王 丹，葛大兵，唐伊凡，葛奕辰

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院／洞庭湖區(qū)域農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)健康湖南省重點實驗室，湖南長沙410128）

近年來，景觀生態(tài)學(xué)受到廣泛關(guān)注，景觀生態(tài)學(xué)與農(nóng)村、農(nóng)業(yè)發(fā)展相結(jié)合已成為趨勢［1］。受自然環(huán)境和人類活動的雙重影響，農(nóng)田景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻的變化，深入研究驅(qū)動力因素對農(nóng)田景觀格局變化的影響，對于促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源合理利用、保障人類生態(tài)和糧食安全具有重要意義［2］。

洞庭湖曾號稱“八百里洞庭”，盛期面積達(dá)6 000 km2以上，目前面積僅2 625 km2［3］。20世紀(jì)80年代以前，由于生產(chǎn)力低下、人口快速增長等原因，洞庭湖地區(qū)是國家重要糧食產(chǎn)區(qū)，因而被不斷圍墾以強(qiáng)化其糧食生產(chǎn)功能。不斷圍墾的結(jié)果是湖泊生態(tài)調(diào)蓄功能持續(xù)下降，洪澇災(zāi)害頻發(fā)，人們在獲得糧食的同時也付出了巨大代價［4］。20世紀(jì)80年代以后，由于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)力快速增長、控制人口增長等原因，尤其遭遇1998年洪水災(zāi)害之后，政府積極開展了“退田還湖、平垸行洪和移民建鎮(zhèn)”等工程。規(guī)劃平退總面積1 578.7 km2，耕地總面積758.7 km2［5］。研究表明，退田還湖政策對洞庭湖生態(tài)功能恢復(fù)起到了顯著作用，也導(dǎo)致洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)景觀要素類型發(fā)生了明顯變化［6］。本研究探討農(nóng)田（水田、旱地）景觀格局的演變規(guī)律，分析驅(qū)動力因素對農(nóng)田景觀格局的影響，旨在為制定合理、可持續(xù)發(fā)展的土地利用策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》范圍包括湖南省岳陽市、常德市、益陽市、長沙市望城區(qū)以及湖北省荊州市，共33個縣（市、區(qū)），總面積6.05萬km2。本研究中洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)所選的是湖南省 25個縣（市、區(qū)）（110°27′～114°13′E，27°58′～30°08′N），總面積 46 661.48 km2，2015年常住戶數(shù)498.45萬戶，常住人口1 645.95萬人。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取方法 數(shù)據(jù)源于湖南省遙感中心提供的1990、2000、2010、2016年4期的 Landsat－TM遙感影像數(shù)據(jù)、自然地理信息數(shù)據(jù)、《湖南省統(tǒng)計年鑒》。

1.2.2 方法 在ArcGIS軟件中創(chuàng)建Coverage格式，并且轉(zhuǎn)換為 grid柵格數(shù)據(jù)，以此獲取1990、2000、2010、2016年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)湖泊、水田、旱地、林地、草地、河流、建設(shè)用地、未利用地等衛(wèi)星假彩色合成影像的空間屬性數(shù)據(jù)（圖1），對其景觀類型進(jìn)行特征分析以及面積轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

分析景觀格局指數(shù)（landscape pattern index）［7］，結(jié)合景觀結(jié)構(gòu)分析軟件Frtagstats計算斑塊個數(shù)（NP）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、周長 －面積分維數(shù)（PAFRAC）、邊界密度（ED）等景觀格局指數(shù)，采用監(jiān)督分類和目視修正相結(jié)合的方法，根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合區(qū)域內(nèi)實際情況，分析洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)特征及功能。

1.2.2.1 斑塊個數(shù)

式中：NP為景觀中某斑塊類型的斑塊總數(shù)；N為所有斑塊或某種斑塊數(shù)量。斑塊數(shù)越大，景觀破碎度越高，反之亦然；改變物種間相互作用和協(xié)同共生的穩(wěn)定性；反映景觀的空間布局以及景觀中斑塊總數(shù)。

1.2.2.2 最大斑塊指數(shù)（0＜LPI≤100）

式中：Amax為某斑塊類型中的最大斑塊面積；A為景觀總面積。LPI表示景觀中的最大斑塊面積占該種景觀總面積的百分比，有助于確定景觀類型或優(yōu)勢類型等，反映人為活動趨勢及干擾程度；該值越大，表示景觀破碎度越低，優(yōu)勢度越強(qiáng)，反之亦然。

1.2.2.3 面積 －周長分維數(shù)

式中：PAFRAC反映斑塊組成的景觀形狀和面積之間的關(guān)系，以及在一定尺度上景觀類型的復(fù)雜程度。人類活動、自然因素、社會經(jīng)濟(jì)對景觀格局的影響數(shù)值在1～2之間，數(shù)值越接近1，表示斑塊形狀越規(guī)則，受人為干擾程度大；數(shù)值越接近2，表示斑塊形狀越不規(guī)則，受人為干擾程度小。

1.2.2.4 邊界密度

式中：ED是景觀中所有斑塊邊界總長度；A是景觀總面積。ED反映景觀類型被邊界分割的程度，以及景觀斑塊間的邊緣長度和效應(yīng)。ED值越大，表示景觀類型被邊界割裂程度越高，反之景觀類型連通性和完整性越高。

1.2.2.5 農(nóng)田面積減少系數(shù) 農(nóng)田面積減少系數(shù) C［8］用于衡量城鎮(zhèn)化過程中農(nóng)田面積減少是否適度，以及與城鎮(zhèn)發(fā)展之間的關(guān)系；C＝1表示農(nóng)田面積的減少幅度與城鎮(zhèn)化水平的增長幅度相協(xié)調(diào)；C＞1表示農(nóng)田面積的減少幅度大于城市化水平的增長幅度；反之亦然［9］。

式中：RCL是農(nóng)田面積減少率，表示研究期間減少的農(nóng)田面積占原農(nóng)田面積的比例；RU為城鎮(zhèn)化水平增長率。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田景觀格局面積變化

通過解譯4期遙感影像和利用ArcGIS軟件的空間分析功能得到洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田景觀格局面積變化。由表1可知，1990—2016年水田面積減少204.99 km2，總體持續(xù)減少1.37%，年平均減少7.88 km2；其中2000—2010年面積減少最多，達(dá)127.50 km2，占2000年水田面積的0.85%，年平均減少12.75 km2，主要是由20世紀(jì)90年代末國家實行“退田還湖”政策導(dǎo)致的。1990—2000年旱地面積增加1.49%，2000—2016年旱地面積減少2.19%，呈先增后減的趨勢，總體上減少了0.74%，年平均減少0.75 km2，主要是因為20世紀(jì)90年代棉花種植業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。2002年湖南省棉花播種面積14.9萬hm2，總產(chǎn)量19萬t，主要產(chǎn)棉區(qū)集中在常德市、益陽市、岳陽市等地。

表1 1990—2016年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田景觀面積變化

2.2 農(nóng)田景觀類型面積轉(zhuǎn)移率

景觀類型面積轉(zhuǎn)移變化包括轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出雙向變化，某種景觀類型的面積等于由其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)樵擃愋偷拿娣e減去因轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋投鴵p失的面積［10］。由表2可知，1990—2000年總轉(zhuǎn)換率43.16%，水田轉(zhuǎn)入湖泊、河流的面積分別為27354、912.00 km2，向林地轉(zhuǎn)出最多，為 3 105.96 km2。旱地轉(zhuǎn)林地面積最多，達(dá)1 077.83 km2，其次為旱地轉(zhuǎn)水田，為75326 km2。在農(nóng)田面積轉(zhuǎn)入中，林地占據(jù)主要景觀類型，水田達(dá) 3 119.57 km2，旱地達(dá) 1 155.77 km2。至 2000年，水田面積達(dá) 14 976.34 km2，占洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)總面積的3211%，減幅 0.26%；旱地面積達(dá) 2 675.60 km2，占洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)總面積的5.73%，增幅1.49%，同時期湖泊、建設(shè)用地、未利用地增幅分別為1.55%、10.27%、0.50%。面積轉(zhuǎn)移與同時期政策變化有一定關(guān)聯(lián)，1994年國家設(shè)立東洞庭湖國家級自然保護(hù)區(qū)，1997年設(shè)立南洞庭湖省級自然保護(hù)區(qū)，加強(qiáng)了圍垸和墾殖的管理力度［11］，在這期間國家對洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的開發(fā)力度和干擾強(qiáng)度開始變緩，退田還湖政策初見成效。

表2 1990—2000年景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

2000—2010年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)總轉(zhuǎn)換率達(dá)1.45%，景觀格局類型轉(zhuǎn)移矩陣幅度較小。由表3可知，水田轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?3.61 km2；旱地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?0.42 km2；至2010年，水田面積達(dá)14 848.84 km2，占洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)總面積的31.82%，減幅0.85%；旱地面積達(dá) 2 663.32 km2，占洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)總面積的5.71%，減幅0.46%。洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)于20世紀(jì)90年代開始大興楊樹栽培，一部分基礎(chǔ)農(nóng)田用地被林業(yè)種植所取代，至2008年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)楊樹種植面積達(dá)到40萬hm2，盲目發(fā)展楊樹栽培轉(zhuǎn)化土地類型已占用草地和部分農(nóng)田，威脅到洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)濕地保護(hù)和全面發(fā)展。同時期洞庭湖農(nóng)田面積占37.53%，農(nóng)田景觀變化開始成為洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的關(guān)注重點。

表3 2000—2010年景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

由表4可知，2010—2016年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)水田、旱地分別轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地21.48、11.30 km2，但是建設(shè)用地轉(zhuǎn)入水田、旱地的面積分別為10.39、0.56 km2，這6年中建設(shè)用地侵占農(nóng)田，使水田面積減為14 810.00 km2、旱地面積減為2 616.92 km2，分別減少了 0.26%、1.74%，同時期林地、河流、建設(shè)用地、未利用地增幅分別為0.15%、2.83%、6.02%、9.23%。隨著洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式逐步向農(nóng)副工相結(jié)合方向轉(zhuǎn)變，與此同時，鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)速度加快，農(nóng)村住房建設(shè)提上日程，導(dǎo)致農(nóng)田面積進(jìn)一步減少［12］。

表4 2010—2016年景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

2.3 區(qū)域景觀動態(tài)變化特征

研究農(nóng)田景觀優(yōu)化布局大致分為水田和旱地，通過選取4個具有代表性的景觀格局指數(shù)來分析生態(tài)模式尺度下農(nóng)田景觀的變化規(guī)律。由圖2可知，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田斑塊數(shù)目最多，維持在2 300個以上。周長－面積分維數(shù)在1.0左右，表明景觀斑塊形狀有向更簡單、更規(guī)則變化的趨勢，人為干擾景觀格局程度增強(qiáng)。對最大斑塊指數(shù)分析表明，林地和水田是主要景觀類型，其中林地景觀比例較大并保持穩(wěn)定，這與洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)大力開展楊樹種植有很大的關(guān)系，且過度種植楊樹隱藏生態(tài)風(fēng)險。LPI值越大，斑塊優(yōu)勢度越強(qiáng)，景觀破碎度越低；人口增加也相應(yīng)促使農(nóng)田用地迅速增加，提高LPI值。邊界密度越大，景觀類型被邊界割裂程度越高，1990—2016年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)各景觀類型的邊界密度整體表現(xiàn)為水田＞林地＞旱地＞河流＞湖泊＞建設(shè)用地＞草地＞未利用地。研究期間，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)景觀格局受干擾程度增加。

1990—2016年期間水田面積減少1.37%，而斑塊數(shù)量呈增加趨勢，表明水田景觀破碎化程度有所增加。周長－面積分維數(shù)在1.03左右，受人為干擾程度強(qiáng)。林地是優(yōu)勢景觀類型，其次是水田，但是水田邊界密度最大，表明水田被邊界割裂程度高，連通性和完整性弱。旱地斑塊數(shù)量最多，旱地邊界密度僅次于林地和水田，表明旱地受到干擾程度強(qiáng)，破碎化程度高。

2.4 農(nóng)田景觀格局變化的社會驅(qū)動力分析

2.4.1 人口因素 由圖3可知，2008年以前，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)人口呈增長趨勢，2008年共1 678.52萬人，2008年后人口小幅下降后維持穩(wěn)定，但是各地區(qū)城鎮(zhèn)化率不斷上升。人口減少導(dǎo)致所需糧食總量下降，相應(yīng)的農(nóng)田面積也會減少，但是洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)是重要的商品糧基地和外向型農(nóng)業(yè)基地，同時洞庭湖平原后備土地資源豐富，為滿足更大區(qū)域糧食安全的需要，仍須要保持一定程度農(nóng)田種植面積的增長空間。2004—2015年期間，鄉(xiāng)村從業(yè)人口占農(nóng)村人口的1／2以上，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)為了滿足人口就業(yè)，農(nóng)田面積應(yīng)該呈增長趨勢，但是由于工礦、交通、水利等各項建設(shè)用地的占用，水田和旱地面積均呈減少趨勢。1990—2016年洞庭洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)水田面積減少了1.37%，旱地面積減少了0.74%（表1）。

隨著洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)社會經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)和生活方式的逐步轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)農(nóng)田作物應(yīng)該向更高效益的經(jīng)濟(jì)作物轉(zhuǎn)變，以不斷提高洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)實力，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田并轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，將洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)打造成保障糧食安全的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地［13］。

2.4.2 工業(yè)化和城鎮(zhèn)化 由圖4可知，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的整體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都趨于上升。2000—2010年地區(qū)生產(chǎn)總值從981.39億元增長至3 109.04億元。尤其近年來生產(chǎn)總值高速增長，三大產(chǎn)業(yè)逐步增長，2006年結(jié)構(gòu)比例為23.4∶43.2∶33.4，與 世 界 銀 行 提 出 的 標(biāo) 準(zhǔn) 結(jié) 構(gòu)14.0∶35.0∶51.0［18］相比，產(chǎn)業(yè)比例分布不夠合理，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不相適應(yīng)［14－15］。

因此《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》提出，到2020年實現(xiàn)“五大目標(biāo)”，其一就是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，重點是加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、加快推進(jìn)新型工業(yè)化、大力發(fā)展現(xiàn)代物流業(yè)、積極發(fā)展文化旅 游 業(yè)［4］。至 2015年 三 大 產(chǎn) 業(yè) 結(jié) 構(gòu) 比 例 為13.3∶46.8∶39.9，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營，大力發(fā)展農(nóng)產(chǎn)品精深加工業(yè)，推進(jìn)“農(nóng)業(yè)＋旅游業(yè)”深度融合，加快培育新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體，促進(jìn)帶動農(nóng)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，成為洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)未來發(fā)展的新模式和新方向。

農(nóng)田面積減少系數(shù)是衡量農(nóng)田面積減少與城鎮(zhèn)化進(jìn)程是否平衡的重要指標(biāo)。由表5可知，2000—2016年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)城鎮(zhèn)化年均增長3.05%，農(nóng)田面積年均降幅為0.08%，C值小于1，表明農(nóng)田面積減少幅度小于城鎮(zhèn)化水平增長幅度，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程中農(nóng)田資源得到了合理利用。2000—2010年城鎮(zhèn)率年均增長2.82%，小于2010—2016年的3.44%，但是C值0.028（2000—2010年）＞0.024（2010—2016年），表明2010—2016年城鎮(zhèn)化進(jìn)程速度增加，農(nóng)田資源利用較為合理。

表5 2000—2016年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田面積減少系數(shù)

3 結(jié)論與討論

2.4.3 政府的宏觀調(diào)控作用 政府宏觀調(diào)控政策包括經(jīng)濟(jì)管理機(jī)制和土地管理機(jī)制［12］。農(nóng)田景觀格局衍變受到不同因素的影響，通過土地流轉(zhuǎn)的形式表現(xiàn)出來［16］。政府擁有土地、信貸、能源等重要稀缺資源的配置權(quán)力，為吸引外資、提高就業(yè)率，政府為企業(yè)提供一系列優(yōu)惠的土地開發(fā)政策，企業(yè)發(fā)展導(dǎo)致建設(shè)用地快速擴(kuò)張并侵占農(nóng)業(yè)用地，建筑廢棄物污染農(nóng)田。1978—2004年，湖南省政府購買大量先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，對農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的平均貢獻(xiàn)率達(dá)到46.73%［17］。1989—2008年湖南省農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力呈直線式增長，年均增長率為6.61%，因此，為進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，政府應(yīng)該增加財政支農(nóng)支出的規(guī)模并提高其使用效率。

2009年湖南省政府將環(huán)洞庭湖基本農(nóng)田建設(shè)列入政府報告，到2011年通過中低產(chǎn)田改造，新增優(yōu)質(zhì)糧田11.20萬hm2。通過農(nóng)村土地綜合整治，可以增加農(nóng)田面積、提高農(nóng)田質(zhì)量、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、提升農(nóng)業(yè)綜合產(chǎn)能［18］。

本研究表明，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)水田分布面積呈減少趨勢，而斑塊數(shù)量呈增加趨勢，表明水田景觀格局破碎化和異質(zhì)性程度有所增加。旱地最大斑塊指數(shù)只占0.2%以上，但斑塊數(shù)量是景觀類型最大值。農(nóng)田景觀格局受干擾程度強(qiáng)，農(nóng)田破碎化程度高。農(nóng)地破碎程度高是限制糧食生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展的根本原因，農(nóng)產(chǎn)品機(jī)械化生產(chǎn)無法普及的后果是生產(chǎn)過度依賴手工勞動和精耕細(xì)作，雖然單產(chǎn)較高，但是勞動力和生產(chǎn)成本高、水源易被污染、生產(chǎn)效率低等。為響應(yīng)政府“退耕還湖”政策，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)應(yīng)充分利用其地理優(yōu)勢，大力發(fā)展精深農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)，進(jìn)一步減輕農(nóng)田耕種壓力，促進(jìn)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)人為活動是農(nóng)田景觀格局變化的主要驅(qū)動因素，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城鎮(zhèn)總體規(guī)劃的實施以及政策變化是農(nóng)田景觀格局演變的主要動力。洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)總面積 46 661.48 km2，常住人口1 645.95萬人，人口基數(shù)大，在推行“退田還湖”政策的同時，生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)應(yīng)調(diào)整農(nóng)田產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，增加政府投資，加強(qiáng)土地管理，合理高效利用農(nóng)田土地資源，推動生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)可持續(xù)化發(fā)展。

在今后的研究中，還應(yīng)將生態(tài)安全納入農(nóng)田區(qū)域中，也應(yīng)充分考慮自身農(nóng)田生態(tài)功能和區(qū)域生態(tài)安全格局的耦合關(guān)系，將優(yōu)質(zhì)農(nóng)田劃分為永久基本農(nóng)田，最大限度保障該地區(qū)糧食生產(chǎn)能力，以確保穩(wěn)定基本農(nóng)田面積和國家糧食安全，因此，研究農(nóng)田面積變化及其驅(qū)動力、建立農(nóng)田面積和質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測體系、合理規(guī)劃農(nóng)田空間格局是洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)今后研究的重要方向。

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