趙小娟，葉 云，胡月明

(1.華南農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)大學資源環(huán)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(chuàng)立的［1］，能以分形維數(shù)對不規(guī)則“形”的復雜程度給出數(shù)值的度量［2］，是用分形分維的數(shù)學工具來描述研究客觀事物的真實屬性與狀態(tài)，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(zhèn)體系［3］、沙漠化［4］、鄉(xiāng)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(jīng)濟良性發(fā)展與社會和諧穩(wěn)定起著至關重要的作用，改革開放以來經(jīng)濟發(fā)展帶來的城鎮(zhèn)擴張、交通水利等基礎設施增加和產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整導致耕地數(shù)量銳減，尤其是城鎮(zhèn)建設用地增加導致城鎮(zhèn)周邊大量優(yōu)質(zhì)農(nóng)田流失，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不可逆的影響。

近年來，隨著“3S”和現(xiàn)代信息技術等手段的迅速發(fā)展，為研究地理空間信息特別是土地利用動態(tài)變化提供了良好的手段［9－10］。珠三角不僅是中國經(jīng)濟發(fā)展最快的核心城市群區(qū)域之一，而且也是廣東省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，同時作為華南典型丘陵平原區(qū)，具有很好的研究價值和代表性。筆者以珠三角為研究區(qū)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(tài)變化，揭示耕地利用景觀空間格局變化規(guī)律，對于珠三角城市化進程中的耕地保護及可持續(xù)利用具有重要作用。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)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(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)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(qū))，土地面積占廣東省國土面積的23.2%。該地區(qū)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(nèi)有數(shù)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(diào)整地類)，占全省耕地總面積的23.49%。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)(2000年、2008年);2000—2014年土地利用變更數(shù)據(jù);社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來源于2015年《廣東農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《廣東統(tǒng)計年鑒》及各地市統(tǒng)計年鑒、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，所涉及的部門包括農(nóng)業(yè)、國土、水利、規(guī)劃、環(huán)保、統(tǒng)計等部門。

遙感數(shù)據(jù)是在地理空間數(shù)據(jù)云平臺下載2014年涉及研究區(qū)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(zhì)量高的數(shù)據(jù)。對TM遙感影像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分類參考GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)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(qū)域TM遙感影像特點和景觀異質(zhì)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(diào)查與第二次土地調(diào)查成果［11］，結果表明，影像分類總體精度達到87.3%，Kappa系數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移矩陣來反映區(qū)域在不同時間點土地類型轉(zhuǎn)移的數(shù)量關系。轉(zhuǎn)換面積的柵格運算公式為

式中:Sij表示在某一時間段內(nèi)，從土地利用i類型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后類型為j的柵格總數(shù)。

分別對3期遙感解譯數(shù)據(jù)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(zhèn)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(zhuǎn)移采用柵格計算器中的加法運算“‘reclass2000’×10+‘reclass2008’”，新產(chǎn)生了29種不同類型的柵格數(shù)據(jù);對2000—2008年土地利用轉(zhuǎn)移采用柵格計算器中的加法運算“‘reclass2008’×10+‘reclass2014’”，新產(chǎn)生了36種不同類型的柵格數(shù)據(jù)。

1.3.2 分形維數(shù)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(wěn)定性和復雜性特征［8］?？梢杂梅中尉S數(shù)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(shù);A為耕地圖斑面積;P為耕地圖斑周長;C為常數(shù)。

景觀要素的復雜性、穩(wěn)定性與其空間結構的分形維數(shù)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(guī)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?？赏ㄟ^求取直線的斜率而求得各土地類型分形維數(shù)D的值，其值為斜率的倒數(shù)乘以2，即D=2/k(k為斜率)。分形維數(shù)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(tài);D值越接近1.5，就表示空間結構越不穩(wěn)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(xiàn)復雜趨勢。因而可定義一個景觀穩(wěn)定性指數(shù)SI如下:

SI值越小代表地塊空間結構越不穩(wěn)定;反之則越穩(wěn)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(zhuǎn)出，耕地流入主要包括土地整治、復墾和開發(fā)，農(nóng)業(yè)結構調(diào)整等，耕地轉(zhuǎn)出主要是建設占用、災毀以及農(nóng)業(yè)結構調(diào)整等。珠三角2000—2008年土地利用轉(zhuǎn)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(shù)模型可表示為

表1 珠三角地區(qū)2000—2008年土地轉(zhuǎn)移柵格數(shù)

通過表中單元數(shù)量及單個柵格面積，計算在2000—2008年期間耕地轉(zhuǎn)出的面積約為200 150 hm2，耕地減少主要是轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)村及其他建設用地，占耕地總減少面積的85.85%，另外還有轉(zhuǎn)為園林地、水域及水利設施用地，分別占耕地轉(zhuǎn)出總面積的3.77%、10.38%，這一階段由于城鎮(zhèn)化發(fā)展不斷擴張，以及工企業(yè)建設，導致大量耕地被占用轉(zhuǎn)為建設用地;耕地轉(zhuǎn)入面積約為2 050 hm2，轉(zhuǎn)入耕地最多的是水域及水利設施用地，占了總轉(zhuǎn)入耕地面積的64.63%，而園林地、城鎮(zhèn)村及其他建設用地分別有25.61%、9.76%轉(zhuǎn)為耕地，主要是受到農(nóng)業(yè)結構調(diào)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(zhuǎn)移情況見圖1－b、表2?？梢钥闯鲈?008—2014年期間耕地流量變化明顯。耕地轉(zhuǎn)出的面積約為231 550 hm2，耕地減少主要是轉(zhuǎn)向園林地，占總轉(zhuǎn)出耕地面積的36.32%，耕地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)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(zhèn)發(fā)展速度放緩，重視交通水利設施建設，同時受農(nóng)業(yè)結構調(diào)整、生態(tài)退耕等影響，有很大一部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)閳@林地;耕地轉(zhuǎn)入面積約為126 025 hm2，轉(zhuǎn)為耕地的大部分土地類型是園林地，占總轉(zhuǎn)入耕地面積的78.34%，其中很大部分是作為可調(diào)整園林地變?yōu)楦?，轉(zhuǎn)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(zhèn)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(qū)2008—2014年土地轉(zhuǎn)移柵格數(shù)

綜合以上分析，珠三角未利用地開發(fā)是耕地增加主要來源，隨著城鎮(zhèn)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(nóng)業(yè)結構調(diào)整等則是造成耕地減少的主要原因。

2.2 耕地分形維數(shù)變化

2.2.1 不同時段分形維數(shù)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(xiàn)狀數(shù)據(jù)后，和珠三角市級行政區(qū)進行疊加，得到各市級區(qū)域的耕地圖斑數(shù)據(jù)，然后對所有耕地圖斑對應的面積和周長進行對數(shù)轉(zhuǎn)換分析，以消除量綱的影響，并將轉(zhuǎn)換后的周長值作為自變量，轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)r2基本都在0.9以上，說明其擬合度很高，研究的數(shù)據(jù)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(fā)生的，因此計算分形維數(shù)也具有一定的理論依據(jù)，說明對分形維數(shù)的分析具有研究意義和價值。再利用SI公式計算穩(wěn)定性指數(shù)，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(shù)不同，說明其景觀具有不同的穩(wěn)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(qū)，社會經(jīng)濟發(fā)展具有地域差異性，各地市主導產(chǎn)業(yè)不同，農(nóng)民對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重視程度和對耕地的依賴程度也不相同，使得各地農(nóng)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(shù)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(shù)數(shù)值相接近，變化不大并呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。與分形維數(shù)相對應的穩(wěn)定性指數(shù)則正好相反，2000年珠三角各地市的耕地景觀穩(wěn)定性指數(shù)普遍小于2008年和2014年，分形維數(shù)越大則穩(wěn)定性指數(shù)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(wěn)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(fā)、高標準農(nóng)田建設、土地復墾等土地開發(fā)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(shù)變小，景觀結構越來越穩(wěn)定，耕地形狀由復雜變?yōu)楹唵尾②呄蛴谝?guī)則化，耕地景觀格局的生態(tài)效應逐漸明顯。整體來看，珠三角區(qū)域2000—2008年耕地景觀分形維數(shù)有較大幅度的減少，是由于建設占用、生態(tài)退耕、拋荒等各種因素影響，珠三角耕地面積在持續(xù)減少，隨著科技進步及相關政策的完善，對農(nóng)田的管理利用趨于規(guī)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(guī)整化、簡單化，其分形維數(shù)也不斷減小并趨向穩(wěn)定;2008—2014年又有了小幅度的提高，是由于近些年農(nóng)民外出打工者增加，造成部分耕地無人耕種而被撂荒，使農(nóng)田景觀格局變得較為破碎，分形維數(shù)值變大［17］。2000—2008年 ΔD= －0.209 7，為負，表明在這個時期內(nèi)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(nèi)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(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)

2.2.2 不同區(qū)域分形維數(shù)變化 從空間尺度上來看，2000年珠海的分形維數(shù)最低，相同時期其穩(wěn)定性指數(shù)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(shù)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(qū)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(shù)均小于1.4，最小值仍然是珠海市，僅有 1.090 8，分形維數(shù)最大的是肇慶，為1.362 9;2014年，各地市耕地景觀的分形維數(shù)值都大于1.1。整體來看，穩(wěn)定性指數(shù)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(shù)最大值都是肇慶，相對應其穩(wěn)定性指數(shù)則是最小。

依據(jù)上述穩(wěn)定性指數(shù)，結合珠三角近15年來社會經(jīng)濟發(fā)展狀況以及土地利用情況，將珠三角各地市耕地景觀穩(wěn)定性指數(shù)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(wěn)定性指數(shù)分區(qū)見圖2。

2000年，珠三角有5個地市的耕地景觀穩(wěn)定性指數(shù)小于0.1，景觀結構表現(xiàn)為很不穩(wěn)定，并且所有地市穩(wěn)定性指數(shù)均小于0.3，即沒有出現(xiàn)第4級;2008年，珠三角各地市耕地景觀穩(wěn)定性指數(shù)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(wěn)定性指數(shù)級別包括1、2、4級，主要集中在4級，位于珠三角中部區(qū)域，景觀結構趨于穩(wěn)定。廣州市作為廣東省政治經(jīng)濟中心，其社會經(jīng)濟的發(fā)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(wěn)定性較高的區(qū)域主要集中在珠三角中部，這個區(qū)域地勢平緩，對耕地景觀穩(wěn)定性起一定的正向作用。耕地斑塊邊緣較為規(guī)則，說明地形因素對景觀穩(wěn)定性指數(shù)也起著重要影響。

2.3 耕地景觀變化驅(qū)動力

2.3.1 耕地景觀變化驅(qū)動因素 工業(yè)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(xù)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(fā)生在較大的時空尺度，引起大范圍的景觀發(fā)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(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)業(yè)結構調(diào)整以及國家政策等因素綜合影響［21］。

耕地變化自然驅(qū)動因素主要影響土地資源的生產(chǎn)力和土地利用強度，社會經(jīng)濟驅(qū)動相對較活躍，包括人口增長、科技進步、城鎮(zhèn)擴張、經(jīng)濟發(fā)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(huán)境因素相對較為穩(wěn)定，發(fā)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(jīng)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(qū)動因素的數(shù)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(jù)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?qū)＜疫M行修正，得到如下指標:總人口、農(nóng)業(yè)人口比重、人均耕地面積、財政收入、固定資產(chǎn)投資、農(nóng)民人均純收入、人均GDP、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、糧食產(chǎn)量、二三產(chǎn)業(yè)結構比重、農(nóng)業(yè)機械總動力。由于各評價指標量綱、數(shù)量級和數(shù)量變化幅度的差異，首先對原始數(shù)據(jù)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(tǒng)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(qū)動因素的相關系數(shù)見表5。

表5 2000—2014年珠三角區(qū)域耕地變化與驅(qū)動因素的相關系數(shù)

從表5可以看出，導致珠三角耕地面積變化的主要驅(qū)動因素為總人口、人均耕地面積、財政收入、固定資產(chǎn)投資、農(nóng)民人均純收入、二三產(chǎn)業(yè)結構比重等，從側面印證了人口不斷增長、社會經(jīng)濟迅速發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整等對耕地數(shù)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(zhèn)建設用地的增加，占用城鎮(zhèn)周邊大量優(yōu)質(zhì)耕地;經(jīng)濟的迅速發(fā)展和利益驅(qū)動也使得農(nóng)地不斷被非農(nóng)化利用，土地利用結構發(fā)生轉(zhuǎn)變，二三次產(chǎn)業(yè)比重加大，耕地數(shù)量不斷減少。負相關系數(shù)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(zhuǎn)出的面積約為200 150 hm2，主要是轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)村及其他建設用地，占耕地總減少面積的85.85%;耕地轉(zhuǎn)入面積約為2 050 hm2，轉(zhuǎn)入耕地最多的是水域及水利設施用地，占了總轉(zhuǎn)入耕地面積的64.63%。2008—2014年期間耕地流量變化明顯，耕地轉(zhuǎn)出的面積約為231 550 hm2，主要是轉(zhuǎn)向園林地和城鎮(zhèn)村及其他建設用地，分別占總轉(zhuǎn)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(zhì)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(shù)整體比2008年、2014年要高?？臻g上來看，珠三角各地市耕地景觀分形維數(shù)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(wěn)定性結構，受到不同程度的人為干擾。穩(wěn)定性指數(shù)則正好相反，2000年珠三角各地市的耕地景觀穩(wěn)定性指數(shù)普遍小于2008、2014年，分形維數(shù)越大則穩(wěn)定性指數(shù)越小。3個研究階段耕地景觀的分形維數(shù)最大值都是肇慶，相對應其穩(wěn)定性指數(shù)則是最小。這些變化都是在自然和人為因素共同作用下發(fā)生的，珠三角耕地變化的主要驅(qū)動因素是總人口、人均耕地面積、財政收入、固定資產(chǎn)投資、農(nóng)民人均純收入、二三產(chǎn)業(yè)結構比重等，從側面印證了人口不斷增長、社會經(jīng)濟迅速發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整等對耕地數(shù)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(jīng)濟的可持續(xù)以及人與自然的和諧發(fā)展奠定良好基礎。