耕地景观破碎化同区域粮食产量变化的相关性探析_陈茜.pdf

第 3 期收稿日期：2021-12-20作者简介：陈茜（1996-），女，陕西汉中人，硕士，主要从事土地利用信息技术研究，（电话）17792393025（电子信箱）。第 62 卷第 3 期2023 年 3 月湖北农业科学Hubei Agricultural SciencesVol.62 No.3Mar.，2023陈茜，何真，方鹤楠，等.耕地景观破碎化同区域粮食产量变化的相关性探析 J.湖北农业科学，2023，62（3）：1-7未来十几年，全球气候变化会给粮食产量的提升带来巨大挑战，土地利用模式及农作物选种技术创新会引发全球耕地面积和耕地质量的双重变化1。城市扩张将进一步导致全球耕地面积减少，预测约 80%的耕地损失会发生在亚洲和非洲区域2。耕地资源缩减、质量下降会危及国家粮食安全3-6。耕地利用空间格局与人类生计可持续息息相关，密切关注耕地景观格局变化，遏制其破碎化，对提升耕地资源管控治理能力和保障区域粮食生产供应有重要作用7。当前中国部分南方区域的耕地存在数量减少、质量变差、耕地景观破碎化等一系列突出问题，区域粮食安全存有隐患8，9。以中国主要的粮食产区湖北省江汉平原为例，近年来受经济利益驱动，水田、旱地等地表景观发生变化，人为因素耕地景观破碎化同区域粮食产量变化的相关性探析陈茜，何真，方鹤楠，赵雪梅，陆国稳，薛凯仁（华中师范大学城市与环境科学学院/地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，武汉430079）摘要：利用中国科学院30 m分辨率的土地利用影像与粮食产量数据，借助景观生态学方法和空间统计分析手段，在景观级别、乡镇尺度上探究潜江市水田、旱地景观破碎效应同粮食产量变化的相关关系。结果表明，20102018年研究区的粮食产量基本维持稳定；东南部乡镇耕地的内部结构基本维持稳定，其余各乡镇呈现增加的变化态势，且这些乡镇在2010年后也大多转增为减；水田景观破碎效应受斑块数量的影响较大，旱地景观破碎化受斑块形状和内部结构的影响较大。为保障区域粮食产出均衡，应重点改善区域的旱地景观形状，治理内部结构破碎化，保障区域产粮安全。关键词：景观破碎化；粮食产量；时空格局；空间数据中图分类号：F323文献标识码：A文章编号：0439-8114（2023）03-0001-07DOI:10.14088/ki.issn0439-8114.2023.03.001开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Analysis on the correlation between cultivated land landscape fragmentation andregional grain yield changeCHEN Xi，HE Zhen，FANG He-nan，ZHAO Xue-mei，LU Guo-wen，XUE Kai-ren（College of Urban&Environmental Sciences/Key Laboratory for Geographical Process Analysis&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 withthe 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 ofcultivated 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 safetyof regional grain production.Key words：landscape fragmentation；grain yield；spatial and temporal pattern；spatial data湖北农业科学2023 年加剧了景观的破碎化，打破当地粮食的供需平衡，导致供不应求10-12。应对耕地的景观破碎化，保障区域产粮稳定供给，辨识多年粮食生产及耕地景观破碎化格局，厘清二者关系对合理利用耕地、保障人民膳食结构供给具有重要现实意义13-17。耕地变化与粮食安全问题一直广受学界关注，但缺乏二者的科学量化分析。基于景观生态视角，探究耕地破碎化格局同区域粮食生产的关系，探析出景观生态破碎效应对粮食产量的影响，对未来合理利用耕地资源、稳定粮食生产具有重要意义，也是中国进一步推进“藏粮于地”战略落地的重要科学支撑。严金明等18、邓军等19认为未来一段时间内中国的耕地面积和粮食生产面积会显著下降，农业科技进步可以促进粮食单产提升，但耕地面积变化对粮食生产能力的影响大于粮食单产能力变化。罗海平等20聚焦于耕地数量与质量变化，通过探究二者与区域产粮量的关系，得出耕地的数量和质量是约束区域粮食生产的先决条件。随着耕地利用集约度变化概念的提出，耕地的耕作方式会改变耕地景观地表形状，地表破碎化、内部结构失调比耕地数量减少更能威胁粮食安全21。近年来，景观破碎化是土地利用与覆被变化的研究热点，相关研究主要集中在单一地类景观破碎化的时空特征变化描述上，或运用景观生态学和景观安全格局理论的方法，揭示在快速城市化的胁迫下景观生态安全格局现状与未来潜在风险状态，提出调控措施22-24。在研究方法和尺度上，已有研究多从宏观层面开展大尺度分析，在景观级别上仅针对市（县）域层面开展的研究相对较少，且已有的研究结果并未能探究出耕地景观层面的变化同区域粮食产量安全的内在联系性。基于已有研究的不足，本研究选取江汉平原潜江市作为研究区域，分别在乡镇尺度和景观级别上，厘清潜江市水田、旱地景观破碎化格局的变化，结合水田、旱地的粮食产量数据，探究近 10年耕地利用变化下景观破碎效应与当地粮食产量之间的内在关系，为加强粮食生产功能区保护建设，宏观调控保障粮食安全提供重要科学支撑。1研究区概况与研究方法1.1研究区概况潜江市（东经 1122911301、北纬 30043038）地处湖北省中南部、江汉平原腹地，是湖北省的直辖县级市。土地总面积2 004 km2，其中耕地占区域总面积的83%。全市共辖25个镇级单位，其中10个乡镇、6个办事处、6个管理区、1个经济开发区以及历史遗留的国有农场、浩口原种场和种畜场。旱地主要种植作物为冬小麦、冬油菜、大豆、薯类秋杂粮以及部分区域种植的经济作物棉花等。水田主要种植作物为水稻、虾稻（图1）。近年来，在农业供给侧结构性改革的促进作用下，潜江市水稻种植结构实行“双改单”模式，以种植单季稻为主，并且挖沟围田，发展虾稻，截至2019年底，区域虾稻共作面积abc3500北3000北11000东11500东30300北112300东11300东0 90 180360 km051020 km2000年2005年2010年2015年2018年0153060 km水田旱地草地林地水域建设用地未利用地高石碑高石碑园林办事处园林办事处广华镇广华镇杨市办事处杨市办事处周矶办事处周矶办事处周矶管理区周矶管理区泰丰办事处泰丰办事处高场办事处高场办事处熊口镇熊口镇竹根滩镇竹根滩镇老新镇老新镇王场镇王场镇渔洋镇渔洋镇龙湾镇龙湾镇浩口镇浩口镇积玉口镇积玉口镇张金镇张金镇白鹭湖管理区白鹭湖管理区总口管理区总口管理区熊口管理区熊口管理区熊口管理区熊口管理区运粮湖管理区运粮湖管理区后湖管理区后湖管理区熊口管理区熊口管理区熊口管理区熊口管理区浩口原种场浩口原种场渔洋镇渔洋镇种畜场种畜场潜江经济开发区潜江经济开发区11000东11500东3500北3000北30300北112300东11300东a.湖北省示意图；b.潜江市乡镇区划；c.潜江市20002018年土地利用分布图1湖北省潜江市地理位置2第 3 期达360 km2，比上年增长约20%25。1.2数据处理本研究以分辨率为30 m30 m的土地利用分类数据作为耕地景观破碎化效应探究的基础数据，选取研究区所在范围的中国科学院资源环境数据共享中心（http：/ 6类土地利用类型，其中耕地的二级土地利用类型分为水田和旱地。本研究从潜江市统计局网站（http：/ 5个时期遥感解译土地利用数据为数据源，结合Fragstats 4.0软件进行数据处理，根据各指数的表征含义界定出能够衡量耕地景观破碎化效应的 3个结果数量指标，分别为斑块数量（NP、CA、PD）、斑块形状（ED、LSI、LPI）和斑块内部结构（AI、COHESION、SPLIT）。根据所选取指数表征破碎化的程度不同，进一步选出 3个典型代表指数，分别为斑块密度（PD）、斑块形状指数（LSI）和斑块分离度指数（SPLIT）26。利用移动窗格法探究其耕地景观破碎化效应的空间热点变化。将第一步计算得到的表征破碎效应的指数作为初步结果参与到下一步的相关分析工作中。1.3.2探索性空间数据分析探索性空间数据分析（Exploratory spatial data analysis，ESDA）是可以实现全局空间自相关和局部空间自相关的地理空间区域相关性探测分析法。其以空间关联性测度为核心，描述与揭示研究对象的空间分布，分析其空间联系、集聚以及异质性的空间分析方法27。本研究通过建立表征耕地景观破碎化的指数同区域耕地粮食产量变化的关系曲线，并借助 Geoda软件空间分析模块中双变量Moran I分析工具。通常空间自相关只有一个变量，多变量空间自相关分析在实际问题中有较大的需求，用其探究耕地景观破碎化和耕地粮食产量二者的空间关联性，双变量区域 Moran I空间自相关由学者