于澎 任航

(吉林师范大学旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000)

1 概述

吉林省中部地区是我国重要的商品粮食基地[1]，本文以吉林省中部地区为研究区，包括长春地区、吉林地区、四平地区，采用地理信息系统技术，运用相关方法进行研究，以1985—2018年吉林省中部耕地的时空分布特征为依据，论述了耕地的空间分布特征。对比近几十年来水田与旱田的时空变化，分析影响农田变化的自然因素和社会因素。为吉林省中部地区科学管理农田提供科学依据,对促进农田可持续良性发展具有重要意义[19]。

近些年，土地利用空间格局研究受到了大量学者的关注，如王爱民等对土地利用的特征指标进行定量分析兰州市人地关系的特点[2]。景观格局也被认为是生态系统属性空间变异程度的具体表现[3]。伴随着城市化和工业化的加快，现代化技术的飞速发展，中国正在从传统的农业社会过渡到现代化的工业社会，快速发展的城市化正在不断改造着农村的风景和城市的发展模式；造成了农用地的形态结构的持续改变，使其原有的农地特色逐渐淡化[20]。另外，大量学者对耕地和建设用地的空间动态变化进行关注[4]，赵晓丽等研究了1987年以来中国耕地的变化，2000年前耕地面积略有增加，2000年后耕地总面积逐步减少相对稳定[5]。另外，在不同的研究方式下，景观动态变化、模拟和景观动态的驱动力等都是本文的主要内容，如索伦B·P·克里斯滕斯对丹麦西郊136a的农田用地变化进行了分析，结果表明，在20世纪欧洲农村地区，农用地规模的变化是主要的驱动力[21]；Maria Zomeni利用遥感资料及个案分析希腊乡村的变迁，景观变迁与农业转型之间的联系[22]。

2 研究区概况与数据处理

2.1 研究区概况

吉林省中部地区中部位于E125°05′～127°05′、N42°56′～45°15′，东西长769.62km，南北宽606.57km，土地面积18.74万km2，占中国国土面积的2%，位于东北亚几何中心地带和黄金玉米带[6]。吉林省中部地区位于中纬度地区，四季变化分明，属于温带大陆性季风气候，冬季月均温-11.8℃，夏季月均温23.2℃。夏季月均降水102.7mm，降水主要集中在8月；水系发达，主要由松花江、拉林河、牡丹江3个水系组成，水资源十分丰富。研究区内由于地构造运动，地势由东南向西北逐渐降低[7]。土壤在人类生产活动中占有重要且必不可少的地位，全省土壤资源总面积为18.65万km2，吉林省中部地区中部森林资源十分丰富，树木种类繁多，属于温带针阔叶混交林，因而树木品种丰富、质量高[8]。

吉林省中部地区，辖1个副省级市(长春)，7个地级市，1个自治州，面积共为18.74万km2，截至2018年末，吉林省中部地区总人口数1070.58万人，经统计全年出生人口7.42万人，出生率占6.9‰，死亡人口4.93万人，死亡率占4.6‰，自然增长率呈现正增长，人口性别比为101.09(以女性为100)，GDP为8120亿元，人均GDP为7.6万[5]。

图1 研究区区位图

2.2 数据来源和研究方法

2.2.1 数据来源与处理

本研究所需数据来源于农田土地利用及社会经济统计，对1986—2018年土地利用数据进行研究，其中1986—2010年运用Landsat TM影像解译数据，2018年运用Landsat OLI影像解译数据。

根据研究目的，将遥感影像通过ERDAS软件进行标准假彩色合成，合成后对遥感影像数据进行前期处理，同1∶10万地形图进行对比改正，用高分辨的卫星图像对其进行了验证，其结果准确率在92%左右，基本符合本研究需求。

2.2.2 研究方法

2.2.2.1 遥感与地理信息相结合的信息化分析方法

地理信息系统在对空间数据处理相关领域有广泛的应用,空间解析的目标是一个或多个数据的空间分层，其基本原则是通过分析多个物体的空间关联度来获取新的相关信息和新的知识，通过ArcGIS实现对数据的解析，从而实现对地理问题的求解[9]。通过分析多年的遥感影像数据,按土地使用分级的不同标准进行分类，对其变化进行分析。

2.2.2.2 景观指数

景观聚合度指数是指某类景观斑块相互之间的连接程度，能够表示其破碎化程度与聚集程度，其计算公式[11]:

(1)

式中，gii表示相应景观类型的相邻斑块数量[11]。

斑块凝聚度指数是指某种景观斑块类型在一定情况下的凝聚状态，可用来表征景观类型聚集程度，其计算公式[12]:

(2)

式中，A表示所有景观的面积；P表示斑块周长；a表示斑块面积[11]。

景观斑块指数指整体景观中，某类景观所包含的所有斑块数量，可用来表征景观异质性、破碎化程度与空间格局,其计算公式[11]:

NP=N

(3)

式中，N为某类型景观的斑块数，NP≥1。

斑块密度为在每平方千米范围内某种斑块类型的数量，可以用来表征景观斑块的空间异质性与破碎化程度等，其计算公式[12]：

(4)

式中，ni为第i类景观斑块的总数量；A为斑块总面积[11]。

平均斑块面积是指在整体景观中某一斑块类型的平均面积，表明不同景观类型间的差异，其计算公式[12]:

AREA-MN=A/N

(5)

香农多样性指数表示景观要素的占比大小，用来反映景观类型的丰富性,其计算公式[13]：

(6)

式中，Pi表示景观类型i出现的频率[13]。

香农均匀度指数用来反映不同景观类型分布的均衡程度，其计算公式[14]：

(7)

式中，Pi表示景观类型i出现的频率[13]。

3 结果与分析

3.1 农田面积变化过程分析

根据表1农田面积变化来看，1995—2000年吉林省中部地区农田耕地面积大幅度增加，增加3700.38km2，农田面积逐渐上升；2005—2018年呈下降趋势，减少299.93km2，主要原因是国家对于自然保护，倡导退耕还林，导致面积逐年下降。旱地面积总体趋势同农田耕地总面积相同，其中2010—2018年旱地面积增加最快，增加539.37km2；水田面积2000—2018年逐年减少，减少876.38km2，主要由于人类活动大量用水导致水资源缺乏，从而导致水田耕地面积大幅度减少。

表1 吉林省中部地区不同阶段农田面积变化

从图2来看，主要分为3个阶段。1986—1995年，农田面积主要呈现下降趋势，水田面积减少速率较低；1995—2000年，总体呈现明显上升趋势；2000—2018年趋于平稳，农田耕地面积逐渐稳定。

图2 吉林省中部地区农田面积变化趋势图

3.2 农田景观格局动态分析

3.2.1 聚集度分析

对吉林省中部地区农田聚集度进行分析时，可以选用聚合度指数(AI)和斑块凝聚度指数(COHESION)以及平均邻近距离指数(ENN-MN)来判断农田的聚集情况[18]，表2为吉林省中部地区农田的聚集度指数计算结果。

表2 吉林省中部地区农田景观指数

从图3中可以看出，在整个研究阶段斑块凝聚度指数变化呈现平稳趋势，而平均邻近距离指数不断下降，1986—2000年变化速率最大，2000—2018年变化速率明显减小，逐渐趋于稳定。聚集度指数在整个研究阶段呈现“下降-上升-下降”的趋势，但总体变化速率不大，逐年趋于稳定，通过以上分析可以看出农田聚集程度逐渐增强。

图3 吉林省中部地区农田聚集度变化

3.2.2 破碎度分析

在分析吉林省中部地区农田破碎度时，本文选用了斑块密度指数和斑块指数以及平均斑块面积指数[11]，其中破碎化程度随着斑块密度(PD)的上升而增强。通过斑块指数和平均斑块面积可以更精准判断出农田破碎化程度。表3为吉林省中部地区农田破碎化景观指数计算结果。

表3 吉林省中部地区农田景观指数

通过表3可以看出，斑块密度呈现下降的趋势，表明吉林省中部地区农田破碎化程度逐年减弱，通过图4可以看出，斑块指数(NP)以1995年为节点先降后增，平均斑块面积(AREA-MN)以2005年为节点先增后降，且变化速率较快，说明吉林省中部地区农田破碎化程度并不明显。

图4 吉林省中部地区农田破碎度变化

3.2.3 多样性分析

对吉林省中部地区农田进行多样性研究时，可以选择香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)来进行判断[15]，香农多样性指数主要反映景观分布均衡程度，香农均匀度指数主要反映各类型面积所占比例。

表4 吉林省中部地区农田景观指数

由图5可以看出，1995—2000年，香农多样性指数(SHDI)有所降低，下降了0.02，而香农均匀度指数(SHEI)有所上升，说明其景观分布不均衡，景观空间异质程度呈下降趋势。2000—2018年间，变化并不明显。

图5 吉林省中部地区农田多样性变化

3.3 农业格局动态变化影响因素分析

3.3.1 自然因素

为研究气候因素对吉林省中部地区农田变化的影响，本文对吉林省中部地区长春市所在研究区范围内的年平均降水量和年平均气温进行分析，数据来源于中国气象数据网[16]，如图6所示，1986—2000年，长春市降水量逐年下降，2000—2010年，降水量逐年上升；1995—2010年，长春市年均气温逐年降低,2018年较往年相比，年均降水量减少，年均气温升高。

图6 长春市研究范围内年降水量和年平均气温变化

由于1986—1995年降水量减少气温升高，导致土壤干旱，在这一阶段农田面积有所减少。2000—2010年降水量逐年上升，气温逐年降低，土壤湿润利于种植，在这一阶段农田面积较往年大幅度增加。由于2018年年降水量下降，气温升高，导致气候干旱水田面积减少农田总面积减少。

3.3.2 社会经济因素

农田格局变化受多方面因素的影响，除了上述研究的自然影响因素外，社会经济因素对农田格局的变化也起了巨大的推动作用。本研究使用人口、经济等方面对吉林省中部地区农田格局变化产生的影响进行分析。

表5 1986—2018年吉林省中部地区人口、GDP、农业产值变化情况

3.3.2.1 人口因素

随着吉林省中部地区经济的发展，吉林省中部地区人口数逐年增加，其中1986—1995年这一阶段人口增长速率最快，人类对住房需求量增加，建设用地增多导致占用农田，使得农田面积在这一阶段减少；随着人类对粮食需求量的升高，导致加大土地的开垦使其变为农田，同时由于吉林省中部地区气候土壤条件十分优越，适合耕种，导致农田面积不断增加，后期保持稳定。

3.3.2.2 经济因素

市场经济在社会主义大环境下，发展迅速，取得了一定成果，市场机制也渐趋完善，成为影响调控农田开发利用方式的重要因素[17]。一直以来，吉林省中部地区的种植业发展较好，农业经济占有重要优势，研究区1986年GDP为227.15亿元，农业生产总值贡献了76.07亿元，占比33.49%，研究区2018年GDP为15074.62亿元，农业生产总值贡献了992.96亿元，占比6.59%。在研究范围内，地区生产总值逐年快速增长，随着经济的发展，建设用地逐渐增多，必然对农田耕地面积产生影响。在国家政策的保护下，农业生产总值一直保持增长状态。

4 结论

本研究以吉林省中部地区为研究区，通过ArcGIS软件和景观格局软件进行分析，对吉林省中部地区1986—2018年近30a农田面积变化，以及景观格局进行分析研究；同时对影响农业格局变化的自然和社会因素进行了分析总结。

1986—2018年，农田的总面积由8994.93km2增加到10434.89km2，旱地和水田面积均增加，其中1995—2000年增长速率最快，2000—2018年农田面积趋于平稳。

聚集度指数在整个研究过程中呈现“下降-上升-下降”的趋势，但总体变化速率不大，逐年趋于稳定，表示农田聚集程度逐渐增强；农田斑块密度呈现下降的趋势，斑块指数(NP)和平均斑块面积(AREA-MN)变化速率较小，表明吉林省中部地区农田破碎化程度逐年减弱；1995—2000年香农多样性指数和香农均匀度指数发生大幅度波动，SHDI下降了0.02，SHEI上升了0.318，表明研究区范围内景观类型分布均匀程度和景观空间异质程度降低，各类型面积所占比例间的差距减小，后期均保持平稳。