基于景观指数的细碎化对喀斯特山区耕地利用效率的影响:以贵州省平塘县为例

梁匀生，曹 洋，廖小锋，3*

(1.黔南布依族苗族自治州自然资源调查规划院，贵州 都匀 558000； 2.贵州科学院 山地资源研究所，贵州 贵阳 550001； 3.贵州省土地绿色整治工程研究中心，贵州 贵阳 550001)

0 引言

【研究意义】耕地细碎化是指在自然或人为影响下，耕地被分为零碎的、大小不一的块状，呈现插花、分散和无序的状态[1-2]。对耕地细碎化问题一直存在两种观点，一种认为细碎化有利于多元化种植，降低农户生产投入风险，增加农民收入，能够充分利用劳动力[3-5]；另一种认为细碎化浪费有效耕地，导致难以进行规模化、专业化的农业生产活动，阻碍农业机械化进程，降低耕地产能[6-8]。在生产力迅速发展以及农民大规模城镇化流动背景下，细碎化问题不仅限制耕地利用效率，也增加农业经营成本，从而阻碍农业规模化和现代化的推进[9-11]。在当前经济社会发展背景下，农业人口大量进入城市，小农生产经营的弊端日益凸显，耕地的收益下降，在农地规模化经营推进中，细碎化的影响逐渐暴露。【前人研究进展】有研究认为，中国因耕地破碎化造成的耕地浪费面积占耕地有效面积的3%～10%，不仅增加生产成本，也降低耕地生产率[12-14]。许玉光等[15]通过DEA-Tobit模型分析地块平均面积表征的细碎化对耕地不同经营模式效率的影响认为，耕地细碎化对小规模农户的利用效率是正向作用，对中、大规模农户耕地利用效率是负作用。白志远等[16]运用景观格局原理和DEA方法分析康乐县耕地细碎化与利用效率的关系认为，康乐县农业现代化水平低，细碎化与利用效率没有明显的相关性。随着农地细碎化研究的深入，广大学者逐渐采取景观生态理论并借助GIS技术对耕地细碎化进行量化研究[17-18]。【研究切入点】目前，多数研究集中在平原或丘陵地区，对于喀斯特山区研究报道较少，因而喀斯特地区特殊的地质地貌环境与耕地细碎化的关联情况以及对耕地利用效率的影响值得探讨。【拟解决的关键问题】以典型喀斯特峰丛洼地山区贵州省平塘县为例，选择拼块密度、拼块数量、边界密度、平均最邻近距离、平均地块面积、面积加权平均形状指数、平均拼块分形指数等7个景观指数，通过主成分分析法评价细碎化程度，借助DEA和回归分析方法测算耕地利用效率及细碎化对其影响，旨在为提高喀斯特山区耕地利用效率和指导耕地综合整治提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平塘县地处贵州省南部边陲，与广西壮族自治区相邻，现辖10个乡镇1个街道。全县总人口33.70万，农村人口22.44万人，占比66.59%，其中以布依族、苗族、毛南族为主的少数民族人口占总人口的59.6%。全县国土面积2 806.06 km2，耕地面积仅有684.33 km2，而喀斯特地貌占比87.2%，是喀斯特峰丛洼地地貌发育极为典型的山区县域。2019年，全县地区生产总值86.09亿元，一、二、三产业增加值分别为23.24亿元、17.56亿元、45.29亿元，其中第一产业增加值占比27%，高于第二产业，是典型的农业县。

1.2 数据来源

土地利用状况数据为平塘县自然资源局提供的2019年土地利用变更数据，在ArcGIS 10.0中提取各乡镇耕地数据，转为空间分辨率为10 m×10 m的栅格数据，利用Fragstats 4.2对与细碎化相关的景观指标进行计算。社会经济数据主要来自《平塘县统计年鉴(2019)》，数据整理后利用DEAP 2.1对各乡镇的耕地利用效率加以评价。

1.3 研究方法

1.3.1 景观指数选取 景观指数广泛用于城市景观[19-20]、土地利用[21]等研究，是能够反映景观结构和空间配置特点的量化指标[22]。本研究借鉴前人研究成果[16]，结合喀斯特山区耕地特征[23]，选取拼块密度、拼块数量、边界密度、平均最邻近距离、平均地块面积、面积加权平均形状指数、平均拼块分形指数共7个指标衡量平塘县耕地细碎化，各指标意义见表1。

表1 景观指数分析选择的指标及意义

1.3.2 DEA模型 数据包络分析(DEA)是一种以相对效率概念为基础的效率评价方法，其中C2R是最基础的模型，其他模型都是在此模型上改进。C2R模型测度综合效率，B2C模型可测度规模报酬可变情况下纯技术效率，综合效率是纯技术效率与规模效率的乘积。综合效率衡量投入产出效率、纯技术效率衡量生产和技术运用的有效程度，规模效率衡量规模的大小和投入要素调度程度[24-25]。

1.4 数据分析

利用SPSS 22进行主成分分析，得出景观指数特征值、贡献率以及载荷矩阵。对耕地利用效率进行评价时需综合考虑耕地的社会经济效益和数据的可获得性，利用DEAP软件计算各乡镇的耕地利用效率，以平塘县10个乡镇的纯技术效率和规模效率分别作为因变量，单位面积劳动投入、旱地占乡镇国土面积比例、乡镇人均GDP以及代表耕地细碎化水平的第一主成分和第二主成分作为自变量，运用SPSS 22进行回归分析，建立纯技术效率模型和规模效率模型。回归模型表现形式为：

Yi=α0+αiMi1+αiLi1+αiSi1+αiGi1+αiFi1+αiFi2

式中，Yi、Li1、Si1、Gi1、Fi1、Fi2和α0分别代表第i个乡镇的纯技术效率或规模效率、劳动力投入、耕地占乡镇国土面积比例、经济发展水平、第一主成分、第二主成分以及常数。

2 结果与分析

2.1 平塘县各乡镇耕地细碎化的景观指数

从表2看出，大塘镇在所有乡镇中拼块密度最高，为34.21块/100hm2，平均地块面积和平均拼块分形指数最低，分别为3.05 hm2和1.25；甲茶镇面积加权平均形状指数最高，为18.82；克度镇平均地块面积和平均拼块分形指数最高，分别为6.49 hm2和1.36，拼块数量拼块数量、边界密度边界密度和平均最邻近距离最低，分别为681块、331.25 m/hm2和44.81 m；塘边镇拼块密度最低，为14.47块/100hm2；通州镇平均最邻近距离最高，为64.04 m，面积加权平均形状指数最低，为5.93；掌布镇拼块数量最高，为2 525块，同时边界密度最高，为443.75 m/hm2。

表2 各乡镇耕地细碎化景观指数

2.2 平塘县耕地细碎化景观指数的主成分分析

2.2.1 特征值与贡献率 由表3看出，平塘县耕地细碎化景观指数的第1主成分和第2主成分特征值分别为5.065和1.221，因为二者的累计方差贡献率为89.794%(大于85%)，所以可选用第1主成分和第2主成分衡量平塘县的耕地细碎化程度。

表3 耕地细碎化景观指数的特征值与贡献率

2.2.2 载荷矩阵 由表4可知，第1主成分中拼块密度、拼块数量、边界密度、平均地块面积的载荷值大于87%，表明4个指标与第1主成分的相关系数在0.87以上，第1主成分主要反应拼块密度、拼块数量、边界密度、平均地块面积4个指标的信息；第1主成分与平均地块面积呈负相关，与拼块密度、拼块数量、边界密度均呈正相关，表明平均地块面积越小、地块密度越大、数量越多、形状越复杂，土块细碎化程度越高。第2主成分中平均最邻近距离、面积加权平均形状指数、平均拼块分形指数载荷值均大于96%，且第2主成分与3个指标均呈正相关，说明地块之间平均最邻近距离越大、地块形状越复杂，耕地细碎化程度越高。

表4 耕地细碎化景观指数的载荷矩阵

2.3 平塘县耕地利用效率

从表5看出，平塘县全县耕地利用效率中纯技术效率值为1，达最优；综合效率和规模效率均为0.813，未达最优，规模报酬呈递减效应。各乡镇耕地利用效率存在一定差距，平舟镇、大塘镇和卡蒲乡的综合效率、纯技术效率和规模效率均为1，达最优，规模报酬保持不变；克度镇综合效率最低，为0.739；纯技术效率和规模效率均是牙舟镇最低，分别为0.767和0.749；规模报酬有3个乡镇保持不变，2个乡镇递增，5个乡镇递减。对规模报酬递增的乡镇可通过持续的要素投入来提高规模效率，而对于规模报酬递减的乡镇需要协调各要素的投入比例以提高规模效率。

表5 各乡镇耕地利用效率

2.4 平塘县耕地细碎化因素与纯技术效率和规模效率的回归效应

从表6看出，纯技术效率模型中，可调整拟合优度R2=0.864，F=12.734**，通过0.05显著水平检验，并通过自相关检验(DW=2.198)，表明纯技术效率模型所选因素对耕地的纯技术效率具有显著的综合影响。衡量耕地细碎化水平的第1主成分通过0.05显著水平检验，说明平均地块面积越小、地块密度越大、地块数量越多、形状越复杂，耕地的纯技术效率越低；第2主成分通过0.1显著水平检验，表明地块之间平均最邻近距离越大、地块形状越复杂，纯技术效率越低。

表6 平塘县耕地细碎化因素与耕地纯技术效率和规模效率的回归模型

规模效率模型中，可调整拟合优度R2=0.610，F=0.899*，通过0.1显著水平检验，并通过自相关检验(DW=2.312)，说明所选因素对耕地的规模效率有显著影响。第1主成分和第2主成分均通过0.05显著水平检验，表明耕地平均地块面积越小、地块密度越大、地块数量越多、形状越复杂，耕地的规模效率越低。

3 讨论

平塘县为典型的喀斯特峰丛洼地山区，受山地丘陵为主、地貌破碎、权属分散及家庭承包制的影响，耕地细碎化问题十分突出[26]。地块数量多、地块面积小且高度分散的形态是耕地细碎化的主要特点[27]，但也包含耕地形状复杂、不连片等特点。研究表明，耕地细碎化对平塘县耕地利用效率存在一定的制约作用，影响程度规模效率大于纯技术效率。降低耕地细碎化程度要从耕地面积、形状和分布入手，对于面积因素，可通过小块并大块方式来提高单块地块面积；对于形状和分布因素则可通过土地整理和农业综合开发的方式达到消除异形地的目的[28-29]。此外，平塘县坡耕地占比很高，加之石漠化广布，开展细碎化整治的难度较大，可通过修筑地埂及客土改良等方式增加单块耕地面积。除以上措施外，有关部门需要进一步为耕地流转集中经营创造良好的政策环境，完善激励机制；还应积极引导社会力量参与推动土地整治，形成集中连片、分布规整、设施完善的高标准农田，促进规模化经营水平的不断提高，从而提升耕地利用效率。

4 结论

研究基于景观生态学原理测算典型喀斯特山区贵州省平塘县的耕地细碎化程度，并运用回归方法分析细碎化程度对耕地利用效率的影响。结果表明，表征耕地细碎化的第1主成分中拼块密度、拼块数量、边界密度以及平均地块面积指数的载荷值均大于88%，第2主成分中平均最邻近距离、面积加权平均形状和平均拼块分形指数的载荷值均大于96%，因此，可用拼块密度、拼块数量、边界密度、平均最邻近距离、平均地块面积、面积加权平均形状指数、平均拼块分形指数等景观指数作为衡量耕地细碎化的重要指标。

喀斯特山区耕地细碎化对耕地利用效率具有明显的阻碍作用，平均地块面积越小、地块密度越大、地块数量越多以及形状越复杂，则耕地细碎化程度越高，耕地的纯技术效率及规模效率均越低。平塘县全县土地综合效率、纯技术效率及规模效率分别为0.813、1.000、0.813，处于规模报酬递减阶段，10个乡镇中有3个乡镇综合效率达最优，其余7个乡镇未达最优，耕地利用效率具有较大的提升潜力。