基于ArcGIS和DEM模型的耕地利用格局分析*

王军强，胡晓光，岳颖，别雪艳，段云峰，高富岗

（1.河北盛世圆福项目管理集团有限公司，河北 廊坊 065000；2.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801；3.南京农业大学 土地管理学院，江苏 南京 210095）

基于ArcGIS和DEM模型的耕地利用格局分析*

王军强1*，胡晓光1，岳颖1，别雪艳1，段云峰1，高富岗2，3

（1.河北盛世圆福项目管理集团有限公司，河北 廊坊 065000；2.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801；3.南京农业大学 土地管理学院，江苏 南京 210095）

基于DEM模型和GIS平台，运用景观生态学基本原理，探究黄土高原小流域不同地形条件下的耕地利用格局以及农户经营行为特征，为促进区域农业的可持续发展奠定基础。结果表明：（1）流域内91.64%的耕地集中于＜1300 m高程范围内，90.61 %的耕地分布于＜15°的宜耕区；（2）在＜1200 m高程范围内，＜15°的宜耕区内，耕地类型多样，斑块数最多，内部的斑块组合最复杂；在1200～1300 m高程范围内，15～25°坡度区内斑块的连通性好；>1300 m高程范围内，>25°坡度地带内，斑块间的干扰性小，景观的破碎化程度也略高；（3）耕地利用的破碎化现状，深刻影响着农户水保行为、种植行为及兼业行为，使得农户经营行为差异化、区域化明显。因此，流域应加强土地综合整治力度，调整农业经营模式，为耕地资源的高效集约利用及农业规模化经营创造条件。

耕地利用格局；农户经营行为；DEM模型；地形分布指数

耕地受到人类活动的强烈影响 ，是土地利用动态变化中非常活跃的要素之一［1］，也是农业生产的先决条件和物质基础，其数量、质量及利用格局对于保障国家粮食安全和维护社会经济稳定持续发展具有重要意义［2］。地形因子是一个包括高程、坡度等因子在内的多维变量［3］，每一维对区域内部的水、热、养分起到再分配的作用 ，直接影响着地表物质的迁移与能量的转换［4］，是决定区域耕地利用格局的关键因素之一，也严重影响着农户的经营方向与方式［5］。DEM模型为探讨地形与耕地利用格局的关系提供了基础平台［6］，先前研究多从大尺度揭示地形因子与多种土地利用类型分布格局的关系［6，7，8］，但在小尺度区域基于DEM模型和GIS平台，从地形和景观双视角单独对耕地利用格局进行深入探究尚不多见。黄土高原沟壑区水土流失严重，生态脆弱，经济发展相对落后，人地矛盾突出，土地利用问题研究显得尤为重要［9］。研究区选择黄土高原典型的小流域，地形多种多样，破碎化现象显著，生态环境极其脆弱，农业生产力低下，是其典型特征。耕地资源是当地农户经济来源最依赖的物质基础，因此有必要分析在复杂地形条件下的耕地利用格局，这将有助于揭示其潜在规律，为当地耕地资源的高效利用及农户生活水平的改善提供理论参考。

1 研究区概况

研究区位于山西省西南部永和县、隰县和石楼县3县的接壤地带，属黄河1级支流范围和典型的黄土丘陵沟壑区第2副区，地理坐标为东经110°38'01"～110°50' 02"，北纬36°47' 26"～36°57' 14"，海拔在1023.0～1415.6 m之间，流域内沟壑纵横、梁峁起伏，地形复杂多样。该流域总面积为126 km2，其中水土流失面积达113 km2，林地、草地、耕地是流域内最主要的景观单元。土壤以地带性褐土、草甸土为主，土壤结构疏松，粘粒含量较低，湿陷性大。流域多年年均温为8.6℃，年均降雨量为510.90 mm，温带大陆性季风气候明显。辖区涉及永和县4个行政村，隰县4个自然村和石楼县1个自然村，总人口为2559人（截止2013年统计），地广人稀。

2 研究方法

2.1 数据预处理

基础数据利用研究区的二调影像和Quick bird影像，经实地调查与室内地图数字解译，得到1∶10000的流域土地利用现状图，并利用ArcGIS 9.3提取耕地现状数据，依据流域自然特征，将耕地划分为坡耕地、梯田、沟坝地和沟川地4种类型（图1）。

图1 研究区土地耕地利用现状Fig.1 Cultivated land use status quo in the study area

2.2 高程、坡度重分级

基于该流域 DEM数据（分辨率10 m×10 m）和ArcGIS 9.3平台，借助GIS软件的SpatialAnalyst模块进行表面分析，得到高程、坡度栅格图（栅格单元10 m×10 m）。同时依据流域的土地利用现状，并结合中国农业区划委员会颁发《土地利用现状调查技术规程》，进行高程、坡度的重分级，这样既反映了研究区的地形特征，又符合经济规律和国家规范（表1）。

表1 高程、坡度重分级标准Table1 The standard of elevation and slop reclassifcation

2.3 地形分布指数

地形分布指数，是一个标准化、无量纲指标，既可以消除面积差异量纲的影响，又可以更好的描述各地形因子条件下的耕地分布特征［4］。

式中 P代表地形分布指数； e代表地形因子，包括高程、坡度等； ieS是指 特定地形因子下 i耕地类型的面积； iS则是 i耕地类型的面积； S是整个区域的耕地总面积； eS代表 e特定地形因子下的耕地总面积，由此可得到高程、坡度因子下的各耕地类型的分布指数。它代表的指示意义：P>1，表示第 i种耕地类型在第 e级地形上分布属于优势分布，P值愈大，分布的优势地位愈高。

2.4 景观指数提取

景观指数通常用于描述景观格局，来揭示景观元素组成及其空间配置，为区域景观格局的调整和生态保护决策提供依据［10］。本文利用ARCVIEW 3.3将高程、坡度分级下的耕地矢量图，转换为栅格图（栅格单元10 m×10 m），并通过FRAGSTATS 4.0，在景观水平上针对数量/密度、形状、邻近度、连通性和多样性等5大层面，提取了斑块数（NP）、斑块密度（PD）、形状指数（LSI）、平均邻近距离（EMN_ MN）、斑块结合度（COHESION）、香农多样性指数（SHDI）6个指数进行耕地景观格局分析，各指数的计算及生态学意义见相关文献［13］。

3 结果与分析

3.1 高程梯度下的耕地分布特征

从表2得知，沟坝地主要分布在第2梯度，面积分布比例达74.65%，分布指数也达到最大（2.23），说明此高程梯度是其海拔优势区。沟川地总面积较少，多沿河流呈条带状分布，60%以上的地块集中于第1梯度，且在此海拔分布的优势地位显著（6.98）。坡耕地、梯田是该流域最主要的耕地类型，主要分布在地势较高的第3梯度，面积分布比例分别为58.71%和64.24%，分布指数 也均大于1，表明此梯度是两者分布的海拔适宜区；在第4梯度区仅有少量的坡耕地、梯田分布，坡耕地多依赖于原始坡面地形，分布的随意性较强，在此梯度的分布优势仍较强，而梯田多受技术和成本条件所限，其在此梯度分布的优势性减弱。

表2 高程梯度下的耕地利用类型地形分布特征Table2 Topographical distribution characteristics of farmland use types in elevation gradient

依据表3的斑块数和斑块密度得知，在第2梯度NP和PD值都最大，表明此梯度细小田块多，团聚性差，破碎化程度也远大于其他梯度的区域；从形状指数上得知，在第2梯度的LSI远大于其他梯度，反映了此梯度的田块形状不规则，内部类型组合的复杂性强、边界嵌合度高；从斑块的平均邻近距离上看，在第4、1梯度的ENN_MN远大于其他梯度，说明此梯度的田块间平均距离大，田块间的不相连使得发生相互干扰的概率降低；斑块结合度在第3梯度达到最大（96.55%），在此梯度斑块形成了良好的连通性、香农多样性指数在第1、2梯度均大于1，表明这两个区域的耕地类型分布均匀，破碎化程度也略高。

3.2 坡度分级下的耕地分布特征

沟坝地和沟川地的分布特征基本一致，都集中于平地和缓平地坡度地带，分布指数 在缓平地均大于2，表明此坡度区是两类型的优势分布区（表4）。从面积和分布指数上得知，坡耕地在各坡度区都有分布，其中74.75 %的坡耕地集中于＜15°的宜耕区（平地、缓平地、缓地），近年来虽开展了大规模的“坡改梯”、“退耕还林”等项目，但由于缺乏足够资金以及农户追求短期经济利益等因素，使得流域内的坡耕地整治尚不彻底，也存在一些随意开垦的行为，因此仍有25.25%的坡耕地分布于非宜耕区（>15°）。该流域的梯田多沿等高线采取“大湾就势、小湾取直”的方式人工修成，且多是坡耕地改造后形成的“水平梯田”类型，是平地区最主要的耕地类型。

表3 高程梯度下的耕地景观指数Table 3 Farmland landscape indexes in elevation gradient

表4 坡度分级下的耕地利用类型分布特征Table 4 Topographical distribution characteristics of farmland use types in slop classifcation

表5 坡度分级下的耕地景观指数Table 5 Farmland landscape indexes in slop classifcation

根据表5可得，斑块个数和香农多样性指数的最大值均在缓平地，表明此坡度地带的耕地类型多样，分布较均匀，空间的异质性也较强，由表4可知在缓地、缓陡坡、陡坡3个区域只有坡耕地1种类型分布，因此这3个坡度区的SHDI为0；斑块密度与斑块个数的分布特征并不一致，在陡坡的NP最少（32块），但它的PD却最大（310.98块/km2），反映了此坡度地带的景观破碎化程度高；从形状指数上讲，平地和缓平地的LSI略大于其他坡度区，揭示出平地、缓平地内部的斑块组合复杂，各类型的边界嵌合程度高；从斑块结合度和斑块的平均邻近距离上看，在陡坡的COHESION值最小（88.12 %），斑块的分散性强，斑块间的距离也相应被拉大，在此坡度区的ENN_MN也最大（0.6070 km）。

4 结论与讨论

（1）该流域91.64 %的耕地集中于＜1300 m的区域，其中沟坝地和沟川地主要分布于地势较低的第1、2梯度，而坡耕地、梯田由于存在“坡地→梯田”的转换关系，在高程梯度下的分布特征基本一致，第3、4梯度是其分布的优势区。景观上讲，第1梯度的耕地类型最为多样；第2梯度的斑块个数、斑块密度及形状指数最大，景观的破碎化程度最高，内部斑块组合最复杂，景观异质性强；第3梯度的斑块结合度最好，形成了良好的连通性；第4梯度的斑块的平均邻近距离最大，减轻了斑块间的干扰性。

（2）该流域90.61 %的耕地分布于＜15°的宜耕区（平地、缓平地、缓地），而在缓陡坡、陡坡（>15°的非宜耕区）仍有235.87 hm2的坡耕地，是潜在水土流失的风险源，因此也是未来需要整治的区域。缓平地（2～6°）内的斑块个数、形状指数及香农多样性指数均最大，景观类型最为多样，内部斑块的组合复杂，各类型的边界嵌合程度高；缓陡（15～25°）内的斑块形成良好的连通性；陡坡（>25°）的景观破碎化程度最大、斑块间的干扰性也较小。

（3）当前流域耕地的破碎化现状造成农业生产效率低、农机化水平低、粮食产量低等诸多问题，影响着农户水保行为、种植行为、兼业行为，使得农户具体经营行为差异化、区域化明显，也制约了区域农业的可持续发展。

因此，流域未来应立足于“农田生态系统平衡”的前提下，继续加强“田、水、路、林、村”土地综合整治，充分挖掘耕地生产潜力，为促进耕地资源的高效集约利用贡献力量。受地形因素的影响，在当前阶段单凭土地整治，并不能彻底解决黄土丘陵区的耕地破碎化问题，还急需农户经营模式的调整，打破“家家小而全，户户粮油棉”个体的小农经营格局，为农业规模化经营创造条件。农户应在政府带领下尝试实施“农户+新型农业合作社”经营方式，进行不同种植园区的规划布局，并保持与销售企业、深加工企业密切联系，构建“种—产—销”一条龙的协同合作经营格局，这种模式既可以呈现种植园区的交错分布状态，达到景观格局的优化，又可以为农户提供更多的兼业机会，增加收入，提高家庭生活水平，实现流域生态和经济效益的双赢。

/References

［1］周显芳，卢远.基于MODIS EVI的左江流域耕地利用效率评价［J］.水土保持研究，2010，17（3）:79-86.

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［3］毕如田，武俊娴，曹毅，等.涑水河流域地形因子对植被指数变化的影响［J］.中国农学通报，2012，28（35）:257-263.

［4］崔步礼，李小雁，姜广辉，等.基于DEM的山地丘陵区土地利用/覆被研究——以青海湖流域为例［J］.自然资源学报，2011，26（5）:871-880.

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［7］龚文峰，袁力，范文义.基于地形梯度的哈尔滨市土地利用格局变化分析［J］.农业工程学报，2013，29（2）:250-259+303.

［8］陈丹，周启刚，何昌华，等.重庆山地都市区1985-2010年土地利用变化地形特征分异研究［J］.水土保持研究，2013，20（5）:210-215+220.

［9］李文卓，谢永生，刘涛，等.黄土高原沟壑区农户土地利用结构变化与效益分析［J］.水土保持研究，2009，16（3）:159-163.

［10］邬建国.景观生态学—格局、过程、尺度与等级（第二版）［M］.北京:高等教育出版社，2007，13.

The Analysis on Farmland Use Pattern Basing on the Way of Digital Elevation Model and ArcGIS

Wang Junqiang1，Hu Xiaoguang1，Yue Ying1，Bie Xueyan1，Duan Yunfeng1，Gao Fugang2，3
（1.Hebei Prosper Crown Project Management Group Co.Ltd，Langfang Hebei 065000；2.College of Resources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu Shanxi 030801；3.College of Land Management，Nanjing Agriculture University，Nanjing Jiangsu 210095）

Based on DEM model and GIS platform，we explored the characteristics of farmland use pattern and farmer households'production and operation behaviors under different terrain conditions of small watershed of in the Loess Plateau by applying landscape ecological fundamentals，which will lay a foundation for the sustainable development of regional agriculture in the future.The results show that∶（1）There were 91.64 percent of farmland concentrating in the elevation range less than 1300m； there were 90.61 percent of farmland distributing in the arable area less than 15°；（2）In the elevation range less than 1200m and the arable area less than 15° which had rich types，the most number of patch，and the most complicated patch group；it formed a superior connectivity in the range between1200～1300 m and the slope zone of 15～25°； the interference between patches was small and the level of landscape fragmentation was also slightly higher within the range more than 1300 m and the slope zone more than 25°；（3）The current fragmentation situation of farmland use pattern had profound impacts on farmer households' soil and water conservation behavior，planting behavior，concurrent business behavior，which made farmer households'production and operation behaviors different and regional obviously.Therefore，we need to strengthen comprehensive rearrangement of land and adjust the agricultural production mode，which will create conditions for the high intensitive utilization of farmland resource and agricultural large-scale management .

farmland use pattern； farmer households' production and operation behaviors； digital elevation model； opographic distribution index

F301.21；F304.5

A

1672-5603（2016）02-079-5

*本文受国土资源部公益性项目行业可科研专项经费课题（2009HX01）资助。

*第一作者简介 王军强，男，1988年生，现主要从事土地利用与规划、土地经济政策研究等工作。Email:wjq8885@126.com

2016-4-21；改回日期：2016-5-10。