长浏平丘陵区耕地形态分异研究

2020-09-02段建南

江西农业学报 2020年8期

张霞，段建南，李萍

(湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128)

随着统筹“山水林田湖草”生命共同体系统治理以及耕地数量、质量和生态的“三位一体”保护等目标的提出，耕地的重要性愈发凸显[1]。在耕地空间形态变化研究方面，主要研究方法包括耕地分布重心转移、信息熵、景观指数法等，耕地空间分布重心与景观格局指数法成为如今最常见的方式[2]。

国内在耕地空间分布格局研究方面采用最多的是景观格局分析法，将景观空间格局定量分析方法与GIS相结合，用以描述耕地资源的空间形态及其演变[2]。耕地资源是不可替代的宝贵资源，因为长浏平丘陵区地理条件的复杂性和耕地空间形态发展的多样性，因此从景观空间分异分析耕地形态空间特征，将耕地形态与耕地空间分布格局联系起来，可为耕地利用与保护提供理论依据，同时为类似区域的耕地形态研究提供借鉴与参考。

1 研究区耕地概况

以长浏平丘陵区耕地为研究对象，耕地类型包括水田和旱地，其中水田是指主要用来种植水稻、莲藕等水生农作物的耕地，其中包括实行水稻和旱地作物轮流耕作的耕地，主要包括平原水田、丘陵水田和山地水田；旱地主要依靠自然降水或水源和浇水设施种植作物，以种菜为主，属于正常轮作的休闲地和轮歇地，主要组成包括平原旱地、丘陵旱地和山地旱地。从耕地分布情况来看(图1)，研究区耕地主要集中在中部地区，主要包括长沙市中心城区外围部分、望城北部宁乡东部地区、长沙县以及浏阳市东北部地区，空间分布在中心城区以及城镇等建成区的周边；东部分布广，西部少；在平原分布密集，在山地分布稀疏，且多分布在水源充足地区。

图1 研究区2015年土地利用现状图

2 研究方法

用GIS的信息技术能够比较直观方便地总结不同的耕地形态模式类型，建立耕地形态图式语言，提高对耕地形态景观的研究与认识的科学性，可以为定量分析耕地形态景观格局提供技术支持。

土地形态图式语言研究通过室内对遥感影像的目视判读和图式提取[4]，确定具有代表性、典型性的区域：不同地域空间类别、不同文化景观区域、不同农业耕作方法以及不同地理特征下的平面形态各异的耕地。

用景观格局指数分析法可以合理选取耕地景观格局指数指标，对长浏平丘陵区的耕地形态景观指数进行计算，并对研究区的耕地景观格局特征空间分布规律进行总结归纳分析[5]。

3 耕地形态模式的确定

耕地形态是由耕地实体呈现出来的具体且有形的物质形态，是自然和人文过程相统一的文化现象；耕地形态也是在长期演变过程中，通过人地相互作用所形成的特有的形态。耕地的空间形态通过数量变化和格局变化来表达[6]。耕地利用形态通过耕地结构、数量及空间布局在长时间序列下的变化呈现出来[7]。

耕地格局的发展趋势应由细碎、分散化状态向集中、连片、规整的方向变化，若耕地格局变化出现趋势性转折，耕地空间形态则会发生转型[8]。依据景观生态学的相关理论，耕地空间形态是“构成耕地发展变化的空间形式特征，是耕地‘有机体’内外矛盾的结果”[9]。耕地形态可以看做是“由形状(耕地外在形态)、结构(斑块地理位置)和相互作用(单元间联系与共同组成)建立的一个空间系统”[10]。

廊道一般是耕地被丘陵轴线及走向、河流水系、道路所隔断的分界线，通常分实体与非实体分界线，不同主体之间的分隔边界，可以是事实存在的，或者是意识中存在的非事实存在的边界[11]。基底就是从耕地形态内部展开，其形态反映出由自然因素与人为因素共同作用下，在一定空间范围内对耕地利用方式以及人类活动的空间载体。长浏平丘陵区耕地形态模式的选取标准为：第一，需要体现不同区域的不同特色，生态性景观空间应有典型特色；第二，生态性指标要素丰富，自然生态环境具多样性；第三，研究区域平面形态丰富、典型；第四，研究区域的历史文化背景深厚，具有稳定存在的生产线景观空间，且能充分体现人类活动对自然环境的影响[12]。

长浏平地区地貌以丘陵为主，地表水系发育，支流众多，为了确保最终归纳总结的耕地形态图式语言系统相对完善，调查样线设置应尽可能多地覆盖更多更全面的景观类型[13]，依据长浏平地区的地形情况和河流水系分布特点，选择设置东西和南北走向两条样线，为样线1和样线2(图2)，长度分别为233.57 km和136.46 km。

在进行长浏平耕地形态图式语言提取时，沿样线选取确定耕地形态样点。先通过室内对遥感影像的目视判读，结合现有的遥感影像，确定耕地平面形态特征性较明显且具有代表性的区域，针对不同文化景观区域、不同地域空间类别、不同农业耕作方式以及不同地貌特征下的平面形态各不相同的耕地，具有生态系统特征的稳定性和有机性。通过对长浏平丘陵区耕地发展的相关文献和案例的研究，以空间组合图式[14]为表达形式，从空间平面的角度，结合现有的长浏平丘陵区耕地遥感影像图进行信息提取，对耕地平面几何形态进行判读和图式提取[15]，并归纳总结为四大类模式(图3)：(1)均匀类：放射状耕地模式、网格状耕地模式、指状耕地模式；(2)聚集类：环绕状耕地模式、树枝状耕地模式、条带状耕地模式；(3)随机类：散点耕地模式；(4)组合类：坑塘耕地组合耕地模式。虽然总结的模式并不能涵盖全部形式的耕地用地形态，但它们基本能表示出长浏平丘陵区的最明显的耕地空间形态发展趋势，基本存在“模式”指导的意义。

4 景观格局指数分析

通过软件Fragstats 4.0，选取所需要的指标进行定量测算。总结长浏平丘陵区耕地空间结构组成与耕地空间形态模式，结合实际情况选取斑块总面积(TA)、斑块数(NP)、斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、最大斑块指数(LPI)、边界密度(ED)、平均面积(AREA_MN)、平均形状指数(SHAPE_MN)、平均分维数(FRAC_MN)共9个景观格局指数，对长浏平丘陵区不同耕地空间形态进行景观特征分析。

(1)斑块总面积(TA)：斑块类型面积是最基本的空间特征，是具基础性的景观格局指数指标[16]，是单位面积的景观组成和多样性的重要影响因素[17]。斑块总面积(TA)的表达式为：

TA=A×1/10000

(1)

式(1)中：A为整个景观的总面积，除以10000后计量单位转化为hm2。

(2)斑块数(NP)：是景观中不同类型景观斑块的总和。若斑块数增加，则景观的破碎化指数增加[18]。斑块数(NP)的表达式为：

NP=N

(2)

式(2)中：N为景观中的斑块总数。

(3)斑块密度(PD)：指单位面积的某种斑块类型的斑块数量，等于景观斑块总数与总景观面积之比[19]。其数值越大，斑块分布越复杂，景观破碎度越高。斑块密度(PD)的表达式为：

PD=N/A

(3)

式(3)中：N为景观中的斑块总数；A为景观总面积。

(4)景观形状指数(LSI)：将景观斑块看做一个整体，用来研究整体景观水平的指数， LSI数值越大，说明边界长度长且形状不规则，斑块景观破碎化程度越高。景观形状指数(LSI)的表达式为：

LSI=E/minE

(4)

式(4)中：E指景观的边缘总长度，包括所有景观边界线和背景边缘；minE是E的最小可能值。

(5)最大斑块指数(LPI )：表示整个景观或某种景观类型中最大斑块占总体斑块面积的比例，表征集中度和优势度斑块类型，指数的范围介于0～100之间[20]。最大斑块指数(LPI)的表达式为：

LPI=maxaij/A×100

(5)

式(5)中：aij代表斑块ij的面积。

(6)边界密度(ED)：描述斑块边界与形状的关系，用来衡量整个景观斑块被边界割裂的程度。ED值为0说明整个景观无边界，景观边界以单元斑块边界来表示。边界密度(ED)表达式为：

ED=E/A×106

(6)

式(6)中：E指景观的边缘总长度；A为景观总面积。

(7)斑块平均面积(AREA_MN)：指斑块类型的总面积除以斑块类型的斑块数，通常用来说明景观破碎化程度和景观粒度。斑块平均面积(AREA_MN)的表达式为：

(7)

式(7)中：aij是斑块ij的面积，ni是类型i的斑块数量。

(8)斑块平均形状指数(SHAPE_MN)：反映了斑块形状相对于同等面积正方形的复杂程度，是斑块形状变化指标，取值大于等于1，且数值越小，景观斑块形状越简单。

斑块平均形状指数(SHAPE_MN)的表达式为：

(8)

式(8)中：aij是斑块ij的面积；pij是斑块ij的周长。

(9)平均斑块分维数(FRAC_MN)：表示不规则程度和破碎化程度，取值范围在1～2之间，值越大，斑块边界形状越复杂。

平均斑块分维数(FRAC_MN)的表达式为：

(9)

式(9)中：aij是斑块ij的面积；pij是斑块ij的周长。

5 耕地形态空间分异分析

5.1 耕地形态类型特征分析

耕地形态类型特征分析选取斑块总面积(TA)、斑块数(NP)、最大斑块指数(LPI)、平均面积(AREA_MN)4个景观格局指数(表1)。

据此可分析，放射状和网格状、指状耕地形态模式的斑块面积较大，存在优质斑块且优势度较大，而破碎化程度较小，适宜于农业耕作生产。树枝状、环绕状、条带状耕地形态斑块最大斑块面积的数值相对较小一些，优势度也相对较小一些。坑塘耕地组合状耕地形态模式的破碎化程度一般，优势度也一般。而散点状耕地形态的斑块分散，聚集度不高且破碎化程度高。

5.2 耕地形态景观特征分析

耕地形态景观特征分析选取边界密度(ED)、景观形状指数(LSI)、平均形状指数(SHAPE_MN)这3个景观格局指数(表2)。

由表2可知，放射状耕地形态的边界密度值较大，但另外两项形状指数的值偏小，说明其耕地景观的形状规则，复杂程度较低，但分割程度较高。网格状耕地形态的耕地形状规整有序，且整体均匀简单，但边界密度的数值较大一些，景观边界具有一定的破碎度，会受到人类社会经济活动的影响，具备进行规模化农业生产经营的条件。指状耕地形态不规则，耕地斑块无边界。

树枝状耕地形态的边界密度数值相对较小，景观整体的破碎化程度较低，较为集中且联系度高，而其景观形状指数较高，说明该模式下景观形状的整体规则程度较低，边界长度较长，破碎化程度相对较高。环绕状耕地形态的景观破碎化程度一般，但边界形状相对较复杂，较难进行农业的规模化生产和机械化作业。条带状耕地形态的这几项指标相对较适中，但其边界形状较复杂，规则程度较低，因此条带耕地的利用程度较低，利用效率相对不高。

坑塘耕地组合状耕地形态的各项指标适中，说明该模式下的景观破碎化程度一般，景观形状较规则，边界复杂程度较低，景观格局的生态价值较高，具有一定的稳定性和适宜性。散点状耕地形态的景观破碎化程度较高，形状不规则，聚集度低，形状边界较复杂。

5.3 耕地形态景观优势度分析

耕地形态景观优势度分析选取斑块密度(PD)、平均分维数(FRAC_MN)这两个景观格局指数(表3)。

放射状耕地形态的斑块密度值与平均分维数值较小，说明景观破碎化程度低，斑块形状规则集中，且LPI值较高，具有较高的优势度。网格状耕地形态的斑块密度数值较小且平均分维数接近于1，说明其斑块的形状规则简单，破碎化程度低，而LPI值较高，体现出明显的优势度。指状耕地形态斑块分布平均分维数接近于1，优势度较明显。

树枝状耕地形态的斑块密度及平均分维数的值较低，说明其聚集度较高，斑块形状规则，破碎化程度较低，且LPI值较高，优势度较明显。环绕状耕地形态的两项指标数值较低，景观聚集度一般，且LPI值较高，整体的优势度较明显。条带状耕地形态的斑块密度相对大一些，说明其景观斑块的破碎度相对较大，而平均分维数相对较大，斑块边界形状复杂一些，LPI值一般，优势度相对较小。

坑塘耕地组合模式的斑块密度值及平均分维数较小，说明其景观破碎化程度一般、景观形状较规则，优势度一般。

散点状耕地形态斑块破碎化程度较高，分散度较高，形状较复杂，优势度较低。

6 结果与讨论

6.1 结果

通过对长浏平丘陵区的耕地形态以及景观格局的研究，对长浏平丘陵区进行耕地形态归纳提取，总结出4类耕地空间关系模式：

(1)均匀类：放射形态耕地模式、网格形态耕地模式、指状形态耕地模式。放射形态耕地模式分布相对较为均匀，耕地斑块由中心向四周放射延伸，地形平坦，多出现于平原地带，耕地分布呈放射状分布；网格形态耕地模式耕地分布非常均匀，耕地斑块形状规则，相互连接并含有许多网格道路，位于平原地区，地势平坦，田面较宽广，耕地集中连片，形成多个大面积的分布区，呈现规则式均匀聚集格局，距离基本一致；在指状形态耕地模式中，占优势的两类耕地斑块，彼此犬牙交错，相互交织，共享一个边界，如果地理位置临近则相邻相互作用强烈，将会影响景观要素的相对面积，形成“半岛形”组分的方向性和丰富度，长宽则会影响景观过程。

(2)聚集类：环绕形态耕地模式、树枝形态耕地模式、条带状形态耕地模式。环绕形态耕地模式受到地形、河流隔断等自然环境的约束，再加上人类规划等原因的影响，被山地、丘陵、河流和森林等分隔为相对独立的多个带状或团状用地形式，有一个中心，连接着很多分散的耕地团，没有明显的主次之分，形成若干较大面积的分布区，再散步在整个景观中，构成分散发展的组团型耕地形态；树枝形态耕地模式多沿河道分布，布局密集且紧凑，交通成本相比于指状耕地模式及环绕状耕地模式要低，一般以河流干流为中心，通过中心枝干向两侧分别延伸出不同的链接情况，其中两侧延伸出的耕地分支可能还会进一步延伸出二级、三级分支等等，整体呈现出“绿带串联、枝状穿插”；条带状形态耕地模式多呈线性、条形状分布，在地势平坦或者地形有起伏的地区都有可能出现，或在河流沿岸植物带、公路、铁路、山脊线平行分布。

(3)随机类：散点形态耕地模式。散点形态耕地模式由点缀在基质里的点状地物构成，多分布在山地丘陵地区，一般有溪流经过，呈现不规则、无规律、随机分布模式，破碎化程度高，交通成本高。

(4)组合类：坑塘耕地组合形态耕地模式。坑塘耕地组合耕地模式属于特定组合或空间连接，是耕地与坑塘相关联的格局，一般分布在地势低洼地带，水源坑塘密布呈现出散点状，与耕地呈拼接式组合。

耕地形态斑块类型特征分析：均匀类耕地形态模式斑块面积相对都较大，景观斑块规模较大，存在优质斑块，适宜于农业耕作生产；环绕状、树枝状、条带状最大斑块面积相对较小，优势度较前三类低；坑塘耕地组合耕地形态与散点状耕地形态最大斑块面积值较小，聚集度不高，耕地形态景观规模小。

耕地形态的斑块形状分析：放射形态、网格形态、树枝形态形状规则；指状形态、环绕形态、条带状形态、散点形态耕地斑块形状不规则；坑塘耕地组合形态的形状一般规整。

耕地形态景观斑块优势度分析：放射形态、网格形态、指状形态、环绕形态、树枝形态优势度明显；条带状形态、散点状形态、坑塘耕地组合形态优势度不明显。

耕地形态景观斑块异质性分析：均衡分布最明显的是指状耕地形态、散点状耕地形态。

长浏平丘陵区耕地分布总体情况：高密度区集中分布在中部地区，西部和东部相对较为稀疏，耕地分布以中部区域为主。在地形平坦、起伏度小的平原地区，值越大，耕地分布密度越高；在地势较高、地形起伏度较高的丘陵地区，值越小，耕地分布密度越低；在城市中心发展区域以及远离城区的地区，密度值小，而在发展区外围靠近发展区，密度值高。