陳 丹, 周啟剛, 何昌華, 劉琳琳

(重慶工商大學(xué) 旅游與國土資源學(xué)院, 重慶 400067)

基于MPI的典型西南山區(qū)耕地空間分布影響因素研究
——以重慶石柱縣為例

陳 丹, 周啟剛, 何昌華, 劉琳琳

(重慶工商大學(xué) 旅游與國土資源學(xué)院, 重慶 400067)

以重慶市石柱縣2011年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用景觀格局指數(shù)中的平均鄰近指數(shù)(MPI)，定性分析耕地的空間分布特征；綜合運用空間函數(shù)擬合方法、可達距離函數(shù)、地形位指數(shù)和分布指數(shù)，研究居民點、公路、農(nóng)村道路以及水域?qū)Ω氐挠绊憴C理，分析耕地基于地形梯度的分布特征。結(jié)果表明：重慶市石柱縣耕地空間分布特征總體表現(xiàn)為聚集式分布；居民點、公路、農(nóng)村道路和水域?qū)Ω氐目臻g分布都起著不同程度的吸引作用，居民點對耕地分布的影響最大；各因素對耕地的影響程度和機理不同，居民點、農(nóng)村道路和水域?qū)Ω氐挠绊憣儆谛》秶叱潭仁剑穼Ω卮嬖诖蠓秶统潭鹊挠绊?；地形因子對耕地的空間分布具有限制作用，耕地主要集中分布在100～1 200 m高程和0～25°坡度的區(qū)域內(nèi)，且更傾向于分布在低高程和低坡度區(qū)域。文章旨在為西南地區(qū)土地開發(fā)、整理和復(fù)墾的選址提供參考和依據(jù)，并以期能為其他地區(qū)進行耕地開發(fā)和整理的選址提供研究思路和方法。

土地開發(fā)整理; 平均鄰近指數(shù)(MPI); 空間函數(shù)擬合; 地形位指數(shù); 典型西南山區(qū); 重慶石柱縣

土地是人類生存之本，更是人類賴以生存的各項物質(zhì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)和源泉[1]。我國土地的有限性和稀缺性使得土地利用成為國家關(guān)注的焦點[2-3]，城市建設(shè)的發(fā)展與農(nóng)用地尤其是耕地的保障之間急需保持協(xié)調(diào)和平衡[4-5]。耕地是保障國家糧食安全的核心[6]，在地票、占補平衡以及增減掛鉤等制度和政策的驅(qū)使下，占用耕地和土地的開發(fā)、復(fù)墾以及整理并存，耕地的分布數(shù)量、質(zhì)量以及空間分布特征等都會發(fā)生或多或少的變化[7-9]；土地利用中占補不平衡的現(xiàn)象大有所在，占用優(yōu)田良土，并補充劣地荒土，導(dǎo)致投入了大量物力和財力進行開發(fā)、整理和復(fù)墾的土地利用率低，甚至不可利用等問題[10-11]。學(xué)者們基于不同的研究區(qū)，對土地利用或者耕地的時空分布特征[12-15]、演變特征與規(guī)律[16-18]、景觀格局[19-20]以及驅(qū)動因素[21-23]等都做過相關(guān)的研究分析，但對于單獨研究耕地的分布特征，并根據(jù)影響耕地的因素進行函數(shù)的擬合，定量研究耕地各大驅(qū)動因素的相關(guān)文獻缺乏。西南地區(qū)地形較為復(fù)雜，人地矛盾突出[24]，地區(qū)土地開發(fā)整理倍受關(guān)注，重慶屬于典型西南山區(qū)，是城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、地票等制度實施的示范區(qū)[25-26]，是土地開發(fā)整理相關(guān)政策扶持的大市[27]，以該區(qū)域作為研究對象的文獻也相對缺乏。

我國西南地區(qū)大部分城市仍然以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)為主，耕地的分布主要受道路、水源、地形以及離居住點的距離的綜合影響[28-29]，這些因素直接影響耕地的空間分布和利用率，地形條件同時影響著這些因素的空間分布，進而通過直接和間接的形式影響耕地的空間分布特征。因此，典型山地地區(qū)各因素對耕地空間分布特征的影響程度不同于其他地區(qū)。本文綜合運用平均鄰近指數(shù)、空間擬合方法、可達距離函數(shù)、地形位指數(shù)和分布指數(shù)，定性和定量分析西南地區(qū)典型區(qū)域重慶市石柱縣耕地的空間分布特征以及在地形條件影響下的各因素對耕地的影響機理。文章旨在為西南地區(qū)土地開發(fā)、整理和復(fù)墾的選址提供參考和依據(jù)，同時為其他地區(qū)進行耕地開發(fā)和整理的選址提供研究思路和方法。

1 研究區(qū)概況

西南地區(qū)是中國根據(jù)自然地理條件對中西南區(qū)綜合劃分確定的一個范圍，包括西南片區(qū)的三省一市，即云南省、貴州省、四川省和重慶市，區(qū)內(nèi)河流流經(jīng)，以高原和山地為主，地形地貌復(fù)雜多樣，地勢起伏大，海拔5 000～6 000 m的高峰眾多，人地矛盾突出，是土地開發(fā)整理重點關(guān)注的區(qū)域。重慶是中國西南地區(qū)和長江上游最大的經(jīng)濟中心城市，地跨東經(jīng)105°11′—110°11′、北緯28°10′—32°13′，地形起伏較大，是西南地區(qū)土地利用特征的典型代表區(qū)域。石柱土家族自治縣位于重慶東部，地處三峽庫區(qū)腹心地帶，是西南地區(qū)的典型山區(qū)，境內(nèi)地勢東南高,西北低,呈起伏狀下降，最高海拔1 934.1 m，最低海拔119 m，以中山、低山為主，是土地開發(fā)整理的典型區(qū)域。

2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究主要采用重慶市石柱縣基于全國第二次土地利用調(diào)查成果完成的2011年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫作為研究分析的主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，該數(shù)據(jù)庫主要包括重慶市石柱縣2011年土地利用圖斑數(shù)據(jù)和土地利用現(xiàn)狀地物數(shù)據(jù)；采用1∶5萬的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)作為研究輔助數(shù)據(jù)。

依據(jù)第二次全國土地調(diào)查中規(guī)定的土地分類，提取研究區(qū)2011年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫中的水田和旱地作為本次研究的耕地來源，提取村莊作為研究的居民點；根據(jù)數(shù)據(jù)庫中對土地利用現(xiàn)狀地物的劃分，將道路劃分為公路和農(nóng)村道路，并將溝渠和河流水面合并為水域；運用ArcGIS中的Spatial Analyst模塊將研究區(qū)1∶5萬的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)生成坡度數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 平均鄰近指數(shù)(MPI)

平均鄰近指數(shù)(MPI)是景觀格局指數(shù)中用于能夠度量同樣類型拼塊間的鄰近程度以及景觀破碎度的指標[28]，如MPI值小，表明同種土地利用類型斑塊之間的離散程度高，景觀破碎程度高，說明該土地利用類型空間格局呈現(xiàn)分散分布；MPI值大，表明同種土地利用類型斑塊之間鄰近程度高，景觀連接性好，說明該土地利用類型空間格局呈現(xiàn)集中分布[30]。通過分析研究區(qū)耕地的平均鄰近指數(shù)(MPI)，研究耕地的空間分布特征，以定性的方式總體把握研究區(qū)耕地的空間分布特征，為定量研究做準備工作。

3.2 耕地用地比例

以研究區(qū)耕地總面積占研究區(qū)轄區(qū)總面積的比例表示研究區(qū)內(nèi)耕地的用地比例，用于總體性把握研究區(qū)耕地的用地量，并為研究影響耕地的因素作支撐。采用的表達式如下：

(1)

式中：P——研究區(qū)耕地總體用地比例；S——研究區(qū)內(nèi)耕地總面積；M——研究區(qū)轄區(qū)面積。

3.3 空間函數(shù)擬合

3.3.1 影響因素與耕地關(guān)系的函數(shù)擬合 根據(jù)本次研究的需求，將影響耕地的因素劃分為四大類，即居民點、公路、農(nóng)村道路和水域。由于公路、農(nóng)村道路和水域存在線狀和面狀兩大類數(shù)據(jù)，且各影響因素對耕地的影響程度和影響范圍不同，綜合考慮以上原因，對各因素及其各類型數(shù)據(jù)分別做緩沖區(qū)分析。從研究區(qū)耕地和居民點的位置可以看出，兩者分布之間的空間關(guān)系密切，當居民點的緩沖區(qū)做到1 000 m后，基本全覆蓋研究區(qū)內(nèi)的耕地，因此，對居民點設(shè)置1 000 m 的緩沖區(qū), 每隔一定距離設(shè)立一個緩沖帶，基于生成的緩沖帶分別統(tǒng)計覆蓋耕地的總面積，在Origin函數(shù)繪制軟件下擬合關(guān)系函數(shù)，擬合函數(shù)過程中，根據(jù)函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)，反復(fù)調(diào)整設(shè)置緩沖帶的間隔距離，研究表明每隔Δr=25 m設(shè)立一個緩沖帶最為合理。同理，對農(nóng)村道路、公路和水域設(shè)置1 000 m 的緩沖區(qū), 每隔Δr=25 m 設(shè)立一個緩沖帶，并擬合各影響因素與耕地之間的關(guān)系函數(shù)。

3.3.2 可達距離 基于空間擬合的緩沖區(qū)分析，根據(jù)不同影響因素的空間分布特征，結(jié)合差分法，擬合出離影響要素的距離與耕地在緩沖區(qū)內(nèi)占地比例的關(guān)系函數(shù)，函數(shù)表達式為：

F[r,p(r)]=0

(2)

式中：r——緩沖帶邊緣離影響要素邊緣的距離；p(r)——當緩沖帶離影響要素距離為r時，緩沖區(qū)內(nèi)部耕地的增量與緩沖區(qū)面積增量的比值；F——r和p(r)之間的關(guān)系表達式。一般情況下，離影響要素越近，p(r)值越大；離影響要素越遠，p(r)則逐漸呈現(xiàn)下降趨勢。當p(r)達到耕地總體用地比例時的緩沖區(qū)距離r為可達距離R[31]，可達距離的物理意義表示為：當小于該距離時，耕地在影響要素周圍的分布密度大于平均值。

3.4 地形位指數(shù)及分級

3.4.1 地形位指數(shù) 為了能夠定量分析耕地的分布與地形梯度之間的關(guān)系，本文綜合考慮高程和坡度兩個地形因子，采用地形位指數(shù)進行研究，采用的地形位指數(shù)用以下公式進行計算[32]:

(3)

3.4.2 地形位指數(shù)分級 基于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，區(qū)域內(nèi)高程皆大于100 m，且耕地在700 m高程以下地形區(qū)域內(nèi)的分布較為密集，1 200 m以上區(qū)域的土地利用類型相對單一。綜合考慮，將研究區(qū)內(nèi)高程劃分為5個等級：100～300 m，300～500 m，500～700 m，700～1 200 m，>1 200 m。根據(jù)國際地理學(xué)聯(lián)合會地貌調(diào)查與地貌制圖委員會對耕地的坡度分級體系[33]，將坡度數(shù)據(jù)劃分為5個等級：0～2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°，>25°。

結(jié)合高程和坡度每級的間隔點運用公式(3)生成地形位指數(shù)分級的間隔點，將地形位指數(shù)劃分為6個級別：≤0.86，0.86～1.00，1.00～1.19，1.19～1.43，>1.43。

3.5 分布指數(shù)

分布指數(shù)可以消除不同地形段的面積差異和不同景觀組分的面積比重差異的影響，本文引入分布指數(shù)來定量描述耕地在地形梯度上的分布情況，其計算公式如下[32]：

(4)

式中：P——分布指數(shù)；e——地形因子；Sie——e地形因子某等級下i種土地利用類型的面積；Si——研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型的總面積；Se——整個研究區(qū)內(nèi)e地形因子某等級的總面積；S——整個研究區(qū)的面積。

4 結(jié)果與分析

4.1 耕地用地比例與空間分布特征

通過匯總統(tǒng)計石柱縣2011年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫，得出全縣轄區(qū)面積為3 014.13 km2，全縣耕地用地面積達698.7 km2，根據(jù)公式(1)，得出研究區(qū)耕地總體用地面積比例為23.18%。運用Fragstats景觀格局分析軟件，計算研究區(qū)耕地的平均鄰近指數(shù)時，分別以100，500，1 000 m作為平均鄰近指數(shù)計算查詢范圍，得出耕地平均鄰近指數(shù)分別為69.05%，76.7%，77.1%，取平均值作為研究區(qū)耕地的平均鄰近指數(shù)(MPI)，以確保數(shù)據(jù)的準確性，得出平均鄰近指數(shù)為74.28%。結(jié)果表明研究區(qū)耕地分布占地比例23.18%，高于全國總耕地面積，占全國幅員面積16.13%的比例；耕地平均鄰近指數(shù)達到74.28%，表明研究區(qū)耕地分布的鄰近程度高，景觀連接性好，耕地空間格局呈現(xiàn)出集中分布的特征。

4.2 耕地分布影響因素分析

4.2.1 居民點對耕地空間分布的影響 對居民點設(shè)置1 000 m緩沖區(qū)，每隔Δr=25 m設(shè)立一個緩沖帶，得出離居民點的距離與耕地用地面積的擬合函數(shù)，以及離居民點的距離與耕地用地比例之間的擬合結(jié)果，根據(jù)研究區(qū)耕地總體用地比例計算出耕地在居民點影響下的可達距離，如圖1所示。

從離居民點的距離與耕地分布面積的函數(shù)關(guān)系中可知，離居民點越遠，耕地面積急劇增加，當達到一定距離后，耕地面積增加趨勢明顯減緩；從離居民點的距離與耕地用地比例的關(guān)系函數(shù)可知，離居民點較近的區(qū)域內(nèi)，隨著離居民點距離的增加，耕地比例急劇下降，到達一定距離后，耕地比例保持平衡，比例值不到10%。在r=0處的耕地比例是離開居民點最近處的耕地用地比例，離開居民點最近處耕地的用地比例達到68.54%，遠遠大于研究區(qū)耕地總體分布比例；可達距離為226 m，表明居民點對耕地的影響程度大，但影響范圍較小，當僅有居民點一個影響因素時，耕地在居民點周圍的分布主要局限在226 m的范圍之內(nèi)。

圖1 離居民點的距離r分別與耕地面積和耕地比例之間的擬合函數(shù)

4.2.2 公路對耕地空間分布的影響 對公路設(shè)置1 000 m緩沖區(qū)，每隔Δr=25 m設(shè)立一個緩沖帶，得出離公路的距離與耕地用地面積的擬合函數(shù)，以及離公路的距離與耕地用地比例之間的擬合結(jié)果，根據(jù)研究區(qū)耕地總體用地比例計算出耕地在公路影響下的可達距離，如圖2所示。離公路的距離與耕地面積分布的關(guān)系斜率呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，耕地面積隨離公路距離的增加表現(xiàn)出平穩(wěn)增加的趨勢；從離公路的距離與耕地比例的關(guān)系函數(shù)中可以看出，離公路越遠，耕地比例呈下降趨勢，當達到一定距離之后，耕地比例下降幅度減弱。離開公路最近處耕地的用地比例為33.37%，大于研究區(qū)耕地總體分布比例；可達距離為660 m，表明耕地在公路兩側(cè)的蔓延程度較強，公路對耕地的影響程度表現(xiàn)為大范圍的影響，分布在公路兩側(cè)的耕地主要分布在距離公路660 m范圍內(nèi)的區(qū)域。

4.2.3 農(nóng)村道路對耕地空間分布的影響 基于農(nóng)村道路設(shè)置500 m緩沖區(qū)，每隔Δr=25 m設(shè)立一個緩沖帶，得出離農(nóng)村道路的距離與耕地用地面積的擬合函數(shù)，以及離農(nóng)村道路的距離與耕地用地比例之間的擬合結(jié)果，根據(jù)研究區(qū)耕地總體用地比例計算出耕地在農(nóng)村道路影響下的可達距離，如圖3所示。從離農(nóng)村道路的距離與耕地分布面積的函數(shù)關(guān)系中可知，離農(nóng)村道路的距離對耕地分布面積的影響趨勢與離居民點的距離對耕地面積的影響趨勢具有相似性；從r與P之間的關(guān)系函數(shù)可知，隨著與農(nóng)村道路距離的增加，耕地比例基本保持大幅度下降趨勢，離開農(nóng)村道路最近處耕地的用地比例為38%，可達距離為290 m，表明農(nóng)村道路對耕地主要表現(xiàn)為在短距離內(nèi)較高程度的影響，耕地在農(nóng)村道路兩側(cè)的蔓延程度相對較弱，主要表現(xiàn)為較為集中的分布在農(nóng)村道路兩側(cè)，當耕地離農(nóng)村道路的距離達到290 m之后，耕地分布則表現(xiàn)出弱勢。

圖3 離農(nóng)村道路的距離r分別與耕地面積和耕地比例之間的擬合函數(shù)

4.2.4 水域?qū)Ω乜臻g分布的影響 對水域設(shè)置1 000 m緩沖區(qū)，每隔Δr=25 m設(shè)立一個緩沖帶，得出離水域的距離與耕地用地面積的擬合函數(shù)，以及離水域的距離與耕地用地比例之間的擬合結(jié)果，根據(jù)研究區(qū)耕地總體用地比例計算出耕地在水域影響下的可達距離，如圖4所示。離水域的距離r與耕地面積A之間的關(guān)系函數(shù)表明，開始A隨著r的增加呈現(xiàn)急劇增加的趨勢，之后增加趨勢明顯減緩，這與居民點和農(nóng)村道路對耕地面積影響的趨勢相似，但離水域的距離對耕地面積的影響更大；離水域的距離與耕地比例的關(guān)系表明，隨著離水域距離的增加，耕地比例不斷減少，離水域最近處的耕地比例為36.2%，可達距離311 m，表明水域?qū)ρ芯繀^(qū)耕地具有一定的吸引力，短距離影響程度較大，耕地在水域周圍的蔓延程度較小。

圖4 離水域的距離r分別與耕地面積和耕地比例之間的擬合函數(shù)

4.3耕地在地形梯度上的分布特征

結(jié)合公式(3)和公式(4)，計算分析研究區(qū)耕地在地形位、高程以及坡度各等級上的分布指數(shù)。通過研究區(qū)耕地在各等級地形因子下的分布指數(shù)表(表5)可以看出，研究區(qū)耕地在地形因子各等級上的分布呈現(xiàn)明顯的差異性，各等級地形位上的分布指數(shù)值皆處于各等級坡度和高程分布指數(shù)值之間，表明地形位指數(shù)充分結(jié)合了高程和坡度兩個地形因子的特征。耕地主要分布在各地形因子的1～4級上，即主要分布在100～1 200 m高程和0～25°坡度上；耕地在地形位指數(shù)和高程各等級上的分布指數(shù)變化趨勢相似，分布指數(shù)大體呈現(xiàn)逐步下降的趨勢；耕地在各等級坡度的分布指數(shù)在3級上出現(xiàn)突減的現(xiàn)象，其他等級上的分布指數(shù)仍然表現(xiàn)出隨著坡度等級升高而逐漸下降的趨勢。

表5 研究區(qū)耕地在不同地形因子分級下

5 結(jié) 論

(1) 典型西南山區(qū)重慶石柱縣的耕地空間分布平均鄰近指數(shù)較高，耕地空間分布特征總體表現(xiàn)為聚集式分布。

(2) 居民點、公路、農(nóng)村道路和水域最近處耕地的分布比例皆大于研究區(qū)內(nèi)耕地總體用地比例，4個因素對耕地的空間分布都起著吸引作用，但各因素對耕地的影響程度不同。按照四個因素對耕地的影響程度由大到小排序，分別為居民點、農(nóng)村道路、水域、公路，居民點對耕地分布的影響程度最大，集中分布在居民點周圍的耕地比例達到耕地總體比例的2～3倍，居民點、農(nóng)村道路和水域?qū)Ω氐挠绊懛秶喈?，主要集中?00 m左右的區(qū)域內(nèi)；公路對耕地的影響表現(xiàn)為大范圍擴散式的影響，其影響范圍高達660 m，研究區(qū)耕地在公路兩側(cè)的蔓延程度較在其他影響因素周圍的蔓延程度都強。

(3) 研究區(qū)耕地基于地形梯度的優(yōu)勢分布區(qū)位在100～1 200 m的高程和0～25°的坡度上，且更傾向于分布在低高程和低坡度區(qū)域。

(4) 典型西南山區(qū)土地開發(fā)、復(fù)墾以及整理過程中，如對開發(fā)、復(fù)墾以及整理的耕地采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕種方式，那么對開發(fā)、復(fù)墾以及整理土地的選址應(yīng)重點考慮居民點、農(nóng)村道路和水域三大因素，選址的最佳位置在居民點、農(nóng)村道路和水域可達距離范圍內(nèi)的低高程和低坡度區(qū)域；如對開發(fā)、復(fù)墾以及整理的耕地采用現(xiàn)代化耕種方式，則應(yīng)重點考慮公路周圍可達距離內(nèi)的區(qū)域，可適當對周圍區(qū)域的地形做一定的整理，使地理條件更為滿足耕地分布的需求。

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AnalysisonInfluencingFactorsofCultivatedLandBasedonMPIinTypicalSouthwestMountainArea—TakingShizhuCountyofChongqingasExample

CHEN Dan, ZHOU Qi-gang, HE Chang-hua, LIU Lin-lin

(SchoolofTourismandLandResources,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)

Chongqing is a typical mountainous area in southwest China. Utility systems including land ticket, requisition-compensation balance, connection between the increase of rural construction land and the decrease of urban construction land, are influencing the land use and man-land relationship of Chongqing. This paper takes Shizhu County of Chongqing as an example. This study analyzed spatial distribution characteristic of cultivated land based on change investigation database of Shizhu County land use in 2011 and MPI of landscape metrics. The Origin software was used to fit the function. This paper identified how the residential areas, roads, rural roads and rivers influence the cultivated land. It also combined with terrain niche index and distribution index to study the terrain how to affect cultivated land. The results show that cultivated land in Shizhu of Chongqing generally presents aggregated distribution pattern. Residential areas, roads, rural roads and waters impact the spatial distribution of cultivated land at different degrees. The influence degree and mechanism of these factors are different. The influence of residential areas, rural roads and waters on cultivated land belongs to type of high effect on a small scale, but the effect of the road is low on a large scale. Terrain factor restricts the spatial distribution of cultivated land so that cultivated land mainly distributes in the slope areas with 0～25° and areas with elevation of 100～1 200 m. Besides, most cultivated land distributes in the area with low elevation and slope. This paper aims to provide reference to choose the area of land development, consolidation and reclamation in southwest China. This study also can provide research idea and method to study the location of land development and consolidation.

land development and consolidation; mean proximity index; function fitting of space; terrain niche index; typical southwestern mountainous area; Shizhu County of Chongqing

2013-07-10

：2013-08-10

國家自然基金項目(41101503);國家社科基金重大項目(11&ZD161);重慶工商大學(xué)學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助項目(132061)

陳丹(1990—),女,重慶人,在讀碩士,主要研究方向:資源環(huán)境規(guī)劃與管理。E-mail:cd1105@163.com

周啟剛(1976—),男,重慶銅梁人,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向:3S與資源環(huán)境利用。E-mail:zqg1050@163.com

F301.2

：A

：1005-3409(2014)02-0228-06