基于RS和GIS的邊境縣域耕地景觀時空變化研究

陳玥 陸汝成 盧嘉慧 秦睿 劉蒙蒙

[摘要]耕地一直以來都是國內外研究土地利用變化的熱點內容之一，在一定時段內的耕地變化能夠反映區(qū)域景觀格局變化的方向。通過對寧明縣耕地景觀格局時空變化進行分析，從耕地數量、空間分布以及景觀格局等視角，對寧明縣2005年、2010年和2015年的耕地景觀時空變化展開研究，研究表明：寧明縣在2005～2015年十年間耕地數量呈上升趨勢，中低海拔耕地占比逐年下降，高海拔占比逐年上漲，坡度較小耕地占比逐漸下降，坡度較大耕地占比逐漸上漲;耕地景觀受人為因素影響越來越大，破碎度增大，耕地更為分散。通過對寧明縣耕地景觀格局的分析，對促進寧明縣區(qū)域生態(tài)文明建設、更好的發(fā)揮其生態(tài)功能以及對其耕地可持續(xù)利用和社會經濟協(xié)調發(fā)展都具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

[關鍵詞]景觀格局;耕地;邊境縣域;寧明縣

[中圖分類號]F301.2[文獻標識碼]A

引 言

耕地作為農業(yè)活動的載體，一直以來都是國內外研究土地利用變化的熱點內容之一。作為農業(yè)生態(tài)中的重要組成部分，耕地是人類活動改造自然景觀的重要體現(xiàn)，一定時段內的耕地變化能夠反映區(qū)域景觀格局變化的方向。而邊境縣域的土地是我們保衛(wèi)國土安全的第一道同時也是最重要的防線，邊境縣域的耕地又是這道防線中最容易被忽視和最脆弱的部分，城鎮(zhèn)化進程的加快、邊境貿易的快速發(fā)展致使經濟建設占用了大量耕地、缺乏合理利用管制致使土壤嚴重污染以及近年來邊境縣域一些農戶因得不到適當的惠農政策而棄耕等現(xiàn)象，表明耕地依然在持續(xù)減少，同時，這也會或大或小地對耕地的景觀格局產生影響。在耕地景觀格局研究方面，國外學者，如Hietala-Koivu R運用平均斑塊面積、斑塊密度、平均形狀指數等，對芬蘭的Yiane，農業(yè)景觀布局結構的變化進行研究分析，對制定土地利用規(guī)劃有著十分重要的意義，他還提到，農業(yè)集約化會導致斑塊均勻度下降。國內學者，如張佳佳、陳偉、王新闖等將“3S”技術與景觀研究技術相結合，充分考慮耕地現(xiàn)狀信息、變化特征、自然屬性以及土地管理部門對耕地管制的需要，從市、縣兩個研究角度出發(fā)，研究該區(qū)域耕地的數量、景觀要素特征等變化的規(guī)律。

綜上所述，國內外學者大多著眼于較發(fā)達縣域的耕地景觀格局研究，綜合分析數量、空間分布對邊境地區(qū)的耕地景觀格局研究甚少，為此，在新形勢下，選擇以縣域為尺度，綜合運用遙感、GIS及景觀指數分析法，了解和研究耕地的變化情況，揭示寧明縣耕地景觀格局時空變化規(guī)律，對促進寧明縣區(qū)域生態(tài)文明建設、更好的發(fā)揮其生態(tài)功能以及對其耕地可持續(xù)利用和社會經濟協(xié)調發(fā)展都具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)域概況及數據來源

1.1 寧明縣自然經濟概況

寧明縣，隸屬于廣西壯族自治區(qū)崇左市，是西南地界上的一個邊陲鄉(xiāng)鎮(zhèn)，西面邊界與憑祥、龍州接壤，東面邊界與防城港接壤，而南面則與越南共和國接界，北面邊界與崇左、扶綏接壤，寧明縣地勢東、南部高，北和西北部稍低，明江河谷平原低平，其東南部為土山區(qū)，多數山高在500m以上，坡度都大于30°。中部為土丘陵，坡度10°～25°;北部多為巖溶丘陵，坡度30°以上，而海拔均在200m～500m之間。北部靠中為明江河谷平原，面積約為1000km2，海拔在109.3m～200m之間。

1.2 數據來源與數據處理

以廣西寧明縣2005年、2010年和2015年30m空間分辨率的TM遙感影像為原始數據源，運用Erdas9.2和ArcGIS10.2等軟件，經過多波段彩色合成、輻射校正和裁剪等預處理后，經過對研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀實地考察、遙感影像地物特征及廣西陸地衛(wèi)星TM假彩色數據土地資源信息提取標志，采用監(jiān)督分類方法對遙感影像進行目視判讀，在此基礎上進行精度檢驗，解譯出3期影像的Kappa系數均大于0.7最低精度要求，滿足研究要求，由此得到廣西寧明縣3期土地利用現(xiàn)狀矢量數據。根據得到的3期土地利用現(xiàn)狀矢量圖，運用ArcGIS10.2將耕地部分提取得到完整的年度耕地圖斑，在ArcGIS10.2中進行高程及坡度的分析，并結合fragstats4.2等軟件進行景觀格局分析。

2 研究方法

2.1 GIS空間分析法

借助GIS強大的數據處理平臺，結合RS技術解譯整合基礎數據，提取研究區(qū)域耕地數量、高程及坡度變化的相關信息，研究景觀空間分布的規(guī)律。

2.2 景觀格局研究方法

景觀格局分析指標的選擇要能準確明了的表現(xiàn)研究目的，其各層次之間的指數都有高度的相關性以及自己的側重點，選擇的時候切不可冗雜選取，數據并不以多取勝。根據研究區(qū)域的具體情況以及參考了國內外學者的研究成果，選擇了斑塊密度、聚集度指數、分離度指數和形狀指標進行景觀格局的分析。

2.2.1 破碎度。耕地是一種會同時受到自然和人為影響的資源，我們可以從分析其斑塊密度來了解該耕地的割裂程度。

斑塊密度指的是：單位研究區(qū)域面積內所具有的斑塊個數。它能夠反映出該區(qū)域景觀空間結構的復雜程度和人為因素對景觀格局的影響程度。一般而言，當它的值越大，則單位面積耕地內含有的斑塊個數就越多、斑塊平均面積就越小，可知破碎化程度就會越高，斑塊密度用PD表示：

PD=N/A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中N代表研究區(qū)域斑塊的總個數，A則為研究區(qū)域斑塊的總面積，PD越大，則該地類被割裂的程度就越高。

2.2.2 分離度。除破碎度能反映耕地景觀形狀特征外，分離度也能反映景觀空間集聚分散特征，主要選用聚集度指數AI （Aggregation Index）和景觀分離度SPLIT（Splitting Index）進行分析。

聚集度指數是反映景觀格局中同一類型斑塊聚集程度或者是反映它的非隨機性，其值越趨向0，則表明該景觀越是分散，計算公式如下：

式中，AI為景觀中某一個類型的聚合度，為斑塊i其網格自相鄰的公共邊緣數;max （）為斑塊i其網格間最大的可能公共邊數。

分離度公式如下：

為景觀類型i的距離指數;為景觀類型i的面積指數;n為該元素的數目;為該地類的總面積;A為研究區(qū)域的總面積。

2.2.3 景觀形狀指數。LSI（Landscape Shape Index）該指數是研究區(qū)域斑塊周長與其等面積的圓周長的比，它表示圓形與研究區(qū)域斑塊形狀差異程度，其值越大，形狀越不規(guī)則。

其中，L為斑塊周長;S為斑塊面積。

3 寧明縣耕地變化分析

3.1 寧明縣耕地數量變化分析

寧明縣全縣土地面積為370479.87hm?，耕地數量從2005到2015年這十年間，總體呈上升趨勢，具體如表1所示。

從表1可知，2005年耕地的占比為15.88%，占全縣土地比例不高，2005年到2010年，寧明縣全縣耕地已上漲了30394.68hm?，耕地面積上漲的較大一部分原因，是在2009年的時候，國家完成了第二次全國土地調查，一些之前不歸耕地地類的土地重新劃歸為耕地，2010年到2015年耕地面積減少了92.16hm?。總的來說，從2005年至2015年這十年間，耕地增加了30302.52hm?。

這十年以來，寧明縣為做好耕地保護工作，提升耕地質量。僅在2013年，寧明縣就實施了3個土地整治項目，實施面積多達1704hm?，修建村級道路12km。經過這些土地整治項目，基本農田保護面積有近5萬hm?。

3.2 寧明縣耕地空間布局變化分析

3.2.1 高程點變化分析。耕地一般分布在海拔較低且靠近水源的地區(qū)，而寧明縣的北部地勢較為平坦，最為適合耕地開墾，所以預計寧明縣耕地會較多的分布在北部，在此預判上開始分析研究。通過將2005年、2010年以及2015年的DEM數據圖和這三個時期的利用現(xiàn)狀圖各自疊加分析處理，在前人研究基礎上以及充分考慮寧明縣當地高程分布的實際情況，將高程數據進行重分類，得出以下結果圖（見圖1）。

從圖1可知，2005年、2010年以及2015年的耕地大多數聚集在高程為130.1m～254m的地方，呈北多南少、北低南高的形勢，原因是寧明縣東南部為土山區(qū)，建設施工難度較小，適合進行鄉(xiāng)鎮(zhèn)的建設開發(fā)，發(fā)展其商業(yè)經濟;而北部多為巖溶丘陵，不適宜發(fā)展大規(guī)模經濟建設區(qū)，而低海拔又為居民點，所以耕地大多在中低海拔。這三個時期的耕地最低海拔均為6m，但從圖1中所知，三年的最高海拔呈遞增趨勢，這也體現(xiàn)出寧明縣開墾技術有所提高。各個海拔的耕地數量情況具體如表2所示。

從表2統(tǒng)計數據可知，海拔為130.1m～254m的耕地占比均能達到80%以上，但從整體趨勢來看，中低海拔的耕地占比逐年下降，高海拔的占比逐年上漲，究其原因，經濟建設占用了城鎮(zhèn)周邊海拔較低的耕地，為了遵守占補平衡規(guī)定，就不得不越來越往海拔高處開墾耕地，以滿足耕地需求。

3.2.2 坡度變化分析。坡度分析的基礎數據與高程分析的數據處理相同，通過將2005年、2010年以及2015年的DEM數據圖和這三個時期的利用現(xiàn)狀圖各自疊加分析處理，根據國家頒布的《土地利用現(xiàn)狀調查技術規(guī)程》以及寧明縣耕地坡度分布實際情況，將高程數據進行重分類，得出以下結果圖（見圖2）。

從以上三幅圖可看出，2005年、2010年以及2015年的耕地大多數聚集在坡度為0°～10°的地方，且最大坡度均為55.9°，各個坡度的耕地數量情況具體如表3所示。

如表3顯示，三個時期的耕地均有85%以上是聚集在0°～10°坡度范圍的，這個現(xiàn)象符合耕地利用的適宜性和規(guī)律性。隨著時間推移，0°～5°坡度范圍耕地的占比逐漸下降，坡度較大的耕地占比逐漸上漲，這與耕地低海拔高程占比遞減、高海拔高程占比遞增的原因有相關性，地勢平坦的地方多用來開發(fā)建設之后，補充耕地欲往地勢較陡的地方開墾，對于這一現(xiàn)象，有關部門應提高警惕，做好耕地質量優(yōu)化和保護的工作。

4 寧明縣耕地景觀格局時空變化分析

4.1 耕地景觀斑塊形狀的變化分析

利用景觀形狀指數來描述研究區(qū)域斑塊形狀以及受自然或人為的影響的程度，運用fragstat4.2景觀分析工具，我們得到以下結果（見表4）。

從表4看出，寧明縣耕地景觀的形狀指數從2005年的12.31上升到2015年的22，表明寧明縣耕地景觀受人為因素影響越來越大，究其原因，與這幾年該縣經濟發(fā)展的需要，而不斷占用耕地有關，為了遵守國家“占一補一，占優(yōu)補優(yōu)”的土地政策，補回因經濟建設缺失的耕地而進行耕地開墾，而開墾的耕地多為多邊形;另一部分原因是農民自發(fā)開墾耕地的情況越來越多，結合這三個時期的耕地海拔以及坡度圖也可以看出耕地景觀形狀多為不規(guī)則。

4.2耕地景觀空間格局的動態(tài)變化分析

4.2.1 景觀破碎程度。從表4可以看出，寧明縣的耕地斑塊密度從2005年的25.5，降低到2010年的23.58，然后又在2015年上升到24.39，而斑塊數逐年遞增，從2005年的409個上漲到2015年的878個。2015年景觀破碎度變大，究其原因，隨著中越雙方合作加強、“一帶一路”和“兩廊一圈”建設等，廣西邊境城市將掀起新一輪發(fā)展高峰，寧明縣邊境貿易迅速發(fā)展的同時，城市建設的步伐也在不斷加快，為了補回建設占用的耕地，就必須開墾新的耕地，但寧明縣的南部地區(qū)又為經濟建設區(qū)，無法做到大規(guī)模開墾耕地，所以就會出現(xiàn)越來越多的孤立斑塊，使得耕地景觀格局受到比較嚴重的分割。

4.2.2 景觀分離程度。從表4看出，耕地景觀的分離度和聚合度是反比的關系，2005年的分離度為1.31，聚合度為91.57，2010年的分離度為1.30，聚合度為92.12，2015年的分離度為1.33，聚合度為89.52。結合這兩個指標分析寧明縣的耕地景觀分離度，我們不難看出，該區(qū)域耕地在2015年變得更加離散，究其原因，一是近些年，越來越多的農戶自發(fā)開墾小片土地作為耕地使用;二是為補償建設占用的耕地，使得一些原本無法利用的較為分散和偏僻的土地，變成了耕地來使用，由于寧明縣的經濟發(fā)展區(qū)集中在南部，大部分是建設區(qū)，則南部的耕地就會數量少且分散，這在一定程度影響了耕地景觀的分離度和聚合度。

5 結論

本文分別從寧明縣的耕地數量、空間布局以及景觀格局三個方面，分析研究該縣域耕地景觀格局時空變化的特征，結論如下：

（1）寧明縣2005年至2015年這十年間耕地數量有波動變化，整體呈上升趨勢，截止到2015年全縣耕地面積增加了30302.52hm?。

（2）寧明縣2005年至2015年這十年間，耕地大多數聚集在高程為130.1m～254m的地方，呈北多南少、北低南高的形勢，從整體趨勢來看，中低海拔的耕地占比逐年下降，高海拔的占比逐年上漲;在坡度方面，大多數聚集在坡度為0°～10°的地方，隨著時間推移，0°～5°坡度范圍耕地的占比逐漸下降，坡度較大的耕地占比逐漸上漲。

（3）寧明縣耕地景觀形狀指數逐漸變大，表明寧明縣耕地景觀受人為影響因素越來越大;而寧明縣耕地斑塊密度先減后增的情況，再結合斑塊數逐漸變大的趨勢表明，耕地景觀格局破碎度波動上升;寧明縣耕地分離度逐漸上升，再結合聚合度逐漸下降的趨勢表明，耕地呈現(xiàn)更為離散的趨勢。

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