丹江口市耕地空间格局演变分析*

孙 佩 ，易洁伟 ，周凌云 ，张 驰 ，王雯雯

（湖北省地质科学研究院，湖北 武汉 430034）

0 引言

耕地是生产粮食的摇篮，而粮食是人类得以生存的物质基础。21世纪以来，全球人口数量持续增加，城镇化、工业化发展占用的土地资源越来越多，耕地面积逐渐减少，保障耕地的数量和质量成为保证农业可持续发展至关重要的一环。因此，掌握耕地资源的变化情况，加强对耕地的管理与合理利用尤为重要。

在耕地保护方面，周伟等[1]构建了横向为主、纵向为辅的耕地保护补偿机制，钱凤魁等[2]基于三维生态足迹模型对耕地生态补偿额度进行了估算分析。在耕地质量研究方面，主要通过耕地价值量的核算[3]、PSR模型[4-5]、改进灰靶模型[6]、空间自相关[7-8]等方法对耕地质量进行评价。耕地景观格局是生态系统的重要组成部分，能够对农业生产与耕地生态系统的稳定性起到直接的影响作用[9]。目前，大部分学者主要通过空间自相关分析、地理加权回归模型[10]等方法探讨耕地景观格局指数与耕地质量之间的联系，研究结果表明两者之间存在着较大程度的相关性。

综上所述，无论是耕地质量评价方法还是耕地景观格局的研究，各体系已相对成熟，但将二者结合的研究方法还相对较少。鉴于此，本文以湖北省丹江口市为研究对象，探讨了景观格局指数分析法与核密度估算法在耕地空间格局演变中的作用机制，为区域耕地质量的提升与合理利用提供了有效参考。

1 研究数据与研究方法

1.1 研究区概况

湖北省丹江口市位于中国中南地区、湖北省西北部、汉江中上游，介于东经110°47′53″~110°34′47″，北纬32°14′10″~32°58′10″之间，总面积约3 121 km2。依据2020年的统计数据，其耕地面积约为254.047 5 km2。丹江口市地势高低悬殊，地貌单元众多，以亚热带半湿润季风气候区为主，年降雨量丰富，年平均气温为15.9 ℃，土壤以黄棕壤和黄壤为主[11]。整个研究区辖20个镇（办、处、区）、194个村，总人口约47万人，是南水北调中线工程核心水源区[12]，拥有国家5A级旅游景区武当山以及国家级风景名胜区丹江口水库风景区[13]。

1.2 数据来源与处理

区域研究数据主要来源于自然资源规划局提供的2010年、2015年与2020年的变更调查数据库，该数据经过反复举证、核查、质检，精度相对较高。依据GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》对所获取的数据进行重新分类整理，由于本文主要研究耕地变化情况，因此主要筛选了耕地图斑并导出形成单独的耕地数据，以便于后续计算耕地景观指数，并利用Arcgis的统计功能进行面积的统计[14]。

1.3 研究方法

1.3.1 景观格局指数分析法

景观格局指数是研究景观生态的重要方法。Fragstats是最常用的计算软件，常用的计算方式有三种，分别是总体景观格局指数计算、移动窗口法计算和网格分析法。由于研究区地形复杂多样，且山区面积较广，综合考虑后将本研究的粒度选定为30 m。

耕地景观格局指数是景观格局信息的高度概括，是反映景观结构组成、空间配置特征的量化指标[8,15]。本文从景观类型水平方面选取了耕地面积（TA）、斑块数量（NP）等5个耕地景观格局指数，景观格局指数信息如表1所示，并用斑块数量与耕地景观面积的比值（NP/TA）来度量耕地破碎化程度[16]。以基础数据处理得到的2010—2020年的景观类型栅格数据为基础，在Fragstats软件中进行计算，分析研究期间各年耕地景观格局指数的变化特征。

1.3.2 核密度估算法

核密度估算法（KDE）[17-18]是一种非参数估计方法，该方法不利用相关数据分布的先验知识[17]，对数据分布不附加任何假定，是一种从统计样本本身入手研究数据分布特性的新方法，所以，在统计理论与应用上均引起了学者们的高度关注[19]。本文通过核密度估算法对丹江口市耕地面积空间分布情况进行分析，可直观明了地展现出研究区域耕地数量在空间上的集聚程度。KDE方法的具体原理为：以每个样点xi为中心，利用核函数估算每个样点，再搜索半径内各个栅格单元中心的贡献密度数值，栅格单元中心和样点距离越近，贡献数值也越大。其估算模型为：

式中，fn为耕地地块分布核密度测算值；n为耕地地块的数量；k为核密度函数；x-xi为测算耕地地块x到样本耕地地块xi处的距离；h为核密度测算带块的平滑参数。

2 结果与分析

2.1 景观格局指数分析

利用Arcgis的转换工具分别将2010年、2015年与2020年的耕地矢量数据转为栅格，再导入Fragstats软件中，选择研究所需的耕地景观格局指数进行计算，计算结果如表2所示。

表2 2010年、2015年与2020年丹江口市耕地景观级别与类型级别指数

结合表1、表2可知，2010—2020年丹江口市耕地面积变化趋势为先增加后减少；在研究区总面积不变的情况下，类型级别下的耕地斑块所占景观总面积比例（PLAND）同样也呈现出先增加后减少的特征[16]。耕地面积的减少与城镇化的关系密不可分，研究期间耕地斑块所占景观总面积比例平均只有10%左右，这表明在研究区进行耕地保护刻不容缓。耕地破碎度（NP/TA）在研究期间一直处于增加状态，表明原有的连片耕地被其他因素分割成了许多的零散图斑，可能是交通道路的建设、其他农用地的开发利用等导致了耕地的破碎度一直上升。与此同时，耕地的平均斑块形状指数（MSI）一直在减小，耕地景观形状相对于相同尺寸标准形状的复杂程度存在下降的趋势，说明通过人类活动的改造，其外观逐渐规则化。斑块数量（NP）一直增大，而聚集度指数（AI）先增大后减小，但其整体聚集度指数较高，表明耕地在呈现聚集状态的同时被其他地类分割，导致了耕地聚集程度的降低和斑块数量的增加。

2.2 核密度估算

将所获得的基础数据进行预处理后，得到研究区域所需年份的耕地矢量数据图层。首先利用Arcgis中的数据管理工具将耕地面要素转换为点要素，然后利用空间分析工具进行核密度分析计算，接着将计算结果进行裁剪，得到研究区域最终的核密度分布图。为了更直观地分析耕地分布情况，采用自然断点分级法将核密度图分成4级，生成丹江口市2010年、2015年和2020年的耕地空间演变核密度图，如图1所示。

图1 丹江口市耕地核密度分布图

由图1可知，2010—2020年，丹江口市核密度高值区整体有向北移动的趋势；2010—2015年，东北部地区核密度值虽有所下降，但整体仍偏高，到2020年，高值区集中向北移动。核密度低值区主要分布在丹江口水库附近以及武当山旅游经济特区，主要原因是丹江口水库附近水位变化较大，且有一定范围发展成了旅游区，存在一定的消落带，不适合耕地的长期发展；而武当山旅游经济特区以发展生态旅游为主，大部分地区位于生态保护红线内，不适合开垦为耕地。

3 结论与讨论

本文基于Arcgis与Fragstats软件，利用景观指数分析法以及核密度估算法对丹江口市耕地空间分布情况进行了分析，主要研究结果如下：

1）景观格局指数分析结果显示，景观类型水平方面的耕地面积（TA）、聚集度指数（AI）、斑块所占景观面积比例（PLAND）都呈现出先增后减的特征；而斑块数量（NP）与耕地破碎度（NP/TA）数值一直增加，表明丹江口市的耕地在研究期间破碎化程度不断增加，受人类活动影响越来越大；因而在一定程度上使得耕地图斑的外观形态趋于规则化，故平均斑块形状指数（MSI）呈现下降的趋势。

2）由核密度空间分布图可知，2010—2020年，丹江口市核密度的空间分布特征表现为：除了丹江口水库附近以及武当山旅游经济特区，其他地方的核密度值均较高，高值整体有向北迁移的趋势。这种分布特征主要受丹江口市水库附近水位变化反复以及旅游业发展的影响。