黑土區拜泉縣耕地破碎化時空變化分析

蓋兆雪, 陳旭菲, 杜國明

(東北農業大學 公共管理與法學院, 哈爾濱 150030)

糧食安全是國家安全的重要基礎，是治國理政的頭等大事[1]。確保國家糧食安全，把中國人的飯碗牢牢端在自己手中，根本在于耕地[2]。目前，耕地破碎化已成為中國農業發展中的一個突出問題[3-4]。耕地破碎化不僅造成農產品生產成本極大浪費，降低糧食產出效益[5-6]，而且導致機械化水平難提高、種植業分區輪作制度難建立[7]，對國家糧食安全和農業可持續發展造成巨大威脅，這些問題受到國家相關部門的高度重視。習近平總書記強調：“人多地少是我國的基本國情，也決定了我們必須像保護大熊貓一樣保護耕地，絕不能讓中國飯碗有閃失。”2021年中央一號文件提出“加快推進農業現代化，健全現代農業全產業鏈標準體系，推動新型農業經營主體按標生產。”然而，由于社會經濟快速發展和生態文明建設的推進，耕地逐漸被建筑用地和基礎設施用地等土地類型占用，導致連片耕地被切割，造成耕地地塊大小不一、形狀各異且空間不相連[8]。耕地破碎化已難以適應農業集約化、現代化和規模化的發展需求[9]。因此，在人多地少的基本國情下，加強耕地破碎化研究，對保障國家糧食安全和落實“藏糧于地、藏糧于技”戰略具有重要的理論和實踐意義。

目前關于耕地破碎化測度的研究主要體現在微觀角度、區域中觀角度、區域宏觀角度3個方面。微觀角度，基于農戶視角側重于以農戶經營利用耕地狀況指標表征農戶的耕地破碎化程度[10-11]，如葛玉娟等[12]利用無人機高分辨率影像和農戶調查數據，在對比不同通勤距離情景耕地細碎化測度模型準確性的基礎上，計算農戶耕地細碎化指數；區域中觀角度，從景觀生態學視角出發利用遙感影像數據以景觀指數為切入點來衡量耕地破碎度[13-15]，如陳帷勝等[16]選取平均地塊面積、地塊密度、邊界密度指數、面積加權形狀指數等對耕地破碎度進行評價；區域宏觀角度，從自然—人為視角出發，基于耕地資源稟賦、空間屬性和利用屬性等特征評估耕地破碎化程度，如劉晶等[17]從資源規模性、空間集聚性和利用便利性三方面構建評價指標體系對江蘇省耕地破碎化進行評價。研究方法多采用綜合評價法和景觀指數法。然而，研究視角的不同會導致耕地破碎化測度結果存在差異。縱觀來看，耕地破碎化不僅是一個時間表現，也是一個空間過程，但以往研究多以耕地破碎化測度分析為主，分析不同時間段耕地破碎化程度，而對某一區域耕地破碎化的空間異質性分析較少，缺少耕地破碎化的空間信息。因此，在直觀空間位置的動態研究方面亟待加強。鑒于此，本研究基于移動窗口技術，構建耕地破碎化識別模型，劃分耕地破碎化類型，在像元水平上定量反映耕地破碎化過程，揭示耕地破碎化的類型、面積和空間分布特征，為空間上定量評價耕地破碎化過程奠定基礎，為耕地制度完善和農村土地制度改革提供理論參考。

1 研究區概況

以黑土區典型縣——拜泉縣為研究區，拜泉縣位于東經125°30′—126°31′，北緯47°20′—47°55′，屬中溫帶大陸性季風氣候特征。土地面積為3 599.15 km2，下轄7鎮9鄉186個村，總人口59.6萬人，其中農村人口50.8萬人，占總人口的85.23%。由2015年土地利用變更調查數據可知，拜泉縣耕地面積為250 200 hm2，占土地總面積的69.52%(圖1)。拜泉縣地處小興安嶺余脈與松嫩平原的過渡地帶，漫川漫崗區、淺山區、低丘陵所占比例較大，地勢自東北向西南傾斜。拜泉縣是國家重要糧食主產區，主要從事傳統農業生產，然而，隨著長期不合理的耕種方式以及區域基礎設施建設、建設用地占用、水土流失、人口流動等，導致耕地出現不同程度的破碎化，不利于農業生產發展。

圖1 拜泉縣高程和耕地分布

2 研究方法

2.1 數據來源及預處理

本研究數據來源于2000年、2005年、2010年、2015年4期Landsat TM/OLI遙感影像數據。選取6—9月云覆蓋率小于10%且分辨率為30 m的遙感影像。借助ENVI軟件平臺進行圖像校正、鑲嵌、增強和裁剪等預處理，并采用監督分類、人工目視解譯和野外調查等手段，基于研究區2012年土地利用現狀矢量數據和第三次土地調查縣級數據庫，對驗證提取的耕地結果進行檢驗。最終確定研究區土地利用類型，將拜泉縣土地利用類型分為：耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6個一級類型。同時對分類結果進行精度檢驗(Kappa系數均超過0.89)，解譯結果滿足研究需要。本文采用一級分類(耕地)進行破碎化分析，把耕地分為旱地、水田和水澆地。

2.2 移動窗口技術方法

Riitters等[18]基于移動窗口技術(窗口為奇數)，以土地利用數據類型聚合后的森林像元與鄰近森林像元邊界的數量特征定量分析森林破碎化空間格局。本研究也借助此種思想，對拜泉縣的耕地破碎化進行評價。具體為，利用4期處理后的土地利用數據進行二值化的重分類(定義耕地=1，非耕地=0)；為確保結果的可靠性，經調試確定移動窗口為9×9，并使其中心定位于一耕地像元(若中心像元為非耕地像元，則不進行后續分析)，Pl為耕地面積密度指數，是指在既定大小的窗口中耕地像元(Nl)與像元總數(Nt)的比例；Pll為總體耕地連接度指數，是指既定大小的窗口中，主方向上相鄰像元均為耕地像元的像元對數(Dll)占總像元對數(Dl)(像元中至少由一個耕地像元)的比例[19]。Pll可以判定一個耕地像元的相鄰像元也是耕地像元的可能性，詳細的計算公式如下：

(1)

(2)

圖2表示假想的3×3的窗口中，灰色方格代表耕地，白色方格代表非耕地，像元總數為9。Pl=6/9；Pll=5/11。

圖2 耕地破碎化模型原理

Stauffer等提出的滲透理論定義了Pl的臨界值為0.6[20]。借助Pl和Pll的測度值，結合滲透理論，將耕地像元分為核心耕地、孔洞耕地、邊緣耕地和斑塊耕地4種類型(表1)。

表1 耕地破碎化類型特征解釋

3 結果與分析

3.1 耕地破碎化時空演變分析

基于移動窗口技術方法生成2000年、2005年、2010年和2015年4個時期的拜泉縣耕地破碎化分布圖，確定耕地破碎化類型特征分別為：核心耕地、孔洞耕地、邊緣耕地和斑塊耕地(圖3)。從空間尺度來看，2000—2015年拜泉縣耕地破碎化呈現“孔洞耕地為主導，核心耕地分布集中”的特點。孔洞耕地廣泛分布在整個縣域上，核心耕地主要集中分布在海拔相對平緩的西南部，邊緣耕地主要分布在其他土地利用類型周圍或縣域邊界地帶，斑塊耕地分布比較零散。

隨著時間的變化，2000—2015年拜泉縣耕地破碎化程度整體呈現“緩慢—急劇—緩慢”的趨勢，其中孔洞耕地比例最高(>60%)，斑塊耕地比例最低(<0.2%)，核心耕地和邊緣耕地比例介于兩者之間。2000—2015年除核心耕地比例下降外，孔洞耕地、斑塊耕地、邊緣耕地比例均大致呈上升趨勢，說明研究區耕地破碎化程度有增加趨勢。其中核心耕地比例下降幅度最大，由2000年的26.93%減少到2015年的22.86%，減少了4.07%；而孔洞耕地比例增加幅度最大，由2000年的60.25%增加至2015年的64.08%，增加了3.83%。2005—2010年是耕地破碎化變化的快速時期，該階段核心耕地比例快速減少，孔洞耕地和斑塊耕地比例快速增加，主要由于社會經濟的快速發展，耕地非農化現象明顯，導致大片耕地被切割。2010—2015年孔洞耕地比例下降了0.07%，而核心耕地、斑塊耕地比例分別增加了0.05%，0.02%，可能是由于土地整治工程的實施，在一定程度上將部分破碎化的耕地集中連片，但隨著水土流失的加劇以及農田防護措施的實施，導致部分耕地再一次被切割。總體來看，雖然拜泉縣斑塊耕地占比較低，耕地破碎化不是很嚴重，但是自2010年社會經濟快速發展以來，斑塊耕地一直處于增加的趨勢，耕地破碎化問題日益突出(表2)。

圖3 2000-2015年拜泉縣耕地破碎化分布

表2 2000-2015年拜泉縣耕地破碎化類型面積比例 %

3.2 鄉鎮級區域尺度破碎化時空特征分析

從鄉鎮尺度進一步分析拜泉縣耕地破碎化程度。由于地形地貌是導致耕地破碎化的客觀原因，因此，依據拜泉縣DEM分布圖，以高海拔為分界線將拜泉縣各鄉鎮劃分為3個區域：西部(長春鎮、大眾鄉、豐產鄉、永勤鄉、時中鄉、富強鎮、愛農鄉)、中部(興農鎮、興華鄉、上升鄉、拜泉鎮、興國鄉、龍泉鎮和新生鄉)、東部(富強鎮和三道鎮)。

2000—2005年西部地區斑塊耕地比例增加，邊緣耕地、孔洞耕地和核心耕地比例減少，其中斑塊耕地比例增加幅度最大，耕地破碎化程度呈上升趨勢；中部地區斑塊耕地和邊緣耕地比例增加，其中斑塊耕地比例最大，孔洞耕地和核心耕地比例均有減少，耕地破碎化程度也逐漸增加；東部地區斑塊耕地和孔洞耕地比例明顯增加，邊緣耕地和核心耕地比例減少，耕地破碎化程度進一步加劇。2010—2015年西部地區斑塊耕地和孔洞耕地比例呈增加趨勢，邊緣耕地和核心耕地比例減少；中部地區除核心耕地外，其他耕地類型比例均有所下降；東部地區除核心耕地外，其他類型耕地比例均增加。整體來看，2000—2005年西部和東部耕地破碎化程度較大；2010—2015年除中部地區，其余地區斑塊耕地比例均穩定增加，核心耕地的面積比例減少，耕地破碎化程度不斷加劇，尤其是水土流失嚴重的西部地區耕地破碎化程度增加明顯(圖4)。

3.3 村級尺度耕地破碎化時空特征分析

本文在村級尺度上對拜泉縣186個村的耕地破碎化程度進行分析。由于數據量大且比較分散，村與村之間耕地破碎化程度不盡相同，難以確定破碎化程度最低的村，但可以看出各村的耕地破碎化程度存在較大差異，因此，在科學性、層次性及可區分性原則的基礎上定義合適的斷點，結合ArcGIS軟件對其進行分級，將2015年各種耕地破碎化類型分為3級，見圖5。

斑塊耕地比例3級區為：Ⅰ級區(0～15.0)、Ⅱ級區(15.0～40.0)、Ⅲ級區(40.0～65.0)。由圖5A可以看出，眾義村、東風村、有富村、長榮村、六合村、合理村、興隆村、清潔村、勤勞村、龍泉村、文明村、永樂村、新樂村、保勝村、愛眾村、興國村、合心村、利華村18個村的斑塊耕地處于Ⅲ級區，說明耕地破碎化程度比較嚴重。其中合心村耕地破碎化程度較高，其次為龍泉村，原因可能一方面是受到耕地非農化的影響，另一方面是由當地的水土流失和地形地貌特征綜合作用決定。27個村的斑塊耕地處于Ⅱ級區，耕地破碎化程度相對較大。其他大部分村斑塊耕地比例處于I級區。孔洞耕地比例3級區為：I級區(0～25.0)、Ⅱ級區(25.0～50.0)、Ⅲ級區(50.0～75.0)。由圖5B可以看出，研究區37%以上村孔洞耕地比例處于Ⅲ級區，耕地密度大于60%且耕地密度大于耕地連接度，主要分布在西南部，40%以上村孔洞耕地比例處于Ⅱ級區。可見，斑塊耕地比例有可能增加，耕地破碎化程度將會加劇。邊緣耕地比例3級區為：Ⅰ級區(0～40.0)、Ⅱ級區(40.0～70.0)、Ⅲ級區(70.0～100.0)。由圖5C可以看出，邊緣耕地比例處于Ⅲ級區僅有一個為拜泉縣城區，Ⅱ級區主要分布拜泉縣邊界。核心耕地比例3級區為：I級區(0～45.0)、Ⅱ級區(45.0～65.0)、Ⅲ級區(65.0～85.0)。由圖5D可以看出，研究區25%左右的村核心耕地比例處于Ⅲ級區，耕地破碎化程度最低，主要是由于自然條件較好且水土流失較輕。50%以上的村核心耕地比例處于Ⅱ級區。

圖4 2000-2015年鄉鎮級耕地破碎化類型面積比例

4 耕地破碎化成因分析

耕地破碎化現象的產生受自然-人文雙重因素共同作用，不同歷史時期不同因素的影響程度不盡相同。結合研究區自然資源稟賦、社會經濟發展需求與農村土地制度改革等因素，將研究區耕地破碎化成因劃分為4個層面，分別為自然切割力、管理切割力、利用切割力和設施切割力。

4.1 自然切割力破碎化過程

自然因素是導致拜泉縣耕地破碎化的客觀原因，可以細分為兩個方面：內營力和外營力。內營力主要取決于地形地貌特征，拜泉縣位于漫川漫崗區，淺山區、低丘陵所占比例較大。如西南部地形高低起伏，且洼地和鹽堿地相對較多，在一定程度上難以形成連片耕地。外營力主要體現在風力、水力等方面。拜泉縣水土流失嚴重，主要表現為坡耕地黑土層流失和水土流失形成的侵蝕溝，將連片耕地切割成多個形狀各異、大小規模不一的地塊。另外，個別村由于多年嚴重的水土流失，導致耕地喪失生產能力，出現撂荒現象，進一步加劇了拜泉縣耕地破碎化。

4.2 管理切割力破碎化過程

拜泉縣在家庭聯產承包責任制下，村集體需要平衡不同家庭之間的權益，按照耕地數量、質量、位置等發包耕地，使得農戶擁有多個面積和距離不等的地塊，造成耕地空間上的不相連。隨著經濟社會發展，耕地承包者將持有的耕地按照地塊租賃給多個農戶，以及諸子繼承思想和饋贈也導致耕地進一步分散。管理切割力主要體現在兩個方面：權屬管理和經營管理。權屬管理是由于行政村村民小組的存在，使得土地所有權被細分化到村民小組，又在聯產承包責任制下分配給農戶，導致耕地被分割成多個大小不一且不相連的耕作地塊；經營管理是將耕地承包者轉租給經營者導致的耕地權屬進一步的分割。

圖5 2015年拜泉縣村級耕地破碎化類型百分比

4.3 利用切割力破碎化過程

隨著社會經濟的快速發展，拜泉縣為滿足其生產、生活、生態需求，使得區域內的一些耕地和其他土地利用類型發生改變。耕地破碎化原因主要表現在耕地用途改變和線狀地物切割兩個方面。由于居民點、林地、公路等不同類型用地占用耕地，導致原有的連片耕地被切割、局部占用或“穿心”，如拜泉縣為全國造林綠化百佳縣，大量植樹造林在一定程度上造成耕地空間不連續。同時拜泉縣為黑龍江省深度貧困縣，大量養殖場、工廠的修建將會再次加深耕地破碎化程度。

4.4 設施切割力破碎化過程

為提高農田灌溉能力、耕作便捷程度、農田防護水平等，在耕地中修筑農業基礎設施和修建附屬設施，使得一些耕地被占用。設施切割力主要體現在兩個方面：線狀基礎設施的建設和面狀、點狀附屬設施的建設。如拜泉縣農業基礎設施以修建田坎、溝渠、防護堤、防護林為主，附屬設施以修建育秧棚、曬水池、晾曬場、農機站為主，在一定程度上破壞耕地地塊完整性，加劇了耕地破碎化程度。

綜上，地貌起伏是拜泉縣耕地自然切割力最穩定的部分，而水土流失進一步加劇了自然切割力；隨著城鎮化、生態文明建設進程的推進，耕地非農化是利用切割力的直接表現，導致拜泉縣耕地進一步破碎化；設施切割力是耕地功能性提升的重要舉措，也是保護耕地的有效手段，但也會加劇耕地破碎化；管理切割力，從歷史角度來看，耕地產權破碎化是造成拜泉縣耕地破碎化現象的根本原因。

5 討論與結論

5.1 討 論

本文利用移動窗口技術，在像元水平上定量反映耕地破碎化過程，揭示耕地破碎化的基本特征和時空格局，為耕地破碎化的治理提供一定依據。研究發現，研究區耕地破碎化程度變化較為明顯，2005—2010年研究區處于社會經濟快速發展時期，大量耕地被占用。因此，此階段耕地破碎化變化最為顯著。研究區處于黑土區水土流失典型地帶，且近15 a來為獲得更高的經濟效益，占用大量耕地，可見，水土流失、耕地非農化是研究區耕地破碎化的主要因素，研究結果與研究區的發展一致。

此外，耕地破碎化在不同尺度上呈現出不同結果，本文采用移動窗口技術構建耕地破碎化模型，在像元水平上定量反映耕地破碎化過程，描述耕地破碎化的空間信息，但忽略了適宜尺度的選擇。未來基于移動窗口技術并引入尺度選擇模型，確定耕地破碎化的最佳窗口尺度，增加結果的精度。耕地破碎化受自然—人文雙重因素影響，本文從自然、管理、利用和設施切割力4個方面進行定性分析，未能探尋不同影響因素對耕地破碎化的作用強度、大小和方向。未來基于計量分析模型或地理探測器模型，從以上4個方面選取適宜指標，揭示耕地破碎化的形成機制。

5.2 結 論

(1) 2000—2015年拜泉縣耕地破碎化程度整體呈現“緩慢-急劇-緩慢”的趨勢，2005—2010年是耕地破碎化變化的快速時期，核心耕地比例快速減少，孔洞耕地和斑塊耕地比例快速增加。

(2) 拜泉縣耕地破碎化呈現“孔洞耕地為主導，核心耕地分布集中”的特點。2000年拜泉縣斑塊耕地占比較低，耕地破碎化不是很嚴重，但是自2010年以后社會經濟快速發展以來，斑塊耕地一直處于增加的趨勢，耕地破碎化問題日益突出。

(3) 鄉鎮級尺度上，2000—2005年西部和東部耕地破碎化程度較大；2010—2015年，除中部地區外，其余地區斑塊耕地比例均穩定增加，核心耕地比例減少，耕地破碎化程度加劇。

(4) 村級尺度上，拜泉縣各個村的耕地破碎化程度有較大差異，其中18個村耕地破碎化程度較高。

(5) 拜泉縣耕地破碎化成因主要源于自然切割力、利用切割力、設施切割力和管理切割力的影響。其中水土流失、耕地非農化、農業基礎設施建設、家庭聯產承包責任制是拜泉縣耕地破碎化的主要因素。