基于GIS和景观空间格局的区域耕地适宜度评价——以衡阳市松柏镇为例

邓美容，周 芬，李红伟

（衡阳师范学院 资源环境与旅游管理系，湖南 衡阳 421002）

0 引 言

随着现代工业经济的飞速发展，城市的不合理扩张，大量耕地甚至是国家保护的基本农田被占用，面对国家严格要求保护耕地红线18亿亩的政策，一些地区为了保证耕地指标平衡，盲目扩充耕地，以次充好，耕地整体生产能力和空间布局发生明显变化。而且我国山地丘陵地区面积广大，占到2／3以上，耕地资源有限，如果生产能力不断下降的话势必会打破平衡，为国家未来的发展埋下严重的隐患。耕地适宜度评价是指对影响耕地各种适宜因素的综合评估，景观是由相互作用的生态系统空间镶嵌组成的异质区域，景观生态学是研究景观空间结构与形态特征对生物活动与人类活动影响的科学［1］。

近年来国外在耕地质量评价方面已取得很大进展，但多集中在中尺度乃至大尺度区域上，耕地质量评价已经从传统查田定产、土壤性质、基础地力等单纯对土地自然状态的研究，发展到综合考虑自然、经济、社会的“人地一体化的资源价值管理评价”。欧美地区注重耕地质量及其生态环境变化对粮食生产的影响，Gerowitt B等研究了在保障农业生态环境下的耕地使用需求，提出耕地的合理使用必须建立在对耕地质量及其生态环境不产生不良影响的前提下［2］；Münier B等提出了耕地使用的生态—经济模型，充分保障耕地质量及其生态环境影响［3］。

我国学者近年来将景观生态学、基于生态足迹等新研究思路逐渐引入到土地适宜性评价中（戴金华，2010；张海林，2008）［4－5］，引入土地斑块的概念，从自然、经济、社会等因素综合考虑，利用GIS实现耕地多目标适宜性评价。李谢辉等（2012）［6］将景观生态学中景观空间格局分析指数引入土地利用评价体系，将土地利用中的各土地利用类型作为景观生态中的一个个景观缀块，分析无序土地利用景观中的潜在规律。在耕地资源评价方面，国内注重土地适宜性的评价研究，部分学者利用GIS和RS进行分析，通过将数据栅格化，利用栅格属性叠加分析的方法实现耕地适宜性分级。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

松柏镇始建于1955年，北依湘江，东临舂陵河，北边距衡阳市区27km，南边距常宁市区30km。松柏镇位于常宁市东北角，总面积78.6km2，耕地面积23km2。目前有人口7.6万，非农业人口5.1万，农业人口2.5万。历年来，松柏镇凭借得天独厚的地下矿产资源和人民辛勤劳动，先后进入全国村镇建设先进镇、全国百强乡镇行列，并赢得了“湘南第一镇”的美誉。松柏镇位置见图1。

图1 松柏镇位置Fig.1 Location of Songbai town

1.2 数据来源与处理

本项目主要采用：（1）全国第二次土地调查数据：成果数据为 MapGIS格式，经过格式转换成ArcGIS软件中的.shp格式，得到地形数据、交通数据以及水源数据。（2）在中国科学院对地观测与数字地球科学中心 （ http：／／ids.ceode.ac.cn／query.html）和地理空间数据云 （http：／／www.gscloud.cn／）下载的 Landsat8 遥感影像数据，利用ENVI遥感图像处理软件，采用最大似然比法，经过辐射校正、几何校正、图像融合、研究区影像裁剪等一系列图像预处理步骤得到研究区遥感影像。

2 基于景观空间格局的耕地总体评价

景观格局一般是指景观的空间格局，是指大小、形状和属性不一的景观空间单元在空间上的分布于组合规律，是景观异质性的具体表现，也是各种生态过程在不同尺度上作用的结果［7］。景观格局主要包括组成景观的单元的类型、数目以及空间分布和配置，体现景观空间的结构，同是也是景观功能变化的重要因素［8］。随着对各种问题的研究不断深入，人们逐渐意识到景观格局的研究对合理利用土地，改善生态环境有着至关重要的作用。不同类型的地物构成不同格局的景观斑块，景观格局分析的目的就是从这些景观斑块中提取专题信息［9］。

2.1 评价指标

（1）斑块面积：斑块面积值的大小是制约以类型斑块作为聚居地的物种丰度、数量、食物链及其次生种的繁殖等的因素。不同类型面积的大小能够反映出其间物种、养分和能量等信息流的差异。

（2）斑块个数：斑块个数是指某一类型斑块的总个数。斑块个数反映了景观的空间格局，可以很好的反应整个景观的异质性，其值的大小与景观的破碎度也有很好的正相关性，一般规律是其值大，破碎度高；其值小，破碎度低。

（3）斑块密度：是斑块个数与景观总面积比值，即每公顷的斑块数。斑块密度值的大小与景观破碎化程度和空间异质性成正比。它反映了景观要素的破碎程度和景观空间结构的复杂性。

（4）平均斑块形状指数：通过计算某一斑块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来测量斑块形状复杂程度［10］。

（5）聚集度指数：景观聚集度反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集度。

（6）平均斑块分维数：分维或分维数可以直观地理解为不规则几何形状的非证书维数。对于单个斑块而言，其形状的复杂程度可以用分维数来量度。

根据实际情况和数据处理结果，本项目将景观类型分为了耕地、林地、草地、水源、建筑用地及其他6项，利用Fragstats软件对各景观要素的斑块个数、斑块面积、平均斑块形状指数、斑块密度、平均斑块分维数和聚集度指数进行统计和分析，结果见表1。

表1 景观单元特征与景观格局指数结果Tab.1Landscape unit characteristics and landscape pattern index results

2.2 评价结果分析

由表1可以看出，松柏镇林地斑块面积最大，同时斑块个数少，密度很小，说明分布比较集中且形状均匀，能发挥更好的效益。耕地面积为2 385.18 hm2，斑块数量最少，斑块密度也很小，平均斑块形状指数1.60，平均斑块分维数1.08，耕地形状相对比较规则，与林地具有类似的分布。耕地和林地总面积为5 860.23hm2，占全镇面积的70%，可见松柏镇农业依然占主导地位。水源条件斑块面积小，但是个数多，密度相对较大，因此分布相对分散，便于农业区取水的分散性。

从平均斑块形状指数可以看出，平均斑块形状指数较大的是耕地和林地，表明这两种类型的斑块形状差异很大，不规则。其他景观类型的平均斑块形状指数相比较小而且差异不显著。

从平均斑块分维数来看，值都较小且接近1，说明在研究区土地斑块形状主要取决于自然地貌和环境条件，各类型斑块形状都比较简单。其中，耕地斑块分维数1.08为最大，反映它的形状是最复杂的。

由景观聚集度指数可以看出，耕地和林地聚集度指数较高，表明是由少数团聚的大斑块组成，草地、水源、建筑用地及其他用地相对聚集程度不高，分布比较分散。

综合上述指数，得出松柏镇各地类布局比较合理，耕地和林地面积最大，分布相对比较集中，形状较为均匀；其他地类相对分散，形成了分散包围主要用地的格局，因此为耕地提供了必须的条件。

3 基于地理环境的耕地空间适宜性格局分析

本部分主要利用ArcGIS的空间分析功能，对各评价指标进行空间处理，并利用层次分析法得到指标权重，最终得到基于地理环境的结果。

3.1 评级指标

（1）地形坡度：土地坡度与水土流失成正相关，所以坡度越大，水土流失越严重，这就直接影响到耕地的土壤、水分和养料等，成为影响耕地适宜性的一个重要要素。本文的坡度是通过研究区的DEM，利用Slope操作得到坡度数据。

（2）水源条件：肥沃的耕地都曾经过海洋或河流的沉积物累积。水资源是影响耕地作物的一个重要因素，根据耕地的水利条件，可将耕地分为水田和旱地。

（3）耕地交通：交通是联系耕地与外界物质的桥梁，交通的便捷性与耕地能否得到充足物质供给紧密相关。

（4）空间布局：空间布局包括与居民地距离和与矿区距离，与居民地距离直接影响到耕地的利用度高低。研究区矿产资源丰富，矿产开发比较广泛，大量的污水和废渣引起土地质量的下降，对耕地造成污染，因此，耕地距离矿区越远适宜性越高。

3.2 评价过程

首先处理矢量数据，即对各指标的矢量图层进行预处理。例如：删除独立的、极小的不合理线、面状地物，将间断的线状地物连接起来等，建立多级缓冲区。利用ArcGIS中的分析工具，对基础指标建立缓冲区，缓冲距离依据国家基本农田划定原则，确立出多级缓冲区大小见表2（单位：Meters）。

表2 地理环境各指标缓冲级别值Tab.2 Geographical level value of each index buffer

根据表2建立的各缓冲区见图2－7。将所有分层信息合并，利用ArcGIS的空间叠加功能，用赋值等级字段计算，利用权重系数得出综合结果值。权重利用AHP得到，得到各因子权重系数如下：坡度因素（0.24）、自然水源（0.15）、人工水源（0.11）、主要道路（0.09）、农用道路（0.10）、与居民地距离（0.06）和与矿区距离（0.25）。

图2 自然水源缓冲区Fig.2Natural water buffers

图3 人工水源缓冲区Fig.3Artificial water buffers

图4 农用道路缓冲区Fig.4Farm road buffers

图5 主要道路缓冲区Fig.5Main road buffers

图6 居民地缓冲区Fig.6Residents in the buffers

图7 矿区缓冲区Fig.7Mine buffers

最后对综合值分级，根据小于1.5、1.5—2.5、2.5—3.5、4.5以上分为最适宜，中等适宜，一般适宜，不适宜四个等级。

3.3 评价结果

利用ArcGIS软件根据以上步骤进行叠加，得出松柏镇耕地适宜性评价结果图见图8。

图8 松柏镇耕地适宜性评价结果Fig.8Plough suitability evaluation results of Songbai Town

利用ArcGIS分级功能，将松柏镇所有耕地地块适宜性值分为四个等级，小于1.5为不适宜、1.5—2.5为一般适宜、2.5—3.5为中等适宜、4.5以上为最适宜。导出属性表并统计出每一级对应的面积及占全镇总面积比例见表3。

表3 松柏镇耕地适宜性评价结果Tab.3Arable land suitability evaluation results

由最终结果图层进行融合操作，以村名和等级为字段统计面积总和，最终得出各行政村耕地四个等级耕地面积见表4。

表4 松柏镇各村耕地适宜度等级Tab.4Plough’s suitability grade in every village

3.4 结果分析

（1）松柏镇耕地适宜性结果分为4个等级：最适宜、中等适宜、一般适宜和不适宜。经过评价方法和分析，最适宜的耕地有838.02hm2，占总耕地面积的39.22%；中等适宜的耕地有890.33hm2，占耕地总面积的34.98%，是占比例最大的部分；一般适宜的耕地有544.05hm2，占耕地总面积的21.37%；不适宜的耕地112.79hm2，占耕地总面积的4.43%。最适宜和中等适宜共占74.2%，说明松柏镇大部分耕地与景观空间格局、地理环境相融合。这部分耕地应继续完善保护制度。不适宜耕地所占比例虽小，但也说明研究区耕地与景观格局、地理环境相违背，应采取措施，积极应对，促进整体生态环境健康发展。

（2）本研究区共有26个行政村落，从表可以得出，面积前十位的村落中，新华村最适宜、中等适宜、一般适宜、不适宜耕地分别占3.28%、29.29%、64.65%、2.79%，最适宜和不适宜耕地所占比例不大，反映新华村耕地整体适宜性一般或者较差，优质耕地并不多。朱陂村不适宜耕地占0%，最适宜、中等适宜、一般适宜分别占 24.30%、71.61%、4.09%，这种情况反映该村无论从景观格局还是地理环境方面分析都充分占优势，地势平坦，远离矿区，交通便捷，水源充足。不适宜耕地较多的村落主要有新华村、双泉村、水口山金属有限公司、南阳村、独石村和燕形村，不适宜的主要原因在于一是靠近矿区很近，如水口山金属有限公司，本来耕种区域就在矿区范围，废渣、废水、废气影响很严重；二是部分耕地位于坡地上，灌溉、交通均不方便，这些地方在未来的耕地发展中需重新考虑用地类型。

综上所述，地理环境及人类的空间活动，对耕地适宜性有很大影响，各个要素共同影响，对耕地的适宜性进行评价。

4 结 论

本项目采用景观空间格局评价方法，首先从总体上对常宁市松柏镇耕地分布进行评价，从斑块个数、斑块面积、斑块密度、平均斑块形状指数、平均斑块分维数和聚集度指数研究耕地的整体空间格局，结果表明耕地景观空间格局较为合理。其次，从地理环境角度选取地形、水源、交通、空间布局4个方面的因素构建指标体系；对评价因子进行分级量化，采用AHP方法确定权重，得出每个因子的分值；通过加权指数和法求出所有指标的综合评价分值，根据综合评价分值进行分级，得出耕地适宜性评价结果。

（1）将景观空间格局的特征指标和地理环境指标引入耕地适宜性评价的体系中，能更完善地表征研究区耕地特点，更深入分析适宜性，避免了片面结论带来的不足，引导区域更健康的经济发展。

（2）分别运用ArcGIS软件和Fragstats软件来处理和获取评价指标值，可提高耕地适宜性综合评价体系的可操作性和实用性。

（3）适宜性评价结果可以为政府部门在进行土地利用规划的编制提供决策支持。在土地利用规划调整中，最适宜等级的耕地作为保护耕地，可作为国家划定永久基本农田的依据，一般不对其进行调整。对一少部分低适宜性等级的耕地，可采取相应措施达到土地最优利用，如退耕还林，这样既提高了土地利用效率，也为研究区经济建设发展提供了良好的生态环境。

［1］朱德举.土地评价（修订版）［M］.北京：中国大地出版社，2002：106－125.

［2］Gerowitt B，Isselstein J，Marggraf R.Rewards for ecological goods：requirements and perspectives for agricultural land use［J］.Agriculture Ecosystems ＆ Environment，2003，98：541－547.

［3］Münier B，Birr Pedersen K，Schou J S.Combined ecological and economic modelling in agricultural land use scenarios［J］.Ecological Modelling ，2004，174（1）：5－18.

［4］戴金华，赵筱青.基于GIS的土地利用景观格局空间分析研究：以云南省泸西县白水镇为例［J］.云南地理环境研究，2010（4）：59－65.

［5］张海林.基于GIS的龙口市耕地景观空间格局变化研究［J］.山东科学，2008，21（1）：48－50.

［6］李谢辉，王磊.河南省土地利用／覆盖景观格局变化分析［J］.水土保持研究，2012，19（5）：83－89.

［7］肖烨.大熊猫生态环境适宜性评价和景观格局分析［D］.南京：南京林业大学，2012.

［8］Forman RTT，Gordon M.Landscape Ecology［M］.New York，USA：John Wiley and Sons，1986：215－232.

［9］王慧.南京市土地利用景观格局变化及预测［D］.南京：南京农业大学，2010.

［10］贾宝全，慈龙骏.绿洲景观生态研究［M］.北京：科学出版社，2003：212－225.

［11］张晓峰.大熊猫栖息地环境质量评价生态模型研究［D］.成都：成都理工大学，2001.

［12］徐昌瑜.基于Fragstats的区域土地生态质量综合评价研究：以江苏省宜兴市为例［J］.土壤，2013，45（2）：355－360.