土地整治對耕地景觀細碎化治理效果的區域差異研究

詹 妮，吳文玲，趙彎彎，吳小飛，朱辰希，黃宏勝

（江西農業大學 國土資源與環境學院，江西 南昌 330045）

糧食安全關乎國計民生，關乎經濟發展和社會穩定［1］，國家糧食安全的根本在于耕地保護［2］。隨著農業現代化的不斷深入，耕地細碎化對農業生產的制約不斷凸顯［3］。治理耕地細碎化、提高耕地利用效率，是當前耕地管理與保護研究的重點［4］，其目標在于將當前小規模、分散化生產格局轉變為適度規模經營［5-7］。

近年來，學者從耕地細碎化的時空演進［8-9］、成因機制［10-11］、影響效應［12-15］和評價指標構建［16-20］等各方面進行了一系列的探索。耕地細碎化是耕地在自然—人為雙重條件下，耕地主動或被動地分割成為多塊空間上互不相連、大小不一、零碎分散的土地結構形式［21-22］，表現為相互關聯又有所區別的耕地景觀細碎化和耕地權屬細碎化，其中景觀細碎化主要特征為耕地面積、形狀、距離、斑塊數量等多重屬性［23］。土地整治能有效改善耕地景觀細碎化，提升土地資源的利用效率［24-25］。

隨著景觀生態學理論在土地整治中的應用，谷曉坤等［26］采用景觀生態評價方法對江漢平原土地整治項目整治前、后進行了對比分析；田勁松等［27］選取3類景觀指標對土地整理項目進行了研究，認為土地整理后項目區的景觀破碎度降低。然而，若土地整理片面追求經濟效益，會使得耕地景觀破碎度升高，平均斑塊面積變小，將對耕地經營規模產生負面的影響［28］。

因此，本文聚焦于耕地景觀細碎化，選取可以表征耕地景觀細碎化的斑塊個數、邊界密度、斑塊密度、平均斑塊大小、景觀形狀指數、面積加權分維數、面積加權形狀指數、破碎化指數共8個景觀格局指標［29］，基于田塊尺度對贛西北29個項目區整治后耕地景觀細碎化的變化特征進行分析，評價土地整治對耕地景觀細碎化治理的成效及其影響因素，為今后土地整治項目的選址及實施提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

研究區選取位于贛西北的宜春市、九江市永修縣等地，總面積2.06萬km2，地形涵蓋了山地、丘陵和平原，屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫17.0 ℃，年平均降水量1600 mm，農業生產以水稻為主，兼有油菜、棉花、花生等作物。

本文選取研究區內2016—2018年實施的29個土地整治項目(表1)，以各項目的上圖入庫紅線為邊界，基于國土調查高分影像(1 m精度)、Google歷史高分影像等數據源，根據項目實施的周期，提取實施前、后的高分影像；DEM數據采用Cop-DEM的30 m分辨率版本。

表1 各項目區耕地景觀指數測算結果

1.2 研究方法

1.2.1 遙感解譯耕作田塊空間格局 對研究區29個土地整治項目的高分影像進行遙感解譯，在田塊尺度上進行矢量化，提取田塊、田坎、田間道路等信息，表征耕作田塊的空間分布狀態。然后利用ArcGIS 10.8軟件進行空間分析，使用矢量轉柵格工具將耕地圖斑矢量數據轉化為5 m×5 m的柵格圖像，以便計算田塊的景觀指數。

1.2.2 建立耕地景觀細碎化測度指標

1.2.2.1 景觀指數的選取 景觀指數為量化指標，通過測定斑塊的面積、數量、形狀等特征，能夠準確地反映研究區域的耕地空間格局，反映景觀的結構組成和土地空間配置方面的特征［24］。本文針對耕地景觀細碎化測度的需要，選取了8個景觀格局指數，構建了耕地景觀細碎化評價的指標體系［26,29］。利用Fragstats 4.2軟件計算這8個指標并建立耕地景觀細碎化指數，表征耕地景觀破碎化指數。

（1）斑塊數量(NP)：反映了景觀的空間結構，通過斑塊數量的變化情況可以直觀地反映出項目區耕地景觀細碎化的變化情況。斑塊數量越少，則耕地景觀破碎化指數越低。

（2）地塊平均面積(MPS)：反映了斑塊的平均大小，與農業機械化生產的便利程度密切相關。地塊平均面積越大，耕地景觀的破碎化指數越低，更有利于實現集約化生產，降低農業生產成本。

（3）邊界密度(ED)：反映了單位面積的邊界長度。在同一項目區，單位面積的邊界長度越長，說明耕地形狀越復雜，耕地的破碎程度越高。

（4）斑塊密度(PD)：反映了單位面積的地塊數量，是景觀破碎程度的重要指標之一。數值越大，則說明耕地景觀的破碎化指數越高。

（5）面積加權形狀指數(AWMSI)：用以衡量地塊形狀的規則性和復雜性，當該數值為1時，斑塊形狀為最簡單的方形。數值越大斑塊的形狀越復雜。

（6）面積加權分維數(AWMFD)：運用分維理論分析景觀斑塊形狀的復雜性，說明斑塊的破碎化程度。

（7）景觀形狀指數(LSI)：以與斑塊面積相同的正方形為標準，通過測算斑塊形狀與其偏離程度來反映斑塊形狀的規則性和復雜性。

（8）破碎化指數(FS)：用來量化耕地的破碎度，是耕地破碎度的直觀反映。

1.2.2.2 權重的確定 為客觀地表征耕地景觀破碎化程度，采用熵權法確定各指標的權重。熵權法是根據各項指標變異性的大小來確定指標權重的客觀評價方法，避免在賦權時因選取的指標差異性較小而產生的主觀偏差。具體計算步驟如下：

（1）評價指標標準化。由于8個指標含義不同、量綱不同，為解決各個指標之間沒有可比性的問題，對正向指標和負向指標分別進行無量綱化處理，以實現評價指標的標準化。

正向指標：

負向指標：

式（1）、式（2）中，Pij為第i個項目區第j個指標的標準化值，max(Xij)和min(Xij)分別為指標原始的最大值和最小值。

（2）計算各指標信息熵。設第j個指標信息熵為Ej，求得每個指標的信息熵：

（3）計算各指標的熵權。在各指標的信息熵確定后，再確定第j個指標的熵權wj，公式為：

按照上述步驟，分別計算得出8個景觀格局指標的權重值wj。

1.2.2.3 多因子綜合評價模型的建立 通過多因子綜合評價法對贛西北29個土地整治項目區整治前、后的耕地景觀破碎化指數進行測度，公式為：

式 （5）中：Z為耕地景觀細碎化指數，wj為第j個指標權重，Pj為第j個指標的標準化值，指標數n=8；Z值越大則表明耕地破碎化指數越高。

2 結果與分析

2.1 單項景觀格局指數變化分析

根據上述方法，利用Fragstats 4.2軟件計算各項目區的景觀指數，結果如表1所示［29］。

斑塊數量：土地整治后有24個項目區的斑塊數量有所下降，下降比例為8.65%~68.87%，其中灘溪鎮沙隴村、東山村2村的土地整治效果最佳，下降比例達到68.87%；另外，梅棠鎮楊嶺村等5個項目區在土地整治工程實施后，耕地斑塊數量略有上升。

地塊平均面積：土地整治后，耕地集中連片程度提高，項目區的地塊平均面積上升至0.0569~0.4130 hm2，整治前項目區地塊平均面積均值為0.1030 hm2，整治后該值上升至0.1538 hm2。其中，永修縣灘溪鎮沙垅村、東山村2村的治理效果最顯著，經過整治后的斑塊平均面積為原來的3.17倍?？傮w而言，在原有的零星地塊合并后，斑塊數量和密度明顯下降，平均面積有不同程度的上升，耕地地塊趨于規整，標準田格建設成效顯著，耕地景觀破碎化指數下降。

邊界密度：整治前的邊界密度為4.76~9.88 m/hm2，整治后的為3.46~10.18 m/hm2，除羅灣鄉樓前村等2鄉2村等3個項目區的邊界密度升高之外，其他項目區均有不同程度的降低，下降幅度為1.39%~47.33%。土地整治后，斑塊面積的擴大和田塊規整度的提高有效縮短了斑塊的邊界長度，說明土地整治工程在耕地景觀細碎化方面治理有效。

斑塊密度：土地整治前的斑塊密度在4.07~16.57個/hm2之間，在經過標準格田建設后，斑塊密度為2.42~17.58個/hm2，除虬津鎮鄱湖村、寶田村2村等5個項目區外，其余項目區的斑塊密度下降幅度為1.55%~68.42%。

面積加權形狀指數：整治前的面積加權形狀指數分布于1.2854~1.7182，整治后的為1.2875~1.7360，總共29個項目區有14個明顯下降，其中以云山農林公司土地整理項目的變化最為顯著，下降了11.58%，耕地斑塊形狀趨于規整。

面積加權分維數：整治前的面積加權分維數為1.0827~1.1361，整治后的為1.0759~1.1248。通過土地整治，田塊更加規整，為進一步發展大規模的農業生產經營創造了良好條件。

景觀形狀指數：整治后的斑塊景觀形狀指數呈現出不同程度降低。整治前則分布于18.71~57.85，整治后為15.82~45.02，景觀形狀指數平均下降12.94%。

破碎化指數：耕地破碎指數從整治前的0.1926~0.3431變化至整治后的0.1985~0.3190，大部分項目區整治后的破碎化指數下降，但農村道路和溝渠的修建割裂了田塊，導致耕地景觀破碎化指數更高。

2.2 耕地景觀破碎化指數變化分析

根據熵權法計算各指標權重結果：NP為0.21、MPS 為0.03、ED 為0.08、PD 為0.12、AWMSI 為0.20、AWMFD為0.13、LSI為0.13、FS為0.09。 其中，AWMSI的權重最大，說明該指標的變異程度高于其他指標。根據29個土地整治項目的耕地景觀細碎化指數計算結果，參考盧龍縣耕地破碎化指數劃分標準［30］，采用自然斷點法將其分為3級：輕度細碎化(0.1871~0.3651)、中度細碎化(0.3651~0.5275)、重度細碎化(0.5275~0.7489)。整治前、后各項目區的耕地景觀破碎化指數變化如表2所示。

表2 耕地景觀破碎化指數變化情況

由表2可知：土地整理項目實施前的耕地景觀細碎化指數為0.2663~0.7489，有9個項目區為輕度細碎化、12個項目區為中度細碎化、8個項目區為重度細碎化，整體為中度細碎化；土地整治實施后，耕地景觀細碎化指數為0.1873~0.5806，有17個項目區由中、重度細碎化轉變為輕度細碎化，整體為輕度細碎化；實施土地整治工程對研究區的耕地景觀細碎化治理有效，但有7個項目區的耕地景觀破碎化指數升高，這表明土地整治對耕地景觀細碎化的治理成效存在區域性差異。

2.3 耕地景觀細碎化治理效果分析

2.3.1 耕地景觀細碎化治理效果的t檢驗 運用配對樣本t檢驗，比較分析整治前、后的耕地景觀破碎化指數變化情況，旨在檢驗土地整治工程的治理效果。

通過t檢驗分析可知，整治前配對整治后樣本數據滿足正態分布，土地整治前、后耕地景觀細碎化指數相關性為0.579，P=0.001，差異性顯著(表3)。定量分析結果表明：耕地景觀細碎化指數變化與土地整治工程顯著相關。通過配對樣本t檢驗可知，配對樣本檢驗t值為4.986，自由度(df)為28，P＜0.05，在95%的置信水平上差異顯著(表4)。整體而言，土地整治工程治理耕地景觀細碎化的成效顯著，研究區耕地景觀細碎化現象得到了顯著的改善。

表3 配對樣本相關性

表4 配對樣本t檢驗結果表

2.3.2 地貌對耕地景觀細碎化的影響 由于不同項目區耕地景觀細碎化的治理成效有差異，根據地貌類型將所選項目區分為平原和丘陵2種類進行方差分析，進一步探究地貌類型對耕地景觀細碎化治理成效的影響，方差分析結果見表5和表6。樣本采用Shapiro-Wilk檢驗，數據滿足正態分布，可以進行方差齊性檢驗和單因素方差分析。方差齊性檢驗結果顯示，耕地景觀細碎化指數下降百分比的Sig.=0.567，數據波動一致，滿足方差齊性。根據方差分析結果可知，平原區和丘陵區耕地景觀細碎化指數下降百分比的平均值分別為-0.266和-0.095，P＜0.05，達到5%的顯著水平，說明在不同的地貌條件下，耕地景觀細碎化的治理效果存在顯著差異。

表5 方差齊性檢驗

表6 方差分析結果

贛西北29個項目區整治成效的方差分析結果表明，平原區耕地景觀細碎化治理效果整體要優于丘陵區。以三角鄉樹下村等3村、立新鄉坂上村、澄塘鎮故村村等2村為代表的8個項目區的耕地景觀細碎化治理效果最為顯著。這些項目區均地處平原，在土地整治前地塊較為零碎、大小不一，耕地景觀破碎化指數為重度、中度，但這些項目區所處地勢平坦開闊，土地整治工程實施的限制性因素小，工程開展難度低。通過土地平整、農田水利基礎設施建設、田間道路優化等措施后，項目區內的耕地景觀細碎化指數大幅下降，整體平均下降了44%，轉為輕度破碎化。另有10個項目區，雖同樣位于平原區，土地整治前耕地景觀破碎化指數多為輕度破碎化，由于整治力度、覆蓋范圍較小，治理效果相對不很明顯，雖然開展了田格化治理工作，但總體上還是呈下降趨勢。對于段潭鄉西洲村等2村、馬口鎮前進村這2個項目區，其耕地集中連片程度高，土地整治后由于新建道路、溝渠等線狀地物切割地塊，耕地景觀破碎化指數有所增加。

丘陵區耕地景觀細碎化治理效果相對平原區較差。棋坪鎮雙溪村等3村、梅棠鎮楊嶺村、白槎鎮栗山村、羅灣鄉樓前村等2鄉2村、虬津鎮鄱湖村、寶田村這5個項目區位于丘陵區。在經過土地整治后，耕地破碎化程度加劇。該5個地區的地勢起伏較大，坡度均值大于3°，個別地區甚至坡度大于15°。項目工程的建設成本高，土地整治工程的實施難度大。在同樣的資金投入下，土地平整工程“小塊并大塊”相較于平原區難度大，耕地景觀細碎化的治理效果未達預期，但是在部分坡度較緩的丘陵區，如云山農林公司、馬步鄉帶塘村等2鄉鎮2村等6個項目區，其土地整治工程實施前，耕地空間破碎化程度為重度、中度破碎化。在土地平整工程的實施后，趨向于中度、輕度破碎化，耕地空間破碎化程度改善的效果雖遜于平原區，但也下降了25%。

3 結論與討論

土地整治是當前治理耕地景觀細碎化的主要措施，本文選擇贛西北29個項目區，從田塊尺度測算土地整治前、后耕地景觀細碎化指數的變化，分析土地整治對耕地景觀細碎化的治理成效及影響因素，結果表明：土地整治對耕地景觀細碎化治理成效顯著，但在平原區和丘陵區的治理效果存在區域差異。從耕地景觀細碎化治理角度看，土地整治項目的實施還需從以下方面進行改進。

（1）加強土地整治項目選址的可行性論證。在項目選址階段，通過實地調研深入了解項目區的自然狀況，結合農業生產需要，尊重自然規律，最大限度地保持既有道路、河流等廊道的走向及其彎曲形態，開展景觀廊道的生態化建設。堅持相對集中、連片實施的原則，結合目前存在的問題，論證項目區域的選址和布局的可行性，設計合理的土地整治項目布局和規劃設計方案。

（2）合理布設田間灌排體系、降低田塊破碎化指數。在一定程度上，溝渠割裂了田塊，造成耕地景觀細碎化?！靶√锊⒋筇铩睍r，在保證灌溉需求的前提下，發揮廊道的生態功能，優化田間排灌渠系的布設，使廊道鑲嵌在大田塊中；多采用暗管灌溉，避免溝渠分割田塊；排水溝盡可能與田間道路結合，減少其對田塊造成的割裂。

（3）優化田間道路體系、服務農業機械化。在現有田間道和生產道路的基礎上，遵循生態理念，突出主干兼顧支路，合理布局，優化田間道路體系，多改建少新建，避免割裂田塊，采取拓寬和硬化等措施，增加通行能力，以適應農業機械化發展的需要。

（4）增強公眾參與度、推廣土地平整工程。在土地整治項目設計中，廣泛聽取群眾參與，向農戶普及土地平整工程的重要性以及耕地規?；洜I帶來的好處；充分聽取當地村民意見，切實解決農民對田間基礎設施建設的訴求，保障土地整治工程質量的提高。

綜上，景觀生態學理論豐富了土地整治設計思路，遵循耕地數量、質量與生態“三位一體”保護原則，避免對耕地形態進行大規模改造和過度硬化；充分結合項目區的自然、經濟和社會條件，合理布局田塊、溝渠路及防護設施，安全利用耕地資源、提升資源利用效率。