遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局與耕地質(zhì)量空間關(guān)聯(lián)特征及作用機(jī)制*

錢鳳魁,逄然然,于洋,徐歡,韓春蘭

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/遼寧省自然資源廳耕地立體保護(hù)與監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/土肥資源高效利用國家工程研究中心 沈陽 110161)

耕地是土地資源的重要組成部分,耕地質(zhì)量是國家糧食生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)[1]。我國人均耕地面積少,耕地質(zhì)量總體偏低,優(yōu)等地分布較少,耕地面臨著越來越大的壓力。耕地的數(shù)量和質(zhì)量問題是保障人類可持續(xù)發(fā)展,社會(huì)長(zhǎng)治久安的重要因素[2]。因此,提升耕地的數(shù)量與質(zhì)量,加強(qiáng)耕地資源的管理和建設(shè)尤為重要[3]。在耕地?cái)?shù)量保護(hù)方面我國實(shí)行18 億畝耕地保護(hù)紅線制度。而在耕地質(zhì)量建設(shè)方面,主要圍繞耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)[4]、基本農(nóng)田劃定[5]和高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)[6]等領(lǐng)域展開探討,運(yùn)用綜合指數(shù)法[7]、最小數(shù)據(jù)集法[8]、LESA 體系[9-10]、主成分分析法[11]、PSR 模型[12-13]和空間自相關(guān)[14-15]等方法開展耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)。耕地景觀格局作為耕地生態(tài)系統(tǒng)的空間表象,能夠直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能和耕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[16]。不同類型、大小的耕地斑塊排列組合在一定程度上影響著耕地質(zhì)量的優(yōu)劣,而耕地質(zhì)量的高低也會(huì)在某種程度上在耕地景觀格局特征中展現(xiàn)。土地景觀格局研究主要運(yùn)用耕地景觀格局指數(shù)[17]、遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)[18]等方法分析土地的破碎化、規(guī)整性和優(yōu)勢(shì)度等景觀問題。

目前多數(shù)學(xué)者選擇運(yùn)用Pearson 相關(guān)性分析[19]、空間自相關(guān)[20]和地理加權(quán)回歸模型[21]等方法探索耕地景觀格局指數(shù)與耕地質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)性,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)耕地景觀格局指數(shù)與耕地質(zhì)量之間存在顯著的相關(guān)性[22-23]。綜上,耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)和耕地景觀格局的研究領(lǐng)域已經(jīng)建立較為成熟的方法體系,但對(duì)于耕地景觀格局指數(shù)與耕地質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)特征與作用機(jī)制研究較少,且研究?jī)H局限在二者之間的相關(guān)性分析上,而耕地景觀格局指數(shù)對(duì)耕地質(zhì)量的具體作用機(jī)制尚不清晰。同時(shí)對(duì)于不同地貌區(qū)的對(duì)比研究也相對(duì)較少[24],相關(guān)研究?jī)H停留在單獨(dú)類型的地貌區(qū)研究分析上[25]。對(duì)耕地景觀格局與耕地質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)性特征以及作用機(jī)制進(jìn)行研究能夠?yàn)閺膬?yōu)化耕地景觀格局角度提升耕地質(zhì)量工作提供理論支撐,有助于發(fā)揮耕地多功能價(jià)值,對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。因此,本文以遼寧省不同地貌區(qū)耕地為研究對(duì)象,探討不同地貌區(qū)耕地景觀格局與耕地質(zhì)量的空間關(guān)聯(lián)特征以及作用機(jī)制,為實(shí)施區(qū)域耕地景觀格局建設(shè)與耕地質(zhì)量提升協(xié)同發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省位于中國東北地區(qū)南部(38°43′～43°26′N,118°53′E～125°46′E),南瀕黃海、渤海二海,西南與河北接壤,西北與內(nèi)蒙古毗連,東北與吉林為鄰,東南以鴨綠江為界與朝鮮隔江相望,總面積為14.86 km2,其中耕地面積占49 774 km2(圖1)。遼寧省地形概貌為”六山一水三分田”,地勢(shì)分別自北向南,自東西兩側(cè)向中部?jī)A斜,呈馬蹄狀,東部山地與西部丘陵分列兩側(cè),平均海拔為800 m 和500 m,中部為平均海拔200 m 的遼河平原。因此,根據(jù)地貌特征遼寧省可分為中部平原區(qū)、東部山地區(qū)和西部丘陵區(qū)三大地貌區(qū)。中部平原區(qū)地勢(shì)平坦、土壤肥沃,是耕地資源的主要聚集地。東部山地區(qū)水資源豐富,森林覆蓋率高,是遼寧省的林業(yè)基地,也是調(diào)節(jié)遼寧省自然環(huán)境狀況的生態(tài)屏障。西部丘陵區(qū)耕地資源較為破碎,土壤有機(jī)質(zhì)含量低,是遼寧省典型的生態(tài)脆弱區(qū)。

圖1 遼寧省不同地貌區(qū)分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of different geomorphic areas in Liaoning Province

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源:1) 2017 年遼寧省土地遙感影像解譯數(shù)據(jù),提取耕地景觀信息以及耕地、農(nóng)村居民點(diǎn)等基礎(chǔ)地類信息。2) 2017 年遼寧省農(nóng)用地分等數(shù)據(jù),提取研究區(qū)耕地資源農(nóng)用地分等指標(biāo)數(shù)據(jù),包括有效土層厚度、土壤酸堿度、表層土壤質(zhì)地等。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地景觀格局指數(shù)的確定

耕地景觀格局指數(shù)是景觀格局信息的高度概括,是反映景觀結(jié)構(gòu)組成、空間配置特征的量化指標(biāo)[26]。本文從斑塊水平選取耕地斑塊密度等6 個(gè)耕地景觀格局指數(shù)綜合描述耕地景觀格局特征,運(yùn)用Fragstats 軟件計(jì)算耕地景觀格局指數(shù)(表1)。

表1 耕地景觀格局指數(shù)計(jì)算公式及含義Table 1 Calculation formula and meaning of cultivated land landscape pattern indexes

對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后,運(yùn)用熵權(quán)法確定各個(gè)耕地景觀格局指數(shù)權(quán)重:

式中:Pij為第i個(gè)樣本第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值,ej為第j個(gè)指標(biāo)的熵值,wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,k為指標(biāo)數(shù)量,m為樣本個(gè)數(shù)。

最后運(yùn)用綜合指數(shù)法計(jì)算耕地景觀格局綜合指數(shù):

式中:Ri為 第i個(gè)評(píng)價(jià)單元的耕地景觀格局綜合指數(shù),Pij為 第i個(gè)評(píng)價(jià)單元的第j個(gè)指標(biāo)分值,wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

1.3.2 不同地貌區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

本文運(yùn)用美國土壤保持局建立的土地評(píng)價(jià)和立地條件分析(land evaluation and site assessment,LESA)體系進(jìn)行不同地貌區(qū)的耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)。該體系分為土地評(píng)價(jià)(LE)與立地分析(SA)兩個(gè)部分,LE 反映耕地的自然條件優(yōu)劣,SA 則反映耕地對(duì)立地環(huán)境條件的適宜性[27]。耕地自然條件參考農(nóng)用地分等規(guī)程中的不同地貌區(qū)指標(biāo)進(jìn)行選取,立地條件選取農(nóng)村居民點(diǎn)距離等5 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析,運(yùn)用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重(表2、表3)。耕地自然條件或立地條件評(píng)價(jià)模型公式如下:

表3 遼寧省不同地貌區(qū)耕地立地條件指標(biāo)體系Table 3 Index system of cultivated land site conditions in different geomorphic areas of Liaoning Province

式中:Y為耕地自然或立地條件評(píng)價(jià)分值,wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,hi為指標(biāo)作用分值。

借鑒錢鳳魁等[28]的研究成果構(gòu)建LESA 綜合評(píng)價(jià)體系,對(duì)中部平原區(qū)、東部山地區(qū)和西部丘陵區(qū)耕地自然條件和立地條件分別賦值比例系數(shù)為6∶4、5∶5 和4∶6。LESA 綜合評(píng)價(jià)模型如下:

式中:LESA 為耕地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分值,LE 為耕地自然條件評(píng)價(jià)分值,SA 為耕地立地條件評(píng)價(jià)分值,α和β為耕地自然條件與立地條件之間的權(quán)重比例關(guān)系。

1.3.3 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是檢驗(yàn)具有空間位置的某變量的觀測(cè)值是否顯著與其相鄰空間點(diǎn)上的觀測(cè)值相關(guān)聯(lián)的方法[29]。本文運(yùn)用Geoda 軟件,選擇莫蘭指數(shù)分析不同地貌區(qū)的耕地景觀格局與耕地質(zhì)量的空間集聚特征及關(guān)聯(lián)特征,以K-nearest 最近鄰原則構(gòu)建空間權(quán)重系數(shù)矩陣。

1)全局空間自相關(guān):全局空間自相關(guān)是對(duì)屬性值在整個(gè)區(qū)域的空間特征描述。全局莫蘭指數(shù)公式如下:

式中:I為全局莫蘭指數(shù),取值范圍為[-1,1],I的絕對(duì)值越大相關(guān)性越強(qiáng) ;xi、xj分別為在i、j位置的觀測(cè)值;為平均值 ;wi j為i和j之間的空間權(quán)重;n為研究單元數(shù)量。

2)局部空間自相關(guān):通過局部莫蘭指數(shù)對(duì)屬性值進(jìn)行局部的空間自相關(guān)分析,可以得到研究區(qū)內(nèi)空間上某一點(diǎn)和周圍點(diǎn)的空間聯(lián)系,即正相關(guān)類型的HH (高指數(shù)值-高指數(shù)值)和LL (低指數(shù)值-低指數(shù)值)以及負(fù)相關(guān)類型的HL (高指數(shù)值-低指數(shù)值)和LH (低指數(shù)值-高指數(shù)值)。局部莫蘭指數(shù)(Iu)公式如下:

1.3.4 空間誤差模型

當(dāng)屬性值存在空間自相關(guān)時(shí)傳統(tǒng)線性回歸不再適用,空間回歸模型建立在傳統(tǒng)線性回歸的基礎(chǔ)上,將區(qū)域間存在的空間效應(yīng)納入到分析模型中。本文運(yùn)用Geoda 軟件,選取空間誤差模型(SEM)分析耕地景觀格局指數(shù)對(duì)耕地質(zhì)量的作用機(jī)制?？臻g誤差模型的空間相關(guān)性反映在隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)中,即空間擾動(dòng)項(xiàng)和空間總體相關(guān),某一地區(qū)的擾動(dòng)會(huì)隨著空間效應(yīng)影響到其他地區(qū),其公式為:

式中 :Q為 耕地質(zhì)量指數(shù),X為耕地景觀格局指數(shù),β為變量的回歸系數(shù),ε 為隨機(jī)誤差項(xiàng),λ表示誤差項(xiàng)在空間上的依賴程度,Wε為空間權(quán)重矩陣,u為誤差項(xiàng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)特征

遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)分值為22.92～600.95,耕地景觀格局綜合指數(shù)整體呈現(xiàn)中部平原區(qū)(139.85)＞西部丘陵區(qū)(63.66)＞東部山地區(qū)(52.86),中部平原區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)明顯高于東部山地區(qū)與西部丘陵區(qū)。將耕地景觀格局綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5 級(jí)(圖2),1 級(jí)為最高,5 級(jí)為最低。根據(jù)耕地景觀格局綜合指數(shù)分級(jí)結(jié)果,中部平原區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)整體較高,以3 級(jí)為主,面積占25.17%,分布于遼陽縣和開原市等區(qū)域。東部山地區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)以5 級(jí)為主,面積占75.00%,分布于西豐縣和清原滿族自治縣等區(qū)域。西部丘陵區(qū)以5 級(jí)為主,面積占49.16%,分布于朝陽縣和建昌縣等區(qū)域。

圖2 遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)分級(jí)圖Fig.2 Classification maps of comprehensive index of cultivated land landscape pattern in different geomorphic areas of Liaoning Province

根據(jù)公式(7)對(duì)不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)進(jìn)行全局自相關(guān)分析(表4),結(jié)果表明不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)在空間上均表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。就Moran’sI值來看,東部山地區(qū)(0.58)＞中部平原區(qū)(0.39)＞西部丘陵區(qū)(0.24),說明在空間分布上東部山地區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)集聚性最強(qiáng),西部丘陵區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)集聚性最弱,中部平原區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)集聚性居中。根據(jù)公式(8)對(duì)不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析(圖3),結(jié)果表明不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)以正相關(guān)類型的HH 和LL 為主。中部平原區(qū)耕地景觀綜合指數(shù)呈“西高東低”的空間集聚特征(圖3),其中HH 型占8.89%,零星分布于昌圖縣和大石橋市等區(qū)域;LL 型占20.89%,呈片狀分布于開原市和大石橋市南部等區(qū)域。中部平原區(qū)由于其地勢(shì)較為平坦,耕地景觀格局綜合指數(shù)較高(圖2),耕地破碎化程度較低,斑塊集聚連片程度較好且形狀趨于平整。東部山地區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)呈“南高北低”的空間集聚特征(圖3),其中HH 型占8.66%,呈帶狀分布于普蘭店區(qū)和東港市等沿海區(qū)域;LL 型占7.90%,零星分布于新賓滿族自治縣和撫順縣等區(qū)域。東部山地區(qū)耕地受地形坡度影響,多呈不連續(xù)的斑塊鑲嵌分布于其他土地類型中,斑塊形狀復(fù)雜,耕地景觀格局綜合指數(shù)較低,但由于其南北兩極聚合度指數(shù)等耕地景觀格局指數(shù)分化較大導(dǎo)致其空間集聚程度較強(qiáng)。西部丘陵區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)呈“四周高,中間低”的空間集聚特征(圖3),其中HH 型占6.65%,零星分布于阜新蒙古族自治縣和興城市等區(qū)域;LL 型占13.95%,呈條帶狀分布于北票市和建昌縣等區(qū)域。西部丘陵區(qū)耕地雖為優(yōu)勢(shì)景觀類型,但集中連片程度較差,耕地景觀格局綜合指數(shù)低。

表4 遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)全局自相關(guān)分析結(jié)果Table 4 Global autocorrelation analysis of comprehensive index of cultivated land landscape pattern in different geomorphic areas of Liaoning Province

圖3 遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)自相關(guān)LISA 圖Fig.3 Spatial autocorrelation LISA map of comprehensive index of cultivated land landscape pattern in different geomorphic areas of Liaoning Province

2.2 不同地貌區(qū)耕地質(zhì)量特征分析

遼寧省不同地貌區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)分值位于47.18～80.39 區(qū)間,耕地質(zhì)量整體呈現(xiàn)中部平原區(qū)(64.32)＞東部山地區(qū)(63.44)＞西部丘陵區(qū)(59.52),中部平原區(qū)的耕地質(zhì)量?jī)?yōu)于東部山地區(qū)與西部丘陵區(qū)。將耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5 級(jí)(圖4),1 級(jí)為最優(yōu),5 級(jí)為最差。根據(jù)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果分析,中部平原區(qū)耕地質(zhì)量整體較優(yōu),以1 級(jí)為主,面積占41.11%,呈條帶狀分布于調(diào)兵山市和昌圖縣等區(qū)域。東部山地區(qū)耕地質(zhì)量1 級(jí)占主體,面積占34.77%,呈團(tuán)簇狀分布于東港市和普蘭店區(qū)等區(qū)域。西部丘陵區(qū)耕地質(zhì)量以3 級(jí)為主,面積占30.31%,主要分布于建昌縣和朝陽縣等區(qū)域。

圖4 遼寧省不同地貌區(qū)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Cultivated land quality in different geomorphic areas of Liaoning Province

不同地貌區(qū)耕地質(zhì)量全局自相關(guān)分析結(jié)果均表現(xiàn)一定的正相關(guān)性(表5),就Moran’sI值來看,中部平原區(qū)(0.90)＞東部山地區(qū)(0.89)＞西部丘陵區(qū)(0.85),說明在空間分布上中部平原區(qū)耕地質(zhì)量集聚性相對(duì)最強(qiáng),西部丘陵區(qū)耕地質(zhì)量集聚性最弱,東部山地區(qū)耕地質(zhì)量集聚性居中。

表5 遼寧省不同地貌區(qū)耕地質(zhì)量全局自相關(guān)分析結(jié)果Table 5 Global autocorrelation analysis results of cultivated land quality in different geomorphic areas

不同地貌區(qū)耕地質(zhì)量局部自相關(guān)分析結(jié)果以正相關(guān)類型的HH 和LL 為主(圖5),中部平原區(qū)耕地質(zhì)量呈“中間高,兩側(cè)低”的空間集聚特征(圖5),其中HH 型占21.88%,分布于昌圖縣和大洼區(qū)等區(qū)域;LL 型占19.74%,主要分布于彰武縣和開原市東部等區(qū)域,土壤有機(jī)質(zhì)含量、排水條件和灌溉水源等自然資源稟賦高。東部山地區(qū)耕地質(zhì)量呈“南高北低”的空間集聚特征(圖5),其中HH 型占13.83%,分布于丹東市和普蘭店市等沿海區(qū)域;LL 型占23.86%,分布于西豐縣和本溪縣等區(qū)域。東部山地區(qū)耕地資源較為分散,尤其是北部地區(qū)耕地自然條件較差,有機(jī)質(zhì)含量等自然條件指標(biāo)較低。西部丘陵區(qū)耕地質(zhì)量呈“中間低,兩側(cè)高”的空間集聚特征(圖5),其中HH 型占19.10%,分布于北票市和凌源市北部等區(qū)域;LL 型占18.03%,分布于建平縣東部和建昌縣等區(qū)域。由于長(zhǎng)期遭風(fēng)蝕、水土流失等因素影響導(dǎo)致西部丘陵區(qū)的耕地自然條件較差,土壤鹽漬化程度較高,土層厚度薄,低等別耕地集聚分布,耕地總體質(zhì)量較低。

圖5 遼寧省不同地貌區(qū)耕地質(zhì)量空間自相關(guān)LISA 圖Fig.5 Spatial autocorrelation LISA map of cultivated land quality in different geomorphic areas of Liaoning Province

2.3 不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)與耕地質(zhì)量的關(guān)聯(lián)特征分析

耕地景觀格局綜合指數(shù)與耕地質(zhì)量雙變量全局自相關(guān)分析結(jié)果表明不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)與耕地質(zhì)量之間均存在一定的空間正關(guān)聯(lián)特征(表6),耕地景觀格局特征可以在一定程度上反映耕地質(zhì)量的優(yōu)劣。總體關(guān)聯(lián)特征表現(xiàn)為景觀格局綜合指數(shù)越高,耕地質(zhì)量越優(yōu)。不同地貌區(qū)二者總體關(guān)聯(lián)程度為:東部山地區(qū)(0.45)＞中部平原區(qū)(0.24)＞西部丘陵區(qū)(0.17),說明東部山地區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)與耕地質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性最強(qiáng),中部平原區(qū)次之,西部丘陵區(qū)最弱。

表6 遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)與耕地質(zhì)量雙變量全局自相關(guān)分析結(jié)果Table 6 Bivariate global autocorrelation analysis between comprehensive index of cultivated land landscape pattern and cultivated land quality in different geomorphic areas of Liaoning Province

不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)與耕地質(zhì)量雙變量局部自相關(guān)分析結(jié)果表明,二者關(guān)聯(lián)性以正相關(guān)類型的HH (高耕地景觀格局綜合指數(shù)-高耕地質(zhì)量)和LL (低耕地景觀格局綜合指數(shù)-低耕地質(zhì)量)為主(圖6)。中部平原區(qū)的空間關(guān)聯(lián)特征表現(xiàn)為“中間高,兩側(cè)低” (圖6),HH 型占10.36%,主要分布于昌圖縣和大洼區(qū)等區(qū)域;LL 型占17.11%,分布于彰武縣和開原市等區(qū)域。中部平原區(qū)耕地呈現(xiàn)景觀優(yōu)勢(shì)度較高,斑塊規(guī)模度較好,同時(shí)耕地質(zhì)量較優(yōu)的集聚分布態(tài)勢(shì),應(yīng)進(jìn)一步提升耕地資源利用效率,加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田和糧食基地建設(shè)。東部山地區(qū)的關(guān)聯(lián)特征表現(xiàn)為“南高北低” (圖6),HH 型占8.66%,呈團(tuán)塊狀分布于東港市和瓦房店市等區(qū)域,呈現(xiàn)耕地斑塊的規(guī)模度和聚集連片程度較高,耕地質(zhì)量較優(yōu)的集聚分布態(tài)勢(shì);LL 型占20.52%,零星分布于新賓滿族自治縣等區(qū)域,呈現(xiàn)耕地斑塊聚集連片程度和景觀優(yōu)勢(shì)度較低,耕地質(zhì)量較差的集聚分布態(tài)勢(shì)。東部山地區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)與耕地質(zhì)量關(guān)聯(lián)性較強(qiáng),但北部地區(qū)耕地質(zhì)量較南部地區(qū)相差較大且北部地區(qū)耕地破碎程度較高,不利于農(nóng)業(yè)規(guī)?；l(fā)展,可通過合并細(xì)碎地塊,擴(kuò)大耕地集中連片程度等方式進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)耕作效率,提升耕地質(zhì)量。西部丘陵區(qū)的關(guān)聯(lián)特征表現(xiàn)為“東高西低”(圖6),HH 型占9.01%,零星分布于綏中縣和阜新蒙古族自治縣等區(qū)域;LL 型占16.09%,呈片狀分布于建昌縣等區(qū)域,呈現(xiàn)斑塊規(guī)模度較小,斑塊聚集連片程度較低,耕地質(zhì)量低的集聚分布態(tài)勢(shì),不適宜進(jìn)行大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn),應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行退耕還林還草,提高當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)空間。

圖6 遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)與耕地質(zhì)量空間自相關(guān)LISA 圖Fig.6 Spatial autocorrelation LISA map between comprehensive index of cultivated land landscape pattern and cultivated land quality in different geomorphic areas of Liaoning Province

2.4 不同地貌區(qū)耕地景觀格局指數(shù)對(duì)耕地質(zhì)量的作用機(jī)制分析

根據(jù)公式(9)和(10)計(jì)算結(jié)果,表明遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局指數(shù)與耕地質(zhì)量之間均具有正向的空間關(guān)聯(lián)性。基于此,本文將耕地質(zhì)量作為被解釋變量,耕地景觀格局指數(shù)作為解釋變量,引入“邊際耕地質(zhì)量”概念,探究耕地景觀格局指數(shù)變化對(duì)耕地質(zhì)量作用機(jī)制。不同地貌區(qū)耕地景觀格局指數(shù)與耕地質(zhì)量空間誤差模型回歸結(jié)果如公式(11)-(13):

空間誤差模型回歸結(jié)果表明(表7),中部平原區(qū)耕地景觀形狀指數(shù)(LSI)和最大斑塊指數(shù)(LPI)對(duì)其耕地質(zhì)量具有顯著影響。LSI 與耕地質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,在其他因素不變的條件下,當(dāng)LSI 減少1 時(shí),耕地質(zhì)量提升0.1819;當(dāng)LSI 達(dá)4.45 時(shí),邊際耕地質(zhì)量達(dá)最低點(diǎn),耕地質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)值72.49。LPI 與耕地質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)LPI 增加1%時(shí),耕地質(zhì)量提高0.0310;當(dāng)LPI 達(dá)82.49%時(shí),邊際耕地質(zhì)量達(dá)最高點(diǎn),耕地質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)值72.39。因此,加強(qiáng)對(duì)中部平原區(qū)耕地斑塊不規(guī)則形狀整治和耕地景觀優(yōu)勢(shì)度建設(shè),有利于耕地質(zhì)量?jī)?yōu)化。

表7 遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局指數(shù)與耕地質(zhì)量之間關(guān)系性的空間誤差模型回歸結(jié)果Table 7 Regression results of spatial error models about comprehensive index of cultivated land landscape pattern indexes and cultivated land quality in different geomorphic areas of Liaoning Province

東部山地區(qū)耕地質(zhì)量與最大斑塊指數(shù)(LPI)和平均斑塊大小(AREA_MN)顯著相關(guān)。LPI 與耕地質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)LPI 增加1%時(shí),耕地質(zhì)量提高0.0532;當(dāng)LPI 為16.26%時(shí),邊際耕地質(zhì)量達(dá)到最高點(diǎn),對(duì)應(yīng)耕地質(zhì)量為63.71。AREA_MN 與耕地質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)AREA_MN 增加1 hm2時(shí),耕地質(zhì)量提升0.0018;當(dāng)AREA_MN 達(dá)134.89 hm2時(shí),邊際耕地質(zhì)量達(dá)最高點(diǎn),對(duì)應(yīng)耕地質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)值65.39。東部山地區(qū)山地、丘陵交錯(cuò)分布,耕地被分割程度高,較為細(xì)碎化。因此,對(duì)東部山地區(qū)耕地景觀優(yōu)勢(shì)度和斑塊規(guī)模度進(jìn)行提升能夠促進(jìn)耕地質(zhì)量提升。

西部丘陵區(qū)的最大斑塊指數(shù)(LPI)和聚合度指數(shù)(AI)對(duì)其耕地質(zhì)量具有顯著性影響。AI 與耕地質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)AI 增加1 時(shí),耕地質(zhì)量提高0.3664;當(dāng)AI 為98.28 時(shí),邊際耕地質(zhì)量達(dá)最高點(diǎn),耕地質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)值68.17。LPI 與耕地質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)LPI 增加1%時(shí),耕地質(zhì)量提高0.0687;LPI達(dá)17.98%時(shí),邊際耕地質(zhì)量達(dá)最高點(diǎn),對(duì)應(yīng)耕地質(zhì)量為69.32。遼西地區(qū)的耕地多以丘陵為主,地勢(shì)起伏較大,耕地分布零散。因此,對(duì)西部丘陵區(qū)耕地斑塊聚集連片程度和景觀優(yōu)勢(shì)度進(jìn)行優(yōu)化,有利于耕地質(zhì)量提升。

3 結(jié)論和討論

3.1 結(jié)論

1)遼寧省中部平原區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)和耕地質(zhì)量明顯優(yōu)于東部山地區(qū)與西部丘陵區(qū)。在空間上,不同地貌區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)與耕地質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)。東部山地區(qū)耕地景觀格局綜合指數(shù)的空間集聚程度最高,中部平原區(qū)耕地質(zhì)量空間集聚程度最高。

2)遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局指數(shù)與耕地質(zhì)量在空間上具有不同程度的正向關(guān)聯(lián)性,耕地景觀格局可以在一定程度上代表耕地質(zhì)量的優(yōu)劣。中部平原區(qū)關(guān)聯(lián)性最強(qiáng),關(guān)聯(lián)特征表現(xiàn)為“中間高,兩側(cè)低”。東部山地區(qū)關(guān)聯(lián)性居中,關(guān)聯(lián)特征表現(xiàn)為“南高北低”。而西部丘陵區(qū)關(guān)聯(lián)性最弱,關(guān)聯(lián)特征表現(xiàn)為“東高西低”。

3)不同地貌區(qū)耕地景觀格局指數(shù)對(duì)耕地質(zhì)量作用影響不同。最大斑塊指數(shù)(LPI)對(duì)不同地貌區(qū)耕地質(zhì)量均具有正向影響,景觀形狀指數(shù)(LSI)與中部平原區(qū)耕地質(zhì)量負(fù)向相關(guān),平均斑塊大小(AREA_MN)與東部山地區(qū)耕地質(zhì)量正向相關(guān),而聚合度指數(shù)(AI)與西部丘陵區(qū)耕地質(zhì)量正向相關(guān)。因此通過不同地貌區(qū)耕地景觀格局優(yōu)勢(shì)度特征分析,因地制宜開展土地綜合整治等措施進(jìn)而提升耕地質(zhì)量條件和利用水平。

3.2 討論

本文通過開展遼寧省不同地貌區(qū)耕地景觀格局指數(shù)與耕地質(zhì)量評(píng)價(jià),運(yùn)用空間自相關(guān)分析法對(duì)耕地景觀格局指數(shù)與耕地質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析,研究表明不同地貌區(qū)耕地景觀格局與耕地質(zhì)量之間存在較強(qiáng)的正向關(guān)聯(lián)性特征,尤其是在耕地景觀格局指數(shù)水平對(duì)耕地質(zhì)量影響分異特征明顯。相比已有研究成果[24-25],本文通過運(yùn)用空間誤差模型分析了不同地貌區(qū)各類型耕地景觀格局指數(shù)對(duì)耕地質(zhì)量作用機(jī)制和影響程度,突破了小尺度和單一耕地景觀格局要素研究的不足與局限,對(duì)開展不同地貌區(qū)耕地景觀要素整治和質(zhì)量提升具有借鑒作用。本文在耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及分級(jí)賦值方面還需要進(jìn)一步完善,今后研究中可參考借用最小數(shù)據(jù)集、隸屬度函數(shù)等方法探討評(píng)價(jià)指標(biāo)精確選取與量化等問題。耕地景觀指數(shù)對(duì)耕地質(zhì)量影響關(guān)聯(lián)性特征和作用機(jī)制已初步明確,今后在土地整治等項(xiàng)目中,合理規(guī)劃設(shè)計(jì)耕地景觀格局要素空間布局,完善耕地質(zhì)量提升的具體措施途徑,將成為耕地保護(hù)和利用研究領(lǐng)域的重要關(guān)注點(diǎn)。