河北省農用地質量空間格局的計量地理分析*

張曉燕,張利,陳影,李新旺,許 皞

（河北農業大學資源與環境科學學院,河北保定 071000）

土地是人類賴以生存和發展的物質基礎,土地質量能體現自然因素與人類活動對土地的影響,其高低將直接關系著環境改善與土地持續利用[1]。在人口、資源和環境矛盾日益加劇的今天,土地質量問題已引起世界各國政府、國際組織和科學家的普遍關注,土地質量研究業已成為土地科學獨具前景的領域之一[2]。目前,國內對土地質量的研究較多,但主要圍繞在土地質量指標體系的建立上,對于土地質量空間尺度的變異研究較少;農用地作為土地的重要組成部分,其質量的高低影響著農用地資源的生產能力,近年國內對農用地質量方面的研究,相繼開展了糧食生產能力估算[3]、農用地分等定級與估價[4]等研究,自2008年以來,有些學者也開始了對農用地資源質量空間格局及影響機制[5-6]的研究。

河北省是我國高原、山地丘陵、平原和海洋地貌類型齊全的唯一省份,其顯著的區域分異、獨特的自然條件、各異的發展水平和土地利用管理水平,決定了河北省農用地資源質量存在明顯的空間差異,分析和探討其空間分布規律,對于促進區域農用地的合理開發,推動農用地資源的可持續利用有重要作用。目前對河北省土地(農用地)質量的研究僅局限在基于GIS的土地質量評價[7]、生產函數在土地質量指標體系中的應用研究[8]、基于斑塊層次的土地利用變化對土地質量影響的初步分析[9]、基于農用地分等的農地質量分析[10]等方面,涉及對河北省農用地質量空間格局定量分析的研究未見報道,筆者首次運用計量地理學的方法在此方面進行探討。

計量地理學是以數學方法為核心,以計算機技術和現代計算工具為基礎,著重強調用計量分析的數學方法來探究地理現象發生發展的內在規律,進而導出地理學的一般理論,尋找地理學理論的一般“范式”[11-13],使地理學的理論計量化和規律化。筆者利用河北省農用地分等結果,運用幾個計量地理學模型,主要包括多樣性模型、集中化模型、組合類型模型來進行計算,同時運用GIS軟件對數據做進一步處理,最后對河北省的農用地資源質量空間格局進行定量分析,提出各區土地利用的方向,對于合理利用和開發該地區農用地資源、緩解人地關系矛盾,確保社會經濟持續發展具有重要的現實意義。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

河北省位于華北平原,兼跨內蒙古高原,全省海拔高度大致從西北向東南逐級下降,西部太行山和北部燕山成半環形環抱河北平原。河北省屬溫帶大陸性季風氣候,大部分地區四季分明。根據國土資源部頒發的《農用地分等定級規程》“全國耕作制度分區”中,河北省轄區劃為8個省二級指標控制區:燕山山前平原區(I)、太行山山前平原區(II)、海河沖積平原區(III)、濱海平原區(IV)、冀西北間山盆地區(V)、燕山山地丘陵區(VI)、太行山山地丘陵區(VII)和壩上高原區(VIII),由于受海拔高度、距海遠近、土壤等自然因素和社會經濟因素的綜合影響,各指標控制區農用地資源質量具有明顯的區域差異性。

1.2 數據來源

農用地分等是新一輪國土資源大調查的重要內容之一,本研究以農用地分等所建立的河北省農用地資源數據庫為基礎,以8個省二級指標控制區為單位,分析農用地資源質量的空間分布狀況。

2 河北省農用地質量空間格局的計量地理學方法

本文采用景觀生態學中有關結構數量分析的方法,進行研究區農用地資源質量空間格局的定量分析。分析的指標和計算方法如下:

2.1 農用地質量的多樣性分析

多樣性分析的目的主要在于分析區域內各種農用地資源質量等別的齊全程度或多樣化狀況,本文采用吉布斯-馬丁(Gibbs-Mirtin)多樣化指數[14-16]度量。計算公式如下:

式中:GMi——第i個區域的農用地資源質量的多樣化指數;fij——第i個區域第j項農用地資源質量等別面積(hm2)。多樣化指數越小,說明該區域農用地資源質量等別越少,即齊全程度越低。如果某一區域只有一個等別,則多樣化指數為0,如果農用地質量在各等別均勻分布,則多樣化指數為1。

2.2 農用地質量集中性分析

集中性分析主要在于揭示研究區各等農用地資源質量所處的區位優勢狀況。本文采用洛倫茲(Lorenz)曲線、集中化指數、優勢度指數、均勻度指數等進行分析。

(1)洛倫茲(Lorenz)曲線。主要用來測度地理現象在區域上的集中程度。該方法首先根據河北省農用地分等結果分別計算出某一區域農用地資源質量等別面積占該區土地總面積的百分比,將它們由大到小進行排列,然后計算累計百分比并據此繪出洛倫茲(Lorenz)曲線(圖3),最后對曲線進行比較。

(2)集中化指數。計算公式為:

式中:Ii——第i個區域農用地資源質量的集中化指數;Ai——第i個區域各農用地資源質量等別累計百分比之和;M——農用地資源質量等別完全集中為一等時累計百分比之和;R——高一層次區域(此處為河北省)各種農用地資源質量等別累計百分比之和,本文當農用地資源自然質量、利用質量、經濟質量的M分別為15,14,14,R分別為11.07,9.68,10.86時,計算出河北省8個指標控制區各農用地資源質量的集中化指數。

(3)優勢度指數。該指數用于測度農用地資源質量等別中一個或幾個等別支配全部農用地資源質量的程度,計算公式為

式中:Di——第i個區域的農用地資源質量的優勢度指數;Pij——第i個區域第j項農用地資源質量等別面積占全部農用地資源質量等別面積之和的比例;m——給定區域的最大農用地資源質量等別數,本文自然質量、利用質量、經濟質量按照河北省農用地分等成果分別確定為15,14,14。

(4)均勻度指數。該指數用于表征農用地資源質量等別的分配均勻程度,計算公式為

式中:Ei——第i個區域的農用地資源質量的均勻度指數;Hi——修正了的Simpson指數;Pij和m 的定義與優勢度指數計算公式相同。

2.3 組合類型分析

在分析了河北省農用地資源質量的多樣化、集中化程度之后,需要確定區域農用地資源等別的空間組合類型,即確定農用地資源等別的類型特征和主要類型。傳統的方法可以根據經驗直觀加以判斷,這種方法雖然簡單明了,但對復雜的區域難以準確定論。本文采用威弗-托馬斯(Weaver-Tomas)組合系數法。其步驟為:①把農用地資源各等別按面積相對比例由大到小排列。②假設農用地質量只分配給一個等別,這個等別的假設分布為100%,其他等別的假設分布為0;若僅分配給前兩個等別,這兩個等別的假設分布為50%,其他等別的假設分布為0;依此類推,如果農用地均勻分配給15或14個等別,則假設分布為6.67%或7.14%。③計算和比較每一種假設分布與實際分布之差的平方和(即組合系數)。④選擇假設分布與實際分布之差的平方和最小的假設分布組合類型(最小組合系數所對應的組合類型),該組合類型即為區域農用地資源等別的組合類型。

3 結果與分析

3.1 計量地理分析結果

研究區農用地資源質量空間格局的多樣性指數、集中化指數、優勢度指數、均勻度指數見表1,組合類型見表2,洛倫茲(Lorenz)曲線見圖2。

表1 研究區農用地質量多樣性、集中化、優勢度與均勻度指數計算結果

表2 研究區農用地質量組合類型分析結果

3.1.1 多樣性和集中性 從農用地自然質量等別分布情況(圖1a)可知,燕山山前平原區、太行山山地丘陵區和海河沖積平原區農用地自然質量等別多樣性指數、各等別分布較均勻;冀西北間山盆地區、壩上高原區和太行山山前平原區自然質量等別較集中;濱海平原區和太行山山地丘陵區自然質量等別分布情況介于二者之間。其中自然質量各等別面積比例最平衡均一的是太行山山地丘陵區,而最集中的則是冀西北間山盆地區。從農用地利用質量等別(圖1b)和經濟質量等別(圖1c)可知,利用質量各等別和經濟質量各等別面積分布最均勻的是海河沖積平原區,分布最集中的是壩上高原區。

洛倫茲曲線越接近均勻分布線(對角線),則各等別土地面積越接近。從河北省各個指標控制區各

農用地資源質量等別的洛倫茲曲線(圖2)可以看出:各指標控制區各質量等別的集中化程度都高于全省平均水平,其中壩上高原區、冀西北間山盆地區農用地資源三類質量的洛倫茲曲線離均勻分布線最遠,表明其農用地資源等別分布集中性最強;燕山山地丘陵區農用地資源自然質量的洛倫茲曲線以及海河沖積平原區農用地資源利用質量、經濟質量的洛倫茲曲線離均勻分布線最近,表明其農用地資源各等別分布較為均勻,這與區域多樣性結果一致。

3.1.2 組合類型結果 分析各指標控制區組合類型是為了確定各區農用地資源等別的類型特征和主要類型。河北省農用地資源自然質量的組合類型有8種,利用質量和經濟質量的組合類型分別為9種和4種。各指標控制區組合類型結果見表2。

圖1 河北省及其各區農用地質量指數比較

圖2 河北省農用地資源自然質量、利用質量、經濟質量的洛倫茲曲線

為了直觀表示各指標控制區組合類型,在表2的基礎上采用GIS技術繪制農用地質量組合類型空間分布圖(圖3)。從圖3a可以看出,太行山山地丘陵區自然質量等別齊全程度最高,組合類型為7種,這與該區復雜的地形地貌等自然條件有關;燕山山前平原區自然質量等別齊全程度次之,達到5種;其他各區組合類型為4種,自然質量等別齊全程度較低。從圖3b可知,海河沖積平原區利用質量等別齊全程度最高,組合類型為8種;燕山山前平原區次之,組合類型為7種;濱海平原區和壩上高原區利用質量等別齊全程度最低,組合類型為3種。從圖3c可以看出,太行山山前平原區和海河沖積平原區經濟質量等別齊全程度最高,組合類型為7種;冀西北間山盆地區和壩上高原區是經濟質量等別齊全程度最低的區,組合類型僅為2種。綜上可知,河北省農用地資源質量組合類型復雜,各區組合類型有較大差異。

3.2 結果分析

(1)針對各指標控制區內農用地不同類型質量指數變化情況,分析其原因。

從表1農用地質量多樣性和集中性指數可以看出,各指標控制區自然質量的空間多樣性與利用質量的空間多樣性有所差別,如太行山山地丘陵區的自然質量多樣性指數在八個區中最高,而利用質量多樣性指數卻排在第四位,這主要受該區農用地利用水平的影響,引起該區利用質量等別的差異縮小;對比各區利用質量多樣性指數與經濟質量多樣性指數可以看出,各區利用質量的空間多樣性與經濟質量多樣性差別不大,表明各區內農用地利用效率差別較小,未引起該區經濟質量等別的差異發生變化。

圖3 農用地質量組合類型空間分布圖

(2)針對各指標控制區農用地質量組合類型,提出不同區域土地利用方向。

根據表2和圖3分析河北省農用地自然質量、利用質量、經濟質量組合類型的變化:①河北省東南部的太行山山前平原區和海河沖積平原區農用地質量組合類型均為高等別,表明這兩個區不僅農用地自然條件優越,而且土地開發利用水平較高,這些區域應實施重點保護,在今后的土地利用中充分利用現有自然和社會經濟條件,發揮區域優勢,發展現代規模高效生態農業;②燕山山前平原區農用地自然質量和利用質量組合類型中以高等別為主,但經濟質量的組合類型等別較低,表明該區農用地自然條件和潛力發揮程度較好,但農用地利用效益較低,本區在發展中應增加農業支出,注意農業生產技術和管理水平的提高,以農為主,建立高產穩產田;③濱海平原區和太行山山地丘陵區自然質量為高等別組合類型,但利用質量和經濟質量的組合類型卻很低,表明這兩個區域自然條件良好,但土地利用水平和效益均較低,主要是由于濱海平原區以鹽化潮土為主,太行山山地丘陵區山地較多,造成農用地資源潛力發揮水平及利用效率較低,農用地有很大的開發潛力,該區應加強農業基礎設施建設,加快中低產田改造,同時因地制宜,充分利用區域有利因素,調整農業結構,發展本區經濟;④其他指標控制區處于河北省西北部,三種質量的組合類型均以低等別為主,表明這些區域農業生產條件和利用水平較差,應根據區域特點調整作物結構以農為主,農牧結合,在適宜區發展林業,實現農林牧副產業全面發展。

4 農用地資源質量空間格局影響因素

農用地自然質量等別代表的是農用地資源的自然屬性,是不受人類活動強烈干擾下產生的農用地資源質量;利用質量等別是在農用地自然屬性的基礎上,考慮農用地資源潛力發揮程度或水平的高低,經過土地利用系數修正后得到的農用地質量;經濟質量等別則是在農用地利用質量的基礎上,考慮農用地利用效率的高低,經過經濟系數的修正得到的農用地質量。從以上分析的河北省八個指標控制區農用地資源質量的多樣化指數、集中性指數、組合類型的分布特點,結合河北省農用地分等過程中選取的指標可知河北省農用地資源質量空間格局應與各區自然要素特點以及人類活動的影響密切相關。

4.1 農用地資源質量空間分布與自然要素的關系

從區域研究的角度分析河北省農用地質量空間分布與區域自然要素的內在聯系,揭示了氣候、地貌和土壤等要素對河北省耕地質量分布的影響以及耕地質量與景觀要素的空間耦合關系。

(1)地理位置 地理位置決定著自然條件的差異,河北省東南部屬暖溫帶,北部壩上高原屬溫帶,氣候帶的不同造成各區內太陽輻射、溫度、降水等要素的不同,進而導致了各區土壤的變化。如東南部的濱海平原和海河沖積平原區為半干旱及鹽化潮土區,西部太行山區和冀西北間山盆地區多為褐土區,向北逐漸過渡到燕山山地丘陵區的棕壤褐土區,而壩上高原區則為栗鈣土區。土壤是農用地資源的核心,其地帶性變化必然導致農用地資源質量的地帶性變化,影響著農用地自然質量的空間分布狀況。

(2)地貌狀況各區不同的地形地貌條件也是形成河北省各區農用地質量差異的原因。河北省東南部平原區地勢起伏和坡度較小,優質農用地出現較大頻率;而西北部的壩上高原區和山地丘陵區,地勢起伏和坡度增大,優質農用地出現頻率大減。

農用地自然質量等別代表的是農用地資源的自然屬性,是不受人類活動強烈干擾下產生的農用地資源質量。河北省地貌和土壤存在空間耦合性,對農用地自然質量的空間分布產生決定性作用,造成農用地自然質量等別面積較均一、組合類型數多的多位于河北省東南部各區;西北部地區農用地自然質量等別面積分布較為集中。

4.2 人類活動對農用地資源質量的影響

農用地資源生產能力在受自然因素影響的同時,還會受到農用地的利用水平、投入水平的不同產生高低變化,這在一定程度上造成河北省農用地利用質量、經濟質量在空間格局上與自然質量的不同,表明人類活動的干擾,在農用地自然質量的基礎上,進一步影響著農用地質量的空間格局,使其更趨于復雜化。河北省東南部地區經濟發展水平較高,農業生產水平高,農民對土地的投入較多,因此東南部各區農用地利用質量和經濟質量高等別組合類型較多,且由于這些地區內部發展水平不同,造成區內農用地資源質量等別面積分布較為分散;而西北部地區經濟發展落后,農業投入和管理水平均較為低下,所以農用地質量組合類型中以低等別為主,且區內農用地資源質量各等別面積分布比較集中,如壩上高原區。

5 結論

(1)以農用地分等結果作為研究的基礎數據,運用景觀生態學方法對河北省農用地資源質量進行定量分析,能夠很好地揭示區域農用地資源質量分布的空間格局,且其結果能夠在一定程度上反映研究區自然條件和人類活動的地域差異。

(2)從河北省不同指標控制區農用地資源自然質量、利用質量和經濟質量的多樣化、集中度、均勻度、優勢度等指數的分布特點可以看出,河北省農用地質量空間格局呈現從東南到西北方向上的遞變規律:東南部平原區農用地資源質量各等別面積比例較為平衡均一,而西北部的壩上地區集中程度較高;河北省不同的指標控制區農用地資源質量結構差異明顯、區域分異明顯。

(3)根據農用地資源質量等別的本質,結合河北省農用地質量空間格局特點,分析各指標控制區農用地自然質量、利用質量、經濟質量三者之間多樣性的變化情況,依據各區農用地質量組合類型的不同,提出各區土地利用的方向:東南部平原區應充分利用區域優勢,提高農用地生產能力,發展高效農業;而西北部山區應根據區域特點,因地制宜,調整作物結構,農牧結合,實現農林牧副產業的全面發展。

(4)最后通過簡要分析影響河北省農用地質量空間格局變化的氣候、地形地貌及人類活動等因素,對進一步研究農用地資源質量空間格局的成因有一定指導意義。

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