寶泉嶺墾區土地利用數量結構特征分析

張 健，雷國平，楊佳惠，李 佳

（東北農業大學 資源與環境學院，哈爾濱150030）

土地是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎。它最直接最密切地反映了人類與自然界相互影響和交互作用的關系。土地利用中的多宜性、用途的選擇性和質量的差異性決定了土地利用主體、土地利用方式的多樣性和復雜性［1］。根據其成因和基本特征，土地利用結構可理解為某一區域內各種土地利用類型在質和量上的對比關系，以及組合形成的一定格局或圖式［2］，包括數量結構和空間結構兩方面。土地利用的空間結構反映了土地利用類型在地域上的配置及其對比關系。對土地利用空間結構的分析，不僅是實施土地用途管制的基礎和依據，更可為合理配置土地資源，實現土地利用效益最大化提供依據［3］。根據系統論的觀點，結構和功能是相互依存、相互制約的統一體，有什么樣的結構就有什么樣的功能，即結構決定功能，功能是結構狀態的外部表現［4］。對土地利用結構特征進行研究，能夠探明土地資源在各產業之間的利用情況和各類用地的比例關系，并能進一步理解土地利用的動態變化過程、進行用地預測與優化、實現土地持續利用等。

目前，國內外土地利用結構特征的研究以土地利用變化過程、驅動機制和模型、情景預測和結構優化等［5－8］為主，對土地利用結構特征進行定量分析與探討研究的較少；在研究方法上主要運用景觀格局法［9］、土地利用程度分析法［10］、土地利用轉換矩陣［11］等。在研究空間尺度上，國內學者主要從全國［12］、省級［13］、市和地區級［14］、城市［15］以及自然形成的流域等［16］幾個區域尺度進行研究，多側重大區域尺度。

黑龍江墾區位于世界聞名的黑土帶上，是目前我國三大墾區之一，也是我國重要的商品糧生產基地，對于保障國家糧食安全具有舉足輕重的作用［17］。經過幾十年的開發建設，已經由昔日的“北大荒”變成了今日的“北大倉”。黑龍江墾區目前已建設成為我國最大的國有農場群，成為我國重要商品糧基地、糧食戰略后備基地和全國最大的綠色、有機、無公害食品基地。以寶泉嶺為代表的墾區，經過多年來的建設，人口數量不斷增加，經濟快速發展，土地利用活動區域不斷擴大，迅速地改變著土地利用結構的類型和性質，深刻影響著墾區的生態環境系統。

本文以黑龍江省寶泉嶺墾區為研究區，利用GIS技術，選取具有明確意義的有關定量指標，對研究區范圍內13個農場的土地利用特征進行分析，探討其土地利用結構特征，以期為墾區土地利用規劃的編制提供參考，為墾區土地利用管理和政策制訂、實現區域土地合理開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

寶泉嶺墾區地處黑龍江省東北部，黑龍江與松花江匯合的三角洲地帶。地理坐標介于東經129°25′—130°26′，北緯46°23′—47°54′。墾區東西最長距離為104km，南北最寬為100km，地跨哈爾濱、佳木斯、鶴崗3市和綏濱、蘿北、湯原、依蘭4縣及郊區、東山二區，包括二九〇、綏濱、江濱、軍川、名山、延軍、共青、寶泉嶺、新華、普陽、湯原、依蘭和梧桐河13個國營農場，土地總面積553 675hm2。

2009年，寶泉嶺墾區實現地區生產總值74.47億元，人均生產總值達到35 135元，農場職工家庭人均純收入12 668元，三大產業結構為57.2∶19.8∶23.0，完成固定資產投資17.1億元，行業資產總額達32.5億元。總播種面積323 068hm2，全墾區總人口20.98萬人，總戶數8.02萬戶。

寶泉嶺墾區地勢低平、土質肥沃、水源豐沛、雨熱同季、糧食生產的自然條件得天獨厚，是黑龍江省9個墾區中較大的墾區之一，曾被國家農業部授予“全國糧食生產先進墾區”稱號。經過60多年的開發建設，已成為國家重要的商品糧生產基地和“國家級生態示范區”，為保障我國的糧食安全做出了重大貢獻。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文所使用的主要數據為2009年土地利用現狀圖、《黑龍江墾區統計年鑒—2010》和寶泉嶺墾區統計部門的相關統計資料等。土地利用現狀圖數據是以分辨率為2.5m的SPOT 5遙感影像資料為基礎，以1∶10萬地形圖為基礎信息，結合實地勘測進行室內解譯獲取的，數據準確可靠。采用土地利用現狀分類中的8個一級分類的用地面積和比例作為研究的原始數據材料進行土地利用類型劃分，并在ArcGIS 9.3軟件支持下進行。全墾區各農場土地利用面積和比例如表1所示。

2.2 研究方法

土地利用數量結構可以理解為某區域內各種地類及其面積比例構成關系，對其分析的目的在于揭示區域土地利用類型的數量組合規律和各地類區位意義。從某種意義上講，一定的經濟結構和產業結構必須通過相應的用地結構得以映射［18］。本文從三個方面探討土地利用數量結構特征，即數量結構總體組合類型、各地類區位意義和土地利用程度，數量結構總體組合類型主要包括多樣化指數，集中化程度和區域組合類型。

2.2.1 多樣化指數 進行多樣化分析的目的在于揭示區域內各種土地資源的齊全程度或多樣化狀況，采用吉布斯—馬丁（Gibbs－Martin）多樣化指數來計算，模型為：

式中：GM——多樣化指數，理論最大值為［（n－1）／n］；n——土地利用類型數；fi——第i類土地面積或比例。當n＝1，說明一個地區只有一種土地利用類型，此時GM＝0，多樣化指數最小；某一個地區土地利用類型越多樣，則n越大，GM越接近于1。

2.2.2 集中化程度 為了測度土地利用類型的集中化程度，本文采用洛倫茲（Lorenz）曲線和集中化指數（I）。洛倫茲曲線的優點是較為直觀。首先根據表1將各農場各地類面積百分比，由大到小按順序排列，然后累計面積百分比，并據此繪出曲線（圖1）。集中化指數的優點在于能精確地度量、分析區域土地利用集中化程度，計算公式為：

式中：I——集中化指數；Ai——各地類累計面積比例之和；M——假設土地都集中分布時累計面積比例之和；R——高一級層次區域各地類累計面積比例之和，以R值作為衡量集中化程度的基準。

2.2.3 區域組合類型 土地數量結構組合類型分析的目的在于確定土地利用結構的類型特征和主要類型。這里采用威弗—托馬斯（Weaver－Tomas）組合系數法。

（1）把寶泉嶺墾區各類型土地面積占土地總面積的比例由大到小排列；

（2）假設土地只分配給一種類型，這一種類型的假設分布就為100%，其它類型的假設分布為0；如果分配給前兩種類型，那么這兩種類型的假設分布就為50%，其他類型的假設分布為0；依次類推，如果土地均勻分配給8種類型，那么每種類型的假設分布就為12.5%；

表1 寶泉嶺墾區13個農場2009年土地利用面積和比例

（3）計算和比較每種假設分布與實際分布之差的平方和；

（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（最小組合類型所對應的組合類型），即為該區域土地組合類型。組合系數（W）等于每種假設分布與實際分布之差的平方和。

2.2.4 地類區位指數 在此基礎上計算出土地利用現狀區位指數。用這一區域土地區位意義和專業化程度的綜合性指標來分析某一地區各種土地相對于高層次區域空間的相對聚集程度。計算公式如下：

式中：Q——區位指數；di——區域內第i種土地的面積；Di——高層次區域內第i種土地的面積。如果區位指數Q＞1，則該種土地具有區位意義；如果Q＜1，則其不具備區位意義。

2.2.5 土地利用程度 土地利用程度綜合分析的目的在于確定區域土地利用程度綜合特征，土地利用程度指數的大小反映了土地利用程度的高低。采用莊大方等［19］提出的方法，將土地利用程度按照土地自然綜合體在社會因素影響下的自然平衡狀態分為若干等級，并賦予分級指數，表2中的4種土地利用分級僅僅是理想狀態，在實際應用，這4種類型都是混合存在于同一地區，各自占據不同的面積比例，根據當地土地利用程度，按其自身的權重，做出自己的貢獻。計算公式為：

式中：La——土地利用程度綜合指數；Bj——第j級的土地利用程度分級指數；Cj——第j級土地利用程度分級面積百分比；m——土地利用程度分級數。

表2 土地利用程度分級賦值

3 結果與分析

3.1 多樣化分析

根據表1中的數據計算出全墾區和13個農場的土地利用類型多樣化指數，結果見表3。

由表3看出，全墾區多樣化指數平均值為0.521 6，其理論最大值是0.875，說明全墾區土地利用多樣化指數不高，各農場多樣化指數介于0.323 0～0.596 5，其中湯原農場最小，延軍農場最大；寶泉嶺農場、共青農場、梧桐河農場、新華農場和延軍農場這5個農場高于全墾區平均水平，其余8個農場略低于全墾區水平。總體來說，各農場之間具有相似性，反映在產業結構上則說明全墾區以農業生產為特色，各農場之間差異不大。

表3 寶泉嶺墾區13個農場土地利用多樣化指數、集中化指數和組合類型

3.2 集中化程度分析

從洛倫茲曲線（圖1）可知，全墾區各農場中，寶泉嶺農場、新華農場、延軍農場、共青農場和梧桐河農場的拐點均發生在第二個點，累計比例均超過75.66%；普陽農場、綏濱農場、軍川農場、名山農場、二九〇農場、湯原農場、依蘭農場和江濱農場的拐點均發生在第一個點，累計面積比例在68.41%以上，和墾區平均值67.13%幾乎保持一致。通過洛倫茲曲線可以直觀顯示出各農場土地利用集中分布狀況。根據各農場集中狀況，直觀體現出全墾區土地利用以耕地、林地和水域及水利設施用地為主的現狀。

從全墾區集中化程度指數來看，全墾區R值為724.12，M 值為800，以R值作為衡量集中化程度的基準。各農場的土地利用集中化指數相差不大，介于－0.220 8～0.356 4，說明全墾區土地利用集中化程度較高。延軍農場、新華農場、梧桐河農場和共青農場多樣化指數較大，分別為0.596 5，0.582 3，0.580 3，0.578 7，對應的集中化指數分別為 －0.121 8，－0.092 7，0.088 1，－0.220 8；湯原農場和普陽農場多樣化指數較小，分別為0.323 0和0.391 1，對應的集中化指數較大，分別為0.356 4和0.325 2。由此推測多樣化指數和集中化指數具有顯著負相關性。多樣化指數、集中化指數以及洛倫茲曲線分析結果的一致性，在定量測度土地利用數量結構總體組合特征上，可起到互為補充和互為驗證的作用，在精度要求方面，可選用多樣化指數，而洛侖茲曲線可以進行直觀顯示，便于理解。

圖1 寶泉嶺墾區13個農場土地利用洛倫茲曲線

3.3 組合類型分析

由表3可知，全墾區和13個農場的組合類型構成中包括耕地、林地、水域及水利設施用地4種地類，寶泉嶺農場、新華農場、延軍農場和共青農場的組合類型表現為以耕地和林地為主，其他6種地類為輔的土地利用結構特征；普陽農場、綏濱農場、軍川農場、名山農場、二九〇農場、湯原農場、依蘭農場和江濱農場的組合類型只有耕地一種，其他7種地類作為輔助的土地利用結構特征；梧桐河農場的組合類型為耕地和水域及水利設施用地，其他6種地類為輔的土地利用結構特征。通過分析，發現寶泉嶺墾區土地利用類型齊全程度較為單一，且土地利用組合類型主要受全墾區地貌等自然條件影響。比較組合系數和洛倫茲曲線，發現各農場土地利用組合類型與洛倫茲曲線基本一致。

3.4 總體組合類型特征

對表3得出的多樣化指數、集中化指數、組合類型數運用SPSS軟件中的K聚類法進行聚類分析，得出各種指數的空間分布特征（圖2）。本文多樣化指數和集中化指數級別的劃分是由聚類分析方法得出，是針對研究區劃分的相對標準，即13個農場土地利用多樣化和集中化程度的高低是相對于寶泉嶺墾區的。通過對比分析可以看出，在一定程度上，多樣化指數越大，集中化指數越小，相應的組合類型數也越大。

圖2 寶泉嶺墾區13個農場多樣化指數、集中化指數、地類組合類型分布特征

對表3中數據運用Pearson′s相關系數法，求取相關系數r，公式為：

式中：r——相關系數；x，y——兩種類別（本文為多樣化指數和集中化指數）；n——資料數（本文為農場個數）。通過計算得出多樣化指數和集中化指數的相關系數r等于－0.831 15，據表4，呈現出高度的負相關性。同理，設多樣化指數為x，組合系數為y，求得多樣化指數與組合系數相關系數為0.795 02，呈高度正相關；設集中化指數為x，組合系數為y，求得集中化指數與組合系數相關系數為－0.795 09，呈高度負相關，與GIS空間分析的結論基本一致。總之，這幾個定量指標起著優勢互補的作用，這表明在進行土地利用結構特征定量分析時，應充分發揮各指標自身的特點和優勢。

表4 Pearson′s相關系數的強度大小與意義

3.5 地類區位指數分析

由表5可知，普陽農場、綏濱農場、軍川農場、名山農場、二九〇農場、湯原農場、依蘭農場和江濱農場耕地具有區位意義。寶泉嶺農場、新華農場、軍川農場、名山農場和延軍農場園地具有區位意義，其中新華農場、軍川農場和延軍農場區位指數高達2.30以上，具有很強的區位意義。寶泉嶺農場、新華農場、綏濱農場、軍川農場、延軍農場和共青農場林地具有區位意義，其中寶泉嶺農場區位指數超過1.40，區位意義較強。新華農場、軍川農場、名山農場、延軍農場、共青農場、二九〇農場和梧桐河農場草地具有區位意義，其中延軍農場和梧桐河農場區位意義超過了1.50，區位意義十分明顯。寶泉嶺農場、綏濱農場、軍川農場、名山農場、延軍農場、湯原農場、依蘭農場和江濱農場城鎮村及工礦用地具有區位意義，其中寶泉嶺農場區位指數超過1.30，有較強的區位意義。寶泉嶺農場、新華農場、綏濱農場、名山農場、延軍農場和江濱農場交通運輸用地具有區位意義，其中江濱農場最高，超過了1.50，區位意義十分明顯。新華農場、普陽農場、共青農場和梧桐河農場水域及水利設施用地具有區位意義，梧桐河農場高達3.335 4，具有超強的區位意義。名山農場和共青農場其他土地具有區位意義，區位指數均在2.6以上，尚待進一步開發。以上各個農場的區位指數與經濟水平、交通和地理位置密切相關。同時，運用GIS空間分析可以明顯地看出土地利用區位意義分布特征（圖3）。總之，通過地類區位意義分析，明確各農場土地利用區位優勢和相對重要性，對于墾區優化產業結構具有重要的意義。

3.6 土地利用程度綜合分析

從表6可以看出，寶泉嶺墾區13個農場中二級土地利用面積比例介于58.93%～81.87%，三級為12.53%～37.42%，全墾區土地利用表現為以農業為主、農林相結合的土地利用特點。一級地中土地利用面積比例為3.42%～7.35%，說明全墾區城鎮化水平較低。而共青農場和名山農場四級地即未利用地面積明顯高于全墾區1.12%的平均水平，分別達到了2.99%和6.91%，說明其在提高綜合利用效益和土地集約化程度方面還有很大的潛能可供開發，但是從全墾區四級地統計來看，只平均僅為1.12%，說明全墾區土地開發的較為完善。土地利用程度指數為265.54～291.56，其中：湯原農場、江濱農場、普陽農場、綏濱農場、依蘭農場、二九〇農場、軍川農場和寶泉嶺農場均高于墾區276的平均水平，土地利用程度較高，其他農場則較低。

表5 寶泉嶺墾區13個農場土地利用區位指數（相對于寶泉嶺墾區）

圖3 寶泉嶺墾區13個農場土地利用區位意義程度分布特征

4 結論

（1）從寶泉嶺墾區多樣化分析結果來看，整個墾區總體多樣化程度不高，各農場多樣化指數介于0.323 0～0.596 5，其中湯原農場最小，延軍農場最大，5個農場高于全墾區平均水平，其余8個農場略低于全墾區水平，各農場之間差異不大。從洛侖茲曲線和集中化分析結果來看，各農場的土地利用集中化指數相差不大，介于－0.220 8～0.356 4之間，表明全墾區土地利用集中化程度較高。從組合類型分析結果來看，全墾區和13個農場的組合類型只有3種，第一種是耕地，第二種是耕地＋林地，第三種是耕地＋水域及水利設施用地，通過分析，發現寶泉嶺墾區土地利用類型齊全程度較為單一，且土地利用組合類型主要受全墾區地貌等自然條件影響。以上這幾個定量指標之間起著優勢互補的作用，進行土地利用結構特征定量分析時，充分發揮各指標自身的特點和優勢。

（2）從寶泉嶺墾區土地利用區位意義結構來看，8個農場耕地具有區位意義，且分布均勻，具有一定的規模，耕地與其他地類相比，有區位意義的農場分布數目最多，這符合墾區以農業為主的特點。其他地類區位意義只在少數農場中體現，不能形成規模。

表6 寶泉嶺墾區13個農場土地利用程度指數

（3）從寶泉嶺墾區土地利用程度綜合指數結果來看，土地利用程度指數為265.54～291.56，其中有8個農場均高于墾區276的平均水平，土地利用程度較高，其他農場則較低。寶泉嶺農場土地利用程度較高是因為它是墾區局直所在地，經濟較為發達，建設用地比重相對較大，梧桐河農場的土地利用程度較低是因為水域面積比例較大，共青農場和延軍農場是因為未利用地比例較大，導致土地利用程度相對較低。

本文選用相關定量指標并結合GIS技術，對黑龍江省寶泉嶺墾區2009年土地利用數量結構特征進行了分析，但與其他相關研究相比，只是定量研究了土地利用數量結構的特征，并未具體反映經濟指標的特征；只是研究了墾區2009年的靜態的土地利用特征，并未研究連續動態變化的土地利用特征，以上兩個方面還需進一步研究。

［1］ 王靜，郭旭東.我國縣級尺度土地可持續利用的科學調控［J］.地理科學進展，2002，21（3）：216－222.

［2］ 周炳中，陳浮，包浩生，等.長江三角洲土地利用分類研究［J］.資源科學.2002，24（2）：88－92.

［3］ 李昀，楊鳳海，史志鳳，等.基于RS、GIS的杜蒙縣土地利用結構變化研究［J］.測繪與空間地理信息，2011，34（1）：174－176，180.

［4］ 嚴金明.簡論土地利用結構優化與模型設計［J］.中國土地科學，2002，16（4）：20－25.

［5］ Turner II BL，Skole D，Sanderson S，et al.Land－use and Land－cover Change，Science／Research Plan［A］.IGBP Report No35and HDP Report No7［C］.Stochkholm：IGBP，1995.

［6］ 張靜，馬彩虹，王啟名，等.漢中市土地利用變化的動態變化研究［J］.水土保持研究，2012，19（1）：112－116.

［7］ 董杰，楊春德，周秀慧，等.山東省土地利用結構時空變化及其驅動機制分析［J］.水土保持研究，2006，13（4）：206－210.

［8］ 李富程，王青，李國蓉，等.馬爾柯夫過程預測官司河流域土地利用／覆被格局變化［J］.水土保持研究，2009，16（5）：31－34，39.

［9］ 張保華，張金萍，湯慶新，等.基于RS和GIS的黃河下游沿岸縣域土地利用與景觀格局演變的驅動力研究：以河南省封丘縣為例［J］.遙感技術與應用，2009，24（1）：40－44.

［10］ 宋戈，孫麗娜，雷國平.基于計量地理模型的松嫩高平原土地利用特征及其空間布局［J］.農業工程學報，2012，28（3）：243－250.

［11］ 蔡為民，唐華俊，呂鋼，等.景觀格局分析法與土地利用轉換矩陣在土地利用特征研究中的應用［J］.中國土地科學，2006，20（1）：39－44.

［12］ 封志明，楊艷昭，宋玉，等.中國縣域土地利用結構類型研究［J］.自然資源學報，2003，18（5）：552－561.

［13］ 王紅梅，王小雨，李宏.基于計量地理模型的黑龍江省土地利用狀況分析［J］.農業工程學報，2006，22（7）：70－74.

［14］ 張建軍，張曉萍，陳鳳娟，等.黃土高原溝壑區長武縣2009年土地利用結構特征分析［J］.中國水土保持科學，2011，9（2）：71－79.

［15］ 趙海波.基于景觀生態學的城市土地利用結構研究：以成都市青羊區為例［D］.成都：四川師范大學，2010.

［16］ 索安寧，巨天珍，熊友才，等.涇河流域土地利用區域分異與驅動力的關系［J］.中國水土保持科學，2006，4（6）：75－80.

［17］ 宋戈，李國鳳，龍冬冬，等.基于糧食安全的黑龍江省墾區耕地集約利用定量分析：以寶泉嶺墾區為例［J］.農業現代化研究，2011，32（5）：573－576.

［18］ 張穎，王群，王萬茂.中國產業結構與用地結構相互關系的實證研究［J］.中國土地科學，2007，21（2）：4－11.

［19］ 莊大方，劉紀遠.中國土地利用程度的區域分異模型研究［J］.自然資源學報，1997，12（2）：105－111.