基于GIS的耕地空間分布及利用狀況研究

劉宇杰 武紅旗 李潤

(新疆農業大學，新疆 烏魯木齊 830052)

耕地資源是一個國家建設和發展的根本資源，關系到人類的生存和社會的發展。我國人口基數大，人均耕地面積比較小，保護好耕地是我國面臨的一個重要問題[1-3]，這對我國的糧食與生產有著重要的意義。2016年國家統計局數據顯示，中國人口達到了14.55億，我國耕地面積總和為1.35億hm2，人均耕地面積只有0.0927hm2，為世界人均耕地面積的1/4，這項指標在世界平均耕地占有量上排名靠后[4,5]。

目前，國內外專家對耕地問題已經進行了大量的研究和實踐，取得了一系列重大的成果。本文主要根據和田地區和田市1977年、2000年和2018年遙感影像和土地利用現狀中的耕地數據，使用GIS工具，通過對鄉鎮街道尺度的地區進行研究，使用耕地集中指數、耕地轉移矩陣等方法，進一步豐富了和田市耕地資源在鄉鎮街道尺度的空間分布情況及其動態變化特征方面的研究，以期為和田市的耕地資源在鄉鎮街道尺度的保護和優化利用提供更多的參考與借鑒[6]。

1 研究區概況

和田市位于新疆最南端，位于塔克拉瑪干大沙漠和喀喇昆侖山之間，地理坐標位于E79°50′10″～79°56′30″，N36°59′40″～37°14′20″，東西寬約為30km，南北長約60km，總面積463.57km2[7]，如圖1所示。和田市地處塔里木盆地西南部、玉龍喀什河畔的兩岸。和田市南倚昆侖，北臨瀚海，位于昆侖山與塔克拉瑪干大沙漠之間，是新疆維吾爾自治區最南端的城市，距自治區首府烏魯木齊1785km[8]，是一個多民族聚居的地區[9]。

圖1 研究區位置圖

2 研究方法

2.1 耕地指數法

耕地指數為一個地區的耕地面積與該地區面積的比值。通過研究耕地指數的大小可以了解一個地區的耕地分布稀疏程度。本文將耕地指數稀疏程度分為3個等級，耕地指數稀疏區、耕地指數一般區和耕地指數密集區。為了較為詳細地了解和田市耕地分布情況，首先考察各個鄉鎮的耕地分布密集程度。耕地指數的計算公式[10，11]：

(1)

式中，Ri為第i個鄉鎮的耕地指數；Ki為第i個鄉鎮的耕地面積；Si為第i個鄉鎮的行政區劃面積。

在對1977年、2000年和2018年和田市各鄉鎮耕地指數進行統計分析的基礎上，將和田市耕地分布格局劃分為[0.00,0.30]，稀疏區；(0.30,0.60]，一般區；(0.60,1]，密集區。

2.2 土地利用變化轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是馬爾可夫模型在土地利用方面的應用[12-14]。馬爾科夫模型不僅可以定量地體現不同土地類型之間的轉化情況，還能解釋不同土地類型的轉化速度。引入土地利用變化轉移矩陣公式(式2)來分析所研究區域土地利用類型之間的相互轉換與各種土地利用類型的轉入面積與轉出面積[16-18]，進一步分析耕地與其它土地類型相互轉換的空間特征和數量特征，分析耕地的變化過程和耕地的變化趨勢。

(2)

式中，S為土地面積；n為土地利用的類型數；i，j分別為研究期初與末的土地利用類型序號。

3 結果與分析

3.1 耕地空間分布格局分析

圖2 1977—2018年和田市耕地分布圖

對比分析1977年、2000年和2018年3個時期的耕地分布圖可以看出，耕地分布較多的鄉鎮街道為吐沙拉鄉、拉斯奎鎮、吉亞鄉、肖爾巴格鄉、玉龍喀什鎮和伊里其鄉，耕地分布較少的鄉鎮街道包括古江巴格鄉、納爾巴格街道、古江巴格街道、北京工業園區、古勒巴格街道和奴爾巴格街道，這種格局并未發生改變，但是1977年耕地分布較少的這些鄉鎮的耕地比例占和田市耕地總面積的10.38%，2000年是6.52%，到2018年這一比例僅為2.62%。這些地區包括和田市4個街道行政單位，1個工業園區和緊鄰于城區位于城區南部的古江巴格鄉。由于城鎮化建設的推進，這些地區的耕地面積一直處于減少狀態。

3.2 土地利用轉移矩陣分析

3.2.1 1977—2000年和田市土地利用轉移矩陣

從表1、表2可知，1977—2000年23a間，由耕地向水體轉化的面積為6.37km2，轉換比例為1977年耕地面積的2.51%；由耕地轉變為荒漠的面積為0.17km2，占1977年耕地比例的0.07%；由耕地轉變為建設用地的面積為74.34km2，占1977年耕地比例的29.29%；另外有172.94km2的耕地面積保留了下來，占1977年耕地總面積的68.13%。1977年水體總面積為26.45km2，其中，0.39km2轉變為耕地，占1977年水體比例的1.47%；0.79km2轉變為荒漠，占1977年水體比例的2.99%；6.06km2轉變為建設用地，占1977年耕地比例的22.91%；另外有19.21km2的水體面積未發生改變，占1977年水體面積的72.63%。1977年荒漠總面積為76.51km2，其中，0.45km2轉變為耕地，占1977年荒漠總面積的0.59%；2.38km2轉變為水體，占1977年荒漠總面積的3.11%；18.31km2轉變為建設用地，占1977年荒漠總面積的23.93%；另外有55.37km2的荒漠面積未發生變化，占1977年荒漠總面積的72.37%。1977年建設用地為106.72km2，其中，19.79km2轉變為耕地用地，占1977年建設用地的18.54%；2.04km2轉變為水體，占1977年建設用地總面積的1.91%；22.59km2轉變為荒漠，占1977年建設用地總面積的21.17%；62.30km2的建設用地面積未發生改變，占1977年建設用地總面積的58.38%。

表1 1977—2000年和田市土地利用轉移矩陣

表2 1977—2000年和田市土地利用變化比率

在這4種土地類型的變化過程中，可以看出，水體和荒漠的改變比例較小，2000年水體面積相比于1977年增加了13.42%；耕地和建設用地的變化比例較大，其中2000年耕地面積相比于1977年下降了23.74%，1977年建設用地面積相比于2000年增加了50.87%。

3.2.2 2000—2018年和田市土地利用轉移矩陣

從表3、表4可知，2000—2018年18a間，由耕地向水體轉化的面積為0.08km2，轉換比例為2000年耕地總面積的0.04%；幾乎未發生耕地轉變為荒漠，由耕地轉變為建設用地的面積為56.04km2，占2000年耕地總面積的28.95%；另外有137.45km2的耕地面積保留了下來，占2000年耕地總面積的71.01%。2000年水體總面積為30.00km2，其中，0.92km2轉變為耕地，占2000年水體總面積的3.07%；0.14km2轉變為荒漠，占2000年水體總面積的0.47%；18.76km2轉變為建設用地，占2000年水體總面積的62.53%；另外有10.18km2的水體面積未發生改變，占2000年水體總面積的33.93%。2000年荒漠總面積為78.93km2，其中，2.96km2轉變為耕地，占2000年荒漠總面積的3.75%；0.53km2轉變為水體，占2000年荒漠總面積的0.67%；51.5km2轉變為建設用地，占2000年荒漠總面積的65.25%；另外還有23.94km2的荒漠面積未發生變化，占2000年荒漠總面積的30.33%。2000年建設用地為161.07km2，其中，35.21km2轉變為耕地用地，占2000年建設用地的21.86%；4.35km2變為水體，占2000年建設用地總面積的2.70%；0.53km2轉變為荒漠，占2000年建設用地總面積的0.33%；另外有120.98km2的建設用地面積未發生改變，占2000年建設用地總面積的75.11%。

表3 2000—2018年和田市土地利用轉移矩陣

表4 2000—2018年和田市土地利用變化比率

從這4種土地類型的變化過程中可以看出，2000—2018年耕地面積繼續呈現出減少的趨勢，而建設用地的面積卻大大增加，從2000年的161.07km2增加到2018年的247.28km2，增加的比例為53.52%。

3.3 耕地指數分析

由圖3可以看出，1977年耕地指數為稀疏區的地區有北京工業園區和吉亞鄉，耕地指數分別為0.23和0.30；1977年耕地指數為一般區的地區有吐沙拉鄉和古江巴格鄉，耕地指數分別為0.55和0.57；耕地指數為密集區的鄉鎮有玉龍喀什鎮、伊里其鄉、拉斯奎鎮、古勒巴格街道、古江巴格街道、奴爾巴格街道、肖爾巴格鄉和納爾巴格街道，耕地指數分別為0.65、0.7、0.8、0.84、0.85、0.87、0.88和0.93。耕地分布密集區集中于和田市中部地區，耕地分布一般區集中于和田市南部區域，耕地指數稀疏區主要集中于和田市北部。

圖3 1977年和田市耕地指數圖

由圖4可以看出，2000年耕地指數為稀疏區的鄉鎮有奴爾巴格街道、北京工業園區、古勒巴格街道和吉亞鄉，耕地指數分別為0.02、0.05、0.07和0.19；耕地指數為一般區的鄉鎮有納爾巴格街道、古江巴格街道、古江巴格鄉、吐沙拉鄉、伊里其鄉、玉龍喀什鎮和拉斯奎鎮，耕地指數分別為0.4、0.47、0.51、0.51、0.52、0.55和0.6；耕地指數為密集區的鄉鎮僅有肖爾巴格鄉，耕地指數為0.79。總體來看，和田市中南部地區除肖爾巴格鄉為耕地指數密集區，奴爾巴格街道和古勒巴格街道為耕地指數稀疏區之外，其余各鄉鎮為耕地指數一般區，和田市北部地區則全部為耕地指數稀疏區[19,20]。

圖4 2000年和田市耕地指數圖

由圖5可以看出，2018年耕地指數為稀疏區的地區有北京工業園區、奴爾巴格街道、古江巴格街道、古勒巴格街道、納爾巴格街道、吉亞鄉和古江巴格鄉，這些地區的耕地指數分別為0.03、0.05、0.08、0.08、0.08、0.25和0.26；耕地指數為一般區的區域有玉龍喀什鎮、伊里其鄉、吐沙拉鄉、肖爾巴格鄉和拉斯奎鎮，耕地指數分別為0.41、0.41、0.50、0.55和0.57，沒有耕地指數為密集區的地區。總體來看，和田市城市中心和和田市北部地區多耕地指數稀疏區，其余地區為耕地指數一般區。

圖5 2018年和田市耕地指數圖

結合圖3～5來看，1977年耕地指數稀疏地區有2個，一般區2個，密集區8個；2000年耕地指數稀疏地區有4個，一般區7個，密集區1個；2018年和田市耕地指數稀疏地區有7個，一般區5個，密集區0個。總體來看，從1977年到2000年再到2018年，耕地面積有下降的趨勢，且耕地面積下降最多的區域多集中于和田市市中心。

4 結論與討論

本研究以和田市為例，基于1977年、2000年、2018年Landsat系列遙感影像進行分析，通過以上分析，得到如下結論。

1977—2000年、2000—2018年，和田市耕地面積一直是下降的趨勢，1977—2000年耕地面積下降比例23.74%，由耕地轉變為建設用地的比例為29.29%；2000—2018年耕地面積下降比例為8.80%，由耕地轉變為建設用地的比例為28.95%。

總體來看，1977年和田市耕地在中部成聚集分布，在北部和南部呈現出離散分布，到2000年，隨著城市的建設，和田市中心街道的耕地急劇減少，再到2018年，城市的建設速度進一步加快，城鎮的面積進一步擴大，耕地面積呈現出進一步減少的趨勢。

耕地指數可以反映一個地區的耕地密集程度，和田市的耕地多集中于和田市中部地區，分布于玉龍喀什河兩邊，在北端和南端的耕地覆蓋度都較低，隨著城市化的建設加快，和田市不同的地區耕地指數均有不同程度的減小的狀況，其中以和田市中心的耕地指數減小最為嚴重。