基于景觀指數(shù)的細(xì)碎化對(duì)喀斯特山區(qū)耕地利用效率的影響:以貴州省平塘縣為例

梁勻生，曹 洋，廖小鋒，3*

(1.黔南布依族苗族自治州自然資源調(diào)查規(guī)劃院，貴州 都勻 558000； 2.貴州科學(xué)院 山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001； 3.貴州省土地綠色整治工程研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550001)

0 引言

【研究意義】耕地細(xì)碎化是指在自然或人為影響下，耕地被分為零碎的、大小不一的塊狀，呈現(xiàn)插花、分散和無(wú)序的狀態(tài)[1-2]。對(duì)耕地細(xì)碎化問(wèn)題一直存在兩種觀點(diǎn)，一種認(rèn)為細(xì)碎化有利于多元化種植，降低農(nóng)戶生產(chǎn)投入風(fēng)險(xiǎn)，增加農(nóng)民收入，能夠充分利用勞動(dòng)力[3-5]；另一種認(rèn)為細(xì)碎化浪費(fèi)有效耕地，導(dǎo)致難以進(jìn)行規(guī)?；?、專業(yè)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，阻礙農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程，降低耕地產(chǎn)能[6-8]。在生產(chǎn)力迅速發(fā)展以及農(nóng)民大規(guī)模城鎮(zhèn)化流動(dòng)背景下，細(xì)碎化問(wèn)題不僅限制耕地利用效率，也增加農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)成本，從而阻礙農(nóng)業(yè)規(guī)?；同F(xiàn)代化的推進(jìn)[9-11]。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展背景下，農(nóng)業(yè)人口大量進(jìn)入城市，小農(nóng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的弊端日益凸顯，耕地的收益下降，在農(nóng)地規(guī)?；?jīng)營(yíng)推進(jìn)中，細(xì)碎化的影響逐漸暴露。【前人研究進(jìn)展】有研究認(rèn)為，中國(guó)因耕地破碎化造成的耕地浪費(fèi)面積占耕地有效面積的3%～10%，不僅增加生產(chǎn)成本，也降低耕地生產(chǎn)率[12-14]。許玉光等[15]通過(guò)DEA-Tobit模型分析地塊平均面積表征的細(xì)碎化對(duì)耕地不同經(jīng)營(yíng)模式效率的影響認(rèn)為，耕地細(xì)碎化對(duì)小規(guī)模農(nóng)戶的利用效率是正向作用，對(duì)中、大規(guī)模農(nóng)戶耕地利用效率是負(fù)作用。白志遠(yuǎn)等[16]運(yùn)用景觀格局原理和DEA方法分析康樂(lè)縣耕地細(xì)碎化與利用效率的關(guān)系認(rèn)為，康樂(lè)縣農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平低，細(xì)碎化與利用效率沒(méi)有明顯的相關(guān)性。隨著農(nóng)地細(xì)碎化研究的深入，廣大學(xué)者逐漸采取景觀生態(tài)理論并借助GIS技術(shù)對(duì)耕地細(xì)碎化進(jìn)行量化研究[17-18]?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，多數(shù)研究集中在平原或丘陵地區(qū)，對(duì)于喀斯特山區(qū)研究報(bào)道較少，因而喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)地貌環(huán)境與耕地細(xì)碎化的關(guān)聯(lián)情況以及對(duì)耕地利用效率的影響值得探討。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以典型喀斯特峰叢洼地山區(qū)貴州省平塘縣為例，選擇拼塊密度、拼塊數(shù)量、邊界密度、平均最鄰近距離、平均地塊面積、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)、平均拼塊分形指數(shù)等7個(gè)景觀指數(shù)，通過(guò)主成分分析法評(píng)價(jià)細(xì)碎化程度，借助DEA和回歸分析方法測(cè)算耕地利用效率及細(xì)碎化對(duì)其影響，旨在為提高喀斯特山區(qū)耕地利用效率和指導(dǎo)耕地綜合整治提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

平塘縣地處貴州省南部邊陲，與廣西壯族自治區(qū)相鄰，現(xiàn)轄10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)1個(gè)街道。全縣總?cè)丝?3.70萬(wàn)，農(nóng)村人口22.44萬(wàn)人，占比66.59%，其中以布依族、苗族、毛南族為主的少數(shù)民族人口占總?cè)丝诘?9.6%。全縣國(guó)土面積2 806.06 km2，耕地面積僅有684.33 km2，而喀斯特地貌占比87.2%，是喀斯特峰叢洼地地貌發(fā)育極為典型的山區(qū)縣域。2019年，全縣地區(qū)生產(chǎn)總值86.09億元，一、二、三產(chǎn)業(yè)增加值分別為23.24億元、17.56億元、45.29億元，其中第一產(chǎn)業(yè)增加值占比27%，高于第二產(chǎn)業(yè)，是典型的農(nóng)業(yè)縣。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用狀況數(shù)據(jù)為平塘縣自然資源局提供的2019年土地利用變更數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.0中提取各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地?cái)?shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為空間分辨率為10 m×10 m的柵格數(shù)據(jù)，利用Fragstats 4.2對(duì)與細(xì)碎化相關(guān)的景觀指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來(lái)自《平塘縣統(tǒng)計(jì)年鑒(2019)》，數(shù)據(jù)整理后利用DEAP 2.1對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地利用效率加以評(píng)價(jià)。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀指數(shù)選取 景觀指數(shù)廣泛用于城市景觀[19-20]、土地利用[21]等研究，是能夠反映景觀結(jié)構(gòu)和空間配置特點(diǎn)的量化指標(biāo)[22]。本研究借鑒前人研究成果[16]，結(jié)合喀斯特山區(qū)耕地特征[23]，選取拼塊密度、拼塊數(shù)量、邊界密度、平均最鄰近距離、平均地塊面積、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)、平均拼塊分形指數(shù)共7個(gè)指標(biāo)衡量平塘縣耕地細(xì)碎化，各指標(biāo)意義見(jiàn)表1。

表1 景觀指數(shù)分析選擇的指標(biāo)及意義

1.3.2 DEA模型 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)是一種以相對(duì)效率概念為基礎(chǔ)的效率評(píng)價(jià)方法，其中C2R是最基礎(chǔ)的模型，其他模型都是在此模型上改進(jìn)。C2R模型測(cè)度綜合效率，B2C模型可測(cè)度規(guī)模報(bào)酬可變情況下純技術(shù)效率，綜合效率是純技術(shù)效率與規(guī)模效率的乘積。綜合效率衡量投入產(chǎn)出效率、純技術(shù)效率衡量生產(chǎn)和技術(shù)運(yùn)用的有效程度，規(guī)模效率衡量規(guī)模的大小和投入要素調(diào)度程度[24-25]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 22進(jìn)行主成分分析，得出景觀指數(shù)特征值、貢獻(xiàn)率以及載荷矩陣。對(duì)耕地利用效率進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)需綜合考慮耕地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和數(shù)據(jù)的可獲得性，利用DEAP軟件計(jì)算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地利用效率，以平塘縣10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的純技術(shù)效率和規(guī)模效率分別作為因變量，單位面積勞動(dòng)投入、旱地占鄉(xiāng)鎮(zhèn)國(guó)土面積比例、鄉(xiāng)鎮(zhèn)人均GDP以及代表耕地細(xì)碎化水平的第一主成分和第二主成分作為自變量，運(yùn)用SPSS 22進(jìn)行回歸分析，建立純技術(shù)效率模型和規(guī)模效率模型?；貧w模型表現(xiàn)形式為：

Yi=α0+αiMi1+αiLi1+αiSi1+αiGi1+αiFi1+αiFi2

式中，Yi、Li1、Si1、Gi1、Fi1、Fi2和α0分別代表第i個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的純技術(shù)效率或規(guī)模效率、勞動(dòng)力投入、耕地占鄉(xiāng)鎮(zhèn)國(guó)土面積比例、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、第一主成分、第二主成分以及常數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 平塘縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地細(xì)碎化的景觀指數(shù)

從表2看出，大塘鎮(zhèn)在所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)中拼塊密度最高，為34.21塊/100hm2，平均地塊面積和平均拼塊分形指數(shù)最低，分別為3.05 hm2和1.25；甲茶鎮(zhèn)面積加權(quán)平均形狀指數(shù)最高，為18.82；克度鎮(zhèn)平均地塊面積和平均拼塊分形指數(shù)最高，分別為6.49 hm2和1.36，拼塊數(shù)量拼塊數(shù)量、邊界密度邊界密度和平均最鄰近距離最低，分別為681塊、331.25 m/hm2和44.81 m；塘邊鎮(zhèn)拼塊密度最低，為14.47塊/100hm2；通州鎮(zhèn)平均最鄰近距離最高，為64.04 m，面積加權(quán)平均形狀指數(shù)最低，為5.93；掌布鎮(zhèn)拼塊數(shù)量最高，為2 525塊，同時(shí)邊界密度最高，為443.75 m/hm2。

表2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地細(xì)碎化景觀指數(shù)

2.2 平塘縣耕地細(xì)碎化景觀指數(shù)的主成分分析

2.2.1 特征值與貢獻(xiàn)率 由表3看出，平塘縣耕地細(xì)碎化景觀指數(shù)的第1主成分和第2主成分特征值分別為5.065和1.221，因?yàn)槎叩睦塾?jì)方差貢獻(xiàn)率為89.794%(大于85%)，所以可選用第1主成分和第2主成分衡量平塘縣的耕地細(xì)碎化程度。

表3 耕地細(xì)碎化景觀指數(shù)的特征值與貢獻(xiàn)率

2.2.2 載荷矩陣 由表4可知，第1主成分中拼塊密度、拼塊數(shù)量、邊界密度、平均地塊面積的載荷值大于87%，表明4個(gè)指標(biāo)與第1主成分的相關(guān)系數(shù)在0.87以上，第1主成分主要反應(yīng)拼塊密度、拼塊數(shù)量、邊界密度、平均地塊面積4個(gè)指標(biāo)的信息；第1主成分與平均地塊面積呈負(fù)相關(guān)，與拼塊密度、拼塊數(shù)量、邊界密度均呈正相關(guān)，表明平均地塊面積越小、地塊密度越大、數(shù)量越多、形狀越復(fù)雜，土塊細(xì)碎化程度越高。第2主成分中平均最鄰近距離、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)、平均拼塊分形指數(shù)載荷值均大于96%，且第2主成分與3個(gè)指標(biāo)均呈正相關(guān)，說(shuō)明地塊之間平均最鄰近距離越大、地塊形狀越復(fù)雜，耕地細(xì)碎化程度越高。

表4 耕地細(xì)碎化景觀指數(shù)的載荷矩陣

2.3 平塘縣耕地利用效率

從表5看出，平塘縣全縣耕地利用效率中純技術(shù)效率值為1，達(dá)最優(yōu)；綜合效率和規(guī)模效率均為0.813，未達(dá)最優(yōu)，規(guī)模報(bào)酬呈遞減效應(yīng)。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地利用效率存在一定差距，平舟鎮(zhèn)、大塘鎮(zhèn)和卡蒲鄉(xiāng)的綜合效率、純技術(shù)效率和規(guī)模效率均為1，達(dá)最優(yōu)，規(guī)模報(bào)酬保持不變；克度鎮(zhèn)綜合效率最低，為0.739；純技術(shù)效率和規(guī)模效率均是牙舟鎮(zhèn)最低，分別為0.767和0.749；規(guī)模報(bào)酬有3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)保持不變，2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)遞增，5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)遞減。對(duì)規(guī)模報(bào)酬遞增的鄉(xiāng)鎮(zhèn)可通過(guò)持續(xù)的要素投入來(lái)提高規(guī)模效率，而對(duì)于規(guī)模報(bào)酬遞減的鄉(xiāng)鎮(zhèn)需要協(xié)調(diào)各要素的投入比例以提高規(guī)模效率。

表5 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地利用效率

2.4 平塘縣耕地細(xì)碎化因素與純技術(shù)效率和規(guī)模效率的回歸效應(yīng)

從表6看出，純技術(shù)效率模型中，可調(diào)整擬合優(yōu)度R2=0.864，F(xiàn)=12.734**，通過(guò)0.05顯著水平檢驗(yàn)，并通過(guò)自相關(guān)檢驗(yàn)(DW=2.198)，表明純技術(shù)效率模型所選因素對(duì)耕地的純技術(shù)效率具有顯著的綜合影響。衡量耕地細(xì)碎化水平的第1主成分通過(guò)0.05顯著水平檢驗(yàn)，說(shuō)明平均地塊面積越小、地塊密度越大、地塊數(shù)量越多、形狀越復(fù)雜，耕地的純技術(shù)效率越低；第2主成分通過(guò)0.1顯著水平檢驗(yàn)，表明地塊之間平均最鄰近距離越大、地塊形狀越復(fù)雜，純技術(shù)效率越低。

表6 平塘縣耕地細(xì)碎化因素與耕地純技術(shù)效率和規(guī)模效率的回歸模型

規(guī)模效率模型中，可調(diào)整擬合優(yōu)度R2=0.610，F(xiàn)=0.899*，通過(guò)0.1顯著水平檢驗(yàn)，并通過(guò)自相關(guān)檢驗(yàn)(DW=2.312)，說(shuō)明所選因素對(duì)耕地的規(guī)模效率有顯著影響。第1主成分和第2主成分均通過(guò)0.05顯著水平檢驗(yàn)，表明耕地平均地塊面積越小、地塊密度越大、地塊數(shù)量越多、形狀越復(fù)雜，耕地的規(guī)模效率越低。

3 討論

平塘縣為典型的喀斯特峰叢洼地山區(qū)，受山地丘陵為主、地貌破碎、權(quán)屬分散及家庭承包制的影響，耕地細(xì)碎化問(wèn)題十分突出[26]。地塊數(shù)量多、地塊面積小且高度分散的形態(tài)是耕地細(xì)碎化的主要特點(diǎn)[27]，但也包含耕地形狀復(fù)雜、不連片等特點(diǎn)。研究表明，耕地細(xì)碎化對(duì)平塘縣耕地利用效率存在一定的制約作用，影響程度規(guī)模效率大于純技術(shù)效率。降低耕地細(xì)碎化程度要從耕地面積、形狀和分布入手，對(duì)于面積因素，可通過(guò)小塊并大塊方式來(lái)提高單塊地塊面積；對(duì)于形狀和分布因素則可通過(guò)土地整理和農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)的方式達(dá)到消除異形地的目的[28-29]。此外，平塘縣坡耕地占比很高，加之石漠化廣布，開展細(xì)碎化整治的難度較大，可通過(guò)修筑地埂及客土改良等方式增加單塊耕地面積。除以上措施外，有關(guān)部門需要進(jìn)一步為耕地流轉(zhuǎn)集中經(jīng)營(yíng)創(chuàng)造良好的政策環(huán)境，完善激勵(lì)機(jī)制；還應(yīng)積極引導(dǎo)社會(huì)力量參與推動(dòng)土地整治，形成集中連片、分布規(guī)整、設(shè)施完善的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，促進(jìn)規(guī)?；?jīng)營(yíng)水平的不斷提高，從而提升耕地利用效率。

4 結(jié)論

研究基于景觀生態(tài)學(xué)原理測(cè)算典型喀斯特山區(qū)貴州省平塘縣的耕地細(xì)碎化程度，并運(yùn)用回歸方法分析細(xì)碎化程度對(duì)耕地利用效率的影響。結(jié)果表明，表征耕地細(xì)碎化的第1主成分中拼塊密度、拼塊數(shù)量、邊界密度以及平均地塊面積指數(shù)的載荷值均大于88%，第2主成分中平均最鄰近距離、面積加權(quán)平均形狀和平均拼塊分形指數(shù)的載荷值均大于96%，因此，可用拼塊密度、拼塊數(shù)量、邊界密度、平均最鄰近距離、平均地塊面積、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)、平均拼塊分形指數(shù)等景觀指數(shù)作為衡量耕地細(xì)碎化的重要指標(biāo)。

喀斯特山區(qū)耕地細(xì)碎化對(duì)耕地利用效率具有明顯的阻礙作用，平均地塊面積越小、地塊密度越大、地塊數(shù)量越多以及形狀越復(fù)雜，則耕地細(xì)碎化程度越高，耕地的純技術(shù)效率及規(guī)模效率均越低。平塘縣全縣土地綜合效率、純技術(shù)效率及規(guī)模效率分別為0.813、1.000、0.813，處于規(guī)模報(bào)酬遞減階段，10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中有3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合效率達(dá)最優(yōu)，其余7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)未達(dá)最優(yōu)，耕地利用效率具有較大的提升潛力。