耕地破碎度评价方法与实证研究——以浙江省宁波市为例

陈帷胜，冯秀丽，马仁锋，洪巧娜（.宁波大学城市科学系，浙江 宁波 35；.宁波土地勘测规划院，浙江 宁波 35）

耕地破碎度评价方法与实证研究
——以浙江省宁波市为例

陈帷胜1，冯秀丽1，马仁锋1，洪巧娜2
（1.宁波大学城市科学系，浙江 宁波 315211；2.宁波土地勘测规划院，浙江 宁波 315211）

研究目的：借鉴景观格局研究思路，构建耕地破碎度评价模型，利用1992年、2003年和2014年3期TM影像，对宁波市各县（市、区）耕地破碎状况进行综合评价，以期为区域耕地管理政策的制定和完善提供基础数据以及耕地破碎度的研究提供理论上的参考。研究方法：景观指数法，熵权法，自然分级法。研究结果：全市各评价单元耕地破碎度不断增加，1992—2003年耕地破碎度增加的幅度大于2003—2014年。全市耕地破碎度空间分布情况变化明显，1992—2003年两个Ⅰ级区转化为Ⅱ级区，一个Ⅱ级区转化为Ⅲ级区，2003—2014年，Ⅲ级区增加两个，全是由Ⅱ级区转化而来，Ⅰ级区只剩下一个。研究结论：全市耕地破碎度不断增加，地形复杂、经济发达的地区耕地破碎度偏大。

土地评价；TM；耕地；破碎度；熵权法；宁波

1 引言

随着经济社会的快速发展，土地供需矛盾日益尖锐。不断增长的人口数量、日渐减少的耕地、不断退化的土壤肥力、利用效益低下且破碎的耕地等农业生产中所面临的问题都对国家的粮食生产安全战略构成威胁。其中，耕地破碎现象在这些问题中显得尤为突出，耕地破碎化是土地的地块大小、距离、分布不协调的综合反映［1］，一方面造成生产资料浪费，降低农业生产率；另一方面，不利于新技术、新设备的应用，阻碍农业规模化、现代化发展。因此，在耕地资源有限的情况下，加强对耕地破碎化的研究，对提高现有耕地资源产出效益、加强耕地资源集约规模利用、解决耕地破碎化问题具有重要的理论与现实意义。

目前，关于耕地破碎度评价的研究，目的不同，关注点不同，评价方法不同，评价指标的选取也不相同。早期S指数、J指数、I指数［2-4］被用于衡量耕地的综合破碎程度，近期景观格局指数、形状指数和斑块分形维数［5］被用来分析耕地的变化特征；在选择合适指标的同时，学界多采用景观格局指数法和聚类分析法［6］对土地利用的破碎程度进行研究。耕地的破碎化不是瞬间的结果，而是一个长期的动态过程，人类活动对耕地的作用直观地反映在景观层面上，耕地破碎度是由景观破碎指标综合体现，以往研究多侧重于耕地破碎度空间上的定性或定量分析，而对区域耕地破碎度的演变分析较少，对耕地破碎度加剧的变化趋势重视不够。因此，本文选择宁波市各县（市、区）为研究区域，选择耕地的分布、结构、形状三类耕地景观破碎指标综合运用熵权法构建耕地破碎度评价模型，在此基础上综合运用RS技术和GIS技术，对宁波市耕地破碎度进行评价，分析其变化趋势，以期引起人们对不断加剧的耕地破碎的关注，为耕地管理政策的制定和完善提供基础数据以及耕地破碎度研究提供理论参考。

2 研究区概况

宁波市地处浙江省东部，长江三角洲南翼，是浙江省三大经济中心之一，为副省级城市。辖六区、两县、三个县级市，土地总面积9365 km2［7］，具有比较优越的农业生产条件。然而，长期不合理的耕种方式，以及经济发展和城镇建设对耕地的占用，导致部分地区耕地分布零散、耕地破碎化程度严重，不利于机械化生产，农业生产率低。1996—2009年全市人均耕地从480 m2减到393.3 m2，不到全国平均水平的40%，人均耕地占有量小，耕地保护压力大。

3 研究方法

3.1 数据来源与处理方法

本文所用数据包括研究区1992年8月和2003年7月的TM影像，2014年8月的ETM影像，3个时期的数据具有较好的时相统一，确保遥感解译结果的可对比性。另外还获取了研究区2011年土地利用现状矢量数据，用于遥感分类提取耕地结果的验证。气象及社会经济统计数据来源于2014年《宁波市统计年鉴》及宁波市土地利用二调统计公报。利用ENVI对TM影像进行分类处理，再在GIS中提取出宁波各县市区的耕地数据，同时为了满足Fragstats 3.4软件数据格式的要求，将耕地数据转换为ArcGrid数据格式（网格分辨率为30 m），然后进行相关破碎指标的计算与分析。

3.2 遥感数据的解译与精度分析

首先对遥感图像进行格式转换、波段合成、图像增强、校正和图像裁剪等预处理。根据《土地利用分类》一级分类标准，结合研究区实际情况，将研究区分为耕地、林地、水体、建设用地、未利用地5大类。保存得到分类模板，选用分类叠加的方法［8］，结合研究区土地利用矢量数据建立解译标志，确保初始分类中地物的真实性、准确性。采用最大似然法对研究区3个时期的影像进行分类，并用Transformed Divergence参数来衡量训练样区对于分类的有效性。以研究区土地利用现状矢量数据为依据对分类精度进行验证，随机选取若干样本区，计算其分类混淆矩阵和Kappa系数，对三期遥感分类结果进行精度检验。结果表明：1992年、2003年和2014年的遥感分类Kappa系数分别为0.72、0.74和0.77，均达到最低允许判别精度0.7的要求［9］。

4 耕地破碎度评价模型构建与方法

4.1 耕地破碎度评价指标选取

人类活动对耕地的主要集中在景观层面上，一定程度上，耕地景观的变化是耕地破碎度变化的直观反映。景观指数也被广泛应用于景观破碎化研究［16］。本文借鉴已有成果［10，13］，并结合研究区自身特点，选取平均地块面积（MPS）、地块密度（PD）、边界密度指数（ED）、面积加权形状指数（AWMSI）、地块数量破碎化指数（FN）及破碎化指数（FS）6个指标对耕地破碎度进行评价研究。

（1）平均地块面积（MPS）。地块面积是最基本的空间特征，耕地地块面积的大小将直接影响农业生产的机械化水平［11］，可以比较直观地反映耕地的破碎化程度。

式（1）中，A是耕地总面积，N是耕地地块数。

（2）地块密度（PD）。地块密度是某用地类型单位土地面积上的地块数量，对生物保护、物质和能量的分布具有重要影响［12］。该指标是土地面积破碎的具体量化，不仅可以用于同类土地，也可以用于不同类型土地破碎化程度的比较，其值越大，表明破碎化程度越高［13］。

式（2）中，n是耕地地块数量，A是土地总面积。

（3）边界密度指数（ED）。边界密度指数是分析地块形状的重要指标，揭示地块被分割的程度，同样也是耕地破碎化程度的直接反映［14］。边界密度越大，表示耕地被分割的程度越高。

式（3）中，E为耕地地块的边界总长度，A为耕地的总面积。

（4）面积加权形状指数（AWMSI）。地块形状越不规则，形状越复杂，相对耕作生产成本越高，导致实际种植面积占总面积比重也会越小，但随着地块面积增大，由形状不规则造成的浪费相对减弱，基于这种变化，考虑将加权形状指数作为衡量耕地破碎程度的指标之一。

式（4）中，n是耕地地块数量，Pi是地块周长，ai是地块面积，A是耕地总面积。

（5）地块数量破碎化指数（FN）。用于测定地块的破碎程度，其值介于0到1之间，0代表完全没有破碎，而1代表完全破碎。

式（5）中，amin是研究单元内地块最小面积，A是耕地总面积，N是耕地地块数。

（6）破碎化指数（FS）。用来量化耕地的破碎度，是耕地破碎度的直观反映，块的破化状况是其重要的属性特征。

式（7）中，MSI代表平均地块形状指数，a为每个地块的面积，P为每个地块的周长，N为耕地地块总数目。

4.2 耕地破碎度评价模型构建

耕地破碎度综合指数是在一定空间、时间界限内耕地破碎化程度的具体量化，能反映耕地的破碎状况，本文耕地破碎度评价模型由目标层、系统层、指标层三部分构成，从能表现耕地破碎的面积、形状、分布三方面对耕地破碎度进行评价。根据所选的6个指标分为3类运用熵权法赋权重，建立以下评价模型（表1）。

表1 综合评价模型Tab.1 Comprehensive evaluation model

4.3 原始数据标准化方法与指标赋权

由于各指标之间含义不同，量纲不同，且正指标和负指标与评价目标的变化方向不一致，各指标之间不具有可比性。为使各指标具有统一可比性，将原始数据进行无量纲化处理，并统一范围在0—1之内，采用比重法［15］进行数据标准化，此方法适用于所有指标数据。

现假设样本个数为m，评价指标有n个，分别为xi（i = 1，2，……m），设其矩阵为R = （Cij）m×n（i = 1，…，m；j = 1，2，…，n）。Cij是第i个样本的第j个指标的统计值。第i个样本第j个评价指标的标准化值Pij可用式（8）计算。

式（8）中，rij为第i个样本第j个评价指标的原始值；m为样本个数。

信息论中信息熵反应系统的有序程度，系统的有序度越高，信息熵越小，反之亦然。通过信息熵计算出各评价指标的权重，为综合评价提供依据。参评指标的熵值ej［16］及权重计算公式如下：

式（9）—式（10）中，Pij为第i个样本第j个评价指标的标准化值；ej为第j个指标的熵值；wj为第j个指标的的权重值。

由以上分析可知，该赋权法是一种在综合考虑各评价指标所提供信息量的基础上，计算各指标权重的数学方法［17］，可以有效避免权重赋权的主观性。

经计算，宁波市耕地破碎度评价指标权重如表2所示。

表2 宁波市耕地破碎度评价指标权重Tab.2 Evaluation index weight of cultivated land fragmentation in Ningbo

5 结果与分析

5.1 耕地破碎度总体情况

通过提取出的耕地数据结合指标公式计算得出3个时期的耕地破碎度的相关指标值如表3所示。结果表明研究区耕地破碎情况在不断加剧，1992年研究区平均地块面积为31.77 hm2，到2003年下降到22.38 hm2，2014年继续减小，下降到10.00 hm2。近年来随着经济社会的快速发展，人为活动增加，耕地被分割得更加零碎，表示耕地被分割程度的边界密度指数从1992年的10.35增加到2014年的22.02，耕地地块形状也愈加不规则，面积加权形状指数从1992年的2.71增加到2014年的3.05，耕地地块在区域内的分布更加趋于零散化，数量破碎化指数也从1992年0.038增大到0.099，耕地的管理难度加大，整体的脆弱性增加。

表3 1992年、2003年和2014年宁波市各评价单元破碎指标值计算结果Tab.3 Calculation results of the broken index values of the evaluation units in Ningbo City in 1992， 2003 and 2014

5.2 宁波市耕地破碎度时空变化分析

据宁波市1992—2014年TM影像提取的耕地数据，计算得1992、2003和2014这3个年份6个评价单元的耕地破碎度表（表4），不同年份各地耕地破碎程度各不相同，总体而言，耕地破碎程度2014年最大，1992年最小。各地耕地破碎度呈逐步递增趋势。同一年份，宁波市辖区、慈溪耕地破碎指数普遍大于其他地区，宁海、象山耕地破碎指数较低，耕地破碎地区分异明显。

表4 1992年、2003年和2014年宁波市各评价单元破碎度Tab.4 Each evaluation unit in Ningbo in 1992， 2003 and 2014

5.3 宁波市耕地破碎度时间变化分析

对比3个时期各评价单元的破碎度变化情况如图1所示，1992—2014年全市耕地破碎化现象日趋严重，其中增幅最大的慈溪市破碎度指数增值达到0.0303，增幅最小的象山县的破碎度指数增值达到0.0034，全市总体耕地破碎化程度逐渐增加。其中靠近杭州湾的慈溪市、余姚市及宁波市辖区耕地破碎度增幅明显，1992—2003年慈溪市、余姚市及宁波市辖区增幅分别达到5.96%、6.23%和7.05%，特别是2003—2014近11年耕地破碎度增幅明显，增幅分别达到11.77%、9.45%和6.64%，这与经济社会的发展对耕地的需求与影响密不可分。1992—2014年期间全市人口共增加了63.43×104人，而耕地面积减少了560 km2，全市生产总值也从1992年的213.05×108元增加到2014年的7602.51×108元，年平均增长率17.60%。其中，近11年来慈溪、余姚、市辖区经济增幅均达到270%以上，而耕地面积分别减少21.6 km2、14.12 km2和120.6 km2，与此同时，第一产业在地区生产总值中的比重分别从2003年的7.4%、9.2%和3.5%下降到2014年的4.4%、5.1%和2.1%。人口的增加、经济的发展导致对耕地的需求量不断增多，对耕地的开发利用强度加大，同时与耕地相关的第一产业在国民生产总值的比重不断被缩小，耕地分布趋于零散化、面积小型化、地块形状复杂化，整体破碎严重化。

1992—2003前11年间，奉化市、宁海县、象山县耕地破碎度变化较快，破碎度指数增加分别为0.0107、0.0109和0.0074，究其原因，在全市快速推进工业化的大环境下，部分县市区耕地短期内被大量开发利用加速了耕地的破碎化。相比于前11年，2003—2014年近11年，奉化市、宁海县耕地的破碎化程度仍然在增加，破碎度指数增加值分别为0.0135和0.0119，且破碎度增速变大，而象山县耕地破碎度增幅不明显，只有0.0034，全县耕地破碎度处于相对平稳状态，这与该地区特有的山地地貌、有限的耕地资源有一定的关系，全县有滩涂、山地、林地、丘陵等多种土地类型，可用于农业生产的耕地面积少、开发利用难度大，使本已破碎的耕地增幅不明显。

5.4 宁波市耕地破碎度空间变化分析

根据全市3个时期6个评价单元的耕地破碎度值的实际情况，破碎度最小值为0.1466，最大值为0.1946，在Natural Break分级［18-19］的基础上，根据科学性、统一性、层次性及可区别原则定义合适的断点，对其进行分级，根据分级结果，将耕地破碎度分为3个级区：Ⅰ级区（0.14—0.16），Ⅱ级区（0.16—0.18），Ⅲ级区（0.18—0.20）。分级结果如图1所示。由图1可知，研究区耕地破碎度变化显著，1992年全市耕地破碎度相对不高，耕地破碎化程度最高的宁波市区的破碎度指数为0.1687，处在Ⅱ级区内，还没有区县耕地破碎度等级达到Ⅲ级；在区域分布上，Ⅰ级区主要分布在宁波市南部山地较多地区，Ⅱ级区主要分布在宁波市北部地势较平坦地区，在全市范围内Ⅰ、Ⅱ级区内各有3个评价单元，两级区所包括面积相差不大。

1992—2003年全市耕地破碎化格局变化的主要特征为：Ⅰ级区减少到1个，只有宁海县的耕地破碎程度还处在Ⅰ级区。Ⅱ级区涵盖区域增加，除了已有的余姚和慈溪两个Ⅱ级区单元外，奉化市、象山县由原来的Ⅰ级区转化为Ⅱ级区，而宁波市辖区也由原来的Ⅱ级区转化为代表破碎程度更高的Ⅲ级区，全市范围内Ⅱ级区占了近三分之二，与1992年相比，Ⅱ级区所占面积变大，呈连片分布。全市耕地破碎度从北向南都有增加，破碎重心仍在北部地区。二十多年来的高速发展，使得经济结构发生深刻变革，从传统的一、二、三演变成如今的二、三、一，2014年统计显示，全市第三产业产值占比已达44.1%，而以农业生产为主的第一产业趋于缩小，农业生产类型趋于多样化、精尖化，传统上规模化的农业生产方式逐渐被边缘化。2003—2014年，Ⅰ级区只有一个评价单元，Ⅱ级区也只有宁海和奉化两个地区，这与相关耕地保护政策的出台密不可分，然而，在经济发展和城镇化扩张的驱动力下，更多的耕地被分割占用，据统计，全市城镇化率由1980年的18.2%增大到2014年的69.8%，全市从事二、三等非农产业的就业人口比例从2003年的77.18%增加到2014年的96.2%，其中增幅最大的是慈溪，达到20.83%，这也加剧了区域耕地破碎的演变，北部经济相对发达区转化为破碎程度更高的Ⅲ级区，且Ⅲ级区已然占据了全市的50%，耕地破碎化现象变得更加严重，人地矛盾更加突出，耕地保护形势严峻。

6 结论与讨论

6.1 结论

以遥感影像和统计数据为数据源，从土地景观角度分析宁波市耕地破碎度，结果显示：（1）1992—2014年宁波市耕地破碎度总体不断增加。其中，1992—2003年前11年耕地破碎度增速较快（全市耕地破碎度指数平均增加0.012），而2003—2014年全市耕地破碎度指数平均增加值为0.0093。（2）市域耕地破碎度增速呈显著的南北分异，2014年北部评价单元慈溪、余姚、宁波市区平均耕地破碎度指数达到0.19，年平均增速为0.0012，南部评价单元奉化、象山、宁海平均耕地破碎度指数为0.169，年平均增速为0.0008。

6.2 讨论

从地域发展差异看，北部地区经济发展水平高于南部，地区经济结构的演化促使耕地在景观层面上趋于分散化、零碎化，耕地破碎化的速度加快。城镇化进程的不断推进，传统农业生产模式逐步减少，农业生产经营趋于多样化、小型化，农村耕地规模化经营难度增加。耕地破碎变化趋势表明，对耕地破碎的预防和整治措施不足，耕地保护政策的落实执行不够，对耕地占用补偿的监督和评测把关不严，有关耕地保护约束机制有待完善。

图1 宁波市耕地破碎度分级图Fig.1 Grading map of cultivated land fragmentation in Ningbo City

需要指出的是，宁波市各区县迥异的地形地貌、差异显著的人类活动是造成耕地破碎的主要原因；耕地的经营权归属问题也是造成耕地破碎的直接原因。因此，耕地破碎是多重因素综合作用的结果，在今后对耕地破碎度的评价研究中可以考虑结合DEM、气象统计资料和家庭土地规模及经营方式，基于客观赋权法结合主观实际对耕地破碎度进行评价研究，确保耕地破碎度研究的客观与全面。

（References）：

［1］ 苏旭霞，王秀清. 农用地细碎化与农户粮食生产［J］ . 中国农村经济， 2002，（4）：22 - 28.

［2］ King R L， Burton S P. Land fragmentation， notes on foundamental rural spatial problem［J］ . Progess in Human Geogrphy， 1982， 6（4）: 475 - 494.

［3］ Bentley J W. Economic and ecological approaches to land fragementation: In defense of a much-maligned phenomenon［J］ . Annual Review of Anthropology， 1987， 16: 31 - 67.

［4］ Simons. Land fragmentation in developing countries: The optimal choice and policy implications［J］ . in Economic History， 1988，（25）: 254 - 262.

［5］ 邓劲松， 王珂， 沈掌泉，等. 桐乡市乡镇耕地整理对耕地景观格局的影响及其分析［J］ . 农业工程学报，2005，21（3）：79 - 82.

［6］ 孙雁，赵小敏. 分宜县土地细碎化的中观尺度研究［J］ . 中国土地科学，2010，24（4）：25 - 31.

［7］ 浙江省统计局，国家统计局浙江调查队. 浙江统计年鉴（2014）［M］ . 北京：中国统计出版社，2014.

［8］ 张红丽. 基于TM影像的山西省耕地土壤有机质空间分布与变化特征研究［D］ . 晋中：山西农业大学，2013：6.

［9］ LUCAS F J， FRANS J M， WEL V D. Accuracy assessment of satellite derived land-cover data: a review［J］ . Photogrammetric Enginnering and Remote sensing， 1994， 60（4）: 410 - 432.

［10］ 王军强，王建雷，杨丰，等. 岔口小流域不同耕地类型破碎化差异性分析［J］ . 山西农业科学，2014，42（6）：588 - 591，598.

［11］ 谭淑豪，曲福田，尼克·哈瑞柯. 土地细碎化的成因及其影响因素分析［J］ . 中国农村观察，2003，（6）：24 - 30，74.

［12］ Forman R T T， Godron M. Landscape ecology［M］ . New York: JohnWiley， 1986: 599 - 600.

［13］ 李鑫，欧名豪，马贤磊. 基于景观指数的细碎化对耕地利用效率影像研究：以扬州市里下河区域为例［J］ . 自然资源学报，2011，36（11）：1758 - 1767.

［14］ 傅伯杰，东利顶. 景观生态学原理及应用［M］ . 北京：科学出版社，2002：202 - 203.

［15］ 王筱明. 基于熵权法的济南市土地利用效益评价研究［J］ . 水土保持研究，2008，15（2）：96 - 97.

［16］ 王永军，李团胜，刘康，等. 榆林地区景观分析及其破碎化评价［J］ . 资源科学，2005，（2）：161 - 166.

［17］ 李元年. 基于熵理论的指标体系区分度测算与权重设计［D］ . 南京：南京航空航天大学，2008：16 - 18.

［18］ 裴欢，魏勇，王晓妍，等. 耕地景观生态安全评价方法及其应用［J］ . 农业工程学报，2014，30（9）：212 - 219.

［19］ 姜广辉，孔祥斌，张凤荣，等. 耕地保护经济补偿机制分析［J］ . 中国土地科学，2009，23（7）：24 - 27.

（本文责编：仲济香）

Method of Cultivated Land Fragmentation Evaluation and Empirical Research: A Case of Ningbo City in Zhejiang Province

CHEN Wei-sheng1， FENG Xiu-li1， MA Ren-feng1， HONG Qiao-na2
（1. Urban Science Department of Ningbo University， Ningbo 315211， China； 2. Ningbo Land Surveying and Planning Institute， Ningbo 315211， China）

The purposes of this paper are firstly to build a cultivated land fragmentation evaluation model so as to serve as an important reference for enacting land management policies， which is referred to the idea of landscape pattern， and secondly to evaluate the cultivated land fragmentation of each county in Ningbo based on the TM images in 1992， 2003，and 2014. Methods of landscape pattern index， entropy-right method and natural break are employed in this paper. The results indicated that the degree of arable land fragment was increasing in all counties and the extent of arable land fragmentation increased more sharply during 1992—2003 than that during 2003—2014. During the period of 1992—2002， two I class areas converted to II class and one II class area converted to III class while from 2003 to 2014， two III class areas were newly added， both of which shifted from II class areas. It resulted in only one I class area being left. It is concluded that cultivated land in Ningbo is becoming more and more fragmental. Cultivated land fragmentation tends tobe more serious in those areas with complex geographic features and highly-developed economy.

land assessment； TM； cultivated land； fragmentation； entropy-right method； Ningbo

10.11994/zgtdkx.20160616.142815

F301.21

A

1001-8158（2016）05-0080-08

2016-01-08；

2016-04-08

国家自然科学基金（41171073，41471004，41301110）；浙江省海洋文化与经济研究中心2015年度省哲社规划课题（15JDHY01YB）。

陈帷胜（1989-），男，河南平舆人，硕士。主要研究方向为资源环境保护与利用。E-mail: chenweishengnbu@126.com

冯秀丽（1977-），女，吉林通化人，副教授，博士。主要研究方向为土地利用与遥感应用研究。E-mail: fengxiuli@nbu.edu.cn