任紅玉,趙宇鸞,葛玉娟
(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)
耕地細(xì)碎化是中國耕地資源的典型特征[1-2],是與耕地規(guī)模經(jīng)營相對立的一種耕地資源利用格局[3-4]。耕地細(xì)碎化阻礙農(nóng)業(yè)規(guī)?;?、專業(yè)化、機(jī)械化發(fā)展,增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,影響農(nóng)業(yè)規(guī)模效益[5-6]。2017年中央一號文件提出了“建立農(nóng)業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營評價指標(biāo)體系,引導(dǎo)規(guī)模經(jīng)營健康發(fā)展”[7]的要求。與此同時,我國正大力實施國土整治和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,耕地細(xì)碎化問題亟待解決。加強(qiáng)耕地細(xì)碎化程度的遙感調(diào)查、評價等相關(guān)研究很有必要。
貴州省特殊的喀斯特地貌,多山地丘陵,少壩地,耕地細(xì)碎化格局顯著[8]。復(fù)雜多樣的地形,農(nóng)業(yè)機(jī)械化難以推行,耕地勞動生產(chǎn)率較低。作為塑造自然環(huán)境的重要因素,地形條件不僅決定地方尺度自然地理綜合體的形態(tài)特征,重新分配了區(qū)域的熱量和水分,很大程度上制約了人類土地利用的方式和強(qiáng)度[9],也對區(qū)域耕地資源分布格局的形成具有重要影響[10-11]。貴州山區(qū)地貌多樣,耕地細(xì)碎化程度具有顯著差異。揭示耕地細(xì)碎化程度與地貌類型的空間耦合關(guān)系,對分類制定差異化土地整治規(guī)劃等具有重要意義。
以貴州省修文縣為案例區(qū),以行政村為評價單元,構(gòu)建耕地細(xì)碎化測度模型,厘清壩區(qū)、丘陵、山地等不同地貌區(qū)耕地細(xì)碎化程度及其空間分異特征,探索細(xì)碎化耕地資源整治路徑,以期為山區(qū)細(xì)碎化耕地資源合理有效利用與保護(hù)提供參考。
修文縣位于貴州省中部,是貴州省省會貴陽市所轄縣(圖1),地理坐標(biāo):106°21′~106°53′ E,26°45′~27°12′ N,土地總面積1 071.47 km2。全縣轄大石鄉(xiāng)、谷堡鎮(zhèn)、久長鎮(zhèn)、六廣鎮(zhèn)、六桶鎮(zhèn)、六屯鎮(zhèn)、龍場鎮(zhèn)、灑坪鎮(zhèn)、小箐鄉(xiāng)、扎佐鎮(zhèn)共10個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)),224個村級行政單元,根據(jù)土地利用分區(qū)和城鎮(zhèn)等建設(shè)區(qū)用途管制要求,避免土地整治資金等資源浪費,不對城鎮(zhèn)、工業(yè)園區(qū)和重點設(shè)施等規(guī)劃建設(shè)涉及占用的8個村級行政單元進(jìn)行耕地細(xì)碎化分析[12],對其余216個行政村進(jìn)行探討。修文縣屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,多年平均氣溫16 ℃,多年平均降水量在1 250 mm左右;地處云貴高原東部斜坡地帶,地形崎嶇,地貌類型多樣,以丘陵、中低山地和盆地(壩子)為主;地勢東北部、東部、東南部較高,西部及西北部較低,海拔介于636~1 589 m之間[13]。2017年修文縣耕地面積488.22 km2,通過修文縣小壩村耕地細(xì)碎化狀況抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn),被調(diào)查農(nóng)戶206戶,戶均耕地總面積0.504 hm2,人均耕地面積0.142 hm2,平均地塊面積為0.113 hm2。近年來,修文縣大力發(fā)展獼猴桃種植等現(xiàn)代山地高效農(nóng)業(yè),但耕地細(xì)碎化制約了農(nóng)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。
圖1 研究區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location of the study area
土地利用數(shù)據(jù)來源于修文縣2017年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫;各行政村人口、戶數(shù)等社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來源于貴陽市統(tǒng)計年鑒、修文縣2017年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報等資料;各行政村路網(wǎng)運用ArcGIS空間分析工具和網(wǎng)絡(luò)分析工具進(jìn)行搭建,進(jìn)行拓?fù)錂z查與拓?fù)溴e誤處理,實現(xiàn)宅基地到耕作地塊的空間連接;DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云,坡度數(shù)據(jù)利用ArcGIS 10.2 空間分析模塊中slope命令計算獲取,地形起伏度采用GIS移動窗口分析法對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行提取獲得,空間自相關(guān)分析在GeoDa中完成。
1.3.1 地貌類型劃分
采用RS和GIS技術(shù)提取修文縣地形起伏度和坡度等地形因子信息,對修文縣地貌類型進(jìn)行劃分。結(jié)合蔡運龍[9]、趙宇鸞[14]、李陽兵[15]、盛佳利[16]、鐘祥浩[17]對貴州地貌類型以及山地分類的相關(guān)研究,將修文縣地貌形態(tài)劃分為壩子、丘陵和山地3類,指標(biāo)界定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。
表1 修文縣山地信息提取與行政村地貌類型劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Mountaininformation extraction and classification standard of administrative village landformsin Xiuwen
1.3.2 耕地細(xì)碎化測度方法
學(xué)者們多選取地塊規(guī)模、地塊密度、地塊形狀以及地塊的空間分散性等變量測度耕地細(xì)碎化程度[18-21]。單一指標(biāo)在一定程度上可以反映耕地細(xì)碎化程度,但耕地具有多重屬性特征,單一指標(biāo)不能全面綜合反映耕地細(xì)碎化程度,綜合指標(biāo)法對耕地細(xì)碎化測度更全面、系統(tǒng)[22]。
耕作距離是影響農(nóng)戶行為決策的關(guān)鍵因素。隨著耕作距離變長,耕地分布格局變得更加分散[23]。耕作距離增加,運輸成本增大,勞動力投入增多,土地利用效率降低[22]。當(dāng)耕作價值為零時,農(nóng)戶會選擇拋荒。地塊面積影響耕地生產(chǎn)效率。農(nóng)戶的塊均耕作面積每增加1個單位,農(nóng)戶每公頃耕地的勞動力工作日投入將減少117.18個單位[24]。地塊形狀影響農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率。在較小面積的三角形地塊上耕翻土地,機(jī)械空轉(zhuǎn)率要比相同面積的長方形地塊增加1.5倍[22]。地塊形狀對農(nóng)業(yè)機(jī)械效率的影響不容忽視。在貴州山區(qū),地塊耕作面積和地塊形狀和耕作距離是導(dǎo)致農(nóng)戶地塊拋荒的主要原因[24]?;诖耍芯窟x用耕作距離指數(shù)(F1)、地塊面積指數(shù)(F2)和地塊形狀指數(shù)(F3)構(gòu)建耕地細(xì)碎化評價指標(biāo)體系測度耕地細(xì)碎化程度。
1)耕地細(xì)碎化指數(shù)計算公式[25]:
(1)
(1)式中,CFLI為村莊的耕地細(xì)碎化指數(shù),F(xiàn)i為第i個評價因子的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值,Wi為第i個評價因子的權(quán)重,n表示評價因子的總個數(shù)。結(jié)合研究區(qū)實際,采用層次分析法[25]計算耕作距離指數(shù)、地塊面積指數(shù)、地塊形狀指數(shù)3個評價因子的Wi值分別為0.398、0.329、0.273。
2)耕作距離指數(shù)(F1)計算公式[24]:
(2)
(2)式中,F(xiàn)1為村莊的耕作距離指數(shù),Si為農(nóng)戶i的耕作網(wǎng)絡(luò)距離(m),m為村莊內(nèi)農(nóng)戶戶數(shù)。F1值越大,表明農(nóng)戶經(jīng)營耕作地塊的通勤時間成本越高,則地塊越分散,耕地細(xì)碎化程度越高;反之,耕地細(xì)碎化程度低。
3)地塊面積指數(shù)(F2)計算公式[26]:
(3)
(3)式中,F(xiàn)2為村莊的地塊面積指數(shù),An為n地塊的地塊面積(m2),k為村莊內(nèi)耕作地塊數(shù)。F2值越大,耕地細(xì)碎化程度越低;反之,耕地細(xì)碎化程度越高。
4)地塊形狀指數(shù)(F3)計算公式[10]:
(4)
(4)式中,F(xiàn)3為村莊的地塊形狀指數(shù),Cn為n地塊的周長(m),An為n地塊的面積(m2)。當(dāng)F3為1時,說明該地塊形狀為正方形;F3越大,表明形狀越不規(guī)整,越不適宜機(jī)械化耕作。
由于各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的量綱不一樣,而且各指標(biāo)間數(shù)據(jù)量級也存在明顯的差異,所以在使用上述指標(biāo)數(shù)據(jù)之前,對所有原始數(shù)據(jù)都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。計算公式[27]如下:
Pij=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)
(5)
Pij=(Xmin-Xi)/(Xmax-Xmin)
(6)
(5)、(6)式中,Pij為歸一化值,Xi為實際值,Xmax、Xmin分別為實際最大值和實際最小值。公式(5)計算正向指標(biāo),即歸一化值越大,細(xì)碎化程度越高;公式(6)計算負(fù)向指標(biāo),即歸一化值越小,細(xì)碎化程度越高。
利用公式(1)~(6),以修文縣行政村為評價單元,計算各評價單元的耕地細(xì)碎化指數(shù),使用自然斷點法劃分修文縣各行政村的耕地細(xì)碎化等級。
1.3.3 空間自相關(guān)分析
空間自相關(guān)分析是通過對事物空間分布差異與變化的研究,揭示事物在一定空間范圍內(nèi)的分布規(guī)律與運行機(jī)制,是空間域內(nèi)聚集程度的一種量度[28-29]。空間自相關(guān)分析包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)[30]??臻g自相關(guān)分析應(yīng)用于研究區(qū)域某單元耕地細(xì)碎化程度與鄰近區(qū)域單元的相關(guān)程度。
1)全局空間自相關(guān)。通過全局空間自相關(guān)分析,判斷修文縣耕地細(xì)碎化在空間上的聚集情況[31]。計算全局空間自相關(guān)最常用的指標(biāo)是Moran′sI,計算公式[30]如下:
(7)
(8)
2)局部空間自相關(guān)
局部空間自相關(guān)能夠反映整個大區(qū)域中,局部小區(qū)域單元上的某種地理現(xiàn)象或某一屬性值與相鄰局部區(qū)域單元上同一現(xiàn)象或?qū)傩灾档南嚓P(guān)程度[27]。計算公式[30]如下:
(9)
(9)式中,Zi、Zj分別為行政村i與行政村j的屬性值的標(biāo)準(zhǔn)化,Wij、n含義與公式(7)、(8)相同。
根據(jù)地貌類型劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)和農(nóng)用地整治原則,將修文縣地貌類型劃分為壩區(qū)、丘陵區(qū)和山地區(qū)3大類型,其中壩區(qū)村40個,丘陵村50個,山地村共126個。從圖2可以看出,3種地貌類型交互組合。山地村和丘陵村主要分布在修文縣東部和西部,壩區(qū)村主要分布在修文縣中部。六桶鎮(zhèn)為山地村-丘陵村組合,大石鄉(xiāng)為丘陵村-山地村組合,六廣鎮(zhèn)為山地村-丘陵村組合,灑坪鎮(zhèn)為山地村-丘陵村組合,小菁鄉(xiāng)為山地村-丘陵村組合,谷堡鎮(zhèn)為山地村-丘陵組村合,久長鎮(zhèn)為壩區(qū)村-丘陵村組合,龍場鎮(zhèn)為山地村-壩區(qū)村-丘陵村組合,扎佐鎮(zhèn)為山地村-壩區(qū)村組合,六屯鎮(zhèn)為山地村-丘陵村組合。
圖2 修文縣行政村地貌類型空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of landforms in the administrative village ofXiuwen
2.2.1 耕地細(xì)碎化單一指標(biāo)評價
運用公式(2)~(4),獲取修文縣各行政村的耕作距離指數(shù)、地塊面積指數(shù)和地塊形狀指數(shù),利用自然斷點法將各細(xì)碎化指數(shù)劃分為微度細(xì)碎化、輕度細(xì)碎化、中度細(xì)碎化、較重度細(xì)碎化和重度細(xì)碎化共5個等級(表2),單一指標(biāo)各等級的數(shù)量占比和空間分布如圖3、圖4所示。
表2 修文縣耕地細(xì)碎化指數(shù)等級及值域Tab.2 Cultivated land fragmentation index grades and ranges in Xiuwen
1)耕作距離指數(shù)評價。從耕作距離指數(shù)來看,微度和輕度細(xì)碎化等級的行政村占比為72.22%(圖3)。細(xì)碎化等級為重度的行政村中,山地村占比最大,為5.56%;其次是丘陵區(qū),為4%;壩區(qū)占比最小,為2.5%。從分布區(qū)域來看(圖4(a)),耕作距離指數(shù)重度細(xì)碎化主要分布于修文縣東部,地貌類型主要是丘陵和山地。
2)地塊面積指數(shù)評價。從地塊面積指數(shù)來看,微度細(xì)碎化、輕度細(xì)碎化和中度細(xì)碎化的行政村分布最多,3個等級占比達(dá)到89.35%(圖3)。細(xì)碎化等級為重度的行政村中,丘陵村占比最大,為6%;其次為山地區(qū),占比為4.76%;壩區(qū)占比為0。從分布區(qū)域來看(圖4(b)),面積指數(shù)重度細(xì)碎化主要分布在修文縣南部,地貌類型主要是山地和丘陵。
3)地塊形狀指數(shù)評價。從地塊形狀指數(shù)來看,中度和輕度細(xì)碎化等級的行政村占研究區(qū)的62.03%(圖3)。細(xì)碎化等級為重度的行政村中,山地村最多,占比為9.52%;其次為丘陵區(qū),占比為6%;壩區(qū)占比為0。從分布區(qū)域來看(圖4(c)),重度細(xì)碎化主要分布于修文縣東部,地貌類型主要為山地和丘陵。
圖3 修文縣耕地細(xì)碎化指數(shù)各等級行政村數(shù)量占比Fig.3 Proportion of administrative villages at each level of cultivated land fragmentation index in Xiuwen
圖4 修文縣耕地細(xì)碎化指數(shù)各等級空間分布Fig.4 Spatial distribution of each grade of cultivated land fragmentation index in Xiuwen
從圖3可以看出,壩區(qū)村的3個指數(shù)中,耕作距離指數(shù)在重度細(xì)碎化中占比最高,即耕作距離是造成壩區(qū)細(xì)碎化程度嚴(yán)重的主要原因;丘陵村中地塊面積指數(shù)和地塊形狀指數(shù)占比最高,說明3個指數(shù)中耕作距離對丘陵區(qū)耕地細(xì)碎化程度的影響最??;山地村3個指數(shù)中地塊形狀對細(xì)碎化程度影響最大,耕作距離次之,地塊面積影響最小。
2.2.2 耕地細(xì)碎化綜合指數(shù)評價
根據(jù)公式(1),計算各行政村的耕地細(xì)碎化指數(shù),利用自然斷點法分等定級,修文縣耕地細(xì)碎化程度評價結(jié)果如圖5、圖6所示。由表2可以看出,耕地細(xì)碎化綜合得分中,最高值0.863和最低值0.110,相差0.753,且變異系數(shù)為0.80,說明各行政村耕地細(xì)碎化程度存在很大差異性。從數(shù)量占比來看(圖5),山地村的重度細(xì)碎化行政村占比最多,為5.56%,丘陵村占比為4%,壩區(qū)村占比為2.5%??梢?,從地貌類型來看,山地村的耕地細(xì)碎化程度普遍高于丘陵村和壩區(qū)村。
圖5 修文縣耕地細(xì)碎化綜合指數(shù)各等級行政村數(shù)量占比Fig.5 Proportion of administrative villages at various levels in the composite index of cultivated land fragmentation in Xiuwen
從綜合指數(shù)的空間分布來看(圖6),重度細(xì)碎化主要分布在小菁鄉(xiāng)、谷堡鎮(zhèn)和扎佐鎮(zhèn),較重度細(xì)碎化主要分布在六桶鎮(zhèn)和六屯鎮(zhèn),中度細(xì)碎化主要分布于六廣鎮(zhèn)、灑坪鎮(zhèn)、大石鄉(xiāng)和龍場鎮(zhèn),微度和輕度細(xì)碎化主要分布于久長鎮(zhèn)。修文縣耕地細(xì)碎化分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,耕地細(xì)碎化格局受地形地貌影響較為嚴(yán)重。地形地貌越復(fù)雜,耕地細(xì)碎化程度相對越高。
圖6 修文縣耕地細(xì)碎化綜合指數(shù)各等級空間分布Fig.6 The spatial distribution of each grade of the comprehensive index of cultivated land fragmentation in Xiuwen
利用Moran′sI指數(shù)判定修文縣耕地細(xì)碎化空間聚集程度,測算出耕作距離指數(shù)、地塊面積指數(shù)、地塊形狀指數(shù)、綜合指數(shù)的Moran′sI指數(shù)分別為0.369、0.470和0.299、0.213,結(jié)果通過Two-tailed 雙側(cè)顯著性檢測,P≤0.05??梢钥闯?,所有耕地細(xì)碎化指數(shù)的Moran′sI值均大于0,表明修文縣耕地細(xì)碎化空間分布具有空間正相關(guān)性而非隨機(jī)分布。
將Moran′sI指數(shù)與LISA 顯著性水平相結(jié)合,可以進(jìn)一步分析耕地細(xì)碎化和地貌類型的局部空間自相關(guān)程度。由圖7和表3可以看出,耕作距離指數(shù)局部正相關(guān)類型為高-高型的行政村有14個壩區(qū)村,10個山地村,3個丘陵村;局部正相關(guān)類型為低-低型的行政村有20個山地村,14個丘陵村,沒有壩區(qū)村。這表明壩區(qū)村的耕作距離更長,其次是山地村,丘陵村相對最短。地塊面積指數(shù)局部正相關(guān)類型為高-高型的行政村有13個山地村,9個丘陵村,沒有壩區(qū)村;局部正相關(guān)類型為低-低型的行政村有22個山地村,20個壩區(qū)村,1個丘陵村。這說明壩區(qū)村的平均地塊面積最大,其次是丘陵村,山地村最小。地塊形狀指數(shù)局部正相關(guān)類型為高-高型的行政村有8個山地村,8個丘陵村,沒有壩區(qū)村;局部正相關(guān)類型為低-低型的行政村有13個壩區(qū)村,10個山地村,2個丘陵村。說明壩區(qū)村的地塊形狀最為規(guī)整,其次是山地村,丘陵村的地塊形狀最為復(fù)雜。耕地細(xì)碎化綜合指數(shù)局部正相關(guān)類型為高-高類型的行政村有15個的山地村,3個丘陵村,沒有壩區(qū)村;局部正相關(guān)類型低-低型的行政村有10個壩區(qū)村,2個丘陵村,沒有山地村。說明山地村的耕地細(xì)碎化程度最高,丘陵村次之,壩區(qū)村最低。
表3 耕地細(xì)碎化指數(shù)與地貌類型空間自相關(guān)性對應(yīng)行政村數(shù)量Tab.3 Numbers of administrative villages corresponding to the spatial autocorrelation of cultivated land fragmentation index and landform type
圖7 修文縣耕地細(xì)碎化指數(shù)空間關(guān)聯(lián)局部指標(biāo)(LISA)集聚圖Fig.7 Aggregation map of spatial correlation local indicators (LISA) of cultivated land fragmentation index in Xiuwen
通過耕地細(xì)碎化各指數(shù)與地貌類型局部自相關(guān)性分析,可以看出耕地細(xì)碎化程度嚴(yán)重的區(qū)域與山地村空間耦合性最好,其次是丘陵村,耦合性最差的是壩區(qū)村。說明山地區(qū)耕地細(xì)碎化程度更嚴(yán)重,壩區(qū)耕地細(xì)碎化程度相對較輕。
對貴州修文縣進(jìn)行地貌類型劃分,根據(jù)山區(qū)耕地資源稟賦差異構(gòu)建測度模型,揭示貴州山區(qū)耕地細(xì)碎化空間分布差異,分析耕地細(xì)碎化的空間集聚格局以及與地貌類型的空間關(guān)聯(lián)性。研究顯示:1)修文縣壩子、丘陵和山地均有分布,其中,壩區(qū)村40個,丘陵村50個,山地村126個。2)修文縣耕地細(xì)碎化綜合指數(shù)最高值為0.863,最低值0.110,變異系數(shù)為0.80,各行政村耕地細(xì)碎化程度存在明顯差異,重度細(xì)碎化的山地村7個,丘陵村2個,壩區(qū)村1個。3)修文縣耕地細(xì)碎化綜合指數(shù)、耕作距離指數(shù)、地塊面積指數(shù)、地塊形狀指數(shù)的Moran′sI指數(shù)分別為0.213、0.369、0.470和0.299,所有耕地細(xì)碎化指數(shù)的Moran′sI值均大于0,表明修文縣耕地細(xì)碎化空間分布具有空間正相關(guān)性而非隨機(jī)分布。4)耕地細(xì)碎化綜合指數(shù)局部正相關(guān)類型為高-高類型的行政村有15個的山地村,3個丘陵村,沒有壩區(qū)村。研究認(rèn)為,修文縣地貌類型復(fù)雜,選取耕作距離指數(shù)、地塊面積指數(shù)、地塊形狀指數(shù)3個指標(biāo)衡量耕地細(xì)碎化程度,能夠真實的反映山區(qū)村莊或土地整治項目區(qū)農(nóng)戶耕作地塊資源稟賦的差異;耕地細(xì)碎化格局受地形地貌影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,地貌越復(fù)雜,耕地細(xì)碎化程度相對越高;山地村的耕地細(xì)碎化程度普遍高于丘陵村和壩區(qū)村。
針對貴州山區(qū)耕地細(xì)碎化程度的區(qū)域差異,應(yīng)開展基于不同地貌類型區(qū)耕地資源稟賦特點的國土整治規(guī)劃和土地資源綜合治理。如,壩區(qū)村細(xì)碎化耕地治理應(yīng)以工程措施為主,積極推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田示范項目區(qū)的建設(shè),加強(qiáng)耕地的細(xì)碎化治理、宜機(jī)化改造,充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)機(jī)械的作用,大力促進(jìn)農(nóng)業(yè)適度規(guī)?;?jīng)營,提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率;丘陵村應(yīng)綜合運用土地整治、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等工程措施和產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策措施治理細(xì)碎化,促進(jìn)農(nóng)業(yè)適度規(guī)?;?jīng)營;而山地村細(xì)碎化耕地治理應(yīng)以調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)等非工程措施為主,發(fā)展經(jīng)果林等山地特色高效農(nóng)行也,提高細(xì)碎化耕地土地集約度和開發(fā)利用水平。土地整治是一項長期而復(fù)雜的工作,認(rèn)識耕地細(xì)碎化空間分異規(guī)律,結(jié)合不同地貌類型的耕地特征,構(gòu)建土地整治引導(dǎo)分區(qū)體系,是后續(xù)研究的重點方向。