丹江口市耕地空間格局演變分析*

孫 佩 ，易潔偉 ，周凌云 ，張 馳 ，王雯雯

（湖北省地質科學研究院，湖北 武漢 430034）

0 引言

耕地是生產糧食的搖籃，而糧食是人類得以生存的物質基礎。21世紀以來，全球人口數量持續增加，城鎮化、工業化發展占用的土地資源越來越多，耕地面積逐漸減少，保障耕地的數量和質量成為保證農業可持續發展至關重要的一環。因此，掌握耕地資源的變化情況，加強對耕地的管理與合理利用尤為重要。

在耕地保護方面，周偉等[1]構建了橫向為主、縱向為輔的耕地保護補償機制，錢鳳魁等[2]基于三維生態足跡模型對耕地生態補償額度進行了估算分析。在耕地質量研究方面，主要通過耕地價值量的核算[3]、PSR模型[4-5]、改進灰靶模型[6]、空間自相關[7-8]等方法對耕地質量進行評價。耕地景觀格局是生態系統的重要組成部分，能夠對農業生產與耕地生態系統的穩定性起到直接的影響作用[9]。目前，大部分學者主要通過空間自相關分析、地理加權回歸模型[10]等方法探討耕地景觀格局指數與耕地質量之間的聯系，研究結果表明兩者之間存在著較大程度的相關性。

綜上所述，無論是耕地質量評價方法還是耕地景觀格局的研究，各體系已相對成熟，但將二者結合的研究方法還相對較少。鑒于此，本文以湖北省丹江口市為研究對象，探討了景觀格局指數分析法與核密度估算法在耕地空間格局演變中的作用機制，為區域耕地質量的提升與合理利用提供了有效參考。

1 研究數據與研究方法

1.1 研究區概況

湖北省丹江口市位于中國中南地區、湖北省西北部、漢江中上游，介于東經110°47′53″~110°34′47″，北緯32°14′10″~32°58′10″之間，總面積約3 121 km2。依據2020年的統計數據，其耕地面積約為254.047 5 km2。丹江口市地勢高低懸殊，地貌單元眾多，以亞熱帶半濕潤季風氣候區為主，年降雨量豐富，年平均氣溫為15.9 ℃，土壤以黃棕壤和黃壤為主[11]。整個研究區轄20個鎮（辦、處、區）、194個村，總人口約47萬人，是南水北調中線工程核心水源區[12]，擁有國家5A級旅游景區武當山以及國家級風景名勝區丹江口水庫風景區[13]。

1.2 數據來源與處理

區域研究數據主要來源于自然資源規劃局提供的2010年、2015年與2020年的變更調查數據庫，該數據經過反復舉證、核查、質檢，精度相對較高。依據GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類》對所獲取的數據進行重新分類整理，由于本文主要研究耕地變化情況，因此主要篩選了耕地圖斑并導出形成單獨的耕地數據，以便于后續計算耕地景觀指數，并利用Arcgis的統計功能進行面積的統計[14]。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局指數分析法

景觀格局指數是研究景觀生態的重要方法。Fragstats是最常用的計算軟件，常用的計算方式有三種，分別是總體景觀格局指數計算、移動窗口法計算和網格分析法。由于研究區地形復雜多樣，且山區面積較廣，綜合考慮后將本研究的粒度選定為30 m。

耕地景觀格局指數是景觀格局信息的高度概括，是反映景觀結構組成、空間配置特征的量化指標[8,15]。本文從景觀類型水平方面選取了耕地面積（TA）、斑塊數量（NP）等5個耕地景觀格局指數，景觀格局指數信息如表1所示，并用斑塊數量與耕地景觀面積的比值（NP/TA）來度量耕地破碎化程度[16]。以基礎數據處理得到的2010—2020年的景觀類型柵格數據為基礎，在Fragstats軟件中進行計算，分析研究期間各年耕地景觀格局指數的變化特征。

1.3.2 核密度估算法

核密度估算法（KDE）[17-18]是一種非參數估計方法，該方法不利用相關數據分布的先驗知識[17]，對數據分布不附加任何假定，是一種從統計樣本本身入手研究數據分布特性的新方法，所以，在統計理論與應用上均引起了學者們的高度關注[19]。本文通過核密度估算法對丹江口市耕地面積空間分布情況進行分析，可直觀明了地展現出研究區域耕地數量在空間上的集聚程度。KDE方法的具體原理為：以每個樣點xi為中心，利用核函數估算每個樣點，再搜索半徑內各個柵格單元中心的貢獻密度數值，柵格單元中心和樣點距離越近，貢獻數值也越大。其估算模型為：

式中，fn為耕地地塊分布核密度測算值；n為耕地地塊的數量；k為核密度函數；x-xi為測算耕地地塊x到樣本耕地地塊xi處的距離；h為核密度測算帶塊的平滑參數。

2 結果與分析

2.1 景觀格局指數分析

利用Arcgis的轉換工具分別將2010年、2015年與2020年的耕地矢量數據轉為柵格，再導入Fragstats軟件中，選擇研究所需的耕地景觀格局指數進行計算，計算結果如表2所示。

表2 2010年、2015年與2020年丹江口市耕地景觀級別與類型級別指數

結合表1、表2可知，2010—2020年丹江口市耕地面積變化趨勢為先增加后減少；在研究區總面積不變的情況下，類型級別下的耕地斑塊所占景觀總面積比例（PLAND）同樣也呈現出先增加后減少的特征[16]。耕地面積的減少與城鎮化的關系密不可分，研究期間耕地斑塊所占景觀總面積比例平均只有10%左右，這表明在研究區進行耕地保護刻不容緩。耕地破碎度（NP/TA）在研究期間一直處于增加狀態，表明原有的連片耕地被其他因素分割成了許多的零散圖斑，可能是交通道路的建設、其他農用地的開發利用等導致了耕地的破碎度一直上升。與此同時，耕地的平均斑塊形狀指數（MSI）一直在減小，耕地景觀形狀相對于相同尺寸標準形狀的復雜程度存在下降的趨勢，說明通過人類活動的改造，其外觀逐漸規則化。斑塊數量（NP）一直增大，而聚集度指數（AI）先增大后減小，但其整體聚集度指數較高，表明耕地在呈現聚集狀態的同時被其他地類分割，導致了耕地聚集程度的降低和斑塊數量的增加。

2.2 核密度估算

將所獲得的基礎數據進行預處理后，得到研究區域所需年份的耕地矢量數據圖層。首先利用Arcgis中的數據管理工具將耕地面要素轉換為點要素，然后利用空間分析工具進行核密度分析計算，接著將計算結果進行裁剪，得到研究區域最終的核密度分布圖。為了更直觀地分析耕地分布情況，采用自然斷點分級法將核密度圖分成4級，生成丹江口市2010年、2015年和2020年的耕地空間演變核密度圖，如圖1所示。

圖1 丹江口市耕地核密度分布圖

由圖1可知，2010—2020年，丹江口市核密度高值區整體有向北移動的趨勢；2010—2015年，東北部地區核密度值雖有所下降，但整體仍偏高，到2020年，高值區集中向北移動。核密度低值區主要分布在丹江口水庫附近以及武當山旅游經濟特區，主要原因是丹江口水庫附近水位變化較大，且有一定范圍發展成了旅游區，存在一定的消落帶，不適合耕地的長期發展；而武當山旅游經濟特區以發展生態旅游為主，大部分地區位于生態保護紅線內，不適合開墾為耕地。

3 結論與討論

本文基于Arcgis與Fragstats軟件，利用景觀指數分析法以及核密度估算法對丹江口市耕地空間分布情況進行了分析，主要研究結果如下：

1）景觀格局指數分析結果顯示，景觀類型水平方面的耕地面積（TA）、聚集度指數（AI）、斑塊所占景觀面積比例（PLAND）都呈現出先增后減的特征；而斑塊數量（NP）與耕地破碎度（NP/TA）數值一直增加，表明丹江口市的耕地在研究期間破碎化程度不斷增加，受人類活動影響越來越大；因而在一定程度上使得耕地圖斑的外觀形態趨于規則化，故平均斑塊形狀指數（MSI）呈現下降的趨勢。

2）由核密度空間分布圖可知，2010—2020年，丹江口市核密度的空間分布特征表現為：除了丹江口水庫附近以及武當山旅游經濟特區，其他地方的核密度值均較高，高值整體有向北遷移的趨勢。這種分布特征主要受丹江口市水庫附近水位變化反復以及旅游業發展的影響。