許利洋 買爾哈巴·玉蘇甫

摘要： 基于2000年和2010年兩期GlobeLand 30土地覆蓋數(shù)據(jù)，以湖北省潛江市為研究區(qū)，分析潛江市土耕地時空變化特征，并計算該市19個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地斑塊面積與破碎度指數(shù)，建立耕地面積和破碎度耦合的9種耕地變化模式，分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積、耕地破碎度變化以及兩者相聯(lián)系形成的耕地變化特征。結(jié)果表明，2000—2010年，潛江市耕地總面積基本保持穩(wěn)定，但潛江市內(nèi)部各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積變化幅度差異顯著，耕地破碎化加劇;潛江市“耕地面積減少伴隨著破碎度增加”的耕地變化模式占主導地位，位于城市化發(fā)展較快的東北地區(qū)，而“耕地面積增加伴隨破碎度減少”的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要分布在農(nóng)業(yè)比較發(fā)達的西南地區(qū)。潛江市城市建設用地逐漸占用耕地，導致城市邊緣耕地面積驟減，耕地內(nèi)部破碎化趨勢嚴重。

關鍵詞：耕地變化; 破碎化; 景觀格局; 潛江市

中圖分類號：P96;P901? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0030-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.005 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on the land cover data of GlobeLand 30 in 2000 and 2010， taking Qianjiang in Hubei province as the research area，the soil spatial and temporal variation characteristics of cultivated land in Qianjiang is analyzed. And the arable land patch area and the fragmentation index of 19 towns in the city are calculated. The cultivated land area and the fragmentation coupling mode of 9 kinds of cultivated land change are established. The changes in cultivated land， cultivated land fragmentation country towns and the characteristics of both associated with formation of the farmland change are analyzed. The results show that the total cultivated land area of Qianjiang remained stable from 2000 to 2010， but the variation range of the cultivated land area of each town and town within Qianjiang was significant， and the cultivated land fragmentation was intensified. The cultivated land change pattern of “the reduction of cultivated land area with the increase of fragmentation” is dominant in Qianjiang， and it is located in the northeast region where urbanization is developing rapidly. The townships with the pattern of “increase in cultivated land area with reduced fragmentation” are mainly distributed in the southwestern regions where agriculture is relatively developed. The urban construction land gradually occupied the cultivated land in Qianjiang， resulting in a sharp decrease in the area of cultivated land at the edge of the city， and the internal fragmentation trend of the cultivated land is serious.

Key words： cultivated land change; fragmentation; landscape pattern; Qianjiang city

耕地作為最重要的土地利用方式之一，是人類生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，是人類十分寶貴的資源與財富[1]。全球范圍的快速城市化所帶來的無秩序的城市擴張、優(yōu)質(zhì)耕地被占用、人口密度過大、土地供需矛盾尖銳等問題使得糧食安全問題成為嚴重威脅[2]。

近年來，許多研究學者對無秩序的城市擴張導致的耕地景觀破碎化問題、城市用地占用優(yōu)質(zhì)耕地導致的耕地面積及耕地質(zhì)量的下降和農(nóng)業(yè)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展問題等[3]進行了大量的研究。Su等[4]以深圳市為例，研究城市化進程中耕地保護制度，提出了耕地轉(zhuǎn)型的制度和體系;Dadashpoor等[5]和Deng等[6]都對城市化導致的土地景觀格局變化進行了研究;Chao等[7]以山東省為例，計算山東省的陸地植被凈初級生產(chǎn)力和耕地壓力指數(shù)，對其凈初級生產(chǎn)力和耕地變化進行了評價;Gong等[8]對廣州市耕地和建設用地的分化進行了研究;李鵬山等[9]對京津冀地區(qū)耕地空間分布特征以及破碎化程度進行分析;陳迪等[10]采用2000年和2010年兩期全球30 m地表覆蓋遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GlobeLand 30）及FAOSTAT統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立耕地面積數(shù)量和耕地利用格局指標群，在國家、地理分區(qū)和縣級等3個尺度上綜合分析亞洲耕地的數(shù)量、復種指數(shù)[11，12]及耕地破碎度變化特征;傅澤強等[13]分析了中國耕地數(shù)量與質(zhì)量的變化對糧食生產(chǎn)所產(chǎn)生的影響，提出必須高度重視耕地的數(shù)量保持和質(zhì)量改善的建議。上述研究主要關注了耕地面積變化特征或者耕地景觀變化特征，所得出的結(jié)論主要偏向于注重耕地總面積的保障，而對小尺度區(qū)域耕地內(nèi)部的變化特征關注較少。宏觀角度上注重并保持耕地總量固然很重要，但耕地內(nèi)部景觀變化特征會帶來更多的生態(tài)經(jīng)濟影響與效應。耕地面積與耕地景觀的耦合分析，即對耕地數(shù)量與耕地內(nèi)部破碎化程度進行同步分析，對優(yōu)化和調(diào)整耕地內(nèi)部景觀格局有實際意義，更有利于實現(xiàn)土地集約化與土地資源可持續(xù)化。因此，有必要將耕地面積與耕地破碎度結(jié)合起來深入研究耕地景觀問題。

本研究以湖北省潛江市為研究對象，分析該區(qū)域耕地面積、耕地破碎度以及兩者的耦合模式的時空變化特征。潛江市位于江漢平原腹地，2000年以來城市化進程不斷加快，導致該地區(qū)耕地景觀發(fā)生很大變化，再加上“南水北調(diào)、引江濟漢”以及高速客運鐵路建設等重大工程的實施，多種國家政策的頒布使?jié)摻恋乩媒Y(jié)構(gòu)更加復雜。對潛江市耕地進行耕地面積與破碎度的耦合分析，有利于全面揭示江漢平原耕地利用現(xiàn)狀以及變化規(guī)律，為未來該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化提供重要信息支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

潛江市位于湖北省中部，江漢平原腹地，交通發(fā)達，地勢低平，位于112°29′E—113°01′E，30°04′N—30°39′N。潛江市是武漢城市圈和長江中游城市群重要成員，境內(nèi)有全國十大油田之一的江漢油田[14]，轄3個省級經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、6個國營農(nóng)場，素有“曹禺故里、江漢油城、龍蝦之鄉(xiāng)”的美譽。近年來潛江市充分發(fā)揮江漢平原豐富的水資源優(yōu)勢，積極探索現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，走出了一條獨具特色的水產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路，使?jié)摻行↓埼r的養(yǎng)殖規(guī)模、加工能力、出口創(chuàng)匯連續(xù)7年位居全國第一，被譽為“中國小龍蝦之鄉(xiāng)”“中國小龍蝦加工出口第一市”[15]（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來源

所采用的2000年與2010年的兩期土地利用數(shù)據(jù)均源自GlobeLand 30[16]（http：//www.globallandcover.com），覆蓋潛江市區(qū)域的圖幅編號為N49_30。

GlobeLand 30數(shù)據(jù)是中國首個30 m分辨率的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)集[17]，陳軍等[18]對該產(chǎn)品在全球范圍進行了精度評價，其總體精度在80%以上。該數(shù)據(jù)集將全球土地覆被分為10類，分別為耕地、林地、草地、灌木地、苔原、濕地、水體、冰川和永久積雪、裸地與人造地表。本研究所指的耕地包括水田、灌溉旱地、雨養(yǎng)旱地、菜地、耕地牧草種植地、大棚用地、以種植農(nóng)作物為主間有果樹及其他經(jīng)濟喬木的土地，茶園、咖啡園等灌木類經(jīng)濟作物種植地。

1.3 研究方法

首先，將2000年與2010年的兩期GlobeLand 30數(shù)據(jù)與潛江市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)導入Arcgis 10.5軟件中，掩膜提取潛江市的兩期土地利用數(shù)據(jù)，得出潛江市土地利用空間分布圖。對潛江市的兩期土地利用數(shù)據(jù)進行疊加分析，并得到2000—2010年潛江市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

其次，計算潛江市各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地景觀指數(shù)。將潛江市內(nèi)每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用數(shù)據(jù)分別導出為TIF格式數(shù)據(jù)，使用Fragstats 4.2 軟件計算潛江市2000、2010年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地斑塊面積和破碎度指數(shù)。

本研究通過選取耕地斑塊面積和破碎度指數(shù)構(gòu)建耕地變化耦合模型，這兩個指標分別表述耕地數(shù)量變化和耕地景觀內(nèi)部變化。耕地斑塊面積（TA）是指某一區(qū)域內(nèi)所有耕地斑塊的面積總和，以此表征潛江市耕地景觀的面積;破碎度指數(shù)（SPLIT）（式1）表征景觀被分割的破碎程度，在一定程度上反映人類對景觀的干擾程度，進而反映出人類對自然生態(tài)系統(tǒng)的影響，破碎度指數(shù)數(shù)值越大，其代表的耕地景觀破碎化越嚴重。本研究耦合耕地斑塊面積和破碎度指數(shù)表征潛江市不同類型的耕地變化，對于每個指標分別指定了3個間隔，分別為減少、穩(wěn)定和增加，計算每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地斑塊面積與破碎度指數(shù)百分比變化（式2），基于此參照Freedman - Diaconis規(guī)則公式，即耕地斑塊面積變化率置信區(qū)間為±2%，破碎度指數(shù)變化率置信區(qū)間為±5%，兩者相結(jié)合建立了9種耕地斑塊面積與破碎度指數(shù)耦合模式（圖2）。

式中，A表示潛江市總的景觀面積;aij表示第j個樣方i種類型的斑塊面積;n為斑塊的樣方個數(shù)。

式中，R表示TA或SPLIT的變化率，n表示變量TA或SPLIT。

式中，H表示分級閾值，IQR表示數(shù)據(jù)的四分位距區(qū)間，N表示樣本數(shù)。分別基于耕地斑塊面積和破碎度指數(shù)的百分比變化。

2 耕地動態(tài)變化

2.1 土地利用時空變化分析

2000—2010年，潛江市土地利用結(jié)構(gòu)整體變化幅度較大，其中，耕地、水體和草地面積呈減少趨勢，人造地表、林地和濕地面積呈增加趨勢，人造地表、水體及草地等地類變化幅度顯著。人造地表面積的增加顯著，從146 km2增加到245 km2，增幅為40.48%，水體的面積減少最為顯著，2000年潛江市水體面積為144.29 km2，2010年為87.26 km2，降幅為39.52%。如圖3所示，人造地表面積增加幾乎遍布潛江市整個轄區(qū)，東北地區(qū)最為顯著，西部偏南地區(qū)也有所增加，但幅度較小。潛江市東北地區(qū)靠近長江，水陸交通便利，又接江漢油田，第二產(chǎn)業(yè)發(fā)達，城市化速度快，城市范圍不斷擴大，由于城市擴張占用大量耕地和湖泊水體，導致耕地和水體面積大量減少。

2.2 耕地面積變化分析

耕地是潛江市的主要土地利用類型，占潛江市總國土面積（2 004 km2）的83%，因此耕地的增減變化對于當?shù)厣鐣?jīng)濟以及生態(tài)發(fā)展有重要意義。總體上來看，2000—2010年，潛江市耕地面積變化基本保持穩(wěn)定，2000年耕地總面積為1 690 km2，2010年為1 648 km2，總減少面積為42 km2，占總耕地面積的2.5%，減少幅度不大，但潛江市耕地空間變化明顯，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地增減變化明顯，總體呈南增北減的趨勢。

2000—2010年，耕地面積增加集中在潛江市中部偏西南地區(qū)，主要以占用水域為主，西南地區(qū)國營農(nóng)場集中，湖泊水域較多且破碎（圖4），無秩序圍湖造田、拓荒開墾等行為大量占用水域，導致水體面積減少。大面積的耕地減少多在潛江市東北地區(qū)，2005年潛江市原澤口經(jīng)濟開發(fā)區(qū)由國家發(fā)改委批為潛江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，列為湖北省重點省級開發(fā)區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展速度加快，對竹根灘、王場和周磯等鎮(zhèn)有帶動作用，引領經(jīng)濟發(fā)展，城市化進程加快。此外，潛江市中部、西南部和西部的部分地區(qū)耕地減少。耕地面積增加的地區(qū)集中在中部偏西南地區(qū)，而耕地面積減少則零散分布在潛江市大部分地區(qū)。

2.3 耕地與其他地類的轉(zhuǎn)換

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是根據(jù)同一地區(qū)不同時相的土地覆蓋現(xiàn)狀的轉(zhuǎn)化關系求得的一個二維矩陣。通過對該矩陣進行分析，可以得到兩個時相不同的地類之間相互轉(zhuǎn)化關系，這表示不同的土地利用類型在一個時間段發(fā)生的土地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出以及變化[19]。

按照GlobeLand 30數(shù)據(jù)的地類劃分標準，潛江市的土地類型包括耕地、林地、草地、濕地、水體和人造地表等6種地類。潛江市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表1所示。潛江市耕地轉(zhuǎn)為人造地表的面積較大，為103.63 km2，占潛江市總國土面積的5.17%。2000—2010年是中國經(jīng)濟快速發(fā)展的10年，也是潛江市城鎮(zhèn)化速度最快的10年，由于城市擴張，需要滿足城市化進程中城市住宅、公園、工廠、公共設施和商業(yè)等用地的擴張。潛江市的東北部如潛江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、園林、竹根灘、王場和廣華等地，城市的快速發(fā)展加劇了耕地向人造地表的轉(zhuǎn)換速度。

潛江市水體轉(zhuǎn)為耕地與耕地轉(zhuǎn)為水體面積分別為76.70、21.15 km2，分別占潛江市國土面積的3.83%和1.06%。潛江市的水產(chǎn)業(yè)和漁業(yè)發(fā)展迅速，潛江市有“中國小龍蝦之鄉(xiāng)”的稱號，在湖泊水體豐富的地區(qū)大力發(fā)展連片的蝦稻田，在種植水稻的同時又養(yǎng)殖小龍蝦，在符合綠色發(fā)展理念的同時又增加了商品的附加值，也加劇了水體和耕地之間的轉(zhuǎn)化。

3 耕地景觀破碎化程度變化分析

潛江市河渠縱橫交錯，湖泊星羅棋布，其耕地面積的變化必然導致其耕地內(nèi)部景觀格局的變化。由圖5可以看出，2000—2010年，潛江市整體破碎度指數(shù)增加占主導地位，63%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)破碎度指數(shù)增加。位于潛江市北部地區(qū)的王場鎮(zhèn)與潛江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)至2010年破碎度指數(shù)分別為4.17與4.45，增長幅度較大，分別為159.95%和166.59%，如表2所示。潛江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和王場鎮(zhèn)連帶周邊園林、竹根灘和廣華等鄉(xiāng)鎮(zhèn)快速城市化，這3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)2010年破碎度指數(shù)分別為3.17、4.25與3.73，增長幅度分別為50.98%、40.58%、24.58%，城鎮(zhèn)用地無序擴張，首先占用城區(qū)周邊耕地，使較完整的耕地愈加破碎。積玉口、老新、楊市、漁陽與總口破碎度指數(shù)增加幅度較小，增幅分別為0.80%、8.51%、5.81%、0.33%、8.21%。位于潛江市西南地區(qū)的后湖、龍灣、浩口、張金以及西大垸等鄉(xiāng)鎮(zhèn)破碎度指數(shù)呈減少趨勢，前身均是國營農(nóng)場后湖和龍灣鎮(zhèn)SPLIT減少幅度劇烈，分別為48.37%和26.30%。在潛江市城市化發(fā)展迅速占用耕地的同時，前身為國營農(nóng)場的后湖和龍灣等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地破碎度減小，耕地更加集約化，提高糧食產(chǎn)量，從而保持總體糧食產(chǎn)量，確保潛江市的糧食安全問題。

4 潛江市耕地斑塊面積與破碎度指數(shù)耦合分析

2000—2010年，潛江市耕地破碎度指數(shù)增加的鄉(xiāng)鎮(zhèn)占主導地位，占潛江市總鄉(xiāng)鎮(zhèn)的63%，27%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)保持穩(wěn)定，10%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈減少趨勢，如圖6a所示。破碎度指數(shù)整體分布與耕地面積變化的分布恰好相反，王場鎮(zhèn)與潛江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)增加幅度最大，因城市發(fā)展用地增加較多，占用耕地面積增加，因此農(nóng)業(yè)發(fā)展越來越精細化，耕地破碎度增大。破碎度指數(shù)減少的鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈帶狀分布于中部偏南地區(qū)，后湖、龍灣和西大垸農(nóng)業(yè)發(fā)展地區(qū)，耕地發(fā)展更加集約化。

2000—2010年，潛江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地斑塊面積減少占主導地位，70%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積減少，17%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)保持穩(wěn)定，13%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積增加，如圖6b所示。其中，耕地斑塊面積減少幅度較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有潛江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、王場、園林和竹根灘，減少幅度分別為22.19%、14.27%、10.94%、10.32%，主要分布在東北地區(qū);耕地斑塊面積減少幅度較小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有高石碑、廣華、熊口、總口、老新、運糧湖、周磯和楊市，減少幅度分別為5.82%、5.40%、4.88%、4.17%、3.83%、3.14%、2.79%、3.06%，由西北向東南方向呈帶狀分布;位于潛江市西部的積玉口、浩口、張金以及東南角的漁洋鎮(zhèn)耕地斑塊面積基本保持穩(wěn)定;而前身均為國營農(nóng)場并作為江漢平原重要的優(yōu)質(zhì)糧大鎮(zhèn)、優(yōu)質(zhì)棉重鎮(zhèn)、水產(chǎn)品強鎮(zhèn)的龍灣、后湖和西大垸耕地斑塊面積表現(xiàn)為大幅增加，由腹地向南呈條狀分布在湖泊較集中的地區(qū)。

如圖7所示，2000—2010年，潛江市耕地變化整體表現(xiàn)為耕地斑塊面積減少伴隨破碎度增加的模式。該模式主要分布在潛江市北部的廣華、高石碑、王場等鎮(zhèn)以及東部的竹根灘、潛江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、園林、楊市、總口、熊口、老新等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。耕地斑塊面積增加伴隨破碎度減少模式與耕地斑塊面積穩(wěn)定和破碎度穩(wěn)定模式主要發(fā)生在潛江市西南地區(qū)，該地區(qū)湖泊眾多，多是國營農(nóng)場。大力集中發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)需要的是機械化的生產(chǎn)和連片集中的種植，龍灣、后湖和西大垸等鎮(zhèn)具有得天獨厚的發(fā)展農(nóng)業(yè)的區(qū)位優(yōu)勢，位于江漢平原中部，地處湖北省農(nóng)業(yè)的核心地區(qū)，交通條件便利，優(yōu)越的區(qū)位條件給了這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)集約發(fā)展農(nóng)業(yè)的良好環(huán)境。

5 小結(jié)與討論

基于2000年和2010年兩期GlobeLand 30土地覆蓋數(shù)據(jù)，計算潛江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地斑塊面積與破碎度指數(shù)，建立耕地面積和破碎度耦合的9種耕地變化模式，分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積、耕地破碎度變化以及兩者聯(lián)動關系形成的耕地變化特征，得到如下結(jié)論。

1）潛江市耕地面積總量基本保持穩(wěn)定，主要受耕地保護政策等影響。耕地面積變化更多是發(fā)生在潛江市的內(nèi)部，大量耕地轉(zhuǎn)換為人造地表，大部分水體、草地轉(zhuǎn)為耕地來補償損失的耕地。面對糧食安全問題，潛江市政府發(fā)布的《潛江市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》要求其他地類按比例補償同等數(shù)量和同等質(zhì)量的耕地。因此，潛江市土地形成人造地表占用耕地、耕地又占用其他地類來補充損失耕地的循環(huán)模式，使得潛江市土地利用結(jié)構(gòu)更加復雜化。

2）潛江市耕地變化模式主要表現(xiàn)為耕地面積減少伴隨耕地破碎度增加。2000—2010年潛江市耕地破碎化加劇，這與當?shù)氐奈r稻共作模式的新興并快速發(fā)展以及城市化進程加快有著密不可分的關系。近年來，潛江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)大規(guī)模稻田挖溝蝦稻連作田，建立了以積玉口、龍灣、浩口、熊口、漁洋等鎮(zhèn)為重點的蝦稻連作養(yǎng)殖基地。蝦稻田面積的增加使得潛江市的耕地面積增加，卻也加劇了耕地的破碎化程度。

3）實施耕地保護政策的同時更應該注重耕地景觀格局變化特征。潛江市東北部的潛江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、園林等城鎮(zhèn)城市化速度較快?？陀^上來說，城市建設與保護耕地間存在一定的矛盾，城市的擴大必然要占用城區(qū)周邊土地，城市占用耕地又會導致糧食短缺的問題，但是城市的發(fā)展也不能停滯不前。因此，建議潛江市應該調(diào)整好城市發(fā)展與耕地保護之間的平衡關系，在策劃耕地保護策略的同時考慮耕地時空變化與耕地內(nèi)部景觀格局的變化，進而保障土地利用結(jié)構(gòu)能夠保持相對平衡。

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