于澎 任航

(吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

1 概述

吉林省中部地區(qū)是我國重要的商品糧食基地[1]，本文以吉林省中部地區(qū)為研究區(qū)，包括長春地區(qū)、吉林地區(qū)、四平地區(qū)，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，運用相關(guān)方法進行研究，以1985—2018年吉林省中部耕地的時空分布特征為依據(jù)，論述了耕地的空間分布特征。對比近幾十年來水田與旱田的時空變化，分析影響農(nóng)田變化的自然因素和社會因素。為吉林省中部地區(qū)科學管理農(nóng)田提供科學依據(jù),對促進農(nóng)田可持續(xù)良性發(fā)展具有重要意義[19]。

近些年，土地利用空間格局研究受到了大量學者的關(guān)注，如王愛民等對土地利用的特征指標進行定量分析蘭州市人地關(guān)系的特點[2]。景觀格局也被認為是生態(tài)系統(tǒng)屬性空間變異程度的具體表現(xiàn)[3]。伴隨著城市化和工業(yè)化的加快，現(xiàn)代化技術(shù)的飛速發(fā)展，中國正在從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)社會過渡到現(xiàn)代化的工業(yè)社會，快速發(fā)展的城市化正在不斷改造著農(nóng)村的風景和城市的發(fā)展模式；造成了農(nóng)用地的形態(tài)結(jié)構(gòu)的持續(xù)改變，使其原有的農(nóng)地特色逐漸淡化[20]。另外，大量學者對耕地和建設用地的空間動態(tài)變化進行關(guān)注[4]，趙曉麗等研究了1987年以來中國耕地的變化，2000年前耕地面積略有增加，2000年后耕地總面積逐步減少相對穩(wěn)定[5]。另外，在不同的研究方式下，景觀動態(tài)變化、模擬和景觀動態(tài)的驅(qū)動力等都是本文的主要內(nèi)容，如索倫B·P·克里斯滕斯對丹麥西郊136a的農(nóng)田用地變化進行了分析，結(jié)果表明，在20世紀歐洲農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)用地規(guī)模的變化是主要的驅(qū)動力[21]；Maria Zomeni利用遙感資料及個案分析希臘鄉(xiāng)村的變遷，景觀變遷與農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型之間的聯(lián)系[22]。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

吉林省中部地區(qū)中部位于E125°05′～127°05′、N42°56′～45°15′，東西長769.62km，南北寬606.57km，土地面積18.74萬km2，占中國國土面積的2%，位于東北亞幾何中心地帶和黃金玉米帶[6]。吉林省中部地區(qū)位于中緯度地區(qū)，四季變化分明，屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季月均溫-11.8℃，夏季月均溫23.2℃。夏季月均降水102.7mm，降水主要集中在8月；水系發(fā)達，主要由松花江、拉林河、牡丹江3個水系組成，水資源十分豐富。研究區(qū)內(nèi)由于地構(gòu)造運動，地勢由東南向西北逐漸降低[7]。土壤在人類生產(chǎn)活動中占有重要且必不可少的地位，全省土壤資源總面積為18.65萬km2，吉林省中部地區(qū)中部森林資源十分豐富，樹木種類繁多，屬于溫帶針闊葉混交林，因而樹木品種豐富、質(zhì)量高[8]。

吉林省中部地區(qū)，轄1個副省級市(長春)，7個地級市，1個自治州，面積共為18.74萬km2，截至2018年末，吉林省中部地區(qū)總?cè)丝跀?shù)1070.58萬人，經(jīng)統(tǒng)計全年出生人口7.42萬人，出生率占6.9‰，死亡人口4.93萬人，死亡率占4.6‰，自然增長率呈現(xiàn)正增長，人口性別比為101.09(以女性為100)，GDP為8120億元，人均GDP為7.6萬[5]。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

2.2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所需數(shù)據(jù)來源于農(nóng)田土地利用及社會經(jīng)濟統(tǒng)計，對1986—2018年土地利用數(shù)據(jù)進行研究，其中1986—2010年運用Landsat TM影像解譯數(shù)據(jù)，2018年運用Landsat OLI影像解譯數(shù)據(jù)。

根據(jù)研究目的，將遙感影像通過ERDAS軟件進行標準假彩色合成，合成后對遙感影像數(shù)據(jù)進行前期處理，同1∶10萬地形圖進行對比改正，用高分辨的衛(wèi)星圖像對其進行了驗證，其結(jié)果準確率在92%左右，基本符合本研究需求。

2.2.2 研究方法

2.2.2.1 遙感與地理信息相結(jié)合的信息化分析方法

地理信息系統(tǒng)在對空間數(shù)據(jù)處理相關(guān)領域有廣泛的應用,空間解析的目標是一個或多個數(shù)據(jù)的空間分層，其基本原則是通過分析多個物體的空間關(guān)聯(lián)度來獲取新的相關(guān)信息和新的知識，通過ArcGIS實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的解析，從而實現(xiàn)對地理問題的求解[9]。通過分析多年的遙感影像數(shù)據(jù),按土地使用分級的不同標準進行分類，對其變化進行分析。

2.2.2.2 景觀指數(shù)

景觀聚合度指數(shù)是指某類景觀斑塊相互之間的連接程度，能夠表示其破碎化程度與聚集程度，其計算公式[11]:

(1)

式中，gii表示相應景觀類型的相鄰斑塊數(shù)量[11]。

斑塊凝聚度指數(shù)是指某種景觀斑塊類型在一定情況下的凝聚狀態(tài)，可用來表征景觀類型聚集程度，其計算公式[12]:

(2)

式中，A表示所有景觀的面積；P表示斑塊周長；a表示斑塊面積[11]。

景觀斑塊指數(shù)指整體景觀中，某類景觀所包含的所有斑塊數(shù)量，可用來表征景觀異質(zhì)性、破碎化程度與空間格局,其計算公式[11]:

NP=N

(3)

式中，N為某類型景觀的斑塊數(shù)，NP≥1。

斑塊密度為在每平方千米范圍內(nèi)某種斑塊類型的數(shù)量，可以用來表征景觀斑塊的空間異質(zhì)性與破碎化程度等，其計算公式[12]：

(4)

式中，ni為第i類景觀斑塊的總數(shù)量；A為斑塊總面積[11]。

平均斑塊面積是指在整體景觀中某一斑塊類型的平均面積，表明不同景觀類型間的差異，其計算公式[12]:

AREA-MN=A/N

(5)

香農(nóng)多樣性指數(shù)表示景觀要素的占比大小，用來反映景觀類型的豐富性,其計算公式[13]：

(6)

式中，Pi表示景觀類型i出現(xiàn)的頻率[13]。

香農(nóng)均勻度指數(shù)用來反映不同景觀類型分布的均衡程度，其計算公式[14]：

(7)

式中，Pi表示景觀類型i出現(xiàn)的頻率[13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)田面積變化過程分析

根據(jù)表1農(nóng)田面積變化來看，1995—2000年吉林省中部地區(qū)農(nóng)田耕地面積大幅度增加，增加3700.38km2，農(nóng)田面積逐漸上升；2005—2018年呈下降趨勢，減少299.93km2，主要原因是國家對于自然保護，倡導退耕還林，導致面積逐年下降。旱地面積總體趨勢同農(nóng)田耕地總面積相同，其中2010—2018年旱地面積增加最快，增加539.37km2；水田面積2000—2018年逐年減少，減少876.38km2，主要由于人類活動大量用水導致水資源缺乏，從而導致水田耕地面積大幅度減少。

表1 吉林省中部地區(qū)不同階段農(nóng)田面積變化

從圖2來看，主要分為3個階段。1986—1995年，農(nóng)田面積主要呈現(xiàn)下降趨勢，水田面積減少速率較低；1995—2000年，總體呈現(xiàn)明顯上升趨勢；2000—2018年趨于平穩(wěn)，農(nóng)田耕地面積逐漸穩(wěn)定。

圖2 吉林省中部地區(qū)農(nóng)田面積變化趨勢圖

3.2 農(nóng)田景觀格局動態(tài)分析

3.2.1 聚集度分析

對吉林省中部地區(qū)農(nóng)田聚集度進行分析時，可以選用聚合度指數(shù)(AI)和斑塊凝聚度指數(shù)(COHESION)以及平均鄰近距離指數(shù)(ENN-MN)來判斷農(nóng)田的聚集情況[18]，表2為吉林省中部地區(qū)農(nóng)田的聚集度指數(shù)計算結(jié)果。

表2 吉林省中部地區(qū)農(nóng)田景觀指數(shù)

從圖3中可以看出，在整個研究階段斑塊凝聚度指數(shù)變化呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，而平均鄰近距離指數(shù)不斷下降，1986—2000年變化速率最大，2000—2018年變化速率明顯減小，逐漸趨于穩(wěn)定。聚集度指數(shù)在整個研究階段呈現(xiàn)“下降-上升-下降”的趨勢，但總體變化速率不大，逐年趨于穩(wěn)定，通過以上分析可以看出農(nóng)田聚集程度逐漸增強。

圖3 吉林省中部地區(qū)農(nóng)田聚集度變化

3.2.2 破碎度分析

在分析吉林省中部地區(qū)農(nóng)田破碎度時，本文選用了斑塊密度指數(shù)和斑塊指數(shù)以及平均斑塊面積指數(shù)[11]，其中破碎化程度隨著斑塊密度(PD)的上升而增強。通過斑塊指數(shù)和平均斑塊面積可以更精準判斷出農(nóng)田破碎化程度。表3為吉林省中部地區(qū)農(nóng)田破碎化景觀指數(shù)計算結(jié)果。

表3 吉林省中部地區(qū)農(nóng)田景觀指數(shù)

通過表3可以看出，斑塊密度呈現(xiàn)下降的趨勢，表明吉林省中部地區(qū)農(nóng)田破碎化程度逐年減弱，通過圖4可以看出，斑塊指數(shù)(NP)以1995年為節(jié)點先降后增，平均斑塊面積(AREA-MN)以2005年為節(jié)點先增后降，且變化速率較快，說明吉林省中部地區(qū)農(nóng)田破碎化程度并不明顯。

圖4 吉林省中部地區(qū)農(nóng)田破碎度變化

3.2.3 多樣性分析

對吉林省中部地區(qū)農(nóng)田進行多樣性研究時，可以選擇香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)來進行判斷[15]，香農(nóng)多樣性指數(shù)主要反映景觀分布均衡程度，香農(nóng)均勻度指數(shù)主要反映各類型面積所占比例。

表4 吉林省中部地區(qū)農(nóng)田景觀指數(shù)

由圖5可以看出，1995—2000年，香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)有所降低，下降了0.02，而香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)有所上升，說明其景觀分布不均衡，景觀空間異質(zhì)程度呈下降趨勢。2000—2018年間，變化并不明顯。

圖5 吉林省中部地區(qū)農(nóng)田多樣性變化

3.3 農(nóng)業(yè)格局動態(tài)變化影響因素分析

3.3.1 自然因素

為研究氣候因素對吉林省中部地區(qū)農(nóng)田變化的影響，本文對吉林省中部地區(qū)長春市所在研究區(qū)范圍內(nèi)的年平均降水量和年平均氣溫進行分析，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[16]，如圖6所示，1986—2000年，長春市降水量逐年下降，2000—2010年，降水量逐年上升；1995—2010年，長春市年均氣溫逐年降低,2018年較往年相比，年均降水量減少，年均氣溫升高。

圖6 長春市研究范圍內(nèi)年降水量和年平均氣溫變化

由于1986—1995年降水量減少氣溫升高，導致土壤干旱，在這一階段農(nóng)田面積有所減少。2000—2010年降水量逐年上升，氣溫逐年降低，土壤濕潤利于種植，在這一階段農(nóng)田面積較往年大幅度增加。由于2018年年降水量下降，氣溫升高，導致氣候干旱水田面積減少農(nóng)田總面積減少。

3.3.2 社會經(jīng)濟因素

農(nóng)田格局變化受多方面因素的影響，除了上述研究的自然影響因素外，社會經(jīng)濟因素對農(nóng)田格局的變化也起了巨大的推動作用。本研究使用人口、經(jīng)濟等方面對吉林省中部地區(qū)農(nóng)田格局變化產(chǎn)生的影響進行分析。

表5 1986—2018年吉林省中部地區(qū)人口、GDP、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值變化情況

3.3.2.1 人口因素

隨著吉林省中部地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，吉林省中部地區(qū)人口數(shù)逐年增加，其中1986—1995年這一階段人口增長速率最快，人類對住房需求量增加，建設用地增多導致占用農(nóng)田，使得農(nóng)田面積在這一階段減少；隨著人類對糧食需求量的升高，導致加大土地的開墾使其變?yōu)檗r(nóng)田，同時由于吉林省中部地區(qū)氣候土壤條件十分優(yōu)越，適合耕種，導致農(nóng)田面積不斷增加，后期保持穩(wěn)定。

3.3.2.2 經(jīng)濟因素

市場經(jīng)濟在社會主義大環(huán)境下，發(fā)展迅速，取得了一定成果，市場機制也漸趨完善，成為影響調(diào)控農(nóng)田開發(fā)利用方式的重要因素[17]。一直以來，吉林省中部地區(qū)的種植業(yè)發(fā)展較好，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟占有重要優(yōu)勢，研究區(qū)1986年GDP為227.15億元，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值貢獻了76.07億元，占比33.49%，研究區(qū)2018年GDP為15074.62億元，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值貢獻了992.96億元，占比6.59%。在研究范圍內(nèi)，地區(qū)生產(chǎn)總值逐年快速增長，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，建設用地逐漸增多，必然對農(nóng)田耕地面積產(chǎn)生影響。在國家政策的保護下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值一直保持增長狀態(tài)。

4 結(jié)論

本研究以吉林省中部地區(qū)為研究區(qū)，通過ArcGIS軟件和景觀格局軟件進行分析，對吉林省中部地區(qū)1986—2018年近30a農(nóng)田面積變化，以及景觀格局進行分析研究；同時對影響農(nóng)業(yè)格局變化的自然和社會因素進行了分析總結(jié)。

1986—2018年，農(nóng)田的總面積由8994.93km2增加到10434.89km2，旱地和水田面積均增加，其中1995—2000年增長速率最快，2000—2018年農(nóng)田面積趨于平穩(wěn)。

聚集度指數(shù)在整個研究過程中呈現(xiàn)“下降-上升-下降”的趨勢，但總體變化速率不大，逐年趨于穩(wěn)定，表示農(nóng)田聚集程度逐漸增強；農(nóng)田斑塊密度呈現(xiàn)下降的趨勢，斑塊指數(shù)(NP)和平均斑塊面積(AREA-MN)變化速率較小，表明吉林省中部地區(qū)農(nóng)田破碎化程度逐年減弱；1995—2000年香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)發(fā)生大幅度波動，SHDI下降了0.02，SHEI上升了0.318，表明研究區(qū)范圍內(nèi)景觀類型分布均勻程度和景觀空間異質(zhì)程度降低，各類型面積所占比例間的差距減小，后期均保持平穩(wěn)。