基于GIS的耕地空间分布及利用状况研究

刘宇杰 武红旗 李润

(新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052)

耕地资源是一个国家建设和发展的根本资源，关系到人类的生存和社会的发展。我国人口基数大，人均耕地面积比较小，保护好耕地是我国面临的一个重要问题[1-3]，这对我国的粮食与生产有着重要的意义。2016年国家统计局数据显示，中国人口达到了14.55亿，我国耕地面积总和为1.35亿hm2，人均耕地面积只有0.0927hm2，为世界人均耕地面积的1/4，这项指标在世界平均耕地占有量上排名靠后[4,5]。

目前，国内外专家对耕地问题已经进行了大量的研究和实践，取得了一系列重大的成果。本文主要根据和田地区和田市1977年、2000年和2018年遥感影像和土地利用现状中的耕地数据，使用GIS工具，通过对乡镇街道尺度的地区进行研究，使用耕地集中指数、耕地转移矩阵等方法，进一步丰富了和田市耕地资源在乡镇街道尺度的空间分布情况及其动态变化特征方面的研究，以期为和田市的耕地资源在乡镇街道尺度的保护和优化利用提供更多的参考与借鉴[6]。

1 研究区概况

和田市位于新疆最南端，位于塔克拉玛干大沙漠和喀喇昆仑山之间，地理坐标位于E79°50′10″～79°56′30″，N36°59′40″～37°14′20″，东西宽约为30km，南北长约60km，总面积463.57km2[7]，如图1所示。和田市地处塔里木盆地西南部、玉龙喀什河畔的两岸。和田市南倚昆仑，北临瀚海，位于昆仑山与塔克拉玛干大沙漠之间，是新疆维吾尔自治区最南端的城市，距自治区首府乌鲁木齐1785km[8]，是一个多民族聚居的地区[9]。

图1 研究区位置图

2 研究方法

2.1 耕地指数法

耕地指数为一个地区的耕地面积与该地区面积的比值。通过研究耕地指数的大小可以了解一个地区的耕地分布稀疏程度。本文将耕地指数稀疏程度分为3个等级，耕地指数稀疏区、耕地指数一般区和耕地指数密集区。为了较为详细地了解和田市耕地分布情况，首先考察各个乡镇的耕地分布密集程度。耕地指数的计算公式[10，11]：

(1)

式中，Ri为第i个乡镇的耕地指数；Ki为第i个乡镇的耕地面积；Si为第i个乡镇的行政区划面积。

在对1977年、2000年和2018年和田市各乡镇耕地指数进行统计分析的基础上，将和田市耕地分布格局划分为[0.00,0.30]，稀疏区；(0.30,0.60]，一般区；(0.60,1]，密集区。

2.2 土地利用变化转移矩阵

土地利用转移矩阵是马尔可夫模型在土地利用方面的应用[12-14]。马尔科夫模型不仅可以定量地体现不同土地类型之间的转化情况，还能解释不同土地类型的转化速度。引入土地利用变化转移矩阵公式(式2)来分析所研究区域土地利用类型之间的相互转换与各种土地利用类型的转入面积与转出面积[16-18]，进一步分析耕地与其它土地类型相互转换的空间特征和数量特征，分析耕地的变化过程和耕地的变化趋势。

(2)

式中，S为土地面积；n为土地利用的类型数；i，j分别为研究期初与末的土地利用类型序号。

3 结果与分析

3.1 耕地空间分布格局分析

图2 1977—2018年和田市耕地分布图

对比分析1977年、2000年和2018年3个时期的耕地分布图可以看出，耕地分布较多的乡镇街道为吐沙拉乡、拉斯奎镇、吉亚乡、肖尔巴格乡、玉龙喀什镇和伊里其乡，耕地分布较少的乡镇街道包括古江巴格乡、纳尔巴格街道、古江巴格街道、北京工业园区、古勒巴格街道和奴尔巴格街道，这种格局并未发生改变，但是1977年耕地分布较少的这些乡镇的耕地比例占和田市耕地总面积的10.38%，2000年是6.52%，到2018年这一比例仅为2.62%。这些地区包括和田市4个街道行政单位，1个工业园区和紧邻于城区位于城区南部的古江巴格乡。由于城镇化建设的推进，这些地区的耕地面积一直处于减少状态。

3.2 土地利用转移矩阵分析

3.2.1 1977—2000年和田市土地利用转移矩阵

从表1、表2可知，1977—2000年23a间，由耕地向水体转化的面积为6.37km2，转换比例为1977年耕地面积的2.51%；由耕地转变为荒漠的面积为0.17km2，占1977年耕地比例的0.07%；由耕地转变为建设用地的面积为74.34km2，占1977年耕地比例的29.29%；另外有172.94km2的耕地面积保留了下来，占1977年耕地总面积的68.13%。1977年水体总面积为26.45km2，其中，0.39km2转变为耕地，占1977年水体比例的1.47%；0.79km2转变为荒漠，占1977年水体比例的2.99%；6.06km2转变为建设用地，占1977年耕地比例的22.91%；另外有19.21km2的水体面积未发生改变，占1977年水体面积的72.63%。1977年荒漠总面积为76.51km2，其中，0.45km2转变为耕地，占1977年荒漠总面积的0.59%；2.38km2转变为水体，占1977年荒漠总面积的3.11%；18.31km2转变为建设用地，占1977年荒漠总面积的23.93%；另外有55.37km2的荒漠面积未发生变化，占1977年荒漠总面积的72.37%。1977年建设用地为106.72km2，其中，19.79km2转变为耕地用地，占1977年建设用地的18.54%；2.04km2转变为水体，占1977年建设用地总面积的1.91%；22.59km2转变为荒漠，占1977年建设用地总面积的21.17%；62.30km2的建设用地面积未发生改变，占1977年建设用地总面积的58.38%。

表1 1977—2000年和田市土地利用转移矩阵

表2 1977—2000年和田市土地利用变化比率

在这4种土地类型的变化过程中，可以看出，水体和荒漠的改变比例较小，2000年水体面积相比于1977年增加了13.42%；耕地和建设用地的变化比例较大，其中2000年耕地面积相比于1977年下降了23.74%，1977年建设用地面积相比于2000年增加了50.87%。

3.2.2 2000—2018年和田市土地利用转移矩阵

从表3、表4可知，2000—2018年18a间，由耕地向水体转化的面积为0.08km2，转换比例为2000年耕地总面积的0.04%；几乎未发生耕地转变为荒漠，由耕地转变为建设用地的面积为56.04km2，占2000年耕地总面积的28.95%；另外有137.45km2的耕地面积保留了下来，占2000年耕地总面积的71.01%。2000年水体总面积为30.00km2，其中，0.92km2转变为耕地，占2000年水体总面积的3.07%；0.14km2转变为荒漠，占2000年水体总面积的0.47%；18.76km2转变为建设用地，占2000年水体总面积的62.53%；另外有10.18km2的水体面积未发生改变，占2000年水体总面积的33.93%。2000年荒漠总面积为78.93km2，其中，2.96km2转变为耕地，占2000年荒漠总面积的3.75%；0.53km2转变为水体，占2000年荒漠总面积的0.67%；51.5km2转变为建设用地，占2000年荒漠总面积的65.25%；另外还有23.94km2的荒漠面积未发生变化，占2000年荒漠总面积的30.33%。2000年建设用地为161.07km2，其中，35.21km2转变为耕地用地，占2000年建设用地的21.86%；4.35km2变为水体，占2000年建设用地总面积的2.70%；0.53km2转变为荒漠，占2000年建设用地总面积的0.33%；另外有120.98km2的建设用地面积未发生改变，占2000年建设用地总面积的75.11%。

表3 2000—2018年和田市土地利用转移矩阵

表4 2000—2018年和田市土地利用变化比率

从这4种土地类型的变化过程中可以看出，2000—2018年耕地面积继续呈现出减少的趋势，而建设用地的面积却大大增加，从2000年的161.07km2增加到2018年的247.28km2，增加的比例为53.52%。

3.3 耕地指数分析

由图3可以看出，1977年耕地指数为稀疏区的地区有北京工业园区和吉亚乡，耕地指数分别为0.23和0.30；1977年耕地指数为一般区的地区有吐沙拉乡和古江巴格乡，耕地指数分别为0.55和0.57；耕地指数为密集区的乡镇有玉龙喀什镇、伊里其乡、拉斯奎镇、古勒巴格街道、古江巴格街道、奴尔巴格街道、肖尔巴格乡和纳尔巴格街道，耕地指数分别为0.65、0.7、0.8、0.84、0.85、0.87、0.88和0.93。耕地分布密集区集中于和田市中部地区，耕地分布一般区集中于和田市南部区域，耕地指数稀疏区主要集中于和田市北部。

图3 1977年和田市耕地指数图

由图4可以看出，2000年耕地指数为稀疏区的乡镇有奴尔巴格街道、北京工业园区、古勒巴格街道和吉亚乡，耕地指数分别为0.02、0.05、0.07和0.19；耕地指数为一般区的乡镇有纳尔巴格街道、古江巴格街道、古江巴格乡、吐沙拉乡、伊里其乡、玉龙喀什镇和拉斯奎镇，耕地指数分别为0.4、0.47、0.51、0.51、0.52、0.55和0.6；耕地指数为密集区的乡镇仅有肖尔巴格乡，耕地指数为0.79。总体来看，和田市中南部地区除肖尔巴格乡为耕地指数密集区，奴尔巴格街道和古勒巴格街道为耕地指数稀疏区之外，其余各乡镇为耕地指数一般区，和田市北部地区则全部为耕地指数稀疏区[19,20]。

图4 2000年和田市耕地指数图

由图5可以看出，2018年耕地指数为稀疏区的地区有北京工业园区、奴尔巴格街道、古江巴格街道、古勒巴格街道、纳尔巴格街道、吉亚乡和古江巴格乡，这些地区的耕地指数分别为0.03、0.05、0.08、0.08、0.08、0.25和0.26；耕地指数为一般区的区域有玉龙喀什镇、伊里其乡、吐沙拉乡、肖尔巴格乡和拉斯奎镇，耕地指数分别为0.41、0.41、0.50、0.55和0.57，没有耕地指数为密集区的地区。总体来看，和田市城市中心和和田市北部地区多耕地指数稀疏区，其余地区为耕地指数一般区。

图5 2018年和田市耕地指数图

结合图3～5来看，1977年耕地指数稀疏地区有2个，一般区2个，密集区8个；2000年耕地指数稀疏地区有4个，一般区7个，密集区1个；2018年和田市耕地指数稀疏地区有7个，一般区5个，密集区0个。总体来看，从1977年到2000年再到2018年，耕地面积有下降的趋势，且耕地面积下降最多的区域多集中于和田市市中心。

4 结论与讨论

本研究以和田市为例，基于1977年、2000年、2018年Landsat系列遥感影像进行分析，通过以上分析，得到如下结论。

1977—2000年、2000—2018年，和田市耕地面积一直是下降的趋势，1977—2000年耕地面积下降比例23.74%，由耕地转变为建设用地的比例为29.29%；2000—2018年耕地面积下降比例为8.80%，由耕地转变为建设用地的比例为28.95%。

总体来看，1977年和田市耕地在中部成聚集分布，在北部和南部呈现出离散分布，到2000年，随着城市的建设，和田市中心街道的耕地急剧减少，再到2018年，城市的建设速度进一步加快，城镇的面积进一步扩大，耕地面积呈现出进一步减少的趋势。

耕地指数可以反映一个地区的耕地密集程度，和田市的耕地多集中于和田市中部地区，分布于玉龙喀什河两边，在北端和南端的耕地覆盖度都较低，随着城市化的建设加快，和田市不同的地区耕地指数均有不同程度的减小的状况，其中以和田市中心的耕地指数减小最为严重。