基于分形理論的珠三角耕地景觀變化及驅動

趙小娟，葉 云，胡月明

(1.華南農業大學水利與土木工程學院，廣東廣州510642;2.廣東省土地信息工程技術研究中心/廣東省土地利用與整治重點實驗室，廣東廣州510642;3.華南農業大學資源環境學院，廣東廣州510642)

分形(fractal)理論是由美國科學家Mandebort等在20世紀70年代創立的［1］，能以分形維數對不規則“形”的復雜程度給出數值的度量［2］，是用分形分維的數學工具來描述研究客觀事物的真實屬性與狀態，更加符合客觀世界的多樣性與復雜性。分形理論被廣泛應用于自然科學和社會科學的各個領域，從而形成了許多新的學科生長點。隨著分形理論在地理學研究中的應用，至20世紀90年代，逐漸形成了一個新興的分支學科——分形地理學。近年來，分形理論被應用到城鎮體系［3］、沙漠化［4］、鄉村聚落［5］、土地利用［6－8］等方面，而具體到耕地景觀變化上的應用研究則較少。耕地對我國經濟良性發展與社會和諧穩定起著至關重要的作用，改革開放以來經濟發展帶來的城鎮擴張、交通水利等基礎設施增加和產業結構調整導致耕地數量銳減，尤其是城鎮建設用地增加導致城鎮周邊大量優質農田流失，對農業生產造成不可逆的影響。

近年來，隨著“3S”和現代信息技術等手段的迅速發展，為研究地理空間信息特別是土地利用動態變化提供了良好的手段［9－10］。珠三角不僅是中國經濟發展最快的核心城市群區域之一，而且也是廣東省重要的農業生產基地，同時作為華南典型丘陵平原區，具有很好的研究價值和代表性。筆者以珠三角為研究區域，運用分形理論開展耕地景觀變化研究，把握耕地空間格局動態變化，揭示耕地利用景觀空間格局變化規律，對于珠三角城市化進程中的耕地保護及可持續利用具有重要作用。

1 區域概況與研究方法

1.1 研究區概況

珠三角位于廣東省的中南部，珠江下游，地處111°59'～115°26'E，21°27'～23°56'N，是我國經濟最發達的地區之一。行政轄域包括廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、肇慶市、中山市、東莞市、江門市、惠州市等9個地級市，涉及48個縣(區)，土地面積占廣東省國土面積的23.2%。該地區屬南亞熱帶海洋季風氣候，雨熱充沛，溫暖濕潤，年均氣溫21～23℃，多年平均降水量在1 600～2 300 mm，界內有數千條大小河道縱橫交錯。三角洲平原土地肥沃，土壤類型多樣，可分為5個土類，包括水稻土、赤紅壤、石灰土、紫色土、潮土。2014年珠三角土地總面積547.54萬 hm2，其中耕地61.59萬hm2(不包含可調整地類)，占全省耕地總面積的23.49%。

1.2 數據來源及處理

研究數據包括遙感影像數據以及中國科學院地理研究所對遙感影像進行解譯的土地利用數據(2000年、2008年);2000—2014年土地利用變更數據;社會經濟數據主要來源于2015年《廣東農村統計年鑒》《廣東統計年鑒》及各地市統計年鑒、國民經濟和社會發展統計公報，所涉及的部門包括農業、國土、水利、規劃、環保、統計等部門。

遙感數據是在地理空間數據云平臺下載2014年涉及研究區域的多幅30 m分辨率TM遙感影像。接收時間是7—12月，選擇無云或少云，影像質量高的數據。對TM遙感影像數據的預處理主要包括輻射定標、大氣校正以及影像的拼接和裁剪等。遙感數據分類參考GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類》以及中國科學院土地利用覆蓋分類體系，結合珠三角區域TM遙感影像特點和景觀異質性，分為6個一級類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地。分類結果的精度檢驗是從遙感圖像上隨機選擇了100個樣點，保證各地類都有覆蓋，采用目視解譯的方法結合實地調查與第二次土地調查成果［11］，結果表明，影像分類總體精度達到87.3%，Kappa系數也超過了0.7，分類達到使用要求。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地流量變化 為分析耕地轉移的空間分布情況，這里采用地圖信息圖譜法進行定量可視化研究［12］，用土地利用轉移矩陣來反映區域在不同時間點土地類型轉移的數量關系。轉換面積的柵格運算公式為

式中:Sij表示在某一時間段內，從土地利用i類型轉移到j類型的總面積;S表示柵格單元的面積;Xij為初期土地利用類型為i轉換后類型為j的柵格總數。

分別對3期遙感解譯數據進行重分類并柵格化處理，柵格單元均設定為500×500 m［13］，重分類中柵格單元的面積為0.25 km2。將土地利用類型中的耕地、園林地、草地、水域及水利設施用地、城鎮村及其他建設用地、其他土地分別定義為1、2、3、4、5、6，對 2000—2008 年土地利用轉移采用柵格計算器中的加法運算“‘reclass2000’×10+‘reclass2008’”，新產生了29種不同類型的柵格數據;對2000—2008年土地利用轉移采用柵格計算器中的加法運算“‘reclass2008’×10+‘reclass2014’”，新產生了36種不同類型的柵格數據。

1.3.2 分形維數模型 分形理論被廣泛地應用于自然科學和社會科學的各個領域，土地利用具有空間形體的相對不穩定性和復雜性特征［8］。可以用分形維數模型來分析研究并

式中:r為研究尺度;D為耕地景觀的分形維數;A為耕地圖斑面積;P為耕地圖斑周長;C為常數。

景觀要素的復雜性、穩定性與其空間結構的分形維數D值大小密切相關。通常認為，人類干擾作用下形成的地塊越規則，因此受到人類活動干擾越大的地塊，其形狀越簡單、斑塊間相似程度越高。可通過求取直線的斜率而求得各土地類型分形維數D的值，其值為斜率的倒數乘以2，即D=2/k(k為斜率)。分形維數D值的理論范圍為［1，2］，D值越大，代表地塊形狀越復雜。當D=1.5時，表示地塊處于一種隨機狀態;D值越接近1.5，就表示空間結構越不穩定［15］。當 D ＜1.5 時，說明趨向于簡單的地塊形狀;當D＞1.5時，則地塊形狀將呈現復雜趨勢。因而可定義一個景觀穩定性指數SI如下:

SI值越小代表地塊空間結構越不穩定;反之則越穩定。

2 結果與分析

2.1 耕地流量變化

2.1.1 2000—2008年 耕地流量的變化分為流入和轉出，耕地流入主要包括土地整治、復墾和開發，農業結構調整等，耕地轉出主要是建設占用、災毀以及農業結構調整等。珠三角2000—2008年土地利用轉移情況見圖1－a、表1。表示土地利用景觀類型結構的復雜程度和相關分布狀況［14］。景觀分形維數模型可表示為

表1 珠三角地區2000—2008年土地轉移柵格數

通過表中單元數量及單個柵格面積，計算在2000—2008年期間耕地轉出的面積約為200 150 hm2，耕地減少主要是轉向城鎮村及其他建設用地，占耕地總減少面積的85.85%，另外還有轉為園林地、水域及水利設施用地，分別占耕地轉出總面積的3.77%、10.38%，這一階段由于城鎮化發展不斷擴張，以及工企業建設，導致大量耕地被占用轉為建設用地;耕地轉入面積約為2 050 hm2，轉入耕地最多的是水域及水利設施用地，占了總轉入耕地面積的64.63%，而園林地、城鎮村及其他建設用地分別有25.61%、9.76%轉為耕地，主要是受到農業結構調整、圍湖造田等影響。

2.1.2 2008—2014年 珠三角2008—2014年土地利用轉移情況見圖1－b、表2。可以看出在2008—2014年期間耕地流量變化明顯。耕地轉出的面積約為231 550 hm2，耕地減少主要是轉向園林地，占總轉出耕地面積的36.32%，耕地轉為城鎮村及其他建設用地、草地、水域及水利設施用地、其他土地的面積占比分別 31.51%、2.73%、27.27%、2.17%，這一時期城鎮發展速度放緩，重視交通水利設施建設，同時受農業結構調整、生態退耕等影響，有很大一部分耕地轉變為園林地;耕地轉入面積約為126 025 hm2，轉為耕地的大部分土地類型是園林地，占總轉入耕地面積的78.34%，其中很大部分是作為可調整園林地變為耕地，轉為耕地的其他土地類型還包括草地、水域及水利設施用地、城鎮村及其他建設用地、其他土地，面積占比分別為 10.39%、4.86%、6.11%、0.30%。

表2 珠三角地區2008—2014年土地轉移柵格數

綜合以上分析，珠三角未利用地開發是耕地增加主要來源，隨著城鎮化進程加快，園林地和水域等也逐漸成為耕地增加的重要來源;建設用地擴張、農業結構調整等則是造成耕地減少的主要原因。

2.2 耕地分形維數變化

2.2.1 不同時段分形維數變化 利用ArcGIS軟件提取2000年、2008年、2014年3個時期的耕地利用現狀數據后，和珠三角市級行政區進行疊加，得到各市級區域的耕地圖斑數據，然后對所有耕地圖斑對應的面積和周長進行對數轉換分析，以消除量綱的影響，并將轉換后的周長值作為自變量，轉換后的面積值作為因變量［16］，再進行線性回歸擬合分析，得到珠三角及各地市耕地景觀分形擬合模型及相關系數r2，分析結果見表3。

表3 2000—2014年珠三角各地市耕地景觀分形擬合模型

從表3可以看出，這3個時期珠三角各地市耕地景觀類型的圖斑面積和周長的相關系數r2基本都在0.9以上，說明其擬合度很高，研究的數據具有可靠性，表明耕地資源中圖斑面積與周長形成的這種關系不是在特定情況下偶然發生的，因此計算分形維數也具有一定的理論依據，說明對分形維數的分析具有研究意義和價值。再利用SI公式計算穩定性指數，分析結果見表4。

從表4可以看出，珠三角各地市耕地景觀分形維數不同，說明其景觀具有不同的穩定性結構，受到不同程度的人為干擾。珠三角作為華南平原丘陵區，社會經濟發展具有地域差異性，各地市主導產業不同，農民對農業生產的重視程度和對耕地的依賴程度也不相同，使得各地農民對耕地的人為干擾程度不同。

在時間尺度上2000年珠三角各地市耕地景觀分形維數整體比2008年和2014年要高，除珠海外其他各市在2008年和2014年的耕地景觀分形維數數值相接近，變化不大并呈現平穩狀態。與分形維數相對應的穩定性指數則正好相反，2000年珠三角各地市的耕地景觀穩定性指數普遍小于2008年和2014年，分形維數越大則穩定性指數越小。表明2000年耕地圖斑形狀相對比較復雜，景觀結構最不穩定，受到的人為干擾程度最弱。隨后通過政府部門指導，實施耕地整治、園地山坡地改造開發、高標準農田建設、土地復墾等土地開發整治項目，表明耕地受到人為干擾的強度變大，對耕地的建設使得其分形維數變小，景觀結構越來越穩定，耕地形狀由復雜變為簡單并趨向于規則化，耕地景觀格局的生態效應逐漸明顯。整體來看，珠三角區域2000—2008年耕地景觀分形維數有較大幅度的減少，是由于建設占用、生態退耕、拋荒等各種因素影響，珠三角耕地面積在持續減少，隨著科技進步及相關政策的完善，對農田的管理利用趨于規范化，人類干擾程度的加大使得耕地圖斑的形狀逐漸趨于規整化、簡單化，其分形維數也不斷減小并趨向穩定;2008—2014年又有了小幅度的提高，是由于近些年農民外出打工者增加，造成部分耕地無人耕種而被撂荒，使農田景觀格局變得較為破碎，分形維數值變大［17］。2000—2008年 ΔD= －0.209 7，為負，表明在這個時期內耕地空間分布的復雜性有所降低，2008—2014年ΔD=0.040 5，為正，表明在這個研究時間段內耕地分布有小幅度增加的趨勢，且復雜性增大。

表4 2000—2014年珠三角各地市耕地景觀分形維數和穩定性指數

2.2.2 不同區域分形維數變化 從空間尺度上來看，2000年珠海的分形維數最低，相同時期其穩定性指數則最高，并且佛山市、江門市、肇慶市、惠州市、東莞市、中山市耕地景觀的分形維數均大于1.4，其他地市也都大于1.2，說明這一時期，大部分區域耕地利用情況還較粗放，集約利用效果不明顯;2008年，所有地市耕地景觀的分形維數均小于1.4，最小值仍然是珠海市，僅有 1.090 8，分形維數最大的是肇慶，為1.362 9;2014年，各地市耕地景觀的分形維數值都大于1.1。整體來看，穩定性指數越低，受到人為干擾程度越大，3個研究階段耕地景觀的分形維數最大值都是肇慶，相對應其穩定性指數則是最小。

依據上述穩定性指數，結合珠三角近15年來社會經濟發展狀況以及土地利用情況，將珠三角各地市耕地景觀穩定性指數值大小分為4個級別:1 級(0～0.1)、2 級( ＞0.1 ～0.2)、3級( ＞0.2 ～0.3)、4 級( ＞0.3)。穩定性指數分區見圖2。

2000年，珠三角有5個地市的耕地景觀穩定性指數小于0.1，景觀結構表現為很不穩定，并且所有地市穩定性指數均小于0.3，即沒有出現第4級;2008年，珠三角各地市耕地景觀穩定性指數級別集中在2、3、4級，并且分布也比較均勻，所占比例相當;2014年，耕地景觀穩定性指數級別包括1、2、4級，主要集中在4級，位于珠三角中部區域，景觀結構趨于穩定。廣州市作為廣東省政治經濟中心，其社會經濟的發展離不開建設占用耕地，以廣州市為中心向外圍輻射，尤其是佛山市、珠海市耕地面積不斷減少，人為干擾程度也在不斷加大。從地域分布來看，穩定性較高的區域主要集中在珠三角中部，這個區域地勢平緩，對耕地景觀穩定性起一定的正向作用。耕地斑塊邊緣較為規則，說明地形因素對景觀穩定性指數也起著重要影響。

2.3 耕地景觀變化驅動力

2.3.1 耕地景觀變化驅動因素 工業化、城市化進程的加快，引起耕地格局劇烈改變，了解導致其劇變的原因及人類活動對耕地的干擾，是研究耕地資源保護與可持續利用的重要課題之一［18－19］。影響耕地空間格局的演變主要包括自然和人為兩方面，自然因子對景觀的作用常發生在較大的時空尺度，引起大范圍的景觀發生變化;而人為因子則主要作用于較小時空尺度的景觀演變［20］。耕地變化受自然災害、社會經濟發展、農業結構調整以及國家政策等因素綜合影響［21］。

耕地變化自然驅動因素主要影響土地資源的生產力和土地利用強度，社會經濟驅動相對較活躍，包括人口增長、科技進步、城鎮擴張、經濟發展等因素，影響土地利用類型和土地利用強度［22］。由于研究時間尺度較短，自然環境因素相對較為穩定，發揮著累積性效應，對耕地利用變化的影響相對較小，而社會、經濟和技術等因素則成為主要影響因素［23］。因此筆者主要研究人文因素對珠三角耕地利用變化的影響。

2.3.2 驅動因素的數理分析 在查閱相關文獻資料的基礎上，遵循綜合性、科學性、代表性及可獲取性原則，依據珠三角耕地利用實際情況，選取了影響其耕地利用的因素，并邀請領域專家進行修正，得到如下指標:總人口、農業人口比重、人均耕地面積、財政收入、固定資產投資、農民人均純收入、人均GDP、農業總產值、糧食產量、二三產業結構比重、農業機械總動力。由于各評價指標量綱、數量級和數量變化幅度的差異，首先對原始數據進行標準化處理，這里采用Z標準化方法，處理后各變量的平均值為0，標準差為1［24］。再利用SPSS統計軟件對所選指標與耕地面積進行相關性分析，得到耕地面積變化與驅動因素的相關系數見表5。

表5 2000—2014年珠三角區域耕地變化與驅動因素的相關系數

從表5可以看出，導致珠三角耕地面積變化的主要驅動因素為總人口、人均耕地面積、財政收入、固定資產投資、農民人均純收入、二三產業結構比重等，從側面印證了人口不斷增長、社會經濟迅速發展以及產業結構調整等對耕地數量變化影響較大。人口因素對耕地變化具有直接作用，人口增長必然帶來城鎮建設用地的增加，占用城鎮周邊大量優質耕地;經濟的迅速發展和利益驅動也使得農地不斷被非農化利用，土地利用結構發生轉變，二三次產業比重加大，耕地數量不斷減少。負相關系數則表明這些因素是珠三角耕地面積不斷減少的主要原因。

3 結論

從耕地流量變化來看，2000—2008年期間耕地轉出的面積約為200 150 hm2，主要是轉向城鎮村及其他建設用地，占耕地總減少面積的85.85%;耕地轉入面積約為2 050 hm2，轉入耕地最多的是水域及水利設施用地，占了總轉入耕地面積的64.63%。2008—2014年期間耕地流量變化明顯，耕地轉出的面積約為231 550 hm2，主要是轉向園林地和城鎮村及其他建設用地，分別占總轉出耕地面積的36.32%、31.51%。

利用分形理論對耕地景觀格局特征進行分析，研究珠三角各地市耕地景觀的空間分布格局和空間異質性特征。在定量描述耕地利用景觀格局時，分形理論是一種較好的方法。在時間尺度上2000年珠三角各地市耕地景觀分形維數整體比2008年、2014年要高。空間上來看，珠三角各地市耕地景觀分形維數不同，反映了其耕地斑塊形狀復雜度多樣，景觀具有不同的穩定性結構，受到不同程度的人為干擾。穩定性指數則正好相反，2000年珠三角各地市的耕地景觀穩定性指數普遍小于2008、2014年，分形維數越大則穩定性指數越小。3個研究階段耕地景觀的分形維數最大值都是肇慶，相對應其穩定性指數則是最小。這些變化都是在自然和人為因素共同作用下發生的，珠三角耕地變化的主要驅動因素是總人口、人均耕地面積、財政收入、固定資產投資、農民人均純收入、二三產業結構比重等，從側面印證了人口不斷增長、社會經濟迅速發展以及產業結構調整等對耕地數量變化影響較大。通過定量分析耕地景觀格局特征，將有助于深入研究其影響因素，尋求土地高效利用方式，并為社會經濟的可持續以及人與自然的和諧發展奠定良好基礎。