摘要：利用中國(guó)科學(xué)院30 m分辨率的土地利用影像與糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)，借助景觀生態(tài)學(xué)方法和空間統(tǒng)計(jì)分析手段，在景觀級(jí)別、鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上探究潛江市水田、旱地景觀破碎效應(yīng)同糧食產(chǎn)量變化的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，2010—2018年研究區(qū)的糧食產(chǎn)量基本維持穩(wěn)定；東南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本維持穩(wěn)定，其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)增加的變化態(tài)勢(shì)，且這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)在2010年后也大多轉(zhuǎn)增為減；水田景觀破碎效應(yīng)受斑塊數(shù)量的影響較大，旱地景觀破碎化受斑塊形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響較大。為保障區(qū)域糧食產(chǎn)出均衡，應(yīng)重點(diǎn)改善區(qū)域的旱地景觀形狀，治理內(nèi)部結(jié)構(gòu)破碎化，保障區(qū)域產(chǎn)糧安全。

關(guān)鍵詞：景觀破碎化；糧食產(chǎn)量；時(shí)空格局；空間數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：F323" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2023）03-0001-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.03.001 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis on the correlation between cultivated land landscape fragmentation and

regional grain yield change

CHEN Xi， HE Zhen， FANG He-nan， ZHAO Xue-mei， LU Guo-wen， XUE Kai-ren

（College of Urban amp; Environmental Sciences/Key Laboratory for Geographical Process Analysis amp; Simulation of Hubei Province，

Central China Normal University，Wuhan" 430079，China）

Abstract：Based on the land use image and grain yield data of the Chinese Academy of Sciences with a resolution of 30 m， and with the help of landscape ecology methods and spatial statistical analysis methods， this paper explored the correlation between the landscape fragmentation effect of paddy fields and dry lands and the change of grain yield in Qianjiang City at the landscape level and township scale. The results showed that the grain output of the study area was basically stable from 2010 to 2018； the internal structure of cultivated land in the towns and townships in the southeast was basically stable， while the remaining towns and townships were showing an increasing trend of change， and most of these towns and townships had changed from increase to decrease after 2010； the fragmentation effect of paddy field landscape was greatly affected by the number of patches， while that of dry land landscape was greatly affected by the shape and internal structure of patches. In order to ensure the balance of regional grain output， the shape of dryland landscape in the region should be improved， control the fragmentation of internal structure should be controlled， so as to ensure the safety of regional grain production.

Key words：landscape fragmentation； grain yield； spatial and temporal pattern； spatial data

未來(lái)十幾年，全球氣候變化會(huì)給糧食產(chǎn)量的提升帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，土地利用模式及農(nóng)作物選種技術(shù)創(chuàng)新會(huì)引發(fā)全球耕地面積和耕地質(zhì)量的雙重變化［1］。城市擴(kuò)張將進(jìn)一步導(dǎo)致全球耕地面積減少，預(yù)測(cè)約80%的耕地?fù)p失會(huì)發(fā)生在亞洲和非洲區(qū)域［2］。耕地資源縮減、質(zhì)量下降會(huì)危及國(guó)家糧食安全［3-6］。耕地利用空間格局與人類生計(jì)可持續(xù)息息相關(guān)，密切關(guān)注耕地景觀格局變化，遏制其破碎化，對(duì)提升耕地資源管控治理能力和保障區(qū)域糧食生產(chǎn)供應(yīng)有重要作用［7］。當(dāng)前中國(guó)部分南方區(qū)域的耕地存在數(shù)量減少、質(zhì)量變差、耕地景觀破碎化等一系列突出問(wèn)題，區(qū)域糧食安全存有隱患［8，9］。以中國(guó)主要的糧食產(chǎn)區(qū)湖北省江漢平原為例，近年來(lái)受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)，水田、旱地等地表景觀發(fā)生變化，人為因素加劇了景觀的破碎化，打破當(dāng)?shù)丶Z食的供需平衡，導(dǎo)致供不應(yīng)求［10-12］。應(yīng)對(duì)耕地的景觀破碎化，保障區(qū)域產(chǎn)糧穩(wěn)定供給，辨識(shí)多年糧食生產(chǎn)及耕地景觀破碎化格局，厘清二者關(guān)系對(duì)合理利用耕地、保障人民膳食結(jié)構(gòu)供給具有重要現(xiàn)實(shí)意義［13-17］。耕地變化與糧食安全問(wèn)題一直廣受學(xué)界關(guān)注，但缺乏二者的科學(xué)量化分析?；诰坝^生態(tài)視角，探究耕地破碎化格局同區(qū)域糧食生產(chǎn)的關(guān)系，探析出景觀生態(tài)破碎效應(yīng)對(duì)糧食產(chǎn)量的影響，對(duì)未來(lái)合理利用耕地資源、穩(wěn)定糧食生產(chǎn)具有重要意義，也是中國(guó)進(jìn)一步推進(jìn)“藏糧于地”戰(zhàn)略落地的重要科學(xué)支撐。

嚴(yán)金明等［18］、鄧軍等［19］認(rèn)為未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)中國(guó)的耕地面積和糧食生產(chǎn)面積會(huì)顯著下降，農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步可以促進(jìn)糧食單產(chǎn)提升，但耕地面積變化對(duì)糧食生產(chǎn)能力的影響大于糧食單產(chǎn)能力變化。羅海平等［20］聚焦于耕地?cái)?shù)量與質(zhì)量變化，通過(guò)探究二者與區(qū)域產(chǎn)糧量的關(guān)系，得出耕地的數(shù)量和質(zhì)量是約束區(qū)域糧食生產(chǎn)的先決條件。隨著耕地利用集約度變化概念的提出，耕地的耕作方式會(huì)改變耕地景觀地表形狀，地表破碎化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)失調(diào)比耕地?cái)?shù)量減少更能威脅糧食安全［21］。近年來(lái)，景觀破碎化是土地利用與覆被變化的研究熱點(diǎn)，相關(guān)研究主要集中在單一地類景觀破碎化的時(shí)空特征變化描述上，或運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)和景觀安全格局理論的方法，揭示在快速城市化的脅迫下景觀生態(tài)安全格局現(xiàn)狀與未來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，提出調(diào)控措施［22-24］。在研究方法和尺度上，已有研究多從宏觀層面開展大尺度分析，在景觀級(jí)別上僅針對(duì)市（縣）域?qū)用骈_展的研究相對(duì)較少，且已有的研究結(jié)果并未能探究出耕地景觀層面的變化同區(qū)域糧食產(chǎn)量安全的內(nèi)在聯(lián)系性。

基于已有研究的不足，本研究選取江漢平原潛江市作為研究區(qū)域，分別在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度和景觀級(jí)別上，厘清潛江市水田、旱地景觀破碎化格局的變化，結(jié)合水田、旱地的糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)，探究近10年耕地利用變化下景觀破碎效應(yīng)與當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)量之間的內(nèi)在關(guān)系，為加強(qiáng)糧食生產(chǎn)功能區(qū)保護(hù)建設(shè)，宏觀調(diào)控保障糧食安全提供重要科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

潛江市（東經(jīng)112°29′—113°01′、北緯30°04′—30°38′）地處湖北省中南部、江漢平原腹地，是湖北省的直轄縣級(jí)市。土地總面積2 004 km2，其中耕地占區(qū)域總面積的83%。全市共轄25個(gè)鎮(zhèn)級(jí)單位，其中10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、6個(gè)辦事處、6個(gè)管理區(qū)、1個(gè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)以及歷史遺留的國(guó)有農(nóng)場(chǎng)、浩口原種場(chǎng)和種畜場(chǎng)。旱地主要種植作物為冬小麥、冬油菜、大豆、薯類秋雜糧以及部分區(qū)域種植的經(jīng)濟(jì)作物棉花等。水田主要種植作物為水稻、蝦稻（圖1）。近年來(lái)，在農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的促進(jìn)作用下，潛江市水稻種植結(jié)構(gòu)實(shí)行“雙改單”模式，以種植單季稻為主，并且挖溝圍田，發(fā)展蝦稻，截至2019年底，區(qū)域蝦稻共作面積達(dá)360 km2，比上年增長(zhǎng)約20%［25］。

1.2 數(shù)據(jù)處理

本研究以分辨率為30 m×30 m的土地利用分類數(shù)據(jù)作為耕地景觀破碎化效應(yīng)探究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取研究區(qū)所在范圍的中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)共享中心（http：//www.resdc.cn/）2000、2005、2010、2015、2018年共5期土地利用數(shù)據(jù)。該套數(shù)據(jù)的一級(jí)土地利用分類為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類土地利用類型，其中耕地的二級(jí)土地利用類型分為水田和旱地。本研究從潛江市統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站（http：//tjj.hbqj.gov.cn/）獲取2010、2015、2018年潛江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水田、旱地糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)。據(jù)地方統(tǒng)計(jì)年鑒記載，研究時(shí)段潛江市水田作物僅種植單一水稻，水田糧食總產(chǎn)量即為區(qū)域水稻的總產(chǎn)量。旱地種植作物則較為豐富，主要種植冬油菜、冬小麥等，旱地的糧食產(chǎn)量包括冬油菜、冬小麥、大豆、薯類、棉花產(chǎn)量的總和。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地破碎化效應(yīng)指數(shù)提取 以潛江市2000、2005、2010、2015、2018年5個(gè)時(shí)期遙感解譯土地利用數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，結(jié)合Fragstats 4.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)各指數(shù)的表征含義界定出能夠衡量耕地景觀破碎化效應(yīng)的3個(gè)結(jié)果數(shù)量指標(biāo)，分別為斑塊數(shù)量（NP、CA、PD）、斑塊形狀（ED、LSI、LPI）和斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)（AI、COHESION、SPLIT）。根據(jù)所選取指數(shù)表征破碎化的程度不同，進(jìn)一步選出3個(gè)典型代表指數(shù)，分別為斑塊密度（PD）、斑塊形狀指數(shù)（LSI）和斑塊分離度指數(shù)（SPLIT）［26］。利用移動(dòng)窗格法探究其耕地景觀破碎化效應(yīng)的空間熱點(diǎn)變化。將第一步計(jì)算得到的表征破碎效應(yīng)的指數(shù)作為初步結(jié)果參與到下一步的相關(guān)分析工作中。

1.3.2 探索性空間數(shù)據(jù)分析 探索性空間數(shù)據(jù)分析（Exploratory spatial data analysis，ESDA）是可以實(shí)現(xiàn)全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)的地理空間區(qū)域相關(guān)性探測(cè)分析法。其以空間關(guān)聯(lián)性測(cè)度為核心，描述與揭示研究對(duì)象的空間分布，分析其空間聯(lián)系、集聚以及異質(zhì)性的空間分析方法［27］。本研究通過(guò)建立表征耕地景觀破碎化的指數(shù)同區(qū)域耕地糧食產(chǎn)量變化的關(guān)系曲線，并借助Geoda軟件空間分析模塊中雙變量Moran’I分析工具。通常空間自相關(guān)只有一個(gè)變量，多變量空間自相關(guān)分析在實(shí)際問(wèn)題中有較大的需求，用其探究耕地景觀破碎化和耕地糧食產(chǎn)量二者的空間關(guān)聯(lián)性，雙變量區(qū)域Moran’I空間自相關(guān)由學(xué)者Anselin提出，計(jì)算公式如下：

式中，[wij]為空間單元i、j之間的空間連接矩陣；[zik=xik-xkσk]，[zjl=xjl-xlσl]，[xik]為空間單元i屬性k的值，[xjl]為空間單元j屬性l的值，[xk]、[xl]分別為屬性k、l的平均值，[σk]、[σl]分別為屬性k、l的方差。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧食產(chǎn)量變化

為了得到2010—2018年潛江市糧食產(chǎn)量的變化特征，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)層面分別分析了水田、旱地產(chǎn)糧量隨年份的變化，結(jié)果如圖2所示。近年來(lái)，潛江市糧食產(chǎn)量增加和減少的鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)基本相當(dāng)，市域?qū)用婕Z食產(chǎn)量基本維持穩(wěn)定，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)糧食產(chǎn)量變化劇烈。13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的糧食產(chǎn)量增加，12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的糧食產(chǎn)量減少。位于研究區(qū)西部的楊市辦事處、后湖管理區(qū)和總口管理區(qū)3個(gè)鎮(zhèn)級(jí)單位在水田產(chǎn)量增加的同時(shí)，糧食產(chǎn)量仍減產(chǎn)嚴(yán)重。楊市近年來(lái)大力發(fā)展基建，漢宜高速公路、鐵路，潛江市高鐵站等均設(shè)于楊市，建設(shè)用地面積增加，耕地面積減少。后湖管理區(qū)是潛西南特色產(chǎn)業(yè)聚集地，超過(guò)90%的土地被集中利用，用于蝦稻種養(yǎng)基地?？偪诠芾韰^(qū)原先為總口農(nóng)場(chǎng)，是國(guó)家重點(diǎn)糧棉油商品糧基地，其旱地減產(chǎn)嚴(yán)重，影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳攀辰Y(jié)構(gòu)。此外，研究區(qū)糧食產(chǎn)量?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)變化劇烈，局部多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)出水田糧食產(chǎn)量增加、旱地糧食產(chǎn)量減小的特點(diǎn)。旱地作物和水田作物產(chǎn)量都增加的鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)僅占潛江市鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)的20%左右。水、旱作物產(chǎn)量都減小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要分布在潛江市的東北區(qū)，集中于兩區(qū)三辦事處，即周磯管理區(qū)、潛江市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、園林辦事處、高場(chǎng)辦事處和楊市辦事處。2010—2018年研究區(qū)水田、旱地面積都呈減小的變化趨勢(shì)，其中，旱地糧食產(chǎn)量減小、水田糧食產(chǎn)量增加，總產(chǎn)量增加，且產(chǎn)量由小到大增加的鄉(xiāng)鎮(zhèn)依次為高石碑、熊口鎮(zhèn)、熊口管理區(qū)、王場(chǎng)鎮(zhèn)、龍灣鎮(zhèn)、白鷺湖管理區(qū)、張金鎮(zhèn)和積玉口鎮(zhèn)，地理上這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)大多分布在潛江市的西部和北部區(qū)域。

2.2 耕地景觀破碎度變化

為了分析出潛江市耕地景觀破碎化的時(shí)空格局，本研究從市級(jí)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀級(jí)別分析潛江市水田、旱地景觀破碎化格局的演變趨勢(shì)。在市域?qū)用孢\(yùn)用Fragstats軟件，計(jì)算出能夠衡量研究區(qū)耕地景觀破碎化效應(yīng)的3類結(jié)果指數(shù)（表1）。其中，數(shù)量因子包括斑塊面積（CA）、斑塊個(gè)數(shù)（NP）和斑塊密度（PD）；形狀因子包括邊緣密度（ED）和景觀形狀（LSI）；內(nèi)部結(jié)構(gòu)因子包括分離度（SPLIT）、結(jié)合度（AI）和聚合度（COHESION）。

2000—2018年，潛江市水田斑塊面積減少、斑塊個(gè)數(shù)增加、斑塊密度同期增大。從數(shù)量因子層面看，潛江水田破碎程度呈加劇變化態(tài)勢(shì)。從形狀因子層面看，研究區(qū)水田的邊緣密度和景觀形狀指數(shù)呈同期減小的變化態(tài)勢(shì)。形狀因子層面表明，研究區(qū)的耕地斑塊形狀趨于簡(jiǎn)單化，斑塊邊界形狀趨于規(guī)則化。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，水田的分離度指數(shù)增大，斑塊結(jié)合度指數(shù)與聚合度指數(shù)隨年份遞增，2000—2018年，研究區(qū)的水田內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于離散，斑塊結(jié)合度減小，物理連接度降低，抵御風(fēng)險(xiǎn)能力有所減弱。同期，旱地的景觀破碎化格局變化也較為明顯，從數(shù)量因子方面來(lái)看，同水田格局變化保持相一致，斑塊面積減少、斑塊個(gè)數(shù)增加、斑塊密度同期增大，數(shù)量破碎效應(yīng)加劇。從旱地形狀來(lái)看，2000—2010年旱地斑塊的景觀形狀指數(shù)減小，2010—2018年由減轉(zhuǎn)增，但邊緣密度則持續(xù)減小。從旱地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，研究區(qū)旱地的分離度指數(shù)增大，斑塊結(jié)合度指數(shù)與聚合度指數(shù)減小，旱地內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于離散，物理連接度降低，景觀生態(tài)連續(xù)性減弱。綜上，2000—2018年，潛江市水田和旱地的景觀破碎度格局變化大體一致，同期水田和旱地的面積都減少、斑塊密度增加、斑塊個(gè)數(shù)破碎化效應(yīng)加劇。2010年前，水田內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化較旱地的變化更明顯，2010年后，水田形狀因子變化較旱地同類指數(shù)變化更劇烈。2010年可看作是一個(gè)分界點(diǎn)，2010年前水田內(nèi)部結(jié)構(gòu)的景觀破碎化表現(xiàn)劇烈，2010年后旱地內(nèi)部結(jié)構(gòu)的景觀破碎化表現(xiàn)劇烈。

為了更好地分析出潛江市耕地景觀破碎化效應(yīng)在空間位置上的強(qiáng)弱變化，本研究進(jìn)一步引入移動(dòng)窗口分析方法，一種定量化研究景觀結(jié)構(gòu)組成特征及空間配置關(guān)系的分析方法，探析耕地景觀破碎效應(yīng)在地理區(qū)域上的變化強(qiáng)弱。根據(jù)景觀生態(tài)指數(shù)的內(nèi)涵選取3個(gè)典型表征破碎化的指數(shù)，分別為斑塊密度（PD）、景觀形狀（LSI）和分離度（SPLIT），對(duì)應(yīng)表征斑塊數(shù)量、斑塊形狀和斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)3類破碎化現(xiàn)象。圖3a至圖3c為2000—2018年研究區(qū)斑塊數(shù)量破碎化效應(yīng)；圖3f至圖3h為2000—2018年研究區(qū)斑塊形狀破碎化效應(yīng)；圖3k至圖3m為2000—2018年研究區(qū)斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)破碎化效應(yīng)；圖3d、圖3e分別為2000—2010年和2010—2018年斑塊數(shù)量破碎化的變化熱點(diǎn)識(shí)別區(qū)；圖3i、圖3j分別為2000—2010年和2010—2018年斑塊形狀破碎化的變化強(qiáng)弱識(shí)別區(qū)；圖3n、圖3o分別為2000—2010年和2010—2018年斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)破碎化的變化強(qiáng)弱識(shí)別區(qū)。在2000—2018年，耕地斑塊數(shù)量破碎效應(yīng)整體變化較為劇烈，增大區(qū)域主要圍繞潛江市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)周邊，耕地面積減少比耕地斑塊數(shù)量減少更劇烈。關(guān)于耕地斑塊形狀破碎效應(yīng)的空間分布，2010年前，位于研究區(qū)西邊的耕地斑塊形狀呈現(xiàn)復(fù)雜化，尤其是浩口鎮(zhèn)、積玉口鎮(zhèn)、廣華鎮(zhèn)和高廠辦事處的耕地斑塊形狀破碎化效應(yīng)明顯加??；2010年后，耕地斑塊形狀破碎化在一定程度上得到控制，局部破碎度有所降低。關(guān)于耕地斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，比耕地“量”和“形”的變化更劇烈，在2000—2018年，研究區(qū)東南角鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本維持穩(wěn)定，其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)增加的變化態(tài)勢(shì)，且這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)在2010年后也大多轉(zhuǎn)增為減。2010年是潛江市蝦稻產(chǎn)業(yè)鏈完整搭建形成的年份，2010年后，耕地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，區(qū)域耕地內(nèi)部分離指數(shù)從劇烈增加轉(zhuǎn)向較為平穩(wěn)的減弱變化。

2.3 糧食產(chǎn)量與耕地景觀破碎化的相關(guān)性探索

空間自相關(guān)分析可以定性地區(qū)分出每個(gè)地區(qū)與其周邊地區(qū)同一研究量的相互關(guān)系?？臻g數(shù)據(jù)相互之間通常具有依賴性，探尋2個(gè)變量的空間相關(guān)關(guān)系時(shí)，可引入空間自相關(guān)分析工具。雙變量Moran’I可以直觀地展現(xiàn)出研究區(qū)水田（旱地）斑塊數(shù)量、斑塊形狀和斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)3方面破碎效應(yīng)同區(qū)域糧食產(chǎn)量空間變化的集聚情況。耕地景觀破碎化效應(yīng)與區(qū)域水田、旱地糧食產(chǎn)量變化的全局空間自相關(guān)特征見表2。2010—2018年，對(duì)研究區(qū)的水田而言，3類表征破碎化效應(yīng)的指數(shù)與區(qū)域水田糧食產(chǎn)量呈空間負(fù)相關(guān)。斑塊數(shù)量、斑塊形狀、斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)與水田糧食產(chǎn)量的雙變量全局Moran’I分別為-0.178、" "-0.059、-0.126，且斑塊數(shù)量通過(guò)全局0.05水平的雙側(cè)顯著檢驗(yàn)。對(duì)研究區(qū)的旱地而言，斑塊形狀與旱地糧食產(chǎn)量呈空間負(fù)相關(guān)，全局Moran’I為-0.220，斑塊數(shù)量、斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)與糧食產(chǎn)量呈空間正相關(guān)，全局Moran’I分別為0.150和0.177，均通過(guò)全局0.05水平的雙側(cè)顯著檢驗(yàn)。綜上，斑塊數(shù)量對(duì)水田有明顯的空間負(fù)向影響，而對(duì)旱地則無(wú)顯著空間相關(guān)性。斑塊形狀、斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)與旱地的糧食產(chǎn)量分別存在顯著的負(fù)向空間相關(guān)性、正向空間相關(guān)性，而與水田則無(wú)顯著的空間相關(guān)性。

使用雙變量局部Moran’I，將2010—2018年潛江市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)表征耕地景觀破碎化的3類指數(shù)同水田、旱地糧食產(chǎn)量的變化進(jìn)行進(jìn)一步的分析，旨在反映潛江市局部空間耕地破碎化與產(chǎn)糧量變化的空間集聚狀況，在0.05置信水平上繪制出研究區(qū)耕地破碎化與區(qū)域糧食產(chǎn)量變化的局部LISA圖，如圖4所示。水田景觀斑塊數(shù)量的破碎化同區(qū)域糧食產(chǎn)量在空間上主要呈現(xiàn)高-低集聚、低-低集聚和低-高集聚3種耦合模式，主要分布在周磯辦事處、老新鎮(zhèn)、熊口鎮(zhèn)和熊口管理區(qū)。旱地景觀形狀破碎化同區(qū)域糧食產(chǎn)量在空間上主要呈現(xiàn)低-高集聚分布，主要分布在王場(chǎng)鎮(zhèn)、廣華鎮(zhèn)和園林辦事處。旱地景觀內(nèi)部分離度破碎化和區(qū)域糧食產(chǎn)量的空間集聚模式主要呈現(xiàn)低-高集聚、高-高集聚和低-低集聚分布，主要分布在王場(chǎng)鎮(zhèn)、廣華鎮(zhèn)、園林辦事處和潛江市種畜場(chǎng)。對(duì)研究區(qū)的水田而言，水田斑塊數(shù)量破碎化加大的區(qū)域，其水田糧食產(chǎn)量呈增加的變化態(tài)勢(shì)，旱地糧食產(chǎn)量則驟減，總產(chǎn)量減產(chǎn)嚴(yán)重。對(duì)于研究區(qū)的旱地而言，旱地斑塊形狀破碎化減弱，旱地糧食產(chǎn)量有所增加，旱地內(nèi)部結(jié)構(gòu)分離度加大，其水田、旱地的糧食產(chǎn)量變化呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，與研究區(qū)近年來(lái)人為開展水田改造密不可分。

3 小結(jié)與討論

本研究通過(guò)引入景觀學(xué)分析方法，從斑塊的數(shù)量、形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)3個(gè)方面展開測(cè)度，定量探討了2000—2018年潛江市耕地景觀破碎化的時(shí)空格局變化。而后引入研究區(qū)2010—2018年水田、旱地的糧食產(chǎn)量變量，利用全局和局部空間自相關(guān)分析法，對(duì)區(qū)域水田、旱地景觀破碎化效應(yīng)與糧食產(chǎn)量變化進(jìn)行探索性的相關(guān)分析。

1）2010—2018年，潛江市的糧食產(chǎn)量發(fā)生巨大變化?？偖a(chǎn)糧量基本維持在穩(wěn)定水平，水田和旱地的糧食產(chǎn)量都增加的鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)僅占潛江市鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)的約20%。水田、旱地糧食產(chǎn)量?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)變化劇烈，水田糧食產(chǎn)量增加的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其同年份的總糧食產(chǎn)量大多呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，可見旱地糧食產(chǎn)量的下降幅度遠(yuǎn)大于水田糧食產(chǎn)量的增加幅度。在歷史地理因素導(dǎo)向下，潛江市水田種植作物僅種植單一作物水稻，旱地作物種植類型豐富，多年種植有薯類、小麥等糧食作物，大豆、油菜等經(jīng)濟(jì)作物。旱地作物的減產(chǎn)讓區(qū)域產(chǎn)量類型趨向單一化，區(qū)域種糧結(jié)構(gòu)性抵御風(fēng)險(xiǎn)能力下降。政府應(yīng)在科學(xué)合理利用耕地資源的同時(shí)，規(guī)范耕地利用的優(yōu)先順序，從源頭上強(qiáng)化用途管控，可以利用當(dāng)?shù)氐呢?cái)政收入，建立專項(xiàng)基金補(bǔ)貼，有效引導(dǎo)農(nóng)戶自覺(jué)地耕種旱地糧食作物，確保區(qū)域自給自足、口糧絕對(duì)安全。

2）2000—2018年研究區(qū)耕地?cái)?shù)量減少、形狀趨于不規(guī)整、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化劇烈。2010年是潛江市耕地景觀格局轉(zhuǎn)變的重要年份，2010年后潛江很多鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分離度指數(shù)增速放緩，總體仍呈現(xiàn)增加的變化態(tài)勢(shì)。水田、旱地面積減速放緩，水田、旱地的斑塊形狀多趨于規(guī)整。在最嚴(yán)格的耕地保護(hù)政策推行下，耕地?cái)?shù)量減少得到有效控制，質(zhì)量下降正逐漸成為威脅區(qū)域糧食安全的另一隱憂，耕地自然連通性減小，微觀上耕地景觀內(nèi)部的物質(zhì)遷移受阻，耕地抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力下降，景觀生態(tài)安全性降低。有關(guān)部門可以搭建當(dāng)?shù)氐母乩猛度氘a(chǎn)出空間數(shù)據(jù)庫(kù)，持續(xù)追蹤景觀破碎化，挖掘變化背后的深層次原因，以促進(jìn)耕地整理，增加耕地質(zhì)量與耕地生產(chǎn)能力，持續(xù)向發(fā)展高效、高產(chǎn)及生態(tài)安全耕地的目標(biāo)推進(jìn)。

3）區(qū)域糧食產(chǎn)量變化同耕地景觀破碎化格局變化存有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)同各鄉(xiāng)鎮(zhèn)資源稟賦和長(zhǎng)期的發(fā)展?fàn)顩r密不可分。從2010—2018年耕地景觀破碎化效應(yīng)變化同區(qū)域糧食產(chǎn)量變化的相關(guān)分析結(jié)果來(lái)看，水田主要受斑塊數(shù)量破碎效應(yīng)的影響。旱地則受斑塊形狀和斑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)破碎效應(yīng)的影響更大。因此，為保障區(qū)域糧食產(chǎn)出均衡，今后應(yīng)著重關(guān)注潛江市旱地的景觀形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)破碎化效應(yīng)的治理問(wèn)題，逐步開展區(qū)域土地平整和整治工程，進(jìn)行旱地的田塊規(guī)整，地方政府需落實(shí)相關(guān)耕地保護(hù)責(zé)任，積極引導(dǎo)社會(huì)力量在當(dāng)?shù)亻_展旱地高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，鼓勵(lì)農(nóng)民和村集體經(jīng)濟(jì)組織自主籌資投勞，參與建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理。對(duì)于當(dāng)?shù)氐乃飫t需要關(guān)注數(shù)量破碎化問(wèn)題，做到良田糧用，發(fā)揮糧食產(chǎn)出優(yōu)勢(shì)區(qū)功能，穩(wěn)步提高糧食生產(chǎn)能力。夯實(shí)基礎(chǔ)，確保產(chǎn)能，需要多元主體參與，長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)力，有序地推進(jìn)區(qū)域耕地系統(tǒng)性和全局觀治理。

隨著時(shí)代的變遷，糧食安全內(nèi)涵不斷發(fā)生著演化，人們對(duì)糧食的需求從數(shù)量向質(zhì)量或營(yíng)養(yǎng)均衡轉(zhuǎn)變。糧食安全的研究維度也逐漸由耕地?cái)?shù)量、集約利用轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐馁|(zhì)量和安全性。在土地管理與利用中耕地破碎化分為權(quán)屬破碎化和自然破碎化［28，29］，本研究創(chuàng)新性地引入了景觀生態(tài)學(xué)的度量方法，界定了3種耕地景觀破碎效應(yīng)，為耕地自然景觀生態(tài)視角下的破碎化現(xiàn)狀表征，為研究耕地景觀破碎化提供了新的發(fā)展視角，但傳統(tǒng)基于權(quán)屬和地塊的破碎化研究仍具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究以潛江市為例，著重進(jìn)行耕地景觀破碎化與區(qū)域糧食產(chǎn)量的全局和局部空間相關(guān)關(guān)系的探索分析，下一步將研究景觀破碎化效應(yīng)背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以期為系統(tǒng)全面實(shí)施耕地精細(xì)化管理服務(wù)、保障區(qū)域的種糧安全提供科學(xué)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ PUGH T A M，MüLLER C，ELLIOTT J，et al. Climate analogues suggest limited potential for intensification of production on current croplands under climate change［J］. Nature communications，2016，7（1）.DOI： 10.1038/ncomms12608.

［2］ BREN D’AMOUR C，REITSMA F，BAIOCCHI G，et al. Future urban land expansion and implications for global croplands［J］. Proceedings of the national academy of sciences，2017，114（34）.DOI： 10.1073/pnas.1606036114.

［3］ 劉 洛，徐新良，劉紀(jì)遠(yuǎn)，等.1990—2010年中國(guó)耕地變化對(duì)糧食生產(chǎn)潛力的影響［J］. 地理學(xué)報(bào)，2014，69（12）：1767-1778.

［4］ 劉正佳，鐘會(huì)民，李裕瑞，等.近20年中國(guó)糧食生產(chǎn)變化特征及其對(duì)區(qū)域糧食供需格局的影響［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2021，36（6）：1413-1425.

［5］ JIANG L，CHEN X，MENG L， et al.Increased grain production of cultivated land by closing the existing cropping intensity gap in Southern China［J］. Food security，2021，13，385-398.

［6］ 趙杭莉.基于“糧食安全視角”的耕地面積需求分析——以陜西省為例［J］. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2013，13（6）：78-82.

［7］ 朱傳民，黃雅丹，雙文元.耕地質(zhì)量與糧食生產(chǎn)水平相關(guān)性分析——以江西省為例 ［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015，31（34）：253-256.

［8］ 劉紀(jì)遠(yuǎn)，匡文慧，張?jiān)鱿椋? 20世紀(jì)80年代以來(lái)中國(guó)土地利用變化的基本特征與空間格局［J］. 地理學(xué)報(bào)，2014，69（1）：3-14.

［9］ 王文旭，曹銀貴，蘇銳清，等.中國(guó)耕地保護(hù)政策研究：基于背景、效果與未來(lái)趨勢(shì)［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2020，41（10）：40-51.

［10］ XU W Y，JIN X B，LIU J，et al. Impact of cultivated land fragmentation on spatial heterogeneity of agricultural agglomeration in China［J］. Journal of geographical sciences，2021，30（10）：1571-1589.

［11］ 蔣 敏，李秀彬，辛良杰，等.南方水稻復(fù)種指數(shù)變化對(duì)國(guó)家糧食產(chǎn)能的影響及其政策啟示［J］.地理學(xué)報(bào)，2019，74（1）：32-43.

［12］ 辛良杰，李秀彬.近年來(lái)我國(guó)南方雙季稻區(qū)復(fù)種的變化及其政策啟示［J］. 自然資源學(xué)報(bào)，2009，24（1）：58-65.

［13］ 王嫚嫚，劉 穎，高奇正，等.湖北省水稻種植模式結(jié)構(gòu)和比較優(yōu)勢(shì)時(shí)空變化［J］. 經(jīng)濟(jì)地理，2017，37（8）：137-144.

［14］ 曹雋雋，周 勇，葉青清，等.江漢平原耕地資源空間格局變化分析［J］. 經(jīng)濟(jì)地理，2013，33（11）：130-135.

［15］ 江松穎，劉 穎，萬(wàn) 晶.湖北省糧食生產(chǎn)的時(shí)空特征演變研究——基于耕地因素分解的視角［J］. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2016，25（9）：1339-1346.

［16］ NICHOLSON C F，STEPHENS E C，KOPAINSKY B，et al. Food security outcomes in agricultural systems models：Current status and recommended improvements［J］. Agricultural systems，2021，188. DOI： 10.1016/J.AGSY.2020.103028.

［17］ LONG H L，ZOU J. Grain production driven by variations in farmland use in China：An analysis of security patterns［J］. Journal of resources and ecology，2010，1（1）：60-67.

［18］ 嚴(yán)金明，趙 哲，夏方舟.后疫情時(shí)代中國(guó)“自然資源安全之治”的戰(zhàn)略思考［J］.中國(guó)土地科學(xué)，2020，34（7）：1-8.

［19］ 鄧 軍，馬泉來(lái)，衛(wèi)華鵬，等.糧食安全視角下河南省淮河流域耕地資源時(shí)空演變［J］. 水土保持研究，2021，28（4）：390-396.

［20］ 羅海平，余兆鵬，鄒 楠.我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)生態(tài)與糧食安全耦合協(xié)調(diào)分析——基于1995—2015年面板數(shù)據(jù)［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2020，41（10）：32-39.

［21］ 王兆峰，田俊峰.湖南省耕地資源利用安全綜合評(píng)價(jià)與提升路徑研究［J］.中國(guó)土地科學(xué)，2021，35（1）：48-58.

［22］ 方 瑩，王 靜，黃隆楊，等.基于生態(tài)安全格局的國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域診斷與識(shí)別——以煙臺(tái)市為例［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2020，35（1）：190-203.

［23］ 付 剛，肖能文，喬夢(mèng)萍，等.北京市近二十年景觀破碎化格局的時(shí)空變化［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，37（8）：2551-2562.

［24］ 李 鑫， 歐名豪，馬賢磊.基于景觀指數(shù)的細(xì)碎化對(duì)耕地利用效率影響研究——以揚(yáng)州市里下河區(qū)域?yàn)槔跩］.自然資源學(xué)報(bào)，2011，26（10）：1758-1767.

［25］ 夏 天，方鶴楠，紀(jì)文文，等.稻蝦共作快速發(fā)展背景下潛江耕地時(shí)空變化特征分析［J］.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2020，29（12）：2709-2718.

［26］ 陳文波，肖篤寧，李秀珍.景觀指數(shù)分類、應(yīng)用及構(gòu)建研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002（1）：121-125.

［27］ 陳藜藜，宋 戈，鄒朝暉，等.基于改進(jìn)局部空間自相關(guān)分析的蘿北縣耕地保護(hù)分區(qū)［J］.資源科學(xué)，2016，38（10）：1871-1882.

［28］ 周 德，戚佳玲，袁承程.近40年來(lái)中國(guó)農(nóng)地細(xì)碎化研究進(jìn)展與展望［J］.中國(guó)土地科學(xué)，2021，35（1）：107-116.

［29］ 張 潔，陳美球，謝賢鑫，等.勞動(dòng)力稟賦、耕地破碎化與農(nóng)戶生態(tài)耕種決策行為［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2021（9）：1-10.