［KH－*3D］范婷，潘洪義*，崔綠葉，朱晚秋

(1．四川師范大學(xué)西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610068;2．四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都610068)

喀斯特山區(qū)耕地?fù)p失空間分布規(guī)律及其影響因素研究

［KH－*3D］范婷1，2，潘洪義1，2*，崔綠葉1，2，朱晚秋1，2

(1．四川師范大學(xué)西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610068;2．四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都610068)

耕地是保障人類(lèi)生存和發(fā)展的基本條件，是土地資源中最重要的組成部分。本文利用凱里市2003年和2013年的遙感影像，基于Erdas和ArcGIS平臺(tái)，經(jīng)過(guò)圖像分類(lèi)、數(shù)字化以及空間數(shù)據(jù)疊加分析與統(tǒng)計(jì)，研究耕地?fù)p失在高程和坡度影響下的空間分布情況。結(jié)果表明:①凱里市海拔普遍較高，其土地利用/覆被變化主要發(fā)生在700～1000 m高程范圍內(nèi);而地形約束使其土地利用方式在5°～25°的坡度范圍內(nèi)變化最大;②總體上耕地?fù)p失量占對(duì)應(yīng)高程范圍總面積的比例隨著高程增加呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì);③隨著坡度增加耕地?fù)p失量呈現(xiàn)出先急劇增加而后急劇減少的態(tài)勢(shì)，在5°～15°坡度范圍內(nèi)達(dá)到最大值。

喀斯特山區(qū);土地利用變化;耕地?fù)p失;空間分布;凱里市

土地資源是城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。在我國(guó)城市化發(fā)展速度不斷加快和社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的影響下，土地利用結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，而耕地作為區(qū)域土地利用的主體部分，其數(shù)量的動(dòng)態(tài)消長(zhǎng)，特別是耕地流失的問(wèn)題受到政府和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注［2］。在一定時(shí)期和區(qū)域內(nèi)保持一定數(shù)量的耕地，不僅關(guān)系著國(guó)家與地區(qū)的發(fā)展，也是保障土地安全、糧食安全乃至生態(tài)安全的前提［3－5］。目前，有學(xué)者立足于城市化背景，以遙感影像或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析耕地的數(shù)量、空間結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移情況及其變化機(jī)制［5－9］;有報(bào)道從分析區(qū)域耕地變化出發(fā)定量研究耕地變化與人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、糧食生產(chǎn)乃至耕地相關(guān)政策之間的關(guān)系［10－13］;有學(xué)者則在分析耕地變化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)未來(lái)一定時(shí)間的耕地面積、糧食產(chǎn)量、最小人均耕地面積以及耕地壓力指數(shù)等進(jìn)行了預(yù)測(cè)［14－16］;同時(shí)也有學(xué)者對(duì)非農(nóng)占用耕地的間接損失部分進(jìn)行了估算［17］。綜合已有的研究成果，大多是從驅(qū)動(dòng)力和相關(guān)關(guān)系著手來(lái)探討耕地變化，而從自然因素角度分析耕地?fù)p失空間分布的研究文獻(xiàn)鮮有出現(xiàn)。因此，本文選擇具有地域特色的喀斯特地貌區(qū)作為研究區(qū)域，通過(guò)提取損失耕地的空間分布及損失規(guī)模來(lái)研究不同高程和坡度對(duì)耕地的影響，以此揭示在城市化進(jìn)程中喀斯特山區(qū)耕地?fù)p失的方向差異及其分布特征，以期為可持續(xù)利用管理耕地提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

凱里市是貴州省東部區(qū)域性中心城市，是黔東南苗族侗族自治州首府。地跨東經(jīng)107°40'58″～108°12'09″，北緯26°24'13″～26°48'11″，處于云貴高原東側(cè)階梯狀大斜坡(向中部丘陵過(guò)渡地帶)的苗嶺山麓，清水江畔。屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫16．1℃，年均降水量1243 mm。全市總面積約1556 km2，市轄5個(gè)街道、8個(gè)鎮(zhèn)、2個(gè)鄉(xiāng)。凱里是一個(gè)以苗、侗、漢族為主體的多民族聚居城市，其中少數(shù)民族占了總?cè)丝诘?4%。截至2013年，總?cè)丝谶_(dá)106萬(wàn)，戶(hù)籍人口67萬(wàn)。凱里資源豐富。森林覆蓋率達(dá)到53．28%;境內(nèi)有清水江、重安江、巴拉河等大小河溪153條;主要礦藏有煤、鐵、鉛、鋅、鋁土礦、硅石巖等，其中硅石中二氧化硅含量高達(dá)98 %。

1．2 數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究采用2003年與2013年的TM(30 m×30 m)遙感影像數(shù)據(jù)，在凱里市行政區(qū)劃圖和Google高清衛(wèi)星地圖等數(shù)據(jù)資料的輔助下，以Erdas8．5和 ArcGIS10．1為軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先利用Erdas8．5對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，然后參照輔助資料建立分類(lèi)模板，進(jìn)而對(duì)圖像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)。在研究區(qū)土地用途、利用方式和覆蓋特征的綜合影響下，將土地利用劃分為耕地、林地、水體、建設(shè)用地和其他用地5種類(lèi)型。最后結(jié)合DEM數(shù)據(jù)運(yùn)用Arc-GIS10．1對(duì)兩個(gè)時(shí)期的土地利用圖進(jìn)行數(shù)字化與空間疊加統(tǒng)計(jì)。

圖1 凱里市高程分級(jí)Fig．1The grading map of elevation of Kaili

2 結(jié)果與分析

2．1 不同高程等級(jí)下土地利用變化綜合分析

凱里市的海拔普遍較高，為了能更好地反映高程對(duì)凱里市土地利用的影響，故根據(jù)其高程范圍制定凱里市高程分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):700 m以下為第一級(jí)，700～800 m為第二級(jí)，800～900 m為第三級(jí)，900～1000 m為第四級(jí)，1000 m以上為第五級(jí)。按照該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)凱里市的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(lèi)(圖1)，并用ArcGIS統(tǒng)計(jì)凱里市在2003－2013年間在每一高程等級(jí)下的土地轉(zhuǎn)移面積、比例及主要轉(zhuǎn)移類(lèi)型見(jiàn)表1。

表1 凱里市2003－2013年不同高程的土地轉(zhuǎn)移面積與變化Table 1Land transfer area and change of different elevation in Kaili from 2003 to 2013

凱里市在研究期間的土地利用/覆被變化主要發(fā)生在700～1000 m高程范圍內(nèi)(表1)，而主要的轉(zhuǎn)移類(lèi)型為林地轉(zhuǎn)其他用地和耕地、耕地轉(zhuǎn)其他用地和建設(shè)用地。具體來(lái)看，由于受地理位置及交通條件的影響，土地利用變化類(lèi)型為耕地－建設(shè)用地的區(qū)域主要位于海拔較低的700～800 m高程范圍內(nèi)，且大多屬于平緩的山谷地帶;而考慮到耕作的可行性以及農(nóng)作物的產(chǎn)量，林地－耕地大部分則位于800～1000 m海拔區(qū)域，但由于可耕作面積的有限性，為滿(mǎn)足需求當(dāng)?shù)剞r(nóng)民則只能向1000 m海拔以上的區(qū)域?qū)ふ腋?耕地－其他用地在1000 m以下的各高程范圍內(nèi)都廣泛分布，是地方征用耕地但尚未開(kāi)發(fā)利用以及生態(tài)環(huán)境退化的共同結(jié)果;林地－其他用地的分布遍布全市，是凱里在研究區(qū)內(nèi)土地利用變化最為活躍的一種類(lèi)型。

因此，在800 m內(nèi)高程對(duì)土地在耕地與建設(shè)用地之間變化的影響最大，其次是對(duì)林地、耕地和其他用地之間的影響。高程因影響氣壓、空氣密度和氣溫的變化，對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活所能到達(dá)的海拔高度具有決定性作用，使人類(lèi)的活動(dòng)和居住多分布在海拔較低、氣溫較高區(qū)域，故土地利用/覆被變化也主要在這高程范圍內(nèi)發(fā)生。

2．2 不同高程等級(jí)下耕地?fù)p失分析

耕地是喀斯特山區(qū)尤為重要的一種土地資源。為了能更加充分地反映出高程對(duì)喀斯特山區(qū)土地利用變化的影響，故選取耕地作為研究對(duì)象，對(duì)耕地在2003－2013年間不同高程的損失情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表2)。

總體上看，凱里市耕地?fù)p失量占比隨著高程增加呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)，這反映出凱里市的大多數(shù)人類(lèi)活動(dòng)都集中在高程低的區(qū)域。當(dāng)高程超過(guò)800 m后，由于人口分布稀少以及改變難度加大，耕地?fù)p失數(shù)量急劇減少。

從在不同高程影響下?lián)p失耕地向不同地類(lèi)的轉(zhuǎn)化量及其空間分布來(lái)看，轉(zhuǎn)建設(shè)用地的區(qū)域主要集中在高程＜800 m范圍(圖2)，占比達(dá)到74．02%。在600～650 m內(nèi)耕地?fù)p失于建設(shè)用地的面積達(dá)最大值，占該高程范圍耕地總面積的32．6%，主要分布在主城區(qū)向西南方向鴨塘鎮(zhèn)延伸的干道上，“凱麻同城化”的推進(jìn)及所帶來(lái)的輻射效應(yīng)是使建設(shè)用地沿著320國(guó)道擴(kuò)展的主導(dǎo)力量。在650～850 m高程區(qū)間耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地?cái)?shù)量逐漸減小，零星分布于凱開(kāi)大道兩側(cè)以及市下轄的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。而在850～950 m的區(qū)間又出現(xiàn)折點(diǎn)是由于在近10年間三棵樹(shù)鎮(zhèn)與爐山鎮(zhèn)通過(guò)占用耕地來(lái)大力發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)的結(jié)果。耕地轉(zhuǎn)林地零星分布于整個(gè)市域內(nèi)(圖3)，除在800～850、950～1000 m區(qū)間發(fā)生小幅突變外，在＜1150 m范圍內(nèi)變化都比較和緩，劇烈變化主要集中發(fā)生在＞1150 m范圍，變化面積占該區(qū)域耕地總面積的75．43%，充分反映了喀斯特山區(qū)在低海拔地域以及隨著高程增加地形變陡利用強(qiáng)度減小而出現(xiàn)的生態(tài)退耕現(xiàn)象。耕地轉(zhuǎn)其他用地在＜550 m和＞1250 m 2個(gè)極端高程區(qū)轉(zhuǎn)化面積比例較大(圖4)，主要是由于該范圍的耕地面積本身較小造成的;在550～1250 m內(nèi)耕地轉(zhuǎn)為其他用地的變化平緩，且其間主要表現(xiàn)為大面積經(jīng)過(guò)削峰填谷后待開(kāi)發(fā)的裸地和少部分質(zhì)量較低的棄耕地。

表2 凱里市2003－2013年不同高程的耕地?fù)p失情況Table 2The situation of loss of cultivated land at different elevations in Kaili from 2003 to 2013

圖2 不同高程下耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地面積占比及空間分布Fig．2The proportion of cultivated land converted into construction land and spatial distribution map under different elevation

圖3 不同高程下耕地轉(zhuǎn)林地面積占比及空間分布Fig．3The proportion of cultivated land converted into forest and spatial distribution map under different elevation

圖4 不同高程下耕地轉(zhuǎn)其他用地面積占比及空間分布Fig．4The proportion of cultivated land converted into other land and spatial distribution map under different elevation

2．3 不同坡度等級(jí)下土地利用變化綜合分析

根據(jù)凱里市的坡度范圍將其分為五個(gè)等級(jí)，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:小于5°為第一級(jí)，5°～15°為第二級(jí)，16°～25°為第三級(jí)，26°～35°為第四級(jí)，35°以上為第五級(jí)。按照該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)凱里市的坡度進(jìn)行重分類(lèi)(圖5)，并進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)凱里市在2003－2013年間在每一坡度等級(jí)下的土地轉(zhuǎn)移面積、比例及主要轉(zhuǎn)移類(lèi)型(表3)。

圖5 凱里市坡度分級(jí)Fig．5The grading map of slope of Kaili

表3 凱里市2003－2013年不同坡度等級(jí)的土地轉(zhuǎn)移面積與變化Table 3Land transfer area and change of different slope in Kaili from 2003 to 2013

研究區(qū)在2003－2013年間土地利用/覆被變化在5°～25°的坡度范圍內(nèi)變化最大，在小于5°以及26°～35°的范圍內(nèi)次之，而在坡度達(dá)35°以上區(qū)域變化最小。坡度小于5°區(qū)域主要發(fā)生的是耕地－建設(shè)用地的變化，在坡度5°～35°區(qū)域內(nèi)是林地、耕地、其他用地之間的交互變化，而坡度在35°以上則變化甚小。表明在0°～35°范圍內(nèi)坡度因子主要影響土地利用/覆被在耕地、建設(shè)用地、林地以及其他用地之間的變化，就耕地－建設(shè)用地這一變化來(lái)說(shuō)，結(jié)合凱里自身的發(fā)展實(shí)際，一個(gè)位于“地?zé)o三尺平”的山區(qū)并正處于城市化大力發(fā)展階段的城市，亟需占用大量坡度小的土地來(lái)滿(mǎn)足整個(gè)城市的發(fā)展需求，因而坡度在0°～15°范圍內(nèi)的平坦地區(qū)發(fā)生土地利用變化現(xiàn)象尤為明顯。

2．4 不同坡度等級(jí)下耕地?fù)p失分析

總體上看，凱里市耕地?fù)p失量隨著坡度增加呈現(xiàn)出先急劇增加而后急劇減少的趨勢(shì)(表4)，而其占比呈現(xiàn)出先減少后增加的現(xiàn)象。在5°～15°坡度范圍內(nèi)耕地?fù)p失面積達(dá)到最大值，同時(shí)＜5°區(qū)域耕地?fù)p失面積所占比例最大，表明凱里市的人類(lèi)活動(dòng)大多都集中于＜15°坡度范圍。

從在不同坡度影響下?lián)p失耕地向不同地類(lèi)的轉(zhuǎn)化量及其空間分布來(lái)看，轉(zhuǎn)建設(shè)用地所占比例隨著坡度增加逐漸下降(圖6)，在坡度5°～15°范圍內(nèi)耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積最多達(dá)4856．24 hm2，其中的4185 hm2都集中位于10°～15°坡度范圍，當(dāng)坡度大于26°后，耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地的規(guī)模極小甚至為0，反映出喀斯特山區(qū)地形對(duì)區(qū)域建設(shè)的嚴(yán)重阻礙作用。發(fā)生轉(zhuǎn)移變化的區(qū)域主要分布在凱里城區(qū)以及在地方政府扶持下大力發(fā)展的鴨塘、三棵樹(shù)以及爐山鎮(zhèn)。耕地轉(zhuǎn)林地在空間上零星分布于整個(gè)市域(圖7)，由于坡度15°以下區(qū)域是喀斯特山區(qū)人為活動(dòng)的活躍地帶且隨坡度增加耕地本身面積增加，故使得耕地轉(zhuǎn)林地的面積較小且所占比例逐漸減小，當(dāng)坡度大于15°后，隨著人類(lèi)作用強(qiáng)度減弱，耕地自然轉(zhuǎn)林地的比例也逐漸增大，當(dāng)坡度達(dá)30°后耕地轉(zhuǎn)林地的比例高達(dá)31．81%。耕地轉(zhuǎn)其他用地主要分布在研究區(qū)的東北部(圖8)，且集中于坡度15°以下，面積多達(dá)7718．84 hm2，占該坡度區(qū)耕地總面積的32．13%。從以上折線(xiàn)圖可以看出在＜30°坡度范圍內(nèi)耕地轉(zhuǎn)其他用地占比不斷增大，而當(dāng)大于30°后占比便大幅降低且主要以無(wú)法利用的山間裸地形式存在。

表4 凱里市2003－2013年不同坡度的耕地?fù)p失情況Table 4The situation of loss of cultivated land at different slope in Kaili from 2003 to 2013

圖6 不同坡度下耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地面積占比及空間分布Fig．6The proportion of cultivated land converted into construction land and spatial distribution map under different slope

圖7 不同坡度下耕地轉(zhuǎn)林地面積占比及空間分布Fig．7The proportion of cultivated land converted into forest and spatial distribution map under different slope

圖8 不同坡度下耕地轉(zhuǎn)其他用地面積占比及空間分布Fig．8The proportion of cultivated land converted into other land and spatial distribution map under different slope

3 討論與結(jié)論

本文以凱里市作為研究區(qū)域，在2003年與2013年遙感影像以及DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Erdas8．5和ArcGIS10．1進(jìn)行圖像分類(lèi)、數(shù)字化處理以及空間數(shù)據(jù)疊加分析與統(tǒng)計(jì)，分析在高程和坡度等因素影響下耕地?fù)p失的空間分布特征。

(1)凱里市位于喀斯特地貌區(qū)，海拔與坡度對(duì)土地利用有著重大影響。凱里市的海拔普遍較高，土地利用/覆被變化主要發(fā)生在700～1000 m高程范圍內(nèi)，其間轉(zhuǎn)移類(lèi)型主要為林地轉(zhuǎn)其他用地和耕地、耕地轉(zhuǎn)其他用地和建設(shè)用地。其中耕地－建設(shè)用地大多分布于平緩的700～800 m高程范圍內(nèi)，林地－耕地大部分位于800～1000 m海拔區(qū)域，耕地－其他用地在1000 m以下的各高程范圍內(nèi)都廣泛分布，而林地－其他用地的分布則遍至全市。而10年間土地利用方式在5°～25°的坡度范圍內(nèi)變化最大，＜5°以及26°～35°范圍內(nèi)的變化次之，在坡度＞35°區(qū)域變化最小，且變化大多都是耕地、林地、建設(shè)用地和其他用地之間的交互轉(zhuǎn)化。

(2)凱里市耕地?fù)p失量占比隨著高程增加呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)，耕地?fù)p失轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的區(qū)域集中在高程＜800 m范圍，且在600～650 m間達(dá)最大值;耕地轉(zhuǎn)林地在＜1150 m范圍內(nèi)變化都比較和緩，劇烈變化主要集中發(fā)生在＞1150 m區(qū)域;耕地轉(zhuǎn)其他用地在＜550 m和＞1250 m兩個(gè)極端高程區(qū)轉(zhuǎn)化面積比例較大，在550～1250 m內(nèi)變化平緩。

(3)凱里市耕地?fù)p失量隨著坡度增加呈現(xiàn)出先急劇增加而后急劇減少的趨勢(shì)，在5°～15°坡度范圍內(nèi)達(dá)到最大值。轉(zhuǎn)建設(shè)用地所占比例隨著坡度增加逐漸下降，在坡度5°～15°范圍內(nèi)耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地的面積最多且其間高度集中于10°～15°坡度范圍，大于26°后轉(zhuǎn)移規(guī)模極小甚至為0;耕地轉(zhuǎn)林地在空間上零星分布于整個(gè)市域，坡度15°以下轉(zhuǎn)移面積較小，當(dāng)大于15°后耕地自然轉(zhuǎn)林地的比例逐漸增大，當(dāng)坡度達(dá)30°后耕地轉(zhuǎn)林地的比例高達(dá)31．81%;耕地轉(zhuǎn)其他用地主要分布在東北部且集中于坡度15°以下，在＜30°坡度范圍內(nèi)耕地轉(zhuǎn)其他用地占比不斷增大，而30°后便迅速降低。

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［17］劉友兆，曾志強(qiáng)，鐘太洋．非農(nóng)占用耕地?fù)p失估算［J］．地域研究與開(kāi)發(fā)，2003，22(1):14－16．

(責(zé)任編輯 李潔)

Study on Spatial Distribution Law and Its Affecting Factors of Loss of Cultivated Land in Karst Mountains

FAN Ting1，2，PAN Hong-yi1，2*，CUI Lv-ye1，2，ZHU Wan-qiu1，2
(1．Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest，Ministry of Education，Sichuan Normal University，Sichuan Chengdu 610068，China;2．Geography and Resources Science College，Sichuan Chengdu 610068，China)

As the most important constitutional part of land resources，cultivated land guaranteed the survival and the development of human race．The spatial distribution of cultivated land loss under the influence of elevation and slope was analyzed，using digital image classification techniques and the results of overlaying spatial data based on Erdas and ArcGIS，with the remote sensing images of the city of Kaili in 2003 and 2013．The main results were shown as below:(i)As the altitude of Kaili was high，the change of land use/cover occurred mainly in the elevation range of 700－1000 meters．While the way of land use had great change in the slope range of 5°to 25°with terrain constraints．(ii)On the whole，the proportion of cultivated land loss taking up the corresponding total area in the elevation range presented a trend of decreasing with elevation increasing．(iii)With the increase of slope，the amount of cultivated land loss shows a tendency of increasing sharply at first and then decreasing dramatically．And cultivated land loss reached a maximum value within the slope range of 5°to 15°．

Karst mountains;Land use change;Loss of cultivated land;Spatial distribution;Kaili

F301．2

A

1001－4829(2017)1－0162－07

10．16213/j．cnki．scjas．2017．1．028

2016－02－12

國(guó)家自然科學(xué)基金(41371125);四川省教育廳課題(16ZB0061)

范婷(1993－)，女，四川西充人，碩士研究生，主要從事土地利用與評(píng)價(jià)研究，E-mail:fanting93@163．com，*為通訊作者:潘洪義，副教授，主要從事土地利用與評(píng)價(jià)研究，E-mail:panhongyi80@163．com。