潜江市耕地格局与景观破碎化研究

许利洋 买尔哈巴·玉苏甫

摘要： 基于2000年和2010年兩期GlobeLand 30土地覆盖数据，以湖北省潜江市为研究区，分析潜江市土耕地时空变化特征，并计算该市19个乡镇的耕地斑块面积与破碎度指数，建立耕地面积和破碎度耦合的9种耕地变化模式，分析各乡镇耕地面积、耕地破碎度变化以及两者相联系形成的耕地变化特征。结果表明，2000—2010年，潜江市耕地总面积基本保持稳定，但潜江市内部各乡镇耕地面积变化幅度差异显著，耕地破碎化加剧;潜江市“耕地面积减少伴随着破碎度增加”的耕地变化模式占主导地位，位于城市化发展较快的东北地区，而“耕地面积增加伴随破碎度减少”的乡镇主要分布在农业比较发达的西南地区。潜江市城市建设用地逐渐占用耕地，导致城市边缘耕地面积骤减，耕地内部破碎化趋势严重。

关键词：耕地变化; 破碎化; 景观格局; 潜江市

中图分类号：P96;P901         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）14-0030-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.005 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Based on the land cover data of GlobeLand 30 in 2000 and 2010， taking Qianjiang in Hubei province as the research area，the soil spatial and temporal variation characteristics of cultivated land in Qianjiang is analyzed. And the arable land patch area and the fragmentation index of 19 towns in the city are calculated. The cultivated land area and the fragmentation coupling mode of 9 kinds of cultivated land change are established. The changes in cultivated land， cultivated land fragmentation country towns and the characteristics of both associated with formation of the farmland change are analyzed. The results show that the total cultivated land area of Qianjiang remained stable from 2000 to 2010， but the variation range of the cultivated land area of each town and town within Qianjiang was significant， and the cultivated land fragmentation was intensified. The cultivated land change pattern of “the reduction of cultivated land area with the increase of fragmentation” is dominant in Qianjiang， and it is located in the northeast region where urbanization is developing rapidly. The townships with the pattern of “increase in cultivated land area with reduced fragmentation” are mainly distributed in the southwestern regions where agriculture is relatively developed. The urban construction land gradually occupied the cultivated land in Qianjiang， resulting in a sharp decrease in the area of cultivated land at the edge of the city， and the internal fragmentation trend of the cultivated land is serious.

Key words： cultivated land change; fragmentation; landscape pattern; Qianjiang city

耕地作为最重要的土地利用方式之一，是人类生存与发展的重要物质基础，是人类十分宝贵的资源与财富[1]。全球范围的快速城市化所带来的无秩序的城市扩张、优质耕地被占用、人口密度过大、土地供需矛盾尖锐等问题使得粮食安全问题成为严重威胁[2]。

近年来，许多研究学者对无秩序的城市扩张导致的耕地景观破碎化问题、城市用地占用优质耕地导致的耕地面积及耕地质量的下降和农业生态的可持续发展问题等[3]进行了大量的研究。Su等[4]以深圳市为例，研究城市化进程中耕地保护制度，提出了耕地转型的制度和体系;Dadashpoor等[5]和Deng等[6]都对城市化导致的土地景观格局变化进行了研究;Chao等[7]以山东省为例，计算山东省的陆地植被净初级生产力和耕地压力指数，对其净初级生产力和耕地变化进行了评价;Gong等[8]对广州市耕地和建设用地的分化进行了研究;李鹏山等[9]对京津冀地区耕地空间分布特征以及破碎化程度进行分析;陈迪等[10]采用2000年和2010年两期全球30 m地表覆盖遥感数据产品（GlobeLand 30）及FAOSTAT统计数据，建立耕地面积数量和耕地利用格局指标群，在国家、地理分区和县级等3个尺度上综合分析亚洲耕地的数量、复种指数[11，12]及耕地破碎度变化特征;傅泽强等[13]分析了中国耕地数量与质量的变化对粮食生产所产生的影响，提出必须高度重视耕地的数量保持和质量改善的建议。上述研究主要关注了耕地面积变化特征或者耕地景观变化特征，所得出的结论主要偏向于注重耕地总面积的保障，而对小尺度区域耕地内部的变化特征关注较少。宏观角度上注重并保持耕地总量固然很重要，但耕地内部景观变化特征会带来更多的生态经济影响与效应。耕地面积与耕地景观的耦合分析，即对耕地数量与耕地内部破碎化程度进行同步分析，对优化和调整耕地内部景观格局有实际意义，更有利于实现土地集约化与土地资源可持续化。因此，有必要将耕地面积与耕地破碎度结合起来深入研究耕地景观问题。

本研究以湖北省潛江市为研究对象，分析该区域耕地面积、耕地破碎度以及两者的耦合模式的时空变化特征。潜江市位于江汉平原腹地，2000年以来城市化进程不断加快，导致该地区耕地景观发生很大变化，再加上“南水北调、引江济汉”以及高速客运铁路建设等重大工程的实施，多种国家政策的颁布使潜江土地利用结构更加复杂。对潜江市耕地进行耕地面积与破碎度的耦合分析，有利于全面揭示江汉平原耕地利用现状以及变化规律，为未来该区域农业生产管理、农业种植结构调整和优化提供重要信息支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

潜江市位于湖北省中部，江汉平原腹地，交通发达，地势低平，位于112°29′E—113°01′E，30°04′N—30°39′N。潜江市是武汉城市圈和长江中游城市群重要成员，境内有全国十大油田之一的江汉油田[14]，辖3个省级经济开发区、6个国营农场，素有“曹禺故里、江汉油城、龙虾之乡”的美誉。近年来潜江市充分发挥江汉平原丰富的水资源优势，积极探索现代农业，走出了一条独具特色的水产产业化发展之路，使潜江市小龙虾的养殖规模、加工能力、出口创汇连续7年位居全国第一，被誉为“中国小龙虾之乡”“中国小龙虾加工出口第一市”[15]（图1）。

1.2 数据来源

所采用的2000年与2010年的两期土地利用数据均源自GlobeLand 30[16]（http：//www.globallandcover.com），覆盖潜江市区域的图幅编号为N49_30。

GlobeLand 30数据是中国首个30 m分辨率的全球土地覆盖数据集[17]，陈军等[18]对该产品在全球范围进行了精度评价，其总体精度在80%以上。该数据集将全球土地覆被分为10类，分别为耕地、林地、草地、灌木地、苔原、湿地、水体、冰川和永久积雪、裸地与人造地表。本研究所指的耕地包括水田、灌溉旱地、雨养旱地、菜地、耕地牧草种植地、大棚用地、以种植农作物为主间有果树及其他经济乔木的土地，茶园、咖啡园等灌木类经济作物种植地。

1.3 研究方法

首先，将2000年与2010年的两期GlobeLand 30数据与潜江市行政区划数据导入Arcgis 10.5软件中，掩膜提取潜江市的两期土地利用数据，得出潜江市土地利用空间分布图。对潜江市的两期土地利用数据进行叠加分析，并得到2000—2010年潜江市土地利用转移矩阵。

其次，计算潜江市各个乡镇的耕地景观指数。将潜江市内每个乡镇的土地利用数据分别导出为TIF格式数据，使用Fragstats 4.2 软件计算潜江市2000、2010年各乡镇耕地斑块面积和破碎度指数。

本研究通过选取耕地斑块面积和破碎度指数构建耕地变化耦合模型，这两个指标分别表述耕地数量变化和耕地景观内部变化。耕地斑块面积（TA）是指某一区域内所有耕地斑块的面积总和，以此表征潜江市耕地景观的面积;破碎度指数（SPLIT）（式1）表征景观被分割的破碎程度，在一定程度上反映人类对景观的干扰程度，进而反映出人类对自然生态系统的影响，破碎度指数数值越大，其代表的耕地景观破碎化越严重。本研究耦合耕地斑块面积和破碎度指数表征潜江市不同类型的耕地变化，对于每个指标分别指定了3个间隔，分别为减少、稳定和增加，计算每个乡镇的耕地斑块面积与破碎度指数百分比变化（式2），基于此参照Freedman - Diaconis规则公式，即耕地斑块面积变化率置信区间为±2%，破碎度指数变化率置信区间为±5%，两者相结合建立了9种耕地斑块面积与破碎度指数耦合模式（图2）。

式中，A表示潜江市总的景观面积;aij表示第j个样方i种类型的斑块面积;n为斑块的样方个数。

式中，R表示TA或SPLIT的变化率，n表示变量TA或SPLIT。

式中，H表示分级阈值，IQR表示数据的四分位距区间，N表示样本数。分别基于耕地斑块面积和破碎度指数的百分比变化。

2 耕地动态变化

2.1 土地利用时空变化分析

2000—2010年，潜江市土地利用结构整体变化幅度较大，其中，耕地、水体和草地面积呈减少趋势，人造地表、林地和湿地面积呈增加趋势，人造地表、水体及草地等地类变化幅度显著。人造地表面积的增加显著，从146 km2增加到245 km2，增幅为40.48%，水体的面积减少最为显著，2000年潜江市水体面积为144.29 km2，2010年为87.26 km2，降幅为39.52%。如图3所示，人造地表面积增加几乎遍布潜江市整个辖区，东北地区最为显著，西部偏南地区也有所增加，但幅度较小。潜江市东北地区靠近长江，水陆交通便利，又接江汉油田，第二产业发达，城市化速度快，城市范围不断扩大，由于城市扩张占用大量耕地和湖泊水体，导致耕地和水体面积大量减少。

2.2 耕地面积变化分析

耕地是潜江市的主要土地利用类型，占潜江市总国土面积（2 004 km2）的83%，因此耕地的增减变化对于当地社会经济以及生态发展有重要意义。总体上来看，2000—2010年，潜江市耕地面积变化基本保持稳定，2000年耕地总面积为1 690 km2，2010年为1 648 km2，总减少面积为42 km2，占总耕地面积的2.5%，减少幅度不大，但潜江市耕地空间变化明显，各乡镇耕地增减变化明显，总体呈南增北减的趋势。

2000—2010年，耕地面积增加集中在潜江市中部偏西南地区，主要以占用水域为主，西南地区国营农场集中，湖泊水域较多且破碎（图4），无秩序围湖造田、拓荒开垦等行为大量占用水域，导致水体面积减少。大面积的耕地减少多在潜江市东北地区，2005年潜江市原泽口经济开发区由国家发改委批为潜江经济开发区，列为湖北省重点省级开发区，经济发展速度加快，对竹根滩、王场和周矶等镇有带动作用，引领经济发展，城市化进程加快。此外，潜江市中部、西南部和西部的部分地区耕地减少。耕地面积增加的地区集中在中部偏西南地区，而耕地面积减少则零散分布在潜江市大部分地区。

2.3 耕地与其他地类的转换

土地利用转移矩阵是根据同一地区不同时相的土地覆盖现状的转化关系求得的一个二维矩阵。通过对该矩阵进行分析，可以得到两个时相不同的地类之间相互转化关系，这表示不同的土地利用类型在一个时间段发生的土地转入与转出以及变化[19]。

按照GlobeLand 30数据的地类划分标准，潜江市的土地类型包括耕地、林地、草地、湿地、水体和人造地表等6种地类。潜江市土地利用转移矩阵如表1所示。潜江市耕地转为人造地表的面积较大，为103.63 km2，占潜江市总国土面积的5.17%。2000—2010年是中国经济快速发展的10年，也是潜江市城镇化速度最快的10年，由于城市扩张，需要满足城市化进程中城市住宅、公园、工厂、公共设施和商业等用地的扩张。潜江市的东北部如潜江经济开发区、园林、竹根滩、王场和广华等地，城市的快速发展加剧了耕地向人造地表的转换速度。

潜江市水体转为耕地与耕地转为水体面积分别为76.70、21.15 km2，分别占潜江市国土面积的3.83%和1.06%。潜江市的水产业和渔业发展迅速，潜江市有“中国小龙虾之乡”的称号，在湖泊水体丰富的地区大力发展连片的虾稻田，在种植水稻的同时又养殖小龙虾，在符合绿色发展理念的同时又增加了商品的附加值，也加剧了水体和耕地之间的转化。

3 耕地景观破碎化程度变化分析

潜江市河渠纵横交错，湖泊星罗棋布，其耕地面积的变化必然导致其耕地内部景观格局的变化。由图5可以看出，2000—2010年，潜江市整体破碎度指数增加占主导地位，63%的乡镇破碎度指数增加。位于潜江市北部地区的王场镇与潜江经济开发区至2010年破碎度指数分别为4.17与4.45，增长幅度较大，分别为159.95%和166.59%，如表2所示。潜江经济开发区和王场镇连带周边园林、竹根滩和广华等乡镇快速城市化，这3个乡镇2010年破碎度指数分别为3.17、4.25与3.73，增长幅度分别为50.98%、40.58%、24.58%，城镇用地无序扩张，首先占用城区周边耕地，使较完整的耕地愈加破碎。积玉口、老新、杨市、渔阳与总口破碎度指数增加幅度较小，增幅分别为0.80%、8.51%、5.81%、0.33%、8.21%。位于潛江市西南地区的后湖、龙湾、浩口、张金以及西大垸等乡镇破碎度指数呈减少趋势，前身均是国营农场后湖和龙湾镇SPLIT减少幅度剧烈，分别为48.37%和26.30%。在潜江市城市化发展迅速占用耕地的同时，前身为国营农场的后湖和龙湾等乡镇的耕地破碎度减小，耕地更加集约化，提高粮食产量，从而保持总体粮食产量，确保潜江市的粮食安全问题。

4 潜江市耕地斑块面积与破碎度指数耦合分析

2000—2010年，潜江市耕地破碎度指数增加的乡镇占主导地位，占潜江市总乡镇的63%，27%的乡镇保持稳定，10%的乡镇呈减少趋势，如图6a所示。破碎度指数整体分布与耕地面积变化的分布恰好相反，王场镇与潜江经济开发区增加幅度最大，因城市发展用地增加较多，占用耕地面积增加，因此农业发展越来越精细化，耕地破碎度增大。破碎度指数减少的乡镇呈带状分布于中部偏南地区，后湖、龙湾和西大垸农业发展地区，耕地发展更加集约化。

2000—2010年，潜江市各乡镇耕地斑块面积减少占主导地位，70%的乡镇耕地面积减少，17%的乡镇保持稳定，13%的乡镇耕地面积增加，如图6b所示。其中，耕地斑块面积减少幅度较大的乡镇有潜江经济开发区、王场、园林和竹根滩，减少幅度分别为22.19%、14.27%、10.94%、10.32%，主要分布在东北地区;耕地斑块面积减少幅度较小的乡镇有高石碑、广华、熊口、总口、老新、运粮湖、周矶和杨市，减少幅度分别为5.82%、5.40%、4.88%、4.17%、3.83%、3.14%、2.79%、3.06%，由西北向东南方向呈带状分布;位于潜江市西部的积玉口、浩口、张金以及东南角的渔洋镇耕地斑块面积基本保持稳定;而前身均为国营农场并作为江汉平原重要的优质粮大镇、优质棉重镇、水产品强镇的龙湾、后湖和西大垸耕地斑块面积表现为大幅增加，由腹地向南呈条状分布在湖泊较集中的地区。

如图7所示，2000—2010年，潜江市耕地变化整体表现为耕地斑块面积减少伴随破碎度增加的模式。该模式主要分布在潜江市北部的广华、高石碑、王场等镇以及东部的竹根滩、潜江经济开发区、园林、杨市、总口、熊口、老新等乡镇。耕地斑块面积增加伴随破碎度减少模式与耕地斑块面积稳定和破碎度稳定模式主要发生在潜江市西南地区，该地区湖泊众多，多是国营农场。大力集中发展现代化农业需要的是机械化的生产和连片集中的种植，龙湾、后湖和西大垸等镇具有得天独厚的发展农业的区位优势，位于江汉平原中部，地处湖北省农业的核心地区，交通条件便利，优越的区位条件给了这些乡镇集约发展农业的良好环境。

5 小结与讨论

基于2000年和2010年两期GlobeLand 30土地覆盖数据，计算潜江市各乡镇的耕地斑块面积与破碎度指数，建立耕地面积和破碎度耦合的9种耕地变化模式，分析各乡镇耕地面积、耕地破碎度变化以及两者联动关系形成的耕地变化特征，得到如下结论。

1）潜江市耕地面积总量基本保持稳定，主要受耕地保护政策等影响。耕地面积变化更多是发生在潜江市的内部，大量耕地转换为人造地表，大部分水体、草地转为耕地来补偿损失的耕地。面对粮食安全问题，潜江市政府发布的《潜江市土地利用总体规划（2006—2020年）》要求其他地类按比例补偿同等数量和同等质量的耕地。因此，潜江市土地形成人造地表占用耕地、耕地又占用其他地类来补充损失耕地的循环模式，使得潜江市土地利用结构更加复杂化。

2）潜江市耕地变化模式主要表现为耕地面积减少伴随耕地破碎度增加。2000—2010年潜江市耕地破碎化加剧，这与当地的虾稻共作模式的新兴并快速发展以及城市化进程加快有着密不可分的关系。近年来，潜江市各乡镇出现大规模稻田挖沟虾稻连作田，建立了以积玉口、龙湾、浩口、熊口、渔洋等镇为重点的虾稻连作养殖基地。虾稻田面积的增加使得潜江市的耕地面积增加，却也加剧了耕地的破碎化程度。

3）实施耕地保护政策的同时更应该注重耕地景观格局变化特征。潜江市东北部的潜江经济开发区、园林等城镇城市化速度较快。客观上来说，城市建设与保护耕地间存在一定的矛盾，城市的扩大必然要占用城区周边土地，城市占用耕地又会导致粮食短缺的问题，但是城市的发展也不能停滞不前。因此，建议潜江市应该调整好城市发展与耕地保护之间的平衡关系，在策划耕地保护策略的同时考虑耕地时空变化与耕地内部景观格局的变化，进而保障土地利用结构能够保持相对平衡。

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