基于景觀格局的盧龍縣耕地細(xì)碎化評價及影響因素研究

臧 亮, 梁紅穎, 梁文濤, 張春利

(1.廊坊市博泰不動產(chǎn)咨詢評估有限公司, 河北 廊坊 065000； 2.北京博林不動產(chǎn)評估有限公司, 北京 100000)

耕地細(xì)碎化是指由于自然或人為因素干擾，耕地由單一、均質(zhì)和集中連片的整體變?yōu)閺?fù)雜、異質(zhì)和零散的斑塊的動態(tài)演變過程[1]。耕地細(xì)碎化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響具有兩面性，一方面耕地細(xì)碎化可以豐富農(nóng)戶的生產(chǎn)經(jīng)營結(jié)構(gòu)，分散農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險，促進(jìn)種植農(nóng)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整；但是另一方面，耕地細(xì)碎化不利于農(nóng)業(yè)的規(guī)?；?jīng)營，阻礙著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，造成農(nóng)業(yè)資源的極大浪費(fèi)[2]。我國作為人多地少的發(fā)展中國家，耕地細(xì)碎化現(xiàn)象長期存在，自20世紀(jì)70年代，我國開始施行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的同時，也客觀加劇了我國的耕地細(xì)碎化[3]。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化、工業(yè)化進(jìn)程加快，農(nóng)業(yè)人口大量涌入城市，農(nóng)民對土地的依賴性越來越弱，耕地的規(guī)?；?jīng)營條件更加成熟，耕地細(xì)碎化的弊端日益凸顯。如何優(yōu)化耕地的空間格局，增加耕地有效面積，提高耕地利用效率，實(shí)現(xiàn)耕地的規(guī)模化經(jīng)營，已成為亟待解決的問題之一[4]。

目前，眾多學(xué)者已經(jīng)基于不同角度，運(yùn)用多種方法對我國耕地細(xì)碎化進(jìn)行了研究。黃思琴等[4]基于景觀生態(tài)學(xué)角度選取指標(biāo)，運(yùn)用主成分分析降維得到能夠代表耕地細(xì)碎化的2個主成分指標(biāo)，然后通過空間自相關(guān)分析了耕地細(xì)碎化與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平的空間相關(guān)性規(guī)律；譚淑豪等[5]運(yùn)用計量經(jīng)濟(jì)模型探討了造成土地細(xì)碎化的主要因素，認(rèn)為目前中國的土地細(xì)碎化主要是由供給面因素引起的，需求面因素也有一定影響；張尹君杰等[6]利用河北全省農(nóng)戶固定觀察點(diǎn)資料通過回歸分析，表明土地細(xì)碎化不但降低了河北省玉米和小麥生產(chǎn)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，而且還影響了它們的產(chǎn)量；李鑫等[7]用SFA方法測度耕地生產(chǎn)技術(shù)效率，用多元線性回歸研究細(xì)碎化對耕地生產(chǎn)技術(shù)效率影響?？傮w而言，目前對耕地細(xì)碎化的研究主要集中在耕地細(xì)碎化的評價及其對耕地生產(chǎn)效率的影響，通過空間統(tǒng)計方法對耕地細(xì)碎化影響因素的研究還較少。

本文以盧龍縣為例，基于景觀生態(tài)學(xué)原理選取平均地塊面積指數(shù)(MPS)、斑塊數(shù)量破碎化指數(shù)(FN)、平均最臨近距離(MNN)、邊界密度指數(shù)(ED)、面積加權(quán)形狀指數(shù)(AWMSI)5個景觀指標(biāo)對盧龍縣耕地細(xì)碎化程度進(jìn)行評價，然后通過地理加權(quán)回歸模型對耕地細(xì)碎化的影響因素進(jìn)行分析，為耕地規(guī)?；砗徒?jīng)營提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

盧龍縣地處河北省東北部，燕山南麓，明長城腳下，地理位置為39°43′00″—40°08′42″N，118°45′54″—119°08′06″E。東西橫距28 km，南北縱距47 km。畛域面積961 km2。周圍與五縣為鄰，東連撫寧，南接昌黎，西南隔灤河與灤縣相望，西瀕青龍河與遷安市為鄰，北與青龍滿族自治縣以長城為界，東距秦皇島市區(qū)82 km，西距首都北京225 km。盧龍縣屬低山丘陵區(qū)，境內(nèi)山巒叢雜綿亙，起伏絡(luò)繹不絕。地勢北高南低，呈梯狀西北東南向傾斜，海拔22.7～627 m，絕對高差599.3 m。全域主要分低山、丘陵、平原和盆地4種地貌類型，低山、丘陵主要分布在縣境中、北部，占全縣總面積的81.1%；平原主要分布于縣境南部。盧龍縣屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫10.6°C，年均降水量724.5 mm，晝夜溫差較大。境內(nèi)主要為灤河、西洋河、飲馬河水系。水資源主要由大氣降水形成的地表水和淺層地下水構(gòu)成。

2 數(shù)據(jù)來源和處理

本文數(shù)據(jù)來源于盧龍縣2015年土地利用現(xiàn)狀圖，以行政村為評價單元，通過ArcGIS 10.2軟件提取耕地、河流、交通、居民點(diǎn)等信息，轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，利用景觀指數(shù)軟件Fragstats 4.2軟件計算平均地塊面積(MPS)、斑塊數(shù)量破碎化指數(shù)(FN)、平均最臨近距離(MNN)、邊界密度(ED)、面積加權(quán)形狀指數(shù)(AWMSI)。然后利用ArcGIS 10.2的空間分析功能計算各村耕地到河流、交通、居民點(diǎn)的平均距離。盧龍縣DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)，通過DEM數(shù)據(jù)提取盧龍縣坡度分布數(shù)據(jù)，提取各評價單元耕地平均坡度。盧龍縣耕地、河流、交通、居民點(diǎn)、坡度數(shù)據(jù)如圖1所示。

3 研究方法

3.1 構(gòu)建評價模型

3.1.1 評價指標(biāo)選取 耕地細(xì)碎化主要表現(xiàn)在耕地空間分布格局的分散和無序性。而景觀指數(shù)可以很好地定量描述土地空間分布格局的特點(diǎn)，以及各斑塊間的相互關(guān)系。許多學(xué)者也基于景觀生態(tài)學(xué)視角選取指標(biāo)，例如平均斑塊面積指數(shù)、斑塊密度指數(shù)、邊界密度指數(shù)、破碎化指數(shù)等來評價區(qū)域耕地細(xì)碎化水平。但是各景觀指數(shù)間可能存在著重疊信息，甚至共線問題[8]，會造成評價結(jié)果存在較大誤差，因此本文在選取指標(biāo)前利用SPSS 18.0對擬選取的評價指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，選取5個相關(guān)性較低的景觀指數(shù)作為評價指標(biāo)，分別是平均地塊面積指數(shù)(MPS)、斑塊數(shù)量破碎化指數(shù)(FN)、平均最臨近距離(MNN)、邊界密度指數(shù)(ED)、面積加權(quán)形狀指數(shù)(AWMSI)。

平均地塊面積指數(shù)(MPS)為研究區(qū)耕地總面積與耕地斑塊數(shù)量的比值，可以直觀表現(xiàn)出研究區(qū)內(nèi)耕地斑塊的細(xì)碎程度，平均地塊面積越小也就表示研究區(qū)耕地越細(xì)碎。

MPS=A/N

(1)

式中：A表示評價單元內(nèi)耕地總面積；N表示評價單元內(nèi)耕地斑塊總數(shù)量。

圖1盧龍縣坡度、耕地、居民點(diǎn)、河流及交通分布

斑塊數(shù)量破碎化指數(shù)(FN)可以表明耕地斑塊的破碎程度，其取值范圍為0～1，0表示不存在破碎化，1表示完全破碎化。

(2)

式中：N表示評價單元內(nèi)耕地斑塊的總數(shù)量；A表示評價單元內(nèi)耕地總面積；amin表示研究區(qū)內(nèi)最小耕地斑塊的面積。

平均最臨近距離(MNN)為斑塊到與最臨近斑塊的距離和，除以臨近斑塊總數(shù)。它體現(xiàn)了耕地斑塊間在空間上的相互關(guān)系。MNN越大表示斑塊間的空間距離越大，也就是分布越離散，反之，則表示斑塊間空間距離小，分布越集中。

(3)

式中：hi表示某斑塊i到其他斑塊的最近距離；N表示斑塊總數(shù)量。

邊界密度指數(shù)(ED)為單位面積耕地的周長值，ED越大表示耕地被切割的程度越大，也就越細(xì)碎。

ED=E/A

式中：E表示耕地斑塊的邊界長度；A表示耕地面積。

面積加權(quán)形狀指數(shù)(AWMSI)，一般而言，耕地越細(xì)碎耕地斑塊也會越不規(guī)則，AWMSI可以反映耕地斑塊的形狀規(guī)則程度，AWMSI越大則斑塊形狀越不規(guī)則越復(fù)雜，細(xì)碎化越高。AWMSI越小，則細(xì)碎化程度越低。

(4)

式中：Pi為評價單元內(nèi)各耕地斑塊的周長；ai評價單元內(nèi)各耕地斑塊的面積；A為評價單元內(nèi)耕地的總面積。

3.1.2 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化及權(quán)重確定 為消除各指標(biāo)的量綱，本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對指標(biāo)原始值進(jìn)行處理。極差標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

(5)

式中：Pij表示指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Xij表示指標(biāo)的原始值；Ximax表示指標(biāo)原始最大值；Ximin表示指標(biāo)原始最小值。5個指標(biāo)中FN，MNN，ED，AWMSI是正效應(yīng)指標(biāo)；MPS是負(fù)效應(yīng)指標(biāo)。

指標(biāo)的權(quán)重對于評價結(jié)果的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用，因此本文結(jié)合其他學(xué)者的相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，以及盧龍縣實(shí)際情況采用變異系數(shù)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，相較于其他權(quán)重確定方法，變異系數(shù)法可以消除主觀因素對權(quán)重的影響，得到的權(quán)重更加客觀真實(shí)[9]。變異系數(shù)法公式如下：

(6)

式中：Wi為指標(biāo)i的權(quán)重；Vi為指標(biāo)i的變異系數(shù)；n表示指標(biāo)數(shù)量。

3.1.3 綜合因子評價法 本文采用綜合因子評價法評價各評價單元的耕地細(xì)碎化程度。綜合因子評價法公式如下：

(7)

式中：Yj為第j各評價單元的耕地細(xì)碎化指數(shù)；kji表示第j個評價單元第i個評價指標(biāo)的指標(biāo)值；wi表示第i個指標(biāo)的權(quán)重大??；n表示指標(biāo)個數(shù)。

3.2 耕地細(xì)碎化影響因素的分析

耕地細(xì)碎化的發(fā)展是自然因素和人為因素雙重影響下產(chǎn)生的，而且不同區(qū)域各影響因素的作用強(qiáng)度也是有差異的，為了探究耕地細(xì)碎化的主要影響因素，本文采用地理加權(quán)回歸(GWR)模型分析了村莊、河流、交通、坡度對耕地細(xì)碎化的影響。

傳統(tǒng)回歸分析是在變量間的相互關(guān)系具有同質(zhì)性的假設(shè)下進(jìn)行的，然而很多情況下隨著地理位置的變化，變量間的相互關(guān)系和結(jié)構(gòu)會變化，此時如果按照傳統(tǒng)線性回歸方法很可能會掩蓋變量間的局部特性，會造成較大的誤差。GWR模型是對普通線性回歸模型的擴(kuò)展，將數(shù)據(jù)空間位置嵌入到回歸模型之中。GWR能夠反映參數(shù)在不同空間的空間非平穩(wěn)性，使變量間的關(guān)系可以隨空間位置的變化而變化，可以提高擬合精度[10]。地理加權(quán)回歸模型如下：

(8)

式中：yi表示耕地細(xì)碎化指數(shù)；(ui，vi)表示樣本i的空間位置；xik為樣本i的自變量；ai0(ui，vi)和aik(ui，vi)分別為樣本i的常數(shù)估計值和參數(shù)估計值；p為自變量的個數(shù)；εi為誤差修正項(xiàng)。

本文應(yīng)用ArcGIS 10.2的地理加權(quán)回歸工具，以各村耕地細(xì)碎化指數(shù)為因變量，以耕地距河流、道路、村莊的平均距離，耕地的平均坡度為自變量。核類型選擇自適應(yīng)法(Adaptive)，也就是按照要素樣本分布的疏密，來創(chuàng)建高斯核表面，如果要素分布緊密，則核表面覆蓋的范圍小，反之則大。核帶寬選擇AIC，通過最小信息準(zhǔn)則來決定最佳帶寬[11]。

4 結(jié)果與分析

4.1 耕地細(xì)碎化分布特征

各景觀指數(shù)權(quán)重為：平均地塊面積指數(shù)(MPS)0.159，斑塊數(shù)量破碎化指數(shù)(FN)0.076，平均最臨近距離(MNN)0.267，邊界密度指數(shù)(ED)0.043，面積加權(quán)形狀指數(shù)(AWMSI)0.455。計算得到耕地細(xì)碎化指數(shù)，按照自然斷點(diǎn)法將盧龍縣處于研究區(qū)內(nèi)的582個村分為重度細(xì)碎化(0.406 2～0.654 7) 、中度細(xì)碎化(0.311 0～0.404 4) 、輕度細(xì)碎化(0.181 1～0.310 6)(圖2)，其中重度細(xì)碎化村莊61個，主要分布在盧龍縣西南、東南和縣域北部；中度細(xì)碎化村莊232個，主要分布在縣域東南、西南和中北部；輕度細(xì)碎化村莊289個，主要分布在縣域中部和南部。

整體來看盧龍縣耕地細(xì)碎化處于一個較低的水平，大部分村莊屬于中度細(xì)碎化和輕度細(xì)碎化，耕地細(xì)碎化指數(shù)平均值為0.323 2，屬于中度細(xì)碎化，這主要由于盧龍縣以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平一般，因此沒有出現(xiàn)大規(guī)模的城市擴(kuò)張等活動，使得盧龍縣耕地得到較好的保護(hù)，但是由于盧龍縣屬于低山丘陵，地形復(fù)雜，因此一部分地區(qū)的耕地受地形割裂影響嚴(yán)重，細(xì)碎化程度會較為嚴(yán)重。

4.2 耕地細(xì)碎化影響因素分析

當(dāng)數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)呈現(xiàn)隨機(jī)獨(dú)立均勻的特點(diǎn)時，我們只需要通過傳統(tǒng)的回歸模型就可以得到較為合理的結(jié)果，但是耕地細(xì)碎化作為空間數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)空間依賴性，通常存在空間相關(guān)性[12]。這種空間自相關(guān)性可以通過全局莫蘭指數(shù)(Moran′sI)來衡量，利用ArcGIS 10.2空間自相關(guān)分析工具計算耕地細(xì)碎化的全局莫蘭指數(shù)，分析報表如下，p值為0.00小于0.01表明其具有空間自相關(guān)性的置信度達(dá)到99%，可以肯定耕地細(xì)碎化指數(shù)存在空間相關(guān)性；莫蘭指數(shù)為0.21說明樣點(diǎn)間具有空間正相關(guān)性，即各村耕地細(xì)碎化程度間的相關(guān)程度與空間聚集度成正比；Z得分為11.20大于2.58表明耕地細(xì)碎化呈現(xiàn)出明顯空間聚類特征[13-14]。

圖2盧龍縣耕地細(xì)碎化空間分布

坡度影響程度的空間分布如圖3A所示，從圖中可知坡度影響程度以正影響為主，即坡度越大耕地細(xì)碎化越嚴(yán)重，只有少量地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)影響，主要分布在盧龍縣中部地區(qū)，而且相對于正影響而言，負(fù)影響絕對值很小，影響并不明顯。這一現(xiàn)象主要是由于盧龍縣多低山丘陵，隨著坡度增加，地形變化更加復(fù)雜，少有大面積平整的適宜耕作的土地，耕地呈現(xiàn)破碎零散的分布狀態(tài)。而縣域中部地區(qū)，地勢平坦坡度較小，雖然呈現(xiàn)一定的負(fù)影響，但并非主要影響因素。

居民點(diǎn)影響程度的空間分布如圖3B所示，居民點(diǎn)對耕地細(xì)碎化的正負(fù)影響區(qū)域各占50%左右，負(fù)影響區(qū)域主要分布在縣域中部，北部和南部區(qū)域主要為正影響，從影響程度看，正影響程度較小，以負(fù)影響為主。這主要是由于居民點(diǎn)周圍，人類活動強(qiáng)度大，土地利用方式更加多樣，如居民點(diǎn)擴(kuò)張，工業(yè)建設(shè)等活動會造成耕地圖斑日益破碎。

距河流距離影響度空間分布如圖3C所示，GWR影響度統(tǒng)計結(jié)果大部分為正影響，即距離河流越遠(yuǎn)耕地細(xì)碎化越嚴(yán)重。河流水系作為自然廊道會切割斑塊，使斑塊趨于破碎，也就是河流水系較為密集的地區(qū)有可能造成耕地圖斑更加細(xì)碎，但是由于河流兩岸土壤較為肥沃，地勢平坦開闊，可以提供充足水源，因此耕地會大量集中河流附近，而且北方地區(qū)河流水系網(wǎng)絡(luò)并不發(fā)達(dá)，遠(yuǎn)沒有達(dá)到過度切割耕地圖斑的情況，所以就造成距離河流近的區(qū)域耕地更加集中連片，越遠(yuǎn)的地區(qū)細(xì)碎化越明顯。

交通道路影響度空間分布如圖3D所示，GWR結(jié)果顯示交通因素對耕地細(xì)碎化的正負(fù)影響區(qū)域大體相當(dāng)，影響強(qiáng)度也較為相似。在路網(wǎng)密集的地區(qū)，道路交通會將耕地圖斑切割破碎，同時這些區(qū)域經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)，人口密集，人類活動強(qiáng)度較大，因此在一定范圍內(nèi)，隨著距道路距離的縮短耕地細(xì)碎化程度會逐漸增強(qiáng)。但是為了耕作便利，道路交通又是必不可少的條件，因此在路網(wǎng)并不發(fā)達(dá)的地區(qū)，隨著距道路距離的縮短耕地細(xì)碎化程度會逐漸減弱。

圖3坡度、居民點(diǎn)、河流、交通影響度空間分布

5 結(jié) 論

(1) 盧龍縣耕地細(xì)碎化整體上處于較低的水平。其中重度細(xì)碎化村莊61個，主要分布在盧龍縣西南、東南和縣域北部；中度細(xì)碎化村莊232個，主要分布在縣域東南、西南和中北部；輕度細(xì)碎化村莊289個，主要分布在縣域中部和南部。

(2) 盧龍縣耕地細(xì)碎化莫蘭指數(shù)為0.21，具有空間正相關(guān)性，各村耕地細(xì)碎化程度間的相關(guān)程度與空間聚集度成正比；Z得分大于2.58耕地細(xì)碎化呈現(xiàn)出明顯空間聚類特征。

(3) 通過地理加權(quán)回歸分析可以發(fā)現(xiàn)坡度、居民點(diǎn)、河流、交通等因素對耕地細(xì)碎化的影響程度具有空間非平穩(wěn)性。其中坡度影響程度以正影響為主，只有少量地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)影響，主要分布在盧龍縣中部地區(qū)，負(fù)影響并不明顯。居民點(diǎn)對耕地細(xì)碎化的正負(fù)影響區(qū)域各占50%左右，負(fù)影響區(qū)域主要分布在縣域中部，北部和南部區(qū)域主要為正影響，從影響程度看，正影響程度較小，以負(fù)影響為主。河流以正影響為主，負(fù)影響區(qū)域主要分布在縣域東南部分地區(qū)。交通因素對耕地細(xì)碎化程度的正負(fù)影響區(qū)域大體相當(dāng)，影響強(qiáng)度也較為相似。