孫 瑞，金曉斌,2,3，項(xiàng)曉敏，曹 帥，徐翠蘭，隋雪艷，劉 敏，周寅康,2,3

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土地整治對耕地細(xì)碎化影響評價(jià)指標(biāo)適用性分析

孫 瑞1，金曉斌1,2,3※，項(xiàng)曉敏1，曹 帥1，徐翠蘭4，隋雪艷4，劉 敏4，周寅康1,2,3

（1. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210023； 2. 國土資源部海岸帶開發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023； 3. 江蘇省土地開發(fā)整理技術(shù)工程中心，南京 210023； 4. 江蘇省土地開發(fā)整理中心，南京 210024）

為分析土地整治對耕地細(xì)碎化影響評價(jià)的指標(biāo)適用性，綜合現(xiàn)有研究成果，采用土地利用數(shù)據(jù)和村域土地權(quán)屬信息，基于景觀指數(shù)視角選擇27項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，分析了不同數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)類型和粒度水平下土地整治前后的耕地細(xì)碎化狀況，探討了可有效表征項(xiàng)目區(qū)耕地細(xì)碎化變化的景觀指標(biāo)。研究結(jié)果如下：1）受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型、分析方法選擇及空間格網(wǎng)粒度等因素的影響，項(xiàng)目區(qū)尺度下耕地細(xì)碎化的評價(jià)結(jié)果存在較大差異；2）基于矢量的景觀指數(shù)對耕地細(xì)碎化的表征能力較強(qiáng)，但考慮到評價(jià)指標(biāo)的全面性，仍需結(jié)合柵格數(shù)據(jù)計(jì)算，在項(xiàng)目區(qū)尺度粒度以10 m為宜；3）常用的景觀指標(biāo)應(yīng)用于耕地細(xì)碎化評價(jià)存在內(nèi)涵重復(fù)、方法依賴、粒度敏感和結(jié)果歧義等問題，可有效表征耕地細(xì)碎化程度的景觀指標(biāo)包括斑塊個(gè)數(shù)（number of patches, NP）、平均斑塊面積（mean patch size, MPS）、邊界密度（edge density, ED）、斑塊密度（patch density, PD）、斑塊面積變異系數(shù)（patch size coefficient of variation, PSCOV）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（Shannon’s evenness index, SHEI）共6項(xiàng)；4）土地整治對耕地細(xì)碎化程度改善效果明顯，表示地塊數(shù)量、形狀不規(guī)則程度的指標(biāo)有所降低，NP、PD和ED分別降低了997、0.16和141.73；而表示地塊規(guī)模和空間分布均衡性的指標(biāo)有所增加，MPS、PSCOV和SHEI分別增加了0.118 hm2、23.56和0.004。因此，在進(jìn)行耕地細(xì)碎化景觀指數(shù)評價(jià)時(shí)應(yīng)注重基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選擇，篩選適宜指標(biāo)，確定合理粒度。

土地利用；農(nóng)村地區(qū)；耕地細(xì)碎化；土地整治；景觀指數(shù)；適用性；評價(jià)

0 引 言

耕地是人類進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的資源保障。耕地細(xì)碎化是與土地規(guī)模經(jīng)營相對立的土地利用格局，是世界上多數(shù)國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中普遍存在的問題。作為中國土地利用的傳統(tǒng)問題，耕地細(xì)碎化主要表現(xiàn)為受自然環(huán)境、人口壓力、土地制度等限制，造成耕地地塊規(guī)模狹小、形狀不規(guī)整、權(quán)屬分散，制約土地規(guī)?；?、集約化經(jīng)營的現(xiàn)象[1]。中國作為人口大國，人均耕地面積不足0.092 hm2[1]，僅為世界平均水平的40%[1]。雖然在特定的歷史階段下，一定程度的耕地細(xì)碎化有助于分散農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、消除農(nóng)村饑餓與貧困、維護(hù)社會(huì)公平與穩(wěn)定[2]。但隨著經(jīng)濟(jì)水平提升和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，耕地細(xì)碎化的負(fù)面影響愈加突出，一方面造成耕地資源浪費(fèi)，不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械化、現(xiàn)代化發(fā)展，增加農(nóng)戶耕作的難度和時(shí)間，降低土地綜合產(chǎn)出率[3]；另一方面，也提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，增加了農(nóng)用機(jī)械使用量，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模效率[4]。為緩解耕地細(xì)碎化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的負(fù)面影響，中國政府不斷提出應(yīng)對舉措：2003年開始實(shí)施的《土地承包法》強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定和完善土地承包關(guān)系，賦予農(nóng)民長期而穩(wěn)定的土地使用權(quán)限，減緩了由于農(nóng)村集體組織內(nèi)部權(quán)屬調(diào)整造成耕地細(xì)碎化愈發(fā)嚴(yán)重的趨勢；2013年中央一號文件《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進(jìn)一步增強(qiáng)農(nóng)村發(fā)展活力的若干意見》要求“結(jié)合農(nóng)田基本建設(shè)，鼓勵(lì)農(nóng)民采取互利互換方式，解決承包地塊細(xì)碎化問題”，提出“家庭農(nóng)場”概念，鼓勵(lì)和支持承包土地向?qū)I(yè)大戶、家庭農(nóng)場、農(nóng)民合作社流轉(zhuǎn)；2017年中央一號文件《中共中央、國務(wù)院關(guān)于深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革加快培育農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新動(dòng)能的若干意見》進(jìn)一步深化了“加快推動(dòng)土地流轉(zhuǎn)、積極發(fā)展適度規(guī)模經(jīng)營”的宏觀部署。黨的十九大報(bào)告強(qiáng)調(diào)，要完善承包地“三權(quán)”分置制度，通過土地經(jīng)營權(quán)的流轉(zhuǎn)，促進(jìn)經(jīng)營權(quán)的協(xié)商交換、土地整理，實(shí)現(xiàn)小塊變大塊、連片經(jīng)營，發(fā)展多種形式適度規(guī)模經(jīng)營，提高土地產(chǎn)出率、勞動(dòng)生產(chǎn)率、資源利用率。深入認(rèn)識耕地細(xì)碎化內(nèi)涵及特征，有效分析區(qū)域耕地細(xì)碎化狀況及問題，對合理制定應(yīng)對政策、明確扶持重點(diǎn)、改進(jìn)整治方向等都具有重要意義。

土地整治作為破解現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程中土地利用問題的政策工具，是世界上許多國家（地區(qū)）解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中土地利用問題的重要措施[3]。在治理耕地細(xì)碎化方面，土地整治被視為一種有效模式并取得了顯著成效[5]。德國在土地整治項(xiàng)目實(shí)施中堅(jiān)持“公眾參與”原則，通過土地條塊整理、村莊改造建設(shè)、生態(tài)景觀規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等措施，改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和區(qū)域生態(tài)環(huán)境，顯著降低了耕地細(xì)碎化[6]；日本在土地整治中也將解決田塊細(xì)碎化作為重要內(nèi)容，圍繞土地合并和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)促進(jìn)農(nóng)地規(guī)模化、機(jī)械化經(jīng)營，并依據(jù)城市和鄉(xiāng)村建設(shè)進(jìn)行權(quán)屬調(diào)整與村莊更新[7]。中國臺(tái)灣地區(qū)從方便自耕農(nóng)戶耕作角度開展了大規(guī)模農(nóng)地重劃，通過土地交換合并對分散的細(xì)碎耕地進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)“一戶一塊地”，促進(jìn)了適度規(guī)模經(jīng)營[6]。為促進(jìn)土地整治成效的發(fā)揮，國內(nèi)部分地區(qū)也嘗試將農(nóng)戶意愿和土地權(quán)屬調(diào)整納入土地整治中統(tǒng)籌考慮，如新疆瑪納斯縣三岔坪村采用農(nóng)民自主式土地整治模式——“互換并地”，自發(fā)調(diào)整土地權(quán)屬的空間位置，將農(nóng)戶分散地塊進(jìn)行集中連片，同時(shí)進(jìn)行土地平整、農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)等措施[8]；廣西省扶綏縣渠蘆屯采用合作社主導(dǎo)的“小塊并大塊”土地整治模式，通過統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、集中管理、分配收益等措施，引導(dǎo)農(nóng)戶土地入股，實(shí)現(xiàn)“分股分紅不分地”的合作化經(jīng)營模式。但當(dāng)前中國土地整治總體尚處于以政府為主導(dǎo)和工程建設(shè)為主要實(shí)施手段的階段[9]，在破解耕地細(xì)碎化，促進(jìn)耕地集中連片，實(shí)現(xiàn)適度規(guī)模經(jīng)營方面還有待提升。

在學(xué)術(shù)研究方面，當(dāng)前耕地細(xì)碎化研究主要集中在耕地細(xì)碎化影響和耕地細(xì)碎化評價(jià)2個(gè)方面。前者主要圍繞耕地細(xì)碎化造成的正負(fù)面影響，從農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)力出發(fā)，結(jié)合自然資源[10]、經(jīng)濟(jì)因素[11-12]、生產(chǎn)函數(shù)模型[13-14]等，探討耕地細(xì)碎化對作物生產(chǎn)和農(nóng)民收入的影響[15-17]；后者則重點(diǎn)圍繞不同主體[18-19]、不同尺度[20-21]和不同對象[22-23]，對耕地細(xì)碎化特征進(jìn)行評價(jià)。具體就耕地細(xì)碎化評價(jià)而言，以地塊為對象的研究，主要從地塊數(shù)量、質(zhì)量、規(guī)模、形狀等方面分析地塊形態(tài)和空間分布特征[24]；以農(nóng)戶為對象的研究，主要分析土地權(quán)屬在空間尺度上對耕地的分割程度[24]；以區(qū)域?yàn)閷ο蟮难芯?，多?gòu)建包含自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等要素的評價(jià)綜合體系測算耕地細(xì)碎化程度[25]。相關(guān)研究涵蓋了斑塊尺度[14]、斑塊類型尺度[26]和景觀尺度[14]，所采用的分析包括生態(tài)視角[27]、景觀視角[25-29]、利用經(jīng)營視角[20]等。在利用景觀指數(shù)開展耕地細(xì)碎化評價(jià)方面，Bonfanti等采用斑塊個(gè)數(shù)、平均斑塊面積、斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)等指標(biāo)分析了土地整治對區(qū)域景觀格局變化的影響[30]；李鑫等從耕地類型尺度上選擇平均地塊面積、邊界密度、地塊密度、面積加權(quán)形狀指數(shù)、面積加權(quán)分維數(shù)等指標(biāo)，利用主成分分析方法綜合衡量耕地細(xì)碎化程度[2]；孫雁等選取平均地塊大小、地塊形狀指數(shù)、聚集度、分離度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)等指標(biāo)反映了中觀尺度下土地細(xì)碎化的特征[31]；黃思琴等以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究單元，選取斑塊個(gè)數(shù)、斑塊密度、平均斑塊面積、面積加權(quán)形狀因子、面積加權(quán)分維數(shù)、斑塊聚集度指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行耕地細(xì)碎化評價(jià)[11]。目前相關(guān)研究多選取與耕地景觀格局特征有聯(lián)系的景觀指標(biāo)，反映某一區(qū)域的耕地細(xì)碎化狀況，但在景觀指標(biāo)針對性、有效性、適用性等方面尚未進(jìn)行充分分析，可能造成評價(jià)結(jié)果失真。本文擬綜合現(xiàn)有研究成果，采用土地利用數(shù)據(jù)和村域土地權(quán)屬信息，基于景觀指數(shù)視角，分析不同數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)類型和粒度水平下土地整治前后的耕地細(xì)碎化狀況，探討可有效表征項(xiàng)目區(qū)耕地細(xì)碎化變化的景觀指數(shù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取江蘇省寶應(yīng)縣小官莊鎮(zhèn)某高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田整治項(xiàng)目作為研究案例。該項(xiàng)目位于寶應(yīng)縣小官莊鎮(zhèn)的南部，地處東經(jīng)119°25′52″～119°29′57″，北緯33°8′40″～33°11′13″，東與魯垛鎮(zhèn)接壤，南與柳堡鎮(zhèn)相連，西與范水鎮(zhèn)交界，北至向陽河，項(xiàng)目區(qū)土地利用現(xiàn)狀見圖1。

圖1 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀

項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，日照充足，雨水適中，無霜期長；區(qū)內(nèi)地勢平坦，高程在2.20～3.32 m之間；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以糧食作物為主，以稻麥兩熟為優(yōu)勢。項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模1 354.43 hm2，涉及誠忠、范溝、祖全和南場4個(gè)行政村，共38個(gè)村民小組；項(xiàng)目區(qū)內(nèi)共有農(nóng)戶2 534戶，人口10 283人。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)耕地面積1 196.83 hm2，通過整治新增耕地41.22 hm2，項(xiàng)目實(shí)施期為2014－2016年。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所收集的數(shù)據(jù)包括項(xiàng)目建設(shè)資料、土地權(quán)屬資料、社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料和實(shí)地調(diào)研資料。其中：項(xiàng)目建設(shè)資料包括項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)報(bào)告、竣工驗(yàn)收報(bào)告、項(xiàng)目現(xiàn)狀圖（1:5 000）（見圖1）、項(xiàng)目規(guī)劃圖（1:5 000）、項(xiàng)目竣工驗(yàn)收圖（1:2 000）、遙感影像圖（IKONOS）等；土地權(quán)屬資料包括土地變更調(diào)查資料、土地確權(quán)資料（魚鱗圖，1:500）等；社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料包括所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)和行政村的人口、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料；實(shí)地調(diào)查資料包括無人機(jī)航拍、農(nóng)戶訪談、問卷調(diào)查等。

以土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)（以下簡稱二調(diào)圖）為基礎(chǔ)，結(jié)合遙感影像、無人機(jī)航片和魚鱗圖，在ArcGIS中對各農(nóng)戶擁有的所有田地進(jìn)行數(shù)字化，并添加相應(yīng)的權(quán)屬字段，分別得到耕地資源圖層和權(quán)屬圖層。

2 研究思路與方法

2.1 技術(shù)路線

耕地細(xì)碎化是自然要素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素共同作用的結(jié)果，反映耕地的空間分布、狀態(tài)及人類活動(dòng)對耕地的干擾程度。從景觀異質(zhì)性、自然性、運(yùn)動(dòng)性、有序性等特征入手，有利于在時(shí)空上突顯土地整治對耕地細(xì)碎化的改善情況。

本文采用“構(gòu)建指標(biāo)-定量評價(jià)-統(tǒng)計(jì)分析-特征提取”的總體思路，在對可體現(xiàn)耕地細(xì)碎化特征的景觀指數(shù)進(jìn)行全面收集的基礎(chǔ)上，基于二調(diào)圖和魚鱗圖，通過矢量計(jì)算和柵格計(jì)算的方法，利用ArcGIS和FRAGSTATS軟件對不同格網(wǎng)粒度下的全部備選指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，而后針對指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的顯著性、敏感性、差異性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最后根據(jù)結(jié)果特征，從指標(biāo)內(nèi)涵、方法、粒度等方面，篩選可有效表征耕地細(xì)碎化狀況的評價(jià)指標(biāo)。整體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

2.2 指標(biāo)釋義

景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的定量化研究方法[28]，被廣泛應(yīng)用于景觀格局分析、生態(tài)環(huán)境評價(jià)、土地利用與覆被變化等的研究中[29]。同時(shí)景觀指數(shù)也可以刻畫耕地細(xì)碎化的數(shù)量規(guī)模、地塊規(guī)則程度、空間分散程度等不同特征，這些定量指標(biāo)信息含量高、說明功能強(qiáng)。但當(dāng)前研究中并未針對景觀指標(biāo)的針對性、有效性、適用性等方面進(jìn)行分析，往往造成評價(jià)結(jié)果失真等問題。因此，本研究立足耕地細(xì)碎化的內(nèi)涵，根據(jù)耕地細(xì)碎化的主體特性，參考現(xiàn)有的研究中用于定量評價(jià)耕地細(xì)碎化狀態(tài)的常用指標(biāo)，主要涵蓋面積/密度/邊界、形狀、蔓延/散布等景觀特征[29-33]，綜合考慮耕地景觀的數(shù)量、規(guī)模、形狀和空間分布指標(biāo)，圍繞景觀斑塊和景觀類型尺度選取27項(xiàng)備選指標(biāo)，探討可有效表征項(xiàng)目區(qū)耕地細(xì)碎化變化的景觀指數(shù)。具體指標(biāo)內(nèi)容如下：

2.2.1 景觀斑塊尺度

1）數(shù)量指標(biāo)。斑塊個(gè)數(shù)（number of patches，NP，1），斑塊密度（patch density，PD，2）。

2）規(guī)模指標(biāo)。平均斑塊面積（mean patch size，MPS，3），平均周長面積比（mean perimeter-area ratio，MPAR，4），最大斑塊指數(shù)（largest patch index，LPI，5），面積加權(quán)平均斑塊面積（area-weighted mean patch size，AWMPS，6），斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差（patch size standard deviation，PSSD，7），斑塊面積變異系數(shù)（patch size coefficient of variation，PSCOV，8），核心斑塊面積變異系數(shù)（core area coefficient of variation，CACOV，9），核心斑塊面積方差（core area standard deviation，CASD，10）。

3）形狀指標(biāo)。邊界密度（edge density，ED，11），平均斑塊邊緣（mean patch edge，MPE，12），平均斑塊形狀指數(shù)（mean shape index，MSI，13），面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)（area-weighted mean shape index，AWMSI，14），平均斑塊分形維數(shù)（mean fractal dimension index，MPFD，15），面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)（area-weighted mean fractal dimension index，AWMPFD，16）。

4）空間分布指標(biāo)。平均最近鄰體距離（mean nearest neighbor distance，MNN，17）。

2.2.2 景觀類型尺度

1）規(guī)模指標(biāo)。斑塊類型面積（class area，CA，18），景觀面積（total landscape area，TLA，19），斑塊豐富度密度（patch richness density，PRD，20），香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon’s diversity index，SHDI，21，香農(nóng)均勻度指數(shù)（Shannon’s evenness index，SHEI，22）。

2）形狀指標(biāo)。景觀形狀指數(shù)（landscape shape index，LSI，23）。

3）空間分布指標(biāo)。聚合度指數(shù)（aggregation index，AU，24），景觀分離度指數(shù)（landscape division index，DIVISION，25），分割度指數(shù)（splitting index，SPLIT，26），蔓延度指數(shù)（contagion，CONTAG，27）。

2.3 數(shù)據(jù)處理

分別采用二調(diào)圖和魚鱗圖，基于矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，在不同格網(wǎng)粒度下進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算。具體步驟如下：

1）格網(wǎng)粒度選擇?？紤]研究區(qū)范圍及計(jì)算量，設(shè)置5種粒度水平，分別為5、10、20、30和50 m。在進(jìn)行多粒度格網(wǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)，為保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一致性，通過聚合柵格像元的方式形成的不同粒度大小的分類圖，分類結(jié)果示例見圖3。

2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。利用ArcGIS和FRAGSTATS軟件，在不同格網(wǎng)粒度下對所選取指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。為便于分析，采用離差標(biāo)準(zhǔn)化方法[34]對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

圖3 研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)示例圖

3 結(jié)果與分析

3.1 粒度分析

耕地斑塊是分析耕地細(xì)碎化程度的基本單元。本文選取的27項(xiàng)景觀指標(biāo)中，有15項(xiàng)指標(biāo)可采用矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，有26項(xiàng)指標(biāo)可采用柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算?；诓煌瑪?shù)據(jù)來源（魚鱗圖和二調(diào)圖），分別在5種粒度條件下對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖4。

圖4 不同數(shù)據(jù)來源和不同粒度水平下整治前后細(xì)碎化指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

1）基于魚鱗圖。不同粒度選擇下，各指標(biāo)評價(jià)結(jié)果存在顯著差異。其中3（MPS）、5（LPI）、6（AWMPS）、7（PSSD）、8（PSCOV）、9（CACOV）、10（CASD）、14（AWMSI）、16（AWMPFD）和17（MNN）等10項(xiàng)指標(biāo)，隨粒度增大，評價(jià)值呈增加趨勢；而1（NP）、2（PD）、11（ED）、13（MSI）、15（MPFD）、23（LSI）、24（AI）、25（DIVISION）、26（SPLIT）和27（CONTAG）等10項(xiàng)指標(biāo)，隨粒度增大，評價(jià)值呈下降趨勢；有6項(xiàng)指標(biāo)4（MPAR）、18（CA）、19（TLA）、20（PRD）、21（SHDI）和22（SHEI）評價(jià)值不隨粒度選擇而變化。從具體指標(biāo)看，隨粒度變化存在明顯的突變點(diǎn)，如5（LPI）、8（PSCOV）、9（CACOV）、14（AWMSI）和16（AWMPFD），當(dāng)格網(wǎng)粒度在5～20 m之間時(shí)，其值隨粒度增加而增加；格網(wǎng)粒度為30～50 m之間時(shí)，其值隨粒度的增加而下降；而6（AWMPS）、x17（MNN）等指標(biāo)在柵格粒度為10和20 m時(shí)出現(xiàn)突變，其值呈現(xiàn)大幅增減。

均值與標(biāo)準(zhǔn)差變化可反映指標(biāo)值的集中趨勢與分散程度。以基于魚鱗圖的矢量數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)格網(wǎng)粒度為10～20 m之間時(shí)，大部分指標(biāo)值的離散程度較小。結(jié)合參考指標(biāo)值變化的突變點(diǎn)，選擇10 m作為耕地細(xì)碎化評價(jià)的適宜粒度。

2）基于二調(diào)圖。不同粒度下，各指標(biāo)評價(jià)結(jié)果也存在顯著差異，但與魚鱗圖的評價(jià)結(jié)果相比，特征并不完全一致。其中3（MPS）、5（LPI）、6（AWMPS）、7（PSSD）、10（CASD）和17（MNN）等6項(xiàng)指標(biāo)，隨粒度增大評價(jià)值呈增加趨勢，但突變特征存在差異，5（LPI）突變點(diǎn)消失；8（PSCOV）和10（CASD）、11（ED）均在格網(wǎng)粒度為10 m之后出現(xiàn)突變，評價(jià)值出現(xiàn)大幅增加或減少。由圖4可見，不同粒度水平下，基于二調(diào)圖的景觀指數(shù)評價(jià)結(jié)果在均值、標(biāo)準(zhǔn)差的分布趨勢與基于魚鱗圖的類似。因此以10 m作為粒度選擇也適用。

3.2 指標(biāo)評價(jià)

采用矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)（粒度為10 m），對不同數(shù)據(jù)來源下土地整治前后項(xiàng)目區(qū)各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖5。根據(jù)結(jié)果可進(jìn)行評價(jià)適用性指標(biāo)篩選，并將不適用于評價(jià)的指標(biāo)進(jìn)一步區(qū)分為內(nèi)涵重復(fù)性指標(biāo)、方法依賴性指標(biāo)、粒度敏感性指標(biāo)和結(jié)果歧義性指標(biāo)。

圖5 項(xiàng)目區(qū)整治前后數(shù)據(jù)類型比較

1）不適用性指標(biāo)

①內(nèi)涵重復(fù)性指標(biāo)。有6項(xiàng)指標(biāo)含義相近，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果基本相似。例如18（CA）和19（TLA）均表征景觀類型面積；13（MSI）、14（AWMSI）、15（MPFD）和16（AWMPFD）均表征耕地地塊形狀的規(guī)整及變異程度。

②方法依賴性指標(biāo)。有15項(xiàng)指標(biāo)對計(jì)算方法和數(shù)據(jù)類型有要求。一是柵格數(shù)據(jù)依賴型指標(biāo)，即2（PD）、5（LPI）、6（AWMPS）、7（PSSD）、8（PSCOV）、17（MNN）、20（PRD）、23（LSI）、24（AI）、25（DIVISION）、26（SPLIT）和27（CONTAG）等12項(xiàng)指標(biāo)只能利用柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；二是矢量數(shù)據(jù)依賴型指標(biāo)，12（MPE）只能采用矢量數(shù)據(jù)計(jì)算，而15（MPFD）和16（AWMPFD）僅通過矢量數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果具有可比性，采用柵格數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果無法體現(xiàn)土地整治前后的變化。

③粒度敏感性指標(biāo)。有13項(xiàng)指標(biāo)對格網(wǎng)粒度的選取較為敏感。2（PD）、4（MPAR）、5（LPI）、7（PSSD）、8（PSCOV）、9（CACOV）、11（ED）、14（AWMSI）、17（MNN）、23（LSI）、24（AI）、26（SPLIT）和27（CONTAG）等13項(xiàng)指標(biāo)對格網(wǎng)粒度的選擇較為敏感。

④結(jié)果歧義性指標(biāo)。有13項(xiàng)指標(biāo)的指示作用不顯著，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不吻合，包括4（MPAR）、5（LPI）、6（AWMPS）、10（CASD）、14（AWMSI）、15（MPFD）、17（MNN）、21（SHDI）、22（SHEI）、23（LSI）、24（AI）、26（SPLIT）和27（CONTAG）等13項(xiàng)指標(biāo)。案例項(xiàng)目通過土地整治耕地細(xì)碎化狀況得到了明顯改善，但指標(biāo)評價(jià)值與之相背離。

2）適用性指標(biāo)

通過綜合分析，按照含義明確、特征獨(dú)立、覆蓋全面的選擇標(biāo)準(zhǔn)，最適宜進(jìn)行耕地細(xì)碎化評價(jià)的景觀指標(biāo)有6項(xiàng)，分別是1（NP）、2（PD）、3（MPS）、8（PSCOV）、11（ED）和22（SHEI）。

3.3 結(jié)果差異分析

總體而言，土地整治后項(xiàng)目區(qū)耕地細(xì)碎化程度有所降低?；隰~鱗圖的分析結(jié)果顯示，整治后研究區(qū)的田塊數(shù)由3715個(gè)減少到2718個(gè)，減少了997個(gè)；平均田塊規(guī)模由0.3221 hm2增加到0.4401 hm2，增加了0.118 hm2，說明經(jīng)整治后，在地塊數(shù)量減少的同時(shí)增加了地塊規(guī)模；斑塊密度由18.13下降到17.97，下降了0.16；斑塊面積的變異系數(shù)由64.89上升到88.45，上升了23.56；斑塊邊界密度由783.86下降到642.13，斑塊密度下降了141.73；香農(nóng)均勻度指數(shù)由0.196上升到0.200，上升了0.004，表明經(jīng)過整治后耕地斑塊形狀的不規(guī)則程度下降，斑塊規(guī)模的差異度減小。而基于二調(diào)圖的分析結(jié)果顯示，整治前后研究區(qū)的田塊數(shù)均為2.270個(gè)，平均田塊規(guī)模均為0.5382 hm2，斑塊密度均為19.72，斑塊面積的變異系數(shù)均為85.89，斑塊邊界密度均為556.89，而香農(nóng)均勻度指數(shù)由0.166上升到0.239。對比魚鱗圖的分析結(jié)果，二調(diào)圖中地塊數(shù)量較少、規(guī)模偏大，地塊形狀更加規(guī)整，土地整治前后指標(biāo)值變化不明顯，難以有效反映土地整治對耕地細(xì)碎化的改善情況（見圖6）。究其原因，主要由于不同的數(shù)據(jù)來源決定了數(shù)據(jù)的精度，而數(shù)據(jù)的精度又控制著評價(jià)結(jié)果。其中二調(diào)圖以宗地為基本單元（見圖1、圖3），未考慮到諸如田埂、田間道、溝渠以及地塊權(quán)屬等對耕地地塊的分割程度，主要反映田間耕作、管理與田間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的基本狀況；而魚鱗圖以耕作地塊為基本單元，地塊單一且權(quán)屬確定，反映土地利用主體和實(shí)際生產(chǎn)情況，所表達(dá)的耕地細(xì)碎化狀態(tài)更加清晰，更有利于體現(xiàn)耕地細(xì)碎化的內(nèi)在特征。

圖6 土地整治前后各指標(biāo)值變化情況

4 結(jié) 論

景觀指數(shù)是耕地細(xì)碎化評價(jià)指標(biāo)選取的主要來源。為了有效分析土地整治對耕地細(xì)碎化的影響，本研究綜合現(xiàn)有研究成果，在常用景觀指數(shù)分析整理的基礎(chǔ)上，通過案例分析，從數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)類型、粒度水平等方面探討了可有效表征項(xiàng)目區(qū)尺度下耕地細(xì)碎化變化的評價(jià)指標(biāo)及其適用的方法精度。得出以下主要結(jié)論：

1）項(xiàng)目區(qū)尺度下耕地細(xì)碎化評價(jià)，受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型、分析方法選擇及空間格網(wǎng)粒度等因素的影響，評價(jià)結(jié)果存在較大的差異。直接使用土地利用數(shù)據(jù)（二調(diào)數(shù)據(jù)）難以全面反映耕地細(xì)碎化的變化情況，也會(huì)低估土地整治對改善耕地細(xì)碎化的影響。

2）從數(shù)據(jù)類型和格網(wǎng)粒度的選取來看，矢量數(shù)據(jù)對耕地細(xì)碎化的表征能力強(qiáng)于柵格數(shù)據(jù)，但考慮到評價(jià)的全面性，仍需結(jié)合柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性分析。分析結(jié)果表明，項(xiàng)目區(qū)尺度下格網(wǎng)粒度應(yīng)選取10 m為宜。

3）常用的景觀指標(biāo)直接用于耕地細(xì)碎化評價(jià)，存在內(nèi)涵重復(fù)、方法依賴、粒度敏感和結(jié)果歧義等問題，需要對其適用性進(jìn)行區(qū)分?？稍陧?xiàng)目區(qū)尺度下有效評價(jià)耕地細(xì)碎化的指標(biāo)包括斑塊個(gè)數(shù)（NP）、平均斑塊面積（MPS）、邊界密度（ED）、斑塊密度（PD）、斑塊面積變異系數(shù)（PSCOV）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）。

針對耕地細(xì)碎化，當(dāng)前研究主要從景觀視角、生態(tài)視角、利用經(jīng)營視角等進(jìn)行獨(dú)立分析，而如何將宏觀的土地利用結(jié)構(gòu)變化與微觀的農(nóng)戶生產(chǎn)方式變化，顯性的景觀格局變化、生物量變化以及隱形的投入產(chǎn)出變化等進(jìn)行綜合，全面分析土地整治對耕地細(xì)碎化的影響還有待進(jìn)一步深入。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)資料限制，本研究結(jié)果在更大范圍，不同區(qū)域條件下的適用性也有待在后續(xù)研究中進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Applicability analysis of indices in assessment on effect of land consolidation on cultivated land fragmentation

Sun Rui1, Jin Xiaobin1,2,3※, Xiang Xiaomin1, Cao Shuai1, Xu Cuilan4, Sui Xueyan4, Liu Min4, Zhou Yinkang1,2,3

(1.210023,; 2.210023,; 3.210023,; 4.210024,)

Land consolidation is an important measure for solving land use problems in the process of socio-economic development in many countries (regions) in the world. But cultivated land fragmentation has a negative effect on raising agricultural productivity, promoting agricultural mechanization and developing agricultural modernization for many years. Land consolidation is regarded as an effective mode to control the fragmentation of cultivated land, which has achieved remarkable results. As for the applicability of the index in the impact assessment of land consolidation on cultivated land fragmentation, the integrated existing research results found that landscape index is a quantitative research method that can highly concentrate landscape pattern information, and reflect some aspects of its structure composition and spatial configuration. And using landscape index to evaluate the impact of land fragmentation by land consolidation is helpful to highlight the improvement of land consolidation on land fragmentation in the scale of time and space. Landscape index is the main source for selecting evaluation index of cultivated land fragmentation. This paper adopted the general idea of “integrating index system, quantitatively evaluating index, statistical analysis and extracting index”. This study used land use data and village land ownership information, selected 27 evaluation indices based on the view of landscape index, and analyzed the fine fragmentation of cultivated land before and after land consolidation under different data sources, data types and granularity levels. By using ArcGIS and FRAGSTATS software, all alternative indices under different grid granularity levels were calculated. A statistical analysis was made on the significance, sensitivity, and difference of the calculation results of the indicators. Finally, according to the characteristics of the results, the evaluation indicators that can effectively represent the fragmentation status of the cultivated land were screened from the aspects of index connotation, method, and granularity. The results are as follows: 1) Evaluation results of cultivated land fragmentation under the project area scale are quite different from each other, which are affected by the basis data, the selected analysis methods and different grid granularity levels. If the land use data are directly used for evaluation like this, it is difficult to fully reflect the changes in the fragmentation of cultivated land, and at the same time, the impact of land consolidation on improving the fragmentation of cultivated land will also be underestimated. 2) In the terms of data types and grid granularity levels, vector landscape indices have a strong ability to characterize the cultivated land fragmentation. However, considering the comprehensiveness of evaluation indices, it is still necessary to calculate with grid data. No matter which data type is taken, the analysis results show that in the project area the suitable grain size is 10 m. 3) The common landscape indices are applied to the problems of cultivated land fragmentation evaluation, such as connotation repetition, method dependence, granularity sensitivity and result ambiguity, and the indicators which can effectively represent the fragmentation of cultivated land include the number of patches, mean patch size, edge density, patch density, patch size’s coefficient of variation, Shannon evenness index, and so on. 4) Land consolidation has obvious effect on improving the fragmentation of cultivated land. The number of patches and the degree of shape irregularity indices were decreased, NP, PD and ED were respectively decreased by 997, 0.16 and 141.73. While the indices representing patch scale and spatial distribution equilibrium were increased, MPS, PSCOV and SHEI were respectively increased by 0.118 hm2, 23.56 and 0.004.These results provide an important guide for deeply understanding the impact of land consolidation on the cultivated land fragmentation, and effectively analyzing and evaluating the status and problems of cultivated land fragmentation in project area.

land use; rural areas; cultivated land fragmentation; land consolidation; landscape index; effectiveness; evaluation

孫 瑞，金曉斌，項(xiàng)曉敏，曹 帥，徐翠蘭，隋雪艷，劉 敏，周寅康. 土地整治對耕地細(xì)碎化影響評價(jià)指標(biāo)適用性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13)：279－287.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.034 http://www.tcsae.org

Sun Rui, Jin Xiaobin, Xiang Xiaomin, Cao Shuai, Xu Cuilan, Sui Xueyan, Liu Min, Zhou Yinkang. Applicability analysis of indices in assessment on effect of land consolidation on cultivated land fragmentation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 279－287. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.034 http://www.tcsae.org

2018-02-24

2018-06-07

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD06B02）

孫 瑞，博士研究生，主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理。 Email：rsun17@163.com.

金曉斌，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事土地利用與國土整治研究。Email：jinxb@nju.edu.cn.

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.034

F301.2

A

1002-6819(2018)-13-0279-09