基于GIS的耕地空間分布及利用狀況研究

劉宇杰 武紅旗 李潤

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052)

耕地資源是一個國家建設(shè)和發(fā)展的根本資源，關(guān)系到人類的生存和社會的發(fā)展。我國人口基數(shù)大，人均耕地面積比較小，保護好耕地是我國面臨的一個重要問題[1-3]，這對我國的糧食與生產(chǎn)有著重要的意義。2016年國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，中國人口達(dá)到了14.55億，我國耕地面積總和為1.35億hm2，人均耕地面積只有0.0927hm2，為世界人均耕地面積的1/4，這項指標(biāo)在世界平均耕地占有量上排名靠后[4,5]。

目前，國內(nèi)外專家對耕地問題已經(jīng)進行了大量的研究和實踐，取得了一系列重大的成果。本文主要根據(jù)和田地區(qū)和田市1977年、2000年和2018年遙感影像和土地利用現(xiàn)狀中的耕地數(shù)據(jù)，使用GIS工具，通過對鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道尺度的地區(qū)進行研究，使用耕地集中指數(shù)、耕地轉(zhuǎn)移矩陣等方法，進一步豐富了和田市耕地資源在鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道尺度的空間分布情況及其動態(tài)變化特征方面的研究，以期為和田市的耕地資源在鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道尺度的保護和優(yōu)化利用提供更多的參考與借鑒[6]。

1 研究區(qū)概況

和田市位于新疆最南端，位于塔克拉瑪干大沙漠和喀喇昆侖山之間，地理坐標(biāo)位于E79°50′10″～79°56′30″，N36°59′40″～37°14′20″，東西寬約為30km，南北長約60km，總面積463.57km2[7]，如圖1所示。和田市地處塔里木盆地西南部、玉龍喀什河畔的兩岸。和田市南倚昆侖，北臨瀚海，位于昆侖山與塔克拉瑪干大沙漠之間，是新疆維吾爾自治區(qū)最南端的城市，距自治區(qū)首府烏魯木齊1785km[8]，是一個多民族聚居的地區(qū)[9]。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 研究方法

2.1 耕地指數(shù)法

耕地指數(shù)為一個地區(qū)的耕地面積與該地區(qū)面積的比值。通過研究耕地指數(shù)的大小可以了解一個地區(qū)的耕地分布稀疏程度。本文將耕地指數(shù)稀疏程度分為3個等級，耕地指數(shù)稀疏區(qū)、耕地指數(shù)一般區(qū)和耕地指數(shù)密集區(qū)。為了較為詳細(xì)地了解和田市耕地分布情況，首先考察各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地分布密集程度。耕地指數(shù)的計算公式[10，11]：

(1)

式中，Ri為第i個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地指數(shù)；Ki為第i個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地面積；Si為第i個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的行政區(qū)劃面積。

在對1977年、2000年和2018年和田市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地指數(shù)進行統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，將和田市耕地分布格局劃分為[0.00,0.30]，稀疏區(qū)；(0.30,0.60]，一般區(qū)；(0.60,1]，密集區(qū)。

2.2 土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾可夫模型在土地利用方面的應(yīng)用[12-14]。馬爾科夫模型不僅可以定量地體現(xiàn)不同土地類型之間的轉(zhuǎn)化情況，還能解釋不同土地類型的轉(zhuǎn)化速度。引入土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣公式(式2)來分析所研究區(qū)域土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)換與各種土地利用類型的轉(zhuǎn)入面積與轉(zhuǎn)出面積[16-18]，進一步分析耕地與其它土地類型相互轉(zhuǎn)換的空間特征和數(shù)量特征，分析耕地的變化過程和耕地的變化趨勢。

(2)

式中，S為土地面積；n為土地利用的類型數(shù)；i，j分別為研究期初與末的土地利用類型序號。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地空間分布格局分析

圖2 1977—2018年和田市耕地分布圖

對比分析1977年、2000年和2018年3個時期的耕地分布圖可以看出，耕地分布較多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道為吐沙拉鄉(xiāng)、拉斯奎鎮(zhèn)、吉亞鄉(xiāng)、肖爾巴格鄉(xiāng)、玉龍喀什鎮(zhèn)和伊里其鄉(xiāng)，耕地分布較少的鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道包括古江巴格鄉(xiāng)、納爾巴格街道、古江巴格街道、北京工業(yè)園區(qū)、古勒巴格街道和奴爾巴格街道，這種格局并未發(fā)生改變，但是1977年耕地分布較少的這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地比例占和田市耕地總面積的10.38%，2000年是6.52%，到2018年這一比例僅為2.62%。這些地區(qū)包括和田市4個街道行政單位，1個工業(yè)園區(qū)和緊鄰于城區(qū)位于城區(qū)南部的古江巴格鄉(xiāng)。由于城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進，這些地區(qū)的耕地面積一直處于減少狀態(tài)。

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

3.2.1 1977—2000年和田市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

從表1、表2可知，1977—2000年23a間，由耕地向水體轉(zhuǎn)化的面積為6.37km2，轉(zhuǎn)換比例為1977年耕地面積的2.51%；由耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪拿娣e為0.17km2，占1977年耕地比例的0.07%；由耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的面積為74.34km2，占1977年耕地比例的29.29%；另外有172.94km2的耕地面積保留了下來，占1977年耕地總面積的68.13%。1977年水體總面積為26.45km2，其中，0.39km2轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，?977年水體比例的1.47%；0.79km2轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪?，?977年水體比例的2.99%；6.06km2轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，占1977年耕地比例的22.91%；另外有19.21km2的水體面積未發(fā)生改變，占1977年水體面積的72.63%。1977年荒漠總面積為76.51km2，其中，0.45km2轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀?977年荒漠總面積的0.59%；2.38km2轉(zhuǎn)變?yōu)樗w，占1977年荒漠總面積的3.11%；18.31km2轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，占1977年荒漠總面積的23.93%；另外有55.37km2的荒漠面積未發(fā)生變化，占1977年荒漠總面積的72.37%。1977年建設(shè)用地為106.72km2，其中，19.79km2轉(zhuǎn)變?yōu)楦赜玫兀?977年建設(shè)用地的18.54%；2.04km2轉(zhuǎn)變?yōu)樗w，占1977年建設(shè)用地總面積的1.91%；22.59km2轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪?977年建設(shè)用地總面積的21.17%；62.30km2的建設(shè)用地面積未發(fā)生改變，占1977年建設(shè)用地總面積的58.38%。

表1 1977—2000年和田市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表2 1977—2000年和田市土地利用變化比率

在這4種土地類型的變化過程中，可以看出，水體和荒漠的改變比例較小，2000年水體面積相比于1977年增加了13.42%；耕地和建設(shè)用地的變化比例較大，其中2000年耕地面積相比于1977年下降了23.74%，1977年建設(shè)用地面積相比于2000年增加了50.87%。

3.2.2 2000—2018年和田市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

從表3、表4可知，2000—2018年18a間，由耕地向水體轉(zhuǎn)化的面積為0.08km2，轉(zhuǎn)換比例為2000年耕地總面積的0.04%；幾乎未發(fā)生耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪筛剞D(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的面積為56.04km2，占2000年耕地總面積的28.95%；另外有137.45km2的耕地面積保留了下來，占2000年耕地總面積的71.01%。2000年水體總面積為30.00km2，其中，0.92km2轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，?000年水體總面積的3.07%；0.14km2轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪?，?000年水體總面積的0.47%；18.76km2轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，占2000年水體總面積的62.53%；另外有10.18km2的水體面積未發(fā)生改變，占2000年水體總面積的33.93%。2000年荒漠總面積為78.93km2，其中，2.96km2轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，?000年荒漠總面積的3.75%；0.53km2轉(zhuǎn)變?yōu)樗w，占2000年荒漠總面積的0.67%；51.5km2轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，占2000年荒漠總面積的65.25%；另外還有23.94km2的荒漠面積未發(fā)生變化，占2000年荒漠總面積的30.33%。2000年建設(shè)用地為161.07km2，其中，35.21km2轉(zhuǎn)變?yōu)楦赜玫?，?000年建設(shè)用地的21.86%；4.35km2變?yōu)樗w，占2000年建設(shè)用地總面積的2.70%；0.53km2轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪?，?000年建設(shè)用地總面積的0.33%；另外有120.98km2的建設(shè)用地面積未發(fā)生改變，占2000年建設(shè)用地總面積的75.11%。

表3 2000—2018年和田市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2000—2018年和田市土地利用變化比率

從這4種土地類型的變化過程中可以看出，2000—2018年耕地面積繼續(xù)呈現(xiàn)出減少的趨勢，而建設(shè)用地的面積卻大大增加，從2000年的161.07km2增加到2018年的247.28km2，增加的比例為53.52%。

3.3 耕地指數(shù)分析

由圖3可以看出，1977年耕地指數(shù)為稀疏區(qū)的地區(qū)有北京工業(yè)園區(qū)和吉亞鄉(xiāng)，耕地指數(shù)分別為0.23和0.30；1977年耕地指數(shù)為一般區(qū)的地區(qū)有吐沙拉鄉(xiāng)和古江巴格鄉(xiāng)，耕地指數(shù)分別為0.55和0.57；耕地指數(shù)為密集區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有玉龍喀什鎮(zhèn)、伊里其鄉(xiāng)、拉斯奎鎮(zhèn)、古勒巴格街道、古江巴格街道、奴爾巴格街道、肖爾巴格鄉(xiāng)和納爾巴格街道，耕地指數(shù)分別為0.65、0.7、0.8、0.84、0.85、0.87、0.88和0.93。耕地分布密集區(qū)集中于和田市中部地區(qū)，耕地分布一般區(qū)集中于和田市南部區(qū)域，耕地指數(shù)稀疏區(qū)主要集中于和田市北部。

圖3 1977年和田市耕地指數(shù)圖

由圖4可以看出，2000年耕地指數(shù)為稀疏區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有奴爾巴格街道、北京工業(yè)園區(qū)、古勒巴格街道和吉亞鄉(xiāng)，耕地指數(shù)分別為0.02、0.05、0.07和0.19；耕地指數(shù)為一般區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有納爾巴格街道、古江巴格街道、古江巴格鄉(xiāng)、吐沙拉鄉(xiāng)、伊里其鄉(xiāng)、玉龍喀什鎮(zhèn)和拉斯奎鎮(zhèn)，耕地指數(shù)分別為0.4、0.47、0.51、0.51、0.52、0.55和0.6；耕地指數(shù)為密集區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)僅有肖爾巴格鄉(xiāng)，耕地指數(shù)為0.79?？傮w來看，和田市中南部地區(qū)除肖爾巴格鄉(xiāng)為耕地指數(shù)密集區(qū)，奴爾巴格街道和古勒巴格街道為耕地指數(shù)稀疏區(qū)之外，其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)為耕地指數(shù)一般區(qū)，和田市北部地區(qū)則全部為耕地指數(shù)稀疏區(qū)[19,20]。

圖4 2000年和田市耕地指數(shù)圖

由圖5可以看出，2018年耕地指數(shù)為稀疏區(qū)的地區(qū)有北京工業(yè)園區(qū)、奴爾巴格街道、古江巴格街道、古勒巴格街道、納爾巴格街道、吉亞鄉(xiāng)和古江巴格鄉(xiāng)，這些地區(qū)的耕地指數(shù)分別為0.03、0.05、0.08、0.08、0.08、0.25和0.26；耕地指數(shù)為一般區(qū)的區(qū)域有玉龍喀什鎮(zhèn)、伊里其鄉(xiāng)、吐沙拉鄉(xiāng)、肖爾巴格鄉(xiāng)和拉斯奎鎮(zhèn)，耕地指數(shù)分別為0.41、0.41、0.50、0.55和0.57，沒有耕地指數(shù)為密集區(qū)的地區(qū)?？傮w來看，和田市城市中心和和田市北部地區(qū)多耕地指數(shù)稀疏區(qū)，其余地區(qū)為耕地指數(shù)一般區(qū)。

圖5 2018年和田市耕地指數(shù)圖

結(jié)合圖3～5來看，1977年耕地指數(shù)稀疏地區(qū)有2個，一般區(qū)2個，密集區(qū)8個；2000年耕地指數(shù)稀疏地區(qū)有4個，一般區(qū)7個，密集區(qū)1個；2018年和田市耕地指數(shù)稀疏地區(qū)有7個，一般區(qū)5個，密集區(qū)0個?？傮w來看，從1977年到2000年再到2018年，耕地面積有下降的趨勢，且耕地面積下降最多的區(qū)域多集中于和田市市中心。

4 結(jié)論與討論

本研究以和田市為例，基于1977年、2000年、2018年Landsat系列遙感影像進行分析，通過以上分析，得到如下結(jié)論。

1977—2000年、2000—2018年，和田市耕地面積一直是下降的趨勢，1977—2000年耕地面積下降比例23.74%，由耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的比例為29.29%；2000—2018年耕地面積下降比例為8.80%，由耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地的比例為28.95%。

總體來看，1977年和田市耕地在中部成聚集分布，在北部和南部呈現(xiàn)出離散分布，到2000年，隨著城市的建設(shè)，和田市中心街道的耕地急劇減少，再到2018年，城市的建設(shè)速度進一步加快，城鎮(zhèn)的面積進一步擴大，耕地面積呈現(xiàn)出進一步減少的趨勢。

耕地指數(shù)可以反映一個地區(qū)的耕地密集程度，和田市的耕地多集中于和田市中部地區(qū)，分布于玉龍喀什河兩邊，在北端和南端的耕地覆蓋度都較低，隨著城市化的建設(shè)加快，和田市不同的地區(qū)耕地指數(shù)均有不同程度的減小的狀況，其中以和田市中心的耕地指數(shù)減小最為嚴(yán)重。