蓋兆雪, 陳旭菲, 杜國明

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理與法學(xué)院, 哈爾濱 150030)

糧食安全是國家安全的重要基礎(chǔ)，是治國理政的頭等大事[1]。確保國家糧食安全，把中國人的飯碗牢牢端在自己手中，根本在于耕地[2]。目前，耕地破碎化已成為中國農(nóng)業(yè)發(fā)展中的一個突出問題[3-4]。耕地破碎化不僅造成農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)成本極大浪費，降低糧食產(chǎn)出效益[5-6]，而且導(dǎo)致機(jī)械化水平難提高、種植業(yè)分區(qū)輪作制度難建立[7]，對國家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成巨大威脅，這些問題受到國家相關(guān)部門的高度重視。習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)：“人多地少是我國的基本國情，也決定了我們必須像保護(hù)大熊貓一樣保護(hù)耕地，絕不能讓中國飯碗有閃失?！?021年中央一號文件提出“加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，健全現(xiàn)代農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)體系，推動新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體按標(biāo)生產(chǎn)。”然而，由于社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，耕地逐漸被建筑用地和基礎(chǔ)設(shè)施用地等土地類型占用，導(dǎo)致連片耕地被切割，造成耕地地塊大小不一、形狀各異且空間不相連[8]。耕地破碎化已難以適應(yīng)農(nóng)業(yè)集約化、現(xiàn)代化和規(guī)?；陌l(fā)展需求[9]。因此，在人多地少的基本國情下，加強(qiáng)耕地破碎化研究，對保障國家糧食安全和落實“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略具有重要的理論和實踐意義。

目前關(guān)于耕地破碎化測度的研究主要體現(xiàn)在微觀角度、區(qū)域中觀角度、區(qū)域宏觀角度3個方面。微觀角度，基于農(nóng)戶視角側(cè)重于以農(nóng)戶經(jīng)營利用耕地狀況指標(biāo)表征農(nóng)戶的耕地破碎化程度[10-11]，如葛玉娟等[12]利用無人機(jī)高分辨率影像和農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)，在對比不同通勤距離情景耕地細(xì)碎化測度模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，計算農(nóng)戶耕地細(xì)碎化指數(shù)；區(qū)域中觀角度，從景觀生態(tài)學(xué)視角出發(fā)利用遙感影像數(shù)據(jù)以景觀指數(shù)為切入點來衡量耕地破碎度[13-15]，如陳帷勝等[16]選取平均地塊面積、地塊密度、邊界密度指數(shù)、面積加權(quán)形狀指數(shù)等對耕地破碎度進(jìn)行評價；區(qū)域宏觀角度，從自然—人為視角出發(fā)，基于耕地資源稟賦、空間屬性和利用屬性等特征評估耕地破碎化程度，如劉晶等[17]從資源規(guī)模性、空間集聚性和利用便利性三方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系對江蘇省耕地破碎化進(jìn)行評價。研究方法多采用綜合評價法和景觀指數(shù)法。然而，研究視角的不同會導(dǎo)致耕地破碎化測度結(jié)果存在差異。縱觀來看，耕地破碎化不僅是一個時間表現(xiàn)，也是一個空間過程，但以往研究多以耕地破碎化測度分析為主，分析不同時間段耕地破碎化程度，而對某一區(qū)域耕地破碎化的空間異質(zhì)性分析較少，缺少耕地破碎化的空間信息。因此，在直觀空間位置的動態(tài)研究方面亟待加強(qiáng)。鑒于此，本研究基于移動窗口技術(shù)，構(gòu)建耕地破碎化識別模型，劃分耕地破碎化類型，在像元水平上定量反映耕地破碎化過程，揭示耕地破碎化的類型、面積和空間分布特征，為空間上定量評價耕地破碎化過程奠定基礎(chǔ)，為耕地制度完善和農(nóng)村土地制度改革提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

以黑土區(qū)典型縣——拜泉縣為研究區(qū)，拜泉縣位于東經(jīng)125°30′—126°31′，北緯47°20′—47°55′，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征。土地面積為3 599.15 km2，下轄7鎮(zhèn)9鄉(xiāng)186個村，總?cè)丝?9.6萬人，其中農(nóng)村人口50.8萬人，占總?cè)丝诘?5.23%。由2015年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)可知，拜泉縣耕地面積為250 200 hm2，占土地總面積的69.52%(圖1)。拜泉縣地處小興安嶺余脈與松嫩平原的過渡地帶，漫川漫崗區(qū)、淺山區(qū)、低丘陵所占比例較大，地勢自東北向西南傾斜。拜泉縣是國家重要糧食主產(chǎn)區(qū)，主要從事傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，然而，隨著長期不合理的耕種方式以及區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、建設(shè)用地占用、水土流失、人口流動等，導(dǎo)致耕地出現(xiàn)不同程度的破碎化，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。

圖1 拜泉縣高程和耕地分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)來源于2000年、2005年、2010年、2015年4期Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)。選取6—9月云覆蓋率小于10%且分辨率為30 m的遙感影像。借助ENVI軟件平臺進(jìn)行圖像校正、鑲嵌、增強(qiáng)和裁剪等預(yù)處理，并采用監(jiān)督分類、人工目視解譯和野外調(diào)查等手段，基于研究區(qū)2012年土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)和第三次土地調(diào)查縣級數(shù)據(jù)庫，對驗證提取的耕地結(jié)果進(jìn)行檢驗。最終確定研究區(qū)土地利用類型，將拜泉縣土地利用類型分為：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個一級類型。同時對分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(Kappa系數(shù)均超過0.89)，解譯結(jié)果滿足研究需要。本文采用一級分類(耕地)進(jìn)行破碎化分析，把耕地分為旱地、水田和水澆地。

2.2 移動窗口技術(shù)方法

Riitters等[18]基于移動窗口技術(shù)(窗口為奇數(shù))，以土地利用數(shù)據(jù)類型聚合后的森林像元與鄰近森林像元邊界的數(shù)量特征定量分析森林破碎化空間格局。本研究也借助此種思想，對拜泉縣的耕地破碎化進(jìn)行評價。具體為，利用4期處理后的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化的重分類(定義耕地=1，非耕地=0)；為確保結(jié)果的可靠性，經(jīng)調(diào)試確定移動窗口為9×9，并使其中心定位于一耕地像元(若中心像元為非耕地像元，則不進(jìn)行后續(xù)分析)，Pl為耕地面積密度指數(shù)，是指在既定大小的窗口中耕地像元(Nl)與像元總數(shù)(Nt)的比例；Pll為總體耕地連接度指數(shù)，是指既定大小的窗口中，主方向上相鄰像元均為耕地像元的像元對數(shù)(Dll)占總像元對數(shù)(Dl)(像元中至少由一個耕地像元)的比例[19]。Pll可以判定一個耕地像元的相鄰像元也是耕地像元的可能性，詳細(xì)的計算公式如下：

(1)

(2)

圖2表示假想的3×3的窗口中，灰色方格代表耕地，白色方格代表非耕地，像元總數(shù)為9。Pl=6/9；Pll=5/11。

圖2 耕地破碎化模型原理

Stauffer等提出的滲透理論定義了Pl的臨界值為0.6[20]。借助Pl和Pll的測度值，結(jié)合滲透理論，將耕地像元分為核心耕地、孔洞耕地、邊緣耕地和斑塊耕地4種類型(表1)。

表1 耕地破碎化類型特征解釋

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地破碎化時空演變分析

基于移動窗口技術(shù)方法生成2000年、2005年、2010年和2015年4個時期的拜泉縣耕地破碎化分布圖，確定耕地破碎化類型特征分別為：核心耕地、孔洞耕地、邊緣耕地和斑塊耕地(圖3)。從空間尺度來看，2000—2015年拜泉縣耕地破碎化呈現(xiàn)“孔洞耕地為主導(dǎo)，核心耕地分布集中”的特點?？锥锤貜V泛分布在整個縣域上，核心耕地主要集中分布在海拔相對平緩的西南部，邊緣耕地主要分布在其他土地利用類型周圍或縣域邊界地帶，斑塊耕地分布比較零散。

隨著時間的變化，2000—2015年拜泉縣耕地破碎化程度整體呈現(xiàn)“緩慢—急劇—緩慢”的趨勢，其中孔洞耕地比例最高(>60%)，斑塊耕地比例最低(<0.2%)，核心耕地和邊緣耕地比例介于兩者之間。2000—2015年除核心耕地比例下降外，孔洞耕地、斑塊耕地、邊緣耕地比例均大致呈上升趨勢，說明研究區(qū)耕地破碎化程度有增加趨勢。其中核心耕地比例下降幅度最大，由2000年的26.93%減少到2015年的22.86%，減少了4.07%；而孔洞耕地比例增加幅度最大，由2000年的60.25%增加至2015年的64.08%，增加了3.83%。2005—2010年是耕地破碎化變化的快速時期，該階段核心耕地比例快速減少，孔洞耕地和斑塊耕地比例快速增加，主要由于社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，耕地非農(nóng)化現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致大片耕地被切割。2010—2015年孔洞耕地比例下降了0.07%，而核心耕地、斑塊耕地比例分別增加了0.05%，0.02%，可能是由于土地整治工程的實施，在一定程度上將部分破碎化的耕地集中連片，但隨著水土流失的加劇以及農(nóng)田防護(hù)措施的實施，導(dǎo)致部分耕地再一次被切割?？傮w來看，雖然拜泉縣斑塊耕地占比較低，耕地破碎化不是很嚴(yán)重，但是自2010年社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以來，斑塊耕地一直處于增加的趨勢，耕地破碎化問題日益突出(表2)。

圖3 2000-2015年拜泉縣耕地破碎化分布

表2 2000-2015年拜泉縣耕地破碎化類型面積比例 %

3.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)級區(qū)域尺度破碎化時空特征分析

從鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度進(jìn)一步分析拜泉縣耕地破碎化程度。由于地形地貌是導(dǎo)致耕地破碎化的客觀原因，因此，依據(jù)拜泉縣DEM分布圖，以高海拔為分界線將拜泉縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分為3個區(qū)域：西部(長春鎮(zhèn)、大眾鄉(xiāng)、豐產(chǎn)鄉(xiāng)、永勤鄉(xiāng)、時中鄉(xiāng)、富強(qiáng)鎮(zhèn)、愛農(nóng)鄉(xiāng))、中部(興農(nóng)鎮(zhèn)、興華鄉(xiāng)、上升鄉(xiāng)、拜泉鎮(zhèn)、興國鄉(xiāng)、龍泉鎮(zhèn)和新生鄉(xiāng))、東部(富強(qiáng)鎮(zhèn)和三道鎮(zhèn))。

2000—2005年西部地區(qū)斑塊耕地比例增加，邊緣耕地、孔洞耕地和核心耕地比例減少，其中斑塊耕地比例增加幅度最大，耕地破碎化程度呈上升趨勢；中部地區(qū)斑塊耕地和邊緣耕地比例增加，其中斑塊耕地比例最大，孔洞耕地和核心耕地比例均有減少，耕地破碎化程度也逐漸增加；東部地區(qū)斑塊耕地和孔洞耕地比例明顯增加，邊緣耕地和核心耕地比例減少，耕地破碎化程度進(jìn)一步加劇。2010—2015年西部地區(qū)斑塊耕地和孔洞耕地比例呈增加趨勢，邊緣耕地和核心耕地比例減少；中部地區(qū)除核心耕地外，其他耕地類型比例均有所下降；東部地區(qū)除核心耕地外，其他類型耕地比例均增加。整體來看，2000—2005年西部和東部耕地破碎化程度較大；2010—2015年除中部地區(qū)，其余地區(qū)斑塊耕地比例均穩(wěn)定增加，核心耕地的面積比例減少，耕地破碎化程度不斷加劇，尤其是水土流失嚴(yán)重的西部地區(qū)耕地破碎化程度增加明顯(圖4)。

3.3 村級尺度耕地破碎化時空特征分析

本文在村級尺度上對拜泉縣186個村的耕地破碎化程度進(jìn)行分析。由于數(shù)據(jù)量大且比較分散，村與村之間耕地破碎化程度不盡相同，難以確定破碎化程度最低的村，但可以看出各村的耕地破碎化程度存在較大差異，因此，在科學(xué)性、層次性及可區(qū)分性原則的基礎(chǔ)上定義合適的斷點，結(jié)合ArcGIS軟件對其進(jìn)行分級，將2015年各種耕地破碎化類型分為3級，見圖5。

斑塊耕地比例3級區(qū)為：Ⅰ級區(qū)(0～15.0)、Ⅱ級區(qū)(15.0～40.0)、Ⅲ級區(qū)(40.0～65.0)。由圖5A可以看出，眾義村、東風(fēng)村、有富村、長榮村、六合村、合理村、興隆村、清潔村、勤勞村、龍泉村、文明村、永樂村、新樂村、保勝村、愛眾村、興國村、合心村、利華村18個村的斑塊耕地處于Ⅲ級區(qū)，說明耕地破碎化程度比較嚴(yán)重。其中合心村耕地破碎化程度較高，其次為龍泉村，原因可能一方面是受到耕地非農(nóng)化的影響，另一方面是由當(dāng)?shù)氐乃亮魇Ш偷匦蔚孛蔡卣骶C合作用決定。27個村的斑塊耕地處于Ⅱ級區(qū)，耕地破碎化程度相對較大。其他大部分村斑塊耕地比例處于I級區(qū)。孔洞耕地比例3級區(qū)為：I級區(qū)(0～25.0)、Ⅱ級區(qū)(25.0～50.0)、Ⅲ級區(qū)(50.0～75.0)。由圖5B可以看出，研究區(qū)37%以上村孔洞耕地比例處于Ⅲ級區(qū)，耕地密度大于60%且耕地密度大于耕地連接度，主要分布在西南部，40%以上村孔洞耕地比例處于Ⅱ級區(qū)?？梢?，斑塊耕地比例有可能增加，耕地破碎化程度將會加劇。邊緣耕地比例3級區(qū)為：Ⅰ級區(qū)(0～40.0)、Ⅱ級區(qū)(40.0～70.0)、Ⅲ級區(qū)(70.0～100.0)。由圖5C可以看出，邊緣耕地比例處于Ⅲ級區(qū)僅有一個為拜泉縣城區(qū)，Ⅱ級區(qū)主要分布拜泉縣邊界。核心耕地比例3級區(qū)為：I級區(qū)(0～45.0)、Ⅱ級區(qū)(45.0～65.0)、Ⅲ級區(qū)(65.0～85.0)。由圖5D可以看出，研究區(qū)25%左右的村核心耕地比例處于Ⅲ級區(qū)，耕地破碎化程度最低，主要是由于自然條件較好且水土流失較輕。50%以上的村核心耕地比例處于Ⅱ級區(qū)。

圖4 2000-2015年鄉(xiāng)鎮(zhèn)級耕地破碎化類型面積比例

4 耕地破碎化成因分析

耕地破碎化現(xiàn)象的產(chǎn)生受自然-人文雙重因素共同作用，不同歷史時期不同因素的影響程度不盡相同。結(jié)合研究區(qū)自然資源稟賦、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求與農(nóng)村土地制度改革等因素，將研究區(qū)耕地破碎化成因劃分為4個層面，分別為自然切割力、管理切割力、利用切割力和設(shè)施切割力。

4.1 自然切割力破碎化過程

自然因素是導(dǎo)致拜泉縣耕地破碎化的客觀原因，可以細(xì)分為兩個方面：內(nèi)營力和外營力。內(nèi)營力主要取決于地形地貌特征，拜泉縣位于漫川漫崗區(qū)，淺山區(qū)、低丘陵所占比例較大。如西南部地形高低起伏，且洼地和鹽堿地相對較多，在一定程度上難以形成連片耕地。外營力主要體現(xiàn)在風(fēng)力、水力等方面。拜泉縣水土流失嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為坡耕地黑土層流失和水土流失形成的侵蝕溝，將連片耕地切割成多個形狀各異、大小規(guī)模不一的地塊。另外，個別村由于多年嚴(yán)重的水土流失，導(dǎo)致耕地喪失生產(chǎn)能力，出現(xiàn)撂荒現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇了拜泉縣耕地破碎化。

4.2 管理切割力破碎化過程

拜泉縣在家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制下，村集體需要平衡不同家庭之間的權(quán)益，按照耕地數(shù)量、質(zhì)量、位置等發(fā)包耕地，使得農(nóng)戶擁有多個面積和距離不等的地塊，造成耕地空間上的不相連。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，耕地承包者將持有的耕地按照地塊租賃給多個農(nóng)戶，以及諸子繼承思想和饋贈也導(dǎo)致耕地進(jìn)一步分散。管理切割力主要體現(xiàn)在兩個方面：權(quán)屬管理和經(jīng)營管理。權(quán)屬管理是由于行政村村民小組的存在，使得土地所有權(quán)被細(xì)分化到村民小組，又在聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制下分配給農(nóng)戶，導(dǎo)致耕地被分割成多個大小不一且不相連的耕作地塊；經(jīng)營管理是將耕地承包者轉(zhuǎn)租給經(jīng)營者導(dǎo)致的耕地權(quán)屬進(jìn)一步的分割。

圖5 2015年拜泉縣村級耕地破碎化類型百分比

4.3 利用切割力破碎化過程

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，拜泉縣為滿足其生產(chǎn)、生活、生態(tài)需求，使得區(qū)域內(nèi)的一些耕地和其他土地利用類型發(fā)生改變。耕地破碎化原因主要表現(xiàn)在耕地用途改變和線狀地物切割兩個方面。由于居民點、林地、公路等不同類型用地占用耕地，導(dǎo)致原有的連片耕地被切割、局部占用或“穿心”，如拜泉縣為全國造林綠化百佳縣，大量植樹造林在一定程度上造成耕地空間不連續(xù)。同時拜泉縣為黑龍江省深度貧困縣，大量養(yǎng)殖場、工廠的修建將會再次加深耕地破碎化程度。

4.4 設(shè)施切割力破碎化過程

為提高農(nóng)田灌溉能力、耕作便捷程度、農(nóng)田防護(hù)水平等，在耕地中修筑農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和修建附屬設(shè)施，使得一些耕地被占用。設(shè)施切割力主要體現(xiàn)在兩個方面：線狀基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和面狀、點狀附屬設(shè)施的建設(shè)。如拜泉縣農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施以修建田坎、溝渠、防護(hù)堤、防護(hù)林為主，附屬設(shè)施以修建育秧棚、曬水池、晾曬場、農(nóng)機(jī)站為主，在一定程度上破壞耕地地塊完整性，加劇了耕地破碎化程度。

綜上，地貌起伏是拜泉縣耕地自然切割力最穩(wěn)定的部分，而水土流失進(jìn)一步加劇了自然切割力；隨著城鎮(zhèn)化、生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，耕地非農(nóng)化是利用切割力的直接表現(xiàn)，導(dǎo)致拜泉縣耕地進(jìn)一步破碎化；設(shè)施切割力是耕地功能性提升的重要舉措，也是保護(hù)耕地的有效手段，但也會加劇耕地破碎化；管理切割力，從歷史角度來看，耕地產(chǎn)權(quán)破碎化是造成拜泉縣耕地破碎化現(xiàn)象的根本原因。

5 討論與結(jié)論

5.1 討 論

本文利用移動窗口技術(shù)，在像元水平上定量反映耕地破碎化過程，揭示耕地破碎化的基本特征和時空格局，為耕地破碎化的治理提供一定依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)耕地破碎化程度變化較為明顯，2005—2010年研究區(qū)處于社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時期，大量耕地被占用。因此，此階段耕地破碎化變化最為顯著。研究區(qū)處于黑土區(qū)水土流失典型地帶，且近15 a來為獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，占用大量耕地，可見，水土流失、耕地非農(nóng)化是研究區(qū)耕地破碎化的主要因素，研究結(jié)果與研究區(qū)的發(fā)展一致。

此外，耕地破碎化在不同尺度上呈現(xiàn)出不同結(jié)果，本文采用移動窗口技術(shù)構(gòu)建耕地破碎化模型，在像元水平上定量反映耕地破碎化過程，描述耕地破碎化的空間信息，但忽略了適宜尺度的選擇。未來基于移動窗口技術(shù)并引入尺度選擇模型，確定耕地破碎化的最佳窗口尺度，增加結(jié)果的精度。耕地破碎化受自然—人文雙重因素影響，本文從自然、管理、利用和設(shè)施切割力4個方面進(jìn)行定性分析，未能探尋不同影響因素對耕地破碎化的作用強(qiáng)度、大小和方向。未來基于計量分析模型或地理探測器模型，從以上4個方面選取適宜指標(biāo)，揭示耕地破碎化的形成機(jī)制。

5.2 結(jié) 論

(1) 2000—2015年拜泉縣耕地破碎化程度整體呈現(xiàn)“緩慢-急劇-緩慢”的趨勢，2005—2010年是耕地破碎化變化的快速時期，核心耕地比例快速減少，孔洞耕地和斑塊耕地比例快速增加。

(2) 拜泉縣耕地破碎化呈現(xiàn)“孔洞耕地為主導(dǎo)，核心耕地分布集中”的特點。2000年拜泉縣斑塊耕地占比較低，耕地破碎化不是很嚴(yán)重，但是自2010年以后社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以來，斑塊耕地一直處于增加的趨勢，耕地破碎化問題日益突出。

(3) 鄉(xiāng)鎮(zhèn)級尺度上，2000—2005年西部和東部耕地破碎化程度較大；2010—2015年，除中部地區(qū)外，其余地區(qū)斑塊耕地比例均穩(wěn)定增加，核心耕地比例減少，耕地破碎化程度加劇。

(4) 村級尺度上，拜泉縣各個村的耕地破碎化程度有較大差異，其中18個村耕地破碎化程度較高。

(5) 拜泉縣耕地破碎化成因主要源于自然切割力、利用切割力、設(shè)施切割力和管理切割力的影響。其中水土流失、耕地非農(nóng)化、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制是拜泉縣耕地破碎化的主要因素。