生态环境学报 ›› 2026, Vol. 35 ›› Issue (4): 642-653.DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2026.04.014
赵爽1(
), 聂谦雨1, 岳昂2,*(
), 汪东川1, 孙晓玮3, 张昊天1, 刘昊沺1, 叶凯1
收稿日期:2025-05-29
修回日期:2025-10-08
接受日期:2025-11-20
出版日期:2026-04-18
发布日期:2026-04-14
通讯作者:
*E-mail: 作者简介:赵爽(1989年生),女,讲师,研究方向为遥感图像识别与城市遥感。E-mail: zhaoshuang316@163.com
基金资助:
ZHAO Shuang1(
), NIE Qianyu1, YUE Ang2,*(
), WANG Dongchuan1, SUN Xiaowei3, ZHANG Haotian1, LIU Haotian1, YE Kai1
Received:2025-05-29
Revised:2025-10-08
Accepted:2025-11-20
Online:2026-04-18
Published:2026-04-14
摘要:
揭示耕地细碎化的空间分布及驱动因素,对优化资源管理、维护农业生态健康具有重要意义。以北京市昌平区、天津滨海新区、黑龙江虎林市、江苏灌南县和山东寿光市等5个北方典型农业区为研究区,采用2020年Landsat8地表反射率产品,基于随机森林算法提取耕地信息,并遴选7个景观格局指标构建多维评价体系,量化耕地细碎化程度;结合景观格局指数与多尺度移动窗口法揭示空间分布异质性,并采用参数最优地理探测器,从地形、经济和人口等三方面解析驱动机制及其交互效应。结果表明,1)耕地细碎化的空间分异性显著,昌平区和滨海新区细碎化程度最高(分别为0.133和0.132),受城市扩张的影响显著;虎林市和寿光市处于中等水平(分别为0.140和0.138),受地形起伏与设施农业布局的影响;灌南县综合指数最低(为0.142),耕地格局相对稳定。2)地形因子表现出较强的解释力,构成耕地细碎化的主导驱动因素。其中,高程在昌平区、虎林市、寿光市和灌南县的q值分别为0.284、0.286、0.491和0.299,坡向在滨海新区的q值为0.238。3)次要驱动因素具有区域差异,昌平区和滨海新区主要受GDP的影响,q值分别为0.379和0.536;虎林市、灌南县和寿光市则主要受人口密度的影响,q值分别为0.391、0.477和0.779。
中图分类号:
赵爽, 聂谦雨, 岳昂, 汪东川, 孙晓玮, 张昊天, 刘昊沺, 叶凯. 地形-经济驱动下北方典型农业区的耕地细碎化空间分布特征及驱动机制[J]. 生态环境学报, 2026, 35(4): 642-653.
ZHAO Shuang, NIE Qianyu, YUE Ang, WANG Dongchuan, SUN Xiaowei, ZHANG Haotian, LIU Haotian, YE Kai. Spatial Distribution Characteristics and Driving Mechanisms of Cultivated Land Fragmentation in Typical Agricultural Regions of Northern China under Topographic-Economic Synergy[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2026, 35(4): 642-653.
| 地区 | 生产总值(2020年)/(1010元) | 人口/(104人) | 总面积/(103 km2) | 耕地面积/(103 hm2) | 主要粮食作物 | 粮食产量/(104 t) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 昌平区 | 13.4 | 226.7 | 1.3 | 4.4 | 大豆、小麦、玉米 | 0.9 |
| 滨海新区 | 69.8 | 206.7 | 2.3 | 11.5 | 小麦、玉米、水稻 | 13.6 |
| 虎林市 | 1.7 | 26.8 | 9.3 | 466. 7 | 大豆、小麦、水稻 | 293.5 |
| 寿光市 | 7.9 | 111.0 | 2.1 | 82.2 | 小麦、玉米、棉花 | 56.1 |
| 灌南县 | 3.8 | 102.7 | 1.0 | 71.8 | 小麦、水稻 | 87.9 |
表1 研究区概况
Table 1 Overview of the study areas
| 地区 | 生产总值(2020年)/(1010元) | 人口/(104人) | 总面积/(103 km2) | 耕地面积/(103 hm2) | 主要粮食作物 | 粮食产量/(104 t) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 昌平区 | 13.4 | 226.7 | 1.3 | 4.4 | 大豆、小麦、玉米 | 0.9 |
| 滨海新区 | 69.8 | 206.7 | 2.3 | 11.5 | 小麦、玉米、水稻 | 13.6 |
| 虎林市 | 1.7 | 26.8 | 9.3 | 466. 7 | 大豆、小麦、水稻 | 293.5 |
| 寿光市 | 7.9 | 111.0 | 2.1 | 82.2 | 小麦、玉米、棉花 | 56.1 |
| 灌南县 | 3.8 | 102.7 | 1.0 | 71.8 | 小麦、水稻 | 87.9 |
| 数据名称 | 数据来源 | 日期 | 作用 |
|---|---|---|---|
| Landsat8 Collection2表面反射率数据 | 地理空间数据云( | 2020年7月-2020年9月 | 识别研究区耕地细碎化的空间特征 |
| ASTER GDEMV3(30 m)数据集 | 地理空间数据云( | 2020年 | 探讨地形因素对耕地细碎化的影响 |
| 2020年统计年鉴数据 | 各研究区人民政府、统计局 | 2020年 | 探讨社会经济和人口因素对 耕地细碎化的影响 |
| NPP/VIIRS夜间灯光数据 | 美国国家气象信息中心( | 2020年 | 探讨社会经济对耕地细碎化的影响 |
表2 数据来源及说明
Table 2 Data sources and description
| 数据名称 | 数据来源 | 日期 | 作用 |
|---|---|---|---|
| Landsat8 Collection2表面反射率数据 | 地理空间数据云( | 2020年7月-2020年9月 | 识别研究区耕地细碎化的空间特征 |
| ASTER GDEMV3(30 m)数据集 | 地理空间数据云( | 2020年 | 探讨地形因素对耕地细碎化的影响 |
| 2020年统计年鉴数据 | 各研究区人民政府、统计局 | 2020年 | 探讨社会经济和人口因素对 耕地细碎化的影响 |
| NPP/VIIRS夜间灯光数据 | 美国国家气象信息中心( | 2020年 | 探讨社会经济对耕地细碎化的影响 |
| 判据 | 交互作用 |
|---|---|
| q(X1∩X2)<Min[q(X1), q(X2)] | 非线性减弱 |
| Min[q(X1), q(X2)]<q(X1∩X2)<Max[q(X1), q(X2)] | 单因子非线性减弱 |
| q(X1∩X2)>Max[q(X1), q(X2)] | 双因子增强 |
| q(X1∩X2)=q(X1)+q(X2) | 独立 |
| q(X1∩X2)>q(X1)+q(X2) | 非线性增强 |
表3 交互作用类型
Table 3 Types of interaction effects
| 判据 | 交互作用 |
|---|---|
| q(X1∩X2)<Min[q(X1), q(X2)] | 非线性减弱 |
| Min[q(X1), q(X2)]<q(X1∩X2)<Max[q(X1), q(X2)] | 单因子非线性减弱 |
| q(X1∩X2)>Max[q(X1), q(X2)] | 双因子增强 |
| q(X1∩X2)=q(X1)+q(X2) | 独立 |
| q(X1∩X2)>q(X1)+q(X2) | 非线性增强 |
| 目标层 | 准则层 | 指标层 | 权重系数 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 昌平区 | 滨海新区 | 虎林市 | 寿光市 | 灌南县 | ||||||||
| 不同地区耕地细碎化评价 | 分布指标 | 香农多样性指数 | 0.141 | 0.405 | 0.138 | 0.396 | 0.154 | 0.434 | 0.136 | 0.425 | 0.141 | 0.422 |
| 蔓延度指数 | 0.134 | 0.129 | 0.145 | 0.151 | 0.142 | |||||||
| 聚集度 | 0.130 | 0.129 | 0.135 | 0.138 | 0.139 | |||||||
| 面积指标 | 最大斑块指数 | 0.154 | 0.286 | 0.152 | 0.290 | 0.137 | 0.274 | 0.137 | 0.282 | 0.144 | 0.285 | |
| 斑块面积百分比 | 0.132 | 0.138 | 0.137 | 0.145 | 0.141 | |||||||
| 形状指标 | 分离度指数 | 0.159 | 0.309 | 0.157 | 0.314 | 0.141 | 0.292 | 0.158 | 0.293 | 0.153 | 0.293 | |
| 面积加权的平均斑块分形指标 | 0.150 | 0.157 | 0.151 | 0.135 | 0.140 | |||||||
表4 耕地细碎化评价指标权重表
Table 4 Weights for cultivated land fragmentation indicators
| 目标层 | 准则层 | 指标层 | 权重系数 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 昌平区 | 滨海新区 | 虎林市 | 寿光市 | 灌南县 | ||||||||
| 不同地区耕地细碎化评价 | 分布指标 | 香农多样性指数 | 0.141 | 0.405 | 0.138 | 0.396 | 0.154 | 0.434 | 0.136 | 0.425 | 0.141 | 0.422 |
| 蔓延度指数 | 0.134 | 0.129 | 0.145 | 0.151 | 0.142 | |||||||
| 聚集度 | 0.130 | 0.129 | 0.135 | 0.138 | 0.139 | |||||||
| 面积指标 | 最大斑块指数 | 0.154 | 0.286 | 0.152 | 0.290 | 0.137 | 0.274 | 0.137 | 0.282 | 0.144 | 0.285 | |
| 斑块面积百分比 | 0.132 | 0.138 | 0.137 | 0.145 | 0.141 | |||||||
| 形状指标 | 分离度指数 | 0.159 | 0.309 | 0.157 | 0.314 | 0.141 | 0.292 | 0.158 | 0.293 | 0.153 | 0.293 | |
| 面积加权的平均斑块分形指标 | 0.150 | 0.157 | 0.151 | 0.135 | 0.140 | |||||||
| 地区 | 移动窗口尺寸 | |||
|---|---|---|---|---|
| 100 m | 200 m | 500 m | 1 km | |
| 昌平区 | 0.156 | 0.074 | 0.078 | 0.097 |
| 滨海新区 | 0.158 | 0.129 | 0.113 | 0.135 |
| 虎林市 | 0.193 | 0.120 | 0.116 | 0.117 |
| 寿光市 | 0.084 | 0.053 | 0.101 | 0.107 |
| 灌南县 | 0.089 | 0.046 | 0.050 | 0.062 |
表5 多尺度移动窗口变异系数
Table 5 Multi-scale moving window coefficient of variation
| 地区 | 移动窗口尺寸 | |||
|---|---|---|---|---|
| 100 m | 200 m | 500 m | 1 km | |
| 昌平区 | 0.156 | 0.074 | 0.078 | 0.097 |
| 滨海新区 | 0.158 | 0.129 | 0.113 | 0.135 |
| 虎林市 | 0.193 | 0.120 | 0.116 | 0.117 |
| 寿光市 | 0.084 | 0.053 | 0.101 | 0.107 |
| 灌南县 | 0.089 | 0.046 | 0.050 | 0.062 |
| 指标类型 | 昌平区 | 滨海新区 | 虎林市 | 寿光市 | 灌南县 |
|---|---|---|---|---|---|
| 分布指数 | 0.324 | 0.333 | 0.328 | 0.324 | 0.333 |
| 面积指数 | 0.500 | 0.541 | 0.547 | 0.519 | 0.504 |
| 形状指数 | 0.543 | 0.548 | 0.501 | 0.544 | 0.542 |
| 综合指数 | 0.133 | 0.132 | 0.140 | 0.138 | 0.142 |
表6 耕地细碎化指数计算结果
Table 6 Cultivated land fragmentation index calculation results
| 指标类型 | 昌平区 | 滨海新区 | 虎林市 | 寿光市 | 灌南县 |
|---|---|---|---|---|---|
| 分布指数 | 0.324 | 0.333 | 0.328 | 0.324 | 0.333 |
| 面积指数 | 0.500 | 0.541 | 0.547 | 0.519 | 0.504 |
| 形状指数 | 0.543 | 0.548 | 0.501 | 0.544 | 0.542 |
| 综合指数 | 0.133 | 0.132 | 0.140 | 0.138 | 0.142 |
| 类型 | 驱动因子 | 昌平区 | 滨海新区 | 虎林市 | 寿光市 | 灌南县 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 分类方法 | 级数 | 分类方法 | 级数 | 分类方法 | 级数 | 分类方法 | 级数 | 分类方法 | 级数 | ||||||
| 地形 | 高程 | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 6 | 自然断点 | 7 | 标准差 | 7 | 等间隔 | 6 | ||||
| 坡度 | 标准差 | 7 | 自然断点 | 6 | 标准差 | 7 | 标准差 | 7 | 标准差 | 7 | |||||
| 坡向 | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 7 | 几何间隔 | 7 | 分位数 | 6 | 自然断点 | 6 | |||||
| 人口 | 人口 | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 6 | 自然断点 | 6 | 分位数 | 7 | 分位数 | 7 | ||||
| 人口密度 | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 7 | 分位数 | 6 | 标准差 | 6 | |||||
| 经济 | 夜间灯光 | 几何间隔 | 6 | 自然断点 | 6 | 自然断点 | 6 | 标准差 | 7 | 几何间隔 | 6 | ||||
| GDP | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 5 | 自然断点 | 6 | 分位数 | 6 | 分位数 | 5 | |||||
表7 驱动因子最优空间离散化结果表
Table 7 Optimal spatial discretization results for driving factors
| 类型 | 驱动因子 | 昌平区 | 滨海新区 | 虎林市 | 寿光市 | 灌南县 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 分类方法 | 级数 | 分类方法 | 级数 | 分类方法 | 级数 | 分类方法 | 级数 | 分类方法 | 级数 | ||||||
| 地形 | 高程 | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 6 | 自然断点 | 7 | 标准差 | 7 | 等间隔 | 6 | ||||
| 坡度 | 标准差 | 7 | 自然断点 | 6 | 标准差 | 7 | 标准差 | 7 | 标准差 | 7 | |||||
| 坡向 | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 7 | 几何间隔 | 7 | 分位数 | 6 | 自然断点 | 6 | |||||
| 人口 | 人口 | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 6 | 自然断点 | 6 | 分位数 | 7 | 分位数 | 7 | ||||
| 人口密度 | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 7 | 分位数 | 6 | 标准差 | 6 | |||||
| 经济 | 夜间灯光 | 几何间隔 | 6 | 自然断点 | 6 | 自然断点 | 6 | 标准差 | 7 | 几何间隔 | 6 | ||||
| GDP | 自然断点 | 7 | 自然断点 | 5 | 自然断点 | 6 | 分位数 | 6 | 分位数 | 5 | |||||
| 地区 | 影响因子 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X1 | X2 | X3 | X4 | X5 | X6 | X7 | |
| 昌平区 | 0.284 | 0.119 | 0.144 | 0.153 | 0.152 | 0.225 | 0.212 |
| 滨海新区 | 0.215 | 0.207 | 0.238 | 0.125 | 0.084 | 0.086 | 0.213 |
| 虎林市 | 0.286 | 0.065 | 0.108 | 0.046 | 0.237 | 0.090 | 0.195 |
| 寿光市 | 0.491 | 0.221 | 0.186 | 0.228 | 0.637 | 0.129 | 0.239 |
| 灌南县 | 0.299 | 0.119 | 0.112 | 0.072 | 0.249 | 0.093 | 0.265 |
表8 因子探测结果
Table 8 Factor detection results
| 地区 | 影响因子 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X1 | X2 | X3 | X4 | X5 | X6 | X7 | |
| 昌平区 | 0.284 | 0.119 | 0.144 | 0.153 | 0.152 | 0.225 | 0.212 |
| 滨海新区 | 0.215 | 0.207 | 0.238 | 0.125 | 0.084 | 0.086 | 0.213 |
| 虎林市 | 0.286 | 0.065 | 0.108 | 0.046 | 0.237 | 0.090 | 0.195 |
| 寿光市 | 0.491 | 0.221 | 0.186 | 0.228 | 0.637 | 0.129 | 0.239 |
| 灌南县 | 0.299 | 0.119 | 0.112 | 0.072 | 0.249 | 0.093 | 0.265 |
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