吉林省中部地區農業格局動態變化及影響因素分析

于澎 任航

(吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

1 概述

吉林省中部地區是我國重要的商品糧食基地[1]，本文以吉林省中部地區為研究區，包括長春地區、吉林地區、四平地區，采用地理信息系統技術，運用相關方法進行研究，以1985—2018年吉林省中部耕地的時空分布特征為依據，論述了耕地的空間分布特征。對比近幾十年來水田與旱田的時空變化，分析影響農田變化的自然因素和社會因素。為吉林省中部地區科學管理農田提供科學依據,對促進農田可持續良性發展具有重要意義[19]。

近些年，土地利用空間格局研究受到了大量學者的關注，如王愛民等對土地利用的特征指標進行定量分析蘭州市人地關系的特點[2]。景觀格局也被認為是生態系統屬性空間變異程度的具體表現[3]。伴隨著城市化和工業化的加快，現代化技術的飛速發展，中國正在從傳統的農業社會過渡到現代化的工業社會，快速發展的城市化正在不斷改造著農村的風景和城市的發展模式；造成了農用地的形態結構的持續改變，使其原有的農地特色逐漸淡化[20]。另外，大量學者對耕地和建設用地的空間動態變化進行關注[4]，趙曉麗等研究了1987年以來中國耕地的變化，2000年前耕地面積略有增加，2000年后耕地總面積逐步減少相對穩定[5]。另外，在不同的研究方式下，景觀動態變化、模擬和景觀動態的驅動力等都是本文的主要內容，如索倫B·P·克里斯滕斯對丹麥西郊136a的農田用地變化進行了分析，結果表明，在20世紀歐洲農村地區，農用地規模的變化是主要的驅動力[21]；Maria Zomeni利用遙感資料及個案分析希臘鄉村的變遷，景觀變遷與農業轉型之間的聯系[22]。

2 研究區概況與數據處理

2.1 研究區概況

吉林省中部地區中部位于E125°05′～127°05′、N42°56′～45°15′，東西長769.62km，南北寬606.57km，土地面積18.74萬km2，占中國國土面積的2%，位于東北亞幾何中心地帶和黃金玉米帶[6]。吉林省中部地區位于中緯度地區，四季變化分明，屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季月均溫-11.8℃，夏季月均溫23.2℃。夏季月均降水102.7mm，降水主要集中在8月；水系發達，主要由松花江、拉林河、牡丹江3個水系組成，水資源十分豐富。研究區內由于地構造運動，地勢由東南向西北逐漸降低[7]。土壤在人類生產活動中占有重要且必不可少的地位，全省土壤資源總面積為18.65萬km2，吉林省中部地區中部森林資源十分豐富，樹木種類繁多，屬于溫帶針闊葉混交林，因而樹木品種豐富、質量高[8]。

吉林省中部地區，轄1個副省級市(長春)，7個地級市，1個自治州，面積共為18.74萬km2，截至2018年末，吉林省中部地區總人口數1070.58萬人，經統計全年出生人口7.42萬人，出生率占6.9‰，死亡人口4.93萬人，死亡率占4.6‰，自然增長率呈現正增長，人口性別比為101.09(以女性為100)，GDP為8120億元，人均GDP為7.6萬[5]。

圖1 研究區區位圖

2.2 數據來源和研究方法

2.2.1 數據來源與處理

本研究所需數據來源于農田土地利用及社會經濟統計，對1986—2018年土地利用數據進行研究，其中1986—2010年運用Landsat TM影像解譯數據，2018年運用Landsat OLI影像解譯數據。

根據研究目的，將遙感影像通過ERDAS軟件進行標準假彩色合成，合成后對遙感影像數據進行前期處理，同1∶10萬地形圖進行對比改正，用高分辨的衛星圖像對其進行了驗證，其結果準確率在92%左右，基本符合本研究需求。

2.2.2 研究方法

2.2.2.1 遙感與地理信息相結合的信息化分析方法

地理信息系統在對空間數據處理相關領域有廣泛的應用,空間解析的目標是一個或多個數據的空間分層，其基本原則是通過分析多個物體的空間關聯度來獲取新的相關信息和新的知識，通過ArcGIS實現對數據的解析，從而實現對地理問題的求解[9]。通過分析多年的遙感影像數據,按土地使用分級的不同標準進行分類，對其變化進行分析。

2.2.2.2 景觀指數

景觀聚合度指數是指某類景觀斑塊相互之間的連接程度，能夠表示其破碎化程度與聚集程度，其計算公式[11]:

(1)

式中，gii表示相應景觀類型的相鄰斑塊數量[11]。

斑塊凝聚度指數是指某種景觀斑塊類型在一定情況下的凝聚狀態，可用來表征景觀類型聚集程度，其計算公式[12]:

(2)

式中，A表示所有景觀的面積；P表示斑塊周長；a表示斑塊面積[11]。

景觀斑塊指數指整體景觀中，某類景觀所包含的所有斑塊數量，可用來表征景觀異質性、破碎化程度與空間格局,其計算公式[11]:

NP=N

(3)

式中，N為某類型景觀的斑塊數，NP≥1。

斑塊密度為在每平方千米范圍內某種斑塊類型的數量，可以用來表征景觀斑塊的空間異質性與破碎化程度等，其計算公式[12]：

(4)

式中，ni為第i類景觀斑塊的總數量；A為斑塊總面積[11]。

平均斑塊面積是指在整體景觀中某一斑塊類型的平均面積，表明不同景觀類型間的差異，其計算公式[12]:

AREA-MN=A/N

(5)

香農多樣性指數表示景觀要素的占比大小，用來反映景觀類型的豐富性,其計算公式[13]：

(6)

式中，Pi表示景觀類型i出現的頻率[13]。

香農均勻度指數用來反映不同景觀類型分布的均衡程度，其計算公式[14]：

(7)

式中，Pi表示景觀類型i出現的頻率[13]。

3 結果與分析

3.1 農田面積變化過程分析

根據表1農田面積變化來看，1995—2000年吉林省中部地區農田耕地面積大幅度增加，增加3700.38km2，農田面積逐漸上升；2005—2018年呈下降趨勢，減少299.93km2，主要原因是國家對于自然保護，倡導退耕還林，導致面積逐年下降。旱地面積總體趨勢同農田耕地總面積相同，其中2010—2018年旱地面積增加最快，增加539.37km2；水田面積2000—2018年逐年減少，減少876.38km2，主要由于人類活動大量用水導致水資源缺乏，從而導致水田耕地面積大幅度減少。

表1 吉林省中部地區不同階段農田面積變化

從圖2來看，主要分為3個階段。1986—1995年，農田面積主要呈現下降趨勢，水田面積減少速率較低；1995—2000年，總體呈現明顯上升趨勢；2000—2018年趨于平穩，農田耕地面積逐漸穩定。

圖2 吉林省中部地區農田面積變化趨勢圖

3.2 農田景觀格局動態分析

3.2.1 聚集度分析

對吉林省中部地區農田聚集度進行分析時，可以選用聚合度指數(AI)和斑塊凝聚度指數(COHESION)以及平均鄰近距離指數(ENN-MN)來判斷農田的聚集情況[18]，表2為吉林省中部地區農田的聚集度指數計算結果。

表2 吉林省中部地區農田景觀指數

從圖3中可以看出，在整個研究階段斑塊凝聚度指數變化呈現平穩趨勢，而平均鄰近距離指數不斷下降，1986—2000年變化速率最大，2000—2018年變化速率明顯減小，逐漸趨于穩定。聚集度指數在整個研究階段呈現“下降-上升-下降”的趨勢，但總體變化速率不大，逐年趨于穩定，通過以上分析可以看出農田聚集程度逐漸增強。

圖3 吉林省中部地區農田聚集度變化

3.2.2 破碎度分析

在分析吉林省中部地區農田破碎度時，本文選用了斑塊密度指數和斑塊指數以及平均斑塊面積指數[11]，其中破碎化程度隨著斑塊密度(PD)的上升而增強。通過斑塊指數和平均斑塊面積可以更精準判斷出農田破碎化程度。表3為吉林省中部地區農田破碎化景觀指數計算結果。

表3 吉林省中部地區農田景觀指數

通過表3可以看出，斑塊密度呈現下降的趨勢，表明吉林省中部地區農田破碎化程度逐年減弱，通過圖4可以看出，斑塊指數(NP)以1995年為節點先降后增，平均斑塊面積(AREA-MN)以2005年為節點先增后降，且變化速率較快，說明吉林省中部地區農田破碎化程度并不明顯。

圖4 吉林省中部地區農田破碎度變化

3.2.3 多樣性分析

對吉林省中部地區農田進行多樣性研究時，可以選擇香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)來進行判斷[15]，香農多樣性指數主要反映景觀分布均衡程度，香農均勻度指數主要反映各類型面積所占比例。

表4 吉林省中部地區農田景觀指數

由圖5可以看出，1995—2000年，香農多樣性指數(SHDI)有所降低，下降了0.02，而香農均勻度指數(SHEI)有所上升，說明其景觀分布不均衡，景觀空間異質程度呈下降趨勢。2000—2018年間，變化并不明顯。

圖5 吉林省中部地區農田多樣性變化

3.3 農業格局動態變化影響因素分析

3.3.1 自然因素

為研究氣候因素對吉林省中部地區農田變化的影響，本文對吉林省中部地區長春市所在研究區范圍內的年平均降水量和年平均氣溫進行分析，數據來源于中國氣象數據網[16]，如圖6所示，1986—2000年，長春市降水量逐年下降，2000—2010年，降水量逐年上升；1995—2010年，長春市年均氣溫逐年降低,2018年較往年相比，年均降水量減少，年均氣溫升高。

圖6 長春市研究范圍內年降水量和年平均氣溫變化

由于1986—1995年降水量減少氣溫升高，導致土壤干旱，在這一階段農田面積有所減少。2000—2010年降水量逐年上升，氣溫逐年降低，土壤濕潤利于種植，在這一階段農田面積較往年大幅度增加。由于2018年年降水量下降，氣溫升高，導致氣候干旱水田面積減少農田總面積減少。

3.3.2 社會經濟因素

農田格局變化受多方面因素的影響，除了上述研究的自然影響因素外，社會經濟因素對農田格局的變化也起了巨大的推動作用。本研究使用人口、經濟等方面對吉林省中部地區農田格局變化產生的影響進行分析。

表5 1986—2018年吉林省中部地區人口、GDP、農業產值變化情況

3.3.2.1 人口因素

隨著吉林省中部地區經濟的發展，吉林省中部地區人口數逐年增加，其中1986—1995年這一階段人口增長速率最快，人類對住房需求量增加，建設用地增多導致占用農田，使得農田面積在這一階段減少；隨著人類對糧食需求量的升高，導致加大土地的開墾使其變為農田，同時由于吉林省中部地區氣候土壤條件十分優越，適合耕種，導致農田面積不斷增加，后期保持穩定。

3.3.2.2 經濟因素

市場經濟在社會主義大環境下，發展迅速，取得了一定成果，市場機制也漸趨完善，成為影響調控農田開發利用方式的重要因素[17]。一直以來，吉林省中部地區的種植業發展較好，農業經濟占有重要優勢，研究區1986年GDP為227.15億元，農業生產總值貢獻了76.07億元，占比33.49%，研究區2018年GDP為15074.62億元，農業生產總值貢獻了992.96億元，占比6.59%。在研究范圍內，地區生產總值逐年快速增長，隨著經濟的發展，建設用地逐漸增多，必然對農田耕地面積產生影響。在國家政策的保護下，農業生產總值一直保持增長狀態。

4 結論

本研究以吉林省中部地區為研究區，通過ArcGIS軟件和景觀格局軟件進行分析，對吉林省中部地區1986—2018年近30a農田面積變化，以及景觀格局進行分析研究；同時對影響農業格局變化的自然和社會因素進行了分析總結。

1986—2018年，農田的總面積由8994.93km2增加到10434.89km2，旱地和水田面積均增加，其中1995—2000年增長速率最快，2000—2018年農田面積趨于平穩。

聚集度指數在整個研究過程中呈現“下降-上升-下降”的趨勢，但總體變化速率不大，逐年趨于穩定，表示農田聚集程度逐漸增強；農田斑塊密度呈現下降的趨勢，斑塊指數(NP)和平均斑塊面積(AREA-MN)變化速率較小，表明吉林省中部地區農田破碎化程度逐年減弱；1995—2000年香農多樣性指數和香農均勻度指數發生大幅度波動，SHDI下降了0.02，SHEI上升了0.318，表明研究區范圍內景觀類型分布均勻程度和景觀空間異質程度降低，各類型面積所占比例間的差距減小，后期均保持平穩。