基于景觀指數(shù)和核密度估算的江蘇省耕地空間分布特征分析

單 捷, 邱 琳, 田 苗, 王志明, 王晶晶, 盧必慧, 黃曉軍

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所,江蘇 南京 210014)

耕地是人類繁衍生息和生存發(fā)展的基礎(chǔ)性資源,也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的物質(zhì)條件,更是糧食安全的關(guān)鍵保障[1]。隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快,部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、工礦用地,全國(guó)耕地總面積呈現(xiàn)出逐年減少的態(tài)勢(shì)。《第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào)》顯示,截至2019年底,中國(guó)的耕地面積為1.279×108hm2,比2009年減少了7.523×107hm2。為有效加強(qiáng)耕地資源保護(hù),促進(jìn)耕地質(zhì)量持續(xù)提升,國(guó)家相關(guān)部門先后出臺(tái)了《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》、《中共中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于做好2022年全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)工作的意見(jiàn)》等一系列政策文件,明確提出“堅(jiān)持最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度”、“落實(shí)‘長(zhǎng)牙齒’的耕地保護(hù)硬措施”、“嚴(yán)守18億畝耕地紅線”。政府對(duì)耕地資源保護(hù)的高度重視以及耕地資源保護(hù)面臨的現(xiàn)實(shí)困境,都需要加強(qiáng)對(duì)耕地資源利用與保護(hù)的科學(xué)研究,這對(duì)于合理規(guī)劃、科學(xué)管理和有效利用耕地資源具有重要意義。

圍繞耕地資源的利用與保護(hù),近20年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了一系列研究,重點(diǎn)聚焦在耕地的時(shí)空變化與驅(qū)動(dòng)力[2-5]、耕地景觀與生態(tài)安全[6-8]、耕地集約利用與整理[9-11]等方面。近年來(lái),景觀生態(tài)學(xué)方法和地理空間分析方法被廣泛應(yīng)用于耕地資源時(shí)空格局變化研究中,任平等[12]采用核密度估算和空間自相關(guān)等研究方法開(kāi)展耕地空間分布格局及其變化特征研究。李黎等[13]運(yùn)用核密度估算和景觀指數(shù)揭示了都江堰市耕地的時(shí)空演變特征。張揚(yáng)等[14]結(jié)合核密度估算和空間自相關(guān)等方法研究喀斯特山區(qū)耕地分布與時(shí)空演變規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因素。目前,已有的關(guān)于江蘇省耕地時(shí)空分布特征的研究中,所用的耕地?cái)?shù)據(jù)多為各類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[15-18],但統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并不能體現(xiàn)耕地地塊的形狀特征和空間分布特征,而利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行江蘇省耕地空間分布特征分析的研究并不多見(jiàn)?；诖?本研究擬以江蘇省耕地為研究對(duì)象,利用遙感數(shù)據(jù)提取高精度耕地地塊,綜合運(yùn)用耕地指數(shù)、景觀指數(shù)、核密度估算、空間自相關(guān)等方法,揭示江蘇省耕地的空間分布特征,以期為江蘇省耕地的空間格局優(yōu)化、耕地資源的合理利用以及耕地管理政策的制定提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省地處中國(guó)大陸東部沿海地區(qū),北緯30°45′～35°08′,東經(jīng)116°21′～121°56′,是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的重要組成部分。江蘇省土地面積為1.072×107hm2,其中耕地面積為4.099×106hm2,土地資源以平原為主,土層深厚,肥力中上,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得天獨(dú)厚,適宜種植水稻、小麥等糧食作物,被稱為“魚(yú)米之鄉(xiāng)”。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究以2012年覆蓋江蘇全省的RapidEye衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源,各期影像質(zhì)量完好。首先對(duì)各期影像進(jìn)行預(yù)處理,然后根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查資料確定耕地和其他地類的解譯標(biāo)志,最后采用目視解譯的方法對(duì)耕地地塊進(jìn)行人工勾繪,得到2012年江蘇省耕地?cái)?shù)據(jù)。在全省范圍內(nèi)隨機(jī)建立220個(gè)500 m×500 m地面樣方,采用亞米級(jí)差分全球定位系統(tǒng)(GPS)對(duì)地面樣方進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,以實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)解譯的耕地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn),解譯精度高于98%。

本研究所用的江蘇省行政區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)中的1∶250 000全國(guó)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)?？紤]到研究區(qū)耕地?cái)?shù)據(jù)的統(tǒng)一性,本研究分別對(duì)江蘇省各設(shè)區(qū)市內(nèi)的市轄區(qū)進(jìn)行合并,最終得到56個(gè)研究單元(圖1)。

2 研究方法

2.1 耕地指數(shù)

為了準(zhǔn)確揭示研究區(qū)耕地的空間分布特征,本研究采用耕地指數(shù)(Ri)[18]分析耕地的空間分布特征,計(jì)算公式如下:

Ri=ci/Si

(1)

式中,ci表示第i個(gè)研究單元的耕地面積,Si表示第i個(gè)研究單元的總面積。

圖1 研究區(qū)研究單元示意Fig.1 Schematic diagram of research units in study area

2.2 景觀指數(shù)

本研究參考相關(guān)方法[19-21],并結(jié)合研究區(qū)耕地的實(shí)際特點(diǎn),在斑塊類型尺度水平上,選取平均斑塊面積、邊界密度、斑塊密度、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)和面積加權(quán)平均分維數(shù)等5個(gè)景觀指數(shù),對(duì)江蘇省耕地地塊的形狀特征進(jìn)行分析,各景觀指數(shù)及生態(tài)學(xué)意義見(jiàn)表1。

2.3 空間自相關(guān)

空間自相關(guān)常被用來(lái)分析某一變量在空間上的分布特征,該方法通過(guò)判斷變量的變化是否取決于其相鄰位置的變化,從而確定該變化是否具有空間自相關(guān)性[22]?？臻g自相關(guān)方法按功能分為2類:全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)。本研究借助該方法對(duì)研究區(qū)耕地的相關(guān)指數(shù)的空間分布特征進(jìn)行分析。

2.3.1 全局空間自相關(guān) 莫蘭指數(shù)(Moran’sI)常被用于全局空間自相關(guān)分析,其表達(dá)式為:

(2)

表1 景觀指數(shù)及其生態(tài)學(xué)意義

通常還要將I標(biāo)準(zhǔn)化為Z,即采用Z檢驗(yàn)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),進(jìn)一步判斷變量空間相關(guān)的正負(fù)性。Z的計(jì)算公式如下:

(3)

式中,E[I]為期望值,V[I]為方差。當(dāng)Z為正值且大于1.96時(shí),表明存在正的空間自相關(guān),呈集聚分布;當(dāng)Z值為負(fù)值且小于-1.96時(shí),表明存在負(fù)的空間自相關(guān),呈離散分布;當(dāng)Z取值在[-1.96,1.96]時(shí),空間自相關(guān)不明顯,呈隨機(jī)分布[27]。

2.3.2 局部空間自相關(guān) 由于全局Moran’sI僅能描述變量的整體分布狀況,判斷變量在空間是否有集聚特征,但其并不能確切指出集聚在哪些地區(qū)。因此,本研究選取局部空間自相關(guān)指數(shù)Local Moran’sI分析空間集聚區(qū)域,公式為:

(4)

(5)

2.4 核密度估算

核密度估算(Kernel density estimation,KDE)利用核函數(shù)計(jì)算各樣點(diǎn)xi在以h為半徑的圓內(nèi)的各柵格單元中心點(diǎn)的密度貢獻(xiàn)值[28],估算模型為:

(6)

式中,h為搜索半徑或帶寬,n為帶寬內(nèi)樣點(diǎn)的數(shù)量,k()為核函數(shù),(x-xi)為估計(jì)點(diǎn)x到樣本點(diǎn)xi的距離。

2.4.1 粒度的選擇 核密度估算前,需要將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù),柵格數(shù)據(jù)粒度的大小會(huì)影響估算結(jié)果[28]。本研究參考相關(guān)研究[28-29],選擇矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)面積差最小時(shí)的粒度進(jìn)行核密度估算。

2.4.2 帶寬的確定 核密度估算時(shí),h增大,估計(jì)點(diǎn)的密度會(huì)變得平滑,但會(huì)掩蓋密度的結(jié)構(gòu),h減小時(shí),估計(jì)點(diǎn)密度變化突兀不平[30]。相關(guān)研究[28]選用基于“Silverman經(jīng)驗(yàn)規(guī)則”帶寬估算公式確定搜索半徑(SR),計(jì)算公式為:

(7)

式中,SD為標(biāo)準(zhǔn)距離,Dm為中值距離,n為帶寬內(nèi)樣點(diǎn)的數(shù)量。本研究根據(jù)研究區(qū)耕地的特點(diǎn),并參考相關(guān)方法[21],經(jīng)過(guò)對(duì)不同帶寬的多次試驗(yàn)并與公式(7)進(jìn)行對(duì)比,確定最優(yōu)帶寬然后進(jìn)行核密度估算。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地指數(shù)的空間分布特征

3.1.1 耕地指數(shù)空間分布分析 計(jì)算江蘇省56個(gè)研究單元的耕地指數(shù),并采用自然斷點(diǎn)法對(duì)其進(jìn)行分級(jí)(圖2):低比重區(qū)(0.096 7～0.179 1)、中低比重區(qū)(0.179 2～0.364 6)、一般比重區(qū)(0.364 7～0.477 5)、中高比重區(qū)(0.477 6～0.560 8)、高比重區(qū)(0.560 9～0.660 5)。江蘇省耕地指數(shù)空間分布呈北高南低的特征,中高比重區(qū)和高比重區(qū)主要分布于耕地資源豐富的蘇北5市(徐州市、宿遷市、連云港市、淮安市和鹽城市),一般比重區(qū)分布于蘇中3市(揚(yáng)州市、泰州市和南通市),低比重區(qū)和中低比重區(qū)分布于經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快、城市化進(jìn)程較快的蘇南5市(南京市、鎮(zhèn)江市、常州市、無(wú)錫市和蘇州市)。全省56個(gè)研究單元中,處于低比重區(qū)的研究單元有3個(gè),處于中低比重區(qū)的有13個(gè),處于一般比重區(qū)的有14個(gè),處于中高比重區(qū)的有12個(gè),處于高比重區(qū)的有14個(gè)?？梢?jiàn),全省56個(gè)研究單元在除低比重區(qū)以外的其他4個(gè)等級(jí)區(qū)分布的數(shù)量都較為平均。

3.1.2 耕地指數(shù)的全局空間自相關(guān)分析 利用GeoDa 1.20計(jì)算耕地指數(shù)的全局Moran’sI,進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析。江蘇省耕地指數(shù)全局Moran’sI為0.657,P值為0.001,Z值為7.814 5,表明江蘇省耕地空間分布具有很強(qiáng)的空間正相關(guān),呈現(xiàn)顯著的集聚狀態(tài)。

3.1.3 耕地指數(shù)的局部空間自相關(guān)分析 在GeoDa 1.20中計(jì)算耕地指數(shù)的局部Moran’sI,分析其局部空間集聚特征。高-高型表示與耕地指數(shù)高值研究單元相鄰的研究單元都為高值;低-低型表示與耕地指數(shù)低值研究單元相鄰的研究單元都為低值;低-高型表示與耕地指數(shù)低值研究單元相鄰的研究單元都為高值;高-低型表示與耕地指數(shù)高值研究單元相鄰的研究單元都為低值。

圖3顯示,耕地指數(shù)局部正相關(guān)類型中,高-高型和低-低型的研究單元各有11個(gè);高-高型集中分布于蘇北的鹽城市和連云港市;低-低型集中分布于蘇南的蘇錫常3市;局部負(fù)相關(guān)類型中,高-低型和低-高型各有1個(gè),分別是蘇南的丹陽(yáng)市和蘇北的連云港市區(qū);不顯著型有32個(gè),這些地區(qū)的耕地指數(shù)在空間上呈隨機(jī)分布?？梢?jiàn)江蘇省耕地高比重集聚區(qū)主要分布在蘇北地區(qū),耕地低比重集聚區(qū)分布在蘇南地區(qū)。

3.2 耕地景觀指數(shù)的空間分布特征

3.2.1 耕地景觀指數(shù)的空間分布分析 首先,在Arcgis 10.2中將研究區(qū)的耕地矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間分辨率為10 m×10 m的柵格數(shù)據(jù),再利用Fragstats 4.2計(jì)算景觀指數(shù)并分級(jí)(圖4)。由圖4可以看出,江蘇省耕地平均斑塊面積指數(shù)的分布特征是蘇北>蘇中>蘇南,指數(shù)較高的地區(qū)主要分布于蘇北5市,

圖2 江蘇省耕地指數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of cultivated land index in Jiangsu province

圖3 江蘇省耕地指數(shù)集聚區(qū)分布Fig.3 Spatial aggregation distribution of cultivated land index in Jiangsu province

圖4 景觀指數(shù)空間分布Fig.4 Spatial distribution of landscape indices in Jiangsu province

指數(shù)較低的地區(qū)則集中分布在蘇南5市。斑塊密度指數(shù)和邊界密度指數(shù)的分布特征均為蘇中>蘇北>蘇南,除南通市整體較高以外,其他各市都有高有低。面積加權(quán)平均形狀指數(shù)和面積加權(quán)平均分維數(shù)的分布特征相似,均為蘇南>蘇中>蘇北,指數(shù)較高的地區(qū)分布在蘇南的南京市和常州市以及蘇中的南通市,蘇北和蘇中的指數(shù)均較低?？梢?jiàn),蘇南耕地地塊形狀復(fù)雜度最大,破碎度最高,其次是蘇中,蘇北最小。

3.2.2 耕地景觀指數(shù)的全局空間自相關(guān)分析 利用GeoDa 1.20計(jì)算耕地景觀指數(shù)的全局Moran’sI指數(shù),對(duì)其進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析(表2)。5個(gè)景觀指數(shù)的全局Moran’sI指數(shù)均大于0,邊界密度指數(shù)和面積加權(quán)平均分維數(shù)的Z值均大于1.960 0,說(shuō)明這2個(gè)指數(shù)在空間分布上具有顯著的正相關(guān),集聚特征較為顯著;平均斑塊面積指數(shù)、斑塊密度指數(shù)和面積加權(quán)平均形狀指數(shù)的Z值均小于1.960 0,說(shuō)明這3個(gè)指數(shù)的空間自相關(guān)性不明顯,沒(méi)有明顯的集聚特征。

表2 全局空間自相關(guān)分析

3.2.3 耕地景觀指數(shù)的局部空間自相關(guān)分析 利用GeoDa 1.20計(jì)算各景觀指數(shù)的局部Moran’sI(圖5)。

平均斑塊面積指數(shù)的局部正相關(guān)類型有3個(gè),均為低-低型(南通市區(qū)、常熟市和高郵市);局部負(fù)相關(guān)類型有3個(gè),其中高-低型1個(gè)(溧陽(yáng)市),低-高型2個(gè)(泗陽(yáng)縣和盱眙縣);其他50個(gè)均為不顯著型。

斑塊密度指數(shù)的局部正相關(guān)類型有4個(gè),其中高-高型1個(gè)(如東縣),低-低型3個(gè)(宜興市、無(wú)錫市區(qū)和蘇州市區(qū));局部負(fù)相關(guān)類型有1個(gè),為低-高型(高郵市);其他51個(gè)研究單元均為不顯著型。

邊界密度指數(shù)的局部正相關(guān)類型有9個(gè),其中高-高型4個(gè)(集中分布在南通市),低-低型5個(gè)(集中分布在無(wú)錫市和蘇州市);局部負(fù)相關(guān)類型有1個(gè),為低-高型(高郵市);其他46個(gè)均為不顯著型。

面積加權(quán)平均形狀指數(shù)的局部正相關(guān)類型有6個(gè),其中高-高型3個(gè)(南京市、鎮(zhèn)江市區(qū)和揚(yáng)中市),低-低型3個(gè)(東?？h、新沂市和沭陽(yáng)縣);局部負(fù)相關(guān)類型有3個(gè),其中高-低型1個(gè)(徐州市區(qū)),低-高型2個(gè)(常州市區(qū)和金壇市);其他47個(gè)均為不顯著型。

面積加權(quán)平均分維數(shù)的局部正相關(guān)類型有10個(gè),其中,高-高型4個(gè)(集中分布在南京市和鎮(zhèn)江市),低-低型6個(gè)(集中分布在徐州市、宿遷市和連云港市);局部負(fù)相關(guān)類型有3個(gè),其中高-低型1個(gè)(徐州市區(qū)),低-高型2個(gè)(常州市區(qū)和金壇市);其他43個(gè)均為不顯著型。

可見(jiàn),無(wú)論是局部正相關(guān)類型還是局部負(fù)相關(guān)類型,邊界密度指數(shù)和面積加權(quán)平均分維數(shù)所包含的研究單元個(gè)數(shù)均高于其他3個(gè)景觀指數(shù),這與全局Moran’sI指數(shù)的結(jié)果一致。

3.3 基于核密度估算的景觀指數(shù)空間分布特征

3.3.1 耕地核密度估算結(jié)果 本研究采用5 km×5 km的網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)進(jìn)行劃分,計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格里耕地比重并分級(jí),據(jù)此建立耕地面積點(diǎn)狀空間分布圖(圖6a),從而進(jìn)行核密度估算。最終得到耕地密度變化范圍為1 km20～84.037 2點(diǎn),并將耕地密度分為低密度區(qū)(1 km20～9.263 9點(diǎn))、中低密度區(qū)(1 km29.264 0～27.791 8點(diǎn))、中密度區(qū)(1 km227.791 9～45.658 0點(diǎn))、中高密度區(qū)(1 km245.658 1～61.208 2點(diǎn))和高密度區(qū)(1 km261.208 3～84.037 2點(diǎn))(圖6b)。

由圖6可知,比重較高的耕地集中分布在中高密度區(qū)到高密度區(qū),如蘇北5市和蘇中3市;比重較低的耕地分布在低密度區(qū)到中密度區(qū),如蘇南5市。全省0.52%的耕地分布在低密度區(qū),5.36%的耕地分布在中低密度區(qū),19.60%的耕地分布在中密度區(qū),37.93%的耕地分布在中高密度區(qū),36.60%的耕地分布在高密度區(qū)?？梢?jiàn),江蘇省70%以上的耕地集中分布在中高密度到高密度區(qū)。

圖5 江蘇省耕地景觀指數(shù)集聚區(qū)分布Fig.5 Spatial aggregation distribution of cultivated landscape indices in Jiangsu province

a:耕地比重;b:核密度估算結(jié)果。圖6 耕地比重與核密度估算結(jié)果分布Fig.6 Spatial distribution of cultivated land proportion and kernel density estimation results

分別對(duì)各耕地密度等級(jí)區(qū)分布的研究單元個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由表3可知,隨著耕地密度等級(jí)的提高,各密度區(qū)的分布范圍呈先增大后減小的趨勢(shì)。中密度區(qū)分布范圍最廣,分布在全部56個(gè)研究單元中,低密度區(qū)分布的研究單元個(gè)數(shù)最少,只有37個(gè)。

對(duì)各個(gè)研究單元包含的耕地密度等級(jí)個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由圖7可知,全省56個(gè)研究單元中,25個(gè)研究單元包含5個(gè)等級(jí)(低密度區(qū)至高密度區(qū)),約占所有研究單元的44.6%,集中分布在蘇北5市和蘇中的南通市;22個(gè)研究單元包含4個(gè)等級(jí),占比約39.3%,大部分集中分布在蘇南5市(低密度區(qū)至中高密度區(qū)),少數(shù)分布于蘇北和蘇中(中低密度區(qū)至高密度區(qū));9個(gè)研究單元包含3個(gè)耕地密度等級(jí),占比約16.1%,集中分布在蘇南的鎮(zhèn)江市(中低密度區(qū)至中高密度區(qū))、蘇州市南部(低密度區(qū)至中密度區(qū))?？梢?jiàn),蘇北的耕地等級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且耕地密度等級(jí)較高,其次是蘇中,蘇南的耕地等級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且耕地密度等級(jí)較低。

表3 不同耕地密度等級(jí)區(qū)分布的研究單元個(gè)數(shù)

a:各研究單元包含的耕地密度等級(jí)個(gè)數(shù);b:各研究單元包含的耕地密度區(qū)間。圖7 耕地密度等級(jí)空間分布Fig.7 Spatial distribution of cultivated land density grade

3.3.2 不同耕地密度區(qū)的景觀指數(shù)變化特征分析 分別對(duì)各研究單元內(nèi)不同耕地密度等級(jí)區(qū)內(nèi)的景觀指數(shù)求平均值,由表4可知,隨著耕地密度等級(jí)的提高,各密度區(qū)的平均斑塊面積指數(shù)的均值呈上升趨勢(shì),在高密度區(qū)達(dá)到峰值,其他4個(gè)景觀指數(shù)的均值都是先上升后下降,在中高密度區(qū)達(dá)到峰值。

表4 不同耕地密度區(qū)的景觀指數(shù)的平均值統(tǒng)計(jì)

對(duì)不同耕地密度區(qū)內(nèi)各研究單元的景觀指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析各景觀指數(shù)在不同密度區(qū)的變化特征(圖8)。

(1)平均斑塊面積指數(shù):34個(gè)研究單元的平均斑塊面積指數(shù)隨著耕地密度的增加而增加,集中分布在徐州市、宿遷市、淮安市、揚(yáng)州市、泰州市、南京市、鎮(zhèn)江市和常州市等;7個(gè)研究單元的平均斑塊面積指數(shù)呈先上升再下降的趨勢(shì),集中分布于泰州市北部及其相鄰的張家港市;7個(gè)研究單元的平均斑塊面積指數(shù)呈先上升再下降最后再上升的趨勢(shì),主要分布于南通市中部和鹽城市北部;8個(gè)研究單元的平均斑塊面積指數(shù)呈先下降再上升的趨勢(shì),分散分布于蘇北、蘇中和蘇南。可見(jiàn),全省60%地區(qū)耕地的平均斑塊面積指數(shù)隨著耕地密度由低到高逐漸增大。

圖8 景觀指數(shù)隨耕地密度等級(jí)變化趨勢(shì)空間分布Fig.8 Spatial distribution of landscape indices changing with cultivated land density grade

(2)斑塊密度指數(shù):14個(gè)研究單元的斑塊密度指數(shù)隨著耕地密度的增加而增加,集中分布在沿海地區(qū)的連云港市和鹽城市;41個(gè)研究單元的斑塊密度指數(shù)呈先上升再下降的趨勢(shì),集中分布在徐州市、宿遷市、淮安市、蘇中3市和蘇南5市;僅有揚(yáng)中市的斑塊密度指數(shù)下降?？梢?jiàn),全省73%地區(qū)耕地的斑塊密度指數(shù)隨著耕地密度由低到高逐漸增大再減小。

(3)邊界密度指數(shù):13個(gè)研究單元的邊界密度指數(shù)隨著耕地密度的增加而增加,集中分布在鹽城市;42個(gè)研究單元的邊界密度指數(shù)呈先上升再下降的趨勢(shì),集中分布在徐州市、宿遷市、淮安市、蘇中3市和蘇南5市;僅有揚(yáng)中市的邊界密度指數(shù)下降?？梢?jiàn),全省75%地區(qū)耕地的邊界密度指數(shù)隨著耕地密度由低到高逐漸增大再減小。

(4)面積加權(quán)平均形狀指數(shù):30個(gè)研究單元的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)隨著耕地密度的增加而增加,集中分布于鹽城市、淮安市、徐州市與宿遷市的交界地區(qū)、泰州市、鎮(zhèn)江市、常州市和蘇州市;10個(gè)研究單元的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)呈先上升再下降的趨勢(shì),集中分布在南通市和連云港市北部;2個(gè)研究單元(金湖縣和高郵市)的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)呈下降趨勢(shì);5個(gè)研究單元的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)先上升再下降最后再上升,分散分布于徐州市、宿遷市和鹽城市;7個(gè)研究單元的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)先下降再上升,集中分布于宿遷市、連云港市和淮安市的交界地區(qū);2個(gè)研究單元(徐州市區(qū)和南京市區(qū))的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)先下降再上升最后再下降?？梢?jiàn),全省54%地區(qū)耕地的面積加權(quán)平均形狀指數(shù)隨著耕地密度由低到高逐漸增大。

(5)面積加權(quán)平均分維數(shù):30個(gè)研究單元的面積加權(quán)平均分維數(shù)隨著耕地密度的增加而增加,集中分布于鹽城市、淮安市、徐州市與宿遷市的交界地區(qū)、連云港市南部、泰州市、鎮(zhèn)江市、常州市和蘇州市;10個(gè)研究單元的面積加權(quán)平均分維數(shù)先上升再下降,集中分布在南通市;3個(gè)研究單元(金湖縣、高郵市和東?？h)的面積加權(quán)平均分維數(shù)呈下降趨勢(shì);4個(gè)研究單元(邳州市、泗洪縣、響水縣和濱?？h)的面積加權(quán)平均分維數(shù)先上升再下降最后再上升;7個(gè)研究單元的面積加權(quán)平均分維數(shù)先下降再上升,集中分布于徐州市、宿遷市和淮安市交界處;2個(gè)研究單元(徐州市區(qū)和南京市區(qū))的面積加權(quán)平均分維數(shù)先下降再上升最后再下降。可見(jiàn),全省54%地區(qū)耕地的面積加權(quán)平均分維數(shù)隨著耕地密度由低到高逐漸增大。

4 結(jié) 論

本研究以江蘇省為研究區(qū),利用高空間分辨率遙感影像提取耕地?cái)?shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上采用耕地指數(shù)、景觀指數(shù)和多種空間分析方法,探討江蘇省耕地地塊的空間分布特征,結(jié)論如下:

(1)耕地指數(shù)的空間分布特征:江蘇省耕地指數(shù)空間分布呈現(xiàn)北高南低的特征,耕地高比重區(qū)集中分布于耕地資源豐富的蘇中和蘇北地區(qū),耕地低比重區(qū)集中分布于經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快、城市化進(jìn)程較快的蘇南地區(qū)。

(2)耕地指數(shù)的空間自相關(guān)特征:江蘇省耕地指數(shù)的空間分布整體上呈現(xiàn)很強(qiáng)的空間正相關(guān),呈顯著的集聚狀態(tài);耕地高比重集聚區(qū)分布在蘇北地區(qū),耕地低比重集聚區(qū)分布在蘇南地區(qū)。

(3)耕地景觀指數(shù)的空間分布特征:平均斑塊面積指數(shù)總體分布特征是蘇北>蘇中>蘇南;斑塊密度指數(shù)和邊界密度指數(shù)總體分布特征為蘇中>蘇北>蘇南;面積加權(quán)平均形狀指數(shù)和面積加權(quán)平均分維數(shù)總體分布特征為蘇南>蘇中>蘇北;蘇南耕地地塊形狀復(fù)雜度最大,其次是蘇中,蘇北最小。

(4)耕地景觀指數(shù)的空間自相關(guān)特征:邊界密度指數(shù)和面積加權(quán)平均分維數(shù)存在明顯的空間自相關(guān),在空間分布上具有顯著的正相關(guān),集聚特征較為顯著;平均斑塊面積指數(shù)、斑塊密度指數(shù)和面積加權(quán)平均形狀指數(shù)的空間自相關(guān)不明顯,沒(méi)有明顯的集聚特征。

(5)不同耕地密度區(qū)的耕地景觀指數(shù)空間分布特征:江蘇省70%以上的耕地集中分布在中高密度到高密度區(qū);隨著耕地密度等級(jí)的提高,各密度區(qū)的分布范圍呈先增加后減少的趨勢(shì);全省50%以上地區(qū)耕地的平均斑塊面積指數(shù)、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)和面積加權(quán)平均分維數(shù)隨著耕地密度的增大而升高;全省70%以上地區(qū)耕地的斑塊密度指數(shù)和邊界密度指數(shù)隨著耕地密度的增加先上升再下降。

同時(shí),本研究還存在一定的不足,如未對(duì)形成耕地空間分布特征差異的原因進(jìn)行分析,所以在后續(xù)的研究中將運(yùn)用相關(guān)分析方法并結(jié)合蘇北、蘇中、蘇南的自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等因素對(duì)其進(jìn)行深入分析和探討。另外,在今后的研究中,將對(duì)江蘇省耕地地塊數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新,并運(yùn)用如耕地重心模型、土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)模型、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、地理加權(quán)回歸模型等地理空間分析方法,對(duì)江蘇省耕地資源的時(shí)空分布格局、演變特征及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行探索和分析,為耕地資源的可持續(xù)利用、合理規(guī)劃和管理以及耕地保護(hù)政策的制定等提供科學(xué)依據(jù)。