基于A(yíng)NN-CA模型的重慶市多級(jí)流域耕地景觀(guān)格局演化及預(yù)測(cè)

黃 淇, 牟鳳云, 張用川, 楊 猛, 陳 林, 王俊秀, 田 甜, 何清蕓

(1.重慶交通大學(xué) 智慧城市學(xué)院, 重慶 400074;2.重慶市勘測(cè)院, 重慶 400020; 3.重慶市地理信息和遙感應(yīng)用中心, 重慶 401147)

耕地是土地資源的重要組成部分，其數(shù)量和質(zhì)量是國(guó)家糧食安全的基本保障，耕地變化研究一直是土地利用變化研究的熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速，城市建設(shè)用地與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地之間的矛盾逐漸突顯，無(wú)序的城市蔓延不僅侵占耕地，減少耕地?cái)?shù)量，還使耕地破碎化，降低耕地質(zhì)量，破壞耕地生態(tài)。本研究對(duì)重慶市城市擴(kuò)張背景下耕地景觀(guān)格局進(jìn)行時(shí)空演化及模擬預(yù)測(cè)分析，有助于解讀重慶市耕地利用現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì)，為耕地保護(hù)與合理規(guī)劃利用提供科學(xué)參考依據(jù)，同時(shí)為山區(qū)耕地的研究尺度提供新視角。

耕地研究往往基于土地利用研究，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外土地利用研究已有較多成果。研究方法上，傳統(tǒng)土地利用研究多基于歷史土地利用數(shù)據(jù)，運(yùn)用土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用程度、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣等方法定量化分析土地利用歷史演化規(guī)律。近年來(lái)，土地利用模擬預(yù)測(cè)逐漸成為熱點(diǎn)，常用模型包括馬爾科夫(Marcov)模型[1]、元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型[2]、CLUE-S模型[3]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)模型[4]等，然而運(yùn)用單一模型進(jìn)行土地利用模擬預(yù)測(cè)往往存在局限，如Marcov模型只能預(yù)測(cè)土地利用數(shù)量演化，CA模型只能預(yù)測(cè)土地利用空間分布。因此，土地利用模擬預(yù)測(cè)逐漸從單一方法轉(zhuǎn)向多方法融合，一些組合模型如CA-Marcov模型[5]、Marcov-CLUES模型[6]、SD-MOP模型[7]、FLUS[8-9]模型逐漸流行。黎夏等在FLUS模型基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)(GeoSOS)[10]，以解決地理信息系統(tǒng)在過(guò)程分析時(shí)存在功能不足的難題，目前，GeoSOS已廣泛應(yīng)用于土地利用變化[11]、城市擴(kuò)張模擬[12]、城市開(kāi)發(fā)邊界識(shí)別[13]、城市發(fā)展規(guī)劃[10]等地理模擬中，因此本研究基于GeoSOS中的ANN-CA模型[14]對(duì)重慶市耕地演化進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。研究尺度上，不同空間尺度景觀(guān)格局的變化過(guò)程不是截然分離的，也不是孤立封閉的，小尺度過(guò)程受大尺度過(guò)程制約，大尺度過(guò)程是小尺度景觀(guān)格局變化及其相互作用累積的結(jié)果[15]，尺度問(wèn)題已成為現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的核心問(wèn)題之一，多尺度空間格局分析是進(jìn)行尺度效應(yīng)分析和跨尺度推繹的基礎(chǔ)[16]。耕地的演化亦隨著時(shí)空尺度的縮放呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，現(xiàn)有研究涉及尺度豐富，包括流域[17]、城市群[18]、省域[19]、市域[20]、縣域[21]、鎮(zhèn)域[22]等，但基于單一尺度揭示耕地演化規(guī)律往往受限于尺度效應(yīng)問(wèn)題，因此如何破解耕地演化的尺度效應(yīng)問(wèn)題成為一個(gè)難點(diǎn)。河流分布對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響重大，河流不僅可以為耕作提供肥沃土壤和灌溉水源，其徑流的季節(jié)變化帶來(lái)的水旱災(zāi)害也影響著耕作制度，而流域是對(duì)河流進(jìn)行研究和治理的基本單元，不同流域的農(nóng)業(yè)發(fā)展程度差異顯著，因此流域尺度是研究耕地的重要視角。但現(xiàn)有基于多尺度的耕地景觀(guān)格局研究多為基于多級(jí)行政區(qū)劃尺度[23-24]，少有基于多級(jí)流域尺度。鑒于此，本研究創(chuàng)新性地從“一級(jí)流域”和“二級(jí)流域”兩種尺度，對(duì)重慶市耕地景觀(guān)格局展開(kāi)研究。綜上所述，研究方法上，本研究基于GeoSOS已有的ANN-CA模型；研究尺度上，為了解決耕地演化的尺度效應(yīng)問(wèn)題，本研究創(chuàng)新性地從多級(jí)流域尺度出發(fā)，對(duì)重慶市耕地演化進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

重慶市位于我國(guó)四川盆地東部，境內(nèi)地形由南北向長(zhǎng)江河谷逐級(jí)遞減，斜貫有巫山、七曜山、大婁山等山脈，渝東北、渝東南分別盤(pán)踞有大巴山、武陵山兩座山脈，中部主要是以低山和丘陵相間排列的平行嶺谷類(lèi)型組合；境內(nèi)水系密布，據(jù)《重慶市水系流域圖》，重慶市一級(jí)流域主要包括：岷—沱江水系、嘉陵江水系、長(zhǎng)江上渝干流水系、烏江水系、漢江水系、洞庭湖水系；又根據(jù)《重慶市國(guó)土空間總體規(guī)劃(2021—2035年)》，重慶市未來(lái)將構(gòu)建市域“一區(qū)兩群”協(xié)調(diào)發(fā)展國(guó)土空間格局，即主城都市區(qū)(包括中心城區(qū)和主城新區(qū))、渝東北三峽庫(kù)區(qū)城鎮(zhèn)群和渝東南武陵山區(qū)城鎮(zhèn)群；截至2019年，全市農(nóng)作物總播種面積334.57萬(wàn)hm2，其中糧食播種面積199.93萬(wàn)hm2，糧食總產(chǎn)量107.5萬(wàn)t，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值139.75億元。綜上，本文擬結(jié)合重慶市流域分布及最新國(guó)土空間規(guī)劃分析其耕地演化規(guī)律及趨勢(shì)。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

本研究涉及的數(shù)據(jù)包括：(1) 土地利用數(shù)據(jù)：重慶市2000年、2010年和2020年土地利用數(shù)據(jù)；(2) 適宜性圖集數(shù)據(jù)：重慶市DEM柵格數(shù)據(jù)；重慶市河流、道路、鐵路、居民地矢量數(shù)據(jù)；重慶市2015年人口、GDP、降雨量、氣溫、土壤類(lèi)型柵格數(shù)據(jù)；(3) 基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)：重慶市縣界區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)、重慶市一級(jí)流域、二級(jí)流域矢量數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 研究數(shù)據(jù)來(lái)源及相關(guān)說(shuō)明

本研究基于重慶市三期歷史土地利用數(shù)據(jù)，首先運(yùn)用Fragstats軟件計(jì)算重慶市2000年、2010年、2020年在多級(jí)流域尺度下的耕地景觀(guān)格局指數(shù)，從而對(duì)比分析重慶市2000—2020年在多級(jí)流域尺度下的耕地景觀(guān)格局時(shí)空演化規(guī)律；再以重慶市2000年、2010年和2020年的土地利用數(shù)據(jù)為歷史樣本，選取適宜性圖集，結(jié)合ArcGIS軟件和GeoSOS for ArcGIS插件，運(yùn)用ANN-CA模型對(duì)重慶市2030年土地利用分布進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，并在模擬的重慶市2030年土地利用分布預(yù)測(cè)圖基礎(chǔ)上，運(yùn)用Fragstats軟件計(jì)算重慶市2030年在多級(jí)流域尺度下的耕地景觀(guān)格局指數(shù)，從而討論研究重慶市未來(lái)2020—2030年耕地景觀(guān)格局演化趨勢(shì)。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀(guān)格局指數(shù) 耕地景觀(guān)格局反映了大小、形狀不一的耕地斑塊在空間上的分布與組合規(guī)律。一方面，耕地景觀(guān)格局的演化受自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素的綜合影響，另一方面，耕地景觀(guān)格局又可反映出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)背景下，農(nóng)業(yè)規(guī)?；娃r(nóng)業(yè)機(jī)械化，耕地景觀(guān)格局逐漸呈現(xiàn)出以下特征：(1) 耕地斑塊內(nèi)部趨于均質(zhì)化，耕地內(nèi)部的零星斑塊(如草地、林地等)大量消失，田面平坦，形狀規(guī)則；(2) 耕地廊道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，明渠被地下暗管、噴灌、滴灌、微灌等節(jié)水設(shè)施取代，狹窄的田間步道消失，取而代之的是適宜大型農(nóng)機(jī)作業(yè)的寬型廊道?；诂F(xiàn)代農(nóng)業(yè)化背景下的耕地景觀(guān)格局特征，結(jié)合已有研究的指標(biāo)選取情況，本文從耕地規(guī)模、耕地破碎度、耕地不規(guī)則度、耕地聚集度4個(gè)角度出發(fā)，選取四項(xiàng)景觀(guān)格局指數(shù)反映重慶市境內(nèi)的耕地景觀(guān)格局，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

2.2.2 ANN-CA仿真模型 ANN-CA(Artificial-neural-network-based cellular automata)仿真模型即基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型，該模型分為訓(xùn)練和模擬兩個(gè)階段，訓(xùn)練階段是基于歷史土地利用數(shù)據(jù)的樣本訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，獲得網(wǎng)絡(luò)權(quán)重值，從而挖掘土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，模擬階段是運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)算法對(duì)土地利用進(jìn)行空間模擬，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到應(yīng)轉(zhuǎn)換的類(lèi)型，判別當(dāng)前柵格是否可以轉(zhuǎn)換，達(dá)到終止條件結(jié)束模擬過(guò)程。

表2 景觀(guān)格局指數(shù)選取

計(jì)算公式：

基于以上原理，本文首先以2000年、2010年土地利用分布圖作為起始、終止數(shù)據(jù)，同時(shí)選取12個(gè)因子作為適宜性圖集，提取重慶市2000—2010年各土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，其中，設(shè)置抽樣比例為5%，鄰域窗口大小為7，模擬總轉(zhuǎn)換量為7 309個(gè)柵格單元，模擬迭代次數(shù)為100次，每次迭代轉(zhuǎn)換量為73個(gè)柵格單元，擴(kuò)散系數(shù)為1，轉(zhuǎn)換閾值為0.9，模擬得到重慶市2020年土地利用分布圖，將其與從GlobeLand 30提取的重慶市2020年土地利用分布圖進(jìn)行對(duì)比，模擬精度達(dá)到89.33%，Kappa系數(shù)達(dá)0.82，證明ANN_CA模型適用于重慶市土地利用演化仿真，且可靠性較高，由此推知，ANN_CA模型可用于預(yù)測(cè)重慶市境內(nèi)耕地時(shí)空演化。

在此基礎(chǔ)上，以2010年、2020年土地利用分布圖作為起始、終止數(shù)據(jù)，根據(jù)《重慶市土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)》中的《重慶市耕地和基本農(nóng)田重點(diǎn)保護(hù)區(qū)圖(2006—2020年)》，將其耕地和基本農(nóng)田重點(diǎn)保護(hù)區(qū)內(nèi)的17個(gè)區(qū)縣作為限制區(qū)，限制其境內(nèi)耕地向其他用地類(lèi)型轉(zhuǎn)換，模擬得到重慶市2030年土地利用分布預(yù)測(cè)圖，從而預(yù)測(cè)重慶市2020—2030年耕地景觀(guān)格局時(shí)空演化趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 重慶市耕地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出情況分析

2000年、2010年、2020年重慶市耕地面積分別約為40 640.87 km2，40 618.32 km2，38 590.33 km2；2000—2010年，耕地轉(zhuǎn)出約2 660.67 km2，轉(zhuǎn)入約2 637.79 km2；2010—2020年，耕地轉(zhuǎn)出約4 742.73 km2，轉(zhuǎn)入約2 713.48 km2(圖1)；總體而言，2000—2020年，重慶市境內(nèi)耕地?cái)?shù)量總體上以先慢后快的速度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，分析原因如下：(1) 城市擴(kuò)張是重慶市耕地?cái)?shù)量下降的主要原因。2000—2020年，重慶市境內(nèi)城市建設(shè)用地呈現(xiàn)出不斷擴(kuò)張的趨勢(shì)，尤其是作為主城都市區(qū)內(nèi)增長(zhǎng)極的中心城區(qū)，因“極化效應(yīng)”而擴(kuò)張效果顯著，又因“擴(kuò)散效應(yīng)”而帶動(dòng)其周?chē)鄬?duì)落后的主城新區(qū)城市建設(shè)用地不斷擴(kuò)張。此外，作為渝東北三峽庫(kù)區(qū)城鎮(zhèn)群、渝東南武陵山區(qū)城鎮(zhèn)群各自的交通樞紐，萬(wàn)州區(qū)、黔江區(qū)的城市建設(shè)用地亦顯著擴(kuò)張。隨著城市建設(shè)用地的大幅擴(kuò)張，重慶市境內(nèi)耕地被大量占用，尤其以主城都市區(qū)內(nèi)耕地被占用的現(xiàn)象最為嚴(yán)重，其次是兩大城鎮(zhèn)群的交通樞紐城市。(2) 退耕還林、耕地撂荒是重慶市耕地?cái)?shù)量下降的次要原因。2000—2020年，渝東北三峽庫(kù)區(qū)和渝東南武陵山區(qū)范圍內(nèi)大量耕地轉(zhuǎn)化為森林，長(zhǎng)江上游水系內(nèi)亦有少量耕地由于長(zhǎng)時(shí)間撂荒而轉(zhuǎn)化為草地和灌木地，由此可知，退耕還林和耕地撂荒也是重慶市耕地?cái)?shù)量下降的不可忽視的因素之一。但在耕地占補(bǔ)平衡制度的制約下，渝東北三峽庫(kù)區(qū)和渝東南武陵山區(qū)范圍內(nèi)又有大量森林在此期間被開(kāi)墾轉(zhuǎn)化為耕地以彌補(bǔ)耕地?fù)p失，因此重慶市2000—2020年耕地?cái)?shù)量總體上雖有所下降，但始終維持在可控范圍內(nèi)。

3.2 重慶市多級(jí)流域耕地景觀(guān)格局時(shí)空演化及模擬預(yù)測(cè)

3.2.1 一級(jí)流域耕地景觀(guān)格局時(shí)空演化及模擬預(yù)測(cè) 觀(guān)察重慶市一級(jí)流域2000—2030年耕地景觀(guān)格局演化趨勢(shì)(圖2)，對(duì)重慶市一級(jí)流域耕地進(jìn)行景觀(guān)格局時(shí)空演化分析和模擬預(yù)測(cè)。

(1) 耕地規(guī)模。2000—2020年，耕地規(guī)?？傮w上平均由0.519先微小擴(kuò)張至0.521后大幅縮減至0.491；排名上，各一級(jí)流域耕地規(guī)模排名穩(wěn)定，始終為：岷、沱江水系>嘉陵江水系>長(zhǎng)江上渝干流區(qū)間>洞庭湖水系>烏江水系>漢江水系；據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)2020—2030年耕地規(guī)模總體上將小幅縮減，其中以嘉陵江水系、長(zhǎng)江上游水系和洞庭湖水系內(nèi)耕地規(guī)模縮減較為顯著。

圖2 重慶市一級(jí)流域2000-2030年耕地景觀(guān)格局演化趨勢(shì)

(2) 耕地破碎度。2000—2020年，耕地破碎度總體上平均由0.217先小幅下降至0.209后大幅上升至0.233；排名上，2000年各一級(jí)流域耕地破碎度排名為：漢江水系>洞庭湖水系>烏江水系>長(zhǎng)江上渝干流區(qū)間>嘉陵江水系>岷、沱江水系，該排名在2000—2020年基本穩(wěn)定不變，僅烏江水系耕地破碎度顯著上升，超越洞庭湖水系；據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)2020—2030年耕地斑塊總體上將進(jìn)一步破碎化，其中以長(zhǎng)江上游水系、洞庭湖水系內(nèi)耕地破碎化趨勢(shì)較為顯著，而漢江水系耕地破碎化現(xiàn)象將小幅減弱。

(3) 耕地不規(guī)則度。2000—2020年，耕地不規(guī)則度總體上平均由0.311先小幅下降至0.290后大幅上升至0.336，耕地形狀總體上呈現(xiàn)出先規(guī)則化后復(fù)雜化的演化規(guī)律；排名上，2000年各一級(jí)流域耕地不規(guī)則度排名為：烏江水系>長(zhǎng)江上游水系>洞庭湖水系>漢江水系>嘉陵江水系>岷、沱江水系，該排名在2000—2020年基本穩(wěn)定不變，僅洞庭湖水系與漢江水系排名交替變化；據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)2020—2030年耕地斑塊總體上將進(jìn)一步復(fù)雜化，尤其以長(zhǎng)江上游水系最為顯著，其后依次是嘉陵江水系、岷沱江水系、烏江水系、洞庭湖水系和漢江水系。

(4) 耕地聚集度。2000—2020年，耕地聚集度總體上平均由0.657先上升至0.677后下降至0.620，耕地斑塊總體上呈現(xiàn)出先聚集后離散的演化規(guī)律；排名上，2000年各一級(jí)流域耕地聚集度排名為：嘉陵江水系>岷、沱江水系>長(zhǎng)江上游水系>洞庭湖水系>漢江水系>烏江水系>漢江水系，該排名在2000—2020年基本穩(wěn)定不變，僅岷、沱江水系排名超越嘉陵江水系；據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)2020—2030年耕地斑塊總體上將進(jìn)一步分散化，其中以長(zhǎng)江上游水系分散化趨勢(shì)最為顯著，其后依次是洞庭湖水系、岷沱江水系、嘉陵江水系、烏江水系和漢江水系。

3.2.2 二級(jí)流域耕地景觀(guān)格局時(shí)空演化及模擬預(yù)測(cè)首先計(jì)算各二級(jí)流域耕地景觀(guān)格局指數(shù)并制作箱線(xiàn)圖(圖3)，由箱線(xiàn)圖可知，2000—2020年，耕地規(guī)模均值由0.492上升至0.494又下降至0.470；耕地破碎度均值由0.157下降至0.151又上升至0.164；耕地不規(guī)則度均值由0.302下降至0.300又上升至0.311；耕地聚集度均值由0.646上升至0.649又下降至0.630。再者對(duì)重慶市2000—2030年耕地景觀(guān)格局演化進(jìn)行分析，二級(jí)流域尺度下的耕地景觀(guān)格局總體上大致與一級(jí)流域尺度相照應(yīng)，但由于尺度進(jìn)一步精細(xì)化，耕地景觀(guān)格局也呈現(xiàn)出更為精細(xì)的時(shí)空分異特征。

觀(guān)察重慶市二級(jí)流域2000—2030年耕地景觀(guān)格局空間分布(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)：二級(jí)流域視角下，重慶市境內(nèi)耕地景觀(guān)格局大致以長(zhǎng)江、小江為界呈現(xiàn)出顯著的空間兩極分化特征。由于長(zhǎng)江以南、小江以北地區(qū)分布著大巴山、巫山、七曜山、大婁山以及武陵山等山脈，山高坡陡、地形崎嶇，導(dǎo)致耕地斑塊破碎化、形狀不規(guī)則化，不適宜大規(guī)模開(kāi)墾耕地，因此該地區(qū)的二級(jí)流域，耕地破碎度和耕地不規(guī)則度相對(duì)較高，耕地規(guī)模和耕地聚集度相對(duì)較低；而長(zhǎng)江以北、小江以南地區(qū)地形則相對(duì)平坦，更適宜耕地規(guī)?；芾?，因此該地區(qū)的二級(jí)流域，耕地破碎度和耕地不規(guī)則度相對(duì)較低，耕地規(guī)模和耕地聚集度相對(duì)較高。

圖3 重慶市二級(jí)流域2000年、2010年和2020年耕地景觀(guān)格局指數(shù)整體分布

進(jìn)一步觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，二級(jí)流域視角下：(1) 耕地規(guī)模、耕地聚集度與高程呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨高程的逐級(jí)上升而呈現(xiàn)出“階梯型”逐級(jí)遞減規(guī)律，同時(shí)，又以主城都市區(qū)的中心城區(qū)為中心沿其四周不斷升高，呈現(xiàn)出顯著的圈層結(jié)構(gòu)；其中以涪江、瓊江、平灘河、瀨溪、淮遠(yuǎn)河、小安溪、梅江河等二級(jí)流域耕地最為聚集。(2) 耕地破碎度與高程呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，隨高程的逐級(jí)上升而呈現(xiàn)出“階梯型”逐級(jí)遞增規(guī)律，以平均海拔最高的大巴山區(qū)內(nèi)任河、州河、東溪河、后溪河等二級(jí)流域耕地破碎化最為嚴(yán)重，以七曜山區(qū)內(nèi)四步河、油草河、馬家河、南濱河、龍河等二級(jí)流域耕地破碎化次為嚴(yán)重。(3) 耕地不規(guī)則度與高程呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系，耕地隨高程的上升而愈發(fā)不規(guī)則化，同時(shí)與道路密度、河網(wǎng)密度、居民點(diǎn)密度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，在道路、河網(wǎng)、居名點(diǎn)密集的區(qū)域耕地不規(guī)則化更為嚴(yán)重。由于長(zhǎng)江上游水系、烏江水系、漢江水系和洞庭湖水系內(nèi)支流繁多，導(dǎo)致其二級(jí)流域內(nèi)耕地形狀大多十分復(fù)雜，長(zhǎng)江上游水系內(nèi)耕地不規(guī)則化以長(zhǎng)江南岸沿線(xiàn)二級(jí)流域最為嚴(yán)重，漢江水系內(nèi)耕地不規(guī)則化以彭溪沿線(xiàn)二級(jí)流域最為嚴(yán)重，洞庭湖水系內(nèi)耕地不規(guī)則化以酉水、梅江、平江、岑龍河沿線(xiàn)二級(jí)流域最為嚴(yán)重。

觀(guān)察重慶市二級(jí)流域2000—2030年耕地景觀(guān)格局空間變化趨勢(shì)(圖5)，分析重慶市二級(jí)流域耕地景觀(guān)格局在2000—2020年期間演化規(guī)律和2020—2030年演化趨勢(shì)。

首先聚焦于重慶市主城都市區(qū)內(nèi)的中心城區(qū)和主城新區(qū)，2000—2020年，隨著重慶市城市化進(jìn)程的不斷加速，其境內(nèi)城市建設(shè)用地得到大幅擴(kuò)張，尤其是主城都市區(qū)內(nèi)的城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張最為顯著，導(dǎo)致主城都市區(qū)內(nèi)二級(jí)流域的耕地規(guī)模和耕地聚集度大幅下降，耕地破碎度和耕地不規(guī)則度大幅上升。其中，2000—2010年，由于城市化進(jìn)程較慢，僅中心城區(qū)內(nèi)二級(jí)流域(梁灘河、璧南河、梅江河、花溪河、竹溪河、清溪河等)的耕地規(guī)模和耕地聚集度小幅下降，耕地破碎度和耕地不規(guī)則度小幅上升；而2010—2020年，由于城市化進(jìn)程加速，以上趨勢(shì)加速擴(kuò)散至其周?chē)闹鞒切聟^(qū)內(nèi)部分二級(jí)流域(瀨溪河、臨江河、御臨河、大溪河等)，耕地規(guī)模和耕地聚集度均大幅下降，耕地破碎度和耕地不規(guī)則度均大幅上升；據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)2020—2030年，在城市建設(shè)用地的進(jìn)一步侵占下，中心城區(qū)內(nèi)二級(jí)流域的耕地規(guī)模和耕地聚集度將呈更大幅的下降趨勢(shì)，但由于受到耕地占補(bǔ)平衡機(jī)制的制約，其周?chē)鞒切聟^(qū)內(nèi)二級(jí)流域的耕地規(guī)模和耕地聚集度將不降反升，用以彌補(bǔ)中心城區(qū)內(nèi)二級(jí)流域所損失的耕地。此外，在城市建設(shè)用地的干擾下，主城都市區(qū)內(nèi)二級(jí)流域的耕地斑塊將進(jìn)一步破碎化，但在未來(lái)農(nóng)業(yè)規(guī)模化管理下，中心城區(qū)及其周?chē)糠种鞒切聟^(qū)內(nèi)二級(jí)流域的耕地形狀不規(guī)則化現(xiàn)象將得到有效遏制，耕地形狀將逐漸傾向于規(guī)則化，但主城新區(qū)內(nèi)二級(jí)流域的耕地規(guī)模化管理還有待時(shí)日，部分二級(jí)流域內(nèi)耕地形狀仍趨向于不規(guī)則化。

再聚焦于渝東北三峽庫(kù)區(qū)城鎮(zhèn)群和渝東南武陵山區(qū)城鎮(zhèn)群，2000—2020年，萬(wàn)州區(qū)、黔江區(qū)作為渝東北三峽庫(kù)區(qū)城鎮(zhèn)群和渝東南武陵山區(qū)城鎮(zhèn)群的交通樞紐城市，城市建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致其內(nèi)二級(jí)流域(磨刀溪、普里河、中井河、阿蓬江、細(xì)沙河等)的耕地規(guī)模大量縮減，但總體而言，由于主城都市區(qū)內(nèi)二級(jí)流域的耕地規(guī)模不斷縮減，為維持耕地占補(bǔ)平衡，渝東北三峽庫(kù)區(qū)城鎮(zhèn)群和渝東南武陵山區(qū)城鎮(zhèn)群內(nèi)大多數(shù)二級(jí)流域的耕地規(guī)模均產(chǎn)生擴(kuò)張，其中2000—2010年，梁平區(qū)、忠縣、墊江縣和豐都縣內(nèi)二級(jí)流域(妝溪河、甘井河、渠溪河、大沙河、龍溪河等)的耕地規(guī)模擴(kuò)張最為顯著，與此同時(shí)耕地斑塊愈發(fā)聚集，耕地形狀愈發(fā)規(guī)則化；2010—2020年，大巴山區(qū)內(nèi)二級(jí)流域(任河、州河、東溪河、后溪河、洋溪河、馬渡河等)的耕地規(guī)模擴(kuò)張最為顯著。盡管渝東北城鎮(zhèn)群和渝東南城鎮(zhèn)群內(nèi)二級(jí)流域的耕地規(guī)模迅速擴(kuò)張，但是粗放的擴(kuò)張無(wú)法保證耕地質(zhì)量，導(dǎo)致位于渝東北、渝東南城鎮(zhèn)群內(nèi)，尤其是大巴山、巫山、七曜山和武陵山區(qū)內(nèi)的二級(jí)流域內(nèi)耕地破碎度、耕地不規(guī)則度變化十分顯著，在空間上呈現(xiàn)出“上升”和“下降”交替分布現(xiàn)象，這可能是由于在新舊耕地的交替演化中，一些原有的耕地在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理下逐漸聚集、破碎度減小，形狀亦趨于規(guī)則化，而另一些新增的耕地由于尚未得到良好管理，呈現(xiàn)出分散化、破碎化和不規(guī)則化現(xiàn)象。而據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)2020—2030年，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理下，這些二級(jí)流域內(nèi)的耕地破碎度將顯著下降，聚集度亦將顯著上升，但耕地形狀總體上卻將進(jìn)一步不規(guī)則化。

圖4 重慶市二級(jí)流域2000-2030年耕地景觀(guān)格局空間分布

圖5 重慶市二級(jí)流域2000-2030年耕地景觀(guān)格局空間變化趨勢(shì)

4 結(jié)論與展望

(1) 2000—2020年，在城市擴(kuò)張、退耕還林和耕地撂荒的綜合影響下，重慶市境內(nèi)耕地?cái)?shù)量由40 640.87 km2以先慢后快的速度下降至38 590.33 km2，多轉(zhuǎn)為城市建設(shè)用地，其次是林地、草地，但在耕地占補(bǔ)平衡制約下始終維持在可控范圍內(nèi)。

(2) 2000—2020年，一級(jí)流域下，耕地規(guī)模均值由0.519先微小擴(kuò)張至0.521后大幅縮減至0.491，耕地破碎度均值由0.217先小幅下降至0.209后大幅上升至0.233，耕地不規(guī)則度均值由0.311先小幅下降至0.290后大幅上升至0.336，耕地聚集度均值總體上平均由0.657先上升至0.677后下降至0.620；二級(jí)流域下，耕地規(guī)模均值由0.492上升至0.494又下降至0.470；耕地破碎度均值由0.157下降至0.151又上升至0.164；耕地不規(guī)則度均值由0.302下降至0.300又上升至0.311；耕地聚集度均值由0.646上升至0.649又下降至0.630。耕地景觀(guān)格局大致與一級(jí)流域相契合，但以長(zhǎng)江、小江為界呈現(xiàn)出更精細(xì)的空間兩極分化特征，且主城都市區(qū)與渝東北三峽庫(kù)區(qū)城鎮(zhèn)群、渝東南武陵山區(qū)城鎮(zhèn)群內(nèi)耕地景觀(guān)格局時(shí)空演化的歷史規(guī)律與未來(lái)趨勢(shì)差異顯著，主城都市區(qū)內(nèi)二級(jí)流域耕地不斷縮減、分散化、破碎化、不規(guī)則化，兩大城鎮(zhèn)群內(nèi)二級(jí)流域耕地不斷擴(kuò)張，位于大巴山、巫山、七曜山和武陵山區(qū)內(nèi)二級(jí)流域的耕地破碎度、耕地不規(guī)則度在空間上呈顯著的升降交替分布現(xiàn)象。

(3) 未來(lái)2020—2030年，一級(jí)流域視角下，重慶市耕地規(guī)模將小幅縮減，耕地斑塊將進(jìn)一步分散化、破碎化、規(guī)則化；二級(jí)流域視角下，中心城區(qū)內(nèi)二級(jí)流域的耕地規(guī)模將進(jìn)一步縮減，耕地趨于分散化、破碎化、規(guī)則化，主城新區(qū)內(nèi)二級(jí)流域的耕地規(guī)模將反之?dāng)U張，耕地趨向于聚集化、破碎化、不規(guī)則化，而兩大城鎮(zhèn)群內(nèi)二級(jí)流域內(nèi)耕地規(guī)模亦將擴(kuò)張，破碎度將顯著下降，耕地將趨向于聚集化、不規(guī)則化。

本文彌補(bǔ)現(xiàn)有研究不足，創(chuàng)新性地從多級(jí)流域尺度出發(fā)，揭示了重慶市耕地景觀(guān)格局演化規(guī)律及趨勢(shì)，在解決耕地演化的尺度效應(yīng)問(wèn)題上作出了有益嘗試，可為山區(qū)耕地的研究尺度提供新視角；同時(shí)運(yùn)用ANN-CA模型模擬、預(yù)測(cè)了重慶市2020年、2030年土地利用，精度達(dá)89.33%，證明該模型較為可靠。但研究亦存在不足之處，如僅就耕地一級(jí)類(lèi)型進(jìn)行了討論，未將耕地細(xì)化至水田、旱地和水澆地等二級(jí)類(lèi)型納入分析，這些問(wèn)題仍需在未來(lái)深入探討。