1990-2015年赣江流域耕地时空特征及景观格局分析*

陈玉宇，王远东，杨熙来

(赣南师范大学 地理与环境工程学院，江西 赣州 341000)

1 引言

耕地是人类进行农业生产活动的基本资源，关乎社会的可持续发展[1-5].耕地相关主题研究成果丰富，研究多以具体区域耕地数量变化与驱动力研究为主[6-8]，早期学者研究耕地数量及分布主要研究手段为统计分析[9-10]，其分析具有数据获取难、缺失和不精准等缺点；随着科学技术的发展，人们开始使用陆地卫星TM获取土地覆被的信息，可以通过空间遥感来获取精确耕地资源信息[11]，且随着遥感卫星的进步，获取的信息越来越精确[12]，更多学者开始采用空间遥感的手段来研究耕地资源[13-16].

前期学者使用遥感数据来提取耕地信息多为研究短期内耕地的情况，遥感技术的发展使得数据不断累积以及更新，程维明、陈正发等学者开始关注长时段的耕地时空演变规律[17-19]，利用长时相的遥感数据来提取耕地信息，对耕地进行时空特征及景观格局等多角度的地理空间剖析，长时相遥感耕地时空动态分析成为近些年的研究热点[19-23].近30年来，学者从纵向与横向两方面深入研究，取得了瞩目的成果.这些成果为本研究提供宝贵的技术、方法层面的借鉴，某种程度上，本文可以视作它们的接力与发展.

前人研究赣江流域多为水文方面的研究，对于流域内其他资源的研究较少，且目前运用长时相遥感数据分析赣江流域耕地研究尚少.据《江西省国土资源保护与开发利用“十三五”规划》要求，到2020年全省耕地保有量不低于29 287.97 km2，基本农田保护面积不低于24 632.31 km2，这两大约束性指标是江西耕地保护不可逾越的红线.因此本文基于长时相遥感影像数据,利用地理空间信息技术提取出1990-2015年赣江流域耕地数据，并采用动态度、转移矩阵、核密度分析和景观格局指数分析此间该流域耕地的动态演变及时空格局分布特征，试图为赣江流域的生产开发、生态建设和协调发展提供参考.

2 研究内容

2.1 研究区

赣江流域位于江西省，地理位置在东经113°30′～116°40′、北纬24°29′～29°11′之间，是鄱阳湖流域最大的子流域，面积达83 500 km2(图1)，占全省总面积的50.03%.赣江可以分为3段：河源至赣州为上游，赣州至新干为中游，新干至吴城为下游.流域辐射赣州、吉安、宜春、新余、萍乡、抚州和南昌等47个县市区.赣江流域地貌类型主要为山地、丘陵、平原及水域，地处亚热带湿润季风气候区，多年年降雨量平均值为1 580 mm.区域景观复杂，土地覆被复杂，人类活动轨迹频繁.流域内耕地类型主要为水田，主要种植水稻.

图1 赣江流域地理位置图

2.2 数据来源及预处理

研究区DEM和遥感数据数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)，数据空间分辨率为30 m.本文以赣江流域1990、1995、2000、2005、2010及2015年30 m空间分辨率的6期Landsat遥感影像为原始数据源，运用地理空间信息技术，经过多波段彩色合成、几何精校正、辐射定标、大气校正和裁剪等预处理后，采取监督分类与目视解译人工交互的方法并结合对研究区实地考察，根据土地利用分类系统，把赣江流域土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地(城乡、工矿、居民用地)和未利用地6大类，解译出流域1990-2015年的土地利用分布图.在此基础上进行精度检验，解译出6期影像的Kappa系数均大于0.8，满足研究要求.

2.3 内容与方法

2.3.1 耕地利用动态度模型

耕地利用动态度是用来衡量耕地利用变化快慢的一种指标，能客观反映区域耕地的数量变化速度，并能在一定程度上预测未来耕地利用变化的趋势[24],其计算公式为：

(1)

式中K是耕地利用动态度；Ua为研究区选取起始这一年份时段的耕地面积；Ub为研究区选取后期这一年份时段的耕地面积；T为选取的2时段的时间间隔.

2.3.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵表示研究区内不同时间段各类土地利用类型互相转换的方式，可以清楚表现各土地地类的转换数量，是土地利用格局分析的基本方法之一[25].土地利用转移矩阵如下：

(2)

式中S代表土地面积，n代表转移前后的土地利用类型数，i、j分别代表转移前与转移后的土地利用类型.即S11为耕地面积，则S21～Sn1为耕地转为其他地类的面积，S12～S1n为其他地类转化为耕地的面积.

2.3.3 核密度分析

核密度估计(kemel density estimation，KDE)是常用来反映地理现象空间扩散的距离衰减规律[26-27]的一种非参数估计方法，即借助一个移动单元格(窗口)，对给定区域的点或线格局的密度进行估计.表达式为：

(3)

式中K(*)为核函数形式；n表示数据数量；h为窗宽；x-xi表示估计点x到已知xi点的距离.

利用地理空间信息技术对耕地进行核密度分析，可反映流域内耕地的集聚程度.值越大集聚程度越高，可从分析图中直观反映流域内耕地集聚位置和集聚程度高低.

2.3.4 景观格局指数

景观格局指数是一种可以定量分析研究区内不同地类景观空间格局的变化特征的方法[22,27-30]，结合赣江流域耕地空间分布特征，从耕地数量、密度、破碎程度和聚集程度4个角度，选取耕地斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、斑块形状指数(LSI)、面积加权分维数(FRAC―AM)、景观分离度(SPLIT)和聚集度指数(AI)等6个景观格局指标来分析赣江流域耕地的数量变化、密集程度变化、破碎度变化及集聚变化的特征.公式为：

斑块数量(NP)：

(4)

式中an为某一斑块类型的斑块个数，N为斑块类型数，本文只研究耕地，故N为1，NP的取值范围为NP≥1.斑块数量与耕地的破碎度呈正相关，斑块数量越多，破碎度越高.

斑块密度(PD)：

(5)

式中N为斑块总数，A为耕地总面积，PD的取值范围为PD﹥0.PD的值越大，则耕地的破碎程度就越高.

斑块形状指数(LSI)：

(6)

式中LSI可以描述耕地斑块的形状特征和复杂程度范围，当景观中斑块形状不规则偏离正方形时，LSI值增大，LSI值越大，说明耕地斑块边界越复杂，破碎化程度越高.E为研究单元内边界总长度，A为研究区域内耕地面积.

面积加权分维数(FRAC―AM)：

(7)

式中1≤FRAC―AM≤2，数值越接近1说明耕地斑块形状越简单，越接近2说明斑块形状越复杂，其值越大说明耕地破碎化程度越高[31].ai为耕地类型中斑块i的面积，pi为斑块i的周长，n为研究区域内耕地斑块个数.

景观分离度(SPLIT)：

(8)

式中SPLIT可以说明耕地景观空间结构的复杂性，在一定程度上反映了外界对耕地的干扰程度.取值范围：1≤SPLIT≤耕地单元格数.aij是斑块ij的面积，A为耕地总面积.

Power stations，large and small，have been set up all over the country.（大大小小的电站已经在全国各地建起来了。）

耕地斑块聚集度(AI)：

(9)

式中0≤AI≤100，AI值越大说明耕地由较少集聚的大斑块构成，则耕地破碎度低；值越小说明由耕地由许多交错分布的小斑块构成，则耕地破碎度高.Pij为随机选择的2个相邻栅格单元属于耕地i与其他土地类型j的概率.

3 结果与讨论

3.1 耕地时空分布特征

提取数据得到耕地空间分布情况图(图2)，并统计耕地面积变化，利用动态度模型分别计算各时间段耕地变化程度(表1).

图2 1990-2015年赣江流域耕地分布图

表1 1990-2015年赣江流域耕地面积动态变化表

由图2可知，空间上赣江流域耕地资源主要分布在河流附近，大部分位于中、下游流域，上游占比相对较小；从时序上看，1990-2005年总体耕地规模变化不明显，2005-2015年赣江流域中下游规模耕地变化不明显，而上游耕地规模则呈现萎缩态势.

据耕地面积统计结果显示，1990-2015年赣江流域耕地资源呈减少态势，且递减幅度越来越大.1990-2015年赣江流域耕地面积不断减少，2010年前耕地面积变化较缓，2010年后开始大量减少.2010-2015年年动态度为3.06%，这5年年动态度明显高于前20年，说明2010-2015年赣江流域耕地面积变化剧烈(图3).耕地利用年动态度越来越大，表明未来耕地有减少的趋势.

图3 1990-2015年赣江流域耕地动态度

总体而言，赣江流域耕地不断减少，1990-2015年耕地面积总量减少3 473.66 km2，平均每年减少138.95 km2，平均年动态度为0.64%.《江西省国土资源保护与开发利用“十三五”规划》规定，到2020年全省耕地保有量不低于29 287.97 km2，基本农田保护面积不低于24 632.31 km2，这是江西省耕地保护不可逾越的红线.赣江流域面积占江西面积50.03%，对该流域耕地资源保护极为重要.据赣江流域1990-2015年耕地规模变化趋势，2020年江西耕地红线极可能被触碰，保护工作迫在眉睫.

3.2 耕地转化驱动机制

本文从土地类型转移角度来分析耕地规模变化的驱动机制.基于1990-2015年赣江流域土地利用图，运用地理空间信息技术得出1990-2015年赣江流域土地利用转移矩阵(表2)及1990-1995年、1995-2000年、2000-2005年、2005-2010年和2010-2015年6个时间段的土地利用转移矩阵.为直观反映耕地转移情况，将赣江流域6个时段的土地利用转移矩阵整理为耕地转出转移矩阵(表3)和耕地转入转移矩阵(表4).由表2可知，1990-2015年赣江流域耕地主要转出和转入地类都是林地、草地和建设用地.其中6 841.27 km2转化为林地，2 294.41 km2转化为草地，320.14 km2转化为水域，1 155.98 km2转化为建设用地，5.44 km2转为未利用地；另外，流域内有4 706.86 km2林地、961.96 km2草地、408.72 km2水域、702.57 km2建设用地和5.56 km2未利用地转化成耕地.

表2 1990-2015年赣江流域土地利用转移矩阵

表3 1990-2015年赣江流域耕地利用转出转移矩阵

表4 1990-2015年赣江流域耕地利用转入转移矩阵

由表3及图4可知，25年来赣江流域耕地转化为建设用地的面积递增，2005-2015年大面积转化为建设用地，分别占耕地转化总面积的85.40%和16.40%；25年来赣江流域耕地转化为草地的面积先减后增，2005-2015年赣江流域耕地出现大幅度转化为草地的情况；分别占耕地转化总面积的7.75%和21.38%；25年来赣江流域耕地转化为林地的面积先减后增，2005-2015年赣江流域耕地出现大幅度转化为林地的情况，分别占耕地转化总面积的70.69%和66.06%.从转入看，图5可得2005之后赣江流域有大量林地、草地和建设用地转化为耕地.根据耕地转出与转入的结果，可明显发现2005年是赣江流域耕地变化的重要节点.结合其他学者的研究成果，可发现主要原因为赣南地区的快速发展.杨丽在赣南林地变化研究中发现林地与耕地之间转化的驱动机制，主要来自社会经济活动和持续增长的人口压力[32]，而2005正是赣江流域经济发展的节点[33].

图4 1990-2015年赣江流域耕地转出情况 图5 1990-2015年赣江流域耕地转入情况

2005年后赣江流域经济开始逐渐发展，城镇化水平开始不断上升，城区开始不断扩张，农民开始大量进城务工，导致农田荒废，出现大量撂荒现象[34]，这就解释了2005年后有大量的耕地转化为了草地和建设用地.耕地与林地之间的转化规模庞大与赣南脐橙种植有密切关系，2003年赣南脐橙被批准为中国国家地理标志保护产品，10余年来深受消费者的喜爱，至2013年底赣南脐橙种植面积已达1 220.61 km2.赣南脐橙种植业的迅猛发展，促使当地居民将部分耕地转用于脐橙种植.赣南脐橙种植区域大部分位于赣江流域，2005-2015年赣江流域有大量耕地转化为林地，而耕地占补平衡制度是严格保护耕地的重要手段[35]，因此，政府部门会利用其它地类来补足占用的耕地，这就是2005年-2015年有大量的耕地与林地、草地、建设用地之间转化的原因所在.在此有必要呼吁政府对脐橙种植进行规范，脐橙种植应尽量不占用耕地，鼓励农民返乡种田，减少撂荒现象，紧紧守住耕地保有量、基本农田保护面积的红线.

3.3 耕地空间集聚演变

运用地理空间信息技术提取而来的耕地数据进行核密度分析，得出赣江流域1990-2015年耕地空间集聚特征(图6).

图6 1990-2015年赣江流域耕地核密度空间分布

由图6可知，赣江流域耕地集聚空间分布发生了变化，集聚态势为上游地区向下游地区蔓延，上游地区逐渐分散，下游地区逐渐趋于集聚，由南向北趋于集聚.流域耕地整体集聚特征由多而零散密集向少而集中密集变化，变化可分为2个阶段：1990-2010年，耕地集聚特征整体变化不大，各等级密集区变化小，耕地高密度区主要在上游地区的赣州市章贡区、南康区、龙南县、兴国县、宁都县和上犹县，中游地区的吉安市遂川县、吉水县和峡江县，下游地区的宜春市万载县、宜丰县和高安市及南昌市新建县，耕地中高密集区与中密集区主要分布在上中游流域；2010-2015年耕地集聚特征发生较大变化(表5)，各等级密集区位置变化较大，耕地趋于集中集聚，耕地高密集区主要分布在下游地区，中高密集区与中密集区主要分布在中下游流域.

表5 1990-2015年赣江流域耕地高密集区面积上升地区

1990-2010年，流域耕地集聚特征变化不明显.2010-2015年，流域耕地集聚特征变化明显，赣州市章贡区耕地密集程度降为中高密集区，南康区高密集区面积变大，兴国县高密度区区域由东北向中部转移，龙南县由高密集区转化为中密集区，全南县由中高密集区转变为中密集区，信丰县、大余县和瑞金市出现高密集区；吉安市耕地集聚特征也发生大的变化，原有大面积峡江高密集区消失，转化为中高密集区和中密集区，遂川县高密集区转化为中低密集区和低密集区，安福县、万安县、泰和县、吉水县和吉州区出现高密集区；新余市渝水区出现高密集区；宜春市耕地聚集程度变大，出现樟树市和丰城市连片高密集区，高安市高密集区变大；南昌市耕地也出现集中集聚现象，南昌县和新建县出现连片高密集区.1990-2015年赣江流域耕地密集特征由上游集中演化为中下游集中，通过对赣州市、吉安市、新余市和宜春市进行实地考察，发现安福县、吉州区、高安市、樟树市和新余渝水区都出现大面积耕地，与2015年赣江流域耕地核密度分析结果相符.因此，各市县政府部门应当加大保护赣江流域上游地区耕地资源的力度，促成社会经济与生态协调发展.

3.4 耕地景观格局分析

运用地理空间信息技术得到结果(表6).总体而言，赣江流域耕地景观呈现分散态势，耕地数量呈现上升趋势，耕地整体破碎化程度和斑块形状复杂均为先减小后增大，对耕地干扰最强的年份主要在2010-2015年.

表6 1990-2015年赣江流域景观格局指数

1990-2010年赣江流域耕地斑块数量(NP)总体处于缓慢减少趋势，2010-2015年大幅度增加，表明1990-2010年耕地破碎程度下降，2010-2015年耕地破碎程度上升；1990-2010年赣江流域耕地斑块密度(PD)变化波动不大，密度有所减小，耕地破碎程度减小，2010-2015年耕地斑块密度(PD)由1.240 9增加至8.181 1，表明这5年流域耕地破碎度大幅增加；1990-2010年赣江流域的耕地斑块形状指数(LSI)变化波动较小，整体波动值在[0，1.36]，表现为形状指数减小，说明耕地斑块边界复杂程度下降，耕地破碎程度减小；2010-2015年耕地斑块形状指数(LSI)增加了226.868 7,表明这5年流域耕地斑块边界复杂程度上升，破碎度大幅增加；1990-2015年赣江流域耕地面积加权分维数(FRAC―AM)范围为[1.3012，1.3433]，可知1990-2010年赣江流域耕地斑块形状复杂程度相当，2010-2015年耕地斑块形状相对前20年更复杂，破碎程度更高.赣江流域耕地景观分离度(SPLIT)排序为：2010年>2005年>1990年>2000年>1995年>2015年，耕地景观分离度(SPLIT)值越大表明人类对耕地的干扰越大；1990-2010年赣江流域的耕地聚集度指数(AI)都大于80，说明流域耕地有较多大斑块，破碎程度低，2010-2015年赣江流域耕地聚集度指数(AI)为63.534 5，明显小于前20年的AI值，说明耕地破碎度上升.

4 结论

本文基于多时相遥感影像数据，利用地理空间信息技术提取出1990-2015年赣江流域耕地数据，并采用动态度、转移矩阵、核密度分析和景观格局指数分析此间该流域耕地的动态演变及时空分布特征.得出以下结论：

5 不足与展望

本文利用遥感数据提取了赣江流域1990-2015年耕地数据，解译结果仍然存在一定的误差，本研究只从宏观角度分析了赣江流域耕地的时空格局，驱动机制也只从地类角度进行探索分析，对于更深层次的影响因素解析还不够，在后续的研究中将进一步从不同角度剖析耕地变化的影响因素，据此更深层次探究赣江流域耕地演变的机理机制，从而更好地为赣江流域的生产开发、生态建设和协调发展提供针对性的参考信息.