基于RS和GIS的边境县域耕地景观时空变化研究

陈玥 陆汝成 卢嘉慧 秦睿 刘蒙蒙

[摘要]耕地一直以来都是国内外研究土地利用变化的热点内容之一，在一定时段内的耕地变化能够反映区域景观格局变化的方向。通过对宁明县耕地景观格局时空变化进行分析，从耕地数量、空间分布以及景观格局等视角，对宁明县2005年、2010年和2015年的耕地景观时空变化展开研究，研究表明：宁明县在2005～2015年十年间耕地数量呈上升趋势，中低海拔耕地占比逐年下降，高海拔占比逐年上涨，坡度较小耕地占比逐渐下降，坡度较大耕地占比逐渐上涨;耕地景观受人为因素影响越来越大，破碎度增大，耕地更为分散。通过对宁明县耕地景观格局的分析，对促进宁明县区域生态文明建设、更好的发挥其生态功能以及对其耕地可持续利用和社会经济协调发展都具有重要的理论和现实意义。

[关键词]景观格局;耕地;边境县域;宁明县

[中图分类号]F301.2[文献标识码]A

引 言

耕地作为农业活动的载体，一直以来都是国内外研究土地利用变化的热点内容之一。作为农业生态中的重要组成部分，耕地是人类活动改造自然景观的重要体现，一定时段内的耕地变化能够反映区域景观格局变化的方向。而边境县域的土地是我们保卫国土安全的第一道同时也是最重要的防线，边境县域的耕地又是这道防线中最容易被忽视和最脆弱的部分，城镇化进程的加快、边境贸易的快速发展致使经济建设占用了大量耕地、缺乏合理利用管制致使土壤严重污染以及近年来边境县域一些农户因得不到适当的惠农政策而弃耕等现象，表明耕地依然在持续减少，同时，这也会或大或小地对耕地的景观格局产生影响。在耕地景观格局研究方面，国外学者，如Hietala-Koivu R运用平均斑块面积、斑块密度、平均形状指数等，对芬兰的Yiane，农业景观布局结构的变化进行研究分析，对制定土地利用规划有着十分重要的意义，他还提到，农业集约化会导致斑块均匀度下降。国内学者，如张佳佳、陈伟、王新闯等将“3S”技术与景观研究技术相结合，充分考虑耕地现状信息、变化特征、自然属性以及土地管理部门对耕地管制的需要，从市、县两个研究角度出发，研究该区域耕地的数量、景观要素特征等变化的规律。

综上所述，国内外学者大多着眼于较发达县域的耕地景观格局研究，综合分析数量、空间分布对边境地区的耕地景观格局研究甚少，为此，在新形势下，选择以县域为尺度，综合运用遥感、GIS及景观指数分析法，了解和研究耕地的变化情况，揭示宁明县耕地景观格局时空变化规律，对促进宁明县区域生态文明建设、更好的发挥其生态功能以及对其耕地可持续利用和社会经济协调发展都具有重要的理论和现实意义。

1 研究区域概况及数据来源

1.1 宁明县自然经济概况

宁明县，隶属于广西壮族自治区崇左市，是西南地界上的一个边陲乡镇，西面边界与凭祥、龙州接壤，东面边界与防城港接壤，而南面则与越南共和国接界，北面边界与崇左、扶绥接壤，宁明县地势东、南部高，北和西北部稍低，明江河谷平原低平，其东南部为土山区，多数山高在500m以上，坡度都大于30°。中部为土丘陵，坡度10°～25°;北部多为岩溶丘陵，坡度30°以上，而海拔均在200m～500m之间。北部靠中为明江河谷平原，面积约为1000km2，海拔在109.3m～200m之间。

1.2 數据来源与数据处理

以广西宁明县2005年、2010年和2015年30m空间分辨率的TM遥感影像为原始数据源，运用Erdas9.2和ArcGIS10.2等软件，经过多波段彩色合成、辐射校正和裁剪等预处理后，经过对研究区土地利用现状实地考察、遥感影像地物特征及广西陆地卫星TM假彩色数据土地资源信息提取标志，采用监督分类方法对遥感影像进行目视判读，在此基础上进行精度检验，解译出3期影像的Kappa系数均大于0.7最低精度要求，满足研究要求，由此得到广西宁明县3期土地利用现状矢量数据。根据得到的3期土地利用现状矢量图，运用ArcGIS10.2将耕地部分提取得到完整的年度耕地图斑，在ArcGIS10.2中进行高程及坡度的分析，并结合fragstats4.2等软件进行景观格局分析。

2 研究方法

2.1 GIS空间分析法

借助GIS强大的数据处理平台，结合RS技术解译整合基础数据，提取研究区域耕地数量、高程及坡度变化的相关信息，研究景观空间分布的规律。

2.2 景观格局研究方法

景观格局分析指标的选择要能准确明了的表现研究目的，其各层次之间的指数都有高度的相关性以及自己的侧重点，选择的时候切不可冗杂选取，数据并不以多取胜。根据研究区域的具体情况以及参考了国内外学者的研究成果，选择了斑块密度、聚集度指数、分离度指数和形状指标进行景观格局的分析。

2.2.1 破碎度。耕地是一种会同时受到自然和人为影响的资源，我们可以从分析其斑块密度来了解该耕地的割裂程度。

斑块密度指的是：单位研究区域面积内所具有的斑块个数。它能够反映出该区域景观空间结构的复杂程度和人为因素对景观格局的影响程度。一般而言，当它的值越大，则单位面积耕地内含有的斑块个数就越多、斑块平均面积就越小，可知破碎化程度就会越高，斑块密度用PD表示：

PD=N/A                                                                                  （1）

其中N代表研究区域斑块的总个数，A则为研究区域斑块的总面积，PD越大，则该地类被割裂的程度就越高。

2.2.2 分离度。除破碎度能反映耕地景观形状特征外，分离度也能反映景观空间集聚分散特征，主要选用聚集度指数AI （Aggregation Index）和景观分离度SPLIT（Splitting Index）进行分析。

聚集度指数是反映景观格局中同一类型斑块聚集程度或者是反映它的非随机性，其值越趋向0，则表明该景观越是分散，计算公式如下：

式中，AI为景观中某一个类型的聚合度，为斑块i其网格自相邻的公共边缘数;max （）为斑块i其网格间最大的可能公共边数。

分离度公式如下：

为景观类型i的距离指数;为景观类型i的面积指数;n为该元素的数目;为该地类的总面积;A为研究区域的总面积。

2.2.3 景观形状指数。LSI（Landscape Shape Index）该指数是研究区域斑块周长与其等面积的圆周长的比，它表示圆形与研究区域斑块形状差异程度，其值越大，形状越不规则。

其中，L为斑块周长;S为斑块面积。

3 宁明县耕地变化分析

3.1 宁明县耕地数量变化分析

宁明县全县土地面积为370479.87hm?，耕地数量从2005到2015年这十年间，总体呈上升趋势，具体如表1所示。

从表1可知，2005年耕地的占比为15.88%，占全县土地比例不高，2005年到2010年，宁明县全县耕地已上涨了30394.68hm?，耕地面积上涨的较大一部分原因，是在2009年的时候，国家完成了第二次全国土地调查，一些之前不归耕地地类的土地重新划归为耕地，2010年到2015年耕地面积减少了92.16hm?。总的来说，从2005年至2015年这十年间，耕地增加了30302.52hm?。

这十年以来，宁明县为做好耕地保护工作，提升耕地质量。仅在2013年，宁明县就实施了3个土地整治项目，实施面积多达1704hm?，修建村级道路12km。经过这些土地整治项目，基本农田保护面积有近5万hm?。

3.2 宁明县耕地空间布局变化分析

3.2.1 高程点变化分析。耕地一般分布在海拔较低且靠近水源的地区，而宁明县的北部地势较为平坦，最为适合耕地开垦，所以预计宁明县耕地会较多的分布在北部，在此预判上开始分析研究。通过将2005年、2010年以及2015年的DEM数据图和这三个时期的利用现状图各自叠加分析处理，在前人研究基础上以及充分考虑宁明县当地高程分布的实际情况，将高程数据进行重分类，得出以下结果图（见图1）。

从图1可知，2005年、2010年以及2015年的耕地大多数聚集在高程为130.1m～254m的地方，呈北多南少、北低南高的形势，原因是宁明县东南部为土山区，建设施工难度较小，适合进行乡镇的建设开发，发展其商业经济;而北部多为岩溶丘陵，不适宜发展大规模经济建设区，而低海拔又为居民点，所以耕地大多在中低海拔。这三个时期的耕地最低海拔均为6m，但从图1中所知，三年的最高海拔呈递增趋势，这也体现出宁明县开垦技术有所提高。各个海拔的耕地数量情况具体如表2所示。

从表2统计数据可知，海拔为130.1m～254m的耕地占比均能达到80%以上，但从整体趋势来看，中低海拔的耕地占比逐年下降，高海拔的占比逐年上涨，究其原因，经济建设占用了城镇周边海拔较低的耕地，为了遵守占补平衡规定，就不得不越来越往海拔高处开垦耕地，以满足耕地需求。

3.2.2 坡度变化分析。坡度分析的基础数据与高程分析的数据处理相同，通过将2005年、2010年以及2015年的DEM数据图和这三个时期的利用现状图各自叠加分析处理，根据国家颁布的《土地利用现状调查技术规程》以及宁明县耕地坡度分布实际情况，将高程数据进行重分类，得出以下结果图（见图2）。

从以上三幅图可看出，2005年、2010年以及2015年的耕地大多数聚集在坡度为0°～10°的地方，且最大坡度均为55.9°，各个坡度的耕地数量情况具体如表3所示。

如表3显示，三个时期的耕地均有85%以上是聚集在0°～10°坡度范围的，这个现象符合耕地利用的适宜性和规律性。随着时间推移，0°～5°坡度范围耕地的占比逐渐下降，坡度较大的耕地占比逐渐上涨，这与耕地低海拔高程占比递减、高海拔高程占比递增的原因有相关性，地势平坦的地方多用来开发建设之后，补充耕地欲往地势较陡的地方开垦，对于这一现象，有关部门应提高警惕，做好耕地质量优化和保护的工作。

4 宁明县耕地景观格局时空变化分析

4.1 耕地景观斑块形状的变化分析

利用景观形状指数来描述研究区域斑块形状以及受自然或人为的影响的程度，运用fragstat4.2景观分析工具，我们得到以下结果（见表4）。

从表4看出，寧明县耕地景观的形状指数从2005年的12.31上升到2015年的22，表明宁明县耕地景观受人为因素影响越来越大，究其原因，与这几年该县经济发展的需要，而不断占用耕地有关，为了遵守国家“占一补一，占优补优”的土地政策，补回因经济建设缺失的耕地而进行耕地开垦，而开垦的耕地多为多边形;另一部分原因是农民自发开垦耕地的情况越来越多，结合这三个时期的耕地海拔以及坡度图也可以看出耕地景观形状多为不规则。

4.2耕地景观空间格局的动态变化分析

4.2.1 景观破碎程度。从表4可以看出，宁明县的耕地斑块密度从2005年的25.5，降低到2010年的23.58，然后又在2015年上升到24.39，而斑块数逐年递增，从2005年的409个上涨到2015年的878个。2015年景观破碎度变大，究其原因，随着中越双方合作加强、“一带一路”和“两廊一圈”建设等，广西边境城市将掀起新一轮发展高峰，宁明县边境贸易迅速发展的同时，城市建设的步伐也在不断加快，为了补回建设占用的耕地，就必须开垦新的耕地，但宁明县的南部地区又为经济建设区，无法做到大规模开垦耕地，所以就会出现越来越多的孤立斑块，使得耕地景观格局受到比较严重的分割。

4.2.2 景观分离程度。从表4看出，耕地景观的分离度和聚合度是反比的关系，2005年的分离度为1.31，聚合度为91.57，2010年的分离度为1.30，聚合度为92.12，2015年的分离度为1.33，聚合度为89.52。结合这两个指标分析宁明县的耕地景观分离度，我们不难看出，该区域耕地在2015年变得更加离散，究其原因，一是近些年，越来越多的农户自发开垦小片土地作为耕地使用;二是为补偿建设占用的耕地，使得一些原本无法利用的较为分散和偏僻的土地，变成了耕地来使用，由于宁明县的经济发展区集中在南部，大部分是建设区，则南部的耕地就会数量少且分散，这在一定程度影响了耕地景观的分离度和聚合度。

5 结论

本文分别从宁明县的耕地数量、空间布局以及景观格局三个方面，分析研究该县域耕地景观格局时空变化的特征，结论如下：

（1）宁明县2005年至2015年这十年间耕地数量有波动变化，整体呈上升趋势，截止到2015年全县耕地面积增加了30302.52hm?。

（2）宁明县2005年至2015年这十年间，耕地大多数聚集在高程为130.1m～254m的地方，呈北多南少、北低南高的形势，从整体趋势来看，中低海拔的耕地占比逐年下降，高海拔的占比逐年上涨;在坡度方面，大多数聚集在坡度为0°～10°的地方，随着时间推移，0°～5°坡度范围耕地的占比逐渐下降，坡度较大的耕地占比逐渐上涨。

（3）宁明县耕地景观形状指数逐渐变大，表明宁明县耕地景观受人为影响因素越来越大;而宁明县耕地斑块密度先减后增的情况，再结合斑块数逐渐变大的趋势表明，耕地景观格局破碎度波动上升;宁明县耕地分离度逐渐上升，再结合聚合度逐渐下降的趋势表明，耕地呈现更为离散的趋势。

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