耕地景觀破碎化同區域糧食產量變化的相關性探析

摘要：利用中國科學院30 m分辨率的土地利用影像與糧食產量數據，借助景觀生態學方法和空間統計分析手段，在景觀級別、鄉鎮尺度上探究潛江市水田、旱地景觀破碎效應同糧食產量變化的相關關系。結果表明，2010—2018年研究區的糧食產量基本維持穩定；東南部鄉鎮耕地的內部結構基本維持穩定，其余各鄉鎮呈現增加的變化態勢，且這些鄉鎮在2010年后也大多轉增為減；水田景觀破碎效應受斑塊數量的影響較大，旱地景觀破碎化受斑塊形狀和內部結構的影響較大。為保障區域糧食產出均衡，應重點改善區域的旱地景觀形狀，治理內部結構破碎化，保障區域產糧安全。

關鍵詞：景觀破碎化；糧食產量；時空格局；空間數據

中圖分類號：F323" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）03-0001-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.03.001 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis on the correlation between cultivated land landscape fragmentation and

regional grain yield change

CHEN Xi， HE Zhen， FANG He-nan， ZHAO Xue-mei， LU Guo-wen， XUE Kai-ren

（College of Urban amp; Environmental Sciences/Key Laboratory for Geographical Process Analysis amp; Simulation of Hubei Province，

Central China Normal University，Wuhan" 430079，China）

Abstract：Based on the land use image and grain yield data of the Chinese Academy of Sciences with a resolution of 30 m， and with the help of landscape ecology methods and spatial statistical analysis methods， this paper explored the correlation between the landscape fragmentation effect of paddy fields and dry lands and the change of grain yield in Qianjiang City at the landscape level and township scale. The results showed that the grain output of the study area was basically stable from 2010 to 2018； the internal structure of cultivated land in the towns and townships in the southeast was basically stable， while the remaining towns and townships were showing an increasing trend of change， and most of these towns and townships had changed from increase to decrease after 2010； the fragmentation effect of paddy field landscape was greatly affected by the number of patches， while that of dry land landscape was greatly affected by the shape and internal structure of patches. In order to ensure the balance of regional grain output， the shape of dryland landscape in the region should be improved， control the fragmentation of internal structure should be controlled， so as to ensure the safety of regional grain production.

Key words：landscape fragmentation； grain yield； spatial and temporal pattern； spatial data

未來十幾年，全球氣候變化會給糧食產量的提升帶來巨大挑戰，土地利用模式及農作物選種技術創新會引發全球耕地面積和耕地質量的雙重變化［1］。城市擴張將進一步導致全球耕地面積減少，預測約80%的耕地損失會發生在亞洲和非洲區域［2］。耕地資源縮減、質量下降會危及國家糧食安全［3-6］。耕地利用空間格局與人類生計可持續息息相關，密切關注耕地景觀格局變化，遏制其破碎化，對提升耕地資源管控治理能力和保障區域糧食生產供應有重要作用［7］。當前中國部分南方區域的耕地存在數量減少、質量變差、耕地景觀破碎化等一系列突出問題，區域糧食安全存有隱患［8，9］。以中國主要的糧食產區湖北省江漢平原為例，近年來受經濟利益驅動，水田、旱地等地表景觀發生變化，人為因素加劇了景觀的破碎化，打破當地糧食的供需平衡，導致供不應求［10-12］。應對耕地的景觀破碎化，保障區域產糧穩定供給，辨識多年糧食生產及耕地景觀破碎化格局，厘清二者關系對合理利用耕地、保障人民膳食結構供給具有重要現實意義［13-17］。耕地變化與糧食安全問題一直廣受學界關注，但缺乏二者的科學量化分析。基于景觀生態視角，探究耕地破碎化格局同區域糧食生產的關系，探析出景觀生態破碎效應對糧食產量的影響，對未來合理利用耕地資源、穩定糧食生產具有重要意義，也是中國進一步推進“藏糧于地”戰略落地的重要科學支撐。

嚴金明等［18］、鄧軍等［19］認為未來一段時間內中國的耕地面積和糧食生產面積會顯著下降，農業科技進步可以促進糧食單產提升，但耕地面積變化對糧食生產能力的影響大于糧食單產能力變化。羅海平等［20］聚焦于耕地數量與質量變化，通過探究二者與區域產糧量的關系，得出耕地的數量和質量是約束區域糧食生產的先決條件。隨著耕地利用集約度變化概念的提出，耕地的耕作方式會改變耕地景觀地表形狀，地表破碎化、內部結構失調比耕地數量減少更能威脅糧食安全［21］。近年來，景觀破碎化是土地利用與覆被變化的研究熱點，相關研究主要集中在單一地類景觀破碎化的時空特征變化描述上，或運用景觀生態學和景觀安全格局理論的方法，揭示在快速城市化的脅迫下景觀生態安全格局現狀與未來潛在風險狀態，提出調控措施［22-24］。在研究方法和尺度上，已有研究多從宏觀層面開展大尺度分析，在景觀級別上僅針對市（縣）域層面開展的研究相對較少，且已有的研究結果并未能探究出耕地景觀層面的變化同區域糧食產量安全的內在聯系性。

基于已有研究的不足，本研究選取江漢平原潛江市作為研究區域，分別在鄉鎮尺度和景觀級別上，厘清潛江市水田、旱地景觀破碎化格局的變化，結合水田、旱地的糧食產量數據，探究近10年耕地利用變化下景觀破碎效應與當地糧食產量之間的內在關系，為加強糧食生產功能區保護建設，宏觀調控保障糧食安全提供重要科學支撐。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

潛江市（東經112°29′—113°01′、北緯30°04′—30°38′）地處湖北省中南部、江漢平原腹地，是湖北省的直轄縣級市。土地總面積2 004 km2，其中耕地占區域總面積的83%。全市共轄25個鎮級單位，其中10個鄉鎮、6個辦事處、6個管理區、1個經濟開發區以及歷史遺留的國有農場、浩口原種場和種畜場。旱地主要種植作物為冬小麥、冬油菜、大豆、薯類秋雜糧以及部分區域種植的經濟作物棉花等。水田主要種植作物為水稻、蝦稻（圖1）。近年來，在農業供給側結構性改革的促進作用下，潛江市水稻種植結構實行“雙改單”模式，以種植單季稻為主，并且挖溝圍田，發展蝦稻，截至2019年底，區域蝦稻共作面積達360 km2，比上年增長約20%［25］。

1.2 數據處理

本研究以分辨率為30 m×30 m的土地利用分類數據作為耕地景觀破碎化效應探究的基礎數據，選取研究區所在范圍的中國科學院資源環境數據共享中心（http：//www.resdc.cn/）2000、2005、2010、2015、2018年共5期土地利用數據。該套數據的一級土地利用分類為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類土地利用類型，其中耕地的二級土地利用類型分為水田和旱地。本研究從潛江市統計局網站（http：//tjj.hbqj.gov.cn/）獲取2010、2015、2018年潛江市各鄉鎮的水田、旱地糧食產量數據。據地方統計年鑒記載，研究時段潛江市水田作物僅種植單一水稻，水田糧食總產量即為區域水稻的總產量。旱地種植作物則較為豐富，主要種植冬油菜、冬小麥等，旱地的糧食產量包括冬油菜、冬小麥、大豆、薯類、棉花產量的總和。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地破碎化效應指數提取 以潛江市2000、2005、2010、2015、2018年5個時期遙感解譯土地利用數據為數據源，結合Fragstats 4.0軟件進行數據處理，根據各指數的表征含義界定出能夠衡量耕地景觀破碎化效應的3個結果數量指標，分別為斑塊數量（NP、CA、PD）、斑塊形狀（ED、LSI、LPI）和斑塊內部結構（AI、COHESION、SPLIT）。根據所選取指數表征破碎化的程度不同，進一步選出3個典型代表指數，分別為斑塊密度（PD）、斑塊形狀指數（LSI）和斑塊分離度指數（SPLIT）［26］。利用移動窗格法探究其耕地景觀破碎化效應的空間熱點變化。將第一步計算得到的表征破碎效應的指數作為初步結果參與到下一步的相關分析工作中。

1.3.2 探索性空間數據分析 探索性空間數據分析（Exploratory spatial data analysis，ESDA）是可以實現全局空間自相關和局部空間自相關的地理空間區域相關性探測分析法。其以空間關聯性測度為核心，描述與揭示研究對象的空間分布，分析其空間聯系、集聚以及異質性的空間分析方法［27］。本研究通過建立表征耕地景觀破碎化的指數同區域耕地糧食產量變化的關系曲線，并借助Geoda軟件空間分析模塊中雙變量Moran’I分析工具。通常空間自相關只有一個變量，多變量空間自相關分析在實際問題中有較大的需求，用其探究耕地景觀破碎化和耕地糧食產量二者的空間關聯性，雙變量區域Moran’I空間自相關由學者Anselin提出，計算公式如下：

式中，[wij]為空間單元i、j之間的空間連接矩陣；[zik=xik-xkσk]，[zjl=xjl-xlσl]，[xik]為空間單元i屬性k的值，[xjl]為空間單元j屬性l的值，[xk]、[xl]分別為屬性k、l的平均值，[σk]、[σl]分別為屬性k、l的方差。

2 結果與分析

2.1 糧食產量變化

為了得到2010—2018年潛江市糧食產量的變化特征，在鄉鎮層面分別分析了水田、旱地產糧量隨年份的變化，結果如圖2所示。近年來，潛江市糧食產量增加和減少的鄉鎮數基本相當，市域層面糧食產量基本維持穩定，各鄉鎮糧食產量變化劇烈。13個鄉鎮的糧食產量增加，12個鄉鎮的糧食產量減少。位于研究區西部的楊市辦事處、后湖管理區和總口管理區3個鎮級單位在水田產量增加的同時，糧食產量仍減產嚴重。楊市近年來大力發展基建，漢宜高速公路、鐵路，潛江市高鐵站等均設于楊市，建設用地面積增加，耕地面積減少。后湖管理區是潛西南特色產業聚集地，超過90%的土地被集中利用，用于蝦稻種養基地。總口管理區原先為總口農場，是國家重點糧棉油商品糧基地，其旱地減產嚴重，影響當地居民的膳食結構。此外，研究區糧食產量內部結構變化劇烈，局部多個鄉鎮呈現出水田糧食產量增加、旱地糧食產量減小的特點。旱地作物和水田作物產量都增加的鄉鎮數僅占潛江市鄉鎮總數的20%左右。水、旱作物產量都減小的鄉鎮主要分布在潛江市的東北區，集中于兩區三辦事處，即周磯管理區、潛江市經濟開發區、園林辦事處、高場辦事處和楊市辦事處。2010—2018年研究區水田、旱地面積都呈減小的變化趨勢，其中，旱地糧食產量減小、水田糧食產量增加，總產量增加，且產量由小到大增加的鄉鎮依次為高石碑、熊口鎮、熊口管理區、王場鎮、龍灣鎮、白鷺湖管理區、張金鎮和積玉口鎮，地理上這些鄉鎮大多分布在潛江市的西部和北部區域。

2.2 耕地景觀破碎度變化

為了分析出潛江市耕地景觀破碎化的時空格局，本研究從市級和鄉鎮景觀級別分析潛江市水田、旱地景觀破碎化格局的演變趨勢。在市域層面運用Fragstats軟件，計算出能夠衡量研究區耕地景觀破碎化效應的3類結果指數（表1）。其中，數量因子包括斑塊面積（CA）、斑塊個數（NP）和斑塊密度（PD）；形狀因子包括邊緣密度（ED）和景觀形狀（LSI）；內部結構因子包括分離度（SPLIT）、結合度（AI）和聚合度（COHESION）。

2000—2018年，潛江市水田斑塊面積減少、斑塊個數增加、斑塊密度同期增大。從數量因子層面看，潛江水田破碎程度呈加劇變化態勢。從形狀因子層面看，研究區水田的邊緣密度和景觀形狀指數呈同期減小的變化態勢。形狀因子層面表明，研究區的耕地斑塊形狀趨于簡單化，斑塊邊界形狀趨于規則化。從內部結構來看，水田的分離度指數增大，斑塊結合度指數與聚合度指數隨年份遞增，2000—2018年，研究區的水田內部結構趨于離散，斑塊結合度減小，物理連接度降低，抵御風險能力有所減弱。同期，旱地的景觀破碎化格局變化也較為明顯，從數量因子方面來看，同水田格局變化保持相一致，斑塊面積減少、斑塊個數增加、斑塊密度同期增大，數量破碎效應加劇。從旱地形狀來看，2000—2010年旱地斑塊的景觀形狀指數減小，2010—2018年由減轉增，但邊緣密度則持續減小。從旱地的內部結構來看，研究區旱地的分離度指數增大，斑塊結合度指數與聚合度指數減小，旱地內部結構趨于離散，物理連接度降低，景觀生態連續性減弱。綜上，2000—2018年，潛江市水田和旱地的景觀破碎度格局變化大體一致，同期水田和旱地的面積都減少、斑塊密度增加、斑塊個數破碎化效應加劇。2010年前，水田內部結構變化較旱地的變化更明顯，2010年后，水田形狀因子變化較旱地同類指數變化更劇烈。2010年可看作是一個分界點，2010年前水田內部結構的景觀破碎化表現劇烈，2010年后旱地內部結構的景觀破碎化表現劇烈。

為了更好地分析出潛江市耕地景觀破碎化效應在空間位置上的強弱變化，本研究進一步引入移動窗口分析方法，一種定量化研究景觀結構組成特征及空間配置關系的分析方法，探析耕地景觀破碎效應在地理區域上的變化強弱。根據景觀生態指數的內涵選取3個典型表征破碎化的指數，分別為斑塊密度（PD）、景觀形狀（LSI）和分離度（SPLIT），對應表征斑塊數量、斑塊形狀和斑塊內部結構3類破碎化現象。圖3a至圖3c為2000—2018年研究區斑塊數量破碎化效應；圖3f至圖3h為2000—2018年研究區斑塊形狀破碎化效應；圖3k至圖3m為2000—2018年研究區斑塊內部結構破碎化效應；圖3d、圖3e分別為2000—2010年和2010—2018年斑塊數量破碎化的變化熱點識別區；圖3i、圖3j分別為2000—2010年和2010—2018年斑塊形狀破碎化的變化強弱識別區；圖3n、圖3o分別為2000—2010年和2010—2018年斑塊內部結構破碎化的變化強弱識別區。在2000—2018年，耕地斑塊數量破碎效應整體變化較為劇烈，增大區域主要圍繞潛江市經濟開發區周邊，耕地面積減少比耕地斑塊數量減少更劇烈。關于耕地斑塊形狀破碎效應的空間分布，2010年前，位于研究區西邊的耕地斑塊形狀呈現復雜化，尤其是浩口鎮、積玉口鎮、廣華鎮和高廠辦事處的耕地斑塊形狀破碎化效應明顯加劇；2010年后，耕地斑塊形狀破碎化在一定程度上得到控制，局部破碎度有所降低。關于耕地斑塊內部結構的變化，比耕地“量”和“形”的變化更劇烈，在2000—2018年，研究區東南角鄉鎮耕地的內部結構基本維持穩定，其余各鄉鎮呈現增加的變化態勢，且這些鄉鎮在2010年后也大多轉增為減。2010年是潛江市蝦稻產業鏈完整搭建形成的年份，2010年后，耕地的內部結構特征發生巨大轉變，區域耕地內部分離指數從劇烈增加轉向較為平穩的減弱變化。

2.3 糧食產量與耕地景觀破碎化的相關性探索

空間自相關分析可以定性地區分出每個地區與其周邊地區同一研究量的相互關系。空間數據相互之間通常具有依賴性，探尋2個變量的空間相關關系時，可引入空間自相關分析工具。雙變量Moran’I可以直觀地展現出研究區水田（旱地）斑塊數量、斑塊形狀和斑塊內部結構3方面破碎效應同區域糧食產量空間變化的集聚情況。耕地景觀破碎化效應與區域水田、旱地糧食產量變化的全局空間自相關特征見表2。2010—2018年，對研究區的水田而言，3類表征破碎化效應的指數與區域水田糧食產量呈空間負相關。斑塊數量、斑塊形狀、斑塊內部結構與水田糧食產量的雙變量全局Moran’I分別為-0.178、" "-0.059、-0.126，且斑塊數量通過全局0.05水平的雙側顯著檢驗。對研究區的旱地而言，斑塊形狀與旱地糧食產量呈空間負相關，全局Moran’I為-0.220，斑塊數量、斑塊內部結構與糧食產量呈空間正相關，全局Moran’I分別為0.150和0.177，均通過全局0.05水平的雙側顯著檢驗。綜上，斑塊數量對水田有明顯的空間負向影響，而對旱地則無顯著空間相關性。斑塊形狀、斑塊內部結構與旱地的糧食產量分別存在顯著的負向空間相關性、正向空間相關性，而與水田則無顯著的空間相關性。

使用雙變量局部Moran’I，將2010—2018年潛江市各鄉鎮表征耕地景觀破碎化的3類指數同水田、旱地糧食產量的變化進行進一步的分析，旨在反映潛江市局部空間耕地破碎化與產糧量變化的空間集聚狀況，在0.05置信水平上繪制出研究區耕地破碎化與區域糧食產量變化的局部LISA圖，如圖4所示。水田景觀斑塊數量的破碎化同區域糧食產量在空間上主要呈現高-低集聚、低-低集聚和低-高集聚3種耦合模式，主要分布在周磯辦事處、老新鎮、熊口鎮和熊口管理區。旱地景觀形狀破碎化同區域糧食產量在空間上主要呈現低-高集聚分布，主要分布在王場鎮、廣華鎮和園林辦事處。旱地景觀內部分離度破碎化和區域糧食產量的空間集聚模式主要呈現低-高集聚、高-高集聚和低-低集聚分布，主要分布在王場鎮、廣華鎮、園林辦事處和潛江市種畜場。對研究區的水田而言，水田斑塊數量破碎化加大的區域，其水田糧食產量呈增加的變化態勢，旱地糧食產量則驟減，總產量減產嚴重。對于研究區的旱地而言，旱地斑塊形狀破碎化減弱，旱地糧食產量有所增加，旱地內部結構分離度加大，其水田、旱地的糧食產量變化呈現增加的趨勢，與研究區近年來人為開展水田改造密不可分。

3 小結與討論

本研究通過引入景觀學分析方法，從斑塊的數量、形狀和內部結構3個方面展開測度，定量探討了2000—2018年潛江市耕地景觀破碎化的時空格局變化。而后引入研究區2010—2018年水田、旱地的糧食產量變量，利用全局和局部空間自相關分析法，對區域水田、旱地景觀破碎化效應與糧食產量變化進行探索性的相關分析。

1）2010—2018年，潛江市的糧食產量發生巨大變化。總產糧量基本維持在穩定水平，水田和旱地的糧食產量都增加的鄉鎮數僅占潛江市鄉鎮總數的約20%。水田、旱地糧食產量內部結構變化劇烈，水田糧食產量增加的鄉鎮，其同年份的總糧食產量大多呈現減小趨勢，可見旱地糧食產量的下降幅度遠大于水田糧食產量的增加幅度。在歷史地理因素導向下，潛江市水田種植作物僅種植單一作物水稻，旱地作物種植類型豐富，多年種植有薯類、小麥等糧食作物，大豆、油菜等經濟作物。旱地作物的減產讓區域產量類型趨向單一化，區域種糧結構性抵御風險能力下降。政府應在科學合理利用耕地資源的同時，規范耕地利用的優先順序，從源頭上強化用途管控，可以利用當地的財政收入，建立專項基金補貼，有效引導農戶自覺地耕種旱地糧食作物，確保區域自給自足、口糧絕對安全。

2）2000—2018年研究區耕地數量減少、形狀趨于不規整、內部結構變化劇烈。2010年是潛江市耕地景觀格局轉變的重要年份，2010年后潛江很多鄉鎮的分離度指數增速放緩，總體仍呈現增加的變化態勢。水田、旱地面積減速放緩，水田、旱地的斑塊形狀多趨于規整。在最嚴格的耕地保護政策推行下，耕地數量減少得到有效控制，質量下降正逐漸成為威脅區域糧食安全的另一隱憂，耕地自然連通性減小，微觀上耕地景觀內部的物質遷移受阻，耕地抵御風險的能力下降，景觀生態安全性降低。有關部門可以搭建當地的耕地利用投入產出空間數據庫，持續追蹤景觀破碎化，挖掘變化背后的深層次原因，以促進耕地整理，增加耕地質量與耕地生產能力，持續向發展高效、高產及生態安全耕地的目標推進。

3）區域糧食產量變化同耕地景觀破碎化格局變化存有內在關聯，這種關聯同各鄉鎮資源稟賦和長期的發展狀況密不可分。從2010—2018年耕地景觀破碎化效應變化同區域糧食產量變化的相關分析結果來看，水田主要受斑塊數量破碎效應的影響。旱地則受斑塊形狀和斑塊內部結構破碎效應的影響更大。因此，為保障區域糧食產出均衡，今后應著重關注潛江市旱地的景觀形狀和內部結構破碎化效應的治理問題，逐步開展區域土地平整和整治工程，進行旱地的田塊規整，地方政府需落實相關耕地保護責任，積極引導社會力量在當地開展旱地高標準農田建設，鼓勵農民和村集體經濟組織自主籌資投勞，參與建設和運營管理。對于當地的水田則需要關注數量破碎化問題，做到良田糧用，發揮糧食產出優勢區功能，穩步提高糧食生產能力。夯實基礎，確保產能，需要多元主體參與，長期持續發力，有序地推進區域耕地系統性和全局觀治理。

隨著時代的變遷，糧食安全內涵不斷發生著演化，人們對糧食的需求從數量向質量或營養均衡轉變。糧食安全的研究維度也逐漸由耕地數量、集約利用轉變為耕地的質量和安全性。在土地管理與利用中耕地破碎化分為權屬破碎化和自然破碎化［28，29］，本研究創新性地引入了景觀生態學的度量方法，界定了3種耕地景觀破碎效應，為耕地自然景觀生態視角下的破碎化現狀表征，為研究耕地景觀破碎化提供了新的發展視角，但傳統基于權屬和地塊的破碎化研究仍具有十分重要的現實意義。本研究以潛江市為例，著重進行耕地景觀破碎化與區域糧食產量的全局和局部空間相關關系的探索分析，下一步將研究景觀破碎化效應背后的驅動機制，以期為系統全面實施耕地精細化管理服務、保障區域的種糧安全提供科學指導。

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