耕地自然质量与景观指数耦合研究

潘洪义，朱晚秋，崔绿叶，李竹青

耕地自然质量与景观指数耦合研究

潘洪义1，2，朱晚秋1，2，崔绿叶1，2，李竹青1，2

(1.四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都 610068;2.四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都 610068)

【目的】耕地是人类赖以生存的重要资源，也是土地资源中的精华。【方法】本文以ArcGIS10.1及其插件Patch Analyst为技术平台，对蒲阳镇在不同海拔高度下耕地景观格局特征进行了分析，并以2010年土地利用变更数据和耕地自然质量等别补充完善数据为基础，结合SPSS和GeoDa软件，进一步探讨了耕地自然质量与景观指数之间的耦合关系。【结果】①蒲阳镇耕地随海拔升高而斑块数量减少，平均规模变大，破碎化程度越低;这是因为海拔较低的区域地形相对平坦，人类耕作便利，生产活动频繁。②耕地自然质量与景观格局之间存在不同程度的相关性，耕地自然质量与斑块数呈现为显著的正相关，与景观百分比存在极弱的负相关性，仅-0.178;耕地自然质量与斑块平均大小、平均斑块形状指数均表现为显著的负相关。③耕地自然质量与景观格局具有一定的空间耦合性，斑块数量与耕地自然质量在空间上呈现局部空间的相似集聚性，景观百分比、斑块平均大小和平均斑块形状指数与耕地自然质量则呈现局部空间异质性，其中通过显著性检验的单元主要集中分布于蒲阳镇南部、北部以及西北方向。【结论】景观指数随着海拔变化出现规律性变化，耕地自然质量与各景观指数相关程度存在差异，二者呈现出空间同质性与异质性并存的现象。

耕地自然质量;空间分布;景观指数;空间自相关;耦合性

【研究意义】耕地在人类社会发展过程中，作为供食物的的主要来源，其质量的高低直接影响着保障能力的强弱，备受学者与政府的广泛关注[1]。近年来，随着我国城市化和工业化的不断推进，耕地景观的组成要素与空间格局都发生了较大改变[2]，因此成为景观生态学研究的重点之一。【前人研究进展】目前，有学者以遥感影像或土地利用现状数据为基础，通过计算分析景观格局特征指数对城市景观格局的时空变化进行研究[3-4];有学者从生态学角度出发，研究水土流失、土地利用以及人类活动与景观格局之间的相互关系[5-6];有学者则立足于更具特色的喀斯特高原、湿地和森林等区域，分别从时间、季相和高程方面来研究景观格局的变化情况[7-9];同时也有学者对耕地在坡度、水田化、土地整理等因素影响下的景观格局变化进行深入探讨[10-12]。综合已有的研究成果，大多是从影响因素和时空演变着手来研究景观格局的变化，而将耕地自然质量与景观格局相联系的研究文献鲜有出现。【本研究切入点】因此，本文选择兼具平原、丘陵、山地3种地形的蒲阳镇作为研究区域，该类地形地貌特征在四川省有着较为广泛的分布，同时也是土地利用变化较为剧烈的区域;就全国尺度而言，对具有该类地貌类型的行政单元也有较好的借鉴意义。【拟解决的关键问题】在分析海拔对耕地景观格局影响的基础上，通过空间自相关对比与相关系数计算来探究耕地自然质量与耕地景观格局之间存在的耦合性，深层次挖掘蒲阳镇耕地景观格局的总体特点，以期为优化耕地结构与可持续利用管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

蒲阳镇位于都江堰东北部，地处103。37′9″～103。45′6″E，31。0′13″～31。6′23″N间，东与彭州市相邻，南与胥家镇接壤，西与虹口乡相连，北与向峨乡相接，是龙门山脉与成都平原的交接地带。2014年，全镇幅员面积60.97 km2，现辖19个村，总人口7.5万人，耕地1975.49 hm2。地貌类型平原、丘陵和山地兼备，呈现出西高东低，北高南低的总体地形特征。属亚热带气候，年平均气温为15.2℃，年平均降雨量在1200 mm左右，全年霜期可达到270 d。境内森林覆盖率达43.9%，有蒲阳河穿境而过，拥有丰富的水资源。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源与处理 本研究所采用的数据主要包括第二次全国土地调查2010年变更调查成果、2010年耕地自然质量等别完善成果以及蒲阳镇DEM影像。

依托ARACGIS软件平台，对研究区内的DEM进行处理，并与耕地自然质量数据库进行联立的空间分析，使耕地获得海拔信息，从而分析耕地在不同海拔的分布规律。在此基础上，通过Patch Analyst插件计算耕地图斑的景观指数，结合SPSS软件将耕地自然等指数分别与各景观指数进行回归分析。为了使结果更具空间化的表达，运用Geoda软件进行基于空间统计的局部二元相关性分析。

1.2.2 耕地景观指数 各景观指数在空间上的不同排列组合，可以反映不同土地利用类型的空间分布，即空间景观格局[13]。通过对景观指数在不同尺度上的变化，来揭示耕地在利用上的空间变化，从而得出耕地景观指数的时空演化规律[14]。本文主要通过斑块数(NP)、斑块面积(CA)、斑块平均大小(MPS)、景观百分比(PLAND)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)和平均斑块形状指数(MSI)等7个景观指数对耕地景观格局进行表征。

1.2.3 空间自相关 空间自相关分析是一直基于地统计学原理的，对某项指标的大小是否与周边相邻区域存在关系的统计方法，同时观测其变异规律是否与周边临近区域存在着相互依存关系[15]。本文旨在观测景观指数与耕地自然质量是否存在全局与局部关性分析，故采用Moran's I指数进行全局相关性分析，局部二元相关性进行景观指数与耕地自然等指数直接的相关性分析。

局部空间关联指标(Local Indicators of Spatial Association，LISA)用于反映整个区域中，局部范围内某项指标与相邻区域的相关程度[16]。局部Moran's I的计算公式如下。

式中:zi、zj—分别表示空间单元i与j内研究对象的标准化值;wij—空间权重矩阵。

若局部Moran's I＞0，则说明该观测指标与周围相邻地域指标值类似，即存在着“高与高”、“低与低”相互聚集，表现为同质性的特征;若局部Moran' s I＜0，则表明该区域观测指标与周边地域指标值存在着显著的差异，主要表现为异质性的特征。

2 结果与分析

2.1 不同海拔耕地景观指数分异分析

根据浦阳镇的海拔高程差717 m，按照100 m为等间距，划分为7个级别，并计算其景观指数(表1)。

图1 不同海拔高度下蒲阳镇耕地分布Fig.1 Spatial pattern of Puyang town cultivated land in different elevation

研究区内随着海拔级别的变化呈现出，斑块面积、斑块个数、边缘密度明显下降的趋势，而斑块大小、地块形状指数出现了先增后减的分布规律。这是由于在平原地带受家庭联产承包责任制的影响，将大田块认为的分割作用明显，加之利用强度较高，受到了道路和沟渠的切割作用，使田块面积变小。这种作用随着海拔的升高，其影响逐渐衰弱，然而当达到一定海拔之后，起主导作用的因素变成了以坡度为主的自然因素，又使田块面积减小，田块形状变得更加复杂(图1)。

2.2 耕地自然质量与景观指数耦合分析

耕地自然质量是其满足人类生存发展过程中对粮食的需求程度，主要受耕地自然本底值的影响程度较高;而景观格局是人类对耕地利用之后的直观表现，二者在某种程度上存在的互为因果的复杂关系。因此，本文从传统的回归分析和地统计学两个角度，分别建立二者的定量模型，来揭示它们之间的耦合关系。

为了便于分析与计算，将耕地图斑以各村内的组为单位进行归并，共计145个样本，进行耕地自然质量与各景观指数的耦合分析。

2.3 耕地自然质量与景观指数回归分析

在SPSS的支持下，将自然等指数分别与耕地景观指数中的斑块数(NP)、景观百分比(PLAND)、斑块平均大小(MPS)、平均斑块形状指数(MSI)，进行曲线拟合，并计算相关系数。生成的曲线拟合图及计算结果如图2。

表1 不同海拔梯度耕地景观指数统计Table 1 Statistics of landscape index of cultivated land in different elevation gradient

图2 耕地自然质量与各耕地景观格局指数相关性拟合Fig.2 Correlation coefficients between cultivated land natural quality and landscape index

研究表明，斑块平均大小和平均斑块形状指数与耕地自然等指数间的拟合程度较高，且能够用比较合适的曲线模型对其进行拟合来反映它们之间存在的规律。而斑块数量和景观百分比与耕地自然质量之间则不存在明显的规律性。

同时，耕地自然等指数与斑块数之间正向相关关系显著，即斑块越多的区域其耕地自然质量水平越高。耕地自然等指数与景观百分比存在极弱的负相关性，只有-0.178;但不相关的概率为0.032，小于0.05，说明耕地自然质量受景观百分比的影响，但所占的比重不大。耕地自然等指数与斑块平均大小、耕地自然等指数与平均斑块形状指数均表现为极显著的负相关，不相关的概率小于0.001。即耕地平均斑块大，耕地自然质量反而相对较低，同时耕地越为破碎耕地自然质量也相对较差。这主要是由于平原区在沟渠、道路、居民点等人为因素的切割作用下，斑块面积明显减小，而丘陵区的耕地斑块面积相对较大，但规则度不高，故使得出的结论与人们常规认识有所出入(表2)。

2.4 耕地自然质量与景观指数空间局部二元分析

为了进一步揭示耕地自然质量与耕地景观指数在空间上的耦合关系，对其进行二元局部相关性分析(表3)。

在给定0.01显著水平下进行检验，以确定耕地自然质量与景观指数的同质性和异质性。经检验，斑块数、景观百分比、斑块平均大小、平均斑块形状指数4个景观指数与耕地自然质量分别有53、53、51、53个样本单元具有显著的空间自相关性。

表2 蒲阳镇耕自然地质量与耕地景观指数相关性分析Table 2 Correlation analysis between cultivated land natural quality and landscape index in Puyang town

表3 蒲阳镇耕地自然质量与景观指数局部二元相关性Table 3 Correlation between cultivated land natural quality and landscape index in different quadrants in Puyang town

图3 景观指数与耕地自然质量LISA集聚图Fig.3 Clustermap of cultivated land natural quality and landscape index with local indicators of spatial association(LISA)

蒲阳镇耕地斑块数与耕地自然质量以“高-高”类型区(H-H)和“低—低”类型区(L-L)为主，而景观百分比与耕地自然质量以“低—高”类型区(L-H)和“高—低”类型区(H-L)的占比为主，即蒲阳镇的耕地斑块数与耕地自然质量表现为正相关，景观百分比与耕地自然质量表现为负相关。从空间位置的分布来看，斑块数-耕地自然质量与景观百分比-耕地自然质量的热点区(H-H)均分布于蒲阳镇南部的互助村、拦厢村、双柏村和壹街社区，冷点区(L-L)均位于长河村、蟠龙村和银杏村;斑块数-耕地自然质量的“高—低”类型区和“低—高”类型区零星分布于长河村、花溪村、互助村、双柏村、壹街社区，景观百分比-耕地自然质量的主体部分“低—高”类型区与“高-低”类型区则广泛分布于互助村、拦厢村、双柏村、壹街社区、长河村、银杏村和花溪村(图3)。

斑块平均大小、平均斑块形状指数与耕地自然质量之间均表现为“低—高”类型区(L-H)和“高—低”类型区(H-L)占绝对优势，即斑块平均大小和平均斑块形状指数均与耕地自然质量表现出负相关性。从LISA集聚图中还可以发现，“高—高”型无样本单元通过显著性检验，大面积的“低—高”型和“高—低”型则广泛分布于互助村、拦厢村、双柏村、壹街社区、长河村和银杏村。

3 结 论

本文在综合应用ARCGIS、Patch Analyst、SPSS和GEODA软件平台的基础上，重点分析了耕地在不同海拔的分布与耕地景观指数的特征，并进行了耕地自然质量与景观指数的回归耦合分析与地统计学回归分析，并得出一下研究结论。

(1)研究区耕地各景观指数随海拔的升高，整体出现下降或减少趋势，但存在着差异。耕地斑块数量、景观半分比、斑块密度，随海拔升高降低或减少;而由于在平原与丘陵所受影响因素的不同，斑块平均面积、地块形状指数，出现随海拔升高先增大后变小的现象。

(2)蒲阳镇耕地自然质量与各景观指数之间表现出不同程度的相关性。耕地自然质量与斑块数间表现为显著的正相关，即耕地斑块数越多，平均耕地自然质量越好;耕地自然质量与景观百分比存在极弱的负相关性，仅-0.178;耕地自然质量与斑块平均大小、平均斑块形状指数均表现为显著的负相关，即斑块破碎化程度越低，形状越不规则，平均耕地自然质量越差。

(3)耕地自然质量与景观指数空间同质性和异质性并存。斑块数量与耕地自然质量在空间上呈现局部空间的同质性;景观百分比、斑块平均大小和平均斑块形状指数与耕地自然质量呈现局部空间异质性;从空间分布上来看，通过显著性检验的单元主要集中于南部的拦厢村、双柏村、互助村和壹街社区，以及北部的长河村与西北方向的银杏村。

4 讨 论

经研究耕地自然质量同时受自然因素和社会经济因素的影响，且随海拔的升高自然因素所起到的作用越强烈。这为今后土地整治规划编制过程中，确定土地重点区域以及在土地整理项目初步设计和工程竣工验收等方面提供理论支撑和数据上的支持。

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(责任编辑 陈 虹)

Coupling Relationship between Natural Quality and Landscape Indexes of Cultivated Land

PAN Hong-yi1，2，ZHUWan-qiu1，2，CUILv-ye1，2，LIZhu-qing1，2
(1.Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest，Ministry of Education，Sichuan Normal University，Sichuan Chengdu 610068，China;2.Geography and Resources Science College，Sichuan Chengdu 610068，China)

【Objective】Cultivated land is the basic premise for the survival and developmentof human beings，which isan indispensable component of land resources.【Method】The present paper took ArcGIS10.1 and its plug-in Patch Analyst as technology platform to analyze the characteristics of cultivated landscape pattern of Puyang town at different altitudes，and based on the data of land use change and cultivated land quality evaluation of 2010，the coupling relationship between cultivated land quality and landscape pattern indices were analyzed with SPSSand GeoDa.【Result】(i)The quantity of cultivated land in Puyangwas reducing with increasing altitude，the average size of cultivated land became larger，and the degree of fragmentation of cultivated land decreased.Thiswas the reason that because the human cultivation in the relatively flat terrain in the low altitude area was convenient，the production activitieswere frequent.(ii)There were different degrees of correlation between cultivated land quality and cultivated landscape pattern.Cultivated land quality and the number of patcheswere significantly positive correlation.There was a very weakly negative correlation with the percentage of landscape，only-0.178;Cultivated land quality were negatively correlated with the average patch size and average patch shape index.(iii)There was a coupling relationship between cultivated land quality and cultivated landscape pattern.The number of patches and cultivated land quality presented similar clustering of local space in space.The percentage of landscape，the average patch size，average patch shape index and cultivated land quality put outa local spatial heterogeneity，in which the units through significant test were mainly distributed in the south，north and northwest of Puyang.【Conclusion】The landscape index changed regularly with altitude. The correlation degree was different between the natural quality of farmland and the indexes of landscape.The naturalquality of cultivated land and the landscape index showed the coexistence of spatial homogeneity and heterogeneity.

Cultivated land natural quality;Spatial distribution; Landscape pattern indices;Spatial autocorrelation;Coupling

S159-3

A

1001-4829(2017)8-1854-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.8.027

2016-09-15

国家自然科学基金项目(41371120);四川省教育厅项目(16ZB0061)

潘洪义(1980-)，男，河北唐山人，副教授，主要研究方向为土地利用与评价，E-mail:panhongyi80@163.com。