圖層4中每個片區(qū)內(nèi)的水稻面積，刪除水稻面積小于A的片區(qū)和片區(qū)內(nèi)的水稻地塊，形成規(guī)模連片水稻圖層5。圖層5各片區(qū)內(nèi)的水稻面積均滿足規(guī)模連片A的要求，圖層5中的片區(qū)為滿足要求的規(guī)模化片區(qū)。

1.5?規(guī)模連片水稻格局指數(shù)計(jì)算

1.5.1?地塊平均面積（A）?A反映地塊細(xì)碎化的空間特征，其值越小，地塊的細(xì)碎化程度越高。

式中N為研究區(qū)規(guī)模化片區(qū)內(nèi)累計(jì)水稻地塊數(shù)，aij為規(guī)模化片區(qū)j里水稻地塊i的面積。

1.5.2?地塊密度指數(shù)（PDI）?PDI為單位面積水稻地塊數(shù)，PDI值越大，水稻的細(xì)碎化程度越高。

式中bj為規(guī)模化連片片區(qū)j的面積。

1.5.3?水稻地塊分離度指數(shù)（LII）?LII反映地塊的聚集度，LII指數(shù)越大，水稻地塊在空間分布中越分散。

式中aij、bj和N的定義同式（1）和式（2）。

2?結(jié)果與分析

2.1?江蘇省水稻主產(chǎn)區(qū)規(guī)模連片種植分布

中國農(nóng)田防護(hù)林的標(biāo)準(zhǔn)寬度為50 m，高速公路的一般寬度為40 m。本研究將農(nóng)田防護(hù)林的寬度作為水稻種植的連片標(biāo)準(zhǔn)，分析研究區(qū)內(nèi)在0.67×103 hm2以上規(guī)模水稻連片種植的空間分布以及動態(tài)變化。

2.1.1?規(guī)模化連片片區(qū)空間分布?按照方法1.4中的操作步驟，分別對研究區(qū)2011-2019年水稻空間分布信息進(jìn)行運(yùn)算，得到2011-2019年規(guī)模連片水稻種植區(qū)空間分布信息（圖2）。連片區(qū)共分3個等級：等級1，連片水稻面積在6.67 ×103 hm2以上;等級2，連片水稻面積大于等于3.34×103 hm2且小于等于6.67×103 hm2;等級3，連片水稻面積大于等于0.67×103 hm2且小于等于3.33×103 hm2。由圖2可見，研究區(qū)規(guī)模連片水稻種植的分布具有很強(qiáng)的區(qū)域性，以蘇北灌溉總渠為界，南邊多于北邊。南邊是楚州-洪澤連片區(qū)和濱海-射陽-阜寧-建湖-鹽都連片區(qū)，北邊是東海-灌云-灌南-漣水連片區(qū)以及宿豫-沭陽連片區(qū)。

2.1.2?規(guī)模連片水稻種植面積動態(tài)變化?統(tǒng)計(jì)圖2中的水稻種植面積，得到2011-2019年研究區(qū)規(guī)模連片水稻種植面積變化曲線圖（圖3）。由圖2、圖3可見， 2011年規(guī)模連片水稻種植面積最大，為4.887×105 hm2，隨后以斜率為-1.17的趨勢下滑，至2019年為3.889×105 hm2，歷年變化幅度依次為-2.15%、-0.03%、-4.89%、3.00%、-5.75%、-3.06%、-3.10%和-6.21%。同時，規(guī)模連片水稻種植面積占當(dāng)年研究區(qū)水稻種植面積的比例由2011年的57.85%逐步降至2019年的50.02%。水稻種植總面積遞減[17]以及各地轉(zhuǎn)變種植模式和發(fā)展非農(nóng)產(chǎn)業(yè)是研究區(qū)規(guī)模連片水稻種植面積遞減的根本原因。

2.1.3?規(guī)模連片水稻種植面積占比變化?分別統(tǒng)計(jì)圖2中每年等級1～3的水稻種植面積，并計(jì)算與當(dāng)年規(guī)模連片水稻種植面積的占比（表1）。2011-2017年，3個等級的連片水稻種植面積占比大小依次是等級3>等級1>等級2，由于2018和2019年規(guī)模連片水稻種植結(jié)構(gòu)的變化較大，2017年之后上述占比大小順序調(diào)整為等級3>等級2>等級1。分析表1可得，3個等級中占比變化最大的是等級1，2011年等級1連片水稻種植面積占全部連片水稻種植面積的比例為24.87%，到2019年僅占15.83%，相比2011年減少36.33%;其次是等級3，等級3連片水稻種植面積2011年占比為53.72%，到2019年增至63.27%，增加17.77%;等級2連片水稻種植面積變化最小，2011年占比為21.41%，2019年占比為20.90%，減少2.41%。

2.1.4?各等級連片水稻種植面積分布變化?由圖4可見，2011-2019年3個等級的規(guī)模連片水稻種植面積的變化分2個階段和2個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2011-2013年，隨著等級1規(guī)模連片水稻種植面積的緩慢上升以及等級2和等級3連片水稻種植面積的緩慢下降，規(guī)模連片水稻種植面積穩(wěn)定在4.8×105 hm2左右，圖2中2011-2013年各等級片區(qū)基本保持不變。2014年，等級1和等級2規(guī)模連片水稻種植面積較上年的跌幅分別超過10%和20%，而等級3的連片水稻種植面積上升幅度小于6%，規(guī)模連片水稻種植面積總體較上年下降4.89%，降到4.547×105 hm2。圖2中可見鹽城鹽都區(qū)的等級1連片水稻區(qū)域全部分解為等級3連片水稻區(qū)域，淮安市漣水縣和楚州區(qū)、鹽城市建湖縣的部分等級2連片水稻區(qū)域也分解為等級3連片水稻區(qū)域。2015-2018年，等級1連片水稻種植面積下降速度加快，等級3連片水稻種植面積也持續(xù)下降，雖然等級2連片水稻種植面積有所回升，但研究區(qū)規(guī)模連片水稻種植面積最終降到4.147×105 hm2。圖2中可見射陽縣-阜寧縣-濱海縣交界處的等級1連片區(qū)逐年不斷分解為等級2連片區(qū)，楚州區(qū)和灌云縣的等級1連片區(qū)分解為等級2和等級3連片區(qū)，研究區(qū)內(nèi)的部分等級3連片區(qū)消失（特別是建湖縣和鹽都區(qū)的部分等級3連片區(qū)）。2019年，3個等級的連片區(qū)面積都處于下降態(tài)勢，等級1～3的水稻種植面積分別較上年下降17.79%、7.11%和2.47%，規(guī)模連片水稻種植面積的跌幅為年度間最大值（-6.21%），使得規(guī)模連片水稻種植面積進(jìn)一步降至3.889×105 hm2，與2011年相比減少20.43%。

從圖4中3個等級的面積變化走勢可以看出，9年間，等級3連片水稻種植面積變化最為平緩，變化率平均值為-0.76%;等級2連片水稻種植面積的變化次之，變化率平均值為-2.40%;等級1連片水稻種植面積的變化最為劇烈，變化率平均值為-7.38%。

2.2?江蘇省規(guī)模連片水稻分布格局變化

2.2.1?等級1連片面積格局變化?對圖2中等級1連片片區(qū)內(nèi)水稻面積進(jìn)行排序，可以得到研究區(qū)每年最大連片水稻種植面積和空間分布。2011年和2012年研究區(qū)最大連片水稻片區(qū)位于淮安市楚州區(qū)，分別為2.90×104 hm2和2.77×104 hm2;2013-2015年最大連片水稻種植面積保持在3.36×104 hm2左右，位于鹽城市濱海、射陽、阜寧3縣交界處;2016-2019年最大連片水稻種植面積保持在2.01×104 hm2左右，位于淮安市洪澤縣。

分析圖2中等級1連片片區(qū)9年間的時空變化，可以看出有3個等級1連片水稻種植面積持續(xù)保持穩(wěn)定：①位于淮安市洪澤縣，常年保持在2.03×104 hm2左右，變化幅度在-4.17%至4.65%之間，平均變化幅度為-0.73%;②位于連云港市東海縣、灌云縣和城區(qū)交界處，常年保持在1.52×104 hm2左右，變化幅度徘徊于-3.86%和3.42%之間，平均變化幅度為-0.95%;③位于連云港市東海縣，常年保持在0.88×104 hm2左右，變化幅度在-7%至1%之間，平均變化幅度為-1.53%。

等級1連片片區(qū)變化幅度最大的3個片區(qū)為：①位于淮安市楚州區(qū)，2011-2015年片區(qū)內(nèi)水稻種植面積保持在2.76×104 hm2左右，2015年后隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，靠近淮安城區(qū)的連片區(qū)逐步分解，至2019年僅剩1.15×104 hm2;②位于鹽城市濱海、射陽、阜寧3縣交界處，2011和2012年等級1連片水稻種植面積保持在2.68×104 hm2，2013年上升至3.39×104 hm2，2014和2015年分別保持在3.34×104 hm2和3.36×104 hm2，2015年后快速下滑，至2018年僅剩0.87×104 hm2，2019年已不足6.67×103 hm2;③位于鹽城市鹽都區(qū)，2011-2013年等級1連片水稻種植面積保持在1×104 hm2以上，由于轉(zhuǎn)變種植模式，2014年等級1連片區(qū)快速消失。

2.2.2?連片水稻內(nèi)部格局變化?表2詳細(xì)列出了連片區(qū)水稻2011-2019年不同景觀格局指數(shù)的變化情況。通過表2中各指數(shù)的變化，可以進(jìn)一步了解連片水稻區(qū)內(nèi)部的空間變化過程。9年間，水稻的平均斑塊面積逐步增大，斑塊密度減小，表明連片區(qū)內(nèi)水稻田塊的細(xì)碎化程度逐步降低。分離度指數(shù)代表水稻地塊在空間分布的離散程度，從2011-2014年與2015-2019年的分離度指數(shù)變化來看，由于前期連片區(qū)內(nèi)存在水稻與其他作物的輪作，因此前期的分離度指數(shù)大于后期。2014年后輪作減少或不輪作，所以2015-2019年分離度指數(shù)下降并趨于穩(wěn)定。圖5為各等級片區(qū)內(nèi)水稻面積占片區(qū)面積的比例變化圖。圖5和分離度指數(shù)的變化趨勢均表明2015年后連片區(qū)內(nèi)水稻田塊空間分布趨于緊致，即插花于水稻田塊間的非水稻田塊逐步減少，片區(qū)內(nèi)水稻田塊的緊密度趨于穩(wěn)定。3個景觀格局指數(shù)的變化均表明，連片區(qū)內(nèi)水稻種植逐步單一化，純度提高。

3?結(jié)論

本研究在5 m分辨率水稻種植空間分布的基礎(chǔ)上，以農(nóng)田防護(hù)林作為界定水稻田塊是否連片的標(biāo)準(zhǔn)，分析了研究區(qū)2011-2019年0.67×103 hm2以上水稻連片種植的時空格局及變化特征，首次實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物規(guī)模連片種植的量化分析。結(jié)果表明，①研究區(qū)0.67×103 hm2以上水稻連片種植面積占當(dāng)年研究區(qū)水稻種植面積的比例由2011年的57.85%逐步降至2019年的50.02%，以斜率-1.17的速度下滑。②6.67×103 hm2以上連片水稻種植面積9年間平均變化率為-7.38%，占當(dāng)年連片水稻種植面積的比例由2011年的24.87%降至2019年 的15.83%; 3.34×103～6.67×103 hm2連片水稻種植面積9年間平均變化率為-2.40%，占比由2011年的21.41%調(diào)整為2019年的20.90%;0.67×103～3.33×103 hm2連片水稻種植面積變化較為平緩，9年間平均變化率為-0.76%。隨著3.34×103 hm2以上連片區(qū)的不斷分解，0.67×103～3.33×103 hm2連片水稻種植面積占當(dāng)年連片水稻種植面積的比例由2011年的53.72%增至2019年的63.27%。③2011-2019年，位于淮安市洪澤縣，連云港市東海縣、灌云縣、城區(qū)交界處，連云港市東海縣的6.67×103 hm2以上連片水稻種植面積持續(xù)保持穩(wěn)定，分別保持在2.03×104 hm2、1.52×104 hm2和0.88×104 hm2左右。位于淮安市楚州區(qū)，鹽城市濱海、射陽、阜寧3縣交界處和鹽城市鹽都區(qū)的6.67×103 hm2以上連片水稻種植面積變化幅度較大，片區(qū)面積從大到小或從有到無。④隨著3.34×103 hm2以上連片區(qū)的縮減，連片區(qū)內(nèi)部的水稻田塊空間分布緊密度提高，連片區(qū)內(nèi)水稻種植逐步單一化，純度提高。

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