丹江口市耕地空間格局演變分析*

孫 佩 ，易潔偉 ，周凌云 ，張 馳 ，王雯雯

（湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430034）

0 引言

耕地是生產(chǎn)糧食的搖籃，而糧食是人類得以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。21世紀以來，全球人口數(shù)量持續(xù)增加，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展占用的土地資源越來越多，耕地面積逐漸減少，保障耕地的數(shù)量和質(zhì)量成為保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要的一環(huán)。因此，掌握耕地資源的變化情況，加強對耕地的管理與合理利用尤為重要。

在耕地保護方面，周偉等[1]構(gòu)建了橫向為主、縱向為輔的耕地保護補償機制，錢鳳魁等[2]基于三維生態(tài)足跡模型對耕地生態(tài)補償額度進行了估算分析。在耕地質(zhì)量研究方面，主要通過耕地價值量的核算[3]、PSR模型[4-5]、改進灰靶模型[6]、空間自相關(guān)[7-8]等方法對耕地質(zhì)量進行評價。耕地景觀格局是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)與耕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到直接的影響作用[9]。目前，大部分學(xué)者主要通過空間自相關(guān)分析、地理加權(quán)回歸模型[10]等方法探討耕地景觀格局指數(shù)與耕地質(zhì)量之間的聯(lián)系，研究結(jié)果表明兩者之間存在著較大程度的相關(guān)性。

綜上所述，無論是耕地質(zhì)量評價方法還是耕地景觀格局的研究，各體系已相對成熟，但將二者結(jié)合的研究方法還相對較少。鑒于此，本文以湖北省丹江口市為研究對象，探討了景觀格局指數(shù)分析法與核密度估算法在耕地空間格局演變中的作用機制，為區(qū)域耕地質(zhì)量的提升與合理利用提供了有效參考。

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省丹江口市位于中國中南地區(qū)、湖北省西北部、漢江中上游，介于東經(jīng)110°47′53″~110°34′47″，北緯32°14′10″~32°58′10″之間，總面積約3 121 km2。依據(jù)2020年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其耕地面積約為254.047 5 km2。丹江口市地勢高低懸殊，地貌單元眾多，以亞熱帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)為主，年降雨量豐富，年平均氣溫為15.9 ℃，土壤以黃棕壤和黃壤為主[11]。整個研究區(qū)轄20個鎮(zhèn)（辦、處、區(qū)）、194個村，總?cè)丝诩s47萬人，是南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)[12]，擁有國家5A級旅游景區(qū)武當(dāng)山以及國家級風(fēng)景名勝區(qū)丹江口水庫風(fēng)景區(qū)[13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

區(qū)域研究數(shù)據(jù)主要來源于自然資源規(guī)劃局提供的2010年、2015年與2020年的變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)經(jīng)過反復(fù)舉證、核查、質(zhì)檢，精度相對較高。依據(jù)GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》對所獲取的數(shù)據(jù)進行重新分類整理，由于本文主要研究耕地變化情況，因此主要篩選了耕地圖斑并導(dǎo)出形成單獨的耕地數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)計算耕地景觀指數(shù)，并利用Arcgis的統(tǒng)計功能進行面積的統(tǒng)計[14]。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局指數(shù)分析法

景觀格局指數(shù)是研究景觀生態(tài)的重要方法。Fragstats是最常用的計算軟件，常用的計算方式有三種，分別是總體景觀格局指數(shù)計算、移動窗口法計算和網(wǎng)格分析法。由于研究區(qū)地形復(fù)雜多樣，且山區(qū)面積較廣，綜合考慮后將本研究的粒度選定為30 m。

耕地景觀格局指數(shù)是景觀格局信息的高度概括，是反映景觀結(jié)構(gòu)組成、空間配置特征的量化指標[8,15]。本文從景觀類型水平方面選取了耕地面積（TA）、斑塊數(shù)量（NP）等5個耕地景觀格局指數(shù)，景觀格局指數(shù)信息如表1所示，并用斑塊數(shù)量與耕地景觀面積的比值（NP/TA）來度量耕地破碎化程度[16]。以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理得到的2010—2020年的景觀類型柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在Fragstats軟件中進行計算，分析研究期間各年耕地景觀格局指數(shù)的變化特征。

1.3.2 核密度估算法

核密度估算法（KDE）[17-18]是一種非參數(shù)估計方法，該方法不利用相關(guān)數(shù)據(jù)分布的先驗知識[17]，對數(shù)據(jù)分布不附加任何假定，是一種從統(tǒng)計樣本本身入手研究數(shù)據(jù)分布特性的新方法，所以，在統(tǒng)計理論與應(yīng)用上均引起了學(xué)者們的高度關(guān)注[19]。本文通過核密度估算法對丹江口市耕地面積空間分布情況進行分析，可直觀明了地展現(xiàn)出研究區(qū)域耕地數(shù)量在空間上的集聚程度。KDE方法的具體原理為：以每個樣點xi為中心，利用核函數(shù)估算每個樣點，再搜索半徑內(nèi)各個柵格單元中心的貢獻密度數(shù)值，柵格單元中心和樣點距離越近，貢獻數(shù)值也越大。其估算模型為：

式中，fn為耕地地塊分布核密度測算值；n為耕地地塊的數(shù)量；k為核密度函數(shù)；x-xi為測算耕地地塊x到樣本耕地地塊xi處的距離；h為核密度測算帶塊的平滑參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀格局指數(shù)分析

利用Arcgis的轉(zhuǎn)換工具分別將2010年、2015年與2020年的耕地矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格，再導(dǎo)入Fragstats軟件中，選擇研究所需的耕地景觀格局指數(shù)進行計算，計算結(jié)果如表2所示。

表2 2010年、2015年與2020年丹江口市耕地景觀級別與類型級別指數(shù)

結(jié)合表1、表2可知，2010—2020年丹江口市耕地面積變化趨勢為先增加后減少；在研究區(qū)總面積不變的情況下，類型級別下的耕地斑塊所占景觀總面積比例（PLAND）同樣也呈現(xiàn)出先增加后減少的特征[16]。耕地面積的減少與城鎮(zhèn)化的關(guān)系密不可分，研究期間耕地斑塊所占景觀總面積比例平均只有10%左右，這表明在研究區(qū)進行耕地保護刻不容緩。耕地破碎度（NP/TA）在研究期間一直處于增加狀態(tài)，表明原有的連片耕地被其他因素分割成了許多的零散圖斑，可能是交通道路的建設(shè)、其他農(nóng)用地的開發(fā)利用等導(dǎo)致了耕地的破碎度一直上升。與此同時，耕地的平均斑塊形狀指數(shù)（MSI）一直在減小，耕地景觀形狀相對于相同尺寸標準形狀的復(fù)雜程度存在下降的趨勢，說明通過人類活動的改造，其外觀逐漸規(guī)則化。斑塊數(shù)量（NP）一直增大，而聚集度指數(shù)（AI）先增大后減小，但其整體聚集度指數(shù)較高，表明耕地在呈現(xiàn)聚集狀態(tài)的同時被其他地類分割，導(dǎo)致了耕地聚集程度的降低和斑塊數(shù)量的增加。

2.2 核密度估算

將所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后，得到研究區(qū)域所需年份的耕地矢量數(shù)據(jù)圖層。首先利用Arcgis中的數(shù)據(jù)管理工具將耕地面要素轉(zhuǎn)換為點要素，然后利用空間分析工具進行核密度分析計算，接著將計算結(jié)果進行裁剪，得到研究區(qū)域最終的核密度分布圖。為了更直觀地分析耕地分布情況，采用自然斷點分級法將核密度圖分成4級，生成丹江口市2010年、2015年和2020年的耕地空間演變核密度圖，如圖1所示。

圖1 丹江口市耕地核密度分布圖

由圖1可知，2010—2020年，丹江口市核密度高值區(qū)整體有向北移動的趨勢；2010—2015年，東北部地區(qū)核密度值雖有所下降，但整體仍偏高，到2020年，高值區(qū)集中向北移動。核密度低值區(qū)主要分布在丹江口水庫附近以及武當(dāng)山旅游經(jīng)濟特區(qū)，主要原因是丹江口水庫附近水位變化較大，且有一定范圍發(fā)展成了旅游區(qū)，存在一定的消落帶，不適合耕地的長期發(fā)展；而武當(dāng)山旅游經(jīng)濟特區(qū)以發(fā)展生態(tài)旅游為主，大部分地區(qū)位于生態(tài)保護紅線內(nèi)，不適合開墾為耕地。

3 結(jié)論與討論

本文基于Arcgis與Fragstats軟件，利用景觀指數(shù)分析法以及核密度估算法對丹江口市耕地空間分布情況進行了分析，主要研究結(jié)果如下：

1）景觀格局指數(shù)分析結(jié)果顯示，景觀類型水平方面的耕地面積（TA）、聚集度指數(shù)（AI）、斑塊所占景觀面積比例（PLAND）都呈現(xiàn)出先增后減的特征；而斑塊數(shù)量（NP）與耕地破碎度（NP/TA）數(shù)值一直增加，表明丹江口市的耕地在研究期間破碎化程度不斷增加，受人類活動影響越來越大；因而在一定程度上使得耕地圖斑的外觀形態(tài)趨于規(guī)則化，故平均斑塊形狀指數(shù)（MSI）呈現(xiàn)下降的趨勢。

2）由核密度空間分布圖可知，2010—2020年，丹江口市核密度的空間分布特征表現(xiàn)為：除了丹江口水庫附近以及武當(dāng)山旅游經(jīng)濟特區(qū)，其他地方的核密度值均較高，高值整體有向北遷移的趨勢。這種分布特征主要受丹江口市水庫附近水位變化反復(fù)以及旅游業(yè)發(fā)展的影響。