基于ArcGIS和DEM模型的耕地利用格局分析

王軍強(qiáng)，胡曉光，岳 穎，別雪艷，段云峰，譚秋霞，高富崗

（1. 河北盛世圓福項(xiàng)目管理集團(tuán)有限公司，河北·廊坊 065000；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西·太谷 030801；3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院，江蘇·南京 210095）

基于ArcGIS和DEM模型的耕地利用格局分析

王軍強(qiáng)1，胡曉光1，岳 穎1，別雪艷1，段云峰1，譚秋霞1，高富崗2，3

（1. 河北盛世圓福項(xiàng)目管理集團(tuán)有限公司，河北·廊坊 065000；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西·太谷 030801；3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院，江蘇·南京 210095）

基于DEM模型和GIS平臺(tái)，運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)基本原理，探究黃土高原小流域不同地形條件下的耕地利用格局以及農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)行為特征，為促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。結(jié)果表明：（1）流域內(nèi)91.64%的耕地集中于＜1300m高程范圍內(nèi)，90.61%的耕地分布于＜15°的宜耕區(qū)。（2）在＜1200m高程范圍內(nèi)，＜15°的宜耕區(qū)內(nèi)，耕地類型多樣，斑塊數(shù)最多，內(nèi)部的斑塊組合最復(fù)雜；在1200～1300m高程范圍內(nèi)，15°～25°坡度區(qū)內(nèi)斑塊的連通性好；＞1300m高程范圍內(nèi)，＞25°坡度地帶內(nèi)，斑塊間的干擾性小，景觀的破碎化程度也略高。（3）耕地利用的破碎化現(xiàn)狀，深刻影響著農(nóng)戶水保行為、種植行為及兼業(yè)行為，使得農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)行為差異化、區(qū)域化明顯。因此，流域應(yīng)加強(qiáng)土地綜合整治力度，調(diào)整農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式，為耕地資源的高效集約利用及農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營(yíng)創(chuàng)造條件。

耕地利用格局；農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)行為；DEM模型；地形分布指數(shù)

耕地受到人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響 ，是土地利用動(dòng)態(tài)變化中非常活躍的要素之一［1，2］，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的先決條件和物質(zhì)基礎(chǔ)，其數(shù)量、質(zhì)量及利用格局對(duì)于保障國(guó)家糧食安全和維護(hù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展具有重要意義［3］。地形因子是一個(gè)包括高程、坡度等因子在內(nèi)的多維變量［4，5］，每一維對(duì)區(qū)域內(nèi)部的水、熱、養(yǎng)分起到再分配的作用，直接影響著地表物質(zhì)的遷移與能量的轉(zhuǎn)換［6］，是決定區(qū)域耕地利用格局的關(guān)鍵因素之一，也嚴(yán)重影響著農(nóng)戶的經(jīng)營(yíng)方向與方式［7］。DEM模型為探討地形與耕地利用格局的關(guān)系提供了基礎(chǔ)平臺(tái)［8，9］，先前研究多從大尺度揭示地形因子與多種土地利用類型分布格局的關(guān)系［10～12］，但在小尺度區(qū)域基于DEM模型和GIS平臺(tái)，從地形和景觀雙視角單獨(dú)對(duì)耕地利用格局進(jìn)行深入探究尚不多見(jiàn)。黃土高原溝壑區(qū)水土流失嚴(yán)重，生態(tài)脆弱，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，人地矛盾突出，土地利用問(wèn)題研究顯得尤為重要［13］。研究區(qū)選擇黃土高原典型的小流域，地形多種多樣，破碎化現(xiàn)象顯著，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低下，是其典型特征。耕地資源是當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶經(jīng)濟(jì)來(lái)源最依賴的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此有必要分析在復(fù)雜地形條件下的耕地利用格局，這將有助于揭示其潛在規(guī)律，為當(dāng)?shù)馗刭Y源的高效利用及農(nóng)戶生活水平的改善提供理論參考。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省西南部永和縣、隰縣和石樓縣三縣的接壤地帶，屬黃河一級(jí)支流范圍和典型的黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°38'01"～110°50'02"、北緯36°47'26"～36°57'14"，海拔在1023.0～1415.6m之間，流域內(nèi)溝壑縱橫、梁峁起伏，地形復(fù)雜多樣。該流域總面積126km2，其中水土流失面積達(dá)113km2，林地、草地、耕地是流域內(nèi)最主要的景觀單元。土壤以地帶性褐土、草甸土為主，土壤結(jié)構(gòu)疏松，黏粒含量較低，濕陷性大。流域多年平均氣溫8.6℃，年均降雨量510.90mm，溫帶大陸性季風(fēng)氣候明顯。轄區(qū)涉及永和縣4個(gè)行政村，隰縣4個(gè)自然村和石樓縣1個(gè)自然村，總?cè)丝跒?559人（截至2013年統(tǒng)計(jì)），地廣人稀。

2　研究方法

2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)利用研究區(qū)的二調(diào)影像和Quick bird影像，經(jīng)實(shí)地調(diào)查與室內(nèi)地圖數(shù)字解譯，得到1:10000的流域土地利用現(xiàn)狀圖，并利用ArcGIS 9.3提取耕地現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，依據(jù)流域自然特征，將耕地劃分為坡耕地、梯田、溝壩地和溝川地4種類型（圖1）。

2.2高程與坡度重分級(jí)

基于該流域 DEM數(shù)據(jù)（分辨率10m×10m）和ArcGIS 9.3平臺(tái)，借助GIS軟件的Spatial Analyst模塊進(jìn)行表面分析，得到高程、坡度柵格圖（柵格單元10m×10m）。同時(shí)依據(jù)流域的土地利用現(xiàn)狀，并結(jié)合中國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì)頒布的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，進(jìn)行高程、坡度的重分級(jí)（表1），這樣既反映了研究區(qū)的地形特征，又符合經(jīng)濟(jì)規(guī)律和國(guó)家規(guī)范。

圖1　研究區(qū)耕地利用現(xiàn)狀Fig.1　The current of farmland use in study area

表1　高程與坡度重分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1　The standard of elevation and slop reclassification

2.3地形分布指數(shù)

地形分布指數(shù)，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、無(wú)量綱指標(biāo)，既可以消除面積差異量綱的影響，又可以更好地描述各地形因子條件下的耕地分布特征。

式中，P代表地形分布指數(shù)；e代表地形因子，包括高程、坡度等；Sie是指e特定地形因子下i耕地類型的面積；Si則是i耕地類型的面積；S是整個(gè)區(qū)域的耕地總面積；Se代表e特定地形因子下的耕地總面積。由此可得到高程、坡度因子下的各耕地類型的分布指數(shù)。它代表的指示意義：P＞1，表示第i種耕地類型在第e級(jí)地形上分布屬于優(yōu)勢(shì)分布，P值愈大，分布的優(yōu)勢(shì)地位愈高。

2.4景觀指數(shù)提取

景觀指數(shù)通常用于描述景觀格局，來(lái)揭示景觀元素組成及其空間配置，為區(qū)域景觀格局的調(diào)整和生態(tài)保護(hù)決策提供依據(jù)［14］。本文利用ArcView 3.3將高程、坡度分級(jí)下的耕地矢量圖，轉(zhuǎn)換為柵格圖（柵格單元10m×10m），并通過(guò)Fragstats 4.0，在景觀水平上針對(duì)數(shù)量/密度、形狀、鄰近度、連通性和多樣性等5大層面，提取了斑塊數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）、形狀指數(shù)（LSI）、平均鄰近距離（EMN_MN）、斑塊結(jié)合度（COHESION）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）6個(gè)指數(shù)進(jìn)行耕地景觀格局分析，各指數(shù)的計(jì)算及生態(tài)學(xué)意義可見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。

3　結(jié)果與分析

3.1高程梯度下的耕地分布特征

從表2得知，溝壩地主要分布在第2梯度，面積分布比例達(dá)74.65%，分布指數(shù)也達(dá)到最大（2.23），說(shuō)明此高程梯度是其海拔優(yōu)勢(shì)區(qū)。溝川地總面積較少，多沿河流呈條帶狀分布，60%以上的地塊集中于第1梯度，且在此海拔分布的優(yōu)勢(shì)地位顯著（6.98）。坡耕地、梯田是該流域最主要的耕地類型，主要分布在地勢(shì)較高的第3梯度，面積分布比例分別為58.71%和64.24%，分布指數(shù)P也均大于1，表明此梯度是兩者分布的海拔適宜區(qū)；在第4梯度區(qū)僅有少量的坡耕地、梯田分布，坡耕地多依賴于原始坡面地形，分布的隨意性較強(qiáng)，在此梯度的分布優(yōu)勢(shì)仍較強(qiáng)，而梯田多受技術(shù)和成本條件所限，其在此梯度分布的優(yōu)勢(shì)性減弱。

表2　高程梯度下的耕地利用類型地形分布特征Table 2　Topographical distribution characteristics of farmland use types in elevation gradient

依據(jù)表3的斑塊數(shù)和斑塊密度得知，在第2梯度NP和PD值都最大，表明此梯度細(xì)小田塊多，團(tuán)聚性差，破碎化程度也遠(yuǎn)大于其他梯度的區(qū)域；從形狀指數(shù)上得知，在第2梯度的LSI遠(yuǎn)大于其他梯度，反映了此梯度的田塊形狀不規(guī)則，內(nèi)部類型組合的復(fù)雜性強(qiáng)、邊界嵌合度高；從斑塊的平均鄰近距離上看，在第4、1梯度的ENN_MN遠(yuǎn)大于其他梯度，說(shuō)明此梯度的田塊間平均距離大，田塊間的不相連使得發(fā)生相互干擾的概率降低；斑塊結(jié)合度在第3梯度達(dá)到最大（96.55%），在此梯度斑塊形成了良好的連通性、香農(nóng)多樣性指數(shù)在第1、2梯度均大于1，表明這兩個(gè)區(qū)域的耕地類型分布均勻，破碎化程度也略高。

表3　高程梯度下的耕地景觀指數(shù)Table 3　Farmland landscape indexes in elevation gradient

3.2坡度分級(jí)下的耕地分布特征

溝壩地和溝川地的分布特征基本一致，都集中于平地和緩平地坡度地帶，分布指數(shù)P在緩平地均大于2，表明此坡度區(qū)是兩類型的優(yōu)勢(shì)分布區(qū)（表4）。從面積和分布指數(shù)上得知，坡耕地在各坡度區(qū)都有分布，其中74.75%的坡耕地集中于＜15°的宜耕區(qū)（平地、緩平地、緩地），近年來(lái)雖開(kāi)展了大規(guī)模的“坡改梯”、“退耕還林”等項(xiàng)目，但由于缺乏足夠資金以及農(nóng)戶追求短期經(jīng)濟(jì)利益等因素，使得流域內(nèi)的坡耕地整治尚不徹底，也存在一些隨意開(kāi)墾的行為，因此仍有25.25%的坡耕地分布于非宜耕區(qū)（＞15°）。該流域的梯田多沿等高線采取“大灣就勢(shì)、小灣取直”的方式人工修成，且多是坡耕地改造后形成的“水平梯田”類型，是平地區(qū)最主要的耕地類型。

表4　坡度分級(jí)下的耕地利用類型分布特征Table 4　Topographical distribution characteristics of farmland use types in slop classification

根據(jù)表5可得，斑塊個(gè)數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)的最大值均在緩平地，表明此坡度地帶的耕地類型多樣，分布較均勻，空間的異質(zhì)性也較強(qiáng)，由表4可知在緩地、緩陡坡、陡坡3個(gè)區(qū)域只有坡耕地1種類型分布，因此這3個(gè)坡度區(qū)的SHDI為0；斑塊密度與斑塊個(gè)數(shù)的分布特征并不一致，在陡坡的NP最少（32塊），但它的PD卻最大（310.98塊/ km2），反映了此坡度地帶的景觀破碎化程度高；從形狀指數(shù)上講，平地和緩平地的LSI略大于其他坡度區(qū)，揭示出平地、緩平地內(nèi)部的斑塊組合復(fù)雜，各類型的邊界嵌合程度高；從斑塊結(jié)合度和斑塊的平均鄰近距離上看，在陡坡的COHESION值最?。?8.12%），斑塊的分散性強(qiáng)，斑塊間的距離也相應(yīng)被拉大，在此坡度區(qū)的ENN_MN也最大（0.6070km）。

表5　坡度分級(jí)下的耕地景觀指數(shù)Table 5　Farmland landscape indexes in slop classification

4　結(jié)論與討論

（1）該流域91.64%的耕地集中于＜1300m的區(qū)域，其中溝壩地和溝川地主要分布于地勢(shì)較低的第1、2梯度，而坡耕地、梯田由于存在“坡地→梯田”的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在高程梯度下的分布特征基本一致，第3、4梯度是其分布的優(yōu)勢(shì)區(qū)。景觀上講，第1梯度的耕地類型最為多樣；第2梯度的斑塊個(gè)數(shù)、斑塊密度及形狀指數(shù)最大，景觀的破碎化程度最高，內(nèi)部斑塊組合最復(fù)雜，景觀異質(zhì)性強(qiáng)；第3梯度的斑塊結(jié)合度最好，形成了良好的連通性；第4梯度的斑塊的平均鄰近距離最大，減輕了斑塊間的干擾性。

（2）該流域90.61%的耕地分布于＜15°的宜耕區(qū)（平地、緩平地、緩地），而在緩陡坡、陡坡（＞15°的非宜耕區(qū)）仍有235.87hm2的坡耕地，是潛在水土流失的風(fēng)險(xiǎn)源，因此也是未來(lái)需要整治的區(qū)域。緩平地（2°～6°）內(nèi)的斑塊個(gè)數(shù)、形狀指數(shù)及香農(nóng)多樣性指數(shù)均最大，景觀類型最為多樣，內(nèi)部斑塊的組合復(fù)雜，各類型的邊界嵌合程度高；緩陡（15°～25°）內(nèi)的斑塊形成良好的連通性；陡坡（＞25°）的景觀破碎化程度最大、斑塊間的干擾性也較小。

（3）當(dāng)前流域耕地的破碎化現(xiàn)狀造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低、農(nóng)機(jī)化水平低、糧食產(chǎn)量低等諸多問(wèn)題，影響著農(nóng)戶水保行為、種植行為、兼業(yè)行為，使得農(nóng)戶具體經(jīng)營(yíng)行為差異化、區(qū)域化明顯，也制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

因此，流域未來(lái)應(yīng)立足于“農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平衡”的前提下，繼續(xù)加強(qiáng)“田、水、路、林、村”土地綜合整治，充分挖掘耕地生產(chǎn)潛力，為促進(jìn)耕地資源的高效集約利用貢獻(xiàn)力量。受地形因素的影響，在當(dāng)前階段單憑土地整治，并不能徹底解決黃土丘陵區(qū)的耕地破碎化問(wèn)題，還急需農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)模式的調(diào)整，打破“家家小而全，戶戶糧油棉”個(gè)體的小農(nóng)經(jīng)營(yíng)格局，為農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營(yíng)創(chuàng)造條件。農(nóng)戶應(yīng)在政府帶領(lǐng)下嘗試實(shí)施“農(nóng)戶+新型農(nóng)業(yè)合作社”經(jīng)營(yíng)方式，進(jìn)行不同種植園區(qū)的規(guī)劃布局，并保持與銷售企業(yè)、深加工企業(yè)密切聯(lián)系，構(gòu)建“種—產(chǎn)—銷”一條龍的協(xié)同合作經(jīng)營(yíng)格局，這種模式既可以呈現(xiàn)種植園區(qū)的交錯(cuò)分布狀態(tài)，達(dá)到景觀格局的優(yōu)化，又可以為農(nóng)戶提供更多的兼業(yè)機(jī)會(huì)，增加收入，提高家庭生活水平，實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

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An analysis of farmland use patterns based on the Digital Elevation Model and ArcGIS

WANG Jun-Qiang1, HU Xiao-Guang1, YUE Ying1, BIE Xue-Yan1, DUAN Yun-Feng1, TAN Qiu-Xia1, GAO Fu-Gang2,3
1. Hebei Prosper Crown Project Management Group Co. Ltd.， Hebei Langfang 065000， China；
2. College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Shanxi Taigu 030801， China；
3. College of Land Management， Nanjing Agriculture University， Jiangsu Nanjing 210095， China）

Based on the Digital Elevation Model （DEM） and GIS platform， we explore the characteristics of farmland use pattern and the production and operation behavior of farmer households under different terrain conditions of small watersheds in the loess plateau by applying landscape ecological fundamentals. In so doing， we aim to lay a foundation for the sustainable development of regional agriculture. The results show several key trends: （1） 91.64% of farmland was located at less than 1300 m， and 90.61% of farmland in the arable area is at less than 15° . （2） At less than 1200 m， and in the arable area less than 15° with rich types ， the highest number of patch， and the most complicated patch group，was formed. This formed a superior connectivity in the range between 1200-1300 m and the slope zone of 15°-25°. The interference between patches was small and the level of landscape fragmentation was also slightly higher above 1300 m and the slope zone greater than 25°. （3） The current fragmented pattern of farmland use has important impacts on the soil and water conservation， planting， and business behaviors of farmer households. This made and operation behaviors of farmer households differ across regions . Therefore， we argue that we need to strengthen the comprehensive rearrangement of land and adjust the agricultural production mode， in an effort to create conditions for the high intensive utilization of farmland resources and agricultural large-scale management.

farmland use pattern； farmer households' production and operation behaviors； digital elevation model；topographic distribution index

F301.21

A

2095-1329（2016）03-0040-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.03.010

2015-12-25

2016-03-18

王軍強(qiáng)（1988-），男，碩士，助理工程師，主要從事土地利用規(guī)劃與土地經(jīng)濟(jì)研究.

電子郵箱: wjq8885@126.com

聯(lián)系電話: 0316-2762102

國(guó)土資源部公益性項(xiàng)目行業(yè)科研專項(xiàng)（2009HX01）