基于ArcGIS的河南省卫辉市耕地时空动态变化分析

高 雅, 王习丹

(郑州大学 旅游管理学院，河南 郑州 450001)

土地是人类生存生活的基石，而在这个快速发展的时代，大量工厂企业的建设和城镇扩张建设用地面积的扩大占用了大量耕地，从而对粮食安全产生威胁。城市是人类文明进步的象征，是人才、科技、信息等的聚集地，城镇的发展必然会带来生态破坏、耕地占用等一系列问题，是人类活动对大自然影响最为显著的区域[1]。近年来，生态环境保护等问题得到人们的重视，我国也先后提出了十八亿亩耕地红线、基本农田保护、耕地占补平衡等政策来保障粮食安全。为了促进城乡一体化发展，我国又提出了乡村振兴发展战略，对耕地保护提出了新的要求，城镇发展对耕地的影响越发突显，由此带来的耕地时空动态变化也成为人们关心的问题，引起了人们的广泛研究。

目前，很多学者对我国耕地时空分布进行了较深入的理论研究和实践，并取得了丰富的研究成果。谭莉梅等[2]根据遥感影像资料，对河北省境内太行山区域耕地资源进行解译的基础上, 应用GIS技术和空间分析方法, 对其空间分布特征从海拔高度、坡度及地形类型3个方面进行了分析研究。郭丽英等[3]基于环渤海地区1985年和2008年的土地利用现状矢量图库,在GIS技术与模型方法支持下,定量分析了环渤海地区耕地变化的动态特征。王晓文等[4]运用重心分析模型，阐述了福建省1985—2010年耕地重心的动态演变规律；通过与同期人口和经济重心移动轨迹的对比分析,探讨了耕地重心时空变化与经济发展、人口增长的空间关系。牛海鹏等[5]以河南省为研究对象，运用5种耕地变化测度模型，揭示了1996—2013年河南省耕地数量时空动态变化特征，为耕地利用调控机制与政策完善提供支撑。陶荣等[6]基于湖北省第二次土地调查以来的土地利用数据,系统分析了2009—2016年湖北省耕地变化的数量和景观格局特征,从而识别耕地动态变化特征与驱动机制。

但从研究尺度来看，多数研究集中在全国、省、市等宏观大区域层面，而对于县级耕地时空动态变化及其格局演变规律的研究相对较少。本研究主要根据卫辉市2011年和2015年土地利用现状图，结合GIS空间分析工具，对卫辉市耕地变化进行详细分析，进一步丰富耕地资源在小尺度上动态变化的方面研究，从而为卫辉市的未来耕地保护、土地整治等提供科学依据，而且对于我国其他县域城市的发展提供参考。

一 资料获取与研究方法

(一)资料获取

本文利用2011—2015年的卫辉市城市边界图、2011—2015年的卫辉市土地利用现状图，通过解译分析出卫辉市耕地面积统计数据，城市建设用地面积、未利用地面积，从而进行时空分析，其中2011—2015年的卫辉市城市边界图、2011—2015年的卫辉市土地利用现状图来源于公司项目数据。

(二)研究方法

利用ArcGIS软件对2011年和2015年卫辉市的土地利用现状图进行叠加作为研究底图，通过ArcGIS软件中的筛选功能，分别得出2011年和2015年的耕地和非耕地图斑，将2011年的非耕地图斑和2015年的耕地图斑进行叠加得出2011—2015年的增加耕地；将2011年的耕地图斑和2015年的非耕地图斑进行叠加分析，得出2011—2015年的减少耕地；并将两年度的增加、减少耕地进行叠加，分析耕地空间分布变化情况。

用地数量变化强度计算公式为：

M=Na-Nb

(1)

MA= (Na-Nb)/T

(2)

式中:a、b为期初、期末的年份;M为[a，b]时间段内的用地数量变化幅度;MA为[a，b]时间段内的用地年平均变化幅度;Na、Nb为期初和期末的用地面积;T为Na-Nb的时间长度[7]。通过公式(1～2)，分别计算建设用地、耕地的用地数量变化幅度和用地年平均变化幅度。

在研究耕地破碎度时，通过ArcGIS软件筛选出不同规模的耕地斑块对现状耕地破碎度进行定性分析，同时选取景观空间指数中的部分指数进行定量分析[8]。

1.边界密度指数

边界密度指数揭示了景观边界的分割程度，是景观破碎度的直接反应。

ED=E/A

(3)

式中：E为耕地斑块的边界长度；A为耕地面积，单位面积的周长值越大，则景观类型被边界分割的程度越高。

2.斑块密度指数

斑块密度指数为研究区内斑块个数与面积的比值。

PD=∑Ni/A

(4)

式中：PD表示斑块密度指数；∑Ni表示研究区域耕地斑块总数；A表示研究区域耕地总面积。

3.斑块数量破碎化指数

斑块数量破碎化指数用以测定景观破碎化的程度，FN的取值范围在0～1之间，0表示无破碎化存在，1则代表已完全破碎。

FN=(Np-1)/Nc

(5)

式中：FN表示斑块数量破碎化指数；Np表示耕地斑块的总数；Nc用研究区域总面积与最小的耕地斑块面积之比表示，以减少由于网格尺度不同而造成的数据变化，而使该指数在某一研究的某一分类系统下相对稳定。

通过3种景观空间指数的分析计算，对卫辉市2011年和2015年两年度的耕地破碎化程度进行分析比较，并联系城镇扩张来说明城镇扩张和耕地破碎度之间的关系。

二 研究区域概况

(一)卫辉市自然社会状况

卫辉市位于河南省北部，新乡市东北部(图1)，是中国优秀民族建筑文化传承保护示范城市、河南省历史文化名城、河南省文明城市，至今已有3 000多年的历史。卫辉市全市总面积约为85 886.28 hm2，共有13个乡镇、342个行政村、15个居委会，2015年总人口达54.16万人。城市规划控制区面积128 km2，规划区面积45 km2，建成区面积20 km2，区内地势西高东低，北部为山区、丘陵地区，面积分别为258 km2、158 km2；中部和南部为平原地区，面积约为452 km2。

卫辉市自设市以来，大力发展经济水平，发展速度较快的乡镇有：唐庄镇、后河镇、李源屯镇、城郊乡、安都乡等。2015年，全市生产总值完成96.55亿元，其中第一产业产值23.06亿元，第二产业产值21.68亿元，第三产业51.81亿元。随着区域内产业集聚区规模不断扩大，截止到2015年建成工业园区1个、产业聚集区3个。涉及农副产品深加工、机械制造、彩印包装、煤化工等多种产业，其中的农副产品深加工产业与当地的农业生产相结合，不仅合理有效利用了当地的农副产品，增加了农民收入，激发了当地农民种田、保护耕地的热情和信心，而且有效保护了当地的生态环境，促进了经济高效发展，经济的快速发展促进了城镇的不断扩张，导致区域内土地利用结构发生变化[9]。

图1 卫辉市区位示意

(二)卫辉市土地利用结构变化

从土地利用现状图中可以分析出，2011年全部耕地面积为43 967.77 hm2，占总面积的51.19%，其中旱地3 656.96 hm2，水浇地4 0310.81 hm2；建设用地面积为12 478.16 hm2，占总面积的14.53%，其中城市用地1 984.91 hm2，村镇用地1 361.89 hm2；林地18 823.69 hm2，占总面积的21.92%；交通用地1 058.52 hm2，占总面积的11.13%，其他用地9 558.13 hm2，占总面积的11.13%(图2)。

2015年卫辉市总面积为85 886.28hm2，耕地面积44 721.76 hm2，占总面积的52.02%，其中旱地3 625.06 hm2，水浇地41 096.69 hm2；建设用地面积为13 047.35 hm2，占总面积的15.19%，其中城市面积为2 075.38 hm2，占总面积的2.41%，村镇面积为8 777.12 hm2，占总面积的10.21%；林地18 725.47 hm2，占总面积的 21.80%；交通用地1 145.56 hm2，占总面积的1.33%；其他用地8 246.14 hm2，占总面积的9.6% (图3)。

图2 2011年卫辉市土地利用现状

图3 2015年卫辉市土地利用现状

通过对两个年度的土地利用结构对比分析表明，卫辉市境内耕地占用面积最大，比例最高，其次是林地，且林地主要分布在北部山区、丘陵地区。2011年和2015年相比耕地面积、建设面积、交通运输用地、林地的面积都有所增加，其他用地中未利用地面积减少最多。

三 卫辉市耕地时空动态变化分析

(一)耕地面积时间变化分析

1.2011—2015年耕地面积数量变化

通过对2011年和2015年卫辉市土地利用现状图的分析，利用 ArcGIS数据库的数据得到2011—2015年卫辉市主要地类面积数量变化：2011—2015年，卫辉市耕地增加了753.99 hm2，平均每年增长150.80 hm2，年均增长率为0.34%。建设用地净增569.19 hm2，平均每年增长142.30 hm2，净增长率为1.14%。未利用地面积从8 358.19 hm2减少到7 015.80hm2，减少面积达到1 342.39 hm2。

2.2011—2015年耕地面积变化原因分析

通过对2011年和2015年的ArcGIS图像进行叠加，得到2011—2015年的耕地增减变化。由ArcGIS图像渲染可以发现城镇边缘耕地地块变化较为剧烈，对两年度的数据比较，可以判别区域内约有3.13%的耕地利用类型发生了变化。2011—2015年减少耕地面积为621.5 hm2，其中61.77%的减少耕地是由于村庄、建制镇、城市扩张占用耕地；27.03%为沟渠占用，也有2.5% 的耕地转变为设施农用地(图4)。2011—2015年增加耕地面积为1 375.49 hm2，增加耕地全部为水浇地，主要是由沙地整治开发而来。

分析发现，耕地面积增加是由于沙地的开发整治。卫辉市积极响应国家土地政策，实施了一系列土地开发项目，使原来没有利用的工矿用地、荒草地、裸岩石砾地等得到充分有效利用，同时对田块、道路、防护林、灌溉设施等进行综合整治，严格要求土地质量，从而使新开发土地通过开发复垦复耕，达到新增耕地使用标准，作为新增耕地来补充由于城镇扩张所减少的耕地面积。

通过对2011年、2015年两年度增加减少耕地面积的分析比较发现，耕地减少的主要原因在于城镇扩张占用城镇周边耕地，通过对比卫辉市建设用地面积占土地总面积的比重与城镇化率的关系(图5)，发现二者呈同向增长趋势，结合我国近年来城镇发展趋势及政策可以预测，在未来一段时间内，随着卫辉市城镇的不断发展扩张，城镇化率会持续上升，从而使建设用地面积的不断增加，占土地总面积的比例也会随之继续呈上升趋势[10]。

图4 减少耕地类型分布

图5 卫辉市城镇化率变化

(二)耕地空间分布的动态变化

本文在分析卫辉市2005年到2015年耕地面积变化情况的基础上，由于数据可得性原因，以2011年和2015年的变更调查数据作为研究的基础数据，其数据精度相对较高，具体对卫辉市2011—2015年的耕地空间变化状况进行更加精准的分析。

通过图像可以发现耕地整体的空间位置并没有过于明显的变化，但通过对2011—2015年之间的增加耕地和减少耕地的空间位置分析(图6)，可以发现：

(1)两年度的减少耕地分布比较分散，主要位于靠近各村庄、建制镇、城市的附近区域，占减少耕地面积的62%；从图像中可以发现还有一部分耕地减少是由于沟渠用地占用耕地，这部分耕地占用是由于南水北调工程占地。

(2)两年度的增加耕地空间分布相对比较集中，主要集中在卫辉市南部的东夹堤村、前白河村、西柳位村，占增加耕地面积的75.72%，只有少数新增耕地分布在李岸村、王岸村等地方。

受卫辉市境内地势影响，自南向北地形差异明显，其中北部的低山丘陵地区面积约为405.12km2，占土地总面积的47.17%；中部和南部的平原地区，面积约为453.74 km2，占土地总面积的52.83%。因此整个卫辉市的耕地空间分布差异较为明显，主要集中在中部和南部的平原地区，北部山区的耕地面积仅占耕地总面积的3.6%。 所以在《卫辉市土地利用总体规划(2010—2020年)》中，卫辉市对增减耕地的分布区域进行合理划分，保护平原地区的优质耕地，未利用地开发项目主要集中在南部的沙地开发整治，因此增加耕地主要集中在该部分区域。

图6 2011—2015年卫辉市耕地空间变化

(三) 耕地破碎化程度分析

1.耕地斑块规模分析

对2015年耕地的ArcGIS图像分析可得出卫辉市现状耕地规模的破碎程度，10亩以下(1类)的耕地有551.95 hm2，占耕地总面积的1.23%；10～50亩(2类)的耕地有5 549.24 hm2，占耕地总面积的12.41%；50～100亩(3类)的耕地有37 124.73 hm2，占耕地总面积的83.01%；100亩以上(4类)的耕地有1 354.20 hm2，占耕地总面积的3.03%，从斑块数量上来看，10亩以下的耕地图斑有1 772个，占耕地总图斑个数的20.17%；10～50亩的耕地图斑有3 087个，占耕地总图斑个数的35.14%；50～100亩的耕地图斑有2 110个，占耕地总图斑个数的24.02%;100亩以上的耕地图斑有15个，占耕地总图斑个数的0.17%(图7)。

由分析可以发现，现状耕地中，耕地地块规模较小的地块数量较多，占总耕地面积的97%，其中大多数分布在靠近村庄、城镇、农村道路等区域，规模大于100亩的耕地图斑只有15个，数量较少，仅占总耕地面积的3%。合理的耕地规模对农业生产有一定的促进作用，更有利于大型农业生产项目的实施，卫辉市整体的耕地规模偏小，在农业生产中可以对耕地规模进行整治，适当扩大耕地规模，更有利于农业生产发展[11]。

图7 不同规模斑块占耕地总面积的比例

2.卫辉市耕地破碎度分析

本文以2011年和2015年的ArcGIS图像作为基础来分析卫辉市2011—2015年的耕地破碎情况。通过数据库分析可以得出卫辉市的总面积为85 886.28 hm2，2011年的耕地图斑有8 380个，2015年耕地图斑有8 786个，增加了406个图斑；2011年的耕地斑块的边界长度为8 691.82 km，2015年的耕地斑块的边界长度为8 593.44 km，2011年耕地面积为439.67 km2，2015年耕地面积为447.22 km2，2011年最小的耕地斑块面积为2.98 m2，2015年最小的耕地斑块面积为1.75 m2(表1)。

表1 耕地破碎度分值情况

通过计算可以得出两年度的边界密度指数、斑块密度指数、斑块数量破碎化指数(图8)，斑块密度与边界密度分别从耕地斑块数量与边形特征两个不同的景观特征描述耕地破碎化差异。斑块数量破碎化与边界破碎化是两个不完全相同的生态过程,前者是一个大的斑块破碎为若干小斑块的过程,而后者是斑块边界由平滑到曲折的过程。

对比两年的数据可以得出：(1)边界密度指数越大，景观边界的分割程度越大，表明耕地的破碎度越高，2011年和2015年相比边界密度指数有所下降，其中斑块的边界长度减少，耕地面积增加，表明卫辉市近年来耕地的集中程度有所上升，更加有利于农业生产的发展；(2)斑块密度指数越大，区域斑块分割强度越大，耕地破碎度越高，2015年和2011年相比斑块密度指数有所增加，耕地斑块数量在不断增加；(3)斑块数量破碎化指数是表达耕地破碎程度最只直观的表达，斑块数量破碎化指数越大，景观破碎化的程度越高，2015年和2011年相比斑块数量破碎化指数有所下降，表明卫辉市的耕地破碎度有所下降，会更加有利于农业生产的发展。

图8 2011—2015年耕地破碎度指数对照

综合3个指标的变化可以得出，卫辉市近年来耕地破碎度情况总体来说变化不大，有小幅度的下降趋势，主要原因是近年来卫辉市实施的一系列土地开发项目所开发的未利用地位置较为集中，新增耕地位置的集中，减少耕地位置的分散从而使整体的耕地破碎度有所下降。

四 结论

进入21世纪之后，中国进入加速转型阶段，随着经济的飞速发展，民生问题也越来越得到重视，以县域空间为载体的农业、农村如何发展，民生如何改善是一个重大课题。县域城市化可以有效减少农村问题，改善农村发展现状，是中国区域经济综合发展的基本保障。改革开放以来，县域经济的发展得到重视，县域城镇体系不断完善，县域城镇已经成为中国城市化的重要阵地[14]。

卫辉市自撤县改市之后，城市建设取得明显成效，与经济飞速发展相对应的是建设用地规模的增加，城镇化率的提升，对耕地的数量、质量都会产生不同程度的影响。为了缓解建设用地占地所带来的压力，实现耕地占补平衡，卫辉市开展一系列未利用地开发、整理项目，盘活存量土地，提高土地利用效率和利用潜力。

(1)通过大力开发未利用地，未利用地面积从8 358.19 hm2减少到7 015.80 hm2，减少面积达到1 342.39 hm2。这些未利用地的开发，及时补充了由于城镇建设等造成的耕地减少，使得全市农用地面积和耕地总面积仍处于稳中有升状态，保障了全市农业发展的耕地需求。

(2)通过对2011—2015年增加、减少耕地的空间分布的分析可以发现，卫辉市减少耕地主要分布在城市、建制镇、村庄等的周围，通过耕地整治，使得增加耕地相对比较集中，会更加有利于耕作，开展大型农业生产，更有利于大型机械化作业，有效促进区域整体性农业生产发展。在《卫辉市土地利用总体规划(2010—2020年)》中也对基本农田进行合理布局，对增加、减少耕地的空间分布进行合理控制，从而促进土地利用区域的专业化、合理化。

(3)耕地破碎度是衡量耕地地力的一个重要条件，会对粮食产出、投入、耕作等产生重要影响。通过土地整治项目的实施，卫辉市100亩以下的耕地占耕地总面积的96.97%；耕地规模较小；卫辉市近年来的耕地补充位置相对比较集中，使卫辉市近年来的耕地破碎度有所下降，更加有利于农业区域性发展，方便大型机械化作业，提高农民收入。