潘洪義，朱晚秋，崔綠葉，李竹青

耕地自然質(zhì)量與景觀指數(shù)耦合研究

潘洪義1，2，朱晚秋1，2，崔綠葉1，2，李竹青1，2

(1.四川師范大學(xué)西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點(diǎn)實驗室，四川成都 610068;2.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都 610068)

【目的】耕地是人類賴以生存的重要資源，也是土地資源中的精華?！痉椒ā勘疚囊訟rcGIS10.1及其插件Patch Analyst為技術(shù)平臺，對蒲陽鎮(zhèn)在不同海拔高度下耕地景觀格局特征進(jìn)行了分析，并以2010年土地利用變更數(shù)據(jù)和耕地自然質(zhì)量等別補(bǔ)充完善數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合SPSS和GeoDa軟件，進(jìn)一步探討了耕地自然質(zhì)量與景觀指數(shù)之間的耦合關(guān)系?！窘Y(jié)果】①蒲陽鎮(zhèn)耕地隨海拔升高而斑塊數(shù)量減少，平均規(guī)模變大，破碎化程度越低;這是因為海拔較低的區(qū)域地形相對平坦，人類耕作便利，生產(chǎn)活動頻繁。②耕地自然質(zhì)量與景觀格局之間存在不同程度的相關(guān)性，耕地自然質(zhì)量與斑塊數(shù)呈現(xiàn)為顯著的正相關(guān)，與景觀百分比存在極弱的負(fù)相關(guān)性，僅-0.178;耕地自然質(zhì)量與斑塊平均大小、平均斑塊形狀指數(shù)均表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)。③耕地自然質(zhì)量與景觀格局具有一定的空間耦合性，斑塊數(shù)量與耕地自然質(zhì)量在空間上呈現(xiàn)局部空間的相似集聚性，景觀百分比、斑塊平均大小和平均斑塊形狀指數(shù)與耕地自然質(zhì)量則呈現(xiàn)局部空間異質(zhì)性，其中通過顯著性檢驗的單元主要集中分布于蒲陽鎮(zhèn)南部、北部以及西北方向?！窘Y(jié)論】景觀指數(shù)隨著海拔變化出現(xiàn)規(guī)律性變化，耕地自然質(zhì)量與各景觀指數(shù)相關(guān)程度存在差異，二者呈現(xiàn)出空間同質(zhì)性與異質(zhì)性并存的現(xiàn)象。

耕地自然質(zhì)量;空間分布;景觀指數(shù);空間自相關(guān);耦合性

【研究意義】耕地在人類社會發(fā)展過程中，作為供食物的的主要來源，其質(zhì)量的高低直接影響著保障能力的強(qiáng)弱，備受學(xué)者與政府的廣泛關(guān)注[1]。近年來，隨著我國城市化和工業(yè)化的不斷推進(jìn)，耕地景觀的組成要素與空間格局都發(fā)生了較大改變[2]，因此成為景觀生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)之一。【前人研究進(jìn)展】目前，有學(xué)者以遙感影像或土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計算分析景觀格局特征指數(shù)對城市景觀格局的時空變化進(jìn)行研究[3-4];有學(xué)者從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)，研究水土流失、土地利用以及人類活動與景觀格局之間的相互關(guān)系[5-6];有學(xué)者則立足于更具特色的喀斯特高原、濕地和森林等區(qū)域，分別從時間、季相和高程方面來研究景觀格局的變化情況[7-9];同時也有學(xué)者對耕地在坡度、水田化、土地整理等因素影響下的景觀格局變化進(jìn)行深入探討[10-12]。綜合已有的研究成果，大多是從影響因素和時空演變著手來研究景觀格局的變化，而將耕地自然質(zhì)量與景觀格局相聯(lián)系的研究文獻(xiàn)鮮有出現(xiàn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】因此，本文選擇兼具平原、丘陵、山地3種地形的蒲陽鎮(zhèn)作為研究區(qū)域，該類地形地貌特征在四川省有著較為廣泛的分布，同時也是土地利用變化較為劇烈的區(qū)域;就全國尺度而言，對具有該類地貌類型的行政單元也有較好的借鑒意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在分析海拔對耕地景觀格局影響的基礎(chǔ)上，通過空間自相關(guān)對比與相關(guān)系數(shù)計算來探究耕地自然質(zhì)量與耕地景觀格局之間存在的耦合性，深層次挖掘蒲陽鎮(zhèn)耕地景觀格局的總體特點(diǎn)，以期為優(yōu)化耕地結(jié)構(gòu)與可持續(xù)利用管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蒲陽鎮(zhèn)位于都江堰東北部，地處103。37′9″～103。45′6″E，31。0′13″～31。6′23″N間，東與彭州市相鄰，南與胥家鎮(zhèn)接壤，西與虹口鄉(xiāng)相連，北與向峨鄉(xiāng)相接，是龍門山脈與成都平原的交接地帶。2014年，全鎮(zhèn)幅員面積60.97 km2，現(xiàn)轄19個村，總?cè)丝?.5萬人，耕地1975.49 hm2。地貌類型平原、丘陵和山地兼?zhèn)洌尸F(xiàn)出西高東低，北高南低的總體地形特征。屬亞熱帶氣候，年平均氣溫為15.2℃，年平均降雨量在1200 mm左右，全年霜期可達(dá)到270 d。境內(nèi)森林覆蓋率達(dá)43.9%，有蒲陽河穿境而過，擁有豐富的水資源。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理 本研究所采用的數(shù)據(jù)主要包括第二次全國土地調(diào)查2010年變更調(diào)查成果、2010年耕地自然質(zhì)量等別完善成果以及蒲陽鎮(zhèn)DEM影像。

依托ARACGIS軟件平臺，對研究區(qū)內(nèi)的DEM進(jìn)行處理，并與耕地自然質(zhì)量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行聯(lián)立的空間分析，使耕地獲得海拔信息，從而分析耕地在不同海拔的分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過Patch Analyst插件計算耕地圖斑的景觀指數(shù)，結(jié)合SPSS軟件將耕地自然等指數(shù)分別與各景觀指數(shù)進(jìn)行回歸分析。為了使結(jié)果更具空間化的表達(dá)，運(yùn)用Geoda軟件進(jìn)行基于空間統(tǒng)計的局部二元相關(guān)性分析。

1.2.2 耕地景觀指數(shù) 各景觀指數(shù)在空間上的不同排列組合，可以反映不同土地利用類型的空間分布，即空間景觀格局[13]。通過對景觀指數(shù)在不同尺度上的變化，來揭示耕地在利用上的空間變化，從而得出耕地景觀指數(shù)的時空演化規(guī)律[14]。本文主要通過斑塊數(shù)(NP)、斑塊面積(CA)、斑塊平均大小(MPS)、景觀百分比(PLAND)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)和平均斑塊形狀指數(shù)(MSI)等7個景觀指數(shù)對耕地景觀格局進(jìn)行表征。

1.2.3 空間自相關(guān) 空間自相關(guān)分析是一直基于地統(tǒng)計學(xué)原理的，對某項指標(biāo)的大小是否與周邊相鄰區(qū)域存在關(guān)系的統(tǒng)計方法，同時觀測其變異規(guī)律是否與周邊臨近區(qū)域存在著相互依存關(guān)系[15]。本文旨在觀測景觀指數(shù)與耕地自然質(zhì)量是否存在全局與局部關(guān)性分析，故采用Moran's I指數(shù)進(jìn)行全局相關(guān)性分析，局部二元相關(guān)性進(jìn)行景觀指數(shù)與耕地自然等指數(shù)直接的相關(guān)性分析。

局部空間關(guān)聯(lián)指標(biāo)(Local Indicators of Spatial Association，LISA)用于反映整個區(qū)域中，局部范圍內(nèi)某項指標(biāo)與相鄰區(qū)域的相關(guān)程度[16]。局部Moran's I的計算公式如下。

式中:zi、zj—分別表示空間單元i與j內(nèi)研究對象的標(biāo)準(zhǔn)化值;wij—空間權(quán)重矩陣。

若局部Moran's I＞0，則說明該觀測指標(biāo)與周圍相鄰地域指標(biāo)值類似，即存在著“高與高”、“低與低”相互聚集，表現(xiàn)為同質(zhì)性的特征;若局部Moran' s I＜0，則表明該區(qū)域觀測指標(biāo)與周邊地域指標(biāo)值存在著顯著的差異，主要表現(xiàn)為異質(zhì)性的特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔耕地景觀指數(shù)分異分析

根據(jù)浦陽鎮(zhèn)的海拔高程差717 m，按照100 m為等間距，劃分為7個級別，并計算其景觀指數(shù)(表1)。

圖1 不同海拔高度下蒲陽鎮(zhèn)耕地分布Fig.1 Spatial pattern of Puyang town cultivated land in different elevation

研究區(qū)內(nèi)隨著海拔級別的變化呈現(xiàn)出，斑塊面積、斑塊個數(shù)、邊緣密度明顯下降的趨勢，而斑塊大小、地塊形狀指數(shù)出現(xiàn)了先增后減的分布規(guī)律。這是由于在平原地帶受家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的影響，將大田塊認(rèn)為的分割作用明顯，加之利用強(qiáng)度較高，受到了道路和溝渠的切割作用，使田塊面積變小。這種作用隨著海拔的升高，其影響逐漸衰弱，然而當(dāng)達(dá)到一定海拔之后，起主導(dǎo)作用的因素變成了以坡度為主的自然因素，又使田塊面積減小，田塊形狀變得更加復(fù)雜(圖1)。

2.2 耕地自然質(zhì)量與景觀指數(shù)耦合分析

耕地自然質(zhì)量是其滿足人類生存發(fā)展過程中對糧食的需求程度，主要受耕地自然本底值的影響程度較高;而景觀格局是人類對耕地利用之后的直觀表現(xiàn)，二者在某種程度上存在的互為因果的復(fù)雜關(guān)系。因此，本文從傳統(tǒng)的回歸分析和地統(tǒng)計學(xué)兩個角度，分別建立二者的定量模型，來揭示它們之間的耦合關(guān)系。

為了便于分析與計算，將耕地圖斑以各村內(nèi)的組為單位進(jìn)行歸并，共計145個樣本，進(jìn)行耕地自然質(zhì)量與各景觀指數(shù)的耦合分析。

2.3 耕地自然質(zhì)量與景觀指數(shù)回歸分析

在SPSS的支持下，將自然等指數(shù)分別與耕地景觀指數(shù)中的斑塊數(shù)(NP)、景觀百分比(PLAND)、斑塊平均大小(MPS)、平均斑塊形狀指數(shù)(MSI)，進(jìn)行曲線擬合，并計算相關(guān)系數(shù)。生成的曲線擬合圖及計算結(jié)果如圖2。

表1 不同海拔梯度耕地景觀指數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of landscape index of cultivated land in different elevation gradient

圖2 耕地自然質(zhì)量與各耕地景觀格局指數(shù)相關(guān)性擬合Fig.2 Correlation coefficients between cultivated land natural quality and landscape index

研究表明，斑塊平均大小和平均斑塊形狀指數(shù)與耕地自然等指數(shù)間的擬合程度較高，且能夠用比較合適的曲線模型對其進(jìn)行擬合來反映它們之間存在的規(guī)律。而斑塊數(shù)量和景觀百分比與耕地自然質(zhì)量之間則不存在明顯的規(guī)律性。

同時，耕地自然等指數(shù)與斑塊數(shù)之間正向相關(guān)關(guān)系顯著，即斑塊越多的區(qū)域其耕地自然質(zhì)量水平越高。耕地自然等指數(shù)與景觀百分比存在極弱的負(fù)相關(guān)性，只有-0.178;但不相關(guān)的概率為0.032，小于0.05，說明耕地自然質(zhì)量受景觀百分比的影響，但所占的比重不大。耕地自然等指數(shù)與斑塊平均大小、耕地自然等指數(shù)與平均斑塊形狀指數(shù)均表現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)，不相關(guān)的概率小于0.001。即耕地平均斑塊大，耕地自然質(zhì)量反而相對較低，同時耕地越為破碎耕地自然質(zhì)量也相對較差。這主要是由于平原區(qū)在溝渠、道路、居民點(diǎn)等人為因素的切割作用下，斑塊面積明顯減小，而丘陵區(qū)的耕地斑塊面積相對較大，但規(guī)則度不高，故使得出的結(jié)論與人們常規(guī)認(rèn)識有所出入(表2)。

2.4 耕地自然質(zhì)量與景觀指數(shù)空間局部二元分析

為了進(jìn)一步揭示耕地自然質(zhì)量與耕地景觀指數(shù)在空間上的耦合關(guān)系，對其進(jìn)行二元局部相關(guān)性分析(表3)。

在給定0.01顯著水平下進(jìn)行檢驗，以確定耕地自然質(zhì)量與景觀指數(shù)的同質(zhì)性和異質(zhì)性。經(jīng)檢驗，斑塊數(shù)、景觀百分比、斑塊平均大小、平均斑塊形狀指數(shù)4個景觀指數(shù)與耕地自然質(zhì)量分別有53、53、51、53個樣本單元具有顯著的空間自相關(guān)性。

表2 蒲陽鎮(zhèn)耕自然地質(zhì)量與耕地景觀指數(shù)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between cultivated land natural quality and landscape index in Puyang town

表3 蒲陽鎮(zhèn)耕地自然質(zhì)量與景觀指數(shù)局部二元相關(guān)性Table 3 Correlation between cultivated land natural quality and landscape index in different quadrants in Puyang town

圖3 景觀指數(shù)與耕地自然質(zhì)量LISA集聚圖Fig.3 Clustermap of cultivated land natural quality and landscape index with local indicators of spatial association(LISA)

蒲陽鎮(zhèn)耕地斑塊數(shù)與耕地自然質(zhì)量以“高-高”類型區(qū)(H-H)和“低—低”類型區(qū)(L-L)為主，而景觀百分比與耕地自然質(zhì)量以“低—高”類型區(qū)(L-H)和“高—低”類型區(qū)(H-L)的占比為主，即蒲陽鎮(zhèn)的耕地斑塊數(shù)與耕地自然質(zhì)量表現(xiàn)為正相關(guān)，景觀百分比與耕地自然質(zhì)量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。從空間位置的分布來看，斑塊數(shù)-耕地自然質(zhì)量與景觀百分比-耕地自然質(zhì)量的熱點(diǎn)區(qū)(H-H)均分布于蒲陽鎮(zhèn)南部的互助村、攔廂村、雙柏村和壹街社區(qū)，冷點(diǎn)區(qū)(L-L)均位于長河村、蟠龍村和銀杏村;斑塊數(shù)-耕地自然質(zhì)量的“高—低”類型區(qū)和“低—高”類型區(qū)零星分布于長河村、花溪村、互助村、雙柏村、壹街社區(qū)，景觀百分比-耕地自然質(zhì)量的主體部分“低—高”類型區(qū)與“高-低”類型區(qū)則廣泛分布于互助村、攔廂村、雙柏村、壹街社區(qū)、長河村、銀杏村和花溪村(圖3)。

斑塊平均大小、平均斑塊形狀指數(shù)與耕地自然質(zhì)量之間均表現(xiàn)為“低—高”類型區(qū)(L-H)和“高—低”類型區(qū)(H-L)占絕對優(yōu)勢，即斑塊平均大小和平均斑塊形狀指數(shù)均與耕地自然質(zhì)量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。從LISA集聚圖中還可以發(fā)現(xiàn)，“高—高”型無樣本單元通過顯著性檢驗，大面積的“低—高”型和“高—低”型則廣泛分布于互助村、攔廂村、雙柏村、壹街社區(qū)、長河村和銀杏村。

3 結(jié) 論

本文在綜合應(yīng)用ARCGIS、Patch Analyst、SPSS和GEODA軟件平臺的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了耕地在不同海拔的分布與耕地景觀指數(shù)的特征，并進(jìn)行了耕地自然質(zhì)量與景觀指數(shù)的回歸耦合分析與地統(tǒng)計學(xué)回歸分析，并得出一下研究結(jié)論。

(1)研究區(qū)耕地各景觀指數(shù)隨海拔的升高，整體出現(xiàn)下降或減少趨勢，但存在著差異。耕地斑塊數(shù)量、景觀半分比、斑塊密度，隨海拔升高降低或減少;而由于在平原與丘陵所受影響因素的不同，斑塊平均面積、地塊形狀指數(shù)，出現(xiàn)隨海拔升高先增大后變小的現(xiàn)象。

(2)蒲陽鎮(zhèn)耕地自然質(zhì)量與各景觀指數(shù)之間表現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性。耕地自然質(zhì)量與斑塊數(shù)間表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)，即耕地斑塊數(shù)越多，平均耕地自然質(zhì)量越好;耕地自然質(zhì)量與景觀百分比存在極弱的負(fù)相關(guān)性，僅-0.178;耕地自然質(zhì)量與斑塊平均大小、平均斑塊形狀指數(shù)均表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)，即斑塊破碎化程度越低，形狀越不規(guī)則，平均耕地自然質(zhì)量越差。

(3)耕地自然質(zhì)量與景觀指數(shù)空間同質(zhì)性和異質(zhì)性并存。斑塊數(shù)量與耕地自然質(zhì)量在空間上呈現(xiàn)局部空間的同質(zhì)性;景觀百分比、斑塊平均大小和平均斑塊形狀指數(shù)與耕地自然質(zhì)量呈現(xiàn)局部空間異質(zhì)性;從空間分布上來看，通過顯著性檢驗的單元主要集中于南部的攔廂村、雙柏村、互助村和壹街社區(qū)，以及北部的長河村與西北方向的銀杏村。

4 討 論

經(jīng)研究耕地自然質(zhì)量同時受自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素的影響，且隨海拔的升高自然因素所起到的作用越強(qiáng)烈。這為今后土地整治規(guī)劃編制過程中，確定土地重點(diǎn)區(qū)域以及在土地整理項目初步設(shè)計和工程竣工驗收等方面提供理論支撐和數(shù)據(jù)上的支持。

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(責(zé)任編輯 陳 虹)

Coupling Relationship between Natural Quality and Landscape Indexes of Cultivated Land

PAN Hong-yi1，2，ZHUWan-qiu1，2，CUILv-ye1，2，LIZhu-qing1，2
(1.Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest，Ministry of Education，Sichuan Normal University，Sichuan Chengdu 610068，China;2.Geography and Resources Science College，Sichuan Chengdu 610068，China)

【Objective】Cultivated land is the basic premise for the survival and developmentof human beings，which isan indispensable component of land resources.【Method】The present paper took ArcGIS10.1 and its plug-in Patch Analyst as technology platform to analyze the characteristics of cultivated landscape pattern of Puyang town at different altitudes，and based on the data of land use change and cultivated land quality evaluation of 2010，the coupling relationship between cultivated land quality and landscape pattern indices were analyzed with SPSSand GeoDa.【Result】(i)The quantity of cultivated land in Puyangwas reducing with increasing altitude，the average size of cultivated land became larger，and the degree of fragmentation of cultivated land decreased.Thiswas the reason that because the human cultivation in the relatively flat terrain in the low altitude area was convenient，the production activitieswere frequent.(ii)There were different degrees of correlation between cultivated land quality and cultivated landscape pattern.Cultivated land quality and the number of patcheswere significantly positive correlation.There was a very weakly negative correlation with the percentage of landscape，only-0.178;Cultivated land quality were negatively correlated with the average patch size and average patch shape index.(iii)There was a coupling relationship between cultivated land quality and cultivated landscape pattern.The number of patches and cultivated land quality presented similar clustering of local space in space.The percentage of landscape，the average patch size，average patch shape index and cultivated land quality put outa local spatial heterogeneity，in which the units through significant test were mainly distributed in the south，north and northwest of Puyang.【Conclusion】The landscape index changed regularly with altitude. The correlation degree was different between the natural quality of farmland and the indexes of landscape.The naturalquality of cultivated land and the landscape index showed the coexistence of spatial homogeneity and heterogeneity.

Cultivated land natural quality;Spatial distribution; Landscape pattern indices;Spatial autocorrelation;Coupling

S159-3

A

1001-4829(2017)8-1854-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.8.027

2016-09-15

國家自然科學(xué)基金項目(41371120);四川省教育廳項目(16ZB0061)

潘洪義(1980-)，男，河北唐山人，副教授，主要研究方向為土地利用與評價，E-mail:panhongyi80@163.com。