南昌市安义县耕地破碎度与空间相关性研究

Study on the Fragmentation of Cultivated Land and Its Spatial Correlation in Anyi County, Nanchang City

摘要: 本文借鉴景观格局研究思路，构建耕地破碎度评价模型，通过2010年、2015年和2020年3期TM影像，对南昌市安义县的农田破碎化现状进行全面评估，为安义县农田管理政策的制定和完善提供依据，并为研究农田破碎化程度提供理论参考。本文结合使用熵值加权法和自然分级法的方式确定各项指标的权重，安义县七镇三乡耕地破碎度不断增加，2015~2020年耕地破碎速度增加幅度大于2005~2010年。经过计算，安义县耕地破碎度平均值为0.3816，在平均值以上的有五个乡镇，在平均值以下的有五个乡镇；研究区耕地破碎度相关性分析呈现负相关性，其中，H-H型零个，L-L型一个，L-H型三个，H-L型两个。

Abstract: In this paper, drawing on the idea of landscape pattern research, a cropland fragmentation evaluation model was constructed to comprehensively assess the current situation of cropland fragmentation in Anyi County, Nanchang City through 3 periods of TM images in 2010, 2015 and 2020, provide a basis for the formulation and improvement of farmland management policies in Anyi County, and provide a theoretical reference for studying the degree of cropland fragmentation. This paper uses a combination of entropy value weighting method and natural grading method to determine the weights of each index. The degree of farmland fragmentation in 7 towns and 3 townships in Anyi County has been increasing, and the increase in the rate of farmland fragmentation from 2015 to 2020 is greater than that from 2005 to 2010. After calculation, the average value of cultivated land fragmentation in Anyi County is 0.3816. There are 5 townships above the average value and 5 townships below the average value; the correlation analysis of cultivated land fragmentation in the study area showed a negative correlation, among which, there were 0 H-H type, 1 L-L type, 3 L-H type, 2 H-L type.

1. 引言

耕地的破碎化降低了土地的生产能力，限制了大规模生产的机械化，为中国农业现代化的发展带来了瓶颈，是阻碍我国乡村全面振兴发展的重要因素 [1] 。近年来，国内外学者对耕地破碎化形成的成因 [2] 、发展特点与驱动机制 [3] [4] 、耕地整理 [5] [6] 、评价 [7] [8] [9] [10] 等方面展开了研究，并获得了一定的成果。张超等利用核密度分析方法，以空间网格为单元，进行京津冀地区农田破碎化与作物密度的关系研究 [11] 。张彭等重新定义了耕地破碎度，利用CLFI开展耕地破碎化评价，为现代农业背景下科学开展国土整治工作提供了支撑 [12] 。万伟华基于景观指数的耕地破碎度综合评价模型明确浙江省耕地破碎度与区域经济呈现显著的负向空间自相关性 [13] 。以往的城市景观格局研究偏重于城市本身，对于农用地格局与周边生态环境互相关系的研究较少，南昌市在这个领域的研究也多是对耕地破碎度进行定性或者定量的分析，对破碎度趋势的加剧没有过多的关注，为了深入分析耕地破碎度与农用地格局、潜力的相关性，本文选取南昌市安义县为研究区，基于土地调查调查库，采用景观格局指数法，对耕地的空间分布特征、破碎化程度进行定量分析，建立了基于数据合理性和可行性原则的耕地破碎度评价体系，并计算了南昌市安义县耕地破碎度的综合评价，为南昌市城区及其他县区耕地后期开发利用管理提供基础依据，并尝试提出南昌市县城耕地整治的方向。

2. 研究区概况和数据来源

2.1. 研究区概况

安义县地处江西省西北部，隶属南昌市城郊县，东北部是永修县，东部与湾里管理局和新建区毗邻，西北部和靖安县相邻，南部是高安市，西南部连接奉新县，位于北纬28˚26'~29˚01'，东经115˚27'~115˚45'之间，境内南北范围为47.5平方千米，东西范围为33平方千米。安义县县总面积660平方公里，其中耕地面积183平方千米，地形概貌为“五山一水三分田，一分道路和庄园”，下辖管理包括7个镇3个乡，其中，行政村104个，社区27个，自然村1093个，截止2021年全县人口30.65万。

Figure 1. Distribution of land use in Anyi County in 2010

图1. 安义县2010年土地利用分布

Figure 2. Distribution of land use in Anyi County in 2015

图2. 安义县2015年土地利用分布

Figure 3. Distribution of land use in Anyi County in 2020

图3. 安义县2020年土地利用分布

2.2. 数据来源

本文研究涉及的矢量数据来源于地理空间数据云；土地数据来自中国科学院资源与环境数据中心；耕地数据来自南昌土地调查2010、2015、2020年数据库；社会经济数据来自《南昌统计年鉴2021》和相关部门的官方网站。

2.3. 安义县土地利用变化

多年来，不恰当的农业生产方式以及经济发展和城市建设对耕地的侵占使安义县部分地区的耕地分布变得支离破碎，导致耕地支离破碎不适合机械化生产，农业生产力低下。预计2010年至2020年，该县人均耕地面积将从202平方米减少到198平方米，导致人均耕地面积低，保护耕地的压力很大，详见图1~3。

3. 构建评价模型和方法

3.1. 构建评价模型

本文结合南昌市安义县的现状，从农用地的面积、形状和分布三个维度选取了6个指标，构建了农用地破碎化评估指标体系，并采用熵权法将选取的6个指标加权为三类。耕地破碎化评估体系由三部分组成。为达到科学评估耕地破碎化的目的，该体系由目标水平、参考水平和指标水平三部分组成(表1)。

3.2. 确定指标权重

本文采用AHP方法 [14] [15] 和熵值法 [16] 对六个指标分别进行加权，在此基础上，用综合赋权法 [17] 确定每个指标的最终权重。每个级别的组成部分都是单独确定的，比较复杂的问题则以数据形式呈现。同时，采用1~9比例法计算每个层次的决策矩阵和权重值，并进行一致性测试。如果矩阵的一致性比率小于0.1，可以认为决策矩阵是一致的；如果不是这样，就应该对决策矩阵进行相应的调整，重新确定权重值。熵值法直接使用决策矩阵数据来计算并获得每个指标的信息熵。信息熵越低，指标的权重值越高，从而避免了决策者的主观判断，使指标权重值更加科学、合理，详见表2。

Table 1. Cultivated land fragmentation evaluation index system

表1. 耕地破碎度评价指标体系

Table 2. Evaluation of cultivated land fragmentation weights

表2. 耕地破碎度权重评价

耕地破碎化程度是由耕地破碎度综合分值呈现的。由于数据的差异和指标在评分系统中的重要性，它们不能相互比较，为了使数据保持一致，并在分析中进行不同类型的比较，可以使用归一化公式对耕地破碎化评估系统中每个指标的数据进行归一化：

$p_{ij}=\frac{r_{ij}}{{{\displaystyle \sum }}_{i=1}^n{r}_{ij}}$

其中，P_ij为第i个乡镇的第j个指标的计算值，r_ij为第i个乡镇的第j个指标的计算值，i为乡镇，j为指标，n为乡镇的数量。

利用上述加权计算方法，确定了评估农田破碎化的指标体系中各指标的总体权重，结果见表3。

Table 3. Cultivated land fragmentation evaluation model and weights

表3. 耕地破碎度评价模型和权重

3.3. 标准化和综合分值计算

通过标准化公式对耕地破碎化评估系统中的各项指标数据进行标准化处理，得到南昌市安义县各乡镇耕地破碎化的最终综合得分，结果见表4。

Table 4. Comprehensive score table of cultivated land fragmentation in each township of Anyi County

表4. 安义县各乡镇耕地破碎度综合分值表

4. 结果和分析

4.1. 安义县耕地破碎度分析

耕地数据是从安义县的每个乡镇提取的，并与指标公式相结合，计算出各乡镇耕地破碎化的总体评价，各乡镇对应的耕地破碎化值见图4。结果显示，安义县10个乡镇的平均破碎化值为0.3816，其中新民乡和东阳镇的破碎化值最高，分别为0.421和0.4158；鼎湖镇、黄洲镇和万埠镇的破碎片化程度明显低于平均值，分别为0.3513、0.3551和0.355；长埠镇和乔乐乡的破碎片化程度也略低于平均值，而龙津镇耕地破碎度综合分值与平均值差距最小，其余高于平均值的乡镇分别为石鼻镇和长均乡，总体来看，安义县一半乡镇耕地破碎度程度在平均水平以下。

Figure 4. Comprehensive score map of cultivated land fragmentation in each township of Anyi County

图4. 安义县各乡镇耕地破碎度综合分值图

调查单位为安义县各乡镇，采用自然分割点法，将安义县十个乡镇的破碎化价值按其大小分为若干等级。根据研究区耕地的破碎化程度，将十个乡镇的总价值分为五个等级，如图5所示。根据图5所示，安义县耕地破碎化程度高的乡镇集中在北部，而破碎化程度低的乡镇则集中在西部，总体上呈现出东北和南部水平高，西部水平低的分布。安义县的地形是“五山、一水、三分田”。五山不仅是指五座山，整个县城从东到西、从北到南都被山包围着，所以东南部受到地形的影响。东南部多山，农业条件差，区域内耕地分布趋于零散，耕地种植困难，快速的城市化进程导致农田整体上的脆弱和零散。该县中西部地区多山，蜿蜒的潦河横贯其中，自然条件和耕地利用在中西部地区相对有利，大部分耕地与居民点连成一片，大大缩短了农民与耕地之间的距离，使耕地管理更加容易，减少了耕地的破碎化。

4.2. 耕地破碎度空间相关性分析

空间相关性的主要分析方法有两种：全局空间自相关和局部空间自相关。Moran’s I指数是一个广泛使用的空间相关特征指标，可用于确定一个地区的农田破碎化指数是否与相邻的点有明显的相关性 [18] ；Getis-Ord Gi*指数用于识别统计意义上的“热点”和“冷点”，可用于确定空间中高值和低值特征的局部聚类发生的位置 [19] 。本文采用空间关联分析方法，确定安义县区域内耕地综合破碎化程度高低的分布和聚类。

Figure 5. Distribution map of cultivated land fragmentation in each township of Anyi County

图5. 安义县各乡镇耕地破碎度高低分布图

4.2.1. 全局自相关分析

Moran’s I指数考察了研究区域内相邻社区之间的空间关系，即它们是相似的、不同的，还是相互独立的，其取值在−1和1之间。如果数值接近于−1，说明研究区的耕地破碎化具有很强的正空间相关性，即相似性；而数值接近于1，说明研究区的耕地破碎化具有很强的负空间相关性，即相异性。如该指数的数值为0，意味着研究区的耕地破碎化是随机分布的。整体自相关分析主要反映了以上几个方面，也反映了各乡镇耕地破碎化的空间状况。本文基于Open GeoDa软件平台对安义县各乡镇的碎片化总值进行分析，并根据研究的实际数值选择合适的方法构建加权矩阵，在此分析基础上，计算出莫兰指数为−0.62。结果表明，研究区域内安义县所有乡镇的耕地破碎化结果都是负相关性的。

4.2.2. 局部自相关分析

本文利用GeoDa软件对安义县所有乡镇的区域空间集聚进行分析，得到各乡镇耕地破碎化程度的LISA图(图6)，其中L-H表示与耕地破碎化程度低的乡镇相邻的所有乡镇数值较高，H-L表示与耕地破碎化程度高的乡镇相邻的所有乡镇数值低。图6显示，耕地破碎化程度无明显相关性的乡镇有5个，H-H和L-L耕地破碎化程度局部正相关的乡镇没有，局部相关的L-H乡镇有3个，分别是东阳镇、长均乡和长埠镇，H-L乡镇分别是龙津乡和长均乡，说明H-L乡镇有两个。从空间分布上看，安义县各乡镇目前的耕地破碎化水平与各地的空间相关性分析结果在空间上是一致的。

Figure 6. LISA distribution map of cultivated land fragmentation in each township of Anyi County

图6. 安义县各乡镇耕地破碎度LISA分布图

5. 结论和建议

5.1. 结论

本文在分析安义县耕地破碎化的基础上，从全局上选取了三个指标，在每个指标下选取了六个指标，得到了整体的破碎化得分，从而得出了安义县各乡镇的耕地破碎化综合分值。对得分进行全局和局部空间自相关分析，以揭示安义县各乡镇耕地破碎化得分高低的空间分布和聚集情况，得出：1) 安义县耕地破碎度平均值为0.3816，新民乡和东阳镇受地形所困，耕地破碎度综合分值最高；2) 安义县耕地局部正相关L-H型乡镇有三个，H-L型有两个乡镇，安义县各乡镇目前的耕地破碎化水平与各地的空间相关性分析结果在空间上是一致的。

5.2. 建议

耕地破碎程度会影响耕地耕作效率，阻碍农业现代化进程，根据安义县各乡镇的耕地破碎程度和分布情况，安义县农用地的可持续利用应注重农用地的合理利用，对破碎程度高的地区加快政策引导，并参照上述结果积极采取措施，提高农业效益。

1) 加快推进农用地的综合整治。耕地破碎化的发展表明，防止和改善耕地破碎化的措施不到位，保护耕地的措施落实和执行不力，对侵占耕地的补偿监督和评估不力，保护耕地的机制有待完善。农田整体整治包括根据各自土地利用规划的具体要求，采用适当的技术手段，改善整治地区的农用地状况，以达到提高土壤质量和使用效率的目的。在一定程度上，安义县的耕地整体整治可以有效解决耕地破碎化问题，使耕地集中连片，提高耕作效率。上述分析表明，安义县的耕地破碎化程度因不同地区的地理条件而异。东北地区多为丘陵和山区，耕地破碎化程度较高。在中部和西部平原地区，耕地的自然条件较好，碎片化程度较低。在整治土地时，应优先考虑高度破碎化的地区，然后因地制宜地开发破碎化程度较弱的地区。

2) 积极推进耕地规模化种植。随着城市化进程的推进，传统的农业生产模式日渐衰退，耕地规模化种植难度加大，农业生产经营趋于多元化和减量化。耕地规模化经营是提高中国农业生产整体效益、促进农业物资再利用、实现农业现代化发展的重要举措。中国规模化农业的推进仍然面临一些挑战，要从根本上实现农业规模化，需要建立强有力的立法和制度保障体系。

NOTES

^*通讯作者。