喀斯特山區(qū)耕地細碎化與地貌類型的空間關(guān)聯(lián)性
——以貴州修文縣為例

任紅玉，趙宇鸞，葛玉娟

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

耕地細碎化是中國耕地資源的典型特征[1-2]，是與耕地規(guī)模經(jīng)營相對立的一種耕地資源利用格局[3-4]。耕地細碎化阻礙農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、專業(yè)化、機械化發(fā)展，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，影響農(nóng)業(yè)規(guī)模效益[5-6]。2017年中央一號文件提出了“建立農(nóng)業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營評價指標體系，引導(dǎo)規(guī)模經(jīng)營健康發(fā)展”[7]的要求。與此同時，我國正大力實施國土整治和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，耕地細碎化問題亟待解決。加強耕地細碎化程度的遙感調(diào)查、評價等相關(guān)研究很有必要。

貴州省特殊的喀斯特地貌，多山地丘陵，少壩地，耕地細碎化格局顯著[8]。復(fù)雜多樣的地形，農(nóng)業(yè)機械化難以推行，耕地勞動生產(chǎn)率較低。作為塑造自然環(huán)境的重要因素，地形條件不僅決定地方尺度自然地理綜合體的形態(tài)特征，重新分配了區(qū)域的熱量和水分，很大程度上制約了人類土地利用的方式和強度[9]，也對區(qū)域耕地資源分布格局的形成具有重要影響[10-11]。貴州山區(qū)地貌多樣，耕地細碎化程度具有顯著差異。揭示耕地細碎化程度與地貌類型的空間耦合關(guān)系，對分類制定差異化土地整治規(guī)劃等具有重要意義。

以貴州省修文縣為案例區(qū)，以行政村為評價單元，構(gòu)建耕地細碎化測度模型，厘清壩區(qū)、丘陵、山地等不同地貌區(qū)耕地細碎化程度及其空間分異特征，探索細碎化耕地資源整治路徑，以期為山區(qū)細碎化耕地資源合理有效利用與保護提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

修文縣位于貴州省中部，是貴州省省會貴陽市所轄縣(圖1)，地理坐標：106°21′～106°53′ E，26°45′～27°12′ N，土地總面積1 071.47 km2。全縣轄大石鄉(xiāng)、谷堡鎮(zhèn)、久長鎮(zhèn)、六廣鎮(zhèn)、六桶鎮(zhèn)、六屯鎮(zhèn)、龍場鎮(zhèn)、灑坪鎮(zhèn)、小箐鄉(xiāng)、扎佐鎮(zhèn)共10個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，224個村級行政單元，根據(jù)土地利用分區(qū)和城鎮(zhèn)等建設(shè)區(qū)用途管制要求，避免土地整治資金等資源浪費，不對城鎮(zhèn)、工業(yè)園區(qū)和重點設(shè)施等規(guī)劃建設(shè)涉及占用的8個村級行政單元進行耕地細碎化分析[12]，對其余216個行政村進行探討。修文縣屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫16 ℃，多年平均降水量在1 250 mm左右；地處云貴高原東部斜坡地帶，地形崎嶇，地貌類型多樣，以丘陵、中低山地和盆地(壩子)為主；地勢東北部、東部、東南部較高，西部及西北部較低，海拔介于636～1 589 m之間[13]。2017年修文縣耕地面積488.22 km2，通過修文縣小壩村耕地細碎化狀況抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)，被調(diào)查農(nóng)戶206戶，戶均耕地總面積0.504 hm2，人均耕地面積0.142 hm2，平均地塊面積為0.113 hm2。近年來，修文縣大力發(fā)展獼猴桃種植等現(xiàn)代山地高效農(nóng)業(yè)，但耕地細碎化制約了農(nóng)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于修文縣2017年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫；各行政村人口、戶數(shù)等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來源于貴陽市統(tǒng)計年鑒、修文縣2017年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報等資料；各行政村路網(wǎng)運用ArcGIS空間分析工具和網(wǎng)絡(luò)分析工具進行搭建，進行拓撲檢查與拓撲錯誤處理，實現(xiàn)宅基地到耕作地塊的空間連接；DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云，坡度數(shù)據(jù)利用ArcGIS 10.2 空間分析模塊中slope命令計算獲取，地形起伏度采用GIS移動窗口分析法對DEM數(shù)據(jù)進行提取獲得，空間自相關(guān)分析在GeoDa中完成。

1.3 研究方法

1.3.1 地貌類型劃分

采用RS和GIS技術(shù)提取修文縣地形起伏度和坡度等地形因子信息，對修文縣地貌類型進行劃分。結(jié)合蔡運龍[9]、趙宇鸞[14]、李陽兵[15]、盛佳利[16]、鐘祥浩[17]對貴州地貌類型以及山地分類的相關(guān)研究，將修文縣地貌形態(tài)劃分為壩子、丘陵和山地3類，指標界定標準如表1所示。

表1 修文縣山地信息提取與行政村地貌類型劃分標準Tab.1 Mountaininformation extraction and classification standard of administrative village landformsin Xiuwen

1.3.2 耕地細碎化測度方法

學(xué)者們多選取地塊規(guī)模、地塊密度、地塊形狀以及地塊的空間分散性等變量測度耕地細碎化程度[18-21]。單一指標在一定程度上可以反映耕地細碎化程度，但耕地具有多重屬性特征，單一指標不能全面綜合反映耕地細碎化程度，綜合指標法對耕地細碎化測度更全面、系統(tǒng)[22]。

耕作距離是影響農(nóng)戶行為決策的關(guān)鍵因素。隨著耕作距離變長，耕地分布格局變得更加分散[23]。耕作距離增加，運輸成本增大，勞動力投入增多，土地利用效率降低[22]。當(dāng)耕作價值為零時，農(nóng)戶會選擇拋荒。地塊面積影響耕地生產(chǎn)效率。農(nóng)戶的塊均耕作面積每增加1個單位，農(nóng)戶每公頃耕地的勞動力工作日投入將減少117.18個單位[24]。地塊形狀影響農(nóng)業(yè)機械作業(yè)效率。在較小面積的三角形地塊上耕翻土地，機械空轉(zhuǎn)率要比相同面積的長方形地塊增加1.5倍[22]。地塊形狀對農(nóng)業(yè)機械效率的影響不容忽視。在貴州山區(qū)，地塊耕作面積和地塊形狀和耕作距離是導(dǎo)致農(nóng)戶地塊拋荒的主要原因[24]?；诖?，研究選用耕作距離指數(shù)(F1)、地塊面積指數(shù)(F2)和地塊形狀指數(shù)(F3)構(gòu)建耕地細碎化評價指標體系測度耕地細碎化程度。

1)耕地細碎化指數(shù)計算公式[25]：

(1)

(1)式中，CFLI為村莊的耕地細碎化指數(shù)，F(xiàn)i為第i個評價因子的標準化數(shù)值，Wi為第i個評價因子的權(quán)重，n表示評價因子的總個數(shù)。結(jié)合研究區(qū)實際，采用層次分析法[25]計算耕作距離指數(shù)、地塊面積指數(shù)、地塊形狀指數(shù)3個評價因子的Wi值分別為0.398、0.329、0.273。

2)耕作距離指數(shù)(F1)計算公式[24]：

(2)

(2)式中，F(xiàn)1為村莊的耕作距離指數(shù)，Si為農(nóng)戶i的耕作網(wǎng)絡(luò)距離(m)，m為村莊內(nèi)農(nóng)戶戶數(shù)。F1值越大，表明農(nóng)戶經(jīng)營耕作地塊的通勤時間成本越高，則地塊越分散，耕地細碎化程度越高；反之，耕地細碎化程度低。

3)地塊面積指數(shù)(F2)計算公式[26]：

(3)

(3)式中，F(xiàn)2為村莊的地塊面積指數(shù)，An為n地塊的地塊面積(m2)，k為村莊內(nèi)耕作地塊數(shù)。F2值越大，耕地細碎化程度越低；反之，耕地細碎化程度越高。

4)地塊形狀指數(shù)(F3)計算公式[10]：

(4)

(4)式中，F(xiàn)3為村莊的地塊形狀指數(shù)，Cn為n地塊的周長(m)，An為n地塊的面積(m2)。當(dāng)F3為1時，說明該地塊形狀為正方形；F3越大，表明形狀越不規(guī)整，越不適宜機械化耕作。

由于各指標原始數(shù)據(jù)的量綱不一樣，而且各指標間數(shù)據(jù)量級也存在明顯的差異，所以在使用上述指標數(shù)據(jù)之前，對所有原始數(shù)據(jù)都進行標準化處理。計算公式[27]如下：

Pij=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(5)

Pij=(Xmin-Xi)/(Xmax-Xmin)

(6)

(5)、(6)式中，Pij為歸一化值，Xi為實際值，Xmax、Xmin分別為實際最大值和實際最小值。公式(5)計算正向指標，即歸一化值越大，細碎化程度越高；公式(6)計算負向指標，即歸一化值越小，細碎化程度越高。

利用公式(1)～(6)，以修文縣行政村為評價單元，計算各評價單元的耕地細碎化指數(shù)，使用自然斷點法劃分修文縣各行政村的耕地細碎化等級。

1.3.3 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是通過對事物空間分布差異與變化的研究，揭示事物在一定空間范圍內(nèi)的分布規(guī)律與運行機制，是空間域內(nèi)聚集程度的一種量度[28-29]。空間自相關(guān)分析包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)[30]?？臻g自相關(guān)分析應(yīng)用于研究區(qū)域某單元耕地細碎化程度與鄰近區(qū)域單元的相關(guān)程度。

1)全局空間自相關(guān)。通過全局空間自相關(guān)分析，判斷修文縣耕地細碎化在空間上的聚集情況[31]。計算全局空間自相關(guān)最常用的指標是Moran′sI，計算公式[30]如下：

(7)

(8)

2)局部空間自相關(guān)

局部空間自相關(guān)能夠反映整個大區(qū)域中，局部小區(qū)域單元上的某種地理現(xiàn)象或某一屬性值與相鄰局部區(qū)域單元上同一現(xiàn)象或?qū)傩灾档南嚓P(guān)程度[27]。計算公式[30]如下：

(9)

(9)式中，Zi、Zj分別為行政村i與行政村j的屬性值的標準化，Wij、n含義與公式(7)、(8)相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 修文縣地貌類型空間分布特征

根據(jù)地貌類型劃分標準(表1)和農(nóng)用地整治原則，將修文縣地貌類型劃分為壩區(qū)、丘陵區(qū)和山地區(qū)3大類型，其中壩區(qū)村40個，丘陵村50個，山地村共126個。從圖2可以看出，3種地貌類型交互組合。山地村和丘陵村主要分布在修文縣東部和西部，壩區(qū)村主要分布在修文縣中部。六桶鎮(zhèn)為山地村-丘陵村組合，大石鄉(xiāng)為丘陵村-山地村組合，六廣鎮(zhèn)為山地村-丘陵村組合，灑坪鎮(zhèn)為山地村-丘陵村組合，小菁鄉(xiāng)為山地村-丘陵村組合，谷堡鎮(zhèn)為山地村-丘陵組村合，久長鎮(zhèn)為壩區(qū)村-丘陵村組合，龍場鎮(zhèn)為山地村-壩區(qū)村-丘陵村組合，扎佐鎮(zhèn)為山地村-壩區(qū)村組合，六屯鎮(zhèn)為山地村-丘陵村組合。

圖2 修文縣行政村地貌類型空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of landforms in the administrative village ofXiuwen

2.2 耕地細碎化評價結(jié)果

2.2.1 耕地細碎化單一指標評價

運用公式(2)～(4)，獲取修文縣各行政村的耕作距離指數(shù)、地塊面積指數(shù)和地塊形狀指數(shù)，利用自然斷點法將各細碎化指數(shù)劃分為微度細碎化、輕度細碎化、中度細碎化、較重度細碎化和重度細碎化共5個等級(表2)，單一指標各等級的數(shù)量占比和空間分布如圖3、圖4所示。

表2 修文縣耕地細碎化指數(shù)等級及值域Tab.2 Cultivated land fragmentation index grades and ranges in Xiuwen

1)耕作距離指數(shù)評價。從耕作距離指數(shù)來看，微度和輕度細碎化等級的行政村占比為72.22%(圖3)。細碎化等級為重度的行政村中，山地村占比最大，為5.56%；其次是丘陵區(qū)，為4%；壩區(qū)占比最小，為2.5%。從分布區(qū)域來看(圖4(a))，耕作距離指數(shù)重度細碎化主要分布于修文縣東部，地貌類型主要是丘陵和山地。

2)地塊面積指數(shù)評價。從地塊面積指數(shù)來看，微度細碎化、輕度細碎化和中度細碎化的行政村分布最多，3個等級占比達到89.35%(圖3)。細碎化等級為重度的行政村中，丘陵村占比最大，為6%；其次為山地區(qū)，占比為4.76%；壩區(qū)占比為0。從分布區(qū)域來看(圖4(b))，面積指數(shù)重度細碎化主要分布在修文縣南部，地貌類型主要是山地和丘陵。

3)地塊形狀指數(shù)評價。從地塊形狀指數(shù)來看，中度和輕度細碎化等級的行政村占研究區(qū)的62.03%(圖3)。細碎化等級為重度的行政村中，山地村最多，占比為9.52%；其次為丘陵區(qū)，占比為6%；壩區(qū)占比為0。從分布區(qū)域來看(圖4(c))，重度細碎化主要分布于修文縣東部，地貌類型主要為山地和丘陵。

圖3 修文縣耕地細碎化指數(shù)各等級行政村數(shù)量占比Fig.3 Proportion of administrative villages at each level of cultivated land fragmentation index in Xiuwen

圖4 修文縣耕地細碎化指數(shù)各等級空間分布Fig.4 Spatial distribution of each grade of cultivated land fragmentation index in Xiuwen

從圖3可以看出，壩區(qū)村的3個指數(shù)中，耕作距離指數(shù)在重度細碎化中占比最高，即耕作距離是造成壩區(qū)細碎化程度嚴重的主要原因；丘陵村中地塊面積指數(shù)和地塊形狀指數(shù)占比最高，說明3個指數(shù)中耕作距離對丘陵區(qū)耕地細碎化程度的影響最??；山地村3個指數(shù)中地塊形狀對細碎化程度影響最大，耕作距離次之，地塊面積影響最小。

2.2.2 耕地細碎化綜合指數(shù)評價

根據(jù)公式(1)，計算各行政村的耕地細碎化指數(shù)，利用自然斷點法分等定級，修文縣耕地細碎化程度評價結(jié)果如圖5、圖6所示。由表2可以看出，耕地細碎化綜合得分中，最高值0.863和最低值0.110，相差0.753，且變異系數(shù)為0.80，說明各行政村耕地細碎化程度存在很大差異性。從數(shù)量占比來看(圖5)，山地村的重度細碎化行政村占比最多，為5.56%，丘陵村占比為4%，壩區(qū)村占比為2.5%?？梢?，從地貌類型來看，山地村的耕地細碎化程度普遍高于丘陵村和壩區(qū)村。

圖5 修文縣耕地細碎化綜合指數(shù)各等級行政村數(shù)量占比Fig.5 Proportion of administrative villages at various levels in the composite index of cultivated land fragmentation in Xiuwen

從綜合指數(shù)的空間分布來看(圖6)，重度細碎化主要分布在小菁鄉(xiāng)、谷堡鎮(zhèn)和扎佐鎮(zhèn)，較重度細碎化主要分布在六桶鎮(zhèn)和六屯鎮(zhèn)，中度細碎化主要分布于六廣鎮(zhèn)、灑坪鎮(zhèn)、大石鄉(xiāng)和龍場鎮(zhèn)，微度和輕度細碎化主要分布于久長鎮(zhèn)。修文縣耕地細碎化分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，耕地細碎化格局受地形地貌影響較為嚴重。地形地貌越復(fù)雜，耕地細碎化程度相對越高。

圖6 修文縣耕地細碎化綜合指數(shù)各等級空間分布Fig.6 The spatial distribution of each grade of the comprehensive index of cultivated land fragmentation in Xiuwen

2.3 地貌類型與耕地細碎化程度的空間自相關(guān)性分析

利用Moran′sI指數(shù)判定修文縣耕地細碎化空間聚集程度，測算出耕作距離指數(shù)、地塊面積指數(shù)、地塊形狀指數(shù)、綜合指數(shù)的Moran′sI指數(shù)分別為0.369、0.470和0.299、0.213，結(jié)果通過Two-tailed 雙側(cè)顯著性檢測，P≤0.05?？梢钥闯?，所有耕地細碎化指數(shù)的Moran′sI值均大于0，表明修文縣耕地細碎化空間分布具有空間正相關(guān)性而非隨機分布。

將Moran′sI指數(shù)與LISA 顯著性水平相結(jié)合，可以進一步分析耕地細碎化和地貌類型的局部空間自相關(guān)程度。由圖7和表3可以看出，耕作距離指數(shù)局部正相關(guān)類型為高-高型的行政村有14個壩區(qū)村，10個山地村，3個丘陵村；局部正相關(guān)類型為低-低型的行政村有20個山地村，14個丘陵村，沒有壩區(qū)村。這表明壩區(qū)村的耕作距離更長，其次是山地村，丘陵村相對最短。地塊面積指數(shù)局部正相關(guān)類型為高-高型的行政村有13個山地村，9個丘陵村，沒有壩區(qū)村；局部正相關(guān)類型為低-低型的行政村有22個山地村，20個壩區(qū)村，1個丘陵村。這說明壩區(qū)村的平均地塊面積最大，其次是丘陵村，山地村最小。地塊形狀指數(shù)局部正相關(guān)類型為高-高型的行政村有8個山地村，8個丘陵村，沒有壩區(qū)村；局部正相關(guān)類型為低-低型的行政村有13個壩區(qū)村，10個山地村，2個丘陵村。說明壩區(qū)村的地塊形狀最為規(guī)整，其次是山地村，丘陵村的地塊形狀最為復(fù)雜。耕地細碎化綜合指數(shù)局部正相關(guān)類型為高-高類型的行政村有15個的山地村，3個丘陵村，沒有壩區(qū)村；局部正相關(guān)類型低-低型的行政村有10個壩區(qū)村，2個丘陵村，沒有山地村。說明山地村的耕地細碎化程度最高，丘陵村次之，壩區(qū)村最低。

表3 耕地細碎化指數(shù)與地貌類型空間自相關(guān)性對應(yīng)行政村數(shù)量Tab.3 Numbers of administrative villages corresponding to the spatial autocorrelation of cultivated land fragmentation index and landform type

圖7 修文縣耕地細碎化指數(shù)空間關(guān)聯(lián)局部指標(LISA)集聚圖Fig.7 Aggregation map of spatial correlation local indicators (LISA) of cultivated land fragmentation index in Xiuwen

通過耕地細碎化各指數(shù)與地貌類型局部自相關(guān)性分析，可以看出耕地細碎化程度嚴重的區(qū)域與山地村空間耦合性最好，其次是丘陵村，耦合性最差的是壩區(qū)村。說明山地區(qū)耕地細碎化程度更嚴重，壩區(qū)耕地細碎化程度相對較輕。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

對貴州修文縣進行地貌類型劃分，根據(jù)山區(qū)耕地資源稟賦差異構(gòu)建測度模型，揭示貴州山區(qū)耕地細碎化空間分布差異，分析耕地細碎化的空間集聚格局以及與地貌類型的空間關(guān)聯(lián)性。研究顯示：1)修文縣壩子、丘陵和山地均有分布，其中，壩區(qū)村40個，丘陵村50個，山地村126個。2)修文縣耕地細碎化綜合指數(shù)最高值為0.863，最低值0.110，變異系數(shù)為0.80，各行政村耕地細碎化程度存在明顯差異，重度細碎化的山地村7個，丘陵村2個，壩區(qū)村1個。3)修文縣耕地細碎化綜合指數(shù)、耕作距離指數(shù)、地塊面積指數(shù)、地塊形狀指數(shù)的Moran′sI指數(shù)分別為0.213、0.369、0.470和0.299，所有耕地細碎化指數(shù)的Moran′sI值均大于0，表明修文縣耕地細碎化空間分布具有空間正相關(guān)性而非隨機分布。4)耕地細碎化綜合指數(shù)局部正相關(guān)類型為高-高類型的行政村有15個的山地村，3個丘陵村，沒有壩區(qū)村。研究認為，修文縣地貌類型復(fù)雜，選取耕作距離指數(shù)、地塊面積指數(shù)、地塊形狀指數(shù)3個指標衡量耕地細碎化程度，能夠真實的反映山區(qū)村莊或土地整治項目區(qū)農(nóng)戶耕作地塊資源稟賦的差異；耕地細碎化格局受地形地貌影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，地貌越復(fù)雜，耕地細碎化程度相對越高；山地村的耕地細碎化程度普遍高于丘陵村和壩區(qū)村。

3.2 建議

針對貴州山區(qū)耕地細碎化程度的區(qū)域差異，應(yīng)開展基于不同地貌類型區(qū)耕地資源稟賦特點的國土整治規(guī)劃和土地資源綜合治理。如，壩區(qū)村細碎化耕地治理應(yīng)以工程措施為主，積極推進高標準基本農(nóng)田示范項目區(qū)的建設(shè)，加強耕地的細碎化治理、宜機化改造，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)機械的作用，大力促進農(nóng)業(yè)適度規(guī)?；?jīng)營，提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率；丘陵村應(yīng)綜合運用土地整治、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等工程措施和產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策措施治理細碎化，促進農(nóng)業(yè)適度規(guī)?；?jīng)營；而山地村細碎化耕地治理應(yīng)以調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)等非工程措施為主，發(fā)展經(jīng)果林等山地特色高效農(nóng)行也，提高細碎化耕地土地集約度和開發(fā)利用水平。土地整治是一項長期而復(fù)雜的工作，認識耕地細碎化空間分異規(guī)律，結(jié)合不同地貌類型的耕地特征，構(gòu)建土地整治引導(dǎo)分區(qū)體系，是后續(xù)研究的重點方向。