北戴河新区耕地景观生态安全时空变化研究*

李秀芝

(内江师范学院地理与资源科学学院，四川内江 641112)

·热点问题·

北戴河新区耕地景观生态安全时空变化研究*

李秀芝

(内江师范学院地理与资源科学学院，四川内江 641112)

[目的]分析北戴河新区耕地景观生态安全，试图找出其格局变化规律和变化原因，以期为北戴河新区制定耕地保护对策提供借鉴。[方法]文章选取景观指数建立耕地景观生态安全评价模型，分析北戴河新区1991年、2001年及2013年的耕地景观生态安全时空变化特征，在此基础上，分析了耕地景观生态安全重心变动轨迹，进一步分析耕地景观生态安全的时空变化规律。[结果]研究表明：1991～2013年间，1991年为0.647 6，2001年为0.593 9，2013年为0.527 6；其逐年下降原因主要是人类活动加剧导致耕地景观连通性下降，耕地景观生态安全程度分布不均衡，各安全指数级别出现相互转化的现象；耕地景观生态安全重心总体呈现向东北部移动的变化规律，1991～2001年移动距离为4.06km，2001～2013年动距离为1.43km。[结论] (1)北戴河新区耕地景观生态安全指数从1991～2013年持续下降且下降幅度不断增大，耕地景观生态安全受到威胁；(2)北戴河新区的耕地景观生态安全空间分布不均衡，安全程度不稳定；(3)利用景观格局分析耕地安全的研究方法可行。

耕地 景观生态安全指数 景观生态安全重心 时空变化 北戴河新区

0 引言

耕地为人们的生活提供了基础的物质材料，对国家或区域的粮食满足与否、农村经济的进步与否、农村社会的稳定与否产生直接的作用[1]。因此，维护耕地安全、提升耕地质量是需要长久研究的课题。国内外学者从各个角度对耕地安全展开研究，为耕地安全的维护提供了重要的理论和实践指导。北美和欧洲对耕地安全的研究侧重于耕地变化对生态环境产生的影响[2-5]，从技术手段、经营模式、管理方法、经济政策、土地规划等方面探讨提升耕地质量及保护土地生态安全的策略。东亚的一些国家由于处在快速发展的阶段，许多农地被非农化，导致粮食安全问题成为了耕地安全问题中最为关注的内容。国内学者对耕地安全的研究涉及粮食生产潜力[6-7]、耕地数量及质量变化[8-9]、耕地内部结构与外部环境效应[10-12]、耕地安全评价[13-15]等多个方面。纵观国内外研究，对于耕地的研究涉及多个方面，但是从景观格局方面对耕地景观生态安全的变化特征研究的相对较少，而耕地的生产潜力、数量质量变化趋势、自身结构特征以及抵抗外界环境干扰的能力等又都与景观格局有着重要联系，景观格局影响资源的分布[16]。景观生态安全格局考虑格局变化与过程运行能够相互作用的关系，探寻生态问题的合理解决方法。从景观生态安全格局的角度对耕地的时空变化特征展开分析，有利于把握耕地演变过程的规律及影响因素，为合理解决耕地安全问题提供指导。

北戴河新区是我国著名的黄金旅游城市，除了最具特色的森林、沙丘、泻湖湿地等滨海旅游资源外，其成片的耕地资源也是重要的旅游景观，给当地带来了经济效益和生态效益。不断加剧的旅游活动和其他人类活动改变了耕地的景观格局。文章以北戴河新区为研究区，以生态安全格局思想作为指导，从时空变化的角度对耕地的景观生态安全进行分析，探讨其格局变化规律和变化原因，以期为北戴河新区制定合理的耕地保护对策提供借鉴。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

北戴河新区属于秦皇岛市，位于119°1′E～119°24′E、39°25′N～39°50′N之间，总面积514.79km2。北戴河新区位于滨海区域，地势平坦，平均海拔未到4m。新区是暖温带半湿润大陆性季风气候，光照充足，降水充沛，加之多条河流分布提供了灌溉水源，形成了适于农作物种植的自然条件。新区西部陆域部分分布有约占新区总面积50%的耕地资源，其中不乏优质的基本农田，为第一产业的发展提供了基础条件。然而，不断加剧的人类活动(如建设用地扩张、旅游资源开发等)对耕地景观的连通性、斑块形状的大小及斑块形状的规则性等格局特征带来了或大或小的影响，耕地的景观生态安全也相应地受到影响。如何更合理的规范人类活动，保护耕地景观生态安全，是北戴河新区需要关注的问题。

1.2 数据来源

该研究通过对遥感图像进行解译来获取土地利用类型分布数据。研究选取了1991年9月的landsat 5TM影像、2001年8月的landsat 5TM影像、2013年9月的landsat8 OLI_TIRS影像。上述3期遥感影像云量少、成像质量好，利于解译精确性的提高。此外，还获取了北戴河新区2013年土地利用现状图矢量数据和Google Earth 历史图像，用于解译标志的建立。其他社会经济数据来自于昌黎统计年鉴和北戴河新区整治规划资料。

遥感影像的解译借助ENVI 4.7软件，参照国家出台的土地分类标准并结合研究区实际情况和研究目的，将研究区的土地归并为耕地、园地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地等7种，进行监督分类，并对分类结果进行修正。最后，对修正后的解译结果采用混淆矩阵法对解译精度进行检验，经检验， 3期解译结果的Kappa系数分别为0.8513、0.8677、0.8715，解译精度均在80%以上，能够满足研究需要。将解译结果转换为可以在ArcGIS10.0中编辑的栅格数据。

2 研究方法

2.1 构建耕地景观生态安全评价模型

德国的两位学者Turner及Gardner[17]在研究景观生态学的定量方法中，提出“长期的自然或人为干扰活动会使景观生态环境产生自单一趋于复杂、均质趋于异质、连续趋于不连续的变化”，并且表现出“干扰强度越剧烈，景观生态安全程度会越低”的规律，据此，他们建立了评价景观生态安全的景观稳定性模型。后人借鉴这两位学者的成果对景观生态安全进行了进一步的研究[18-20]。该文参考前人的研究成果，结合耕地的特征和研究区实际情况，确定了北戴河新区耕地景观生态安全评价模型(1)，以乡镇为评价单元进行评价分析。

(1)

式中，ES表示耕地景观生态安全指数；PD表示耕地景观类型斑块破碎度；ED表示耕地景观类型边界破碎度；PX表示耕地景观邻近度指数；V表示耕地景观脆弱度。

其中，耕地景观脆弱度V的数值，选择面积加权的平均形状因子、景观类型分维数以及景观类型分离度等3项对耕地的产出效益、抗干扰能力、连通性、稳定性和自身修复能力有影响[15]的景观格局指数构建加权模型(2)来计算。权重的计算采用层次分析法。

V=a×AWMSI+b×FRAC+c×DIVI

(2)

式中，a、b、c表示3项景观格局指数的权重，经层次分析法计算分别为0.54、0.30、0.16；AWMSI表示面积加权的平均形状因子；FRACT表示景观类型分维数；DIVISION表示景观类型分离度。

2.2 分析耕地景观生态安全重心变化趋势

耕地分布区域特征各异，致使不同区域耕地景观的生态安全程度轻重不一、格局散布不均匀，这样，会在格局空间平面上产生一点分布重心。借鉴前人研究成果，运用平均重心法[21]来确定耕地景观生态安全重心的空间位置，对耕地景观生态安全的变化规律进行探讨。平均重心法确定耕地景观生态安全重心的计算方法如公式(3)和公式(4)所示。

(3)

(4)

式中，X、Y表示耕地景观生态安全重心的经纬度坐标；Xi、Yi表示第i个乡镇重心的经纬度坐标；ESi表示第i个乡镇的耕地景观生态安全指数；n表示乡镇的个数。

3 结果与分析

3.1 北戴河新区耕地景观生态安全时间变化特征分析

根据2.1节所述的耕地景观生态安全评价模型，借助ArcGIS10制图软件和Fragstats34景观分析软件，计算研究区14个乡镇1991年、2001年、2013年的耕地相关景观指数并进行标准化处理，在此基础上计算研究区耕地景观脆弱度及耕地景观生态安全指数。结果如表1所示。

表1 1991年、2001年、2013年北戴河新区各乡镇耕地景观脆弱度(V)和景观生态安全指数(ES)

乡镇名称199120012013VESⅤESⅤES渤海林场016070880401808085820152608461大蒲河镇023010617101934069540222106346葛条港乡018450795501860078100182705983国有林场024340907602363093140204009224荒佃庄镇021910651402646054400204405126两山乡016410291901590014950137300030刘台庄镇022260621302509055620251705404留守营乡020720643803204019730256104327马坨店乡011520418001152041800107400171泥井镇022620788301982075300197306462牛头崖镇020970715703137053050237506609茹荷镇030780421602691041410308804141团林乡023560607902091070280313404303争议区016400705601726078300165307271平均值020640647602192059390210005276

由表1可以看出， 1991～2013年，北戴河新区的耕地景观生态安全程度呈现持续降低的变化趋势，且下降幅度逐渐增大。1991年北戴河新区14个乡镇的平均耕地景观生态安全指数为0.647 6，至2001年降低了8.29%，为0.593 9， 2013年较2001年又下降了11.17%，为0.527 6。

1991～2013年北戴河新区的耕地景观生态安全程度呈现持续降低的直接原因是平均耕地景观类型斑块破碎度和平均耕地景观类型边界破碎度增大所致， 1991年两项指数分别是0.310 6与0.350 3，到2013年分别增加了63.54%与21.44%，达到0.511 1与0.425 4。这两项指数增大主要是由人类活动加剧导致的耕地景观连通性下降所引起的。经统计， 1991年、2001年、2013年北戴河新区的建设用地规模分别达到37.88km2、60.62km2、80.24km2。这些建设用地包括农村居民点用地、城镇建设用地、交通用地和部分旅游设施用地，尤其各农村居民点用地的扩张和沿海高速公路及沿海公路的修建，使耕地斑块的连通性遭到阻隔，面积减少，斑块破碎程度加剧，对耕地实现规模经营产生了阻碍作用，影响了耕地的生产效率，降低了耕地的景观生态安全程度。推进土地整理工作的开展，通过迁村并点等措施缩减居民点用地规模，规范村庄规划可以有效提高耕地的规模及连通性，从而提高耕地的景观生态安全程度。

3.2 北戴河新区耕地景观生态安全空间分布特征分析

借助ArcGIS10制图软件，采用自然间断点分级法分别将3期的耕地景观生态安全指数划分为3个级别，综合考虑3期分级结果并咨询专家意见，最终确定北戴河新区耕地景观生态安全的分级标准为： 0.724 2

图1 1991年、2001年、2013年北戴河新区耕地景观生态安全指数分级

由图1可以看出， 1991年，耕地景观生态安全指数Ⅰ级主要位于北戴河新区的西部和东部区域； Ⅱ级主要分布在中部和西南部区域，南北纵观整个研究区，比例在3个景观生态安全区中最大； Ⅲ级主要分布在新区南部区域，比例较小。2001年， Ⅰ级依旧主要位于北戴河新区的西部和东部区域； Ⅱ级主要在中部和西南部区域，近似呈南北纵向的条带状分布，不过在北部区域被隔断； Ⅲ级主要分布在北部和南部区域。2013年， Ⅰ级分布于西部区域； Ⅱ级主要分布于西部和北部区域； Ⅲ级在北部、中部和南部皆有分布，相对比较分散。

1991～2001年，北戴河新区耕地景观生态安全Ⅰ级与Ⅱ级之间的转变不大，只有面积比较小的争议区由1991年的Ⅱ级转变为了Ⅰ级，主要是一些未利用地被整治为耕地，一定程度上提高了耕地的连通性所致。偏北部的留守营镇由1991年的Ⅱ级转变为了Ⅲ级，主要是农村居民点和城镇的扩张降低了耕地的连通性所致。

2001～2013年，北戴河新区耕地景观生态安全的变化比较显著。位于Ⅰ级的泥井镇和葛条港乡转变成了Ⅱ级，位于Ⅱ级的团林乡转变成了Ⅲ级， Ⅲ级的比例在3个时期达到最大，耕地景观生态安全受到严重威胁。应当严格控制建设用地的扩张，并做好相关用地规划，如禁止在对耕地景观连通性发挥关键作用的部位建立人工设施，如若遇到道路等设施必须通过此部位的情况，要设置天桥以避免道路分割耕地。

3.3 北戴河新区耕地景观生态安全重心变化规律分析

根据3.2所述的方法，借助ArcGIS10计算北戴河新区1991年、2001年、2013年的景观生态安全重心坐标，将各坐标连线，得到研究区景观生态安全重心变动轨迹图(图2)。可见， 1991～2013年，景观生态安全重心总体呈现向东北部移动的变化规律。1991～2001年移动距离为4.06km， 2001～2013年动距离为1.43km。景观生态安全重心逐渐移向东部靠近渤海林场和国有林场的方向，说明此些区域的耕地整治措施起到了一定良好的作用，耕地景观生态安全得到提高。

图2 北戴河新区景观生态安全重心变动轨迹

4 结论与讨论

该文以3个时期22年为时间跨度，以乡镇为评价单元，对北戴河新区的耕地景观生态安全和重心的时空变化特征进行了分析，得出3点主要结论。

(1)北戴河新区的耕地景观生态安全随时间呈现恶化的趋势，应当加强对耕地的管理和整治工作。北戴河新区耕地景观生态安全指数从1991～2013年持续下降且下降幅度不断增大，耕地景观生态安全受到威胁，长此下去，如若不采取措施控制此恶化趋势，耕地的生产效率就会受到严重影响，进而对研究区的产业发展、人民生活和经济增长产生不利影响。因此，必须加强耕地的监管，控制建设用地对其的侵蚀，不断改善耕地结构，提高其景观连通性、形状规则性，进而提高其景观生态安全程度。

(2)北戴河新区的耕地景观生态安全空间分布不均衡，安全程度不稳定。1991年安全程度总体呈现东西两侧高、南部低的特征， 2001年总体呈现东西两侧高、北部南部低的特征， 2013年总体呈现东部高、北部中部南部低的特征。耕地景观生态安全重心向东北部移动。根据不同区域的耕地景观生态安全程度采取对应的耕地保护措施：耕地景观生态安全Ⅰ级区生态安全程度高，主要从适当增加耕地投入，提高耕地产出效率的角度来提高耕地景观生态安全； 耕地景观生态安全Ⅱ级区生态安全程度低于Ⅰ级区，耕地连通性比较低，破碎化比较大，应当通过耕地整治措施加强耕地的连通性； 耕地景观生态安全Ⅲ级区生态安全程度最低，耕地破碎化严重，形状极不规则，应当控制建设用地的扩张，并合理规划城乡布局，加强耕地的连通性和形状规则性。

(3)以景观格局作为出发点来分析耕地安全是具有现实意义的，该研究方法可行。景观破碎度的大小、景观形状的规则与否、景观斑块的邻近程度等格局特征对耕地的产出效益、规模经营、抗干扰能力等都会产生影响，而格局特征又与人类活动密切相关，从景观格局的角度分析耕地安全特征和原因，引导人类活动，保护耕地安全具有现实意义。

由于数据搜集的限制性，该文只做了3期的耕地景观生态安全分析，今后可做更多期的分析，以更详细准确地发现耕地景观生态安全的时空变化规律，更加有针对性地指导耕地保护行为。

[1] 上官周平， 李建平，李玉山.耕地变化与粮食安全对策：以陕西省为例.北京：科学出版社， 2011,1～234

[2] Bryant，C.R.The City′s Countryside：land and its Management in the Rural-Urban Fringe.London:Longman， 1982

[3] Rutheford H.Platt.The Farmland Conversion Debate：Nals and Beyond.Professional Geographer， 1985, 37(4): 433～442

[4] Van Kooten.Land Resources Economics and Sustainable Development.LBC Press， 1993

[5] Bromley，D.W.Handbook of Environmental Economics.Blackwell， 1995

[6] 刘琪. 我国未来粮食需求预测分析.河南农业大学学报， 1998, 32(4): 379～385

[7] 张贵军， 朱永明，张蓬涛，等.石家庄市耕地资源人口承载力评价.中国农业资源与区划， 2013, 34(06): 120～126

[8] 张凤荣， 薛永森，鞠正山,等.中国耕地的数量与质量变化分析.资源科学， 1998, 20(5): 32～39

[9] 王玉珏， 陈印军，肖碧林，等.山西黎城县耕地占补质与量的变化.中国农业资源与区划， 2009, 30(03): 71～74

[10]赵其国， 周柄中，杨浩.中国耕地资源安全问题及其相关对策思考.土壤， 2002,(6)： 293～392

[11]王契 ，冯浩.陕西省耕地资源格局变化及驱动力研究.灌溉排水学报， 2011, 30(05): 37～41

[12]倪广亚， 刘学录.基于能值分析的甘肃省耕地可持续利用时空分异研究.西北农林科技大学学报(自然科学版)， 2015, 43(02): 149～158

[13]刘彦随， 杨子生.我国土地资源学研究新进展及其展望.自然资源学报， 2008, 23(2): 354～360

[14]文森. 重庆市耕地资源安全与预警研究.重庆：西南大学， 2008

[15]裴欢， 魏勇，王晓妍，等.耕地景观生态安全评价方法及其应用.农业工程学报， 2014, 30(9): 212～219

[16]肖笃宁， 胡远满.景观生态学研究进展．长沙：湖南科学技术出版社， 1999

[17]Turner M G，Gardner R H.Quantitative Methods in Landscape Ecology.New York：Springer-Verlag， 1991

[18]郭泺， 薛达元，余世孝，等.泰山景观生态安全动态分析与评价.山地学报， 2008, 26(3): 331～338

[19]韩振华， 李建东，殷红，等.基于景观格局的辽河三角洲湿地生态安全分析.生态环境学报， 2010, 19(3): 701～705

[20]黄宁， 杨绵海，林志兰，等.厦门市海岸带景观格局变化及其对生态安全的影响.生态学杂志， 2012, 31(12): 3193～3202

[21]高杨， 黄华梅，吴志峰.基于投影寻踪的珠江三角洲景观生态安全评价.生态学报， 2010, 30(21): 5894～5903

THE TEMPORAL AND SPATIAL CHANGES OF CULTIVATED LAND LANDSCAPEECOLOGICAL SECURITY IN BEIDAIHE NEW DISTRICT*

Li Xiuzhi

(School of geography and resource science of Neijiang Normal University, Neijiang, Sichuan 641112, China)

The study of cultivated land landscape security is significant to improve the quality of cultivated land, protect the safety of cultivated land and guarantee the economic development. The purpose of this paper is to provide guidance for the Beidaihe New District to develop the strategy of cultivated land protection. In this study, the operation model of landscape security was constructed to analyze the special and temporal changes of the landscape security in the New District of Beidaihe in 1991, 2001 and 2013. And then, the change of the center of gravity of cultivated land ecological security was analyzed, and the temporal and spatial variation of cultivated land landscape ecological security was further analyzed. The results indicated that, the ecological security index continued to decline from 1991 to 2013, due to the decline of cultivated land landscape connectivity causing by the increasing human activities. The landscape ecological security index was 0.6476 in 1991, 0.5939 in 2001 and 0.5276 in 2013. The distribution of the cultivated land ecological security degree was not balanced, which moved to the northeast with the displacement distance 4.06km from 1991 to 2001, and 1.43km from 2001 to 2013. It concluded that (1) the farmland landscape ecological security in Beidaihe New District was threatened; (2) the spatial distribution of landscape ecological security was uneven, and the safety degree was unstable; (3) the method of landscape pattern to analyze the cultivated land security was feasible.

cultivated land; landscape ecological security index; landscape ecological security center of gravity; temporal and spatial; Beidaihe new district

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170310

2015-09-29

李秀芝(1983—)，女，山东青岛人，硕士、讲师。研究方向：房地产估价与管理。Email： 63981921@qq.com

*资助项目：内江师范学院校级课题“小城镇基准地价土地用途细化分类研究——以内江市为例”(NO.14SB01)； 国家级大学生创新实验项目“基于磁性示踪法的川中丘陵区紫色土坡面侵蚀过程研究”(No.X201306)资助

F323.211; S127

A

1005-9121[2017]03-0059-06